第9章 轴心受力构件设计

第九章 轴心受力构件设计

第一节 概述

轴心受力构件包括轴心受拉构件和轴心受压构件。在房屋建筑结构中，轴心受压柱、屋架、托架、网架、塔架等均属于轴心受力构件。

轴心受力构件按其截面形式可分为实腹式和格构式两种。实腹式构件构造简单，制造方便，整体受力和抗剪性能好，但截面尺寸大时用钢量大，见P141图5-2(a)。格构式构件则由两个或多个分肢用缀板或缀条连接而成，见P141图5-2(b)、(c)。缀条常采用单角钢，缀板常采用钢板。

第二节 轴心受力构件的强度和刚度

轴心受力构件的设计必须满足承载力极限状态和正常使用极限状态，包括强度、刚度，轴心受压构件还必须满足整体稳定性和局部稳定性。本节回顾一下轴心受力构件的强度和刚度。 一、强度计算

有孔洞削弱的轴心受拉和轴心受压构件，要求满足下面的计算公式：

f

A N n ≤=/σ

其中N 为构件轴力设计值；A n 为构件的毛截面积；f 为钢材强度设计值。 无孔洞削弱的轴心受拉和轴心受压构件，要求满足下面的计算公式：

f

A N ≤=/σ

其中A 为构件的毛截面积。

对摩擦型高强度螺栓连接的构件，计算净截面强度时应考虑孔前传力系数

对轴力的折减及螺栓孔的削弱，计算公式应为：

f

A n n N n ≤-=/)/5.01(1σ

其中：n 1为第一列螺栓数；n 为构件节点上或接头一边的螺栓总数；A n 为第一净截面积。

注意单面连接的单角钢轴心受力构件在计算强度时，钢材的强度设计值应乘以0.85。这是因为连接偏心会引起弯矩，使角钢受附加应力，安全度降低。 二、刚度计算

长细比是构件的计算长度与截面回转半径的比值，即i l /0=λ，λ

越大，构件

刚度越大，反之则刚度越小。

验算构件的刚度时，应对两个主轴方向的长系比均进行计算：

]

[/][/λλλλ≤=≤=y oy y x ox x i l i l

其中：x

λ、y

λ为x 轴长细比和y 轴长细比；ox

l 、oy

l 、i x 、i y 分别为x 轴和y 轴的

计算长度和回转半径。

第三节 轴心受压构件的整体稳定

我国规范规定：轴心受压构件考虑残余应力、l /1000的初弯曲等因素，采用极限承载力理论，给出了三组λϕ-曲线，这样轴心受压构件的整体稳定必须满足：

f

A N ≤=)/(ϕσ

其中：ϕ-轴心受压杆件的整体稳定系数，可根据截面形式（分别属于a 、b 、c 三类）及长细比λ、钢材查P496开始的附表5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6。

第四节 轴心受压构件的局部稳定

我国规定轴压构件的局部稳定通过限制板间宽（高）厚比来保证。 确定板件宽厚比或高厚比的原则是：局部屈曲临界力大于或等于整体临界应力得等稳定原则，我国规范规定： 工字形轴心受压构件的板件宽厚比限值： 翼缘： y

f t b /235)1.010(/λ+≤' 腹板：

y

w f t h /235)5.025(/0λ+≤

其中：λ-构件的长细比；当30

≤λ

时取30=λ；当100

≥λ时取100=λ；

T 形轴心受压构件的板件宽厚比限值： 翼缘： y

f t b /235)1.010(/λ+≤' 腹板：

y

w f t h /235)1.010(/0λ+≤

箱形轴心受压构件的板件宽厚比限值：

y

f t b /23540

/0≤；y

w

f t h /23540

/0≤

圆管截面轴心受压构件的板件宽厚比限值：

)/235(100/y f t D ≤；

注意：热轧型钢不必验算局部稳定！

第五节 实腹式轴心受压构件的截面设计和构造要求

一、设计原则 1．截面应尽量开展；

2．两个主轴方向尽量等稳定，即y

x

λλ

≈；

二、截面设计思路：已知构件采用的钢材、截面形式、轴压力设计值以及计算长度l 0x 、l 0y ，要求确定截面尺寸。做的时候首先假定一个比较合理的长细比，利用P495附录四-各种截面回转半径的近似值反推截面的高、宽。 三、截面设计步骤：

1．假定构件的长细比，一般可取40～100。根据钢材类别、截面类别和λ，查得ϕ，得：)/(f N A ϕ= 2．求两个主轴方向的回转半径：

λλ

//00y y x x l i l i ==

根据附录四，得到

2

1

21//ααααy x y x i b i h b i h i ====

3．根据所需的A 、h 、b ，并考虑局部稳定和构造要求，初选截面尺寸 4．根据初选的截面尺寸，计算出截面的各种特性，如截面积、回转半径、长

细比等，验算构件的强度、刚度、整体稳定、局部稳定。如果不满足，重新调整长细比或截面尺寸，重新验算直到满足为止。 四、实腹式轴心受压构件的构造要求

1．翼缘与腹板间的连接焊缝一般取：h f =4～8mm 。

2．当腹板的h 0/t w >80时，应设置横向加劲肋，其间距≤3h 0，横向加劲肋的尺寸满足：外伸宽度b s ≥(h 0/30)+40mm ，厚度t s ≥b s /15

3．构件较长时应设置横隔，横隔的间距≤构件截面较大宽度的9倍或8m 。 仔细研究P177例题5-2。

第六节 格构式轴心受压构件的截面设计和构造要求

格构式构件分为缀条式和缀板式两种，分肢可以是双肢、三肢、四肢。格构式轴心受压构件的整体失稳主要是绕两个主轴的弯曲失稳，截面类别为b 类。

一、格构式轴心受压构件的换算长细比y x 00λλ、 双肢缀条式格构构件的换算长细比

一般θ角在400～700之间，采用x x x A A 120/27+=λλ； 当θ不在此范围内，则采用x

x x A A 12

2

2

0cos sin ⋅

+

=θ

θπ

λλ。

其中：x λ-绕截面虚轴（即x 轴）的长细比，x λ=l 0x /i x

A- 构件截面积；

A 1x -前后两个平面内缀条截面积总和

比如缀条采用L45×5，A 1x =2×429=858mm 2

实轴即y 轴不用换算。

双肢缀板式格构构件的换算长细比

2

12

0λλλ+=

x x

其中：1λ-分肢长细比，1λ=l 01/i 1;