钢结构基本原理PPT课件.ppt

1 钢结构设计原理TheoryofSteelStructure 2 参考资料 1 钢结构 陈绍蕃主编 中国建筑工业出版社 2003 2 钢结构 刘声扬主编 武汉工业大学出版社 1992 3 钢结构设计原理 王肇民主编 同济大学出版社 1991 4 钢结构 周绥平主编 武汉工业大学出版社 1997 5 钢结构疑难释义 刘声扬主编 武汉工业大学出版社 1993 6 钢结构构件的稳定 孙绍文主编 冶金工业出版社 1993 7 建筑钢结构设计 王肇民主编 同济大学出版社 2001 8 钢结构设计规范理解与应用 崔佳等编著 中国建筑工业出版社 2003 9 钢结构设计规范 GB50017 2003 10 冷弯薄壁型钢结构技术规程 GB50018 2002 钢结构设计原理 3 主要内容 1 绪论2 钢结构的材料3 钢结构的连接4 轴心受力构件5 受弯构件6 拉弯和压弯构件 钢结构设计原理 4 第一章绪论 1 1钢结构的特点1 2钢结构的设计方法1 3钢结构的应用和发展 钢结构设计原理 5 第一章绪论 1 1钢结构的特点 1 1钢结构的特点 1 轻质高强 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 密闭性好 6 耐腐蚀性差 7 耐热不耐火 6 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 7 第一章绪论 1 3钢结构的应用与发展 1 3钢结构的应用与发展 1 钢结构的应用 1 重 重工业厂房 2 大 大跨度结构 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 小 小型 可拆装的结构 8 第一章绪论 1 3钢结构的应用与发展 2 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 9 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 10 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2 4各种因素对钢材主要性能的影响2 5复杂应力作用下钢材的屈服条件2 6钢材的疲劳2 7钢的种类和钢材规格 11 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 即塑性 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 12 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 13 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 14 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 15 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 16 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 17 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 18 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 冲击韧性由冲击韧性试验获得 19 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 20 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 21 附2 拉伸试件 22 附3 冲击韧性试验 23 附4 冷弯试验 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 一 化学成分 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 12 0 2 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 25 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 26 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 二 冶金缺陷 常见的冶金缺陷有偏析 非金属夹杂 气孔 裂纹等 偏析 化学成分分布的不均匀程度 三 加荷速度 1 材性试验要求缓慢加载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 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 钢材硬化 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 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 五 温度的影响 1 正温范围 100 以内对钢材性能无影响 100 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 260 320 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 六 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 七 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 5复杂应力作用下钢材的屈服条件 2 5复杂应力作用下钢材的屈服条件 假定 1 