钢结构局部强度计算.docx

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钢结构局部强度计算

钢结构局部强度计算

1强度的分类

2载荷的分类

3构件变形的分类

4许用应力与安全因数

第一章杆件的强度和稳定性计算

1.1型材剖面要素的计算

1.1.1型材带板

1.1.2型材剖面模数与惯性矩的计算

1.2拉杆和短粗压杆的强度设计

1.2.1危险点的位置

1.2.2强度设计

1.3压杆的稳定性计算

10

1.3.1细长杆的稳定性计算

10

1.3.2中小柔度压杆的稳定性计算

11

1.3.3压杆的稳定性计算

12

1.4杆件抗弯强度计算

13

1.4.1强度要求

13

1.4.2常见形式的型材受力分析

13

第二章板的强度计算

16

2.1板的分类

16

16

2.2刚性板的应力计算

2.2.1均布载荷板内最大正应力的计算

16

第三章区域详细设计

19

3.1外板设计

19

3.1.1船底板

19

3.1.2平板龙骨

20

3.1.3舭列板

20

3.1.4舷侧外板

20

3.1.5舷顶列板

22

3.2甲板设计

22

3.2.1强力甲板

22

3.2.2甲板边板

23

3.2.3下层甲板

23

3.2.4

甲板外载荷

24

3.2.5

甲板横梁的剖面模数W不小于下式计算所得值

25

3.2.6

甲板纵桁

25

3.2.7

甲板纵骨

26

3.3舱壁设计

27

3.3.1水密舱壁

27

3.3.2非水密舱壁设计

29

3.4舷侧骨架设计

30

3.4.1标准间距Sb

30

342横骨架式舷侧骨架设计

30

3.4.3纵骨架式舷侧骨架设计

31

附录一常用型材规格表

34

球扁钢

34

不等边角钢

35

不等边不等厚角钢

38

管形钢质支柱

40

表5瑞典（INEXA）公司球扁钢

44

表6挪威（FUNDIA）公司球扁钢

46

附录二肘板尺寸

48

表7肘板尺寸

48

附录三参考文献

49

船体结构设计内容是：

选择合适的结构材料和结构形式，决定结构的尺寸和连接方式；在保证结构具有足够强度和安全性的前提下，使其具有最佳的技术经济性和美观性.

影响船体结构强度（结构安全性）的因素主要有两方面：

载荷效应和材料性能.

长期以来，结构的安全性衡量标准都普遍米用确定性的许用应力法.该法以

预先规定的某一计算载荷为基础，利用结构剖面中的计算应力C与许用应力[c]相比较来检验强度是否足够.

0.1强度的分类

船体结构强度，按作用范围可分为：

总强度、区域强度（甲板强度、舱壁强度、底板强度等）和局部强度.

船体结构强度，按作用形式可分为：

纵向强度、横向强度和扭转强度

0.2载荷的分类

1.作用在船体结构上的载荷，按其对结构的影响可分为：

总体性载荷和局

部性载荷.

a）总体性载荷：

是指引起整个船体变形或破坏的载荷和载荷效应.例

如：

总纵弯曲的力矩，剪力，应力及纵向扭矩

b）局部性载荷：

是指引起局部结构，构件的变或破坏的载荷.例如:

水密试验的压力，设备不平衡造成的惯性力，局部振动等.另外,

货物，油，水等重力及舷外水压（静水或波浪）既能引起引起局部结构和构件的变形或破坏，又能引起总纵弯曲，扭转甚至船的断裂

2.作用在船体结构上的载荷，按载荷随时间变化的性质可分为：

不变载荷,

3.

静变载荷，动变载荷和冲击载荷.

荷（包括静水压力，货物压力，静水弯矩等），水密试验时的水压等.

过该受力结构的固有震动周期若干倍，又称准静态载荷.例如：

波

浪载荷，液体货物的晃动压力，航行中的甲板上浪等

有振动周期同阶.例如：

螺旋桨引起的脉动压力，局部结构的强迫

（机械）震动等.

0.3构件变形的分类

当构件的承载能力不能满足载荷对其产生的应力时，该构件的存在形式会产生变化.一般情况下可以分为：

屈服和断裂.屈服分为压缩、拉伸和扭转变形.

