钢结构课件全套_1-4章.ppt

1.了解钢结构的特点和应用。2.掌握钢结构的设计方法和设计要求。3.了解钢结构的发展概况。,1.1钢结构的特点1.2钢结构的设计方法1.3钢结构的设计规范1.4钢结构的应用和发展1.5本课程的主要内容和特点,本章目录,基本要求,第1.1节钢结构的特点,1.钢结构的定义2.钢结构的特点,了解钢结构的定义和特点,本节目录,基本要求,1.1.1钢结构的定义,定义：由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢等钢材为主建造的工程结构，称为钢结构。如高层建筑、大跨桥梁、高耸的塔等。,钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不同分支。,1.1.2钢结构的特点,1、强度高，结构重量轻,由于钢材强度高，结构需要的构件截面小，结构自重轻。a=容重/强度，a越小，结构相对越轻。钢材：a=1.73.710-4/m木材：a=5.410-4/m钢砼：a=1810-4/m,1.1.2钢结构的特点,2、材质均匀，塑性和韧性好,主要表现在：（1）钢材在使用阶段接近理想弹塑性体，这使得理论计算与实际情况相吻合。（2）钢材具有良好的塑性和韧性，不会因偶然的超载而破坏，对动力荷载适应性强。钢结构的抗震性能优于其它结构。,1.1.2钢结构的特点,3、便于工业化生产，施工周期短,钢结构构件一般可以在专业化工厂由专门机具加工，生产效率高，且不受气候影响。,1.1.2钢结构的特点,4、密闭性好，不渗漏,钢材本身组织致密，因而具有良好的气密性和水密性。,5、良好的加工性能和焊接性能,6、可重复使用性,1.1.2钢结构的特点,7、耐热性较好，耐火性差,钢材在表面温度不超过200时,其性能变化很小,因而适合于热车间。温度超过200以后，强度和弹性模量显著下降。达600时,钢材进入塑性状态已不能承载。,1.1.2钢结构的特点,新建钢结构，一般都需要采用油漆、喷铝、镀锌等进行防锈涂装，在涂装前需认真除锈，以后定期涂装，所以维修费用较高，这是钢结构的主要缺点。,8、耐腐蚀性差,1.1.2钢结构的特点,在动荷载作用下，钢结构容易因震动而产生噪声，在对环境有要求的场所需采用必要的消声措施。,9、低温冷脆倾向,10、容易发生噪声,第1.2节钢结构的设计方法,1.概述2.概率极限状态设计法3.规范设计表达式,1.了解钢结构的设计准则和设计方法,本节目录,基本要求,2.掌握现行规范设计方法和设计表达式,1.2.1概述,1、设计目的结构设计的目的是要使设计的结构和结构构件在施工和工作过程中均能满足各种预定功能的要求。建筑结构功能包括：（1）安全性（2）适用性（3）耐久性,2、设计准则,结构由各种荷载所产生的效应(内力和变形)不大于结构(包括连接)由材料性能和几何因素等所决定的抗力或规定限值。,3、设计方法,（1）容许应力方法,式中由标准荷载与构件截面公称尺寸所计算的应力；fk构件截面几何特征；K大于1的安全系数；钢材的容许应力。,（2）概率极限状态设计方法,根据应用概率分析程度的不同，可分为三种水准：半概率极限状态设计方法;近似概率极限状态设计方法;全概率设计方法。,3、设计方法,1.2.2概率极限状态设计方法,1、半经验半概率极限状态设计法,式中K1荷载系数；K2材料系数;K3调整系数；fyk钢材的屈服强度标准值；钢材容许应力。,2、近似概率极限状态设计法,极限状态：当结构或其组成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，此特定状态称为该功能的极限状态。,现行钢结构设计规范（GB500172003）采用该法。,(1)极限状态的概念,(2)极限状态分为两类,b.正常使用极限状态:包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。,a.承载能力极限状态:包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。,结构的工作性能可用结构的“功能函数”来描述，一般情况：Zg（x1，x2，xn）（1-3）,(3)功能函数和极限状态方程,式中g（）结构的功能函数；xi(i1,2,n)影响结构可靠性的各物理量。,为简化，将各因素概括为两个综合随机变量结构抗力R和作用效应S，则式（1-3）可写成：,Zg（R，S）RS（1-4）在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：Z0表示结构处于可靠状态Z0表示结构处于极限状态Z0表示结构处于失效状态,判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，为此，通常将下式：,Zg（R，S）RS=0(1-5),称为极限状态方程。,(4)结构可靠度和失效概率,可靠度是指结构在规定的时间内、规定的条件下，完成预定功能的概率。,结构能完成预定功能的概率(可靠度)用Ps表示，则：,结构不能完成预定功能的概率(失效概率)用Pf表示，则：,由于事件Z0与事件Z0是对立事件，所以结构的可靠度与结构的失效概率满足:,PsPZ0（1-6）,PfPZ90或135或6mm时，hf,maxt-(12)mm当t6mm时，hf,maxt,（2）最小焊脚尺寸,为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，hf,min还应满足以下要求:,式中:t较厚焊件厚度另外：对埋弧自动焊hf,min可减小1mm;对T形连接单面角焊缝hf,min应增加1mm;当t4mm时,hf,min=t,取整mm数，小数点以后只进不舍。,（3）设计焊角尺寸hf应满足,（1）侧面角焊缝的最大计算长度,2、焊缝计算长度的构造要求,侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均两端大而中间小。焊缝越长，应力集中越显著。