同济大学钢结构基本原理课件

1、钢结构基本原理,张其林 同济大学建筑工程系 2012年9月,一、绪论,1、结构体系钢结构 2、钢结构课程基本原理、设计 3、钢结构的组成构件+连接 4、钢结构特点 5、钢结构应用 6、钢结构的设计要求 7、钢结构的发展 8、钢结构的设计依据,混凝土水泥+石料 钢 材结构钢(低碳钢、低合金钢) 玻 璃钢化、半钢化、浮法 木 材原木、轻木 膜 材玻璃纤维、聚脂纤维等 铝 材结构铝,结构体系,建筑材料,混凝土结构 钢结构 玻璃结构(幕墙结构) 木结构 膜结构 铝合金结构,钢结构受力构件采用结构钢材的建筑结构、桥梁结构和构筑物 建筑结构：供人类工作或居住的建筑物 构筑物：用于完成特定功能的结构体系(输

2、电塔、储油罐等) 桥梁结构：用于跨越障碍物(河、江、海等)的结构,1、结构体系钢结构, 绪论 钢结构材料 受拉构件和索 轴心受压构件 受弯构件 压弯构件 钢结构的连接 ,钢结构基本原理,建筑钢结构设计, 绪论 平台钢结构 门式刚架结构 重型厂房结构 排架系统 吊车梁系统 多高层框架 ,基本构件的设计计算理论,结构体系的布置与设计,基本构件：构成结构体系的基本受力单元，含索、柱、梁、拱、板、壳等 结构体系和用途不同，但其基本构件的设计理论是一致的。,2、钢结构课程基本原理、设计,钢构件形式,连接形式,结构体系,钢板焊接截面 热轧型钢截面 冷弯薄壁截面 铸钢节点域 轴心受力柱 受弯梁 压弯构件,铆

3、接连接 普通螺栓连接 高强螺栓连接 焊接连接,多高层框架结构 大跨度空间结构 厂房刚架排架结构 高耸结构 桥梁结构 特种结构 ,+,=,钢结构基本原理 建筑钢结构设计,3、钢结构组成构件+连接,1) 预制拼装产品化、工业化、干作业 施工速度快 2) 材质均匀理想稳定计算模型确定、精度高 安全性好 3) 材料强度高板件薄、构件细长 轻型、稳定性问题 4) 塑性韧性好抗震性能好、动力承载性能好 5) 耐腐蚀性能差防腐措施 6) 耐热性能好、耐火性能差防火措施,4、钢结构特点,综合效益： 适合大型公共和商业建筑（高层、大跨）、 自重轻基础造价小、施工快资金周转快、安全性能好 标准化、工厂化、装配式带

4、动产业链发展、 绿色建材符合国家发展战略(removable/reuse/recycle)、,工业厂房轻型门式刚架、屋盖、重工业排架,5、钢结构应用,多层及高层建筑,框架体系、双重抗侧力体系、筒体体系,大跨度结构 飞机库、候机楼、体育场馆、会展中心等公共建筑 结构体系：网架网壳（螺栓球节点、焊接球节点）,结构体系：钢管桁架（直接汇交焊接节点、铸钢件节点）,组焊完成的构件,结构体系：预张力结构,高耸塔桅 电视、无线发射、观光等,其他结构 幕墙支承、压力容器、折板结构、桥塔、桥面梁板、水箱、船舶、 车厢、基坑维护、地下管线、脚手架,国家技术经济政策：安全性、经济性、先进性、高质量 运输、安装和使用

5、中的安全性 正常使用极限状态和承载能力极限状态 极端情况下的人员安全性* 火、爆、恐怖袭击 合理的结构方案、选材和构造 标准化构件、工厂化制作 可行的结构制作、运输和安装 高强材料、高效构件或结构体系 组合构件和体系,6、钢结构的设计要求,世界各国大兴土木建设高潮的时期: 美国: 30年代；欧洲: 60年代；日本: 60年代；中国: 90年代 土木工程学科领域 重大土木工程建设 世界六十年代创造 规模和速度令人惊叹 的材料工艺和体系 桥梁、建筑、地下工程,学习模仿跟踪性研究局部改进和创新,7、钢结构的发展,我国： 钢产量全球第一 建筑钢结构用量比例极少,应用拓展住宅产业化、土木设施 城镇化快速

6、发展：2001年37%2020年60%2050年75%以上 2005至2020年转移农村人口3亿以上，2050年累计6-7亿,改变：粘土为主要材料、自建自住的不可持续住宅发展模式 带动：材料设备制作设计安装维修的整个产业链发展,应用趋势更轻更高更大 Lighter,taller and larger,材料、构件和体系的发展与创新,高性能材料、大回转半径截面、组合或杂交截面与结构体系,Q235、Q345，Q420(水立方)、Q460(CCTV、鸟巢)，Q700-1100 耐侯钢、耐火钢、,研究方向极端灾害破坏机理、精细化数值模拟、 信息化模型、全寿命优化(sustainable structur

7、es)、,建筑结构设计统一标准 建筑结构荷载规范 建筑抗震设计规范 钢结构设计规范GB50017 冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018 高耸结构设计规范 高层民用建筑钢结构技术规程 网架结构设计与施工规程 网壳结构技术规程 玻璃幕墙工程设计规范,GB系列,JGJ系列,8、钢结构的设计依据,门式刚架结构设计规程 索膜结构设计技术规程 钢管混凝土结构设计与施工规程 点支式玻璃幕墙技术规程 轻型钢结构设计规程 膜结构技术规程 建筑结构用索技术规程,CECS系列,DBJ系列,第一章结束,二、钢结构材料,1、均匀受拉时的工作性能,A: fp 200MPa, ep 0.1% C: fy235MPa, e

