钢结构基本原理课件

1、钢结构基本原理1钢结构基本原理钢结构基本原理2建筑钢材钢 结 构加工理论指导良好的机械性能设计理论：概率极限状态设计法可靠性耐久性安全性适用性强度：抵抗破坏的能力刚度：抵抗变形的能力稳定性：保持原有平衡状态的能力构 件轴心受力构件受弯构件拉弯压弯构件（杆件）绪 论连连 接接焊接栓接铆接强度 可焊性塑性韧性钢结构基本原理3 可靠度 安全性 适用性 可靠性 安全度 耐久性 定量描述 概率度量 质量指标 钢结构的设计方法结构的功能要求 结构的极限状态： 承载能力极限状态 正常使用极限状态钢结构基本原理4承载能力极限状态表达式基本组合可变荷载效应控制的组合fniqikciqikqqgkg2110永久荷

2、载效应控制的组合fniqikciqigkg10钢结构基本原理5对于一般排架、框架结构，由可变荷载效应控制的组合，可采用下式计算：fniqikqigkg10偶然组合：偶然作用的代表值不乘分项系数，与偶然作用同时出现的可变荷载，应根据观测资料和工程经验采用适当的代表值，具体的设计表达式及各种系数，应符合专门规范的规定。钢结构基本原理6钢结构的材料学习要求：1、掌握钢材的机械性能和钢材的机械性能指标，建筑用钢的种类、规格和选用；2、熟悉各种因素对钢材机械性能的影响，尤其是一些特殊影响如冷脆、热脆、兰脆，钢材疲劳破坏的特征等；3、了解钢材疲劳计算钢结构基本原理7钢结构的材料含量增加碳硅（锰）硫（氧）磷

3、（氮）fy,fu 塑性 韧性 冷弯性能 可焊性 抗锈 其它降低热（冷）脆，改善热加工能力热脆冷脆含量控制化学成分的影响钢结构基本原理8t由常温上升fy, fu e塑性冲击韧性其它t1500c t在2500c左右 蓝脆2503500c 徐变4000c 6000c 0 温度的影响降温过程的变化：低温冷脆钢结构基本原理9应力集中：应力集中越严重，出现同号三相应力场的应力水平越接近，钢材越趋于脆性。各种因素对钢材性能的影响荷载类型：加载速度：低温脆性破坏 循环荷载 高周疲劳 低周疲劳yfn4105yfn4210510 温度：高温热塑性变形，低温冷脆（脆性温度转变区）疲劳：钢材在连续交变荷载作用下，会逐

4、渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现象称为疲劳。疲劳破坏具有突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂。其破坏过程经历裂纹的产生、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段，是延时断裂。钢结构基本原理10钢柱上焊接牛腿（腹板和翼缘）钢结构基本原理11梁柱节点：梁分别连接在柱的腹板和翼缘（连接角钢与梁焊缝相连，与柱螺栓相连）钢结构基本原理12柱与柱间支撑与柱脚的连接（柱脚已埋入混凝土地面以下）钢结构基本原理13钢结构基本原理14梁与支撑间的连接俯视仰视钢结构基本原理15连接学习要求：1、掌握各种连接的特点和适用范围；2、掌握对接焊缝、直角角焊缝、普通螺栓、高强度螺栓连接的构

5、造和计算；3、熟悉焊缝质量检验规定；3、了解焊接残余应力和变形的成因，熟悉焊接应力与变形对结构工作性能的影响和减少焊接应力与变形的措施；钢结构基本原理16连 接 概 述钢结构的连接方法： 焊接： 栓接 普通螺栓连接：a，b，c三级 高强螺栓连接 磨擦型高强度螺栓连接 承压型高强度螺栓连接 铆接： 比较：三者优缺点及使用范围比效。 焊接方法（注意焊条的牌号和选用原则） 电弧焊： 电渣焊: 电流 液态熔渣 电阻热 电阻焊:电流 接件接触点表面电阻 钢结构基本原理17焊接接头及焊缝形式： 1分类 接头 相互位置 对接,搭接,“t”角接等 焊缝 截面形状 对接焊缝受力性能较好 制造复杂 角焊缝受力复杂

