钢结构经典教程

1、钢结构教程,第一章 概述 第二章 建筑钢材 第三章 钢结构的连接 第四章 轴心受力构件 第五章 梁（受弯构件） 第六章 拉弯与压弯构件,Crane 收集 欢迎大家交流,第一章 绪 论,第一节 钢结构的特点与应用 第二节 钢结构的设计原理与方法 第三节 钢结构的发展 第四节 钢结构课程的学习方法,第一节 钢结构的特点及应用,一、钢结构的特点,强度高、重量轻,钢与混凝土、木材相比，虽然质量密度较大，但其屈服点较混凝土和木材要高得多，其质量密度与屈服点的比值相对较低。在承载力相同的条件下，钢结构与钢筋混凝土结构、木结构相比，构件较小，重量较轻，便于运输和安装。,质地均匀，塑性和韧性好,钢材质地均匀，

2、各向同性，弹性模量大，有良好的塑性和韧性，为理想的弹塑性体，完全符合目前所采用的计算方法和基本理论。,生产、安装工业化程度高，施工周期短,钢结构生产具备成批大件生产和高度准确性的特点，可以采用工厂制作、工地安装的施工方法，所以其生产作业面多，可缩短施工周期，进而为降低造价、提高效益创造条件。,密闭性能好,由于焊接结构可以做到完全密封，一些要求气密性和水密性好的高压容器、大型油库、气柜、管道等板壳结构都采用钢结构。,抗震及抗动力荷载性能好,钢结构因自重轻、质地均匀，具有较好的延性，因而抗震及抗动力荷载性能好。,具有一定的耐热性,温度在250以内，钢的性质变化很小，温度达到300以上，强度逐渐下降

3、，达到450650时，强度降为零。因此，钢结构可用于温度不高于250的场合。在自身有特殊防火要求的建筑中，钢结构必须用耐火材料予以维护。当防火设计不当或者当防火层处于破坏的状况下，有可能将产生灾难性的后果。,远眺纽约曼哈顿世贸大楼,绝版纽约世贸中心双子塔,撞击下的世界贸易中心 美国东部时间2001年9月11日上午8时45分，一架起飞重量达160吨的波音767型飞机，直接撞击纽约世界贸易中心北塔；18分钟后，又一架起飞重量为100吨的波音757型飞机，几乎拦腰撞击世界贸易中心南塔。假设两架飞机的起飞重量是满负荷，再考虑两种机型的速度是1000千米/小时，而且以恐怖分子执意为之的心理，这个速度已是

4、下限，那么，在这种条件下，世界贸易中心受到的冲量究竟有多少呢？,根据动量的计算公式P=mv，m是质点的质量，v是该质点的质心速度，质点的动量是矢量，其方向和速度矢量的方向相同。实质上，飞机撞击世界贸易中心是属于物体对障碍物碰撞的现象，我们先看看有关数据： 一、 北塔所承受767型飞机撞击的动量 m=1601000=160000（千克） v=（10001000）3600277.8米/秒 P=mv=160000277.8=44448000千克米/秒 二、 南塔所承受757型飞机撞击的动量 m=1001000=100000（千克） v=（10001000）3600277.8米/秒 P=mv=1000

5、00277.8=27780000千克米/秒 以上数据之巨，可见飞机每一次撞击的力量都是致命的，所以有物理学家说，这种撞击与爆炸，可达1000吨烈性炸药当量，应该是可信的。,南北塔是筒中筒结构，核心是47个电梯井（因分段设置，47个电梯井可容104部电梯），外围是钢柱排列，9层以下的承重外柱间距为3米，9层以上承重外柱间距为1.016米，标准层窗宽仅0.55米，如此密植的钢铁森林，于极高速撞击之下，两架飞机还是全都没入其腹部，甚至撞击南塔那架还穿透整座进深达63.5米的大厦，撞击力量之巨，威力之大，实在令人悚然。 但是，事实上，世界贸易中心却经受住了这等力量的撞击，因为撞击造成的动量，并不是坍塌

6、的决定因素。,烈火中的世界贸易中心 撞击两塔的波音767型或757型飞机，如果机体直径约计10米的话，也就是说，世界贸易中心北塔的80层左右，南塔的60层左右，在飞机的质量与速度的撞击下，应该各有三层都处于被飞机蹿通的状态。而且767机型满挂油料是45吨，757机型为30吨，这些油料霎时倾倒其中，可从具体数据看其惨烈之状。 世界贸易中心边长=63.5米 世界贸易中心每层的建筑面积=63.563.54032平方米 如果除开间隔墙体所占面积，还有一般占摩天大厦建筑面积达1/51/4的电梯井的面积，也就是说，在3000平方米不到的面积里，浇灌了4530吨的高燃值的油料在燃烧（南塔有一部分溢出）。,我

7、们可以估量，以液态燃油的漫溢性质，这数十吨燃油所产生的热量，或可足以把受撞击层变成熔炉，兼有楼体里面许多例如纸张、塑料制品、各类管线气体等易燃易爆物品，特别是外幕墙玻璃被击破和电梯井被穿透后，电梯井便变作拔气管，成了助燃工具。所以被撞击后的世界贸易中心，远远看去，就像两根硕大的烟囱。同时，高达1000的温度，钢结构都易产生变形，更因上有重压，所以最终招致崩落现象。而且，高温之下，燃油有气化的现象，急速膨胀的气体，燃烧中必然夹杂着爆炸，这更是致命的。 因此，火，火，火，才是世界贸易中心殒落的决定因素。,大厦被撞击后，那里面被飞机蹿空的三层，其核心部位电梯井已失去作用（有部分油料会倒灌井内，引起井

