钢建筑工程结构设计的设计方法.doc

钢建筑工程结构设计的设计方法一 极限状态方法：是将影响结构可靠性的各种参数作为随机变量，用概率论和数理统计方法进行分析，采用可靠度理论，求出结构在使用期间满足要求的概率。二 结构的极限状态：是指整个结构或结构的某一部分达到某一特定状态，超过此特定状态就不能满足设计规定的某一功能的要求。结构的极限状态可以分为以下两类：（1）承载能力极限状态对应于结构或构件达到最大承载力或出现不适于继续承载的变形，包括倾覆、强度破坏、疲劳破坏、丧失稳定、结构变为机动体系或出现过度的塑性变形。由于钢结构构件的材料强度高而截面面积小，稳定的问题非常突出。压杆的截面尺寸一般由稳定的要求而非强度来确定，不仅构件可能失稳，而且整体结构和组成构件的板件也可能失稳，不过板件的局部失稳并不总是达到承载力的极限状态。（2）正常使用的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的限值，包括出现影响正常使用或影响外观的变形，出现影响正常使用的振动以及影响正常使用或耐久性的局部破坏。三 概率极限状态设计法当结构或组成结构的某一部分超过某一特定状态，就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态就称为该功能的极限状态。结构的极限状态可分为下列两类。1 承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大能力，或是出现不适于继续承载的变形，包括倾覆、强度破坏、疲劳破坏、丧失稳定、结构变为机动体系或出现过度塑性变形。2 正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用，或耐久性能的某项规定限值，包括出现影响正常使用或影响外观的变形，出现影响正常使用或耐久性能的局部损坏以及影响正常使用的振动。钢结构的连接一 钢结构的连接方法1 焊接焊接的优点较多，如焊件一般均不设连接板而直接连接，且不削弱焊件截面，构造简单，节省材料，操作简便省工，生产效率高，在一定条件下还可采用自动化作业。另外，焊接的刚度大，密闭性能好。但是，焊接也有一定缺点，如焊缝附近热影响区的材质变脆；焊接产生的残余应力和残余变形对结构有不利影响；另外，焊接结构因刚度大，故对裂纹很敏感，当一旦产生局部裂纹时便易于扩展，尤其在低温下更易产生脆断2 栓接（1）普通螺栓连接普通螺栓通常用Q235钢制造。由于强度较低，故对其栓杆施加的紧固预拉力不能太大，这样在被连接件间所施加的压紧力不大，因此其间的摩擦力也不大。C级螺栓由于与螺孔间的空隙较大，故用于受剪连接时，在连接件间的摩擦力克服后将出现较大的滑移变形，所以其性能较差。但是，C级螺栓在用于沿其杆轴方向受拉的连接时，其性能尚好。对于受剪连接，只宜用在承受静力荷载或间接承受动力荷载结构中的次要连接（如次梁和主梁、檩条与屋架的连接，或临时固定构件用的安装连接（螺栓仅作定位或夹紧，以便于施焊），以及不承受动力荷载的可拆卸结构（活动房屋、流动式展览馆等）的连接等。（2） 高强度螺栓连接高强度螺栓采用的是高强度钢材，其强度约为普通螺栓的2至3倍，故对其栓杆可施加强大的紧固预拉力，使被连接的板叠压得很紧。因此，利用板叠间的摩擦力即可有效地传递剪力，这种连接类型称为摩擦型高强度螺栓连接，其特点是变形小、不松动、耐疲劳。若允许板叠间的摩擦力被克服并产生滑移，然后利用栓杆和螺栓孔壁靠紧传递剪力，这种连接类型称为承压型高强度螺栓连接，因其后期特点和普通螺栓类似，也是由栓杆受剪和孔壁承压方式继续传力。不过由于其强度高，故承载力要比普通螺栓的高，但剪切变形比摩擦型的大。根据摩擦型和承压型的不同特点，其应用还应有所区别。摩擦型以用于直接承受动力荷载的结构最佳，如吊车梁的工地拼接、重级工作制的吊车梁与柱以及吊车梁上翼缘与制动结构的连接等。承压型则以用于承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构，且能发挥其高承载力的优点为宜。（3） 铆接铆接是铆钉连接的简称。其操作方法是将一端带有半圆形预制钉头的铆钉，经将钉杆烧红后迅速插入被连接件的钉孔中，然后用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，以使连接达到紧固。铆接传力可靠，塑性、韧性均较好，在本世纪上半叶以前曾经是钢结构的主要连接方法，但其制造费工费料，且劳动强度高，故目前已基本被焊接和高强度螺栓连接所取代。二 焊接计算1 焊缝符号当焊缝分布不规则时，在标注焊缝符号的同时，宜在焊缝处加粗线以表示可见焊缝，加栅线以表示不可见焊缝，加符号以表示工地安装焊缝。（a）可见焊缝； （b）不可见焊缝； （c）安装焊缝当焊缝中存在气孔、夹渣、咬边等缺陷时，它们不但使焊缝的受力面积削弱，而且还在缺陷处引起应力集中，易于形成裂纹。