钢结构课件总复习

钢结构原理中国石油大学建筑工程系总复习高福聚博士副教授绪论

钢结构的特点

钢结构的主要结构形式及其应用特点

我国钢结构的发展历史、现状和趋势钢结构研究、设计、制作和安装的相互关系钢结构的材料钢材单向均匀受拉时的力学性能钢结构对材料性能的要求影响钢结构材料性能的因素结构钢材的脆性破坏钢材的选用品种及规格钢材的选用

结构设计方法的几个阶段总安全系数的容许应力计算法三个系数的极限状态计算方法以结构极限状态为依据，多系数分析后，用单一设计安全系数的容许应力计算方法概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法结构设计方法的几个阶段总安全系数的容许应力计算法三个系数的极限状态计算方法以结构极限状态为依据，多系数分析后，用单一设计安全系数的容许应力计算方法概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法钢结构设计的规定承重结构设计均按承载能力极限状态和正常使用极限状态来进行的。计算结构或构件的强度或稳定性及连接的强度时应采用荷载的设计值计算疲劳和变形时，采用荷载的标准值其它规定：直接承受动力荷载的结构尚应考虑动力系数，按照规范进行承载能力极限状态承载能力极限状态为结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形的极限状态。承载能力极限状态应考虑荷载效应的基本组合，必要时还要考虑荷载效应的偶然组合强度、稳定性设计采用的极限状态设计表达式：式中：γ0——结构重要性系数，当安全等级为一级时γ0

＝1.1，安全等级为二级时γ0

＝1.0，安全等级为三级时γ0

＝0.9，安全等级按照重要性程度不同而区分，见有关标准、规范；

σGd——永久荷载设计值在结构构件中或连接中产生的应力，

σQ1d——第i个可变荷载设计值在结构构件或连接中的应力，

Ψc——荷载组合系数；

f——结构构件或连接的强度设计值。正常使用极限状态正常使用极限状态为结构或构件达到正常使用（变形或耐久性能）的某项规定限值的极限状态。其表示式为：式中：wGi——永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形；

wQ1k——第一个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形；

wQik——第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形；[w]——结构或构件的容许变形值。梁以容许挠度表示。钢结构的连接方法连接方法优点缺点焊接对几何形体适应性强，构造简单，省材省工，易于自动化，工效高对材质要求高，焊接程序严格，质量检验工作量大铆接传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好费钢、费工普通螺栓连接装卸便利，设备简单螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大高强螺栓连接加工方便，对结构削弱少，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高射钉、自攻螺栓连接灵活，安装方便，构件无须予先处理，适用于轻钢、薄板结构不能受较大集中力端缝、侧缝在轴向力作用下的计算（1）端缝

σf——垂直于焊缝长度方向的应力；he

——角焊缝有效厚度；

lw——角焊缝计算长度，每条角焊缝取实际长度减2t（每端减t）；

ffw——角焊缝强度设计值；

f——系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，

f

=1.22；

直接承受动力荷载

f

=1.0。（2）侧缝

f

——沿焊缝长度方向的剪应力。角钢杆件与节点板连接，承受轴向力N（1）角钢用两面侧焊缝与节点板连接的焊缝计算角钢类型肢背k1肢尖k2等肢角钢0.70.3不等肢角钢短边连接0.750.25不等肢角钢长边连接0.650.35N1、N2——分别为角钢肢背和肢尖传递的内力。k1、

k2——焊缝内力分配系数；（2）角钢用三面围焊与节点板连接的焊缝计算端部正面角焊缝能传递的内力为：端部：肢背：肢尖：（3）角钢用“L”型焊缝与节点板连接的焊缝计算由N2

