钢结构基本原理课件

1、钢结构基本原理,第一章 绪论 第二章 钢结构材料 第三章 钢结构连接 第四章 轴心受力构件 第五章 受弯构件 第六章 拉弯与压弯构件,第一章 绪 论,第一节 钢结构的特点与应用范围 第二节 钢结构的设计计算方法 第三节 钢结构课程的学习方法,美国世界贸易大厦,两座塔楼110层的塔楼（北楼高417m，南楼高415m ）组成，采用框筒体系。外圈为密柱深梁型框筒，由240根钢柱组成，柱距为1.02米；内中核心区为47根钢柱形成的框架；,撞机1（首先撞击北楼）,撞机2（约18分钟撞击南楼）,倒塌瞬间,上海金茂大厦,建筑高度420.5米，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。,香港中国银行,钢骨钢筋混

2、凝土角柱，横梁及斜撑为钢结构,东方明珠,东方明珠电视塔,东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，以其468米的高度成为亚洲第一高 塔。她于1991年3月开始建造，1994年11 月完工，总重量达12万吨，总投资8.3亿元人民币。 东方明珠塔由三根直径为九米的擎天立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。,鸟巢,鸟巢,容纳8万人，平面为椭圆形,长轴340m,短轴292m。屋盖中间有一个146m76m的开口,国家大剧院,外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285m，最低-32.5m。整个网壳外环绕人工湖（35500m

3、2）,各种通道及入口均设在水下 。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计 ，整体结构用钢量达6750t，195kg/m。,索穹顶结构,汉城奥运会体操馆,亚特兰大佐治亚穹顶 用钢量不到30 kg /m2,重型厂房结构,西安变压器厂（400t吊车）,容器和其他构筑物,陕西铜川天然气公司 1000立方米天然气球罐,大连西太平洋石化有限公司 1500立方米CF-62钢球罐,轻钢结构,第二节 钢结构的设计计算方法,结构设计规范建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068）规定：结构的可靠度应采用以概率论为基础的极限状态设计方法分析确定。 钢结构和其他建筑结构一样，遵循“统一标

4、准”要求，采用的也是以概率论为基础，用分项系数表达的极限状态设计方法。 极限状态设计方法，在其他课程（如钢混结构、建筑荷载等），对此以作详细介绍，。 应掌握以下概念：结构的极限状态；结构的基本功能要求；结构的可靠度；失效概率；荷载及强度的标准值与设计值。,第三节 钢结构课程的学习方法,根据教学大纲要求，课程只讲钢结构的基本构件、基本原理部分，即前面六章内容； 本课程的特点是：大家对钢结构的感性认识少，结构构造复杂，理论性强（特别是稳定理论）； 受课时限制，不能过多的详解例题，一定要记好笔记，从机理理解一些理论问题，加强课前预习与课后复习； 多作习题与思考题，避免眼高手低。 参考教材： 1）夏志

5、斌：钢结构-原理与设计，浙江大学 2）沈祖炎 陈扬骥 ：钢结构基本原理 ，同济大学,第二章 钢结构材料,第一节 建筑钢结构对材料的要求 第二节 钢材的主要性能测试 第三节 影响钢材性能的主要因素 第四节 复杂应力状态下的屈服条件 第五节 钢材的疲劳 第六节 建筑结构用钢的种类及选择,第一节 建筑钢结构对材料的要求,建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。 1、较高的强度：结构承载力大，所需截面小，结构的自重轻； 2、较好的塑性及韧性：塑性好，破坏前变形明显，不易发生脆性破坏，同时可以调整局部高峰应力，内力重分布；韧性好，利于承受动力荷载，避免发生裂纹和脆性断裂； 3、良好的加工性能：不因加工对结

6、构的强度、塑性、韧性造成较大的不良影响； 4、其他性能：具有适应低温、高温和抵抗腐蚀的性能； 钢结构设计规范GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。,三、韧性冲击韧性 1、定义：动力性能，钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力，即抵抗冲击荷载的能力； 2、计算：断口（单位面积上）的功即为冲击韧性； 3、试件类型：夏比（V形）和梅氏（U形） 4、温度的影响：温度越低，冲击韧性越低；按常温（20）、零温（0） 、负温（-20、-40）四档区分。,冲击韧性测量实验,四、冷弯性能 1、定义：在冷加工过

7、程中产生塑性变形（弯曲变形）时，对产生裂纹（分层）的抵抗能力。 2、两个参数：弯心直径d和弯曲角度180； 3、意义：判别钢材塑性变形能力及冶金质量（颗粒结晶及非金属杂质分布）的综合指标。 4、对象：对需进行冷加工、尤其是焊接结构焊接变形需要进行调直和调平的构件。,一、化学成份的影响 基本成份：铁（Fe) 有益元素：碳（C）、硅（Si）、锰（Mn） 有害元素：硫（S）、磷（P）、氮（N）、氧（O） 1、碳（C） 碳是形成钢材强度的主要成分； C强度塑性、韧性、可焊性、冷弯性能 焊接结构应控制在0.20%。,2、锰（Mn）：提高强度但不过多降低塑性和冲击韧性； 脱氧作用，但属于弱脱氧剂； 消除硫

8、对钢的热脆影响； 锰可使钢材的可焊性降低，故含量有限制。 3、硅（Si）： 有脱氧作用，是强脱氧剂。 使钢材的粒度变细，控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性； 过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。 4钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti) 使钢材晶粒细化； 低合金钢的合金元素； 提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。,5、硫(S) 生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接时易出现裂纹，称为热脆。 降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。 6磷(P) 碳素钢中的杂质，在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时使钢减少塑性。 但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。 7氧(O)、氮(N

