第3章構(gòu)件截面承載力—強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)承載能力的三種形式：構(gòu)件截面承載能力：在荷載作用下截面的應(yīng)力與構(gòu)件材料相應(yīng)強(qiáng)度值的比較，即強(qiáng)度單個(gè)構(gòu)件的承載能力：構(gòu)件的穩(wěn)定性，與構(gòu)件的剛度有關(guān)整體結(jié)構(gòu)的承載能力：與抗側(cè)力構(gòu)件的剛度有關(guān)或與結(jié)構(gòu)體系中壓桿、壓彎構(gòu)件有關(guān)3.1軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度和截面選擇

1、軸心受力構(gòu)件的應(yīng)用：分類：軸心受壓構(gòu)件、軸心受拉構(gòu)件應(yīng)用：桁架：鋼屋架、托架、吊車梁以及制動桁架；塔架：電視塔、氣象塔、輸電線路塔；網(wǎng)架：平面網(wǎng)架、空間網(wǎng)架；柱：操作平臺柱、抗風(fēng)柱；各種支撐結(jié)構(gòu)：屋面支撐、柱間支撐以上各種結(jié)構(gòu)中的每一根桿件均為軸心受力構(gòu)件。3.塔架1.桁架2.網(wǎng)架軸心受壓柱實(shí)腹式軸壓柱與格構(gòu)式軸壓柱二、軸心受壓構(gòu)件的截面形式截面形式可分為：實(shí)腹式和格構(gòu)式兩大類。1、實(shí)腹式截面2、格構(gòu)式截面截面由兩個(gè)或多個(gè)型鋼肢件通過綴材連接而成。3、截面選擇的基本原則：滿足強(qiáng)度所需的截面面積；滿足剛度的要求；制作簡便；便于連接三、軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度

強(qiáng)度計(jì)算（承載能力極限狀態(tài)）

N—軸心拉力或壓力設(shè)計(jì)值；

An—構(gòu)件的凈截面面積；

f—鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。軸心受壓構(gòu)件，當(dāng)截面無削弱時(shí)，強(qiáng)度不必計(jì)算。軸心受力構(gòu)件軸心受拉構(gòu)件軸心受壓構(gòu)件強(qiáng)度

（承載能力極限狀態(tài)）剛度

（正常使用極限狀態(tài)）強(qiáng)度剛度

（正常使用極限狀態(tài)）穩(wěn)定（承載能力極限狀態(tài)）軸心受壓構(gòu)件的的強(qiáng)度計(jì)算當(dāng)壓桿截面無孔洞時(shí)，構(gòu)件承載力力是由穩(wěn)定來控制，此時(shí)強(qiáng)強(qiáng)度可不計(jì)算；；當(dāng)壓桿截面有孔洞時(shí)，構(gòu)件承載力力可由強(qiáng)度來控制，此時(shí)即即要計(jì)算凈截面強(qiáng)度又要計(jì)算桿件的的穩(wěn)定性；梁——承受橫向荷載的的受彎實(shí)腹式構(gòu)構(gòu)件格構(gòu)式梁——桁架一、類型3.2梁的類型和強(qiáng)度度按制作方法分：：型鋼梁、組合合（截面）梁樓蓋梁平臺梁按功能分吊車梁檁條墻架梁等1.型鋼梁2.組合梁3.單向彎曲梁與雙雙向彎曲梁4.梁的計(jì)算內(nèi)容正常使用極限狀狀態(tài)剛度(計(jì)算撓度小于允允許撓度)承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度局部壓應(yīng)力折算應(yīng)力整體穩(wěn)定局部穩(wěn)定構(gòu)件的疲勞驗(yàn)算算：直接承受動動力荷載的梁，，當(dāng)n>5×104次時(shí)應(yīng)進(jìn)行計(jì)算算。梁的正應(yīng)力：以以工字型截面為為例，純彎曲的的簡支梁的M-ω曲線。有四個(gè)階階段：1）彈性工作階段段2）彈塑性工作階階段3）塑性工作階段段4）應(yīng)變硬化階段段3.2.2梁的彎曲、剪切切強(qiáng)度(一)抗彎強(qiáng)度1.工作性能（1）彈性階段