8、道内爆），里面几乎成了镂空状态，在烈火燃烧下，剩下的两侧外围承重的钢柱软化，以上数十层至少有20000余吨的楼层的重力（以两幢共用钢19.2万吨计，加上租赁方的什物就远不止这个数了），在有10米高的空间盈余下，夹着9.8米/秒的加速度作自由落体坠落，重力之下，势如破竹。,在这里，燃烧的高温致使被飞机冲力撞剩的钢柱软化，而被撞击层以上楼层的重力在加速度作用下，以雷霆万钧之势，造成了世界贸易中心遇袭后的必然结果坍塌。所以，世界贸易中心只能是坍塌，而不是倒塌。,钢结构抗腐蚀性较差,钢结构的最大缺点是易于锈蚀。新建造的钢结构一般都需仔细除锈、镀锌或刷涂料。以后隔一定时间又要重新刷涂料，维护费用较高。目

9、前国内外正在发展不易锈蚀的耐候钢，可大量节省维护费用，但还未能广泛采用。,二、钢结构的应用,钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。直观的说：大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。,钢结构的应用,1、重型结构及大跨度建筑结构； 2、多层、高层及超高层建筑结构； 3、轻钢结构； 4、塔桅等高耸结构； 5、钢混凝土组合结构。,钢结构的应用,钢结构通常有框架、平面(木行)架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。,1、厂房钢结构,厂房钢结构一般指重型、大型车

10、间的承重骨架。通常由檩条、天窗架、屋架、托架、柱、吊车梁、制动梁（桁架）、各种支撑及墙架等构件组成。,2、轻型钢结构,轻型钢结构因具有用钢量省、造价低、供货迅速、安装方便、外形美观、内部空旷等特点，在近年来得到迅速的发展，主要用于： 单层或多层厂房、仓库 ； 多层住宅、办公楼 （图） 多层住宅、办公楼柱距一般为69米，不超过8层，基础受力小，有利于抗震；资源耗用少；工业化程度高；施工速度快；可装拆；造价略高。 小别墅 （图）,3、大跨度钢结构,大跨度结构主要有网架结构、悬索结构和网壳结构等。,（1）网架结构,网架结构广泛用作体育馆、展览馆、俱乐部、影剧院、食堂、会议室、候车厅、飞机库、车间等的

11、屋盖结构。具有工业化程度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特点。,网架结构,构成网架的基本单元有三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等，由这些基本单元可组合成平面形状的三边形、四边形、六边形、圆形或其他任何形体。,网架结构,一般而言，网架钢结构有下列三种节点形式： 焊接球节点 螺栓球节点 （图） 钢板节点,（2）悬索及索桁架结构,以一系列拉索为主要承重构件，这些索按一定的规律组成各种不同的形式，悬挂于相应的支撑结构上，使材料强度在受拉情况下得到充分发挥的结构形式。节约钢材（以浙江省体育馆为例，仅17kg/m2）、外形美观、设计施工较复杂，适合于大跨度屋顶。,（3）网壳结构,同网架结构一样，网壳也是

12、由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构，但网架的外形呈平板状，而网壳的外形呈曲面状。网壳结构的特点：外形美观、通透感好，建筑空间大、用材省，设计施工较复杂。,苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）,上海商务中心 网状网壳,4.桥梁钢结构,桥梁钢结构的主要形式有： （1）桁架式桥（如武汉、南京长江大桥）（连续小跨距） （2）箱形桥梁（如立交桥、铁路桥），钢板焊成 （3）拱形桥梁，中、小跨度（图） （4）斜拉桥（如上海南浦、杨浦大桥）“H”型钢，大跨距、特大跨距（图） （5）悬索桥（如江阴长江大桥）桁架梁1000米跨距,拱形桥梁,斜拉桥,5.高耸钢结构,高耸钢结构的结构形式多为空间桁架，

13、其特点是高跨比较大，以水平荷载作用为主，可应用在以下几个方面： （1）输电塔（图） （2）通讯及微波塔 （3）多功能广播电视发射塔（图） （4）桅杆 （5）火炬塔、石油化工塔架,6.高层钢结构,已建的高层钢结构 （纽约世贸中心不幸在恐怖事件中倒塌，向死难的人民表示哀悼）,高层钢结构,（1）一般50层以上建筑均用钢结构 （2）自重轻、抗震性能好，基础处理方便 （3）柱用焊接方管（圆角）、H型钢或组合柱 （4）梁用H型钢，上下翼缘用对接焊，腹板用高强螺栓作抗剪连接，柱与梁翼缘对应处有加强板,高层钢结构,（5）楼板用压型钢板加钢筋网加细石砼构成组合板，板与梁连接用销钉 （6）外墙用玻璃或铝幕墙 （7

14、）基础用桩基加箱基，箱基作停车场 （8）防火要求非常严格,159m 高的启东广播电视塔位于江苏启东新落成的广电广场,购物中心,第二节 钢结构的设计原理与方法,结构设计首层规范建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068）规定：结构的可靠度应采用以概率论为基础的极限状态设计方法分析确定。 钢结构和其他建筑结构一样，遵循“统一标准”要求，采用的也是以概率论为基础，用分项系数表达的极限状态设计方法。,结 构 概 率 设 计 法,对结构设计中需要考虑的多种非确定性因素，如荷载、材料性能等，运用概率论和数理统计的方法来寻找它们的规律性，从而进行结构设计，这就是结构概率设计法。 荷载效应S：取决于各种荷载（

15、恒载、活载、风、地震作用，温度变化等）。 结构或构件的承载力或抗力R：取决于材料、构件的几何特性等。,结 构 概 率 设 计 法,设结构状态方程：Z=R-S 当 Z0 时，结构可靠； 当 Z 20mm e）K形：适合板厚t 20mm f）X形：适合板厚t 20mm,对接焊缝的形式：,对接焊缝的构造,在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中。,对接焊缝的构造,在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，这些缺陷对承载力影响极大，故焊接时一般应设置引弧板和引出板，焊后将它割除。对受静力

