钢结构教案修改

项目1绪论任务1钢结构的特点1轻质高强、质地均匀同时塑性及韧性好。钢与混凝土、木材相比，虽然质量密度较大，但其屈服点较混凝土和木材要高得多，其质量密度与屈服点的比值相对较低。在承载力相同的条件下，钢结构与钢筋混凝土结构、木结构相比，构件截面较小而且壁薄，重量较轻，便于运输和安装；但是由于构件截面较小而且壁薄，虽然强度可以满足要求，但是当构件受压时，很容易发生整体或局部失去稳定性，且容易变形，所以为了充分发挥钢结构的高强度这一特点，钢结构一般用于跨度大，高度高，承载比较大的结构中。塑性好，一般钢结构不会因超载突然断裂，首先会发生变形，而这样的变形易于发现，可以及时的采取措施来补强构件的。这样减缓了构件的破坏。韧性好：比较适合承受动力菏载，因此在地震多发地带使用钢结构是很有利的。注意：查屈服点的概念：屈服点（yieldpoint）

钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。钢材质地均匀，各向同性，弹性模量大，有良好的塑性和韧性，为理想的弹塑性体，完全符合目前所采用的计算方法和基本理论。

2生产、安装工业化程度高，施工周期短钢结构生产具备成批大件生产和高度准确性的特点，可以采用工厂制作、工地安装的施工方法，所以其生产作业面多，可缩短施工周期，进而为降低造价、提高效益创造条件。3密闭性能好由于焊接结构可以做到完全密封，一些要求气密性和水密性好的高压容器、大型油库、气柜、管道等板壳结构都采用钢结构。4抗震及抗动力荷载性能好钢结构因自重轻、质地均匀，具有较好的延性，因而抗震及抗动力荷载性能好。5具有一定的耐热性温度在250℃以内，钢的性质变化很小，温度达到300℃以上，强度逐渐下降，达到450～650℃时，强度降为零。因此，钢结构可用于温度不高于6钢结构抗腐蚀性较差钢结构的最大缺点是易于锈蚀。新建造的钢结构一般都需仔细除锈、镀锌或刷涂料。以后隔一定时间又要重新刷涂料，维护费用较高。目前国内外正在发展不易锈蚀的耐候钢，可大量节省维护费用，但还未能广泛采用。任务2钢结构计算原理情境1概述钢结构设计过程：根据建筑布局确定结构方案荷载计算内力分析选定材料及规格构件及连接验算精确计算的要求就是上述每一步都是很准确的，但事实上是很困难的。主要问题在于：

·计算模型与实际结构有一定的差距

·计算尺寸与实际尺寸有一定差距

·计算荷载与实际荷载有一定差距此外，材料性能、施工质量等变化也较大。因此上述影响结构功能的诸因素都具有不确定性，是随机的。因此，在设计中如何恰当的考虑这些因素的变动规律，就形成了结构设计方法的几个阶段。结构计算的目的在于保证所设计的结构和结构构件在施工和工作过程中能满足预期的安全性和使用性要求。

1、总安全系数的容许应力计算法时间：建国初到1957年以前方法：把钢材可以使用的最大强度，除以一个笼统的安全系数作为结构设计计算时构件容许达到的最大应力，即允许应力法。容许应力

式中：N——构件的内力；S——截面几何特性；σs——钢材屈服强度；K——大于1的总安全系数，用以考虑各种不确定性，一般可以通过工程经验取值；σ——构件的计算应力。

优点：简单、明确。

缺点：太笼统。不能定量的计算结构的可靠度，只能是通过经验定性的分析结构的可靠度。各构件的可靠程度各不相同，而整个结构取决于可靠度最小的构件。

2、三个系数的极限状态计算方法时间：1957年～1974年

方法：根据结构使用上的要求，在结构中规定两种使用极限状态，即承载能力的极限状态和变形极限状态。同时引入三个系数，即以超载系数考虑荷载可能的变动；以材料均质系数考虑材料性质的不一致性；以工作条件系数考虑结构及构件的工作特点以及某些假定的计算图式与实际情况不完全相符等因素。

优点：比较细致，特别是荷载与材料强度取值上分别部分地考虑了概率原则；

缺点：某些系数的确定有时缺乏客观依据和科学方法。

3、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时间：1974年～1988年原理：首先考虑荷载和材料强度的不确定性，用概率法确定其取值；同时根据经验确定分项安全系数，但是仍然没有把结构的可靠度与概率联系起来，因此又称为半概率法。方法：以结构极限状态（强度、稳定、疲劳、变形等）为依据，对影响结构安全度的诸因素以数理统计，并结合工作实践经验进行分析。其实质是半概率、半经验的极限状态计算方法。

式中：——根据标准荷载与构件截面公称尺寸计算的应力；

——屈服强度标准值；、、——分别为荷载系数、材料系数和调整系数。构件应力

式中：——安全系数；——钢材的允许应力。如[TJ17-74]规范中：A3：=240N/mm2=1.23=1.143=1.0

优点：对结构可靠性的处理有所改进。

缺点：对荷载、材料性能等的处理都取一个经验定值，因为这对结构可靠度的研究仅处于以经验为基础的定性分析阶段。

4、概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法事实上，由荷载引起的结构内力（称为荷载效应S），结构或构件的承载力或抵抗变形能力（称为结构抗力R）均受各种偶然因素的影响，是随时间和空间变动的随机变量，所以钢结构设计规范（GBJ17-88）采用以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法。

虽然已经采用了这样的概率设计法，但由于在分析中忽略和简化了基本变量随时间变化的关系，所以确定基本变量分布时有相当程度的近似性，且进行了线性化简化计算，所以只能算是一种近似的概率设计法。缺点：对荷载、材料性能等的处理都取一个经验定值，因为这对结构可靠度的研究仅处于以经验为基础的定性分析阶段。情境2结构概率设计法对结构设计中需要考虑的多种非确定性因素，如荷载、材料性能等，运用概率论和数理统计的方法来寻找它们的规律性，从而进行结构设计，这就是结构概率设计法。荷载效应S：取决于各种荷载（恒载、活载、风、地震作用，温度变化等）。结构或构件的承载力或抗力R：取决于材料、构件的几何特性等。

设结构状态方程：

当时，结构可靠；

当时，结构失效；

当

时，结构或构件承载能力处于极限状态。结构可靠度：结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。若以表示结构的可靠度，则：失效概率：结构处于失效状态的概率，以表示，则有：

，且结构是否可靠就看结构可靠度是否足够大或其失效概率是否小到可以接受的程度。对于一个结构状态方程，其平均值与其标准差的比值，称为结构或构件的可靠度指标。与有确定的对应关系，增大，减小，而对于结构来说容易确定得多。（图）三、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。（一）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：——结构重要性系数，当安全等级为一级时，安全等级为二级时，安全等级为三级时，安全等级按照重要性程度不同而区分，见有关标准、规范；——永久荷载设计值在结构构件中或连接中产生的应力，，为标准值，为分项系数，一般取1.2，当永久荷载效应对结构有利时取1.0；——第i个可变荷载设计值在结构构件或连接中的应力，，为第i个可变荷载标准值，为分项系数，一般取1.4；——荷载组合系数；——结构构件或连接的强度设计值，，为材料强度标准值，抗力分项系数。（二）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：——永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形；——第一个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形；——第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形；——结构或构件的容许变形值。梁以容许挠度表示。任务3结构形式及应用1.框架1）单层单跨框架2）单层多跨框架

