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1、,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,柱 脚 柱脚的作用是把柱下端固定并将其内力传给基础。由于混凝土的强度远比钢材低，所以，必须把柱的底部放大，以增加其与基础顶部的接触面积。柱脚按其与基础的连接方式不同，又分为铰接和刚接两种。前者主要承受轴心压力，后者主要用于承受压力和弯矩。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,图是常用的铰接柱脚的几种形式，主要用于轴心受压柱。当柱轴力较小时，可采用图a的形式，柱通过焊缝将压力传给底板，底板将此压力扩散至混凝土
2、基础。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,底板是柱脚不可缺少的部分，在轴心受压柱柱脚中，底板接近正方形。当柱轴力较大时，需要在底板上采取加劲措施，以防在基础反力作用下底板抗弯刚度不够。另外，还应使柱端与底板间有足够长的传力焊缝，这时，常用的柱脚形式如图b、c、d所示。柱端通过竖焊缝将力传给靴梁，靴梁通过底部焊缝将压力传给底板。靴梁成为放大的柱端，不仅增加了传力焊缝的长度，也将底板分成较小的区格，减小了底板在反力作用下的最大弯矩值。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structur
3、e,第六章 轴心受力构件,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,采用靴梁后，如底板区格仍较大因而弯矩值较大时，可采用隔板与肋板，这些加劲板又起到了提高靴梁稳定性的作用。图c是单采用靴梁的形式，b和d是分别采用了隔板与肋板的形式。靴梁、隔板、肋板等都应有一定的刚度。此外，在设计柱脚焊缝时，要注意施工的可
4、能性，如柱端、靴梁、隔板等围成的封闭框内，有些地方不能布置受力焊缝。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,1）底板的计算 底板与基础之间接触面上的压应力可假定是均匀分布的，底板长度L和宽度B按下式确定 式中： N 柱的轴心压力； 基础所用钢筋混凝土的局部承压强度设计值； A0锚栓孔的面积。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,底板的厚度由底板在基础的反力作用下产生的弯矩计算决定。靴梁、肋板、隔板和柱的端面等均可作为底板的支承边，将底板分成几块各
5、种支承形式的区格，其中有四边支承、三边支承、两相邻边支承和一边支承（见图b、d）。在均匀分布的基础反力作用下，各区格单位宽度上最大弯矩为,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,四边支承板 三边支承板及两相邻边支承板 一边支承（悬臂）板 式中： 作用在底板单位面积上的压力； a 四边支承板中短边的长度；,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,a 四边支承板中短边的长度； 系数，由边长比b/a 查表69 。 b 为四边支承板长边的长度； 三边支承板中自
6、由边的长度或两相邻边支承板中对角线的长度； 系数，由 b1/a1 查表69 ，P260 b1为三边支承板中垂直于自由边方向的长度或两相邻边支承板中内角顶点至对角线的垂直距离。当三边支承板的 b1/a1 小于0.3时，可按悬臂长为 b1 的悬臂板计算； c 悬臂长度。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,取各区格板弯矩中的最大值Mmax 来计算板的厚度t 若各区格中的弯矩值相差很大，应调整底板尺寸和重新划分区格。 为了使底板具有足够的刚度，以符合基础反力均匀分布的假设，底板厚度一般为2040mm，最小厚度通常为14mm。
7、,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,（2）焊缝计算 柱的压力一部分由柱身通过焊缝传给靴梁、肋板或隔板，再传给柱底板；另一部分则直接通过柱端与底板之间的焊缝传给底板。但制作柱脚时，柱端不一定平齐，有时为控制标高，柱端与底板之间可能出现较大的且不均匀的缝隙，因此柱端与底板之间的焊缝质量不一定可靠；而靴梁、隔板和肋板的底边可预先刨平，拼装时可任意调整位置，使之与底板密合，它们与底板间的焊缝质量是可靠的。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,所以，计
