钢结构设计讲点讲义.ppt

1,第一章 绪论,1.1.1 钢结构的特点,1.1.1 钢结构的特点,1. 强度高,2. 塑性、韧性好,3. 材质均匀、性能稳定,4. 制作简便，施工工期短,5. 重量轻,6. 耐腐蚀性差,7. 耐热不耐火,.,.,2,第一章 绪论,1.1.2 钢结构的应用,1.1.2 钢结构的应用,1大：大跨度结构,2重：重型工业厂房,3高：高层建筑、高耸结构,4动：受动荷载作用的厂房,5轻：荷载较小的轻钢结构,6: 可拆装的结构 7: 容器和其它构筑物,3,第一章 绪论,1.2 钢结构的设计方法,1.2 钢结构的设计方法,设计方法：以概率理论为基础的极限状态设计方法,计算疲劳仍采用容许应力幅法,计算强度、稳定、连接用荷载设计值,计算疲劳、变形用荷载标准值,对于直接承受动力荷载的结构： 在计算强度和稳定时，动力荷载设计值应乘动力系数 在计算疲劳和变形时，动力荷载标准值不应乘动力系数,4,1.2.1 钢结构的极限状态,1：承载能力极限状态 2：正常使用极限状态 1.2.2 概率极限状态设计法 1：功能函数 z = r s 2：结构的可靠度 ps = p（z 0） 3：失效概率 pf = p（z 0）= 1 - ps 4：可靠指标 ps = 1 pf = () 1.2.3 设计表达式 r/0 = rk / 0 r gs gk + q sqk,1.2 钢结构的设计方法,第一章 绪论,5,第一章 绪论,1.3 钢结构的应用与发展,1.3 钢结构的发展,（1）高性能钢材的研究与应用,（2）设计方法的改进,（3）稳定理论的进一步发展,（4）预应力钢结构的研究与应用,（5）空间钢结构与高层钢结构的研究与应用,（6）组合结构的研究与应用,6,轻质材料的质量密度与强度的比值 小 q235钢 c30混凝土,附1: 轻质高强,q235钢 密度：7850kg/m3 强度：235n/mm2,c30混凝土 密度：2450kg/m3 强度：20n/mm2,7,附2: 塑性、韧性好,塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量,塑性承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。 塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而 突然断裂，给人以安全保证,韧性承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。 韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。,8,附3: 耐热不耐火,100以内，强度无影响,150以上，必须进行遮挡处理,600左右，钢材进入塑性，无承载能力,措施：防火涂料、防火漆、外包混凝土,9,钢结构设计原理,第二章 钢结构的材料,2.1 钢结构对材料的要求 2.2 钢材的破坏形式 2.3 钢材的主要性能及鉴定 2.4 影响钢材性能的因素 2.5 钢材的种类规格和选择,10,第二章 钢结构的材料,2.1 钢结构对材料的要求,较高的强度。,2.1 钢结构对材料的要求,足够的变形能力，塑性、韧性好。,良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）。,钢结构设计规范（gb50017-2003）规定： 承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。对需要验算疲劳的非焊接结构的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。,其它特殊要求,11,第二章 钢结构的材料,2.2 钢材的破坏形式,塑性破坏：破坏前有明显的变形，破坏历时时 间长，可以采取补救措施。,2.2 钢材的破坏形式,脆性破坏：破坏前没有明显的变形，破坏发生 突然，没有机会补救。,脆性破坏的原因：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造 不合理、使用不当等。,应尽量发挥材料的塑性 避免一切脆性破坏的可能性,12,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,一、强度,2.3 钢材的主要性能,强度指标是由钢材的单向均匀受拉试验测得的,强度指标：比例极限 ；屈服强度 ；极限强度,试验条件：标准试件在常温（20）下缓慢加载， 一次完成,13,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,钢材在单向均匀受拉时工作性能表现为四个阶段,弹性阶段: 应力最高点对应比例极限 弹性模量 应力,2. 弹塑性阶段: 应力介于 和 之间 弹塑性模量 是变数,3. 塑性阶段: 应力达到屈服强度,4. 强化颈缩阶段: 应力最高点对应抗拉极限,14,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体,1. 计算简便,2. 与 相差不大,3. 虽然 ，但 对应 的应变非常大（不满足正 常使用极限状态）,4. 