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；但是当焊缝长度超过某一限值后，可能首先在焊缝两端发生破坏而逐渐向中间发展，最终导致焊缝破坏。,当实际长度大于以上限值时，计算时超出部分不予考虑；但当内力沿侧焊缝全长分布时，lw不受此限制.,故侧面焊缝计算长度：,（2）侧面角焊缝的最小计算长度,对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起灭弧坑相距太近，使焊缝不可靠。焊缝越短应力集中也越严重，故根据经验，规定：,此规定适合正面角焊缝和侧面角焊缝。,（3）侧面角焊缝的计算长度,当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：,3、搭接连接的构造要求,试验结果表明，连接的承载力与b/lw有关。当b/lw1时，连接承载力随比值增大明显下降，这是由于应力传递的过分弯折而使构件中应力不均所致，为防止连接强度过分降低，规范规定：b/lw1,为避免因焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大，要求：b16t（t12mm）或190mm（t12mm）,式中：b为两侧焊缝的距离；lw为侧焊缝计算长度；t为较薄焊件的厚度。,在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，且不得小于25mm。,当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转角加焊2hf。避开起落弧发生在转角处的应力集中。,3.3.3直角角焊缝强度计算的基本公式,分析计算直角角焊缝时，作如下假定和简化处理:假定角焊缝破坏面与直角边的夹角为45；,不计焊缝熔入焊件的深度和焊缝表面的弧线高度，偏安全地取破坏面上等腰三角形的高为直角角焊缝的有效厚度he，he0.7hf。,1、基本假定,有效厚度he与焊缝计算长度lw的乘积称为破坏面的有效截面面积。计算时假定有效截面上应力均匀分布。,2、有效截面上的应力状态,在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力：,正应力垂直于焊缝有效截面（面外垂直）剪应力平行于焊缝长度方向（面内平行）剪应力垂直于焊缝长度方向（面内垂直）,3、破坏时的极限条件,国际标准化组织(ISO)推荐用式(3-1)确定角焊缝的极限强度:,式中：fuw-焊缝金属的抗拉强度,出于偏于安全考虑,且与母材的能量强度理论的折算应力公式一致，欧洲钢结构协会(ECCS)，将(3-1)的1.8改为3即：,我国规范采用了以上折算应力公式，但由于我国规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条件确定的，故引入抗力分项系数后上式又可表达为,以下图为例，推导直角角焊缝强度计算的实用公式。,4、直角角焊缝的强度计算公式,ffw角焊缝强度设计值,f对于有效截面既不是正应力也不是剪应力，但可分解为和。,在V作用下，在有效截面内产生与焊缝长度方向平行的剪应力为：,（3-4）,在N作用下,产生与有效截面成45交角的平均应力为,（3-5）,可将f分解为和，如下,（3-6）,将式（3-4）和式（3-6）代入式（3-3），得,上式即为规范给定的直角角焊缝强度计算通用公式。,f正面角焊缝的强度设计值增大系数。静载时f1.22，对直接承受动载的结构，f1.0。,对正面角焊缝，f0，力N与焊缝长度方向垂直，则,对侧面角焊缝，f0，力V与焊缝长度方向平行，则,（3-8）,（3-9）,式中：he=0.7hf；lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去2hf。,3.3.4直角角焊缝连接的计算,1、轴心力作用时角焊缝的计算,（1）承受斜向轴心力的T形角焊缝连接,方法一：分力法求解,将力N分解为垂直于焊缝和平行于焊缝的分力：,Nx=Nsin，Ny=Ncos,计算应力：,代入式3-7验算焊缝强度，即:,方法二：直接法求解,将式3-10和式3-11代入式3-12，可得:,将代入上式，得,（3-13）,则受斜向轴心力角焊缝的计算公式为：,当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝群的中心，焊缝的应力可认为是均匀分布的。盖板对接连接可采用两侧侧面角焊缝连接，正面角焊缝连接和三面围焊连接。,（2）轴心力作用下的盖板对接连接,仅采用侧面角焊缝连接,lw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和。,采用三面围焊连接（矩形盖板）,先计算正面角焊缝承担的内力,lw连接一侧的正面角焊缝计算长度的总和。,再计算侧面角焊缝的强度,lw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和,或直接由下式计算：,图中：,或,采用三面围焊连接（菱形盖板）,在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝常用两面侧焊，或三面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。,（3）承受轴心力的角钢角焊缝连接,如左图钢桁架节点，弦杆和腹杆采用双角钢组成的T形截面，腹杆通过节点板与弦杆连接。,仅用侧面焊缝连接,解上式，得,由力及力矩平衡得：,在N1、N2作用下，肢背、肢尖焊缝的计算长度为：,（3-16）,（3-17）,采用三面围焊,设计时先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3，并求出它所分担的内力N3：,（3-18）,通过平衡关系，可得肢背和肢尖焊缝分担的内力为:,利用式3-16和3-17可得肢背、肢尖焊缝的计算长度。