轴心受力构件-夏志斌.ppt

第六章 轴心受力构件 1 了解 轴心受力构件 的应用和截面形式 2 掌握轴心受拉构件设计计算 3 了解 轴心受压构件 稳定理论的基本概念和分析方法 4 掌握现行规范关于 轴心受压构件 设计计算方法 重点及难点是构件的整体稳定和局部稳定 5 了解格构式轴心受压构件设计方法 大纲要求 6 1轴心受力构件的应用和截面形式 一 轴心受力构件的应用 拉杆 压杆 轴心受压柱 3 塔架 1 桁架 2 网架 4 实腹式轴压柱与格构式轴压柱 二 轴心受力构件的破坏方式和计算内容 压杆的破坏形式 整体失稳局部失稳强度破坏 拉杆的破坏形式 强度破坏 无论拉杆压杆长细比要小于容许长细比 以满足刚度要求 保证在制造运输和安装时不发生弯曲变形 三 轴心受压构件的截面形式 截面形式可分为 实腹式和格构式两大类 1 实腹式截面 a轧制型钢b c型钢和钢板的实腹式组合截面d冷弯薄壁型钢 2 格构式截面 截面由两个或多个型钢肢件通过缀材连接而成 6 2轴心受拉构件的受力性能和计算 一 强度计算 承载能力极限状态 N 轴心拉力或压力设计值 An 构件的净截面面积 f 钢材的抗拉强度设计值 二 刚度计算 正常使用极限状态 保证构件在运输 安装 使用时不会产生过大变形 三 截面设计 6 3轴心受压构件的受力性能 6 3 1轴心受压构件的整体失稳现象 轴心受压构件受力后的破坏有两类1 短而粗的受压构件主要是强度破坏2 细而长得受压构件主要是失去整体稳定性而破坏屈曲 轴心受压构件受外力作用后 当截面上的平均应力远低于钢材的屈服点时 常由于其内力和外力间不能保持平衡的稳定性 些微扰动即足以使构件产生很大的弯曲变形 或扭转变形或弯扭变形而丧失承载力 这现象就成为丧失整体稳定性 或称为屈曲 6 4轴心受压构件的整体稳定性 6 4 1轴心受压构件的整体失稳现象 轴压构件整体稳定的基本理论 轴心受压构件的失稳形式 理想的轴心受压构件 杆件挺直 荷载无偏心 无初始应力 无初弯曲 无初偏心 截面均匀等 的失稳形式分为 1 弯曲失稳 只发生弯曲变形 截面只绕一个主轴旋转 杆纵轴由直线变为曲线 是双轴对称截面常见的失稳形式 2 扭转失稳 失稳时除杆件的支撑端外 各截面均绕纵轴扭转 是某些双轴对称截面可能发生的失稳形式 3 弯扭失稳 单轴对称截面绕对称轴屈曲时 杆件发生弯曲变形的同时必然伴随着扭转 1 轴心受压杆件的弹性弯曲屈曲 A稳定平衡状态 B随遇平衡状态 C临界状态 6 3 2无缺陷轴心受压构件的屈曲 下面推导临界力Ncr 设M作用下引起的变形为y1 剪力作用下引起的变形为y2 总变形y y1 y2 由材料力学知 剪力V产生的轴线转角为 对于常系数线形二阶齐次方程 其通解为 通常剪切变形的影响较小 可忽略不计 即得欧拉临界力和临界应力 上述推导过程中 假定E为常量 材料满足虎克定律 所以 cr不应大于材料的比例极限fp 即 2 轴心受压杆件的弹塑性弯曲屈曲 1 双模量理论 该理论认为 轴压构件在微弯的中性平衡时 截面平均应力 cr 要叠加上弯曲应力 弯曲受压一侧应力增加遵循切线模量Et规律 分布图形为曲线 由于是微弯 故其数值较 cr小的多 可近似取直线 而弯曲受拉一侧应力发生退降 且应力退降遵循弹性规律 又因为E Et 且弯曲拉 压应力平衡 所以中和轴向受拉一侧移动 历史上有两种理论来解决该问题 即 当 cr大于fp后 曲线为非线性 cr难以确定 令 I1为弯曲受拉一侧截面 退降区 对中和轴的惯性矩 解此微分方程 即得理想的轴心压杆微弯状态下的弹塑性临界力 I2为弯曲受压一侧截面对中和轴的惯性矩 