构件的截面承载能力—强度

第 3 章构件的截面承载能力——强度

3.1轴心受力构件的强度及截面选择

3.1.1轴心受力构件的应用和截面形式

一、轴心受力构件的应用

1.主要承重钢结构，如平面、空间和架和网架等。

2.工业建筑的平台和其他结构的支柱

3.各种支撑系统

二、轴心受力构件的截面形式

1. 轴心受力构件的截面分类

第一种：热轧型钢截面：圆钢、圆管、方管、角钢、工字钢、 T 型钢和槽钢等，如图3-1（a）。

第二种：冷弯薄壁型钢截面：带卷边或不带卷边的角形、槽形截面和方管等，如图3-1（b）。

第三种：用型钢和钢板连接而成的组合截面：实腹式如图3-1（c），格构式如图3-1（d）。

2.对轴心受力构件截面形式的共同要求是

（1）能提供强度所需要的截面积 ;

（2）制作比较简便 ;

（3）便于和相邻的构件连接 ;

（4）截面开展而壁厚较薄，以满足刚度要求：对于轴心受压构件，截面开展更具有重要意义，因为这类构件的截面积往往取决于稳定承载力，整体刚度大则构件的稳定性好，用料比较经济。对构件截面的两个主轴都应如此要求。

根据以上情况，轴心压杆除经常采用双角钢和宽翼缘工字钢截面外，有时需采用实腹式或格构式组合截面。格构式截面容易使压杆实现两主轴方向的等稳定性，同时刚度大，抗扭性能好，用料较省。轮廓尺寸宽大的四肢或三肢格构式组合截面适用于轴心压力不甚大，但比较长的构件以便满足刚度、稳定要求。在轻型钢结构中采用冷弯薄壁型钢截面比较有利。

3.1.2轴心受拉构件的强度

由钢材的应力应变关系可知，轴心受拉构件的承载极限是截面的平均应力达到钢材的抗拉强度。但拉杆达到此强度极限时会发生突然的断裂，缺少必要的安全储备。另外，当构件毛截面的平均应力超过钢材的屈服强度时，由于构件塑性变形的发展，会使结构的变形过大以致不符合继续承载的要求。因此，拉杆毛截面上的平均应力应以不超过屈服强度为准则。

对于有孔洞的受拉构件，孔洞附近有如图3-2（a）所示的应力集中现象。孔壁边缘最大应力可能达到弹性阶段的3～4倍。当孔壁边缘的最大应力达到屈服强度以后．应力不再增加而塑性变形持续发展。此后，由于应力重分布，净截面的应力可以均匀地达到屈服强度，如图3-2(b)。如果拉力仍继续增加．不仅构件的变形会发展过大，而且孔壁附近因塑性应变过分发展而有首先被拉断的可能性。

规范对轴心受力构件的强度计算，规定净截面的平均应力不应超过钢材的强度设计值。从构件的受力性能看，—般是偏于安全的。受拉构件的强度计算公式是：

f A N n

≤=

σ （3-1） 式中: N ——轴心拉力的设计值；

A n ——构件的净截面面积； R y f f γ/=——钢材的抗拉强度设计值。

3.1.3轴心受压构件的强度

轴心受压构件的强度原则上和受拉构件没有区别。有孔洞削弱的压杆净截面 强度计算公式是：

f A N n

≤=σ 式中: N ——轴心压力的设计值；

A n ——构件的净截面面积；

R y f f γ/=——钢材的抗压强度设计值。

不过一般情况下，轴心受压构件的承载力是由稳定条件决定。

3.1.4 索的受力性能和强度计算

钢索是一种特殊的受拉构件，广泛应用于悬索结构，张拉结构、桅杆纤绳和预应力结构等。悬索作为柔性构件，其内力不仅和荷载作用有关．而且和变形有关，具有很强的几何非线性．需要由二阶分析来计算内力。悬索的内力和位移可按弹性阶段进行计算，通常采用下列基本假定：