6、 制造简单 2施焊方式：平,立,俯,仰. 焊接符号及标注方法： 1符号：由图形符号,辅助符号,引出线组成。 2 具体要求 图形符号 辅助符号 焊接质量级别：一、二、三级 将所能收集到的将所能收集到的焊缝符号列表画焊缝符号列表画出并标明其含义出并标明其含义钢结构基本原理18对接焊缝的构造 坡口要求： t很小(手6mm.自12mm i形 t=720mm单边v形 . j形或v 形 t20mm形 u形 k形或x形 钝边d:手工焊 2mm ，自动焊48mm. 间隙a:手工焊 24mm，自动焊02mm 避免应力集中的措施避免应力集中的措施 焊接宽度不同或相差4mm以上时，放坡1/4 设置引弧板：埋弧焊50

7、mm；手工焊20mm. 无法设引弧板时的处理：计算时扣除起落弧坑的影响 （每端减去t对接焊缝或hf 角焊缝） 钢结构基本原理19二对接焊缝计算1:简化原则：对接焊缝可视为焊件截面的延续组成部分，即焊接中的应力分布与原焊件原有的相同。 轴心力作用轴心力作用wcwtwfftln或钢结构基本原理20m,nm,n共同作用时（梁内）共同作用时（梁内） 矩矩形形截截面面 wtxmaxfwmwvwwwmaxftivsitit字字形形截截面面 wtf.1132121在同时承受较大正应力和剪应力的梁腹板与翼缘交接处受拉区端部的不利点，还应验算其折算应力 问：问：为什么为什么 前要乘以一系数前要乘以一系数1.1？

8、wtf思考：牛腿问题的处理？钢结构基本原理21角焊缝分类角焊缝分类 1按长度方向与外力作用方向： 正面角焊缝 侧面角焊缝 2按截面形式： 普通型：hf之比 1：1 应力集中严重 平坦型：hf之比 1：1.5 传力平缓 正面角焊缝 凹面型：hf之比1：1 直接动力荷载作用 侧面角焊缝 角焊缝的构造和计算钢结构基本原理22hfmin1.2tmin焊脚尺寸要求焊脚尺寸要求： 1）最小焊接脚尺寸：防止冷却过快形成裂纹 hf 取值要求： 且hfmin 在t4mm 自动焊用hfmin-1 时取hfmin=t 自动焊用hfmin+1 2）最大焊脚尺寸hfmax , 防止“过烧”及过大残余应力和变形。 焊件边

9、缘 t6mm hfmint 防止咬边 t6mm hfmint-(12)mm 3）其余各项要求详见教材，课后自学并记忆。 maxmin5 . 1thf钢结构基本原理23侧面角焊缝侧面角焊缝：轴心力n作用。 剪应力弹性阶段 分布均匀 塑性阶段 应力分布趋于均匀。特点：塑性较好，破坏常由两端开始并沿450喉部截面迅速断裂。 正面角焊缝正面角焊缝：轴心力n作用正应力沿长度方向均匀，但横截面上应力状态复杂。破坏可能沿三个断面开展。特点：强度，刚度大，塑性较差。 角焊缝强度条件的一般表达式角焊缝强度条件的一般表达式简化原则简化原则: : 1) 有较截面简化：he=hfcos450=0.7hf. 2) 应力

