钢结构第三版课件第3章

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q
q
的多。
图示箱型截面 最大剪应力
q
Ts Ts q 2 A 2bh
q b
max q / tmin
教材给出图3-22截面积相同的开口和闭口截面的剪应力比较,箱型截面 的最大剪应力仅为I形截面的1/30,亦即差别不止一个数量级。
I形截面最好不用于承受扭矩的梁,不能避免受扭者最好用闭口截面。
A C B
节点板 焊缝
焊缝 节点板
力滞后现象。
3.1 强度计算公式
(3)轴压构件 孔洞和螺栓(铆钉)之间虽有缝隙,但在压实后可以传力。因此栓接的
常截面压杆不必计算截面强度。有虚孔的特殊情况除外,需和拉杆同样对
待。 (4)钢索 钢索由高强钢丝制成,是高效的轴拉构件。 强度计算的特点是:
采用许可应力法,内力按荷载标准值计算。为此安全系数相当
为杆件的扭转角,I 为扇性惯性矩,I 形截面 I
约束扭转的正应力,由双力矩B算得
I y h2 4

B EI
对于图示的简支梁
(3-34)
B
M T shaz 2 chal / 2
GIt / EI
约束扭矩
M T chaz dB M dz 2 chal / 2

N 0.13 时, An f
N M x 1.151 W pnx f A f n
(3-57) (3-58)
N 0.13时, 当 An f
M W pnx f
Mx N f An xWnx
(3)部分塑性准则,用于一般构件
(3-59)
3.2 构件按强度要求选择截面
3.1 强度计算公式
(2)轴拉构件端部非全部连接者
图示工形截面拉杆,端部只有翼缘和节点板用焊缝连接,在连接 区域内,工形截面应力不均匀,A点最高,B点低于A点,腹板中心的 C点更低。应力最高处有拉裂危险,为此引入有效截面系数 。
N f A
此拉杆在连接区域外应力分布 逐渐均匀,端部不均匀分布称为剪
钢结构
上册
钢结构基础
(钢结构基本原理)
辅导材料
陈绍蕃
2014年4月
第3章 构件的截面承载力——强度
结构的承载能力是最重要的极限状态,它分为三个层次: 截面承载能力,即截面强度,还有连接承载能力; 构件承载能力——稳定; 结构承载能力。
本章解决第一层次的截面强度问题,它分为两个方面:
强度计算公式(不包括疲劳破损和脆性断裂); 按强度要求选择构件截面。
3.1 强度计算公式
x 讨论:引进小于 W p / W 的 系数的原因是考虑梁的一个区段都临近塑性铰
弯矩
M 时梁出现过大挠度,那么只在跨度中央承受一个集中荷载的 p Wp f y
简支梁是否可以用式(3-12)计算其强度?
Q Q Q
M
M
(2) 剪应力
梁在横向荷载作用下的剪应力,按材料力学的公式计算
3.2 构件按强度要求选择截面
焊接梁需要预选截面,再进行验算。
截面尺寸中,高度是最主要的尺寸。高度大则截面的Ix和Wx都大, 刚度和强度条件都容易满足。但是,另一方面,梁高度大则占用净空
大,使建筑物总高度增大,造价提高。
经验性的经济高度公式
