同济大学钢结构基本原理.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,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,材 料,力学性能,强度,(MPa)/,弹性模量,(MPa)/,密度（,kN/m3,）,塑性和韧性,制作安装方面,密封性能,耐火,/,耐腐蚀,混凝土,抗压性能好、,抗拉性能差,3-40/,14000-36000/,25,拉力下脆性,现浇,一般,好,钢 材,均匀、各向,同性,234-420)/,206000/,78.5,理想弹塑性材料，好,预制、,工业化程度高,好,耐热好耐火差,耐腐蚀差,玻 璃,缺陷对抗拉强度影响拉、抗压性能好,拉,45,、压,800/,/70000/,25,拉力下脆性,预制、,工业化程度高,好,耐火差,耐腐蚀一般,膜 材,各向异性、,只拉柔性材,料,60-200(1mm,厚,)/,500-1000/,7-15,预制、,工业化程度高,一般,耐火差,耐腐蚀差,铝合金,均匀、各向同性,80200,658000/,27,理想弹塑性材料,预制、,工业化程度高,好,耐火差,耐腐蚀好,木 材,纤维纵向受,拉强度大,、纤维横向,受拉强度低,纤维受压及,横向差,预制、工业化程度一般,耐火差,耐腐蚀较差,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,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:,f,p,200M,Pa,e,p,0.1%,C:,f,y,235MPa,e,y,0.15%,2.5%,B:,f,u,370-460MPa,e,u,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,a,k,V,型、,U,型缺口,a,k,=A,k,/A,n,强度和韧性的综合指标,A,k,冲击功,N.m(J),A,k,=W(h,1,-h,2,),W=,摆锤重，,h1/h2=,冲断前后摆锤高度,A,n,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,、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,系数 裂纹宽度一半 应力,应力强度因子：,临界应力,s,0,：裂纹失稳扩展时应力,断裂韧性,K,IC,：,K,I,K,IC,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：应力循环形式和次数、应力集中、残余应力、缺陷,应力比：,r=s,min,/s,max,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=s,max,-s,min,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,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,(1200-1300,O,C),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,(200-300,O,C),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,),：,250,O,C,时冲击韧性下降,避免蓝脆范围内热加工,300-600,O,C,：屈服,/,抗拉极限,/,弹性模量下降，,600,O,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/mm,2,),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,:20,O,C,时,A,k,27J;,C,:0,O,C,时,A,k,27J;,D,:-20,O,C,时,A,k,27J,脱氧方式：,Z,(,可不标注,),、,b,、,F,、,TZ,(,可不标注,),A,、,B,Z,、,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,、,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,:20,O,C,时,A,k,34J;,C,:0,O,C,时,A,k,34J;,D,:-20,O,C,时,A,k,34J;,E,:-40,O,C,时,A,k,27J,脱氧方式分为镇静钢,(A,、,B),、特殊镇静钢,(C,、,D,、,E),。,Q345B,B,级镇静钢,Q390D,D,级特殊镇静钢,Q345C,C,级特殊镇静钢,老牌号：,16Mn,Q345,，,15MnV,Q390,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/S0.02%,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,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,；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：,32-630mm,，,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,f,y,|f,u,、,塑性,d,|,Y,、冲击韧性,a,k,、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式,1,、强度破坏,(,塑性破坏,),构件塑性内力重分布,塑性设计,q,u,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：,N,i,常量,i,对应的疲劳破坏循环次数,产生裂缝,a,1,后至破坏,(,裂缝宽度,a,2,),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、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,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：,f,w,c,=f,抗拉强度：焊缝质量一级：,f,w,t,=f,；焊缝质量二级：,f,w,t,=0.85f,抗剪强度：,f,w,v,=f,v,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,60,o,）,焊缝高度,h,f,：,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,t,4mm,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）；,h,f,4mm,(,板厚,t6mm,时,),，,h,f,t-(1-2)mm,(,t6mm,时,);,圆孔或槽孔内,h,f,圆孔直径或槽孔短径的,1/3,。,焊缝长度,l,w,（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,l,w,8,h,f,或,40mm,。