3）多层单跨框架4）多层多跨框架

2.桁架1）平面桁架2）空间桁架

3.拱架4.索5.壳体任务4我国钢结构发展的历史、现状和趋势钢结构是由生铁结构逐步发展起来的，中国是最早用铁制造承重结构的国家。远在秦始皇时代（公元前二百多年），就有了用铁建造的桥墩。以后在深山峡谷上建造铁链悬桥、铁塔等，这些表明我国古代建筑和冶金技术方面的高度水平。中国古代在金属结构方面虽有卓越的成就，但由于受到内部的束缚和外部的侵略，相当一段时间内发展较为缓慢。即使这样，我国工程师和工人仍有不少优秀设计和创造，如1927年建成的沈阳黄姑屯机车厂钢结构厂房，1928～1931年建成的广州中心纪念堂圆屋顶，1934～1937年建成的杭州钱塘江大桥等。20世纪50年代后，钢结构的设计、制造、安装水平有了很大提高，建成了大量钢结构工程，有些在规模上和技术上已达到世界先进水平。如采用大跨度网架结构的首都体育馆、上海体育馆、深圳体育馆，大跨度三角拱形式的西安秦始皇陵兵马俑陈列馆，悬索结构的北京工人体育馆、浙江体育馆，高耸结构中的200m高广州广播电视塔、210m高上海广播电视塔、194m高南京跨江线路塔、325m高北京气象桅杆等，板壳结构中有效容积达54000m3近期，随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术的迅猛发展，各地建成了大量的高层钢结构建筑、轻钢结构、高耸结构、市政设施等。如：位于上海浦东、420.5m高、88层、总建筑面积达28.7万m2的金贸大厦；总建筑面积达20万m2的上海浦东国际机场；主体建筑东西跨度288.4m、南北跨度274.7m、建筑高度70.6m、可容纳8万名观众的上海体育场；336m高、建于哈尔滨的黑龙江广播电视塔以及横跨黄浦江的南浦大桥、杨浦大桥等等。任务5钢结构的研究、设计、制造、安装、使用的相互关系钢结构的研究、设计、制造、安装及使用是一个有机的体系，各方面之间存在相辅相成的关系。1.使用的需求是钢结构发展的内在动力。钢结构具有工业化程度高、施工速度快等优点，因而更适合于运行节奏快、劳动力价格不断提高的现代社会。钢结构自重轻，因而特别适合于大跨度建筑或活载占比例较小的建筑结构，在这种条件下应用钢结构能充分体现其在经济方面的优越性。钢结构自重轻，有较好的柔性，因而在软土地基或地震区使用钢结构就显得更为合理。也就是说，钢结构的发展有其内在的社会和经济原因。从我国建筑业的现状来看，目前正处在钢结构快速发展的前期，钢结构的使用促进了钢结构的研究、设计、制造和安装技术的发展。2.钢结构的研究课题源于工程实践，其目的是要在一定概率意义上确保工程的安全并求得最佳的经济效益。目前钢结构的研究主要在以下几个方面进行：（1）新型钢结构建筑体系的研究：如轻钢结构体系的研究、网架结构体系的研究等。这是一类综合性的研究，涉及主体结构、节点、配套材料及施工工艺。这些研究成果可直接转换为社会生产力。（2）结构计算理论的研究：目前对于一般的钢结构计算问题已有成熟的计算方法。但对于某些特殊结构形态及荷载条件下的结构体系、构件、节点则还要进行深入的分析，这主要是动力问题、非线性问题、稳定问题和疲劳问题的研究。研究的成果用于指导设计规范的编制。目前钢结构理论研究的一个主要特点是往往同时伴随着计算软件的研究和开发。这使得研究成果可以直接为设计人员使用。（3）结构构件或节点的试验研究：试验研究的作用一是可以验证理论研究结果的正确性，二是可以发现并进一步阐明某些复杂结构的特殊受力现象，从而为理论研究和规范编制提供依据。这对于形态和受力较为复杂的节点研究特别有效，是理论研究不能替代的。（4）制造工艺和安装方法的研究：钢结构的建造离不开良好的制造和安装技术。随着钢结构使用条件的变化，新的设计、材料、构造形式层出不穷。为此要进行大量理论和实践的研究工作，从研制新的设备、制定制造和安装工艺标准、直到培训施工技术人员。3.钢结构的设计包括选择结构类型和材料：计算结构的强度、刚度和稳定；确定合理的构造形式和具体参数。钢结构的设计依据大量的理论研究和试验研究工作；钢结构的设计还必须密切配合制造和安装工艺。按国际惯例，钢结构的设计具体可分为技术设计和施工大样图设计两个阶段。技术设计要确定结构的形式和材料、结构各部分截面参数及连接方式。技术设计由专门的设计单位完成。施工大样图设计是在技术设计的指导下，根据加工及安装要求将钢结构分解成单个构件，分别画出其大样图，并注明其加工步骤和工艺要求。这一工作一般由钢结构制造厂的技术人员完成。4.钢结构的制造必须遵循设计和相应的规范及技术标准。钢结构制造的前期准备包括材料准备和技术准备。制造的工序有校正、放样、下料、切割、钻孔、组装、焊接、整形、表面处理、包装等。每一道工序均有一定的检测方法，并要求达到规定的标准，从而确保钢结构组装的最终质量。钢结构的制造除了满足设计要求外，还须满足运输和安装条件。要根据运输条件和安装起吊能力来限定构件的大小和重量；要根据安装方法及防腐蚀处理方法确定节点连接的方式，构造要求及实施步骤。5.钢结构的安装包括安装方案的确定、安装实施过程及安装质量的检验。安装方案的确立既要考虑结构特征和现有的设备状况，也要考虑安全性。凡是利用结构本身作为安装支托的一定要经设计审核，并要考虑设备安装、使用和拆卸全过程。在选择方案时，经济性和设备的先进性应该兼顾，要从安装工作的实际效率和安全性出发作出适当的选择。钢结构的安装应该严格按规范和有关标准进行，逐个构件逐段地控制质量，一丝不苟地做好安全保障和设备保障。钢结构安装质量检验主要是确保结构外形的准确和连接的可靠。外形的准确是指整体和局部的误差均应控制在规范许可范围之内。连接的可靠是指螺栓的穿孔率、紧固程度，设计贴合面的密合度，现场焊缝的质量等均应达到规范规定的标准。项目2钢结构材料任务1钢材单向均匀受拉时的力学性能钢材在均匀受拉时的工作性能用单向均匀静力拉伸试验的荷载—变形曲线或应力-应变曲线来表示。图中横坐标为试件的伸长Δl或应变ε，纵坐标为荷载N或应力σ。从下面动态曲线中，可以把钢材的工作性能分为几个阶段。钢结构对材料性能的要求钢结构对材料性能的要求是多方面的，使用时必须全面的衡量，慎重地选择合适的材料。钢材材性主要有：1、强度体现了材料的承载能力，主要指标有屈服点fy和抗拉强度fu，通过静力拉伸试验得到。屈服点为设计时钢材可达到的最大应力。抗拉强度fu是钢材破坏前能够承受的最大应力。钢材达到fu时，已产生很大塑性变形而失去使用性能，但fu高则可以增加结构的安全保障，故fu/fy的值可看作钢材强度储备系数。2、塑性：

钢材的塑性为当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用伸长率d和断面收缩率y表示。通过静力拉伸试验得到。伸长率d根据试件原标距长度l0与试件中间部分的直径d0的比值为10或5而分为d10或d5，为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百分率。式中：

l1——为试件拉断后标距间长度。断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率。式中：A0——试件原来的断面面积；A1——试件拉断后颈缩区的断面面积；

结构或构件在受力时（尤其承受动力荷载时）材料塑性好坏往往决定了结构3、韧性：钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力，它是强度与塑性的综合表现。钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功来表示。

式中：

ak——冲击韧性值；

Ak——冲击功；

An——试件缺口处的净截面积。钢结构设计规范对钢材的冲击韧性ak有常温和负温要求的规定。选用钢材时，根据结构的使用情况和要求提出相应温度的冲击韧性指标要求。4、可焊性：钢材的可焊性是指在一定工艺和结构条件下，钢材经过焊接能够获得良好的焊接接头的性能。可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。施工上的可焊性指对产生裂纹的敏感性，使用性能上的可焊性是指焊接构件在焊接后的力学性能是否低于母材。5、冷弯性：冷弯性能是指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。冷弯性能用试验方法来检验钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能，检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面是否有裂纹、裂断和分层。6、耐久性耐久性需要考虑的有：耐腐蚀性、“时效”现象、疲劳现象等。