在受拉连接中，裂纹更易扩展延伸，从而使焊缝在低于母材强度的情况下破坏。同样，缺陷也降低连接的疲劳强度。因此，对焊缝质量应按其受力性质和所处部位进行分级。钢结构工程施工质量验收规范将焊缝质量分为三个等级。三级焊缝规定只对全部焊缝作外观缺陷检查，即检查焊缝的外观缺陷（表面气孔、咬边等）和几何尺寸是否符合焊缝质量的三级标准的要求；二级焊缝规定除对全部焊缝按二级标准作外观缺陷检查外，还须按钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级（GB11345）中质量评定等级级的要求，对焊缝内部缺陷用超声波探伤焊缝长度的20%；一级焊缝则规定对全部焊缝除按一级标准作外观缺陷检查外，还须按质量评定等级级的要求用超声波探伤焊缝长度的100%。2 角钢两侧角焊缝的内力分配系数3 焊缝设计强度值（N/mm2）4 对接焊缝的计算（1）轴心力（拉力或压力）作用时的对接焊缝计算对接焊缝受垂直于焊缝的轴心拉力或轴心压力作用时，其强度应按下式计算： 式中：N轴心拉力或轴心压力；lw焊缝长度。当无法采用引弧和引出板施焊时，每条焊缝长度计算时应各减去10mm；t 在对接接头中为连接件的较小厚度；在T形接头中为腹板的厚度ftw 、fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。轴心力作用时的对接焊缝对接焊缝的抗压及抗剪强度设计值均和钢材的相同，而抗拉强度设计值也只在焊缝质量为三级时的才较低。这是因为在对接焊缝中，即使有缺陷，在承受压力或剪力作用时，对焊缝强度尚无明显影响，但在承受拉力作用时则影响显著。由于一、二级焊缝的缺陷较少，其影响亦小，而三级焊缝的缺陷一般较多，其抗拉强度通常只能达钢材的85%，故设计值亦相应按此比例取用。因此，对接焊缝不须计算即可用于构件的任何部位，只在三级焊缝且受拉力作用时才须直焊缝经计算不满足强度要求时，若是拼接焊缝，可将其改在受力较小处或改用一、二级焊缝，否则，可采用斜焊缝，以加长焊缝长度和减小法向应力，高抗拉能力，但其较费钢材。规范规定，当斜焊缝与作用力间的夹角符合tg1.50(56) 时，其强度超过母材，可不作计算。（2）弯矩和剪力共同作用时的对接焊缝计算a 矩形截面：焊缝中的最大正应力和剪应力应分别符合下列公式的要求： b 工字形截面：焊缝中的最大正应力和剪应力除应分别符合上式的要求外，在同时受有较大正应力和剪应力的梁腹板横向对接焊缝受拉区的端部“1点，还应按下式计算折算应力： 式中1.1是考虑最大折算应力只在焊缝的局部产生，因而将焊缝强度设计值提高的系数。（a）矩形截面； （b）工字形截面弯矩和剪力共同作用时的对接焊缝5 角焊缝的构造（1）角焊缝的形式角焊缝按其长度方向和外力作用方向的不同可分为平行于力作用方向的侧面角焊缝、垂直于力作用方向的正面角焊缝和与力作用方向成斜角的斜向角焊缝。角焊缝的截面形式可分为普通型、平坦型和凹面型三种。hf称为角焊缝的焊脚尺寸。钢结构一般采用普通型截面，其两焊脚尺寸比例为1:1，近似于等腰直角三角形，故力线弯折较多，应力集中严重。对直接承受动力荷载的结构，为使传力平缓，正面角焊缝宜采用两焊脚尺寸比例为1:1.5的平坦型（长边顺内力方向），侧面角焊缝则宜采用比例为1:1的凹面型。(2)角焊缝的尺寸要求最小焊脚尺寸：角焊缝的焊脚尺寸与焊件的厚度有关，当焊件较厚而焊脚又过小时，焊缝内部将因冷却过快而产生淬硬组织，容易形成裂纹。因此，角焊缝的最小焊脚尺寸应符合下式要求：角焊缝的最大、最小焊脚尺寸自动焊因热量集中，熔深较大，hfmin 可按上式减小1mm； T形接头的单面角焊缝的性能较差， hfmin 应按上式增加1mm；当焊件厚度等于或小于)4mm时，hfmin 应与焊件厚度相同。(3)最大焊脚尺寸：角焊缝的焊脚过大，易使焊件形成烧伤烧穿等“过烧”现象，且使焊件产生较大的焊接残余应力和焊接变形。因此，角焊缝的最大焊脚尺寸hfmax 应符合下式要求：对位于焊件边缘的角焊缝，为防止施焊时产生“咬边”，hfmax尚应符合下列要求：（4）不等焊脚尺寸：当两焊件的厚度相差较大，且采用等焊脚尺寸无法满足最大和最小焊脚尺寸的要求时，可采用不等焊脚尺寸。（5）最小计算长度：角焊缝焊脚大而长度过小时，将使焊件局部受热严重，且焊缝起落弧的弧坑相距太近，加上可能产生的其它缺陷，也使焊缝不够可靠。因此，角焊缝的计算长度不宜小于8hf和40mm，即其最小实际长度应为8hf+10mm；当hf5mm时，则应为50mm。(6)最大计算长度：侧面角焊缝沿长度方向的剪应力分布很不均匀，两端大，中间小，且随焊缝长度与其焊脚之比值增大而差别愈大。当此比值过大时，焊缝两端将会首先出现裂纹，而此时焊缝中部还未充分发挥其承载能力。在动力荷载作用下这种应力集中现象更为不利。