钢柱 轴心受力构件()解析
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轴心受力构件
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。
钢结构设计原理 第四章-轴心受力构件
因此，失稳时杆件的整个截面都处于加载的过 程中，应力-应变关系假定遵循同一个切线模量 Et，此时轴心受压杆件的屈曲临界力为：
N cr ,t
2 Et I
2 二、实际的轴心受压构件的受力性能
在钢结构中，实际的轴压杆与理想的直杆受力性能之间差别很大，实 际上，轴心受压杆的屈曲性能受许多因素影响，主要的影响因素有：
一、理想轴压构件的受力性能 理想轴压构件是指满足下列4个条件： o杆件本身绝对直杆； o材料均质且各向同性； o无荷载偏心且在荷载作用之前无初始应力； o杆端为两端铰接。 在轴心压力作用下，理想的压杆可能发生三种形式的屈曲： 弯曲屈曲、扭转屈曲、弯扭屈曲——见教科书P97图4–6 轴心受压构件具体以何种形式失稳，主要取决于截面的形式 和尺寸、杆的长度以及杆端的支撑条件。
l N 2 EI 对一无残余应力仅存在初弯曲的轴压杆，杆件中点截面边缘开始 式中 N l2 NE 屈服的条件为：
0
1
经过简化为：
N N vm v0 v0 fy v m v0 v 1 1 N NE A W N N v0 N E fy A W NE N
An—构件的净截面面积_
N fy r f R An
P94式4-2
（1）当轴力构件采用普通螺栓连接时 螺栓为并列布置：
n1 n2 n3
按最危险的截面Ⅰ-Ⅰ 计算，3个截面净截面面积 相同，但 Ⅰ-Ⅰ截面受力最大。
N n
Ⅰ-Ⅰ：N Ⅱ-Ⅱ：N-Nn1/n Ⅲ-Ⅲ：N-N(n1+n2)/n
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
2 2
从上面两式我们可以看出，绕不同轴屈曲时，不仅临界力不同，且残余 应力对临界应力的影响程度也不同。因为k1，所以残余应力对弱轴的 影响比对强轴的影响严重的多。
钢结构轴心受力构件计算
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。
钢结构第四章轴心受力构件
以极限承载力Nu为依据。规范以初弯曲v0 =l/1000来综合考
虑初弯曲和初偏心的影响，再考虑不同的截面形状和尺寸、不 同的加工条件和残余应力分布及大小及不同的屈曲方向后，采
用数值分析方法来计算构件的Nu值。
令 n/( E/ fy) Nu /(Afy)
绘出～λn曲线(算了200多条)，它们形成了相当宽的
三、轴心受力构件的工程应用 平面桁架、空间桁架（包括网架和塔架）
结构、工作平台和其它结构的支柱等。 四、截面选型的原则
用料经济；形状简单，便于制做；便于与 其它构件连接。 五、设计要求
满足强度和刚度要求、轴心受压构件还应 满足整体稳定和局部稳定要求。
★思考问题：强度破坏和整体失稳有何异同？？
第二节 轴心受力构件的强度和刚度计算
h ix /1
b iy /2
根据所需A、h、b 并考虑局部稳定要求 和构造要
求(h≥b)，初选截面尺寸A、h、b 、t、tw。通常取h0 和b为10mm的倍数。对初选截面进行验算调整。由
于假定的不一定恰当，一般需多次调整才能获得较
满意的截面尺寸。
三、格构式轴心受压构件设计
1. 格构式轴心受压构件的整体稳定承载力 (1) 绕实轴的整体稳定承载力
h0/tw(2 50.5m)ax 23 /fy 5
式中λmax为两方向 长细比的较大值
当构件的承载力有富 裕时，板件的宽厚比可适 当放宽。
第五节 轴心受压构件设计
一、设计原则 1．设计要求 应满足强度、刚度、整体稳定和局部稳定要求。 2．截面选择原则 (1)尽量加大截面轮廓尺寸而减小板厚，以获得
也板称的作局局部部稳与定整计体算等，稳《定规准范则》。采用了σcr板σcr整体的设计准则， σcr板—板的临界应力，主要与板件的宽厚比有关。 《规范》采用限制板件宽厚比的方法来满足局部稳定。根据设 计准则分析并简化后得到的局部稳定计算公式为：
虑初弯曲和初偏心的影响，再考虑不同的截面形状和尺寸、不 同的加工条件和残余应力分布及大小及不同的屈曲方向后，采
用数值分析方法来计算构件的Nu值。
