钢结构设计原理2

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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。
对于施加预拉力的拉杆,其容许长细比可放宽到1000。
受拉构件的容许长细比
项次 1 2 3 构件名称
表 4-1
直接承受动力 荷载的结构 250 —— ——
承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构
有重级工作制吊车的厂房 桁架的杆件 吊车梁或吊车桁架 以下的柱间支撑 其它拉杆、支撑、系杆等 (张紧的圆钢除外)
近的相邻位置也是平衡的,则所探讨的平衡位置是随遇的;
在此平衡位置建立平衡方程,求得临界荷载; 找到所有临界状态,其临界荷载最低的状态为真正的失稳状
态;
这种方法只能得到临界荷载,不能判别稳定性类别。
结构或构件失稳实际上为从稳定平衡状态经过临 界平衡状态,进入不稳定状态,临界状态的荷载即为 结构或构件的稳定极限荷载,构件必须工作在临界荷 载之前。
稳定平衡
不稳定平衡
随遇平衡
2) 稳定问题分类 按平衡状态分 a、分岔失稳或第一类稳定问题 如理想轴压或压弯构件或结构的稳定。 定义:由原来的平衡状态变为一种新的微弯(或微扭) 平衡状态。
b、极值点失稳或第二类稳定问题 如非理想轴压或压弯构件或结构的稳定。 定义:平衡状态渐变,不发生分岔现象。 相应的荷载Nmax——失稳极限荷载或压溃荷载。
4、理想构件的弹塑性弯曲失稳 构件失稳时如果截面应力超出弹性极限,则构件进 入弹塑性工作阶段。
4、设计内容 构件的截面:截面选择、尺寸确定,承载能力和正常使 用极限状态的验算; 柱头:支撑平台梁、桁架等; 柱脚:将压力传给基础。
第二节 轴心受力构件的强度与刚度
一、强度计算
1、轴心受拉构件:毛截面屈服和净截面断裂准则
截面无削弱时的强度:
毛截面屈服:轴心受力构件的强度应以毛截面的平均 应力不超过钢材的屈服强度为准则,出现不适于继续 承载的变形。 fy N f A R
ix Ix A
iy Iy A
x l0 x ix
y l0 y i y
max max[ x , y ] [ ]
作业: 5.1 5.2 5.3
第三节 轴心受压构件的稳定
轴心压杆的破坏形式有强度破坏、整体失稳破坏和 局部失稳破坏三种。截面若无削弱,不会发生强度破 坏。 一、钢结构稳定问题的重要性 1、钢材的特点决定了稳定问题更加突出 轻质、高强、力学性能好; 与砼比,尺寸轮廓小,构件细长,板件薄柔; 易发生整体失稳和局部失稳; 失稳时经常具有突然性的几何形状的改变。
2
参数kn或Pcrm在数学上称为固有值、本征值或特征值
(eigenvalue)。 特征值问题。
在参数取特征值时,方程有非0解,所以数学上也叫求解
轴向压力 9 2 EI P3 l2
4 2 EI P2 l2 l
mx y A sin l
PE P1
2 EI
l2
2 EI 最低的临界力即为欧拉临界力 P 1 2
2、轴心受压构件: 轴心压杆的截面若无削弱,就不会发生强度破坏。 截面削弱的程度较整体失稳对承载力的影响小,也不 会发生强度破坏。通常整体稳定是确定构件截面重要 因素。 如截面削弱的程度较整体失稳对承载力的影响大, 则会发生强度破坏。轴心压杆的强度计算方法同轴心 拉杆,以截面的平均应力达到屈服点为强度破坏准则。
250 200
一般结构
350 300
350
400
受压构件的容许长细比
项次 1 柱的缀条、吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑 支撑(吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑除外) 2 用以减小受压构件长细比的杆件 构件名称 柱、桁架和天窗架构件