因此，侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf（承受静力荷载或间接承受动力荷载时）或40hf（承受动力荷载时）；当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。若内力沿侧面角焊缝全长分布时，其计算长度不受此限，如工字形截面柱或梁的翼缘与腹板的连接焊缝等。(7)当板件的端部仅有两侧面角焊缝连接时，为了避免应力传递过分弯折而使构件中应力过分不均，应使每条侧面角焊缝长度大于它们之间的距离。再为了避免焊缝收缩时引起板件的拱曲过大，还宜使b16t（当t12mm）或200mm（当t12mm）， t为较薄焊件厚度。当不满足此规定时，则应加正面角焊缝。(8)在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，并不得小于25mm，以减小因焊缝收缩产生的残余应力及因偏心产生的附加弯矩。(9)当角焊缝的端部在构件转角处时，为避免起落弧的缺陷发生在此应力集中较大部位，宜作长度为2hf的绕角焊，且转角处必须连续施焊，不能断弧。6 角焊缝的计算（1）角焊缝的应力状态和强度a 侧面角焊缝：轴心力N作用下，侧面角焊缝主要承受平行于焊缝长度方向的剪应力。由于构件的内力传递集中到侧面，力线产生弯折，故在弹性阶段， 沿焊缝长度方向分布不均匀，两端大，中间小，但侧面角焊缝塑性较好，在长度适当的情况下，应力经重分布可趋于均匀。侧面角焊缝的破坏常由两端开始，在出现裂纹后，通常即沿45喉部截面迅速断裂。b 正面角焊缝：在轴心力N作用下，正面角焊缝中应力沿焊缝长度方向分布比较均匀，两端比中间略低，但应力状态比侧面角焊缝复杂。两焊脚边均有正应力和剪应力，且分布不均匀，在45喉部截面上则有剪应力 和正应力 。由于在焊缝根部应力集中严重，故裂纹首先在此处产生，随即整条焊缝断裂，破坏面不太规则，除沿45喉部截面外，亦可能沿焊缝的两熔合边破坏。正面角焊缝刚度大、塑性较差，破坏时变形小，但强度较高，其平均破坏强度约为侧面角焊缝的1.351.55倍。（2）角焊缝强度条件的一般表达式现假定角焊缝的破坏面均位于45喉部截面，但不计熔深和凸度，称为有效截面。其宽度he=hfcos45=0.7hf 称为有效厚度， hf为较小焊脚尺寸。另外还假定截面上的应力均匀分布。受有垂直于焊缝长度方向的轴心力NX 和平行于焊缝长度方向的轴心力Ny作用的角焊缝连接。在焊缝有效截面上产生的应力，其中垂直于焊缝长度方向按焊缝有效截面计算的应力为：lw角焊缝的总计算长度。对每条焊缝取其实际长度减去10mm （每端5mm）。在此处， f 不是正应力，也不是剪应力，故须将其分解为垂直于焊缝有效截面的正应力 和垂直于焊缝长度方向的剪应力 ，即 由Ny产生的平行于焊缝长度方向按焊缝有效截面计算的剪应力f ： 综合作用下，角焊缝处于复杂应力状态，故按强度理论其不破坏的强度条件为： 将前数据代入得若令f =1.22正面角焊缝的强度设计值增大系数，则上式可改写为：此式即规范的角焊缝一般计算式。对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，取f=1.22；对直接承受动力荷载的结构，考虑到正面角焊缝强度虽高，但刚度较大，同时应力集中也较严重，故取f =1.00，即不考虑此强度增大，和侧面角焊缝一样对待。（3）轴心力作用时的角焊缝计算当作用力（拉力、压力、剪力）通过角焊缝群的形心时，可认为焊缝的应力为均匀分布。但由于作用力与焊缝长度方向间关系的不同，故在应用公式计算时应分别为：a 当作用力垂直于焊缝长度方向时：此种情况相当于正面角焊缝受力，此时式中f = 0 ，故得：b 当作用力平行于焊缝长度方向时：此种情况相当于侧面角焊缝受力，此时式中f ，故得：c 当两方向力综合作用时：如图所示三面围焊连接，其水平焊缝受垂直于焊缝长度方向的分力和平行于焊缝长度方向的分力的综合作用，而垂直焊缝则相反，因此应按公式分别计算各焊缝在f 和f 共同作用下的强度，即d 当焊缝方向较复杂时如图所示菱形盖板拼接焊缝，为了使计算简化，可不考虑应力方向，即均按侧面角焊缝对待，偏安全地取f= 1，故得：e 当角钢用角焊缝连接时当角钢与连接板用角焊缝连接时，一般宜采用两面侧焊，也可用三面围焊或L形围焊。为避免偏心受力，应使焊缝传递的合力作用线与角钢杆件的轴线重合。（a）两面侧焊； （b）三面围焊； （c） L 形围焊采用两面侧焊时：设N1、N2分别为角钢肢背和肢尖焊缝分担的内力，由M=0平衡条件，可得：采用三面围焊时：可先选取正面角焊缝的焊脚尺寸hf3，并计算其所能承受的内力（设截面为双角钢组成的T形截面：再由M=0平衡条件，可得： 采用L形焊缝时：不需假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3，直接令上式N2=0，则得： 按上述方法计算出各条焊缝所分担的内力后，假定角钢肢背和肢尖焊缝的焊脚尺寸hf1和hf2（对三面围焊宜假定hf1、hf2和hf3相等），即可分别求出其所需的焊缝计算长度：对L形围焊可按下式先求其正面角焊缝的焊脚尺寸hf3，然后使hf1= hf3，再由角钢肢背焊缝计算，即可求得lf3。