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钢结构学习指导 朱占元四川农业大学 课程的主要内容 1 基础 上篇 材料连接基本构件 轴心受力 受弯 拉 压 弯2 综合应用 下篇 结构设计 包括结构形式 结构布置 受力特点 计算简图 荷载组合和内力分析以及构造要求 第1章绪论 内容提要 我国钢结构的概况钢结构的特点及应用钢结构的设计方法 钢结构 课程的主要内容 特点和学习方法学习目标掌握钢结构的特点及应用范围 了解钢结构的极限状态和概率极限状态法 第2章钢结构材料 内容提要 钢结构对材料的要求钢材的破坏形式钢材的主要性能影响钢材力学性能的因素钢的种类和钢材规格钢材的疲劳和疲劳强度 学习目标 掌握钢结构对钢材的要求 钢材的破坏形式 主要性能及其影响钢材性能的因素 能够正确选用钢材 了解建筑钢材的类别及其表达方式 掌握钢材的疲劳现象及影响疲劳强度的因素 钢的种类和代号 结构用钢 普通碳素钢 低碳C 0 25 合金钢 低合金 合金元素 5 1 碳素结构钢主要五种 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275钢号表示方法举例 Q235 A FQ235 B bQ235 CQ235 DQ 屈服点 235 表示fy 235N mm2A 无冲击要求B 20 冲击功 27JC 0 冲击功 27JD 20 冲击功 27JF 沸腾 b 半镇静2 低合金钢 Q295Q345 16Mn 16Mnq Q390 15MnV 15MnVq Q420Q460 原则 保证结构安全可靠 同时经济合理节约钢材 钢材的选用 1 选用的影响因素结构重要性 荷载特性 连接方法 结构所处的环境与工作温度 钢材的厚度 2 钢材的选用 根据上述原则 规范推荐钢材Q235 Q345 16Mn 16Mnq Q390 15MnV 15MnVq Q420Q460 1 一般承重构件三项保证 fy fu 5 和S P含量合格 2 较重要结构四项保证 fy fu 5 1800冷弯性能 3 对繁重操作的吊车梁等结构A 常温工作五项保证 fy fu 5 1800冷弯性能 常温冲击韧性Ak B 负温工作六项保证 fy fu 5 1800冷弯性能 常温冲击韧性Ak 负温冲击韧性Ak 钢材的规格 1 钢板 1200 8厚钢板 厚4 5 60mm 宽600 3000mm薄钢板 厚0 35 4mm 宽500 1500mm扁钢 厚3 60mm 宽100 200mm 2 型钢 角钢 等边L100 8不等边L140 90 8工字钢 普通工字型 20a 20b轻型工字钢 36Q槽钢 普通槽钢 30a 25b轻型槽钢 36Q 钢管 102 5 外径102 壁厚5H型钢和T型钢宽翼缘H型钢HW宽翼缘T型钢TW窄翼缘H型钢HN窄翼缘T型钢TN中翼缘H型钢桩HM中翼缘T型钢桩TMHW305 203 7 8 13 0表示其公称高度305 宽度203 腹板厚度7 8 翼缘厚度13 0 钢材的疲劳现象 实质 是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展甚至断裂的脆性破坏 过程 裂纹的形成 缓慢的扩展 最后迅速断裂断口特征 光滑区和粗糙区 1 一般概念1 疲劳破坏的特点 a 呈现脆性破坏特征b 破坏时 截面的应力低于钢材的抗拉强度 甚至低于fy 破坏断口整齐 2 疲劳破坏 钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成 扩展以致断裂的破坏现象 3 疲劳强度 构件在反复荷载作用下 经过一定次数的循环后出现疲劳破坏时的最大应力 2 影响疲劳强度的因素应力集中 应力幅 应力比以及应力循环次数 而与钢材的静力强度无关 第3章钢结构的连接 内容提要 