《模块钢结构》PPT课件.ppt

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1、模块11 钢结构,建 筑 结 构,模块概述,钢结构具有施工速度快、工业化程度高、综合技术经济指标好、抗震性能优越等特点，把钢结构用于住宅建筑，具有得天独厚的技术优势，也符合我国未来钢铁产业和房地产业的发展规划和产业政策。目前我国己经兴建了一批低层、多层和高层钢结构住宅，但是钢结构的综合技术经济效益还有待于进一步研究和实践。,学习目标,知识目标：1.了解钢结构的材料选用；2.了解钢结构的连接方法；3.了解钢结构的受力构件设计与构造；4.了解钢桁架及屋盖结构的特点与布置原则；,学习目标,技能目标：1.具有根据规范进行钢结构构件简单计算的能力;2.会识读简单钢屋架施工图。,11.1概述,钢结构是土木

2、工程的主要结构形式之一、随着我国国民经济的迅速发展，其发展极为迅速、钢结构在土木工程各个领域得到了广泛的应用，高层和超高层建筑、多层房屋、工业厂房、体育扬馆、会展中心、火车站候车大厅、飞机场航站楼、大型客机枪修库、自动化高架仓库、城市桥梁和大跨度公路桥梁、粮仓以及海上采油个台等都巳采用钢结构。为了克服钢结构的缺点，发挥其优势，以适应社会建设不断发展的需要，对钢结构的材料、结构型式、结构设计计算理论等方面的研究也在不断地发展。,11.1概述,(1)高层及超高层钢结构 国外在20世纪70年代建造了多幢高层和超高层钢结构建筑，如美国芝加哥两尔斯大厦，110层，高度443m：毁于“911”事件的美国纽

3、约世贸中心，双塔分别为110层，高度417m。我国从20世纪80年代开始，在上海、深洲、北京等城市相继建成了十几幢高层建筑，在90年代又建成了以深圳地王大厦(69层，高3256)、大连国贸中心(51层，高201m)为代表的高层钢结构建筑，其建筑高度、结构型式、施工速度和施工管理水平均巳进人世界先进行列。到2003年，全国巴建和在建的高层及超高层钢结构建筑有70余幢，总建筑结构约600万m2。,11.1概述,(2)轻型钢结构住宅 轻型钢结构什宅足以经济钢型材构件作为承市骨架，以轻型墙体材料作为维护结构所构成的居住类建筑。与传统的居住结构相比，轻型钢结构住宅除具有一般钢结构的优点外。还具有建筑空间

4、布置灵活、可有效增入建筑使用面积、降低建造成本等方面的优越性。我国的轻型钢结构住宅研充起步于20世纪90年代末，目前还处于研究和试点工程阶段。,11.1概述,(3)大跨度空间钢结构 大跨度空间钢结构主要是指网架、网壳结构及其组合结构和杂交纳构，在体育场馆、大型展览场馆、火车站候车大厅、机场机库、机场航站楼、工业厂房、大跨度屋盖或楼层结构、散料仓库、公路收费站篷等方向得到广泛应用。,11.1概述,(4)桥梁钢结构 交通建设是当前我国重点发展的基础设施领域，钢结构轻型高强的优点对于大跨度桥梁结构特别适合。1968年修建的公铁两用南京长江大桥，最大跨度360m；1994年建成的公铁两用九江长汀大侨，

5、主联跨长(180+216+180)m；1995年建成的上海杨浦大桥，采用双塔双索面斜拉桥，主跨跨长为602。2001年建成的南京长江第二大桥南汊主桥，为双塔双索面扇形布置拉索的斜拉桥，主跨达628m这些成就均表明我国在现代化桥梁建设上的水平已进入以界先进行列。,11.1概述,(5)压力管道及容器 水上压力钢管是水电站建设局压引水管道的主要结构形式之一。伴随着“西气东输”和“西油东引”工程的建设，也大量采用了高压输气管线及小转站、终点站的大容量储油罐、库、塔等容器金属设备。城市污水处理厂的沼气罐也基本上采用钢结构。,11.1概述,(6)特种钢结构 徐州电视塔塔楼采用直径21m单层联入型全球网壳，

6、并采用地面组装、整体提升到99m设汁标高就位的施工安装方法。上海东方明珠电视塔，选取装饰用的单层联方型全球网壳。大连友谊广场中心采用直径25m，镶嵌镜面的水晶球网壳。杭州市地标采用总高度408m、跨度30 m的螺栓球节点网架结构。,11.1概述,技术提示：1.钢结构工程是以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型之一。2.钢结构是现代建筑工程中较普通的结构形式之一。,钢种和钢材的规格,1.钢材的种类钢材的种类(简称钢种)技用途可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢等，其中结构钢又分建筑用钢和机械用钢；按化学成分可分为碳索钢和合余钢；按冶炼方法可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢等；按脱氧方法可分为沸腾钢、半