以 作为设计强度的依据，具有较大的强度储备， 若出现偶然因素，使人们有机会补救,屈强比 ：q235钢为0.57，q345钢为0.67,15,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,简化计算, 采用理想弹塑性模型,作为钢结构设计的最大应力,作为钢材实际破坏强度储备,16,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,二、塑性性能,塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力,衡量塑性性能的指标： 伸长率 试验条件：标准试件在常温（20）下缓慢加载， 一次完成,17,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,三、冲击韧性,冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力,衡量冲击韧性的指标：冲击功,韧性是钢材强度和塑性的综合指标,冲击韧性受温度的影响,18,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,四、冷弯性能,冷弯性能是检验钢材适应冷加工（常温下加工） 的能力和显示钢材内部缺陷状况的一项指标,冷弯性能是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性 变形能力的指标,冷弯性能由冷弯试验确定,19,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,钢材物理性能指标,弹性模量 泊松比 剪变模量 线膨胀系数 质量密度,20,附图1：拉伸试件,21,附图2：冲击韧性试验,22,附图3：冷弯试验,23,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,一、生产过程,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,普通碳素钢中fe占99%，其他杂质元素占1% 普通低合金钢中有5%的合金元素,碳（c）：钢材强度的主要来源，但是随其含量增加，强度增 加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般 控制在0.120.22%，在0.2以下时，可焊性良好,硫（s）：热脆性，不得超过0.05%,磷（p）：冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。 不得超过0.045%,影响钢材性能的两大方面：生产过程 使用过程,1：化学成分,24,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,锰（mn）：合金元素。弱脱氧剂。与s形成mns，熔点为 1600，可以消除一部分s的有害作用。,硅（si）：合金元素。强脱氧剂。,氧（o）：有害杂质，效果同s。,氮（n）：有害杂质，效果同p。,25,2：冶炼，浇铸和轧制,冶炼：平炉炼钢 成本高，质量好（6小时100t左右） 氧气顶吹转炉炼钢 成本低，质量也可（15分钟150t） 侧吹碱性转炉炼钢 成本低，质量较差 电炉炼钢 成本高，质量最好,浇铸：浇铸过程中因脱氧程度不同，最终成为镇静钢，半 镇静钢和沸腾钢,轧制：钢材的轧制能使金属的晶粒便细，也能使气泡，裂纹等焊合，改善了钢材的力学性能。薄板因滚轧次数多，其强度比厚板略高。,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材性能的影响,26,3：热处理,热处理的目的在于取得高强度的同时能够持良好的塑性和韧性。一般钢材一热轧状态交货，某些高强度钢材则在轧制后经过热处理才出厂。 热处理的方法：正火，回火，淬火和调质等。,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材性能的影响,27,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,四、使用过程,冷作硬化当加载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称“应变硬化”,应变时效钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。,时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。,1：钢材的硬化,28,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,2：温度的影响,1. 正温范围,100以内 对钢材性能无影响；,150以上 随温度升高，总的趋势是强度、弹性模量降低， 塑性增大,250左右 抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增 加蓝脆现象。该温度区段称为“蓝脆区”。,250350 在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续 变形徐变现象。,600左右 弹性模量趋于零 ，承载能力几乎完全丧失。,29,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,2. 负温范围,当温度低于常温时，钢材的脆 性倾向随温度降低而增加。,t1 t2 之间温度转变脆性区，冲击功急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。使用温度必须高于t1 ，但不一定高于t2,30,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,3：应力集中的影响,构造缺陷：构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变等,应力集中：由于构造缺陷，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处 有高峰应力。