8、算时可偏安全地假定柱端与底板间的焊缝不受力，靴梁、隔板、肋板与底板的角焊缝则可按柱的轴心压力N计算；柱与靴梁间的角焊缝也按受力N计算。注意每条焊缝的计算长度不应大于60hf 。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,（3）靴梁、隔板和肋板 靴梁可作为承受由底面焊缝传来的均布力并支承于柱边的双悬臂简支梁计算（图）。可先根据靴梁与柱身之间的焊缝长度要求来确定靴梁的高度，其厚度取略小于柱翼缘，然后再验算其抗弯和抗剪强度。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力
9、构件,隔板作为底板的支承边，应具有一定的刚度，其厚度可以比靴梁略薄些，高度略小些。在较大的柱脚中，隔板需要计算。计算时在它两侧的底板区格中划出适当部分作为它的受载面积，按两端支承于靴梁上的简支梁计算。 肋板则可按悬臂梁计算强度和与靴梁间的焊缝.,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,小结,1、轴心受力构件的应用和截面形式 2、轴心受力构件的强度和刚度 3、轴心受压构件的整体稳定 4、实际轴心受压构件整体稳定的计算 5、轴心受压构件的局部稳定 6、实腹式轴心受压构件的截面设计 7、格构式轴心受压构件 8、轴心受压柱与梁的连
10、接，铰接柱脚,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,6.1 轴心受力构件的应用及截面形式,实腹式构件和格构式构件,格构式构件,实轴和虚轴,缀条和缀板,轴心受力构件的设计,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,6.2 轴心受力构件的强度和刚度,（6.2.1）,轴心受力构件的强度计算,1. 截面无削弱,2. 有孔洞等削弱,（6.2.2）,轴心受力构件采用螺栓连接时最危险净截面的计算,轴心受力构件的刚度计算（正常使用极限状态）,（6.2.4）,钢结构设计
11、原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,6.3 轴心受压构件的整体稳定,无缺陷轴心受压构件的屈曲,1、弹性弯曲屈曲,2、弹塑性弯曲屈曲,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,3、柱子曲线,图6.3.3 欧拉及切线模量临界应力 与长细比的关系曲线,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,力学缺陷对轴心受压构件弯曲屈曲的影响,1、残余应力影响下短柱的 曲线,残余应力对短柱应力应变曲线的影响是：
12、降低了构件的比例极限；当外荷载引起的应力超过比例极限后，残余应力使构件的平均应力应变曲线变成非线性关系，同时减小了截面的有效面积和有效惯性矩，从而降低了构件的稳定承载力。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,2、残余应力对构件稳定承载力的影响,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,构件几何缺陷对轴心受压构件弯曲屈曲影响,1、构件初弯曲（初挠度）的影响,有初弯曲的轴心受压构件的荷载挠度曲线如图，具有以下特点： y和Y与0成正比，随N的增大而加速增大
13、； 初弯曲的存在使压杆承载力低于欧拉临界力NE；当y趋于无穷时，N趋于NE,fy,0,欧拉临界曲线,对x轴,仅考虑初弯曲的柱子曲线,对y轴,scr,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,6.4 实际轴心受压构件的整体稳定,a、b、c、d四条柱子曲线,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,实际轴心受压构件的整体稳定计算公式,（6.4.1）,（6.4.2）,轴心受压构件整体稳定计算的构件长细比,1、截面为双轴对称或极对称构件,2、截面为单轴对称构件,3