7、镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢；按成型方法可分为轧制钢(热轧和冷轧)、锻钢和铸钢；按硫、磷含量利质量控制分类，有高级优质钢、优质钢和普通钢等。我国的建筑用钢主要为碳素结构钢和低合金高强度结构钢两种，优质碳素结构钢在冷拔碳素钢丝和连接用紧固件中也有应用。另外，厚度方向性能钢板、焊接结构用耐候钢、铸钢等在某些情况下也有应用。,钢种和钢材的规格,(1)碳素结构钢碳素结构钢的质量等级按由低到高的顺序分为A、B、C、D四级。质量的高低主要是以冲击韧性的要求区分的，对冷弯性能的要求也有所区别。碳索结构钢交货时，应有化学成分和力学性能的合格保证书。化学成分要求碳、锰、硅、琉、磷含量符合相应级别的规定，A级钢的碳

8、、锰含量可以不作为交货条件：力学件能要求屈服点、抗拉强度、伸长率和冷弯性能合格，A级钢的冷弯性能只在需方要求时才提供，B、C、D级钢应分别保证20，0，20的冲击韧性合格。碳素结构钢有Q195，Q215，Q235，Q255，Q275五种。Q是屈服点的汉语拼音的首位字母，数字代表钢材厚度(直径)6mm时的屈服点(Nmm2)。,钢种和钢材的规格,(2)低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入一种或几种适量的合金元素(锰、硅、钒等)而炼成的钢种，可提高强度、冲击韧性、耐腐蚀性又不太降低塑性。由于合金元素的总质量分数低于5，故称为低合金高强度结构钢。根据钢材厚度(直径)16mm时的

9、屈服点(Nmm2)，分为Q295，Q345，Q390，Q420，Q460五种。其个Q345，Q390和Q420三种钢材均有较高的强度和较好的塑件、韧性和焊接性能，被钢结构设计规范选为承重结构用钢。钢的牌号仍有质量等级符号，分为A，B，C，D，E五个等级，和碳素结构钢一样，不同质量等级是按对冲击韧性的要求区分的，E级主要是要求40的冲击韧性。低合金高强度结构钢的A，B级属于镇静钢，C，D，F级属于特殊镇静钢，因此钢的牌号中不说明脱氧方法。,钢种和钢材的规格,(3)优质碳素结构钢优质碳素结构钢与碳素结构钢的主要区别在于钢中含杂质元素较少，磷、硫等有害元素的质量百分数均不大干0.035，其他缺陷的限

10、制也较严格，具有较好的综合性能。按照国家标淮优质碳素结构钢技术条件(GBT 6991999)生产的钢材共有两大类，一类为普通含锰量的钢，另一类为较高含锰量的钢，两类的钢号均用两位数字表示，它表示钢中的平均含碳量的万分数，前者数字后不加Mn，后者数字后加Mn，如45号钢，表示平均含碳量为0.45的优质碳素钢；45Mn号钢，则表示同样含碳量、但锰的含量也较高的优质碳素钢。可按不进行热处理或热处理(正火、淬火或高温回火)状态交货，要求热处理状态交货的府在合同中注明，未注明者按不进行热处理交货。,钢种和钢材的规格,2.钢材的规格钢结构采用的型材主要为热轧成型的钢板和型钢，以及冷弯(或冷压)成型的薄壁型

11、钢。由工厂生产供应的钢板相型钢等有成套的截面形状和一定的尺寸间隔，称为钢材规格。,钢种和钢材的规格,(1)热轧钢板热轧钢板包括厚钢板、薄钢板和扁钢等。厚钢板的厚度为4.560mm，宽度为6003000 mm，长度为412m，被广泛用于组成焊接构件相连接钢板。薄钢板的厚度为0.354mm，宽度为5001500 mm，长度为0.54m，是冷弯薄壁型钢的原料。扁钢的厚度为460mm，宽度为12200mm，长度为39m。,钢种和钢材的规格(2)热轧型钢热轧型钢包括角钢、工字钠、H型钢、槽钢和钢管等。,图11.1热轧型钢截面（a）角钢；（b）工字钢；（c）槽钢；（d）H型钢；（e）T字钢；（f）钢管,钢

12、种和钢材的规格,(3)薄壁型钢薄壁型钢是用薄钢板经模压或弯曲成形，其壁厚一般为1.5-5mm，截面形式和尺寸可按工程要求合理设计，通常有角钢、眷边角钢、槽钢、卷边槽钢、Z型钢、卷边Z型钢、方管、困管及各种形状的压型钢板等(图11.2)。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材，是由热轧薄钢板经冷压或冷轧成型的，所用钢板厚度为0.4-2mm主要用作轻型屋面及 墙面等构件。,钢种和钢材的规格,图11.2薄壁型钢的截面形式,钢材的主要性能,钢材的多项性能指标可通过单向一次(区称单调)拉伸试验获得。试验一般都是在标准条件下进行的，即采用规定形式和尺寸的标准试件，其表向光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷，在常温205

