钢结构设计基础教程ppt课件.ppt

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1、钢结构教程,第一章 概述第二章 建筑钢材第三章 钢结构的连接第四章 轴心受力构件第五章 梁（受弯构件）第六章 拉弯与压弯构件,Crane 收集 欢迎大家交流,第一章 绪 论,第一节 钢结构的特点与应用第二节 钢结构的设计原理与方法第三节 钢结构的发展第四节 钢结构课程的学习方法,第一节 钢结构的特点及应用,一、钢结构的特点,强度高、重量轻,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，构件较小，重量较轻，便于运输和安装。,质地均匀，塑性和韧性好,钢材质地均匀，各向同性，弹性模

2、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。,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。,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。,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。,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45065

3、0时，强度降为零。因此，钢结构可用于温度不高于250的场合。在自身有特殊防火要求的建筑中，钢结构必须用耐火材料予以维护。当防火设计不当或者当防火层处于破坏的状况下，有可能将产生灾难性的后果。,远眺纽约曼哈顿世贸大楼,绝版纽约世贸中心双子塔,撞击下的世界贸易中心 美国东部时间2001年9月11日上午8时45分，一架起飞重量达160吨的波音767型飞机，直接撞击纽约世界贸易中心北塔；18分钟后，又一架起飞重量为100吨的波音757型飞机，几乎拦腰撞击世界贸易中心南塔。假设两架飞机的起飞重量是满负荷，再考虑两种机型的速度是1000千米/小时，而且以恐怖分子执意为之的心理，这个速度已是下限，那么，在这

4、种条件下，世界贸易中心受到的冲量究竟有多少呢？,根据动量的计算公式P=mv，m是质点的质量，v是该质点的质心速度，质点的动量是矢量，其方向和速度矢量的方向相同。实质上，飞机撞击世界贸易中心是属于物体对障碍物碰撞的现象，我们先看看有关数据：一、北塔所承受767型飞机撞击的动量m=1601000=160000（千克）v=（10001000）3600277.8米/秒P=mv=160000277.8=44448000千克米/秒二、南塔所承受757型飞机撞击的动量m=1001000=100000（千克）v=（10001000）3600277.8米/秒P=mv=100000277.8=27780000千克

5、米/秒 以上数据之巨，可见飞机每一次撞击的力量都是致命的，所以有物理学家说，这种撞击与爆炸，可达1000吨烈性炸药当量，应该是可信的。,南北塔是筒中筒结构，核心是47个电梯井（因分段设置，47个电梯井可容104部电梯），外围是钢柱排列，9层以下的承重外柱间距为3米，9层以上承重外柱间距为1.016米，标准层窗宽仅0.55米，如此密植的钢铁森林，于极高速撞击之下，两架飞机还是全都没入其腹部，甚至撞击南塔那架还穿透整座进深达63.5米的大厦，撞击力量之巨，威力之大，实在令人悚然。 但是，事实上，世界贸易中心却经受住了这等力量的撞击，因为撞击造成的动量，并不是坍塌的决定因素。,烈火中的世界贸易中心撞

6、击两塔的波音767型或757型飞机，如果机体直径约计10米的话，也就是说，世界贸易中心北塔的80层左右，南塔的60层左右，在飞机的质量与速度的撞击下，应该各有三层都处于被飞机蹿通的状态。而且767机型满挂油料是45吨，757机型为30吨，这些油料霎时倾倒其中，可从具体数据看其惨烈之状。世界贸易中心边长=63.5米世界贸易中心每层的建筑面积=63.563.54032平方米如果除开间隔墙体所占面积，还有一般占摩天大厦建筑面积达1/51/4的电梯井的面积，也就是说，在3000平方米不到的面积里，浇灌了4530吨的高燃值的油料在燃烧（南塔有一部分溢出）。,我们可以估量，以液态燃油的漫溢性质，这数十吨燃

7、油所产生的热量，或可足以把受撞击层变成熔炉，兼有楼体里面许多例如纸张、塑料制品、各类管线气体等易燃易爆物品，特别是外幕墙玻璃被击破和电梯井被穿透后，电梯井便变作拔气管，成了助燃工具。所以被撞击后的世界贸易中心，远远看去，就像两根硕大的烟囱。同时，高达1000的温度，钢结构都易产生变形，更因上有重压，所以最终招致崩落现象。而且，高温之下，燃油有气化的现象，急速膨胀的气体，燃烧中必然夹杂着爆炸，这更是致命的。因此，火，火，火，才是世界贸易中心殒落的决定因素。,大厦被撞击后，那里面被飞机蹿空的三层，其核心部位电梯井已失去作用（有部分油料会倒灌井内，引起井道内爆），里面几乎成了镂空状态，在烈火燃烧下，

