《钢结构原理与设计》.doc

第一章 绪论 第一节 钢结构的特点 钢结构是钢材制成的工程结构，通常由型钢和钢板等制成的梁、桁架、柱、板等构件组成，各部分之间用焊缝、螺栓或铆钉连接，有些钢结构还部分采用钢丝绳或钢丝束。 钢结构与钢筋混凝土结构、木结构和砖石等砌体结构都是工程结构的不同分支。它们之间有许多共同性，例如在结构体系、内力分析和设计程序等方面大体是相同的；但由于材料性质的不同、原材料和构件截面形状的不同，也有其特殊性，例如在结构型式、构件计算方法、构件连接方法和构造处理方法等方面都有显著的差别。学习钢结构应注意它的特殊点。 钢结构具有下列优缺点： (1)材质均匀，可靠性高 钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体。钢材由钢厂生产，控制严格，质量比较稳定。钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算结果，所以钢结构可靠性较高。 (2)强度高，重量轻 钢材强度较高，弹性模量亦高，因而钢结构构件小而轻。当今有多种强度等级的钢材，即使强度较低的钢材，其密度与强度的比值一般也小于混凝土和木材，从而在同样受力情况下钢结构自重小，可以做成跨度较大的结构。由于杆件小，所占空间少，亦便于运输和安装。 (3)塑性和韧性好 钢结构的抗拉和抗压强度相同，塑性和韧性均好，适于承受冲击和动力荷载，有较好的抗震性能。 (4)便于机械化制造 钢结构由轧制型材和钢板在工厂制成，便于机械化制造，生产效率高，速度快，成品精确度较高，质量易于保证，是工程结构中工业化程度最高的一种结构。 (5)安装方便，施工期限短 钢结构安装方便，施工期限短，可尽快地发挥投资的经济效益。 (6)密封性好 钢结构的密封性较好，容易做成密不漏水和密不漏气的常压和高压容器结构和大直径管道。 (7)耐热性较好 结构表面温度在200以内时，钢材强度变化很小，因而钢结构适用于热车间。但结构表面长期受辐射热达150时，应采用隔热板加以防护。 (8)耐火性差 钢结构耐火性较差，钢材表面温度达300400以后，其强度和弹性模量显著下降，600时几乎降到零。当耐火要求较高时，需要采取保护措施，如在钢结构外面包混凝土或其他防火板材，或在构件表面喷涂一层含隔热材料和化学助剂等的防火涂料，以提高耐火等级。 (9)耐锈蚀性差 钢结构耐锈蚀性较差，特别在潮湿和有腐蚀性介质的环境中，容易第1页锈蚀，需要定期维护，增加了维护费用。 第二节 钢结构的应用范围 由于钢材和钢结构有上述特点，钢结构常用于各种工程结构中。在我国目前钢材需要量大而产量还不够多的情况下，钢结构的合理应用范围大体如下： (1)重型工业厂房的承重骨架和吊车梁 例如冶金企业的炼钢、轧钢车间，重型机械厂的铸钢、水压机、锻压、总装配车间等等，这些车间高度和跨度一般都比较大，有的柱距也比较宽，有重级工作制大吨位吊车(有超重吨位达440t的)，或是设备振动厉害，或是热加工车间，结构表面温度较高。 (2)大跨度建筑的屋盖结构 例如公共建筑中的体育馆、大会堂、影剧院等，工业建筑中的飞机装配车间、大型飞机检修库等。 (3)大跨度桥梁 跨度较大的铁路和公路桥梁多采用钢结构。 (4)多层和高层建筑的骨架 例如工业建筑中的多层框架、民用建筑中跨度较大的多层框架和高层框架。四、五十层的钢结构高层建筑已在我国建成多幢。固定式采油平台也多用多层钢框架。 (5)塔桅结构 如输电线路塔架、无线电广播发射桅杆、电视播映发射塔、环境气象塔、排气塔、卫星或火箭发射塔等高耸结构常采用钢结构。 (6)容器和大直径管道等壳体结构 如储液罐、储气罐、大直径输油(气)和输煤浆管道、水工压力管道、囤仓以及炉体结构等， (7)移动式结构 如水工闸门、各种起重机、射电望远境、移动式采油平台等。 (8)可拆卸、搬移的结构 如装配式活动房屋、流动式展览馆、军用桥梁等，采用钢结构特别合适。 (9)轻型结构 跨度不大，屋面轻的工业和商业房屋常采用冷弯薄壁型钢结构或小角钢、圆钢组成的轻型钢结构。 (10)在地震区抗震要求高的工程结构。 第三节 钢结构的发展概况 中国是最早用铁建造结构的国家之一。比较著名的是铁链桥，它是从竹索桥演变来的。现存的最早铁链桥之一为云南省永平与保山之间跨越澜沧江的霁虹桥(图11)，始建于明朝成化年间(14651487年)，几经重修。桥总长1134m，两岸桥台伸入江中，净跨573m，宽37m，底部承重铁链16根(现存14根)，栏杆铁链左右各一根。著名的中国红军长征经过的四川省泸定大渡河上的泸定桥(图12)，建成于1706年(清朝康熙45年)，净跨lOOm，宽27m，共有铁链13根，每根重约16t多。在当时条件下在水流急湍的河道上架起这样长的铁链桥，工程是艰巨的。它表明了我国劳动人民的聪明才智和创造力。 中国古代的钢铁结构除铁链桥外，尚有许多纪念性建筑，如目前仍然存在的，建于967年(五代南汉)的广州光孝寺东铁塔，共7层，塔身高635m，以及建于963年的西铁第二章 钢结构的材料 钢结构常需在不同环境条件和情况下承受各种荷载，因此其钢材应具有良好的机械性能(静力、动力强度和塑性、韧性等)和加工工艺性能(冷、热加工和焊接性能)，以保证结构安全、节省钢材、便于加工制造，并降低价格和投资。钢材的种类很多，其性质、用途和价格各不相同。符合钢结构这些要求的钢材，只是属于碳素结构钢和低合金结构钢中的少数几种，如Q235钢、16Mn钢、15MnV钢等。 不同用途、荷载和工作环境条件的钢结构，对钢材性能的具体要求应有区别。此外，结构钢材的受力破坏虽然在通常条件下是伴随有明显变形的塑性破坏，但在有些情况下也可能是没有明显变形征兆的突然发生的脆性破坏。因此，应了解钢材的主要性能及其影响因素，研究可能导致钢材脆性破坏的原因，以便针对结构的具体条件合理地选用钢材和设计结构。这对提高和保证钢结构的质量，防止和减少脆性破坏事故，取得良好的经济和使用效果都是必要的。这也是本章将要阐述的主要内容。 第一节 钢材的主要机械性能 钢材的主要机械性能(也称力学性能)通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下均匀拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。 一、钢材在单向均匀拉力作用下的性能 钢材的单向均匀拉伸比压缩、剪切等试验简单易行，试件受力明确，对钢材缺陷的反应比较敏感，试验所得各项机械性能指标对于其它受力状态的性能也具有代表性。因此，它是钢材机械性能的常用试验方法。 钢材的拉伸试验通常是用规定形状(圆形或板状)和尺寸的标准试件、在常温(204-5)下以规定的应力或应变速度逐渐施加荷载进行的。由于加载速度缓慢，又称静力拉伸试验。 钢材静力拉伸试验的机械性能常用拉伸曲线，即应力应变曲线来表明。图21是低碳结构钢材静力拉伸试验的较典型的应力应变曲线。图中纵坐标是试件横截面上的名义应力=FAo(F、Ao为试件的受拉荷载和原横截面面积)；横坐标是应变l/lo(lo、l为试件的原标距长度和标距长度的伸长量)。该曲线所显示的钢材受力状况和一些机械性能如下： 1弹性阶段(图21b中OB段)-钢材拉伸试验时的加、卸荷载过程表明，当应力不超过某一应力值、即曲线上B点的应力时，试件应力的增或减相应引起应变的增或减；卸除荷载后(8o)试件变形也完全恢复(o)，没有残余变形。钢材的这种性质称为弹性，对应于最高B点的应力人称为弹性极限。在此之前钢材处于完全弹性的受力阶段。第17页 上述弹性阶段OB线段又可分为倾斜直线OA段和曲线AB段。在OA段即fp(fp称为比例极限)时，-间呈线性正比例关系，即=E，E为该直线段的斜率，称为钢材的弹性模量，在钢结构设计中，通常对所有的钢材取统一的弹性模量值E=206103Nmm2。 