,采用L形围焊,令N20，由式3-20，得：,L形围焊角焊缝计算公式为：,（3-22）,若求出得hf3大于hfmax,则不能采用L形围焊,（3-21）,由水平平衡关系，得：,未采用绕角焊时,采用绕角焊时,2、受弯矩M、轴力N、剪力V联合作用的角焊缝计算,（1）偏心斜拉力作用,在偏心斜拉力作用下，角焊缝可看作同时承受轴心力Nx、剪力Ny和弯矩M=Nxe的共同作用。,由轴心拉力Nx产生的应力：,由弯矩M产生的最大应力：,因A点应力为最大，所以是设计控制点。对A点：,A点由轴心拉力Nx和弯矩M产生的应力方向相同，直接叠加得：,A点由剪力Ny产生的应力：,则角焊缝强度计算公式为：,（2）V、M共同作用下角焊缝强度计算,假设：腹板焊缝承受全部剪力，而弯矩由全部焊缝承受,对于翼缘最外纤维1点处：,式中:Iw全部焊缝有效截面对中性轴的惯性矩；h1上、下翼缘焊缝有效截面最外纤维间的距离。,对翼缘与腹板焊缝交点2处：,则腹板焊缝在2点的强度验算式为：,工字梁与钢柱翼缘角焊缝的连接另一种计算方法是假设腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，此时弯矩M化为一对水平力H=M/h。则：,腹板焊缝的强度计算式：,翼缘焊缝的强度计算式：,（3）承受扭矩与剪力联合作用的角焊缝计算,搭接扭矩顶接弯矩,注意区分偏心受力时：,将F向焊缝群形心简化得:剪力：V=F扭矩：T=F(e1+e2),计算时按弹性理论假定:被连接件绝对刚性，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而焊缝本身为弹性。扭距在角焊缝群上产生的任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。在轴心力V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。,经过分析，可知：A点和A点为该连接的设计控制点,T作用下A点应力:,将其沿x轴和y轴分解:,Ip为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，Ip=Ix+IyIx，Iy焊缝计算截面对x、y轴的惯性矩；rx，ry为焊缝形心到焊缝验算点A的距离在x、y方向的投影长度。,剪力V作用下，A点应力:,A点垂直于焊缝长度方向的应力为:f=Ty+Vy，平行于焊缝长度方向的应力为:f=Tx,则A点强度验算公式：,即：,第3.4节对接焊缝的构造与计算,1.对接焊缝的构造2.对接焊缝的计算,掌握对接焊缝构造和计算方法,本节目录,基本要求,3.4.1对接焊缝的构造,(1)对手工焊，焊件厚度t6mm；对埋弧焊t10mm时可不做坡口，采用直边缝。,1、对接焊缝的坡口形式,对接焊缝的焊件常需做成坡口，又叫坡口焊缝。坡口形式与焊件厚度有关。,(2)当焊件厚度t=720mm时，宜采用单边V形或双边V形坡口。,(3)当t20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。,2、对接焊缝的优缺点,优点：用料经济、力线不弯折、传力均匀、无明显的应力集中，利于承受动力荷载。缺点：经常需开坡剖口，焊件下料精度要求高。,3、对接焊缝的构造处理,（1）在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故焊接时可设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。,（2）当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于的斜角，以平缓过度，减小应力集中。对于直接受动力荷载且需要进行疲劳计算的结构，斜角坡度应不大于1:4。,3.4.2对接焊缝的计算,对接焊缝分为：焊透和部分焊透两种，后面不做特殊说明，均指焊透的对接焊缝。,对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。,1、轴心受力的对接焊缝,lw焊缝计算长度，无引弧板和引出板时，焊缝计算长度取实际长度减去2t；有引弧板时，取实际长度。t连接件的较小厚度，对T形接头为腹板的厚度。ftw、fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。,（2）直对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况：没有引弧板时需要计算；受拉情况下的三级焊缝。,其余：,说明：,（3）当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接，如下：,lw斜焊缝计算长度。设引弧板时，lwb/sin；不设引弧板时，lwb/sin2t。fvw对接焊缝抗剪设计强度。,经计算，当tg1.5时，对接斜焊缝强度不低于母材，可不用检算。,2、承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝,焊缝内应力分布同母材。焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分布分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件：,（1）板件间对接连接,M焊缝承受的设计弯矩；Ww焊缝计算截面模量。,V焊缝承受的设计剪力；Iw焊缝计算截面惯性矩；Sw计算剪应力处以上（或以下）焊缝计算截面对中和轴的面积矩。,（2）工字形截面梁对接连接计算,对于工字形截面梁的对接接头，除应分别验算最大正应力与最大剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力：,（2）工字形截面梁对接连接计算,式中：1、1为腹板与翼缘交接处的正应力和剪应力。1.1考虑到最大折算应力只在局部出现，故将强度设计值适当提高。,3、承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝,轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力，剪力作用下产生剪应力，其计算公式为：,腹板与翼缘交界处的折算应力:,式中,焊透的对接焊缝的计算除考虑焊缝长度是否减少，焊缝强度要否折减外，其计算方法与母材的强度计算完全相同。