x

xσfy彈性階段的最大大彎矩:注：需進(jìn)行疲勞驗(yàn)算的梁以此作為承承載能力極限狀狀態(tài)；冷彎薄壁梁也以此作為承載載能力極限狀態(tài)態(tài)(2)彈塑性階段

x

xσfyaafyfy分為

和

兩個(gè)區(qū)域。梁翼緣邊緣纖維維應(yīng)力已達(dá)到屈屈服點(diǎn)，開始形形成塑性區(qū)，并并從翼緣開始逐逐步向中和軸發(fā)發(fā)展。靠近中和和軸部分腹板面面積仍保持彈性性階段。這時(shí)所所增加的外力ΔM全部由彈性區(qū)來來承受。普通鋼結(jié)構(gòu)的受受彎構(gòu)件就是以這個(gè)階段段作為承載力極極限狀態(tài)。此時(shí)時(shí)只考慮部分截面塑性發(fā)發(fā)展。

x

xσfyaafyfy(3)塑性工作階段彈性區(qū)消失，形形成塑性鉸。。是鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行塑性設(shè)計(jì)的依據(jù)。此時(shí)截截面出現(xiàn)塑性鉸鉸，Mxp即為塑性鉸彎矩矩。塑性鉸彎矩與彈性最大彎矩矩之之比比:只取決于截面幾何形狀而與材料的性質(zhì)無關(guān)的形狀系數(shù)。對X軸對Y軸XXYYA1Aw（4）應(yīng)變硬化階段段梁翼緣的強(qiáng)度有有所增加，但在在計(jì)算時(shí)不利用用這一階段的強(qiáng)強(qiáng)度值，作為強(qiáng)度儲備。2.抗彎強(qiáng)度計(jì)算梁設(shè)計(jì)時(shí)只是有有限制地利用截截面的塑性，如如工字形截面塑塑性發(fā)展深度取取a≤h/8。(1)單向彎曲梁(2)雙向彎曲梁

x

xaafy式中：截面塑性發(fā)展系系數(shù)，對于工字字形截面梁:其他截面見表3-4。當(dāng)翼緣外伸寬度度b與其厚度t之比滿足:時(shí)，需要計(jì)算疲勞強(qiáng)強(qiáng)度的梁:XXYYbt（二）抗剪強(qiáng)度度VmaxMmaxtmax

x

x在荷載作用下梁梁截面既有彎矩又有剪力（純彎曲梁除外外），截面既有有正應(yīng)力又有剪剪應(yīng)力。對熱軋型鋼，由于其腹板較較厚，若腹板無無孔洞或截面削削弱，一般情況況下不驗(yàn)算剪應(yīng)應(yīng)力；（三）局部壓應(yīng)應(yīng)力當(dāng)梁的翼緣受有有沿腹板板平面作作用的固定集中中荷載且荷載處處又未設(shè)設(shè)置支承承加勁肋肋時(shí)，或或有移動的集集中荷載載時(shí)，應(yīng)驗(yàn)驗(yàn)算腹板板高度邊邊緣的局局部承壓強(qiáng)度度。F——集中力,對動力荷荷載應(yīng)考考慮動力力系數(shù)；；——集中荷載增大系數(shù)，重級工作制吊車為1.35，其他為1.0；lz--集中荷載載在腹板板計(jì)算高高度邊緣緣的假定定分布長長度：a--集中荷載載沿梁跨跨度方向向的支承承長度，，對吊車車輪壓可可取為50mm；hy--自梁承載載邊緣到到腹板計(jì)計(jì)算高度度邊緣的的距離；；hR--軌道的高高度，計(jì)計(jì)算處無無軌道時(shí)時(shí)取0；a1--梁端到支支座板外外邊緣的的距離，，按實(shí)際際取，但但不得大于2.5hy。梁端支座座反力：：跨中集中中荷載：：腹板的計(jì)計(jì)算高度度ho的規(guī)定：：1．軋制型型鋼，兩兩內(nèi)孤起起點(diǎn)間距距;2．焊接組組合截面面，為腹腹板高度度;3．鉚接時(shí)時(shí)為鉚釘釘間最近近距離。hobt1hobt1ho當(dāng)驗(yàn)算不不滿足時(shí)時(shí)應(yīng)采取取措施：：1、設(shè)置橫橫向加勁勁肋；（（固定集中中荷載）2、加大腹腹板厚度度；（移動集中中荷載）（四）組組合應(yīng)力力（折算算應(yīng)力））同一截面面的同一部位位有多種應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)態(tài)時(shí)，是是否滿足足強(qiáng)度要要求。以工字型型截面為為例：σmax（邊緣）、τmax（中和軸）是同一截面面的不同同部位。此外任任一部位位都有σ、τ，找最不利利的部位位。應(yīng)帶各自符號，拉為正。計(jì)算折算應(yīng)力的設(shè)計(jì)值增大系數(shù)。異號時(shí)，同號時(shí)或

