高等钢结构理论-第四讲

1、高等钢结构理论1. 钢结构基本性能及特点1.1 钢材生产对材性的影响1.2 钢材加工(施工) 对构件性能的影响1.3 外界作用对钢结构性能的影响2. 钢结构的几个特殊问题2.1 残余应力及其影响2.2 钢结构的稳定问题2.3 钢结构的断裂问题2.4 钢结构的疲劳问题3. 钢结构基本构件3.1 拉杆3.2 轴心压杆3.3 受弯构件3.4 压弯构件4. 钢框架理论4.1 失稳形式4.2 分析方法4.3 实际应用第一讲第二讲第三讲目录5. 钢结构的连接5.1 焊接5.2 螺栓连接5.3 混合连接6. 钢结构构造设计7. 冷弯薄壁型钢结构的特点8. 其他一些关心的问题8.1 塑性设计8.2 抗震钢结构

2、8.3 箱形梁8.4 受扭构件8.5 设计中的试验工作8.6 钢结构加固设计第四讲目录（续）第五讲第六讲第七讲5. 钢结构的连接5.1 连接形式：焊接、铆接、普通螺栓连接、高强螺栓连接5.2 角焊缝连接角焊缝的性能：试验研究角焊缝的计算：计算公式有效厚度和长度理论研究焊缝群的计算5.3 高强螺栓连接抗剪螺栓连接：承受轴心剪力的螺栓连接：承受偏心剪力的螺栓连接：放大孔和加长孔剪拉联合破坏5. 钢结构的连接（续）5.3 高强螺栓连接 （续）抗拉螺栓连接高强螺栓连接抗拉性能：连接板柔性的影响：螺栓和板同时计算的方法：兼承剪力和拉力的螺栓连接承受重复荷载的螺栓连接抗剪连接：抗拉连接：5.4 混合连接6

3、. 钢结构的构造设计构造设计的意义处理结构的细部：解决构件或零件之间的衔接问题重要性：构造处往往形成应力集中或局部应力、有时不易精确计算（数值分析、试验研究）、避免局部破坏而影响结构性能的发挥、影响施工（造价、质量等）构件的拼接：等截面拉、压杆变截面柱梁端板连接中板的厚度梁、梁连接：简支连接连续和半连续连接6. 钢结构的构造设计（续）梁、柱连接柔性连接半刚性连接刚性连接：柱脚柱脚的构成柱脚的计算桁架节点节点的侧向刚度节点板受力分析相关规范构造节点上的偏心抵抗疲劳的构造抵抗脆性断裂的构造连接形式焊接：现代钢结构最主要的连接方式适用广、构造简单、省料省工、可自动化、效率高。焊缝质量易受材料、操作影

4、响，材性要求、焊接工艺、质量检查等铆接：热铆、常温铆接。采用较少传力可靠、韧性和塑性好、质量易检查，对常承受动力荷载作用、荷载较大、跨度较大的结构仍采用。费钢费工、需较大的铆合力普通螺栓连接：A、B、C级（孔径差1.01.5mm）装卸便利、设备简单。连接不紧密、不宜受剪。高强螺栓连接：摩擦型、承压型摩擦型加工方便、对构件的削弱较小、可拆换，包含普通螺栓和铆接的优点，目前成为替代铆接的优良连接；制作、施工费用高。射钉（薄钢板）、自攻螺钉（薄钢板） 、焊钉（钢、混）角焊缝的性能受力复杂：试验研究:承载能力:受拉:受剪:同时受拉和受剪变形能力:角焊缝的性能试验研究: 破坏面倾角变化100到800之间

5、.变形能力: 能够经受较大的塑性变形是连接应该具有的优良性能.试验表明：角焊缝变形能力随外力角度变化。ff角焊缝的计算(计算公式)相关方程的演变:中国规范：2( 0 .7 5 f u , w ) 222u , w+= 1计算公式：222( 0 .7 5 f u , w )22u , w 2( 0 .7 5 f u , w )+= 1+22+ 1 .8 (+ 2 ) f u , w = f / 欧洲规范：22+ 3 (+ 2 ) f(2fff) 2 + f f wf= 1 .2 2角焊缝的计算 (有效厚度和长度)有效厚度： 一般情况，焊喉厚度有效长度：剪应力的不均匀分布:变形能力：上限构造：刚

6、度 分 布偏心影响：不能太短规范： 8、40、60气体保护焊、埋弧焊，溶深较大。（取小值）h e = 1 .2 ah e = a + 2 m m规范：无规定h f变形能力最大长度分析：欧洲规范：对横向加劲肋的角焊缝时，折减l w f y2 E =Ef yl w = 2 1 1 .4 m m 1 7 4 5 m ml w 1 .7 m 2 = 1 .1 l w / 1 7对搭接角焊缝，有效长度与焊缝有效厚度有关l w 150 时，折减 1 = 1 .2 0 .2 l j / (1 5 0 a )中国规范： 6 0 h f内力沿侧焊缝全长分布时，有效长度不受限制刚度分布原因：国际焊接学会推荐有效长