且忽略剪切变形的影响 由内 外弯矩平衡得 2 切线模量理论 假定 A 达到临界力Ncr t时杆件挺直 B 杆微弯时 轴心力增加 N 其产生的平均压应力与弯曲拉应力相等 所以应力 应变全截面增加 无退降区 切线模量Et通用于全截面 由于 N较Ncr t小的多 近似取Ncr t作为临界力 因此以Et替代弹性屈曲理论临界力公式中的E 即得该理论的临界力和临界应力 6 3 3初始缺陷对压杆稳定的影响 但试验结果却常位于蓝色虚线位置 即试验值小于理论值 这主要由于压杆初始缺陷的存在 如前所述 如果将钢材视为理想的弹塑性材料 则压杆的临界力与长细比的关系曲线 柱子曲线 应为 初始缺陷 几何缺陷 初弯曲 初偏心等 力学缺陷 残余应力 材料不均匀等 1 残余应力的影响 1 残余应力产生的原因及其分布 A 产生的原因 焊接时的不均匀加热和冷却 如前所述 型钢热扎后的不均匀冷却 板边缘经火焰切割后的热塑性收缩 构件冷校正后产生的塑性变形 实测的残余应力分布较复杂而离散 分析时常采用其简化分布图 计算简图 2 残余应力影响下短柱的 曲线 以热扎H型钢短柱为例 显然 由于残余应力的存在导致比例极限fp降为 3 仅考虑残余应力影响的轴压柱的临界应力 根据前述压杆屈曲理论 当或时 可采用欧拉公式计算临界应力 当或时 截面出现塑性区 由切线模量理论知 柱屈曲时 截面不出现卸载区 塑性区应力不变而变形增加 微弯时截面的弹性区抵抗弯矩 因此 用截面弹性区的惯性矩Ie代替全截面惯性矩I 即得柱的临界应力 仍以忽略腹板的热扎H型钢柱为例 推求临界应力 当 fp fy rc时 截面出现塑性区 应力分布如图 柱屈曲可能的弯曲形式有两种 沿强轴 x轴 和沿弱轴 y轴 因此 临界应力为 显然 残余应力对弱轴的影响要大于对强轴的影响 k 1 为消掉参数k 有以下补充方程 由 abc a b c 得 由力的平衡可得截面平均应力 纵坐标是临界应力与屈服强度的比值 横坐标是相对长细比 正则化长细比 联合求解式即得 crx x 联合求解式即得 cry y 可将其画成无量纲曲线 柱子曲线 如下 假定 两端铰支压杆的初弯曲曲线为 2 初弯曲的影响 令 N作用下的挠度的增加值为y 由力矩平衡得 将式初挠度式代入上式 得 另外 由前述推导可知 N作用下的挠度的增加值为y 也呈正弦曲线分布 上式求二阶导数 将式代入式 整理得 求解上式 因sin x l 0 所以 杆长中点总挠度为 根据上式 可得理想无限弹性体的压力 挠度曲线 具有以下特点 v随N非线形增加 当N趋于NE时 v趋于无穷 相同N作用下 v随v0的增大而增加 初弯曲的存在使压杆承载力低于欧拉临界力NE 实际压杆并非无限弹性体 当N达到某值时 在N和N v的共同作用下 截面边缘开始屈服 A或A 点 进入弹塑性阶段 其压力 挠度曲线如虚线所示 对于仅考虑初弯曲的轴心压杆 截面边缘开始屈服的条件为 最后在N未达到NE时失去承载能力 B或B 点为其极限承载力 解式 其有效根 即为以截面边缘屈服为准则的临界应力 上式称为柏利 Perry 公式 如果取v0 l 1000 验收规范规定 则 由于不同的截面及不同的对称轴 i 不同 因此初弯曲对其临界力的影响也不相同 对于焊接工字型截面轴心压杆 当时 对x轴 强轴 i 1 16 对y轴 弱轴 i 2 10 微弯状态下建立微分方程 3 初偏心的影响 解微分方程 即得 所以 压杆长度中点 x l 2 最大挠度v 其压力 挠度曲线如图 曲线的特点与初弯曲压杆相同 只不过曲线过圆点 可以认为初偏心与初弯曲的影响类似 但其影响程度不同 