钢结构 自学指导.doc

钢结构基本原理自学指导书魏瑞演福建工程学院第一章 绪 论一、目的和要求：1了解钢结构在我国的发展历史。2掌握钢结构的主要优缺点。3、理解钢结构在我国的应用范围。4了解钢结构今后发展方向。 二、重点和难点：1钢结构的特点。2、应用范围。三、内容提要：1钢结构的特点包括主要优点和缺点两部分2应用范围 钢结构的应用范围主要取决于其自身的特点，此外，还受到国民经济发展的制约。3发展方向目前我国钢材的强度，型钢的品种，设计方法，新型结构的推广和应用，构件的定型化系列化和产品化以及优化原理的研究和应用是钢结构今后主要的发展方向。四、自检题：l。钢结构的特点，应用范围、钢结构发展趋势与钢结构的设计有何关系?2钢结构课程有哪些主要内容和特点?你准备怎样进行学习?第二章 钢结构的材料一、目的和要求：l、明确钢材的两种破坏形式。2掌握钢材的主要力学性能及其指标。3理解影响钢材基本力学性能的主要因素。4。掌握钢格的品种，标号及选用。二、重点与难点：1钢材的基本力学性能和钢材两种性质完全不同的破坏形式以及钢材的品种、标号是本章的重点。2理解各种因素对钢材基本力学性能的影响是本章之难点。三、内容提要：1钢材的基本力学性能(1)应力应变曲线掌握比例极限fp、弹性极限fe、屈服强度fy、抗拉极限fu等力学指标的物理意义； (2)伸长率和断面收缩率：反映塑性特征； (3)屈服强度fy和极限强度fu：反映强度特征，fy强度标准，fu是安全储备； (4)钢材符合理想的弹性一塑性体； (5)钢材的塑性变形远大于弹性变形，它增加了结构的安全性。 2。钢材的两种破环形式：塑性破坏和脆性破坏。 3影响钢材基本力学性能的主要因素 (1)化学成分；(2)冶金质量；(3)应力集中现象；(4)钢材的硬化；(5)温度的影响；(6)残余应力；(7)疲劳；(8)复杂应力作用等。 4钢材代号的意义及表示方法：按钢类、炉种、钢号和脱氧程度之顺序四、典型例题： 1“AY3F表示：甲类氧转炉3号沸腾钢普通碳素钢。 2“16Mn，含义：平均含碳量为0。16，主要合金元素为Mn，其平均含量不超过15。 五、自检题： 1为什么说钢材是理想的弹性一塑性体?画出3号钢单向拉伸时的曲线图，及理想的弹性一塑性体曲线图。 2有哪些因素造成钢材的脆性破坏? 3钢材的强度设计值为何按厚度Or直径分组取不同值? 4钢材有哪两种破坏形式?其主要区别是什么?用塑性良好“A3”制造钢结构只会发生塑性破坏吗?为什么? 5承重结构的钢材应保证哪几项机械性能和化学成分? 6钢材有哪几项主要机械性能指标?各项指标可用来衡量钢材哪些方面的性能?第三章 钢结构的设计方法一、目的和要求：1理解结构概率设计法与建国以来采用的容许应力设计法的基本内容，并进行比较。2掌握承载能力极限状态和正常使用极限状态的内容。3掌握结构设计的一些基本术语。例如：结构物上的作用、结构的抗力、作用效应、荷载的标准值和设计值。4理解极限状态设计与结构概率设计法表达式及各符号的含义。5掌握疲劳破环的基本概念和影响疲劳强度的主要因素。6了解疲劳计算的基本方法。二、重点与难点：1采用结构概率设计法用分项系数表达式与极限状态设计法用容许应力表达式的区别：2新钢结构规范计算表达式。3疲劳破坏的特征及其影响因素。4疲劳强度的计算表达式。