令 n/( E/ fy) Nu /(Afy)
绘出～λn曲线(算了200多条)，它们形成了相当宽的
三、轴心受力构件的工程应用 平面桁架、空间桁架（包括网架和塔架）
结构、工作平台和其它结构的支柱等。 四、截面选型的原则
用料经济；形状简单，便于制做；便于与 其它构件连接。 五、设计要求
满足强度和刚度要求、轴心受压构件还应 满足整体稳定和局部稳定要求。
★思考问题：强度破坏和整体失稳有何异同？？
第二节 轴心受力构件的强度和刚度计算
h ix /1
b iy /2
根据所需A、h、b 并考虑局部稳定要求 和构造要
求(h≥b)，初选截面尺寸A、h、b 、t、tw。通常取h0 和b为10mm的倍数。对初选截面进行验算调整。由
于假定的不一定恰当，一般需多次调整才能获得较
满意的截面尺寸。
三、格构式轴心受压构件设计
1. 格构式轴心受压构件的整体稳定承载力 (1) 绕实轴的整体稳定承载力
h0/tw(2 50.5m)ax 23 /fy 5
式中λmax为两方向 长细比的较大值
当构件的承载力有富 裕时，板件的宽厚比可适 当放宽。
第五节 轴心受压构件设计
一、设计原则 1．设计要求 应满足强度、刚度、整体稳定和局部稳定要求。 2．截面选择原则 (1)尽量加大截面轮廓尺寸而减小板厚，以获得
也板称的作局局部部稳与定整计体算等，稳《定规准范则》。采用了σcr板σcr整体的设计准则， σcr板—板的临界应力，主要与板件的宽厚比有关。 《规范》采用限制板件宽厚比的方法来满足局部稳定。根据设 计准则分析并简化后得到的局部稳定计算公式为：
钢结构原理-第4章轴心受力构件
柱子曲线： 由于各种缺陷同时
存在，且都是变量，再 加上材料的弹塑性，轴 压构件属于极值点失稳， 其极限承载力Nu很难用 解析法计算，只能借助 计算机采用数值法求解。
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
缺陷通常只考虑影响最大的残余应力和初弯曲（l/1000）。 采用数值法可以计算出轴压构件在某个方向（绕 x 或 y 轴）的 柱子曲线，如下图，纵坐标为截面平均应力与屈服强度的比值， 横坐标为正则化长细比。
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.1 概述
4.1.1 定义：构件只承受轴心力的作用。 承受轴心压力时称为轴心受压构件。 承受轴心拉力时称为轴心受拉构件。
N
N
N
N
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.1.2 轴心受力构件的应用 平面及空间桁架（钢屋架、管桁架、塔桅、网架等）； 工业及民用建筑结构中的一些柱； 支撑系统；等等。
(a) N
(b) N
Hale Waihona Puke (c) NNN
N
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.4.3 理想轴心受压构件的弯曲屈曲 4.4.3.1 弹性弯曲屈曲
取隔离体，建立平衡微分方程
EyIN y0
用数学方法解得：N 的最 小值即分岔屈曲荷载 Ncr，又称 为欧拉荷载 NE 。
Ncr2EI/l2
对应的临界应力为：
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.4 轴心受压构件的整体稳定
概念：在压力作用下，构件的外力必须和内力相平衡。 平衡有稳定、不稳定之分。当为不稳定平衡时，轻微的扰 动就会使构件产生很大的变形而最后丧失承载能力，这种 现象称为丧失稳定性，简称失稳，也称屈曲。 特点：与强度破坏不同，构件整体失稳时会导致完全 丧失承载能力，甚至整体结构倒塌。失稳属于承载能力极 限状态。与混凝土构件相比，钢构件截面尺寸小、构件细 长，稳定问题非常突出。只有受压才有稳定问题。
存在，且都是变量，再 加上材料的弹塑性，轴 压构件属于极值点失稳， 其极限承载力Nu很难用 解析法计算，只能借助 计算机采用数值法求解。
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
缺陷通常只考虑影响最大的残余应力和初弯曲（l/1000）。 采用数值法可以计算出轴压构件在某个方向（绕 x 或 y 轴）的 柱子曲线，如下图，纵坐标为截面平均应力与屈服强度的比值， 横坐标为正则化长细比。