时效：随着时间的增长，钢材的力学性能有所改变。

疲劳：多次反复荷载作用下，钢材低于屈服点fy发生的破坏。7、Z向伸缩率当钢材较厚时，或承受沿厚度方向的拉力时，要求钢材具有板厚方向的收缩率要求，以防厚度方向的分层、撕裂。任务3影响钢材力学性能的因素影响钢材力学性能的因素有：1、化学成分2、冶金和轧制过程3、时效4、冷作硬化5、温度6、应力集中和残余应力7、复杂应力状态一、化学成分：钢的基本元素为铁（Fe），普通碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等杂质元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总含量约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。碳：除铁以外最主要的元素。碳含量增加，使钢材强度提高，塑性、韧性，特别是低温冲击韧性下降，同时耐腐蚀性、疲劳强度和冷弯性能也显著下降，恶化钢材可焊性，增加低温脆断的危险性。一般建筑用钢要求含碳量在0.22%以下，焊接结构中应限制在0.20%以下。硅：作为脱氧剂加入普通碳素钢。适量硅可提高钢材的强度，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性无显著的不良影响。一般镇静钢的含硅量为0.10%～0.30%，含量过高（达1%），会降低钢材塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。锰：是一种弱脱氧剂。适量的锰可有效提高钢材强度，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向，同时不显著降低钢材的塑性、冲击韧性。普通碳素钢中锰的含量约为0.3%～0.8%。含量过高（达1.0%～1.5%以上）使钢材变脆变硬，并降低钢材的抗锈性和可焊性。硫：有害元素。引起钢材热脆，降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。一般建筑用钢含硫量要求不超过0.055%，在焊接结构中应不超过0.050%。磷：有害元素。虽可提高强度、抗锈性，但严重降低塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，尤其低温时发生冷脆，含量需严格控制，一般不超过0.050%，焊接结构中不超过0.045%。氧：有害元素。引起热脆。一般要求含量小于0.05%。氮：能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性、可焊性和冷弯性能，增加时效倾向和冷脆性。一般要求含量小于0.008%。为改善钢材力学性能，可适量增加锰、硅含量，还可掺入一定数量的铬、镍、铜、钒、钛、铌等合金元素，炼成合金钢。钢结构常用合金钢中合金元素含量较少，称为普通低合金钢。二、冶金和轧制过程：按炉种分：结构用钢我国主要有三种冶炼方法：碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法、碱性侧吹转炉炼钢法。平炉钢和顶吹转炉钢的力学性能指标较接近，而碱性侧吹转炉钢的冲击韧性、可焊性、时效性、冷脆性、抗锈性能等都较差，故这种炼钢法已逐步淘汰。按脱氧程度分：沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。沸腾钢脱氧程度低，氧、氮和一氧化碳气体从钢液中逸出，形成钢液的沸腾。沸腾钢的时效、韧性、可焊性较差，容易发生时效和变脆，但产量较高、成本较低；半镇静钢脱氧程度较高些，上述性能都略好；而镇静钢的脱氧程度最高，性能最好，但产量较低，成本较高。三、其他因素：（一）时效：随着时间的增长，纯铁体中残留的碳、氧固溶物质逐步析出，形成自由的碳化物或氧化物微粒，约束纯铁体的塑性变形，此为时效。时效将提高钢材的强度，降低塑性、韧性。时效的过程可从几天到几十年。（二）冷作硬化钢结构在冷加工过程中引起的强度提高称为冷作硬化。冷加工包括：剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等。（三）温度一般情况下，温度升高，钢材力学性能变化不大。温度达250°C左右时，钢材抗拉强度提高，塑性、韧性下降，表面氧化膜呈蓝色温度超过300°C以后，屈服点和极限强度显著下降，达到温度从常温下降到一定值，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件断口属脆性破坏，这种现象称为冷脆现象。钢材由韧性状态向脆性状态转变的温度叫冷脆转变温度。（四）应力集中和残余应力钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应力，此谓应力集中现象。应力集中越严重，钢材塑性越差。

应力集中动画残余应力为钢材在冶炼、轧制、焊接、冷加工等过程中，由于不均匀的冷却、组织构造的变化而在钢材内部产生的不均匀的应力。残余应力在构件内部自相平衡而与外力无关。残余应力的存在易使钢材发生脆性破坏。（五）复杂应力状态（图）钢材在单向应力作用下，当应力达到屈服点fy时，钢材屈服而进入塑性状态。当钢材处于复杂应力作用下（平面应力或立体应力），按能量强度理论（第四强度理论），以折算应力σcr是否大于fy来判断钢材是否由弹性状态转变为塑性状态。若为弹性状态；若为塑性状态；纯剪情况下，即时为弹性状态。任务4钢结构的破坏形式两种破坏形式

钢材的破坏分塑性破坏和脆性破坏两种。

塑性破坏：加载后有较大变形，因此破坏前有预兆，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。

脆性破坏：加载后，无明显变形，因此破坏前无预兆，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆性破坏危险性大。影响脆性的因素化学成分冶金缺陷（偏析、非金属夹杂、裂纹、起层）温度（热脆、低温冷脆）冷作硬化时效硬化应力集中同号三向主应力状态任务5钢材的品种和规格钢结构中采用的钢材，仅碳素结构钢和普通低合金钢中的几种。普通碳素钢

甲或A类：按力学性能供应，保证强度、塑性，硫、磷含量符合相同钢号乙类钢的规定。

乙或B类：按化学成分供应。

特或C类：同时按力学性能和化学性能供应。

结构用钢主要为甲类；乙类无力学性能的保证，不能用；特类钢价格较高，应少用。

普通碳素钢有1~7共七个钢号。钢号越高，其含碳量越高，强度越高，塑性越低。其中3号钢在结构中广泛应用。普通低合金钢

在普通碳素钢中添加少量合金元素，以提高其强度、耐腐蚀性、冲击韧性等。二、钢材的选用

选用钢材的原则是:既能使结构安全可靠地满足使用上的要求，又要尽最大可能节约材料，降低造价。

选用钢材时需要考虑的结构特点是：结构的类型及重要性荷载的性质连接方法结构的工作温度构件的受力性质第六节钢材的疲劳一、概念：疲劳：钢材在连续反复荷载作用下，虽然应力还低于极限强度，甚至应力还低于屈服点，而发生的断裂。

（请看动画）

钢材在疲劳破坏之前，并不出现明显的变形和局部收缩，它和脆性破坏一样，是一种突然发生的断裂。

钢材的疲劳过程可分为裂纹的形成，裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。

疲劳强度与反复荷载引起的应力种类（拉应力、压应力、剪应力和复杂应力等）、应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度和残余应力等有关。对钢结构进行疲劳计算时有如下规定：

1）承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化循环次数n等于或大于105次时，应进行疲劳计算；

2）在应力循环中不出现拉应力的部位，可不计算疲劳；

3）计算疲劳时，应采用荷载的标准值；

4）对于直接承受动力荷载的结构，计算疲劳时，动力荷载标准值不应乘以动力系数；5）计算吊车梁或吊车桁架及其制动结构的疲劳时，吊车荷载应按作用在跨间内起重量最大的一台吊车确定。二、疲劳的计算疲劳计算采用容许应力幅法，按弹性状态计算应力，分常幅疲劳和变幅疲劳两方面进行计算。左侧疲劳计算只适用于常温下、无强烈腐蚀环境中钢结构的高周疲劳计算（应力循环次数）。计算范围只限于中级承受重复作用动力荷载的钢结

构构件及其连接。对构件表面温度大于150℃、海水腐蚀环境、低周高应力等特殊条件下的疲劳，则应参照其它有关规定进行计算。1、常幅疲劳计算当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。

常幅疲劳的验算公式为：

式中：

——对焊接部位称为应力幅，其值为，对非焊接部位称为折算应力幅，其值为，

——每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值），

——每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应力取正值，压应力取负值）；

——容许应力幅（N/mm2），按构件和连接的类别及应力循环次数n由下式确定：

式中参数和根据构件和连接的类别按下表采用参数、构件连接类别123456781940×1012861×10123.26×10122.18×10121.47×10120.96×10120.65×10120.41×101244333333

对我国规范推荐的Q235、Q345、Q390三种钢材，和与钢号无关。

疲劳计算的构件和连接分类见相关知识，其中给出了19种不同情况的构件或连接，分属于1到8的八个类别。类别数字愈大，则其疲劳性能愈差2、变幅疲劳计算当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，按下式计算：式中:

