4.6_板件的稳定和屈曲后强度的利用解析
【考研 钢结构复试题库】钢结构简答题3

1. 设计拉弯和压弯构件时应计算的内容?答:拉弯构件需要计算:强度和刚度(限制长细比);压弯构件则需要计算:强度、整体稳定(弯矩作用平面内稳定和弯矩作用平面外稳定)、局部稳定和刚度(限制长细比)。
2. 什么是梁的整体失稳现象?答:梁主要用于承受弯矩,为了充分发挥材料的强度,其截面通常设计成高而窄的形式。
当荷载较小时,仅在弯矩作用平面内弯曲,当荷载增大到某一数值后,梁在弯矩作用平面内弯曲的同时,将突然发生侧向弯曲和扭转,并丧失继续承载的能力,这种现象称为梁的弯扭屈曲或整体失稳。
10.实腹式轴心受压构件进行截面选择时,应主要考虑的原则是什么?答:(1)面积的分布尽量开展,以增加截面的惯性矩和回转半径,提高柱的整体稳定承载力和刚度;(2)两个主轴方向尽量等稳定,以达到经济的效果;(3)便于与其他构件进行连接,尽可能构造简单,制造省工,取材方便。
16.什么是梁的内力重分布?如何进行塑性设计?答:超静定梁的截面出现塑性铰后,仍能继续承载,随着荷载的增大,塑性铰发生塑形转动,结构内力重新分布,是其他截面相继出现塑性1铰,直至形成机构,这一过程称为梁的内力重分布。
塑形设计只用于不直接承受动力荷载的固端梁和连续梁,是利用内力塑性重分布,充分发挥材料的潜力,塑性铰弯矩按材料理想弹塑性确定,忽略刚才应变硬化的影响。
17.截面塑性发展系数的意义是什么?试举例说明其应用条件答:意义:用来表证截面所允许的塑性发展程度应用条件:(1)需计算疲劳的梁取1.0 (2)承受动力作用时取1.0 (3)压弯构件受压翼缘的自由外伸宽度与其厚度之比18.影响轴心受压杆件的稳定系数ψ的因素答:长细比、截面形式、加工条件、初弯曲、残余应力21.什么情况下不需要计算工字钢简支梁的整体稳定?答:有铺板(各种钢筋混凝土板和钢板)密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连接,能阻止梁受压翼缘的侧向位移时H型钢或工字型截面简支梁受压翼缘的自由长度L1与其宽度b1之比不超过规定数值时。
1.板件的稳定和屈曲后强度的利用

均匀受压板件的屈曲现象
(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:
4w
4w 4w
2w
D
x4
2 x2y2
y4
Nx
x 2
0
(4 100)
四边简支单向均匀受压薄板的屈曲
求解上式,并引入边界条件: 当x 0和x a时:w 0 当y 0和y b时:w 0
cr
2E 12(1 2
)
t b
2
式中:
屈曲系数; 板边缘的弹性约束系数;
弹性模量折减系数; 其余符号同前。
将
E
=206X103
N/mm2,ν=0.3代入上式,得:
σcr 18.6 βχ
100t b
2
并视受压翼缘悬伸部分,为三边简支,且板长趋于无
穷大,故β=0.425;不考虑腹板对翼缘的约束作用,
K=4 K=5.42 K=6.97 K=0.425 K=1.277
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:
N cr
2D
b2 K
cr
N cr 1 t
2 D
b2t
2 E 12 1 2
t
2
b
(4 107)
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:
根据局部屈曲不先于整体屈曲的原则,即板件的屈曲 临界应力大于或等于构件的整体稳定临界应力即可确 定出构件的腹板高厚比(式4-115)和翼缘的宽厚比 (式4-113)。
板件的稳定和屈曲后强度的利用

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可编辑ppt
式4-107中的系数:
1. 板的屈曲系数K(式4-106):与荷载分布和支承边数
有关。四边简支K =4;三边简支一边自由K =0.425。
2. 嵌固约束系数 :板件与板件之间不能像简支板那
样自由转动,而是强者对弱者起约束作用。弹性嵌固
的程度取决于相互连接的板件的刚度。这种受到约束
我们将板件的非弹性屈曲应力值控制在什么 范围内才认为板件是稳定的?