曲线AB段即当fpfe后，钢材不再是完全弹性的，这时钢材的变形将包括弹性和塑性变形两部分，其中塑性变形在卸除荷载后不再恢复，因而试件将留有残余变形(例如图21C或D点处向下虚线)。弹塑性阶段的变形增长率dd继续随应力，的增加而加快，亦即切线模量ddEt(继续逐渐减小；直至，达到屈服点应力(图2lb的C点)时丘t为零。对有些试件，其试验曲线没有明显的弹塑性阶段，即弹性阶段一直保持到屈服点。 屈服阶段(图21b中CD段)-当施加的应力经过弹塑性阶段而达到某一数值时，-曲线中的应力。经上下波动然后稳定在该值附近的某一定值(图21L实线)，也可能不发生波动而达到定值(图21b中c点前短虚线)，这时荷载暂时不能增加，但变形却持续增长，即变形模量为零。这时犹如钢材屈服于所施加的荷载，故称为钢材应力达到屈服，进入受力的屈服阶段。 钢材屈服时其应力值的上限，即曲线上对应于Cu点的应力fy。称为上屈服点；对应于下限C点的应力fy称为下屈服点。fyu的值受试件加载速度、横截面形状和量测技术等的影响而不太稳定；人受其影响较小，对同一种钢材有较稳定的数值。因此通常以fy第三章 钢结构设计方法 新颁布的钢结构设计规范GBJ 1788和冷弯薄壁型钢结构技术规范GBJ 1887中的设计原则都是根据建筑结构设计统一标准GBJ 6884(试行)制订的，采用以概率为基础的极限状态设计法，用分项系数的设计表达式进行计算。因此本章内容主要包括：(1)一次二阶矩概率极限状态设计法；(2)分项系数表达的概率极限状态设计实用表达式以及钢结构习用的应力表达式；(3)规范GBJl788中钢材和连接的强度设计值。 第一节 概率极限状态设计法的基本概念 为了便于后面讲述概率极限状态设计法，现对有关概念加以简介。 一、结构的功能要求 结构设计的目的是要使设计的结构能够满足各种预定功能要求。建筑结构设计统一标准规定，建筑结构必须满足下列功能要求： (1)安全性 结构应能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载及引起结构外加变形或约束变形的其它作用(如支座沉陷、温度变化)，在偶然事件(如地震)发生时及发生后仍能保持必需的整体稳定，不致倒塌。 (2)适用性 结构在正常使用荷载作用下应具有良好工作性能，满足预定的使用要求，例如不产生影响正常使用的过大变形等。 (3)耐久性 结构在正常维护下，应随时间的变化仍能满足预定功能要求，例如不发生严重锈蚀而影响结构的使用寿命等。 二、结构的可靠性、可靠度、失效概率 结构的可靠性是指结构在规定的时间(设计基准期，一般取50年)内，在规定的条件(正常设计、正常施工、正常使用和正常维护)下，完成预定的安全性、适用性和耐久性等功能的能力。显然，结构具有安全性、适用性和耐久性，即可认为结构具有可靠性；因而也可以说，结构可靠性是关于结构安全性、适用性和耐久性的概称。 用来度量结构可靠性的指标称为可靠度。它是可靠性的定量描述，它表示可靠程度的大小。用来度量安全性的指标称为安全度。可靠度比安全度的含义更广泛，但安全度是可靠度最重要的内容。 由于影响可靠性的各种因素存在着不定性，如荷载、材料性能等的变异、计算模型的不完善，制作、安装质量的差异等，而且这些因素都是随机的，因此度量可靠性比较科学的方法是用概率表示。可靠度是指结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，它是结构可靠性的概率度量。第46页结构能够完成预定功能的概率称为可靠概率(A)，反之，结构不能完成预定功能的概率称为失效概率(pf)，二者互补，即ps+pf1。 在结构设计中，除了满足可靠性要求外，还必须考虑经济性。二者之间是经常互相矛盾的。