10、简化：截面上应力均匀分布。 3)受力形式：受轴心力nx,ny作用。 钢结构基本原理24使用该公式时注意： 1该公式适用于角焊缝受各种力综合作用，即：f与tf共同作用下的情况。 2鉴别焊缝有效截面上的应力是f还是f应根据所计算焊缝计算总的位置，结合相对应于该点的外力作用方向与该联总所在焊缝的长度方向进行考虑。 3注意f的取值: wfffff2角焊缝强度条件的一般表达式角焊缝强度条件的一般表达式提问：提问：受剪与抗拉设计值转换为什么乘以 ？f如何取值？t和f对焊缝有效截面而言是单纯的正应力与剪应力吗？ 3钢结构基本原理25t、v、n作用下搭接头角焊缝计算作用下搭接头角焊缝计算. 基本假设 a：被连

11、接件是绝对钢体，焊缝是弹性工作。b：焊缝群上任一点的应力方向于该点与焊缝有效截面形心o形的连线，其大小与连线的距离r成正比 连接中角焊缝受弯、受扭的判别连接中角焊缝受弯、受扭的判别 ：根据力矩所在平面与焊缝所在平面的位置关系确定：两平面相互垂直，力矩为弯矩；两平面相互垂直，力矩为弯矩；两平面相互平行，力矩为扭矩。两平面相互平行，力矩为扭矩。钢结构基本原理26焊接残余应力成因成因：不均匀的温度场。形成主要根源形成主要根源：“热”塑性变形。对结构性能的影响对结构性能的影响 1静力强度：无影响. 2刚度：变形增加，刚度减小。 3压杆的稳定承载力：降低。 4疲劳强度：降低 5低温冷脆：易发生 特点特点

12、：是自相平衡的内应力体系，即在任何截面上残余应是自相平衡的内应力体系，即在任何截面上残余应力均为有拉有压，内力和内力矩平衡力均为有拉有压，内力和内力矩平衡 种类种类（无约束状态下施焊）： 1纵向：焊缝及附近区域为拉应力。 2横向： 塑性变形区纵向收缩引起的x. 焊缝全长不同时焊接致使横向收缩的不同时性所引起的x. 3厚度方向残余应力。钢结构基本原理27普通螺栓连接一：普通螺栓的构造一：普通螺栓的构造： 1：普通螺栓的形式和规格尺寸：m16，m20等。16,20为公称直径。 2：螺栓及孔的图例： 3：排列要求，并列和错列。 二：螺栓连接的受力性能和计算二：螺栓连接的受力性能和计算： 受剪螺栓连接

13、：栓杆受剪，孔壁承压。 受拉螺栓连接：沿杆轴方向受拉。 拉剪螺栓连接：兼有上述两种。 钢结构基本原理28 1：受力性能：弹性工作阶段 相对滑移状态 弹塑性工作阶段（摩擦力传力） （承担外力不增加） （栓杆受剪，孔壁承压）破坏受剪螺栓连接受剪螺栓连接2：破坏形式： 栓杆剪断 孔壁挤压坏 计算防止 钢板拉断 端部钢板剪断 栓杆受弯破坏构造防止抗剪承载力设计值 承压承载力设计值bvvbvfdnn42bcbcf tdn取取 为为单个螺栓承载力单个螺栓承载力设计值设计值 bnmin钢板拉断怎么办？钢板拉断怎么办？钢结构基本原理29螺栓群受剪螺栓计算螺栓群受剪螺栓计算： 1、轴心力作用： a:确定螺栓需要

14、数目确定螺栓需要数目： 当l1过长，应对nmim乘予以降低： l115d0时： =1.1-l1/150d0 =0.7 bnnnminb.验算净截面强度验算净截面强度：=n/anf 最不利截面选择： 内力最大 螺孔最多 内力较大螺丝孔较大 注意问题：内力递减：n-(n1/n)n 净截面面积计算时板件厚度。 钢结构基本原理302、受偏心力作用： a. f简化： 剪力v ；扭矩t b.最不利螺栓选定：假定被连接件是绝对刚性体，而螺栓是弹性体，受“t”作用，所有螺栓绕“o”旋转。 c.计算：采用得比代换求力平衡的原理求解最不利螺栓上受由t产生的力。 nvnvy/1v作用作用2211111iittxyx