he 7 3 Wx 30 cm fl 2 hmin 6.24 E[ ]
F
hy hR
a F
布长度lz范围内均匀分布。
实用计算公式
lz a 5hy 2hR
对于有显著动力效应的横向荷载F应乘以增大系数。
3.1 强度计算公式
拉弯和压弯构件 强度计算也有三种准则。
(1)边缘屈服准则 用于需要计算疲劳的构件和冷弯型钢构件。计算公 式是 N Mx f An Wnx (2)全塑性准则 用于塑性设计的结构。 对于I型或H型截面,出现塑性铰的理论相关公式为二次方程。在实 际设计工作中,把二次式简化为两个线性公式
数值:
采用边缘屈服准则时15 k , k 235 / f y ,fy 以MPa计 采用部分塑性准则时 13 k 采用全塑性准则时,超静定梁 9 k , 简支梁 11 k (2)经验公式(3-45)和(3-48)都是以Q235钢为基础得出的,用于高 强度钢时需要适当放大。 (3)预选截面时也可以参照过去的类似设计,而不用书上的公式。
3.1 强度计算公式
下图给出跨度中央承受偏心集中荷载Q时两种扭矩的分布图。
eQ z x y
总扭矩 M T
l/2
l/2
约束扭矩 M 自由扭矩 M s 双力矩B
3.1 强度计算公式
总扭矩 M T M s M ,用扭转角 表达的公式为
M T GIt EI
(3-31)
VS fv Itw
(3-14)
3.1 强度计算公式
(5) 梁的扭转剪应力和正应力 梁在不经过截面剪心的横向荷载作用下将产生扭转。
Q T S S S Qe/2 Qe/2 Q
eQ
I形、槽形和其他非圆形截面杆件受扭时,有两种可能的形态: (1)自由扭转:杆件各截面均能自由翘曲,纵向纤维保持直线,只产生 剪应力; (2)约束扭转:杆件各截面翘曲受到不同程度的约束,使纵向纤维弯曲, 杆件不仅受剪,还产生弯曲正应力(翼缘侧向弯曲)。 简支梁除两端截面翘曲不受约束外,其他截面都受不同程度的约束。最 明显的是荷载对称的简支梁中央截面的翘曲受到完全约束(上图为例)。 因此,受扭简支梁通常处在兼有约束扭转和自由扭转的混合状态。
变截面起始点在距梁端l/6处最为经济。
立面图,变高度
平面图,变宽度
立面图,切断外层板
3.2 构件按强度要求选择截面
变截面梁需要处理好构造问题: (1)无论是改变腹板高度还是翼缘宽度都要 逐渐过渡以减小应力集中。 (2)在翼缘转折处设置腹板加劲肋以免腹板
l1
受力过大。
W1 f W2 f
(3)外层板需要从理论切断点适度延长,使 之在该点能发挥作用,l1≥b~1.5b。
3.2 构件按强度要求选择截面
梁截面变化的考虑 简支梁的弯矩总是从跨度中部的最大值变化到支座的零。
为了节省钢材可以把梁做成变截面的,然而钢构件的造价包括两个 方面:材料费和加工费。跨度和荷载不大的梁,能够采用热轧型钢的, 一般都不变截面。
跨度和荷载较大的焊接梁,可以考虑变化截面。 变化梁截面有两种手段:变腹板高度和变翼缘宽度或层数。 变高度使构造复杂,较少用。
用开口截面。
h hb/4
h h
x
M
Vf Vf