13、的条件下，荷载分级逐次增加，直到试件破坏，由于加载速度缓慢，又称静力拉伸试验。图11.3(a)给出了相应钢材的一次拉伸应力()-应变()曲线。其中低碳钢和低合金高强度结构钢简化的光滑曲线示于图11.3(b)，曲线可分为五个阶段：弹性阶段(OPE)、弹塑性阶段(ES)、塑性阶段(SC)、应变硬化阶段(CB)、颈缩阶段(BD)。由此曲线可获得钢材的性能指标。,钢材的主要性能,图11.3 钢材的单调拉伸应力应变曲线,钢材的主要性能,(1)强度 图11.3 应力()-应变()曲线的OP段为直线，表示钢材具有完全弹性性质，即应力与应变呈线性关系，且卸荷后变形完全恢复。这时应力可有弹性模量E定义，即E，而

14、E为该直线段的斜率，P点应力称为比例极限。曲线PE段仍具有弹性，但呈非线性，即为非线性弹性阶段，E点的应力称为弹性极限。弹性极限和比例极限相距很近，实际上很难区分。通常略去弹性极限的点，把fp看作弹性极限。,钢材的主要性能,(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。塑件好坏可用伸长率和断面收缩率表示。1)伸长率 伸长率是试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分率。伸长率愈大，塑性愈好。2)断面收缩率 断面收缩率是试件拉断后，颈缩的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率。断面收缩率愈大，塑性性能愈好。,钢材的主要性能,(3)钢材的物理性

15、能指标 钢材在单向受压时的受力性能基本广与单向拉伸时相同、因此受压时的各强度指标取用受拉时的数值。受剪时所表现出来的应力应变变化规律也基本上与单向拉伸时相似，只是受剪时的屈服点及抗剪强度均比受拉时小，剪变模量也低于弹性模量。,影响钢材性能的因素,1.化学成分的影响铁是钠的基个元素。纯铁质软，在碳素结构钢中约占99；碳和其他元素约占1。其他元素主要包括锰(Mn)、硅(Si)、琉(5)、磷(t)、氧(O)、氮(N)等。低合金结构钢的组成，通常在此基础上加入总量不超过5的合金元素，如钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)等。尽管碳和其他元素占比重不大，但却左右着钢材的性

16、能。,影响钢材性能的因素,2.成材过程的影响(1)冶炼 当用生铁制钢时，必须通过氧化作用除去生铁中多余的碳和其他杂质，使它们转变为氧化物进入渣中，或成气体逸山。这一过程需要在高温下进行，称为炼钢。钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢法、转炉炼钢法和电炉炼钢法。(2)脱氧和浇铸 熔炼好的钢液中通常都残留氧，这将造成钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆现象，因此应在炼钢炉中或盛钢桶内加入脱氧剂以消除氧，从而改善钢材的质量。按脱氧方法和程度的不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢四类。,影响钢材性能的因素,2.成材过程的影响(3)轧制 钢材的轧制是通过一系列礼辊，使钢坯逐渐辊轧成所需厚度的钢板或

17、型钢，钢材的轧制使金属晶粒变细，也能使气泡、裂纹等闭合，因而改善了钢材的力学性能。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，以防层间撕裂。(4)热处理 一般钢材以热轧状态交货、而某些特殊用途的钢材在轧制后还经常经过热处理进行调质，以改善钢材件能。热处理是将钢在固态范同内，施以不同的加热、保温和冷却措施，通进改变钢的内部组织构造而改善其性能的一种加工工艺。,影响钢材性能的因素,3.钢材硬化的影响钢材的硬化有三种情况：冷作硬化(或应变硬化)、时效硬化和应变时效硬化。在常温下对钢材进行加工称为冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等

18、加工使钢材产生很大塑件变形，产生塑性变形后的钢材在重新加荷时将提高屈服点，同时降低塑性和韧性的现象称为冷作硬化。由于降低了塑性和韧性性能，普通钢结构中不利用该现象所提高的强度，重要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去。而用作冷弯薄壁型钢结构的冷弯型钢，是由钢板或钢带经冷轧成型，也有的是经压力机械压成型或在弯板机上弯曲成型的。由于冷成型操作，实际构件截面上各点的屈服强度和抗拉强度都有不同程度的提高，其性能与原钢板已经有所不同了，故冷弯薄壁型钢设计中允许利用因局部冷加工而提高的强度。,影响钢材性能的因素,4.温度的影响钢材的性能受温度的影响十分明显，温度升高与降低都将使钢材性能发生变化。总的趋势

19、是温度升高，钢材强度降低，变形增大；反之，当温度降低时，钢材的强度会略有增加，但同时塑性和韧性降低从而使钢材变脆。,影响钢材性能的因素,5.应力集中的影响由单调拉仲试验所获得的钢材性能，只能反映钢材在标准试验条件下的性能，即应力均匀分布而且是单向的。实际结构中不可避免的存在孔洞、槽口、凹角、截面突然改变以及钢材内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在某些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成所谓的应力集中现象。,影响钢材性能的因素,6.反复荷载作用的影响事实上，钢材总是有“缺陷“的、在直接、连续的反复荷载作用下，先在其缺陷处发生塑性变形和硬化而生成微观裂痕，此后这种微