,应力集中的危害：塑性降低，脆性增加,构造设计时应避免截面突变和尖锐角的情况,4：厚度的影响,随着厚度的增加，钢材的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度均下降,31,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,5: 连续反复荷载,钢材在连续反复荷载作用下易出现疲劳破坏现象. 疲劳破坏的概念 疲劳破坏的过程: 分为三个阶段,裂纹的形成,裂纹缓慢 扩展与最后迅速断裂. 计算疲劳采用容许应力幅法,6: 加荷速度,1材性试验要求缓慢加载 按应变速率=d/dt把加荷速率分为三级： 缓慢加荷 = 10-5s-1 中速加荷 = 10-3s-1 动力加荷 = 10s-1 2要考虑动荷载对结构的不利影响,加荷速度高，钢材屈服点提高，呈脆性。因此，,32,第二章 钢结构的材料,2.5 钢的种类和钢材规格,2.5 钢材的种类规格和选择,一、钢的种类,1. 按化学成分分,普通碳素钢 q235 普通低合金钢 q345、q390、q420,平炉 成本高，质量好（6小时100t左右） 氧气顶吹转炉 成本低，质量也可（15分钟150t）,2.按炉种分,3. 按脱氧程度分,沸腾钢（f） 脱氧较差 镇静钢（z） 脱氧充分 半镇静钢（b） 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 特殊镇静钢（tz）,33,第二章 钢结构的材料,2.5 钢的种类和钢材规格,4. 按质量等级分,a级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量 b、c、d级：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击 韧性（分别为20、0 、-20）及碳、硅、 锰、硫、磷含量 e级： 除满足d级的要求外，还要求-40时的冲击韧性,5. 钢材编号,碳素钢： q质量等级（ad）脱氧程度（f，b） 低合金钢： q质量等级（ae） 如q235-af、q345-c,34,第二章 钢结构的材料,2.5 钢的种类和钢材规格,二： 钢材的选择,（1）结构或构件的重要性； （2）荷载的种类（静荷载或动荷载）； （3）连接方法（焊接或非焊接）； （4）工作条件（温度，腐蚀等）,35,第二章 钢结构的材料,2.5 钢的种类和钢材规格,三、钢材的规格,1. 热轧钢板,（1）工字钢 普通工字钢 20a h型钢 hw3003001015 t型钢 tw1503001015 （2）槽钢 32b （3）角钢 l12510 l1258010 （4）钢管 4006,2. 热轧型钢（参考型钢表）,3. 冷弯薄壁型钢,壁厚1.55mm,36,钢结构设计原理,第三章 构件的截面承载力强度,3.1 轴心受力构件的强度及截面选择 3.2 梁的强度及截面选择 3.3 拉弯、压弯构件的强度,37,第三章 构件的截面承载能力强度,3.1 轴心受力构件的强度及截面选择 一：轴心受力构件的应用和截面形式 轴心受力构件的概念：荷载作用线和截面形心线重合的构 件。 轴心受力构件的分类：轴心受拉和轴心受压构件。 应用：广泛应用于各类主要承重结构及各种支撑系统。 截面形式：热轧型钢截面 冷弯薄壁型钢截面 焊接组合截面 二：轴心受力构件的强度 设计准则：轴心受力构件的承载能力极限以净截面上的平 均应力不超过屈服强度fy 为准则。 强度计算公式：= n/anf,3.1 轴心受力构件的强度及截面选择,38,第三章 构件的截面承载能力强度,3.2 梁的强度及截面选择 一：梁的类型 梁的概念：荷载作用方向垂直于构件的形心线方向。 应用：广泛应用于各类房屋建筑和桥梁工程中。 梁的类型： 按制作方法分：型钢梁，焊接组合梁 按受力情况分：单向弯曲梁，双向弯曲梁 按支承情况分：简支梁，连续梁，悬臂梁 按截面变化分：等截面梁，变截面梁 二：梁的强度 1.梁的弯曲强度正应力 a. 在荷载作用下梁的四个工作阶段： 弹性工作阶段 弹塑性工作阶段,3.2 梁的强度及截面选择,39,第三章 构件的截面承载能力强度,塑性工作阶段 应变强化阶段,3.2 梁的强度及截面选择,b.正应力设计准则：对承受静载和间接动载的梁，允许考虑 截面有一定程度的塑性发展，取弹塑性 工作阶段为承载能力极限。,40,第三章 构件的截面承载能力强度,3.2 梁的强度及截面选择,c.正应力强度计算公式,应用公式时需注意： a 对需要计算疲劳的梁，不考虑截面塑性发展。 b 当梁的受压翼缘的自由外伸宽度与其厚度之比大于 13 235/fy时，亦不考虑截面塑性发展。,2.梁的剪切强度剪应力 剪应力强度计算公式,41,第三章 构件的截面承载能力强度,3. 梁的局部抗压强度局部压应力 梁在承受固定集中荷载处，无加劲肋或承受移动集中荷载作用时，荷载通过翼缘传至腹板，使之受压。为保证荷载的传递，应计算此处的压应力。 在腹板计算高度边缘处的局部承压强度应按下式计算：,3.2 梁的强度及截面选择,4.梁的复杂应力强度折算应力 在梁的腹板计算高度边缘处，若同时受有较大的正应力、剪应力和局部压应力，或同时受有较大的正应力和剪应力时，应按下式验算折算应力：,42,第三章 构件的截面承载能力强度,3.3 拉弯、压弯构件的强度 一：应用：广泛应用于各类建筑结构中 二：截面形式：可参考轴心受力构件及梁的截面形式选用 三：设计准则：（1）边缘纤维屈服准则 （2）全截面屈服准则 （3）部分发展塑性准则 钢结构设计规范gb50017采用的准则：部分发展塑性准则 四：强度计算公式： 单向压弯（拉弯）构件：,3.3 拉弯压弯、构件的强度,43,第三章 构件的截面承载能力强度,双向压弯（拉弯）构件：,3.3 拉弯、压弯构件的强度,应用上述两个公式时需注意： a 、对直接承受动载的构件，不考虑截面塑性发展。 b、当构件的受压翼缘的自由外伸宽度与其厚度之比 大于13 235/fy时，亦不考虑截面塑性发展。