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.1 概述
4.1.1 定义：构件只承受轴心力的作用。 承受轴心压力时称为轴心受压构件。 承受轴心拉力时称为轴心受拉构件。
N
N
N
N
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.1.2 轴心受力构件的应用 平面及空间桁架（钢屋架、管桁架、塔桅、网架等）； 工业及民用建筑结构中的一些柱； 支撑系统；等等。
(a) N
(b) N
Hale Waihona Puke (c) NNN
N
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.4.3 理想轴心受压构件的弯曲屈曲 4.4.3.1 弹性弯曲屈曲
取隔离体，建立平衡微分方程
EyIN y0
用数学方法解得：N 的最 小值即分岔屈曲荷载 Ncr，又称 为欧拉荷载 NE 。
Ncr2EI/l2
对应的临界应力为：
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.4 轴心受压构件的整体稳定
概念：在压力作用下，构件的外力必须和内力相平衡。 平衡有稳定、不稳定之分。当为不稳定平衡时，轻微的扰 动就会使构件产生很大的变形而最后丧失承载能力，这种 现象称为丧失稳定性，简称失稳，也称屈曲。 特点：与强度破坏不同，构件整体失稳时会导致完全 丧失承载能力，甚至整体结构倒塌。失稳属于承载能力极 限状态。与混凝土构件相比，钢构件截面尺寸小、构件细 长，稳定问题非常突出。只有受压才有稳定问题。
84-第4章 轴心受力构件
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
根据概率极限状态设计法，取设计值（标准值乘以荷载分项系数），也去设计值（除以抗力分项系数）即，钢材设计强度见附表1.1，P313。表达式为
（4.1）
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。
(3) 必须考虑结构和构件的初始缺陷。几何缺陷（杆件的切始弯曲、初始偏心、结构形体的偏差以及板件的初始不平整度）和力学缺陷（初始应力和力学参数（如弹性模量、强度极限等）的不均匀性）。
稳定性分析方法
稳定性分析方法
平衡法、能量法、动力法
稳定性近似分析方法
能量守恒原理（Timoshenko能量法）：
(d)
代入第一个边界条件（x=0时y=0），得B=0，且
(e)
将第二个边界条件（x=l时y=0）代入上式，得
(f)
4.4.2.2初始缺陷对轴心压杆稳定的影响
实际轴压杆件都是存在各种缺陷的，包括力学缺陷（残余应力、材料不均匀等）和几何缺陷（初弯曲、荷载初偏心等）。对压杆弯曲失稳影响最大的缺陷有：残余应力（纵向）、初弯曲、荷载初偏心。
(1) 残余应力的影响
> 残余应力的类型有四种：焊接、热轧、火焰切割、冷加工。
第二种为考虑大位移但转角仍在小变形范围。钢框架既考虑构件又考虑结构整体失稳的稳定分析时可采用这一方法。
第三种为考虑大位移和大转角的非线性分析。网壳结构的稳定、板件考虑屈曲后强度的稳定以及构件考虑整体与局部相关稳定时的分析应采用这一方法。
稳定分析就是二阶分析，但二阶分析并非仅限于稳定分析。在结构的变形对内力的影响不可忽视时（如大多数的悬索结构），都必须采用二阶分析。
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。
根据概率极限状态设计法，取设计值（标准值乘以荷载分项系数），也去设计值（除以抗力分项系数）即，钢材设计强度见附表1.1，P313。表达式为
（4.1）
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。
(3) 必须考虑结构和构件的初始缺陷。几何缺陷（杆件的切始弯曲、初始偏心、结构形体的偏差以及板件的初始不平整度）和力学缺陷（初始应力和力学参数（如弹性模量、强度极限等）的不均匀性）。
稳定性分析方法
稳定性分析方法
平衡法、能量法、动力法
稳定性近似分析方法
能量守恒原理（Timoshenko能量法）：
(d)
代入第一个边界条件（x=0时y=0），得B=0，且
(e)
