2022年《钢结构设计原理》讲义教案 2

1、钢结构设计原理讲义教案钢结构的特点、设计方法和材料 一、钢结构的特点（1）强度高,塑性和韧性好 强度高,适用于建造跨度大、承载重的结构；塑性好,结构在一般条件下不会因超载而突然破坏；韧性好,相宜在动力荷载下工作；（2）重量轻（3）材质匀称,和力学运算的假定比较符合 钢材内部组织比较匀称,接近各向同性,实际受力情形和工程力学运算结果比较符合；（4）钢结构制作简便,施工工期短 钢结构加工制作简便,连接简洁,安装便利,施工周期短；（5）钢结构密闭性较好 水密性和气密性较好,相宜建造密闭的板壳结构；（6）钢结构耐腐蚀性差 简洁腐蚀,处于较强腐蚀性介质内的建筑物不宜采纳钢结构；（7）钢材耐热但不耐火 温

2、度在 200以内时, 钢材主要力学性能降低不多；温度超过 200后, 不仅强度逐步 降低,仍会发生 兰脆和徐变现象；温度达 600时,钢材进入塑性状态不能连续承载；（8）在低温顺其他条件下,可能发生脆性断裂；二、钢结构的设计方法和设计表达式钢结构设计规范除疲惫运算外,采纳以概率理论为基础的极限状态设计方法,用分 项系数的设计表达式进行运算；1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意设计规定的某一功能要求时,此特定 状态就称为该功能的极限状态；（1 承载才能极限状态包括构件和连接的强度破坏、疲惫破坏和因过度变形而不适于第 1 页,共 83 页连续承载,结构和构件丢失稳固,结构转变为

3、机动体系和结构倾覆；（2 正常使用极限状态包括影响结构、 构件和非结构构件正常使用或外观的变形,影响正常使用的振动,影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括混凝土裂缝）；以结构构件的荷载效应 S和抗力 R 这两个随机变量来表达结构的功能函数,就Zg R,S R- S 1 在实际工程中,可能显现以下三种情形：Z0 结构处于牢靠状态；Z0 结构达到临界状态,即极限状态；Z0 结构处于失效状态；依据概率极限状态设计方法,结构的牢靠度 定义为： 结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率；这里所说“ 完成预定功能” 就是对于规定的某种功能来说结构不失效 Z0 ；这样结构的失效概率pf表示为p

4、f 2 减小,pf增大；0p fPZ牢靠指标与p 存在对应的关系,增大,减小；2分项系数的设计表达式对于承载才能极限状态荷载效应的基本组合按以下设计表达式中最不利值确定式中nciQiKf（ 3）可变荷载效应掌握的组合：0GGKQ1Q1Ki2Qinf（4）永久荷载效应掌握的组合：0GGKQiciQiKi1100 年及以上的结构构0 结构重要性系数, 对安全等级为一级或设计使用年限为件,不应小于 1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50 年及结构构件, 不应小于 1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5 年结构构件, 不应小于 0.9；GK永久荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力；Q1

5、K起掌握作用的第一个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力（该值使运算结果为最大）；Q i K其他第 i 个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力；第 2 页,共 83 页G永久荷载分项系数,当永久荷载效应对结构构件的承载力不利时取 1.2,但对式（4）就取 1.35；当永久荷载效应对结构构件的承载力有利时取 1.0；验算结构倾覆、滑移或漂浮时取 0.9；Q、Qi第 1 个和其他第 i 个可变荷载分项系数,当可变荷载效应对结构构件的2承载力不利时取 1.4（当楼面活荷载大于 4.0 kN / m 时,取 1.3）；有利时,取为 0；ci第 i 个可变荷载组合值系数,可按荷载规范

6、的规定实行；对于一般排架、框架结构,可采纳简化式运算；. 由可变荷载效应掌握的组合：0GGKinQiQiKf（5）0.9；当只有 1 个可变荷1由永久荷载效应掌握的组合,仍按式（4）进行运算；式中 简化式中采纳的荷载组合值系数,一般情形下可采纳载时,取为1.0；对于正常使用极限状态,采纳荷载的 的规定限值；设计式为：标准组合 进行设计,并使变形等设计不超过相应式中nGKQ1Ki2ciQiK（6）GK永久荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值；Q1K起掌握作用的第一个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值（该值使运算结果为最大）；QiK其他第 i 个可变荷载标准值在结构或结构构件中产

7、生的变形值；结构或结构构件的容许变形值；三、钢结构的材料 1对钢结构用钢的基本要求（1）较高的抗拉强度uf 和屈服点fy；（2）较高的塑性和韧性；（3）良好的工艺性能；第 3 页,共 83 页（4）依据详细工作条件,有时仍要求钢材具有适应低温、高温顺腐蚀性环境的才能；2钢材的主要性能（1）强度性能比例极限： OP 段为直线,表示钢材具有完全弹性性质,P 点应力 f p 称为比例极限；屈服点： 随着荷载的增加,曲线显现 ES 段, S 点的应力 f y 称为屈服点；抗拉强度或极限强度：超过屈服台阶,材料显现应变硬化,曲线上升,直至曲线最高处的 B 点,这点的应力 uf 称为抗拉强度或极限强度；当

8、以屈服点的应力 f y 作为强度限值时,抗拉强度 uf 成为材料的强度储备；（2）塑性性能伸长率： 试件被拉断时的肯定变形值与试件原标距之比的百分数,称为伸长率； 伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的才能；（3） 冷弯性能冷弯性能由冷弯试验确定；试验时使试件弯成l80 ,如试件外表面不显现裂纹和分层,即为合格；冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变才能和钢材质量的综合指标；（4） 冲击韧性韧性是钢材强度和塑性的综合指标；由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响,（20）冲击韧性指标,仍要求具有负温（构具有足够的抗脆性破坏才能；3各种因素对钢材主要性能的影响（ 1）化学成分在冰冷地区建造的结构