8、剩下的两侧外围承重的钢柱软化，以上数十层至少有20000余吨的楼层的重力（以两幢共用钢19.2万吨计，加上租赁方的什物就远不止这个数了），在有10米高的空间盈余下，夹着9.8米/秒的加速度作自由落体坠落，重力之下，势如破竹。,在这里，燃烧的高温致使被飞机冲力撞剩的钢柱软化，而被撞击层以上楼层的重力在加速度作用下，以雷霆万钧之势，造成了世界贸易中心遇袭后的必然结果坍塌。所以，世界贸易中心只能是坍塌，而不是倒塌。,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

9、护费用，但还未能广泛采用。,二、钢结构的应用,钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。直观的说：大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。,钢结构的应用,1、重型结构及大跨度建筑结构；2、多层、高层及超高层建筑结构；3、轻钢结构；4、塔桅等高耸结构；5、钢混凝土组合结构。,钢结构的应用,钢结构通常有框架、平面(木行)架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。,1、厂房钢结构,厂房钢结构一般指重型、大型车间的承重骨架。通常由檩条、天窗架、屋架、托架、柱、吊车

10、梁、制动梁（桁架）、各种支撑及墙架等构件组成。,2、轻型钢结构,轻型钢结构因具有用钢量省、造价低、供货迅速、安装方便、外形美观、内部空旷等特点，在近年来得到迅速的发展，主要用于：单层或多层厂房、仓库 ；多层住宅、办公楼 （图） 多层住宅、办公楼柱距一般为69米，不超过8层，基础受力小，有利于抗震；资源耗用少；工业化程度高；施工速度快；可装拆；造价略高。 小别墅 （图）,3、大跨度钢结构,大跨度结构主要有网架结构、悬索结构和网壳结构等。,（1）网架结构,网架结构广泛用作体育馆、展览馆、俱乐部、影剧院、食堂、会议室、候车厅、飞机库、车间等的屋盖结构。具有工业化程度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特

11、点。,网架结构,构成网架的基本单元有三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等，由这些基本单元可组合成平面形状的三边形、四边形、六边形、圆形或其他任何形体。,网架结构,一般而言，网架钢结构有下列三种节点形式： 焊接球节点 螺栓球节点 （图） 钢板节点,（2）悬索及索桁架结构,以一系列拉索为主要承重构件，这些索按一定的规律组成各种不同的形式，悬挂于相应的支撑结构上，使材料强度在受拉情况下得到充分发挥的结构形式。节约钢材（以浙江省体育馆为例，仅17kg/m2）、外形美观、设计施工较复杂，适合于大跨度屋顶。,（3）网壳结构,同网架结构一样，网壳也是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构，但网

12、架的外形呈平板状，而网壳的外形呈曲面状。网壳结构的特点：外形美观、通透感好，建筑空间大、用材省，设计施工较复杂。,苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）,上海商务中心网状网壳,4.桥梁钢结构,桥梁钢结构的主要形式有： （1）桁架式桥（如武汉、南京长江大桥）（连续小跨距） （2）箱形桥梁（如立交桥、铁路桥），钢板焊成（3）拱形桥梁，中、小跨度（图） （4）斜拉桥（如上海南浦、杨浦大桥）“H”型钢，大跨距、特大跨距（图） （5）悬索桥（如江阴长江大桥）桁架梁1000米跨距,拱形桥梁,斜拉桥,5.高耸钢结构,高耸钢结构的结构形式多为空间桁架，其特点是高跨比较大，以水平荷载作用为主，可应用在以下几个方面：

13、 （1）输电塔（图） （2）通讯及微波塔 （3）多功能广播电视发射塔（图） （4）桅杆 （5）火炬塔、石油化工塔架,6.高层钢结构,已建的高层钢结构 （纽约世贸中心不幸在恐怖事件中倒塌，向死难的人民表示哀悼）,高层钢结构,（1）一般50层以上建筑均用钢结构 （2）自重轻、抗震性能好，基础处理方便 （3）柱用焊接方管（圆角）、H型钢或组合柱 （4）梁用H型钢，上下翼缘用对接焊，腹板用高强螺栓作抗剪连接，柱与梁翼缘对应处有加强板,高层钢结构,（5）楼板用压型钢板加钢筋网加细石砼构成组合板，板与梁连接用销钉 （6）外墙用玻璃或铝幕墙 （7）基础用桩基加箱基，箱基作停车场 （8）防火要求非常严格,15