,第3.5节焊接应力和焊接变形,1.焊接应力的分类和产生的原因2.焊接应力对结构工作性能的影响3.焊接变形4.减小焊接应力和焊接变形的措施,1.了解焊接应力产生的主要原因、分类以及对结构性能影响2.了解减小焊接残余应力和焊接残余变形的措施,本节目录,基本要求,3.5.1焊接应力的分类和产生的原因,1.焊接残余应力的分类,纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向,横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力。,厚度方向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。,钢结构中的焊接过程是一个不均匀加热和冷却过程，由于不均匀的温度场，使主体金属的膨胀和收缩不均匀。导致在主体金属内部产生内应力，通常称这种内应力为焊接应力。,2.焊接残余应力产生的原因,（1）纵向焊接残余应力,焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及附近温度可高达1600C，而邻近区域温度骤降。温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到周围钢材的限制而产生残余拉应力。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生残余压应力。对于低碳钢和低合金钢，这种拉应力可以达到钢材的屈服强度。,焊缝的纵向收缩：使焊件有反向弯曲变形的趋势，而实际又不能分开，于是导致两焊件在焊缝处中间产生横向拉应力，两端则产生压应力；,由以下两部分收缩力所引起,（2）横向焊接残余应力,施焊先后约束影响：焊接时先焊焊缝已凝固，会阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生横向压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生横向拉应力。,（3）沿厚度方向的焊接残余应力,在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。,焊缝冷却成形时，与空气接触的焊缝表面先冷却结硬，中间部分后冷却，沿厚度方向的收缩受到外面已冷却焊缝的约束，因而在焊缝内部形成沿厚度方向的拉应力，外部为压应力。,当钢材厚度t20mm时,厚度方向焊接应力较小,可忽略;但t50mm时,厚度方向焊接应力可达50Nmm2,如果纵、横、厚三个方向的焊接应力在焊缝某区域形成三向拉应力场，将大大降低焊缝的塑性。,3.5.2焊接应力对结构性能的影响,1、对结构静力强度的影响,2、对结构刚度的影响,当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy，故该部分刚度为零（已屈服），这时在N作用下应变增量为：,当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：,因此：存在焊接残余应力将使结构变形增大，即降低了结构的刚度。,以上图轴心受拉杆件为例：,3、对压杆稳定承载力的影响,对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力。,5、对疲劳强度的影响,4、对低温冷脆的影响,对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向。所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。,在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。,3.5.3焊接变形,1、焊接残余变形的种类,在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却收缩，势必使构件产生局部鼓曲、歪曲、弯曲或扭转等。焊接变形的基本形式有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。实际的焊接变形常常是几种变形的组合。,2、焊接变形对结构性能的影响,焊接变形若超出验收规范规定，需花许多工时去矫正；影响构件的尺寸和外形美观，还可能降低结构的承载力，引起事故。,3.5.4减小焊接应力和焊接变形的措施,1.设计方面的措施,（4）尽量避免母材在厚度方向的收缩应力,（2）合理的选择焊缝的尺寸和形式,（3）尽量避免焊缝的过分集中和交叉,2、工艺上的措施,（1）采用合理的施焊顺序,图3.5.6,（2）采用反变形处理,（3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理,第3.6节螺栓连接的构造,1.螺栓的种类2.螺栓的排列3.螺栓连接的构造要求,了解螺栓的排列形式和要求,本节目录,基本要求,3.6.1螺栓的种类,1、普通螺栓,由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理,45号8.8级；40B和20MnTiB10.9级,2、高强度螺栓连接,高强度螺栓分类：根据确定承载力极限的原则不同，分为高强度螺栓摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。,传力途径：,摩擦型依靠被连板件间摩擦力传力，以摩擦阻力被克服作为设计准则。,承压型依靠螺栓杆与孔壁承压传力，以螺栓杆被剪坏或孔壁被压坏作为承载能力极限状态（破坏时的极限承载力）。,孔径：摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.5-2.0mm；承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.0-1.5mm。