结构设计要解决的基本问题，就是在结构的可靠与经济之间选择一种合理的平衡，力求以比较最经济的途径，使所设计的结构具有适当的可靠度，也就是以适当的可靠度来满足各种预定的功能要求。 从概率的观点看，结构的安全可靠不可能是绝对的，即不可能是百分之百的，总是存在风险的。但只要结构的失效概率足够小，小到人们可以接受的程度，就可以认为这一结构设计是可靠的。根据这样的认识而得到的计算方法称为概率法。 三、结构上的作用、作用效应、结构构件抗力 结构上的作用是指使结构产生效应(即内力、变形、应力、应变等)的各种原因的总称。作用可分为直接作用和间接作用两类。直接作用是指直接施加于结构上的集中或分布的力，如结构自重、楼面活荷载、吊车荷载等，统称为荷载。间接作用是指引起结构外加变形或约束变形的其他作用，以变形形式作用于结构，如温度变化、基础沉降、焊接、地震等。 作用按随时间的变异可分为永久作用、可变作用和偶然作用。永久作用指在设计基准期(结构使用期)内其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的，如结构自重、土压力、预加应力、基础沉降、焊接等。永久荷载习称恒荷载。可变作用指在设计基准期内其值随时间变化，且其变化与平均值比较不可忽略的，如安装荷载、楼面活荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、温度变化、常遇地震等。可变荷载习称活荷载。偶然作用指在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间较短的，如地震、爆炸力、撞击力等。 作用效应(占)是指结构上的作用引起的结构或其构件的内力和变形，如轴力、弯矩、剪力、扭矩、应力和挠度、转角、应变等。当作用为荷载时，其效应也可称为荷载效应。本章主要讨论荷载效应。因为结构上的作用是不确定的随机变量，所以作用(荷载)效应S般也是随机变量。 作用在结构上的荷载Q与荷载效应S之间，在简单情况下一般存在线性比例关系，即 SCQ(31)式中常数c称为荷载效应系数，与结构型式和荷载情况有关。例如一简支梁的跨中作用一集中荷载Q，计算最大弯矩时，cl4，l为梁的跨度。在这种情况下，荷载效应的统计规律可按与荷载的统计规律一致来考虑。 结构(构件)抗力(R)是指结构或构件承受内力和变形的能力，如构件的承载能力、刚度等。结构(构件)的抗力是结构(构件)材料性能(强度、弹性模量等)、几何参数和计算模式的函数。由于材料性能的变异性、构件几何特征的不定性和计算模式的不定性，结构(抗件)抗力也是随机变量。第四章 钢结构的连接 第一节 钢结构的连接方法 钢结构是由钢板、型钢等组合连接制成基本构件，如梁、柱、桁架等；运到工地后再通过安装连接组成整体结构，如屋盖、厂房、桥梁等。连接在钢结构中占有很重要的地位，将直接影响钢结构的制造安装和经济指标以及使用性能。连接设计应符合安全可靠、节省钢材、构造简单、制造安装方便等原则。 钢结构的连接方法可分为焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接等(图41)。其中普通螺栓连接使用最早，约从18世纪中叶开始，至今仍是安装连接的一种重要方法。19世纪20年代开始使用铆钉连接，此后发展成在钢结构连接中占统治地位。19世纪下半叶出现焊缝连接，在本世纪20年代后逐渐广泛使用并取代铆钉连接成为钢结构的主要连接方法。本世纪中叶又发展使用高强度螺栓连接，现已在一些较大钢结构的安装连接中得到较多的使用。 一、焊缝连接 焊缝连接是现代钢结构最主要的连接方法。在钢结构中主要采用电弧焊；较少特殊情况下可采用电渣焊和电阻焊等。 焊缝连接的优点是对钢材从任何方位、角度和形状相交都能方便适用，一般不需要附加连接板、连接角钢等零件，也不需要在钢材上开孔，不使截面受削弱，因而构造简单，节省钢材，制造方便，并易于采用自动化操作，生产效率高。