,44,钢结构设计原理,第四章 单个构件的承载力稳定性,4.1 轴心受压构件的整体稳定 4.2 受弯构件的整体稳定 4.3 压弯构件面内和面外的整体稳定 4.4 板件的稳定,45,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.1 轴心受压构件的整体稳定 4.1.1：整体稳定的基本概念和理论 1. 整体稳定的基本概念 在荷载作用下，当轴心受压构件处于不稳定的平衡状 态时轻微扰动将使轴心受压构件产生很大的变形而最后丧 失承能力，这种现象就称为轴心受压构件失去整体稳定。 简称整体失稳。 2. 整体稳定的基本理论 .理想轴心压杆 a. 基本假设：杆件为等截面，杆件绝对顺直，荷载作用线 与杆轴完全重合，杆件材料为均质弹性体， 杆件只发生弯曲小变形。 b. 屈曲形式（理想轴心压杆的整体失稳称为屈曲）： 弯曲屈曲，扭转屈曲，弯扭屈曲。(p100),4.1 轴心受压构件的整体稳定,46,c.理想轴心压杆稳定承载力的确定 临界荷载：理想轴心压杆达到整体失稳临界状态时所承 担的荷载。 临界应力：临界荷载在杆件横截面上引起的正应力。 .弯曲屈曲 弹性阶段失稳时： 欧拉理论：ncr=2ei/l 2 弹塑性阶段失稳时： 切线模量理论：ncr=2eti/l 2 双模量理论： ncr=2eri/l 2 .扭转屈曲 弹性阶段失稳时：nz=(git+ 2ei/l2)/i02 弹塑性阶段失稳时：nz=(git+ 2eti/l2)/i02 .弯扭屈曲 弹性阶段失稳时(ney-n)(nz-n）- n2（a0/i0）2= 0,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.1 轴心受压构件的整体稳定,47,第四章 单个构件的承载力-稳定,d.初始缺陷及杆端约束的影响 初始缺陷的影响：残余应力 初弯曲 初偏心 杆端约束的影响：计算长度 l0 = l .实际轴心压杆 基本理论：压溃理论（最大强度理论或极限承载力准则） 极限承载力的确定：试验 + 计算机模拟 柱子曲线：柱子临界应力cr与柱子长细比的关系曲线。 （稳定系数与长细比的关系曲线） 我国的柱子曲线可参见p97图4-15和4-16，根据残余应力 的分布及其峰值与初弯曲的影响共分四条。,4.1 轴心受压构件的整体稳定,48,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.1.2：轴心受压构件的整体稳定计算 .实腹式构件 1.截面形式：型钢截面，组合截面。 2. 整体稳定计算公式 = n/a f 3.稳定系数的确定 轴心受压构件的稳定系数应根据构件的长细比、钢 材屈服强度及截面分类查表获得。 构件长细比应按下列规定确定： a.对截面为双轴对称或极对称的构件，采用实际长比 x=l0x/ix y= l0y/iy 对双轴对称十字形截面构件,x或y取值不得小于 5.07b/t。 b.对截面为单轴对称的构件，绕非对称轴的长细比按实际 计算；绕对称轴的长细比按换算长细比计算，换算长细 比公式见规范。,4.1 轴心受压构件的整体稳定,49,第四章 单个构件的承载力-稳定,.格构式构件 1.截面形式及组成 单肢：型钢（两肢、三肢或四肢等） 缀材：角钢，钢板。 2.虚、实轴及剪切变形对虚轴稳定性的影响 实轴：与单肢腹板垂直的轴线 虚轴：与缀材面垂直的轴线 剪切变形对虚轴稳定性的影响： 格构式构件绕虚轴发生弯曲失稳时，剪力由比柔弱 的缀材负担，剪切变形较大，对构件临界力的降低 不能忽略不计。经理论分析，对虚轴稳定性用换算 长细比0x 来代替实际的长细比，就可以考虑这一 影响了。 3. 整体稳定计算公式 = n/a f,4.1 轴心受压构件的整体稳定,50,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.稳定系数的确定 轴心受压构件的稳定系数应根据构件的长细比、钢材屈 服强度及截面分类查表获得。 对格构式构件，对实轴的长细比按实际计算；对虚轴的长 细比按换算长细比计算。 换算长细比计算公式参见规范。 5.缀材设计 a.缀材承担的剪力 v = （af/85） fy/235 b.缀条设计 基本假设：平行弦桁架 缀条内力：轴力 nt=vb/(ncos) c.缀板设计 基本假设：多层刚架 缀板内力：剪力 t=vbl/a 弯矩 m=vbl/2,4.1 轴心受压构件的整体稳定,51,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.2 受弯构件的整体稳定 4.2.1：梁整体稳定的基本概念和理论 1. 整体稳定的基本概念 当梁受荷后，荷载较小时，梁仅在弯矩作用平面内弯曲， 但当荷载逐渐增加，达到某一数值时，梁将突然发生侧向 弯曲和扭转，并丧失继续承载的能力。这种现象称为梁的 弯曲扭转屈曲（弯扭屈曲）或梁丧失整体稳定。(p112) 2. 临界荷载（临界弯矩）的确定 根据梁整体失稳时的平衡条件，建立三个微分方程。通 过求解微分方程即可确定临界荷载。 临界弯矩的通用计算公式参见p114。 3. 影响梁整体稳定的因素及提高粱整体稳定的措施 影响因素：荷载类型，荷载作用在截面上的位置，梁侧 抗弯刚度，梁侧向抗扭刚度，梁的侧向支撑 点间距离，梁的支承情况。,4.2 受弯构件的整体稳定,52,第四章 单个构件的承载力-稳定,提高措施：加宽受压翼缘板，提高iw和it 减小梁的侧向计算长度，主要是减小梁受压 翼缘的侧向自由弯曲长度。 4.2.2: 梁的整体稳定计算 mx绕强轴作用的最大弯矩 wx按受压边缘纤维确定的梁的毛截面抵抗矩 b梁的整体稳定系数,4.2 受弯构件的整体稳定,53,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.2 受弯构件的整体稳定,梁的整体稳定系数 的计算:,1.