9、) 氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈； 氮能使钢冷脆，与磷相似。 在浇铸过程中，应根据需要进行不同程度的脱氧处理。,二、 成材过程的影响 1冶炼 平炉炼钢 氧气顶吹转炉炼钢：投资少、建厂快、生产效率高、原料适应性大 电炉炼钢 2浇铸 特殊镇静钢 镇静钢：硅强脱氧剂；晶粒较细，强度高，塑性韧性好，可焊性好 半镇静钢 沸腾钢：锰弱脱氧剂，CO溢出；构造和晶粒粗细不均匀，塑性、韧性和可焊性较差,3轧制 轧制能使金属的晶粒变细，气泡、裂纹等焊合，能改善钢材的力学性能。 薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高； 浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止层间撕裂。

10、 三、钢材缺陷的影响 1、偏析：化学成分不一致和不均匀性，尤其是硫磷偏析； 2、非金属夹杂：硫化物和氧化物等杂质； 3、裂纹：微观和宏观的裂纹都将使钢材的冷弯性能、韧性和疲劳强度降低； 4、分层：沿厚度方向形成并不相互脱离的层间。垂直厚度方向强度不影响，冷弯性能降低，分层容易被锈蚀。,四、钢材硬化的影响 1、冷作(应变)硬化：冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，强度提高，但减小了塑性和韧性。 2、时效硬化：钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆，又称“老化” 3、应变时效：冷作硬化加时效硬化。 不管哪一种硬化都将降低钢材的塑性和韧性，

11、所以普通钢结构中一般不利用硬化现象所提高的强度；对于有些重要结构要求对钢材进行特殊处理，以消除或减轻硬化的不利影响。,钢材硬化示意图,五、温度影响 随着温度的升高，钢材强度降低，变形增大；随着温度降低，强度增高但塑性和韧性降低，材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。 当温度降至某一数值时，钢材的韧性突然降低，称为低温冷脆现象。,在结构设计中要求避免完全脆性破坏，所以结构所处温度应大于脆性转变温度T1。,六、应力集中 概念：当截面完整性遭到破坏，如有裂纹(内部的或表面的)、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突然改变时，构件中的应力分布将变得很不均匀。在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出

12、现高峰应力的现象称为应力集中。 力学特点：构件变化愈急剧，高峰应力愈大，塑性下降愈严重，脆性破坏危险愈大。,第四节 复杂应力状态下的屈服条件,复杂应力状态下的屈服准则：复杂应力状态下单位体积的单元体发生畸变时的变形能与单向拉伸时单位体积的单元体屈服时的畸变应变能量相等，则该复杂应力状态的单元体达到屈服；,复杂应力状态下单位体积单元体变形能：,单向受力状态下单位体积单元体变形能：,单向受力达到屈服时单位体积单元体变形能：,令,则,记折算应力,进一步讨论 （1）三向同号应力作用下，折算应力很小，不易屈服，没有明显的塑性变形，属于脆性破坏；反之，当存在异号应力时，钢材易屈服而进入塑性状态，呈塑性破坏

13、。 （2）平面应力：今后判断复杂平面应力是否屈服的公式； （3）平面纯剪时，fvy，剪切屈服点。,（1）当 时，钢材未屈服； （2）当 时，钢材屈服；,1、概念：在连续反复荷载作用下，当应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度，钢材发生疲劳破坏；属于脆性破坏2、实质：微观裂缝在多次重复荷载作用下，微细裂缝缓慢发展到削弱原有截面，使构件或连接件因净截面强度不足而突然破坏。3、疲劳强度：取决于应力集中、残余应力和应力循环次数。4、验算对象：（1）出现拉应力；（2）循环次数大于5万。,第五节 钢材的疲劳,完全对称循环( -1) 静荷载作用( +1),脉冲循环( 0) 一般应力循环(-1+1),5、应力循环：

14、 应力比值 常幅应力循环 变幅应力循环,6、疲劳验算,：对焊接结构为应力幅 maxmin；对非焊接部位为折算应力幅 max0.7min ，应力以拉为正，压为负； ：常幅疲劳的容许应力幅：,式中C，查表系数。容许应力幅与循环次数和应力集中程度有关，次数越多， 越小；构件和连接所属的类别越高，其应力集中程度越严重，容许应力幅越小。,第七节 钢材的种类和选择,一、建筑钢材的类别,1、碳素结构钢 牌号表示： 质量等级据化学成分及冲击韧性分为A、B、C、D四级； 脱氧程度 冲击韧性,2、低合金高强度结构钢 在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素使钢的强度明显提高，故称低合金高强度结构钢。 Q345、Q39

15、O和 Q420 是钢结构设计规范规定采用的钢种。其符号的含义和碳素结构钢牌号的含义相同。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。 低合金高强度结构钢一般属于镇静钢，因此牌号中不注明脱氧方法。,二、 钢材的选择,1. 结构或构件的重要性； 2. 荷载性质（静载或动载）； 3. 连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）； 4. 工作条件（温度及腐蚀介质）。 Q235A 钢的保证项目中，碳含量、冷弯试验合格和冲击韧性值并未作为必要的保证条件，所以只宜用于不直接承受动力作用的结构中。当用于焊接结构时，其质量证明书中应注明碳含量不超过 0.2%。,三、型钢规格 1热轧钢板 热轧钢板分厚板及薄板两种，厚

16、板的厚度为4.560mm(广泛用来组成焊接构件和连接钢板)，薄板厚度为0.354mm(冷弯薄壁型钢的原料)。在图纸中钢板用“-厚 x 宽 x 长（单位为毫米）” ，如：-12 x800 x 2100等。 2热轧型钢 角钢 有等边和不等边两种。等边角钢，以边宽和厚度表示，如 L100 x10为肢宽 100 mm 、厚 10mm 的等边角钢。不等边角钢，则以两边宽度和厚度表示，如 L100 x 80 x10 等。,槽钢表示法如 30a ，指槽钢外廓高度为 30cm 且腹板厚度为最薄的一种； 工字钢表示法如 I 30a ，指槽钢外廓高度为 30cm 且腹板厚度为最薄的一种； H 型钢分为三类：宽翼缘