14、、单角钢截面和双角钢组合T形截面可采取简化计算,4、单轴对称的轴心受压构件在绕非对称轴以外的任意轴失稳时，应按弯扭屈曲计算其稳定性。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,6.5 轴心受压实腹构件的局部稳定,1 均匀受压板件的屈曲,（4.5.8）,（6.5.1）,板在弹性阶段的临界应力表达式为：,考虑塑性发展的临界应力表达式：,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,2 轴心受压构件局部稳定的计算方法,实腹式轴心受压构件的板件应满足,我国钢结构设计规
15、范用限制板件宽厚比的方法来实现局部稳定的设计准则。,工字形截面,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,1 截面设计原则,等稳定性原则,宽肢薄壁,6.6 实腹式轴心受压构件的截面设计,制造省工,连接方便,2. 截面选择,（2）求截面两个主轴方向所需的回转半径,（1）确定所需的截面面积。假定长细比 根据及截面分类查得 值，按下式计算所需的截面面积A。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,对于型钢截面，根据A、ix、iy查型钢表，可选择型钢的型号（附录
16、8）。对于焊接组合截面，根据截面的回转半径求截面轮廓尺寸，即求高度h和宽度b 。（查P394附录5）,（3）确定截面各板件尺寸 对于焊接组合截面，由 A 和 h、b ，根据构造要求、局部稳定和钢材规格等条件，确定截面所有其余尺寸。,h0和b宜取10mm的倍数，t和tw宜取2mm的倍数且应符合钢板规格，tw应比t小，但一般不小于4mm。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,3 截面验算,（1）强度验算,N 轴心压力设计值； An 压杆的净截面面积； f 钢材抗压强度设计值。,（6.2.2）,（2）刚度验算,（6.2.4）
17、,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,N轴心压力设计值， A构件毛截面面积， 材料设计强度 轴心受压构件整体稳定系数。按不同公式计算。与截面类型、构件长细比、所用钢种有关 。,（3）整体稳定验算,（6.4.2）,（4）局部稳定验算,对于热轧型钢截面，因板件的宽厚比较大，可不进行局部稳定的验算。,（6.5.3）,（6.5.4）,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,1. 截面选择,格构式轴心受压构件的截面设计,(1) 按实轴（设为y轴）整体稳定条件
18、选择截面尺寸,假定长细比 ，一般在60100范围内，当轴力大而计算长度l0y小时，取较小值，反之取较大值。根据y及钢号和截面分类查得 值，按下式计算所需的截面面积A。,6.7 格构式轴心受压构件,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,求绕实轴方向所需的回转半径，如分肢为组合截面时，则还应由iy按附录5的近似值求出所需截面宽度b=iy/a1。,对于型钢截面，根据A、iy查型钢表，可选择分肢型钢的规格。对于焊接组合截面，根据截面的面积和宽度b 初选截面尺寸。以上要进行实轴稳定和刚度验算，必要时还应进行强度验算和板件宽厚比验算
19、。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,由x 求出对虚轴所需的回转半径ix ，查附录5可求得两分肢间的距离h，一般取为10mm的倍数。（查表时应注意虚实轴的位置）。两分肢翼缘间的净空应大于100mm。,可得 缀条柱,缀板柱,缀条柱,缀板柱,为了获得等稳定性，应使0x = y 用换算长细比的计算公式，即可解得格构柱的x，对于双肢格构柱则有 ：,(2)按虚轴（设为x轴）与实轴等稳定原则确定两肢间距,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,（1）强度验算
20、 强度验算公式与实腹柱相同。柱的净截面面积 An不应计入缀条或缀板的截面面积。 （2）刚度验算 （3）整体稳定验算 分别对实轴和虚轴验算整体稳定性。对实轴作整体稳定验算时与实腹柱相同。对虚轴作整体稳定验算时，轴心受压构件稳定系数 应按换算长细比0x 查出。 （4）单肢稳定验算 （5）缀条、缀板设计,2. 截面验算,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,练习题 1.产生纵向焊接残余应力的主要原因之一是( ) A.冷却速度太快 B.施焊时焊件上出现冷塑和热塑区 C.焊缝刚度大 D.焊件各纤维能够自由变形 2.在计算工字形截面
