钢结构施工 单元三 项目三 拉弯压弯构件.pptx

一、应用一、应用 一般工业厂房和多层房屋的框架柱均为一般工业厂房和多层房屋的框架柱均为拉弯和压弯构拉弯和压弯构件。件。NMNe1.1拉弯、拉弯、压弯构件的应用和截面形式压弯构件的应用和截面形式图1.1.1 压弯、拉弯构件第1页/共61页有节间荷载作用的桁架上下弦杆、受风荷载作用的墙架柱第2页/共61页实腹式和格构式。实腹式截面：热轧型钢截面、冷弯薄壁型钢截面和组合截面。当构件计算长度较大且受力较大时，为了提高截面的抗弯刚度，还常常采用格构式截面。压弯构件的截面通常做成在弯矩作用方向具有较大的截面尺寸。图图1.1.2 压弯构件的截面形式压弯构件的截面形式截面形式截面形式第3页/共61页、计算内容、计算内容、计算内容、计算内容拉弯构件：拉弯构件：承载能力极限状态：承载能力极限状态：强度强度 正常使用极限状态：正常使用极限状态：刚度刚度第4页/共61页强度稳定实腹式 格构式 弯矩作用在实轴上 弯矩作用在虚轴上(分肢稳定)整体稳定局部稳定平面内稳定 平面外稳定 承载能力极限状态正常使用极限状态刚度压弯构件：第5页/共61页1.2 拉弯、压弯构件的截面强度和刚度图1.2.1 压弯构件截面应力的发展过程Aw=hwtwMxhwxxyyhfyfyfyfyHHN h h(1-2)hfyfy(a)(b)(c)(d)Af=bt第6页/共61页第7页/共61页式中式中 N轴心压力设计值轴心压力设计值 An毛截面面积毛截面面积 Mx、My两个主平面内的弯矩两个主平面内的弯矩Wn,x、Wn,y毛截面对两个主轴的抵抗矩毛截面对两个主轴的抵抗矩 x、y截面在两个主平面内的截面在两个主平面内的部分截面塑性发展系数。按部分截面塑性发展系数。按P65表表3-1采用，采用，如工字形截面：如工字形截面：x=1.05，y=1.20 f设计强度设计强度（）（）1.单向拉弯、压弯构件强度计算公式单向拉弯、压弯构件强度计算公式2.双向拉弯、压弯构件强度计算公式双向拉弯、压弯构件强度计算公式（）（）拉弯、压弯构件强度计算拉弯、压弯构件强度计算拉弯、压弯构件强度计算拉弯、压弯构件强度计算第8页/共61页表表3-1 3-1 截面塑性发展系数截面塑性发展系数x x、y y值值P65P65表表3 31 1第9页/共61页表表3-1 3-1 截面塑性发展系数截面塑性发展系数x x、y y值值 续表续表第10页/共61页刚度刚度刚度刚度拉弯和压弯构件的刚度仍以构件的长细比来控制，即：拉弯和压弯构件的刚度仍以构件的长细比来控制，即：当弯矩为主，轴心力较小或有其他需要时，还需验算拉弯当弯矩为主，轴心力较小或有其他需要时，还需验算拉弯和压弯构件的挠度或变形，使其满足挠度和变形要求。和压弯构件的挠度或变形，使其满足挠度和变形要求。第11页/共61页在N和M同时作用下，一开始构件就在弯矩作用平面内发生变形，呈弯曲状态，当N和M同时增加到一定大小时则到达极限，在弯矩作用平面内只产生弯曲变形（弯曲失稳)。a)弯曲失稳b)弯扭失稳1.3 实腹式压弯构件在弯矩作用平面内的稳定计算 压弯构件整体失稳形式压弯构件整体失稳形式压弯构件弯矩作用平面内失稳第12页/共61页a)弯曲失稳b)弯扭失稳当构件在弯矩作用平面外没有足够的支撑以阻止其产生侧向位移和扭转时，构件可能发生弯扭屈曲（弯扭失稳）而破坏，这种弯扭屈曲又称为压弯构件弯矩作用平面外的整体失稳。双向压弯构件的失稳同时产生双向弯曲变形并伴随有扭转变形属弯扭失稳。