金属结构设计课件

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,LOGO,第五章,梁,本章内容：,5.1,钢梁的类型和截面形式,5.2,梁的强度和刚度,5.3,梁的整体稳定计算,5.4,焊接组合梁的局部稳定,5.5,考虑腹板屈曲后强度的梁设计,5.6,型钢梁设计,5.7,焊接组合梁设计,5.8,钢梁的连接构造,5.1,钢梁的类型和截面形式,梁是金属结构中的不可缺少的基本构件之一，主要用以承受横向荷载，故又称受弯构件。受弯构件也包括实腹式受弯构件（梁）和格构式受弯构件（桁架）两个系列。本课程仅介绍实腹式梁的设计方法。格构式受弯构件（桁架）用于屋架、托架、吊车桁架以及大跨结构中，其设计方法将在后续课程中介绍。,5.1.1,实腹式梁的类型和截面形式,实腹式钢梁常用于工作平台梁、楼盖梁、墙架梁和吊车梁等。实腹式钢梁按材料和制作方法可分为,型钢梁,和,组合梁,两大类。,P50,梁的截面形式,根据梁的弯曲变形情况，梁可分为在一个主平面内弯曲的单向受弯梁和在两个主平面内弯曲的双向受弯梁（或称斜弯曲梁）。根据梁的支承情况，梁可分为简支梁和连续梁。钢梁一般都用简支梁。简支梁制造简单，安装方便，且可避免因支座不均匀沉陷所产生的不利影响。,蜂窝梁,工字形焊接钢梁,横向加劲肋,纵向加劲肋,短加劲肋,5.1.2,梁格布局,梁格是由许多梁排列而成的平面体系，例如楼盖和工作平台梁等。梁格上的荷载一般先由铺板传给次梁，再由次梁传给主梁，然后传到柱或墙上，最后传给基础和地基。,根据梁的排列方式，梁格可分为下列三种典型的形式：,普通梁格,简式梁格,复式梁格,按承载能力极限状态的计算，需采用荷载的设计值；按正常使用极限状态的计算，计算挠度时按荷载标准值进行。,第一极限状态：,截面的抗弯强度、抗剪强度等、整体稳定性、局部稳定、腹板屈曲后强度,第二极限状态：,刚度,大部分重要的梁将采用板梁，因而梁的计算中还应包括下列内容：,1.,梁截面沿梁跨度方向的改变；,2.,翼缘板与腹板的连接计算；,3.,梁腹板的加劲肋设计；,4.,梁的拼接；,5.,梁与梁的连接和梁的支座等。,5.2,梁的强度和刚度,5.2.1,梁的强度,对于普通钢梁，要保证强度安全，就是要保证在危险截面处（一般是弯矩最大处），梁净截面的抗弯强度及抗剪强度不超过其钢材的抗弯及抗剪强度极限。对于工字形、箱形截面的梁，在集中荷载处，腹板边缘（与翼缘相连处）受局部压力作用，需满足局部受压的强度条件；同时，该点还受弯曲应力、剪应力及局部压应力的共同作用，故还应对该点的折算应力进行强度验算。,(1),抗弯强度,梁截面的弯曲应力随弯矩增加而变化，可分为弹性、弹塑性及塑性三个工作阶段。下面以工字形截面梁弯曲为例来说明,。,P53,梁截面的应力分布,1,）弹性工作阶段：其外缘纤维最大应力 。,这个阶段可持续到 达到屈服点 。这时梁截面的弯矩达到弹性极限弯矩 。,式中,梁的弹性极限弯矩；,梁的净截面（弹性）抵抗矩。,2,）弹塑性工作阶段：超过弹性极限弯矩后，如果弯矩继续增加，截面外缘部分进入塑性状态，中央部分仍保持弹性。这时截面弯曲应力不再保持三角形直线分布，而是呈折线分布。随着弯矩增大，塑性区逐渐向截面中央扩展，中央弹性区相应逐渐缩小。,3,）塑性工作阶段：在弹塑性工作阶段，如果弯矩不断增加，直到弹性区消失，截面全部进入塑性状态，截面形成塑性铰（,plastic hinge,） 。这时梁截面应力呈上下两个矩形分布。,弯矩达到最大极限，称为塑性弯矩 ，其值为：,称为梁的净截面塑性抵抗矩。塑性抵抗矩为截面中和轴以上或以下的净截面对中和轴的面积矩 和 之和。,与 之比称为,截面形状系数,截面的形状系数,F,也是,截面塑性极限弯矩与截面弹性极限弯矩之比,。对于弹性设计而言，截面的形状系数越大，强度储备越大。,为了使梁截面有一定的安全储备，设计时不采用塑性抵抗矩，而是采用较小的弹塑性抵抗矩，采用,部分边缘纤维屈服准则,，规范规定钢梁,单向,受弯抗弯强度：,式中：,塑性发展系数，查表,3-3,获得。,如,按截面形成塑性铰进行设计，省钢材，但变形比较大，会影响正常使用。,规定可通过限制塑性发展区有限制的利用塑性。,一般限制,a,在,h,/8,h,/4,之间。,P79,P54,对于,双向,弯曲梁。近似按两方向应力叠加，计算公式,:,对于双轴对称工字形截面,当绕,y,轴弯曲时,对于箱形截面,计算示意图,注：,1.,计算疲劳的梁,x,=,y,=1.0,2.,x,= 1.0,3.,格构式构件绕虚轴,x,= 1.0,P55,P55,(2),抗剪强度,梁的截面剪力分布如图。截面剪应力为：,工字形截面和槽形截面上的剪力流,P56,钢结构设计规范,（,GB50017,2003,）以截面最大剪应力达到所用钢材抗剪强度作为抗剪承载力极限状态。因此，对于绕强轴（ ）受弯的梁，抗剪强度计算公式如下：,式中,计算截面的剪力；,毛截面绕强轴（ ）的惯性矩；,中和轴以上或以下截面对中和轴的面积矩，按毛截面计算；,腹板厚度；,钢材抗剪强度设计值，见附表,4,P56,轧制工字钢和槽钢因受轧制条件限制，腹板厚度相对较大，当无较大的截面削弱时，可不验算抗剪强度。,1.,自由扭转分析,给出梁整体弯扭失稳时的计算公式，先进行薄壁构件的扭转分析。