1.4 板件的稳定和屈曲后强度的利用
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钢结构稳定设计指南钢结构失稳形式存在多样性外,还应了解下列四个方面的特点:(1)稳定问题要考虑构件及结构的整体作用;(2)稳定计算要按二阶分析进行;(3)考虑初始缺陷的极值稳定计算正在取代完善构件的分岔点稳定计算;(4)稳定性不仅通过计算来保证,还需要从结构方案布置和构造设计来配合。
关键字:钢结构稳定,轴心压杆,计算长度,受弯构件,框架稳定一.钢结构稳定问题的待点失稳形式存在多样性外,还应了解下列四个方面的特点:(1)稳定问题要考虑构件及结构的整体作用;(2)稳定计算要按二阶分析进行;(3)考虑初始缺陷的极值稳定计算正在取代完善构件的分岔点稳定计算;(4)稳定性不仅通过计算来保证,还需要从结构方案布置和构造设计来配合。
二.轴心压杆的稳定计算(1)影响轴心压杆稳定承载力的最主要因素是残余应力,它是把稳定系数分成a、b、c三类的依据,残余压应力越大,位置距形心轴越远,值越低。
(2)轴心压杆不仅会发生弯曲失稳,也可能发生扭转失稳。
在采用单轴对称截面时.需要特别注意扭转的不利作用。
(3)设计格构柱时,需要了解几何缺陷的不利影响和柱肢压缩对缀条的影响。
三.轴心压杆的计算长度关于压杆计算长度的确定,需要明确以下几点:(1)确定杆系结构中的杆件计算长度时,应把它和对它起约束作用的构件一起作稳定分析。
这是稳定性整体计算的一种简化方法。
压杆一般不能依靠其他压杆对它的约束作用,除非两者的压力相差悬殊。
(2)节点连接的构造方式会影响杆件的稳定性能。
因此,杆件计算长度和构造设计有密切联系。
比如杆件在交叉点的拼接会影响它的出平面弯曲刚度并使计算长度增大。
又如起减小计算长度作用的撑杆的连接有偏心,会降低它的有效性。
(3)塔架杆件的计算长度有不同于平面桁架(屋架)的特点.主杆和腹杆都各有其特殊之处。
此外、塔架中单角钢杆件预期绕平行轴失稳时,需要考虑扭转的不利影响。
(4)桁架体系的支撑构件和塔架中的横隔构件都对杆件的计算长度有直接影响。
1. 设计时,一般不允许翼缘发生局部失稳,容许腹板局部失稳并利用其屈曲后强度。
2. 根据局部稳定计算的等强原则,当翼缘宽厚比yf t b 23515≤时,翼缘不会发生局部失稳。
设计时允许腹板局部失稳,但考虑到刚度及制作等要求,腹板高厚比应作一定要求,目前我国现行《钢结构设计规范GBJ17-88》规定yw f t h 235250≤。
3. .构件平面外稳定设计公式为fWM AN by t y ≤+φβϕ0[2],其中y ϕ为平面外轴压整体稳定系数,根据平面外支撑间距与截面回转半径之比即长细比λ查表得到。
by ϕ为弯扭整体稳定系数,主要取决于平面外支撑间距y l 与截面回转半径的比值。
从该公式可以看出,在构件平面外抗弯性能相对较差(回转半径较小)的情况下,适当减小平面外支撑间距y l 可以有效地提高平面外的稳定性能。
4. 构件平面外的支撑形式和布置决定了平面外支撑间距y l ,也就决定了构件的稳定临界荷载值。
中柱通常为轴压构件,柱顶的水平位移值决定了构件的计算长度。
通过对受弯构件平面外支撑和中柱柱顶水平位移的控制可以达到控制刚架稳定临界荷载的目的5. 因此檩条间距可以看作上翼缘的支撑长度, 因此隅撑的间距作为下翼缘的面外支撑长度6. 当构件长度较长且不允许设置足够的檩条隅撑时,可以在构件中部设置撑杆。
撑杆应该设置在受压翼缘一侧,或使用桁架形式支承两侧翼缘, 7. 门式刚架梁柱设计时通过限制翼缘的yf t b 23515≤来确保其不发生局部失稳。
容许腹板局部失稳,设计时取其屈曲后极限强度,但考虑到刚度和制作要求,取yw f th 235250≤。
同时,为防止在施工安装过程中防止发生扭转可以局部设置截面加劲肋。
加劲肋要求有一定的刚度[12],即加劲板宽度mm h b s s 4030+>,为劲板高度s h ,劲板厚度15/s s b t >。
支座处的劲板除满足一般要求外需要作局部承压验算8. 当建筑物的长度很大时,当温度变化较大,上部结构将发生很大的伸缩变形,而基础以下还固定于原来的位置,这种变形会使柱梁等构件产生很大的内力,严重的可使其断裂甚至破坏。