采用的每条焊缝实际长度应取其计算长度加10mm，并取5mm的倍数。（4）弯矩、剪力和轴心力共同作用时T形接头的角焊缝计算 图中所示为一受斜向拉力作用的角焊缝连接T形接头。将F力分解并向角焊缝有效截面的形心简化后，见图示。图中焊缝端点a为危险点，其所受由M和N产生的垂直于焊缝长度方向的应力为：例题：试将图中的牛腿和柱连接的对接焊缝改用角焊缝，其他条件不变，仅F=350KN 。用如图所示的两条水平焊缝和两条槽形焊缝连接。将F力向焊缝有效截面的形心简化后，焊缝同时承受由弯矩M=Fe=35030=10500kNcm产生的fm 和由剪力V=F=350kN产生的fv 的作用。由于牛腿翼缘竖向刚度较低，故一般考虑剪力全部由腹板上的两条竖向焊缝承受，而弯矩则由全部焊缝承受。(5)扭矩、剪力和轴心力共同作用时搭接接头的角焊缝计算图中所示为一受斜向拉力F作用和角焊缝连接搭接接头。将F力分解并向角焊缝有效截面的形心O简化后，可与图所示的T=Ve、V和N单独作用等效。三、普通螺栓连接的构造和计算普通螺栓与摩擦型高强度螺栓有很大差别，普通螺栓是通过螺栓杆承担剪力和杆件孔壁承担压力来传力的，而摩擦型高强度螺栓则是靠拧紧螺栓而产生的连接件间的摩擦力来传力的。粗制螺栓由未经加工的圆钢压制而成，螺栓杆的直径较螺栓孔直径小1.01.5mm。螺孔多用冲孔制成，孔的质量较差，螺杆与螺孔之间存在着较大的空隙，故受剪时工作性能较差，螺栓群中各螺栓受力不均匀。粗制螺栓宜用于承受拉力的连接中，或用在不重要的受剪连接和作为安装临时固定之用。粗制螺栓的优点是制作方便，能有效地传递拉力。在拉剪联合作用的安装连接上，可设计成螺栓只受拉力，由支托来传递剪力。精制螺栓是由毛坯在车床上切削加工精制而成，螺杆直径只比孔径小0.30.5mm，螺孔采用导板钻孔，孔的质量较好，螺栓可以承受剪力和拉力。由于对螺杆和螺孔均有较高的要求，精制螺栓的制造和安装就比较复杂，造价较高，在应用上受到一定限制。1 螺栓的排列和构造要求(1) 钢板上螺栓容许距离(2)角钢上螺栓容许最小距离(3)槽钢、工字钢腹板上螺栓容许最小距离(4)槽钢、工字钢翼板上螺栓容许最小距离1）受力要求：在受力方向，螺栓的端距过小，钢板有剪断的可能。当各排螺栓距和线距过小，构件有沿折线或直线破坏的可能。对受压构件，当沿作用力方向螺栓距过大，被连接的板件间易发生张口或鼓曲现象。因此从受力的角度规定了最大和最小的容许距离；2）构造要求：当螺栓距及线距过大时，被连接的构件接触面就不够紧密，潮气容易浸入缝隙而产和腐蚀，所以规定了螺栓最大容许间距；3）施工要求：要保证一定的空间，便于转动螺体扳手，因此规定螺栓最小容许间距。2 螺栓受剪、受拉时的工作性能普通螺栓接受力情况可以分为剪力螺栓和拉力螺栓，剪力螺栓依靠螺杆的承压和搞剪来传递垂直于螺杆的外力，拉力螺栓则依靠螺杆受拉来传递平行于螺杆的外力。剪力螺栓连接在受力以后，当外力不大时，由构件间的磨擦力来传递外力。当外力继续增大而超过极限磨擦力后，构件之间出现相对滑移，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，则两端的螺栓较中间的受力为大。因为被 连接的构件在各区段中的传递荷载不同，变形也不同，影响到各螺栓受剪位移不同，导致各螺栓承受的剪力也不同。当外力再继续增大，使连接超过弹性阶段而达到塑性阶段时，各螺栓承担的荷载逐渐接近，最后趋于相等直到破坏。因此，当外力作用于螺栓群中心时，可以认为所有螺栓受力是相同的。剪力螺栓的破坏情况有两种：当螺栓直径较小，而钢板厚度较大时，螺杆是薄弱部分，会被剪断；反之，当螺栓直径较大，而钢板厚度相对较薄时，钢板是薄弱部分，连接会由于孔壁压坏产生塑性变形而丧失承载能力。此外构件本身也有可能由于截面开孔削弱过多而被拉断由于钢板端部螺孔端距太小而被剪坏，或由于连接钢板太厚，杆身受变而被坏。所以对构件本身也要计算其强度，以保证不因削弱过多而被拉断，同时也要采取一些构造措施，限制端距e2d。以避免板因挤压而被剪坏，并限制螺栓长l5d，以避免螺栓变曲过大而破坏。3 一个螺栓的强度计算nv每一螺栓剪面数，单剪为1，双剪为2；t在同一受力方向的承压构件的较小总厚度，单剪t取较小的厚度，双剪t取b或 a+c较小值；螺栓的有效直径和有效面积拉力螺栓连接中，外力使被连接构件的接触面互相脱开而使螺栓受拉，最后螺杆被拉断而破坏。4 螺栓群的强度计算（1）剪力螺栓群在轴向力的作用下的计算当外力通过螺栓群形心时，所需要的螺栓数目n为： 在构件的节点处或拼接接头的一端，当螺栓沿受力方向的连接长度l1大于15d0时，应将螺栓的承载力设计值乘以折减系数（1.1-l1/150d0）。当l1大于60d0时，折减系数为0.7，d0为孔径。