6.1拉弯和压弯构件(1).ppt
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1、1,第六章拉弯和压弯构件,拉弯构件和压弯构件是指同时承受轴心拉力或压力N以及弯矩M的构件,也常称为偏心受拉构件或偏心受压构件。拉弯和压弯构件的弯矩一般是由偏心轴向力、横向荷载及构件端部转角约束产生的端部弯矩所引起的。,2,拉弯构件和压弯构件广泛用于各种结构中,尤其是压弯构件在钢结构中的应用更为广泛。如单层厂房柱、框架柱及桁架中承受节间荷载作用的杆件。拉弯构件和压弯构件的截面型式可为双轴对称,也可为单轴对称;可为实腹式,也可为格构式。,图6-2拉弯构件和压弯构件的截面型式,3,由于偏心受力构件的截面正应力是不均匀分布的,当采用对称截面时并不经济,因而通常都采用把受力较大一侧截面适当加大的单轴对称
2、截面,且使弯矩M作用方向具有较大的截面尺寸,使在该方向有较大的截面抵抗矩、回转半径和抗弯刚度,以便更好地承受弯矩。如采用格构式截面,使弯矩变成力偶,截面各分肢只受轴心力作用,则更为经济合理。在格构式构件中,通常使虚轴垂直于弯矩作用平面,以便根据承受弯矩的需要,调整分肢间的距离。但对弯矩较小或正负弯矩绝对值大致相等以及构造或使用上宜于采用对称截面的构件或柱,仍采用双轴对称截面。,4,与轴心受压构件和受弯构件一样,设计偏心受力构件时,应同时满足承载能力极限状态和正常使用极限状态。前者包括强度和稳定,后者通过刚度计算使构件的最大长细比不超过规定的容许值。具体来说,对拉弯构件的设计一般只需考虑强度和刚
3、度两个方面;而对于压弯构件应同时满足强度、刚度和整体稳定的要求,此外,对实腹式截面还必须保证组成截面的板件的局部稳定,对格构式截面还必须保证分肢稳定。,5,第二节拉弯、压弯构件的强度和刚度计算,对拉弯构件和截面有孔洞等削弱较多的或构件端部弯矩大于跨间弯矩的压弯构件,需要进行强度计算。拉弯、压弯构件的强度承载能力极限状态是截面上出现塑性铰。现以弯矩M仅作用于一个主平面内的双轴对称截面压弯构件为例,轴心力N与弯矩M按比例增加,当N产生的均匀正应力与M引起的弯曲正应力叠加后,截面压应力大的一侧最外纤维处为最大压应力。当最大压应力小于钢材的屈服强度fy时,构件处于弹性工作状态。当N和M继续增加,最大压
4、应力达到fy时,构件截面强度达到弹性阶段极限状态。当N和M再增加,最大压应力一侧发展塑性变形,并且塑性区随内力增加逐渐向内发展,这时构件处于弹塑性受力状态。,6,接着,截面另一侧的最外纤维达到受拉屈服强度,并且塑性区也随N和M的增加逐渐向内发展。当两侧塑性区发展到全截面时,即形成塑性铰,构件达到塑性受力阶段极限状态,为构件最终的承载能力极限状态。(如图6.3),图6-3压弯构件的工作阶段,7,按照图6.4对矩形截面的塑性状态进行分解,分别可得轴心压力和弯矩:,图6-4塑性状态的分解,(6.1),8,(6.2),式中:Mp塑性弯矩;Mp=Wpfy,即N=0时,截面所能承受的最大弯矩。由式(6.1
5、)解出y0,并代入式(6.2),可得N与M的相关式如下:,即,(6.3),9,式中:NpM=0时,截面所能承受的最大轴力,Np=bhfy。由式(7.3)绘出的相关曲线如图6.5所示。,图6-5压弯构件的,关系,(6.4),在设计中为了简化规范偏于安全地采用直线式:,10,为了不使构件产生过大的变形,考虑截面只是部分发展塑性,将和代入式(6.4),以f代,可得单向拉弯和压弯构件的强度验算公式:,(6.5a),将式(6.5a)推广到双向拉弯、压弯构件:,(6.5b),当压弯构件受压翼缘的自由外伸宽度与其厚度之比大于而不超过时,应取=1.0。,11,需要计算疲劳的拉弯、压弯构件,宜取=1.0。对拉弯