钢结构的连接方法焊接结构特性对接焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算焊接应力和焊接变形普通螺栓连接的构造和计算高强度螺栓连接的构造与计算 学习目标 了解钢结构的连接方法 掌握焊接结构特性 熟练掌握对接焊缝的构造和计算 角焊缝的构造和计算 了解焊接应力和焊接变形 掌握普通螺栓连接的构造和计算 高强度螺栓连接的构造与计算 钢结构的连接方法 对接焊缝的计算 1 轴心受力的对接焊缝的计算 2 斜向受力的对接的焊接分别验证正应力 剪应力 有一定的近似性 1 矩形截面 3 承受弯 剪 轴力共同作用的对接焊缝 如下图所示两块Q235 B F钢板用对接焊缝相连接 内力设计值为 V 220kN M 25kN m 焊缝质量等级为3级 试验算该对接焊缝强度 2 对称工字形截面 3 承受弯 剪 轴力共同作用的对接焊缝 角焊缝的计算 焊脚尺寸hf 角焊缝的构造 角焊缝计算的基本公式 受静力荷载和间接承受动力荷载直接承受动力荷载的结构对斜角焊缝无论哪种荷载均取 试设计用拼接盖板的对接连接如下图所示 采用三面围焊 已知主板宽度B 400mm 厚度t 18mm 拼接盖板宽度b 360mm 厚度t1 10mm 承受静力轴心拉力设计值N 1450kN 材料为Q235 B F钢 手工焊 E43型焊条 顶接连接角焊缝计算 弯矩 轴力 剪力共同作用 扭矩 剪力和轴心力共同作用 螺栓连接 螺栓连接的计算 略 第4章轴心受力构件 内容提要 轴心受力构件的强度和刚度轴心受压构件的整体稳定实腹式轴心压杆的局部稳定轴心受压实腹柱设计轴心受压格构柱设计柱脚设计 学习目标 掌握轴心受力构件的强度和刚度 整体稳定 实腹式轴心压杆的局部稳定计算公式 熟练掌握轴心受压实腹柱设计 轴心受压格构柱设计 柱脚设计内容与步骤 1 轴拉构件强度 刚度2 轴压构件强度 整体稳定 局部稳定和刚度 弯曲屈曲 扭转屈曲 弯扭屈曲 轴心受压实腹柱设计 主要设计内容 截面选择强度验算 刚度验算整体稳定验算局部稳定验算柱脚设计与其它结构连接节点设计 一 截面设计时应遵循的原则1 宽肢薄壁 尽量使截面面积远离主轴线 以提高整体稳定性和刚度2 等稳定原则 3 制造省工和连接简便二 设计步骤1 确定截面形式 假定长细比 2 按假定的 计算所需面积3 求所需截面回转半径 4 确定型钢型号或组合截面各板件尺寸对型钢 根据Areq ixreq和iyreq查型钢表中相近的数值 选择合适的型号 对组合截面 应以Areq hreq breq为条件 并考虑设计原则 结合钢材规格 调配各板件尺寸 由回转半径与截面尺寸的关系 确定所需截面轮廓尺寸 5 由求出的A h b再考虑局部稳定要求初选截面尺寸 由A 2bt h 2t tw 令tw 0 4 1 0 t可求出t和tw如 焊接工字形截面宜取 6 对所选截面进行验算 1 强度 2 刚度 3 整体稳定 4 局部稳定 例 如下图所示一剖分T型钢轴心受压构件载截面 规格为TW150 300 10 15 计算长度l0 x 1509mm l0y 3018mm 在翼缘板上设有两个直径d0 22mm的螺栓孔 材料为Q235 B F钢 试计算该构件所能承受的轴心压力设计值N 轴心受压格构柱设计 一 主要设计内容 截面选择强度验算刚度验算整体稳定验算单肢验算缀条或缀板设计连接节点设计柱脚设计 二 设计步骤 按实轴稳定要求选定两分肢截面尺寸 按确定分肢间距 1 假定长细比2 由计算所需截面面积A3 求所需绕实轴截面回转半径4 根据A 初选分肢的型钢规格 验算实轴整体稳定和刚度 5 按虚轴与实轴等稳定原则确定 x 求对缀条式 对缀板式 分肢对最小刚度1 1轴长细比 设计时先按且不大于40计算 以后即按照缀板净距布置缀板 或者先布置缀板计算亦可 构件截面中垂直于x轴的各斜缀条毛截面面积之和 可大约按预选斜缀条的角钢型号 以后再按其所受内力进行验算 6 由求 7 由求两分肢尺寸c h得 8 截面验算 1 强度 2 刚度 3 整体稳定 由比较 取较小者为 4 单肢稳定验算N1 单肢压力A1 单肢截面面积 