材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达 2 当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时 钢材即由弹性转入塑性 弹性状态 塑性状态 平面应力状态 梁的应力状态 纯剪应力状态 32 第二章钢结构的材料 2 6钢材的疲劳 2 6钢材的疲劳 一 钢材疲劳破坏的特征 1 概念 钢材的疲劳 钢材在连续循环荷载作用下 当循环次数达到某一值n时钢材的破坏 循环荷载 结构或构件承受的随时间变化的荷载 应力循环次数n 结构或构件破坏时所经历的应力变化次数 应力幅 在循环荷载作用下 应力从最大到最小重复一次为一次循环 最大应力与最小应力之差为应力幅 直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接 当应力变化的循环次数n 5 104时 应进行疲劳计算 33 第二章钢结构的材料 2 6钢材的疲劳 常幅疲劳荷载 所有应力循环中 应力幅保持常量 变幅疲劳荷载 在应力循环过程中 应力幅是变量 34 第二章钢结构的材料 2 6钢材的疲劳 2 疲劳破坏的特点 1 疲劳破坏时 应力小于材料静力强度 2 疲劳破坏属于突然的脆性破坏 3 疲劳破坏的过程 4 影响疲劳强度的主要因素 1 应力幅 2 应力循环次数n 35 第二章钢结构的材料 2 6钢材的疲劳 二 常幅疲劳计算 36 第二章钢结构的材料 2 6钢材的疲劳 三 变幅疲劳计算 重级工作制吊车梁和重级 中级工作制吊车桁架的疲劳可作为常幅疲劳 按下式计算 吊车梁和吊车桁架欠载效应的等效系数 37 第二章钢结构的材料 2 6钢材的疲劳 疲劳计算时应注意的问题 1 直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接 当应力变化的循环次数n 5 104时 应进行疲劳计算 2 疲劳计算采用容许应力幅法 荷载采用标准值 3 由于来源于试验 已考虑动力效应 计算时不再考虑动力系数 4 在应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳 38 第二章钢结构的材料 2 7钢的种类和钢材规格 2 7钢的种类和钢材规格 一 钢的种类 1 化学成分 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 炉种 3 脱氧程度 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 39 第二章钢结构的材料 2 7钢的种类和钢材规格 4 质量等级 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 A D 脱氧程度 F b 低合金钢 Q 质量等级 A E 如Q235 A F Q345 C 40 第二章钢结构的材料 2 7钢的种类和钢材规格 6 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 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 41 第二章钢结构的材料 2 7钢的种类和钢材规格 二 钢材的规格 1 热轧钢板 1 工字钢普通工字钢 20aH型钢HW300 300 10 15T型钢TW150 300 10 15 2 槽钢 32b 3 角钢L125 10L125 80 10 4 钢管 400 6 2 热轧型钢 P321 附录7型钢表 42 3 冷弯薄壁型钢 壁厚1 5 5mm 第二章钢结构的材料 2 7钢的种类和钢材规格 43 钢结构设计原理 第三章 钢结构的连接 3 1钢结构的连接方法3 2焊接方法和焊缝连接形式3 3角焊缝的构造与计算3 4对接焊缝的构造与计算3 5焊接应力和焊接变形3 6螺栓连接的构造3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 44 第三章钢结构的连接 3 1钢结构的连接方法 3 1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 45 第三章钢结构的连接 3 2焊接方法和焊缝连接形式 3 2焊接方法和焊缝连接形式 电弧焊 一 焊接方法 电弧焊 电阻焊 气焊 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型 适用于Q235钢E50型 适用于Q345钢 P307 附表1 2 E55型 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 46 47 第三章钢结构的连接 3 2焊接方法和焊缝连接形式 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 3 气体保护焊优点 质量好 缺点 对环境要求高 48 第三章钢结构的连接 3 2焊接方法和焊缝连接形式 二 焊缝连接形式及焊缝形式 1 焊缝连接形式 对接连接 用盖板的对接 搭接连接 T形连接 角部连接 49 附5 对接 50 附6 搭接 51 附7 T型连接 52 第三章钢结构的连接 3 2焊接方法和焊缝连接形式 2 焊缝形式 焊缝 对接焊缝 角焊缝 按受力方向划分 53 第三章钢结构的连接 3 2焊接方法和焊缝连接形式 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 54 第三章钢结构的连接 3 2焊接方法和焊缝连接形式 三 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 X射线检查二级 外观检查 超声波检验三级 外观检查 55 56 第三章钢结构的连接 3 2焊接方法和焊缝连接形式 四 焊缝的标注方法 57 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 一 角焊缝的形式和强度 3 