螺栓孔削弱了构件的截面，因此在排列好所需的螺栓后，还需验算构件的净截面强度。当螺栓错列布置时，构件截面破坏的净截面积可近似取为：（2）剪力螺栓群在力矩、剪力和轴力共同作用下的计算：螺栓群在通过其形心的剪力V和轴力N的作用下，每个螺栓受力为螺栓群在力矩作用下，每个螺栓实际受剪。计算时假定连接构件上绝对刚性的，螺栓则是弹性的，所以螺栓都绕螺栓群形心旋转，其受力大小与到螺栓群形心的距离成正比，方向与螺栓至形心的直线垂直。螺栓1、2、3、4离形心O点最远，因而N1M最大，可分解成N1XM和N1YM： 由图可看出螺栓1的受力N1XM和N1YM与由于N和V所产生的N1XN和N1YN同方向，因此该螺栓受力最大，其合力为：当螺栓群布置在一个狭长度时，上式可稍作简化，如果x13y1，可假定所有Y=0；如果y13x1，可假定所有x=0。（3） 拉力螺栓群在轴力作用下的计算当外力通过螺栓群形心时，所需要的螺栓数目n为(4) 拉力螺栓群在力矩和轴力共同作用下的计算表示在力矩M和轴力N共同作用下的螺栓群，其受力情况有两种：即力矩M较小时和力矩M较大时。当力矩M较小时，构件B绕螺栓群的形心O转动，可采用与推导式相似的方法得到底排和顶排螺栓的受力。 当由式算得的Nmin0时，说明所有螺栓均受拉，构件B绕螺栓群的形心转动。由式算得的Nmax须满足强度条件：当力矩M较大，由式算得的Nmin0时，说明连接下部受压，这时构件B绕底排螺栓转动，应对底排螺栓取距，顶排螺栓受力为（5）剪拉螺栓群在力矩、剪力和轴力共同作用下的计算对于粗制螺栓，一般不容许受剪（承受静载的次要连接或临时安装连接除外）。此时可设支托承受剪力，螺栓只受力矩和轴力引起的拉力，按“（4）拉力螺栓群在力矩和轴力共同作用下的计算”进行计算。当必须由螺栓同时承受剪力和拉力时，以采用精制螺栓为宜，此时可不设支托而由螺栓承受剪力V，每个螺栓剪力为螺栓最大拉力仍按“（4）拉力螺栓群在力矩和轴力共同作用下的计算”进行计算。然后代入下列由试验资料得出的经验公式核算强度。例题：设计两角钢拼接的普通粗粗螺栓连接，角钢截面为L755。轴心受拉N=120kN，拼接角钢采用与构件相同的截面。材料用Q235钢。螺栓直径d=20mm，孔径d0=21.5mm。四 高强度螺栓连接的构造和计算高强度螺栓有摩擦型高强度螺栓与承压型高强度螺栓两种。1 摩擦型高强度螺栓摩擦型高强度螺栓用高强度钢制成。安装时将螺帽拧紧，使螺杆产生预拉力压紧构件接触面，靠接触面的摩擦来阻止其相互滑移，以达到传递外力的目的。摩擦型高强度螺栓与普通螺栓的重要区别，就是完全不靠螺杆的抗剪和孔壁承压传力，而是靠钢板间接触面的摩擦面传力。因此，摩擦型高强度螺栓具有施工简单、受力性能好、可以拆换、耐疲劳，以及在动力荷载作用下不致松丝等优点。高强度螺栓的杆身、螺帽和垫圈都要用抗拉强度很高的钢材制作。螺杆一般采用45#钢或40硼钢制成，螺帽和垫圈用45#号钢制成，且都要经过热处理以提高其强度。现在工程中已逐渐采用20锰钛硼钢作为高强度螺栓的专用钢。磨擦型高强度螺栓的剪切力大小与其传力磨擦面抗滑移系数和对钢板预压力有关。1）每个磨擦型高强度螺栓的抗剪承载力设计值为 2）磨擦面的抗滑移系数值：3）每个高强度螺栓的预拉力P值：4）传递剪力N所需要的高强度螺栓数为 当高强度螺栓同时受磨擦面间的剪切和螺栓轴线方向的外拉力Nt时，显然构件之间的夹紧力将降低，也就是每个螺栓的承载力设计值Nvb将降低。根据试验结果，当Nt=0.8P时，构件间的有效夹紧力就已接近于零。随着夹紧力的减少，抗滑移系数实际上也有一定的变化。为简化计算公式，假定抗滑移系数为不变值，而以（P-1.25Nt）代替P，以考虑由于预压力减少对抗滑移系数的影响。5）一个磨擦型高强度螺栓在一个磨擦面上的承载力设计值（kN）当同时承受磨擦面间的剪力和螺栓轴线方向的外拉力Nt时，每个高强度螺栓的承载力设计值为：高强度螺栓群在力矩M和轴力N共同作用，其计算方法与普通螺栓相同。磨擦型高强度螺栓连接中的构件净截面强度计算普通螺栓连接不同，被连接钢板最危险截面在第一排螺栓孔处。但在这个截面上，连接所传递的力N已有一部分由于磨擦作用在孔前传递，所以净截面的拉力NN。根据试验结果，孔前传力系数可取0.5，即第一排高强度螺栓所分担的内力，已有50%在孔前磨擦面中传递。设连接一侧的螺栓数为n，所计算截面（最外到螺栓处）上的螺栓数为n1，则构件净截面所受力为 净截面强度计算公式为在高强度螺栓连接中，开孔对构件截面的削弱影响较普通螺栓连接为小，有时甚至没有影响，这也是节约钢材的一个途径。2 承压型高强度螺栓承压型高强度螺栓采用的钢材与磨擦型高强度螺栓相同。构件接触面的处理方法和预拉力相同。因容许被连接构件之间产生滑移，所以抗剪连接的计算方法与普通螺栓相同。在杆轴力方向受拉的连接中，每个承压型高强度螺栓的承载力设计值为：同时，承受剪力和杆轴方向拉力的承压型高强度螺栓，应按下式计算： 和 分母1.2是考虑由于螺栓杆轴方向的外拉力使孔壁承压强度的设计值有所降低之故。