14、9m 高的启东广播电视塔位于江苏启东新落成的广电广场,购物中心,第二节 钢结构的设计原理与方法,结构设计首层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。,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

15、R：取决于材料、构件的几何特性等。,结 构 概 率 设 计 法,设结构状态方程：Z=R-S 当 Z0 时，结构可靠； 当 Z0 时，结构失效； 当 Z=0 时，结构或构件承载能力处于极限状态。,结 构 概 率 设 计 法,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：,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。,钢结

16、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。,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。 强度、稳定性设计采用的极限状态设计表达式： 结构重要性系数， -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 : 荷载组合系数；,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

17、形或耐久性能）的某项规定限值的极限状态。其表示式为： 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。,第三节 钢结构的发展,我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的原因致使现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比，已有相当大的差距，最大的差距在于建筑钢结构。97年新发布的中国建筑技术政策中强调要重点发展建筑钢结构，国家相关部门也多次发布文件，要求扩大钢结构住宅的市场占有率。96年我国钢产量已开始超亿吨，居世界首位，为钢结构发展奠定物质基础，对钢材的使用已由“节约使

18、用”变为“合理用钢”、“加大建筑用钢”。当今我国建筑业中发展最快的就是钢结构，最缺的人才也是钢结构专业，发展钢结构以带动其它相关产业的发展，已成为建筑业发展的重要任务。,第四节 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部分；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。,第二章 建筑钢材,第一节 建筑结构用钢的基本要求第二节 钢材的主要机械性能第三节 影响钢材性能的主要因素第四节 建筑结构用钢的种类及选择,

19、第一节 建筑结构用钢的基本要求, 钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。1、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻；2、较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载；3、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能； 据上要求,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。,第二节 钢材的主要机械性能,钢材材性主要有： 强度 塑性 韧性 可焊性 冷弯性 耐久性 Z向伸缩率,一、强度,强度体现了材料的承载能力

20、，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。,单向拉伸试验曲线,弹性阶段弹塑性阶段塑性阶段强化阶段,根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用中，钢材的性能按理想弹塑性体考虑，fy定为钢材拉、压强度标准值。,A,B,C,O,D,二、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和断面收缩率表示。通过静力

21、拉伸试验得到。,伸长率,伸长率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。 L1 为试件拉断后标距间长度。,断面收缩率,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。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是否安全可靠，因此钢材塑性指标比强度指标更为重要。,三、冲击韧性,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，也是表示钢材抵抗因冲击荷载、应力集中等而致脆性断裂能力的一项机械性能，它是强度与塑性的综合表现。用 材料在断裂时所吸收的总能量来量度，其值为图中应

22、力应变曲线与横坐标所包围的总面积，面积越大韧性越高。,四、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。,五、冷弯性能,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。,六、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，

23、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。,七、钢材Z向收缩率,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。,第三节 影响钢材性能的主要因素,1、化学成份2、冶金及轧制3、冷作硬化与时效硬化4、复杂应力与应力集中5、残余应力6、温度,1、化学成份的影响 基本成份为Fe，炭钢中含量占99，C、Si、Mn为杂质元素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。C：含C使强度塑性、韧性、可焊性，应控制在0.22%，焊接结构应控制在0.20%。Si：含Si适量使强度 其它影响不大，有益，应控制0.10.

24、3%Mn：含Mn适量使强度 降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益。S：含量使强度、塑性、韧性、性能冷弯、可焊性； 高温时使钢材变脆热脆现象。P：低温时使钢材变脆冷脆现象；其它同SO、N：O同S；N同P，控制含量0.008%,2、冶金与轧制的影响冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用Si为脱氧剂，时间慢，价格高，质量好。反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。3、冷作硬化与时效硬化由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧

25、性下降，增加脆性的现象称之为硬化现象。冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化。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，使钢材变脆的“老化”现象称之为时效硬化。,4、复杂应力与应力集中的影响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。 钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反。钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中，应力集

26、中实际为：局部应力增大并多为同号应力场。,5、残余应力的影响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。残余应力虽对构件的强度无影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不利影响。,6、温度的影响 温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。正温影响总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这一现象称之为热塑现象，温度达600o左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为热煅温度。需要说明：钢材

27、在300o左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象。钢材在300o以上时应采取隔热措施。负温影响随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度。,第四节 复杂应力作用下结构钢材的 屈服条件,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，以折算应力cr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。,第五节、钢