3角焊缝的构造与计算 按截面形式划分 角焊缝一般用直角角焊缝 夹角的斜角角焊缝 不宜用作受力焊缝 钢管结构除外 58 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 按受力方向划分 正面角焊缝 焊缝轴线垂直于力线1 应力状态复杂 存在正应力和剪应力 应力分布很不均匀2 三种破坏情况 ab面剪断 ac面拉断 ao面开裂3 破坏强度高 塑性差 59 B 正面角焊缝的破坏形式 60 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 2 侧面角焊缝 焊缝轴线平行于力线1 主要受剪 剪应力分布不均匀 两端大 中间小 焊缝越长剪应力分布越不均匀2 剪断面常在45o斜截面上3 强度低 但塑性好 正面角焊缝的强度是侧面角焊缝强度的1 35 1 55倍 3 斜角角焊缝 焊缝轴线倾斜于力线 61 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 二 角焊缝的构造要求 1 最小焊脚尺寸 注 对埋弧自动焊 最小焊脚尺寸可减小1mm 对T形连接的单面角焊缝 应增加1mm 当焊件厚度 4mm时 最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同 焊脚尺寸过小 会在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织 2 最大焊脚尺寸 焊脚尺寸过大 易使母材形成 过烧 现象 使构件产生翘曲 变形和较大的焊接应力 62 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 对于贴边焊 3 角焊缝的最小计算长度 焊缝焊脚尺寸大而长度较小时 焊件局部加热严重且起落弧的弧坑相距太近 以及可能产生的缺陷 使焊缝不够可靠 此外 焊缝集中在一很短距离 焊件的应力集中也较大 63 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 4 侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝沿长度方向受力不均匀 两端大中间小 所以一般均规定其最大计算长度 注 若内力沿角焊缝全长分布 则计算长度不受此限 注意 焊脚尺寸和焊缝计算长度取mm的整数 小数点以后都进为1 64 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 5 搭接连接的构造要求 为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均匀 仅有两条侧面角焊缝时 为了避免焊缝横向收缩时引起板件的拱曲太大 65 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 2 仅有正面角焊缝时 为了减少收缩应力以及因偏心在钢板与连接件中产生的次应力 3 围焊的转角处必须连续施焊 非围焊时 可在构件转角处作长度为的绕角焊 66 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 焊缝实际长度取为5mm的倍数 如192mm取为195mm 196mm取为200mm 67 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 三 直角角焊缝强度计算的基本公式 有效截面 作用在焊缝有效截面上的应力 角焊缝的通用计算公式 68 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 角焊缝的基本计算公式 角焊缝的基本计算公式 69 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 计算步骤 4 区分正面角焊缝受力和侧面角焊缝受力 视荷载种类 静荷或动荷 代入角焊缝的基本计算公式进行计算 1 求出同一平面焊缝群的形心 2 将荷载向形心简化 找出最不利位置 3 分别求出各荷载分量在最不利位置产生的应力 70 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 四 各种受力状态下直角角焊缝连接的计算 1 承受轴心力作用 1 用盖板的对接连接 71 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 例3 1双盖板对接连接的角焊缝计算 条件 已知钢板截面为 250 14 盖板截面为2 190 10 承受轴心静力荷载设计值700kN 钢材为Q235 焊条为E43型 手工焊 要求 设计此盖板 解 确定角焊缝的焊脚尺寸 72 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 1 采用侧面角焊缝 用双盖板 接头一侧共有四条角焊缝 每条焊缝所需的计算长度为 73 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 2 采用三面围焊 正面角焊缝所能承受的内力为 74 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 2 承受斜向轴心力 75 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 3 承受轴心力的角钢角焊缝计算 1 三面围焊 76 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 2 两面侧焊 77 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 3 L形围焊 78 附8 角钢与节点板的连接 79 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 