钢结构第五章.ppt

第5章 受 弯 构 件 5.1 受弯构件的可能破坏形式和影响因素 在荷载作用下，受弯构件可能发生多种形式的破坏，主要有强度破坏、刚度破坏、整体失稳破坏及局部失稳破坏四种。所以，钢结构受弯构件除要保证截面的抗弯强度、抗剪强度外还要保证构件的整体稳定性和受压翼缘板件的局部稳定要求。对不利用腹板屈曲后强度的构件还要满足腹板局部稳定要求。这些都属于构件设计的第一极限状态问题，即承载力极限状态问题。此外受弯构件还要有足够的刚度，以保证构件的变形不影响正常的使用要求，这属于构件设计的第二极限状态问题，即正常使用极限状态问题。 5.1.1 截面强度破坏 对于受弯构件，在弯矩作用下，可能出现截面最外侧“纤维”的应力超过其材料抗弯强度的情况；也可能出现在横向荷载作用下，截面的最大剪应力超过其钢材的抗剪强度极限的情况；对于工字形、箱形等截面的梁，也可能在集中荷载处，腹板边缘处承受较大的局部压应力；构件截面还可能出现在复杂应力作用下，同时承受较大弯曲应力、剪应力及局部压应力的情况，导致截面的折算应力过大。上述四种情况的发生都有可能导致截面发生破坏，称为受弯构件截面强度破坏。 受弯构件强度的影响因素主要有钢材的力学性能、强度大小以及荷载大小和特征。 5.1.2 整体失稳 1. 荷载类型和沿梁跨分布情况 如下图所示为纯弯曲、均布荷载和跨中央一个集中荷载的三种典型荷载弯矩分布图。可见，纯弯曲的弯矩图为矩形，则梁上翼缘的压应力在梁的全长范围均相等，其他两种荷载情况的弯矩图均有比较平缓或剧烈的变化，故梁上翼缘的压应力除跨中央为最大值外，其他截面均会有一定程度的降低。显然，三种典型荷载中以纯弯曲最不利，均布荷载次之，而跨中央一个集中荷载较有利。若沿梁跨分布有多个集中荷载，其影响将大于跨中央一个集中荷载而接近于均布荷载情况。 2. 荷载作用点在截面上的位置 当横向荷载(均布荷载或集中荷载)作用在梁的上翼缘时，若梁发生扭转，则会使扭转加剧，助长屈曲，降低临界弯矩。反之，当横向荷载作用在梁的下冀缘时，则会减缓扭转，提高临界弯矩。 3. 梁的截面形式和其尺寸比例 在主平面内受弯的梁，其整体稳定性以侧扭屈曲的形式丧失，抗扭和侧向抗弯能力较强的截面特别有利于提高其临界弯矩。因此，工字形截面、箱形截面的形式比较理想，槽形、T形截面次之，L形截面则不宜。 截面各部分尺寸的比例亦影响梁的抗扭和侧向抗弯能力，尤其是对截面的宽度影响更大。增加截面的尺寸，梁的临界弯矩亦增大。加强梁的受压翼缘，增加其对弯曲轴的惯性矩，能有效地提高梁的临界弯矩。 4. 梁受压翼与侧向支承点间的距离 梁的整体失稳系因受压冀缘的侧向变形面而引起。因此，若受压翼缘有可靠(使截面无侧向转动和侧向变形)的侧向支承，且其间距适当，就能有效地保证梁的整体稳定性。 5. 端部支承条件 梁端部的支承不同，其抗侧扭屈曲的能力也不同。如固端梁比简支梁和悬臂梁的约束程度都高，故其抗侧扭屈曲的能力比后两者都强。另外，根据稳定理论，梁在端部支承处的约束应使梁端截面的弯曲和翘曲不受限制，但同时又不能使其产生扭转变形，否则将使梁的临界弯矩降低。在实际工程中，端部支座的构造一般是将梁的下冀缘端部连于支座。对次梁也有将其底板端部连于支座的，但这些都不能保证端部截面不产生扭转。较可靠的方法是将梁的上翼缘端部也连于支承处(吊车梁多采用此种方法)。对高度不大的梁也可设置端部支承加劲肋以增加该处的扭转刚度，防止扭转变形。对伸臂梁，为防止支承处的截面扭转，可在该处设置隔板将梁固定，或设置侧向支撑将梁的自由端撑住。 6. 初始变形、加载偏心和残余应力等初始缺陷 初始变形和加载初偏心会使梁一经荷载作用，就立即产生双向弯曲和扭转，导致梁的临界弯矩降低。 残余应力的影响非常复杂。一般是由于残余应力很大，故一开始加荷、弯曲正应力和残余应力叠加后将使一部分截面提前屈服，梁即进入弹塑性工作阶段。此时，弹性区成为一单独对称截面，剪心与形心不再重合，因此侧向抗弯刚度和抗翘曲刚度均会有不同程度的降低，梁的临界弯矩亦随之降低。 7. 钢材强度 梁在弹性工作阶段丧失整体稳定性时(一般为细长梁)，其临界弯矩与钢材的强度无关。但在弹塑性工作阶段失稳时(一般为粗短梁或有足够侧向支承的梁)，由于截面中一部分达到弹性或弹塑性，其变形模量较弹性区小，则数值和钢材的强度有关。故当钢材的强度不同，则失稳时该面的塑性区越大，其临界弯矩的差值亦越大。当其达到各自稳定承受能力的上限而产生强度破坏时，钢材强度越高其临界弯矩亦越高。 5.1.3 局部失稳 受弯构件的截面大都是由板件组成的。如果板件的宽度与厚度之比太大，则在一定的荷载条件下，会出现波浪状的凸曲变形，这种现象称为局部失稳。与整体失稳不同，若构件仅发生局部失稳，其轴线变形仍可视为发生在弯曲平面内。板件