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【鋼結(jié)構(gòu)實腹式軸心受壓構(gòu)件的截面設(shè)計】
一、截面型式
實腹式軸心受壓構(gòu)件宜選用雙軸對稱截面。因為單軸對稱截面往往有彎扭屈曲的問題，用料很不經(jīng)濟(jì)。
確定截面型式和各部分尺寸時，為了用料經(jīng)濟(jì)，應(yīng)使截面的輪廓盡可能（指滿足局部穩(wěn)定要求）寬展而薄壁，以增大截面的回轉(zhuǎn)半徑，提高整體穩(wěn)定承載力和剛度。同時，還應(yīng)做到對兩個主軸的穩(wěn)定系數(shù)相等（二主軸等穩(wěn)定）。由于同一截面對兩個主軸可能不屬于同一類截面，因而盡管λx＝λy，但ψx和ψy不一定相等，然而二者相差并不大。設(shè)計時可以利用λx＝λy作為考慮等穩(wěn)定的因素。在截面選取時，除考慮用料經(jīng)濟(jì)外，還要力求構(gòu)造簡單，制造省工，便于和其它構(gòu)件連接和易于取材。
直接采用工字型鋼，雖然制造省工，但由于腹板較厚，且對兩個主軸的回轉(zhuǎn)半徑相差較大，故宜用于兩個方向計算長度不相等且荷載較小的結(jié)構(gòu)中。軋制寬翼緣工字鋼（即H型鋼），具有制造省工的優(yōu)點(diǎn)，且腹板厚度較翼緣厚度小很多。其中截面高度與寬度相同的型號，對強(qiáng)軸的回轉(zhuǎn)半徑約是對弱軸回轉(zhuǎn)半徑的二倍。因此，對于柱長中點(diǎn)有一側(cè)向支承的獨(dú)立柱，寬翼緣工字鋼將是最理想的截面型式。
鋼板焊成的組合工字行截面，是應(yīng)用最為廣泛的截面型式。這種截面腹板可以根據(jù)局部穩(wěn)定要求，采用較薄的鋼板，截面較為合理，且便于制造。但為便于翼緣與腹板之間的施焊，一般截面高度需取約等于翼緣寬度。根據(jù)輪廓尺寸與回旋半徑的近似關(guān)系：ix≈0.43h;iy≈0.24b.在兩個方向的計算長度相等時合理的截面尺寸應(yīng)為b≈2h。但由于采用h≈b(其截面ix≈2iy)所以也只有在側(cè)向有一支撐點(diǎn)時才能達(dá)到等穩(wěn)定的目的。
焊接箱型截面，在兩個方向的回轉(zhuǎn)半徑接近或相等，抗扭剛度大。但不便于與其它構(gòu)件連接，只用作高大的承重柱。
此外，還有單角鋼、雙角鋼及圓鋼管，多用于塔架、桁架和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。
二、鋼結(jié)構(gòu)截面選擇步驟
在確定了鋼號、軸心壓力設(shè)計值、兩個方向的計算長度Lox,Loy以及截面型式后，可按下列步驟設(shè)計截面尺寸。
㈠、試選截面
1、假定長細(xì)比，根據(jù)截面類別查出ψx、ψy，取ψmin按下式計算需要的截面面積和回轉(zhuǎn)半徑：
Ar＝N/(ψmin×f)
ixr＝Lox/λ
iyr＝Loy/λ
2、確定型鋼型號或選配截面各板件尺寸
⑴對型鋼截面
以Ar、ixr及iyr查型鋼表，選取合適的型鋼號并進(jìn)行截面驗算。
⑵對組合截面
Ⅰ）根據(jù)回轉(zhuǎn)半徑的近似值，決定需要的截面高度hr和寬度br：
hr＝ixr/α1
br＝iyr/α2
Ⅱ）按Ar、hr及br確定截面各板件尺寸。
在確定各板件尺寸時，對工字形截面宜取h≈b以便施焊；為用料合理，宜取tw＝(0.4~0.7)t，但不小于6mm；ho和b宜取10mm的倍數(shù)，t和tw宜取2mm的倍數(shù)。