,3.6.2螺栓的排列,1、排列形式分类,螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理又便于安装。排列的方式通常分为并列和错列两种形式。,并列简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件截面的削弱较大。,错列可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓孔排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。,2、螺栓排列的要求,（1）受力要求,在垂直于受力方向：对于受拉构件，各排螺栓的中距及边距不能过小，以免使螺栓周围应力集中相互影响，且使钢板的截面削弱过多，降低其承载能力。,平行于受力方向：端距应按被连接钢板抗挤压及抗剪切等强度条件确定，以便钢板在端部不致被螺栓冲剪撕裂，规范规定端距不应小于2d0；受压构件上的中距不宜过大，否则在被连接板件间容易发生鼓曲现象。,因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距,（2）构造要求边距和中距不宜过大，中距过大，连接板件间不密实，潮气容易侵入，造成板件锈蚀.规范规定了螺栓的最大容许间距,（3）施工要求要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。因此规范规定了螺栓的最小容许间距。,3.6.3螺栓连接的构造要求,螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外，根据不同情况尚应满足下列构造要求：,（1）为了证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端，永久螺栓不宜少于两个，但组合构件的缀条除外。,（2）直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽松动。,（3）C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，可用于抗剪连接情况有：承受静载或间接动载的次要连接；承受静载的可拆卸结构连接；临时固定构件的安装连接。,（4）型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件。,第3.7节普通螺栓连接的工作性能和计算,1.普通螺栓的抗剪连接2.普通螺栓的抗拉连接3.普通螺栓受剪力和拉力的联合作用,1.掌握普通螺栓连接的工作特点及破坏形式,本节目录,基本要求,2.掌握普通螺栓连接的计算方法,3.7.1普通螺栓的抗剪连接,1、抗剪连接工作性能和破坏形式,（1）工作性能对图示螺栓连接做抗剪试验,即可得到板件上a、b两点相对位移和作用力N的关系曲线，由此曲线可看出，抗剪螺栓受力经历了四个阶段。,摩擦传力的弹性阶段(0-1段)直线段连接处于弹性工作阶段；由于对普通螺栓板件间摩擦力较小，故此该阶段很短，可略去不计。,滑移阶段(1-2段)水平段摩擦力被克服后，板件间突然产生相对滑移，最大滑移量为栓杆和孔壁之间的间隙。,栓杆直接传力的弹性阶段(2-3段),曲线上升段该阶段主要靠栓杆与孔壁接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁则受到挤压。由于连接材料的弹性以及栓杆拉力增加所导致的板件间摩擦力的增大，N-关系以曲线状态上升。,弹塑性阶段(3-4段),荷载继续增加，剪切变形迅速加大，直到连接最后破坏。曲线的最高点“4”所对应的荷载即为普通螺栓抗剪连接的极限荷载。,（2）抗剪连接的破坏形式,栓杆被剪坏破坏条件：栓杆直径较小而板件较厚时,孔壁被挤压破坏破坏条件：栓杆直径较大而板件较薄时,板件被拉断破坏条件：截面削弱过多时,由于拴杆和扳件的挤压是相对的，故也常把这种破坏叫做螺栓承压破坏。,板件端部被剪坏破坏条件：端矩a过小时构造保证措施：端矩不应小于2d0,栓杆弯曲破坏破坏条件：螺栓杆过长时构造保证措施：栓杆长度不应大于5d,前三种破坏形式通过计算解决，后两种则通过构造要求保证。第种破坏属于构件强度破坏，因此，抗剪螺栓连接的计算只考虑和两种形式破坏。,2、单个普通螺栓抗剪连接的承载力计算,由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压（即螺栓承压）两种情况。,（1）假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个剪力螺栓的抗剪承载力设计值为：,式中：nv受剪面数目，单剪=1；双剪=2。d螺栓杆公称直径；fvb螺栓的抗剪强度设计值。,（2）螺杆受剪的同时，孔壁与螺杆柱面发生挤压，挤压应力分布在半圆柱面上。当螺杆较粗，板件相对较薄，薄板的孔壁可能发生挤压破坏。承压计算时，假定挤压力沿栓杆直径平面（实际上是相应于栓杆直径平面的孔壁部分）均匀分布，则单栓承压设计承载力：,对双剪：取t1与t2+t3中较小者对单剪：取t1与t2中较小者,一个抗剪普通螺栓的承载力设计值：,3、普通螺栓群抗剪连接计算,（1）普通螺栓群轴心受剪,试验证明,栓群在轴心受剪时，长度方向上各螺栓的受力并不均匀，而是两端大,中间小。,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，内力发生重分布，各螺栓受力趋于相同，故设计时假定N由各螺栓平均分担。,即连接所需螺栓数为：,当l115d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力发生重分布,各螺栓受力也难以均匀，而是端部螺栓首先达到极限强度而破坏，然后依次向里破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线，我国规范规定：,因此，对普通螺栓的长列连接，所需抗剪栓数为：,当时，,当时，,以上折减系数同样适用于高强度螺栓或铆钉的长列连接。