=0得：弯矩、剪力、轴力共同作用下的顶接连接角焊缝弯矩M作用下，x方向应力

剪力V作用下，y方向应力轴力N作用下，x方向应力

如果只承受上述M、N、V的某一、两种荷载时，只取其相应的应力进行验算牛腿在弯矩、剪力共同作用下的角焊缝连接计算M＝Ve翼缘竖向刚度较差，不能承受剪力，所以全部剪力均由竖向焊缝承受，弯矩由翼缘与腹板角焊缝共同承受。扭矩、剪力、轴力共同作用下的搭接连接角焊缝扭矩T作用下各点应力计算（以A点为例）：IT=Ix+Iy为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，rx、ry为焊缝角点到焊缝形心的坐标距离。V作用下A点N作用下A点注意计算时需判断应力最大点！螺栓的排列和构造要求受力要求构造要求施工要求螺孔中距限制端距限制——防止孔端钢板剪断，≥2d0螺孔中距限制下限：防止孔间板破裂，≥3d0上限：防止板间翘曲防止板翘曲后浸入潮气而腐蚀，限制螺孔中矩最大值为便于拧紧螺栓，留适当间距（不同的工具有不同要求）钢板上的螺栓容许间距名称位置和方向最大容许间距（取两者的较小值）最小容许间距中心间距任意方向外排8d0或12t3d0中间排构件受压力12d0或18t构件受拉力16d0或24t中心至构件边缘距离顺内力方向4d0或8t2d0垂直内力方向切割边1.5d0轧制边高强度螺栓其他螺栓1.2d0注：1.d0为螺栓孔径，t为外层较薄板件厚度；2.钢板边缘与刚性构件（如角钢、槽钢等）相连的螺栓最大间距，可按中间排数值采用。螺栓排列方式抗拉螺栓连接抗拉螺栓连接中，外力趋向于将被连接构件拉开，而使螺栓受拉，最后螺栓杆被拉断。在采用螺栓的T形连接中，必需借助附件（角钢）才能实现。通常角钢的刚度不大，受拉后垂直于拉力作用方向的角钢肢会发生较大的变形，并起杠杆作用，在该肢外侧端部产生撬力Q。螺杆实际所受拉力为Pf=P+Q确定Q比较复杂，在计算中对普通螺栓连接，一般不计Q力，而采用降低螺栓强度设计值的办法解决如果在构造上采取一些措施加强角钢刚度，可以使其不致产生Q力，或虽产生Q力但是甚小，例如在角钢两肢间设置加劲肋（b），就是增大角钢刚度的一种有效的办法。单个螺栓的承载能力设计值，采用规范7.2.1～7计算。对于抗剪螺栓的设计值应取受剪和承压承载力设计值中的较小者。即对于同时承受剪力和拉力的普通螺栓，应同时验算剪力和拉力联合作用、以及孔壁承压两种情况。螺栓群的计算剪力螺栓群受力通过形心时的计算当外力通过螺栓群形心时，所需要的螺栓数目为：在构件节点处或拼接接头的一端，当螺栓沿受力方向的连接长度l1>15d0时，应将螺栓的承载力设计值乘以折减系数当l1>60d0

时，折减系数为0.7，d0为孔径由于螺栓孔削弱了构件截面，因此在排列好所需的螺栓后，还需验算构件的净截面强度：当螺栓并列布置时，当螺栓错列布置时，构件有可能沿I－I或Ⅱ－Ⅱ截面破坏，Ⅱ－Ⅱ的净截面积可近似地取为：取I－I和II－II截面之较小值，验算构件的净截面强度。螺栓群在通过其形心的剪力V和轴力N作用下，每个螺栓受力为剪力螺栓群在扭矩、剪力和轴力

共同作用下的计算螺栓群在力矩作M用下，每个螺栓实际受剪。计算假定连接构件是绝对刚性的，螺栓是弹性的，则所有螺栓都绕螺栓群形心旋转，其受力大小与到螺栓群形心的距离成正比，方向与螺栓到形心的直线垂直。由图可以看出，螺栓1的受力N1xM和N1yM