9、不但要求钢材具有常温 0、 -20或 -40）冲击韧性指标,以保证结碳直接影响钢材的强度、塑性、 韧性和可焊性等；碳含量增加, 钢的强度提高, 而塑性、第 4 页,共 83 页韧性和疲惫强度下降,同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性；硫和磷是钢中的有害成分,它们降低钢材的塑性、韧性、 可焊性和疲惫强度；在高温时,硫使钢变脆,称之热脆 ；在低温时,磷使钢变脆,称之冷脆 ；（2）冶金缺陷常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等；（3）钢材硬化冷加工使钢材产生很大塑性变形,从而提高了钢的屈服点,同时降低了钢的塑性和韧性,这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）；在一般钢结构中,不利用硬化所提高的强度,

10、以保证结构具有足够的抗脆性破坏才能；另外,应将局部硬化部分用刨边或扩钻予以排除；（4）温度影响钢材性能随温度变动而有所变化；总的趋势是温度上升,钢材强度降低,应变增大；反之,温度降低,钢材强度会略有增加,塑性和韧性却会降低而变脆；在 250左右,钢材的强度略有提高,同时塑性和韧性均下降,材料有转脆的倾向,钢材表面氧化膜出现蓝色,称为 蓝脆现象 ；钢材应防止在蓝脆温度范畴内进行热加工；当温度在 260 320时,在应力连续不变的情形下,钢材以很缓慢的速度连续变形,此种现象称为 徐变现象 ；当温度从常温开头下降,特殊是在负温度范畴内时,钢材强度虽有提高,但其塑性和韧性降低,材料逐步变脆,这种性质称

11、为 低温冷脆 ；（5）应力集中构件中有时存在着孔洞、槽口、凹角、截面突然转变以及钢材内部缺陷等；此时,构件中的应力分布将不再保持匀称,而是在某些区域产生局部高峰应力,在另外一些区域就应力降低,形成 应力集中现象 ；承担静力荷载作用的构件在常温下工作时,在运算中可不考虑应力集中的影响；但在负温或动力荷载作用下工作的结构,应力集中的不利影响将非常突出,往往是引起脆性破坏的根源,故在设计中应实行措施防止或减小应力集中,并选用质量优良的钢材；（6）反复荷载作用在直接的连续反复的动力荷载作用下,钢材的强度将降低,低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度,这种现象称为 钢材的疲惫 ；疲惫破坏表现为突然发

12、生的 脆性断裂 ；材料总是有 “ 缺陷 ” 的,在反复荷载作用下,先在其缺陷发生塑性变形和硬化而生成一些第 5 页,共 83 页微小的裂痕, 此后这种微观裂痕逐步进展成宏观裂纹,试件截面减弱, 而在裂纹根部显现应力集中现象, 使材料处于三向拉伸应力状态,塑性变形受到限制,当反复荷载达到肯定的循环次数时,材料最终破坏,并表现为突然的脆性断裂；4钢材的破坏形式塑性破坏 ：变形超过了材料或构件可能的应变才能而产生的,而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度 uf 后才发生；塑性破坏前,由于总有较大的塑性变形发生,且变形连续的时间较长,很简洁准时发觉而实行措施予以补救,不致引起严峻后果；脆性破坏 ：破坏

13、前塑性变形很小,甚至没有塑性变形,运算应力可能小于钢材的屈服点,断裂从应力集中处开头；由于脆性破坏前没有明显的预兆,无法准时觉察和实行补救措施；5钢材的疲惫运算钢材的疲惫断裂是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏；钢材的疲惫强度取决于应力集中和应力循环次数；循环次数 N5x10 4,应进行疲惫运算；（1）常幅疲惫应力幅 为应力谱中最大应力与最小应力之差,即max min式中：max每次应力循环中的最大拉应力（取正值）；min每次应力循环中的最小拉应力（取正值）或压应力（取负值）；假如重复作用的荷载数值不随时间变化,就在全部应力循环内的应力幅将保持常量,称之为常幅疲惫；依据试验

14、数据可以画出构件或连接的应力幅 与相应的致损循环次数 N 的关系曲线；目前国内外都常用双对数坐标轴的方法使曲线改为直线以便工作；在双对数坐标图中,疲惫直线方程为：lgNb 1lg（7）或式中N10b 1C1直线对纵坐标的斜率；第 6 页,共 83 页b1直线在横坐标轴上的截距；N循环次数；图 n 曲线考虑到试验数据的离散性,取平均值减去 限值,下限值的直线方程为：2 倍 lgN 的标准差（ 2s）作为疲惫强度下lgNb 1lg2sb2lg（8）或取此NC10b2C（9）（ 10）作为容许应力幅1/N对于不同焊接构件和连接形式,划分为 8 类；规范按连接方式、 受力特点和疲惫强度等归纳分类,对焊

15、接结构的焊接部位的常幅疲惫,应按下式运算：maxmin（ 11）对于非焊接部位,其疲惫强度应按下式运算：maxkmin（12）（2）变幅疲惫和吊车梁的欠载效应系数 实际上,结构所受荷载其性质为变幅的；变幅疲惫可作为常幅疲惫按下式运算：式中N210 6fmaxN210 6（13） 循环次数 N2 106 的容许应力幅,应按式（10）运算；第 7 页,共 83 页f 欠载效应系数； 对重级工作制硬钩吊车f1.0,重级工作制软钩吊车f0.8；中级工作制吊车f=0.5；6钢的种类和钢材规格（1）钢的种类按脱氧方法, 钢可分为沸腾钢 （F）、半冷静钢 （b）、冷静钢（Z）和特殊冷静钢 （TZ）,冷静钢和

16、特殊冷静钢的代号可以省去；冷静钢脱氧充分,沸腾钢脱氧较差,半冷静钢介于镇静钢和沸腾钢之间；一般采纳冷静钢；按化学成分, 钢可分为碳素钢和合金钢；在建筑工程中采纳的是碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢；（1）碳素结构钢按质量等级分为A、B、C、D 四级, A 级钢只保证抗拉强度、屈服点、伸长率,必要时尚可附加冷弯试验的要求,化学成分对碳、锰可以不作为交货条件；B、C、D 钢均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（分别为20, 0,20）等力学性能；化学成分碳、硫、磷的极限含量；钢的牌号由代表屈服点的字母 Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）、脱氧方法符号等四个部分按