7、度：l w = 2 t w + c t f角焊缝的计算 (偏心影响)偏心影响： 偏心力偶的作用美国规范AISC长焊缝：可以忽略短焊缝：可能破坏或引起应力集中而破坏。中国规范最小长度：8 h fl w bf u f l w (1 + 0 .7 5 t )h角焊缝的计算 (理论研究)理论研究：基于塑性力学，对斜向角焊缝因此，对端焊缝带缺陷情况下的数值极限分析： （咬边、欠焊、焊瘤、表面裂纹等）N =f u h f l w6 3 s in 2 f u3h f l wN 90 =f u6h f l w对侧焊缝N 0 =N 90N 0= 1 .4 1wu=3 (1 + c o s 2 ) m ax =

8、t h f3 (s in 2 + 1 6 c o s 2 )1 6 (1 + c o s 2 )进一步的理论研究： N考虑变形能力极限承载力分析基础t g = c 1 t g c 1 = 2 4承载力：翼缘：角焊缝的计算(焊缝群的计算)基本原则：假定每条焊缝承担的荷载直接取决于相临母材的应力：对应应力明确的情况把焊缝群按整体结构考虑：对应应力分布不明确的情况；仅一点达到极限状态应力明确简化算法：腹板：Pf精确算法：腹板：P、P aII f+ I bPaI bI f + I b翼缘：P a / h应力不明确剪力分摊弯矩P ( a + x 1 )f u f l w (1 + 0 .7 5 t )h

9、3 (1 + c o s )角焊缝的计算(焊缝群的计算)极限状态分析：Machaly： 各点达到极限，提高20%以上原则：2wN u = t = 0 .33 (s in 2 + 1 6 c o s 2 )1 6 (1 + c o s 2 ) m ax = t h f简化分析弯矩：水平焊缝、竖向焊缝剪力：竖向焊缝中心：竖向焊缝中心高强螺栓的受力特点高强螺栓的预应力：施加：长扳手或动力扳手预拉力、预扭矩：类型：摩擦型：预拉力保证被连接板件之间不会出现滑动承压型：预拉力保证被连接板件之间在正常使用阶段不会出现滑动优点：结构不会因为连接滑动而出现非弹性变形减小连接腐蚀危险改进连接抵抗疲劳破损的性能，替

10、代铆接预应力的大小控制：预拉力+预扭矩的影响 2 + 32 = f e规范：10.9级： 0 .6 f u b 8.8级： 0 .5 4 f u b = 1 .1 5 1 .2 500 .9 0 .91 .2 0 .9 f u b = 0 .6 f u b抗剪螺栓连接 （承受轴心剪力的螺栓连接）荷载变形曲线：极限承载力近似承压型极限状态：承载能力极限状态：螺栓剪断孔壁承压破坏板件拉断正常使用极限状态：板层间出现滑动：摩擦型1.3倍摩擦型极限状态： （利用效率低、用于重要结构或荷载引起反向应力）板层间出现滑动：抗滑系数长连接的承载力：折减系数：和螺栓间距、个数关系不大。欧洲规范： = 1 .0

11、7 5 0 .0 0 5 l / d 0 .7 5中国规范： = 1 .1 l / (1 5 0 d 0 ) 0 .7l 15 dl 15 d 0抗剪螺栓连接 （承受轴心剪力的螺栓连接）抗剪螺栓连接（承受偏心剪力的螺栓连接）构造受力特点： 弹性分析试验研究：弹性部分比例很小= 0 X( R i y i / ri ) = 0= 0 Y( R i x i / ri ) = P= 0 MP ( e + r0 ) R i ir = 0X = 0抗滑极限状态R s ( y i / ri ) = 0= 0 YR s ( x i / ri ) = P= 0 MP ( e + r0 ) R s ri = 0算

12、例：提高 16.7%偏心矩增大，提高更大抗剪螺栓连接（承受偏心剪力的螺栓连接）计算准则： 极限状态规范：弹性方法按极限状态分析： m a x = 0 .9 c mi强度极限状态：抗剪螺栓连 接（放大孔和加长孔）螺栓孔径和杆径之间差别中国规范: 1.52/11.5欧洲、日本: 2mm美国: 1.6mm放大孔和加长孔 ：便利安装并省预装配影响：夹紧力、抗滑系数、滑动能力设计中考虑：折减 （pp.286）0.85（放大孔及短槽孔：宽度2mm长度2+2mm）0.7 （长槽孔：2.5d）抗剪螺栓连接（板件剪拉联合破坏）承载能力极限状态：螺栓剪断孔壁承压破坏板件拉断剪拉联合破坏计算公式单排: k = 0