15、tyrynn2211111iittyyxtxrxnnt作用作用btytytxnnnnnmin211211 验算公式验算公式： 注意： y13x时，n1t=n1xt=ty1/yi2 x13y时，n1t=n1yt=tx1/xi2钢结构基本原理31受拉螺栓连接：受拉螺栓连接： 1、受力：沿杆轴方向受拉。 破坏：栓杆被拉断。 2、单个螺栓受拉承载力设计值 btebtebtfdfan42 值的由来：考虑橇杠作用，并对其进行简化，从而采如用 来考虑。 btfffbt8 .03、螺栓群受拉连拉计算。 1轴心力： btnnn 钢结构基本原理322偏心力作用下 a.小偏心情况：螺栓群全部受拉。 211imymn

16、eynnnnn1021min1max1btinymneynnnn 若0,按大偏心计算 b.大偏心情况 21max1iymyfen问：为什么大偏心计算公式仅有一项？问：为什么大偏心计算公式仅有一项？ 钢结构基本原理33122bttbvvnnnnbcvnn拉剪螺栓连接：拉剪螺栓连接： 破坏形式： 螺栓杆受剪受拉破坏 孔壁承压破坏验算剪拉作用验算孔壁承压钢结构基本原理34高强度螺栓连接的构造与计算 一：连接付性能等级：材料和使用配合一：连接付性能等级：材料和使用配合 1：连接付：栓杆、配套螺母、垫圈 2：强度划分及级等表示： 栓杆 螺母 10.9 s 10h 8.8 s 8h 垫圈:hrc 35 -

17、 45 3:螺孔： 摩擦型(do+1.5mm) (m16) do+2.0 (m20) 承压型(do+0.1mm) (m16) do+2.0 (m20) 钢结构基本原理353：紧固方法： 扭矩法. 转角法. 扭掉螺栓部梅花卡头.二：高强度螺栓的预拉力和紧固方法二：高强度螺栓的预拉力和紧固方法1：予拉力作用：保证连接质量的关建因素。2：预拉力数值确定： 发挥材料潜力： 0.9f0.2 紧固后松驰损失：0.9 (0.90.9/1.2)f0.2 =0.675f0.2 拉剪应力同时存在：1.2钢结构基本原理36 一摩擦型： 1:受剪连接的受力性能和计算。 1受力性能：剪切变形小，弹性性能好，耐疲劳。三：

18、高强度螺栓连接的受力性能与计算三：高强度螺栓连接的受力性能与计算：承载能力极限状态：摩擦力刚被克服连接将要产生相对滑移。 2计算方法： a:单个螺栓: pnnfbv9 . 0 b.螺栓群: 螺栓受力 轴心力: 偏心力: bvnnn bvvytytxnnnn21121净截面强度：考虑孔前传力。即：摩擦力均匀分布在螺孔四周，孔前接触面已传力一半。 钢结构基本原理372:受拉连接的受力性能和计算： 1受力性能：依靠予拉力使被连接件压紧传力。 ntp时,栓杆拉力增加很少。 ntp时,栓杆可能达到材料的屈服强度。卸荷后连接产生松驰。予拉力降低。 2抗拉承载力设计值：ntb=0.8p 3螺栓群的受拉连接计

19、算：无需考虑大小偏心，中心轴取形心轴无需考虑大小偏心，中心轴取形心轴 pnn8 . 0pymneynnni8 . 021max1钢结构基本原理383:拉剪连接的受力性能与计算： 1受力性能： 受外拉力nt 压紧力降低到 p-nt 抗剪承载力 2抗剪承载力设计值： 采用原值 nvb=0.9nf(p-1.25nt) nt 25%作补偿 nt满足nt0.8p tinifnpnv25. 19 . 013螺栓群拉剪计算：先求nti,nvi 钢结构基本原理39二承压型 1:受剪连接：与普通螺栓相同，只是应采用承压型螺栓强度设计值进行计算。且当剪切面在螺纹处时，按螺纹处有效面积计算。即 nvbnv(de2/

