二级注册建筑师《建筑结构与建筑设备》辅导七

二级注册建筑师《建筑结构与建筑设备》辅导七

　　二、建筑结构基本构件与结构设计

　　组成结构体系的单元体称为基本构件。按受力特征来划分主要有以下三类：轴心受力陶件、偏心受力构件和受弯构件。

　　按其主要受力性质常常又划分为：拉杆、压杆和受弯构件。

　　(一)轴心受力构件

　　当构件所受外力的作用点与构件截面的形心重合时，则构件横截面产生的应力为均匀分布，这种构件称为轴心受力构件。可分为：

　　1.轴心受拉构件

　　构件所受的力，使构件横断面仅产生均匀拉应力时即为轴心受拉构件。常用于桁架的下弦杆及受拉斜腹杆。

　　σ1=F/bh

　　此构件的承载能力为σ1≤[σ]

　　式中 [σ]——材料的允许应力。

　　这种构件最能充分发挥材料的强度。

　　2.轴心受压构件

　　外力以压力的方式作用在构件的轴心处，使构件产生均匀压应力时，即为轴心受压构件。

　　其截面应力为：σ1=F/bh

　　但轴心受压构件的实际承载力是由稳定性控制，稳定系数Ψ≤1，故其承载力的表达式为：

　　σ2=F/Ψbh≤[σ] (6-3)

　　这是因为受压构件承载时，截面应力尚未达到材料的强度设计值前就会因弯折而失去 承载能力，这种现象称为丧失稳定性。上式中的Ψ值即为按稳定考虑的承载力与强度承 载力的比值，称为稳定系数。

　　由此可见相同材料的拉杆与压杆受同样的荷载F作用时，拉杆所需的截面尺寸要比 压杆小。

　　拉杆所需截面为： A1=F/[σ]

　　压杆所需截面为： A2=F/Ψ[σ]

　　式中 [σ]——材料的强度设计值(即允许应力)。

　　Ψ<1，故 A2> A1

　　Ψ值与杆件的长细比λ有关，λ=l0/i;

　　式中 l0——杆件计算长度;

　　构件的承载能力应满足σmax≤[σ]

　　式中 σmax——边沿最大拉应力;

　　σmin——边沿最小拉应力;

　　W——截面抵抗矩。

　　由上式可见，在受同样的外拉力时，偏心受拉构件，其应力耍比轴心受拉构件增大许 多，因此在结构设计中应尽量避免出现这种构件。

　　2.偏心受压构件

　　(1)定义：构件承受的压力作用点与构件的轴心偏离，使构件既受压又受弯时即为偏 心受压构件(亦称压弯构件)。常见于屋架的上弦杆、框架结构柱、砖墙及砖垛等。

　　(2)构件的受力状态

　　截面产生的边沿应力公式为：

　　式中 σmax一——边沿最大压应力;

　　σmin——边沿最小压应力。

　　由上式可见，在受同样的压力F时，当作用点与截面轴心偏离时，截面内的压应力增加甚多，而且当偏心距较大时截面内除压应力外将产生一部分拉应力。

　　在实践中尚有双向偏心构件。

　　(三)受弯构件

　　1.定义

　　当一水平构件在跨间承受荷载，使其产生弯曲，构件将产生弯矩和剪力，截面内将产生弯曲应力和剪应力。这种构件即称为受弯构件。这是结构设计中最常见的构件。

　　2.受弯构件的受力状态

　　(1)简支梁在不同荷载作用下的弯矩df及剪力y，见图6-6。

　　(2)多跨连续梁在均布荷载作用下的弯矩和剪力，见图6-7。

　　在跨度范围内弯矩和剪力都是变化的。

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　　(3)粱截面内的应力分布

　　1)弯曲应力(图6-8)

　　边沿最大应力：

　　③截面的抗剪主要靠腹板(即粱的截面中部)。

　　(4)受弯构件的变形

　　受弯构件在荷载作用下要产生弯曲，于是将产生弯曲变形，使梁产生挠度。

　　1)梁的挠度跨中最大。

　　2)挠度的大小与正弯矩成正比。

　　3)跨度相同、荷载相同时，简支梁的挠度比连续梁、二端固定或一端固定、一端简支的梁要大。

　　4)挠度的大小与梁的EI成反比。

　　(5)受弯构件的设计要点

　　1)要满足弯曲应力不超过材料的强度设计值。即最大弯矩处的最大弯曲应力必须小于强度设计值。

　　2)梁内最大剪力的断面平均剪应力不超过材料抗剪的设计值。

　　3)梁的最大挠度值不得超过规范规定的数值。

　　(四)几种基本构件的比较

　　上述几种基本构件的合理应用，就能取得合理的结构设计。

　　1.轴心受拉构件是受力最好的构件

　　(1)最能充分发挥材料性能。因在外力作用下，沿构件全长及截面的内力及应力都是均匀分布;

　　(2)在承受相同的荷载下，与受压和受弯构件相比所需的断面最小;

　　(3)只有具有最多数量的轴拉构件和较少轴压和受弯构件组成的结构体系才是最省材料和经济合理的体系。

　　2.轴压构件

　　承载力受稳定的影响，故应避免长杆受压，设计时要特别注意侧向稳定。

　　3.偏心受压构件 .

　　在相同截面下，因受偏心弯矩的影响，其承载力将随偏心距的加大而大为减小。而且也要考虑侧向稳定的影响。

　　4.受弯构件

　　(1)构件内的内力不均匀分布，因此不能充分发挥材料的作用。

　　(2)还存在变形能否满足要求的问题，有时虽已满足强度要求，变形不能满足时，则应按变形要求增大构件断而尺寸。

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