,F作用下每个螺栓平均受力，则,（2）普通螺栓群偏心受剪,栓群在扭矩T=Fe作用下，每个螺栓均受剪，按弹性设计法计算的基本假设如下：连接件绝对刚性,螺栓弹性；连接板件绕栓群形心转动，各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离ri成正比，方向则与它和形心的连线垂直。,“1”号螺栓距形心最远，因此，其所受剪力最大。,计算公式推导如下：,设各螺栓至螺栓群形心O的距离为r1、r2、r3，rn，各螺栓承受的分力分别为N1T、N2T、N3T，NnT，根据平衡条件得：,将上式代回(a)，得用k表达的T式：,由假设得到，,（k为常数）,（a）,（b）,（c）,螺栓“1”离形心最远是危险螺栓,联合（c）和（b）得最大剪力N1T,将N1T分解为水平和竖直分力：,xi第i个螺栓中心的x坐标,yi第i个螺栓中心的y坐标,受力最大螺栓“1”所受的合力为:,如果y13x1，则可假定xi=0，由此得N1Ty=0，,则计算式为：,3.7.2普通螺栓的抗拉连接,1、单个普通螺栓的抗拉承载力,螺栓杆受到沿杆轴方向的拉力作用，抗拉螺栓的破坏形式表现为栓杆被拉断。假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均匀分布，因此，一个普通螺栓的抗拉承载力设计值为：,Ae螺栓在螺纹处的有效截面积；de螺栓有效直径；ftb螺栓的抗拉强度设计值，ftb0.8f。,式中：,当传递拉力杆件刚度不大时，如图T形连接在受拉后将发生较大的变形，并起杠杆作用，在外侧端部产生撬力Q，因此，螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。试验证明影响撬力的因素较多，由于确定Q值比较复杂，在计算中不计Q力，而是采用降低螺栓强度设计值的方法解决，即取ftb=0.8f（f螺栓钢材的抗拉强度设计值);并采取构造措施加强连接的刚度，如设加劲肋。,2、普通螺栓群轴心受拉,当外力通过螺栓群形心时,一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：,式中：,3、普通螺栓群在弯矩作用下,Ntb为单个普通螺栓的抗拉承载力设计值,在弯矩M作用下，被连接件有顺弯矩M作用方向旋转的趋势，因此螺栓受拉。,按弹性设计，其假定为：连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比。,显然，受拉力最大螺栓为距中和轴最远的1号螺栓。,由力矩平衡可得：,由假定可得：,由式(b)得:,将式(b)代入式(a)得:,设计时只要满足下式即可：,因此，螺栓“1”分担的拉力：,4、普通螺栓群偏心受拉,螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯矩MNe的联合作用。技弹性设计法，根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉两种情况。,先按小偏心受拉计算当M较小，N较大时，所有螺栓均承受拉力作用，此时被连板件绕螺栓群形心O转动。螺栓群受力最小的螺栓拉力为：,若成立,则小偏心成立,此时要求受力最大的螺栓拉力满足条件：,若，则小偏心假设不成立,应按大偏心计算。这时，偏于安全取中和轴位于最下排螺栓形心O处，根据平衡可得受拉力最大螺栓分担的拉力,即要求其满足：,（M较大，N较小）,注意与小偏心时e和yi的区别。,3.7.3普通螺栓受剪力和拉力的联合作用,同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式：一是螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承压破坏。,试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线，如图所示。,规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，应分别符合下列公式的要求：,验算螺栓剪-拉联合作用：,验算孔壁承压：,NVb单个螺栓抗剪承载力设计值；Ncb单个螺栓承压承载力设计值Ntb单个螺栓抗拉承载力设计值；Nv、Nt单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。,第3.8节高强度螺栓连接的工作性能和计算,1.高强度螺栓连接的工作性能2.高强度螺栓群的抗剪计算3.高强度螺栓群的抗拉计算,1.掌握高强度螺栓的类型和工作特点,本节目录,基本要求,2.掌握高强度螺栓的计算方法,3.8.1高强度螺栓连接的工作性能,1、高强度螺栓的类型,按设计准则的不同，高强度螺栓分为两类：摩擦型高强度螺栓通过板件间摩擦力传递内力，破坏准则为摩擦力被克服；承压型高强度螺栓受力特征与普通螺栓类似。在外力的作用下螺栓承受剪力和拉力。,螺栓的预拉力P(即板件间的法向压紧力)、摩擦面间的抗滑移系数和钢材种类等都直接影响到高强度螺栓摩擦型连接的承载力。,2、高强度螺栓的预拉力,预拉力是通过拧紧螺帽，使螺杆受到拉伸作用而使被连接板件间产生压紧力。,高强度螺栓分大六角头型和扭剪型两种，二者预拉力控制方法各不相同。,（1）高强度螺栓预拉力的建立方法,为了保证通过摩擦力传递剪力，高强度度螺栓的预拉力P的准确控制非常重要。,A、力矩法（控制拧紧力矩）初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的30%-50%，使板件贴紧密；终拧初拧基础上,按100%设计终拧力矩拧紧。特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。,大六角头螺栓的预拉力控制方法有：,B、转角法初拧用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度，一般为120180完成终拧。