在確定各板件尺寸過程中，由Ar、hr、br確定的翼緣和腹板太厚，說明假定的λ過大，從而使截面過分集中。此時可直接加大h、b，適當(dāng)減小截面A，或重設(shè)λ；反之，若翼緣和腹板太薄，說明假定的λ過小，造成截面過分開展，此時可適當(dāng)減小h、b并加大截面A或重設(shè)λ。
㈡、截面驗算
確定截面后應(yīng)進(jìn)行如下驗算：
1、強(qiáng)度
N/An≤f;當(dāng)截面無孔洞等削弱時，可不進(jìn)行強(qiáng)度驗算。
2、整體穩(wěn)定性
N/(ψmin×A)≤f；同時滿足兩主軸穩(wěn)定。
3、局部穩(wěn)定
對型鋼截面一般可不進(jìn)行局部穩(wěn)定驗算。
4、剛度
λx≤[λ]和λy≤[λ]。
強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定都屬于承載能力極限狀態(tài)的驗算；剛度屬于正常使用極限狀態(tài)的驗算。
實腹式軸心受壓構(gòu)件翼緣與腹板間的縱向連接焊縫，只承受由初彎曲、初偏心和偶然橫向力作用等產(chǎn)生的很小剪力。因此不必計算而按構(gòu)造要求采用hf＝（4~8）mm。
當(dāng)腹板計算高厚比ho/tw＞80時，為防止腹板在施工和使用中發(fā)生鼓曲變形，應(yīng)設(shè)置橫向加勁肋，其間距不得大于3ho。當(dāng)設(shè)置縱向加勁肋加強(qiáng)腹板時，應(yīng)在在縱橫向加勁肋相交處將縱向加勁肋斷開，以橫向加勁肋作為縱向加勁肋的支撐點(diǎn)，同時可避免兩個方向的焊縫交叉。
對于大型實腹柱，為增加其抗扭剛度，避免在運(yùn)輸安裝過程中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，應(yīng)設(shè)置橫隔。橫隔的間距不得大于柱截面較大寬度的9倍或8米，且運(yùn)送單元的兩端均應(yīng)設(shè)置橫隔。另外，在受有較大水平力處亦應(yīng)設(shè)置，以避免產(chǎn)生局部變形。橫隔與橫向加勁肋的區(qū)別在于：橫隔幾乎鋪滿全截面，而橫向加勁肋通常較窄。
【鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件設(shè)計】
格構(gòu)柱由肢件（柱肢）以及把肢件連成整體的綴材（綴條或綴板）所組成。
肢件通常采用二個槽鋼或工字鋼。以槽鋼作柱肢時，槽鋼翼緣可以向截面外，也可以向截面內(nèi)放置。以翼緣向內(nèi)最為常用，這樣可以有一個平整的外表面，而且與翼緣向外相比，在輪廓尺寸相同的情況下，前者可以獲得較大的截面慣性矩。在受力很大的柱中，肢件有時采用焊接組合工字形截面。對長度較大而受力不大的柱，肢件可以采用四個角鋼或三根鋼管。格構(gòu)柱可以用調(diào)整肢件間距方法實現(xiàn)等穩(wěn)定性。
綴材有綴條和綴板兩種。一般采用單角鋼作綴條，綴板采用鋼板制作。綴條體系可全部以斜綴條組成，也可由橫綴條和斜綴條共同組成。采用綴條連接肢件時稱為綴條柱；采用綴板連接肢件時稱為綴板柱。常見格構(gòu)柱：雙肢綴條柱、雙肢綴板柱、四肢柱、三肢柱。
實軸：格構(gòu)柱橫截面上通過肢件腹板的主形心軸稱為實軸，用y~y表示；
虛軸：格構(gòu)柱橫截面上通過肢件之間空隙的主形心軸稱為虛軸，用x~x表示。
