钢结构塑性设计

第19章轴心受力构件

轴心受力构件是指轴向力通过杆件截面形心作用的构件，可有轴心受拉构件和轴心受压构件两类。桁架、网架、塔架等铰接杆件体系结构多由轴心受力构件组成。钢屋架的下弦杆和一部分腹杆、屋架的支撑以及柱间支撑多按轴心受拉构件设计。钢屋架的上弦杆和一部分腹杆，工作平台、栈桥及管道支架柱，以及支承梁或桁架的轴心受压杆，一般都按轴心受压构件设计。

轴心受力构件的常用截面形式可有：型钢截面、实腹式组合截面和格构式组合截面(图19-1)。

轴心受力构件的应用广泛。设计时应满足强度、刚度、整体稳定性和局部稳定性的要求：构件应力求构造简单、施工方便；结构应省钢，造价低廉。

19．1 轴心受力构件的强度

轴心受力构件在轴心力设计值F作用下，在截面内引起均匀的拉应力或压应力，承载力极限状态取全截面达到钢材屈服强度fy，钢材强度设计值为f=fy/yf，当截面有孔洞削弱时应取净截面积An，则轴心受力构件截面强度计算公式为

Q=F／An≤f(19-1)

单角钢杆件或单圆钢拉杆两端与节点板采用单面连接时固有构造偏心，为简化计算可按轴心受力构件计算，考虑偏心产生的不利影响，计算时将构件或连接的强度设计值乘以o．85的折减系数。f取值见表11-1。

19．2轴心受力构件的刚度

轴心受力构件应有足够的刚度要求，以免构件在制造、运输和安装过程中产生过大变形；在使用期间，因构件过于细长，在风荷载或动力荷载作用下引起不必要的振动或晃动；甚至在构件自重作用下，因刚度不足而发生弯曲变形。根据长期的工程实践经验，要使轴心受力构件

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第20章受弯构件与平台结构

钢梁是一种应用广泛的承受横向荷载而弯曲工作的受弯构件。最常见的钢梁有楼盖梁、工作平台梁、墙架梁、檩条和吊车梁等，临时性结构也常用型钢梁。钢梁按加工制作方式分型钢梁和组合梁；型钢梁又可分为热轧型钢梁和冷弯薄壁型钢梁两种。

钢梁常用的截面形式如图20-1所示。热轧型钢梁加工简单，成本较低应优先选用；冷弯薄壁型钢梁较为经济，但防锈能力差，多用于跨度小、荷载轻、环境干燥的场合。组合梁由钢板或型钢连接而成，常用三块钢板焊接成I形和四块钢板焊接成箱形截面，后者具有较好的抗扭刚度。组合钢梁截面合理，但加工量大，多用于截面高度受到限制的情况。

俐梁根椐弯曲变形的不同，还分为单向弯曲梁和双向弯曲梁。采用不同材料进行组合的组合梁，如钢与混凝土组合梁，可收到很好的经济效果。

由多个梁组成的结构体系称为梁格。梁格可分为简单梁格(由同一种梁排列组成)；由主次梁组成的普通梁格和复杂梁格。梁格中主次梁的连接方式可有上下叠接、等高连接、低位连接和高位连接等多种形式，按支承情况可分为简支梁、连续梁和多孔静定梁，设计时应根据不同的条件和要求选用。

对钢梁的设计要求，与钢柱相同。梁必须具有足够的强度、刚度和稳定性。

20．1 梁的强度计算

梁的强度计算，包括梁净截面考虑塑性发展的抗弯强度和抗剪强度，局部承压强度及几种应力引起的折算应力汁算。

20．1．1 梁的抗弯强度计算

1，梁在弯矩作用下，截面上正应力发展的三个阶段。

(1)弹性工作阶段。弯矩较小时，梁截面应力为直线分布，最外边缘正应力。不超过屈段点人，其弹性极限弯矩为：Me=wnJy，Wn为净截面弹性抵抗矩(图20-2b、c)。

(2)弹塑性工作阶段。弯矩继续增加，截面边缘区域出现塑性变形，但中间部分仍保持弹性工作状态(图20-2d)。

(3)塑性工作阶段。弯矩再继续增加，截面塑性变形向深处发展，直至弹性核心消失，截面全部进入塑性状态，形成塑性铰区(图20-2e)。梁变形很大，截面已不能承受更大弯矩。此时。

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梁的抗弯强度按塑性工作阶段计算，亦称塑性设计；按弹性工作阶段计算，亦称弹性设计，可见，前者比后者更能充分发挥材料的作用，经济效益较高。考虑到塑性变形过大将SI起梁的挠度过大，刚度降低，整体稳定和局部稳定降低，腹板局压应力不足；规范规定，对需要计算疲劳的梁，不考虑截面塑性工作，仅按弹性设计；对不需要验算疲劳的梁，如：承受静力荷载或间接承受动力荷载的梁只考虑部分截面塑性工作，塑性发展深度不超过o．15倍的截面高度，对两个主轴分别用截面塑性发展系数y。和y，控制，称为弹塑性设计。