钢结构设计练习题一、填空题1、门式刚架轻型房屋屋面坡度宜取(20 8),在雨水较多的地区取其中的较大值。
2、在设置柱间支撑的开间,应同时设置(屋盖横向支撑),以构成几何不变体系。
3、当端部支撑设在端部第二个开间时,在第一个开间的相应位置应设置(刚性)系杆。
4、冷弯薄壁构件设计时,为了节省钢材,允许板件(受压屈曲),并利用其(屈曲后)强度进行设计.5、当实腹式刚架斜梁的下翼缘受压时,必须在受压翼缘两侧布置(隅撑)6、螺栓排列应符合构造要求,通常螺栓端距不应小于(2)倍螺栓孔径,两排螺栓之间的最小距离为(3 )倍螺栓直径。
7、垂直于屋面坡度放置的檩条,按(双向受弯)构件设计计算。
8、屋架节点板上,腹杆与弦杆以及腹杆与腹杆之间的间隙应不小于(2 0mm).9、拉条的作用是(防止檩条侧向变形和扭转并且提供x轴方向的中间支点)。
10、实腹式檩条可通过檩托与刚架斜梁连接,设置檩托的目的是(防止檩条端部截面的扭转,以增强其整体稳定性).11、屋架的中央竖杆常和垂直支撑相连,一般做成十字形截面,这时它的计算长度是(0。
9L)。
12、设计吊车梁时,对于构造细部应尽可能选用疲劳强度高的连接型式,例如吊车梁腹板与上翼缘的连接应采用(焊透的k形)焊缝。
13、钢屋架中的杆件一般是由双角钢组成,为使两个角钢组成的杆件起整体作用,应设置(垫板)。
14、屋盖支撑可以分为(上弦横向支撑)、(下弦横向支撑)、(下弦竖向支撑)、(垂直支撑)、(系杆)五类。
15、钢屋架中的杆件一般是由双角钢组成,为使两个角钢组成的杆件起整体作用,应设置(垫板)。
16、屋架上弦杆为压杆,其承载能力由(稳定)控制;下弦杆为拉杆,其截面尺寸由(强度)确定.17、梯形钢屋架,除端腹杆以外的一般腹杆,在屋架平面内的计算长度Lox=(0。
8 )L,在屋架平面外的计算长度Loy=(1。
0)L,其中L为杆件的几何长度.18、吊车梁承受桥式吊车产生的三个方向荷载作用,即(吊车的竖向荷载P ),(横向水平荷载T)和(纵向水平荷载Tl)。
《钢结构》网上辅导材料受弯构件的强度、整体稳定和局部稳定计算钢梁的设计应进行强度、整体稳定、局部稳定和刚度四个方面的计算。
一、强度和刚度计算1.强度计算强度包括抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度和折算应力。
(1)抗弯强度荷载不断增加时正应力的发展过程分为三个阶段,以双轴对称工字形截面为例说明如下:图1 梁正应力的分布1)弹性工作阶段荷载较小时,截面上各点的弯曲应力均小于屈服点f,荷载继续增y加,直至边缘纤维应力达到f(图1b)。
y2)弹塑性工作阶段荷载继续增加,截面上、下各有一个高度为a的区域,其应力σ为屈服应力f。
截面的中间部分区域仍保持弹性(图1c),此时梁处于弹塑性工作阶段。
y3)塑性工作阶段当荷载再继续增加,梁截面的塑性区便不断向内发展,弹性核心不断变小。
当弹性核心完全消失(图1d)时,荷载不再增加,而变形却继续发展,形成“塑性铰”,梁的承载能力达到极限。
计算抗弯强度时,需要计算疲劳的梁,常采用弹性设计。
若按截面形成塑性铰进行设计,可能使梁产生的挠度过大。
因此规范规定有限制地利用塑性。
梁的抗弯强度按下列公式计算:单向弯曲时f W Mnxx x≤=γσ (1)双向弯曲时f W MW Mnyy ynxx x≤+=γγσ (2)式中 M x 、M y —绕x 轴和y 轴的弯矩(对工字形和H 形截面,x 轴为强轴,y 轴为弱轴);W nx 、W ny —梁对x 轴和y 轴的净截面模量; y x γγ,—截面塑性发展系数,对工字形截面,20.1,05.1==yxγγ;对箱形截面,05.1==yxγγ;f —钢材的抗弯强度设计值。
当梁受压翼缘的外伸宽度b 与其厚度t 之比大于y f /23513 ,但不超过yf /23515时,取0.1=xγ。
需要计算疲劳的梁,宜取0.1==yx γγ。
(2)抗剪强度主平面受弯的实腹梁,以截面上的最大剪应力达到钢材的抗剪屈服点为承载力极限状态。