,（,3),梁的扭转,自由扭转示意图,矩形、工字形和槽形等在扭转时，原先为平面的截面不再保持平面，截面上各点沿杆轴方向发生纵向位移而使截面翘曲。,称为自由扭转,(,或圣维南扭转,),。,自由扭转示意图,1,扭矩,M,s,与扭转率,(,即单位长度的扭转角,),间有下列关系,：,为截面扭转角,GI,t,为构件扭转刚度,G,为剪切模量,I,t,为抗扭惯性矩,M,s,M,s,2,截面上的剪应力环绕截面四周方向、沿截面狭边厚度呈线性分布,工字形和,T,形等，其抗扭惯性矩为：,狭长矩形组成，整个截面是连续的，系数,k,因此产生的增大系数：工字形截面，,k,1.25,；,T,形截面，,k,1.15,。,3.,开口截面和闭口截面,A,为截面中心线所围面积,；,I,t,为扭转常数。,P57,2.,约束扭转,悬臂构件，在自由端施加一集中扭矩后，自由端截面翘曲变形最大，固定端截面翘曲为零，这是由于固定端支座约束所造成。,悬臂构件扭转,(1),各截面有不同的翘曲变形，因而两相邻截面间构件的纵向纤维因有伸长或缩短变形而有正应变，截面上将产生正应力。这种正应力称为翘曲正应力或扇性正应力。,约束扭转的特点,约束扭转图示,(2),由于各截面上有大小不同的翘曲正应力，为了与之平衡，截面上将产生剪应力，这种剪应力称为,翘曲,剪应力或扇性剪应力。这与受弯构件中各截面上有不同弯曲正应力时截面上必有弯曲剪应力，理由相同。,d,d,此外，约束扭转时为抵抗两相邻截面的相互转动，截面上也必然存在与自由扭转中相同的,自由,扭转剪应力,(,或称圣维南剪应力,),。这样，约束扭转时，构件的截面上有两种剪应力：圣维南剪应力和翘曲剪应力（弯曲扭转剪应力）。前者组成圣维南扭矩,M,s,，后者组成翘曲扭矩,M,w,，两者合成一总扭矩,M,T,。,I,称为翘曲惯性矩。,最后得：,这就是集中扭矩作用下的扭矩平衡方程式。,P59,EI,是扭转时一个重要物理量，称为翘曲刚度。表示构件截面抵抗翘曲的能力。与侧向抗弯刚度,EI,y,和扭转刚度,GI,t,一起在梁的稳定中起重要作用。,I,的量纲是长度的,6,次方，与弯曲惯性矩,I,x,、,I,y,或抗扭惯性矩,I,t,量纲是长度的四次方不一样，应予以注意。,双轴对称工字形截面的,I,的计算式为：,单轴对称工字形截面的,I,的计算式为：,从计算式可见工字形截面的高度,h,愈大，则其,I,也愈大，抵抗翘曲的能力也愈强。,式中，,I,1,和,I,2,为工字形截面两个翼缘各自对截面弱轴,y,的惯性矩，因而：,I,y,I,1,I,2,。,P60,3.,约束扭转正应力,对于工型截面梁，弯曲正应力为：,对于冷弯槽钢、,Z,形钢等非双轴对称截面：,B,为双力矩，,W,w,为梁截面的扇性模量。,P61,梁承受固定集中荷载,(,包括支座反力,),处末设支承加劲肋、或梁上有移动集中荷载,(,如吊车轮压,),时，应计算腹板边缘局部压应力。,3.3,梁的局部压应力和组合应力,（,1,） 腹板局部压应力,a,=50mm,l,z,=,a,+ 2,h,R,+5,h,y,集中载作用下，翼缘,(,在吊车梁中还包括轨道,),类似支承于腹板的弹性地基梁，其分布如图。计算时假定荷载以,1,：,1,和,1,：,2.5,扩散；在荷载作用点以下的 （吊车轨道高度）高度范围内以,45,o,角扩散，并均匀分布于扩散段腹板计算边缘。,P61,取荷载假定分布长度为：,式中,a,为集中荷载沿梁跨度方向的支承长度，对吊车轮压可取为,50 mm,；,h,y,为自梁承载的边缘或吊车梁轨顶到腹板计算边缘的距离。,a,=50mm,c,h,y,腹板计算边缘的局部压应力按下式计算：,a,=50mm,a,b,b+a,+2.5,h,y,a,+ 2.5,h,y,F,F,式中,F,为集中荷载,(,对动力荷载应考虑动力系数,),；,为集中荷载增大系数，对重级工作制吊车的轮压取,1.35(,考虑局部范围的超额冲击作用,),；对其它情况取,1.0,。,腹板计算高度 ：,对轧制型钢梁，为腹板与上、下翼缘相连处两内弧起点之间的距离；,对焊接组合梁，为腹板高度；,对铆接（或高强螺栓连接）组合梁，为上、下翼缘与腹板连接的铆钉（或高强螺栓）线间最近距离。,当计算,c,不满足,要求时，应加厚腹板，或考虑增加集中荷载支承长度,a,， 或增加吊车梁轨道的高度或刚度以加大,h,y,和,l,z,。,在梁上承受位置固定的较大集中荷载,(,包括支座反力,),处，一般应设支承加劲肋刨平顶紧于受荷载的翼缘并与腹板牢固连接，这时认为全部集中荷载通过支承加劲肋传递，因而腹板的局部压应力,c,0,而不必计算。,支承加劲肋,短加劲肋,（,2,） 折算应力,在组合梁的腹板计算高度边缘处，若同时受有较大的正应力、剪应力和局部压应力，或同时受有较大的正应力和剪应力（如连续梁支座处或梁的翼缘截面改变处等）应验算其折算应力。,(a),沿梁长方向,梁的支座处，以及梁上集中荷载作用点的一侧，弯矩和剪力都较大；梁变截面位置的一侧，弯曲应力和剪力都较大。,(b),沿梁高方向,工形梁或箱形梁的腹板计算边缘,1-l,处，该纤维处弯曲应力,1,和剪应力,1,都较大，因而折算应力,z,也较大。,1,1,(c),梁上有局部压应力,c,时，计算,z,时应计入,c,的影响。,上式计算中，,、,c,应计入拉压符号，并取,l,1.1(,与,c,同号时,),或,1.2(,与,c,异号时,),。