(1)索是理想柔性的，不能受压，也不能抗弯。

(2)索的材抖符合虎克定律。

图3-4中实线为高强钢丝组成的钢索在初次

拉伸时的应力—应变曲线。加载初期(图中0-1段)

存在少量松弛变形，随后的主要部分(1-2段)基本

上为一直线。当接近极限强度时，才显示出明显

的曲线性质(2-3段)。实际工程中，钢索在使用前

均需进行预张拉，以消除0-1段的非弹性初始变

形，形成(图3-4)中虚线所示的应力—应变曲线关

系。在很大范围内钢索的应力应变符合线性关系。

钢索一般为高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线，钢丝绳等，根据结构形式的不同，有时也可用圆钢或型钢。

钢索的强度计算，目前国内外均采用容许应力法，按下式计算：

K

f A N k ≤max 式中：N kmax ——按恒载(标准值)，活载(标准值)、预应力、地震荷载，温度等各

种组合工况下计算所得的钢索最大拉力标准值；

A ——钢索的有效截面积；

f k ——钢家材料强度的标准值；

K ——安全系数．宜取2.5～3.0。

3.2梁的类型和强度

3.2.1梁的类型

钢梁主要用以承受横向荷载，在房屋建筑和桥梁工程中得到广泛应用。如楼盖梁、工作平台梁、墙架梁、吊车梁、镶条及梁式桥、大跨斜拉桥、悬京桥中的桥面梁等。

钢梁按制作方法的不同可以分为型钢梁和组合梁两大类，如图3-5所示。型钢梁又可分为热轧型钢梁和冷弯薄壁型钢梁两种。热轧型钢梁常用普通工字钢、槽钢或H 型钢做成(图3-5中a 、b 、c )．应用最为广泛，成本也较为低廉。对受荷较小，跨度不大的梁用带有卷边的冷弯薄壁槽钢(图3-5中d 、f )或Z 型钢(图3-5中e)制作，可以有效地节省钢材。受荷很小的梁，有时也用单角钢做成。由

于型钢梁具有加工方便和成本较低的优点，在结构设计中应该优先采用。

当荷载和跨度较大时，型钢梁受到尺寸和规格的限制，常不能满足承截能力或刚度的要求，此时可考虑采用组合梁。组合梁按其连接方法和使用材料的不同，可以分为焊接组合梁(简称焊接梁)、铆接组合梁、钢与混凝土组合梁等。组合梁截面的组成比较灵活．可按材料在截面上的分布更为合理。

最常用的组合梁是由两块冀缘板加一块腹板做成的焊接工字形截面(图3-5中g)，它的构造比较简单、制作方便，必要时也可考虑采用双层翼缘板组成的截面(图3-5中i)。图3-5中h所示为由两个T型钢和钢板组成的焊接梁。铆接梁(图3-3中j)除冀缘板和腹板外还需要有翼缘角钢，和焊接梁相比，它既费料又费工．属于已经淘汰的结构形式。

对于荷载较大而高度受到限制的梁，可考虑采用双腹板的箱形梁(图3-5中k)，这种截面型式具有较好的抗扭刚度。混凝土宜于受压，钢材宜于受拉，为了充分发挥两种材料的优势，钢与混凝土组合梁得到了广泛的应用(图3-5中l)，并收到了较好的经济效果。

将工字钢或H型钢的腹板如图3-6(a)所示沿折线切外，焊成如图3-6(b)所示的空腹梁，一股常称之为蜂窝梁，是一种较为经济合理的构件形式。或如图3-7所示，将工字形或H 型钢的腹板斜向切开，颠倒相焊做成楔形梁以适应弯矩的变化。

按受力情况的不同，可以分为单向弯曲梁和双向弯曲梁，图3-8所示的屋面檩条及吊车梁都是双向受弯梁，不过吊车梁的水平荷载主要使上翼缘受弯。