21、两端铰支轴心受压构件腹板的临界应力时,其支承条件为( ) A.四边简支 B.三边简支,一边自由 C.两边简支,两边自由 D.悬臂,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,3.确定轴心受压实腹柱腹板和翼缘宽厚比限值的原则是（ ） A.等厚度原则 B.等稳定原则 C.等强度原则 D.等刚度原则 4.发生弯扭屈曲的理想轴心受压构件截面形式为（ ） A.双轴对称工字形截面 B.单角钢截面 C.H型钢截面 D.箱形截面,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,5
22、.钢结构设计规范规定容许长细比可以大于150的受压构件为（ ） A.实腹柱 B.格构柱的缀条 C.桁架弦杆 D.屋架支撑杆件 6.梁整体失稳的方式为（ ） A.弯曲失稳 B.剪切失稳 C.扭转失稳 D.弯扭失稳,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,7.理想弹性轴心受压构件的临界力与截面惯性矩I和计算长度 的关系为( ) A.与I成正比,与 成正比 B.与I成反比,与 成反比 C.与I成反比,与 平方成正比 D.与I成正比,与 平方成反比 8.题11图所示的轴心受压构件 ,其临界力 为( ) A. B. C. D.,钢结
23、构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,9.设计焊接工字形截面梁时,腹板布置横向加劲肋的主要目的是提高梁的( ) A.抗弯刚度 B.抗弯强度 C.整体稳定性 D.局部稳定性 10.按规范中的公式,计算直接承受动力荷载的工字形截面梁抗弯强度时,取值为( ) A B C D,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,11.梁的支承加劲肋应计算 。 A.整体稳定、局部稳定、刚度 B.整体稳定、端面承压、刚度 C.整体稳定、端面承压、连接焊缝 D.连接焊缝、端面承压
24、、刚度 12在下列关于柱脚底板厚度的说法中，错误的是( )。 A.底板厚度至少应满足公式t B.底板厚度与支座反力和底板的支承条件有关 C.其它条件相同时，四边支承板应比三边支承板更厚些 D.底板不能太薄，否则刚度不够，将使基础反力分布不均匀,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,13.结构钢材最易发生脆性破坏的应力状态为（ ） A.三向同号等值拉应力作用 B.两向异号等值正应力作用 C.单向拉应力作用 D.三向等值剪应力作用 14.钢材塑性破坏的特点是（ ） A.变形小 B.破坏经历时间非 C.无变形 D.变形大,钢结
25、构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,15.防止钢材发生分层撕裂的性能指标为( ) A.屈服点 B.伸长率 C.Z向收缩率 D.冷弯,16.引起钢材疲劳破坏的荷载为( ) A.静力荷载 B.产生拉应力的循环荷载 C.冲击荷载 D.产生全压应力的循环荷载,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,17.不需要验算对接斜焊缝强度的条件是斜焊缝的轴线与轴力N之间的夹角 满足( ) A. B. C. D.,18.承压型高强度螺栓连接比摩擦型高强度螺栓连接( ) A
26、.承载力低,变形大 B.承载力高,变形大 C.承载力低,变形小 D.承载力高,变形小,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,19.钢材的抗拉和抗弯强度标准值取为 。 20.非焊接部位的疲劳计算公式中的 。 21.选用焊条及焊丝型号的原则是使焊缝金属与主体金属 。 22.普通螺栓受拉力作用时,螺栓的设计强度取值较低,这是考虑到 对螺栓的不利影响。 23.对轴心受力构件,正常使用极限状态是控制构件的 。 24.影响梁局部稳定性的最主要因素是板件的 。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第六章 轴心受力构件,25动力荷载作用下钢材抵抗脆性破坏的性能指标为 。 26部分T型钢是半个 型钢。 27在计算两端简支工字形轴压柱 板的临界应力时，它的支承条件简化为三边简支，一边自由。 28在承受静力荷载的角焊缝中，侧面角焊缝的强度设计值比正面角焊缝 。 29工字形截面梁按弹性设计时，应使翼缘的宽厚比b1/t1 。,