16、荷载的结构设置引弧（出）板有困难时，允许不设置引弧（出）板，此时，可令焊缝计算长度等于实际长度减2t（此处t为较薄焊件厚度）。,二、对接焊缝的计算,对接焊缝的强度与所用钢材的牌号、焊条型号及焊缝质量的检验标准等因素有关。 如果焊缝中不存在任何缺陷，焊缝金属的强度是高于母材的。全由于焊接技术问题，焊缝中可能有气孔、夹渣、咬边、未焊透等缺陷。实验证明，焊接缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大，故可认为受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等，但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感。当缺陷面积与焊件截面积之比超过5%时，对接焊缝的抗拉强度将明显下降。由于三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85

17、%，而一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。 对接焊缝的应力分布认为与焊件原来的应力分布基本相同。计算时，焊缝中最大应力（或折算应力）不能超过焊缝的强度设计值。,轴心拉力或压力; 焊缝计算长度，无引弧板时，焊缝长度取实 长减去2t，有引弧板时，取实长; 平接时为焊件的较小厚度，顶接时取腹板厚; 、 对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。,或fcw,1、轴心受力的对接焊缝,在一般加引弧板施焊的情况下，所有受压、受剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算，只有受拉的三级焊缝才需要进行计算。 当直焊缝不能满足强度要求时，可采用斜对接焊缝。当斜焊缝倾角56.3，即tg1.5时，

18、可认为与母材等强，不用计算。,fvw对接焊缝抗剪强度设计值,斜对接焊缝的计算,2、承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝,由于焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件。,焊缝截面抵抗矩 焊缝截面上计算点处以上截面对中和轴的面积矩,对于腹板和翼缘的交界点，正应力、剪应力虽不是最大，但都比较大，所以需验算折算应力，即： 1、1为腹板与翼缘交界点处的正应力和剪应力；1.1为考虑到最大折算应力只在部分截面的部分点出现，而将强度设计值适当提高。,3、承受轴心力，弯矩和剪力联合作用的对接焊缝,当轴心力与弯矩、剪力联合作用时，轴心力和弯矩在焊缝中引起的正应力应进行叠

19、加，剪应力仍按上面的式验算，折算应力仍按上面的式验算。,例题3-1 试验算下图所示钢板的对接焊缝的强度。图中a=540mm,t=22mm，轴心力的设计值为N=2500kN。钢材为Q235-B，手工焊，焊条为E43型，三级检验标准的焊缝，施焊时加引弧板。,第三节 角焊缝连接设计,一、角焊缝的形式 角焊缝是最常用的焊缝。角焊缝按其与作用力的关系可分为：焊缝长度方向与作用力垂直的正面角焊缝；焊缝长度方向与作用力平行的侧面角焊缝以及斜焊缝。按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。,直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（图3.3.1a）。在直接承受动力荷载的结构中，正面角焊缝的截面常采用图3

20、.3.1（b）所示的坦式，侧面角焊缝的截面则作成凹面式（图3.3.1c）。图中的hf为焊角尺寸。 两焊脚边的夹角90或90的焊缝称为斜角角焊缝（图3.3.2）。斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。对于夹角135或60的斜角角焊缝，除钢管结构外，不宜用作受力焊缝。,侧面角焊缝主要承受剪应力，应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态。塑性较好 。 正面角焊缝（图3.3.3b）受力较复杂，截面的各面均存在正应力和剪应力，焊根处有很大的应力集中。这一方面由于力线的弯折，另一方面焊根处正好是两焊件接触间隙的端部，相当于裂缝的尖端。经试验，正面角焊缝的静力强度高于侧面角焊缝。,二、角焊缝的构

21、造要求,围焊时，在转角处截面突变，会产生应力集中，如在此处起灭弧，可能出现弧坑或咬肉等缺陷，从而加大应力集中的影响。故所有围焊的转角处必须连续施焊。对于非围焊情况，当角焊缝的端部在构件转角处时，可连续地作长度为2hf的绕角焊,其它构造要求： (1) 承受动力荷载的结构中，垂直于受力方向的焊缝不宜采用不焊透的对接焊缝。 (2) 在直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形，焊脚尺寸的比例：对正面角焊缝宜为1:1.5,长边顺内力方向；对侧面角焊缝可为1:1。 (3) 在次要构件或次要焊接连接中，可采用断续角焊缝。断续角焊缝之间的净距，不应大于15t（对受压构件）或30t（对受拉构件），

22、t为较薄焊件的厚度。,当角焊缝的两焊脚边夹角为90时，称为直角角焊缝，即一般所指的角焊缝。 角焊缝的有效截面为焊缝有效厚度（喉部尺寸）与计算长度的乘积，而有效厚度he=0.7hf为焊缝横截面的内接等腰三角形的最短距离，即不考虑熔深和凸度。,三、直角角焊缝的基本计算公式,两焊脚边的夹角 焊脚尺寸。,有效厚度,试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，通常认为直角角焊缝是以45方向的最小截面（即有效厚度也称计算厚度与焊缝计算长度的乘积）作为有效计算截面。作用于焊缝有效截面上的应力有：垂直于焊缝有效截面的正应力，垂直于焊缝长度方向的剪应力，及沿焊缝 长度方向的剪应力。但计算比较复杂。 直角角焊缝强度简

23、化的计算基本公式如下：,（1）在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用，正面角焊缝： 对侧面角焊缝：,（2）在各种力综合作用下， 共同作用处。 垂直于焊缝长度方向的应力； f 沿焊缝长度方向的剪应力; he 角焊缝有效厚度；,lw 角焊缝计算长度，每条角焊缝取实际 长度减2 ； ffw 角焊缝强度设计值； f 系数，对承受静力荷载和间接承受动 力荷载的结构，f =1.22，直接承受动 力荷载f =1.0。,四、角焊缝的计算,1、承受轴心力作用时角焊缝连接的计算 （1）用盖板的对接连接 当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝中心时，可认为焊缝应力是均匀分布的。图3.3.11用盖板的对接连接中，当只有侧