此外，焊缝连接的刚度较大，密封性较好。 焊缝连接的缺点是焊缝附近钢材因焊接的高温作用而形成热影响区，其金相组织和机械性能发生变化，某些部位材质变脆；焊接过程中钢材受到不均匀的高温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，影响结构的承载力、刚度和使用性能，焊缝连接的刚度第71页大和材料连续是优点，但也使局部裂纹一经发生便容易扩展到整体。因此，与高强度螺栓和铆钉连接相比，焊缝连接的塑性和韧性较差，脆性较大，疲劳强度较低。此外，焊缝可能出现气孔、夹渣等缺陷，也是影响焊缝连接质量的不利因素。现场焊接的拼装定位和操作较麻烦，因而构件间的安装连接常尽量采用高强度螺栓连接、或设安装螺栓定位后再焊接。 二、螺栓连接 螺栓连接可分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接。普通螺栓通常用Q235钢(3号钢)制成，用普通扳手拧紧；高强度螺栓则用高强度钢材制成并经热处理，用特制的、能控制扭矩或螺栓拉力的扳手，拧紧到使螺栓有较高的规定预拉力值，相应把被连接的板件高度夹紧。 普通螺栓和高强度螺栓连接的优点是安装方便，特别适用于工地安装连接；也便于拆卸，适用于需要装拆结构的连接和临时性连接。其缺点是需要在板件上开孔和拼装时对孔，增加制造工作量；螺栓孔还使构件截面削弱，且被连接的板件需要互相搭接或另加角钢或拼接板等连接件，因而多费钢材。 1普通螺栓连接 普通螺栓连接一般采用C级螺栓，习称粗制螺栓；较少情况下可采用质量要求较高的A、B级螺栓，习称精制螺栓。 (1)C级螺栓连接 C级螺栓用未经加工的圆钢制成，杆身表面粗糙，尺寸不很准确；螺栓孔是在单个零件上一次冲成或不用钻模钻成(称为，类孔)，孔径比螺栓直径大12mm。 C级螺栓连接的优点是结构的装配和螺栓装拆方便，操作不需复杂的设备，并比较适用于承受拉力；而其受剪性能则较差。因此，它常用于承受拉力的安装螺栓连接(同时有较大剪力时常另加承托承受)、次要结构和可拆卸结构的受剪连接、以及安装时的临时连接。 受剪性能较差是由于孔径大于杆径较多，当连接所受剪力超过被连接板件间的摩擦力(普通螺栓用普通扳手拧紧，拧紧力和摩擦力较小)时，板件间将发生较大的相对滑移变形，直至螺栓杆与板件孔壁一侧接触；也由于螺栓孔中距不准，致使个别螺栓先与孔壁接触、以及接触面质量较差，使各个螺栓受力较不均匀。 (2)A、B级螺栓连接 A、B级螺栓杆身经车床加工制成，表面光滑，尺寸准确；按尺寸规格和加工要求又分为A、B两级(直径d24mm并长度l150mm和10d时用A级；d24mm或l150mm或10d时用B级。A级的精度要求更高)。螺栓孔在装配好的构件上钻成或扩钻成(相应先在单个零件上钻或冲成较小孔径)，或在单个零件或构件上分别用钻模钻成(统称为类孔)。孔壁光滑，对孔准确，孔径与螺栓杆径相等，但分别允许正和负公差，安装时需将螺栓轻击入孔。 A、B级螺栓连接由于加工精度高、尺寸准确和杆壁接触紧密，可用于承受较大的剪力、拉力的安装连接，受力和抗疲劳性能较好，连接变形较小；但其制造和安装都较费工，价格昂贵，故在钢结构中较少采用，主要用在直接承受较大动力荷载的重要结构的受剪安装螺栓。目前的情况是通常为摩擦型高强度螺栓连接所取代。第第五章 轴心受力构件 第一节 概述 轴心受力构件是指轴心受拉构件和轴心受压构件，其中包括轴心受压柱。 在钢结构中，屋架、托架、塔架和网架等各种类型的平面或空间钢桁架以及支撑系统，通常均由轴心受拉和轴心受压构件所组成(图51)。 工作平台以及单层、多层和高层房屋骨架的柱，承受梁或桁架传来的荷载，当荷载为对称布置且不考虑承受水平荷载时，这些柱属于轴心受压柱。柱通常由柱头、柱身和柱脚三部分组成(图52)，柱头支承上部结构并将其荷载传给柱身，柱脚则把荷载由柱身传给基础。 