20、观裂痕逐渐发展成宏观裂纹，构件截团削弱并在裂纹尖端出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，钢材的微裂纹和内部缺陷将不断扩展直至断裂，钢材的强度将低于一次静力荷载作用下的拉仲试验的极限强度，表现为脆性特征的疲劳破坏。,钢材的选用,1.钢材的选用原则钢材的选用既要确保结构物的安全可靠，又要经济合理。为了保证承重结构的承载能力，防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、连接方法、工作环境、应力状态和钢材厚度等因素综合考虑，选用合适牌号和质量等级的钢材。具体应满足下列要求：(1)结构或构件的重要件(2)荷裁特件(3)连接方式(4)结构的工作条件(5)钢材厚度,

21、钢材的选用,2.钢结构设计规范的基本规定(1)承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢利Q420钢。当采用其他牌号的钢材时，应符合相应有关标准的规定利要求。(2)下列情况的承重结构和构件不应采用Q235沸腾钢。对于焊接结构：1)直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构；2)工作温度低于20时的直接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构以及承受静力荷载的受弯及受拉的重要承重结构；3)工作温度等于或低于30的所有承重结构。对于非焊接结构：工作温度等于或低于20的直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构。,钢材的选用,2.钢结构设计规范的基本规定(3)钢材质量应满足如下要求：1)

22、承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和琉、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。2)焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。,11.2 钢结构的材料,技术提示：1.建筑用钢主要为碳素结构钢和低合金高强度结构钢两种，优质碳素结构钢在冷拔碳素钢丝和连接用紧固件中也有应用.2.钢材的多项性能指标可通过单向一次(区称单调)拉伸试验获得。3.钢材的选用既要确保结构物的安全可靠，又要经济合理。,钢结构的连接方法,钢结构的连接是将型钢或钢板等组合成构件，并将各构件组装成整个结构的节点和关键部件。连接的方式及其质量优劣直接影响钢结构的工作性能，因

23、此，在进行连接的设计时，必须遵循安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。钢结构的连接方法通常有焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接三种，后两种又通称为紧固件连接(图11.3-1)。,图11.4 钢结构的连接方法（a）焊缝连接；（b）铆钉连接；（c）螺栓连接,钢结构的连接方法,1.焊缝连接焊缝连接是现代钢结构最主要的连接力法。其优点是：构造简单，对几何形体适应性强任何形式的构件均可直接连按；不削弱截面，省工省材：制作加工方便，可实现自动化操作，工效高、质量可靠；连接的密闭性好，结构的刚度大。焊缝连接的缺点是：在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质劣化变脆；焊接残余应

24、力和残余变形使受压构件的承裁力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，低温冷脆问题较为突出；对材质要求高，焊接程序严格，质量检验工作量大。,钢结构的连接方法,2.铆钉连接铆钉连接的制造有热铆和冷铆两种方法。热铆是由烧红的锭坯插入构件的锭孔中，用铆钉枪或压铆机铆合们成。冷铆是存常温下铆合而成。在建筑钢结构中一般都采用热铆。3.螺栓连接螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。,焊缝连接的形式,焊缝连接的形式按被连接钢材的相互位置可分为对接、搭接、T形连接和角部连接四种(图11.3-2)。这些连接所采用的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝。,图11.5 焊缝连接的形式（a）对接

25、连接(b)用拼接盖板的对接连接(c)用拼接板的对接连接(d)搭接连接（e)（f)T形连接（g）(h)角部连接,对接焊缝的构造与计算,1.对接焊缝的构造为了经济合理，焊接材料应与构件钢材相匹配，使焊缝金属与母材的力学性能基本一致。例如手工电弧焊，焊接Q235钢构件时，采用E43系列焊条；焊接Q345钢构件时，采用E50系列焊条：焊接Q390、Q420钢构件时、采用E55系列焊条。不同钢种的母材相焊时(例如Q235钢与Q345钢相焊)，可采用与低强度相适应的焊接材料（如E43系列焊条较为合适)。对接焊缝的焊缝金属为焊条金属与母材金属的混合物，性能较好。在焊缝附近的热影响区，经过淬火过程，晶粒组织和

26、机械性能变化很大、残余应力也较大，一般情况，对接焊缝的破坏不是在焊缝截面，而是在焊缝附近或远离焊缝的母材截面。,对接焊缝的构造与计算,2.对接焊缝的计算对接焊缝分焊透和部分焊透两种：部分焊透的对接焊缝受力时应力状态复杂，一般按角焊缝的方式处理。以下所述的对接焊缝除非说明均指的是焊透的：焊透的对接焊缝已成为板件或构件的一部分，受力时其应力集中现象不严重，可认为与母材有相同的应力状态。焊缝金属的强度一般高于母材，所以对接焊缝连接的破坏通常不会在焊缝金属部位。而是在母材或焊缝附近的热影响区。但是，由于焊接技术问题，焊缝中难免存在气孔、夹渣、咬边、末焊透等缺陷。试验证明，这些缺陷对受压和受剪的对接焊缝

27、影响不大，但对受拉的对接焊缝影响却较为显著。一、二级焊缝的抗拉强度可与母材相等，而三级焊缝允许存在的缺陷较多，其抗拉强度取为母材强度的85。,对接焊缝的构造与计算,对接焊缝的构造与计算,图11.6 对接焊缝受轴心力,对接焊缝的构造与计算,如果用直缝不能满足抗拉强度要求时，可采用如图11.6(b)所示的斜对接焊缝。计算表明，焊续与作用力外的夹角满足tan15时，斜焊缝长度的增加能抵消抗拉强度的不足，可不再进行验算(需对斜焊缝的正应力和剪应力进行计算对此请读者自行证明)。斜对接焊缝在20世纪50年代用得较多，由于消耗材料较多施工也不方便，已逐渐据弃不用，而代之以直对接焊缝。直缝一般加引弧板施焊，若