17、 H 型钢（ HW ）、中翼缘 H 型钢（ HM ）和窄翼缘 H 型钢（ HN ）。 表示方法如：HW300 x300 ，即为截面高度为 300mm ，翼缘宽度为 300 mm 的宽翼缘 H 型钢。 剖分 T 型钢分为三类，即：宽翼缘剖分 T 型钢（ TW ）、中翼缘剖分 T 型钢 ( TM ）和窄翼缘剖分 T 型钢( TN ）。剖分 T 型钢系由对应的 H 型钢沿腹板中部对等剖分而成。表示方法与 H 型钢类同。,3、冷弯薄壁型钢 用 26mm 厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材，所用钢板厚度为 0.42mm ，用做轻型屋面等构件。,第二章 作业 2-4 简述引

18、起钢材脆性破坏的因素。,第三章 连 接,分成工厂连接、工地连接 连接方法：焊接、铆接、螺栓连接、销钉,（a）焊接连接；（b）铆钉连接；（c）螺栓连接,第一节 钢结构的连接方法,第二节 焊接方法简介,分类：电弧焊、气焊和电阻焊等 原理：利用电弧产生的热能使连接处的焊件钢材局部熔化，并添加焊接时由焊条或焊丝熔化的钢液，冷却后共同形成焊缝使两焊件连成一体。 焊缝与空气的隔离：焊接过程中如果焊缝直接与空气接触，那么空气中的氧、氮等气体会进入焊缝而使焊缝变脆。,1、手工电弧焊： 原理： 特点：适用于各种焊接位置 药皮： 焊条型号与焊件母材钢号的匹配： Q235（E43型焊条） Q345（E50型焊条）

19、Q390和Q420（E55型焊条）； 不同强度钢材焊接的焊条选择？,2、自动（半自动）埋弧焊： 特点：效率高，熔化深度大、质量好，塑性韧性好，焊接变形小，热影响区范围小；适用于长而直的焊缝 焊剂层：,3、气体保护焊： 原理同埋弧焊，只是改用利用CO2作为保护介质； 速度快，焊件熔深大、焊接质量好； 周围风速不能太大。,表2 各种焊接方法的特点,第三节 焊接结构特性和焊缝连接形式,一、焊接结构的特性： 焊接结构优点： 1、不需要钻孔，截面无削弱，不需要额外的连接件，构造简单；从而省工省料，得到经济的效果。 2、密封性好、刚度和整体性都较大,第三节 焊接结构特性和焊缝连接形式,焊接结构的缺点： 1

20、、存在热影响区：各部分温度不同，其金相组织及性能也发生变化，有些部分晶粒变粗。硬度加大而塑性与韧性降低，易导致材料变脆。 2、存在各种缺陷：裂纹、边缘未熔合、根部未焊透、咬肉、焊瘤、夹渣、气孔等。 3、焊接结构刚度大，个别存在的局部裂纹易扩展到整体 4、存在残余应力 5、存在残余变形,第三节 焊接结构特性和焊缝连接形式,减小不利影响措施： 1、材料选用：注意化学成分、力学性能、可焊性等 2、焊缝设计：注意尽量减少应力集中和焊接残余应力、残余变形 3、焊接工艺：选择正确焊接参数，严格按已制定的焊接工艺实施操作 4、焊工技术：注意对焊工的定期考核 5、加强焊缝检验：按照规范进行检查和验收,第三节

21、焊接结构特性和焊缝连接形式,平接（对接） 搭接 T形连接 角部连接 十字形接头,二、焊接接头的形式和焊缝的类别,焊缝类别,焊缝类别,对接焊缝,角焊缝,1、对接焊缝： （一）特点：传力直接、焊缝受力明确，不产生应力集中； （二）分类： 1）直缝：作用力方向与焊缝方向正交 2）斜缝：作用力方向与焊缝方向斜交,（三）构造要求 1）坡口形式：根据板厚和施工条件选择 板厚 （1）t20mm：U、K、X形；,（a）I形缝； （b）带钝边单边V形缝； （c）V形缝,（d）U形； （e）K形缝； （f）X形缝,g）加垫板的I形缝 h）加垫板的带钝边单边V形缝 i）加垫板的V形缝,施工条件： 为保证施工质量，当

22、一侧施焊完毕后，常需翻过来在反面清除根部后进行一次补焊，如无条件，则应在正面施焊时在焊缝的根部加设临时垫板；,（一） 特点：无需坡口，构造较对接焊缝简单 （二）按受力与焊缝方向分： 1）端缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直 2）侧缝：作用力方向与焊缝长度方向平行,2、角焊缝,（三）截面形式: 直角角焊缝 斜角角焊缝,a) 普通焊缝 b）平坡焊缝 c）深熔焊缝,其他形式：塞焊缝、槽焊缝、点焊缝,三、焊接位置 根据所持焊条与焊缝的相对位置： a）俯焊（平焊）、b)立焊、c)横焊、d）仰焊；,其中以俯焊施工位置最好，所以焊缝质量也最好；仰焊最难操作、质量不易保证；,第四节 焊缝代号 作用：表明焊缝形式

23、、尺寸和辅助要求 表示方法：指引线、基本符号，必要时加上辅助符号、补充符号和焊缝尺寸； 指引线：基准线（一实一虚）和箭头线； 基本符号：表示焊缝的形状,常用焊缝基本符号,4.5对接焊缝的计算和构造 一、对接焊缝的计算 1、对接焊缝的有效截面 （1）设置引弧板：焊缝的有效长度为焊件宽度 （2）无法设置引弧板：焊缝的有效长度为 -2t （考虑焊缝起弧和灭弧处有缺陷）,4.5对接焊缝的计算和构造 2、对接焊缝强度设计值 （1）焊缝质量： I、II、 III级 压剪：焊缝和焊件等强；不需计算焊缝强度 拉： I、II级焊缝和焊件等强，不需计算焊缝强度； III级：0.85f（母材强度），计算焊缝强度。

