钢柱 轴心受力构件()解析

第4章 轴心受力构件4.1 概述轴心受力构件广泛地应用于钢结构承重构件中，如钢屋架、网架、网壳、塔架等杆系结构的杆件，平台结构的支柱等。

这类构件，在节点处往往做成铰接连接，节点的转动刚度在确定杆件计算长度时予以适当考虑，一般只承受节点荷载。

根据杆件承受的轴心力的性质可分为轴心受拉构件和轴心受压构件。

一些非承重构件，如支撑、缀条等，也常常由轴心受力构件组成。

轴心受力构件的截面形式有三种：第一种是热轧型钢截面，如图4-1(a )中的工字钢、H 型钢、槽钢、角钢、T 型钢、圆钢、圆管、方管等；第二种是冷弯薄壁型钢截面，如图4-1(b )中冷弯角钢、槽钢和冷弯方管等；第三种是用型钢和钢板或钢板和钢板连接而成的组合截面，如图4-1(c )所示的实腹式组合截面和图4-1(d ) 所示的格构式组合截面。

轴心受力构件的截面必须满足强度、刚度要求，且制作简单、便于连接、施工方便。

因此，一般要求截面宽大而壁厚较薄，能提供较大的刚度，尤其对于轴心受压构件，承载力一般由整体稳定控制，宽大的截面因稳定性能好从而用料经济，但此时应注意板件的局部屈曲问题，板件的局部屈曲势必影响构件的承载力。

4.2 轴心受力构件的强度轴心受力构件的强度计算是以构件的净截面达到屈服应力为限ynf A N ==σ根据概率极限状态设计法，N 取设计值（标准值乘以荷载分项系数），yf 也去设计值（除以抗力分项系数087.1=Rγ）即f，钢材设计强度见附表1.1，P313。

表达式为fA N n≤ （4.1）nA 为轴心受力构件的净截面面积。

在螺栓连接轴心受力构件中，需要特别注意。

4.3 轴心受力构件的刚度为满足正常使用要求，受拉构件（包括轴心受拉、拉弯构件）、受压构件（轴心受压构件、压弯构件）不宜过分细长，否则刚度过小，制作、运输、安装过程中易弯曲（P118列出四种不利影响）。

受拉和受压构件的刚度通过长细比λ控制][),max(max λλλλ≤=y x （4.4） 式中x x x i l /0=λ，yy y i l /0=λ；][λ为容许长细比，见表4.1，4.2。

钢结构轴心受力构件计算3.1 轴心受力构件概述在钢结构中，轴心受力构件的应用十分广泛，如桁架、塔架和网架、网壳等杆件体系。

这类结构的节点通常假设为铰接，当无节间荷载作用时，杆件只受轴向力（轴向拉力或轴向压力）的作用，称为轴心受力构件（轴心受拉构件或轴心受压构件）。

图3-1所示为轴心受力构件在工程上应用的一些实例。

图3-1 轴心受力构件在工程中的应用（a）桁架；（b）塔架；（c）网架轴心受力构件常用的截面形式可分为实腹式和格构式两大类。

（1）实腹式构件制作简单，与其他构件的连接也比较方便，常用的截面形式很多，可直接选用轧制型钢截面，如圆钢、钢管、角钢、工字钢、H 型钢、T 型钢等[图3-2（a）]；也可选用由型钢或钢板组成的组合截面[图3-2（b）]；在轻型结构中则可采用冷弯薄壁型钢截面[图3-2（c）]。

以上这些截面中，截面紧凑（如圆钢）或对两主轴刚度相差悬殊者（如单槽钢、工字钢），一般适用于轴心受拉构件，而受压构件通常采用较为开展、组成板件宽而薄的截面。

（2）格构式构件[图3-2（d）]容易使压杆实现两主轴方向的稳定性。

这种构件的刚度大、抗扭性好，用料较省。

格构式截面一般由两个或多个型钢肢件组成，肢件之间采用缀条或缀板连成整体，缀条和缀板统称为缀材。

图3-2 轴心受力杆件的截面形式（a）轧制型钢截面；（b）焊接实腹式组合截面；（c）冷弯薄壁型钢截面；（d）格构式截面3.2 轴心受力构件的强度及刚度轴心受拉构件的设计除根据结构用途、构件受力大小和材料供应情况选用合理的截面形式外，还要对所选截面进行强度和刚度验算。

强度要求就是使构件截面上的最大正应力不超过钢材的强度设计值，刚度要求就是使构件的长细比不超过容许长细比。

轴心受压构件在设计时，除使所选截面满足强度和刚度要求外，还应使其满足构件整体稳定性和局部稳定性的要求。

整体稳定性要求是使构件在设计荷载作用下不致发生屈曲而丧失承载能力；局部稳定性要求一般是使组成构件的板件宽厚比不超过规定限值，以保证板件不会屈曲，或者使格构式构件的分肢不发生屈曲。