——为变幅疲劳的等效应力幅，按下式计算：

——以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；

——预期寿命内应力幅水平达到的应力循环次数。对于没有设计应力谱的变幅疲劳钢结构可作为常幅疲劳计算，计算时循环次数n应根据构件使用中满负荷的程度予以折减。3、吊车梁及吊车桁架疲劳计算重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架（桁架式吊车梁）的疲劳可按下式计算：

式中：

——为所验算部位的应力幅或折算应力幅；

——为欠载效应的等效系数；

——为循环次数次的容许应力幅。吊车梁和吊车桁架欠载效应的等效系数吊车类别重级工作制硬钩吊车（如均热炉车间夹钳式吊车）1.0重级工作制软钩吊车0.8中级工作制吊车0.5循环次数为n=2×106次的容许应力幅（N/mm2）构件和连接类别12345678

17614411810390786959第三章钢结构的连接第一节钢结构连接方法钢结构的连接方法

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第二节焊接连接及焊接结构的特性一、连接方法焊接方法焊条焊剂操作方式适应范围质量状况电弧焊手工焊短焊条(350－400mm)附于焊条之药皮全手动工位复杂，形状复杂之焊缝比自动焊略差自动焊

连续焊丝焊剂全自动长而简单的焊缝质量均匀、塑性、韧性好，抗腐蚀性强半自动焊连续焊丝CO2气体保护人工操作前进任意焊缝质量均匀、塑性、韧性好，抗腐蚀性强电阻焊无无通电、加压、机械薄板点焊一般用作构造焊缝气焊短、光焊条无（乙炔还原）手工薄板、小型、不同材质结构中一般用作构造焊缝二、焊接结构的特性焊接连接与铆钉、螺栓连接比较，有以下优点：1）不需打孔，省工省时；2）任何形状的构件可直接连接，连接构造方便；3）气密性、水密性好，结构刚度较大，整体性较好。缺点是：1）焊接附近有热影响区，材质变脆；2）焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏，残余变形使结构形状、尺寸发生变化；3）焊接裂缝一经发生，便容易扩展。常见的焊接缺陷：裂纹、气孔、未焊透、夹渣、咬边、烧穿、凹坑、塌陷、未焊满。（相关知识一）1、焊缝的缺陷形式（图）2、钢板用纵横十字交叉或T形交叉焊缝拼接钢板的拼接，当采用对接焊缝时，纵横两方向可采用十字形交叉或T形交叉。当为T形交叉时，交叉点的间距a不小于200mm

（图）3、角焊缝的承载力计算公式来源角焊缝受力后的应力分布很复杂。目前主要以试验为基础，经偏于安全地修正后，建立角焊缝最小截面（450方向的有效截面）上三个相互垂直的应力之间的强度条件公式。式中：——作用于焊缝有效截面上，垂直于焊缝轴线方向的正应力和剪应力；——作用于焊缝有效截面上，平行于焊缝轴线方向的剪应力；

——角焊缝的强度设计值。作用在焊缝上的外力N可分解成Nx、Ny和Nz。x和y轴都垂直于焊缝长度方向并平行于两个直角边（焊脚），z轴沿焊缝长度方向，如图。大多数情况，Ny＝0（或Nx＝0），则破坏截面上沿x方向（或y方向）的正应力为，沿z方向的剪应力为，且式中：he——角焊缝的有效厚度；

lw——角焊缝的计算长度，取实际长度减去10mm。从图中可见，有效截面与焊脚边所在截面成45°，因而整理后可得：从上式可见，正面角焊缝承载力是侧面角焊缝的1.22倍，比试验得到的1.35～1.55倍要小。这是因为上述是通过偏于安全地修正的。考虑到正面角焊缝的塑性较差，故钢结构设计规范规定：直接承受动力荷载的结构中的直角角焊缝，不宜考虑正面角焊缝强度的提高，即公式中的系数1.22，改为1.0。因此，钢结构设计规范写成更一般的形式：式中：——按焊缝有效截面计算，垂直于焊缝长度方向的应力；

——按焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力；

——正面角焊缝的强度设计值增大系数：对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，，对直接承受动力荷载的结构，。

4、外力和角焊缝长度方向成夹角时的斜焊缝计算对于外力和焊缝轴线组成角的斜焊缝，如图所示，可直接用斜焊缝的强度设计值增大系数，这时：整理得：式中：

5、钢管节点连接焊缝构造与计算钢管结构的节点连接型式主要是采用对接连接，如图，钢管结构中的支管与主管连接焊缝沿钢管全周一般采用斜角角焊缝；也可部分采用角焊缝，部分采用对接焊缝图（b）、（c）、（d）分别为图（a）中a、b、c点处斜角角焊缝的截面型式。支管管壁与主管管壁之间的夹角如图（a），的区域宜采用对接焊缝或带坡口的角焊缝。支管与主管的连接焊缝应沿全周连续焊接，并平滑过渡。支管与主管的连接焊缝不论采用角焊缝还是对接焊缝，计算时可视为全周角焊缝。角焊缝的焊脚尺寸hf不宜大于支管壁厚的两倍。

钢管节点连接焊缝计算公式为：式中：

N——支管的轴心力；

hf——角焊缝的焊脚尺寸，hf≤2ts；

t、ts——主管、支管壁厚；——角焊缝的强度设计值；lw

——支管与主管相交线长度。当ds/d≤0.65时：当ds/d>0.65时：式中：d、ds——主管、支管外径；

——支管轴线与主管轴线的夹角。支管与主管表面的相交线，是一条空间曲线，精确计算此空间曲线的长度很麻烦，不便于工程应用。上面式子可计算出相交线长度的近似值，而且偏于安全，完全满足工程要求。6、角钢与节点板连接焊缝的内力分配系数角钢类型分配系数角钢肢背K1角钢肢尖K2等边角钢0.700.30不等边角钢（短边相连）0.750.25不等边角钢（长边相连）0.650.357、搭接连接的角焊缝在扭矩、剪力作用下的计算假定搭接连接的角焊缝在扭矩和剪力共同作用下的计算采用下列假定：①被连接件是绝对刚性的，而角焊缝是弹性的；②被连接件绕形心O旋转，角焊缝群上任意一点处的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力的大小与连线距离r成正比。

8、未焊透对接焊缝连接的构造要求和计算下列情况可能会采用未焊透的对接焊缝：①连接焊缝受力很小或不受力，焊缝主要起连系作用，而且要求焊接结构外观齐平美观，这时就不必做成焊透的对接焊缝，可用不焊透的对接焊缝；②连接焊缝受力较大，采用焊透的对接焊缝，其强度又不能充分利用；而采用角焊缝时，焊脚又过大，这时宜采用坡口加强的角焊缝。不焊透的对接焊缝截面型式如图所示。由于未焊透，在连接处存在着缝隙，应力集中现象严重，可能使这里的焊缝脆断。不焊透的对接焊缝实际上与角焊缝的工作类似。《钢结构设计规范》（GBJ17－88）规定：不焊透的对接焊缝的强度按角焊缝强度公式计算，在垂直于焊缝长度方向的压力作用下，取；其他情况取。焊缝有效厚度he的取值为V形坡口时，取he=s；时，取he=0.75sU形、J形坡口，取he=s式中，s为坡口根部至焊缝表面的最短距离（不考虑焊缝的余高）；为V形坡口的角度。焊缝有效厚度he应满足为坡口所在焊件的较厚板件厚度，单位为mm。

9、圆钢与平板、圆钢与圆钢之间的焊缝圆钢与平板、圆钢与圆钢之间的焊缝如图。其抗剪强度计算为：

式中：N——作用在连接处的轴心力；lw——焊缝的计算长度；

he——焊缝的有效厚度，对于圆钢与平板的连接，he=0.7hf，圆钢与圆钢的连接，分别为大圆钢、小圆钢的直径，a为焊缝表面到两个圆钢公切线的距离。

圆钢与圆钢、圆钢与钢板间的焊缝有效厚度，不应小于0.2倍圆钢直径（当焊接两圆钢的直径不同时，取平均直径）或3mm，并不大于1.2倍平板厚度，焊缝计算长度不应小于20mm。三、焊接形式（1）按两焊件的相对位置分：