原因：1．只有局局部某點(diǎn)點(diǎn)達(dá)到塑塑性2．異號應(yīng)應(yīng)力場有有利于塑塑性發(fā)展展——提高設(shè)計(jì)計(jì)強(qiáng)度組合應(yīng)力力驗(yàn)算時(shí)時(shí)應(yīng)注意意：式3-31、32適用于外外荷載通通過截面面剪心的情況；；必須是同一截面面同一部部位的σ、ι、σc；式3-31、32應(yīng)用于特特定截面面、特定定部位如：沿梁長度度方向：支座處處、集中中力作用用處；變變截面梁梁截面改改變處,均布載荷荷不連續(xù)續(xù)的截面面；沿梁高度度方向：翼緣和和腹板交交界處；；為什么普普通鋼結(jié)結(jié)構(gòu)中鋼鋼梁的強(qiáng)強(qiáng)度不利利用完全全塑性而而只考慮慮部分截截面的塑塑性變形形？當(dāng)截面發(fā)發(fā)生塑性性變形時(shí)時(shí)，將使使梁的撓度增大而不不滿足正正常使用用的要求求；梁翼緣與與腹板交交接處的的折算應(yīng)力力太大而不滿足足要求；；對梁的整體穩(wěn)定定和局部部穩(wěn)定不利?！兑?guī)范》規(guī)定梁的的正應(yīng)力力計(jì)算公公式見第第54頁。3.4按強(qiáng)度條條件選擇擇梁截面面有一個(gè)前前提條件件：當(dāng)梁梁的整體穩(wěn)定定滿足要要求時(shí)“可以以通過強(qiáng)強(qiáng)度條件件選擇梁梁截面””。初選截面面熱軋型鋼鋼（用于跨跨度不是是很大的的情況））：利用公式式焊接截面面（用于于跨度和和荷載都都較大的的情況））：一、截面面選擇原則：強(qiáng)強(qiáng)度、穩(wěn)穩(wěn)定、剛剛度、經(jīng)經(jīng)濟(jì)性等等要求1、截面高高度（1）容許最最大高度度hmax—凈空要求求；（2）容許最最小高度度hmin由剛度條條件確定定，以簡簡支梁為為例：（3）梁的經(jīng)經(jīng)濟(jì)高度度he經(jīng)驗(yàn)公式式：綜上所述述，梁的的高度應(yīng)應(yīng)滿足：：2、腹板高度度hw因翼緣厚厚度較小小，可取取hw比h稍小。hw<1m時(shí)，取50的倍數(shù)，，（以mm計(jì)）hw>1m時(shí)，取100的倍數(shù)，，（以mm計(jì)）3、腹板厚度度tw由抗剪強(qiáng)強(qiáng)度確定定：一般按上上式求出出的tw較小，可可按經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)公式計(jì)計(jì)算：構(gòu)造要求求：一般bf以10mm為模數(shù)，，t以2mm為模數(shù)。。確定bf、t尚應(yīng)考慮慮板材的的規(guī)格及及局部穩(wěn)穩(wěn)定要求求。bfhwh1httwxx4、翼緣尺尺寸確定定：由Wx及腹板截截面面積積確定。。確定翼緣緣的寬度bf和厚度t：構(gòu)造要求求：1）t取2的倍數(shù)，，b取10的倍數(shù)；；bmin=180mm（一般梁））300mm(吊車梁））2)并應(yīng)盡量量寬一些些，有利利于梁的的穩(wěn)定；；3）滿足局局部穩(wěn)定定的要求求：二、截面面驗(yàn)算截面確定定后，求求得截面面幾何參參數(shù)IxWxIyWy等。1、強(qiáng)度驗(yàn)驗(yàn)算：抗抗彎強(qiáng)度度、抗剪剪強(qiáng)度、、局壓強(qiáng)強(qiáng)度、折折算應(yīng)力；；2、整體穩(wěn)穩(wěn)定驗(yàn)算算；3、局部穩(wěn)穩(wěn)定驗(yàn)算算，對于于腹板一一般通過過加勁肋肋來保證證4、剛度驗(yàn)驗(yàn)算；5、動荷載載作用，，必要時(shí)時(shí)尚應(yīng)進(jìn)進(jìn)行疲勞勞驗(yàn)算。。應(yīng)注意：截面驗(yàn)驗(yàn)算時(shí)應(yīng)應(yīng)將梁的自重重加進(jìn)去。。三、組合合梁截面面沿長度度的改變變截面M沿l改變，為為節(jié)約鋼鋼材，將將M較小區(qū)段段的梁截截面減小小，截面面的改變變有兩種種方式：：1、改變翼翼緣板截截面指受強(qiáng)度度控制的的焊接截面面，可以沿沿梁的長長度方向向變化。。主要用用在實(shí)腹式焊焊接吊車車梁。bfbf’12.5（4)（a）（b）l~l/6~l/6M1M1M（1）單層翼翼緣板，，一般改改變bf，而t不變，做做法如圖圖：（2）多層翼翼緣板，，可采用用切斷外外層翼緣緣板的方方法，斷斷點(diǎn)點(diǎn)計(jì)計(jì)算確定定，做法法如圖：：為了保證證，斷點(diǎn)點(diǎn)處能正正常工作作，實(shí)際際斷點(diǎn)外外伸長度度l1應(yīng)滿足：：lM1M1l1l11）端部有正面角角焊縫時(shí)：當(dāng)hf≥0.75t1時(shí)：l1≥b1當(dāng)hf<0.75t1時(shí)：l1≥1.5b12）端部無正面角角焊縫時(shí)：l1≥2b1b1、t1——外層翼緣緣板的寬寬度和厚厚度；hf——焊腳尺寸寸。