24、面角焊缝时，按式（3.7）计算；当只有正面角焊缝时，按式（3.6）计算。,先按式（3.6）计算正面角焊缝承担的内力：,（2）承受斜向轴心力的角焊缝 下图所示受斜向轴心力的角焊缝连接，有两种计算方法。,3、承受轴力的角钢端部连接,在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝一般采用两面侧焊，也可采用三面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。,（1）角钢用两面侧焊缝与节点板连接的焊缝计算 K1、 K2焊缝内力分配系数； N1 、N2 分别为角钢肢背和肢尖传递的内力。,（2）角钢用三面围焊与节点板连接的焊缝计算,端部正面角

25、焊缝能传递的内力为：,（3）角钢用“L”型焊缝与节点板连接的焊缝计算,由 N2 = 0得：,例题 试确定图3.3.15所示承受静态轴心力的三面围焊连接的承载力及肢尖焊缝的长度。已知角钢212510，与厚度为8mm的节点板连接，其搭接长度为300mm，焊脚尺寸hf=8mm，钢材为Q235-B，手工焊，焊条为E43型。,二、复杂受力时角焊缝连接计算,当焊缝非轴心受力时，可以将外力的作用分解为轴力、弯矩、扭矩、剪力等简单受力情况，分别求出具各自的焊缝应力，然后利用叠加原理，找出焊缝中受力最大的几个点，利用公式（3.3.6）进行验算。,1、承受轴力、弯矩、剪力的联合作用时角焊缝的计算 下图所示的双面角

26、焊缝连接承受偏心斜拉力N作用，计算时，可将作用力N分解为NX和Ny两个分力。角焊缝同时承受轴心力NX、剪力Ny和弯矩M=NXe的共同作用。焊缝计算截面上的应力分布如图3.3.16（b）所示，图中A点应力最大为控制设计点。此处垂直于焊缝长度方向的应力由两部分组成，即由轴心拉力NX产生的应力：,这两部分应力由于在A点处的方向相同，可直接叠加，故A点垂直于焊缝长度方向的应力为：,对于工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘的角焊缝连接，通常只承受弯矩M和剪力V的联合作用。由于翼缘的竖向刚度较差，在剪力作用下，如果没有腹板焊缝存在，翼缘将发生明显挠曲。这就说明，翼缘板的抗剪能力极差。因此，计算时通常假设腹板焊缝承受

27、全部剪力，而弯矩则由全部焊缝承受。,为了焊缝分布较合理，宜在每个翼缘的上下两侧均匀布置焊缝，弯曲应力沿梁高度呈三角形分布，最大应力发生在翼缘焊缝的最外纤维1处，由于翼缘焊缝只承受垂直于焊缝长度方向的弯曲应力，为了保证此焊缝的正常工作，应使翼缘焊缝最外纤维处的应力满足角焊缝的强度条件，即：,腹板焊缝承受两种应力的联合作用，即垂直于焊缝长度方向、且沿梁高度呈三角形分布的弯曲应力和平行于焊缝长度方向、且沿焊缝截面均匀分布的剪应力的作用，设计控制点为翼缘焊缝与腹板焊缝2的交点处，此处的弯曲应力和剪应力分别按下式计算：,则腹板焊缝2的端点应按下式验算强度,工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘角焊缝的连接 的另一种

28、计算方法是使焊缝传递应力与母材所承受应力相协调，即假设腹板焊缝只承受剪力；翼缘焊缝承担全部弯矩，并将弯矩M化为一对水平力H=M/h1。则,翼缘焊缝的强度计算式为： 腹板焊缝的强度计算式为：,牛腿在弯矩、剪力共同作用下的角焊缝连接计算: MVe；假设全部剪力均由竖向焊缝承受，弯矩由翼缘与腹板角焊缝共同承受。 点1： 点2： 点3：,2、三面围焊承受扭矩剪力联合作用时角焊缝的计算,图为三面围焊承受偏心力F。此偏心力产生轴心力F和扭矩T=Fe。最危险点为A或A点。,计算时按弹性理论假定：被连接件是绝对刚性的，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而角焊缝本身是弹性的；角焊缝群上任一点的应力方向垂直于该点与形心

29、的连线，且应力大小与连线长度r成正比。图中，A点与A点距形心O点最远，故A点和A点由扭矩T引起的剪应力T最大，故A点和A点为设计控制点。,第四节 焊接应力与焊接变形,焊接变形：钢结构构件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形。 焊接应力：焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约束而产生的应力称为焊接应力。 焊接应力的形成和对钢结构的影响 焊接变形的产生和防止 减少焊接应力和焊接变形的方法 合理的焊缝设计,1. 焊接应力的形成和对钢结构的影响 （1）形成 两块钢板上施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝附近温度高达1600C，其

30、邻近区域温度较低，且冷却很快。冷却时钢材收缩，冷却慢的区域收缩受到限制，从而产生拉应力，冷却快的区域受到压应力。 （2）焊接应力的分类 纵向应力：沿着焊缝长度方向的应力 横向应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力 厚度方向应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。,（3）焊接应力的影响 对常温下承受静力荷载结构的强度没有影响，但刚度降低； 由于焊接应力使焊缝处于三向应力状态，阻碍了塑性变形，裂纹易发生和发展； 降低疲劳强度； 降低压杆的稳定性； 使构件提前进入弹塑性工作阶段。,2. 焊接变形的产生和防止 焊接变形是由于焊接过程中焊区的收缩变形引起的，表现在构件局部的鼓起、歪曲、弯

31、曲或扭曲等。 表现主要有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。如图,3. 减少焊接应力和焊接变形的方法： （1）采用适当的焊接程序，如分段焊、分层焊； （2）尽可能采用对称焊缝，使其变形相反而抵消； （3）施焊前使结构有一个和焊接变形相反的预变形； （4）对于小构件焊前预热、焊后回火，然后慢慢冷却，以消除焊接应力。,4. 合理的焊缝设计： （1）避免焊缝集中、三向交叉焊缝； （2）焊缝尺寸不宜太大； （3）焊缝尽可能对称布置，连接过渡平滑，避免应力集中现象； （4）避免仰焊。,第五节 普通螺栓的连接,一、普通螺栓的连接构造 普通螺栓的分类 螺栓的规格与表示 钢结构一般选