20、4)fvb 且nvb1.3ncb ncb=detfcb 2:受拉连接：计算公式与普通螺栓相同， 其抗拉强度设计值3:拉剪连接 满足： 122bttbvvnnnn2 . 1/bcvnn且bubtff48. 0钢结构基本原理40钢结构构件概述 一：钢结构的构件类型：一：钢结构的构件类型： 1：普通分类：梁，柱，屋架，网架等。 2：按受力性能： 轴力构件 轴拉构件 + 轴压构件 受弯构件 单向受弯构件 钢结构 双向受弯构件 拉，压弯构件钢结构基本原理41二：构件截面形式二：构件截面形式： 1：型钢截面： 2：组合截面 实腹式组合截面 格构式组合截面两种截面比较：格构式在料两种截面比较：格构式在料相同

21、的条件下相同的条件下, ,可增加截面刚可增加截面刚度，节约用钢。但制造比较度，节约用钢。但制造比较费工。费工。 为什么？为什么？三：计算内容三：计算内容： 1：强度。 2：刚度。 3：整体稳定； 弯曲屈曲 受弯构件 弯扭屈曲 轴压构件 扭转屈曲 压弯构件 弯曲屈曲 弯扭屈曲 弯扭屈曲 4：局部稳定：波状局部屈曲 钢结构基本原理42四：设计步骤：四：设计步骤： 1：原则：安全适用，用料节省。 等稳定性，宽肢薄壁 制造省工，安装简便 2：步骤： a：初选截面： b：对所选定截面进行强度，刚度，整体稳定和局部稳定验算。钢结构基本原理43受 弯 构 件全章内容全章内容：受弯构件的强度和刚度，梁的整体稳

22、定、 梁板件的局部稳定，梁腹板屈曲后的强度，梁的截面设计。大纲要求大纲要求：了解梁板件的局部稳定，梁腹板屈曲后的强度，掌握受弯构件的强度和刚度，梁的整体稳定以及梁的截面设计步骤。钢结构基本原理44受弯构件的类型、强度和刚度 一、一、 受弯构件的类型受弯构件的类型： 1:接截面形式：型钢梁，组合梁。 2:按支承形式：简支梁，连续梁等。 3:按荷载作用：单向弯曲梁 双向弯曲梁 二、梁的强度二、梁的强度 一）抗弯强度 1：截面弯曲 应力的发展： 弹性 弹塑性 塑性 my= fy wn wp =fy wpn mp/my= wpn/wn =只与形状有关而与强度无关 塑性发展系数 形状系数钢结构基本原理4

23、5 2.抗弯强度计算，考虑梁截面部分发展塑性。 单向弯曲梁: fwmnxxx双向弯曲梁： fwmwmnyxynxxx注注: : 、 截面塑性发展系数。截面塑性发展系数。 xy 1）承受静压力荷载或接动力荷载取值见书）承受静压力荷载或接动力荷载取值见书p110表表4.2.1 2 2）直接动力荷载取）直接动力荷载取1.01.0。 钢结构基本原理46二)抗剪强度vwfitvs三)局压强度fltfzwc 不满足 固定集中荷载 增加支承长度 设置支承加劲肋 移动集中荷载：增加腹板厚度钢结构基本原理47四)折计算应力fcceq12223注：计算点选取原则：取沿梁全长中和都较大而截面尺寸比较小的截面，并在腹

24、截面中选取 和 都比较大的点或纤维。 11三梁的刚度： 1：计算状态。正常使用极限状态；计算时随取荷载标准值。 2：计算公式。 vmaxv 或 vmax/l v/l对简支梁受均布荷载qk时为 lveilmeilqlvkk48538553钢结构基本原理48梁的整体稳定 一一般概念： 1：梁的整体稳定：弯扭屈曲。 上翼纵向弯曲压应力大 侧向变形 侧向附加m 侧向变形下翼弯曲压应力 侧向变形 截面受拉部分值 侧向变形 弯扭屈曲二、临界弯矩与与整体稳定系数： 1：临界弯矩1lgieikmtycr2：影响因素：1) 侧向抗弯刚度eiy： mcr 自由扭转刚度git： mcr 受压翼缘自由长度l1： mc