8、y0.15%2.5% B: fu 370-460MPa, eu 21%,钢材是理想的弹塑性材料 钢材的屈强比fy/fp 是结构的安全储备 钢材的塑性：伸长率d与收缩率y, 原尺寸与拉断后尺寸相对比,2、单轴反复应力下的工作性能,钢材反复加载曲线： 冷作硬化、时效、疲劳、滞回曲线,3、复杂应力下的工作性能,双拉：屈服点高、伸长率低， 拉压：屈服点低、伸长率高，,4、抗冲击性能和冷弯性能,强度和塑性指标承受静力荷载性能：静力拉伸试验 钢材抗冲击性能承受动力荷载性能：冲击韧性ak,V型、U型缺口, ak=Ak/An 强度和韧性的综合指标 Ak冲击功N.m(J), Ak=W(h1-h2), W=摆锤重

9、，h1/h2=冲断前后摆锤高度 An试件缺口处净截面面积,钢材的冷弯性能：钢材常温下冷加工产生塑性变形时对发生裂缝的抵抗能力,衡量钢材力学性能的综合指标 冷弯试验 检验钢材内部缺陷（晶粒、结晶、杂物） 拉伸试验和冲击试验的补充,焊接 焊接热影响区和焊接热影响效应 焊接应力、塑性韧性等力学指标退化 可焊性好：焊缝处及热影响区力学性能不低于母材、 无焊接裂缝、安全可靠 可焊性取决于钢材化学成分含量： 低碳钢：碳0.27%、锰0.7%、硅0.4%、硫磷0.05% 低合金钢：碳当量 EC%=C+Mn+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 可焊性试验：施工中试验、使用中试验、冲击韧性、裂纹,5、

10、可焊性,干腐蚀：金属和非金属元素直接结合 湿腐蚀：水分多的环境下与非金属元素结合形成腐蚀物 提高抗腐蚀性能： 涂料 底层处理(抛丸除锈等) + 底漆 + 面漆 耐侯钢材 Cu-P-Ti-Re: 09CuPCrNi,16CuCr, 12MnCuCr Cu-P-Ni-Cr: SMA400AW, AP, SMA490AW,6、抗腐蚀性能,延性破坏： 塑性破坏，应力fyfu，径缩变形断裂，变形时间长 剪应力超过晶粒抗剪能力 脆性破坏： 脆性断裂，应力fy破坏 ？不适用于脆性断裂 断裂力学理论 ！ I型裂纹：张开型 II型裂纹：滑移型 III型裂纹：撕开型,7、延性破坏、累积损伤、脆性破坏、疲劳破坏,系

11、数 裂纹宽度一半 应力 应力强度因子： 临界应力s0：裂纹失稳扩展时应力 断裂韧性KIC：,KIKIC 失稳，裂纹扩展,弹性断裂力学公式：,弹性断裂力学公式(张开位移理论)：,稳定 不稳定,位移临界值,影响脆性断裂的因素：裂纹尺寸、作用应力、材料韧性 提高抗脆断措施： 焊接施工管理，避免焊接裂纹、杂质 避免焊缝集中、采取措施避免或消除焊接残余应力 优化细部构造措施、避免应力集中 选择合理钢材，低温动力下工作时选用高等级钢 应力腐蚀断裂：,疲劳破坏： 反复荷载下低应力状态突然破坏 反复荷载下的脆性破坏 疲劳破坏过程：裂纹形成裂纹缓慢扩展裂纹失稳扩展 (焊缝)内部缺陷 应力集中 影响因素：应力循环

12、形式和次数、应力集中、残余应力、缺陷 应力比：r=smin/smax 绝对值较小 绝对值较大 拉(+)压(-) 应力幅：由于存在残余应力，r不能代表实际应力变化情况 Ds=smax-smin 最大拉应力 最小拉应力或压应力 拉(+)压(-) 疲劳强度曲线：,匀质材料疲劳强度与应力比的关系： 应力幅与应力循环次数关系：,损伤累积破坏： 损伤：荷载+环境+温度+化学缺陷 塑性损伤、疲劳损伤、材质变化、蠕变损伤 损伤不断积累导致的破坏损伤累积破坏 损伤变量D：无损伤0、破坏1，D=(0,1) 单调递增、不可逆,化学成分的影响 Fe-99%, C、Si、Mn、V1.5%，Cr、Ni、Cu、Ti、Nb

13、S、P、O、N0.1% C: 屈服点和抗拉强度，塑性/韧性/可焊性/耐腐蚀性/疲劳/冷弯 适量Si (0.1%-0.3%): 强度，过量降低塑性/韧性/可焊性/抗锈性 适量Mn(0.3%-0.8%)：强度,消除热冷脆,过量降低塑性/韧性/可焊性/抗锈性 S硫化铁: 降低塑性/韧性/疲劳/可焊性/抗锈性，产生热脆，0.045% P：强度/抗绣性, 严重降低塑性/韧性/冷弯，产生冷脆，0.045% O/N：O产生热脆,0.05%；N产生冷脆,0.008%,8、影响钢材性能的一般因素,生产过程的影响 冶炼浇铸轧制矫正 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 目的：控制化

14、学成分 碱性侧吹效果差，已淘汰。 平炉/顶吹效果接近，顶吹效率高应用更多。 浇铸：钢液钢罐 脱氧剂 氧化铁 脱氧程度: 沸腾钢/半镇静钢/镇静钢/特殊镇静钢 沸腾钢：Mn为脱氧剂，脱氧程度差，浇铸时氧化铁+碳CO气体， 冷却快、成品率高、成本低； 材质不均匀、塑性韧性可焊性差。 镇静钢：Si为脱氧剂，脱氧能力强，脱氧充分，冷却缓慢无沸腾现象 冷却收缩上部缩孔大、切头大、成品率低、成本高，力学性能好 半镇静钢：介于沸腾钢与镇静钢间 特殊镇静钢：Mn/Si脱氧后，用铝钛补充脱氧，明显改善力学性能,轧制： 钢锭钢板/型钢 高温加压(1200-1300OC)改善内部组织/力学性能 轧制钢板薄力学性能好