,不宜太大，因受力不均匀，避免受力大处先破坏，,侧缝,l,w,60,h,f,(,静,),或,40,h,f,(,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,l,w,d,。,d,16t,(t,12mm,时,),或,d,200mm,(t,12mm,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,s,f,、平行于焊缝长度方向应力,t,f,s,f,又分解为,s,和,s,。,t,f,=,t,。,角焊缝的强度计算,垂直于焊缝的力,N,y,，平行于焊缝的力,N,z,。,f,w,f,为角焊缝强度设计值；,b,f,为段焊缝强度增大系数，,b,f,=1.22(,静,),，,b,f,=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,角钢类型,连接形式,内力分,肢背,k1,配系数,肢背,k1,等肢,0.7,0.30,不等肢短肢连接,0.75,0.25,不等肢长肢连接,0.65,0.35,轴剪弯扭共同作用下角焊缝的计算,焊缝应力：垂直于焊缝,s,f,，平行于焊缝,t,f,。,作用力：轴力,N,，剪力,V,，弯矩,M,，扭矩,T,。,s,f,=s,f,N,+,s,f,V,+,s,f,M,+,s,f,T,t,f,=,t,f,N,+,t,f,V,+,t,f,M,+,t,f,T,点,1,：翼缘。,N,产生,t,V,产生,s,，,T,产生,t,x,和,s,y,。,点,2,：腹板。,N,产生,s,，,V,产生,t,，,T,产生,s,x,和,t,y,。,不焊透对接焊缝的计算,按角焊缝计算：,b,f,取,1.0,；,有效厚度,V,形：,he=s(,a,60,o,),，,he=0.75s(,a,60,o,),U/J,形：,he=s,s,为焊缝根部至焊件表面最短距离。,he 1.5,t,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、横向收缩先焊已凝固部位阻止其收缩,厚度方向残余应力：,钢板厚度,0),时，,M/N,较大时,(N,min,0),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,、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,P,0,、接触面挤压力,C,0,，,C,0,=P,0,外力,N,t,作用下，,P,P,f,，,CC,f,，,P,f,=C,f,+N,t,螺杆伸长量等于接触面压缩恢复量，,设螺杆面积,A,d,，接触面面积,A,c,，,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：,n,f,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。,P,0,高强度螺栓的预拉力设计值，,P,0,=0.675f,y,b,A,e,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,n,1,，总螺孔数,n,，摩擦面的孔前传力为,50%(,记为,p,f,),，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,N,t,作用，等效预紧力为,P,0,-1.25N,t,(N,t,为达,N,t,b,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,N,t,、计算剪力,N,V,，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,A,e,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；,l,0,拉杆计算长度；,r,拉杆截面回转半径；,l,容许长细比,承受静载或间接动载的结构,直接承受,动载的结构,一般结构,有重级吊车的厂房,300-400,200-350,250,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：,E,t,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,s,cr,l,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：,x,0,、,y,0,剪力中心坐标；,s,r,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,x,0,=y,0,=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,N,Ex,N,ey,N,E,q,：,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,N,Ey,出对称轴,x,平面外弯曲,(,绕,x,轴,),和扭转同时产生,N,Ex,q,。,不对称截面的弯扭失稳,三方程耦联，空间弯扭失稳，,N,Exy,q,。,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,s,cr,：,考虑,P,D,效应的边缘纤维屈服准则：,引入,D,m,的表达式，记,e,0,=,A,D,0,/,W,x,，推导得到,:,按稳定极限承载力理论求临界应力,s,cr,：,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,）：,a,1/,a,2/,a,3,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,l,w,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,l,w,l,，,扭转失稳时,l,q,l,),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，,s,s,cr,允许局部失稳、利用板件屈曲后的强度，,N N,u,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,；,#,k,min,=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,）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,s,f,f,y,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,b,e,A,e,计算,b,e,时取,j,f,y,代替,f,max,。,(1),i=1,，假定,f,max,1,=,f,y,；,(2),计算,b,e,，计算,A,e,、,I,e,、,长细比,l,;,(3),计算,j,，,f,max,i+1,=,j,f,y,;,(4)(,f,max,i+1,-f,max,i,)/,f,max,i+1,error,?,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=y,1,+y,2,y,1,弯曲变形，,y,2,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，,g,0,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