24、（2）施工条件较差的高空安装焊缝，强度设计值乘以折减系数0.9；对无垫板的单面施焊对接焊缝，强度设计值乘以折减系数0.85,3、对接焊缝计算,（1）轴心受力的对接焊缝 N（lwt）fwt,当 时，斜焊缝与钢等强。 我国规范规定，当 时，焊缝强度可不计算。具体设计时通常取45,（2）受弯、受剪的对接焊缝计算 最大应力值验算 max MWw fwt maxVS（Iwt） fwV,焊缝为矩形截面,焊缝为工字形截面,折算应力验算,考虑到最大折算应力只发生在局部个别点，所以将强度设计值适当提高10。,二、对接焊缝构造要求: （1）对接焊缝要求焊透 （2）厚度或者宽度不同时：一定坡度使截面平缓过渡；,（3

25、）当采用对接焊缝拼接钢板时，可采用十字交叉或T形交叉缝。,算例5,如图所示焊接工字形梁仅在腹板上设一道对接拼接焊缝，钢材采用Q345，手工焊，焊条E50，拼接处弯矩M2600kNm，剪力V244kN，设置引弧板，质量等级三级，试验算强度。,验算内容： （1）最大应力验算 （2）折算应力验算,（1）焊缝所处截面的惯性矩： 上翼缘对x轴的面积矩： 上半截面对x轴的面积矩：,（2）焊缝最大应力验算：,（2）折算应力验算：腹板与上翼缘交界点 折算应力：,（四）应力分布 1、侧面角焊缝：应力分布不均匀，两端大中间小，焊缝越长，不均匀分布越显著；由于塑性变形，破坏前趋于均匀。,2、正面角焊缝：截面受力状态

26、较为复杂；,3、正面角焊缝与侧面角焊缝力学性能比较,（1）正面角焊缝强度和刚度都高于侧面角焊缝； （2）侧面角焊缝塑性性能较正面角焊缝好。,（五）角焊缝构造要求,1、焊脚尺寸hf 最小焊脚尺寸：对手工焊，hf应不小于 ，tmax为较厚焊件的厚度；对自动焊，可减小1mm； 最大焊脚尺寸：不大于较薄焊件厚度的1.2倍。,板件边缘的焊缝，当t 6mm时，hf t；当t6mm时，hf t (12)mm。,2、焊缝长度 lw 太短：使焊缝起弧点和落弧点太近，焊缝端部易坍塌； 不宜小于8hf或40 mm,太长：侧面角焊缝沿长度方向应力分布不均，两端大中 间小，过长则可能使两端先破坏； 不宜大于60hf 3

27、、其他构造要求：P42-43,第四节 焊缝强度计算,角焊缝强度计算 对接焊缝强度计算,一、角焊缝强度计算,（一）角焊缝强度计算公式,角焊缝承受三个方向力：,可得角焊缝计算的基本公式为,仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时,仅有一垂直于焊缝长度方向的轴心力时,同时有平行和垂直于焊缝长度方向的轴心力时,注意环节： 1、计算长度：考虑起弧和落弧由实际长度减去2hf； 2、一般只考虑一个垂直于焊缝长度方向的力； 3、 强度设计增大系数： 4、正应力和剪应力的正确理解； 角焊缝强度计算步骤 1、根据构造要求初定焊接尺寸hf； 2、确定总的有效面积，需考虑多条焊缝； 3、分别求解平行于焊缝长度方向的应力 和垂

28、直于焊缝长度方向的应力 ，然后代入公式计算。,（二）受轴心力作用的拼接板连接,1、仅侧面角焊缝,强度验算：,承载力验算：,算例1,如图所示两块板厚t14mm的板采用上下两块盖板（板厚t8mm）连接，钢材采用Q235，手工焊，焊条E43，承受静态轴心力N500KN，已知端缝长度为Lw1400mm，侧缝长度为Lw2300mm，根据下列情况设计焊缝： （1）仅有侧面角焊缝； （2）仅有正面角焊缝；,解： 根据构造要求焊角尺寸 hf 1.2x8 t-(12) 所以取hf=6mm,（1）仅有侧面角焊缝；,（二）受轴心力作用的拼接板连接,2、仅正面角焊缝,强度验算：,承载力验算：,算例1,如图所示两块板厚

29、t14mm的板采用上下两块盖板（板厚t8mm）连接，钢材采用Q235，手工焊，焊条E43，承受静态轴心力N500KN，已知端缝长度为Lw1400mm，侧缝长度为Lw2300mm，根据下列情况设计焊缝： （1）仅有侧面角焊缝； （2）仅有正面角焊缝；,解： 根据构造要求焊角尺寸 hf 1.2x8 t-(12) 所以取hf=6mm,（2）仅有正面角焊缝；,3、三面围焊时：先计算正面角焊缝受力N1，剩余的N-N1由侧面角焊缝承担。（一般采用连续焊接，即hf相等）,1）正面角焊缝承担内力N1 ：,2）剩余的N-N1由侧面角焊缝承担：,（三）受轴心力作用的角钢连接,1、当用侧面角焊缝连接时:两面侧焊,肢

30、背 N1=e2 N /（e1+e2）=K1 N,肢尖 N2=e1 N /（e1+e2）=K2 N,肢背、肢尖焊缝强度验算,2、三面围焊时：先计算正面角焊缝受力N3，剩余的N-N3由侧面角焊缝承担。,1）正面角焊缝承担的力 N3 =0.7hflw3f ffw,2）侧面角焊缝承担的力,肢背 N1 =e2 N /（e1+e2）N3 /2=K1 NN3 /2,肢尖 N2 =e1 N /（e1+e2）N3 /2=K2NN3 /2,3）肢背、肢尖焊缝强度验算,算例2,如图所示某桁架腹杆采用角钢2L140X10，用角焊缝三面围焊与节点板连接，钢材采用Q235，手工焊，焊条E43，承受静态轴心力N1170KN