15、、强度/塑性/韧性好 轧制方向材性由于垂直方向，试件沿垂直方向下料 较厚钢板中杂质薄片分层Z向性能差(层状撕裂) 需进行Z向材性试验 时效的影响 碳/氮固熔物质随时间增加析出表面散步在晶粒滑移面上， 约束塑性变形，提高强度，降低冲击韧性。 时效时间从数天到数年。 塑性变形后再加热(200-300OC)使时效的发生仅需几小时。,冷作硬化的影响： 常温下，塑性阶段反复加载会提高钢材的弹性极限， 成为冷作硬化效应 温度的影响： 冷脆：温度下降至T1时，钢材由塑性破坏转化为脆性破坏 热脆(蓝脆)：250OC时冲击韧性下降 避免蓝脆范围内热加工 300-600OC：屈服/抗拉极限/弹性模量下降，600O

16、C时接近零,应力集中的影响： 杂质、槽口、裂缝、形状突变会产生局部应力高峰， 应力高峰处一般存在同号平面或立体应力使材质变脆， 低温+应力集中 脆性断裂破坏 常温静力作用下，应力增大应力重分布，设计时可不考虑 动力荷载作用下，易疲劳破坏，采取措施减小应力集中。,品种牌号：普通碳素钢、低合金结构钢 普通碳素钢：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。(N/mm2) 力学性能质保书：fy、fu、 化学成分质保书：C、Mn、Si、S、P 质量等级：A、B、C、D A:无冲击功要求; B: 20OC时Ak27J; C: 0OC时Ak27J; D:-20OC时Ak27J 脱氧方式：Z(可不标注

17、)、b、F、TZ (可不标注) A、BZ、b、F; C Z; D TZ Q235A、Q235AF、Q235Bb、Q235D、Q235C 老标准： 甲类钢(A,按力学性能供应)、乙类钢(B,按化学成分供应)、特类钢(C,按力学性能和化学成分供应) 1、2、3、4、5、6、7号钢，3号钢Q235。顶吹Y A3甲类3号镇静钢；CY3F特类顶吹3号沸腾钢,9、钢材分类,低合金钢：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460 提供力学性能质保书(fy、fu、冷弯试验) 化学成分质保书(C、Mn、Si、S、P、V、Nb、Ti) Q345A、Q345B、Q345C、Q345D、Q345E Q390A、Q

18、390B、Q390C、Q390D、Q390E A、B、C、D、E表示质量由低到高 A:无冲击功要求; B: 20OC时Ak34J; C: 0OC时Ak34J; D:-20OC时Ak34J; E:-40OC时Ak27J 脱氧方式分为镇静钢(A、B)、特殊镇静钢(C、D、E)。 Q345BB级镇静钢, Q390DD级特殊镇静钢, Q345CC级特殊镇静钢 老牌号：16MnQ345，15MnVQ390,优质碳素钢： 碳素钢经热处理(调质处理/正火处理)，杂质元素少、 P/S0.035%，限制其他缺陷。 31个品种，45号优质碳素钢高强度螺栓 高强度钢丝： 拉杆：合金钢235、345、460、550、

19、650 拉索：优质碳素钢经多次冷拔，fu=1570-1770N/mm2 LG-abDL, LG-UU1506000,半平行钢丝束、 扭绞钢绞线 ()5xn; () 7xn,6x19 (Mxn),国外品种牌号： 质量等级：A、B、C、D、E等 ISO: Fe310 / Fe360A(NF) / Fe430D(GF)，MPa(N/mm2) NF非沸腾钢；GF铝0.02%,相当于特殊镇静钢 英国：40A / 40B / 50E，ksi(千磅/英寸2) 欧洲：意大利接近ISO 美国：A36 结构钢(MPa)，A242低合金高强度结构钢(ksi) 日本：SS400一般结构用轧制钢 SS400A、B、C,

20、 SM490A、B、C, 焊接结构用轧制钢 SMA400, SMA490, 焊接结构用热轧耐候钢 俄罗斯：C235, C245, C275, C390 (MPa) Q235美A36,A53/日SS400,SM400,SMA400/俄罗斯C235/英40/法E24/德St37 Q345美A572,A242,A588/日SM490YA,SM490YB,SM520/ 俄罗斯C345/英50D/法E36/德St52,选用钢材的原则 (1) 结构类型及重要性 重要：大跨度屋盖、重级工作制吊车梁 一般：普通厂房屋架和梁柱 次要：楼梯、平台、栏杆 (2) 荷载性质 静力、动力(满载、欠载) 常温静力：B级F

21、；动力：韧性和疲劳好C级Z (3) 连接方法 焊接：力学性能和化学指标要求、可焊性好 非焊接：力学性能 (4) 工作环境 低温下注意冷脆，选用C、D级Z (5)结构受力 受拉构件选用C、D级Z,钢板 薄钢板：厚0.35-4mm，宽500-1800mm，长0.4-6m 厚钢板：厚4.5-60mm(60mm，宽600-3800mm，长4-9m 扁钢：厚4-60mm，宽12-200mm，长3-9m 型钢 热轧普通型钢：角钢、工字钢、槽钢 热轧H型钢(H350 x250 x10 x16)和T型钢(T248x199x9x14) 热轧无缝钢管、焊接钢管(直缝焊和螺旋焊) ， 102x5 无缝钢管：32-6

22、30mm， 直缝钢管： 19.1-426mm，螺旋钢管：219.1-1420mm,9、钢材规格,冷弯薄壁型钢 壁厚：1.5-12mm，承重构件厚2mm、Q235/Q345/Q390,第二章结束,力学性能：强度fy|fu、塑性d|Y、冲击韧性ak、可焊性、冷弯性能 钢材破坏：延性破坏、脆性破坏、疲劳破坏、累积损伤 化学成分：C、Mn、Si、V；有害成分：S、P、N、O 钢材特性：时效和冷作硬化、冷脆和热脆 钢材类别：普通碳素钢（A/B/C/D；F/b/Z/TZ）、 低合金结构钢(A/B/C/D/E；Z/TZ)、 优质碳素钢、钢拉杆和钢索 钢材规格：钢板、型钢、冷弯薄壁型钢,三、钢结构可能的破坏形