,l,1.1,或,1.2,的提高是考虑,z,的最大值只发生在范围很小的局部。,图中受集中荷载作用的梁，跨中的弯矩和剪力均为最大值，同时还有集中荷载引起的局部横向压应力，在腹板（计算高度）边缘,A,点处，同时有正应力 、剪应力 及横向压应力 共同作用，应按下式验算其折算应力：,3.4,按强度条件选择梁的截面,一、 初选截面,1.,型钢梁截面的选择,为需要的净,截面抵抗矩,对于工字钢和,H,型钢，塑性发展系数,2.,组合梁截面的选择,梁高、腹板厚度和翼缘尺寸,。,2.1,梁高的估算,1,）确定梁的高度应考虑建筑要求,2,）梁的刚度,3,）梁的经济条件,建筑高度决定梁的最大高度,刚度决定梁最小高度,梁最大挠度应符合要求：,梁的刚度和高度有直接关系，充分发挥强度，取,对于,Q235,有： 可查表,3-2,（,P65,）,经济高度经验公式：,P186,梁高确定腹板高也确定，腹板高为梁高减两个翼缘的厚度，腹板高考虑钢板规格，使腹板高度为,50mm,模数,2.2,腹板尺寸,腹板厚度应满足：,t,w,值一般较小，为满足局部稳定和构造要求，按下列经验公式算：,2,.,3,翼缘尺寸,求得需要的净截面模量，则整个截面需要的惯性矩为：,腹板惯性矩为：,翼缘惯性矩为：,P65,翼缘尺寸要满足局部稳定的要求。通常,b,=25,t,，一般在以下范围：,h,/2.5,bh,/6,。,二、 梁截面验算,强度验算,1.,正应力,梁截面最大弯矩及可能产生最大正应力处的弯矩,单向受弯时验算,双向受弯时验算,剪应力,局部压应力,4.,折算应力,梁的刚度验算,P65,P65,P65,P66,？,例题,（,6,） 梁截面沿长度的变化,变截面梁可以改变梁高，可以改变梁宽；,多层翼缘板的梁可改变翼缘的层数；,变化梁的截面应尽量不使梁的构造过于复杂，过多增加制作费用。,M,1,l,/6,b,1,b,l/6,l,/6,根据焊缝质量可采用对接直焊缝或斜焊缝。分析表明，截面改变一次可节约钢材,10%,20%,；改变两次，最多只能再节约,3%,4%,，因此一般只变一次截面。改变点在,l,/6,处。跨度较小梁，常不改变截面。,？,设改变点在,x=al,处，,b,b,1,A,f,A,f1,;,可节约钢材,V,s,=,4(,A,f,-A,f1,),al,跨中截面,改变点截面,M,1,l,/6,V,s,=,4(,A,f,-A,f1,),al,b,1,b,/2; ,斜度,1,:2.5,或,1:4; ,可用斜焊缝,近似公式,d,Vs,/,da,=0,(1/61/5),l,h,h,/2,角钢抵紧,焊接,改变梁高度,有时为了降低梁的建筑高度，节省钢材，常将简支梁的下翼缘做成折线状，翼缘截面保持不变，梁端腹板高度应按抗剪强度计算确定，且不应小于跨中腹板高度的一半。,腹板加劲肋,l,1,l,1,理论切断点,当翼缘采用两层钢板时，外层钢板与内层钢板厚度比宜为,0.51.0,。改变梁的截面可通过切断外层翼缘板实现。,有正面焊：,h,f,0.75,t,时，,l,1,b,;,h,f,0.75t,时，,l,1,1.5,b,无正面焊：,l,1,2,b,。,h,/2.5,bh,/,6,W,x,=I,x,/(h/2),W,x,= M,x,/,x,f,W,x,=I,x,/(h/2),W,x,= M,x,/,x,f,（,7,） 梁的刚度,梁的刚度按正常使用极限状态下，荷载,标准值,引起的最大挠度来计算。,简支梁最大挠度计算公式：,均布荷载：,跨中一个集中荷载：,跨间等距离布置两个相等的集中荷载：,跨间等距离布置三个相等的集中荷载：,P185,悬臂梁最大挠度计算公式分别为：,受均布荷载：,自由端受集中荷载作用：,梁的刚度验算：,自学,P73,3.5,节,梁的内力重布和塑性设计,5.3,梁的弯扭失稳,5.3.1,梁整体稳定的概念,5.3.1,梁整体失稳的概念,在一个主平面内受横向荷载或弯矩作用的构件，称单向受弯构件；实际工程中还存在双向受弯构件。受弯构件简称梁。,为提高钢梁的抗弯承载能力，通常设计成高而窄的工字形截面。当荷载不大时,梁只在平面内产生弯曲变形；当荷载增大到某一数值时，梁有可能突然产生在平面外的弯曲变形（侧弯）和绕轴向的扭转变形。如果荷载继续增加，梁的侧向变形和扭转将急剧增加，使梁完全丧失承载能力。梁从平面弯曲状态转变为弯扭状态的现象称为梁的整体失稳。梁的整体失稳属于弯扭失稳，能保持整体稳定的最大荷载或弯矩称,临界荷载,或,临界弯矩,。,横向荷载的临界值还与其沿梁高的作用位置有关。,图,5.8,受集中荷载作用的梁发生弯扭失稳,5.3.2,梁的临界弯矩,(1),双轴对称工字形截面梁纯弯曲时的临界弯矩,两端受相等弯矩 作用的双轴对称工字形截面简支梁，侧向支承距离 。其简支条件是：梁的两端可绕 轴和 轴转动，但不能绕 轴转动。假定梁无初弯曲，不考虑残余应力，处于弹性阶段，可按弹性理论建立梁在微小弯扭变形情况下的平衡微分方程，求解得临界弯矩计算公式：,（,2,）单轴对称工字形截面梁受一般荷载的临界弯矩,单轴对称工字形截面梁在受一般荷载荷载作用时，如两端弯矩不同，受集中荷载、分布荷载作用，以及荷载作用位置不同等。此时，由弹性稳定理论可得临界弯矩的一般表达式：,荷载类型,C,1,C,2,C,3,跨度中点集中荷载,1.35,0.55,0.40,满跨均布荷载,1.13,0.46,0.53,纯弯曲,1,0,1,式中：,C,1,、,C,2,、,C,3,与荷载类型有关的系数。