31、，已知焊角尺寸hf8mm，肢背焊缝长度Lw1400mm，肢尖焊缝长度Lw2250mm，验算焊缝连接是否安全：,（四）弯矩作用下的焊缝强度计算,1、确定焊缝有效截面； 2、计算焊缝的有效截面模量； 3、计算弯曲正应力：,（五）弯矩、剪力和轴心力共同作用,算例3,验算如图所示牛腿与钢柱连接角焊缝强度。钢材采用Q235，手工焊，焊条E43，N300KN，V200KN，e100mm，已知焊角尺寸hf8mm，焊缝长度Lw400mm。,剪力V产生,弯矩MVe产生,轴力N产生,焊缝强度验算：,（六）扭矩作用下的焊缝,基本假定 （1）被连接构件是绝对刚性的，而焊缝则是弹性的； （2）被连接板件绕角焊缝有效截面

32、形心o旋转，角焊缝上任一点的应力方向垂直于该点与形心o的连线，应力的大小与其距离r的大小成正比。,基本步骤： （1）求解JIxIy； 焊缝形心求解； （2）求解扭转应力 （3）求解垂直于和平行于焊缝长度方向的应力分量： （4）代入角焊缝强度验算公式：,（七）扭矩、剪力和轴心力共同作用,角焊缝计算思路： 1、根据荷载情况明确角焊缝参数，包括焊角尺寸hf、焊缝长度lw、截面模量w、惯性矩等； 2、分别求解各种荷载工况下的截面应力； 3、求解垂直于截面和平行于截面应力，应力合成，代入计算公式,算例4：p54，例35,（三）部分焊透的对接焊缝 应用：联系或是临时连接 坡口形式：按角焊缝计算,一、焊接应

33、力的分类,纵向焊接应力,第五节 焊接应力和焊接变形,横向焊接应力 （1）纵向收缩（2）横向收缩,横向焊接应力,厚度方向的焊接应,约束状态下施焊时的残余应力,二、焊接应力对结构性能的影响,对结构静力强度的影响：承载力没有影响,对结构刚度的影响：塑性部分没法提供刚度，刚度降低,对低温冷脆的影响：两向或者三向应力，变脆,三、 焊接变形,残余变形形式,四、合理的焊缝连接设计,焊缝尺寸（焊脚和焊缝长度）要适当，采用细长焊缝 合理选择焊缝形式：如T形和十字形接头选用对接与角接组合焊缝 焊缝不宜过分集中（图a）、应尽量避免三向焊缝交叉（图b） 焊条易达到（图d），避免仰焊,第5章 钢结构的紧固件连接,5.1

34、 概述 分类： 普通螺栓 高强螺栓,精制螺栓：A级和B级，5.6级和8.8级 粗制螺栓：C级，4.6级和4.8级,摩擦型螺栓：板件间的摩擦力为极限状态； 承压型螺栓：摩擦力先被克服，直至螺杆剪切或者孔壁承压破坏；,螺栓孔类别,连接类型,抗剪连接： 抗拉连接： 同时抗剪抗拉连接：,5.2 螺栓连接的排列和构造要求,排列方式： 并列：简单整齐 错列：紧凑,排列要求 受力要求：钢板端部剪断，端距不应小于2d0； 受拉时，栓距和线距不应过小； 受压时，沿作用力方向的栓距不宜过大； 构造要求：边距和中距不宜过大，否则接触面不紧密，潮气入侵造成锈蚀； 施工要求：有一定的施工空间，便于转动扳手拧紧螺帽。,角

35、钢上排列螺栓要求,热轧工字钢和热轧槽钢上的要求,孔、螺栓图例,传力方式： 抗剪螺栓：螺栓杆抗剪和螺栓杆对孔壁承压传递剪力； 抗拉螺栓：螺栓杆承受沿杆长方向的拉力； 同时抗剪、抗拉螺栓:,5.3 普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的工作性能,一、抗剪螺栓,1、破坏形式：螺栓杆剪断；孔壁压坏；板被拉断；板端被剪断；螺栓杆弯曲；块状拉剪破坏：,二、抗拉螺栓连接 1、受力性能：,撬力现象： 有效面积：,一、单个承载力设计值,抗剪承载力设计值：,承压承载力设计值：,(a) 单剪 (b) 双剪 (c) 四剪面,一个抗剪螺栓的承载力设计值应取上面两式的较小值,5.4普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的计算,

36、说明： 1、d：普通螺栓取螺杆直径（试验方法原因） 高强度螺栓承压型连接时，如在螺纹处按有效面积进行 2、受压面积取值：实验时的假定 3、注意每个剪切面受力大小,一、单个承载力设计值,抗拉承载力设计值：,3、普通螺栓的抗剪连接计算,1）轴心力作用下的抗剪计算 螺栓强度,板件净截面强度,净截面面积An,（1）并列 N1=N； N2 =N(n1/n) N ；N3 = N (n1+n2)/n N 对被连接板：An=t (bn1d0) 对拼接板： An =2t1 (bn3d0),（2）错列:,算例6,如图所示某钢板的搭接连接，板件厚t16mm，宽b240mm，拼接板t17mm，采用C级螺栓M22，孔径

37、d023.5mm，承受轴心力N500kN，钢材采用Q235，试设计该连接。,抗剪承载力设计值：,承压承载力设计值：,抗剪螺栓的承载力设计值,板件净截面强度:,抗剪螺栓数： 取螺栓数n6,2）扭矩作用下的抗剪计算 基本假定, 被连接构件是绝对刚性的，而螺栓则是弹性的；, 各螺栓绕螺栓群形心o旋转，其受力大小与其至螺栓群形心o的距离r成正比，力的方向与其至螺栓群形心的连线相垂直。,平衡条件：,根据螺栓受力大小与其至形心o的距离r成正比条件,则,或,验算,3）螺栓群在扭矩、剪力和轴心力作用下的抗剪计算,在扭矩T作用下，螺栓1 受力为,在剪力V和轴力N作用下，螺栓均匀受力：,则螺栓1受的最大剪力N1应