约束扭矩 M 转化为作用于上下翼缘的水平力Vf,产生呈抛物线变化 的 。
3.1 强度计算公式
(6)局部压应力 当梁上翼缘上作用有固定集中荷载 时,通常在荷载作用处设置加劲肋,腹 板局部压应力可以不做计算。 当为行动集中荷载时,局部压应力 不可忽视。压应力在腹板上非均匀分布, 可以按弹性理论计算。 在设计工作中近似视为在等效的分
轴拉和轴压构件
这两类构件截面均匀受力,不同形式的截面只要A(或An )相同,都 同样有效。然而内力不大的拉杆由刚度要求确定截面,一般压杆由稳 定要求确定截面,就需要采用较为开展、板件相对较薄的截面。 如前所述,杆端连接对拉杆(和压杆)的强度有影响,这在选择截 面形式时需要考虑。
3.2 构件按强度要求选择截面
全塑性准则
Mx f Wnx Mx f W pnx

(3-13) (3-12) (3-10)
部分塑性准则
Mx f xWnx
三种准则分别适用于:需要计算疲劳的梁和冷弯型钢梁、塑性设计 的超静定梁、一般简支梁。
3.1 强度计算公式
(3) 弯曲正应力和剪应力的组合效应 采用材料力学第四强度理论的计算公式,但强度设计值增大10%。
按强度条件选择梁截面 许多梁依靠刚性铺板或支撑来防止丧失稳定,这些梁的截面主要按强 度条件选定截面。但是并非只顾强度条件,还要考虑刚度要求和经济 条件。 型钢梁可以由需要的截面模量 Wx M x 直接查型钢规格表选出截面。 / ( x f ) 算例:算得需要Wx=4400cm3 ,梁截面不开孔,有三种热轧H型钢符合 要求。 HW414×405×18×28, Wx=4480cm3 理论重量232kg/m HM594×302×14×23, Wx=4500cm3 理论重量170kg/m HN 656×301×12×20, Wx=4470cm3 理论重量154kg/m 很明显HW截面耗钢量最大,比HN截面重50%,一般不宜采用。HN 截面耗钢量最低,应该优先考虑。然而HM截面耗钢量只增多10%,而 所占净空却减小62mm,如果刚度足够,也可在选用之列。
理论切断点
3.2 构件按强度要求选择截面
按强度条件选拉弯和压弯构件截面 受力情况介于轴力构件和梁之间, 垂直于弯曲轴的截面尺寸h应大于另一 尺寸b。 单轴对称的截面用得较多。 在实际设计中,压弯构件的截面选 择大多由稳定条件决定,包括弯矩作用 平面内的稳定和平面外的稳定。
弯曲轴
b
h
于抗力分项系数和荷载系数的乘积,以拉断为极限状态,抗力 分项系数要大一些。 钢索由多根钢丝合并而成,各丝受力可能不均匀,需要加大安 全系数值。 考虑上述因素,取安全系数K=2.5~3.0。
3.1 强度计算公式
梁的强度计算
(1) 弯曲正应力
按塑性在截面上开展的程度,分别采用三种不同准则:
边缘屈服准则
用,k>1,各类截面取值不同。 最大剪应力出现在最厚的板件中。
在式(3-17)中,板厚t以三次方出现,而b只有一次方,可见It值不大,
因而由式(3-16)算得的剪应力较大。
3.1 强度计算公式
闭口箱形截面抵抗自由扭矩的机理和开口者完全不同。 开口截面:内扭矩由板厚范围内的众多小扭矩组成。 闭口截面:在截面内形成环状剪力流q,组 成截面尺度的内扭矩,抗扭能力比开口截面大
2 3 2 1.1 f
讨论:强度设计值提高10%是如何考虑的?
(3-38)
验算点应取在 和 都比较大之处,见图3-27 。
(4) 当梁腹板还承受横向压应力 时,折算应力的计算公式是 c
2 c2 c 3 2 1 f
此区别?
(3-39)
当 与 c异号时,取 1 1.2,二者同号时,取 1 1.1 ,为什么有
(3-45)
(3-43)
为梁的容许挠度(荷载标准值作用下)。 v 选用的高度也不宜大于建筑设计所允许的限值。 梁高度确定后,腹板和翼缘的具体尺寸都可通过经验公式或理论公 式算得。
3.2 构件按强度要求选择截面
预选截面尺寸需要注意以下问题: (1)按强度选梁截面,可不考虑整体稳定要求,但板件局部稳定要求仍 然需要考虑。例如,受压翼缘的悬伸宽度和厚度之比b1/t不应超过下列
3.1 强度计算公式
自由扭矩 产生的剪应力对于由几块平板组成的I形、槽形和T形等开口 截面,剪应力由下式计算。

M st It k n I t bi ti3 3 i 1
(3-16) (3-17)
式中 bi 和 ti 分别为第i块板的宽度和厚度;
k为系数,焊接截面k=1,热轧型钢考虑板件相交处圆角的加强作
强度验算ຫໍສະໝຸດ Baidu部分可以用材料力学的公式,但需要注意具体条件。
另有少数问题超出材料力学的范围。
3.1 强度计算公式
轴心受力构件 (1)轴拉构件端部全部连接者 有孔洞或局部削弱的拉杆,强度应按净截面计算,有两个计算公式

N 0.7 fu An
N f An
(3-2) (3-4)


二者分别体现净截面拉断和净截面屈服。拉断的后果十分不利,因 而在式(3-2)中以0.7代替 1 R ,对于Q235和Q345钢,式(3-2)允许较高的应 力,只用于仅在杆端有孔的拉杆,式(3-4)则用于沿拉杆全长有孔的情况。 强度更高的钢材,情况相反,式(3-2)比式(3-4)严格,全长有孔的拉 杆也应用它来算。
h
3.1 强度计算公式
约束扭转产生的正应力和剪应力按双力矩和约束扭矩计算: B I 双力矩的B的量纲为 FL2 ,可以理解为力矩的矩。
为扇性座标,I形截面, hx / 2 最大值hb/4 ,量纲为L2。
需要和弯矩产生的正应力叠加, 对I形截面有不可忽视的影响, 闭口截面由于扭角小, 也较小,因此从约束扭转考察,受扭梁也不宜
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