钢结构设计原理 第四章

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4.2.1 弯曲强度
y a) σ<fy b) c) a σ=fy σ=fy
塑性 弹性
全部塑性
d)
σ=fy
x
εy a My<M<Mp
Mx Wn x
塑性
M<My
弹性阶段构件边缘纤 维最大应力为:
M=My
M=Mp
图4.2.1 各荷载阶段梁截面上的的正应力分布
(4.2.1)
Wnx —截面绕 x 轴的净截面模量
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第四章 受弯构件的计算原理
当最大应力达到屈服点fy时,是梁弹性工作的极限状态, 其弹性极限弯矩(屈服弯矩)My
M y Wx f y
截面全部进入塑性状态,应力分布呈矩形。弯矩达到最大 极限称为塑性弯矩Mp
Mp Wp f y
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure来自第四章 受弯构件的计算原理
4.2.3 局部承压强度
当梁上有集中荷载(如吊车轮压、次梁传来的集中力、支座反 力等)作用时,且该荷载处又未设置支承加劲肋时,集中荷载由翼 缘传至腹板,腹板边缘存在沿高度方向的局部压应力。为保证这部 分腹板不致受压破坏,应计算腹板上边缘处的局部承压强度。
图4.2.4 腹板边缘局部压应力分布
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第四章 受弯构件的计算原理 腹板边缘处的局部承强度的计算公式为:
要保证局部承压处的局 部承压应力不超过材料 的抗压强度设计值。
c
F
tw lz
f
(4.2.7)
F—集中荷载,动力荷载作用时需考虑动力系数 ,重级工作 制吊车梁为1.1,其它梁为1.05; —集中荷载放大系数(考虑吊车轮压分配不均匀),重级 工作制吊梁=1.35,其它梁及所有梁支座处=1.0; tw—腹板厚度 lz—集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度,可按下式 计算:
第四章 受弯构件的计算原理
图4.3.2 自由扭转剪应力
开口薄壁构件自由扭转时,截面上只有剪应力,其分布情况为 在壁厚范围内组成一个封闭的剪力流,剪应力的方向与壁厚中心线 平行,大小沿壁厚直线变化,中心线处为零,壁内外边缘处为最大 t , t的大小与构件扭转角的变化率 成正比。此剪力流形成抵抗外 扭矩的合力矩GIt 。
受弯构件的设计应满足:强度、整体稳定、局部稳定 和刚度四个方面的要求。 前三项属于承载能力极限状态计 算,采用荷载的设计值; 第四项为正常使用极限状态的计 算,计算挠度时按荷载的标准值进行。
钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
第四章 受弯构件的计算原理
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第四章 受弯构件的计算原理
4.2.5 受弯构件的刚度
计算梁的刚度是为了保证正常使用,属于正常使用极限状态。 控制梁的刚度通过对标准荷载下的最大挠度加以限制实现。根据公 式: ≤[] (4.2.12) ——标准荷载下梁的最大挠度 []——受弯构件的挠度限值,按附表2.1规定采用 梁的最大挠度可用材料力学、结构力学方法计算。
第四章 受弯构件的计算原理
根据局部稳定要求,当梁受压翼缘的自由外伸宽度与 其厚度之比大于 但不超过 时,塑性
发展对翼缘局部稳定会有不利影响,应取 x =1.0。
对于需要计算疲劳的梁,因为有塑性区深入的截面, 塑性区钢材易发生硬化,促使疲劳断裂提前发生,宜取 x= y =1.0。
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均布荷载下等 截面简支梁 集中荷载下等 截面简支梁
5ql 4 5 M xl 2 M xl 2 384EIx 48 EIx 10EIx
Pl 3 M xl 2 48EIx 12EIx
钢结构设计原理
式中, Ix——跨中毛截面惯性矩 Mx——跨中截面弯矩