13、.5fRs )t w= 0 .5 f u ( g + e n ) t w 1 .5 d 0 t w + 0 .6 f y ( e g +欧洲规范：等效宽度 ( g + e n )b e = ( g + e n k d 0 )( f u / f y )双排: k = 0 .5M 0f y3 V = e g +s + b e t w抗剪螺栓连接（中国规范）中国规范：连接节点处:A i = t l i桁架节点板:N( i A i ) f i =11 + 2 cos 2 1Nb e t = f=抗拉螺栓连接（高强螺栓连接抗拉性能）抗拉性能前提:板刚性很大T = P + C P Ck p k b e =

14、 P =T( k p + k b )k pk b C =T( k p + k b )k pC = P0 =T( k p + k b )P0k bk p P =k pk b= 10 20k bk pPT = P0 + P = (1 +) P0 = T 1 .0 5 1 .1 P0a d b ybf抗拉螺栓连接（连接板柔性的影响）考虑连接板柔性的分析：撬力Q影响撬力Q的因素：板厚、螺栓直径、螺栓位置、材性等2bt 2 f y研究结果: =P = T + Q0 .7 f y b 0 = fa d b yb抗拉螺栓连接（连接板柔性的影响）试验研究：螺栓的破坏荷载与预拉力大小无关考虑方法：不考虑撬力Q的

15、板厚要求：对普通螺栓：容许应力0.8，即考虑Q = 0 .2 5 T对高强螺栓，中国规范： N t 0 .8 P0美国、欧洲规范：计算撬力Q0中国规范规定：0 .9 0 .91 .2=f y b = 0 .6 7 5 f y b = 0 .7 / 0 .6 7 5 = 1.0 4 2 .8 52bt 2 f y =t = 1 .8 9 d 0t = 1 .9 3 d 010.9级8.8级双排螺栓时：边缘螺栓在中间螺栓破坏时不能充分发挥作用抗拉螺栓连接（螺栓和板同时计算的方法）原因：撬力Q难以考虑，与数值分析差异很大。实用方法（欧洲钢协、英国桥梁规范）：满足平衡条件满足螺栓极限承载条件满足板出现

16、塑性铰条件不考虑变形协调板强度条件：b螺栓强度条件： P = T + Q A e tfAMf( b d ) t p24= Qc Db t p24Mf= T a Qc bt=抗拉螺栓连接（螺栓和板同时计算的方法）计算过程：等强考虑：D-D截面控制时螺栓直径足够大时：螺栓强度条件：P = T + Q A e tf bbtMT =pf + CNa + cpfp fnM+ MaT =A板强度条件：Mf( b d ) t p24= Qc Db t p24Mf= T a Qc fM pfN tb2p4= A e f t bN = 4 T) + ( ) 2 = 1 （椭圆到圆）N t sbN) + (N t

17、 A e 2 N s 2)N t sAN兼承剪力和拉力的螺栓连接极限承载能力由试验研究确定。相关曲线（对应剪切面经过螺纹或螺杆）公式注意：（1）受力截面(N t 2 N sb/ 1 .2sbc对承压型： N N(b b= 1s对摩擦型： N 0 .9 n f ( P0 1 .2 5 N t )（2）对撬力的考虑。 N t 包含N t N sbt s拉力影响承受重复荷载的螺栓连接（抗剪连接）疲劳破坏模式：与传力方式有关。摩擦型：靠摩擦力，A点出现剪力高度集中破坏模式：微振磨损（模式1）承压型出现滑动后，由螺栓抗剪、承压和板层间摩擦共同传力应力集中出现在板净截面破坏模式：板断裂（模式1）国内试验研

18、究：（摩擦型疲劳试验）60%毛截面断裂：板应力较低而循环次数大40%净截面断裂：板应力较高而循环次数小原因：高额预拉力使毛截面疲劳（应力小时）承受重复荷载的螺栓连接（抗剪连接）疲劳破坏寿命与应力幅关系：试验研究传力时：毛截面为准承压传力时：净截面为准时，应力幅准则完全适用。时，应力幅准则偏于安全。为避免变形太大，承受反向应力时应设计为抗滑连接（摩擦型）R 0R 2a = 0 .5 lb e / a = 6 2 .7 5b e / a = 3 .5 1 .5 a / l弹性分析：端板连接中板的厚度（考虑撬力）分析原则：考虑撬力: 塑性铰机理破坏状态：d) 、e)d) 当宽度b不大时：e) 当宽度