轴心受拉和轴心受压构件(包括轴心受压柱)，按其截面组成型式，可分为实腹式构件和格构式构件两种(图52)。实腹式构件具有整体连通的截面，如图53a，其中最常用的是工形和箱形截面。实腹式构件构造简单，制造方便，整体受力和抗剪性能好，但截面尺寸大时钢材用量较多。 格构式构件一般由两个或多个分肢用缀件(缀条或缀板)联系组成(图52b，c，图53b)。采用较多的是两分肢格构式构件，其缀件一般设置在分肢翼缘两侧平面内。分肢通常采用轧制槽钢或工字钢，承受荷载大时可采用焊接工形或槽形组合截面。格构式构件中，垂直于分肢腹板平面的主轴叫做实轴，垂直于分肢缀件平面的主轴叫做虚轴(图53b)。缀件分缀条和缀板两类，其作用是将各分肢连成整体，使其共同受力，并承受绕虚轴弯曲时产生的剪力。缀条常采用单角钢，与分肢翼缘组成桁架体系，对承受横向剪力有较大的刚度。缀板常采用钢板，必要时也可采用型钢，每隔一定距离在每个缀板平面内设置一个，与分肢翼缘组成刚架体系。在构件产生绕虚轴弯曲而承受横向剪力时，其变形比缀条体系稍大，因而刚度略低，所以通常用于受拉构件或压力较小的受压构件。 轴心受压柱以及受力较大的轴心受拉或轴心受压构件，通常采用实腹式或格构式双轴对称截面(图53)。一般情况是组合截面，有时也采用轧制工形或圆管截面。在普通桁架中，其杆件(受拉或受压)常采用两个等边或不等边角钢组成的T形截面或十形截面，第140页也可采用圆管或单角钢等截面(图54)。轻型桁架的杆件则可采用小角钢(双角钢或单角钢)或圆钢等截面(图55a)，或采用各种型式的冷弯薄壁型钢截面(图55b)。第六章 梁 第一节 梁的应用和型式 钢结构中广泛应用钢梁，即钢材制造的实腹式受弯构件，例如工业和民用建筑中的楼盖梁、屋盖梁、檩条、墙架梁、吊车梁和工作平台梁(图61)，以及桥梁、水工闸门、起重机、海上采油平台的梁等。 钢梁中最常采用简支梁，其用钢量虽然较多，但制造和安装方便，温度变化和支座沉陷不产生附加内力。有些情况下可采用带伸臂的梁、连续梁和框架梁(端部受弹性约束)等。 钢梁按受力和使用要求可采用型钢梁和组合梁。型钢梁加工简单，价格较廉；但型钢截面尺寸受到一定规格的限制。当荷载和跨度较大、采用型钢截面不能满足承载力或刚度要求时，则采用组合梁。 型钢梁中通常采用热轧型钢梁(图62ac)，荷载和跨度较小时也可采用冷弯薄壁型第200页钢梁(图62df)。热轧型钢梁主要采用工字钢和槽钢梁，其截面高而窄，适寸：强轴方向受弯。图62b的工字钢具有相对较宽的翼缘，一般称为H型钢(宽翼缘工字钢)，用作梁时有较大的侧向刚度、抗扭刚度和整体稳定性，也便于在翼缘上搁置面板。槽钢梁的截面左右不对称，弯曲中心位于腹板外侧，在翼缘上施加荷载时梁同时受弯并受扭，故只在构造上能使荷载接近弯曲中心或能适当防止截面扭转时才宜采用；但槽钢的一个侧面平整，当端部靠腹板与其它构件连接时比较方便，用于檩条等双向受弯情况也常比工字钢截面有利。冷弯薄壁型钢梁常用于承受较轻荷载(轻屋面轻墙面等)的情况，如轻型檩条和墙梁等，其用钢量较省，但对防锈要求较高。通常用卷边槽钢截面(图62d、e)，对檩条也常用卷边2形钢截面(图62f)，倾斜放置时其较强主轴比较接近于水平线位置，对承受竖向荷载下的弯曲较有利。 组合梁由钢板或型钢用焊缝、铆钉或螺栓连接而成。最常用的是由三块钢板焊成的工形截面梁(图62g)，构造简单，制造方便，用钢量省。对多层翼缘板焊接组成的焊接梁(图62h)，焊接工作量增加，并会产生较大焊接应力和焊接变形，而且各层翼缘板间受力不均匀，当切断外层翼缘板以改变梁截面时将引起力线突变和较大应力集中，故目前用得较少，通常是当荷载较大、所供应厚钢板不能满足单层翼缘板的强度或焊接性要求时采用双层翼缘板，这时外层和内层翼缘板的厚度比宜为051。