三、内容提要：第四章钢结构的连接一、目的和要求：通过学习应熟练掌握本章各节的所有内容。1钢结构构件间的连接方法有3种(焊接、铆接、螺栓连接)，计算方法有对接焊缝、角焊缝、普通螺栓和高强螺栓。：2选择合理的连接方式。3角焊缝的构造要求和计算方法。4对接焊缝的计算方法。，5普通螺栓连接的基本要求及计算方法。6高强螺栓连接的材料及计算方法。二、重点和难点：1，掌握各种连接的构造要求。2掌握各种连接的计算方法。3各种连接的受力分析是本章的难点。三、内容提要：钢结构是由各种基本构件通过连接组成(如：梁和柱、柱与牛腿)的整体结构物翻百且很多基本构件也需要用钢板或型钢采用连接方式进行组合(例如焊接工字梁、组合柱等)使其达到共同作用的目的。因此，钢结构的连接设计其重要性不在于构件自身的设计，这一点请各位读者要有足够的认识。1对接焊缝的计算对接焊缝传力较均匀平缓，没有明显的应力集中，当符合I、I级焊缝质量检验时，焊缝和被焊构件的强度相等，动力性能较好，一般在重要结构中使用。但要注意焊缝边缘需要加工，被连接两板的间隙和坡口尺寸都有严格的要求。(1)轴心受力计算：焊缝的计算长度，在不用引弧板时需在起落弧点各扣除5mm (以下同)。(2)斜缝计算用正缝连接的焊缝强度低于焊件强度时，为提高连接的承力，可改用斜缝。但较费材。 当时，不必验算及r(3)在变矩和剪力共同作用下a矩形截面分别计算焊缝的正应力和剪应力。(b)工字形截面除验算上式中正应力哆和剪应力r外，还需验算弯矩和剪力都较大的截面，如图中1点处的检算应力：2、直角角焊缝的计算角焊缝除施简便外，其性能正好与对接焊缝相反，受力后应力分布很复杂，如果外力不足简单的和焊缝垂直或平行，其情况就更加复杂。侧面角焊缝受剪应力作用，在弹性阶段沿焊缝长度方向分布不均匀，两端大、中间小，焊缝长度越长不均现象愈为明显，其破坏常用两端开始，出现裂纹后通常沿45。喉部截面迅速断裂。但其塑性较好。正面角焊缝在轴向力作用下应力沿焊缝长度方向分布较均匀两端比中间略低，但应力状态比侧缝复杂。正面角焊缝刚度大破坏时变形小，强度较侧缝高，但塑性较差。直角焊缝强度条件的一般表达式为：在，综合作用下，角焊缝处于复杂应力状态，按强度理论其不破坏的强度条件为：正面角焊缝强度设计值增大系数。对于承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构取p=122，对直接承受动力荷载结构取p=1O(1)轴心受力角焊缝a端缝(正面角焊缝)b侧缝(侧面角焊缝)c焊缝方向复杂时，为简化计算取p=1O即不考虑应力方向即不考虑应力方向d角钢与钢板用角焊缝连接两侧缝连接计算三面围焊连接计算L形围焊连接计算(2)M、V、N共同作用时T形接头的角焊缝计算 (3)在扭矩T、N、V共同作用的搭接接头计算。在扭矩作用下采用以下假定：被连接件是绝对刚性体，而焊缝为弹性体；被连接件绕焊缝有效截面形心O旋转；焊缝群上任意一点的应力方向垂直于该点与形心0的连线；应力大小则与连线的距离r成正此。最不利点为最远点则 其中：为角焊缝有效截面的极惯性矩，即上式中所给出的与焊缝长度方向成斜角，包括 和两种因素，把其分件到x和y两方向分应力为：在轴间力N和V作用下其分应力分别为：则最不利点的应力为：计算步骤：判断最不利点求截面几何特征求最不利点各分应力验算最不利点强度3普通螺栓连接普通螺栓分为粗制(C级)和精制(A、B级)两种，其基本要求有受力要求，构造要求和施工要求。