0.4许用应力与安全因数

许用应力是由材料本身决定的.比如说钢的密度7.85（g/cm3），抗拉强度

b=1.03GPa，弹性模数E=2.1X102GPa.

极限应力：

材料丧失正常工作能力时的应力jx，称为极限应力.塑性材料的极限应力为其屈服点s.脆性材料的极限应力为其抗拉（压）强度b

许用应力：

为保证构建安全工作，需有足够的安全储备，因此把极限应力除

jx

n

以大于1的安全因数n作为材料的许用应力，记作，即

1.1型材剖面要素的计算

1.1.1型材带板

船体结构中大多数骨架都是焊接在钢板上的，当骨架受力发生变形时，与它连接的板也一起参加骨架抵抗变形。

因此估算骨架的承载能力，也应把一定宽度的板计算在骨架剖面中，即作为它的组成部分来计算骨架梁的剖面积，惯性矩和剖面模数等几何要素，这部分板称为带板或附连翼板。

带板有效面积：

A=10fbt（cm2

式中：

f=0.3（L/b）2/3，但是不大于1;

b—主要构件支撑面积平均宽度，m;

L—主要构件的长度，m;

t—带板的平均厚度，mm.

此外法国，挪威等国家的规范规定：

计算带板时要考虑相邻构件的影响

常见的型材带板面积见附录

1.1.2型材剖面模数与惯性矩的计算

剖面对中和轴的惯性矩为:

ff2

f1f2—（f1f2）—

I312

f1f2f

型材面板的剖面模数为:

hl

型材带板的剖面模数为:

式中，剖面中和轴至参考轴的距离为:

f2fh

2

1f2f

规律:

1.只要剖面高度h不变，增加带板面积虽然可以增加剖面模数，但增加得

极为缓慢，就是说带板的变化对剖面模数影响不大，而且从节约材料（经济）的观点来看，也不是上选。

2.增加不对称型材最小剖面模数的最有效办法是增加腹板高度；或者腹板

高度不变时，增加小翼板的剖面积。

常见截面的剖面模数可参考表1-1和附录一（常用型材规格表以及其他材料手册）。

表1-1常见截面的惯性矩和抗弯截面系数表

型心

位置

1.2拉杆和短粗压杆的强度设计

1.2.1危险点的位置

一般来说危险点是指危险截面上具有最大应力的点。

杆件在轴向拉伸或压缩时，最大轴力所在截面或尺寸最小的截面都可能是危险截面。

由于拉压杆横截面上的正应力是均匀分布的，所以危险截面上的任何一点都是危险点。

1.2.2强度设计

如图所示，当构件受到纵向拉伸或压缩时，该构件的强度校核标准为:

员x=fNmx<[d强度满足.

A

dax=弘竺>[d强度不满足，需要加强。

A

当次要区域结构受到不变载荷时:

X100%<5%强度满足，可以不做加强.

式中：

Fnmax—最大载荷，N；

A—受力构件最小横截面积，mm2;

omax—最大工作应力N/mm2；

[o—许用应力

一般在静载情况下，杆件的抗拉强度要小于抗压强度。

1.3压杆的稳定性计算

1.3.1细长杆的稳定性计算

细长压杆往往在因强度不足而破坏以前，就因为它不能维持直线形状而失去正常工作能力。

这是和强度问题截然不同的一类问题，即稳定性问题。

压杆丧失其直线形状的平稳而过渡为曲线形状的现象，称为丧失稳定，简称失稳。

这种使压杆直线状态的平衡开始由稳定转变为不稳定的轴向压力的极限

值，称为压杆的临界载荷，用Fcr表示。

由欧拉公式可得:

I—压杆失稳时截面对其中性轴的惯性矩;

E—弹性模量GPa.（—般低碳钢取值200~220;合金钢取值

190~220）

压杆在临界载荷作用下，其横截面上的平均应力称为压杆的临界应力，用cr

表示，即

良2EIcr=A（I）2A

几种常见的细长中心压杆的临界载荷与长度因数见表1-2

表1-2常见的细长中心压杆的临界载荷与长度因数

压杆越容易失稳。

欧拉公式才成立.这类压杆称为大柔度杆,

即细长杆。

1.3.2中小柔度压杆的稳定性计算

当压杆的VP,但大于某一界限值S时，称其中柔度杆.其临界应力公式

为crab。

式中a,b为与材料性能有关的常数，单位为MPa。

几种常用材料的a,b

值见表1-3.