承压型高强度的受剪承载力设计值不得大于按磨擦型连接计算和1.3倍，使承压型高强度螺栓连接在正常使用状态中仍处在板件无滑动的情况下，1.3为荷载分项系数的平均值。承压型高强度螺栓仅可用于承受静力荷载和间接承受动力荷载中的连接。轴心受力构件一 轴心受力构件的强度和刚度1 轴心受力构件的强度计算 2 轴心受力构件的刚度计算轴心受力构件的刚度通常用长细比来度量，长细比是构件的计算长度l0与构件截面最小回转半径i的比值，即：= l0/i , 愈小，表示构件刚度愈大，反之则刚度愈小。长细比过大会使构件在使用过程中由于自重产生弯曲变形，在动力荷载作用下会产生振幅较大的振动，在运输和安装过程中易产生挠曲变形，因此设计时要控制构件的长细比，使其不超过规范规定的容许长细比。在计算构件长细比时，绕两个主轴的长细比x、y均应小于容许长细比。 受拉构件的容许长细比受压构件的容许长细比三 轴心受压构件的整体稳定1 轴心受压构件的分肢平衡状态：当轴心压力达到一定大小，这时如果有侧向干挠力使其微弯曲，干挠力撤去后，构件仍保持微弯曲平衡状态，这种由直线平衡状态过渡到微弯曲平衡状态，称为轴心受压构件的分肢平衡状态。2 构件的弯曲失稳：轴心压力再稍增加，则构件弯曲变形增加而使构件丧失承载能力，这种现象称为构件的弯曲失稳。3 弹性屈曲（失稳）轴心压杆微弯曲线为正弦半波曲线，其临界力为： 临界应力为： 此式为欧拉公式。其临界力随抗弯刚度增大而增大，随构件计算长度增大而减少。轴心受压构件的临界力和计算长度系数4 弹塑性屈曲 5 轴心受压构件的截面的分类6 厚壁轴心受压构件的截面分类7 轴心受压构件整体稳定公式四 轴心受压构件的局部稳定轴心受压构件的局部稳定实际上是薄板在轴向压力作用下的屈曲问题。相连的板件互为支承。工字型截面柱的翼缘相当于三边铰支，一边自由的矩形轴向受压板、腹板相当于四边铰支的矩形轴向受压板。板件的容许宽厚比1 工字型截面柱1）腹板高厚比2）翼缘宽厚比上两式中：2 箱型截面箱型截面轴心受压构件的翼缘和腹板在受力条件上无区别，均为四边支承板。翼缘与腹板的相对刚度近似，宽厚比限制在3 圆管截面圆管属圆柱壳，圆管的缺陷对壳体屈曲影响显著，极限承载力可降低30%，其径厚比限制为：五 实腹式轴心受压构件的截面设计1 截面设计原则1）材料分布尽量远离截面形心，相同截面以获取较大的惯性矩，从而提高柱的截面刚度和整体稳定性。2）使两个主轴方向的稳定系数尽量相等3）柱身构造简单，便于其他构件连接，制造方便，节省钢材。4）尽量选用当地能供应的低合金钢材。2 截面选择在设计过程中，先确定轴心受压构件截面形式，此时轴心压力设计值，两主轴方向的计算长度都已确定。首先按整体稳定要求初选截面尺寸，然后再验算所选截面是否满足长细比、整体稳定、局部稳定要求。如有截面尺寸削弱，还应验算截面强度，如果不满足要求，则调整截面尺寸，进行验算，直到满足为止。具体步骤如下：1）假设构件的长细比，一般可选=40100之间，N较大，计算长度较小时，取较小值。根据钢材级别、截面类别和值，查得整体稳定系数值，求所需截面面积。2）求绕两主轴方向所需回转半径再根据回转半径与截面高度h，宽度b之间的近似关系求现所需要的截面高度与宽度：式中1、2为系数。3）根据所需的An、b、h并考虑局部稳定和构造要求，可以初选截面尺寸，确定b、t、h、tw。4）计算出所选截面的几何特征截面积A，绕x轴和绕y轴的惯性矩Ix、Iy：5）如果所选截面验算，证明不满足整体稳定要求时，可直接修改截面，或重新假定，重复上述步骤，直到满足为止。6）若有孔洞截面削弱较大时，还应验算净截面强度。3 实腹轴心受压柱，弯曲失稳时柱中剪力很小，故翼缘与腹板的连接焊缝，可按构造要求选用hf=48mm。1）当实腹轴心受压柱的腹板高厚比较大时（h0/tw80），应采用横向加劲肋，其间距不得大于3h0,通常在腹板两侧成对配置。其尺寸应满足外伸宽度厚度2）如果柱截面高度较大，高厚比要求的腹板又过厚，显然是不经济的。这时有两种方法处理，一种方法设置纵向加劲肋，以加强腹板，减小其截面计算高度。纵向加劲肋宜在腹板两侧成对布置。其尺寸要求：外伸宽度bs10twmm，厚度ts0.75twmm；另一种方法是，认为腹板中间局部屈曲，退出工作，在计算强度时，仅考虑腹板高度边缘范围内两侧各为20tw(235/fy)0.5mm的部分为有效面积。在计算构件整体稳定系数时，仍用全部面积。此外，为了保证构件截面几何形状不变，提高构件抗扭刚度，对大型实腹式构件在受有较大横向力作用处和每个运送单元的两端，还应设置横隔板，其间距不得大于截面最大宽度的9倍或8m。4 焊缝厚度翼缘与腹板采用自动焊，焊缝厚度Hf = 1.5t0.5 1。六 格构式轴心受压柱只要求出单位剪切角变形1，即可求出0y。1 缀条格式构件的换算长细比2 缀板式格构式构件的换算长细比：分肢在缀板范围内刚度大，变形小。