一种是不允许板件的屈曲先于构件的整体屈曲, 《钢结构设计规范》(GB 50017)对轴心压杆 就是这样规定的。
另一种是允许板件先屈曲。虽然板件屈曲会降低 构件的承载能力,但由于构件的截面较宽,整体 刚度好,从节省钢材来说反而合算,《冷弯薄壁 型钢结构技术规范》(GB 50018)就有这方面 的条款。有时对于一般钢结构的部分板件,如大 尺寸的焊接组合工字形截面的腹板,也允许其先 有局部屈曲。
4.6 板件的稳定和屈曲后强度的利用
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可编辑ppt
均匀受压板件的屈曲现象
2
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均匀受压板件的弹性屈曲应力
求解板件的稳定承载力与求解构件的稳定承载力 的思路是相同的。
找出板件弹性屈曲时的临界状态,列出平衡微分
方程(式4-100) 给出边界条件
求出最大变形值(挠度) (式4-101) 得出临界力(式4-104)
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轴心受压构件的局部稳定:
根据局部屈曲不先于整体屈曲的原则,板件的临界应 力和构件的临界应力相等即可确定出构件的腹板高厚 比(式4-113)和翼缘的宽厚比(式4-115)。
注意公式的使用条件:
1. 只针对于工字型截面;
2. λ取构件两个方向长细比的较大者;
板件的稳定和屈曲后强度的利用(2)

的板边缘称为弹性嵌固边缘,弹性嵌固板的屈曲应力
比简支板的高,嵌固系数大于1进行修正。
3. 对工字形截面的轴心压杆,一个翼缘的面积可能接近 于腹板面积的二倍,翼缘的厚度比腹板大得多,而宽
度又小得多,因此是翼缘对腹板有嵌固作用,计算腹
板的屈曲应力时考虑了残余应力的影响后可用嵌固系
数1.3。相反,对腹板起嵌固作用的翼缘因提前屈曲而 需要小于1.0的约束作用系数。
(3) 在腹板一侧配置的加劲肋,其截面惯性矩应按与加劲肋相连
13
的腹板边缘为轴线进行计算。 整理课件
支承加劲肋的设计
1. 设置位置: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.
2. 构造要求:腹板两侧成对布置,也可以用凸缘式加劲 肋,其凸缘长度不得大于其厚度的2倍(图4-71b) 。
一种是不允许板件的屈曲先于构件的整体屈曲, 《钢结构设计规范》(GB 50017)对轴心压杆 就是这样规定的。
另一种是允许板件先屈曲。虽然板件屈曲会降低 构件的承载能力,但由于构件的截面较宽,整体 刚度好,从节省钢材来说反而合算,《冷弯薄壁 型钢结构技术规范》(GB 50018)就有这方面 的条款。有时对于一般钢结构的部分板件,如大 尺寸的焊接组合工字形截面的腹板,也允许其先 有局部屈曲。
于按公式(4-161)算得的1.2倍,厚度不应小于其外伸宽
度的1/15。
4. 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
性矩尚应符合式(4-163);纵向加劲肋的截面惯性矩,
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应符合式(4-164、165) 整理课件
5.短加劲肋外伸宽度应取横向加劲肋外伸宽度的0.7~1.0倍,厚 度不应小于短加劲肋外伸宽度的1/15。
腹板屈曲后强度计算

腹板屈曲后强度计算作者:屈明来源:《科技创新导报》2011年第21期摘要:《钢结构设计规范》(GB50017-2002)4.3.1条,不考虑腹板屈曲后强度的焊接工字钢梁的腹板局部稳定计算与考虑腹板屈曲后强度的焊接工字钢梁抗剪、抗弯承载力计算。