（2）对接焊缝按受力与焊缝方向分：

a）直缝：作用力方向与焊缝方向正交

b）斜缝：作用力方向与焊缝方向斜交

（3）角焊缝按受力与焊缝方向分：

a）端缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直

b）侧缝：作用力方向与焊缝长度方向平行

（4）按焊缝连续性：

a）连续焊缝：受力较好

b）断续焊缝：易发生应力集中

（5）按施工位置：

俯焊、立焊、横焊、仰焊，其中以俯焊施工位置最好，所以焊缝质量也最好，仰焊最差。四、焊接质量检验焊接时为保证质量，需要注意之处：（1）对不熟悉的钢种焊接时，需做工艺性能和力学性能的试验；（2）焊工要进行考核，持证上岗；（3）焊条、焊丝、焊剂按规定烘焙；（4）多层焊接需连续施焊，每层焊道之间要清理；（5）焊缝出现裂缝，应申报、查明原因，方能处理。

焊缝质量检验方法分：外观检查、超声波探伤检验、X射线检验。

焊缝质量分三级:一级焊缝需经外观检查、超声波探伤、x射线检验都合格；二级焊缝需外观检查、超声波探伤合格；三级焊缝需外观检查合格。第三节对接焊缝的构造及计算一、对接焊缝的构造1.对接焊缝的形式：

a）直边缝：适合板厚t£10mmb）单边V形：适合板厚t＝10～20mmc）双边V形：适合板厚t＝10～20mmd）U形：适合板厚t>20mme）K形：适合板厚t>20mmf）X形：适合板厚t>20mm2.对接焊缝的优缺点优点：用料经济、传力均匀、无明显的应力集中，利于承受动力荷载。缺点：需剖口，焊件长度要精确。3.对接焊缝的构造处理（1）起落弧处易有焊接缺陷，所以用引弧板。但采用引弧板施工复杂，除承受动力荷载外，一般不用，计算时将焊缝长度两端各减去5mm。（2）变厚度板对接，在板的一面或两面切成坡度不大于1：4的斜面，避免应力集中。（图）

（3）变宽度板对接，在板的一侧或两侧切成坡度不大于1：4的斜边，避免应力集中。（图）4.对接焊缝的强度有引弧板的对接焊缝在受压时与母材等强，但焊缝的抗拉强度与焊缝质量等级有关。二。对接焊缝的计算1、轴心受力对接焊缝的计算或fcw

——轴心拉力或压力;

——焊缝计算长度，无引弧板时，焊缝长度取实长减去10mm，有引弧板时，取实长;——平接时为焊件的较小厚度，顶接时取腹板厚;

、——对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值2、斜向受力对接焊缝的计算fvw——对接焊缝抗剪强度设计值

主要用于焊缝强度设计值低于构件强度设计值的连接中。

优点：抗动力荷载性能较好

缺点：较费材料

当tgq£1.5即q£56.3°时，可不验算焊缝强度。3、钢梁的对接焊缝焊缝内应力分布同母材。同时受弯、剪时，分别验算最大正应力、最大剪应力

——焊缝截面抵抗矩

——焊缝截面上计算点处以上（以下）截面对中和轴的面积矩对于腹板和翼缘的交界点，正应力、剪应力虽不是最大，但都比较大，所以需验算折算应力，即：

s1、t1为腹板与翼缘交界点处的正应力和剪应力；1.1为考虑到最大折算应力只在部分截面的部分点出现，而将强度设计值适当提高。4、牛腿及柱翼缘对接焊缝计算牛腿和柱的对接焊缝，剪力全部由腹板承受并均匀分布，弯矩、拉力由全截面承担，与梁计算相同，截面形式和截面上各种应力分布见下图。

上图该牛腿截面为非对称，在拉力作用下，全截面均匀受拉，在剪力作用下，整个腹板截面按均匀抗剪考虑，在弯矩作用下，中和轴以上受拉，中和轴以下受压。因此图中1、2、3、4点均需强度验算。点1为下翼缘最外缘的点，点2为下翼缘与腹板的交界点，点3为上翼缘与腹板的交界点，点4为上翼缘最外缘的点。各点计算为：点1：点2：点3：点4：

式中：

——有效抗剪面积，——整个焊缝截面的截面积；——各计算点到中和轴的距离。第四节角焊缝的构造及计算一、角焊缝截面形式（1）直角焊缝（图）a）普通焊缝（b）平坡焊缝（c）深熔焊缝

一般采用（a）。但（a）应力集中较严重，在承受动力荷载时采用（b）、（c）。

（2）斜角角焊缝（图）（d）斜锐角焊缝（e）斜钝角焊缝（f）斜凹面角焊缝主要用于钢管连接中二、角焊缝构造要求部位项目构造要求备注焊脚尺寸hf上限；对板边：t1为较薄焊件厚下限；当t2为较厚焊件厚对自动焊可减1mm；对单面T型焊应加1mm焊缝长度lw上限（受动力荷载）；（其他情况）；内力沿侧缝全长均匀分布者不限下限8hf或40mm，取两者最大值

端部仅有两侧面角焊缝连接长度lw

距离l0

t为较薄焊件厚端部转角转角处加焊一段长度2hf（两面侧缝时）或用三面围焊转角处焊缝须连续施焊搭接连接搭接最小长度5t1或25mm，取两者最大值t1为较薄焊件厚度

其它构造要求：(1)

承受动力荷载的结构中，垂直于受力方向的焊缝不宜采用不焊透的对接焊缝。(2)

在直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形，焊脚尺寸的比例：对正面角焊缝宜为1:1.5,长边顺内力方向；对侧面角焊缝可为1:1。(3)在次要构件或次要焊接连接中，可采用断续角焊缝。断续角焊缝之间的净距，不应大于15t（对受压构件）或30t（对受拉构件），t为较薄焊件的厚度。3、角焊缝分类（1）端缝：焊缝垂直于受力方向，其特点为受力后应力状态较复杂，应力集中严重，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。端缝破坏强度要高一些，但塑性差。

（2）侧缝：焊缝长度方向与受力方向平行，其特点为应力分布简单些，但分布并不均匀，剪应力两端大，中间小。侧缝强度低，但塑性较好。4.角焊缝的有效厚度

——两焊脚边的夹角，

——焊脚尺寸二、角焊缝的计算角焊缝的计算包括如下几个类型：端缝、侧缝在轴向力作用下的计算角钢杆件与节点板连接，承受轴向力N弯矩、剪力、轴力共同作用下的顶接连接角焊缝牛腿在弯矩、剪力共同作用下的角焊缝连接计算扭矩、剪力、轴力共同作用下的搭接连接角焊缝一、端缝、侧缝在轴向力作用下的计算

1.端缝、侧缝在轴向力作用下的计算：

（1）端缝

——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10mm（每端减5mm）；ffw——角焊缝强度设计值；

bf——系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，bf

=1.22，直接承受动力荷载bf

=1.0。

（2）侧缝tf——沿焊缝长度方向的剪应力。2.角钢杆件与节点板焊接连接，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（图）K1、K2——焊缝内力分配系数；N1、N2——分别为角钢肢背和肢尖传递的内力。（2）角钢用三面围焊与节点板连接的焊缝计算（图）端部正面角焊缝能传递的内力为：

（3）角钢用“L”型焊缝与节点板连接的焊缝计算（图）

由N2=0得：

3.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方向应力剪力作用下，y方向应力轴力N作用下x方向应力M、V和N共同作用下，焊缝上或下端点最危险处应满足：式中：,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。

4.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。点1：点2：点3：5.扭矩、剪力、轴力共同作用下搭接连接角焊缝:

扭矩T作用下各点应力计算（以A点为例）：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A点合应力：，要求：注意计算时需判断应力最大点！