6、、压弯构件,都应满足正常使用极限状态,即构件的长细比不超过规范规定的容许长细比:,(6.6),12,例题7-1如图7-6所示拉弯构件,受轴心拉力设计值N=200KN,跨中作用一集中荷载设计值F=30KN(以上均为静载),构件采用2个角钢L140908长边相连,角钢间净距为8mm。钢材为Q235,已知截面无削弱,不考虑自重,试验算该构件的强度和刚度。,解查双角钢T型截面特性表及截面塑性发展系数表可知:A=36.08m2,Ix=731cm4,ix=4.50cm,Iy=453cm4,iy=3.55cm,Z0=4.50cm,1x=1.05,1y=1.2,f=215N/mm2。,13,1.计算内力跨中为
7、控制截面:N=200KN,2.计算截面几何特征肢背:肢尖:3.强度验算,14,肢背:,肢尖:,强度满足要求。4.刚度验算,刚度满足要求。,15,第三节实腹式压弯构件的整体稳定,压弯构件的承载能力通常不是由强度而是由整体稳定控制的。对单向压弯构件丧失整体稳定有两种可能:一种是在N和M共同作用下,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达到极限,超过此极限,要维持内外力平衡,只能减小N和M。这种现象称为压弯构件丧失弯矩作用平面内的整体稳定,或在弯矩作用平面内整体屈曲。对侧向刚度较小的压弯构件则有另一种可能,当N和M增加到一定大小时,构件在弯矩作用平面外不能保
8、持平直,突然发生平面外的弯曲变形,并伴随着绕纵向剪切中心轴扭转。这种现象称为压弯构件丧失弯矩作用平面外的整体稳定,或在弯矩作用平面外整体屈曲。这两种整体失稳的性质是不同的。,16,压弯构件整体失稳的可能形式与构件的抗扭刚度和侧向支承的布置等情况有关,对弯矩作用在弱轴平面内而使构件截面绕强轴受弯时,构件可能在弯矩作用平面内弯曲屈曲;也可能在弯矩作用平面外弯扭屈曲。若弯矩作用在强轴平面内,压弯构件就不可能产生弯矩作用平面外的弯扭屈曲,这时,只需验算弯矩作用平面内的整体性。下面将分别叙述这两种失稳。,一、弯矩作用平面内的稳定性,研究压弯构件在弯矩作用平面内的整体稳定时,应注意其所承受的轴心压力N和弯
9、矩M可能有不同的加载途径。在弹性受力阶段,构件的承载力与加载途径无关,只与最终荷载值有关;在弹塑性受力阶段,则与加载途径有关。,17,图7-7单向压弯构件在弯矩作用平面内的整体屈曲,oa段为弹性工作阶段,呈非线性关系;a点之后进入弹塑性工作阶段,曲线ob段呈上升状,挠度随N的增加才能增加,平衡是稳定的;在bc段为了维持平衡,N要不断减小,且挠度不断增加,平衡是不稳定的。b点为稳定平衡状态过渡到不稳定平衡状态的曲线极值点,与之对应的N值Nu为构件在弯矩作用平面内的稳定极限承载力,相应的截面平均应力称为极限应力。b点位置可按N-v曲线的极值问题,即dN/dv=0求得。,18,压弯构件在弯矩作用平面
10、内失稳时,视构件截面形状、尺寸比例、构件长度以及残余应力分布的不同,构件进入塑性的区域可能只在构件长度的中间部分截面受压最大的一侧、或同时在截面两侧、或仅在截面受拉一侧(图6-8),最后一种情况可能在单轴对称截面的压弯构件出现。,单向压弯构件在弯矩作用平面内的稳定计算方法目前有三种,即按边缘纤维屈服准则的方法、按极限承载能力准则的方法和实用计算公式。下面介绍钢结构设计规范采用的边缘纤维屈服准则。,图6-8压弯构件平面内失稳时的应力状态,19,边缘纤维屈服准则的方法是用应力问题代替稳定计算的近似方法,即以构件截面应力最大的边缘纤维开始屈服时的荷载,亦即构件在弹性阶段的最大荷载,作为压弯构件的稳定