焊接工字形等截面简支梁和轧制h型钢简支梁,b工字形截面简支梁的等效弯矩系数，参见附录附表15 y=l1/iy梁在侧向支承点间对截面弱轴y-y的长细比 a梁的毛截面面积 h梁的截面高度 t1梁受压翼缘的厚度 b截面不对称影响系数，双轴对称工字形截面取b=0，加强受压翼缘的 工字形截面取b=0.8（2b-1），加强受拉翼缘的工字形截面取 b=（2b-1）；b= i1/(i1+i2)，i1和i2分别为受压翼缘和受拉翼缘对 y轴的惯性矩。,54,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.2 受弯构件的整体稳定,2. 轧制普通工字钢简支梁,4. 双轴对称工字形等截面（含h型钢）悬臂梁,3. 轧制槽钢简支梁,b直接查规范表b.2。当查得的b0.6时，应用b代替b。,b的计算公式同焊接工字形等截面简支梁，但公式中的b查规范表b.4；y=l1/iy(l1为悬臂梁的悬伸长度）。当求得的b0.6时，应用b代替。,55,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.2 受弯构件的整体稳定,4.2.3: 梁整体稳定的保证,规范规定，当符合下列情况之一时，不必计算梁的整体稳定： 有刚性铺板密铺在梁的受压翼缘并与其牢固连接，能阻止梁受压翼缘的侧向侧移时； 2. 工字形截面简支梁受压翼缘的自由长度 与其宽度 之比不超过p119，表4-7所规定的数值时； 3. 箱形截面简支梁，其截面尺寸满足 时。,56,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.3 压弯构件的整体稳定稳定,4.3 压弯构件的整体稳定,4.3.1: 弯矩作用平面内的整体稳定,一. 双轴对称截面压弯构件弯矩作用平面内的整体稳定计算 公式：,57,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.3 压弯构件的整体稳定,规范对等效弯矩系数 的取值作了以下规定：,（1）无横向荷载但有端弯矩作用时：,同向曲率取“”，反向曲率（有反弯点）取“”,（2）有端弯矩和横向荷载同时作用时：,（3）无端弯矩但有横向荷载作用时：,2. 有侧移框架柱和悬臂构件,1. 无侧移框架柱和两端支承的构件,58,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.3 压弯构件的整体稳定,二.单轴对称截面压弯构件在弯矩作用平面内的稳定计算公式：,w1x受压区边缘的毛截面抵抗矩，w1x=ix/y1 w2x受拉区边缘的毛截面抵抗矩，w2x=ix/y2 1x与w1x相应的截面塑性发展系数 2x与w2x相应的截面塑性发展系数,59,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.3 压弯构件的整体稳定,4.3.2: 弯矩作用平面外的稳定,压弯构件弯矩作用平面外的稳定计算公式：,60,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.3 压弯构件的整体稳定,1. 工字形截面（含h型钢 ）：,均匀弯曲梁的整体稳定系数 的近似计算公式,2. t形截面 ：,（2）弯矩使翼缘受拉时,3. 箱形截面：,注：以上公式已考虑了构件的弹塑性失稳问题， 时不必换 算,（1）弯矩使翼缘受压时,61,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.4 板件的稳定,4.4 板件的稳定构件的局部稳定,2.薄板的临界荷载,均匀压应力作用下，板件的临界应力为：,4.4.1：轴心受压构件的板件稳定,1.,1.基本概念 在均匀压力的作用下，当压力达到某一数值时，板 件不能维持平面平衡状态而产生突曲现象，板件屈曲。因为板件 只是构件的一部分，所以把这种屈曲现象称为丧失局部稳定(p137),62,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.4 板件的稳定,3. 轴心压杆的局部稳定-板件宽厚比,轴心压杆局部稳定计算采用等稳定准则，即保证板件的局部 失稳临界应力不小于构件整体稳定的临界应力。,以工字形截面轴压构件为例：（p140）,（1）翼缘板三边简支，一边自由的均匀受压板,63,第四章 单个构件的承载力-稳定,（2）腹板两边简支，两边弹性嵌固的均匀受压板,4.4 板件的稳定,64,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.4 板件的稳定,4.4.2 受弯构件的板件稳定,1.翼缘板的局部稳定,65,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.4 板件的稳定,梁受压翼缘板的局部稳定计算采用等强度准则，即保证受压 翼缘的局部失稳临界应力不低于钢材的屈服强度。,a.工字形截面梁的受压翼缘,三边简支，一边自由的均匀受压板,66,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.4 板件的稳定,b.箱形截面梁的受压翼缘,受压翼缘的局部稳定不满足时， 可加大翼缘板的厚度。,四边简支的均匀受压板,67,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.4 板件的稳定,2、腹板的局部稳定,梁腹板受到弯曲正应力、剪应力和 局部压应力的作用。在这些应力的作用下， 梁腹板的失稳形式如图所示。,68,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.4 板件的稳定,a.