建筑結構基本構件與結構設計

組成結構體系的單元體稱為基本構件。按受力特征來劃分主要有以下三類：軸心受力陶件、偏心受力構件和受彎構件

按其主要受力性質常常又劃分為：拉桿、壓桿和受彎構件

(一)軸心受力構件

當構件所受外力的作用點與構件截面的形心重合時，則構件橫截面產生的應力為均勻分布，這種構件稱為軸心受力構件。可分為：

1.軸心受拉構件

構件所受的力，使構件橫斷面僅產生均勻拉應力時即為軸心受拉構件。常用于桁架的下弦桿及受拉斜腹桿。

σ1=F/bh

此構件的承載能力為σ1≤[σ]

式中 [σ]——材料的允許應力

這種構件最能充分發揮材料的強度

2.軸心受壓構件

外力以壓力的方式作用在構件的軸心處，使構件產生均勻壓應力時，即為軸心受壓構件

其截面應力為：σ1=F/bh

但軸心受壓構件的實際承載力是由穩定性控制，穩定系數Ψ≤1，故其承載力的表達式為：

σ2=F/Ψbh≤[σ] (6-3)

這是因為受壓構件承載時，截面應力尚未達到材料的強度設計值前就會因彎折而失去 承載能力，這種現象稱為喪失穩定性。上式中的Ψ值即為按穩定考慮的承載力與強度承 載力的比值，稱為穩定系數。

由此可見相同材料的拉桿與壓桿受同樣的荷載F作用時，拉桿所需的截面尺寸要比 壓桿小。

拉桿所需截面為： A1=F/[σ]

壓桿所需截面為： A2=F/Ψ[σ]

式中 [σ]——材料的強度設計值(即允許應力)

Ψ<1，故 A2> A1

Ψ值與桿件的長細比λ有關，λ=l0/i

式中 l0——桿件計算長度;

構件的承載能力應滿足σmax≤[σ]

式中 σmax——邊沿最大拉應力

σmin——邊沿最小拉應力

W——截面抵抗矩

由上式可見，在受同樣的外拉力時，偏心受拉構件，其應力耍比軸心受拉構件增大許 多，因此在結構設計中應盡量避免出現這種構件

2.偏心受壓構件

(1)定義：構件承受的壓力作用點與構件的軸心偏離，使構件既受壓又受彎時即為偏 心受壓構件(亦稱壓彎構件)。常見于屋架的上弦桿、框架結構柱、磚墻及磚垛等

(2)構件的受力狀態

由上式可見，在受同樣的壓力F時，當作用點與截面軸心偏離時，截面內的壓應力增加甚多，而且當偏心距較大時截面內除壓應力外將產生一部分拉應力

在實踐中尚有雙向偏心構件。

(三)受彎構件

1.定義

當一水平構件在跨間承受荷載，使其產生彎曲，構件將產生彎矩和剪力，截面內將產生彎曲應力和剪應力。這種構件即稱為受彎構件。這是結構設計中最常見的構件

2.受彎構件的受力狀態

(1)簡支梁在不同荷載作用下的彎矩df及剪力y，見圖6-6

(2)多跨連續梁在均布荷載作用下的彎矩和剪力，見圖6-7

在跨度范圍內彎矩和剪力都是變化的

(3)粱截面內的應力分布

1)彎曲應力

③截面的抗剪主要靠腹板(即粱的截面中部)

(4)受彎構件的變形

受彎構件在荷載作用下要產生彎曲，于是將產生彎曲變形，使梁產生撓度

1)梁的撓度跨中最大

2)撓度的大小與正彎矩成正比

3)跨度相同、荷載相同時，簡支梁的撓度比連續梁、二端固定或一端固定、一端簡支的梁要大

4)撓度的大小與梁的EI成反比

(5)受彎構件的設計要點

1)要滿足彎曲應力不超過材料的強度設計值。即最大彎矩處的最大彎曲應力必須小于強度設計值

2)梁內最大剪力的斷面平均剪應力不超過材料抗剪的設計值

3)梁的最大撓度值不得超過規范規定的數值

(四)幾種基本構件的比較

上述幾種基本構件的合理應用，就能取得合理的結構設計

1.軸心受拉構件是受力最好的構件

(1)最能充分發揮材料性能。因在外力作用下，沿構件全長及截面的內力及應力都是均勻分布

(2)在承受相同的荷載下，與受壓和受彎構件相比所需的斷面最小

(3)只有具有最多數量的軸拉構件和較少軸壓和受彎構件組成的結構體系才是最省材料和經濟合理的體系

2.軸壓構件

承載力受穩定的影響，故應避免長桿受壓，設計時要特別注意側向穩定

3.偏心受壓構件

在相同截面下，因受偏心彎矩的影響，其承載力將隨偏心距的加大而大為減小。而且也要考慮側向穩定的影響

4.受彎構件

(1)構件內的內力不均勻分布，因此不能充分發揮材料的作用

(2)還存在變形能否滿足要求的問題，有時雖已滿足強度要求，變形不能滿足時，則應按變形要求增大構件斷而尺寸。