17、次序组成；依据钢材厚度 （直径）l6mm 时的屈服点数值分为 Q195、Q2l5 、Q235、Q255 、Q275,钢结构一般仅用 Q235,钢的牌号依据需要可为 Q235A ；Q235B；Q235C ；Q235D 等；（2）低合金高强度结构钢仍旧依据钢材厚度（直径）l6mm 时的屈服点大小,分为 Q295、Q345、Q390、Q420、Q460；钢结构一般采纳Q345、 Q390、Q420,钢的牌号仍有质量等级符号,除 A 、B、C、D 四个等级外增加一个等级 E,主要是要求40的冲击韧性；钢的牌号如 Q345B、Q390C 等等；低合金高强度结构钢一般为冷静钢,因此钢的牌号中不注明脱氧方法

18、；A 级钢应进行冷弯试验,其他质量级别钢,如供方能保证弯曲试验结果符合规定要求,可不作检验；（3）优质碳素结构钢 以不热处理或热处理（退火、正火或高温回火）状态交货,要求热处理状态交货的应在合同中注明,未注明者,按不热处理交货,如用于高强度螺栓的45 号优质碳素结构钢需经热处理,强度较高,对塑性和韧性又无显著影响；（2） 钢材的挑选挑选钢材时考虑的因素有：第 8 页,共 83 页1）结构的重要性 重要结构应考虑选用质量好的钢材；一般工业与民用建筑结构,可选用一般质量的钢材；2）荷载情形 直接承担动力荷载的结构和剧烈地震区的结构,应选用综合性能好的钢材；一般承担静力荷载的结构就可选用价格较低的

19、Q235 钢；3）连接方法 焊接结构对材质的要求应严格一些；4）结构所处的温度和环境在低温条件下工作的结构,特殊是焊接结构,应选用具有良好抗低温脆断性能的冷静钢；5）钢材厚度 厚度大的焊接结构应采纳材质较好的钢材；钢结构的焊接连接钢结构的连接方法可分为焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种；焊接连接是现代钢结构最主要的连接方法；它的优点是： （1）焊件间可直接相连,构造简洁,制作加工便利；（ 2）不减弱截面,用料经济；（3）连接的密闭性好,结构刚度大；（4）可实现自动化操作,提高焊接结构的质量；缺点是：（1）在焊缝邻近的热影响区内,钢材的材质变脆；（2）焊接残余应力和变形使受压构件承载力降低；（较为

20、突出；一、焊缝的形式 1角焊缝3）焊接结构对裂纹很敏锐,低温时冷脆的问题图 2 斜角角焊缝截面角焊缝按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝；两焊脚边的夹角为 90 的焊缝第 9 页,共 83 页称为 直角角焊缝 ,直角边边长 hf 称为 角焊缝的焊脚尺寸,he 0.7hf 为直角角焊缝的 运算厚度；斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中；对于夹角大于 135 或小于 60 的斜角角焊缝,不宜用作受力焊缝（钢管结构除外）；2对接焊缝对接焊缝的焊件常需加工成坡口,故又叫坡口焊缝；焊缝金属填充在坡口内,所以对接焊缝是被连接件的组成部分；坡口形式与焊件厚度有关；当焊件厚度很小（手工焊 t 6mm,埋弧焊

21、 t 10mm）时,可用直边缝；对于一般厚度（t=1020mm）的焊件可采纳具有斜坡口的单边 V 形或 V 形焊缝；斜坡口和离缝 c 共同组成一个焊条能够运转的施焊空间,使焊缝易于焊透；钝边 p 有托住熔化金属的作用；对于较厚的焊件（t20mm）,就采纳 U 形、 K 形和 X 形坡口；对于V 形缝和 U 形缝需对焊缝根部进行补焊；对接焊缝坡口形式的选用,应依据板厚和施工条件按现行标准建筑结构焊接规程的要求进行；凡 T 形,十字形或角接接头的对接焊缝称之为对接与角接组合焊缝；图 3 对接焊缝的坡口形式3焊缝质量检验钢结构工程施工质量验收规范规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级；

22、三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；一级、 二级焊缝就除外观检查外, 仍要求肯定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准；焊缝质量的外观检验检查外观缺陷和几何尺寸,内部无损检验检查内部缺陷；二、直角角焊缝的构造与运算角焊缝按其与作用力的关系可分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝；正面角焊缝 的焊第 10 页,共 83 页缝长度方向与作用力垂直,侧面角焊缝 的焊缝长度方向与作用力平行,斜焊缝 的焊缝长度方向与作用力倾斜,由正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝组成的混合,通常称作围焊缝；侧面角焊缝主要承担剪力,塑性较好,强度较低；应力沿焊缝长度方向的分布不匀称,呈两端大而中间小的状态；焊

23、缝越长,应力分布不匀称性越显著；正面角焊缝受力复杂,其破坏强度高于侧面角焊缝,但塑性变形才能差；斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间；1角焊缝的构造要求（ 1） 最小焊脚尺寸式中hf1.52tmm；（1）t2较厚焊件厚度,单位为运算时,焊脚尺寸取整数；自动焊熔深较大,可减小1mm；T 形连接的单面角焊缝,应增加1mm；当焊件厚度小于或等于 4mm 时,就取与焊件厚度相同；（2）最大焊脚尺寸式中h f1 t1（2）t1较薄焊件的厚度,单位为mm；对板件边缘的角焊缝,当板件厚度 取 hft；t6mm 时,取 hft-（12）mm；当 t6mm 时,图 4 最大焊角尺寸（ 3）角焊