引用了具体实例说明腹板屈曲后强度的应用。
从受压翼缘压入腹板来分析腹板高厚比的最大限值,其次分别论述腹板受弯或压弯屈曲后有效宽度的确定、受剪屈曲后的极限剪力计算、以及正应力和剪应力联合作用下屈曲后相关关系的计算。
关键词:腹板宽厚比屈曲后强度有效宽度拉力场中图分类号:TU391 文献标识码:A 文章编号:1674-098x(2011)07(c)-0048-02在钢结构设计中,对工字型截面受弯构件而言,由荷载产生的弯矩主要由翼缘承担,腹板主要承担剪力,腹板的抗弯作用远不如翼缘有效,增大腹板的高度可显著增加翼缘的抗弯能力。
因而,先进的设计方法是采用高(宽)厚比较大的腹板,从而获得最佳的经济效益。
此做法虽然会出现腹板的高(宽)厚比超过按小挠度理论确定的局部稳定所要求的限度,引发腹板的局部屈曲,但并不表明构件丧失了承载能力,而是有相当可观的屈曲后强度可以利用。
规范对于承受静力荷载和间接承受动力荷载的组合梁宜考虑腹板屈曲后强度,按考虑腹板屈曲后强度来计算梁的抗剪和抗弯承载力,而不再验算腹板的局部稳定。
对于直接承受动力荷载的吊车梁及类似构件或不考虑腹板屈曲后强度的焊接工字梁,要求按规定配置加劲肋,并验算腹板的局部稳定性。
规范采用有效截面法考虑腹板屈曲后强度,同时也是符合钢结构设计规范4.3.1条。
天津西站无站台柱雨棚工程主体结构大部分构件(拱形钢梁)均采用了腹板高而薄的焊接H 型工字钢梁和焊接箱型钢梁。
充分利用了腹板屈曲后强度、有效截面的概念,既得到了很大的经济效益,又达到了建筑美观的要求。
西站雨棚整个结构体系为纵向(顺股道向)刚架,横向(垂直股道向)为多跨拱形钢梁,基本柱网为30mx21.5m。
钢结构课件 轴心受压构件的整体稳定性

4.2.6 轴心受压构件扭转和弯扭屈曲
1、扭转屈曲
根据弹性稳定理论,两端铰支且翘曲无约束的杆件,其扭 转屈曲临界力,可由下式计算:
《钢结构稳定理论与设计》 陈骥 著
NE
fy
弹塑性阶段
N A
Nv0
W 1 N
NE
fy
相对初弯曲 ε0 = v0 / ρ = v0 / (W/A)
N [1 A 1
0
N
] NE
fy
N A
1
1000
i
1
1 N
N
E
fy
上式的解即为Perry-Robertson公式(柏利公式)
i0—截面关于剪心的极回转半径。i02
e02
ix2
i
2 y
引进扭转屈曲换算长细比z :
1、扭转屈曲
满足
I 0
z =5.07b/t
x (y) ≥ z =5.07b/t
z2
25.7
Ai02 It
25.7
Ix
Iy It
2t 2b3 12
25.7 4bt3 3
选择计算 §4.6 板件的稳定和屈曲后强度的利用
§4.3 实腹式柱和格构式柱的截面选择计算
4.3.1 实腹式柱的截面选择计算
1、实腹式轴心压杆的截面形式 ①考虑原则 ②常用截面
2、实腹式轴心压杆计算步骤
§4.3 实腹式柱和格构式柱的截面选择计算
钢结构设计原理稳定性整体.pptx

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实腹式压弯构件面外实用计算公式
N txMx f y A bW1x
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tx取值:
﹡面外有支承的构件,应根据两相邻支承点间构件 段内的荷载和内力情况确定:
① 所考虑构件段无横向荷载作用时,
tx=0.65+0.35M2/M1;
② 所考虑构件段有端弯矩和横向荷载同时作用时,
绕z轴的惯性矩满足 Iz 3h0tw3
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纵向加劲肋截面绕y轴的惯性矩应满足:
Iy 1.5h0tw3
a/h0 0.85