80 81 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 82 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 83 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 84 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 2 承受弯矩 轴心力和剪力联合作用的角焊缝连接计算 85 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 86 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 87 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 88 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 89 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 3 围焊缝承受剪力和扭矩作用时的计算 假定 1 构件是完全刚性的 角焊缝处于弹性状态 2 角焊缝群上任意一点的应力方向垂直于该点与形心的连线 且应力大小与连线长度r成正比 90 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 91 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 92 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 93 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 截面特性计算 截面积 上 下翼缘及腹板截面积之和 中和轴 形心 位置 按全截面对某轴的面积矩等于各块板分别对该轴的面积矩之和求得 惯性矩 各板块自身惯性矩再加上各板块面积乘以板块中心至中和轴距离的平方 94 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 各点抵抗矩 惯性矩除以该点至中和轴的距离 各点面积矩 该点以上 或以下 的截面积对中和轴的面积矩 如按b点以下面积矩计算 中和轴以上部分取负值 以下部分取正值 95 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 96 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 97 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 98 第三章钢结构的连接 3 3角焊缝的构造与计算 问题 图1中应验算点的角焊缝强度 图2中应验算点的角焊缝强度 99 第三章钢结构的连接 3 4对接焊缝的构造与计算 3 4对接焊缝的构造与计算 一 对接焊缝的构造 对接焊缝的坡口形式 100 附10 带引弧板的对接焊缝连接 101 第三章钢结构的连接 3 4对接焊缝的构造与计算 二 焊透的对接焊缝的计算 对接焊缝是焊件截面的组成部分 焊缝中的应力分布情况与焊件的情况相同 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 102 第三章钢结构的连接 3 4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 103 第三章钢结构的连接 3 4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 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 104 第三章钢结构的连接 3 4对接焊缝的构造与计算 105 第三章钢结构的连接 3 4对接焊缝的构造与计算 106 第三章钢结构的连接 3 4对接焊缝的构造与计算 107 第三章钢结构的连接 3 4对接焊缝的构造与计算 108 第三章钢结构的连接 3 4对接焊缝的构造与计算 问题 图1 图2所示的对接焊缝截面 强度验算应分别验算哪些点 最大正应力验算 图1点 图2点 最大剪应力验算 图1点 图2点 折算应力验算 图1点 图2点 109 第三章钢结构的连接 3 5焊接应力和焊接变形 3 5焊接应力和焊接变形 2 特点 焊接应力是自相平衡的 一 焊接应力产生的原因和特点 原因 焊接过程中存在不均匀的温度场和局部高温 焊缝和焊缝附近的钢材不能自由地膨胀和收缩 受到约束而产生焊接应力 110 第三章钢结构的连接 3 5焊接应力和焊接变形 2 降低构件的刚度 二 焊接应力对结构性能的影响 对强度无影响 111 第三章钢结构的连接 3 5焊接应力和焊接变形 4 降低构件的疲劳强度 3 降低构件的稳定承载力 5 加剧低温冷脆 1 构件不平整 安装困难2 变轴心受力构件为偏心受力构件 三 焊接变形对构件工作性能的影响 112 第三章钢结构的连接 3 5焊接应力和焊接变形 1 设计方面 四 减少焊接应力和焊接变形的措施 1 对称布置焊缝 减小变形 2 焊缝不宜过于集中 不要出现三向交叉焊缝 3 注意施焊方便 以保证焊接质量 2 制造方面 1 焊前预热 2 焊后热处理 3 焊后机械校正 4 合理施焊顺序 5 焊前反变形 113 第三章钢结构的连接 3 6螺栓连接的构造 3 6螺栓连接的构造 3 施工要求 螺栓间距不能太近 满足净空要求 便于安装 2 构造要求 螺栓间距不能太大 避免压不紧潮气进入导致腐蚀 1 受力要求 螺栓或铆钉的最大 最小容许距离见P52 表3 4 3 7 螺栓及其孔眼图例见P29 表3 3 114 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 