无论采用什么螺栓连接，按传力方式都可分为抗剪螺栓，抗拉螺栓和抗剪抗拉螺栓。螺栓连接最明显的优点是装折方便。(1)剪力螺栓计算则所需螺栓数目为：外力依靠螺栓杆的承压和抗剪来传递。(2)剪力螺榆群在T、N、V作用下在通过形心0的N、V作用下，每个螺栓力相等，即：在扭矩T作用下，根据其基本假定，最远点螺栓最不利则最不利螺栓受力为：把其分解成x、y两方向分力为：故最不利螺栓受力为：(3)剪拉螺栓群计算拉力螺栓承力为：在剪力作用下(精制螺栓)每个螺栓受力为：实际工程多在牛腿下设一支托以承受剪力，螺栓群只承受由弯矩引起的拉力作用。在弯矩作用下：在M、N共同作用下时，连接下部受压，螺栓群绕最底排转动计算步骤：判断最不利点求截面几何特征求最不利点各分应力验算最不利点强度3普通螺栓连接普通螺栓分为粗制(C级)和精制(A、B级)两种，其基本要求有受力要求，构造要求和施工要求。无论采用什么螺栓连接，按传力方式都可分为抗剪螺栓，抗拉螺栓和抗剪抗拉螺栓。螺栓连接最明显的优点是装折方便。(1)剪力螺栓计算则所需螺栓数目为：外力依靠螺栓杆的承压和抗剪来传递。(2)剪力螺榆群在T、N、V作用下在通过形心0的N、V作用下，每个螺栓力相等，即：在扭矩T作用下，根据其基本假定，最远点螺栓最不利则最不利螺栓受力为：把其分解成x、y两方向分力为：故最不利螺栓受力为：(3)剪拉螺栓群计算拉力螺栓承力为：在剪力作用下(精制螺栓)每个螺栓受力为：实际工程多在牛腿下设一支托以承受剪力，螺栓群只承受由弯矩引起的拉力作用。在弯矩作用下：在M、N共同作用下时，连接下部受压，螺栓群绕最底排转动则：时，所有螺栓受拉，螺栓群绕形心转动则：在拉力，剪力共同作用下，应满足有关公式且满足：以满足挤压承力要求。高强螺栓有摩擦型和承压型两种，其材料强度为普通螺栓的45倍，常用性能等级有88级和i09级两种。摩擦型高强螺栓连接是依靠栓紧而产生的连接件接触面间的摩擦阻力来传递外力。其开孔对截面的消弱比普通螺栓小，有时甚至没有影响，所以是节约钢材的重要途经。(1)承受剪力的计算所需螺栓数目为：(2)承受弯矩使螺栓受拉计算最顶排螺栓为最不利螺栓，中和轴在螺栓群的重心轴线上。高强螺栓所受的JT6I、I拉力必须满足：当承受螺栓杆轴方向的外拉力后，摩擦面间的预压力从P减小到(PNt)，摩擦面的抗滑移系数弘亦相应减小，相应的摩擦阻力即抗劳设计承载力等于09nt一(PNt)i为计算方便，仍采用原来的抗滑移系数l，而用125N，代替N，则一个摩擦型高强螺栓的抗剪设计承压力计算公式为：其中N。为栓杆外加拉力，故连接不被剪坏的设计承压力条件是：(4)净截面强度验算因其传力是靠连接件接触面间的摩擦阻力传递外力，而摩擦力一般可以为均匀地分布于螺孔四周，故孔前已传递了一半力，即已传递05n1(Nn)，所以：验算截面上的内力为则：四、典型例题：例1：计算由三块钢板焊成工字形截面的对接焊缝，已知截面尺寸如下图所示。作用在焊缝上的轴心力为N=250aN，弯矩M=42KNm，剪力V一260m,钢材为16Mn，采用手工焊，级质量检验，采用引弧板施焊，焊条为E50型。设点1、2、3、4、5分别为下翼外缘外缘、腹板与下翼缘连接处、梁重点轴线处、腹板与上翼缘连接处和上翼缘外缘。