相关知识6、7、8、9第三节焊接应力与焊接变形

焊接变形：钢结构构件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形。

焊接应力：焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约束而产生的应力称为焊接应力。焊接应力的形成和对钢结构的影响（1）形成两块钢板上施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝附近温度高达1600°（2）焊接应力的分类?纵向应力：沿着焊缝长度方向的应力?横向应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力?厚度方向应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。（3）焊接应力的影响?对常温下承受静力荷载结构的强度没有影响，但刚度降低；?由于焊接应力使焊缝处于三向应力状态，阻碍了塑性变形，裂纹易发生和发展；?降低疲劳强度；?降低压杆的稳定性；

?使构件提前进入弹塑性工作阶段。2.焊接变形的产生和防止

焊接变形是由于焊接过程中焊区的收缩变形引起的，表现在构件局部的鼓起、歪曲、弯曲或扭曲等。

表现主要有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。如图3.减少焊接应力和焊接变形的方法：

（1）采用适当的焊接程序，如分段焊、分层焊；（2）尽可能采用对称焊缝，使其变形相反而抵消；（3）施焊前使结构有一个和焊接变形相反的预变形；（4）对于小构件焊前预热、焊后回火，然后慢慢冷却，以消除焊接应4.合理的焊缝设计：

（1）避免焊缝集中、三向交叉焊缝；（2）焊缝尺寸不宜太大；（3）焊缝尽可能对称布置，连接过渡平滑，避免应力集中现象；（4）避免仰焊。第四节普通螺栓连接一、普通螺栓连接的构造1、分类（表）类别加工精度抗剪性能成本使用范围精制(A、B)级高，栓径与孔径之差为0.5～0.8mm，I类孔高高1）构件精度很高的结构，机械结构；2）连接点仅用一个螺栓或有模具套钻的多个螺栓连接的可调节杆件（柔性杆）粗制(C级)较低，栓径与孔径之差为1～1.5mm较低低1）抗拉连接；

2）静力荷载下抗剪连接；3）加防松措施后受风振作用抗剪；4）可拆卸连接；5）安装螺栓；6）与抗剪支托配合抗拉剪联合作用注：A级用于M24以下，B级用于M24以上。2、螺栓的排列和构造要求1）受力要求：a）端距限制——防止孔端钢板剪断，≥2d0；

b）螺孔中距限制；2）构造要求：防止板翘曲后浸入潮气而腐蚀，限制螺孔中矩最大值；3）施工要求：为便于拧紧螺栓，留适当间距（不同的工具有不同要求）。3、螺栓排列方式（图）4、螺栓的工作性能

按受力性能分为：剪力螺栓和拉力螺栓。剪力螺栓靠孔壁承压、螺杆抗剪传力，拉力螺栓靠螺栓受拉，有时普通螺栓同时受剪、受拉。5、剪力螺栓受力情况（图）剪力螺栓受力后，当外力不大时，由构件间的摩擦力来传递外力。当外力增大超过极限摩擦力后，构件间相对滑移，螺杆开始接触构件的孔壁而受剪，孔壁则受压。当连接处于弹性阶段，螺栓群中的各螺栓受力不等，两端大，中间小；当外力继续增大，达到塑性阶段时，各螺栓承担的荷载逐渐接近，最后趋于相等直到破坏。6、螺栓破坏形式1）剪力螺栓a）螺栓剪断（动画）b）钢板孔壁挤压破坏（动画）c）钢板由于螺孔削弱而净截面拉断（动画）d）钢板因螺孔端距或螺孔中距太小而剪坏（动画）e）螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生弯、剪破坏（动画）f）螺栓双剪破坏（动画）2）拉力螺栓

一般表现为拉断。二、普通螺栓承载力1）剪力螺栓（图）每个普通螺栓的抗剪承载力：每个普通螺栓的承压承载力：式中:

nv——受剪面数

d——螺杆直径——同一方向承压构件较小总厚度、——螺栓抗剪、抗压强度设计值2）拉力螺栓抗拉承载力：式中:

de——螺纹处有效直径

——抗拉强度设计值3）同时承受剪力和杆轴方向拉力的螺栓式中:

Nv、Nt——每个普通螺栓所承受的剪力、拉力

、、——每个普通螺栓抗剪、抗拉和承压承载力设计值三、普通螺栓连接的计算

1.剪力螺栓群受力通过形心时的计算所需螺栓数目（抗剪）——一个螺栓抗剪承载力设计值。为折减系数，与构件节点一端沿受力方向连接长度l1有关，当时，；当时，；当时，。净截面强度验算：式中：f——连接板材料设计强度；

An——节点板净截面积。当螺栓并列布置时，（图）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截面的净截面积可近似地取为取I－I、II－II净截面的较小者来验算钢板净截面强度。2.剪力螺栓群在扭矩、剪力和轴力共同作用下的计算螺栓群中受力最大的螺栓在T、V、N作用下的合力为：其中：，，，，若仅有T，则相当于剪力螺栓群受扭。

如果x1>3y1，则可假定y=0；反之，如果y1>3x1，则可假定x=0。第四节高强度螺栓的构造及计算一、高强度螺栓的构造1、材料高强度螺栓常用钢材有优质碳素钢中的35号钢、45号钢，合金钢中的20锰钛硼钢等。制成的螺栓有8.8级和10.9级。8.8级为，；10.9级为，。2、受力性能高强度螺栓安装时将螺帽拧紧，使螺杆产生预拉力而压紧构件接触面，靠接触面的摩擦来阻止连接板相互滑移，以达到传递外力的目的。高强螺栓按传力机理分摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓。这两种螺栓构造、安装基本相同。但是摩擦型高强螺栓靠摩擦力传递荷载，所以螺杆与螺孔之差可达1.5～2.0mm。承压型高强螺栓传力特性是保证在正常使用情况下，剪力不超过摩擦力，与摩擦型高强螺栓相同。当荷载再增大时，连接板间将发生相对滑移，连接依靠螺杆抗剪和孔壁承压来传力，与普通螺栓相同，所以螺杆与螺孔之差略小些，为1.0～1.5mm。摩擦型高强螺栓的连接较承压型高强螺栓的变形小，承载力低，耐疲劳、抗动力荷载性能好。而承压型高强螺栓连接承载力高，但抗剪变形大，所以一般仅用于承受静力荷载和间接承受动力荷载结构中的连接。二、高强度螺栓的计算1.摩擦型高强度螺栓：

1）摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力设计值

——一个螺栓的抗剪承载力设计值；——传力摩擦面数；

——摩擦面抗滑移系数；——每个高强度螺栓的预拉力。一个承受剪力的螺栓需满足：。2）摩擦型高强度螺栓的抗拉承载力设计值

——一个螺栓的抗拉承载力设计值；一个承受拉力的螺栓需满足：。3）同时受剪、受杆轴方向拉力时的一个摩擦型高强螺栓的承载力：一个既承受剪力，又承受拉力的螺栓需同时满足：2.承压型高强度螺栓：

1）承压型高强度螺栓的抗剪承载力设计值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。为防止承压型高强螺栓受剪变形过大，所受剪力不得大于按摩擦型高强度螺栓计算的抗剪承载力的1.3倍。所以一个承受剪力的承压型高强度螺栓需满足：2）承压型高强度螺栓的抗拉承载力设计值承压型高强螺栓的抗拉承载力设计值与摩擦型高强螺栓相同，即：3）同时受剪、受杆轴方向拉力的承压型高强螺栓的强度计算一个同时受剪、受拉的承压型高强度螺栓，其强度应同时满足：其中3）同时受剪、受杆轴方向拉力时的一个摩擦型高强螺栓的承载力：一个既承受剪力，又承受拉力的螺栓需同时满足：

3.高强度螺栓在各种连接形式下承受各种荷载时的强度计算：

各种高强度螺栓群承受各种荷载时，其中受力最大的螺栓承受的或基本上与普通螺栓群计算相同。但有两点不同之处需注意：1）承受剪力的摩擦型的高强度螺栓群的连接板净截面强度验算时需考虑孔前传递部分荷载。如图，第一排螺栓孔处传递的荷载：