提高粱腹板局部稳定的措施,横向加劲肋：防止由剪应力和局部压应力引起的腹板失稳； 纵向加劲肋：防止由弯曲压应力引起的腹板失稳，通常布置 在受压区； 短加劲肋： 防止由局部压应力引起的腹板失稳，布置在受 压区。同时布置有横向加劲肋和纵向加劲肋时， 断纵不断横。, 加大腹板厚度不经济 设置加劲肋经济有效,对承受静载或间接动载的受弯构件，宜考虑腹板屈曲后强度。 对直接承受动力荷载的梁，提高粱腹板局部稳定可采取以下 措施：,69,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.4 板件的稳定,70,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.4 板件的稳定,考虑到几种应力同时作用的情况，并考虑工程设计经验，规 范对在梁腹板上配置加劲肋作了以下规定： （1）：当h0/tw80 235/fy时，无局部压应力（c=0）时，一 般可不配置加劲肋。有局部压应力（c0）时，按构造要求配 置横向加劲肋。加劲肋间距应满足0.5h0a2h0。 （2）：当h0/tw80 235/fy时，一般应按计算要求配置横向加劲 肋。 （3）：当h0/tw150 235/fy（受压翼缘扭转未受到约束）或 h0/tw150 235/fy（受压翼缘扭转受到约束）或仅配置横向加劲 肋还不足以满足腹板局部稳定要求时，均应配置纵向加劲肋。必 要时尚应在受压区配置短加劲肋，并均应按规定计算。 （4）：在梁的支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处，宜布置 支承加劲肋。,b.腹板加劲肋的设置原则,71,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.4 板件的稳定,c. 腹板局部稳定计算,加劲肋有三种布置情况，分别进行腹板局部稳定验算。,（1）仅用横向加劲肋加强的腹板,72,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.4 板件的稳定,73,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,74,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,75,4.4 板件的稳定,（2）同时用横向加劲肋和纵向加劲肋加强的腹板,应分别计算区格和区格的局部稳定性,第四章 单个构件的承载力-稳定,76,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,77,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,78,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,79,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,80,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,81,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,82,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,83,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,（3）在受压翼缘与纵向加劲肋之间设有短加劲肋的区格,84,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,85,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,86,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,87,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,注：计算时，先布置加劲肋，再计算各区格的平均作用应 力和相应的临界应力，使其满足稳定条件。,88,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,d.加劲肋的构造和尺寸,89,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,90,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,91,4.4 板件的稳定,第四章 单个构件的承载力-稳定,e.支承加劲肋的计算,1. 按轴心压杆计算支承加劲肋在腹板平面外的稳定性。,2. 支承加劲肋的端面承压强度 按下式计算：,3. 支承加劲肋与腹板的连接焊缝，应按承受全部集中力或支座反 力进行计算，假定应力沿焊缝长度均匀分布。,支承加劲肋承受固定集中荷载或支座反力的横向加劲肋。,92,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.4 板件的稳定,4.4.3: 压弯构件的板件稳定,1.翼缘板的局部稳定,根据受压最大的翼缘和构件等稳定的原则， 压弯构件的翼缘一般都在弹塑性状态屈曲， 翼缘宽厚比的容许值为： b/t13 235/fy 当强度和稳定计算中取x=1.0时，b/t可放宽到15 235/fy,2.腹板的局部稳定 当001.6时， h0/tw（160+0.5+25） 235/fy 当1.602.0时，h0/tw（480+0.5-26.2） 235/fy,93,第四章 单个构件的承载力-稳定,4.4 板件的稳定,其中，是构件弯矩作用平面内的长细比，当100时，取= 100。