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4. 局部稳定指梁的翼缘和腹板等板件不会发生局部凸曲失 稳,在梁中主要通过限制受压翼缘和腹板的宽厚比不超过规 定,对组合梁的腹板则常设置加劲肋以提高其局部稳定性。
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第四章 受弯构件的计算原理
§4.2 受弯构件的强度和刚度
第四章 受弯构件的计算原理
§4.3 梁的扭转
4.3.1 自由扭转
当作用在梁上的剪力没有通过剪力中心时梁不仅产生弯曲变形,还 将绕剪力中心发生扭转。 如果梁中的各纤维沿纵向伸长 或缩短不受约束,则为自由扭转。
z
y
A M
C
x
B D
M
z
图4.3.1 工字形截面构件自由扭转
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
M、V—验算截面的弯矩及剪力; In—验算截面的净截面惯性矩; y1—验算点至中和轴的距离; S1—验算点以上或以下截面面积对中和轴的面积矩; 如工字形截面即为翼缘面积对中和轴的面积矩。 1—折算应力的强度设计值增大系数。 和c同号时, 1 =1.1; 和c异号时, 1 =1.2。 在式(4.2.10)中将强度设计值乘以增大系数1,是考虑到某一 截面处腹板边缘的折算应力达到屈服时,仅限于局部,所以设计强 度予以提高。 同时也考虑到异号应力场将增加钢材的塑性性能,因而 1可取 得大一些;故当和c异号时,取1 =1.2。 当和c同号时,钢材脆 性倾向增加,故取1 =1.1 。
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第四章 受弯构件的计算原理
4.2.4 折算应力
《规范》规定,在组合梁的腹板计算高度边缘处,若同时受有 较大的正应力、剪应力和局部压应力c,应对折算应力进行验 算。其强度验算式为:
c c 3 2 1 f
剪力中心S位置的一些简单规律
(1)双对称轴截面和点对称截面(如Z形截面),S与截面形心重合; (2)单对称轴截面,S在对称轴上; (3)由矩形薄板中线相交于一点组成的截面,每个薄板中的剪力通过 该点,S在多板件的交汇点处。
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受弯构件设计应考虑强度、刚度、整体稳定和局部稳定各 个方面满足要求。
1. 梁的强度计算主要包括抗弯、抗剪、局部压应力和折算 应力等强度应足够。 2. 刚度主要是控制最大挠度不超过按受力和使用要求规 定的容许值。 3. 整体稳定指梁不会在刚度较差的侧向发生弯扭失稳,主 要通过对梁的受压翼缘设足够的侧向支承,或适当加大梁截 面以降低弯曲压应力至临界应力以下。
第四章 受弯构件的计算原理 (塑性发展系数)与截面形状有关,而与材料的性质无 关,所以又称截面形状系数。不同截面形式的塑性发展系数 见P110表4.2.1 。 梁的抗弯强度应满足:
(1)绕x轴单向弯曲时 (2)绕x、y轴双向弯曲时
fy Mx f xWx R My Mx f xWnx yWny
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第四章 受弯构件的计算原理 开口薄壁构件自由扭转时,作用在构件上的自由扭矩为:
M t GIt
(4.3.1)
Mt ——截面上的扭矩 GIt——截面扭转刚度 G ——材料剪切模量 It——截面扭转常数,也称抗扭惯性矩 ——截面的扭转角 ——杆件单位长度扭转角,或称扭转率 bi、ti—— 第 i个矩形条的长度、厚度 k ——型钢修正系数 板件边缘的最大剪应力t与Mt的关系为:
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第四章 受弯构件的计算原理
4.2.2 抗剪强度
1.剪力中心
在构件截面上有一特殊点S,当外力产生的剪力作用在该点时 构件只产生线位移,不产生扭转,这一点 S称为构件的剪力中心, 也称弯曲中心。 若不通过剪力中心,梁在弯曲的同时还要扭转,由于扭转是 绕剪力中心取矩进行的,故S点又称为扭转中心。剪力中心的位置 近与截面的形状和尺寸有关,而与外荷载无关。
xp
Mp My
Wp—截面对x轴的截面塑性模量
xp—截面绕x轴的塑性系数