各点应力验算验算最不利点即D点焊缝强度故此连接接头安全。例3：如图示用M20普通螺栓连接的钢板拼接连接，钢材为3号钢试计算接头所能承受的最大轴心力计算值。所以此连接所能承受的最大轴向力设计值 6334KN例4：如图所示一牛腿用高强螺栓连接于钢柱上，M20，109级钢材3号钢，接触面喷砂处理。试验算该连接是否安全解：最顶排螺栓最不利，中和轴位置在重心轴线上。 螺栓纵向列数 m=2五、自测题：1、计算如图所示的对接焊缝，钢材为15MnV钢，采用E55；。型焊条、手工焊，质量检验标准满足3级，施焊时不用引弧板 2、角焊缝支托的两端用直角角焊缝与柱子翼缘相连，钢材为16Mn，焊条用E50型，手工焊，承受静整荷设计值为390KN，试确定所需的最小力焊脚尺寸 (焊缝计算长度不考虑弧坑的影响) 3试验算一受斜向拉力F一45KN(设计值)作用的普通螺栓强度。螺栓M20，钢材3号钢4若把例题3的拼接接头改用10、9级M20摩擦型交强螺栓，接触面采用钢丝刷清除浮锈。接头所能承受的最大轴心力设计值能增大多少?第五章 受弯构件(梁)一、目的和要求：承受横向荷载的结构叫弯构件or梁，钢梁中常用的有型钢梁和组合梁。梁的计算包括强度、整体稳定、局部稳定、刚度四项内容。钢梁受荷、，可能只在一个主平面肉受弯(单向弯曲梁)，也可能在两个主平面内同时受弯(双向弯曲梁)。1梁的强度计算。2梁的刚度计算。3。梁的整体稳定计算。4梁的局部稳定计算。二、重点和难点：1掌握受弯构件计算四项内容。2。掌握影响整体稳定的主要因素。3掌握梁不须作整体稳定计算的条件。4在梁强度计算中要清楚可考虑塑性发展的条件。5粱局部稳定中，对梁翼缘宽厚比限制，梁腹板加劲劲间距计算及加劲肋构造要求要掌握。三、内容提要：1梁的强度梁的强度应按抗弯，抗剪和局部承压分别计算其强度在梁的某些部位，上述三种应力or两种应力都较大时(梁翼缘截面改变处，集中力作用处)，还应验算折算应力。抗弯强度运用上述公式计算时应注意以下几个问题：a应知道截面塑性发展系数rxry的来源及使用条件。b型钢梁的腹板一般能满足抗剪条件的要求，若在最大剪力处截面无消弱，可不作抗剪强度计算。同样，对翼缘上承受均布荷载的梁可不作局部承压强度计算。c在集中力作用处组合梁腹板处设有支承加劲肋时，可不验算局部承压强度。2梁的刚度梁必须具有足够的刚度以保证正常使用极限状态。在荷载小而跨度大的梁，其截面常由刚度控制。而刚度以挠度表示，计算梁挠度时应采用荷载的标准值(不计荷载分项系数)3梁的整体稳定梁除在最大刚度平面内弯曲外，还会出现垂直于最大刚度平面的侧向弯曲和截面的扭转，从而导致梁丧失整体稳定。影响梁整体稳定的主要因素有：侧向刚度，抗扭刚度；侧向支承点间距；荷载种类；荷载作用位置等。梁的整体稳定应满足q)为整体稳定系数，对于工字型截面间支梁的整体稳定系数的计算公式计算时应注意以下几个问题：的大小与梁弯扭屈曲临界弯矩Mcr的大小有关，要充分理解临界弯矩的推导过程，并能对影响梁整体稳定的主要因素进行分析是按弹性稳定理论推导的，故只适用于梁的弹性工作阶段，而大量中等跨度的梁失稳时常处于弹塑性工作阶段所以，规范规定按上式算出的O6时，即认为梁已进入弹塑性工作阶段，应按教材表54查出相应的；代替。是不同荷作用下的稳定系数与纯弯曲作用下稳定系数的此值，也称等效弯矩系数，可在表53查到。