与由于N和V所产生的N1xN和N1yN同方向，因此该螺栓受力最大，其合力为：当螺栓群布置在一个狭长带时，上式可以稍作简化。如果x1＞3y1时，可假定所有y=0；如果y1＞3x1时，可假定所有x=0。剪、拉螺栓群计算

（剪力由螺栓抗剪承受，无抗剪块）

力矩M和轴力N共同作用下的螺栓群，其受力情况有两种:力矩M较小时（b）和力矩M较大（c）时。a）当力短M较小时，构件B绕螺栓群形心O转动（b），可得底排和顶排螺栓的受力：当计算得到的Nmin≥0时，说明所有螺栓均受拉，构件B绕螺栓群形心转动由计算得到的Nmax必须满足强度条件：b）当力矩较大，如果计算得的Nmin＜0时，说明连接下部受压。这时，构件B绕底排螺栓转动，应对底排螺栓取矩，顶排螺栓受力为：式中，e——轴向力到螺栓转动中心（即最下一排螺栓）的距离。拉力螺栓群计算（螺栓群受拉、弯，剪力用抗剪块或支托抵抗）对于粗制螺栓，一般不容许受剪（承受静载的次要连接或临时安装连接除外）。此时可设支托承受剪力，螺栓只受力矩和轴力引起的拉力，按照前述方法计算。当必须由螺栓同时承受剪力和拉力时，以采用精制螺栓为宜，此时可不设支托，而由螺栓承受剪力V。每个螺栓的剪力为：螺栓的最大拉力计算如前，然后由下式核算强度：此处高强度螺栓连接的构造高强度螺栓连接有摩擦型和承压型两种，高强度螺栓用高强度钢制成。高强度螺栓连接与普通螺栓连接的主要区别在于：普通螺栓连接在抗剪时依靠螺杆杆身承压和抗剪来传递剪力，在拧紧螺帽时虽有预加拉力，但是很小，其影响可以忽略不计。高强度螺栓除材料强度高之外，还给螺栓施加很大的预拉力，使被连接构件的接触之间产生挤压力。因而，垂直于螺栓杆的方向有很大摩擦力。这种挤压力和摩擦力对外力的传递有很大影响。预拉力、抗滑移系数和钢材种类都直接影响到高强度螺栓连接的承载力。高强度螺栓连接传力机理净截面强度计算公式：通过以上分析，在高强度螺栓连接中，开孔对构件截面削弱影响较普通螺栓为小。设连接一侧的螺栓数目为n，所计算截面（最外列螺栓处）上的螺栓数目为n1，则构件净截面所受力为：轴压杆件的弹性微分方程轴压杆件的弹性微分方程为：式中：N——轴心压力；Ix

、Iy

——对主轴x-x和y-y的惯性矩；Iω

——扇性惯性矩；其中ω

为以扭转中心为极的扇性坐标It——截面的抗扭常数；u、v、θ

——构件剪力中心轴的三个初始位移分量，即考虑初弯曲和初扭曲等初始缺陷；x0、y0

——剪力中心坐标；σr

——截面上的残余应力，以拉应力为正。根据杆件的对称与否可分为：双轴对称截面的弯曲失稳和扭转失稳单轴对称截面的弯曲失稳和扭转失稳不对称截面的弯曲失稳和扭转失稳轴压杆整体失稳的三种形式截面的初步选择设计截面时，首先要根据使用要求和上述原则选择截面形式，确定钢号，然后根据轴力设计值N

和两个主轴方向的计算长度（l0x和l0y）初步选定截面尺寸。具体步骤如下：假定柱的长细比λ稳定系数φ截面两个主轴方向所需回转半径根据构造要求、局部稳定和钢材规格等条件，确定截面所有其余尺寸α1、α2

分别为系数，表示h、b1

和回转半径

ix、iy间的近似数值关系。例如，由三块钢板组成的工字形截面，有α1

＝0.43，α2＝0.24一般在60～100范围内，当轴力大而计算长度小时，λ取较小值，反之取较大值。如轴力很小，λ可取容许长细比。根据λ及截面分类查表截面验算强度验算整体稳定验算局部稳定验算刚度验算