材料

a/MPa

b/MPa

p

S

Q235钢b372MPas235MPa

304

1.12

100

61.6

优质碳素钢b^MPas3°6MPa

461

2.568

硅钢b510MPas353MPa

577

3.744

铬钼钢

980

5.296

55

0

铸铁

332.2

1.453

强铝

373

2.14

50

0

直线公式也有一定的适用范围，即压杆的临界应力不超过材料的屈服点

s（塑性材料）或抗拉强度

b（脆性材料）。

例如，对于塑性材料，在使用直线公式时，则要求

crab

所以，s

对于脆性材料，只需用b

代替s，就可以得到脆性材料适用直线公式的最小柔度值。

1.3.3压杆的稳定性计算

实际

压杆

金属结构中的压杆

磨床油缸活塞杆

高速发动机挺杆

机床丝杆

精密丝

杆

水平长丝杠

低速发动机挺杆

冶金设

备压杆

nw

1.8~3.0

2~5

2~5

2.5~4

>4

>4

4~6

4~8

常见的安全因数

见表

表1-4

1.4杆件抗弯强度计算

1.4.1强度要求

式中：

W—剖面模数（W=l/h）,mm3

I—中和轴的惯性矩，mm4；h—危险点到中和轴的距离;

M—力矩（M=FL）；

F—力，N;

L—力臂。

142常见形式的型材受力分析

表1-5常见形式的型材受力分析

要素

条件

两端自由支持

跨度内受集

Rl'nFb'R2

0

中应力

跨度内受均

ZrT

R1

o

JR2

R1=-p（b/L），R2=-p（a/L）

x=a，Mmax=-Pab/L

x=L/2，Mmax=_PL/4

R1=R2=-Q/2

M=-0.5QL（x/l_-x2/L2）

布载荷

x=1/2，Mmax=0.125QL

部分跨度受

R1

0.

R2

均布载荷

R1=-Qb/2L，R2=-Q（1-b/2L）

Mmax=-0.125Qb（1+a/L）2

R1=-（Q/2L）（b+2c）;R2=-（Q/2L）（b+2a）

跨度内某段

R1

」R2

受均布载荷

M=-（Q/2L）（b+2c）x+IIa（Q/2b）（x-a）2

x>a+b,

Zt

M=（Q/2L）（b+2c-2L）x-Q（a+b/2）

x=L/2,a=c,

Mmax=-Q（2L-b）/8

R1=-P（L+a）/L

R2=-Pa/L

应力

FKI

R2

门一r-一

——,

J.

L

fl

■

O,

—端受集中

x

a

M=Pa（L-x+a）/L

x>（a+L）,M=0

两端受集中

应力

R2P2

rx,

„a_

R1=-P1-a（P1-P2）/L

R2=-P2-a（P2-P1）/L

x

a

受均布载荷

尊

olllllllllllllllllllIlliOlllllllllll|lllllllll

:

占盘

3【■刁

R1=R2=-Q（L+2a）/2

x

a

两端刚性固定

M1=-M2=QL/12

部分跨度受

跨度内某段

受均布载荷

均布载荷

M1=-Qa2（6-8a/L+3a2/L2）/12;

M2=-Qa3（4-3a/L）/12L

M1=（2mq/3L3）[abL+（2b-a）（ab-m2）];

M2=（2mq/3L3）[abL+（2a-b）（ab-m2）];a=b,M1=-M2=Qm（3L2-4m2）/12L

第二章板的强度计算

2.1板的分类

船体的平板一般受到两种类型的载荷，一是垂直于板面的横向载荷，它导致板发生弯曲；二是作用在板平面内的载荷，即板平面内的拉力或压力。

在这两种载荷作用下，板的剖面上将产生两种应力。

作用在板平面内沿板厚

度均匀分布的应力称为悬链应力oa,或称为中面应力。

沿板厚为线性分布的应

力称为弯曲应力o。

板内总应力即为两者之和，如图2-1所示。

+

0bcrt

图2-1

按照板在弯曲时所形成的应力状态的特征，可将板划分为:

类应力的板为"柔性板"；

以将弯曲应力忽略不计的板.