特点：预拉力的建立简单、有效，但要注意防止欠拧、漏拧和超拧。,扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）,初拧拧至终拧力矩的60%80%；终拧初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等。,（2）高强度螺栓预拉力的确定,高强螺栓的预拉力设计值P由下式确定,式中：,Ae螺纹处有效截面积；fu螺栓热处理后的最抵抗拉强度；8.8级，取fu=830N/mm2，10.9级,取fu=1040N/mm2,系数1.2考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低；,系数0.9为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数；考虑材料的不均匀性的折减系数；附加安全系数。,一个高强度螺栓的设计预拉力P,3、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数,按公式计算出的P值以5kN的倍数取整就形成规范规定的设计预拉力。,高强度螺栓摩擦面抗滑移系数大小与接触面的处理方法和构件钢号有关，其大小随板件间的挤压力的减小而降低。不同钢材在不同接触面的处理方法下的抗滑移系数见下表。,4、高强度螺栓抗剪连接工作性能,受力过程与普通螺栓相似，也分为四个阶段：摩擦传力的弹性阶段、滑移阶段、栓杆传力的弹性阶段、弹塑性阶段。,摩擦面抗滑移系数值,但比较两条N曲线可知，由于高强度螺栓因连接件间存在很大的摩擦力，故其第一个阶段（0-1段）远远大于普通螺栓。通过1点后，连接产生了滑移，当栓杆与孔壁接触后，连接又可继续承载直到破坏。,对于高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为摩擦力被克服，板件间出现相对滑移，因此以1点为极限。,对于高强度螺栓承压型连接，破坏准则为连接达到其极限状态4点。,（1）高强度螺栓摩擦型抗剪连接,单个摩擦型高强度螺栓抗剪承载力设计值:,0.9抗力分项系数R的倒数(R=1.111);nf传力摩擦面数目，单剪时=1，双剪时=2；摩擦面抗滑移系数;P预拉力设计值。,式中：,高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪承载力计算方法与普通螺栓相同，即,（2）高强度螺栓承压型抗剪连接,取单栓抗剪承载力为：,单栓抗剪设计承载力：,单栓承压设计承载力：,剪切面在螺纹处时,5、高强度螺栓抗拉连接工作性能,高强度螺栓在承受外拉力前，螺杆中已有很高的预拉力P，板层之间则有压力C，而P与C维持平衡，即C=P,当外拉力为Nt时：板件有被拉开趋势，板件间的压力C减小为Cf，栓杆拉力P增加为Pf，根据平衡关系有:,若螺栓和被连接板件保持弹性，板叠厚度为，则,螺栓杆的伸长量=板件压缩恢复量,Ab栓杆截面面积；Ap板件挤压面面积。,由以上三式，可得,当板件即将被拉开时：Cf=0，有Pf=Nt，因此：,一般板件间的挤压面面积比栓杆截面面积大许多，近似取AP/Ab=10，则有：,当板件即将被拉开时，栓杆的拉力仅增加10%。另外，试验证明，当栓杆的外加拉力大于P时，卸载后螺栓杆的预拉力将减小，即发生松弛现象。但当Nt不大于0.8P时，则无松弛现象，这时Pf=1.07P，可认为螺杆的预拉力不变，且连接板件间有一定的挤压力保持紧密接触，所以现行规范规定：,摩擦型高强度螺栓的单栓抗拉设计承载力为：,承压型高强度螺栓的单栓抗拉承载力，因其破坏准则为螺栓杆被拉断，故计算方法与普通螺栓相同，即：,式中：Ae螺栓杆的有效截面面积；de螺栓杆的有效直径；ftb高强度螺栓的抗拉强度设计值。,6、高强度螺栓同时承受剪力和拉力连接的工作性能,（1）高强度螺栓摩擦型连接,尽管当NtP时，栓杆预拉力基本不变，但由于随Nt的增大而减小，且随Nt的增大板件间的挤压力减小，故连接的抗剪能力下降。规范规定将Nt乘以1.125的系数来考虑值降低的不利影响，故单个摩擦型连接高强度螺栓有拉力作用时的抗剪承载力设计值为：,上式就是GBJ17-88规范采用的计算公式，在GB50017-2003中，采用等价的直线相关公式：,（2）高强度螺栓承压型连接,对于高强度螺栓承压型连接在剪力和拉力共同作用下计算方法与普通螺栓相同，即为防止栓杆剪拉破坏，要求,为了防止孔壁的承压破坏，应满足：,系数1.2是考虑由于外拉力的存在导致高强度螺栓的承压承载力降低的修正系数。,单个螺栓承载力设计值汇总表（一）,单个螺栓承载力设计值汇总表（二）,单个螺栓承载力设计值汇总表（三）,3.8.2高强度螺栓群的抗剪计算,1、受轴心剪力作用,假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：,（1）对于摩擦型连接：,（2）对于承压型连接：,或,2、扭矩或扭矩、剪力共同作用下,计算方法与普通螺栓相同，即：,剪力F作用下每个螺栓受力：,扭矩T作用下：,由此可得螺栓1的强度验算公式为:,摩擦型连接:,承压型连接:,3.8.3高强度螺栓群的抗拉计算,1、受轴心拉力作用,假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：,（1）对于摩擦型连接：,（2）对于承压型连接：,2、高强度螺栓群受弯矩作用,由于高强度螺栓的外拉力总小于0.8P（预拉力）故在弯矩作用下，连接板件接触面始终处于密帖状态，因此可认为连接的中和轴与螺栓群形心轴重合，最外侧螺栓受力最大。,按弹性设计，其假定为：连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；螺栓群的中和轴位于螺栓群形心O处，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比。