32、用C级（粗制）六角螺母螺栓，标识用M和工程直径（mm）表示，例如M16、M20等,注：A级用于M24以下，B级用于M24以上。,螺栓的排列,螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求： （1）受力要求：在受力方向螺栓的端距过小时，钢材有剪断或撕裂的可能。各排螺栓距和线距太小时，构件有沿折线或直线破坏的可能。对受压构件，当沿作用方向螺栓距过大时，被连板间易发生鼓曲和张口现象。 （2）构造要求：螺栓的中矩及边距不宜过大，否则钢板间不能紧密贴合，潮气侵入缝隙使钢材锈蚀。 （3）施工要求：要保证一定的空间，便于转动螺栓板手拧紧螺帽。 螺栓的各距应满足规定的要求（P84，表3.4）,螺栓连接除了满足上

33、述螺栓排列的容许距离外，根据不同情况尚应满足下列构造要求： （1）为了使连接可靠，每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺栓数不宜少于两个。 （2）对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其他防止螺帽松动的有效措施。例如采用弹簧垫圈，或将螺帽或螺杆焊死等方法。 （3）由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用C级螺栓受剪。 （4）沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板（法兰板），应适当加强其刚度（如加设加劲肋），以减少撬力对螺栓抗拉承载力的不利影响。,二、受力性能与计算 1、受力分类 螺栓根

34、据作用不同，按螺栓受力可以分为：受剪、受拉及剪拉共同作用。剪力螺栓靠孔壁承压、螺杆抗剪传力，拉力螺栓靠螺栓受拉，有时普通螺栓同时受剪、受拉。,2、受剪连接 受力性能与破坏形式 五种破坏形式 螺栓受剪破坏 孔壁挤压破坏 连接板净截面破坏 螺栓受弯破坏 连接板冲剪破坏,a）螺栓剪断,b）钢板孔壁挤压破坏,c）钢板由于螺孔削弱而净截面拉断,d）钢板因螺孔端距或螺孔中距太小而剪坏,e）螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生弯、剪破坏,f）螺栓双剪破坏,上述第 种破坏形式由螺栓端距l12d。保证；第种破坏属于构件的强度验算。因此，普通螺栓的受剪连接只考虑、两种破坏形式。,3、受剪连接的工作性能,螺栓连接试件

35、作抗剪试验，可得出试件上a、b两点之间的相对位移与作用力N的关系曲线。该曲线给出了试件由零载一直加载至连接破坏的全过程，经历了以下四个阶段： （1）摩擦传力的弹性阶段 在施加荷载之初，荷载较小，荷载靠构件间接触面的摩擦力传递，螺栓杆与孔壁之间的间隙保持不变，连接工作处于弹性阶段，在N-图上呈现出0，1斜直线段。但由于板件间摩擦力的大小取决于拧紧螺帽时在螺杆中的初始拉力，一般说来，普通螺栓的初拉力很小，故此阶段很短。,（2）滑移阶段 当荷载增大，连接中的剪力达到构件间摩擦力的最大值，板件间产生相对滑移，其最大滑移量为螺栓杆与孔壁之间的间隙，直至螺栓与孔壁接触，相应于N-曲线上的1，2水平段。 （

36、3）栓杆传力的弹性阶段 荷载继续增加，连接所承受的外力主要靠栓杆与孔壁接触传递。栓杆除主要受剪力外，还有弯矩和轴向拉力，而孔壁则受到挤压。由于栓杆的伸长受到螺帽的约束，增大了板件间的压紧力，使板件间的摩擦力也随之增大，所以N-曲线呈上升状态。达到“3”点时，曲线开始明显弯曲，表明螺栓或连接板达到弹性极限，此阶段结束。 （4）受剪螺栓连接达到极限承载力，直至破坏 。,剪力螺栓受力情况,剪力螺栓受力后，当外力不大时，由构件间的摩擦力来传递外力。当外力增大超过极限摩擦力后，构件间相对滑移，螺杆开始接触构件的孔壁而受剪，孔壁则受压。 当连接处于弹性阶段，螺栓群中的各螺栓受力不等，两端大，中间小；当外力

37、继续增大，达到塑性阶段时，各螺栓承担的荷载逐渐接近，最后趋于相等直到破坏。,单个受剪螺栓的承载力计算 螺栓抗剪： 孔壁承压： 最大承载力：,nv受剪面数 d 螺杆直径 同一方向承压构件较小总厚度 、 螺栓抗剪、抗压强度设计值,普通螺栓群受剪连接计算 1、普通螺栓群轴心受剪 受力特性：沿受力方向，受力分配不均，两端大中间小，在一定范围内，靠塑变可以均布内力，过大时，设计计算时仍按均布，但强度需乘折减系数，当l115d0时： 当l160d0时0.7 连接所需螺栓数量： 连接板净截面强度,2、普通螺栓群偏心受剪 图示螺栓群承受偏心剪力的情形，剪力F的作用线至螺栓群中心线的距离为e，故螺栓群同时受到轴

38、心力F和扭矩T=Fe的联合作用 在轴心力作用下可认为每个螺栓平均受力，即：,扭矩、轴力及剪力共同作用受剪螺栓群计算 扭矩作用：,轴力及剪力作用 轴力扭矩共同作用下最大受力螺栓 受拉螺栓连接 受力性能与承载力,普通螺栓受拉的工作性能 沿螺栓杆轴方向受拉时，一般很难做到拉力正好作用在螺杆轴线上，而是通过水平板件传递。若与螺栓直接相连的翼缘板的刚度不是很大，由于翼缘的弯曲，使螺栓受到撬力的附加作用，杆力增加到：Nt=N+Q 规范将螺栓的抗拉强度设计值降低20%来考虑撬力影响。例如4.6级普通螺栓（3号钢做成），取抗拉强度设计值为：,1、单个普通螺栓的受拉承载力,de 螺纹处有效直径 抗拉强度设计值,

