轴心受压构件的整体稳定性

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解:已知 l x = l y =4.2m,f=215N/mm2 。 计算截面特性: A=2×25×1+22×0.6=63.2cm2 , I x =2×25×1×11.5 2 +0.6×22 3 /12=7144.9cm4 , I y =2×1×25 3 /12=2604.2cm 4 ,
i x = I x / A = 10.63cm , i y = I y / A = 6.42cm 。
二、考虑剪力影响后构件的弹性弯曲失稳 总变形
y = yM + yv
总曲率:弯距曲率+ 总曲率:弯距曲率+剪力产生的附加曲率 剪力曲率: 剪力曲率: dyv = γV = γ dM = γ N dy dx dx dx
d2 yv d2 y =γN 2 2 dx dx
式中: 表示单位剪力引起的剪切角: 式中:γ 表示单位剪力引起的剪切角:
4、应用:网架、索杆体系、塔架、桁架等 应用:网架、索杆体系、塔架、
3.塔架 3.塔架
2.网架 2.网架 1.桁架 1.桁架
实腹式截面
热轧型钢
冷弯薄壁型钢
组合截面
格构式截面:由两个或多个型钢肢件通过缀材连接而成。 格构式截面:由两个或多个型钢肢件通过缀材连接而成。
一、 强度计算
N σ= ≤f A n
一、理想构件弹性弯曲失稳
根据右图列平衡方程
d2 y EI 2 + Ny = 0 dx
解平衡方程:得 解平衡方程:
2 2 πEI πE Ncr = 2 = 2 A l0 λ
2 N cr πE σ= = 2 ≤ f p ⇒ ≥λ =π E / f p λ p cr A λ
理想条件: 理想条件:
(1)绝对直杆、材料均质、无荷载偏心、无初始应力、完全弹性; 绝对直杆、材料均质、无荷载偏心、无初始应力、完全弹性; (2)不考虑剪力对临界力的影响作用
式中wk.baidu.com
N A ϕ f
轴心受压构件的压力设计值; 轴心受压构件的压力设计值; 构件的毛截面面积; 构件的毛截面面积; 轴心受压构件的稳定系数,取两主轴稳定系数较小者; 轴心受压构件的稳定系数,取两主轴稳定系数较小者; 钢材的抗压强度设计值。 钢材的抗压强度设计值。
某焊接工字形截面柱,截面几何尺寸如图。柱的上、 例题1 某焊接工字形截面柱,截面几何尺寸如图。柱的上、下端 例题1: 均为铰接,柱高4.2m 承受的轴心压力设计值为1000kN 4.2m, 1000kN, 均为铰接,柱高4.2m,承受的轴心压力设计值为1000kN, 钢材为Q235 翼缘为火焰切割边,焊条为E43系列, Q235, E43系列 钢材为Q235,翼缘为火焰切割边,焊条为E43系列,手工 试验算该柱是否安全。 焊。试验算该柱是否安全。
π 2 EI N cr = 2 ( µl )
µ - 计算长度系数
四、压杆曲线的确定
焊接工字形截面轴心受压柱稳定系数
12种不同截面尺寸, 12种不同截面尺寸, 种不同截面尺寸 不同残余应力和分布 以及不同钢材牌号轴 心压构件曲线。 心压构件曲线。
轴心受压构件的柱子曲线分布在一个相当宽的 带状范围内,用单一柱子曲线,即用一个变量( 带状范围内,用单一柱子曲线,即用一个变量(长 细比)来反映显然是不够合理的。 细比)来反映显然是不够合理的。现在已有不少国 家包括我国在内已经采用多条柱子曲线。 家包括我国在内已经采用多条柱子曲线。
d2 y M d2 y 总曲率: 总曲率: 2 =− +γ N 2 dx EI dx
NE Ncr = 1+γ NE
(
d2 y N 1−γ N + y =0 2 dx EI
)
绕实轴: 绕实轴:γ = 0 绕虚轴: 绕虚轴:
Ncr = NE
几何缺陷:初始弯曲+ 几何缺陷:初始弯曲+初始偏心 三、实际构件的整体稳定 力学缺陷:残余应力 力学缺陷:
第四章 轴心受力构件
第一节 轴心受力构件强度和刚度 第二节 实腹式轴心受压构件的弯曲屈曲 第三节 实腹式轴心受压构件的局部屈曲 第四节 实腹式轴心压杆设计 第五节 格构式轴心受压构件设计 第六节 柱头和柱脚 第七节 钢索简介
第一节
轴心受力构件强度和刚度