将第二个边界条件（x=l时y=0）代入上式，得
(f)
4.4.2.2初始缺陷对轴心压杆稳定的影响
实际轴压杆件都是存在各种缺陷的，包括力学缺陷（残余应力、材料不均匀等）和几何缺陷（初弯曲、荷载初偏心等）。对压杆弯曲失稳影响最大的缺陷有：残余应力（纵向）、初弯曲、荷载初偏心。
(1) 残余应力的影响
> 残余应力的类型有四种：焊接、热轧、火焰切割、冷加工。
第二种为考虑大位移但转角仍在小变形范围。钢框架既考虑构件又考虑结构整体失稳的稳定分析时可采用这一方法。
第三种为考虑大位移和大转角的非线性分析。网壳结构的稳定、板件考虑屈曲后强度的稳定以及构件考虑整体与局部相关稳定时的分析应采用这一方法。
稳定分析就是二阶分析，但二阶分析并非仅限于稳定分析。在结构的变形对内力的影响不可忽视时（如大多数的悬索结构），都必须采用二阶分析。
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。
钢结构第五章_轴心受力构件详解
得欧拉临界力和临界应力：
Ncr
NE
2 EI l2
2 EA
2
cr
E
2E 2
(4 7) (4 8)
上式中，假定材料满足虎克定律，E为常量，因此当
截面应力超过钢材的比例极限 fp 后，欧拉临界力公式不 再适用。
第五章 钢柱与钢压杆
3、初始缺陷、加工条件和截面形式对压杆稳定都有影响
初
力学缺陷：残余应力、材料不均匀等
钢结构中理想的轴心受压构件的失稳，也叫发生屈 曲。理想的轴心受压构件有三种屈曲形式，即：弯曲屈 曲，扭转屈曲，弯扭屈曲。
第五章 钢柱与钢压杆
（1）弯曲屈曲——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。
图14
第五章 钢柱与钢压杆
图15整体弯曲屈曲实例
图1桁架
第五章 钢柱与钢压杆
图2 网架
图3 塔架
第五章 钢柱与钢压杆
图4 临时天桥
第五章 钢柱与钢压杆
图5 固定天桥
第五章 钢柱与钢压杆
图6 脚手架
第五章 钢柱与钢压杆
图7 桥
第五章 钢柱与钢压杆
5.1.2 轴心受力构件类型 轴心受力构件包括轴心受压杆和轴心受拉杆。 轴心受拉 ：桁架、拉杆、网架、塔架（二力杆） 轴心受压 ：桁架压杆、工作平台柱、各种结构柱
第五章 钢柱与钢压杆
5.1钢柱与钢压杆的应用和构造形式
本节目录
1. 轴心受力构件的应用 2. 轴心受力构件类型 3. 轴心受力构件的截面形式 4. 轴心受力构件的计算内容
基本要求
了解轴心受力构件的类型、应用。
掌握计算内容
第五章 钢柱与钢压杆
5.1.1 轴心受力构件的应用
中南大学《钢结构原理》课件第五章 轴心受力构件
☆措施(确保长细比不是很小，不扭转失稳)
y (x ) 5.07b / t
☆长细较大时，弯曲失稳起控制作用，作弯曲失稳验算。
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
5.5 轴心受压构件局部稳定性
1、局部稳定的概念
轴心受压柱局部屈曲变形
轴心受压构件翼缘的凸曲现象
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
1916年因施工问题又发生一次倒塌事故。
前苏联在1951～1977年间共发生59起重大钢结构事故，有17起 属稳定问题。
（设计、制作、安装或使用不当都可能引发稳定事故）
例如：
1957年前苏联古比雪夫列宁冶金厂锻压车间，7榀1200m2屋盖塌落。 起因是一对尺寸相同的拉压杆装配颠倒。 1974年，苏联一个俱乐部观众厅24×39m钢屋盖倒塌。起因是受力 较大的钢屋架端斜杆失稳。
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
•荷载初始偏心降低稳定承载力
vm e0 (sec
2
N 1) NE
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
•残余应力降低稳定承载力
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
（1）使部分截面提前进入塑性状态，截面的弹性区域减少， 干扰后只有弹性区产生抗力增量，故降低了稳定承载力。
N 1 fy A Ry
N 1 fu An Ru
偏安全简化处理