为截面不对称影响系数，双轴对称工字形截面=O，加强受压翼缘的工字形截面=08(2ab-1),ab=,分别为受压翼缘和受拉翼缘对y轴的惯性矩。从这里可以看出，加强受压翼缘，即0，可使值增大，更有利于加强梁的整体稳定性。实际工程中，梁常与其它构件相连接，这有利于阻止梁表失整体稳定性，必须熟练掌握不必计算梁整体稳定性的条件，若不满足其条件，就必须按稳定验算公式计算。无论荷载是作用于上翼缘还是下翼缘，都要先确定谁是受压翼缘，支承点必须作用在受压翼缘上。4梁的局部稳定和加劲肋设计若梁的受压翼缘的宽度与厚度之比过大或腹板的高度与厚度之比太大，则在受力过程中会出现波状的局部屈曲。梁的局部稳定问题，实质上是组成梁的矩形薄板在各种应力作用下的屈曲问题。(1)工字形截面受压翼缘宽厚比限值。工字形截面受压翼缘板的外伸部分可按三边角支一边自由的纵向均匀受压板计算，翼缘板因承受较大的正应力，故采用控制其宽厚比保证局部稳定规范规定：受压翼缘外伸度b1与其厚度t之比 (2)腹板局部稳定与加劲肋设置腹板常采用加劲肋将其划分成若干矩形板段，各板段四周由翼缘和加劲肋作为支承以提高其临界应力。设置加劲肋通常有两种形式，即仅布置横向加劲肋或横向加劲肋与纵向加劲肋同时布置。横向加劲肋只能抗剪应力和局部弯曲应力作用，纵向加劲肋则抗娈曲应力。固此规范按腹板高厚比hot。的不同比值对如何配置加劲肋作了明确的规定P105。加劲肋的间距计算及构造要求请详见教材。四、典型例题：例1：如图所示间支梁，其截面为不对称工字形，材料为3号钢，鎏的中点和两端均有侧向支承，在集中荷载(未包括自重) (设计值)的作用下，梁能否保证整体稳定?强度是否满足?该梁已进入弹塑性工作阶段。故应对进行修正。查表54可得=25，则=0946梁整体稳定计算由计算结果可知，本题整体稳定性虽可满足要求，但抗弯强度不满足要求。由此可见对单轴对称工字形截面，一般应在验算稳定性的同时，还必须验算其强度。五、自测题：1一单轴对称工字形截面焊接两支梁，截面尺寸如图示，跨度为，钢材用16Mn。，承受均布荷，设计值为335KNm，标准值为250KNm(均含自重)，试验算该梁的抗弯强度，抗剪强度刚度和整体稳定性。 2一焊接工字形截面主梁承受两根次梁作用的集中荷载设计值为740KN，次梁能约束主梁的整体稳定。钢材为16Mn，钢不计主梁自重，试验算其抗弯强度(不考虑塑性发展)，抗剪强度和刚度。综合荷载分项系数为13， 3焊接工字形截面两支梁如图示，跨度为15m，在距支座5m处各有一次梁，次梁传来的集中荷设计值为200KN，3号钢，试验算梁的整体稳定是否满足第六章 轴心受力构件和拉、压弯构件 一、目的和要求： 1掌握轴压实腹柱的计算方法。 2掌握轴压格构柱的计算方法。 3理解偏压实腹柱的计算内容和方法。 4理解偏压格构柱的计算内容和方法。 二、重点和难点： 1本章的重点是稳定计算，稳定包括柱子本身的整体稳定和局部稳定，因此对稳定的概念一定要清楚。 2格构柱的关键是虚轴的稳定计算，尤其是换算长细比计算方法，以及单肢稳定验算。 3偏压柱应注意其整体稳定分弯矩作用平面内和弯矩作用平面外两种。 三、内容提要： 1轴压实腹柱 (1)强度计算采用全净截面的平均应力不超过屈服点fy的简化计算方法：即对于摩擦型高强螺栓连接的构件。