式中:——计算截面上的螺栓数；

——连接一侧的螺栓总数。净截面强度验算2）拉力螺栓群在拉力、弯矩作用下受拉力最大的螺栓强度计算拉力螺栓群受拉力弯矩作用，如图：受拉力最大的螺栓计算无需判断绕哪根轴旋转。因为对于高强度螺栓总是绕螺栓群形心轴旋转。螺栓中受到的最大拉力计算如下：且需满足：第四章受弯构件第一节梁的类型与截面一、按弯曲变形状况分：1、单向弯曲构件—构件在一个主轴平面内受弯2、双向弯曲构件—构件在二个主轴平面内受弯二、按支承条件分：1）简支梁2）连续梁3）悬臂梁三、按截面构成方式分：1、实腹式截面梁型钢梁—通常采用工字钢（I形钢）或宽翼缘工字钢（H型钢），槽钢和冷弯薄壁型钢等。工字钢和H型钢的材料在截面上的分布较符合受弯构件的特点，用钢较省。槽钢截面单轴对称，剪力中心在腹板外侧，绕截面受弯时易发生扭转。冷弯薄壁型钢多用在承受较小荷载的场合下，例如房屋建筑中的屋面檩条和墙梁。焊接组合截面梁—由若干钢板或钢板与型钢连接而成。它截面布置灵活，可根据工程的各种需要布置成工字形和箱形截面，多用于荷载较大、跨度较大的场合。2、空腹式截面梁—可以减轻构件自重，也方便了建筑物中管道的穿行。3、组合梁－用钢筋砼和轧制型钢或焊接型钢构成。其中作为建筑物楼面、桥梁桥面的砼板，也作为梁的组合部分参与抵抗弯矩。用于受弯构件的截面形式（图）第二节梁格布置与梁的设计内容一、梁格布置梁格是由许多梁排列而成的平面体系，例如楼盖和工作平台等。梁格上的荷载一般先由铺板传给次梁，再由次梁传给主梁，然后传到柱或墙，最后传给基础和地基。根据梁的排列方式，梁格可分成下列三种典型的形式（图）：①简式梁格——只有主梁，适用于梁跨度较小的情况；②普通式梁格——有次梁和主梁，次梁支承于主梁上；③复式梁格——除主梁和纵向次梁外，还有支承于纵向次梁上的横向次梁。铺板可采用钢筋混凝土板、钢板或由压型钢板与混凝土组成的组合板。铺板宜与梁牢固连接使两者共同工作，可分担梁的受力而节约钢材，并增强梁的整体稳定性。

布置梁格时，在满足使用要求的前提下，应考虑材料的供应情况、制造和安装的条件等因素，对几种可能的布置方案进行技术经济比较，选定最合理而又经济的方案。二、受弯构件设计钢结构设计的内容大致包括：1、强度计算2、整体稳定3、局部稳定4、刚度计算

般说来，梁的设计步骤通常是先根据强度和刚度要求，同时考虑经济和稳定性等各个方面，初步选择截面尺寸，然后对所选的截面进行强度、刚度、整体稳定和局部稳定的验算。如果验算结果不能满足要求，就需要重新选择截面或采取一些有效的措施予以解决。对组合梁，还应从经济考虑是否需要采用变截面梁，使其截面沿长度的变化与弯矩的变化相适应。此外，还必须妥善解决翼缘与腹板的连接问题，受钢材规格、运输和安装条件的限制而必须设置拼接的问题，梁的支座以及与其他构件连接的问题等等。1.

强度计算：梁受弯时的应力—应变曲线与受拉时相似，屈服点也接近——仍假定钢材为理想的弹塑性体。梁在弯矩作用下，截面上正应力的发展阶段为弹性阶段——此时正应力为直线分布，梁最外边缘正应力不超过屈服点弹塑性阶段——梁边缘出现塑性，应力达到屈服点，而中和轴附近材料仍处于弹性塑性阶段——梁全截面进入塑性，应力均等于屈服点，形成塑性铰，此时已达到梁的承载极限（图）梁的复杂应力状态的强度极限状态及计算内容梁的截面中，除存在正应力外，还同时存在剪应力，有时还有局部压应力，在这种复杂应力状态下，梁在形成塑性铰之前就已达到极限承载能力。某些不利因素（如钢材变脆，残余应力的存在等），也会使梁提前达到极限承载能力。在一般情形下，常以最大边缘应力达到屈服点作为强度极限状态的标志，只在一定条件下，才允许考虑塑性变形的发展，这个问题将在下一节中讨论。设计时，梁内的正应力、剪应力和局部压应力均不应超过规范规定的相应的强度设计值。如果在梁的某些部位中，上述三种应力或其中二种应力都较大时（例如梁的翼缘截面改变处、连续梁的支座处等），还应验算折算应力。此外，在组合梁中尚须计算焊缝连接、铆钉连接或螺栓连接的强度。2.

整体稳定：整体失稳的现象某些受弯构件在荷载作用下，虽然其正应力还低于钢材的强度，但其变形会突然偏离原来的弯曲变形平面，同时发生侧向弯曲和扭转，这称作受弯构件的整体失稳。产生整体失稳的原因受弯构件产生整体失稳的主要原因是侧向刚度太小，抗扭刚度太小，侧向支承点的间距太大等，应对受弯构件的整体稳定进行验算。受弯构件整体失稳动画3.

局部稳定：受弯构件局部失稳的现象某些受弯构件在荷载作用下，其受压翼缘和腹板受压区出现波状的局部屈曲，这种现象被称作局部失稳。受弯构件局部失稳动画产生局部失稳的原因受弯构件截面主要由平板组成，其局部失稳是不同约束条件下的平板在不同应力分布下的失稳。受弯构件的翼缘和腹板发生局部屈曲，虽然不致于使梁立即达到极限承载能力而破坏，但局部失稳会恶化梁的受力性能，因而也必须避免。对策

为了保证受压翼缘不会局部失稳，应使其宽度与厚度之比符合一定的要求。对于腹板，常用加劲肋将其分隔成尺寸较小的区格来提高其抵抗局部屈曲的能力，如图所示。4.刚度：

受弯构件的刚度计算即是要保证其在使用过程中不会因挠度太大以致不能满足正常使用的要求第三节受弯构件的强度一、正应力绕单轴弯曲时：

绕双轴弯曲时：

式中：

Mx、My

——绕x、y轴的弯矩（一般x轴为强轴，y轴为弱轴）；

Wnx、Wny——对x轴和y轴的净截面抵抗矩；

、——截面塑性发展系数，梁受静力荷载或间接承受动力荷载时对工字形截面

=1.05

＝1.20对箱形截面＝=1.05对其它截面，查相关知识一当梁直接承受动力荷载时，＝=1.0

f——钢材抗弯强度设计值

根据局部稳定要求，当梁受压翼缘的自由外伸宽度与其厚度之比大于（但不超过）时，应取＝1.0。其中fy为钢材的屈服强度（或屈服点）：对3号钢，取fy=235N/mm2；对16Mn钢、16Mnq钢，取fy=345N/mm2；对15MnV钢、15MnVq钢，取fy=390N/mm2。2.相关知识一受弯构件（一）

截面塑性发展系数

当压弯构件受压翼缘的自由外伸宽度与其厚度之比大于而不超过《钢结构设计规范》5.4.1条的规定时，应取。二、剪应力工字形和槽形截面梁中，由于截面的壁厚远小于截面的高度和宽度，故可假设剪应力的大小沿壁厚不变；又因壁的两侧表面皆为自由面，故又可认为剪应力的方向与周边相切。根据这两个假设可推导得剪应力的计算公式：式中：

V——计算截面的剪力；

S——计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩；

I

——毛截面惯性矩；

tw——腹板厚度；

fv——钢材的抗剪强度设计值。工字形和槽形截面梁在截面中的剪应力分布如图所示。三局部压应力当梁上翼缘受到沿腹板平面作用的集中荷载（如吊车轮压、次梁传来的集中力等），且该荷载处又未设置支承加劲肋时，计算腹板计算高度上翼缘的局部承压强度，如图：式中：

F——集中荷载，动力荷载需考虑动力系数；

ψ——集中荷载增大系数，重级工作制吊车梁ψ＝1.35；Lz——集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定腹板长度，按下式计算：Lz=a+2hy

a——集中荷载沿梁跨度方向的支承长度，吊车梁可取a为50mm；

hy——自吊车梁轨顶或其它梁顶面至腹板计算高度上边缘的距离。四、折算应力钢材处于复杂应力状态，应按下式计算折算应力：

、、——腹板计算高度边缘同一点上同时产生的正应力、剪应力和局部压应力。其中正应力：式中：

In——梁净截面惯性矩；y1——所计算点至梁中和轴的距离；

——计算折算应力的强度设计值增大系数：、异号时，＝1.2；

当与同号或时，＝1.1；、以拉应力为正，压应力为负。第四节受弯构件整体稳定一、整体稳定概念梁从平面弯曲状态转变为弯扭状态的现象称为整体失稳，也称弯曲失稳。能保持整体稳定的最大荷载称临界荷载，最大弯矩称临界弯矩。根据薄壁构件计算理论，可建立梁的微分平衡方程，从而求解出梁的临界弯矩。参见相关知识二（二）相关知识1.