,单轴对称工字形截面梁受一般荷载的临界弯矩,5.3.3,梁整体稳定系数,（,1,）双轴对称工字型截面简支梁纯弯曲,简,化,临界应力,:,式中,A,梁的毛截面积,t,1,受压翼缘厚度,h,梁截面全高度,W,x,按受压翼缘确定的毛截面模量,(2),梁的整体稳定验算,稳定计算属于承载力极限状态，因此，梁不发生整体失稳的条件可写成：,钢结构设计规范,（,50017,2003,）将此条件写成以下形式：,单向受弯梁：,双向受弯梁：,4-58,式,式中,M,x,，,M,y,绕,x,，,y,轴的弯矩；,W,x,、,W,y,按受压纤维确定的对,x,轴和,y,轴毛,截面抵抗矩；,梁的整体稳定系,数,；,截面塑性发展系数。,16,Q235,f,y,235,不对称,在应用中，,M,x,，,W,x,， ， 等参数或已知，或查表，或根据所给荷载条件和梁截面几何尺寸算出。而 的计算与梁的临界弯矩有关，计算较复杂。,钢结构设计规范,对常用截面和约束情况下梁的整体稳定系数计算作了适当的简化和相关规定：,1,）两端,均匀受弯,的工字形截面简支梁,4-60,式,2,）一般荷载作用的工字形梁,非纯弯曲工字形截面简支梁的整体稳定的计算公式为：,式中， ， 为悬臂梁的悬伸长度。,通过对多种常用的双轴对称工字形截面梁和加强受压翼缘工字形截面梁进行电算，求出与工字形截面简支梁的稳定系数的比值 。,式中,工字形截面简支梁的等效临界弯矩系数，附表,15,截面不对称影响系数,3,）弹塑性阶段工字形梁,上述公式都是假定梁处于弹性阶段，而大量中等跨度的梁整体失稳时往往处于弹塑性阶段。对承受纯弯曲的双轴对称工字形截面简支梁进行了弹塑性阶段的理论和实验研究,当求得的 大于,0.6,时，应以 代替 ， 的计算公式为：,4,）轧制普通工字钢简支梁和轧制槽钢简支梁,对轧制普通工字钢简支梁，可按表,16,查稳定系数 。,对轧制槽钢简支梁，不论荷载形式和荷载作用点在截面高度上的位置如何，均按下面给出的近似公式计算稳定系数 。,式中,:,h,、,b,、,t ,槽钢截面的高度、翼缘宽度和平均厚度；,l,1,自由长度。,对于纯弯曲， 的构件， 的近似计算公式：,5.3.4,整体稳定系数 值,近似计算,（,1,）工字形截面,双轴对称,单轴对称,（,2,）,T,形截面,双角钢,板组成和剖分,T,型钢,翼缘受压,翼缘受拉且腹板宽厚比,这里已考虑非弹性屈曲。,时，不再做修正。,时， 。,影响梁弯扭屈曲临界弯矩的因素,1,）梁的侧向抗弯、抗扭和抗翘曲刚度；,2,）侧向支承点的间距,L,；,3,）几何特性；,4),荷载形式；,5,）荷载作用位置；,6,）支承对梁的位移约束程度。,5.3.5,整体稳定性的保证,（,1,）梁不发生整体失稳的措施,根据影响梁临界弯矩的因素，工程中可采取相应的措施，控制梁不发生整体失稳。对此，,钢结构设计规范,列出梁不会发生整体失稳的三种情况，符合三个条件之一时，可不验算梁的整体稳定性,。,1,）板,(,各种钢筋混凝土板或钢板,),密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连，能阻止梁受压翼缘的侧向位移时；,2,）工字形截面简支梁受压翼缘的自由长度,l,1,与其宽度,b,1,之比不超过下表规定值时。,最大的,l,1,/,b,1,值,L,1,L,1,b,1,钢 号,跨中无侧向支承点的梁,跨中有侧向支承点的梁不论荷载作用在何处,荷载作用在上翼缘,荷载作用在下翼缘,Q235,钢,13,20,16,Q345,钢,11,17,13,Q390,钢,10,16,12,3,）对于箱形截面简支梁，如不设置能阻止梁受压翼缘侧向位移的锚板时，其截面尺寸应满足,且 不应超过下列数值：,Q235,钢,95,Q345,钢,65,Q390,钢,57,其他钢号,95,（ ）,b,0,b,1,h,(2),梁的整体稳定验算,除上述三种情况以外的梁，都需进行整体稳定验算。稳定计算属于承载力极限状态，,钢结构设计规范,（,50017,2003,）将此条件写成以下形式：,单向受弯梁：,双向受弯梁：,M,x,，,M,y,最大刚度主平面内绕,x,，,y,轴的最大弯矩；,W,x,、,W,y,按受压纤维确定的对,x,轴和,y,轴毛,截面抵抗矩；,载最大刚度主平面内弯曲的整体稳定系,数,；,绕,y,轴弯曲的截面塑性发展系数。,5.4,焊接组合梁的局部稳定,焊接组合梁一般由翼缘和腹板组成，从强度、刚度、整体稳定和经济性等方面考虑，腹板宜高而薄，翼缘宜宽。但是如果把腹板不适当地加高减薄，把翼缘不适当地放宽，则可能在梁整体失稳之前，梁的腹板或受压翼缘首先失稳，发生波形屈曲。这种发生在部分板件上的屈曲，称为梁的局部失稳。部分板件屈曲后即退出工作，因而会影响梁的承载能力，降低梁的刚度。,5.4.1,受压翼缘的局部稳定,梁的受压翼缘板主要受均布压应力作用，可视为单向均匀受压板，其局部稳定也由宽厚比限值来控制，控制条件是：翼缘板的临界应力 不大于,材料的屈服应力,即：,单向均匀受压板临界应力的计算公式为：,代入上式，整理后得到保证翼缘临界应力大于屈服应力的宽厚比限值，即保证翼缘局部稳定的控制条件为：,对箱形截面梁翼缘板在两腹板之间的部分，相当于四边简支单向受压板，取 ,4,，可得其宽厚比限值为：,塑性设计,弹塑性设计,梁的受压翼缘板,5.4.2,腹板的加劲肋及局部稳定计算,在一般情况下，腹板上有弯曲正应力、剪应力及局部压应力作用，各种应力都可能使腹板屈曲。