11、承载力。以图6-7(a)为例,这一准则的表达式为:,(6.7),在轴心压力N和弯矩M共同作用下,构件中点挠度为v,在离端部距离为x处的挠度为y,此处的平衡方程为:,(6.8),令,,,为欧拉临界力,则,20,求解并利用边界条件x=0和x=l处y=0,可得:,构件中点最大挠度为:,(7.10),式中,21,杆中央截面的最大弯矩:,(6.11),22,式中压弯杆的挠度增大系数;Mx端弯矩,Mx=Ne其它几种常见荷载作用下的压弯构件,其最大弯矩的近似值列于表6.1。其等效弯矩系数可按下式计算:,(6.12),利用就可以在弯矩作用平面内的稳定计算中把各种荷载作用的弯矩分布形式转化为均匀受弯来对待,考虑
12、构件初始缺陷后,把最大弯矩值代入式(6.7)中,得:,(6.13),式中,e0是用来考虑构件综合缺陷的等效初弯曲。,23,当M=0时,构件实际上就是带有缺陷偏心e0的轴心压杆,此时杆的临界力,由式(6.13)可得:,(7.14),将式(7.14)代入式(7.13),经整理后得:,(7.15),式(7.15)是由边缘屈服准则导出,可用来计算格构式或冷弯薄壁型钢压弯构件的稳定。对于实腹式压弯构件,规范采用压溃理论确定临界力。,24,为了限制偏心或长细比较大的构件的变形,只允许截面塑性发展总深度h/4(h是截面高度)。根据对11种常见截面形式进行的计算比较,规范对式(7.15)作了修正,用来验算实腹
13、式压弯构件在弯矩作用平面内的稳定性:,(7.16),等效弯矩系数,在弯矩作用内对较大受压纤维的毛截面模量;,弯矩作用平面内的轴心受压构件稳定系数,25,对于单轴对称截面压弯构件,当弯矩作用在对称轴平面内且使较大翼缘受压时,构件达到临界状态时的应力分布可能在拉、压两侧都出现塑性,也可能只在受拉一侧出现塑性。对于前者,平面内的稳定仍按式(7.16)验算;对于后者,因受拉塑性区的开展会导致构件失稳,因此除应按公式(7.16)计算外,尚应按下式计算:,(7.17),式中W2x受拉一侧的边缘纤维毛截面模量。,26,二、弯矩作用平面外的稳定性,当压弯构件的抗扭能力较差,或垂直于弯矩作用平面内的抗弯刚度也不
14、大,且侧向又没有设置足够多的支撑来阻止构件的受压翼缘侧移时,压弯构件就可能因弯扭屈曲而在弯矩作用平面外失稳。现以具有双轴对称截面的单向压弯构件(图7-9)为例,按弹性稳定分析时,可假定构件在x轴方向有初弯曲u0和v0,而绕Z轴有初扭角0,并且轴力N和y轴方向有偏心e,则构件的弹性微分方程式如下:,(7.18),(7.19),27,图7-9双轴对称截面的单向压弯构件,(7.20),式中Ix、Iy截面对主轴x、y的惯性矩;It、Iw截面的自由扭转惯性矩和扇性惯性矩;u、v、中心轴三个位移量;,28,其中截面上的残余应力,以拉应力为正。式(7.18)中只含v(杆轴在y轴方向弯曲变位)的高阶导数,故可
15、独立求解,它考虑的是构件在弯矩作用平面内的弯曲失稳;式(7.19)和式(7.20)是互相联立的,都含有杆轴在x方向的弯曲变位u和扭转角的高阶导数,它们考虑的是构件在弯矩作用平面外的弯扭失稳。但是当压弯构件在弹塑性阶段工作时,式(7.19)和式(7.20)中的EIy和EIw等就不再是截面常数,而与截面上的塑性分布区有关。而塑性区的分布与弯矩作用平面内的受力直接有关,所以在弹塑性阶段式(7.18)、式(7.19)和式(7.20)是联立的,特别是构件存在初弯曲u0和初扭转0的情况下,构件实质上是一个双向压弯构件。为了使问题简化,忽略u0和0的影响,把单向压弯构件在弯矩作用平面外的问题作为弹性屈曲问题
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- 6.1 构件
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