第五讲 兼承轴力和弯矩的构件稳定

本讲主要论述了压弯构件的整体稳定,附带对拉弯构件的弹性稳定略作了分析。着重剖析了压弯构件的等效弯矩系数,提供了与规范中计算长度系数表格的前提不相符合的情况下系数修正方法。     

钢框架和钢桁架的构件长度计算方法

针对钢结构的轴压、压弯构件的稳定问题 ,分析了钢框架、钢桁架在不同的支承、约束情况下构件长度的计算方法 ,以增强工程设计人员对这类构件计算长度取值方法的了解     

钢压弯构件截面的选择方法

通过对压弯构件的强度、平面内和平面外稳定性计算公式联立求解,得出对截面主轴的强轴的截面惯性矩I_x,结合假定长细比试选压弯构件的截面,计算工作量较小,可供设计参考.     

论门式刚架轻型房屋钢结构压弯构件整体稳定性计算方法

钢压弯构件受压区平面外的侧向支撑长度与翼缘宽度之比较大时,在横向荷载作用下,虽然截面受压区的应力尚未达到屈服应力,但构件平面外已可能产生很大的侧向弯曲和扭转,从而丧失承载力,这种现象称作构件的整体失稳。传统采用构件的整体稳定系数进行设计。GB 50017—2017《钢结构设计标准》和GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》中关于整体稳定系数计算采用了两种不同的方法,通过对它们的对比,提出这两种计算方法的特点和适用场合,并对这两种计算方法提出补充建议。     

中国《钢结构设计规范》的发展历程

回顾了我国钢结构设计规范的编制和历次修改的过程,并对若干重要内容在历次版本规范中的发展进行概述,包括设计方法、钢结构材料、结构分析、疲劳验算、受弯构件的整体稳定、轴压构件的弯曲稳定、轴压构件的弯扭稳定、压弯构件的平面内稳定、压弯构件的平面外稳定、受弯构件腹板的局部稳定和屈曲后强度、受压构件腹板的局部稳定、受压构件的计算长度、节点及其计算、钢管结构和钢与混凝土组合梁等内容。分析表明：我国规范与国外规范相比已毫不逊色,且具有明显的特色。同时还分析了我国规范取得了进展的原因,对我国规范的进一步发展作了展望,对主要修订内容提出了建议。参13     

楔形变截面柱平面内稳定及平面内等效弯矩系数

采用平衡法对楔形柱 (压弯构件 )平面内稳定及平面内等效弯矩系数进行计算分析 ,得出楔形压弯构件与等截面压弯构件平面内稳定计算公式一致、其平面内等效弯矩系数 βm 与等截面 βm 相衔接的计算公式     

波浪腹板工形梁支承加劲肋设计方法研究

为解决波浪腹板工形梁支承加劲肋设计问题,进行了受力机理的研究,根据受力状态的不同对加劲肋进行分类,并采用ANSYS进行了有限元模型的数值分析;将波浪腹板对加劲肋的约束作用简化为等效约束长度的平腹板,将支承加劲肋转化为在腹板平面内失稳的轴压构件并计算其稳定性;通过参数分析,揭示了等效约束长度与腹板幅长比及腹板高厚比相关,进而建立了单侧与两侧约束情况下等效约束长度的计算公式.结果表明:与平腹板工形构件不同,波浪腹板工形构件的腹板面外刚度增大,但腹板沿构件轴向刚度变小,因而对加劲肋的面外约束不足,需要重新评估加劲肋在集中荷载作用下的稳定性计算;提出的波浪腹板工形梁支承加劲设计方法具有较好的安全性和经济性.     

工程竹结构设计非弹性方法综述

工程竹顺纹受压极限状态存在显著的非弹性响应,采用线弹性理论计算工程竹受弯与偏心受压构件强度会导致其极限承载力被严重低估.因此,工程竹顺纹应力-应变关系的非弹性特点对工程竹构件的极限承载力与变形影响不可忽略.系统总结了工程竹基本力学性能、工程竹受弯构件和压弯构件非弹性分析等方面的研究成果,列出了受弯构件和压弯构件极限承载力计算的主要公式.不同于现行规范中的强度校核公式,公式考虑了材料受压非线性,可用于计算构件极限承载力,为进一步给出受弯构件、压弯构件承载力实用计算公式提供了依据.     