28、材的破坏形式,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,疲劳破坏,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。 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

29、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。,第六节 建筑结构用钢的种类与选择 一、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类,钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法”四部分组成。Q：表示“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度”；质量等级：分AE五级（字序越高质量越好）；脱氧方法：F沸腾钢；Z镇静钢（一般省略）； b半镇静钢；TZ特殊镇静钢。注：炭素结构钢分：A、B、C、D 四级，含所有脱氧方法；低合金结构钢分：A、B、C、D、E五级，只有镇静钢和特殊镇静钢

30、。 如前所述建筑结构用钢，宜选炭素结构钢中的Q235及低合金钢中的Q345、Q390、Q420四种钢材。,钢结构所用的钢材主要有：圆钢、角钢、槽钢、工字钢、钢管、“H”型钢和一些冷弯薄壁型钢。（见P37）,二、建筑结构用钢的选择,钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强度fu、屈服强度fy、伸长率5（10）、冷弯180o及冲击韧性k，化学成分C、S、P等的极限含量，以及冶炼脱氧方法来衡量。选材时应根据结构的重要性、荷载性质（静、动）、连接方法、工作温度等因素来综合考虑以选择适宜钢材。一般承重结构应有fu、fy、5以及C（ 0.22%）、S、P的极限含量合格保证；焊接及重要的非焊接承重结构还应

31、具备冷弯180o合格保证（C0.2%）；承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时,还应根据具体情况增加对k的不同要求。,第三章 钢结构的连接,第一节 连接分类及特点第二节 对接焊缝连接设计第三节 角焊缝连接设计第四节 焊接残余应力和残余变形第五节 普通螺栓连接设计第六节 高强度螺栓连接设计,1、钢 结 构 的 连 接 方 法,第一节 连接分类及特点,2、焊接连接及焊接结构的特性,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。,焊接连接的缺点,1）焊接附近有热影响区，材质变脆； 2）焊

32、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。,3、焊缝连接形式,焊缝连接形式按被连接钢材的相互位置可分为对接、搭接、T型连接和角部连部四种。这些连接所采用的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝。对接焊缝：在两焊件连接面的间隙内，用溶化的焊条金属填设，并与焊件溶化部分相结合，形成的焊缝。 角焊缝：焊缝金属填充在被连接件形成的直（斜）角区域内的焊缝。,对接连接,对接连接主要用于厚度相同或接近相同的两构件的相互连接。（a）所示为采用对接焊缝的对接连接，由于相互连接的两构件在

33、同一平面内，因而传力均匀平缓，没有明显的应力集中，且用料经济，但是焊件边缘需要加工，被连接两板的间隙和坡口尺寸有严格的要求。,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,焊接形式,（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。,焊接质量检验,焊接时为保证

34、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。,焊接质量检验,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。,焊缝质量等级的规定,GB50017规范规定，焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况，按下述原则分别选用不同的质量

35、等级：（1）在需要进行疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透，其质量等级为：作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或T型对接与角接组合焊缝，受拉时应为一级，受压时应为二级；作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级。（2）不需要计算疲劳的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝应予焊透，其质量等级当受拉时应不低于二级，受压时宜为二级。,焊缝质量等级的规定,（3）重级工作制和起重量Q50t的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的T形接头焊缝均要求焊透。焊缝形式一般为对接与角接的组合焊缝，其质量等级不应低于二级。（4）不要求焊透的T形接头采用的角焊缝或部分焊透的对接与角接组

36、合焊缝，以及搭接连接采用的角焊缝，其质量等级为：对直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构和吊车起重量等于或大于50t的中级工作制吊车梁，焊缝的外观质量标准应符合二级；对其他结构，焊缝的外观质量标准可为三级。,螺栓连接,螺栓连接分普通螺栓连接（boltedconnections）和高强度螺栓连接（high-strengthboltedconnections）两种。1、普通螺栓连接,2、高强度螺栓,分大六角头型和扭剪型两种。安装时通过特别的板手，以较大的扭矩上紧螺帽，使螺杆产生很大的预拉力。高强螺栓的预拉力把被连接的部件夹紧，使部件的接触面间产生很大的磨擦力，外力通过摩擦力来传递。这种连接称为高强度