28、抗拉强度不满足要求，可采用二级检验标准或将接头位置邯至内力较小处。,对接焊缝的构造与计算,图11.7 对接焊缝受弯矩和剪力联合作用2.钢材的多项性能指标可通过单向一次(区称单调)拉伸试验获得。3.钢材的选用既要确保结构物的安全可靠，又要经济合理。,对接焊缝的构造与计算,图11.7(b)所示是工字形截面梁的对接焊缝接头，除应分别拉(11-2)式、(11-3)式验算最大正应力和剪应力外，对于同时受有较大正应力和较大剪应力的腹板与翼缘交接点处，还应按下式验算折算应力,对接焊缝的构造与计算,(3)承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝当轴心力与弯矩、剪力共同作用时，焊缝的最大正应力应为轴心力和弯矩引

29、起的应力之和，剪应力仍拉式(11-3)验算，折算应力仍拉式(11-4)验算。,角焊缝的构造与计算,(3)承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝当轴心力与弯矩、剪力共同作用时，焊缝的最大正应力应为轴心力和弯矩引起的应力之和，剪应力仍拉式(11-3)验算，折算应力仍拉式(11-4)验算。,角焊缝的构造与计算,1.角焊缝的构造要求（1）最小焊脚尺寸如果板件厚度较大而焊缝过小，则施焊时焊缝冷却速度过快而产生淬硬组织，易使焊缝附近主体金属产生裂纹。这种现象在低合金高强度钢中尤为严重。据此并参考国内外资料，规定,角焊缝的构造与计算,（2）最大焊脚尺寸角焊缝的焊脚尺寸不能过大，否则易使母材形成“过烧”现象

30、，而且使构件产生较大的焊接残余变形和残余应力。所以规定hf1.2tmin，tmin为较薄焊件的厚度。对板件厚度为t的边缘角焊缝，若焊脚尺寸hf=t，在施焊时容易产生咬边现象，不易焊满全厚度。因此规定，当t6mm时，取hft-(12)mm；当t6mm，由于一般用小直径焊缝施焊，技术较易掌握，可采用与焊件等厚的角焊缝，即hft。如果另一焊件厚度tt时，还应满足hf12t的要求。,角焊缝的构造与计算,图11.8 最大焊脚尺寸,角焊缝的构造与计算,（3）不等焊脚尺寸的应用当两焊件厚度相差悬殊时(见图11.9)，用等焊胸尺寸往往无法满足最大和最小焊脚尺寸的规定。为解决这一矛盾，规范推荐采用不等焊脚尺寸。

31、,图11.9 不等焊脚尺寸,角焊缝的构造与计算,（4）侧面角焊缝的最小长度侧面角焊缠的焊脚尺寸大而长度过小时，焊件局部加热严重，焊缝起弧缺陷相距太近，加上可能有其他缺陷(气孔、夹渣等)，对焊缝强度的影响必然较为敏感，使焊缝可靠性降低；另外，焊缝集中在一很短距离内，焊件的应力集中也较大。此外，侧面角焊缝多用于搭接连接，作用力对焊缝有偏心、会产生偏心弯矩，如果焊缝长度过小，偏心弯矩影响就较大，使焊缝承载力降低。所以规范规定侧面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40 mm。,角焊缝的构造与计算,（5）侧面角焊缝的最大计算长度前已述及，侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀，两端大而中间小，当两焊件的

32、截面积不相等时，例如板I的截面积小于板2的截面积，则剪应力的分布不对称于焊缝中点，靠近小截面一端的应力高于截面大一端的应力。虽然侧面角焊缝有良好的塑性，但如果焊缝长度超过某一限位时，有可能首先在焊缝的两端破坏，故一般规定侧面角焊缝的计算长度tf60hf，当实际长度大于上述限值时，其超过部分在计算中不予考虑。,角焊缝的构造与计算,2.直角角焊缝强度计算的基本公式如前所述，角焊缝的受力状态是很复杂的。图11.10所示为直角角焊缝的截面，0.7hf为直角角焊缝的有效厚度he（喉部尺寸）。试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部及其附近，通常认为直角角焊缝是以45方向的最小截面(即有效厚度与焊缝计算长度

33、的乘积)作为有效截面或称计算截面。,角焊缝的构造与计算,图11.10 直角角焊缝截面,角焊缝的构造与计算,任何受力情况的角焊缝，均可求得作用于有效截面上的三种应力（图11.11）：垂直于有效截面的正应力、垂直于焊缝长度方向的剪应力、以及沿焊缝长度方向的剪应力。即使如此，精确计算仍比较困难，一般是根据试验结果，找出比较合理而又简单的设计方法和相应的公式供设计时应用：无论侧焊缝还是端焊缝，都假定破坏发生在有效截面上，按应力均布并认为都是剪坏，根据试验取最低平均破坏应力来确定其设计强度，这基本上也是国际标准化组织推荐的方法。,角焊缝的构造与计算,图11.11 角焊缝有效截面上的应力,角焊缝的构造与计