軸壓格構(gòu)柱的設(shè)計需要考慮：強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、單肢穩(wěn)定、剛度、綴條及綴板的計算等問題。
一、強(qiáng)度
軸壓格構(gòu)柱的強(qiáng)度計算與實腹式軸壓柱相同，即：
N/An≤f
式中An為柱肢的凈截面面積之和（不應(yīng)計入綴條和綴板的面積）。當(dāng)柱截面無削弱時不必進(jìn)行強(qiáng)度計算。
二、整體穩(wěn)定
1、對實軸y~y（繞y~y軸）的計算
格構(gòu)柱繞實軸y失穩(wěn)的情況，其穩(wěn)定計算與實腹柱計算相同。
N/(ψy×A)≤f
ψy為由構(gòu)件對y軸的長細(xì)比λy查得的軸壓構(gòu)件穩(wěn)定性系數(shù)。
A為柱肢的毛截面面積之和。
2、對虛軸x~x（繞x~x軸）的計算
格構(gòu)柱繞虛軸x失穩(wěn)的情況與實腹柱的計算不同。
（原因是：格構(gòu)柱的柱肢間僅由間隔的綴材相連，柱繞虛軸x彎曲時產(chǎn)生的剪力只能由柔弱的綴材承擔(dān)，因而剪切變形較大。構(gòu)件由剪切變形產(chǎn)生的較大附加撓度使其繞虛軸的臨界力降低較多，不可忽略。實腹柱的腹板是連續(xù)的鋼板，構(gòu)件截面抗剪剛度大，剪切變形對構(gòu)件臨界力的影響很小，可忽略不計。）
為簡化計算，格構(gòu)柱設(shè)計中采用加大對虛軸長細(xì)比的方法來考慮剪切變形使臨界力降低的不利影響。加大后的長細(xì)比稱為換算長細(xì)比，用λox表示。用λox設(shè)計時，對虛軸x穩(wěn)定的計算式仍為：
N/(ψx×A)≤f
ψx為用換算長細(xì)比λox查得的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定性系數(shù)。
（換算長細(xì)比計算見其它資料）
三、單肢穩(wěn)定性
格構(gòu)柱的每個單肢也是實腹式受壓構(gòu)件，單肢在每個綴條或綴板之間的部分在壓力作用下也可能喪失穩(wěn)定性。設(shè)計時應(yīng)保證單肢不早于整體失穩(wěn)。
（單肢的長細(xì)比λ1，保證單肢穩(wěn)定的條件見規(guī)范）
考慮到綴板柱除可能因幾何缺陷使單肢的壓力不等外，單肢還承擔(dān)由剪力引起的局部彎矩作用，因此對其單肢長細(xì)比的要求比對綴條柱更嚴(yán)格。
計算時，λmax取λox與λy的較大值。λ1＝Lo1/i1，Lo1為單肢計算長度。對綴條柱取相鄰綴條節(jié)點(diǎn)中心線間的距離；對焊接綴板柱取相鄰兩綴板間的凈距離；螺栓連接柱取相鄰兩綴板邊緣螺栓的距離；i1為單肢對自身平行于虛軸的單肢形心軸的回轉(zhuǎn)半徑。
四、綴材計算
㈠、鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)式壓桿的剪力
軸壓格構(gòu)柱由于初彎曲等缺陷或達(dá)臨界狀態(tài)的彎曲時，各截面將產(chǎn)生剪力，此剪力由綴材承擔(dān)。因此，在計算綴材前需先確定構(gòu)件截面剪力。
㈡、綴材設(shè)計
1、綴條計算
分析綴條內(nèi)力時，將每個綴材面作為節(jié)點(diǎn)鉸接的平行弦桁架，綴條則是該桁架的腹桿。一個綴材面承受剪力V1＝V/2的作用，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析桁架內(nèi)力。