37、螺栓摩擦型连接。它的优点是施工方便，对构件的削弱较小，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，韧性和塑性好，包含了普通螺栓和铆钉连接的各自优点，目前已成为代替铆接的优良连接形式。另外，高强度螺钉也可同普通螺栓一样，允许接触面滑移，依靠螺栓杆和螺栓孔之间的承压来传力。这种连接称为高强度螺栓承压型连接。,焊缝代号、螺栓图例,见P51-53的图表。,一、对接焊缝的构造对接焊缝的焊件常需做成坡口，故又叫坡口焊缝（groovewelds）。坡口形式与焊件厚度有关。,第二节 对接焊缝连接设计,a）直边缝：适合板厚t 10mm b）单边V形：适合板厚t 1020mm c）双边V形：适合板厚t 1020mm d）U形

38、：适合板厚t 20mm e）K形：适合板厚t 20mm f）X形：适合板厚t 20mm,对接焊缝的形式：,对接焊缝的构造,在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差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的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中。,对接焊缝的构造,在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，这些缺陷对承载力影响极大，故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，允许不设置引弧（出）板，此时，可令焊缝计算长度等于实际长度减2t（此处t为较薄焊件厚度）。,二、对接焊缝的计算,对接焊缝的强度与所用钢材的牌号

39、、焊条型号及焊缝质量的检验标准等因素有关。如果焊缝中不存在任何缺陷，焊缝金属的强度是高于母材的。全由于焊接技术问题，焊缝中可能有气孔、夹渣、咬边、未焊透等缺陷。实验证明，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度相等，但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感。当缺陷面积与焊件截面积之比超过5%时，对接焊缝的抗拉强度将明显下降。由于三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85%，而一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。对接焊缝的应力分布认为与焊件原来的应力分布基本相同。计算时，焊缝中最大应力（或折算应力）不能超过焊缝的强度设计值。,轴心拉力

40、或压力; 焊缝计算长度，无引弧板时，焊缝长度取实 长减去2t，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。,或fcw,1、轴心受力的对接焊缝,在一般加引弧板施焊的情况下，所有受压、受剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算，只有受拉的三级焊缝才需要进行计算。当直焊缝不能满足强度要求时，可采用斜对接焊缝。当斜焊缝倾角56.3，即tg1.5时，可认为与母材等强，不用计算。,fvw对接焊缝抗剪强度设计值,斜对接焊缝的计算,2、承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝,由于焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分别为三角形与抛物线形，其最大

41、值应分别满足下列强度条件。,焊缝截面抵抗矩 焊缝截面上计算点处以上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： 1、1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。,3、承受轴心力，弯矩和剪力联合作用的对接焊缝,当轴心力与弯矩、剪力联合作用时，轴心力和弯矩在焊缝中引起的正应力应进行叠加，剪应力仍按上面的式验算，折算应力仍按上面的式验算。,例题3-1试验算下图所示钢板的对接焊缝的强度。图中a=540mm,t=22mm，轴心力的设计值为N=2500kN。钢材为Q235

42、-B，手工焊，焊条为E43型，三级检验标准的焊缝，施焊时加引弧板。,第三节 角焊缝连接设计,一、角焊缝的形式角焊缝是最常用的焊缝。角焊缝按其与作用力的关系可分为：焊缝长度方向与作用力垂直的正面角焊缝；焊缝长度方向与作用力平行的侧面角焊缝以及斜焊缝。按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。,直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（图3.3.1a）。在直接承受动力荷载的结构中，正面角焊缝的截面常采用图3.3.1（b）所示的坦式，侧面角焊缝的截面则作成凹面式（图3.3.1c）。图中的hf为焊角尺寸。两焊脚边的夹角90或90的焊缝称为斜角角焊缝（图3.3.2）。斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结

43、构中。对于夹角135或60的斜角角焊缝，除钢管结构外，不宜用作受力焊缝。,侧面角焊缝主要承受剪应力，应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态。塑性较好 。 正面角焊缝（图3.3.3b）受力较复杂，截面的各面均存在正应力和剪应力，焊根处有很大的应力集中。这一方面由于力线的弯折，另一方面焊根处正好是两焊件接触间隙的端部，相当于裂缝的尖端。经试验，正面角焊缝的静力强度高于侧面角焊缝。,二、角焊缝的构造要求,围焊时，在转角处截面突变，会产生应力集中，如在此处起灭弧，可能出现弧坑或咬肉等缺陷，从而加大应力集中的影响。故所有围焊的转角处必须连续施焊。对于非围焊情况，当角焊缝的端部在构件转角处