Iy (2.5 4.5a / h0 )a / h0 2 h0tw3 a/h0 0.85
• 短加劲肋要求:
外伸宽度: 取横向加劲肋的0.7~1.0倍
厚度:
ts bs /15
横隔(每个单元不少于2个,间距不大于8m)
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﹡翼缘的稳定与梁相同
不考虑塑性,
b1 / t 15 235 fy
部分考虑塑性,
b1 / t 13 235 fy
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感谢您的观看。
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• 型钢加劲肋:不小于上述对钢板加劲肋的惯性
矩的要求
• 加劲肋端部切角;与上翼缘刨平顶紧(焊接);
中间加劲肋下端留50~100mm空隙
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※支承加劲肋计算
*稳定计算
*承压强度计算(刨平顶紧): =N/Ab fce
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压弯构件的板件稳定
﹡腹板的稳定
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②翼缘宽厚比
b1 10 0.1 235
t
fy
! 为两个方向长细比的较大值 取值范围30≤≤ 100
第4章弹性力学ppt课件

4.4 梁的整体稳定
Ø梁的临界弯矩 用稳定理论求解 最简单的工况:纯弯曲的简支梁,截面双轴对称。
M
c r
l
E I G I y t
2 E I 1 2 l G I t
(4-49)
此式含有侧向弯曲刚度E I y ,两个扭转刚度 G I t 和E I ,和失稳现象完全符合。 复杂的工况:承受任意横向荷载的简支梁,截面单轴对称。
1 为单肢对其平行虚轴的形心轴的长细比。
截面选择:先根据绕实轴稳定要求选出单肢截面,再按照等稳要求确定 两肢之间的距离。
计算时可先取缀条尺寸,以后再验算。
4.3 实腹式和格构式压杆的截面选择
Ø 对单肢长细比的要求:不是和杆件长细相等,而是更严格。
原因:杆件的初弯曲使凹侧肢的压应力大于杆件的平均值。
式(4-25b)的 2 3 相当于式(4-20)的 1 0 。因此, 1 3 2 相当于无量纲化的综合初曲挠度。它包含了几何缺陷和残余应力两种因 素的效应,并且用于计算极限荷载而不是边缘屈服荷载。 系数 1 , 2 , 3 对a,b,c,d 四类截面各不相同。详见GB50017规范。 稳定系数 由正则化 来表达,计算公式可以通用于各种强度等级的
(2) 失稳是构件的整体行为。
由第一点,可以认为失稳是Pδ效应(即荷载位移效应)累积的结果。 由第二点,可以领会杆件失稳和截面强度破环的差别。
4.1 稳定问题的一般特点
Ø 杆件稳定的极限承载力
欧拉临界力不能直接用于钢结构设计。
原因:现实构件都存在缺陷: 几何缺陷——几何非线性
力学缺陷(残余应力)——材料非线性
当于兼承P和αP的理想直杆。4.1.1节的计算都适用。
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1. 设置位置: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.
2. 构造要求:腹板两侧成对布置,也可以用凸缘式加劲 肋,其凸缘长度不得大于其厚度的2倍(图4-71b) 。
3. 计算: 应按承受梁支座反力或固定集中荷载的轴心受压构件
计算其在腹板平面外的稳定性。 支承加劲肋的端部一般刨平顶紧于梁翼缘或支座,应按
2.