压弯构件弯矩作用平面外失稳第13页/共61页 单向压弯构件单向压弯构件弯矩作用平面内弯矩作用平面内的整体稳定计算公式的整体稳定计算公式（1.3.8）第14页/共61页1）悬臂构件和无支撑框架和弱支撑柱框架）悬臂构件和无支撑框架和弱支撑柱框架 mx=1.02）框架柱和两端支承的构件）框架柱和两端支承的构件 无横向荷载作用时无横向荷载作用时 mx=0.65+0.35M1/M2，M1和和M2是构件两端的弯矩。是构件两端的弯矩。M2 M1。当两端弯矩。当两端弯矩使构件产生同向曲率时，取同号，反之取异号。使构件产生同向曲率时，取同号，反之取异号。有端弯矩和横向荷载同时作用时有端弯矩和横向荷载同时作用时 使构件产生同向曲率，使构件产生同向曲率，mx=1.0；产生反向曲率，产生反向曲率，mx=0.85。（3）有关 mx取值，规范规定如下：无端弯矩有横向荷载作用时无端弯矩有横向荷载作用时：mx=1.0。+第15页/共61页对于单轴对称的截面（如T形、槽型截面等）的压弯构件，当弯矩作用在对称轴平面内且使较大翼缘受压时，较小翼缘有可能由于受到较大的拉应力而首先屈服，导致构件破坏。对这类构件，还应按下式确定进行验算。第16页/共61页表表3-1 3-1 截面塑性发展系数截面塑性发展系数x x、y y值值P65P65表表3 31 1第17页/共61页1.4 实腹式压弯构件在弯矩作用平面外的稳定计算 单向压弯构件弯矩作用平面外整体稳定单向压弯构件弯矩作用平面外整体稳定图平面外弯扭屈曲图平面外弯扭屈曲第18页/共61页压弯构件弯矩作用平面外整体稳定计算公式压弯构件弯矩作用平面外整体稳定计算公式（）式中：式中：Mx弯矩，取所计算构件段范围内的最大弯矩值；弯矩，取所计算构件段范围内的最大弯矩值；y轴心受压构件在弯矩作用面外屈曲的稳定系数轴心受压构件在弯矩作用面外屈曲的稳定系数;tx等效弯矩系数，取值方法与弯矩作用平面内等效弯矩系等效弯矩系数，取值方法与弯矩作用平面内等效弯矩系数数 mx相同。相同。截面影响系数。截面影响系数。箱形截面取箱形截面取0.7，其它截面取，其它截面取1.0 b受受均均布布弯弯矩矩的的受受弯弯构构件件的的整整体体稳稳定定系系数数，对对箱箱形形截截面面 b=1.0，H、T形截面按形截面按P116公式计算；公式计算；第19页/共61页（1）工字形（含H型钢）截面 双轴对称时：单轴对称时：第20页/共61页弯矩使翼缘受拉，且腹板宽厚比不大于 时：（2）T形截面（M绕对称轴x作用）弯矩使翼缘受压时：部分T型钢和两板组合T形截面：n注意：注意：n用以上公式求得的应用以上公式求得的应 b1.0；n当当 b 0.6时，不需要换算，因已经考虑塑性发展；时，不需要换算，因已经考虑塑性发展；n闭口截面闭口截面 b=1.0。双角钢T形截面：第21页/共61页 所计算段内有端弯矩又有横向力作用所计算段内有端弯矩又有横向力作用产生相同曲率时，产生相同曲率时，tx=1.0；产生反向曲率时产生反向曲率时 tx=0.85。1）在弯曲矩作用平面外有支承的构件，应根据两相邻支承点间构件段内荷载和内力情况确定。tx取值办法所计算的段内无横向荷载作用 tx=0.65+0.35M2/M1 所计算段内无端弯矩，但有横向力作用所计算段内无端弯矩，但有横向力作用 tx=1.0M1和M2是构件两端的弯矩。M2 M1。当两端弯矩使构件产生同向曲率时，取同号，反之取异号。2）弯矩作用平面外为悬臂构件：tx=1.0。+第22页/共61页1.5 实腹式压弯构件的局部稳定实腹式压弯构件的局部稳定 受压翼缘板的宽厚比限值受压翼缘板的宽厚比限值受压翼缘板的宽厚比限值受压翼缘板的宽厚比限值（按梁的规定）（按梁的规定）实腹式压弯构件的板件与轴压和受弯构件的板件的受力相似，其局部实腹式压弯构件的板件与轴压和受弯构件的板件的受力相似，其局部稳定也是采用限制板件的宽（高）厚比的办法来保证。