44、时，可连续地作长度为2hf的绕角焊,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。,当角焊缝的两焊脚边夹角为90时，称为直角角焊缝，即一般所指的角焊缝。角焊缝的有效截面为焊缝有效厚度（喉部尺寸）与计算长度的乘积，而有效厚度he=0.7hf为焊缝横截面的

45、内接等腰三角形的最短距离，即不考虑熔深和凸度。,三、直角角焊缝的基本计算公式,两焊脚边的夹角 焊脚尺寸。,有效厚度,试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，通常认为直角角焊缝是以45方向的最小截面（即有效厚度也称计算厚度与焊缝计算长度的乘积）作为有效计算截面。作用于焊缝有效截面上的应力有：垂直于焊缝有效截面的正应力，垂直于焊缝长度方向的剪应力，及沿焊缝 长度方向的剪应力。但计算比较复杂。 直角角焊缝强度简化的计算基本公式如下：,（1）在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用，正面角焊缝：对侧面角焊缝：,（2）在各种力综合作用下， 共同作用处。 垂直于焊缝长度方向的应力； f 沿焊缝长度方向的剪应力

46、; 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2 ； 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。,四、角焊缝的计算,1、承受轴心力作用时角焊缝连接的计算（1）用盖板的对接连接当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝中心时，可认为焊缝应力是均匀分布的。图3.3.11用盖板的对接连接中，当只有侧面角焊缝时，按式（3.7）计算；当只有正面角焊缝时，按式（3.6）计算。,先按式（3.6）计算正面角焊缝承担的内力：,（2）承受斜向轴心力的角焊缝 下图所示受斜向轴心力的角焊缝连接，有两种计算方法。

47、,3、承受轴力的角钢端部连接,在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝一般采用两面侧焊，也可采用三面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。,（1）角钢用两面侧焊缝与节点板连接的焊缝计算 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,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,由 N2 = 0得：,例题试确定图3.3.15所示承受静态轴心力的三面围焊连接的承载力及肢尖焊缝的长度。已知角钢212510，与厚

48、度为8mm的节点板连接，其搭接长度为300mm，焊脚尺寸hf=8mm，钢材为Q235-B，手工焊，焊条为E43型。,二、复杂受力时角焊缝连接计算,当焊缝非轴心受力时，可以将外力的作用分解为轴力、弯矩、扭矩、剪力等简单受力情况，分别求出具各自的焊缝应力，然后利用叠加原理，找出焊缝中受力最大的几个点，利用公式（3.3.6）进行验算。,1、承受轴力、弯矩、剪力的联合作用时角焊缝的计算下图所示的双面角焊缝连接承受偏心斜拉力N作用，计算时，可将作用力N分解为NX和Ny两个分力。角焊缝同时承受轴心力NX、剪力Ny和弯矩M=NXe的共同作用。焊缝计算截面上的应力分布如图3.3.16（b）所示，图中A点应力最

49、大为控制设计点。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：,这两部分应力由于在A点处的方向相同，可直接叠加，故A点垂直于焊缝长度方向的应力为：,对于工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘的角焊缝连接，通常只承受弯矩M和剪力V的联合作用。由于翼缘的竖向刚度较差，在剪力作用下，如果没有腹板焊缝存在，翼缘将发生明显挠曲。这就说明，翼缘板的抗剪能力极差。因此，计算时通常假设腹板焊缝承受全部剪力，而弯矩则由全部焊缝承受。,为了焊缝分布较合理，宜在每个翼缘的上下两侧均匀布置焊缝，弯曲应力沿梁高度呈三角形分布，最大应力发生在翼缘焊缝的最外纤维1处，由于翼缘焊缝只承受垂直于焊缝长度方向的弯曲应

50、力，为了保证此焊缝的正常工作，应使翼缘焊缝最外纤维处的应力满足角焊缝的强度条件，即：,腹板焊缝承受两种应力的联合作用，即垂直于焊缝长度方向、且沿梁高度呈三角形分布的弯曲应力和平行于焊缝长度方向、且沿焊缝截面均匀分布的剪应力的作用，设计控制点为翼缘焊缝与腹板焊缝2的交点处，此处的弯曲应力和剪应力分别按下式计算：,则腹板焊缝2的端点应按下式验算强度,工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘角焊缝的连接 的另一种计算方法是使焊缝传递应力与母材所承受应力相协调，即假设腹板焊缝只承受剪力；翼缘焊缝承担全部弯矩，并将弯矩M化为一对水平力H=M/h1。则,翼缘焊缝的强度计算式为：腹板焊缝的强度计算式为：,牛腿在弯矩、剪力