34、算,角焊缝的构造与计算,角焊缝的构造与计算,(2)承受轴心力的角钢角焊缝计算当角钢用角焊缝连接时，虽然轴心力通过截面形心，由于截面形心到角钢肢背和肢尖的距离不等，肢背焊缝和肢尖焊缝的受力是不相等的：肢背处受力大而肢尖处受力小，可用内力分配系数量化。,图11.12 角钢角焊缝受力分配（a）两边侧焊；(b)三边围焊；(c)L形围焊,普通螺栓连接的构造与计算,1.螺栓的种类 在钢结构中应用的螺栓有普通螺栓和高强度螺栓两大类。普通螺栓又分A级、B级(精制螺栓)和C级(粗制螺栓)两种。高强度螺栓按连接方式分为摩擦型连接和承压型连接两种。此外，还有用于钢屋架和钢筋混凝土柱或钢筋混凝土基础处的锚固螺栓(简称

35、锚栓)。A、B级螺栓采用5.6级和8.8级钢材，C级螺栓采用4.6级和4.8级钢材。高强度螺栓采用8.8级和10.9级钢材。10.9级中10表示钢材抗拉极限强度为fu=1000Nmm2，0.9表示钢材屈服强度fy=0.9fu，其他型号以此类推。锚栓采用Q235或Q345钢材。,普通螺栓连接的构造与计算,2.普通螺栓的计算和构造（1）普通螺栓连接的工作性能和破坏情况普通螺栓连接按螺栓传力方式，可分为受拉螺栓、受剪螺栓和受拉兼受剪螺栓三种。当外力垂直于螺杆时，该螺栓为剪力螺栓。当外力平行于螺杆时，该螺栓为拉力螺栓。精制螺栓受剪力作用后，螺杆与孔壁接触产生挤压力，同时螺杆本身承受剪切力。粗 制螺栓则

36、因孔径大，开始受力时螺杆与孔壁并不接触，待外力超过构件间的摩擦力(很小)而产生滑移后，螺杆才与孔壁接触。螺栓连接受力后的工作性能与钢材(或焊缝)相似，经过弹性工作阶段，屈服阶段，强化阶段而后进人破坏阶段。精制螺栓(或高强度螺栓)的这几个阶段比较明显，粗制螺栓的这几个阶段则不明显。,普通螺栓连接的构造与计算,(2)受拉螺栓的工作性能在受拉螺栓连接中，螺栓承受沿螺杆长度方向的拉力，螺栓受力的薄弱处是螺纹部分，破坏产生在螺纹部分，一方面是因该处截面面积最小，且常处于偏心受力状态；另一方面是该处因截面存在尖锐的缺口(螺纹)而产生高度应力集中。计算时应考虑这些不利因素。另外，在受拉螺栓连接中，螺栓所受拉

37、力的大小不但取决于外荷载的大小，还与连接本身的各零件(板件或角钢)有关。,普通螺栓连接的构造与计算,(3)受剪兼受拉的螺栓的工作性能这种螺栓兼有受剪和受拉两种螺栓的受力情况，工作性能比较复杂，通常分别考虑螺栓受剪和受拉性能后，用相关公式考虑受剪和受拉同时作用的综合效果(见设计规范)。,普通螺栓连接的构造与计算,3单个螺栓的承载力计算每个螺栓受力后能保证正常工作而不会出现破坏所能承受的最大外力称为这个螺栓的承一载力。当一个螺栓受力后可能出现几种破坏形式时，应求得相应于几种破坏形式的承载力，其中的最小者即为这个螺栓的承载力。,普通螺栓连接的构造与计算,6螺栓排列的构造要求螺栓在构件上的排列(普通螺

38、栓，高强度螺栓，铆钉的排列均相同)常采用并列和错列两种形式。,高强螺栓连接的构造与计算,高强度螺栓有摩擦型连接和承压型连接两种，在外力作用下，螺栓承受剪力(称剪力螺栓)和拉力(称拉力螺栓)。高强度螺栓承压型连接不应用于直接承受动力荷载的结构。1高强度螺栓摩擦型连接受力特点(1)通过拧紧螺帽对螺栓施加预应力P(2)对于剪力螺栓，靠接触面的摩擦力来传递外力，而不靠螺杆的抗剪和孔壁的承压来传力。3)高强度螺栓在外力作用下对螺杆产生拉力时，螺栓的预拉力P改变很小,高强螺栓连接的构造与计算,2单个摩擦型高强螺栓的承载力计算(1)螺栓受剪时为：,高强螺栓连接的构造与计算,(2)螺栓受拉时为：,高强螺栓连接