截面验算强度验算整体稳定验算局部稳定验算刚度验算强度验算公式为N

――轴心压力设计值；An

――压杆的净截面面积；f

――钢材的抗压强度设计值。当轴心压杆与其他杆件连接采用螺栓或高强度螺栓时，连接处的强度验算应按有关公式进行整体稳定验算公式为验算整体稳定时，应对截面的两个主轴方向进行验算局部稳定验算应根据截面形式按轴心受压实腹构件宽厚比限值进行。刚度验算公式为式中[λ]――容许长细比。压杆长细比过大在杆件运输、安装和使用过程中易变形，需加以限制。构造规定当实腹柱的腹板计算高度h0

与tw

厚度之比大于80时，应设置成对的横向加劲肋。横向加劲肋的作用是防止腹板在施工和运输过程中发生变形，并可提高柱的抗扭刚度。横向加劲肋的间距不得大于3h0

，外伸宽度bs不小于h0/30+40cm，厚度tw

应不小于bs/15。当实腹柱的腹板因宽厚比大于限值而采用纵向加劲肋加强时，纵向加劲肋应成对配置，一侧外伸宽度不应小于10tw，厚度不应小于0.75tw除工字形截面外，其余截面的实腹柱应在受有较大水平力处、在运输单元的端部以及其它需要处设置横隔。横隔的中距不得大于柱截面较大宽度的9倍，也不得大于8m。轴心受压实腹柱的纵向焊缝（如工字形截面柱中翼缘与腹板的连接焊缝）受力很小，不必计算，可按构造要求确定焊脚尺寸。格构式轴心受压构件轴心受压格构柱的设计包括以下一些主要内容：截面选择强度验算整体稳定验算单肢验算刚度计算缀条或缀板设计连接节点设计柱脚设计本节主要介绍前六项内容。截面形式截面选择轴心受格构柱一般采用双轴对称对称截面。常用的截面形式是用两根槽钢或工字钢作为肢件（a～c），有时也采用四个角钢或三个圆管作为肢件（d、e）。格构柱的优点是肢件间的距离可以调整，能使构件对两个主轴的稳定性相等。工字钢作为肢件的截面一般用于受力较大的构件。用四个角钢作肢件的截面形式往往用于受力较小而长细比较大的构件。肢件采用槽钢时，宜采用a的形式，在轮廓尺寸相同的情况下，可得到较大的惯性矩Ix，比较经济而且外观平整，便于和其他构件连接。肢件采用槽钢时，宜采用a的形式，在轮廓尺寸相同的情况下，可得到较大的惯性矩Ix，比较经济而且外观平整，便于和其他构件连接。缀条式格构柱常采用角钢作为缀条缀条可布置成不带横杆的三角形体系或带横杆的三角形体系缀板式格构柱常采用钢板作为缀板轴心受压柱脚的计算底板的计算底板与基础之间接触面上的压应力可假定是均匀分布的，底板长度L和宽度B按下式确定式中：N――柱的轴心压力；fce――基础所用钢筋混凝土的局部承压强度设计值；A0――锚栓孔的面积。底板的厚度由底板在基础的反力作用下产生的弯矩计算决定。靴梁、肋板、隔板和柱的端面等均可作为底板的支承边，将底板分成几块各种支承形式的区格，其中有四边支承、三边支承、两相邻边支承和一边支承（如图b、d）。