初偏心的影响随杆长的增大而减小 初弯曲对中等长细比杆件影响较大 实际压杆并非全部铰支 对于任意支承情况的压杆 其临界力为 4 杆端约束对压杆整体稳定的影响 对于框架柱和厂房阶梯柱的计算长度取值 详见有关章节 1 实际轴心受压构件的临界应力确定受压构件临界应力的方法 一般有 1 屈服准则 以理想压杆为模型 弹性段以欧拉临界力为基础 弹塑性段以切线模量为基础 用安全系数考虑初始缺陷的不利影响 2 边缘屈服准则 以有初弯曲和初偏心的压杆为模型 以截面边缘应力达到屈服点为其承载力极限 3 最大强度准则 以有初始缺陷的压杆为模型 考虑截面的塑性发展 以最终破坏的最大荷载为其极限承载力 4 经验公式 以试验数据为依据 6 4实际轴心受压构件的整体稳定计算 2 实际轴心受压构件的柱子曲线 我国规范给定的临界应力 cr 是按最大强度准则 并通过数值分析确定的 由于各种缺陷对不同截面 不同对称轴的影响不同 所以 cr 曲线 柱子曲线 呈相当宽的带状分布 为减小误差以及简化计算 规范在试验的基础上 给出了四条曲线 四类截面 并引入了稳定系数 3 实际轴心受压构件的整体稳定计算 轴心受压构件不发生整体失稳的条件为 截面应力不大于临界应力 并考虑抗力分项系数 R后 即为 公式使用说明 1 截面分类 见教材表6 4 1 第191页 4 构件长细比的确定 截面为双轴对称或极对称构件 对于双轴对称十字形截面 为了防止扭转屈曲 尚应满足 截面为单轴对称构件 绕对称轴y轴屈曲时 一般为弯扭屈曲 其临界力低于弯曲屈曲 所以计算时 以换算长细比 yz代替 y 计算公式如下 单角钢截面和双角钢组合T形截面可采取以下简化计算公式 A 等边单角钢截面 图 a B 等边双角钢截面 图 b C 长肢相并的不等边角钢截面 图 C D 短肢相并的不等边角钢截面 图 D 单轴对称的轴心受压构件在绕非对称轴以外的任意轴失稳时 应按弯扭屈曲计算其稳定性 当计算等边角钢构件绕平行轴 u轴 稳定时 可按下式计算换算长细比 并按b类截面确定值 3 其他注意事项 1 无任何对称轴且又非极对称的截面 单面连接的不等边角钢除外 不宜用作轴心受压构件 2 单面连接的单角钢轴心受压构件 考虑强度折减系数后 可不考虑弯扭效应的影响 3 格构式截面中的槽形截面分肢 计算其绕对称轴 y轴 的稳定性时 不考虑扭转效应 直接用 y查稳定系数 单角钢的单面连接时强度设计值的折减系数 1 按轴心受力计算强度和连接乘以系数0 85 2 按轴心受压计算稳定性 等边角钢乘以系数0 6 0 0015 且不大于1 0 短边相连的不等边角钢乘以系数0 5 0 0025 且不大于1 0 长边相连的不等边角钢乘以系数0 70 3 对中间无联系的单角钢压杆 按最小回转半径计算 当 20时 取 20 在外压力作用下 截面的某些部分 板件 不能继续维持平面平衡状态而产生凸曲现象 称为局部失稳 局部失稳会降低构件的承载力 6 5轴心受压构件的局部稳定 一 薄板屈曲基本原理 1 单向均匀受压薄板弹性屈曲对于四边简支单向均匀受压薄板 弹性屈曲时 由小挠度理论 可得其平衡微分方程 四边简支单向均匀受压薄板的屈曲 四边简支均匀受压薄板的屈曲系数 由于临界荷载是微弯状态的最小荷载 即n 1 y方向为一个半波 时所取得的Nx为临界荷载 当a b m时 最小 当a b 1时 4 所以 减小板长并不能提高Ncr 但减小板宽可明显提高Ncr 对一般构件来讲 a b远大于1 故近似取 4 这时有四边简支单向均匀受压薄板的临界力 对于其他支承条件的单向均匀受压薄板 可采用相同的方法求得 值 如下 综上所述 