,由力矩平衡可得：,由假定可得：,由式(b)得:,将式(b)代入式(a)得:,设计时只要满足下式即可：,因此，最外排螺栓“1”分担的拉力：,3、高强度螺栓群偏心受拉,偏心力作用下的高强度螺栓连接，螺栓最大拉力不应大于0.8P，以保证板件紧密贴合，端板不会被拉开，所以摩擦型和承压型均可按普通螺栓小偏心受拉计算，即中和轴位于螺栓群形心O处，则,4、高强度螺栓群在拉力、弯矩和剪力共同作用,（1）对于摩擦型连接：,在M和N共同作用下，最外（下）排“1”号螺栓所受拉力最大为（中和轴位于螺栓群形心O处）：,验算方法一：,在V作用下，各螺栓所受剪力均相同，即为：,在拉、剪共同作用下，对高强度螺栓摩擦型连接的验算条件为：,上式中:,按GBJ17-88规范，验算条件为：,在弯矩M和拉力N共同作用下，高强螺栓群中各排螺栓拉力都不相同，即：,故对于栓群抗剪强度,应按下式进行验算更为合理，即,单个螺栓抗剪设计承载力随拉力的增加而减小，有,验算方法二：,此外，螺栓最大拉力尚应满足：,验算法二计及了螺栓拉力不同对抗剪强度的影响，因此更为经济合理，而验算法一则过于保守。,即：,上式中，只考虑螺栓拉力对抗剪承载力的不利影响，未考虑受压区板层间压力增加的有利作用，故按该式计算的结果是略偏安全的。,（2）对于承压型连接：,承压型高强度螺栓的抗剪承载力设计值与普通螺栓计算相同，分螺栓杆抗剪和孔壁承压两部分。,同时承受剪力和杆轴方向拉力的承压型高强度螺栓，应满足：,Nvb、Ncb、Ntb一个承压型高强螺栓的抗剪、承压、抗拉承载力设计值；Nv1、Nt1最危险螺栓受到的剪力、拉力，与摩擦型高强度螺栓群计算公式相同，即,且,注意：在轴力N和弯矩M作用下，中和轴位于螺栓群形心O处。因为预拉力作用，计算时不区分大小偏心，这点与普通螺栓计算不同。,1.了解轴心受力构件的构造特点和计算内容。2.掌握轴心受力构件的强度和刚度计算方法。3.掌握轴压构件的整体稳定和局部稳定计算。4.掌握轴心受压柱的设计方法。,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,本章目录,基本要求,第4.1节概述,1.轴心受力构件的应用2.轴心受力构件类型3.轴心受力构件的截面形式4.轴心受力构件的计算内容,了解轴心受力构件的类型、应用及计算内容,本节目录,基本要求,4.1.1轴心受力构件的应用,轴心受力构件是指承受通过截面形心轴线的轴向力作用的构件。,图4.1.1桁架,图4.1.2网架,图4.1.3塔架,图4.1.4神舟四号飞船与发射塔架,图4.1.5临时天桥,图4.1.6固定天桥,图4.1.7脚手架,图4.1.8栈桥,图4.1.9起吊设备,轴心受力构件包括轴心受压杆和轴心受拉杆。轴心受拉：桁架、拉杆、网架、塔架（二力杆）轴心受压：桁架压杆、工作平台柱、各种结构柱轴心受力构件广泛应用于各种钢结构之中，如网架与桁架的杆件、钢塔的主体结构构件、双跨轻钢厂房的铰接中柱、带支撑体系的钢平台柱等等。,4.1.2轴心受力构件类型,轴心受力构件常用的截面形式可分为实腹式与格构式两大类。,4.1.3轴心受力构件截面形式,截面由两个或多个型钢肢件通过缀材连接而成。,图4.1.12格构式柱实例,缀条柱,缀板柱,4.1.4轴心受力构件的计算内容,第4.2节轴心受力构件的强度和刚度,1.强度计算2.刚度计算,掌握轴心受力构件强度和刚度的计算方法,本节目录,基本要求,4.2.1强度计算,轴心受力构件以截面上的平均应力达到钢材的屈服强度作为强度计算准则。,对无削弱截面，以全截面平均应力达到屈服强度为强度极限状态，则,N轴心力设计值；A构件的毛截面面积；f钢材抗拉或抗压强度设计值。,对有孔洞等削弱截面，以净截面平均应力达到屈服强度为强度极限状态，则,An构件的净截面面积,分析：弹性阶段时，由于应力集中，应力分布不均匀；极限状态时，应力产生塑性重分布，净截面上的应力为均匀屈服应力，因此设计时要求钢材具有良好的塑性。,普通螺栓连接时：,（1）并列布置最危险截面为正交截面（）,（2）错列布置可能沿正交截面（）破坏，也可能沿齿状截面（）破坏，An取二者较小面积计算。,摩擦型高强度螺栓连接时：,可认为连接传力所依靠的摩擦力均匀分布于螺孔四周，故在孔前接触面已传递一半的力，因此最外列螺栓处危险截面的净截面强度应按下式计算：,对于高强度螺栓摩擦型连接的构件，除按上式验算净截面强度外，还应按式（4-1）验算毛截面强度。,4.2.2刚度计算,通过限制长细比来保证，即,max构件的最大长细比l0构件计算长度，取决于其两端支承情况i截面回转半径容许长细比,当构件的长细比太大时，会产生下列不利影响：（1）在运输和安装过程中产生弯曲或过大的变形；（2）使用过程中因自重而发生挠曲变形；（3）在动力荷载作用下发生较大的振动；（4）压杆的长细比过大时，除具有前述各种不利因素外，还使得构件极限承载力显著降低，同时初弯曲和自重产生的挠度也将对构件的整体稳定带来不利影响。,轴心受力构件对刚度提出限值要求的原因,第4.3节轴心受压构件的稳定,1.整体稳定计算2.局部稳定计算,掌握轴心受压构件整体稳定和局部稳定的计算方法,本节目录,基本要求,4.3.1整体稳定的计算,1、稳定问题的分类,稳定问题分为两类第一类稳定理想轴心压杆由直杆平衡转为微弯曲的平衡，变形（挠度）从无到有平衡分枝现象。计算方法：欧拉临界力（弹性失稳）理想轴心压杆：杆件完全挺直、荷载沿杆形心轴作用、杆件没有初应力、初变形缺陷，截面沿杆件是均匀的。,第二类稳定由于初始缺陷，压杆一开始便为偏心受力（压弯杆件），因此无平衡分枝现象，变形从小到大，直到失稳破坏为止。计算方法：极限平衡法实际结构中理想的轴心压杆是不存在的。构件总有初弯曲（初扭转）、荷载初偏心、残余应力、材质不均等缺陷存在。因此实际轴压杆件都属于第二类稳定问题。,2、理想轴心受压构件的失稳形式,钢结构中理想的轴心受压构件的失稳，也叫发生屈曲。理想的轴心受压构件有三种屈曲形式，即：弯曲屈曲，扭转屈曲，弯扭屈曲。,（1）弯曲屈曲只发生弯曲变形，截面只绕一个主轴旋转，杆纵轴由直线变为曲线，是双轴对称截面常见的失稳形式。,图4.3.1,（2）扭转屈曲失稳时除杆件的支撑端外，各截面均绕纵轴扭转，是某些双轴对称截面可能发生的失稳形式。,图4.3.3,（3）弯扭屈曲单轴对称截面绕对称轴屈曲时，杆件发生弯曲变形的同时必然伴