钢压弯构件在弯矩作用平面外的稳定计算

<正> 压弯构件(包括偏心压杆)一般在弯矩作用平面内的抗弯刚度较大。对于这样的构件当其侧向没有足够支承时,就有可能产生侧向弯曲扭转屈曲而丧失承载能力,我们常称之为弯矩作用平面外的稳定问题或弯曲扭转屈曲问题。国内外有关钢结构设计规范,对于压弯构件在弯矩作用平面外的计算公式,一般有两种表达形式。一种是单项公式,如我国《钢结构设计规范》(TJ17—74)、苏联建     

利用弹性稳定理论进行压弯结构稳定性分析

本文提出了不同支承方式的压弯构件稳定计算的方法，并举例分析计算，简便、快捷，为塔机等构件计算提供了一个好的方法。     

Comprehensive stability design of planar steel members and framing systems via inelastic buckling analysis

This paper presents a comprehensive approach for the design of planar structural steel members and framing systems using a direct computational buckling analysis configured with appropriate column, beam and beam-column inelastic stiffness reduction factors. The stiffness reduction factors are derived from the ANSI/AISC 360-16 Specification column, beam and beam-column strength provisions. The resulting procedure provides a rigorous check of all member in-plane and out-of-plane design resistances accounting for continuity effects across braced points as well as lateral and/or rotational restraint from other framing. The method allows for the consideration of any type and configuration of stability bracing. With this approach, no member effective length (K) or moment gradient and/or load height (C _b ) factors are required. The buckling analysis rigorously captures the stability behavior commonly approximated by these factors. A pre-buckling analysis is conducted using the AISC Direct Analysis Method (the DM) to account for second-order effects on the in-plane internal forces. The buckling analysis is combined with cross-section strength checks based on the AISC Specification resistance equations to fully capture all the member strength limit states. This approach provides a particularly powerful mechanism for the design of frames utilizing general stepped and/or tapered I-section members.     

半刚性连接节点对有侧移钢框架稳定承载力的影响

随着对梁柱节点性能研究的深入,发现连接性能对结构性能有着很大的影响,同时在进行结构柱构件稳定计算时必须考虑柱端约束条件,因此需要将柱端连接性能的影响反映到约束条件中去.现有规范并未就如何考虑连接半刚性性能对柱构件计算长度的影响作出可供直接采用的计算方法.结合规范的制订依据提出了考虑连接性能对柱计算长度影响的计算方法;全盘考虑连接性能对层间整体稳定的影响.     

半刚性连接节点对有侧移钢框架稳定承载力的影响

随着对梁柱节点性能研究的深入,发现连接性能对结构性能有着很大的影响,同时在进行结构柱构件稳定计算时必须考虑柱端约束条件,因此需要将柱端连接性能的影响反映到约束条件中去。现有规范并未就如何考虑连接半刚性性能对柱构件计算长度的影响作出可供直接采用的计算方法。结合规范的制订依据提出了考虑连接性能对柱计算长度影响的计算方法;全盘考虑连接性能对层间整体稳定的影响。     

钢筋砼空间框架节点抗震性能的研究

本文提供了12个钢筋砼空间框架节点在双向反复荷载作用下的试验研究结果,其主要的研究参数是柱梁抗弯强度比值、约束构件尺寸(梁与板)、节点配筋、柱轴向力以及加荷过程。对节点的滞回特性和通过节点的梁筋与柱筋的滑移也进行了研究。在试验结果的基础上,提出了在地震型荷载作用下空间框架节点的设计建议,其中包括柱梁抗弯强度的最小比值、约束梁梁宽与柱宽的最小比值、节点抗剪强度的计算方法以及梁纵向钢筋在节点内的最小锚固长度。     

双跨门式刚架轻型钢结构设计

以双跨门式刚架轻型钢结构为例,从结构选型和支撑布置(屋面支撑和柱间支撑)对结构方案进行分析和比较;对梁柱平面外计算长度取值、柱脚设计以及防腐、防火设计等方面进行介绍;并提出采用PKPM结构设计软件设计时常见问题的解决措施,以及在设计过程中应注意的问题,可为工程设计人员提供参考。     