普通螺栓按加工精度可分为 1 粗制螺栓 C级 优点 安装简单 便于拆装缺点 螺杆与钢板孔壁不够紧密 传递剪力时 连接变形较大 宜用于承受拉力的连接中 或用于次要结构和可拆卸结构的受剪连接及安装时的临时固定 2 精制螺栓 A B级 优点 受力性能好缺点 安装费时费工 且费用较高 目前建筑结构中已较少使用 115 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 抗剪连接 板件之间有相互错动的趋势抗拉连接 板件之间有相互脱开的趋势 116 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 一 普通螺栓的抗剪连接 1 单个螺栓的受剪工作性能 4 弹塑性阶段 3 4 连接的剪切变形迅速增大 直至破坏 1 抗剪连接的工作性能 1 弹性阶段 0 1 板件间相互挤压 靠摩擦阻力传力 2 滑移阶段 1 2 摩擦阻力被克服后 板件间产生滑移 栓杆与孔壁相接触 滑移量取决于栓杆与孔的间距 3 栓杆直接传力的弹性阶段 2 3 螺栓杆既受剪又受弯 孔壁受到挤压 117 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 2 受剪螺栓的破坏形式 1 栓杆被剪断2 钢板被挤压破坏 螺栓承压破坏 3 钢板被拉断4 钢板被剪坏5 杆身弯曲破坏 118 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 3 针对以上破坏形式 应采取以下措施 1 通过计算保证螺栓抗剪2 通过计算保证螺栓抗挤压3 通过计算保证板件有足够的拉压强度4 螺栓端距 避免钢板被拉豁 119 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 2 抗剪连接的计算 1 单个普通螺栓的抗剪承载力 在普通螺栓受剪的连接中 单个普通螺栓的承载力设计值应取抗剪承载力和承压承载力设计值中的较小值 单个普通螺栓的抗剪承载力设计值 单个普通螺栓的承压承载力设计值 120 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 2 普通螺栓群的抗剪连接计算 1 普通螺栓群轴心受剪 121 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 普通螺栓群轴心受剪的计算流程 122 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 123 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 124 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 2 普通螺栓群偏心受剪 125 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 126 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 127 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 128 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 普通螺栓群偏心受剪的计算流程 129 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 130 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 131 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 132 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 二 普通螺栓的抗拉连接 抗拉连接的工作性能 抗拉螺栓的工作特点杠杆效应 由于被连接件的刚度不够 在螺栓中产生附加应力 规范中考虑杠杆效应 降低了螺栓的抗拉强度 同时要求设计中应采取构造措施以减少不利影响 抗拉螺栓连接中 外力使被连接件的接触面互相脱离而使螺栓受拉 最后螺栓杆被拉断而破坏 133 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 2 抗拉连接的计算 1 单个普通螺栓的抗拉承载力 134 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 2 普通螺栓群的抗拉连接计算 1 普通螺栓群轴心受拉 135 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 假定 在弯矩作用下 板件绕最边缘的螺栓旋转 每个螺栓受力大小与其到旋转中心的距离成正比 2 普通螺栓群弯矩受拉 136 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 3 普通螺栓群偏心受拉 137 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 138 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 三 既受剪又受拉的普通螺栓连接 139 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 140 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 141 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 142 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 