双腹板的箱形截面梁(图62i)具有较大的抗扭和侧向抗弯刚度，用于荷载和跨度较大而梁高受到限制、或侧向刚度要求较高或受双向较大弯矩的梁，例如桥式起重机的大梁等；但钢材用量较多，施焊不方便，制造也较费工。 组合梁的连接方法一般用焊接。但对跨度和动力荷载较大的梁油J所需厚钢板的质量不能满足焊接结构或动力荷载的要求时，可采用铆接或摩擦型高强度螺栓连接组合梁。这种组合梁最常采用由腹板、翼缘角钢和翼缘盖板组成的1形截面梁(图62。翼缘角钢面积不宜少于整个翼缘面积的30；盖板通常用13块，以便采用较薄钢板，也便于随着梁弯矩的减小而逐次切断盖板而成为变截面梁；有时也可不用盖板。这种梁费料又费工，目前用得较少。 钢与混凝土组合梁(图62k)是在梁的受压区采用混凝土而其余部分采用钢材，充分发挥两种材料的优势，可以大大减小受压翼缘的钢材。这种梁已逐渐得到应用，主要用在楼盖和公路桥梁的主次梁，这时现浇的钢筋混凝土面板正好同时作为梁的受压翼缘；为了保证两种材料共同受力，钢梁表面应焊接抗剪连接件以与现浇混凝土板相联系。 组合梁一般采用双轴对称截面(图62 gj)；但也可采用加强受压翼缘的单轴对称第七章 拉弯构件和压弯构件 第一节 概述 拉弯构件和压弯构件是指同时承受轴心拉力或压力N以及弯矩M的构件，也常称为偏心受拉构件或偏心受压构件。拉弯和压弯构件的弯矩可以由于纵向荷载不通过构件截面形心的偏心所引起(图7la)，也可由横向荷载所引起(图71b)，或由构件端部转角约束(如固端、连续或框架梁、柱等)产生的端部弯矩所引起(图71c)。 钢结构中常采用拉弯和压弯构件，尤其是压弯构件的应用更为广泛。例如单层厂房的柱、多层或高层房屋的框架柱、承受不对称荷载的工作平台柱、以及支架柱、塔架、桅杆塔等常是压弯构件，桁架中承受节间内荷载的杆件则常是压弯或拉弯构件。 拉弯和压弯构件通常采用双轴对称或单轴对称的截面型式，可为实腹式或格构式的(图72，73)。双轴对称截面(图72a)常用于弯矩较小或正负弯矩绝对值大致相等以及构造或使用上宜于采用对称截面的构件或柱；单轴对称截面(图72b)常用于正负弯矩相差较大的构件或柱，即把截面的受力较大一侧适当加大，以节省钢材。普通桁架中的拉弯或压弯杆件常可采用图73的单轴对称或双轴对称截面，以较好适应节点连接的需要。第287页 拉弯和压弯构件的截面通常做成在弯矩作用方向具有较大的截面尺寸，使在该方向有较大的截面抵抗矩、回转半径和抗弯刚度，以便更好地承受弯矩。在格构式构件中，通常使虚轴垂直于弯矩作用平面，以便根据承受弯矩的需要，更好、更灵活地调整和适当加大两分肢间的距离。 与轴心受压构件和受弯构件相仿，压弯构件的设计应考虑强度、刚度、整体稳定和局部稳定等四个方面。强度计算一般可考虑截面塑性变形的发展，对直接承受动力荷载的构件和格构式构件等则通常按弹性受力计算。刚度和整体稳定计算通常应分别考虑对x轴和y轴两个方向，对承受单向弯矩作用的压弯构件亦即为在弯矩作用平面内和在弯矩作用平面外两个方向。刚度计算一般是控制构件的最大长细比不超过规定的容许值，对框架梁等以承受弯矩为主的压弯构件和必要时则需计算弯矩作用方向的挠度不超过容许值。局部稳定计算一般是保证构件各组成板件在受力过程中的局部稳定或控制各板件的宽厚比不超过规定的最大限值。对格构式构件则还应计算各分肢的稳定性是否满足要求。 拉弯构件的设计一般只需考虑强度和刚度两个方面。但对以承受弯矩为主的拉弯构件，当截面一侧最外纤维发生较大的压应力时，则也应考虑和计算构件的整体稳定以及受压板件或分肢的局部稳定。 本章将主要叙述拉弯和压弯构件的上述强度、刚度、整体稳定和局部稳定等设计计算问题，以及有关的构造问题。着重说明压弯构件，但其基本原则同样适用于拉弯构件。 在计算拉弯和压弯构件的刚度时，有关确定构件长细比、计算长度和计算长度系数的原则和方法与轴心受拉和轴心受压构件完全相同。本章第七节还要对框架柱的计算长度作一些补充说明。