38、满足：,例题7 p74 例题39,二、抗拉螺栓连接 1、受力性能：,撬力现象： 有效面积：,2、螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算,或者,3、螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算,假定：中和轴在最下排螺栓处,则,4、M、N共同作用（偏心受拉）螺栓计算,(1) 小偏心受拉： 所有螺栓均承受拉力，接触面有相互脱离的趋势，不存在受压区，螺栓群形心为中和轴，弯距产生应力分布呈三角形分布，叠加轴心力后螺栓全受拉。,（1）,（2）,yes,小偏心受拉,no,大偏心受拉,(2)大偏心受拉： 当偏心距较大时，板端出现受压区，则近似取中和轴位于最下排螺栓处（同纯弯）。,偏心受拉螺栓计算步骤： （1）计算螺栓抗拉承载力： （

39、2）判断大、小偏心受拉： （3）假如小偏心，则根据公式验算安全： （4）假如大偏心，则根据公式验算安全：,例题8：如图所示某一屋架节点，C级螺栓，M20，5排螺栓，间距为100mm，Q235BF钢，偏心力P200kN，偏心距e80mm，验算连接；,（2）判断大、小偏心受拉,所以属于小偏心受拉,（1）抗拉承载力计算：,三、螺栓群同时受剪力和拉力的计算,螺栓不发生拉剪破坏：,板不发生承压破坏：,（1）支托仅起安装作用： 螺栓群受力为M=Ve和剪力V，则,例题9：P80，例题3-12,（2）支托承受剪力： 螺栓群只承受弯矩M=Ve作用，则,支托与柱翼缘的角焊缝验算：,为考虑剪力V偏心对角焊缝的影响，

40、取1.251.35,第八节 高强螺栓连接的计算,一、概述 分类：摩擦型与承压型 受力特性：抗剪连接时摩擦型以板件间最大摩擦力为承载力极限状态；承压型允许克服最大摩擦力后，以螺杆抗剪与孔壁承压破坏为承载力极限状态（同普通螺栓），所以承载力大于前者。 高强螺栓的材料与强度等级 由高强材料经热处理制成，按强度等级分10.9与8.8级。 10.9级：一般为20MnTiB、40Cr等材料， fu1000N/mm2， fy/fu0.9； 8.8级：一般为35号、45号钢和40B钢制成， fu800N/mm2， fy/fu0.8。,1、高强螺栓连接的预拉力,施加方法：扭矩法（大六角头型）、扭剪法（扭剪型）

41、预拉力设计值：高强度螺栓预拉力设计值按材料抗拉强度和螺栓有效截面积确定，取值时考虑： 螺栓材质的不均匀性，引入折减系数0.9； 施加预应力时为补偿预拉力损失超张拉5%10%，引入折减系数0.9； 在扭紧螺栓时，扭矩使螺栓产生的剪力将降低螺栓的抗拉承载力，引入折减系数1/1.2； 钢材由于以抗拉强度为准，引入附加安全系数0.9。,2、高强螺栓连接摩擦面抗滑移系数 滑移系数与处理方法和构件的钢号有关，P83表3-10：,二、 高强度螺栓摩擦型连接计算,1、受剪计算,抗剪承载力,连接所需螺栓数,构件净截面强度：需考虑孔前传力的影响（占螺栓传力的50%）,2、受拉计算,抗拉承载力：由于高强螺栓的基本承

42、载力为摩擦力，而摩擦力预压力有关，为保证板件间保留一定的压紧力规范规定：,轴心受拉：,弯矩作用时：板不被拉开，板面始终受压，中和轴在螺栓群形心处（小偏心）；,3、同时承受剪力和拉力连接计算,由于外拉力的作用，板件间的挤压力降低； 抗滑移系数随板件间的挤压力的减小而降低，抗剪承载力也随之减少。,三、高强度螺栓承压型连接计算,破坏状态同普通螺栓，极限承载力由杆身抗剪和孔壁承压决定，摩擦力只起延缓滑动作用，计算方法和普通螺栓相同； (1) 采用承压型高强螺栓设计值 (2) 当剪切面在螺纹处时，公式中d 改用有效直径de,1、抗剪计算,2、抗拉计算：同普通螺栓,3、同时受剪和受拉计算：同普通螺栓,算例

43、10,如图所示某钢板采用高强度螺栓的搭接连接，板件厚t16mm，宽b240mm，拼接板t18mm，孔径d021.5mm，承受轴心力N600kN，钢材采用Q235，8.8级M20螺栓，摩擦面为喷砂后生赤锈，试分别按摩擦型和承压型设计该连接。,（1）摩擦型 查表,螺栓数 取n6,净截面强度验算：,（2）承压型,螺栓数 取n4,净截面强度验算：,算例11 P87 例题3-14,本章总结,1、焊缝连接计算 2、螺栓连接计算,1.1 角焊缝 1.2 对接焊缝,构造要求：焊角尺寸，焊缝长度 计算公式 荷载工况：轴力、弯距、扭距,2.1 普通螺栓 2.2 高强螺栓,抗剪螺栓： 抗拉螺栓： 同时抗剪、抗拉螺栓

44、：,第四章 轴心受力构件,第一节 轴心受力构件强度和刚度 第二节 实腹式轴心受压构件的弯曲屈曲 第三节 实腹式轴心受压构件的局部屈曲 第四节 实腹式轴心压杆设计 第五节 格构式轴心受压构件设计 第六节 柱头和柱脚 第七节 钢索简介,轴心受拉构件,轴心受压构件,1、分类,第一节 轴心受力构件强度和刚度,2、截面类型：,实腹式,格构式,3、应用：网架、索杆体系、塔架、桁架、柱等,3.塔架,1.桁架,2.网架,实腹式截面,热轧型钢,冷弯薄壁型钢,组合截面,格构式截面:由两个或多个型钢肢件通过缀材连接而成。,一、 强度计算,N 轴心拉力或压力设计值； An 构件的净截面面积； f 钢材的抗拉(压)强度