23、式,1、强度破坏(塑性破坏),构件塑性内力重分布 塑性设计qu显著提高,截面塑性深入,截面塑性应力重分布,一般设计不考虑塑性内力重分布 残余应力和应力集中对强度无影响强度设计不予考虑,2、稳定破坏(整体失稳、局部失稳),结构：体系整体失稳、构件失稳、板件失稳 构件：构件整体失稳、板件局部失稳,焊接结构，常幅应力： 非焊接结构： 系数，考虑残余应力不同(较小时1)的影响 非常幅应力： Ni常量i对应的疲劳破坏循环次数 产生裂缝a1后至破坏(裂缝宽度a2)的剩余寿命：,3、疲劳破坏,塑性损伤、疲劳损伤、材质变化、蠕变损伤 缺陷累积 预防措施： 材料和焊缝无损检测：分层、夹渣、气孔、裂缝 节点西部构

24、造：避免三向受拉、减少应力集中 低温时选择高级别(Z/TZ，C/D)钢材，限制S/P含量 避免人工裂缝,4、损伤累积破坏,强度、稳定、疲劳破坏通过计算设计避免 损伤累积、脆性断裂通过合理选材和合理使用避免,5、脆性断裂破坏,原因： 缺陷和裂纹、应力集中和二向/三向拉应力、材料、温度环境、加载速率 防止措施： 避免缺陷、合理制作/设计/使用、注意结构的鲁棒性(超静定结构),第三章结束,四、钢结构的连接,连接方式：铆接、焊接、螺栓连接,1、焊接连接的特性,焊接方法：电弧焊、电阻焊、气焊 电弧焊：通电后焊条与焊件间产生强大电弧提供热源，焊条熔 化并与焊件熔化部分结合，使两焊件连接成整体。连 接可靠、

25、使用最广泛。 手工电弧焊和自动（半自动）电弧焊。,手工电弧焊： 焊条(包裹焊药)溶化形成焊缝、 焊药形成熔渣覆盖焊缝上产生隔离气体。 焊条与焊件强度应匹配， Q235-E43, Q345-E50, Q390-E55, 不同钢种连接采用与低强度钢材适应焊条,自动电弧焊： 无涂层焊丝、插入焊剂中； 通电后溶化焊剂，浮在溶化金属表面形成保护层、提供焊缝合金元素； 设备或焊件自动移动，焊剂自动漏下、电弧埋在焊剂内、焊丝自动下降溶化； Q235-H08/H08A/H08MnA+高锰/高硅焊剂 Q345/Q390-H08A/H08E+高锰焊剂 H08Mn/H08MnA+中锰/高锰焊剂 半自动电弧焊：设备或

26、焊件人工操作移动 优点：焊缝质量均匀、塑性好、冲击韧性高、抗腐蚀性能强。,电阻焊： 电流通过焊件接触点表面产生热量溶化金属，再通过压力使 其焊合。适用于板叠厚度12mm。,气焊： 利用乙炔在氧气中燃烧而形成的火焰溶化金属形成焊缝，适 用于薄钢板或小型结构中。,焊接连接形式： 按构件位置：平接、搭接、顶接、角接 按构造分：对接焊缝、角焊缝 对接焊缝：焊透(一般要求)、不焊透；直缝、斜缝 角焊缝：侧缝、端缝；连续焊缝、断续焊缝 按施焊位置：俯焊、立焊、横焊、仰焊,焊接结构的优缺点： 与铆接、螺栓连接结构比。 优点：截面无削弱、对精度要求低、省工省时、材料利用充分； 适应性强、构造简单、无辅助零件、

27、传力路线短而明确； 气密性水密性好、结构整体性好。 缺点：焊接热影响区和热影响效应； 焊接残余应力和变形脆性破坏、疲劳破坏、降低稳定； 一旦产生局部裂缝易扩张至整体。,t10mm, 直边缝 t=10-20mm, 单边V形或双边V形缝 t20mm, V形缝、U形缝、K形缝、X形缝 V形缝和U形缝为单边施焊、根部补焊，无法补焊时事先加垫板， 焊件可随意翻转时使用K形缝或X形缝。 为避免对接焊接起终点不能熔透而出现凹形焊口、产生应力集中，采用引弧板，或在计算时两端各扣除5mm计算长度。 厚度、宽度变化时，一侧或两侧以1:4的坡度平缓过渡。,2、对接焊缝的构造和计算,构造：,强度：,焊缝强度不低于母材

28、强度。 为避免因缺陷影响降低焊缝抗拉强度，必须检查焊缝质量。 对接焊缝质量检查：三级检验外观检查 二级检验外观+超声波探伤检查 一级检验外观+超声波+X射线检查 抗压强度：fwc=f 抗拉强度：焊缝质量一级：fwt=f；焊缝质量二级：fwt=0.85f 抗剪强度：fwv=fv,轴心受力,对接焊缝的计算：,斜向受力,受剪力作用 截面受剪： 牛腿受剪：,受弯剪共同作用,轴弯剪共同作用,3、角焊缝的构造和计算,角焊缝的构造：,一般情况：普通焊缝；动力荷载：深熔或平坡。 端焊缝时：平坡或深熔焊缝，避免根部应力集中造成的破坏。 顶接连接：采用两边直角角焊缝，也可采用单边V形角焊缝， 焊件不相互垂直时采用

29、斜角角焊缝（焊件角度宜60o）,焊缝高度hf： 不宜太小，避免冷却太快产生裂缝。 手工角焊缝 自动角焊缝 T 形连接单面角焊缝 焊件厚度 t4mm 不宜太大，避免穿透较薄焊件。 不大于较薄焊件厚度的1.2倍（钢管除外）； hf4mm (板厚t6mm时)， hft-(1-2)mm(t6mm时); 圆孔或槽孔内hf圆孔直径或槽孔短径的1/3。,焊缝长度lw（实际长度减去起终点各5mm） 不宜太小，避免杆件局部加热严重。 侧端缝 lw 8hf 或40mm。 不宜太大，因受力不均匀，避免受力大处先破坏， 侧缝 lw 60hf (静)或 40hf(动)，超过部分在计算中不考虑。 内力均匀分布的梁翼缘腹板