,为了提高梁腹板的局部稳定性，可以采取两种措施：,1,）增加腹板的厚度；,2,）设置合适的加劲肋。,加劲肋的设置,有图示几种形式。分析表明，设加劲肋比增加腹板的厚度能取得更好的经济效益，因此，在工程中都采用设置加劲肋的措施。,横向加劲肋能提高腹板的剪切临界应力，并作为纵向加劲肋的支承；纵向加劲肋对提高腹板的弯曲临界应力特别有效，设置时应靠近受压翼缘； 短加劲肋常用于局部压应力较大的情况。,a,应如何设置加劲肋才能保证腹板的局部稳定呢？,由于设置加劲肋后，梁上的腹板可视为四边简支板，因此，先了解四边简支板受各种应力单独作用时的稳定计算。,（,1,）腹板在不同受力状态下的临界应力,1,）纯弯曲,？,四边简支：,K,min,=23.9,加荷边简支，其余两边固定：,K,min,=39.6,加荷边简支，其余两边欠固定：,K,腹板简支于翼缘：,腹板固定于翼缘：,受压翼缘对腹板的约束作用除与本身的刚度有关外，还和限制其转动的构造有关。,限制其转动,，嵌固系数可取为,1.66,（相当于加载边简支，其余两边为嵌固时的四边支承板的屈曲系数,K,min,=39.6,）；当无构造限制其转动时，腹板上部的约束介于简支和嵌固之间，可取为,1.23,。,受压翼缘扭转受到约束,受压翼缘扭转未受到约束,令 ，腹板在纯弯曲作用下边缘屈服前不发生局部失稳的高厚比限值分别为：,若采用国际通行的腹板受弯时通用高厚比,单轴对称工字形截面梁，受弯时中和轴不在腹板中央，此时可近似把腹板高度,h,0,用二倍腹板受压区高度即,2,h,c,代替,。,当 时：,当 时：,当 时：,临界应力公式分为塑性、弹塑性和弹性,：,2,）纯剪切,屈曲系数,K,与板的边长比有关为：,当,（,a,为短边）时，,当 （,a,为,长边）时，,四边简支,令腹板受剪时的通用高厚比或称正则化宽厚比为：,可得用于腹板受剪计算时的通用高厚比：,当 时，,当 时,，,在弹性阶段梁腹板的临界剪应力可表示为：,已知钢材的剪切,比例极限,等于 ，再考虑,0.9,的几何缺陷影响系数，令 代入可得到满足弹性失稳的通用高厚比界限为 ；当 时，规范认为临界剪应力会进入塑性；当 时， 处于弹塑性状态。,因此规范规定 按下列公式计算：,当腹板不设横向加劲肋时， ， ，若要求,则 应不大于,0.8,，得 。考虑到,梁腹板中的平均剪应力一般低于 ，规范规定仅受剪应力作用的腹板，其不会发生剪切失稳的高厚比限值为：,3,）横向压力作用,在集中荷载作用处未设支承加劲肋及吊车荷载作用的情况下，都会使腹板处于局部压应力 作用之下。其临界应力为：,当 时，,当 时，,h,0,翼缘对腹板的约束系数为：,适用于塑性、弹塑性和弹性不同范围的腹板局部受压临界应力 按下列公式计算：,当 时，,当 时，,当 时，,屈曲系数和嵌固系数简化为：,通用高厚比 为：,根据临界屈曲应力不小于屈服应力的准则，按 考虑得到不发生局压局部屈曲的腹板高厚比限值为：,取为,（,1,）加劲肋的设置规定,当 时，应按构造设置横向加劲肋（ ,a, ）；对于无局部压应力作用得梁（ ），可不设加劲肋。,当 时，应按计算设置横向加劲肋；,当 ，且受压翼缘受到约束（如连有刚性铺板、制动板和焊有钢轨）时，或 （其它情况）或按计算需要时，应在弯矩较大区格的受压区增加设置纵向加劲肋。局部压应力很大的梁，必要时应在受压区配置短加劲肋。,5.4.2,腹板加劲肋的设计,在任何情况下， 都不能超过 。,对单轴对称梁，第条中的 应取受压区高度 的两倍。,梁的支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处，宜设置支承加劲肋，并计算支承加劲肋的稳定性。,配置加劲肋,程式,：,保证梁腹板的局部稳定，一般是先按规定布置加劲肋，再计算各区格所受的平均应力和相应的临界应力，计算是否满足相应的稳定条件。若不满足或太富裕，则调整加劲肋间距，重新计算，直到满意为止。,梁的腹板通常受几种应力（ 、 、 ）同时作用，当这些应力达到某一组合值时，腹板将由平板稳定状态变为微曲的临界平衡状态。此时的稳定条件是：,平均弯矩产生在腹板计算高度边缘处的弯曲压应力；,由平均剪力产生的腹板平均剪应力， ；,腹板边缘局部压应力，按式,(5.6),计算，系数 ,1.0,；,、 、,在 、 、 单独作用下板的临界应力。,（,2,）腹板,加劲肋配置计算：,1.,仅配置横向加劲肋的腹板,a,=(0.52),h,0,I,II,h,2,h,0,当腹板尺寸,腹板设纵、横向加劲肋,2.,同时用横向和纵向加劲肋的腹板,纵向加劲肋将腹板分为上下两个区格（,I,、,II,区），分别计算其局部稳定。,两种情况,1),上板段,式中： 计算，式中的 改用下列 代替,当梁受压翼缘扭转受到约束时：,当梁受压翼缘扭转未受到约束时：,式中 为纵向加劲肋至腹板计算高度受压边缘的距离。,式中的 改用下列 代替,当梁受压翼缘扭转受到约束时：,当梁受压翼缘扭转未受到约束时,：,按公式计算,2,）下板段,式中： 腹板在纵向加劲肋处的横向压应力，取为,计算， 改用下列 代替,5.4.2,加劲肋的构造、验算,加劲肋按其作用可分为两种：一种是为了把腹板分隔成几个区格，以提高腹板的局部稳定性，称为,间隔加劲肋,；另一种除了上述的作用外，还有传递固定集中荷载或支座反力的作用，称为,支承加劲肋,。