单向均匀受压薄板弹性阶段的临界力及临界应力的计算公式统一表达为 2 单向均匀受压薄板弹塑性屈曲应力板件进入弹塑性状态后 在受力方向的变形遵循切线模量规律 而垂直受力方向则保持弹性 因此板件属于正交异性板 其屈曲应力可用下式表达 二 轴心受压构件的局部稳定的验算对于普通钢结构 一般要求 局部失稳不早于整体失稳 即板件的临界应力不小于构件的临界应力 所以 由上式 即可确定局部失稳不早于整体失稳时 板件的宽厚比限值 1 翼缘板 A 工字形 T形 H形截面翼缘板 B 箱形截面翼缘板 2 腹板 A 工字形 H形截面腹板 B 箱形截面腹板 C T形截面腹板 3 圆管截面 三 轴压构件的局部稳定不满足时的解决措施1 增加板件厚度 2 对于H形 工字形和箱形截面 当腹板高厚比不满足以上规定时 在计算构件的强度和稳定性时 腹板截面取有效截面 即取腹板计算高度范围内两侧各为部分 但计算构件的稳定系数时仍取全截面 由于横向张力的存在 腹板屈曲后仍具有很大的承载力 腹板中的纵向压应力为非均匀分布 因此 在计算构件的强度和稳定性时 腹板截面取有效截面betW 腹板屈曲后 实际平板可由一应力等于fy的等效平板代替 如图 3 对于H形 工字形和箱形截面腹板高厚比不满足以上规定时 也可以设纵向加劲肋来加强腹板 纵向加劲肋与翼缘间的腹板 应满足高厚比限值 纵向加劲肋宜在腹板两侧成对配置 其一侧的外伸宽度不应小于10tw 厚度不应小于0 75tw 1 截面的选取原则 6 6实腹式轴心受压构件的截面设计 2 尽量满足两主轴方向的等稳定要求 即 以达到经济要求 4 尽可能构造简单 易加工制作 易取材 1 截面积的分布尽量展开 以增加截面的惯性矩和回转半径 从而提高柱的整体稳定性和刚度 3 便于其他构件的连接 2 截面的设计 1 截面面积A的确定假定 50 100 当压力大而杆长小时取小值 反之取大值 初步确定钢材种类和截面分类 查得稳定系数 从而 2 求两主轴方向的回转半径 3 由截面面积A和两主轴方向的回转半径 优先选用轧制型钢 如工字钢 H型钢等 型钢截面不满足时 选用组合截面 组合截面的尺寸可由回转半径确定 4 由求得的A h b 综合考虑构造 局部稳定 钢材规格等 确定截面尺寸 5 构件的截面验算 A 截面有削弱时 进行强度验算 B 整体稳定验算 C 局部稳定验算 对于热轧型钢截面 因板件的宽厚比较大 可不进行局部稳定的验算 D 刚度验算 可与整体稳定验算同时进行 3 构造要求 对于实腹式柱 当腹板的高厚比h0 tw 80时 为提高柱的抗扭刚度 防止腹板在运输和施工中发生过大的变形 应设横向加劲肋 要求如下 横向加劲肋间距 3h0 横向加劲肋的外伸宽度bs h0 30 40mm 横向加劲肋的厚度ts bs 15 对于组合截面 其翼缘与腹板间的焊缝受力较小 可不于计算 按构造选定焊脚尺寸即可 6 7格构式轴心受压构件设计 格构式轴心受压构件的组成 格构式构件一般由两个或多个分肢用缀件联系组成 采用较多的是两分肢格构式构件 格构式构件截面中 通过分肢腹板的主轴叫实轴 通过分肢缀件的主轴叫虚轴 缀件通常设置在分肢的翼缘两侧平面内 其作用是将各分肢连成整体 使其共同受力 并承受绕虚轴弯曲时产生的剪力 6 7 1格构式轴心受压构件的整体稳定 1 对实轴的整体稳定性验算 格构式双肢柱有两个并列的实腹式杆件 故对其绕实轴弯曲的整体稳定承载力计算与实腹式相同 直接用对实轴的长细比查稳定性系数 按前面实腹式计算即可 2 对虚轴的整体稳定性计算 对于格构式轴心受压柱 当绕虚轴弯曲失稳时 构件弯曲所产生的横向剪力作用在缀件上 由于缀件较细 