钢结构设计规范GBJ 1788规定拉弯和压弯构件的容许长细比分别采用与轴心受拉和轴心受压完全相同的数值，见表51和52。 第二节 拉弯构件和压弯构件的强度计算 对拉弯构件和截面有孔洞等削弱较多的或构件端部弯矩大于跨间弯矩的压弯构件，需要进行强度计算。 现以弯矩M仅作用于一个主平面内的双轴对称截面压弯(拉弯)构件为例(图74a、b)，轴心力N与弯矩A按比例增加，当N产生的均匀正应力(图74a、b虚线)与M引起的弯曲正应力叠加后，截面上压(拉)应力大的一侧最外纤维处为最大压(拉)应力，另一侧最外纤维为最大拉(压)应力(当M较大时，图74a)或最小压(拉)应力(当M较小时，图74b)。当最大压(拉)应力小于钢材屈服强度fy时，构件处于弹性工作状态。当N和M继续增加，最大压(拉)应力达到人(图74a、b)时，构件截面强度达到弹性阶段极限第八章桁 架 第一节钢桁架概述 一、钢桁架的应用和类型 桁架(图81)是指由直杆在端部互相连接而组成的以抗弯为主的格构式结构。桁架主要承受横向荷载，在荷载作用下桁架整体受弯，有些情况还同时受拉或受压；但桁架中的杆件则大部分情况下只受轴心拉力或压力。 最常采用的是平面桁架，在横向荷载作用下其受力实质是格构式的梁。钢桁架与实腹式的钢梁相比较，其特点是以弦杆代替翼缘和以腹杆代替腹板，而在各节点处通过节点板(或其它零件)用焊缝或其它连接将腹杆和弦杆互相连接；有时也可不用节点板而直接将各杆件互相焊接(或其它连接)。这样，平面桁架整体受弯时的弯矩表现为上、下弦杆的轴心受压和受拉，剪力则表现为各腹杆的轴心受压或受拉。 桁架在钢结构中应用很广，例如在工业与民用建筑的屋盖(屋架等)和吊车梁(即吊车桁架)、桥梁、起重机(其塔架、梁或臂杆等)、水工闸门、海洋采油平台中，常用钢桁架作为承重结构的主要构件。在大跨度公共建筑屋盖结构中较多采用的各种型式的钢网架，则属于空间钢桁架。各种类型的塔架，如电视、输电、钻井、起重机用塔架和桅杆塔，常用三面、四面或多面平面桁架组成的空间钢桁架。 钢桁架与实腹梁相比是用稀疏的腹杆代替整体的腹板，并且杆件主要承受轴心力，从而常能节省钢材和减轻结构自重。这使钢桁架特别适用于跨度或高度较大的结构。此外，钢桁架还便于按照不同的使用要求制成各种需要的外形。并且，由于腹杆钢材用量比实腹梁的腹板有所减少，钢桁架常可做成有较大高度，从而具有较大的刚度。但是，钢桁架的杆第336页件和节点较多，构造较为复杂，制造较为费工。 钢桁架中，梁式简支桁架最为常用。因为这种桁架受力明确，杆件内力不受支座沉陷和温度变化的影响，构造简单，安装方便；但用钢量稍大。刚架式和多跨连续钢桁架等能节省钢材，但其内力受支座沉陷和温度变化的影响较敏感，制造和安装精度要求较高，因此采用较少。在单层厂房钢骨架中，屋盖钢桁架常与钢柱组成单跨或多跨刚架，水平刚度较大，能更好适应较大吊车或振动荷载的要求。连续钢桁架常用于较大跨度的桥梁等结构和有纤绳的桅杆塔结构。在大跨度的公共建筑和桥梁中，也常采用拱式钢桁架。在海洋平台和某些房屋结构中，也常采用悬臂式钢桁架。各种塔架都属于悬臂式结构。 钢桁架按杆件内力、杆件截面和节点构造特点可分为普通、重型和轻型钢桁架。普通钢桁架一般采用单腹式杆件，通常是两个角钢组成的T形截面，有时也用十形、槽形或管形等截面(图82a)，在节点处用一块节点板连接，构造简单，应用最广。重型钢桁架的杆件受力较大，采用由钢板或型钢组成的H形或箱形截面(图82b)，节点处用两块平行的节点板连接，它常用于跨度和荷载较大的钢桁架，如桥梁和大跨度屋架等。轻型钢桁架采用小角钢及圆钢(图82c)，或采用冷弯薄壁型钢(图82d)，节点处可用节点板连接，也可将杆件直接相连，它主要用于跨度较小、屋面较轻的屋盖结构。 钢桁架通常采用焊缝连接。支撑系统和可拆卸的结构(输电塔、起重机等)的安装部分则常采用c级(粗制)或高强度螺栓连接。重型桁架各杆件间的工地连接通常采用