v wf It VS ≤=τ(3)式中 V —计算截面沿腹板平面作用的剪力设计值;S —中和轴以上毛截面对中和轴的面积矩; I —毛截面惯性矩; t w —腹板厚度;f v —钢材的抗剪强度设计值。
第4章单个构件的承载能力——稳定性4.1 稳定问题的一般特点4.1.1 失稳的类别传统上,将失稳粗略地分为两类:分支点失稳和极值点失稳。
分支点失稳的特征是:在临界状态时,结构从初始的平衡位形突变到与其临近的另一平衡位形,表现出乎衡位形的分岔现象。
在轴心压力作用下的完善直杆以及在中面受压的完善平板的失稳都属于这一类型。
没有平衡位形分岔,临界状态表现为结构不能再承受荷载增量是极值点失稳的特征,由建筑钢材做成的偏心受压构件,在经历足够的塑性发展过程后常呈极值点失稳。
如果着眼于研究结构的极限承载能力,可依屈曲后性能分为如下三类:(1)稳定分岔屈曲。
分岔屈曲后,结构还可承受荷载增量。
轴心压力作用下的杆以及中面受压的平板都具有这种持征。
(2)不稳定分岔屈曲。
分岔屈曲后,结构只能在比临界荷载低的荷载下才能维持平衡位形。
承受轴向荷载的圆柱壳、承受均匀外压的球壳都呈不稳定分岔屈曲形式。
(3)跃越屈曲。
结构以大幅度的变形从一个平衡位形跳到另一个平衡位形。
铰接坦拱和油罐的扁球壳顶盖都属于这种失稳情形。
缺陷的存在使得结构不再呈分岔失稳形式。
但是缺陷的存在并不改变它们屈曲后的性态:在稳定分岔屈曲中极限荷裁仍然高于临界荷裁;而在不稳定分岔屈曲中,缺陷导致极限荷裁大幅度跌落。
由此可见,不稳定分岔屈曲的结构对缺陷特别敏感,无视缺陷对承裁力的影响将对设计造成严重的不安全后果。
4.1.2 一阶和二阶分析经典梁理论(亦称欧拉梁理论)本质上是构建在曲率与弯矩成正比的基础上的:4.1.3 稳定极限承载能力杆件的初始弯曲、初始偏心以及板件的初始不平度等都属于几何缺陷;力学缺陷一般表现为初始应力和力学参数(如弹性模量、强度极限等)的不均匀性。
对稳定承载能力而言,残余应力是影响最大的力学缺陷。
残余应力在构件截面上是自相平衡的,它并不影响强度承载能力。
但是它的存在使得构件截面的一部分提前进人屈服,从而导致该区域的刚度提前消失,由此造成稳定承载能力的降低。
钢结构设计参考资料一、判断题(本大题共0分,共 40 小题,每小题 0 分)1. 对于单轴对称截面的压弯构件,其强度计算时截面可能在弯矩受压侧破坏,也可能在弯矩受拉侧破坏。
2. 应力集中会大大降低轴心受压构件的强度承载力。
3. 连续次梁承担的弯矩通过支座直接传给主梁。
4. 需要进行疲劳计算或直接承受动载的构件,垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时可以按三级检验。
5. 工字形截面翼缘和腹板均可利用屈曲后强度。
6. 与腹板配置加劲肋已保证腹板局部稳定的梁相比,利用屈曲后强度的相同梁的抗弯承载力相对较大。
7. 框架柱在框架平面内的计算长度系数是根据横梁线刚度之和与柱子线刚度之和的比值查表确定的。
8. 压弯构件的受压翼缘板,其应力情况、局部失稳形式与梁受压翼缘基本相同。
9. 一般来说,焊接时最后冷却的部位通常受残余拉应力。
10. 结构的轻质性可用材料的质量密度与强度的比值a衡量,a越小,结构就相对越轻。
11. 提高钢材的强度可较大幅度提高轴心受压构件的稳定承载力。
12. 焊接结构的疲劳强度与应力幅有关,而与名义最大应力和应力比无关。
13. 位于地震区的建筑宜采用钢结构。
14. 梁柱刚接连接将同时传递梁端的弯矩和剪力。
15. 格构式构件设置横隔的目的是为了提高构件的稳定承载力。
16. 工字钢与H形钢承受横向荷载时具有较大的抗弯刚度,因此是受弯构件中最经济的截面形式,用于梁的H型钢宜采用宽翼缘型(HK型)。
17. 弯矩绕虚轴作用的格构式框架柱弯矩作用平面内的整体稳定计算公式中的,其中y0为由x轴(虚轴)到压力较大分肢轴线的距离。
18. 普通螺栓受拉时,撬力的大小与连接件的刚度有关,连接件的刚度越小撬力越大;同时撬力也与螺栓直径和螺栓所在位置等因素有关。
19. 单层工业厂房的框架可以简化为平面框架进行计算。
20. 钢框架结构中的梁柱连接一般采用刚接。
21. 大型实腹式柱的横隔和横向加劲肋的作用和形式完全相同。