143 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 5 80 400 144 第三章钢结构的连接 3 7普通螺栓连接的工作性能和计算 5 80 400 145 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 一 高强螺栓的构造 在摩擦阻力被克服后继续靠栓杆承受荷载 承载力高 连接变形比摩擦型的大 仅用于承受静力荷载和间接承受动力荷载结构中的连接 采用高强度钢材制作的螺栓称为高强螺栓 高强度螺栓的连接形式分为两种 只靠挤压力产生的摩擦阻力传递剪力 摩擦阻力被克服即为破坏 1 摩擦型连接 2 承压型连接 146 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 高强螺栓的设计准则 以荷载设计值引起的剪力不超过摩擦阻力为设计准则 1 高强度螺栓摩擦型连接 0 1 以连接达到破坏的极限状态为设计准则 2 高强度螺栓承压型连接 0 4 高强度螺栓承压型连接的的预拉力P和连接处构件接触面的处理方法应与高强度螺栓摩擦型连接相同 147 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 二 预拉力的建立 转角法 通过工艺试验 确定满足预拉力要求所需角度 在实际工程中采用固定转角 不精确 2 扭矩法 通过工艺试验 确定满足预拉力要求所需扭矩 制做特殊扳手 如机械扳手 光电扳手等 3 扭剪型高强螺栓 一种特制螺栓 用特殊扳手 拧断为止 预拉力建立完成 148 附11 扭剪型高强度螺栓 149 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 三 高强度螺栓的计算 高强度螺栓的抗剪计算 1 高强度螺栓摩擦型连接 150 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 2 高强度螺栓承压型连接 151 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 2 高强度螺栓的抗拉计算 1 高强度螺栓摩擦型连接 2 高强度螺栓承压型连接 152 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 3 同时承受剪力和拉力的高强度螺栓计算 1 高强度螺栓摩擦型连接 2 高强度螺栓承压型连接 153 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 1 高强螺栓群在弯矩作用下的计算 2 高强螺栓群偏心受拉的计算 四 高强螺栓群的计算 154 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 3 高强螺栓群在拉力 弯矩和剪力共同作用下的计算 1 高强度螺栓摩擦型连接 2 高强度螺栓承压型连接 155 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 156 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 157 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 158 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 159 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 160 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 161 第三章钢结构的连接 3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 作业 P69 70 习题3 1 3 2 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 162 第4章轴心受力构件 4 轴心受力构件 4 1概述4 2轴心受力构件的强度和刚度4 3轴心受压构件的稳定4 4轴心受压柱的设计4 5柱头和柱脚 163 第4章轴心受力构件 4 1概述 4 1概述 轴心受拉构件 桁架拉杆 网架 塔架轴心受压构件 桁架压杆 工作平台柱 各种结构柱 承载能力极限状态 强度 稳定正常使用极限状态 刚度 一 轴心受力构件的特点 轴心受拉构件 强度 刚度控制轴心受压构件 强度 刚度 稳定必须同时满足 轴心受力构件应满足两个极限状态 164 第4章轴心受力构件 4 1概述 实腹式构件 单个型钢截面焊接组合截面冷弯薄壁型钢 二 轴心受力构件的截面形式 格构式构件 三 柱的组成 165 166 167 168 第4章轴心受力构件 4 2轴心受力构件的强度和刚度 4 2轴心受力构件的强度和刚度 一 强度计算 169 第4章轴心受力构件 4 2轴心受力构件的强度和刚度 关于净截面面积 170 第4章轴心受力构件 4 2轴心受力构件的强度和刚度 用摩擦型连接高强度螺栓连接的构件的强度计算 构件净截面上所受的力应扣去已传走的力 同时还应验算构件截面无削弱处的强度 孔前传力 由于摩擦型连接高强度螺栓是靠摩擦力传力的 每个螺栓所传的力已由摩擦力在螺栓孔前传走 用摩擦型连接高强度螺栓连接的构件 存在孔前传力 171 第4章轴心受力构件 4 2轴心受力构件的强度和刚度 172 第4章轴心受力构件 4 2轴心受力构件的强度和刚度 173 第4章轴心受力构件 4 2轴心受力构件的强度和刚度 二 刚度计算 受拉和受压构件的刚度是以保证其长细比限值来实现的 174 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 4 3轴心受压构件的稳定 第二类稳定 由于初始缺陷 