2．梁的抗弯强度计算公式在主平面内受弯的实腹梁，其抗弯强度计算按下式：

对承受静力荷载或间接承受动力荷载的单向弯曲梁为

式中：Mx、MY——绕x轴和9轴的弯矩，对I形截面：x轴为强轴，y轴为弱轴；

Wnx、Wnv，——对x轴和9轴的净截面抵抗矩；

yx、yy——截面塑性发展系数，对I形截面：yx=1．05，yy=1．20；对箱形截面：yx=yv=1.05；

对其他截面可按表20-l采用；

f—钢材的抗弯强度设计值。

当梁受压翼缘的自由外伸宽度与其厚度之比大于13235/fv，但不超过15235/fv时，应取yx=1．0。人为钢材的屈服强度：对Q235钢，取fv=235N／mn2；对Q345钢、16Mnq叫钢，取人：345N／mn2；对Q390钢、15MnVq钢，取／，二390N／mn，，以免甥性发展局部失稳。

对需要计算疲劳的梁，仍按上式计算，但取yy=yv=1．0，即为弹性设计。

20．1．2 梁的抗剪强度计算

在主平面内受弯的实腹梁，其抗剪强度应按下式计算

第九章塑性，设计

第一节一般要求

对超静定的梁和框架采用塑性设计，可以充分利用结构和构件的塑性性能达到节约材料的目的。在建筑结构中，早在20世纪初期就已提出塑性设计的概念，并得到试验验证。1948年英国在其BS449规范中正式规定可以采用塑性设计。其后，世界很多国家和地区的规范或设计文件中，陆续对塑性设计作了反映，其中有详细规定条文的有；美国AISC(1993)规范，澳大利亚ASCA，(1968)规范，加拿大CSASl6(1969，1974)规范，法国钢结构塑性分析建议(1975)，印度ISI手册，日本钢结构塑性设计规范(1970)等等；而仅规定允许采用塑性设计的有：奥地利B4600(1964)规范，捷克CSN 73规范，丹麦规范，西德DINl050规范，意大利CNR．UNll011／67规范，墨西哥建筑规范，瑞典SBN67规范，瑞士SIAN0161规范等等。

欧洲钢结构协会的建议(1983年稿)和国际标准化组织的钢结构规范(1985年稿)，都将塑性分析和弹性分析并列为重要的计算准则。

我国GB 50017规范专门列出“塑性设计”一章，指出：不直接承受动态荷载的固端梁、连续梁以及由实腹构件组成的单层和两层框架结构，可采用塑性设计。而且规定：采用塑性设计的结构或构件，按承载能力极限状态设计时，应采用荷载的设计值；考虑构件截面内塑性发展及由此引起的内力重分配，用简单塑性理论进行内力分析。

一、截面全塑性的极限弯矩

1．受弯构件的极限弯矩

在第四章第一节已经讲过，受纯弯矩的，全截面几乎全部进人塑性时达到承载能力极限，其极限弯矩(甥性铰弯矩)为

Mp=WpFy(9．1)

式中Ⅳ。——构件的塑性截面模量。

塑性截面模量Wp与弹性截面模量W之比，vF=Wp/W，称为截面形状系数(其值参见第四章表4．1和4．2)。用于塑性设计的工字形截面，绕强轴弯曲时，Rv=1．11～1．14。所以充分考虑截面内塑性发展时，其承载能力大于按弹性设计的10％以上。

2．轴心力和弯矩共同作用下的极限弯矩

轴心力将显著地减小截面的极限弯矩。对绕强轴弯曲的工字形截面，"和N的相关关系，可按第五章第二节的公式(5．53)和(5．54)来表达，由此画出的相关曲线如图9．1的实曲线所示。

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图9．I中，Np=Afy是全截面屈服的轴心力；Mp为由公式(9．1)所表达的仪有弯矩作用时的极限弯矩;Mu'是N和M共同作用时的极限弯矩。N／Na与M'a/Ma，的相关关系与Af/Aw。值(儿为一个翼缘截面积，Aw为腹板截面积)有关，此比值愈小表示腹板截面积所占的比重愈大，相关曲线愈往外凸。在第五章的压弯构件考虑部分塑性的设计中，采用了图中虚线所示的斜直线作为计算准则。在本章的塑性设计中，为了更充分地利用截面承载能力，采用了图9．1中的两段直线(点划线)，由此得轴心力与弯矩共同作用下的极限弯矩为：式中人，——纯剪屈服强度。