39、普通螺栓群受拉 2、栓群轴心受拉 图示栓群轴心受拉，由于垂直于连接板的助板刚度很大，通常假定各个螺栓平均受拉，则连接所需的螺栓数为：,3、栓群偏心受拉 螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯知M=Ne的联合作用。按弹性设计法，根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉两种情况。,（1）小偏心受拉 当偏心较小时，所有螺栓均承受拉力作用，端板与柱翼缘有分离趋势，故在计算时轴心拉力N由各螺栓均匀承受；弯矩M则引起以螺栓群形心O为中和轴的三角形内力分布，使上部螺栓受拉，下部螺栓受压；叠加后全部螺栓均受拉。可推出最大、最小受力螺栓的拉力和满足设计要求的公式如下（yi均自O点算起）：,（2）大偏心

40、受拉,（2）大偏心受拉,（2）大偏心受拉,当无轴心力N只有弯矩M作用 是特例，属于大偏心的情况，应照上式验算。,4、拉剪共同作用螺栓连接计算 同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓，有两种可能破坏形式：一是螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承压破坏。,规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，应分别符合下列公式的要求：,第六节 高强度螺栓连接 一、概述 按受力特性分：摩擦型与承压型 抗剪连接时摩擦型以板件间最大摩擦力为承载力极限状态；承压型允许克服最大摩擦力后，以螺杆抗剪与孔壁承压破坏为承载力极限状态（同普通螺栓）。受拉时两者无区别。,1、高强度螺栓的抗剪性能 由图3.5.2中可以看出，由于高强度螺

41、栓连接有较大的预拉力，从而使被连板叠中有很大的预压力，当连接受剪时，主要依靠摩擦力传力的高强度螺栓连接的抗剪承载力可达到1点。通过1点后，连接产生了滑解，当栓杆与孔壁接触后，连接又可继续承载直到破坏。如果连接的承载力只用到1点，即为高强度螺栓摩擦型连接；如果连接的承载力用到4点，即为高强度螺栓承压型连接。,受力性能 高强度螺栓安装时将螺帽拧紧，使螺杆产生预拉力而压紧构件接触面，靠接触面的摩擦来阻止连接板相互滑移，以达到传递外力的目的。 高强螺栓按传力机理分摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓。这两种螺栓构造、安装基本相同。但是摩擦型高强螺栓靠摩擦力传递荷载，所以螺杆与螺孔之差可达1.52.0mm。承

42、压型高强螺栓传力特性是保证在正常使用情况下，剪力不超过摩擦力，与摩擦型高强螺栓相同。当荷载再增大时，连接板间将发生相对滑移，连接依靠螺杆抗剪和孔壁承压来传力，与普通螺栓相同，所以螺杆与螺孔之差略小些，为1.01.5mm。 摩擦型高强螺栓的连接较承压型高强螺栓的变形小，承载力低，耐疲劳、抗动力荷载性能好。而承压型高强螺栓连接承载力高，但抗剪变形大，所以一般仅用于承受静力荷载和间接承受动力荷载结构中的连接。,材料 高强度螺栓常用钢材有优质碳素钢中的35号钢、45号钢，合金钢中的20锰钛硼钢等。制成的螺栓有8.8级和10.9级。 8.8级为 10.9级为,2、预拉力值的确定 高强度螺栓的预拉力设计值

43、P由下式计算得到： 式中的系数考虑了以下几个因素： 拧紧螺帽时螺栓同时受到由预拉力引起的拉应力和由螺纹力矩引起的扭转剪应力作用。折算应力为： 根据试验分析，系数 在1.151.25之间，取平均值为1.2。式中分母的1.2既为考虑拧紧螺栓时扭矩对螺杆的不利影响系数。,为了弥补施工时高强度螺栓预拉力的松驰损失，在确定施工控制预拉力时，考虑了预拉力设计值的1/0.9的超张拉，故式右端分子应考虑超张拉系数0.9。 考虑螺栓材质的不定性系数0.9；再考虑用fu而不是用fy作为标准值的系数0.9。,3、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数 高强度螺栓摩擦面抗滑移系数的大小与连接处构件接触面的处理方法和构件的钢号有关

44、。试验表明，此系数值有随连接构件接触面间的压紧力减小而降低的现象，故与物理学中的摩擦系数有区别。 我国规范推荐采用的接触面处理方法有：喷砂、喷砂后涂无机富锌漆、喷砂后生赤锈和钢丝刷消除浮锈或对干净轧制表面不作处理等，各种处理方法相应的值详见表3.6.3和3.6.4。,4、其他构造要求 高强度螺栓连接除需满足与普通螺栓连接相同之排列布置要求外，尚须注意： （1）当型钢构件拼接采用高强度螺栓连接时，其拼接件宜采用钢板。以使被连接部分能紧密贴合，保证预拉力的建立。 （2）在高强度螺栓连接范围内，构件接触面的处理方法应在施工图中说明。 (3)高强螺栓采用级孔，便于施工。 (4)受传力机理的要求，构造上

45、除连接板的边、端距1.5d0外其它同普通螺栓。,二、摩擦型高强螺栓连接计算,1）摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力设计值 一个螺栓的抗剪承载力设计值； 传力摩擦面数； 摩擦面抗滑移系数； 每个高强度螺栓的预拉力。 一个承受剪力 的螺栓需满足： 。,2）摩擦型高强度螺栓的抗拉承载力设计值 一个螺栓的抗拉承载力设计值； 一个承受拉力 的螺栓需满足： 。,3）同时受剪、受杆轴方向拉力时的一个摩擦型高强螺栓的承载力： 一个既承受剪力 ，又承受拉力 的螺栓需同时满足： 或者满足：,三、承压型高强度螺栓,1）承压型高强度螺栓的抗剪承载力设计值 承压型高强度螺栓的抗剪承载力设计值与普通螺栓计算相同，分螺栓杆抗剪和

