钢结构入门及设计基础知识－－第三章.doc

第三章 主结构及其支撑体系 第一节 主刚架的设计和构造 刚架的构件和节点形式 主刚架由边柱、刚架梁、中柱等构件组成。边柱和梁通常根据门式刚架弯矩包络图的形状制作成变截面以达到节约材料的目的；根据门式刚架横向平面承载、纵向支撑提供平面外稳定的特点，要求边柱和梁在横向平面内具有较大的刚度，一般采用焊接工字型截面。中柱以承受轴压力为主，通常采用强弱轴惯性矩相差不大的宽翼缘工字钢、矩形钢管或圆管截面。刚架的主要构件运输到现场后通过高强度螺栓节点相连。典型的主刚架如图3-1所示，典型的主刚架节点连接形式如图3-2所示。 图3-1 主刚架包络图及基本形式 图3-2 主刚架典型连接节点 构件截面的强度设计 主刚架工字型截面（见图3-3）中翼缘属于三边支承一边自由板件，一旦发生屈曲局部失稳，其屈曲后的后继强度不明显；腹板属于四边支承板件，局部失稳后的后继强度提高较多。设计时，一般不允许翼缘发生局部失稳，容许腹板局部失稳并利用其屈曲后强度。 图3-3 翼缘与腹板的典型支承条件 根据局部稳定计算的等强原则，当翼缘宽厚比时，翼缘不会发生局部失稳。设计时允许腹板局部失稳，但考虑到刚度及制作等要求，腹板高厚比应作一定要求，目前我国现行《钢结构设计规范GBJ17-88》规定。 根据薄壁结构理论，腹板在时会发生屈曲而局部退出工作，因此确定腹板有效面积的抗剪和抗弯承载力成为确定工字型构件截面的强度承载力的关键。 腹板抗剪承载力 取决于腹板两侧翼缘及横向加紧肋之间形成的四面支承矩形区域的剪切屈曲应力(cr，见图3-4所示，(cr可以由腹板的剪切屈曲模型得到[20]。构件腹板的主应力场分布见图3-5，在这个模型中横向加紧肋相当于桁架中的受压腹杆，适当增加横向加劲肋的数量可以改变腹板应力场的分布情况，提高区隔的临界应力(cr从而提高腹板的抗剪承载力。 图3-4 腹板支承条件及主应力分布 图3-5 腹板剪切屈曲的分析模型 我国现行轻钢规程《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：98》中利用简化公式把临界应力(cr用一个只和横向加劲肋间距a有关的换算高厚比(w代替，腹板的抗剪承载力根据腹板截面积和(计算得到，见式（3-1）。 （3-1） 上式中，表示腹板截面积；表示腹板的换算高厚比，；表示腹板的高厚比；表示换算系数，；a表示横向加劲肋间距（当不设置加劲肋时，取凸曲系数5.34）。 2、腹板的抗弯承载力 取决于腹板截面屈曲后正应力的分布形状[20]。当构件截面的高厚比在一定限值内时，截面的抗弯曲线可以按照图3-6中的i-k-j-p进行。在j点时截面应力分布如图3-7中的d所示，截面弯矩达弹性临界值；经过j点截面进入强化阶段，截面应力分布如图3-7中的e所示,抗弯承载力有所提高，并使最终的弯矩承载力大于边缘屈服弯矩My。当板件的高厚比较大时，M-( 曲线沿i-k-g进行，即截面边缘应力小于屈服应力fy时截面就发生了屈曲。随着屈曲面积的扩大，应力呈非线性分布，如图3-7中的a,b,c所示。在截面出现屈曲后，由于薄膜效应，截面的承载力也能得到提高，但最终的临界弯矩承载力一般低于屈服弯矩。 图3-6 截面的荷载-位移曲线 图3-7 截面在各阶段的正应力分布 我国轻钢规程CECS102：98采用有效面积法，把应力分布规律由图3-7中的C简化为C,并引入换算高厚比(p来确定有效面积及其分布，屈曲后截面弯矩承载力的计算方法见式3-2。 （3-2） 其中，表示强度设计值； 表示有效截面最大压应力处的截面模量，取决于截面正应力分布情况，即，换算高厚比；表示腹板的高厚比；表示换算系数，，为截面正应力比值，。 3、弯矩、剪力共同作用下的承载力计算 图3-8 截面在剪力和弯矩作用下的相关关系 实际构件的工作状态一般都在弯矩-剪力共同作用下，这时薄腹构件截面的受力情况比较复杂，可以用弯矩剪力的相关曲线表示，如图3-8。轻钢规范中参照截面纯剪临界承载力Vu和纯弯线性临界承载力Mu的计算结果，把剪力作为弯矩承载力的一个削弱因素进行考虑，进而得到修正后的抗弯承载力，见式(3-3)。 = （） （3-3） （） 这里，剪力影响系数 。 4、现行规范CECS102：98的设计公式 工字型截面在剪力V、弯矩M、轴压力N共同作用下的强度，应满足下列要求： 当时， （3-4） 当时， （3-5） 当截面为双轴对称时， （3-6） 上式中，为有效截面面积，