压杆一开始就是偏心受力 没有平衡分枝现象 变形从小到大 直到失稳破坏为止 计算方法 极限平衡法 稳定问题分为两类 第一类稳定 由直杆平衡转为微微弯曲的平衡 即发生平衡形式的转移 变形从无到有 称为平衡分枝现象 这种失稳通常称为屈曲 计算方法 欧拉临界力 175 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 两端铰接的等截面轴心压杆的屈曲临界力为 对于其它支承情况 欧拉临界应力 欧拉 Euler 临界力 理想轴心压杆弯曲屈曲临界力 理想轴心压杆的稳定曲线 176 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 一 轴心受压构件的整体稳定 1 理想轴心受压构件 理想的轴心压杆 等截面 无初始变形 无初偏心 无残余应力 材质均匀的轴心压杆 由于截面形式不同 轴心受压构件丧失整体稳定的形式有三种 理想轴心压杆的稳定属于第一类稳定问题 177 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 2 实际轴心受压构件 实际轴心受压构件存在初始缺陷 这些初始缺陷包括 初弯曲 初偏心 残余应力 由于存在初始缺陷 实际轴心压杆的失稳属于第二类稳定问题 178 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 初始缺陷对轴心压杆稳定极限承载力的影响 1 初弯曲和初偏心的影响 初弯曲 初偏心 越大 则变形越大 承载力越小 无论初弯曲 初偏心 多么小 压力一开始就产生挠曲 并随荷载增大而增大 179 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 2 残余应力的影响 按有效截面的惯性矩近似计算两端铰接的等截面轴压构件的临界力和临界应力 由于k 1 所以残余应力对构件稳定的不利影响对弱轴比对强轴严重得多 180 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 3 轴心受压构件整体稳定的计算 对于具有截面削弱的构件 在满足之后 还需验算 轴心受压构件的应力应不大于构件整体稳定的临界应力 181 第4章轴心受力构件 5 3轴心受压构件的稳定 构件长细比的确定 1 截面为双轴对称或极对称的构件 2 截面为单轴对称的构件 截面剪心和形心不重合的构件 沿形心纵轴受压时必须考虑绕对称轴 y轴 发生弯扭屈曲的可能性 构件绕非对称轴 x轴 仍然发生弯曲屈曲 182 第4章轴心受力构件 5 3轴心受压构件的稳定 把按弹性稳定理论算得的弯扭屈曲临界力换算成为长细比较大的弯曲屈曲杆件 再按换算长细比从规范中查得相应的稳定系数 轴压弯扭屈曲的实用计算方法是 183 第4章轴心受力构件 5 3轴心受压构件的稳定 184 第4章轴心受力构件 5 3轴心受压构件的稳定 185 第4章轴心受力构件 5 3轴心受压构件的稳定 186 第4章轴心受力构件 5 3轴心受压构件的稳定 187 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 188 第4章轴心受力构件 5 3轴心受压构件的稳定 189 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 190 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 二 轴心受压构件的局部稳定 1 局部稳定性 轴心受压构件的截面大多由若干矩形平面薄板所组成 这些组成板件分别受到沿纵向作用于板件中面的均匀压力 当压力大到一定程度时 在构件尚未丧失整体稳定性之前 个别板件可能先不能保持其平面平衡状态而发生波形凸曲 丧失了稳定性这种现象称作构件失去局部稳定性 191 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 二 轴心受压构件的局部稳定 2 均匀受压板件的临界应力 在单向压应力作用下 板件的临界应力为 192 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 3 轴心压杆的局部稳定 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 以工字形截面的轴压构件为例 P125 表5 5 1 翼缘板 三边简支 一边自由的均匀受压板 193 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 2 腹板 两边简支 两边弹性嵌固的均匀受压板 194 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 195 第4章轴心受力构件 4 3轴心受压构件的稳定 196 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 4 4轴心受压柱的设计 对于一个轴心受压构件 有三种可能出现的问题 已知荷载 截面 验算截面 已知截面求承载力 已知荷载设计截面 一 实腹柱设计 截面形式 实腹式轴心受压柱一般采用双轴对称截面 应考虑以下几个原则 面积的分布应尽量开展 使两个主轴方向等稳定性 便于与其他构件进行连接 尽可能构造简单 制造省工 取材方便 2 截面设计 197 第五章轴心受力构件 5 4轴心受压柱的设计 对于第 种情况的计算框图 198 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 199 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 构造要求 200 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 201 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 