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轴心受压杆件设计

王立军

王立军. 轴心受压杆件设计[J]. 钢结构(中英文), 2020, 35(4): 39-49. doi: 10.13206/j.gjgS20041302
引用本文: 王立军. 轴心受压杆件设计[J]. 钢结构(中英文), 2020, 35(4): 39-49. doi: 10.13206/j.gjgS20041302
Lijun Wang. Design of axial compression member[J]. STEEL CONSTRUCTION(Chinese & English), 2020, 35(4): 39-49. doi: 10.13206/j.gjgS20041302
Citation: Lijun Wang. Design of axial compression member[J]. STEEL CONSTRUCTION(Chinese & English), 2020, 35(4): 39-49. doi: 10.13206/j.gjgS20041302

轴心受压杆件设计

doi: 10.13206/j.gjgS20041302
详细信息
    作者简介:

    王立军,男,1963年出生,教授级高级工程师。Email:13901212966@sina.cn

Design of axial compression member

  • 摘要: 通过对美钢规轴压杆设计方法进行解读,并与17钢标设计方法进行对比,全面介绍了轴压杆弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲的设计思路及两国规范的异同,有助于理解三种屈曲的设计实现。
    美国AISC 360-16《建筑钢结构标准》(简称"美国钢标")中轴心受压杆件稳定的强度能力计算规定在第E章,计算中,抗压强度取φcPn,受压抗力系数φc为0.9,轴心受压强度Pn取弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲强度之最小值。
    1)弯曲屈曲分析时,美国钢标的柱子曲线原为三条,现改为一条。轴压弯曲屈曲强度能力Pn=FcrAg,其中,Fcr=0.658Fy/FeFyFcr=0.877FeFe=((π2E)/((Lc/r2))。
    美国钢标的柱子曲线分两段,界限长细比为137(Fy=235 MPa),正则化长细比λc=(Lc/πr)√Fy/E=1.5。弹性阶段以欧拉临界力为基准,取0.877的折减系数以考虑杆件的几何缺陷的影响。该概念清楚,且与欧拉公式接轨。非弹性阶段考虑了材料进入比例极限后广义欧拉公式的非线性性质,并考虑了杆件的几何缺陷和残余应力。
    2)弯曲屈曲分析时,GB 50017-2017《钢结构设计标准》(简称"17钢标")采用四条柱子曲线,弯曲屈曲稳定承载力按N/φAf≤ 1.0计算,考虑杆件的初始缺陷和残余应力,稳定系数φ按压弯杆件弯曲屈曲临界力确定,适用于弹性区和弹塑性区,设计时先计算出杆件两个主轴方向的长细比,并取较大长细比,再由φ=(1/2λn2)[(α2+α3λn+λn2)-√α2+α3λn+λn22-4λn2]或φ=1-α1λn2得到稳定系数φ
    3)在扭转屈曲和弯扭屈曲分析时,对于双轴对称截面,可能发生扭转屈曲。对于单轴对称截面及无对称轴的截面,可能发生弯扭屈曲。扭转屈曲和弯扭屈曲的强度能力Pn=FcrAg,其中,Fcr=0.658Fy/FeFyFcr=0.877Fe,这里的Fe取扭转屈曲或弯扭屈曲的临界应力。
    由此可见,美国钢标的扭转屈曲和弯扭屈曲是计算出相应的弹性临界力后,按弯曲屈曲的柱子曲线进行计算的。
    4)扭转屈曲和弯扭屈曲分析时,17钢标的扭转失稳临界力为Nz=(1/i02)(GIt+((π2EIω)/l2)),将该式除以A后可知,美国钢标与17钢标计算扭转屈曲临界力的公式是一致的。
    具体应用时,17钢标采用等效长细比的概念,将由λz=√I0/(It/25.7+Iω/lω2得到的扭转屈曲的长细比,按弯曲屈曲长细比考虑,由前述方法计算稳定系数φ,这与美国钢标的考虑方法是一致的。所不同的是,美国钢标的柱子曲线弹性区按欧拉临界力乘以折减系数取值,非弹性区更接近试验曲线;17钢标以回归的试验曲线作为柱子曲线。
    17钢标采用(NEy-Nyz)(Nz-Nyz)=Nyz2ys2/i02)计算弯扭屈曲临界力Nyz;美国钢标中,令xo=0,得到单轴对称弯扭屈曲方程为(Fe-Fey)(Fe-Fez)=Fe2yo/[ro2,此两式实质上相同,即17钢标与美国钢标的弯扭屈曲计算法相同。
    可知,对于轴心受压杆件,美国钢标和17钢标均给出了弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲的设计公式,两者均以弯曲屈曲的柱子曲线作为三种屈曲的稳定系数。美国钢标采用一条柱子曲线,17钢标采用四条柱子曲线,均考虑了杆件几何初始缺陷和残余应力,且均与各国的相关试验结果相符。美国钢标和17钢标的扭转屈曲和弯扭屈曲均源自相同的弹性稳定平衡方程,采用等效临界力的方法转换成弯曲屈曲临界力,利用弯曲屈曲柱子曲线进行设计计算。
  • AISC. Specification for structural steel building:ANSI/AISC 360-16[S].American Institute of Steel Construction, 2016.
    中华人民共和国住房和城乡建设部. 钢结构设计标准:GB 50017-2017[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2018.
    陈绍蕃. 钢结构稳定设计指南[M]. 3版. 北京:中国建筑工业出版社,2013.
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  • 收稿日期:  2020-03-08

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