2.2刚性板的应力计算

2.2.1均布载荷板内最大正应力的计算

垂直于X轴剖面上下表面的正应力（N/mm2）:

01=±6M1/t2

垂直于y轴剖面上下表面的正应力（N/mm2）：

o2=±6M2/t2

式中：

M1—板中心处平行y轴的剖面上的最大弯矩

M2—板中心处平行x轴的剖面上的最大弯矩

M1和M2的取值可参考：

承受均布载荷钢板弯曲要素表2-1；2-2；2-3。

ab

ab

ab

0b

（,—）

a2

a0

（,）

2b

x=0,

y=0,

0

X

（,—）

22

（—,—）

22

（—,—）

22

x=a

y=b

q

CO

M1

M2

N1

N2

R1

R2

V

■卩」

Pb4

K2pb2

K3Pb2

K4pb

K5pb

K6Pb2

K7pab

k1Et3

a/b

k1

K2

K3

K4

K5

K6

K7

1.0

0.0443

0.0479

0.0479

0.338

0.338

0.250

0.250

1.1

0.0530

0.0494

0.0553

0.346

0.360

-

-

1.2

0.0616

0.0501

0.0626

0.352

0.380

0.260

0.285

1.3

0.0697

0.0504

0.0693

0.357

0.397

-

-

1.4

0.0770

0.0506

0.0753

0.361

0.411

0.265

0.310

1.5

0.0843

0.0500

0.0812

0.363

0.424

-

-

1.6

0.0906

0.0493

0.0862

0.366

0.435

0.267

0.332

1.7

0.0964

0.0486

0.0908

0.367

0.444

-

-

1.8

0.1017

0.0479

0.0948

0.368

0.452

0.271

0.347

1.9

0.1064

0.0471

0.0985

0.369

0.459

-

-

2.0

0.1106

0.0464

0.1017

0.370

0.465

0.272

0.364

3.0

0.1336

0.0404

0.1185

0.371

0.493

0.272

0.410

4.0

0.1400

0.0384

0.1235

0.371

0.498

0.272

0.435

5.0

0.1416

0.0375

0.1246

0.371

0.500

0.272

0.452

OC

0.1422

0.0375

0.1250

0.371

0.500

0.272

0.500

表2-2

四周刚性固定的板

ab

ab

ab

0b

（,—）

a2

a0

（—,）

2b

x=0,

y=0,

0

X

「LH_

（—,—）

22

（—，—）

22

（—，—）

22

x=a

y=b

IIq呂

O

M

M

Ni

N2

R

R

V

「卩J

pb4

K2Pb2

K3Pb2

K4Pb2

Kspb2

K6Pb2

K7pab

k1Et3

a/b

k1

K2

K3

K4

K5

K>

冷

1.0

0.0138

0.0229

0.0229

0.0513

0.0517

0.250

0.250

1.1

0.0165

0.0234

0.0264

0.0538

0.0554

0.253

0.271

1.2

0.0191

0.0231

0.0299

0.0554

0.0612

0.255

0.290

1.3

0.0210

0.0224

0.0327

0.0563

0.0668

0.256

0.306

1.4

0.0227

0.0215

0.0340

0.0568

0.0714

0.256

0.320

1.5

0.0241

0.0204

0.0368

0.0570

0.0753

0.255

0.332

1.6

0.0251

0.0193

0.0381

0.0571

0.0784

0.255

0.343

1.7

0.0260

0.0182

0.0342

0.0571

0.0807

0.254

0.352

1.8

0.0267

0.0174

0.0401

0.0571

0.0821

0.253

0.360

1.9

0.0272

0.0165

0.0407

0.0571

0.0826

0.252

0.367

2.0

0.0276

0.0152

0.0412

0.0571

0.0829

0.252

0.374

3.0

0.0279

0.0143

0.0415

0.0571

0.08320.251

0.412

4.0

0.0282

0.0139

0.0417

0.0571

0.08330.251

0.432

5.0

0.0284

0.0139

0.0417

0.0571

0.08330.250

0.450

OC

0.0284

0.0139

0.0417

0.0571

0.08330.250

0.500

表2-3

两对边自由支持，两对边刚性固定的板

a>b

a

.fl.