单肢计算长度 分肢最小截面回转半径确定时 对缀条柱 对缀板柱 且40 9 缀条和缀板的设计规范实用计算公式为 1 缀条设计n 承受Vb的斜缀条数有了即可按轴压构件设计缀条 注意 缀条一般为单角钢 可能产生偏心 应对强度设计值f折减 P135 2 缀板设计相当于多层刚架验算角焊缝是否满足 第5章受弯构件 内容提要 梁的类型和应用梁的强度和刚度梁的整体稳定型钢梁的设计组合梁设计梁的局部稳定性梁腹板加劲肋的设计梁的拼接主次梁的连接 学习目标 了解梁的类型和应用 掌握梁的强度 刚度和整体稳定计算 熟练掌握型钢梁的设计 组合梁设计 梁的局部稳定性以及梁腹板加劲肋的设计 了解梁的拼接 主次梁的连接 型钢梁的设计 型钢梁的设计需进行强度 刚度和整体稳定性计算 因腹板 翼缘宽厚比较小 局部稳定可保证 不必计算 单向弯曲型钢梁的设计步骤 1 计算梁内力按荷载设计值计算Mx V2 计算需要的Wnx按Wnx初选型钢梁截面 3 强度验算 4 整体稳定验算当无刚性铺板或l1 b1超过规定数值时5 刚度验算 梁的局部稳定性 一 翼缘板的局部稳定性 梁腹板加劲肋的设计 在焊接梁的设计过程中 翼缘板的局部稳定常采用限制宽厚比的方法来保证 而腹板的局部稳定则常采用配置加劲肋的方法来解决 1 腹板加劲肋的设置规定 正应力和剪应力共同作用下 正应力 剪应力和局部压应力共同作用下 四边均匀压应力和剪应力共同作用下 梁腹板区格内应力分布的几种形式 2 腹板加劲肋配置计算 第6章拉弯和压弯构件 内容提要 拉弯和压弯构件的应用及其破坏形式拉弯和压弯构件的强度计算压弯构件在弯矩作用平面内的稳定计算压弯构件在弯矩作用平面外的稳定计算压弯构件的计算长度实腹式压弯构件的局部稳定格构式压弯构件的计算梁和柱的连接 学习目标 了解拉弯和压弯构件的应用及其破坏形式掌握拉弯和压弯构件的强度 压弯构件在弯矩作用平面内 平面外的稳定计算掌握压弯构件的计算长度掌握实腹式压弯构件的局部稳定掌握格构式压弯构件的计算了解梁和柱的连接 实腹式压弯构件小结 1 翼缘的局部稳定因压弯构件中翼缘的受力情况与梁翼缘的受力情况基本相同 接近均匀分布 计算式同梁翼缘 局部稳定 1 工字形截面 2 腹板的局部稳定 2 箱形截面 3 T形截面 例题验算下图示压弯构件的强度及平面内 外的整体稳定性 已知 Q235钢 A 20cm2 Ix 346 8cm4 Iy 43 6cm4 y1 4 4cm 翼缘侧向1 3跨处设置两个侧向支承 解 1 参数计算 2 强度计算结论 强度满足要求 3 弯矩作用平面内的稳定性 结论 平面内整稳不满足 4 平面外的整体稳定性结论 平面外整稳满足 考题一 单项选择题 每小题2分 共20分 1 对于碳素结构钢来讲其含碳越高 则 A A 强度越高B 变形能力越好C 焊接性能好D 疲劳强度提高2 在抗剪连接中 强度等级 直径和数量相同的承压型高强度螺栓连接比摩擦型高强度螺栓连接 B A 承载力低 变形大B 承载力高 变形大C 承载力低 变形小D 承载力高 变形小 3 图示工字形截面杆件 当受纯弯时 其截面最大压应力为 腹板的局部稳定刚好满足 若受偏心压力时 其截面最大压应力也为 则其腹板的局部稳定 A 一定满足B 一定不满足C 也刚好满足D 无法判断题3图4 在计算工字形截面两端铰支轴心受压构件腹板的临界应力时 其支承条件为 C A 四边简支B 三边简支 一边自由C 两边简支 两边自由D 悬臂 5 设计焊接工字形截面梁时 腹板布置横向加劲肋的主要目的是提高梁的 D A 抗弯刚度B 抗弯强度C 整体稳定性D 局部稳定性6 进行疲劳验算时 计算部位的设计应力幅应采用 A 计算 A 荷载标准值B 荷载设计值C 考虑动力系数的荷载标准值D 考虑动力系数的荷载设计值7 格构式轴心受压柱整体稳定计算时 用换算长细比代替长细比 这是考虑 D A 格构柱弯曲变形的影响B 格构柱剪切变形的影响C 缀材弯曲变形的影响D 缀材剪切变形的影响 9 轴心受压柱的柱脚底板厚度是根据下列哪种工作状态确定的 