30、焊缝长度无限制。 两边侧缝以间距 d 连接时， 侧缝长度 lw d。 d16t(t12mm时)或d200mm(t12mm时)，t为较薄板件厚度。 杆件与节点可采用两侧焊、三面围焊或 L形围焊(角钢节点)。,角焊缝破坏面角焊缝的有效截面 假定破坏面为焊缝的对称面，破坏面有效高度he,角焊缝的受力特点和强度：,角焊缝破坏面上的应力 垂直于焊缝长度方向应力sf、平行于焊缝长度方向应力tf sf又分解为s 和s。tf =t 。,角焊缝的强度计算 垂直于焊缝的力Ny，平行于焊缝的力Nz。,fwf 为角焊缝强度设计值； bf 为段焊缝强度增大系数，bf=1.22(静)，bf=1.0(动)。,轴力作用下角焊

31、缝的计算,轴力作用下角钢连接角焊缝的计算,轴剪弯扭共同作用下角焊缝的计算,焊缝应力：垂直于焊缝sf，平行于焊缝tf。 作用力：轴力N，剪力V，弯矩M，扭矩T。 sf = sfN + sfV +sfM +sfT , tf = tfN +tfV +tfM +tfT,点1：翼缘。N产生t, V产生s，T产生tx和sy。 点2：腹板。N产生s，V产生t，T产生sx和ty。,不焊透对接焊缝的计算 按角焊缝计算： bf 取1.0； 有效厚度 V形： he=s(a 60o)，he=0.75s(a60o) U/J形：he=s s为焊缝根部至焊件表面最短距离。 he 1.5t , t为较厚焊件厚度,4、焊接应力

32、和焊接变形,焊接残余应力 纵向残余应力： 焊接部位高温熔化、自由膨胀， 冷却时焊接部位收缩，两侧固体约束其收缩 使焊接部位受拉、两侧固体受压,横向残余应力： 纵向收缩横向弯曲横向应力 后焊部位开始凝固、横向收缩先焊已凝固部位阻止其收缩,厚度方向残余应力： 钢板厚度25mm时，应力较小； 板厚 50mm时，应力可达50N/mm2。 焊接应力的影响： 对常温静力作用下强度无影响 部分截面提前进入塑性，对刚度有一定影响 对稳定有影响 三向拉应力降低疲劳寿命、增加脆性断裂可能性,焊接变形及其防止 减小焊接变形和应力的措施： 适当的焊接次序 采用对称焊缝 相反的预变形 手工锤击和机械校正 预热和回火(加

33、热至600oC后缓慢冷却),螺栓性能等级：3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9 普通螺栓：3.6-8.8，高强度螺栓：8.8-12.9 螺栓性能等级标号：螺栓材料公称抗拉强度值 屈强比值。 10.9级高强度螺栓： 螺栓材质公称抗拉强度达1000MPa级； 螺栓材质的屈强比值为0.9； 螺栓材质的公称屈服强度达10000.9=900MPa级,5、普通螺栓连接的构造和计算,普通螺栓工作形式： 受拉螺杆受拉 受剪螺杆受剪+孔壁承压 A、B级8.8级，45/35号钢，螺杆螺孔精度要求高，受剪 C级4.6/4.8级, Q235BF, 螺杆孔间隙1.0-1.5mm,

34、受拉, 易拆卸 螺栓的排列和构造要求 受力要求：螺栓端距过小，钢板易剪断；过大，钢板易鼓出 构造要求：螺栓距过大，连接不紧密，潮气进入易腐蚀 施工要求：转动扳手要求一定的操作空间 螺栓最大间距与最小间距的要求 (与螺栓孔径d0或外层较薄板厚t有关)！,型钢（角钢、槽钢或工字钢上的螺栓排列要求） 角钢：不同肢宽下d0、e、e1、e2的要求； 槽钢或工字钢：不同型钢下cmin(腹板)、emin(翼缘)的要求。,普通螺栓的工作性能 剪力螺栓：外力垂直于螺杆 拉力螺栓：外力平行于螺杆 剪力螺栓的工作性能： 剪力螺栓的 5 种破坏形式： 螺栓承载力计算：防止螺杆剪断和局部承压破坏； 净截面强度验算：防止

35、净截面强度破坏； 构造措施(限制端距和螺杆长度l5d)：防止端部剪切和螺杆弯曲。,一个螺栓的抗剪承载力： 受剪 局部承压 剪力螺栓承载力：,拉力螺栓的工作性能： 被连接件连接接触面脱开 螺杆受拉 拉断 拉力螺栓承载力： de螺杆截面有效直径 角钢采用拉力螺栓连接中 撬力的消除：设置加劲肋 加强刚度消除撬力。,剪力螺栓群的计算 单个螺栓受力一个剪力螺栓的承载力 净截面验算 通过螺栓群形心的剪力作用下： 弹性阶段受力不均匀破坏时趋于相等 所需螺栓数目： h为折减系数：,净截面强度计算： An构件净截面面积，根据螺栓排列按I、II、III截面计算。,剪力和扭矩共同作用下： 剪力 P Nxp，Nxp=

36、P/n 剪力 V NyV, Nyp=V/n 扭矩 M NMNxM、NyM， NiM=Mri /Sri2， NixM=NMyi/ri=Myi /Sri2 NiyM=NMxi/ri=Mxi /Sri2,拉力螺栓群的计算 轴力作用下的计算 轴力通过螺栓群形心时，假定螺栓受力相等，所需螺栓数量： 弯矩和轴力联合作用下的计算 M/N较小时(Nmin0)时， M/N较大时(Nmin0)时，,轴力、剪力和弯矩作用下的计算 设支托时，螺栓仅受轴力和弯矩作用，计算同前。 不设支托时，螺栓受轴力、弯矩和剪力作用， 螺栓拉力N t 根据轴力和弯矩计算， 螺栓剪力N V根据剪力计算， 拉、剪联合作用下螺栓承载力： 剪