表 4-2
容许长细比 150
200
三、轴心受拉构件的设计 选择截面(实腹式): 1、经验或参考别人的经验——直接选截面后验算 强度和刚度; 2、根据强度公式求A后查出型号,再验算。
二、理想轴心受压构件的整体失稳 1、理想条件:绝对直杆、材料均质、无荷载偏心、 无初始应力、完全弹性。 2、典型失稳形式 弯曲失稳-只有弯曲变形; 扭转失稳-只有扭转变形; 弯扭失稳-弯曲变形的同时 伴随有扭转变形。
弯曲屈曲:双轴对称截面最常见,单轴对称截面绕非 对称轴失稳; 扭转屈曲:某些双轴对称截面可能出现,如十字型截 面、Z字型截面,扭转失稳承载力小于弯曲失稳承载力, 其他截面一般来说弯曲稳定承载力均大于扭转失稳承 载力。 弯扭屈曲:单对称截面绕对称轴、无对称轴的截面失 稳时。 单对称截面绕对称轴(或不对称截面)弯曲失稳时, 由于截面的形心(内力作用点)与剪心(截面的扭转 中心)不重合,截面内的内力分量相对于剪心产生偏 心产生扭矩,从而产生扭转变形。失稳承载力低于弯 曲失稳承载力。
3、理想构件的弹性弯曲失稳
1)理想轴压杆的欧拉临界力 基本假设: 同一材料制成的等截面直杆,两端铰接; 荷载作用在截面形心上; 平截面假定,仅考虑弯曲变形(忽略剪切变形); 材料为弹性; 1 )。 构件变形非常微小(小挠度理论 y
曲率
y Φ y 2 3/ 2 ) ] [1 ( y
冷弯薄壁型钢截面
实腹式组合截面 (整体连通的截面)
格构式组合截面
截面选型的要求是: (1)用料经济,形状简单,便于制作 (2)便于与其他构件连接; (3) 面积保证:A,An; (4)刚度足够:宽大且薄,I 大。 3、设计要求 轴心受力构件应满足承载能力与正常使用两种极限状态的要求。 正常使用极限状态的要求用构件的长细比来保证构件的刚度; 承载能力极限状态包括强度、整体稳定、局部稳定三方面的要求。 轴心受拉构件:强度和刚度验算; 轴心受压构件:强度、稳定和刚度验算。 稳定问题是钢构件的重点问题,所有钢构件都涉及到稳定问题, 是钢构件设计的重点与难点。
破坏后
宁波某轻钢门式刚架施工阶段倒塌。
破坏原因:施工顺序不当、未设置必要的支撑等。
我国其它一些地方的门式刚架也发生过倒塌事故,从设 计、制作、到安装阶段都有可能出现问题。
3、稳定的概述 所谓的稳定是指结构或构件受载变形后,所处平衡状态的属性。 稳定分稳定平衡、随遇平衡(中性平衡)、不稳定平衡。 1)判别稳定性的基本原则: 对处于平衡状态的体系施加一个微小干扰,当干扰撤去后,如 体系恢复到原来的位置,该平衡是稳定平衡,否则是不稳定的。
1990年2月,辽宁省某重型机械厂新增一会议室。
破坏原因:只有14.4m跨的轻钢梭形屋架腹杆平面外出 现半波屈曲,致使屋盖迅速塌落。误用重型屋盖结构。 且错用了计算长度系数,λy>300。 事故后果:305人开会期间倒塌,造成42人死亡、179人 受伤。
美国一体育馆网架,1978年1月大雨雪后倒塌。
一阶弹性分析
解具有单值性
与整个构件 要考虑构件已变形 几何非线性问 可能有多个平衡位置 稳定 的所有截面 状态下的平衡关系, 题,叠加原理 (特征值),解具有多值性。 问题 均有关系 属于二阶分析 不再适用 一般要寻求最小临界力
4)弹性稳定问题的基本判别准则和分析方法
静力准则和静力法(平衡法)
设所研究的弹性体系在外力作用下,某一平衡位置的无限接
B 0,
y A sin kx
A sin kl 0
A 0 否则方程的解为0,没有意义。 sin kl 0
m kn l
P m 即 EI l 2 2 E Im 由此可得临界力公式为: P crm 2 l m x 与之对应的挠曲线为: y A sin l
N f An
二、刚度 :为了避免拉杆在制作、运输、安装和使用过程中 出现刚度不足、横向振动 以造成过大的附加应力,拉杆设计 时应保证具有一定的刚度。 普通拉杆的刚度用限制长细比的方法来控制。