24、缝的最小运算长度 侧面角焊缝或正面角焊缝的运算长度不得小于 8hf 和 40mm；（ 4） 侧面角焊缝的最大运算长度侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不匀称,两端大而中间小, 可能第一在焊缝的两端破坏,故规定侧面角焊缝的运算长度 l w60hf；如内力沿侧面角焊缝全长分布,可不受上第 11 页,共 83 页述限制；（5）搭接连接的构造要求当板件端部仅有两条侧面角焊缝连接时,应使每条侧焊缝的长度不宜小于两侧焊缝之间的距离；两侧面角焊缝之间的距离也不宜大于 16t（ t12mm）或 190mm（ t12mm ）, t为较薄焊件的厚度；搭接连接中, 当仅采纳正面角焊缝时,其搭接长度不得小于焊件较小厚

25、度的5 倍,也不得小于 25mm；图 5 焊缝长度及两侧焊缝间距图 6 搭接连接（6） 间断角焊缝的构造要求间断角焊缝只能用于一些次要构件的连接或受力很小的连接中；间断角焊缝的间断距离l 不宜过长,以免连接不紧密；一般在受压构件中应满意 l15t；在受拉构件中 l30t,t 为 较薄焊件的厚度；图 7 连续角焊缝和间断角焊缝（7） 减小角焊缝应力集中的措施杆件端部搭接采纳三面围焊时,全部围焊的转角处必需连续施焊；对于非围焊情形,当角焊缝的端部在构件转角处时,可连续地作长度为2hf 的绕角焊；2. 直角角焊缝强度运算的基本公式2f2 ffw（3）ff第 12 页,共 83 页式中 f垂直于焊缝长

26、度方向的应力；f 平行于焊缝长度方向的应力；f正面角焊缝的强度增大系数,f=1.0；ffw角焊缝的强度设计值；f=1.22；直接承担动力荷载结构中的角焊缝,式（ 3）为角焊缝的基本运算公式；只要将焊缝应力分解为垂直于焊缝长度方向的应力f和平行于焊缝长度方向的应力f,上述基本公式可适用于任何受力状态；式中对正面角焊缝,f=0,得（4）f =Nwffwfhel对侧面角焊缝,f =0,得（5）f=Nwfwfhelhe直角角焊缝的有效厚度,he= 0.7h f；hf 运算；l w焊缝的运算长度,考虑起灭弧缺陷,按各条焊缝的实际长度每端减去3角焊缝连接的运算（1）承担轴心力作用的角焊缝连接运算 1）采纳

27、盖板连接 当轴心力通过连接焊缝中心时,可认为焊缝应力是匀称分布的；图 8 承担轴心力的盖板连接第 13 页,共 83 页式中当只有侧面角焊缝时f=NwfwffwN1ffwh elw 1fh el当只有正面角焊缝时f=Nwffwhelf当采纳三面围焊时,先运算正面角焊缝所承担的内力fwl 1连接一侧正面角焊缝运算长度的总和；式中再运算侧面角焊缝的强度fNN1h elwwl连接一侧正面角焊缝运算长度的总和；2）承担斜向轴心力图 9 承担斜向轴心力将 N 力分解为垂直于焊缝和平行于焊缝的分力N xNsin; N yNcosNsinfh e lwfNcoswh el代入式（ 3）验算角焊缝的强度2f2

28、 ffwff3）承担轴心力的角钢角焊缝运算 钢桁架中角钢腹杆与节点板的连接焊缝一般采纳两面侧焊或三面围焊,特殊情形也可采 用 L 形围焊；腹杆受轴心力作用,为了防止焊缝偏心受力,焊缝所传递的合力的作用线应第 14 页,共 83 页与角钢杆件的轴线重合；图 10 角钢与节点板的连接对于三面围焊,可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸 h f 3,求出正面角焊缝所分担的轴心力N ；当腹杆为双角钢组成的 T 形截面,且肢宽为 b 时,wN =2 0.7 h f 3 b f ff（6）由平稳条件（M 0）可得：N = N b e -N 3= 1k N-N 3（7）b 2 2Ne N 3 N 3N = b- 2

29、= k N- 2（ 8）式中 N 、N 角钢肢背和肢尖的侧面角焊缝所承担的轴力；e 角钢的形心距；1k、k 角钢肢背和肢尖焊缝的内力安排系数,可查表得到；对于两面侧焊,因 N 0,就：N = k N （9）N = k N （10）求得各条焊缝所受的内力后,按构造要求假定肢背和肢尖焊缝的焊脚尺寸,即可求出焊缝的运算长度；对双角钢截面N 1wl 1 = w（11）2 0 7. h ff fN 2wl 2 = w（12）2 0 7. h f 2 f f式中 h f 1、wl 1 一个角钢肢背上的侧面角焊缝的焊脚尺寸及运算长度；h f 2、l w 2 一个角钢肢尖上的侧面角焊缝的焊脚尺寸及运算长度；实

30、际焊缝长度为运算长度加 2 h ；对于三面围焊,焊缝实际长度为运算长度加 h ；对于采纳绕角焊的侧面角焊缝实际长度等于运算长度（绕角焊缝长度 2 fh 不进入运算）；当杆件受力很小时,可采纳L 形围焊；由于只有正面角焊缝和角钢肢背上的侧面角焊第 15 页,共 83 页缝,令N 0,得：N =2k N （13）（14）N =N-N3角钢端部的正面角焊缝的长度已知,可按下式运算其焊脚尺寸：式中,wl3=b-hf；fh3=20N3fffw（15）7.lw3（2）承担弯矩、轴心力或剪力共同作用的角焊连连接运算图 11 承担偏心斜拉力的角焊缝图 11 所示的双面角焊缝连接承担偏心斜拉力N 作用,运算时,

31、可将作用力N 分解为Nx和 Ny两个分力；角焊缝同时承担轴心力 运算截面上的应力分布如下列图,图中Nx 和剪力 Ny 和弯矩 M=Nx e 的共同作用；焊缝 A 点应力最大为掌握设计点；此处垂直于焊缝长度方向的应力由两部分组成,即由轴心拉力Nx 产生的应力：N=Nx=NxA eh elw由弯矩 M 产生的应力：这两部分应力由于在M=M = W e6MA 点垂直于焊缝方向的应力为h el2 wA 点处的方向相同,可直接叠加,故f=Nxw+6M22h e l2h elw第 16 页,共 83 页剪力 N y 在 A 点处产生平行于焊缝长度方向的应力f=Ny=Nyw2 h elA e就焊缝的强度运算

