钢结构基本原理.ppt

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1、钢结构基本原理,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

2、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

3、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,

4、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

5、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

6、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 structures)、,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

7、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,ey0.15%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

8、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，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

9、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、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:S

10、MA400AW,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

11、 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：,

12、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 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

13、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

14、、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、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

15、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，600OC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、f

16、u、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)、b、F、TZ(可不标注)A、BZ、b、F;C Z;D TZQ235A、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YA3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

17、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、Q390B、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

18、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、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)，A2

19、42低合金高强度结构钢(ksi)日本：SS400一般结构用轧制钢 SS400A、B、C,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St37Q345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(

20、2)荷载性质 静力、动力(满载、欠载)常温静力：B级F；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

21、焊)，102x5 无缝钢管：32-630mm，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

22、、钢结构可能的破坏形式,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

23、构造：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、使用最广

24、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：设备或焊件人工操作移动优点：焊缝质量均匀、

25、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、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

26、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

27、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

28、 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

29、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tfsf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

30、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

31、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

32、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,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

33、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

34、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=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

35、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

36、、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

37、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

38、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)，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

39、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

40、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

41、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

42、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

43、，NExyq。,弯曲失稳的极限承载力弯曲失稳极限承载力准则：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

44、比lw根据弯曲失稳的边缘纤维屈服或 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）

45、（4）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,1=fy；(2)计

46、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+y2y1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

47、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

48、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

49、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；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

50、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