,（,1,）加劲肋的构造要求,加劲肋宜在腹板两侧成对配置，也允许单侧配置，但支承加劲肋和重级工作值吊车梁的加劲肋不应单侧配置。加劲肋可采用钢板或型钢。,横向加劲肋的最小间距为 ，最大间距为 （对无局部压应力的梁，当 时，可采用 ）。,加劲肋应有足够的刚度，使其成为腹板的不动支承。,在腹板两侧成对配置的横向加劲肋，其截面尺寸应按下列公式：,外伸宽度： （,mm,）,厚度：,仅在腹板一侧配置的钢板横向加劲肋，其外伸宽度应大于按公式,(4-161),算得的,1.2,倍，厚度应不小于其外伸宽度的,1/15,。,在同时用横向加劲肋和纵向加劲肋加强的腹板中，, 横向加劲肋的截面尺寸除应符合上述规定外，其截面惯性矩应满足下式的要求：,纵向加劲肋的惯性矩应满足下式的要求：,当 时,当 时,(4-161),轴线,图,(b),、,(d),、,(e),。当加劲肋在腹板一侧配置时，取与加劲肋相连的腹板边缘线,图,5.20(c),、,(f),、,(g),图,5.20,加劲肋的构造,下图所用的中和轴，当加劲肋在两侧成对配置时，取腹板的,短加劲肋的最小间距为 ，钢板短加劲肋的外伸宽度应取为横向加劲肋外伸宽度的,0.7,1.0,倍，厚度应不小于短加劲肋外伸宽度的,1/15,。用型钢做成的加劲肋，其截面惯性矩不得小于相应钢板加劲肋的惯性矩。,横向加劲肋与上、下翼缘焊牢能增加梁的抗扭刚度，但会降低疲劳强度，吊车梁横向加劲肋的上端应与上翼缘刨平顶紧（当为焊接吊车梁，并应焊牢）。中间横向加劲肋的下端不应与受拉翼缘焊牢，一般在距受拉翼缘处 断开,如图,。,为了提高梁的抗扭刚度，也可另加短角钢与加劲肋下端焊牢，但抵紧于受拉翼缘而不焊,如图,。,为了避免焊缝的集中和交叉以及减小焊接应力，焊接梁的横向加劲肋与翼缘连接处，应做成切角，当切成斜角时，其宽度约为 （但不大于 ）高约为 （不大于 ）,如图,， 为加劲肋的宽度。,（,2,）支承加劲肋设计,支承加劲肋除满足上述刚度要求外，还应按所承受的支座反力或集中荷载计算其,稳定性,、端面,承压强度,和,焊缝强度,。,1,）稳定性计算,按轴心受压构件计算腹板平面外稳定，截面积,A,包括加劲肋及其每侧,15,t,w,内腹板的面积，计算长度取,h,0,。,2,）端面承压计算,钢材端面承压的强度设计值,支承加劲肋与翼缘板或柱顶,相接触的面积,考虑腹板屈曲后强度的梁设计（自学）,上述方法适合于直接承受动力荷载的吊车梁及类似构件设置加劲肋后的腹板局部稳定计算。进一步的分析表明，梁腹板受压屈曲或受剪屈曲后，还有继续承受荷载的能力，称为屈曲后强度。,钢结构设计规范,（,50017,2003,）规定，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的组合梁，设计时要考虑腹板屈曲后的强度。,5.5.1,受压薄板的屈曲后强度,（,1,） 薄板屈曲分析,图,5.23,所示的四边简支薄板，受有均匀分布的竖向压力，当竖向压应力达到弹性临界应力时板开始屈曲。此时，由于板的四边有约束，在板的中部会产生纵向拉力，该拉力牵制屈曲变形的发展。这种牵制作用对提高板的承载力是有利的。,图,5.23,受压板件的屈曲分析,根据板件两边的支承情况，可将板件分为加劲板件、部分加劲板件和非加劲板件。加劲板件为两纵边与其他板件相连接的板件，如箱形截面的翼缘和腹板,图,5.25(a),槽形截面的腹板；部分加劲板件即为一纵边与其他板件相连，另一纵边为卷边加劲的板件，如卷边槽钢的翼缘板,图,5.25(b),；非加劲板,件即一纵边与其他板件相连，另一纵边为自由的板件,图,5.25(c),。,图,5.25,受压板件的有效宽厚比,受压板件有效宽度的计算，与板件的实际宽厚比、所受应力大小和分布情况、板件纵边的支承类型、以及相邻板件对它的约束程度等因素有关。具体的计算参见,冷弯薄壁型钢构件技术规范,。,（,2,）受压腹板的屈曲后强度,图,5.27,张力场作用下的剪切计算图,1,）腹板受剪屈曲后的极限剪力,2,）腹板受弯屈曲后梁的极限弯矩,图,5.28,受弯矩作用时腹板的有效宽度,3,）同时受弯和受剪的腹板强度,梁腹板常在大范围内同时承受弯矩 和剪力 。这时腹板屈曲后对梁承载力的影响比较复杂，一般用 和 的无量纲化相关曲线来表示腹板的强度关系（图,5.29,）。图中假定当弯矩不超过翼缘所提供的最大弯矩 时（ 为一个翼缘截面面积，为上下翼缘轴线间的距离），腹板不参与承担弯矩作用，即假定在 的范围内为一水平线， 。,图,5.29,弯矩于剪力的相关曲线,5.5.2,考虑腹板屈曲后的的梁设计,（,1,）腹板屈曲后的抗剪承载力,（,2,）腹板屈曲后的抗弯承载力,腹板屈曲后的抗弯承载力用由于腹板屈曲后使梁的抗弯承载力下降不大，在计算梁腹板屈曲后的抗弯承载力时，,规范,采用下面介绍的近似公式来计算抗弯承载力。,根据有效截面的概念，假定腹板受压区有效宽度为,等分在 的两端，中部则扣去 的高度，梁的中和轴也由下降。现假定腹板受拉区与受压区同样扣去此高度,(,图,5.30 ),，这样中和轴可不变动，计算较为简便。