稳定也是采用限制板件的宽（高）厚比的办法来保证。外伸翼缘板（1.5.1a）当构件强度和整体稳定不考虑截面塑性发展时，式（）当构件强度和整体稳定不考虑截面塑性发展时，式（）可放宽至：可放宽至：第23页/共61页图图1.5.1 压弯构件腹压弯构件腹板弹性状态受力情况板弹性状态受力情况 maxminahw板厚tw 腹板受力较复杂。腹板受力较复杂。同时受同时受不均匀压力不均匀压力和和剪力剪力的作用的作用。ke正应力与剪应力共同作用时，板的屈曲系数。正应力与剪应力共同作用时，板的屈曲系数。腹板的高厚比限值腹板的高厚比限值腹板的高厚比限值腹板的高厚比限值 腹板的局部稳定主要与压应力的不腹板的局部稳定主要与压应力的不均匀分布的均匀分布的梯度梯度有关。有关。0应力梯度应力梯度 根据弹性理论，在对边受非均匀的压力同根据弹性理论，在对边受非均匀的压力同时有均布剪力的作用的腹板（按四边简支板）弹时有均布剪力的作用的腹板（按四边简支板）弹性屈曲的临界应力为性屈曲的临界应力为。（1.5.3a）0 (max-min)/max（1.5.2）第24页/共61页当当1.6 o2.0时时:（1.5.5）（）（）当0 o1.6时:o应力梯度，应力梯度，o=（max-min）/max max腹板边缘最大压应力腹板边缘最大压应力 min另一边相应的应力，压为正，拉为负。另一边相应的应力，压为正，拉为负。构件在弯矩作用平面内的长细比；构件在弯矩作用平面内的长细比；当当 30时，取时，取 =30，100时，取时，取 =100。1.1.工字形和工字形和工字形和工字形和HH形截面的腹板形截面的腹板形截面的腹板形截面的腹板第25页/共61页2.2.箱形截面的腹板箱形截面的腹板箱形截面的腹板箱形截面的腹板 考虑到两块腹板可能受力不均，将按公式（）考虑到两块腹板可能受力不均，将按公式（）和（）确定的高厚比值乘和（）确定的高厚比值乘0.8，使设计得厚一些。但，使设计得厚一些。但不应小于不应小于。3.T3.T形截面的腹板形截面的腹板形截面的腹板形截面的腹板 当当 01.0时，时，翼缘板部分进入塑性，对腹板无嵌固作用。翼缘板部分进入塑性，对腹板无嵌固作用。当 01.0时，翼缘处于弹性，对腹板有嵌固作用。（a）（1.5.6b）a a、弯矩使腹板自由边受压的压弯构件第26页/共61页3.T3.T形截面的腹板形截面的腹板形截面的腹板形截面的腹板对于热轧部分对于热轧部分T型钢型钢对于焊接T型钢（a）（1.5.7b）b b、当弯矩使腹板自由边受拉时，与轴心受压构件相同第27页/共61页 可设置可设置腹板加劲肋腹板加劲肋，或在计算构件的，或在计算构件的强度和稳定性强度和稳定性时将时将腹板的截面仅考虑计算高度边缘范围内两侧宽度各为腹板的截面仅考虑计算高度边缘范围内两侧宽度各为 的部分（计算构件的稳定系数时，仍用全部截面）。但在的部分（计算构件的稳定系数时，仍用全部截面）。但在受压较大翼缘与纵向加劲肋之间的腹板仍应按上述要求验受压较大翼缘与纵向加劲肋之间的腹板仍应按上述要求验算局部稳定性。算局部稳定性。当腹板的高厚比不符合上述要求时第28页/共61页压弯构件的计算长度与构件端部的约束条件有关。压弯构件的计算长度与构件端部的约束条件有关。对于对于端部约束条件比较简单端部约束条件比较简单的单根受压构件，可按轴的单根受压构件，可按轴心受压构件的计算长度系数心受压构件的计算长度系数 P92P92（表（表3939）确定。）