在钢梁设计中,如果按照截面的全塑性进行设计,虽然可以节省钢 材,但是变形比较大,会影响结构的正常使用。因此规范规定可以 通过限制塑性发展区有限制的利用塑性,一般的 a为h/8-h/4之间。
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(4.2.2)
(4.2.3)
Mx、My ——梁截面内绕x、y轴的最大弯矩设计值; Wnx、Wny ——截面对x、y轴的净截面模量; x、y ——截面对x、y轴的有限塑性发展系数,小于; f ——钢材抗弯设计强度 ;
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第四章 受弯构件的计算原理
1、受弯构件的强度验算 2、梁的整体稳定的基本概念、验算方法以及提高 整体稳定性的措施 3、梁板件局部稳定的基本概念、有关规定和验算 方法
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第四章 受弯构件的计算原理
§4.1 概述
只承受弯矩或弯矩与剪力共同作用的构件称为受弯构件。 结构中的受弯构件主要以梁的形式出现,以弯曲变形为主或 发生弯扭变形的构件称为梁。 梁在钢结构中是应用较广泛的一种基本构件。例如房屋建筑 中的楼盖梁、墙梁、檩条、吊车梁和工作平台梁。
第四章 受弯构件的计算原理
2.弯曲剪应力计算
根据材料力学知识, 实腹梁截面上的剪应 力计算式为:

Vy S x
f v (4.2.4) I xt
图4.2.3 工字形和槽形截面梁中的剪应力
Vy ——计算截面沿腹板平面作用的剪力; Sx ——计算剪应力处以上或以下毛截面对中和轴的面积矩; Ix——毛截面惯性矩;fv——钢材抗剪设计强度; t——计算点处板件的厚度。

k I t bi ti3 3
(4.3.2)
k的取值: 槽钢: T形钢: I字钢: 角钢: k=1.12 k=1.15 k=1.20 k=1.00

M tt It
(4.3.3)
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第四章 受弯构件的计算原理
2 2
(4.2.10) τ σc
My1 I n ——弯曲正应力
c——局部压应力 、c 拉应力为正,
压应力为负。
y x y
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σ
VS1 I nx tw
——剪应力
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图4.2.5 、 、c的共同作用
第四章 受弯构件的计算原理
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第四章 受弯构件的计算原理 跨中集中荷载: lz = a+5hy +2hR 梁端支座反力: lz = a+2.5hy +b
a—集中荷载沿梁长方向的实际支承长度。对于钢轨上轮压 取a=50mm; hy—自梁顶面至腹板计算高度上边缘的距离。 hR—轨道的高度,对梁顶无轨道的梁hR=0。 b—梁端到支座板外边缘的距离,按实际取值,但不得大于2.5hy
Mt 2 At
A为截面中心线所围面积
(4.3.5)
闭口截面的抗扭能力要比开口截面的抗扭能力更强。
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第四章 受弯构件的计算原理
4.3.2 开口截面构件的约束扭转
o x y
特点:由于支座的阻碍或其 它原因,受扭构件的截面不 能完全自由地翘曲(翘曲受 到约束)。 结果: 截面纤维纵向伸缩受 到约束,产生纵向翘曲正应 力 ,并伴随产生翘曲剪应 力 。翘曲剪应力绕截面剪 心形成抵抗翘曲扭矩M的能 力。总扭距分为自由扭距和 翘曲扭距两部分。构件扭转 平衡方程为:
闭口薄壁构件自由扭转时,截面上的剪应力分布与开口截面完 全不同,闭口截面壁厚两侧剪应力方向相同,薄壁截面可认为剪应 力沿厚度均匀分布,方向与截面中线相切,沿构件截面任意处 t为 常数
Mt
tds t ds
(4.3.4)
其中积分是对截面各板件厚度中线的闭路积分
任一点处的剪应力为:
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