,图,5.30,(,3),考虑腹板屈曲后强度的梁的计算式,(4),考虑腹板屈曲后强度的加劲肋设计特点,5.6,型钢梁设计,型钢梁中应用最多的是热轧普通工字钢和,H,型钢。热轧型钢梁只需满足强度、刚度和整体稳定的要求，而不需计算局部稳定。其设计方法是：首先根据建筑要求的跨度及预先假定的结构构造，算出梁的最大弯矩设计值，按此选择型钢截面，然后进行各种验算。,5.6.1,单向受弯型钢梁,(1),选择截面,先计算梁的最大弯矩 ，由 从型钢表中取用与 值相近的型钢号。此时可预先估算一个自重求出 ，求出截面后按实际自重进行验算，也可先不考虑自重计算出 ，选出截面后按实际自重进行验算。,(2),截面验算,1,）强度验算,a,）根据所选型钢的实际截面参数 ，按 验算抗弯强度；,b,）有集中力作用时，按 进行局部压应力验算；,c,）按 验算抗剪强度，通常情况下可略去；,d,）验算弯矩及剪力较大的截面上的折算应力，通常情况下可略去。,2,）整体稳定验算,（,3,）刚度验算,按材料力学公式根据荷载标准值算出最大挠度 ，应小于容许挠度值 （按表,5.1,选取）。也可采用相对挠度计算，例如均布荷载下的简支梁：,例,5.2,5.6.2,双向弯曲型钢梁,铺放在屋架上的檩条属于典型的双向弯曲梁,（,1,）檩条的截面形式,有型钢和桁架两种形式,型钢檩条截面形式,桁架檩条截面形式,(2),型钢檩条和拉条的布置,5.6.3,型钢檩条的设计与计算,(1),檩条的受力,斜放檩条受竖向荷载作用，荷载作用线不与檩条截面形心主轴平行且不通过剪力中心,S,时，檩条除产生双向弯曲外还产生扭转。,(2),檩条的计算,型钢檩条的设计，一般是根据设计经验先假定采用截面的型号，然后进行验算。,对于型钢檩条，一般只验算弯曲正应力，而不必验算剪应力及局部压应力,。,1,）弯曲正应力验算,2,）稳定验算,当屋面板对檩条不能起可靠的侧向支承作用时，应对檩条进行稳定验算，验算公式为,3,）刚度计算,为使屋面平整，一般只验算垂直于屋面方向的简支梁挠度，使其不超过容许挠度。,对槽形截面檩条,对单角钢和,Z,型钢,例,5.3,5.7,焊接组合梁设计,5.7.1,截面设计,焊接组合梁截面设计所需确定的截面尺寸为截面高度 （腹扳高度 ）、腹扳厚度 、翼缘宽度 及厚度 。焊接组合梁截面设计的任务是：合理的确定 、 、 、 ，以满足梁的强度、刚度、整体稳定及局部稳定等要求。并能节省钢材，经济合理。,设计的顺序是首先定出 ，然后选定 ，最后定出 和 。,(1),截面高度（腹板高度）,梁的截面高度应根据,建筑高度,、,刚度要求,及,经济要求,确定。,建筑高度是指按使用要求所允许的梁的最大高度。设计梁截面时要求,。,刚度要求是指为保证正常使用条件下，梁的挠度不超过容许挠度（,tolerate deflection,）,即限制梁高,h,不能小于最小梁高 。,受均布荷载作用的简支梁，其最小高度为：,经济高度考虑用钢量为最小来决定。,根据上述三个条件，实际所取梁高应满足：,且,(2),腹扳厚度,腹扳主要承担梁的剪力，其厚度要满足抗剪强度要求。计算时近似假定最大剪应力为腹扳平均剪应力的,1.2,倍，即,考虑腹扳局部稳定及构造要求，腹扳不宜太薄，可用下列经验公式估算,(3),翼缘宽度,b,及厚度,t,腹扳尺寸确定之后，可按强度条件（即所需截面抵抗矩）确定翼缘面积 。对于工形截面：,算出,A,f,之后,设定,b,、,t,中任一数值，即可确定另一个数值。选定,b,、,t,时应注意构造和局部稳定的要求。,5.7.2,截面验算,截面尺寸确定后，按实际选定尺寸计算各项截面几何特性，验算抗弯、抗剪、局部压应力、折算应力、整体稳定、刚度及翼缘局部稳定等要求是否满足。腹扳局部稳定由设置加劲肋来保证，或计算腹板屈曲后的强度。,如果梁截面尺寸沿跨长有变化，应将截面改变设计之后进行抗剪强度、刚度、折算应力验算。,5.7.3,梁截面沿长度的改变,对于跨度较大的工字形截面梁，为节省钢材，可在半跨内改变一次翼缘宽度，如图所示。,梁翼缘宽度的改变,5.7.4,翼缘焊缝的计算,梁弯曲时翼缘焊缝的作用是阻止腹板和翼缘之间产生滑移，因而承受与焊缝平行方向的剪应力 ，其单位梁长上的剪力为：,P252,则翼缘焊缝应满足强度条件：,得：,在 和 的共同作用下，翼缘焊缝强度应满足下式要求：,由此得：,当梁的翼缘上还承受集中力产生的垂直剪力作用时，单位长度的垂直剪力为：,集中荷载增大系数,例题,5.8,钢梁的连接构造,5.8.1,梁的拼接,梁的拼接分为工厂拼接和工地拼接两种。,(1),工厂拼接,焊接梁的工厂拼接,如果梁的长度、高度大于钢材的尺寸，常需要先将腹板和翼缘用几段钢材拼接起来，然后再焊接成梁。这些工作一般在工厂进行，因此称为工厂拼接。,三级焊缝需要验算其强度。,P258,(2),工地拼接,跨度大的梁，由于运输或吊装条件限制，需将梁分成几段运至工地或吊至高空就位后再拼接起来，称为工地拼接。,焊接梁的工地拼接,拼接处一般布置在梁弯矩较小的部位，常常将腹板和翼缘在同一截面断开以便于运输和吊装。也可以将翼缘和腹板拼接位置略微错开，但这种方式在运输、吊装时需要对端部凸出部分加以保护，以免碰损。