且按毛截面验算，即 (2)刚度计算 所谓刚度是指材料抵抗变为形的能力为避免构件产生过大的变形(挠度)，且在安装运输过程中造成弯瞳，对动力荷载作用的构件中产生过大的晃动，对其刚度必须加以控制。 (3)整体稳定计算 柱截面上的平均应力还未达到屈服点前，就可能由于发生过大的变形而丧失承载能力现象，失稳的主要形式有弯曲屈曲，扭转屈曲和弯扭屈曲，它与截面形式，尺寸杆件长度及支承情况等因素有关。 整体稳定计算的现代方法按实际受力情况确定其承载力，即考虑了初弯曲，初偏心，残余应力等初始缺陷。 计算公式为：式中为轴心压杆稳定系数。根据压杆长细比和教材表64的截面分类按附录附表1119采用，i为回转半径4压弯格构柱(略)四、典型例题：例1：图示三角钢架，材料为3号钢， AB截面2 125x808，BC杆截面218011012，试验算该结构是否安全可靠，A、B、c均为铰接，截面无消弱AB上为拉杆，不必验算稳定性，其刚度为：解题应注意：拉杆只须计算强度和刚度压杆因为是型钢稳定性计算不必计算局部稳定。例2：某工作平台轴心受压缀条柱，柱高72m，两端铰接，轴心力设计值为1000KN,A3F，截面无消弱，柱自重约为139kgm，试验算该构件的整体稳定，单肢稳定，强度和刚度。(4)强度因截面无消弱，可不必验算，满足要求五、自测题：教材p189习题6-32一缀条式格构柱承受设计值为1430KN的静态轴心压力，两分肢均用28a普通热轧槽钢，缀条用L45X4等肢角钢，绕实轴和虚轴的计算长度均为6m，分肢截面无消弱。试验算该柱的整体稳定和单肢稳定。钢材用A3F。 3试验算图示焊接工字形组合梁截面，翼缘为焰切瘫每杆，两端铰接，长为15m，在杆中13处有侧向支承，截面无消弱材料用16Mn钢。 第七章 屋盖结构一、目的和要求：通过本章学习，可较系统地把已学过的节点连接和基本构件计算有机地联系起来，巩固和加深已学习知识，并进行普通钢屋架设计，掌握普通钢屋架设计的一般规律，达到温故知新的目的。1钢屋架的选型。2屋盖系统支撑布置原则。3构件计算。4屋架节点构造。5绘制屋架施工图。二、重点和难点：1普通钢屋架设计为本章之重点。2屋盖支撑布置原则要熟练掌握。3普通钢屋架内力计算方法要掌握。4掌握构件设计计算。5屋架节点设计和构造要求。6普通钢屋架施工图的绘制。三、内容提要：1支撵布置在设计屋架杆件时，应首先根据厂房的跨度，使用情况布置支撑，否则屋架上、下弦杆的计算长度无法确定，截面亦无法设计。2荷载及内力计算计算屋面荷载(包括恒载、活载和自重)，用结构力学方法(一般用图解法较简便)求各杆件内力。若上弦杆有节间荷载财需计算局部弯矩(采用简化计算方法)：中间节问正弯矩和支座负弯矩M1=06M。端节间正弯矩M2=08M。a为上弦节间距离，q为屋面荷载。3杆件设计。先确定各杆件的计算长度和长细比，再确定各杆件的截面形式，然后根据所学设计各杆件的截面。4节点设计屋架节点设计应使各杆件形心线与屋架几何轴线重合，避免产生节点附加弯矩，因此应尽量满足构造要求。屋架杆件通过节点板连接，因此，节点板尺寸应尽量使焊缝中心受力，节点板自身要有足够的强度。要掌握教材中提出的几个主要节点杆件与节点板焊缝计算中内力分配原则。屋架杆件与节点板的连接焊缝都采用角焊缝。5屋架施工图绘制选用适当的轴细比例和构件截面比例。各主要尺寸标注