缀件自身变形对构件弯曲变形的影响不能忽略 考虑了剪切变形的欧拉临界力计算公式为 一 截面选取原则 尽可能做到等稳定性要求 二 格构式轴压构件设计 1 强度 N 轴心压力设计值 An 柱肢净截面面积之和 2 整体稳定验算 对于常见的格构式截面形式 只能产生弯曲屈曲 其弹性屈曲时的临界力为 或 1 对实轴 y y轴 的整体稳定 因很小 因此可以忽略剪切变形 o y 其弹性屈曲时的临界应力为 则稳定计算 2 对虚轴 x x 稳定 绕x轴 虚轴 弯曲屈曲时 因缀材的剪切刚度较小 剪切变形大 1则不能被忽略 因此 则稳定计算 由于不同的缀材体系剪切刚度不同 1亦不同 所以换算长细比计算就不相同 通常有两种缀材体系 即缀条式和缀板式体系 其换算长细比计算如下 双肢缀条柱 设一个节间两侧斜缀条面积之和为A1 节间长度为l1 单位剪力作用下斜缀条长度及其内力为 假设变形和剪切角有限微小 故水平变形为 剪切角 1为 因此 斜缀条的轴向变形为 将式代入式 得 对于一般构件 在40 70o之间 所以规范给定的 0 x的计算公式为 双肢缀板柱假定 缀板与肢件刚接 组成一多层刚架 弯曲变形的反弯点位于各节间的中点 只考虑剪力作用下的弯曲变形 取隔离体如下 当 超出以上范围时应按式基本式子计算 分肢弯曲变形引起的水平位移 2 因此 剪切角 1 缀板的弯曲变形引起的分肢水平位移 1 将剪切角 1代入式 并引入分肢和缀板的线刚度K1 Kb 得 由于规范规定这时 所以规范规定双肢缀板柱的换算长细比按下式计算 式中 对于三肢柱和四肢柱的换算长细比的计算见规范 3 缀材的设计 1 轴心受压格构柱的横向剪力构件在微弯状态下 假设其挠曲线为正弦曲线 跨中最大挠度为v 则沿杆长任一点的挠度为 截面弯矩为 所以截面剪力 显然 z 0和z l时 由边缘屈服准则 在设计时 假定横向剪力沿长度方向保持不变 且横向剪力由各缀材面分担 2 缀条的设计 A 缀条可视为以柱肢为弦杆的平行弦桁架的腹杆 故一个斜缀条的轴心力为 B 由于剪力的方向不定 斜缀条应按轴压构件计算 其长细比按最小回转半径计算 C 斜缀条一般采用单角钢与柱肢单面连接 设计时钢材强度应进行折减 同前 D 交叉缀条体系的横缀条应按轴压构件计算 取其内力N V1 E 单缀条体系为减小分肢的计算长度 可设横缀条 虚线 其截面一般与斜缀条相同 或按容许长细比 150确定 3 缀板的设计 对于缀板柱取隔离体如下 由力矩平衡可得 剪力T在缀板端部产生的弯矩 T和M即为缀板与肢件连接处的设计内力 同一截面处两侧缀板线刚度之和不小于单个分肢线刚度的6倍 即 缀板宽度d 2a 3 厚度t a 40且不小于6mm 端缀板宜适当加宽 一般取d a 4 格构柱的设计步骤格构柱的设计需首先确定柱肢截面和缀材形式 对于大型柱宜用缀条柱 中小型柱两种缀材均可 具体设计步骤如下 缀板的构造要求 以双肢柱为例 1 按对实轴的整体稳定确定柱的截面 分肢截面 2 按等稳定条件确定两分肢间距a 即 0 x y 双肢缀条柱 双肢缀板柱 显然 为求得 x 对缀条柱需确定缀条截面积A1 对缀板柱需确定分肢长细比 1 所以 由附录求得截面宽度 当然也可由截面几何参数计算得到b 3 验算对虚轴的整体稳定 并调整b 4 设计缀条和缀板及其与柱肢的连接 对虚轴的回转半径 格构柱的构造要求 0 x和 y 为保证分肢不先于整体失稳 应满足 缀条柱的分肢长细比 缀板柱的分肢长细比 三 柱子的横隔 为提高柱子的抗扭刚度 应设柱子横隔 间距不大于柱截面较大宽度的9倍或8m 且每个运输单元的端部均应设置横隔 横隔的形式自学