32、式为：2f2 ffwff当连接直接承担动力荷载作用时,取 f1.0；工字形和 H 形截面梁（或牛腿）与钢柱翼缘的角焊缝连接,通常承担弯矩 M 和剪力 V的共同作用；运算时通常假设腹板焊缝承担全部剪力,弯矩就由全部焊缝承担；图 12 工字形梁（或牛腿）的脚焊缝连接式中翼缘焊缝的最大弯曲应力发生在翼缘焊缝的最外纤维处,此应力满意角焊缝的强度条件f=M I wh 2fw ffM 全部焊缝所承担的弯矩；Iw 全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩；腹板焊缝承担两种应力的共同作用,即弯曲应力和剪应力,设计掌握点为翼缘焊缝与腹板焊缝的交点处A,此处的弯曲应力和剪应力分别按下式运算：f2=M I wh22f=V2

33、h e l 2 w式中h el 2 w2 腹板焊缝有效截面之和；第 17 页,共 83 页就腹板焊缝在 A 点的强度验算式为：2f22 ffwff（3）承担扭矩或扭矩与剪力共同作用的角焊缝连接运算1）环形角焊缝承担扭矩 T 在有效截面的任一点上所受切线方向的剪应力f,应按下式运算：式中f=Tpr2w ffr3；（16）Ir 圆心至焊缝有效截面中线的距离；heIp 焊缝有效截面的惯性矩,Ip=2）围焊承担剪力和扭矩作用时的运算图 13 受剪力和扭矩作用的脚焊缝图 13 所示为采纳三面围焊搭接连接；该连接角焊缝承担竖向剪力VF 和扭矩TF（e1+e2）作用；运算角焊缝在扭矩 T 作用下产生的应力时

34、,是基于以下假定： 被连接件是肯定刚性的,它有绕焊缝形心O 旋转的趋势,而角焊缝是弹性的； 角焊缝上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；图中 A 点与 A 点距形心 O 点最远,故A 点和 A 点由扭矩 T 引起的剪应力T最大,焊第 18 页,共 83 页缝群其他各处由扭矩T 引起的剪应力T均小于 A 点和 A 点的剪应力,故A 点和 A 点为设计掌握点；在扭矩 T 作用下, A 点（或 A 点）的应力为将T沿 x 轴和 y 轴分解为：T=T Ir=ITryprry（17）pxITx=Tsin =T（18）rITy=Tcos =Tprrx（19）Ir由剪力

35、 V 在焊缝群引起的剪应力Vy为V按匀称分布, 就在 A 点（或A点）引起的应力Vy=Velwh就 A 点受到垂直于焊缝长度方向的应力为：f=Ty+Vy沿焊缝长度方向的应力为Tx,就 A 点的应力满意的强度条件为 2TyVy2 Txfwff当连接直接承担动态荷载时,取 f=1.0；三、斜角角焊缝的运算两焊脚边夹角 为 60 o135 o的 T 形接头的斜角角焊缝采纳与直角角焊缝相同的运算公式进行运算；但不考虑焊缝的方向,一律取 f（或 f） 1.0；四、对接焊缝的构造和运算1对接焊缝的强度焊接缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大,故可认为受压、 受剪的对接焊缝与母材强第 19 页,共 83 页度

36、相等, 但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏锐,由于三级检验的焊缝答应存在的缺陷较多,故其抗拉强度为母材强度的 85,而 、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等；2对接焊缝的构造和运算（1）对接焊缝的构造对接焊缝的拼接处,当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4mm 以上时,应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于 1:2.5（直接承担动力荷载且需要进行疲惫运算时不大于 1:4）的斜角,以减小应力集中；焊接时一般应设置引弧板和引出板,焊后将它割除； 对受静力荷载的结构设置引弧（出）板有困难时,答应不设置引弧（出）板,此时可令焊缝运算长度等于实际长度减 2t；图 14 钢板拼接 图 15

37、引弧板（ 2）对接焊缝的运算对接焊缝分焊透和部分焊透两种1） 焊透的对接焊缝的运算对接焊缝是焊件截面的组成部分,运算方法与构件的强度运算一样；轴心力作用的对接焊缝式中=lNtfw或w cf2t；（20）wtN 轴心拉力或压力设计值；lw 焊缝的运算长度；当未采纳引弧板时,取实际长度减去t 对接接头中为连接件的较小厚度；T 形接头中为腹板厚度；tfw、w cf 对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值；弯矩和剪力共同作用的对接焊缝件：对接接头受到弯矩和剪力的共同作用,正应力与剪应力的最大值应分别满意以下强度条式中 =M = W w6Mtfw（21）l2twVSw = t3 2Vtw vf（22）IwlwW

38、w焊缝的截面模量；Sw焊缝的截面面积矩；Iw焊缝的截面惯性矩；工字形或 H 形截面梁的接头,采纳对接焊缝,除应分别验算最大正应力和剪应力外,对于同时受有较大正应力和较大剪应力处,例如腹板与翼缘的交接点,仍应按下式验算折算应力：式中1、2321.1tfw（23）111验算点处焊缝的正应力和剪应力；1.1 考虑到最大折算应力只在局部显现,而将强度设计值适当提高的系数；图 16 对接焊缝受弯矩和剪力共同作用轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝当轴心力与弯矩、 剪力共同作用时, 焊缝的最大正应力应为轴心力和弯矩引起的应力之和,剪应力、折算应力仍分别按式（22）和式（ 23）验算；2）部分焊透的对接焊缝