ab

ab

a-

ab

ab

（—，一）

（—，一）

（—，一）

（—，一

0x

22

22

q

o

x22

22

M

M>

y

M

M>

■y

f

k1pb2

k2pb2

k1pa2

k2pa2

a/b

k1

k2

b/a

k1

k2

1.0

0.0332

0.0244

1.0

0.0332

0.0244

1.1

0.0370

0.0309

1.1

0.0356

0.0230

1.2

0.0401

0.0377

1.2

0.0374

0.0216

1.3

0.0426

0.0447

1.3

0.0388

0.0202

1.4

0.0446

0.0517

1.4

0.0399

0.0189

1.5

0.0460

0.0585

1.5

0.0406

0.0172

1.6

0.0469

0.0650

1.6

-

-

1.7

0.0474

0.0711

1.7

-

-

1.8

0.0476

0.0768

1.8

-

-

1.9

0.0476

0.0821

1.9

-

-

2.0

0.0474

0.0869

2.0

0.0421

0.0142

3.0

0.0421

0.1144

3.0

-

-

4.0

0.0390

0.1223

4.0

-

-

5.0

0.0379

0.1243

5.0

-

-

OC

0.0375

0.1250

O

0.0417

0.0125

）

由表格数据可知，局部结构的强度是否满足要求，主要取决于以下几点:

1.保证板格在载荷作用下具有足够强度：

材料的选择。

作用于板上的载荷

导致板开始屈服，并不标志板的承载能力丧失或破坏。

板可能承载比这大几倍的载荷，然后才以任意一明显方式破坏，或其变形大得不可容许。

而扶强材的承载能力一般要比板低的多，并且作用在板上的力大多会传到扶强材上，所以板的极限破坏几乎不可能发生。

2.板格的比例。

如果作用在板格上的载荷导致扶强才的屈服，这时就需要

调整板格比例（增加加强筋）。

第二章区域详细设计

Frt

3.1外板设计

船体外板由平板龙骨、船底板、舭列板、舷侧列板和舷顶列板等组成.《海

船规范》将外板划分为中部0.4L、离船端0.075L以及中间过渡部分三大区域,并按横骨架式和纵骨架式分别给出了最小厚度计算值

3.1.1船底板

船底板是指由平板龙骨至舭列板之间的外板。

在海船中部0.4L区域内船底

板厚度不应小于一下公式计算值。

式中：

s—肋骨间距和纵骨间距，m。

计算时，取值不小于（0.001X

6L+0.5）m；

d—吃水，m；

L—船长，m，计算时，横骨架式L不大于200m，纵骨架式L不

大于190m；

h1—h1=0.26C，计算时取值不大于0.26d;

C—系数，C0.0412L4,当L<90m时

C10.75（300?

）3/2,当90三“300m

2

E—E1，其中S为船底桁材或龙骨间距，m；

—弯曲许用应力，N/mm2;对于外板应不小于0.7，对于船长小于65m

的船舶Fb=10

3.1.2平板龙骨

平板龙骨的厚度规范规定不小于船底板的厚度加2mm0并同时规定，平

板龙骨的宽度b应在整个船长内保持不变，而且应不小于按下式计算值:

1800mmo

B=900+3.5L（mm）

式中L为船长，m。

另外，平板龙骨的宽度不必大于

3.1.3舭列板

S不超过下值

舭列板厚度均应不小于相邻的船底板厚度.当船底和舷侧采用纵骨架式

且舭部不设纵骨时，该处的横向强力构件或相当舭肘板的间距

S8106—（mm）

Dr\r

式中：

D—型深，m;

r—舭部半径，mm；

t—舭列板厚度，mm，应满足于t>r/165，t>tio

3.1.4舷侧外板

舷侧为横骨