分肢计算长度l01可用两缀板间的净距，则1=l01/i1。3 三分肢缀条格构式柱 4 四肢格构式柱缀条式格构柱： 缀板式格构式柱 5 格构式轴心受压柱的截面设计当格构式轴心受压柱的轴力设计值N，计算长度lox，loy材料、截面类型都已知时，截面设计分两步：首先，按实轴稳定要求选择分肢，其次按等稳原则，确定分肢间距。1）按实轴稳定条件确定分肢截面假定绕实轴长细比=60100，根据钢号和截面类型查得稳定系数x，求出所需截面面积An和回转半径：根据所需An、ix初选分肢型钢或分肢截面尺寸，验算对实轴的刚度与稳定是否满要求。2）按等稳原则，对虚轴确定分肢间距ca 根据等稳原则x=oy由换算长细比求出所需的y的最大值：b 缀条式格构式 缀板格构式 c 根据y球所需iy=loy/yd 确定肢间距 七 格构式轴心受压柱的缀材设计格构式轴心受压柱的剪力2 缀材计算1）缀条每一缀条平面承受剪力为： 斜缀条所受压力： 缀材平面通常采用单角钢连接，考虑到连接的偏心影响，其折减系数如下：2）缀板缀板的剪力： 缀板端部最大弯矩为： 八 轴心受压柱的柱头和柱脚1 设计要求：传力明确，传力过程简捷，安全可靠，经济合理，并且具有足够的刚度而构造又并不复杂。2 柱头对于实腹式柱，梁传来的全部压力N通过梁端突缘和垫板间的端面承压传给垫板，垫板又以挤压传给顶板（顶板厚度14mm），而垫板只需用一些构造焊缝和顶板焊连。柱顶板将N力分传给前后两个加劲肋，每根加劲肋和柱顶板之间可以采用局部承压传入N/2的力（当力较大时），也可以采用两根焊缝传力（当力不大时），焊缝受均布的向下剪力作用。加劲肋在N/2的偏心力作用下，用两根角焊缝把向下剪力N/2和偏心弯矩0.25b1N传给柱腹板，犹如悬臂梁的工作一样。通常先假设加劲肋的高度b1，它就是焊缝的长度，再进行焊缝验算。加劲肋的宽度 b1参照柱顶板的宽度b来定，厚度t1应符合局部稳定的要求，取0.2 b1及10mm。同时不宜比柱腹板厚度超过太多。在验算焊缝的同时，应按悬臂梁验算加劲肋本身的抗剪和抗弯强度。柱头加劲肋的两侧边各用两根角焊缝连接在柱肢的缀板上，加劲肋近似地按承受均布线荷载N/a的简支梁计算，均布荷载由角焊缝传给加劲肋，然后此加劲肋的支反力（N/2）又经二根角焊缝传给缀板，后者也看作简支梁，经焊缝把力传给柱肢。加劲肋的高度取决于焊缝的长度；加劲肋的厚度应满足稳定的要求，不小于a/40且不小于10mm。加劲肋按抗弯和抗剪强度验算。作为加劲肋支点的柱端缀板也按简支梁计算，在跨中承受由焊缝传来的集中力N/2，然后经贴角焊缝把力传给柱肢。显然，柱端缀板和柱身的缀板不同，在满足简支梁的强度要求的同时，它的高度还应满足焊缝、长度的要求，它的厚度要求和加劲肋相同。按一侧梁无活荷时对柱可能产生偏心受压来验算柱的承载力。3 柱脚 1）假设基础对底板的反力是均匀分布的，根据这一条件来设计底板。首先确定底板的平面尺寸：（fcc是混凝土的轴心抗压设计强度。）2）根据构造要求定出底板宽度：3）底板厚底由其抗弯强度来确定。底板受混凝土基础向上的均布反力的作用，可把柱身和靴梁看作是它的支承，这就形成了四边支承板、三边支承板和悬臂板等三种受力状态的区域，近似地按照各不相关的板块进行抗弯计算。（1）悬臂板部分 式中：（2）三边支承部分 a 1自由边的长度；系数。（3）四边支承部分a四边支承板中的短边长度（后者）；a系数算得各区域板块所受的弯矩值M1、M2和M4后，按其中最大者确定底板厚度：合理的设计应使M1、M2和M4基本相近，这可通过调整底板尺寸和加设膈板等办法来实现。（4）靴梁作强度验算最后，应该对靴梁作强度验算。可把靴梁近似地看作支承在柱身上的双悬伸梁，受均布反力的作用 由b1/a1比值查系数值锚栓应放在垂直于主梁轴线的位置，在底板上开一缺口，便于柱子安装，用螺帽及盖板直接固定在底板上。这样的锚栓不能抵抗弯矩作用，保证了柱脚的铰接要求。受弯构件一 梁的强度和刚度1 梁的强度计算1）承受静力荷载或间接承受动力荷载时，在弯矩Mx作用下： 在弯矩Mx和My共同作用下： 为截面塑性发展系数。2）直接承受动力荷载时，仍按上式计算，但应取x和y为1.0，即不才虑载面发展塑性变形，按弹性设计。为截面塑性发展系数2 剪应力在主平面内受弯的实腹梁，按弹性设计时，截面上最大剪应力达钢材的抗剪屈服点时为棚限状态。型钢由于腹板较厚，一般均能满足上式要求，因此，只在最大剪力处截面有较大削弱时，方需进行剪应力的计算。3 局部压应力梁在固定集中荷载（包括支座反力）处无支承加劲肋，或有移动的集中荷载（如吊车轮压）时，应计算腹板边缘的局部压力。当梁上翼缘有集中荷载且该荷载处梁的腹板又未用加劲肋加强时，应按下式计算腹板计算高度上的边缘局部压应力：支座反力并在梁端支座处（计算腹板计算高度下边缘的局部压应力，但一律取1.0）：腹板的计算高度应按下列规定采用：1）轧制型钢梁是腹板在与上、下翼缘相连处两内弧起点间的距离；2）焊接组合梁是腹板高度；3）铆接（或高强度螺栓连接）组合梁是腹板与上、下翼缘连接的铆钉（或高强度螺栓）钉线间的最近距离。