39、部分焊透的对接焊缝必需在设计图上注明坡口的形式和尺寸；其强度运算方法与前述直角角焊缝相同,在垂直于焊缝长度方向的压力作用下,取 f1.22,其他受力情形取 f1.0；第 21 页,共 83 页钢结构的螺栓连接 螺栓连接分一般螺栓连接和高强度螺栓连接两大类；（1）一般螺栓连接一般螺栓分为A 、B、 C 三级； A 级与 B 级为精制螺栓,C 级为粗制螺栓；A、 B 级精制螺栓表面光滑,尺寸精确,对成孔质量要求高,制作和安装复杂,价格较高,已很少在钢结构中采纳；A 、B 级精制螺栓的区分仅是螺栓杆长度不同；C 级螺栓一般可用于沿螺栓杆轴受拉的连接中,以及次要结构的抗剪连接或安装时的临 时固定；（

40、2） 高强度螺栓连接 高强度螺栓连接有摩擦型连接和承压型连接两种类型；摩擦型连接：只依靠被连接板件间强大的摩擦力传力,以摩擦力被克服作为连接承载 力的极限状态；为了提高摩擦力,对被连接件的接触面应进行处理；承压型连接：答应接触面发生相对滑移,以栓杆被剪坏或被承压破坏作为连接承载力 的极限状态；高强度螺栓性能等级包括 8.8 级和 10.9 两种；摩擦型连接的螺栓孔径比螺栓公称直径 栓公称直径 d 大 1.0-1.5mm ；d 大 1.5-2.0mm ,承压型连接的螺栓孔径比螺承压型连接的承载力比摩擦型连接高,可节约螺栓；但剪切变形大,故不得用于承担动 力荷载的结构中；一、螺栓连接排列的构造要求

41、图 1 钢板的螺栓（铆钉）排列依据受力、 构造和施工要求, 规范规定了连接板件上螺栓和铆钉的最大和最小容许距离,除应满意此最大最小距离外,尚应充分考虑拧紧螺栓时的净空要求；第 22 页,共 83 页二、一般螺栓连接的工作性能和运算1一般螺栓的抗剪连接（ 1） 抗剪连接的工作性能图 2 螺栓抗剪连接的破环形式螺栓抗剪连接达到极限承载力时,可能的破坏形式有四种形式：当栓杆直径较小时,栓杆可能先被剪断；当栓杆直径较大时,板件较薄时, 板件可能先被挤坏,由于栓杆和板件的挤压是相对的,故也可把这种破坏叫做螺栓承压破坏；板件截面可能因螺栓孔减弱截面太多而被拉断；端距太小,端距范畴内的板件有可能被栓杆冲剪破

42、坏；第种破坏形式属于构件的强度运算；第种破坏形式由螺栓端距2d0 来保证； 因此,抗剪螺栓连接的运算只考虑第、种破破形式；（2）单个一般螺栓的抗剪承载力一般螺栓连接的抗剪承载力,应考虑螺栓杆受剪和孔壁承压两种情形；假定螺栓受剪面上的剪应力是匀称分布的,就单个抗剪螺栓的抗剪承载力设计值为式中Nb vnvd2fbn 2,四剪n =4；（1）v4n 受剪面数目,单剪n 1,双剪d螺栓杆直径（螺栓的公称直径）；b vf螺栓抗剪强度设计值；而且假定该承压面上的应力为匀称分布,就假定螺栓承压应力分布于螺栓直径平面上,单个抗剪螺栓的承压承载力设计值式为式中Nbdtfb（2）cct 在同一受力方向的承压构件的

43、较小总厚度；第 23 页,共 83 页b cf螺栓承压强度设计值；图 3 螺栓承压的运算承压面积一个螺栓抗剪承载力设计值取b N 与b N 的较小值b N min；2一般螺栓群抗剪连接运算1一般螺栓群轴心受剪螺栓群在长度方向各螺栓受力不匀称,两端大中间小；螺栓群的抗剪连接承担轴心力时,为防止端部螺栓提前破坏,当l 1l5d0 时,螺栓的抗剪和承压承载力设计值应乘以折减系数 予以降低：1 .1l103 150 dl 160d0时, =0.7；图 4 连接螺栓的内力分布螺栓群的抗剪连接承担轴心力时,可认为轴心力N 由每个螺栓平均分担,螺栓数n 为n=N（4）Nb m in2 一般螺栓群偏心受剪图

44、5 所示为螺栓群承担偏心剪力的情形,剪力 F 的作用线至螺栓群中心线的距离为 e,故螺栓群同时受到轴心力 F 和扭矩 TFe 的共同作用；在轴心力作用下可认为每个螺栓平均受力,就第 24 页,共 83 页N1F=F n图 5 螺栓群的偏心受剪螺栓群在扭矩 TFe 作用下,每个螺栓均受剪；连接的运算基于以下假设： 被连接板件为肯定刚性时,螺栓为弹性的；被连接板件绕螺栓群形心旋转,各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离 ri 成正比,其方向与连线该螺栓至形心垂直；设 O 为螺栓群栓杆截面的形心,螺栓1 距形心 O 最远,其所受剪力N1T 最大：（6）（7）T N1 =Tr 12=2 x iTr 1y

45、2（5）iri将T N1 分解为水平分力T N 1 和垂直分力T N1 yT N1 =T N1y = r 1Ty12=Ty1y2ir2 x iiT N1 =T N1x = r 1Tx12=xTx1y2 iir2 i由此可得螺栓群偏心受剪时,受力最大的螺栓l 所受合力为b Nmin（8）2 N 1 TxN1TyN1F2=Ty 1y2 i2Tx 1y2 iF22 x i2 x in当螺栓群布置在一个狭长带,y13x1 时,可取 xi=0 以简化运算,就上式为Ty 122F2b Nmin（9）yni3一般螺栓的抗拉连接（ 1） 单个一般螺栓的抗拉承载力抗拉螺栓连接在外力作用下,螺栓连接的破坏形式为栓