0是与腹板上下边缘的最大压 应力和最小应力有关的应力梯度，0 =（max-min)/max 在宽度很大的实腹式压弯构件中腹板的 高厚比不满足要求时，可采取下列措施： 、当腹板高度较小时，可加大腹板厚度； 、当腹板高度较大时： a.设置纵向加劲肋。h0取翼缘与纵向加劲肋 之间的距离。 b.考虑腹板部分退出工作，取腹板两侧与翼 缘相连接的各宽c=20tw 235/fy，作为腹板 的有效截面，然后进行构件的整体稳定计算 但计算其长细比时仍按整个截面考虑。,94,钢结构设计原理,第五章 整体结构中的压杆和压弯构件,5.1 桁架中压杆的计算长度 5.2 框架柱的计算长度,结构和构件丧失稳定属于整体性问题。需要通过整体分析来确定它们的临界荷载。不过，为了计算方便，目前在设计工作中的作法是把所计算的受压构件（或压弯构件）从结构中分离出来计算，计算时考虑结构其他部分对它的约束作用，并用计算长度来体现这种约束。,95,第五章 整体结构中的压杆和压弯构件,5.1 桁架中压杆的计算长度,5.1: 桁架中压杆的计算长度 5.1.1、弦杆和单系腹杆的计算长度 按下表确定：,弯曲方向 弦 杆,腹 杆,支座竖杆和支座斜杆,其他腹杆,在桁架平面内 l l 0.8l 在桁架平面外 l1 l l 在斜平面 - l 0.9l,5.1.2、变内力杆件的计算长度 按下式确定： l0 = l1(0.75 + 0.25n2/n1)0.5l1 5.1.3、交叉腹杆的计算长度 参见p171,96,第五章 整体结构中的压杆和压弯构件,5.2：框架柱的计算长度 5.2.1、等截面框架柱的计算长度 一：在框架平面内的计算长度 按下式计算：l0 = h 计算长度系数根据相交于柱上端、下端的横梁线刚度之和 与柱线刚度之和的比值k1、k2按p341、p342附表确定。 二：在框架平面外的计算长度 等截面框架柱在框架平面外的计算长度取侧向支承点间的距 离。 5.2.2、变截面阶形柱的计算长度 一：在框架平面内的计算长度 下段柱：h02 = 2h2 上段柱：h01 = 1h1 计算长度系数2根据上段柱、下段柱的线刚度比值k1和参 数1按p343附表确定。,5.2 框架柱的计算长度,97,第五章 整体结构中的压杆和压弯构件,5.2 框架柱的计算长度,计算长度系数1按下式确定： 1= 2/1 二：在框架平面外的计算长度 变截面阶形柱在框架平面外的计算长度取侧向支承点间的距 离。 5.2.3、框架平面内稳定的其他问题 在确定下列情况的框架柱计算长度系数时应考虑： a.附有摇摆柱（两端铰接柱）的无支撑纯框架柱和弱支撑框架柱的计算长度系数应乘以增大系数: = 1+(nl/hl)/(nf/hf) 摇摆柱的计算长度取其几何长度。 b.当与计算柱同层的其他柱或与计算柱连续的上下层柱的稳定承载力有潜力时，可利用这些柱的支持作用，对计算柱的计算 长度系数进行折减，提供支持作用的柱的计算长度则应相应增大 c.当梁与柱的连接为半刚性构造时，确定柱计算长度应考虑 节点连接的特性。,98,钢结构设计原理,第六章 钢结构的正常使用极限状态,6.1 正常使用极限状态的概念及特点 6.2 拉杆、压杆的刚度要求 6.3 梁和桁架的变形限制 6.4 钢框架的变形限制 6.5 振动的限制,99,第六章 钢结构的正常使用极限状态,6.1 正常使用极限状态的概念及特点,6.1：正常使用极限状态的概念及特点 6.1.1、正常使用极限状态的概念 正常使用极限状态对应于结构或构件达到正常使用或耐久 性能的某项规定限值。 6.1.2、正常使用极限状态的内容 a.影响正常使用或外观的变形； b.影响正常使用或耐久性能的局部破坏（包括裂缝）； c.影响正常使用或耐久性的振动； d.影响正常使用或耐久性能的其他特定状态。 6.2：拉杆、压杆的刚度要求 为了满足正常使用的要求，设计时必须保证拉杆、压杆的长细比不超过规范规定的容许值： max 为规范规定的容许长细比，参见p184表6-1和6-2。 max = (l0/i)max为构件的长细比。,100,第六章 钢结构的正常使用极限状态,6.3 梁和桁架的变形限制,6.3: 梁和桁架的变形限制 为了满足正常使用要求，设计时必须保证梁和桁架的挠度不 超过规范规定的容许值： 为受弯构件在标准荷载作用下所产生的最大挠度或跨中挠 度，按结构力学的方法求解。 为规范规定的容许挠度，参见p185表6-4。 6.4：钢框架的变形限制 单层厂房钢框架的变形限制主要是柱顶侧移，规范规定的容 许变形限值参见p186表6-5和6-6。 多层及高层框架结构的变形限制包括：一是限制结构顶点位 置的侧移，二是限制层间侧移。具体限值参见高层民用建筑钢 结构技术规程。 6.5：振动的限制 6.5.1 振动的种类及原因： a. 人群活动或设备产生的楼板竖向振动；,101,第六章 钢结构的正常使用极限状态,6.5 振动的限制,b. 地震引起的结构物的水平和竖向振动； c. 风荷载引起的结构物的水平振动。 6.5.2 防止振动的措施： 对地震引起的振动及风荷载引起的振动对结构强度和稳 定性的影响在承载能力极限状态的有关计算中予以考虑。 对设备引起的振动在设计或选用设备时采用适当的隔振 措施加以解决。 对人群活动引起的楼板振动采用限制其自振频率的办法 计算公式为：f = 1/(0.178 )15hz，为永久荷载产生 的挠度，以厘米为单位。,102,钢结构设计原理,第七章 钢结构的连接和节点构造,7.1 钢结构对连接的要求及连接方法 7.2 焊接连接的特性 7.3 对接焊缝的构造和计算 7.4 角焊缝的构造和计算 7.5 普通螺栓连接的构造和计算 7.6 高强度螺栓连接的构造和计算 7.7 节点构造,103,第三章 钢结构的连接,7.1 钢结构对连接的要求及连接方法,7.1 钢结构对连接的要求及连接方法,7.1.1、钢结构对连接的要求 钢结构是由钢板、型钢通过必要的连接组成构件，各构件再 通过一定的安装连接而形成整体结构。 