梁的整体稳定的计算原理单向受弯梁(即只在一个主平面内弯曲的梁)，如图所示，当荷载不大时，只在yz平面内产生弯曲变位v，但当荷载达到某一数值时，梁有可能突然产生在xz平面内的弯曲变位u（称为侧向变位）和扭转变形。如荷载继续增加，梁的侧向变位和扭转将急剧增加，导致梁的承载能力的竭尽。梁从平面弯曲状态转变为弯扭状态的现象称为整体失稳，也称弯扭失稳。能保持整体稳定的最大荷载称临界荷载，最大弯矩称临界弯矩。

在实际结构中，真正的单向受弯的梁并不存在，因为荷载方向偏离主轴，梁的初弯曲、残余应力的存在和钢材性能对主轴的不对称分布等初始缺陷是不可能完全避免的。这些因素使梁一受到外荷载的作用，立即产生双向弯曲和扭转变形。随着荷载的继续增加，梁的变形也相应增加，而且增加速度越来越大。当截面上的塑性区达到一定范围之后，梁就不能继续承担更大的荷载。根据数值分析，在弹性阶段时，残余应力对整体稳定的影响很小，而初弯曲和加载偏心有一定影响，但没有在弹塑性阶段显著。由于考虑初始缺陷影响将使弹性阶段整体稳定的计算太复杂，不便于应用。因此，在弹性阶段计算整体稳定时不考虑初始缺陷的影响。而实际的简支梁端部存在或多或少的约束，对整体稳定有利，这适当补偿了初始缺陷的不利影响。但在计算弹塑性阶段的整体稳定时需考虑初始缺陷的影响。下面来分析一种最简单的单向受纯弯曲等截面梁的整体稳定问题。梁的截面对称于x轴，两端受相等的弯矩M的作用，弯矩的作用平面平行于yz平面且通过截面的剪力中心，两的两端为简支。假定两无初弯曲，材料均匀，处于弹性阶段，不考虑残余应力。根据薄壁构件计算理论，这种梁的平衡微分方程为：式中：u、v——剪力中心沿x、y方向的位移；

——扭转角；Ix、Iy——对x、y轴的截面惯性矩；M——端弯矩。第一式是平面弯曲的微分方程，后两式则是弯扭屈曲的微分方程，相互耦连。由于梁两端为简支，截面不能扭转（即扭转角为），但可自由翘曲（即）。对y轴能自由转动，弯矩（即），因此边界条件为：当和时，，，。解后两式弯扭联立微分方程，代入上述边界条件后，可得弯扭屈曲临界弯矩为：当n=1时，就得到最低的弯扭屈曲临界弯矩如果梁的截面对称于y轴而不对称于x轴（如图）而荷载及支承条件等情况与前面的相同，则梁的弯扭屈曲微分方程与上式有所不同，经理论推导得弯扭屈曲临界弯矩为式中：y0——剪力中心S至形心C的距离（剪力中心在形心之下取正号，反之取负号）。受一般荷载（横向荷载或端弯矩）的单轴对称截面简支梁的弯扭屈曲临界弯矩的一般式可用能量法推导得：式中：、、——与荷载类型有关的系数，见下表；

——横向荷载作用点至截面剪力中心的距离（当荷载作用在中心以下时取正号，反之取负号）。从上面计算式可以看出，影响梁弯扭屈曲临界弯矩的因素很多，下面对几个主要因素进行分析。（1）

梁的侧向抗弯刚度EIy、抗扭刚度GIt和抗翘曲刚度愈大，则临界弯矩愈大。（2）

梁的跨度l（或侧向支承点的间距）愈小，则临界弯矩愈大。（3）

By值愈大则临界弯矩愈大。例如受压翼缘加强的工字形截面（或翼缘受压的T形截面）的By值比受拉翼缘加强的工字形截面（或翼缘受拉的T形截面）的By值大，因此前者的临界弯矩比后者的大。（4）

当梁受纯弯时，弯矩图为矩形，梁中所有截面的弯矩都相等，此时值最小（），在其它荷载作用下值均大于1.0。（5）

横向荷载在截面上的作用位置对临界弯矩有影响，式中值愈大则临界弯矩愈大。因此，对于工字形截面，当横向荷载作用在上翼缘时，值为负值，易失稳，当荷载作用在下翼缘时，值为正值，不易失稳。（6）

梁支承读位移的约束程度愈大，则临界弯矩愈大。

公式中系数、、的值荷载类型跨度中点集中弯矩1.350.550.40满跨均布荷载1.130.460.53纯弯曲101上面推导均假定材料处于弹性阶段，因此它们仅当临界应力不超过比例极限时才适用。较长的梁往往属于这种情况，易产生弹性弯扭屈曲。而较短的梁则通常会产生非弹性（弹塑性）弯扭屈曲，这时截面中一部分进入塑性阶段，而塑性区的变形模量较弹性区的小，因此截面的各种有效刚度减小，临界弯矩较按弹性计算时为小。

梁的非弹性弯扭屈曲的计算相当复杂。首先，截面分成弹性区和塑性区两部分，有效刚度的计算较麻烦。其次，残余应力的影响较大，它的存在使截面提早出现塑性区，因而降低了临界弯矩。二、规范对整体稳定的规定构造符合下列情况之一，可不计算梁的整体稳定性：a）有铺板密布在梁的受压翼缘并与其牢固连接b）工字形截面简支梁受压翼缘的自由长度l1与其宽度b1之比不超过下表规定数值钢号跨中无侧向支承点的梁跨中有侧向支承点的梁不论荷载作用在何处荷载作用在上翼缘荷载作用在下翼缘Q235钢132016Q345钢111713Q390钢101612注：①l1指梁受压翼缘的自由长度：对跨中无侧向支承点的梁，l1为其跨度；对跨中有侧向支承点的梁，l1为受压翼缘侧向支承点间的距离（梁的支座处视为有侧向支承）。②其他钢号的梁不需计算整体稳定性的最大l1/b1值，应取3号钢的数值乘以。③梁的支座处，应采取构造措施以防止梁端截面的扭转。c）对箱形截面简支梁h/b06且l1/b095（235/fy）（图）不满足上述条件的梁需验算整体稳定性a)在最大刚度主平面内受弯的梁整体稳定性验算公式：式中：

Mx——绕强轴作用的最大弯矩；Wx——按受压翼缘确定的梁毛截面抵抗矩；——梁的整体稳定系数。

的计算参见相关知识三b）在两个主平面内受弯的工字形截面梁整体稳定验算：式中：

Wx、Wy——按受压翼缘确定的梁毛截面抵抗矩；

——绕强轴弯曲所确定的梁整体稳定系数；

——截面塑性发展系数。(二)相关知识三梁的整体稳定系数（一）

焊接工字形等截面简支梁焊接工字形等截面（如图）简支梁的整体稳定系数应按下式计算：式中：——梁整体稳定的等效弯矩系数，按表采用；

——梁在侧向支承点间对截面弱轴y-y的长细比，l1为侧向支承点之间的距离，iy为梁毛截面对y轴的回转半径；A——梁毛截面面积；h、t1——梁截面的全高和受压翼缘厚度；——截面不对称影响系数：对双轴对称工字形截面对单轴对称工字形截面加强受压翼缘加强受拉