N 1 fy f An Ry
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
2、刚度计算
•刚度计算的目的：保证在安装、使用过程中正常使用要求
•实例1：九江桥主拱吊杆涡振现象
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
y (x ) 5.07b / t
☆长细较大时，弯曲失稳起控制作用，作弯曲失稳验算。
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
5.5 轴心受压构件局部稳定性
1、局部稳定的概念
轴心受压柱局部屈曲变形
轴心受压构件翼缘的凸曲现象
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
1916年因施工问题又发生一次倒塌事故。
前苏联在1951～1977年间共发生59起重大钢结构事故，有17起 属稳定问题。
（设计、制作、安装或使用不当都可能引发稳定事故）
例如：
1957年前苏联古比雪夫列宁冶金厂锻压车间，7榀1200m2屋盖塌落。 起因是一对尺寸相同的拉压杆装配颠倒。 1974年，苏联一个俱乐部观众厅24×39m钢屋盖倒塌。起因是受力 较大的钢屋架端斜杆失稳。
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
•荷载初始偏心降低稳定承载力
vm e0 (sec
2
N 1) NE
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
•残余应力降低稳定承载力
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
（1）使部分截面提前进入塑性状态，截面的弹性区域减少， 干扰后只有弹性区产生抗力增量，故降低了稳定承载力。
N 1 fy A Ry
N 1 fu An Ru
偏安全简化处理
N 1 fy f An Ry
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第五章 轴心受力构件
2、刚度计算
•刚度计算的目的：保证在安装、使用过程中正常使用要求
•实例1：九江桥主拱吊杆涡振现象
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
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D 管 径,
t 壁 厚,
fy 屈服强度
小结：实腹式轴心受压构件
强度
N An
f
fy
R
N A f
高强度螺栓摩擦 型连接：
N ' An 1 0.5 n1 稳定性
N f
A
小结：实腹式轴心受压构件
局部稳定性
轴心受压 翼缘局稳
工字型 b t
10 0.1
15 0.2
w
235 fy
焊接T型钢：h0 tw 13 0.17
235 fy
5 实腹式轴心受压构件的截面设计
5.1 设计原则：
截面形式为双轴对称的型钢截面和实腹式组合截面。 为取得合理而经济的效果，设计时可按以下原则：
（1）等稳定性──使杆件在两个主轴方向的稳定承载 力相同，以充分发挥其承载能力。尽可能使两方向的
①净截面强度 N ' An 1 0.5n1 n N An f
n—连接一侧的高强螺栓总数； n1—计算截面处（最外列螺栓）的高强螺栓数。
②毛截面强度 N A f
2 轴心受力构件的强度和刚度
2.2轴心受拉构件和轴心受压构件的刚度 刚度计算公式：λ ≤ ［λ］
λ－构件最不利方向的长细比, 为两主轴方向长细比的最大值:
1 概述
2 轴心受力构件的强度和刚度
2.1 轴心受拉构件和轴心受压构件的强度
强度计算公式：
N An
f
fy
R
式中： N－轴心拉力或轴心压力
An－构件的净截面面积 f－钢材的抗拉或抗压强度设计值
f fy R
R —抗力分项系数
2 轴心受力构件的强度和刚度
2.1 轴心受拉构件和轴心受压构件的强度 摩擦型高强螺栓连接的构件作下两项强度验算：
1）弯曲屈曲的临界应力
（1）弹性弯曲屈曲的临界应力—欧拉公式
E
Ncr A
π 2 EI l2A
π2E
2
cr
条件： cr p
y
（2）弹塑性弯曲屈曲的临界应力 Ay B
p
cr
Ncr A