45、设计值,轴心受压构件，当截面无削弱时，强度不必计算。,二、刚度计算： 保证构件在运输、安装、使用时不产生过大变形,1、受拉构件。,2、受压构件。,1）双轴对称截面,2）单轴对称截面 绕非对称轴： 绕对称轴：采用换算长细比，对于单角钢和双角钢截面可采用简化公式。,第二节 实腹式轴心受压构件的弯曲屈曲,强度破坏：应力超过设计强度；应力针对某个截面,稳定问题：达到某荷载值时变形将急剧增加，过渡到不稳定的状态。 提高稳定性措施：增大截面惯性距；增强约束，减小计算长度； 回转半径： 计算长度： 长细比：,回转半径： 钢材面积相同，哪个回转半径大？哪个稳定性好？ 对工字型界面，钢材面积相同，板件变薄，回转

46、半径增大，整体稳定性增强。,计算长度： 两端约束越大，稳定性越好。 长细比： 长细比越大，稳定性越差,轴压构件三种屈曲形态： 主要研究弯曲失稳 规范对扭转失稳、弯扭失稳 等效成弯曲失稳来进行计算,弯曲屈曲 扭转屈曲 弯扭屈曲,一、理想构件弹性弯曲失稳 根据右图列平衡方程 解平衡方程：得,理想条件： （1）绝对直杆、材料均质、无荷载偏心、无初始应力、完全弹性； （2）不考虑剪力对临界力的影响作用,二、考虑剪力影响后构件的弹性弯曲失稳,总变形 总曲率：弯距曲率剪力产生的附加曲率 剪力曲率： 总曲率：,式中： 表示单位剪力引起的剪切角：,绕实轴：,绕虚轴：,三、实际构件的整体稳定,（1）当N 趋于N

47、E时，挠度无穷大； （2）不管初弯曲多小，承载力总是小于NE （3）初弯曲越大，最终挠度也越大；,1、初始弯曲的影响,几何缺陷：初始弯曲初始偏心,力学缺陷：残余应力,截面屈服： 取v0为L/1000，令0=v0/(W/A)= v0/ i /1000 ， 式中 0相对初弯曲； =W/A截面的核心距； （1）杆件愈细长，值大N 值小，初弯曲不利影响愈大； （2）不同截面形式的比值i/ 是不同的。i/ 值愈大，则截面边缘纤维愈早屈服，初弯曲的不利影响也愈大。,截面回转半径与核心距的比值 由表可见: （1）材料向弯曲轴聚集得多，则i/ 值大。 （2）i/ 值大的截面，表征塑性发展能力的形状系数也比较大

48、。,2、初始偏心的影响 杆轴的挠曲线为： 杆中央的最大挠度为：,（1）当N 趋于NE时，挠度无穷大； （2）初偏心越大，最终挠度也越大； （3）初偏心对短杆影响比较明显，而初弯曲对中长杆影响比较明显；,3、残余应力的影响,产生原因； 影响: 分布规律： 1）短柱试验法： 2）应力释放法：将短柱锯割成条以释放应力，然后测量每条在应力释放后前长度以确定应变；,残余应力对压杆临界荷载的影响,图4.7残余应力对短柱段的影响,对x-x轴屈曲时: 对y-y轴屈曲时:,残余应力对弱轴的影响比对强轴严重得多!,4、杆端约束对轴心受压构件整体稳定性的影响,杆件临界力： 计算长度系数,四、压杆曲线的确定,焊接工字

49、形截面轴心受压柱稳定系数,考虑多种不同截面尺寸，不同残余应力分布，假定L/1000的初弯曲，不考虑荷载的初偏心。计算200多条柱子曲线，选取其中96条。最终用四条代替所有柱子曲线。,五、我国规范的整体稳定计算 缺陷：初始弯曲残余应力； 截面分类：abcd（不同截面类型、屈曲方向和不同加工方法）,a类：轧制圆管和宽高比小于0.8且绕强轴屈曲的轧制工字钢；残余应力影响较小； c类：翼缘为轧制边或剪切边的绕弱轴屈曲的焊接工字形截面和T字形截面；残余应力影响较大，并有弯扭失稳影响； b类：大量截面介于a与c两类之间，属于b类，如翼缘为火焰切割边的焊接工字形截面，因为在翼缘的外侧具有较高的残余拉应力。它

50、对轴心压杆承载力的影响较为有利，所以绕强轴和弱轴屈曲都属于b类；,轴心受压构件的截面分类(板厚t40mm),1、轴心受压构件稳定系数表达式 1）当 2）当,1）钢材品种（即fy和E）；2）长细比；3）截面分类；,稳定系数影响因素：,式中 N 轴心受压构件的压力设计值； A 构件的毛截面面积； 轴心受压构件的稳定系数，取两主轴稳定系数较小者； f 钢材的抗压强度设计值。,2、查表确定轴心受压构件稳定系数：根据截面分类，长细比，屈服强度等参数； 3、整体稳定计算公式：,或者,某焊接工字形截面柱，截面几何尺寸如图。柱的上、下端均为铰接，柱高4.2m，承受的轴心压力设计值为1000kN，钢材为Q235