l0 i
( 4-2 )
式中 ——构件长细比,对于仅承受静力荷载的桁架为自重产生弯曲的竖向平面 内的长细比,其它情况为构件最大长细比; l 0 ——构件的计算长度; i ——截面的回转半径; [ ] ——构件的容许长细比,见表 4-1 和 4-2 。
则力矩平衡方程为:
M P y EI EI y Py 0 EI y
为二阶齐次常微分方程

k y 0 y
2
P k EI
2
该微分方程的通解为:
y A sin kx B cos kx
A,B为待定系数,由边界条件确定
y x 0 0 y x l 0
第五章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
轴心受力构件
概 述 轴心受力构件的强度与刚度 轴心受压构件的稳定 轴心受压柱的设计 柱头和柱脚
第一节 概 述
1、轴心受力构件的应用 桁架、塔架、网架、 网壳、支撑等杆件体系, 工作平台支柱等, 假设节点为铰接连接。
2、轴心受力构件的截面形式
热轧型钢截面
横向挠度
Pcr 2 EI 2E 临界应力: cr 2 A l0 A l0 I A


2

l0 i
2E
2
2E 2
其中:
l0 l i i
π 2 EI π 2 E N cr 2 2 A l0 λ
屈曲临界应力与 长细比的关系:
超过屈服点fy时 以虚线表示
大部分的实际工程结构都存在一定的初始几何缺陷, 其失稳形式都属于第二类稳定问题。
初始几何缺陷δ越大,弹塑性临 界承载力越低
3) 强度与稳定的区别
结构失稳是指在外力作用下,结构的平衡状态开始丧失稳定 性,稍有扰动,则变形迅速增加,使结构破坏。即在稳定问 题中,力与位移不是成比例的线性关系。
研究的位置 只涉及某一 强度 截面上的应 问题 力应变状态 分析方法 叠加原理 能够使用叠加 原理 解的特点
Biblioteka Baidu
工程概况:91.4m×109.7m网架,四个等边角钢组成的 十字形截面杆件。 破坏原因:只考虑了压杆的弯曲屈曲,没有考虑弯扭屈 曲。
我国新修订的2003年钢结构规范中已考虑了弯扭屈曲的 相关设计理论。
大跨度波纹拱屋盖
我国东北、内蒙古、新疆曾有大量使用,用于仓库、 临时罩棚等设施。但有些结构在大雪后倒塌。 破坏原因:波纹拱的畸变屈曲没有给予很好的考虑。
2、钢结构失稳破坏的例子
1907年,加拿大跨越魁北克(Quebec)河三跨伸臂桥
工程概况:两边跨各长152.4m,中间跨长548.6m(包括由 两个边跨各悬挑出的171.4m)。
破坏原因:格构式下弦压杆的角钢缀条过于柔弱、失稳, 其总面积只占弦杆截面面积的1%。
直接损失:架桥工程中9000t钢桥坠入河中,75员工遇难。
Ru 净截面断裂的抗力分项系数。由于断裂的后果
比屈服严重,故取值高,使
R 0.8 Ru
我国推荐的钢种的强屈比一般均超过1.25,故为方便 设计,对净截面按屈服进行计算。 N f An
当拉杆的截面有局部削弱时,截面上的应力分 布就不均匀,在孔边或削弱处边缘就会出现应力集 中。但当应力集中部分进入塑性后,内部的应力重 分布会使最终拉应力分布趋于均匀。 因而须保证两点: (1)选用的钢材要达到规定的塑性(延伸率); (2)截面开孔和消弱应有圆滑和缓的过渡,改变截 面、厚度时坡度不得大于1:2.5/1:4。 另外,当轴心拉杆与其它构件采用螺栓或高强螺 栓连接时,连接处的净截面强度计算按第三章所述。
截面有削弱时的强度: (4-1) 准则:以净截面达到钢材的抗拉强度为极限状态,净 截面只是杆件的局部区域,达到屈服整个杆件变形不 大,不会影响继续承载。
N N N N
0
(a)
max =3 0
fy (b) 孔洞处截面应力分布
(a) 弹性状态应力;(b) 极限状态应力
fu fu N R fu f y 0.8 f An Ru Ru f y R fy
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