lM1M1l1l12、改變梁梁高具具體做法法如圖：：h≥h/2h≥h/2抵緊焊接l/6~l/5端部腹板板高度應(yīng)應(yīng)滿足抗剪強(qiáng)度度的要求；；梁端部高度度不小于梁梁高的一一半；轉(zhuǎn)折點(diǎn)的距離為為（1/5~1/6）梁的跨跨度；轉(zhuǎn)折點(diǎn)處處腹板設(shè)設(shè)橫向加勁勁肋。梁的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)自由扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)：截面之之間無約約束，可可以自由由翹曲，，縱向纖纖維無軸軸向應(yīng)變變，截面面只有剪應(yīng)應(yīng)力。其計(jì)算公公式為3-11、3-12；從式3-11中可知，，It愈大，則則抗扭剛剛度GIt也愈大，，抗扭性性能就愈愈好。將截面面面積相同同的工字字型截面面和箱形形截面進(jìn)進(jìn)行比較較。約束扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)：桿件端端部的支支承使截截面之間間互相約約束，其其截面的的翹曲變變形受到到約束，，縱向纖纖維有軸軸向拉伸伸或壓縮縮，截面面除有剪應(yīng)力外，還有有正應(yīng)力。引起截面面剪應(yīng)力力的扭矩矩有兩部部分組成成：自由扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)力矩和約束扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)力矩。其計(jì)算公公式為3-27。約束扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)正應(yīng)力力的計(jì)算算公式見見第61頁。3.5梁的內(nèi)力力重分布布和塑性性設(shè)計(jì)內(nèi)力重分分布：對對超靜定結(jié)結(jié)構(gòu)，截面出出現(xiàn)塑性鉸后，隨著著荷載的的增加，，結(jié)構(gòu)內(nèi)內(nèi)力重新新分布，，使其他他截面出出現(xiàn)塑性性鉸，直直至形成成機(jī)動結(jié)結(jié)構(gòu)。塑性設(shè)計(jì)計(jì)：就是是利用內(nèi)內(nèi)力重分分布，使使截面達(dá)達(dá)到材料料的屈服服強(qiáng)度，，充分發(fā)發(fā)揮材料料的潛能能。鋼材性能能要滿足足以下要要求：1）δ5≥15%；2）εu≥20εy；3)fu/fy≥1.2塑性設(shè)計(jì)計(jì)適用范范圍：不不直接承承受動荷荷載的超超靜定梁梁；由實(shí)腹構(gòu)構(gòu)件組成成的單層層和兩層層框架。。3.6拉彎、壓壓彎構(gòu)件件的應(yīng)用用和強(qiáng)度度計(jì)算一、應(yīng)用用一般工業(yè)業(yè)廠房和和多層房房屋的框框架柱均均為拉彎和壓壓彎構(gòu)件件。NMNe二、截面面形式實(shí)腹式拉彎構(gòu)件件的截面出現(xiàn)現(xiàn)塑性鉸鉸是承載能能力的極極限狀態(tài)態(tài)；對格構(gòu)式拉彎桿繞繞虛軸受受彎和冷彎薄壁壁型鋼截面拉拉彎桿，，把截面邊緣緣達(dá)到屈屈服強(qiáng)度度視為構(gòu)件件極限狀狀態(tài)，以以上屬于于強(qiáng)度破壞壞形式；；對軸心拉拉力很小小而彎矩矩很大的的拉彎桿桿也可能能存在和和梁類似似的彎扭失穩(wěn)穩(wěn)的破壞形形式。拉彎構(gòu)件件破壞形形式壓彎構(gòu)件件的破壞形式式取決于桿桿的受力條件件，桿的長度，支承條件件、截面的形形式和尺寸等。對粗粗短桿和和截面有有嚴(yán)重削削弱的桿桿可能產(chǎn)產(chǎn)生強(qiáng)度破壞壞，此外大大多數(shù)壓壓彎構(gòu)件件總是整體失穩(wěn)穩(wěn)破壞。組成壓壓彎構(gòu)件件的板件件，還有有板件屈屈曲將促促使構(gòu)件件提前失失穩(wěn)的局部失穩(wěn)穩(wěn)破壞。三、計(jì)算算內(nèi)容拉彎構(gòu)件件：承載能力力極限狀狀態(tài)：強(qiáng)度正常使用用極限狀狀態(tài)：剛度強(qiáng)度穩(wěn)定實(shí)腹式