D A 底板抗压工作B 底板抗弯工作C 底板抗剪工作D 底板抗弯及抗压工作10 常温条件下 残余应力的存在将使构件 钢材的变形性能良好 的静力强度 D A 降低B 提高C 受影响D 不受影响 二 填空题 每空1分 共10分 1 对于钢结构用钢材应严格控制硫的含量 这是因为含硫量过大 在焊接时会引起钢材的热脆性 2 钢材的伸长率是衡量钢材塑形应变性能的指标 是通过一次静力拉伸试验得到的 3 当轴心受压构件发生弹性失稳时 提高钢材的强度将 构件的稳定承载力 4 焊接工字形组合截面轴压柱 腹板局部稳定条件为 其中 应取 5 提高钢梁的整体稳定性最有效的办法之一就是设置侧向支承点 但侧向支承点必须设在钢梁的翼缘处 6 实腹式偏心压杆在弯矩平面外的失稳属于屈曲 7 普通螺栓受拉力作用时 螺栓的设计强度取值较低 这是考虑到对螺栓的不利影响 8 对轴心受力构件 正常使用极限状态是控制构件的 9 工字形截面轴压柱的翼缘宽厚比限值是根据导出的 10 Q235 A F钢中的 A 表示 试卷题型分析 一 填空题 主要考查一些基本概念根据题意在空格处添上相关内容 涉及1 6章所有内容 共计10道题 例题 1 冷弯性能是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标 2 钢材强度设计值f与强度标准值fy的关系为f fy 3 残余应力为构件内部自相平衡的内力 其对构件的强度无影响 试卷题型分析 二 单项选择题 主要考查基本概念根据题意 在给定的答案中选择一项填入空格 涉及1 6章内容 共计10道题 例题1 压弯构件的应力梯度 D A 1 B 0 C 2 D 2 02 钢材的含炭量大小与钢材的 D 无关 A 强度 B 塑性 C 可焊性 D 弹性3 格构式截面采用换算长细比是因为 A A 考虑剪切变形影响 B 考虑弯曲变形的影响 C 考虑扭转变形影响 D 考虑两分肢协同工作 第8章重型厂房结构设计 内容提要 结构形式和结构布置计算原理屋架设计吊车梁设计 1 柱网布置和计算单元 柱间支撑 2 钢屋盖的组成 钢屋盖由屋面 屋架和支撑组成 屋盖结构体系 屋面板 屋架 檩条 其它 托架 天窗 檩条等 上弦横向水平支撑下弦横向水平支撑下弦纵向水平支撑垂直支撑系杆 平面屋架在屋架平面外的刚度和稳定性很差 不能承受水平荷载 因此 为使屋架结构有足够的空间刚度和稳定性 必须在屋架间设置支撑系统 屋盖支撑 组成 檩条屋面板 保证屋盖的整体性 提高空间刚度仅由平面桁架 檩条及屋面材料组成的屋盖结构 是一个不稳定的体系 如果将某些屋架在适当部位用支撑连系起来 成为稳定的空间体系 其余屋架再由檩条或其他构件连接在这个空间稳定体系上 就保证了整个屋盖结构的稳定 避免压杆侧向失稳 防止拉杆产生过大的振动支撑可作为屋架弦杆的侧向支撑点 减小弦杆出平面外的计算长度 支撑的作用 承担和传递水平荷载 如纵向和横向风荷载 悬挂吊车水平荷载和地震作用等 保证结构安装时的稳定与方便屋盖的安装首先用支撑将两相邻屋架连系起来组成一个基本空间稳定体 在此基础上即可顺序进行其他构件的安装 支撑的作用 屋架设计 一屋架的内力分析 屋架上的荷载包括恒载 活荷载 雪荷载 风荷载 积灰荷载及悬挂荷载等 1 基本假定通常将荷载集中到节点上 并假定屋架各杆均为理想直杆 各杆轴线在同一平面内且汇交于节点中心 各节点均为理想铰接 忽略实际节点产生的次应力 2 节间荷载引起的局部弯矩节间荷载作用的屋架 除把节间荷载分配到相邻节点外 还应计算节间荷载引起的局部弯矩 3 内力计算与荷载组合 全跨恒载 全跨活载 即全跨永久荷载 全跨屋面活载或雪荷载 取较大值 全跨积灰荷载 悬挂吊车荷载 全跨恒载 半跨活载 即全跨永久荷载 半跨屋面活载 或半跨雪荷载 半跨积灰荷载 悬挂吊车荷载 采用大型混凝土屋面板的屋架 尚应考虑安装时可能的半跨荷载 即屋架 支撑和天窗自重 半跨屋面板自重 半跨屋面活荷载 屋架上 下弦杆和靠近支座的腹杆