翼缘外伸宽厚比的容许值的限值 其余情况满足:b1 13 235
b1 15 t
235 fy
t
fy
板件屈曲后强度的利用
四边有支承的薄板发生屈曲时,其强度并不降
低,仍能继续承载,也就是说具有屈曲后强度。
屈曲后强度的利用,主要用于冷弯薄壁型钢截
面和大跨度的薄腹梁。采用截面有效宽度的方
法进行计算。
轴心受压构件的局部稳定:
根据局部屈曲不先于整体屈曲的原则,板件的临界应 力和构件的临界应力相等即可确定出构件的腹板高厚 比(式4-113)和翼缘的宽厚比(式4-115)。
注意公式的使用条件: 1. 只针对于工字型截面; 2. λ取构件两个方向长细比的较大者; 3. 当λ<30时,取λ=30 ;当λ ≥100时,取λ=100 。 实际轴压构件设计时,应首先验算截面的强度和杆件
有效宽度:计算时并不将强度提高而是将截面
面积减小,将毛截面用有效截面代替,从而使 截面强度提高。
冷弯薄壁型钢截面:
梁腹板:考虑屈曲后强度时,
1. 其构造要求:不设纵向加劲肋和短向加劲肋, 只设横向加劲肋或支承加劲肋。二者首选支承 加劲肋,当不满足强度要求时,才设置横向加 劲肋。
2. 计算要求:腹板既受剪力又受弯矩作用,所以 屈曲时有可能发生受剪屈曲,也有可能发生弯 曲屈曲,故计算时应满足相关公式4-183。
算出弹性屈曲临界应力(式4-107)
式4-107中的系数:
1. 板的屈曲系数K(式4-106):与荷载分布和支承边数 有关。四边简支K =4;三边简支一边自由K =0.425。
2. 嵌固约束系数 :板件与板件之间不能像简支板那
样自由转动,而是强者对弱者起约束作用。弹性嵌固 的程度取决于相互连接的板件的刚度。这种受到约束 的板边缘称为弹性嵌固边缘,弹性嵌固板的屈曲应力 比简支板的高,嵌固系数大于1进行修正。 3. 对工字形截面的轴心压杆,一个翼缘的面积可能接近 于腹板面积的二倍,翼缘的厚度比腹板大得多,而宽 度又小得多,因此是翼缘对腹板有嵌固作用,计算腹 板的屈曲应力时考虑了残余应力的影响后可用嵌固系 数1.3。相反,对腹板起嵌固作用的翼缘因提前屈曲而 需要小于1.0的约束作用系数。
加劲肋的构造要求
1. 加劲肋宜在腹板两侧成对配置,也可单侧配置,但支 承加劲肋、重级工作制吊车梁的加劲肋不应单侧配置。 (见图4-69)
2. 在腹板两侧成对配置的钢板横向加劲肋,其截面尺寸
应符合式(4-161、162)
3. 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,厚度不应小于其外伸宽 度的1/15。
腹板:压弯构件的腹板处于剪应力和非均匀压 应力联合作用下 ,这种不均匀性用应力梯度来 表示,此时薄板的稳定性应满足式4-167。
规范规定腹板稳定的条件:式4-171、172。
翼缘:依据受压最大的翼缘和构件等稳定原则, 可推导出受压翼缘的宽厚比。
1. 规范规定,当构件强度和稳定计算中取 x 1.0时,
均匀受压板件的非弹性屈曲应力
考虑板件的初始缺陷和残余应力的影响,板件 屈曲时已进入非弹性阶段。处理板件的非弹性屈 曲时,只是把钢材的弹性模量E用板件受力方向 的变形切线模量Et代替, 与受力垂直的方向仍 用弹性模量E,得出式(4-108)。
我们将板件的非弹性屈曲应力值控制在什么 范围内才认为板件是稳定的?
4.6 板件的稳定和屈曲后强度的利用
均匀受压板件的屈曲现象
均匀受压板件的弹性屈曲应力
求解板件的稳定承载力与求解构件的稳定承载力 的思路是相同的。
找出板件弹性屈曲时的临界状态,列出平衡微分
方程(式4-100) 给出边界条件 求出最大变形值(挠度) (式4-101) 得出临界力(式4-104)
高,当采用腹板高厚比限值时,腹板厚度将很厚,浪 费材料。将梁腹板做的高而薄,通过设置加劲肋来保 证其稳定性是很经济的。
加劲肋的分类
如何设置腹板加劲肋?