39、的构造与计算,3剪力螺栓群在轴力作用下计算轴力N通过螺栓群形心，每个螺栓受力为：,高强螺栓连接的构造与计算,4.拉力螺栓群在弯矩作用下计算高强螺栓群在弯矩作用下，受力时绕形心转动，在弯矩作用下，按下式计算：,11.3 钢结构的连接,技术提示：1.钢结构的连接方法通常有焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接三种。2.焊缝连接的形式按被连接钢材的相互位置可分为对接、搭接、T形连接和角部连接四种,需要了解几种焊缝的连接计算。,轴心受力构件,1.轴心受力构件的应用和截面形式轴心受力构是指承受通过构件截面形心轴线的轴向力作用的构件，当这种轴向力为拉力时，称为轴心受拉构件，简称轴心拉杆；当这种轴向力为压力时，称为轴

40、心受压构件，简称轴心压杆。轴心受力构件广泛地应用于屋架、托架、塔架、网架和网壳等各种类型的平面或空间格构式体系以及支撑系统中。支承屋盖、楼盖或工作平台的竖向受压构件通常称为栓，包括轴心受压栓。往通常由往头、柱身和往脚三部分组成(图11.13)，柱头支承上部结构并将其荷载传给柱身，柱脚则把荷载由往身传给基础。,轴心受力构件,图11.13,轴心受力构件,图11.15（a）普通桁架杆件截面（b）轻型桁架杆件截面（c）实腹式构件截面（d）格构式构件截面,轴心受力构件,2.轴心受力构件的强度计算从钢材的应力应变关系可知，当轴心受力构件的截面平均波力达到钢材的就拉强度时，构件达到强度极限承载力。但当构件的

41、乎均应力达到钢材的屈服强度时，由于构件塑性变形的发展，将使构件的变形过大以致达到不适于继续承载的状态。因此，抽心受力构件是以截面的平均应力达到钢材的屈服强度作为强度计算准则的。对无孔洞等削弱的轴心受力构件，以全截面平均应力达到屈服强度为强度极限状态、应按下式进行毛裁面强度计算：,轴心受力构件,对有孔洞等削弱的轴心受力构件(图11.16)，在孔洞处截面上的应力分布是不均匀的，靠近孔边处将产生应力集中现象。在弹性阶段，孔壁地线的最大应力 可能达到构件毛截面平均应力 的3倍（图11.16 a)。若轴心力继续增加，当孔壁边缘的最大施力达到材料的屈服强度以后，应力不再继续增加而截面发展塑性变形应力渐趋均

42、匀。到达极限状态时，净截面上的应力为均匀屈服应力。因此，对于有孔洞削弱的轴心受力构件以其净截面的平均应力达到屈服强度为强度极限状态，应按下式进行净截面强度计算：,轴心受力构件,图11.16 截面削弱处的应力分布（a）弹性状态（b）极限状态,轴心受力构件,3.轴心受压构件的整体失稳现象无缺陷的轴心受压构件，当轴心压力N较小时构件只产生轴向压缩变形，保持直线平衡状态。此时如有干扰力使构件产生微小弯曲，则当干扰力移去后，构件将恢复到原来的直线平衡状态，这种直线平衡状态下构件的外力和内力间的平衡是稳定的。当轴心压力逐渐增加到一定大小，如有干扰力使构件发生微弯，但若干扰力移去后构件仍保持微弯状态而不能恢

43、复到原来的直线平衡状态，这种从直线平衡状态过渡到微弯曲平衡状态的现象称为平衡状态的分枝，此时构件的外力和内力间的平衡是随遇的，称为随遇平衡或中性平衡。如轴心压力再稍微增加，则巧曲变形迅速增大而使构件丧失承载能力，这种现象称为构件朗弯曲屈曲或弯曲失稳(图11.18)。中性平衡是从稳定平衡过渡到不稳定平衡的临界状态，中性平衡时的轴心压力称为临界力，相应的截面应力称为临界应力。,轴心受力构件,图11.18 两端铰接轴心受压构件的屈曲状态（a）弯曲屈曲（b）扭转屈曲（c）弯扭屈曲,梁的类型和梁格布置,1.梁的类型在工业与民用建筑中钢梁主要用做楼盖粱、工作平台粱、吊车梁、墙架梁及檩条等。按梁的支承情况可

44、将粱分为简支梁、连续梁、悬臂梁等。按梁在结构中的作用不同可将梁分为主梁与次梁。按截面是否沿构件轴线方向变化可将梁分为等截面梁与变截面粱。改变粱的截面会增加一些制作成本，但可达到节省材料的目的。钢梁按制作方法的不同分为型钢梁和焊接组合梁。型钢梁又分为热轧型钢梁和冷弯薄壁型钢梁两钟。目前常用的热轧型钢有普通I字钢、槽钢、热轧H型钢等(如图11.19)。冷弯薄壁型钢粱截面种类较多，但在我国目前常用的有C形槽钢(11.19)。冷弯薄壁型钢是通过冷弯加工成形的，板壁都很薄，截面尺寸较小。在梁跨较小、承受荷载不大的情况下采用比较经济。型钢粱具有加工方便、成本低廉的优点，在结构设计中应优先选用。但由于型钢规