确定。对于框架柱，对于框架柱，端部约束条件比较复杂端部约束条件比较复杂，而且需要分别计，而且需要分别计算框架平面内和平面外的稳定性。框架平面内的计算长度算框架平面内和平面外的稳定性。框架平面内的计算长度通过对框架的整体稳定分析得到；框架平面外的计算长度通过对框架的整体稳定分析得到；框架平面外的计算长度则根据支承点的布置情况确定。则根据支承点的布置情况确定。1.6 压弯构件的计算长度第29页/共61页轴心受压构件的计算长度系数 P92 P92 表3-9第30页/共61页（1 1）单层、多层等截面框架柱在框架平面内的计算长度 框架柱在框架平面内的计算长度可用下式表达：式中：H柱的几何长度；计算长度系数。柱计算长度系数 见附表2-92-9。P265P265有侧移框架第31页/共61页第32页/共61页第33页/共61页第34页/共61页无侧移框架a a、强支撑框架当支撑结构（支撑桁架、剪力墙、电梯井等）的侧移刚度Sb满足下式要求时，为强支撑框架，其柱计算长度系数 按附表2-8确定：第35页/共61页第36页/共61页第37页/共61页第38页/共61页b b、弱支撑框架当支撑结构的侧移刚度Sb不满足上式要求时，为弱支撑框架，框架柱的压杆稳定系数按下式计算：第39页/共61页（2 2）框架柱在框架平面外的计算长度框架柱在框架平面外的计算长度可取柱的全长。当有侧向支撑时，取支撑点间的距离。第40页/共61页设计原则：设计原则：等稳定性、肢宽壁薄、制造省工和连接简便。等稳定性、肢宽壁薄、制造省工和连接简便。截面设计步骤：截面设计步骤：截面选择、强度验算、弯矩作用平面内和平面截面选择、强度验算、弯矩作用平面内和平面外外 的整体稳定验算、局部稳定验算、刚度验的整体稳定验算、局部稳定验算、刚度验算等。算等。1.7 实腹式压弯构件的设计第41页/共61页截面形式截面形式1.对于对于N大、大、M小的构件，可参照轴压构件初估；小的构件，可参照轴压构件初估；2.对于对于N小、小、M大的构件，可参照受弯构件初估；大的构件，可参照受弯构件初估；因影响因素多，很难一次确定。因影响因素多，很难一次确定。截面验算截面验算1.强度验算强度验算2.整体稳定验算整体稳定验算3.局部稳定验算局部稳定验算组合截面组合截面4.刚度验算刚度验算构造要求构造要求 与实腹式轴心受压构件相似与实腹式轴心受压构件相似。第42页/共61页例题1.1：某压弯构件的简图、截面尺寸、受力和侧向支承情况如图所示，试验算所用截面是否满足强度、刚度和整体稳定要求。钢材为Q235钢，翼缘为焰切边；构件承受静力荷载设计值（标准值）F=100kN和N=900kN。第43页/共61页解：1.内力（设计值）轴心力N=900kN 弯 矩 2.截面特性和长细比：l0 x=16m，l0y=8m 刚度满足。第44页/共61页 3.强度验算满足要求。4.在弯矩作用平面内的稳定性验算满足要求。第45页/共61页满足要求！5.在弯矩作用平面外的稳定性验算：AC段（或CB段）两端弯矩为M1=400 kN.m，M20，段内无横向荷载：第46页/共61页6.局部稳定验算翼缘的宽厚比腹板计算高度边缘的应力腹板高厚比局部稳定满足要求 o=（max-min）/max第47页/共61页和轴心受压柱一样，压弯柱也由柱头、柱身和柱脚三部分组成。和轴心受压柱一样，压弯柱也由柱头、柱身和柱脚三部分组成。由于偏心受压柱所受的荷载由于偏心受压柱所受的荷载(或传递的内力或传递的内力)与轴心受压柱不同，因与轴心受压柱不同，因而其柱头、梁柱连接、柱脚的构造也有所差异，但构造原则相同，而其柱头、梁柱连接、柱脚的构造也有所差异，但构造原则相同，即：即：构造简捷、传力明确，安全可靠、经济合理构造简捷、传力明确，安全可靠、经济合理。