46、杆被拉断；单个抗拉螺栓的承载第 25 页,共 83 页力设计值为：Nb=de2tfbtfb（9）t4式中de螺栓的有效直径；取螺栓钢材抗拉强度设tfb螺栓抗拉强度设计值；为了考虑撬力的影响,规范规定一般螺栓抗拉强度设计值计值 f 的 0.8 倍（即tfb0.8 f ）；（ 2）一般螺栓群轴心受拉 图 6 所示螺栓群在轴心力作用下的抗拉连接,通常假定 每个螺栓平均受力,就连接所需螺栓数为：n=N（ 10）Nb t图 6 螺栓群承担轴心拉力式中Nb一个螺栓的抗拉承载力设计值；t（ 3）一般螺栓群在弯矩作用下受拉图 7 一般螺栓群承担弯矩图 7 所示为螺栓群在弯矩作用下的抗拉连接（剪力V 通过承托板

47、传递）；当运算其形心位置作为中和轴时,所求得的端板受压区高度 c 总是很小, 中和轴通常在弯矩指向一侧最外排螺栓邻近的某个位置；因此,实际运算时可近似地取中和轴位于最下排螺栓 O 处,即认为连接变形为绕 O 处水平轴转动,螺栓拉力与 O 点算起的纵坐标 y 成正比；N1/y1= N 2/y2= = N i/y i= = N n/y n M= N1y1+ N2y2+ + N iy i+ + N nyn= （N1/y1）2 1y + （N2/y2）2 y + + （Ni/yi）2 iy + + （Nn/yn）2 ny第 26 页,共 83 页故得螺栓 i 的拉力为：N i= My i2 iy（11

48、）设计时要求受力最大的最外排螺栓1 的拉力不超一个螺栓的抗拉承载力设计值：N1=My1/2 iy Nb（ 12）t（ 4）一般螺拴群偏心受拉由图 8a 可知,螺栓群偏心受拉相当于连接承担轴心拉力N 和弯矩 MN e 的共同作用；按弹性设计法,依据偏心距的大小可能显现小偏心受拉和大偏心受拉两种情形；图 8 螺栓群偏心受拉1）小偏心受拉小偏心情形（图 8b）,全部螺栓均承担拉力作用,端板与柱翼缘有分别趋势,故在计算时轴心拉力 N 由各螺栓匀称承担；而弯矩 M 就引起以螺栓群形心 O 处水平轴为中和轴的三角形应力分布（图 8b）,使上部螺栓受拉,下部螺栓受压；叠加后就全部螺栓均为受拉（图 84b）；

49、这样可得最大和最小受力螺栓的拉力和满意设计要求的公式如下（各 y 均自 O点算起）：2 bN max N / n Ney 1 / y 1 N t（13）2N min N / n Ney 1 / y 1 0（14）式（13）表示最大受力螺栓的拉力不超过一个螺栓的承载力设计值；式（14）就表示全2部螺栓受拉,不存在受压区；由此式可得 Nmin 0 时的偏心距 eiy /（ny1）；令 = W e= iy /（ny1）为螺栓有效截面组成的核心距,即 2e 时为小偏心受拉；nA e2）大偏心受拉第 27 页,共 83 页2当偏心距 e 较大时,即 e = iy /（ny1）时,就端板底部将显现受压区（

50、图 8c）；近似并偏安全取中和轴位于最下排螺栓 O 处,按相像步骤写对 O 处水平轴的弯矩平衡方程,可得（e 和各 y 自 O 点算起,最上排螺栓 1 的拉力最大）：/ / / /N1/ y = N2/ y = = Ni/ iy = = Nn/ y n/ / / /M= N1 1y + N2 2y + + Ni iy + + Nn y n/ / 2 / / 2 / / 2 / / 2= （N1/ y ）y 1 + （N2/ y ）y 2 + + （Ni/ iy）iy + + （ Nn/ y ）y nN1=Ney1/ iy 2N t b（15）4一般螺栓受剪力和拉力的共同作用图 9 螺栓群受剪力

51、和拉力共同作用图 9 所示连接,螺栓群承担剪力和偏心力N（即轴心拉力N 和弯矩 M=Ne）的共同作用；承担剪力和拉力共同作用的一般螺栓应考虑两种可能的破坏形式：一是螺杆受剪兼受拉破坏；二是孔壁承压破坏；螺杆运算式为式中Nv2Nt21（16）NbNbvtV 由每个螺栓平均承担,即N 一个螺栓承担的剪力设计值；一般假定剪力N =V/n； n 为螺栓个数；N 受拉力最大螺栓的拉设计值；由偏心拉力引起的螺栓最大拉力Nt仍按上述方法运算；第 28 页,共 83 页Nb、b N 一个螺栓的抗剪和抗拉承载力设计值；v孔壁承压的运算式为式中Nb cNvNb（17）c 一个螺栓孔壁承压承载力设计值；三、高强度螺

52、栓连接的工作性能和运算 1高强度螺栓连接的工作性能 高强度螺栓连接按其受力特点分为摩擦型连接和承压型连接两种类型；摩擦型连接是 依靠被连接件之间的摩擦力传递内力,并以荷载设计值引起的剪力不超过摩擦力作为设计 准就；螺栓的预拉力 P、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连 接的承载力；（1）预拉力的确定高强度螺栓的预拉力设计值P 由式（ 18）运算,并取5kN 的整数倍值；（18）P=0. 90. 90. 9Aefu 1. 2式中Ae螺栓螺纹处的有效面积；fu螺栓经热处理后的最低抗拉强度；式（ 18）中的系数考虑了以下几个因素：拧紧螺帽时螺栓同时受到由预拉力引起的拉应力和由力矩

53、引起的扭转剪应力作用；试 验说明,可取系数 1.2 考虑拧紧螺栓时扭矩对螺杆的不利影响；施工时为了补偿高强度螺栓预拉力的放松缺失,一般超张拉个超张拉系数 0.9；考虑螺栓材质的不匀称性,引进一折减系数 0.9；510,为此考虑一由于以螺栓的抗拉强度为准,为安全再引入一个附加安全系数 0.9；（2）高强度螺栓摩擦面抗滑移系数 高强度螺栓摩擦面抗滑移系数的大小与连接处构件接触面的处理方法和构件的钢号有关；试验说明,此系数值随被连接构件接触面间的压紧力减小而降低；2高强度螺栓抗剪连接的工作性能（1）高强度螺栓摩擦型连接 一个摩擦型连接高强度螺栓的抗剪承载力设计值为：第 29 页,共 83 页式中0.