,工地高强度螺栓拼接,翼缘按,等强度原则,设计 ：拼接板净截面积,翼缘板净截面积,N=A,n,f,腹板拼接先布置螺栓后验算：,V,1,=V/n,弯矩按,等强原则,由翼缘和腹板共同分担，腹板分担的弯矩：,M,w,=I,w,M/I,最大弯矩处,受力最大螺栓的水平力：,若不在最大弯矩处,限制条件：,对于摩擦型高强螺栓有,腹板拼接板强度,W,ws,腹板拼接板净截面抵抗矩,o,e,M,max,5.8.2,次梁与主梁的连接,(1),简支次梁与主梁的连接,这种连接的特点是次梁只有支座反力传给主梁。其形式有叠接和侧面连接两种，叠接时，次梁直接搁置在主梁上，用螺栓和焊缝固定，这种构造简单，但占用建筑高度大，连接刚性差一些。,叠接,侧面连接,侧面连接是将次梁端部上翼缘切去，端部下翼缘则切去一边，然后将次梁端部与主梁加劲肋用螺栓相连。,P262,(2),连续次梁与主梁连接,这种连接也分叠接和侧面连接两种形式。叠接时，次梁在主梁处不断开，直接搁置于主梁并用螺栓或焊缝固定。次梁只有支座反力传给主梁。侧面连接时，次梁要断开，分别连于主梁两侧，除支座反力传给主梁外，连续次梁在主梁支座处的左右弯矩也要通过主梁传递。因此构造稍复杂一些，常用的形式如图,5.55,所示。按图中构造，先在主梁上（次梁相应位置处）焊上承托，承托由竖板及水平顶板组成,图,5.55(a),。安装时先将次梁端部上翼缘切去后安放在主梁承托水平板上，用安装螺栓定位，再将次梁下翼缘与顶板焊牢,图,5.55(b),，最后用连接盖板将主次梁上翼缘用焊缝连接起来,图,5.55(c),。为避免仰焊，连接盖板的宽度应比次梁上翼缘稍窄，承托顶板的宽度则应比次梁下翼缘稍宽。,图,5.55,连续次梁与主梁连接的过程,在图,5.55,的连接中，次梁支座反力直接传递给承托顶板，再传至主梁。左右次梁的支座反弯矩则分解为上翼缘的拉力和下翼缘的压力组成的力偶。上翼缘的拉力由连接盖板传递，下翼缘的压力传给承托顶板后，再由承托顶板传给主梁腹板。这样次梁上翼缘与连接盖板之间的焊缝、次梁下翼缘与承托顶板之间的焊缝以及承托顶板与主梁腹板之间的焊缝应按各自传递的拉力或压力设计。,钢结构各种构件连接形式种类很多，形式各异，设计时，首先要分析连接的传力途径，研究传力是否安全，同时也要注意构造布置是否合理，施工是否方便，只有综合考虑了上述问题，才能作好设计工作。,5.9.1,蜂窝梁,将,H,型钢沿腹板的折线切割成的两部分，然后齿尖对齿尖地焊合后，形成腹板有孔洞的工字形梁，这就是蜂窝梁。与原,H,型钢相比，蜂窝梁的承载力及刚度均显著增大，是一种经济、合理的截面形式，而且便于管线穿越。,蜂窝梁,5.9,其他梁设计,5.9.2,异种钢组合梁,对于荷载和跨度较大的钢梁，当梁的截面由抗弯强度控制时，选强度较高的钢材用于主要承受弯矩的翼缘板，选强度较低的钢材用于主要承受剪力且常有富余的腹板，从而降低构件的成本。这种由不同种类的钢材制成的梁称之为异种钢组合梁。,对于三块钢板组成的异种钢梁，受弯时截面正应力如图所示。,异种钢组合梁,图示钢梁，在竖向荷载作用下，其跨中弯矩和挠曲变形随跨度增大而急剧增加。解决此问题的一种办法是在梁的下部用高强钢索（钢绞线）施加预拉力，由于预拉力的偏心作用，对梁截面产生反向弯矩，抵消部分竖向荷载的作用，改善构件的受力方式，提高结构的承载力或增加结构的刚度。,预应力梁钢索布置,预应力梁截面型式,5.9.3,预应力钢梁,5.9.4,钢混凝土组合梁,钢混凝土组合梁是只通过抗剪连接件将钢梁与混凝土板连成整体而共同工作的抗弯构件。这种结构形式能够充分发挥混凝土材料抗压和钢材抗拉性能好的优势，两种材料组合后的整体工作性能明显优于二者性能的简单叠加。同钢筋混凝土相比，钢混凝土组合结构可以大大减轻自重，减小构件截面尺寸，增加有效使用空间，降低基础造价，减小地震作用，节省支模工序及摸板，缩短施工周期，增加构件和结构的延性等。同钢结构相比，可以减少用钢量，降低造价，提高刚度，增加稳定性的整体性，增加结构的抗火性和耐久性。,Thank You !,双轴对称工字型截面简支梁纯弯作用整体稳定,1.,临,界,弯矩,弹性阶段,简支梁,铰支支座,在支座处梁不发生,x,y,方向的位移,不发生绕,z,轴的转动,可绕,x,，,y,轴,的转动,梁端截面不受约束，可自由发生翘曲,假设：,双轴对称工字型截面简支梁纯弯作用整体稳定,M,M,z,y,M,M,y,1,z,1,z,y,v,dv/dz,临界弯矩计算简图,C,O,P11,3,x,双轴对称工字型截面简支梁纯弯作用整体稳定,M,M,z,x,x,1,z,1,du/dz,M,M,z,y,临界弯矩计算简图,C,O,x,双轴对称工字型截面简支梁纯弯作用整体稳定,z,y,M,M,y,1,z,M,M,z,x,x,1,z,1,v,dv/dz,du/dz,M,x,1,M,M,M,z,1,M,du/dz,临界弯矩计算简图,C,C,O,O,双轴对称工字型截面简支梁纯弯作用整体稳定,梁的任一截面，该截面形心在,x,、,y,轴方向位移为,u,、,v,，扭转角为,，,C,点的新坐标轴,x,1,、,y,1,、,z,1,与原坐标轴,x,、,y,、,z,有所改变，称为移动坐标轴,。,C,点的弯矩,M,x,M,可以分解为三个力矩,M,x,1,、,M,y,1,、,M,z,1,，按右手螺旋的大拇指方向，双箭头力矩表示相应的力矩。,双轴对称工字型截面简支梁纯弯作用整体稳定,x,y,y,1,x,M,y,1,M,M,x,1,M,M,v,u,双轴对称工字型截面简支梁纯弯作用整体稳定,K,