⑴当h0/tw≤80√235/fy 时,对有局部压应力的梁,应按构 造配置横向加劲肋;但对无局部压应力的梁,可不配 置加劲肋。
⑵当肋80,√并23对5各/fy区<h格0/进tw行≤2计5算0 。√235/fy时,应配置横向加劲 ⑶当 170 √235/fy <h0/tw ≤250 √235/fy(受压翼缘扭转受到
约束,如连有刚性铺板、制动板或焊有钢轨时)或 1约5束0 √时23),5/f或y <按h0计/tw算≤需25要0 √时2,35应/fy(在受弯压曲翼应缘力扭较转大未区受格到 的受压区不但要配置横向加劲肋,还要配置纵向加劲 肋。局部压应力很大的梁,必要时尚宜在受压区配置 短加劲肋。 ⑷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.
腹板的局部稳定
控制有两种考虑方法: 考虑腹板屈曲后强度:仅对承受静力荷载和间接承受
动力荷载的组合梁,计算其腹板的抗弯和抗剪承载力。
若用此法,其计算及构造要求应满足4.6.4节内容。
不考虑腹板屈曲后强度:仅对直接承受动力荷载的组 合梁及不考虑腹板屈曲后强度组合梁,其腹板的稳定 是通过设置加劲肋来保证的。由于梁截面腹板高度很
4. 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 性矩尚应符合式(4-163);纵向加劲肋的截面惯性矩, 应符合式(4-164、165)
5.短加劲肋外伸宽度应取横向加劲肋外伸宽度的0.7~1.0倍,厚 度Leabharlann 应小于短加劲肋外伸宽度的1/15。
6.吊车梁不论其高厚比是多少,只应设置横向加劲肋,且双侧设 置。加劲肋构造如图(4-70c)。
注意事项:
(1)用型钢(H型钢、工字钢、槽钢、肢尖焊于腹板的角钢)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。
(2)在腹板两侧成对配置的加劲肋,其截面惯性矩应按梁腹板中 心线为轴线进行计算。
(3) 在腹板一侧配置的加劲肋,其截面惯性矩应按与加劲肋相连 的腹板边缘为轴线进行计算。
支承加劲肋的设计
一种是不允许板件的屈曲先于构件的整体屈曲, 《钢结构设计规范》(GB 50017)对轴心压杆 就是这样规定的。
另一种是允许板件先屈曲。虽然板件屈曲会降低 构件的承载能力,但由于构件的截面较宽,整体 刚度好,从节省钢材来说反而合算,《冷弯薄壁 型钢结构技术规范》(GB 50018)就有这方面 的条款。有时对于一般钢结构的部分板件,如大 尺寸的焊接组合工字形截面的腹板,也允许其先 有局部屈曲。
的整体稳定性,然后验算局部稳定。当翼缘不满足要 求时,应重新选择截面尺寸;当腹板不满足要求时, 可设置纵向加劲肋。
受弯构件的局部稳定
这里的翼缘是指受压翼缘的稳定。 采用薄板弹塑性屈曲的临界应力(式4-108) 使其不小于0.95f y可推导出式4-118(弹性设 计)、119(塑性设计)、120(弹塑性设计)。 (0.95为受压翼缘截面的平均应力)
式4-166计算端面承压应力。 支承加劲肋端部也可以不用刨平顶紧,而用焊缝连接传
力,此时则应计算焊缝强度 。通常采用角焊缝连接, 焊脚尺寸应满足构造要求。
各区格的稳定计算
按构造要求在腹板上设置加劲肋,将腹板分成 很多区格,对每个区格进行稳定验算。验算公式 4-153~160。
压弯构件的板件稳定