37、力作用下还应验算孔壁局部承压力：,高强度螺栓的工作性能 高强度材料 + 预拉力 紧密连接 杆身：45号或40硼钢，螺帽垫圈：45号钢，经热处理提高强度。 20锰钛硼钢。 预拉力：扭矩法和扭剪法 扭矩法测力扳手；扭剪法扭断切口实现扭矩。 摩擦型和承压型 摩擦型预拉力实现连接面摩擦，抵抗拉力和剪力，无滑移 承压型正常使用状态无滑移，承载能力状态孔壁承压,6、高强度螺栓连接的构造和计算,高强度螺栓摩擦型连接的抗剪工作性能 依靠钢板间接触面的摩擦力传力， 不依靠螺杆受剪、孔壁承压来传力。 高强度螺栓承压型连接的抗剪工作性能 正常使用状态依靠接触面摩擦力传力， 剪力超过摩擦力时，连接件相对滑移、螺杆孔壁

38、受压， 最终达到承载能力极限状态 高强度螺栓的抗拉工作性能,高强度螺栓连接的抗拉工作性能 螺杆预拉力P0、接触面挤压力C0，C0=P0 外力Nt作用下，PPf，CCf，Pf = Cf + Nt 螺杆伸长量等于接触面压缩恢复量， 设螺杆面积Ad，接触面面积Ac，,高强度螺栓摩擦型连接的抗剪计算 摩擦型连接中高强度螺栓抗剪承载力设计值 一个高强度螺栓的抗剪承载力设计值： nf传力摩擦面数目； m摩擦面抗滑移系数(与接触面处理方式、钢号有关)，查表。 P0高强度螺栓的预拉力设计值，P0=0.675fybAe,高强度螺栓群连接的计算 剪力作用下： 每个高强度螺栓所受剪力小于其抗剪承载力： 构件净截面计

39、算时，最危险截面在第一排螺栓孔处，第一排螺孔数n1，总螺孔数n，摩擦面的孔前传力为50%(记为pf)，净截面处受力N、应力s分别为： 剪力和扭矩共同作用下： 同普通螺栓群受剪力和扭矩作用。,高强度螺栓摩擦型连接的抗拉计算 高强度摩擦型螺栓抗拉承载力设计值 拉力过大接触面脱开，一个摩擦型高强度螺栓的抗拉承载力为： 高强度摩擦型螺栓抗拉连接计算 轴力作用下 弯矩和轴力作用下 接触面不脱离，受力时绕螺栓群形心转动，螺栓拉力：,高强度螺栓摩擦型连接同时承受拉力和剪力的计算 摩擦型连接中受拉高强度螺栓的抗剪承载力设计值 一个螺栓受拉力Nt作用，等效预紧力为P0-1.25Nt (Nt为达Ntb时预紧力为0

40、)，抗剪承载力为： 同时承受拉力和剪力的螺栓群计算 螺栓群绕形心转动，最大螺栓拉力要求： 螺栓群总抗剪承载力为：,高强度螺栓承压型连接的计算 承压型螺栓材料、摩擦面处理、预拉力同摩擦型螺栓 容许接触面滑移计算同普通螺栓 一个承压型高强螺栓的承载力为： 一个螺栓受计算拉力Nt、计算剪力NV，应满足：,螺栓杆拉力对孔壁承压强度降低系数为1.2。,第四章结束,五、受拉构件及索,要点：强度设计部分截面塑性深入：g系数、净截面 刚度要求容许长细比l 整体稳定拉弯构件截面受压时 局部稳定拉弯构件翼缘或腹板受压时,1、轴心受拉构件,截面形式 受力较小： 受力较大： 构件较长受力较大： 轴心受拉构件的强度 截

41、面无消弱： 截面有消弱：,受拉构件的有效净截面 净截面充分发挥作用的情况： 普通螺栓净截面 高强度螺栓首排、孔前传力 净截面不能充分发挥作用的情况： 引入有效净截面Ae概念。,受拉构件的刚度 避免拉杆在制作、运输、安装和使用过程中刚度不足 安装或自重下挠度大、干扰下微振。 l 拉杆的最大长细比； l0拉杆计算长度； r 拉杆截面回转半径； l容许长细比,拉弯构件的强度计算准则 边缘纤维屈服准则 全截面屈服准则 塑性部分发展准则 单向拉弯构件的强度 按边缘纤维屈服准则 设计公式：,2、拉弯构件,按全截面屈服准则,偏于安全地以直线表达：,按截面部分塑性深入准则,引入截面塑性发展系数g，得到强度计算

42、和设计公式分别为：,双向拉弯构件的强度 边缘纤维屈服准则 全截面屈服准则 截面部分塑性深入准则 以强度设计值fd代替 屈服强度fy得到设计公式。,拉弯构件的稳定问题 当截面存在压应力即 时应考虑构件的稳定问题。 稳定问题类型： 构件整体稳定构件整体平面外弯扭失稳 拉力较小时按受弯梁考虑 拉力较大的有利作用 板件局部稳定时考虑轴力 腹板稳定与应力梯度及高厚比有关，控制高厚比或设置加劲肋 翼缘稳定通过控制宽厚比实现 拉弯构件的刚度 弯矩较小时，刚度同轴心受力构件， 弯矩较大时，除计算长细比外，还应验算挠度。,钢拉杆、钢丝绳、半平行钢丝束、扭绞钢绞线 单索的受力分析 基本假定： 只受拉；材料符合虎克

43、定律。 平衡方程： # 水平均布荷载作用下抛物线,3、索的力学特性和分析方法,# 沿索长均布荷载作用下悬链线 索长度：,索的变形协调方程：,单索的简化计算,第五章结束,六、轴心受压构件,1、轴心受压构件可能的破坏形式,强度、整体稳定、局部稳定。,理想轴心压杆的整体稳定分枝型失稳 弹性稳定欧拉临界力： 弹塑性稳定切线模量临界力： Et全截面切线刚度,2、轴心受压构件的强度,3、轴心受压构件的整体稳定,实际轴心压杆的整体稳定极值型失稳 初始缺陷：初始偏心、初始挠度、残余应力、材料不均匀等 初始缺陷对稳定承载力影响较大，使scrl关系不唯一。,轴心压杆的弯曲失稳、扭转失稳和弯扭失稳 具有初始缺陷的轴