π2Et I l2A
π 2 Et
2
p C
D
E
式中Et为切线模量。
条件： p cr y
AB段： 强度破坏 BCDE段：稳定破坏
2）扭转屈曲的临界应力
z
π2E
2z
3）弯扭屈曲的临界应力
yz
π2E
2 yz
3 轴心受压构件整体稳定计算
3.2 实际轴心受压构件的极限承载力
考虑因素 1、截面的残余应力影响：柱的抗弯刚度降低 2、压杆的初弯曲影响：对中长杆的影响大 3、压杆的初偏心影响：对短杆有影响
3 轴心受压构件整体稳定计算
100,取 100
b 翼缘板自由外伸宽度
t 翼缘板厚度
对 双 腹 壁 箱 形 截 面b： 0 t
40
235 fy
4 实腹式轴心受压构件的局部稳定计算
一、翼缘自由外伸宽厚比的限值
《规范》采用
T型截面
b t
10 0.1
235 fy
构件两方向长细比较大 值
30取 30，
100,取 100
l0 i
l
－相应方向的构件计算长度，
0
l
0
=μl，μ为计
算长度系数；
i－相应方向的截面回转半径，
i
I A
［λ］－受拉构件或受压构件的容许长细比。
3 轴心受压构件整体稳定计算
3.1 理想轴心受压构件的屈曲临界力
屈曲变形类型
弯曲屈曲： 双轴对称（工字形） 扭转屈曲： 双轴对称（十字形） 弯扭屈曲： 单轴对称（T字形）
12 1
2
t
2
b
f y
3）局部稳定验算方法（保证措施）： 限制板件宽厚比，见下页表。
4 实腹式轴心受压构件的局部稳定计算
一、翼缘自由外伸宽厚比的限值
轴心压杆：一般在弹塑性阶段工作，按等稳准则得
《规范》采用
工字型截面受压翼缘
b t
10 0.1
235 fy
构件两方向长细比较大 值
30取 30，
235 fy
对 双 腹 壁 箱 形 截 面b： 0 t
40
235 fy
T型截面 b t
10 0.1
235 fy
小结：实腹式轴心受压构件
局部稳定性
轴心受压 腹板局稳
工字形截面h：0 t
25 0.5
w
235 fy
对 双 腹 壁 箱 形 截 面 ：h0 tw 40
235 fy
对T形截面：
热轧部分 T型钢：h0 t
3.2 实际轴心受压构件的极限承载力
将轴心压杆按具有残余应力,初弯曲和初偏心等缺
陷的小偏心压杆，考虑杆端约束条件。
计算公式
N cr cr f y
A R
fy R
N f
A
f
屈曲类型：与构件截面类型、尺寸、钢材级别、长细比情况决定
3.2 实际轴心受压构件的极限承载力
1、截面的残余应力影响：柱的抗弯刚度降低
（截面类型a、b、c 、d） a类抗稳能力最强，然后依次递减
2、压杆的初弯曲影响：对中长杆的影响大
3、压杆的初偏心影响：对短杆有影响
（长细比=l0/i）
4、杆端约束的影响：采用计算长度系数μ把两端有约束
的 杆转化为等效的两端铰接的杆
(l0=ul)
确定方法:采用有限元概念,根据内外力平衡条件, 用数值分析方法模拟计算列表给出。
3.2 实际轴心受压构件的极限承载力
N f
A
：与构件截面类型、尺寸、钢材级别、长细比情况决定
取截面两主轴稳定性系 数较小者
例题分析
4 实腹式轴心受压构件的局部稳定计算
1）局部稳定临界应力表达式
cr
kπ2 E 12 1
2
t 2 b
2）局部稳定验算原则： 不先于整体稳定破坏，即
kπ2E
b 翼缘板自由外伸宽度
t 翼缘板厚度
二、腹板宽厚比的限值
对工字形截面：h0 t
25 0.5
w
235 fy
以上 取两方向较大者
30取 30， 100,取 100
对双腹壁箱形截面：h0 tw 40
235 fy
与无 关 ， 定 值 偏 于 安 全 ，
b
b0
b
4 实腹式轴心受压构件的局部稳定计算
临时天桥
轴心受力构件
1 概述 2 轴心受力构件的强度和刚度 3 轴心受压构件整体稳定计算 4 实腹式轴心受压构件的局部稳定计算 5 实腹式轴心压杆的截面设计 6 格构式轴心受压构件的截面设计
截面型式
1 概述
热扎型钢
截面型式
1 概述
冷弯薄壁型钢
型钢或钢板组合截面
截面型式
格 构 式 组 合 截 面
二、腹板宽厚比的限值
对T形截面：
热轧部分 T型钢：h0 t
15 0.2
w
235 fy
焊接T型钢：h0 tw 13 0.17
235 fy
以上 取两方向较大者
b
b0
30取 30， 100,取 100
b
4 实腹式轴心受压构件的局部稳定计算
三、圆管的径厚比
D t
100(235 f y )