46、孔壁承压两部分。 为防止承压型高强螺栓受剪变形过大，所受剪力不得大于按摩擦型高强度螺栓计算的抗剪承载力 的1.3倍。 所以一个承受剪力的承压型高强度螺栓需满足：,2）承压型高强度螺栓的抗拉承载力设计值 承压型高强螺栓的抗拉承载力设计值与摩擦型高强螺栓相同，即：,3）同时受剪、受杆轴方向拉力的承压型高强螺栓的强度计算 一个同时受剪、受拉的承压型高强度螺栓，其强度应同时满足：,： 其中,四、高强度螺栓群的计算,高强度螺栓群受剪 1、轴心受剪 此时，高强度螺栓连接所需螺栓数目应由下式确定： 2、高强度螺栓群的非轴心受剪 高强度螺栓群在扭矩或扭矩、剪力共同作用时的抗剪计算方法与普通螺栓群相同，但应采用

47、高强度螺栓承载力设计值进行计算。,高强度螺栓群受拉 1、轴心受拉 高强度螺栓群连接所需螺栓数目： 2、高强度螺栓群受弯矩作用 高强度螺栓（摩擦型和承压型）的外拉力总是小于预拉力P，在连接受弯矩而使螺栓沿栓杆方向受力时，被连接构件的接触面一直保持紧密贴合；因此，可认为中和轴在螺栓群的形心轴上，最外排螺栓受力最大。最大拉力及其验算式为：,3、高强度螺栓群偏心受拉 由于高强度螺栓偏心受拉时，螺拉的最大拉力不得超过0.8P，能够保证板层之间始终保持紧密贴合，端板不会拉开，故摩擦型连接高强度螺栓和承压型连接高强度螺栓均可按普通螺栓小偏心受拉计算，即：,高强度螺栓群承受拉力、弯矩和剪力的共同作用 1、摩擦

48、型连接的计算 图3.6.4所示为摩擦型连接高强度螺栓承受拉力、弯矩和剪力共同作用时的情况。由于螺栓连接板层间的压紧力和接触面的抗滑移系数，随外拉力的增加而减小。已知摩擦型连接高强度螺栓承受剪力和拉力联合作用时，螺栓的承载力设计值应符合相关方程：,即两公式是等价的。式中的Nv是同时作用剪力和拉力时，单个螺栓所能承受的最大剪力设计值。,在弯矩和拉力共同作用下，高强螺栓群中的拉力各不相同，即：,或 此外，螺栓最大拉力应满足：,则剪力V的验算应满足下式：,2、承压型连接的计算 对承压型连接高强度螺栓，应按公式（3.6.7）和（3.6.8）验算拉剪的共同作用。即：,三、承压型高强螺栓连接 受力性能同普通

49、螺栓，拉剪作用时以栓杆抗剪及孔壁承压承力；受拉同摩擦型，计算公式总结如表3.11。,本章重点 1、角焊缝的构造与计算； 2、焊接残余应力与变形的产生机理与影响； 2、普通螺栓受剪连接的破坏形式与机理； 3、高强螺栓连接的构造与计算。,第四章轴心受力构件,第一节 概 述 第二节 轴心受力构件的强度与刚度 第三节 实腹式轴心受压构件的整体稳定 第四节 实腹式轴心受压构件的局部稳定 第五节 实腹式轴心受压构件的截面设计 第六节 格构式轴心受压构件,第一节 概 述 轴心受力构件分轴心受拉及受压两类构件，作为一种受力构件，就应满足承载能力与正常使用两种极限状态的要求。 正常使用极限状态的要求用构件的长细

50、比来控制；承载能力极限状态包括强度、整体稳定、局部稳定三方面的要求。 稳定问题是钢构件的重点问题，所有钢构件都涉及到稳定问题，是钢构件设计的重点与难点。本章将简单讲述钢结构的钢结构稳定理论的一般概念，为下序章节打基础。 轴心受力构件的截面分：实腹式与格构式两类（P97图4.2） 实腹式又分型钢截面（包括普通型钢与薄壁型钢），组合截面（钢板组合与型钢组合截面） 格构式截面又分缀条式截面与缀板式截面,轴心受力构件包括轴心受压杆和轴心受拉杆。轴心受力构件广泛应用于各种钢结构之中，如网架与桁架的杆件、钢塔的主体结构构件、双跨轻钢厂房的铰接中柱、带支撑体系的钢平台柱等等。 实际上，纯粹的轴心受力构件是很

51、少的，大部分轴心受力构件在不同程度上也受偏心力的作用，如网架弦杆受自重作用、塔架杆件受局部风力作用等。但只要这些偏心力作用非常小（一般认为偏心力作用产生的应力仅占总体应力的3以下。）就可以将其作为轴心受力构件。,轴心受力的构件可采用图中的各种形式。 其中 a）类为单个型钢实腹型截面，一般用于受力较小的杆件。其中圆钢回转半径最小，多用作拉杆，作压杆时用于格构式压杆的弦杆。钢管的回转半径较大、对称性好、材料利用率高，拉、压均可。大口径钢管一般用作压杆。型钢的回转半径存在各向异性，作压杆时有强轴和弱轴之分，材料利用率不高，但连接较为方便，单价低。,b) 类为多型钢实腹型截面，改善了单型钢截面的稳定各