连接设计的要求： a.连接的设计应与结构内力分析时的假定相一致； b.结构的荷载，内力组合应能提供连接的最不利受力工况； c.连接的构造应传力直接，受力明确。并尽可能避免严重的 应力集中； d.连接的计算模型应能考虑刚度不同的零件建的变形协调； e.连接的节点应尽可能避免偏心，不能完全避免时应考虑偏 心的影响； f.避免在结构内产生过大的残余应力，尤其是约束造成的残 余盈利，避免焊缝过于集中； g.厚钢板沿厚度方向受力容易出现层间撕裂，节点设计时应 予以充分注意； h.连接的构造应便于制作、安装，综合造价低。,104,第三章 钢结构的连接,3.1 钢结构的连接方法,7.1.2 钢结构的连接方法,焊接连接 应用最广泛 优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大，密闭性好； 缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感，疲劳性能差。,螺栓连接 应用较广泛 优点：装拆方便，高强螺栓摩擦型连接的动力、疲劳性能较好。 缺点：削弱了截面。,铆钉连接 已基本淘汰 优点：传力可靠，塑性、韧性好，动力性能好。 缺点：施工不便，费工费料。,105,第七章 钢结构的连接,7.2 焊接连接的特性,7.2 焊缝连接的特性,电弧焊,7.2.1、常用焊接方法,电弧焊、电阻焊、电渣焊、气体保护焊,手工电弧焊 优点：方便，特别在高空和野外作业； 缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。 焊条：e43适用于q235钢 e50适用于q345钢 e55适用于q390钢，q420钢 其中43，50，55熔敷金属的最小抗拉强度，单位 电流种类，药皮及不同焊接位置，e（electrode)。 不同钢种的钢材相焊接时，宜采用与低强度钢材相适应的焊条,106,第七章 钢结构的连接,7.2 焊接连接的特性,2. 自动（半自动）埋弧电弧焊 优点：质量好，效率高； 缺点：需要专用设备。,电阻焊 利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。 在一般钢结构中电阻焊只适用于板叠厚度不大于12mm的焊接，对冷弯薄壁型钢构件，电阻焊可用来缀合壁厚不超过3.5mm的构件。 电渣焊 利用电流通过熔渣所产生的电阻来熔化金属，焊丝作为电极伸入并穿过渣池，使渣池产生电阻热将焊件金属及焊丝熔化，沉积于熔池中，形成焊缝。 电渣焊一般在立焊位置进行，目前多用熔嘴电渣焊，以管状焊条作为熔嘴，焊丝在管内递行。,107,第七章 钢结构的连接,7.2 焊接连接的特性,气体保护焊 利用焊枪中喷出的惰性气体代替焊剂，使被熔化的金属不与空气接触，电弧加热集中，熔化深度大，焊接速度快，焊缝强度高，塑性好。,7.2.2 焊缝连接的优缺点 优点：、不需要再钢材上打孔钻眼，既省工，又不减损钢材 截面，使材料可以充分利用； 、任何形状的构件都可以直接相连，不需要辅助零 件，构造简单； 、焊缝连接的密封性好，结构刚度大。 弱点：、由于施焊时的高温作用，形成焊缝附近的热影响 区，使钢材的金属组织和机械性能发生变化，材质变脆。 、焊接的残余应力使焊接结构发生脆性破坏的可能性 增大，残余变形使其尺寸和形状发生变化，矫正费工。 、焊接结构对整体性不利的一面是，局部裂缝一经发生 便容易扩展到整体。焊接结构低温冷脆问题比较突出。,108,第七章 钢结构的连接,7.2 焊接连接的特性,7.2.3、焊缝缺陷和焊缝质量检验,1. 焊缝缺陷,裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔等,2. 焊缝质量检验,一级：外观检查、超声波检验每条焊缝全部长度、x射线检查 二级：外观检查、超声波检验每条焊缝的20%长度 三级：外观检查,109,第七章 钢结构的连接,7.2 焊接连接的特性,7.2.4、焊缝连接型式及焊缝型式,1. 焊缝连接形式,对接连接（含用盖板的对接）、搭接连接、t形连接、角部连接,110,第七章 钢结构的连接,7.2 焊接连接的特性,2. 焊缝形式,焊缝型式：对接焊缝、角焊缝,按受力方向划分,111,第七章 钢结构的连接,7.2 焊接连接的特性,按沿长度方向的布置划分,角焊缝：连续角焊缝、间断角焊缝,按施焊位置划分,平焊、横焊、立焊、仰焊,112,第七章 钢结构的连接,7.2 焊接连接的特性,7.2.5、焊缝的标注方法,焊缝符号：指引线+ 基本符号+ 辅助符号+ 补充符号+ 焊缝尺 寸符号+ 补充要求,焊缝符号表示方法gb32488，建筑结构制图标准gb/t501052001,113,第七章 钢结构的连接,7.3 对接焊缝的构造与计算,7.3 对接焊缝的构造和计算,7.3.1、对接焊缝的构造,对接焊缝的坡口形式,114,第七章 钢结构的连接,7.3 对接焊缝的构造与计算,7.3.2、焊透的对接焊缝的计算,对接焊缝是构件截面的组成部分，焊缝中的应力分布情况与构件的情况相同，其计算方法与构件的强度计算一样。,1、轴心受力的对接焊缝计算,（1）正对接焊缝,通过一、二级焊缝质量检验的对接焊缝的强度可以认为与母材等强度，连接不必验算。,115,第七章 钢结构的连接,7.3 对接焊缝的构造与计算,（2）斜对接焊缝,如果用正对接焊缝不能满足强度要求， 可采用斜对接焊缝。,116,第七章 钢结构的连接,7.3 对接焊缝的构造与计算,2. 承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝计算,分别验算最大正应力和最大剪应力，对于同时受有较大正 应力和较大剪应力处，还应验算折算应力。,117,第七章 钢结构的连接,7.3 对接焊缝的构造与计算,118,第七章 钢结构的连接,7.4 角焊缝的构造与计算,7.4.1、角焊缝的形式和应力状态,7.