25、r 2)荷载类型及作用点 问：增强梁整体稳定的措施有哪些？问：有没有不需要验算整体稳定的时候？钢结构基本原理49 3:整体稳定系数的计算： 1)整体稳定条件：fffwmbryycrrcrx 2）整体稳定系数：ycrbf钢结构基本原理50 3)弹性稳定理论:q235钢、双轴对称、i字型截面、纯弯曲梁:224 . 414230htwahyxyb 4)修正公式： ybyxybbfhtwah2354 . 41423022钢结构基本原理51 弹塑性修正: 0.6时 弹塑性 cr 当b0.6时，用b(理想杆 1：基本假定： 杆件为等载面理想直杆。 压力作用线与杆件形心轴重合。 材质均匀，各向同性。 2.屈

26、曲阶段。 弹性屈曲 弹塑性屈曲 ppfe2分界点 pefe22钢结构基本原理61 3：理想轴压杆的弹性屈曲 欧拉公式： 222202leileine欧拉临界应力公式 欧拉临界力公式 aneeaii 222222222eileleilaeie4：理想轴压杆弹塑性屈曲 ：切线模量理论与双模量理论结论结论钢结构基本原理62二实际杆：考虑力学缺陷和构件的几何缺陷的影响1：残余应力对稳定承载力的影响： 残余应力的压应力部分将使用轴压杆受力时部分截面较早进入塑性状态。iialeecr22有效截面惯性矩 2：初偏心，初弯曲对稳定承载力的影响 初弯曲初偏心 m挠曲n轴心力n作用挠曲 n作用 侧向挠度产生 m挠

27、曲杆件稳定承载力下降 杆件稳定承载力下降 钢结构基本原理63 3：实际轴压杆n的确定： 实际状况：应力，应变不但在同一截面上各点而且在杆件沿纵轴各截面都有变化。解决办法：计算机模拟实际状况求解制定柱子曲线柱子曲线fffanryycrrcrfan二:轴压杆稳定计算公式 如何确定？如何确定？如何求解？如何求解？钢结构基本原理64实腹式轴压轴件的局部稳定和截面设计 222112btekcrcr局部失稳实质：矩形薄板在各种应力作用下的屈曲问题，控制板所受的应力小于其失稳临界应力 一：实腹式轴压构件的局部稳定： 1：宽厚比限制确定原则。 1按均匀受压板计算： 2等稳定准则：钢结构基本原理65 2：计算公

28、式： 1翼缘自由外伸宽厚比限制（工）： 2腹板宽厚比限制（工） 注：入取大值且入取大值且30 入入100 问：为什么入问：为什么入取大值取大值? ?是否是否合理合理? ? 3、加强局部稳定的措施：调整高厚比或宽厚比；工字型截面腹板设置纵向加劲肋。4、腹板的有效截面：yftb235)1 . 010(1ywfth235)5 . 025(0钢结构基本原理66二：实腹式轴压构件截面设计二：实腹式轴压构件截面设计 a:试选截面： 1:确定areq,iyreq,hreq,breq. 假定入 (入=60100；在n300kn；lo=45m取小值 n1500kn；lo=56取大值)查 x, y 选 min求areg=n/minf(注：截面对轴所属截面类型可能不同) 求ixreq=lox/入；hreq=ixreq/ 1 求iyreq=loy/入；breqiyreq/ 2 注：对型钢截面，可直接由回转半径查表 另：焊接工字型查不能误查型钢截面工字钢的 1和 2 钢结构基本原理672、确定各板件尺寸b