梁的截面翼缘腹板焊缝截面初选设计资料1.腹板2.翼缘3.焊缝高度厚度hmaxhminhe由设计资料和使用要求确定由控制挠度确定或hmin≤h≈he≤hmax1.抗剪要求2.经验公式1.强度要求2.稳定要求先假设φb=0.9通常翼缘焊缝为双面角焊缝在集中荷载作用处，一般设置支承加劲肋，所以不考虑翼缘焊缝传递集中荷载。截面验算梁的设计内容1.梁的跨度2.支承情况3.荷载：类型、位置、数值4.材料：Q235BorQ345B5.设计要求：最大高度最小高度→挠度控制截面验算强度验算刚度验算整体稳定验算局部稳定验算截面整体强度腹板抗剪强度挠度v≤[v]翼缘：l1/b1=?φb≤0.6?Ifnot，?腹板：h0/tw=?加劲肋配置、设计腹板区格局部稳定验算h0/twh0/tw≤80有局部压应力σc≠0应按构造配置横向加劲肋有局部压应力σc＝0可不配置加劲肋80＜h0/tw应配置横向加劲肋170＜h0/tw≤250受压翼缘扭转受到约束，如连有刚性铺板、制动板或焊有钢轨时增加配置纵向加劲肋按计算需要时，弯曲应力较大的区格的受压区150＜h0/tw≤250受压翼缘扭转未受到约束时局部压应力很大的梁尚宜在受压区配置短加劲肋支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处宜配置支承加劲肋加劲肋设计最小间距为0.5h0，最大间距为2h0横向加劲肋外伸宽度在腹板的一侧配置的钢板横向加劲肋，其外伸宽度应大于按上述公式算得的1.2倍，厚度应不小于其外伸宽度的1/15。

纵向加劲肋当时，当时，当加劲肋在两侧成对配置时，取腹板的轴线（上图b、d、e）；当加劲肋在腹板的一侧配置时，取与加劲肋相连的腹板边缘线（上图c、f、g）。厚度短向加劲肋最小间距为0.75h1，钢板短向加劲肋的外伸宽度应取横向加劲肋外伸宽度的0.7~1.0倍，厚度不应小于短加劲肋外伸宽度的1/15。

短向加劲肋横向加劲肋与上下翼缘焊牢能增加梁的抗扭刚度，但会降低疲劳强度。吊车梁横向加劲肋的上端应与上翼缘刨平顶紧（当为焊接吊车梁时，并应焊牢）。中间横向加劲肋的下端不应与受拉翼缘焊牢，一般在距受拉翼缘50~100mm处断开。为了提高梁的抗扭刚度，也可另加短角钢与加劲肋下端焊牢，但抵紧于受拉翼缘而不焊为了避免焊缝的集中和交叉以及减小焊接应力，焊接梁的横向加劲肋于翼缘连接处，应做成切角，当切成斜角时，其宽度约为bs/3（但不大于40mm），高约为bs/2(但不大于60mm)，bs为加劲肋的宽度。支承加劲肋除满足上述刚度要求外，还应按所承受的支座反力或集中荷载计算其稳定性、断面承压强度和焊缝强度压弯构件截面极限强度相关曲线绘出的阴影部分是工字形截面通常尺寸比例情况下的N、M

关系曲线的范围。从图中可以看出，曲线均呈凸形。对于其他形式的截面也是如此。因此在设计中为了简化，可以偏安全地采用直线关系式，即图中的虚线，（2）（1）比较式（1）和式（2）可以看出，两者都是直线关系式，差别仅在于第二项。在式（1）中因在弹性阶段，用的是截面的弹性抵抗矩W而在式（2）中因在全塑性阶段，用的则是截面的塑性抵抗矩Wp

因此介于弹性和全塑性阶段之间的弹塑性阶段也可以采用直线关系式（3）

截面塑性发展系数，其值与塑性区的深度有关。γ

＝1时，即为式（1）时，即为式（2）因此可将式（3）作为通式使用。

规范规定的平面内稳定实用计算公式规范规定的实用计算公式为式中：N、M——轴心压力和弯矩；A——截面面积；W1——弯矩作用平面内截面的最大受压纤维的毛截面抵抗矩；NEx——欧拉临界力；φx——构件在弯矩作用平面内的轴心受压稳定系数。对于实腹式压弯构件，由于在达到稳定极限承载力时，截面上可