格構(gòu)式

彎矩作用在實(shí)軸上彎矩作用在虛軸上(分肢穩(wěn)定)整體穩(wěn)定局部穩(wěn)定平面內(nèi)穩(wěn)定

平面外穩(wěn)定

承載能力力極限狀狀態(tài)正常使用用極限狀狀態(tài)剛度壓彎構(gòu)件件：3.6.2拉彎和壓壓彎構(gòu)件件的強(qiáng)度度一、截面面應(yīng)力的的發(fā)展以工字形形截面壓壓彎構(gòu)件件為例：hhwAfAfAwFy(A)(A)彈性工作作階段HHNhhwAfAfAwfy(A)fy(B)fyfy(C)fyfy(D)(D)塑性工作作階段—塑性鉸(強(qiáng)度極限限)(B)最大壓應(yīng)應(yīng)力一側(cè)側(cè)截面部部分屈服服(C)截面兩兩側(cè)均均有部部分屈屈服ηhηhh-2ηh（A）整個(gè)個(gè)截面面處于于彈性狀狀態(tài)；（B）截面面受壓部部分進(jìn)入塑性狀狀態(tài)；（C）受拉區(qū)進(jìn)入入塑性狀狀態(tài)；（D）整個(gè)個(gè)截面面進(jìn)入入塑性性狀態(tài)態(tài)，即即出現(xiàn)現(xiàn)塑性鉸鉸