202 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 203 第五章轴心受力构件 5 4轴心受压柱的设计 屋架上弦杆AB l 5m 轴心受压 在屋架平面内的计算长度 在屋架平面外的计算长度 204 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 1 格构柱的截面形式 格构柱由缀材和柱肢组成 穿过柱肢板的轴为实轴 穿过缀材平面的轴为虚轴 二 格构柱设计 205 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 2 格构柱绕虚轴的换算长细比 格构柱绕实轴的整体稳定计算与实腹柱相同 绕虚轴的整体稳定应采用换算长细比进行计算 1 双肢格构柱的换算长细比 206 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 采用以上公式计算双肢格构柱的换算长细比时应保证 斜缀条与柱轴线间的夹角应在400 700之间 207 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 缀板线刚度之和应大于6倍的分肢线刚度 208 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 3格构式轴心受压构件的分肢稳定 分肢稳定承载力不小于整体稳定承载力 209 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 4 缀材设计 1 轴心受压格构柱的横向剪力 2 缀条的设计缀条式格构柱可看作桁架体系 柱肢是桁架弦杆 缀条是腹杆 210 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 按轴心压杆选择缀条截面 缀条一般采用单角钢 考虑到偏心受力和受压时的弯扭 按轴心受力构件设计时 强度设计值应乘以折减系数 211 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 缀板式格构柱可看作多层框架 柱肢是框架柱 缀板是横梁 3 缀板的设计 212 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 5 柱的横隔横隔一般用钢板或交叉角钢做成 横隔间距 截面较大宽度的9倍或8m 每个运输单元的端部都应设置横隔 213 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 压柱计算框图格构式轴心受 214 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 215 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 216 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 217 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 218 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 219 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 220 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 L45 4 221 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 864 222 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 864 223 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 864 224 第4章轴心受力构件 4 4轴心受压柱的设计 864 焊缝计算截面 225 第五章轴心受力构件 5 5柱头和柱脚 5 5柱头和柱脚 一 梁和柱的连接 1 梁支承在柱顶 1梁和柱的铰接连接 226 第五章轴心受力构件 5 5柱头和柱脚 2 梁和柱的侧面连接 227 第五章轴心受力构件 5 5柱头和柱脚 2梁和柱的刚接连接 228 第五章轴心受力构件 5 5柱头和柱脚 229 第五章轴心受力构件 5 5柱头和柱脚 1铰接柱脚 二 柱脚 230 第五章轴心受力构件 5 5柱头和柱脚 231 第五章轴心受力构件 5 5柱头和柱脚 232 第五章轴心受力构件 5 5柱头和柱脚 2刚接柱脚 233 第五章轴心受力构件 5 5柱头和柱脚 1 底板的计算 1 底板的面积 底板的面积决定于基础材料的抗压能力 234 第五章轴心受力构件 5 5柱头和柱脚 2 底板的厚度 底板的厚度由板的抗弯强度决定 将底板分为不同的区格 235 第五章轴心受力构件 5 5柱头和柱脚 236 第五章轴心受力构件 5 5柱头和柱脚 237 第五章轴心受力构件 5 5柱头和柱脚 2 靴梁的计算 3 隔板与肋板的计算 靴梁可作为承受底面焊缝传来的均布力并支承于柱边的双悬臂简支梁计算 靴梁的高度由其与柱边连接所需的焊缝长度确定 靴梁的厚度比柱翼缘厚度略小 隔板可作为支承于靴梁上的简支梁 荷载按图中阴影面积的底板反力计算 隔板的厚度不得小于其宽度的1 50 与靴梁等厚或略薄 高度比靴梁略小 肋板可按悬臂梁计算 荷载为图中阴影部分的底板反力 238 第五章轴心受力构件 5 5柱头和柱脚 4 焊缝的计算 焊缝承受柱的内力 采用角焊缝 计算时 焊缝分成两部分 一部分是柱与靴梁连接的竖直焊缝 按柱的轴心压力N计算 另一部分是靴梁与底板连接的水平焊缝 也按柱的轴心压力N计算 柱与底板直接连接的焊缝 因质量不能保证 柱端与底板可能有较大的缝隙 可偏安全地不考