重载张弦梁结构设计关键技术研究

对重载张弦梁结构中混凝土板的组合作用、结构承载力、撑杆抗滑、水平地震作用传递方式以及结构平面外摆动等问题进行研究。通过有限元分析、理论推导和对相关工程实践的总结得出：混凝土板的组合作用可以减小重载张弦梁结构上弦构件的内力、增大结构承载力、提高结构的弯曲刚度;建议在撑杆底端分段设置抗滑索,避免撑杆底端向跨中滑移;利用连续混凝土板的受剪作用可将重载张弦梁所产生的水平地震作用传递给剪力墙等抗侧力构件;重载张弦梁结构没有发生整体或局部面外摆动的可能。据此提出结构中各主要构件的内力计算式,可用以初步确定重载张弦梁各主要构件的截面规格。     

钢结构双向压弯构件截面快速选择与设计

结合实际工程设计 ,探讨了如何快速、方便地确定钢结构实腹式压弯构件截面尺寸。提出了将确定截面尺寸的各参数统一化的思想 ,用单一参数 (例如截面高度 )表示截面的主要尺寸 ,然后将钢结构压弯构件的验算公式转化成该单一参数的函数求根形式 ,编制成单变量求根计算程序 ,从而可进行快速的截面选择与设计     

Ductile moment-resisting frames using cold-formed steel sections: An analytical investigation

This paper presents an investigation on the potential use of cold-formed steel sections (CFS sections) in moment-resisting frames (MRFs) for seismic applications. The main limitation of CFS sections is the low out-of-plane stiffness of their thin-walled elements which leads to low ductility. The main components of MRFs are beams, beam-column connections and columns. In earthquake resistant MRFs, the beams are designed to provide considerable ductility, whereas the other elements are mainly limited to their elastic range. The performance of a new shape of CFS beam with curved flange is examined analytically and compared with that of conventional shapes. The proposed beam-column connections include through plates which potentially limit the out-of-plane action of the forces transferred through the connections. The behaviour of both individual CFS beam sections and CFS beam-column connections is studied by means of finite element analysis (FEA). The results of the analyses show that the new beam cross sections and connections exhibit a good ductile behaviour, something which cannot be achieved by conventional cold-formed frame elements.     

Notional load method for industrial steel storage racks

The discussion in this paper is on the stability analysis and design of industrial steel storage racks. Studies were carried out to evaluate the current Effective Length Method, and to examine the Notional Load Method as an alternative design procedure. Presently, the design of industrial steel storage racks in the United States is carried out according to the Rack Manufacturers Institute (RMI) specification using the effective length method. The notional load method is a new method for stability analysis and design of structural steel systems introduced in the AISC Specification for Structural Steel Buildings (ANSI/AISC 360-05). The difference between these two methods is that in the effective length method the beam-column member within the frame is designed based on effective member length while in the notional load method it is designed based on actual member length and the analysis is based on a reduced stiffness in the structure. The finite element method, which considers both geometric and material nonlinearities, was used as the basis for evaluating the accuracy of these two design methods. The study was carried out for numerous cold-formed steel industrial storage rack configurations. The application to cold-formed steel structures had to include the frequently encountered torsional–flexural buckling and semi-rigid joints. Results showed that the effective length method is more conservative than the notional load method and the notional load method agrees better with the finite element results than the effective length method does. It is, therefore, recommended that the notional load method be considered as an alternative means for industrial steel storage rack design.     

工业化装配式高层钢结构桁架梁腹杆计算长度分析

新型工业化装配式高层钢结构桁架梁不同于传统形式的桁架梁,需将其简化成单根腹杆和弦杆进行稳定验算,并用计算长度来体现结构其他部分的约束作用,但GB 50017—2003《钢结构设计规范》对桁架梁腹杆计算长度的规定比较保守。基于刚架弹性稳定理论以及相关研究成果建立的四弯矩方程,综合考虑桁架梁的上、下弦杆刚度和节点刚度对腹杆计算长度的影响,推导出杆件群的稳定方程以及腹杆计算长度系数的计算方程。通过MATLAB编程解超越方程,列出了可供工程设计使用的桁架梁腹杆计算长度系数用表。针对节点实际刚度与计算刚度不一致的现象,推导了腹杆-弦杆半刚性节点刚度与节点弯矩关系的解析公式,求出节点刚度,便于设计人员查表得到相应计算长度系数。