54、9抗力分顶系数Nb=0.9nf P（19）vr R的倒数；nf传力摩擦面数目：单剪时,nf1；双剪时, nf 2；P一个高强度螺栓的设计预拉力； 摩擦面抗滑移系数；（2）高强度螺栓承压型连接 承压型连接受剪时,运算方法与一般螺栓连接相同,仍可用式（1）和式（ 2）运算单 个螺栓的抗剪承载力设计值,只是应采纳高强度螺栓的强度设计值；当剪切面在螺纹处时,高强度螺栓承压型连接的抗剪承载力应按螺纹处的有效截面运算；3高强度螺栓抗拉连接的工作性能运算说明, 当加于螺杆上的外拉力Nt为预拉力 P 的 80时,螺杆内的拉力增加很少,因此可认为此时螺杆的预拉力基本不变；因此,为使板件间保留肯定的压紧力,规范规

55、定,在杆轴方向受拉力的高强度螺栓摩擦型连接中,一个高强度螺栓抗拉承载力设计值取为：Nb=0.8P（20）t4高强度螺栓同时承担剪力和外拉力连接的工作性能（1）高强度螺栓摩擦型连接 一个摩擦型连接高强度螺栓同时承担剪力和外拉力作用时的承载力运算式为：NvNt121 Nb vNbt（2）高强度螺栓承压型连接同时承担剪力和杆轴方向拉力的高强度螺栓承压型连接的运算方法与一般螺栓相同,即22 Nv2Nt21 NbNbvt对于兼受剪力和杆轴方向拉力的高强度螺栓承压型连接,外,尚应按下式运算孔壁承压：除按式 （ 22）运算螺栓的强度式中NNvNb/1.2=1dtb cfcf b值；（23）c1 2.b c只

56、承担剪力时孔壁承压承载力设计值；cf b高强度螺栓承压型连接在无外拉力状态的第 30 页,共 83 页5高强度螺栓群的抗剪运算（1）轴心力作用时 高强度螺栓群抗剪连接所需螺栓数目由下式确定对摩擦型连接,对承压型连接,nN（24）Nb m inNb=0.9nf Pvb Nmin分别按式（ 1）与式（ 2）运算的较小值；当剪切面在螺纹处时式（1）中应将 d 改为 de；（2）扭矩或扭矩、剪力共同作用时 高强度螺栓群在扭矩或扭矩、剪力共同作用时的抗剪运算方法与一般螺栓群相同,但 应采纳高强度螺栓承载力设计值进行运算；6高强度螺栓群的抗拉运算 1 轴心力作用时 高强度螺栓群连接所需螺栓数目式中NbnN

57、（ 25）Nb t在杆轴方向受拉力时,一个高强度螺栓（摩擦型连接或承压型连接）的承载力t设计值；（2）高强度螺栓群因弯矩受拉认为中和轴在螺栓群的形心轴上（图 矩受拉时,最大拉力及其验算式为：10）,最外排螺栓受力最大；高强度螺栓群因弯式中N1=My1Nb（26）2 iyty1 螺栓群形心轴至螺栓的最大距离；2 iy形心轴上、下各螺栓至形心轴距离的平方和；第 31 页,共 83 页图 10 承担弯矩的高强度螺栓连接（3）高强度螺栓群偏心受拉 高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接均可按一般螺栓小偏心受拉运算,即：N1=N+NeNb（27）2 iytn（4）高强度螺栓群承担拉力、弯矩和剪力的共同作用 图

58、 11 所示为摩擦型连接高强度螺栓承担拉力、弯矩和剪力共同作用时的情形；摩擦 型连接高强度螺栓承担剪力和拉力共同作用时,一个螺栓抗剪承载力设计值也可以表达为：Nb v0.9nf （P-1.25Nt）（28）图 11 摩擦型连接高强度螺栓的应力由图 11（c）可知,每行螺栓所受拉力 度螺栓的抗剪强度Nt各不相同,故应按下式运算摩擦型连接高强式中Vn0（0.9 nf P）十 0.9nf （P-1.25Nt1） + （P-1.25Nt2） + （29）n0 受压区（包括中和轴处）的高强度螺栓数；Nt1、Nt2 受拉区高强度螺栓所承担的拉力；也可将式（ 29）写成以下形式：V0.9nf （nP-1.2

59、5 Nti）（30）第 32 页,共 83 页式中 n连接的螺栓总数； Nti螺栓承担拉力的总和；此外,螺栓最大拉力应满意：Nti0.8P 对承压型连接高强度螺栓,应按下式运算Nv2Nt21 NbNtbv同时仍应按下式验算孔壁承压：N vNbc1.2轴心受力构件设计轴心受拉构件时需进行强度和刚度的验算,设计轴心受压构件时需进行强度、整体稳固、局部稳固和刚度的验算；一、轴心受力构件的强度和刚度 1轴心受力构件的强度运算 轴心受力构件的强度是以截面的平均应力达到钢材的屈服点为承载力极限状态式中N A nf1 N构件的轴心拉力或压力设计值；A 构件的净截面面积；f 钢材的抗拉强度设计值；式中采纳高强

60、度螺栓摩擦型连接的构件,验算最外列螺栓处危急截面的强度时,按下式运算：Nf2 AnN =N10.5n 13 nn 连接一侧的高强度螺栓总数；第 33 页,共 83 页n 运算截面 最外列螺栓处 上的高强度螺栓数；0.5孔前传力系数；采纳高强度螺栓摩擦型连接的拉杆,除按式 截面强度2验算净截面强度外,仍应按下式验算毛Nf4 A2轴心受力构件的刚度运算轴心受力构件的刚度是以限制其长细比保证式中 构件的最大长细比；5 构件的容许长细比；二、 轴心受压构件的整体稳固1抱负轴心受压构件的屈曲形式抱负轴心受压构件可能以三种屈曲形式丢失稳固：弯曲屈曲 双轴对称截面构件最常见的屈曲形式；扭转屈曲 长度较小的十