45、格型号所限，在大多情况下，用钢量要多于焊接组合梁。,梁的类型和梁格布置,图11.19 梁的截面形式,梁的类型和梁格布置,2.梁格布置在设计梁式楼板结构或其他类似结构时必须选择承重粱体系，称之为梁格。梁格可分为三个主要形式：简单式、普通式和复式粱格。（1）简单式梁格 简单式梁格中，荷载由楼板传至主粱，并经主梁传至墙壁或柱等承重结构上，由于板的承载力不大，所以梁布置的较密，这只有在梁跨度不大时才合理。（2）普通式梁格 荷载由楼板传至次梁，次梁再将荷载传至主梁主梁支承在柱或墙等承重结构上。这是一种常用的梁格布置方式。（3）复式梁格 复式梁格中，主梁间加设纵向次粱，纵向次梁间设横向次梁。荷载由楼板传至

46、横向次粱，再由横向次经传至纵向次经，经纵向次梁传给主梁。荷载传递路径长，构造复杂，只用在主梁跨度大、荷载重的情况下。,梁的类型和梁格布置,3.主次梁连接主次梁间的连接可以是叠接、平接或降低连接。（1）叠接 如图11.21所示，叠接就是次梁直接接在主粱或其他次梁上用焊缝或螺栓固定。从安装上看这是最简单最方便的连接方法，但建筑高度大，使用常受限制。（2）平接 平接又称等高连接加图11.21所示，次粱与主梁上翼缘位于同一平面，其上铺板。该法允许在给定的楼板建筑高度里增大主梁的高度。（3）降低连接 降低连接用于复式粱格小如图11.21所示，横向次粱在低于主梁上翼缘的水平处与主梁相连。横向次梁上叠放纵向

47、次梁，铺板位于主梁之上。该法同样允许在给定的楼板建筑高度里增大主粱的高度。,梁的类型和梁格布置,图11.22 主次梁连接,11.4钢结构的受力构件,技术提示：1.轴心受力构是指承受通过构件截面形心轴线的轴向力作用的构件；当这种轴向力为压力时，称为轴心受压构件，简称轴心压杆。2.梁格可分为三个主要形式：简单式、普通式和复式粱格。,屋盖结构的组成和布置,钢屋盖结构由屋面材料、檩条、屋架、托架和天窗架、屋面支撑等构件组成。根据屋面材料和屋面结构布置情况可分为无檩屋盖和有檩屋盖两种。当屋面材料采用预应力大型屋面板时，屋面荷载可通过大型屋面板直接传给屋架，这种屋盖体系称为无檩屋盖；当屋面材料采用瓦楞铁皮

48、、石棉瓦、波形钢板和钢丝网水泥板等时，屋面荷载要通过檩条传给屋架，这种体系称为有檩屋盖。无檩屋盖施工快，屋面刚度大，但大型屋面板自重大；有檩屋盖屋面材料自重轻，用料省，但屋面刚度差。两种屋盖体系各有优缺点，具体设计时应根据建筑物使用要求。结构特性、材料供应情况和施工条件等综合考虑而定。,屋盖结构的组成和布置,屋架的跨度和间距取决于柱网布置，而柱网布置则根据建筑物工艺要求和经济合理等各方面因素而定。无檩屋盖因受大型屋面板尺寸的限制(大型屋面板的尺寸一般为1.5m6m)，故屋架跨度一般取3m的倍数，常用的有15m、18m、21m36m等，屋架间距为6m；当柱距超过屋面板长度时，就必须在柱间设置托架

49、，以支承中间屋架(下图)。有檩屋盖的屋架间距和跨度比较灵活，不受屋面材料的限制。,屋盖支撑的类型,屋盖支撑根据支撑布置位置不同分为：1屋架上弦横向水平支撑2屋架下弦横向水平支撑3屋架下弦纵向水平支撑4垂直(竖向)支撑5系杆 系杆一般设置在不设置横向水平支撑开间，分为刚性系杆(能承受压力)和柔性系杆(只能承受拉力),屋盖支撑的作用,1保证屋盖结构的几何稳定性由屋架、檩条等互相垂直的平面构件铰接连接而成的屋盖结构是几何可变体系。在某种荷载作用下或在安装时，各屋架有可能向一侧倾倒，故必须布置支撑使屋与屋架连接成几何不变的空间体系，才能保证整个屋盖在各种荷载作用下都能很好地作。首先用支撑将相邻两个屋架

50、组成空间稳定体(几何不变体)，然后用檩条、系杆或大型钢筋混凝土屋面板将其余各屋架与此空间稳定体连接起来，形成几何不变的、空间稳定的屋盖结构。空间稳定体通常是由相邻两个屋架和它们之间的上弦横向水平支撑，下弦横向水平支撑以及屋架端部和跨中竖直平面内的竖直支撑组成的六面盒式体系。,屋盖支撑的作用,2保证屋盖的空间刚度和整体性通常采用的沿屋架上弦平面布置的横向水平支撑(上弦平面不一定水平而常是斜平面)，是一个水平放置(或接近水平放置)的桁架。桁架两端的支座是柱(或柱间支撑)或是桁架端部的竖向支撑。这个支撑桁架的高度即为屋架的间距，通常是6m。在屋架上弦平面内具有很大的抗弯刚度，在山墙传来的沿房屋纵向风