1、柱头、柱头2.1 压弯构件的柱头与柱脚的连接构造 实腹式压弯构件柱头分为铰接和刚接两种，主要作用是将上部构件或梁传来的荷载(N、M)传给柱身，柱头由顶板和肋板组成。框架梁柱的连接可分为柔性和刚性连接，柔性连接一般采用高强度螺栓连接，属铰接，而刚性连接是用焊接连接。第48页/共61页第49页/共61页 实际设计当中，实际设计当中，为防止连接处发生局为防止连接处发生局部破坏，柱子的腹板部破坏，柱子的腹板一般需在梁的翼缘板一般需在梁的翼缘板或水平连接板的同一或水平连接板的同一位置位置设置横向加劲肋设置横向加劲肋，如图，加劲肋的厚度如图，加劲肋的厚度一般与梁的翼缘板或一般与梁的翼缘板或连接板相同，这样相连接板相同，这样相当于把柱侧两梁连为当于把柱侧两梁连为一整体。一整体。如果梁端弯如果梁端弯矩很小，也可不设加矩很小，也可不设加劲肋劲肋。图2.1 梁柱连接构造横向加劲肋柔性连接刚性连接第50页/共61页 压弯柱的柱脚可以做成铰接和刚接两种。压弯柱的柱脚可以做成铰接和刚接两种。铰接柱脚铰接柱脚只传递轴心压力和剪力，它的计算和构造与轴心受只传递轴心压力和剪力，它的计算和构造与轴心受压柱相同。压柱相同。刚接柱脚刚接柱脚要求既能传递轴向压力、剪力和弯矩，同时要要求既能传递轴向压力、剪力和弯矩，同时要求具有足够的刚度，使之尽量接近刚接的假定。求具有足够的刚度，使之尽量接近刚接的假定。刚接柱脚分为刚接柱脚分为整体式和分离式整体式和分离式两种，一般实腹式压弯构件多采两种，一般实腹式压弯构件多采用整体式柱脚。用整体式柱脚。压弯柱整体式柱脚与轴心受压柱柱脚计算上的主要区别在于：底板的基础反力不是均匀分布的；靴梁与底板的连接焊缝以及底板的厚度近似地按计算区段的最大基础反力值确定；锚栓是用来传递弯矩的，要通过计算确定。2、柱脚、柱脚(1)整体式柱脚第51页/共61页V V由柱脚底板与基础面摩擦力平衡，必要时可在柱脚下设置抗剪键来承受剪力。由于柱脚要传递M M，因此柱脚与基础间可能出现拉应力，此拉力，此拉力只能由锚栓承受，锚栓直径都要经过计算确定这点与轴压柱脚不同。第52页/共61页图2.2 压弯柱整体式柱脚1 1 整体式用于实腹式压弯构件或肢件间距a a 1.5m1.5m的格构式压弯构件。第53页/共61页图2.3 压弯柱分离式柱脚2 2 分离式用于格构式压弯构件第54页/共61页3 3、整体式刚性柱脚的设计、整体式刚性柱脚的设计2 2）底板厚度确定 同轴压柱脚，计算各区格板弯矩时，可取其范围内的最大反力。1 1）底面积确定 底板宽度b b由构造确定，其中悬臂长度c=20c=20 50cm;50cm;底板长度由计算确定:第55页/共61页 承担承担M M作用下产生的拉力，且锚栓是柱脚与基础牢固连接作用下产生的拉力，且锚栓是柱脚与基础牢固连接的关键部件，其直径大小由计算确定。的关键部件，其直径大小由计算确定。a ax x合力点合力点由N Nt t即可查得锚栓个数和直径锚栓承担的拉力：3 3）锚栓计算第56页/共61页第57页/共61页第58页/共61页 同轴压柱脚，内力可偏安全地按计算处的最大基底反力计算。B B、靴梁的强度 按支承于柱边的悬臂梁计算，内力可偏安全地按最大基底反力计算3 3）靴梁、隔板及其焊缝计算A A、靴梁的高度 按柱与其连接焊缝的长度确定，每侧焊缝承担的轴力为：C C、隔板设计第59页/共61页第60页/共61页感谢您的观看。第61页/共61页