44、心压杆弹性微分方程：,x0、y0剪力中心坐标； sr残余应力，拉为正。,双轴对称截面的弯曲失稳和扭转失稳 剪力中心坐标x0=y0=0， 三个互相独立的平衡方程（绕x、y轴弯曲、绕剪力中心扭转）。 有初始缺陷时，求解得到三个独立的平衡路径：N-u,N-v,N-q。 无初始缺陷时，求解非零解得到三个屈曲荷载NEx,Ney,NEq： 计算长度系数：,单轴对称截面的弯曲失稳和扭转失稳 在对称轴 x 平面内(绕y轴)独立产生弯曲变形,NEy 出对称轴 x 平面外弯曲(绕x轴)和扭转同时产生,NExq。 不对称截面的弯扭失稳 三方程耦联，空间弯扭失稳，NExyq。,弯曲失稳的极限承载力 弯曲失稳极限承载力

45、准则： 边缘纤维屈服准则(考虑P-D效应，变形引起的附加弯矩)薄壁钢构件 稳定极限承载力普通钢结构 按边缘纤维屈服准则求临界应力scr： 考虑PD效应的边缘纤维屈服准则： 引入Dm的表达式，记e0=AD0/Wx，推导得到:,按稳定极限承载力理论求临界应力scr： 考虑各种初始缺陷、各类截面形式、长细比， 通过实验或计算得到柱子的 或 (柱子曲线)关系。 多条柱子曲线（初始挠度l/1000）：,a1/a2/a3根据柱子类别a/b/c/d查表。,我国规范：a/b/c/d共 4条柱子曲线。,单轴对称截面弯扭失稳的极限承载力 忽略初始挠度，弯扭屈曲平衡方程： 由换算长细比lw根据弯曲失稳的边缘纤维屈服

46、或 稳定极限承载力理论计算j。,轴心受压实腹式构件的整体稳定设计,由弯曲失稳长细比l(弯扭失稳lwl，扭转失稳时lql) 计算稳定系数j，,4、轴心受压实腹构件的局部稳定,轴心受压实腹构件局部失稳设计准则 不允许出现局部失稳，sscr 允许局部失稳、利用板件屈曲后的强度，N Nu 轴心受压实腹构件中板件的临界应力 板件分类：加劲板件、非加劲板件、部分加劲板件,板件弹性阶段的临界应力： （1）四边简支矩形板（加劲板） # 半波数m给定,k取决于a/b ； # kmin=4。,（2）加载边二边简支，其余一边简支一边自由板（未加劲板） （3）加载边二边简支，其余一边简支一边卷边（部分加劲板） （4）

47、其他情况（加载边为二边简支） 二边固定：k=6.97 一边固定一边简支：k=5.42 一边固定一边自由：k=1.28,板组中板件弹性阶段的临界应力 全截面整体计算查图 考虑板组约束的板件临界应力系数k(z) 实用计算公式： 板件弹塑性阶段的临界应力,轴心受压实腹构件中板件的屈曲后性能,轴心受压实腹构件的局部稳定计算不允许局部失稳 设计计算公式： 实际按等稳原则计算： 合理性1： 合理性2：轴压构件的应力由整体稳定控制sffy经济性 合理性3：设计计算公式简单限制宽厚比就可,轴心受压实腹构件利用板件屈曲后强度的稳定计算 beAe, 计算be时取jfy代替fmax。 (1) i=1，假定 fmax

48、,1 =fy； (2) 计算be，计算Ae、 Ie、长细比 l; (3)计算j， fmax,i+1 = j fy; (4)(fmax,i+1- fmax,i)/ fmax,i+1error? 是转(5)，否转(2)； (5),格构式构件绕实轴的整体稳定 绕实轴y-y等同绕实腹式截面。 格构式构件绕虚轴的整体稳定 必须考虑剪切变形的影响， 构件变形y=y1+y2 y1弯曲变形，y2剪切变形,5、轴心受压格构式构件的整体稳定计算与设计,板件的稳定性同实腹截面板件！ 单肢节间的稳定性 缀条的稳定性 实用公式：,6、轴心受压格构式构件的局部稳定,轴心受压缀条格构构件的局部稳定,一个斜缀条的内力为： 按

49、轴心受压构件验算缀条， g0缀条为角钢时考虑受力偏心的折减系数 等边角钢： 短边连接角钢： 长边连接角钢：,l为按角钢最小回转半径计算的长细比，l 20。,轴心受压缀板格构构件的局部稳定 板件的稳定性同实腹截面板件！ 单肢节间的稳定性 应按压弯构件验算其单肢稳定性， 实用公式：l140 且 l10.5lmax lmax-缀板构件的最大长细比，50时取50。 缀板的稳定性,7、轴心受压构件的刚度,长细比过大： 在运输和安装过程中产生弯曲或过大的变形； 使用期间因其自重而明显下挠； 在动力干扰下发生较大的振动。,第六章结束,强 度：净截面验算 整体稳定：理想构件的弹性欧拉屈曲、弹塑性屈曲的切线模量

50、法 双轴、单轴和不对称截面，不同失稳类型 实际构件的极值型失稳 初始缺陷影响，弯曲失稳的多条柱子曲线 验算：绕对称轴弯曲失稳、对称面外弯扭失稳(换算长细比) 毛截面验算 局部稳定：板件局部屈曲应力、屈曲模态和系数k 局部稳定验算原则：等稳及其合理性，宽厚板限值 屈曲后极限强度，有效截面特性 格构式截面柱：绕虚轴弯曲的换算长细比剪切刚度对整体稳定影响 绕实轴弯曲同实腹截面，绕虚轴按换算长细比 构件、单肢、缀板缀条、板件局部 刚度：长细比，绕强轴、弱轴，绕实轴、虚轴,七、受弯构件,强 度：弯曲正应力s、剪应力t、局部横向压应力sc， 自由扭转剪应力tk、翘曲扭转正应力sw、tw； 截面塑性深入设计