51、，翼缘为火焰切割边，焊条为E43系列，手工焊。试验算该柱是否安全。,例题1：,例题2：轴心受压构件，Q235钢，截面无消弱，翼缘为轧制边。 已知 问：1、此柱的最大承载力设计值N？ 2、此柱绕y轴失稳的形式？,1、整体稳定承载力计算 对x轴： 翼缘轧制边，对x轴为b类截面，查表有： 对y轴： 翼缘轧制边，对y轴为c类截面，查表有： 由于无截面消弱，强度承载力高于稳定承载力，故构件的 最大承载力为： 2、绕y轴为弯扭失稳,第三节 实腹式轴心受压构件的局部屈曲,组合截面板件的局部屈曲现象：宽厚比太大,一、均匀受压板件的弹性屈曲应力（x单方向受压） 在弹性状态屈曲时，单位宽度板的力平衡方程是： 式中

52、 w 板件屈曲以后任一点的挠度； Nx 单位宽度板所承受的压力； D 板的抗弯刚度，D=Et3/12(12)，其中t是板的厚度， 是钢材的泊松比。,板的挠度为： 板的屈曲力为： 式中 a、b 受压方向板的长度和板的宽度； m、n 板屈曲后纵向和横向的半波数。 当n =1时，,K为板的屈曲系数：,四边简支均匀受压板的屈曲系数,当ab时，减小板的非加载边a的长度不能提高板的临界承载力。 宽厚比b/t为主要影响因素 不同的边界约束条件取不同的屈曲系数；翼缘板对腹板有一定的约束作用，腹板对翼缘板约束作用不大。,1、翼缘的宽厚比： 在弹性阶段： 在弹塑性阶段： 设计规范采用：,二、工字形组合截面板件的局

53、部屈曲,2、腹板的高厚比 ： 设计规范采用：,对于局部屈曲问题，通常有两种考虑方法： 方法1：不允许板件屈曲先于构件整体屈曲，目前一般钢结构就是不允许局部屈曲先于整体屈曲来限制板件宽厚比，包括工字形、H形、T形等截面按此考虑。 方法2：允许板件先于整体屈曲，采用有效截面的概念来考虑局部屈曲对构件承载力的不利影响，箱形截面按此考虑。,一般钢结构板件宽厚比的规定是基于局部屈曲不先于整体屈曲考虑的，根据板件的临界应力和构件的临界应力相等的原则即可确定板件的宽厚比。,某焊接工字形截面柱，截面几何尺寸如图。柱的上、下端均为铰接，柱高4.2m，承受的轴心压力设计值为1000kN，钢材为Q235，翼缘为火焰

54、切割边，焊条为E43系列，手工焊。试验算该柱是否安全。,例题1：,例题3：轴心受压构件，Q235钢，截面无消弱，翼缘为轧制边。 已知 问：1、此柱的局部稳定是否满足要求？,3、局部稳定验算 较大翼缘的局部稳定 满足要求 腹板的局部稳定 满足要求,1.实腹式轴心压杆截面形式,第四节 实腹式轴心受压构件的截面设计,热轧型钢,组合截面,2、设计计算内容： （1）强度： （2）整体稳定： （3）刚度： （4）局部稳定： 宽厚比的验算,3.实腹式轴心压杆的计算步骤 (1)先假定杆的长细比，根据以往的设计经验，对于荷载小于1500kN，计算长度为56m的压杆，可假定=80100，荷载为30003500kN

55、的压杆，可假定=6070。再根据截面形式和加工条件由表4.3知截面分类，而后从附表4-1查出相应的稳定系数 ，并算出对应于假定长细比的回转半径i=l0。,(2)按照整体稳定的要求算出所需要的截面积A=N( f)，同时利用附表3中截面回转半径和其轮廓尺寸的近似关系，ix=1h和iy=2b确定截面的高度h和宽度b，选择型钢型号或者确定组合截面尺寸。 (3)根据选择截面特性验算整体稳定、局部稳定、刚度，当截面有较大削弱时，还应验算净截面的强度。如有不合适的地方，对截面尺寸加以调整并重新计算。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,例4.3 如图所示

56、一管道支架，其支柱的设计压力为N1600kN（设计值），柱两端铰接，钢材为Q235，截面无孔削弱 ，试设计此支柱的截面：用普通轧制工字钢，用热轧H型钢，焊接工字形截面，翼缘板为火焰切割边。,解：支柱在两个方向的计算长度不相等故取图中所示的截面朝向，将强轴顺x轴方向，弱轴顺y轴方向，这样柱轴在两个方向的计算长度分别为,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,1.初选截面,假定 90，对于热轧工字钢，当绕轴x失稳时属于a类截面当绕轴y失稳时属于b类截面。,一、热轧工字钢,需要的截面几何量为,钢结构设计原理 Design Principles of

57、Steel Structure,由附表中不可能选出同时满足A、ix、iy的型号，可适当照顾到A、 iy进行选择，试选I56a ， A135.38cm2、ix=22.01cm、iy=3.18cm.,2、截面验算,因截面无孔削弱，可不验算强度；又因轧制工字钢的翼缘和腹板均较厚，可不验算局部稳定，只需进行刚度和整体稳定验算。,满足要求,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,故整体稳定性满足要求。,附表,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,由于热轧H 型钢可以选用宽翼缘的形式，截面宽度较大，因而长

58、细比的假设值可适当减小，假设=60，对宽翼缘H型钢因b/h0.8，所以不论对x轴或y轴均属类b截面。,1、初选截面,二、热轧H型钢,查附表得,需要的截面几何量为,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,由附表4.2中试选HW250250914 A92.18cm2、ix=10.8cm、iy=6.29cm,2、截面验算,因截面无孔削弱，可不验算强度；又因轧制钢的翼缘和腹板均较厚，可不验算局部稳定，只需进行刚度和整体稳定验算。,故刚度满足要求,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,故整体稳定性满足要求,附表,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,假设60，组合截面一般b/h0.8不论对x轴或y轴均属b类截面。,1、初选截面,三、焊接工字钢,查附表得,需要的截面几何量为,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,查附表对工字形截面,根据h=23cm，b=21cm，和计算的A=92.2cm2， 设计截面如下图。这一步，不同设计者的差别较大。估计的尺寸h、b只是一个参考，给出一个量的概念