结构力学教案中的轴心受力解析学生如何分析轴心受力构件的应力和变形结构力学教案中的轴心受力解析结构力学是工程学的基础课程，其中涉及到轴心受力的分析。

轴心受力是指在结构构件上作用的沿轴心方向的力，它对于结构的应力和变形分析非常关键。

下面将介绍学生如何分析轴心受力构件的应力和变形。

一、概述轴心受力构件通常由拉力或压力引起变形，其应力和变形分析可以通过应力—应变关系和约束条件来解决。

以下将分别介绍应力—应变关系和约束条件的原理及应用。

二、应力—应变关系轴心受力构件的应力—应变关系可用胡克定律来描述，即应力等于杨氏模量与应变的乘积。

σ = Eε其中，σ为轴心受力构件的应力，E为杨氏模量，ε为应变。

根据这个方程，我们可以根据已知的应力和杨氏模量来计算应变。

三、约束条件在分析轴心受力构件的应力和变形时，需要考虑到约束条件。

约束条件通常通过位移约束、应力约束和变形约束来定义。

以下将介绍这些约束条件的原理及应用。

1. 位移约束位移约束是指轴心受力构件端点的位移被限制在某个范围内，可以是水平方向、垂直方向或轴向。

位移约束主要通过平衡方程来解决，即构件内外力的合力为零，从而确定位移约束条件。

2. 应力约束应力约束是指轴心受力构件在某些位置需要满足特定的应力条件，例如应力连续性要求。

应力约束可通过应力平衡方程来解决，即构件各截面上的应力之和为零。

3. 变形约束变形约束是指轴心受力构件在某些位置需要满足特定的变形条件，例如位移连续性要求。

变形约束可通过变形平衡方程来解决，即构件各截面上的变形之和为零。

四、应力和变形分析方法分析轴心受力构件的应力和变形通常可以采用静力平衡和材料力学的基本原理。

根据这些原理，可以采用以下两种方法进行分析。

1. 静力平衡法静力平衡法是一种通过考虑构件上的力平衡来解决应力和变形的分析方法。

通过应用平衡方程，可以得到轴心受力构件的内力分布和相应的应力和变形。

2. 受力方程法受力方程法是一种通过考虑构件上的力方程来解决应力和变形的分析方法。

钢柱结构的稳定性分析在钢构件的设计中，轴心受力构件和拉弯、压弯构件是重要的两种类型。

其中，轴心受拉构件和拉弯构件只需验算其强度和刚度；而轴心受压构件和压弯构件除验算其强度和刚度外，还需验算其稳定性。

局部稳定一般利用掌握板件的宽厚比保证，而整体稳定的计算状况比较多，是重点也是难点。

笔者对整体稳定的验算状况整理如下：关于长细比关于钢柱的整体稳定验算，首要问题是计算其长细比。

对于长细比的把握，主要从以下三方面入手：容许长细比：受压可参考钢标7.4.6条、受拉可参考钢标7.4.7条。

长细比计算：实腹式双轴对称截面长细比和单轴对称截面换算长细比可参考钢标7.2.2条、格构式绕实轴的长细比和绕虚轴的换算长细比可参考钢标7.2.3条。

计算长度：桁架和塔架杆件可参考钢标7.4.1~7.4.5条、框架柱可参考钢标8.3.1~8.3.5条。

轴心受压构件轴心受压构件的设计一般使两个方向具有等稳定性，当两个方向的长细比相差较大时，可在较大长细比方向设置侧向支撑。

一般需验算两个主轴方向的稳定性。

实腹式：绕强轴和绕弱轴，计算两个方向的稳定系数，采纳较小的稳定系数。

格构式：绕实轴和绕虚轴，计算两个方向的稳定系数，采纳较小的稳定系数。

对于格构式构件，为了保证分肢的稳定性，尚应掌握分肢长细比，可参考钢标7.2.4~7.2.6条。

压弯构件压弯构件的验算状况是最多的，可从四个方面把握：分别是实腹式、格构式，单向受弯、双向受弯，绕实轴、绕虚轴（或绕强轴、绕弱轴），平面内、平面外。

无论哪种状况，均需验算平面内稳定和平面外稳定，所以依据前三个方面的排列共8种状况。

实腹式构件单向受弯，无论绕强轴或是绕弱轴，计算状况是一样的，只需替换相应方向的参数即可，可削减一种情。

实腹式构件和格构式构件双向受弯时，两个方向都有弯矩，不再区分绕哪个方向，可削减两种状况。

所以，8种状况削减为5种，分别如下：实腹式单向压弯（一般绕强轴）构件平面内、平面外稳定性。