19、比较大时工程中不多见a2T u= m u b eQ = T u a /( 2 c )pfp fnM+ MaT =简支连接最为常见，构造简单、安装迅速机理：传递剪力、提供扭转约束形式:a) 只连腹板、不连翼缘（上翼缘切角）b) 只连腹板、不连翼缘（上翼缘不切角）c)只连腹板、不连翼缘（一侧上下翼缘切角）d) 只连腹板、不连翼缘（上翼缘切角、设连续和半连续连接连续连接：机理：将次梁支座压力传递给主梁、梁端弯矩由相临次梁平衡、提供扭转约束形式:a) 螺栓连接（连接板）b) 焊接（连接板）c)对接焊（垫板）d) 只连腹板、不连翼缘半连续连接：柔性连接（连接形式）受力特点：形式:a) 连接角钢（中央放置

20、）b) 连接角钢（偏上放置）c)端板（偏上放置）d) 连接角钢（偏上放置、承托）e)连接角钢（上翼缘放置、小牛腿）角钢验算要点:每列抗剪梁有切除时、梁削弱截面的抗剪、抗弯、拉剪柔性连接（保证转动性能）保证梁端转动能力：控制连接角钢的厚度B列采用不加预应力的高强螺栓、甚至短槽孔（B列为支点）梁端和柱留出空隙试验研究：反弯点距离连接柔性为保证转动延性，应使连接板受剪屈服先于焊缝屈服和螺栓失效。d b2t p + 1 .5 m mh f 0 .7 5 t p半刚性连接形式:a) 端板加高强螺栓b) 端板加高强螺栓（平齐）c)翼缘上下、腹板角钢加高强螺栓验算要点:端板与螺栓：拉剪（螺栓）端板和梁：焊缝

21、角钢：刚度水平肢：摩擦型竖支肢：承压型试验研究：多层框架的刚性连接多层框架的刚性连接形式:a) 完全焊接：防层间撕裂b) 完全栓接c) 焊栓连接分析计算：连接的层次精确计算与简化分析加劲肋分析多层框架的刚性连接多层框架的刚性连接 （续）箱型断面构造冷弯方管构造试验研究欧洲规范：t w = C无加劲柱在节点区的计算存在问题：是否需要设置加劲肋？如何设置？示例：理论分析：不设加劲肋的极限状态：柱腹板压屈服或屈曲翼缘拉弯而出现塑性铰或焊缝拉坏柱腹板受剪理论分析（屈服）：b e = t b + 5 ( t c + rc )等强考虑：t w = A1 b / b en/ f )Cb e f1b e f

22、(1 .2 5 0 .5 ( ) ( m +) f y无加劲柱在节点区的计算理论分析（屈曲）：无通用方法，按四边简支：理论分析（拉坏）：偏于安全，取 a = cT按三边嵌固： ( 0 .8 ) f y 7 t 2 + t b ( t w + 2 rc ) crt w 2h1 h 2 2)m a 2= 2 E1 2 (1 v 2 )m = 1(crt w 2h= 2 E1 2 (1 v 2 )t wh235f y430f yf y = 28 2 E1 2 (1 v 2 )A1 bTf yt c 0 .4= 0 .4l w 2 t w + c t f无加劲柱在节点区的计算存在问题：是否需要设置加劲

23、肋（验算）如何设置：(a) 抗拉不满足:(b) 抗剪不满足(c) 受压不满足加劲肋的验算:单层框架的刚性连接单层框架(刚架)形式:横梁与柱的节点构造:形式(单跨):a) 横梁延伸b) 端板连接c) 加腋(提高梁端抗弯)d) 加腋(提高梁端抗弯)e) 加腋(提高梁端抗弯)f) 加腋(提高梁端螺栓力臂)g) 翼缘盖板选择原则:平齐要求:单层框架的刚性连接横梁与柱的节点构造:多跨中间a) 全焊(不加腋)b) 全焊(加腋)c) 工地螺栓连接人字横梁a) 全焊b) 工地螺栓连接f y A2b cos = f y A1b单层框架的刚性连接分析计算：加腋柱顶内侧翼缘:f y A2b cos = f y A1

24、b当 20 0 增大6%加劲肋CDf y Ast cos + f y A2 c sin = f y A2 b cos( + )翼缘渐变方向时:翼缘焊缝翼缘弯曲NbRq =)b 2tRq1 = f (柱脚的构成节点构造a)加劲板b)靴梁板c)靴梁板6E0= 1.62 1.39n = 3 E1c = 1.5t p柱脚的计算传力路径：理论分析:a) Ab = 0.9a(b + 3t p )b) Ab = 0.75a(b + 3t p )c) c = nt p承压面积: 分析中可考虑局部承压强度的提高底板厚度:最大弯矩决定py = k y f y ltke 2 Et 312(1 2 )lk y = 1.39 2.20 (l / h ) + 1.27 (l / h ) 2 0.25 (l / h ) 3柱脚的计算对有转动约束的考虑 :三角肋板分析屈曲荷载: pcr =屈服荷载:基本结论:ke = 3.2 3.0(l / h) + 1.1(l / h)2ltlh235f y656f