4 折算应力在组合梁的腹板计算高度的边缘处，如同时受有较大的正应力、较大的剪应力和局部压应力c，或同时受有较大的正应力和剪应力（如连续梁支座处或梁的翼缘截面改变处等），应按下式计算折算应力：、c在沿腹板平面的内力作用下，腹板计算高度边缘同一点上同时产生的正应力、剪应力和局部压应力。计算时，其S是受压翼缘板对中和轴的面积矩。应按下式计算：、c 应带各自的下负号。式中：Inx净截面惯性矩；y计算点至梁中和轴的距离。1 系数。当、c 异号时，取1 =1.2；当、c 同号或c =0 时，取1 =1.1。因为实际上是梁的某一截面处腹板边折算应力达到承载力极限，限于局部，所以将设计强度予以提高。同时考虑到异号应力场将啬钢材的塑性性能，因而1 取得更大些。、c 的共同作用二 梁的刚度计算各种梁的截面一般常由抗弯强度决定，如梁较粗而跨度较小时，则取决于抗剪强度；而较细长的梁则往往由刚度控制。当刚度不足时不能保证正常使用。如楼盖梁的挠度过大，会给人们一种不舒适感和不安全感，而且会因振动过大使某些附着物如天花板抹灰等脱落，影响整个结构的使用功能；吊车梁挠度过大，可能使吊车不能正常运行等等。因此，对于梁的最大挠度应加以限制。对截面沿长度改变的组合梁，以及受移动集中荷载作用的吊车梁，挠度的计算比较麻烦，可采用下列近似公式计算：对等截面的简支梁翼缘截面改变的简支梁式中：Ix跨中毛截面惯性矩；I支座附近毛截面惯性矩。三 型钢梁的截面选择根据梁的内力计算所得到的最大弯矩，按下列公式求出需要的净截面抵抗矩：然后，在型钢规格表中选择截面抵抗矩接近Wnx的即可。为了节约钢材，设计时应避免在最大弯矩作用的截面上开螺栓孔，以免削弱截面。四 组合梁的截面选择1 截面高度：当梁的最大弯矩已知时，需要的净截面抵抗矩可由上式确定。组成截面时，为了满足需要的截面抵抗矩，可以有很多方案；可以是高而窄，也可以是矮而宽。前者翼缘用钢少而腹板用钢多，后者则相反。合理的设计是使翼缘和腹板的总用钢量为最少。根据这一原则确定的梁的高度叫经济高度，可按下式计算：式中：tw腹板厚度；K系数，不变截面的焊接梁 K=1.2，不变截面的焊接吊车梁 K=1.35。如果符合考虑塑性发展的条件，式中根号内的分子应乘以塑性系数x 。以受均布荷载的简支为例，挠度按下式计算：为了保证梁的刚度，而又使梁能充分发挥强度的作用，将设计强度f/1.3代替式中的（1.3是荷载分项系数的平均值），即得截面的高度，并使 hhe 。2 腹板尺寸：腹板的高度是截面高度减去2个翼缘板的厚度。腹板主要受剪力作用，应根据梁端的最大剪力确定腹板的需要厚度，这时翼缘板不参加工作，按矩形腹板计算：从经济出发，腹板应尽可能采用薄板，当梁高h1米，可按经验公式估计： 式中h以mm值代入。过薄的腹板需要设置纵向加劲肋，使构造复杂，一般梁从腹板的稳定性出发，应使：在确定梁经济高度时，先要知道腹板厚度，而决定腹板厚度时又需先知道梁高。因而计算时，都采取先假定腹板厚度的办法，以后再进行调整。3 翼缘尺寸：已知需要的净截面抵抗矩，整个截面城要的惯性矩为：由于腹板尺寸已定，其惯性矩为：则翼缘需要的惯性矩为：近似为由此可决定翼缘尺寸b通常取（1/31/5）h，过大，翼缘中的应力分布不均匀性就越大，对梁的工作不利；过小，对梁的整体稳定不利。厚度应符合条件：t（b/30）(fy/235)0.5，否则，太薄的翼缘板会发生局部失稳，并因而引起整个梁过早的破坏。截面考虑部分发展塑性时，t（b/26）(fy/235)0.5。式中fy是所用钢材的屈服点。五 梁的整体稳定梁的整体稳定计算式式中梁的整体稳定系数： （只能计算双轴对称焊接工字形截而简支梁纯弯屈时的整体稳定系数。其他见设计规范。）为提高钢梁的整体稳定性，设计时应选择Iy较大的截面；有条件时，设置设置的侧向支承；减小钢梁侧向弯扭屈曲的自由长度l1，是提高临界力和最有效方法。侧向支承应设在受压翼缘处，或尽可能接近受压翼缘，如果设在受拉翼缘处，则不能起到阻止截面侧向弯曲和扭转的作用。注意简支梁的支座构造，必须是叉支座的铰接支座，不允许支座截面侧向倾倒。对于在两个产平面内弯曲的构件，按下式验算整体稳定：箱形截面梁的抗扭矩刚度大，一般情况下，只要满足强度和刚度要，就不会丧失整体稳定。这些条件是：（1）h/b06（2）l1/b0:对Q235钢，95；对16Mn和16Mnq钢，65；对16MnV和16MnVq钢，57。满足了上列二条件的简支梁，可不计算整体稳定。式中l1是侧向支承点间的距离。此外，当有飓性铺板密铺在梁的受压翼缘上，并能阻止梁截面的扭转时，可不计算梁的整体稳定性。六 型钢梁设计型钢梁截面应满足强度、刚度、整体稳定和局部稳定的要求，由于热轧型钢翼缘和腹板有足够的厚度，一般不必验算局部稳定。腹板不开洞时不必验算剪应力。设计型钢梁时，道德根据梁的最大弯矩初选截面，然后进行各种验算，设计