Nt＝V1/cosα
由于剪力的方向取決于柱彎曲的方向，所以斜綴條在實際工作中既可受壓，也可受拉。為安全計，常按軸心壓桿計算。但綴條一般采用單角鋼且以一面與柱肢連接，實為偏心受力，故將鋼材和連接材料強(qiáng)度的設(shè)計值進(jìn)行折減。
不論斜綴條還是橫綴條都應(yīng)滿足容許長細(xì)比的要求，即
λ≤[λ]＝150。
2、綴板計算
⑴綴板內(nèi)力
一個綴材面承受相應(yīng)的剪力V1＝V/2的作用。在分析綴板內(nèi)力時，把每個綴材面看作單跨的多層剛架，并假定變形時以綴板中點(diǎn)及綴板之間各柱肢的中點(diǎn)為反彎點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)力分析。
⑵綴板的構(gòu)造要求
綴板應(yīng)滿足剛度要求。規(guī)范規(guī)定：綴板柱中，同一截面處綴板的線剛度之和不得小于柱較大分肢線剛度的6倍。
五、剛度
格構(gòu)柱的λy、λox及綴條長細(xì)比均不應(yīng)大于150，以滿足剛度要求。
六、橫隔
與大型實腹柱一樣，為了提高構(gòu)件的抗扭剛度，避免在運(yùn)輸和安裝過程中產(chǎn)生幾何形狀的改變，以及傳遞必要的內(nèi)力。格構(gòu)柱也應(yīng)在承受較大水平力處和運(yùn)送單元的兩端設(shè)置橫隔，其間距不得大于柱截面最大寬度的9倍或8米。橫隔可用鋼板或交叉角鋼組成。
七、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面設(shè)計
格構(gòu)柱對截面二主軸x和y均為b類截面。因而，只需使λy＝λox，便可獲得相等的ψx和ψy，做到二主軸等穩(wěn)定設(shè)計。另外，雙肢柱整個截面對y軸的回轉(zhuǎn)半徑iy，與其中一個單肢截面對y1軸（y1軸與y軸重合）的回轉(zhuǎn)半徑iy1相等。
在確定了軸心壓力設(shè)計值N，兩個方向的計算長度Lox、Loy和鋼號，以及截面型式（中小型柱可采用綴條柱或綴板柱，大型柱宜采用綴條柱）后，可按下列步驟進(jìn)行設(shè)計。
1、按對實軸y的穩(wěn)定性要求選定單肢截面
⑴假定長細(xì)比λy，查出ψy，并計算需要的截面面積對實軸的回轉(zhuǎn)半徑。
Ar＝N/(ψ×yf)
iyr＝Loy/λy
⑵按Ar/z和iy由型鋼表選取合適的型鋼規(guī)格，并進(jìn)行對y軸的整體穩(wěn)定及剛度驗算。
2、對虛軸x根據(jù)等穩(wěn)定性要求確定柱肢間距b
⑴、根據(jù)等穩(wěn)定要求λox＝λy求需要的長細(xì)比λx；
⑵、由需要的長細(xì)比λx求需要的回轉(zhuǎn)半徑ixr，并根據(jù)輪廓尺寸與回轉(zhuǎn)半徑的關(guān)系確定需要的截面寬度br
ixr＝Lox/λx
br＝ixr/α2
⑶、按確定的b，對虛軸x驗算整體穩(wěn)定及剛度。
3、截面有削弱時應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度驗算
4、綴材設(shè)計與單肢穩(wěn)定性驗算
綴材設(shè)計一般不應(yīng)影響截面選擇結(jié)果。如實取的綴條角鋼面積小于初估截面A1x，應(yīng)對虛軸穩(wěn)定性重新驗算。布置綴條或綴板時應(yīng)注意使單肢的長細(xì)比λ1滿足要求，同時綴條的長細(xì)比不應(yīng)大于150。