52、向异性特征，受力较好，连接也较方便。 c) 类为格构式截面，其回转半径大且各向均匀，用于较长、受力较大的轴心受力构件，特别是压杆。但其制作复杂，辅助材料用量多。,第二节 轴心受拉构件的强度与刚度 一、轴心受拉构件的强度,以净截面的平均应力强度为准则：即,对于高强度螺栓摩擦型连接的构件，除按此式验算净截面强度外，还按前面的式子验算毛截面强度。,按正常使用极限状态的要求，轴心受力构件均应具有一定的刚度。轴心受力构件的刚度通常用长细比来衡量，长细比愈小，表示构件刚度愈大，反之则刚度愈小。 当轴心受力构件刚度不足时，在本身自重作用下容易产生过大的挠度，在动力荷载作用下容易产生振动，在运输和安装过程中容

53、易产生弯曲。因此，设计时应对轴心受力构件的长细比进行控制。,二、轴心受拉构件的刚度,式中： 拉杆按各方向计算得的最大长细比； l0 计算拉杆长细比时的计算长度； i 截面的回转半径（与 l0相对应）； 容许长细比。按规范采用。,第三节 实腹式轴心受压构件的整体稳定 轴心压杆的破坏形式有强度破坏、整体失稳破坏和局部失稳破坏三种。 轴心压杆的截面若无削弱，就不会发生强度破坏。截面削弱的程度较整体失稳对承载力的影响小，也不会发生强度破坏。如截面削弱的程度较整体失稳对承载力的影响大，则会发生强度破坏。轴心压杆的强度计算方法同轴心拉杆。,一、稳定问题的概述 所谓的稳定是指结构或构件受载变形后，所处平衡状

54、态的属性。如图4.4，稳定分稳定平衡、随遇平衡、不稳定平衡。结构或构件失稳实际上为从稳定平衡状态经过临界平衡状态，进入不稳定状态，临界状态的荷载即为结构或构件的稳定极限荷载，构件必须工作在临界荷载之前。 轴心受压构件的整体失稳现象,对某些抗扭刚度较差的轴心受压构件（如十字形截面），当轴心压力N达到临界值时，稳定平衡状态不再保持而发生微扭转。当N再稍微增加，则扭转变形迅速增大而使构件丧失承载能力，这种现象称为扭转屈曲或扭转失稳 . 截面为单轴对称（如T形截面）的轴心受压构件绕对称轴失稳时，由于截面形心与截面剪切中心（或称扭转中心与弯曲中心，即构件弯曲时截面剪应力合力作用点通过的位置）不重合，在发

55、生弯曲变形的同时必然伴随有扭转变形，故称为弯扭屈曲或弯扭失稳。同理，截面没有对称轴的轴心受压构件，其屈曲形态也属弯扭屈曲。 钢结构中常用截面的轴心受压构件，由于其板件较厚，构件的抗扭刚度也相对较大，失稳时主要发生弯曲屈曲；单轴对称截面的构件绕对称轴弯扭屈曲时，当采用考虑扭转效应的换算长细比后，也可按弯曲屈曲计算。因此弯曲屈曲是确定轴心受压构件稳定承载力的主要依据，本节将主要讨论弯曲屈曲问题。,二、理想轴心受压构件的整体失稳, 弹性弯曲屈曲 图6.3.2为两端铰接的理想等截面构件，当轴心压力N达到临界值时，处于屈曲的微弯状态。在弹性微弯状态下，由内外力矩平衡条件，可建立平衡微分方程，求解后可得到

56、著名的欧拉临界力公式为：,根据右图列平衡方程 解平衡方程：得,弹塑性弯曲屈曲,轴心受压构件的整体稳定计算应满足：,3、实际构件的整体稳定 实际构件与理想构件间存在着初始缺陷，缺陷主要有：初始弯曲、残余应力、初始偏心。 (1)残余应力的影响 构件中的力学缺陷主要是指残余应力，它的产生主要是由钢材热轧以及板边火焰切割、构件焊接和校正调直等加工制造过程中不均匀的高温加热和冷却所引起的。其中焊接残余应力数值最大，通常可达到或接近钢材的屈服强度fy。,H型钢，在热轧后的冷却过程中，翼缘板端的单位体积的暴露面积大于腹板与翼缘交接处，冷却较快。腹板与翼缘的交接处，冷却较慢。同理，腹板中部也比其两端冷却较快。

57、后冷却部分的收缩受到先冷却部分的约束产生了残余拉应力，而先冷却部分则产生了与之平衡的残余压应力。因此，截面残余应力为自平衡应力。 钢构件在轧制、焊接、剪切等过程中，会在钢构件中产生内部自相平衡的残余应力，残余应力对构件的强度无影响，但会对构件的稳定承载力产生不利影响。,注：残余应力对弱轴的影响大于对 强轴的影响,（2）初始弯曲、初始偏心的影响,4、实际轴压构件的工程计算方法 初始弯曲与初始偏心的影响规律相同，按概率理论两者同时取最大值的几率很小，工程中把初弯曲考虑为最大（杆长的千分之一）以兼并考虑初偏心的影响；按弯曲失稳理论计算，考虑弯扭失稳的影响，同时考虑残余应力的影响，根据各类影响因素的不

58、同将构件截面类型分为a、b、c及d四类（详见p117，图4. 6及表4.2a）。 a类为残余应力影响较小，c类为残余应力影响较大，并有弯扭失稳影响，a、c类之间为b类，d类厚板工字钢绕弱轴。 规范计算公式 按计算,三、轴心受压构件的局部稳定 实腹式轴心受压构件一般由若干矩形平面板件组成，在轴心压力作用下，这些板件都承受均匀压力。如果这些板件的平面尺寸很大，而厚度又相对很薄（宽厚比较大）时，在均匀压力作用下，板件有可能在达到强度承载力之前先失去局部稳定。给出考虑板件间相互约束作用的单个矩形板件的临界应力公式为：,轴心受压构件局部稳定的计算方法 1确定板件宽(高)厚比限值的准则 为了保证实腹式轴心受压构件的局部稳定，通常采用限制其板件宽(高)厚比的办法来实现。确定板件宽(高)厚比限值所采用的原则有两种：一种是使构件