51、原则，单项最大应力，折算应力 整体稳定：弯矩作用平面外弯扭屈曲，弹性临界屈曲应力Mcr, 边界条件、截面形式、荷载作用位置的影响， 设计验算公式，不验算的条件 局部稳定：板件局部屈曲应力，应力分布的影响， 局部稳定设计原则，加劲肋布置，分区直接验算， 考虑屈曲后的极限承载力 刚度验算：挠度控制，要求充分变形能力的情况,受弯构件 (梁)：受弯矩或弯矩+剪力作用 单向受弯构件、双向受弯构件 简支梁、连续梁、悬臂梁 主梁、次梁 等截面梁、变截面梁 实腹式截面梁、空腹式截面梁 实腹式截面梁：型钢、焊接 型钢：热轧工字、H型钢、冷弯薄壁截面 焊接：工字形、箱型 空腹式截面梁：需考虑制作方便 梁的强轴：x

52、；弱轴：y。,1、受弯构件的类型与截面,截面强度破坏 平面内弯曲变形 v 截面纤维开始屈服弹性极限 截面塑性深入 截面达塑性极限,2、受弯构件的主要破坏形式,构件整体稳定破坏 平面内弯曲变形 v 平面外弯扭失稳 u,q 弹性失稳 弹塑性失稳,板件局部失稳 翼缘失稳不允许 腹板失稳 允许 有效截面 不允许加劲肋,强度准则 边缘纤维屈服 全截面塑性 截面塑性部分深入 抗弯强度 单向弯曲时：,3、构件受弯时的截面强度(s、t、tk、sw、tw),双向弯曲时： 边缘纤维屈服： 全截面塑性： 截面部分塑性深入,抗剪强度 局部承压强度 不满足要求是设置加劲肋,复合应力和折算应力 受弯构件的剪力中心 横向力

53、Vx(qx)、Vy(qy)通过剪力中心时，截面仅受弯不受扭。 形心C、剪力中心S 翼缘剪力流对腹板 的扭矩=横向力扭矩 剪力中心S在对称轴上； 对T形、十字形截面剪力中心在板件交点上。,自由扭转 条件按：构件两端反向扭矩作用、端部截面纵向纤维变形自由。 单位长度扭转角为常数，产生截面自由扭转剪应力tk，为常数,4、构件的扭转,约束扭转 不满足自由扭转条件时，产生约束扭转。 单位扭转角不为常数。外扭矩产生翘曲扭矩Mw和自由扭矩Mk, Mw产生翘曲扭转正应力sw和剪应力tw， Mk产生剪应力tk。,平衡微分方程和临界弯矩,5、受弯构件的弯扭平衡方程和临界弯曲扭转,支承条件变化的影响：,截面形式和荷

54、载作用的变化：,受弯构件整体稳定的计算 基本公式： 受弯构件可以不进行整体稳定计算的情况： 足够刚度的铺板（钢筋混凝土板和钢板）铺设并牢固连接于梁上翼缘，能有效阻止梁侧向变形； 梁侧向支撑点足够、支撑点间自由长度较小。,受弯构件中板件的局部失稳临界应力 受压翼缘的局部稳定 均匀受压 三边简支一边自由， 工字形截面，k=0.425；箱形截面，k=4.0。,6、受弯构件中板件的局部稳定,腹板的局部稳定 （1）不均匀压力作用下 k取决于板边缘最大最小压应力比 a 和板长宽比 b。,（2）受均匀剪力作用时 屈曲时呈45o斜向鼓出。,（3）受单边横向压力作用时,弯曲正应力、局部应力和剪应力单独作用下的临

55、界应力 ：,弯曲正应力、局部应力和剪应力联合作用下的临界应力：,受弯构件局部失稳的设计准则 （1）工字形截面翼缘： （2）工字形截面腹板：刚度要求,防止板件局部失稳的途径加劲肋及其配置,减小腹板 h 强度刚度不能满足要求 ； 减小翼缘 b 整体稳定不能满足要求； 增大 t 增加自重； 设置加劲肋 经济合理。 横向加劲肋、纵向加劲肋、短加劲肋,确定加劲肋类型、计算加劲肋间距 验算区隔腹板的局部稳定直接验算法 加劲肋设计,当 时，不发生局部失稳，可不配置加劲肋。 时按构造配横向加劲肋； 当 时，发生剪切应力下局部失稳， 减小lmax可有效提高tcr 配置横向加劲肋； 当 时，弯曲应力和剪切应力下发

56、生局部失稳， 减小h0才能提高scr 在受压区配置纵向加劲肋， 同时配置横向加劲肋作为纵向加劲肋的支座。 梁的支座和上翼缘受较大集中力处应配置支座加劲肋。,确定加劲肋类型,分区隔验算腹板,仅用横向加劲肋加劲（弯曲正应力+局部压应力+剪应力）：,(1) 任意值时， ，以 时以一个半波失稳,时，可能以一个半波也可能两个半波失稳，,较大时，以一个半波失稳，,较小时，以两个半波失稳，按情况1，取a/2代替a,(2),同时用横向加劲肋和纵向加劲肋加劲 （弯曲正应力+局部压应力+剪应力）：,# 区格I (均匀受压+局部+剪),# 区格II (弯曲受压+局部+剪),同时用横、纵向加劲肋和短加劲肋加强的腹板：

57、,按区格I 和区格II分别计算，区格长度为a1。,加劲肋应进行验算、满足构造措施！,加劲肋设计 可单侧或两侧成对布置，支座处和考虑屈曲后强度的加劲肋应两侧布置。 横向加劲肋 两侧布置时，外伸宽度 ，厚度 单侧布置时，外伸宽度 ，厚度 纵向加劲肋 布置在计算高度h0/5h0/4处，应满足 同时配置纵横加劲肋时，横向加劲肋尚需满足,避免焊缝集中和交叉，开切口40 x60。 角钢和型钢等也可作加劲肋，截面及截面惯性矩不小于钢板值。,支承加劲肋端部刨平抵紧，验算加劲肋的稳定性和局部承压： 稳定： 局部承压：,刨平抵紧,焊接,考虑屈曲后强度的截面承载力,受弯构件的挠度计算 正常使用极限状态要求： 因为在正常使用状态，荷载小于极限状态时的值，结构一般处于弹性状态，d 可按弹性方法进行计算。 受弯构件的