1、概念:二力杆 概念: 2、分类
力沿轴线方向 约束: 约束:两端铰接
式中 ε0-相对初弯曲; ρ=W/A-截面的核心距; 相对初弯曲; 截面的核心距; (1)杆件愈细长,λ值大N 值小,初弯曲不利影响愈大; 值小,初弯曲不利影响愈大; 杆件愈细长, (2)不同截面形式的比值i/ρ 是不同的。i/ρ 值愈大,则 i/ρ 是不同的。i/ρ 值愈大, 截面边缘纤维愈早屈服,初弯曲的不利影响也愈大。 截面边缘纤维愈早屈服,初弯曲的不利影响也愈大。
l2
=
π 2 EI
l2
I × e I
k
π 2E Ie σ cr = 2 × λ I
对x-x轴屈曲时: 轴屈曲时: 对y-y轴屈曲时: 轴屈曲时:
N crx =
π 2 EI x
2 lox
N cry =
π 2 EI y
l
2 oy
k3
残余应力对弱轴的影响比 对强轴严重得多! 对强轴严重得多
4、杆端约束对轴心受压构件整体稳定性的影响 杆件临界力: 杆件临界力:
强度 轴心受拉构件 刚度 强度 轴心受压构件 稳定 刚度
(承载能力极限状态) 承载能力极限状态) (正常使用极限状态) 正常使用极限状态) (承载能力极限状态) 承载能力极限状态) (正常使用极限状态) 正常使用极限状态)
3、截面类型: 截面类型: 型钢截面 实腹式 组合截面 缀条式 缀板式
格构式
3、残余应力的影响 产生原因; 产生原因; 影响: 影响: 分布规律: 分布规律: 1)短柱试验法: 短柱试验法: 2)应力释放法:将短柱锯割成条以释放应力,然后测量 应力释放法: 每条在应力释放后前长度以确定应变;
残余应力对压杆临界荷载的影响
图4.7残余应力对短柱段的影响
N cr =
π 2 EI e
截面回转半径与核心距的比值
由表可见: 由表可见: 材料向弯曲轴聚集得多, i/ρ 值大。 (1)材料向弯曲轴聚集得多,则i/ρ 值大。 i/ρ 值大的截面, (2)i/ρ 值大的截面,表征塑性发展能力的形状系数也 比较大。 比较大。
2、初始偏心的影响
d2y EI 2 + Ny = −Ne0 dx
l 0 − 构件的计算长度; 构件的计算长度;
i = I 截面的回转半径; − 截面的回转半径; A
l0 λ = < [λ] i
l0x λx = <[λ] ix
[λ ] − 构件的容许长细比, 构件的容许长细比,
l 0x − 构 件 对 x 轴 计 算 长 度 ;
ix = Ix / A
λy =
l0y iy
σ=
N 1000 = × 10 = 203.4 N/mm 2 < f = 215N/mm 2 ϕA 0.778 × 63.2
翼缘宽厚比为 b 1 /t=(12.5-0.3)/1=12.2<10+0.1×65.4=16.5 腹板高厚比为 h 0 /t w =(24-2)/0.6=36.7<25+0.5×65.4=57.7 构件的整体稳定、刚度和局部稳定都满足要求。
N — 轴心拉力或压力设计值; 轴心拉力或压力设计值; An — 构件的净截面面积; 构件的净截面面积; f — 钢材的抗拉(压)强度设计值 钢材的抗拉(
轴心受压构件,当截面无削弱时,强度不必计算。 轴心受压构件,当截面无削弱时,强度不必计算。
二、刚度计算: 保证构件在运输、安装、使用时不产生过大变形 刚度计算: 保证构件在运输、安装、 1、受拉构件。 受拉构件。
五、我国规范的整体稳定计算 缺陷:初始弯曲+残余应力; 缺陷:初始弯曲+残余应力; 五个假定: 五个假定: 截面分类:abcd(不同截面类型、屈曲方向和不同 截面分类:abcd(不同截面类型、 加工方法) 加工方法)
a类:轧制圆管和宽高比小于0.8且绕强轴屈曲的轧制 工字钢;残余应力影响较小; 工字钢;残余应力影响较小; c类:翼缘为轧制边或剪切边的绕弱轴屈曲的焊接工字 形截面和T字形截面;残余应力影响较大,并有弯扭失稳 形截面和T字形截面;残余应力影响较大, 影响; 影响; b类:大量截面介于a与c两类之间,属于b类,如翼缘 两类之间, 为火焰切割边的焊接工字形截面, 为火焰切割边的焊接工字形截面,因为在翼缘的外侧具有 较高的残余拉应力。它对轴心压杆承载力的影响较为有利, 较高的残余拉应力。它对轴心压杆承载力的影响较为有利, 所以绕强轴和弱轴屈曲都属于b类;
2、查表确定轴心受压构件稳定系数:根据截面分类, 查表确定轴心受压构件稳定系数:根据截面分类, 长细比,屈服强度等参数; 长细比,屈服强度等参数; 3、整体稳定计算公式: 整体稳定计算公式:
N N cr Ncr fy σ= ≤ = =ϕ f A A R Af yγ R γ
N (ϕA) ≤ f
或者 N ≤ ϕ Af
轴心受压构件的截面分类(板厚t≥40mm) 轴心受压构件的截面分类(
1、轴心受压构件稳定系数表达式 1)当
2)当
曲线类别 a b c
0.41 0.65 0.73
0.986 0.965 0.906 1.216
0.152 0.300 0.595 0.302
稳定系数影响因素: 稳定系数影响因素: );2 长细比; 截面分类; 1)钢材品种(即fy和E);2)长细比;3)截面分类; 钢材品种(
受拉构件的容许长细比
项次 构件名称 有重级工作制吊车的厂房 1 2 3 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) 250 200 350
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 一般结构 350 300 400
<[λ]
l 0y − 构 件 对 y 轴 计 算 长 度 ;
iy = Iy / A
2、受压构件。 受压构件。 1)双轴对称截面
l0 λ = < [λ] i
2)单轴对称截面 绕非对称轴: 绕非对称轴:
l0 λ = < [λ] i
绕对称轴:采用换算长细比, 绕对称轴:采用换算长细比,对于单角钢和双角钢截 面可采用简化公式。 面可采用简化公式。
截面屈服: 截面屈服:
Nv0 N + = fy A W (1 − N N E )
取v0为L/1000,令ε0=v0/(W/A)= v0/ρ= /1000,
ε0 N = fy 1+ A (1 − N N E )
λi
/1000ρ /1000ρ ,
N i 1 λ 1+ × × = fy A 1000 ρ (1 − N N E )
1、初始弯曲的影响
d2 y π x EI 2 + N( y + v0 sin ) = 0 dx l
vm = v0 + v = v0 1− N / Ncr
(1)当N 趋于NE时,挠度无穷大; 挠度无穷大; 不管初弯曲多小, (2)不管初弯曲多小,承载力总是小于NE 初弯曲越大,最终挠度也越大; (3)初弯曲越大,最终挠度也越大;
杆轴的挠曲线为: 杆轴的挠曲线为:
1 − coskl sin kx − 1 y = e0 coskx + sin kl
杆中央的最大挠度为: 杆中央的最大挠度为:
π v = e0 sec 2 N − 1 NE
(1)当N 趋于NE时,挠度无穷大; 挠度无穷大; (2)初偏心越大,最终挠度也越大; 初偏心越大,最终挠度也越大; (3)初偏心对短杆影响比较明显,而初弯曲对中长杆影响 初偏心对短杆影响比较明显, 比较明显; 比较明显;
第二节
实腹式轴心受压构件的弯曲屈曲
强度破坏:应力超过设计强度; 强度破坏:应力超过设计强度;应力针对某个截面 稳定问题:达到某荷载值时变形将急剧增加, 稳定问题:达到某荷载值时变形将急剧增加,过渡到 不稳定的状态;变形针对整个结构。 不稳定的状态;变形针对整个结构。 提高稳定性措施:增大截面惯性距,增强约束, 提高稳定性措施:增大截面惯性距,增强约束,减小 计算长度; 计算长度; 弯曲屈曲 轴压构件三种屈曲形态: 轴压构件三种屈曲形态: 扭转屈曲 弯扭屈曲
验算整体稳定、刚度和局部稳定性
λ x = l x /i x =420/10.63=39.5<[ λ ]=150, λ y = l y /i y =420/6.42=65.4<[ λ ]=150,
截 面 对 x 轴 和 y 轴 为 b 类 , 稳 定 系 数 表 可 得 , x =0.901, y =0.778, ϕ = ϕ y =0.778, 查 取 ϕ ϕ 则
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