1、1钢结构设计原理复习第一章 绪论 1、 钢结构的特点（前 5 为优点，后三为缺点）1）强度高、重量轻 2）材质均匀，塑性、韧性好3）良好的加工性能和焊接性能（易于工厂化生产，施工周期短，效率高、质量好）4）密封性能好 5 )可重复性使用性 6 ) 耐热性较好，耐火性差7)耐腐蚀性差 8)低温冷脆倾向2、钢结构的应用1）大跨结构 【钢材强度高、结构重量轻】 （体育馆、会展、机场、厂房）2）工业厂房 【具有耐热性】3）受动力荷载影响的结构 【钢材具有良好的韧性】4）多层与高层建筑 【钢结构的综合效益指标优良】 （宾馆、办公楼、住宅等）3、结构的可靠度：结构在规定的时间（50 年） ，规定的条件（正
2、常设计、正常施工、正常使用、正常维护）下，完成预定功能的概率。4、结构的极限状态：承载能力极限状态（计算时使用荷载设计值） 、正常使用极限状态（荷载取标准值）5、涉及标准值转化为设计值的分项系数：恒荷载取 1.2 活荷载取 1.4第二章 钢结构的材料1、 钢材的加工 热加工：指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，生产出各种厚度的钢板和型钢。 （热加工的开轧和锻压温度控制在 1150-1300 ） 冷加工 ：指在常温下对钢材进行加工。 （冷作硬化现象：钢材经冷加工后，会产生局部或整体硬化，即在局部或整体上提高了钢材的强度和硬度，降低了塑性和韧性的现象） 热处理：指通过加热、保温、冷却的操作
3、方法，使钢材的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。 （退火、正火、淬火和回火）2、钢材的两种破坏形式：特 征 断 口 后 果塑性破坏（延性破坏）构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强度后，构件产生明显的变形并断裂。常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。在破坏前有很明显的变形，并有较长的变形持续时间，便于发现和补救。脆性破坏在破坏前无明显变形，平均应力也小（一般都小于屈服点） ，没有任何预兆。断口平直和呈有光泽的晶粒。突然发生的，危险性大，应尽量避免。3、钢材的六大机械性能指标屈服点 fy：它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。 （作为钢结构设计可以达到的最大应力）抗拉强度 fu
4、： 它是钢材破坏前所能承受的最大应力。 （强度的安全储备）2伸长率 ：代表材料断裂前具有的塑性变形能力。断面收缩率 ：断面收缩率 越大，钢材的塑性越好。冷弯性能（塑性）：钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。 冲击韧性：【韧性：反映钢材抵抗冲击荷载、动力荷载的能力，是钢材在变形和断裂中吸收能量的度量。 】 （衡量韧性指标用冲击韧性值表示，也叫冲击功，用符号 Akv 表示，单位为 J） 温度越低，冲击韧性越低。 4、有害元素（S、O、P、N）的影响硫（S）：有害元素，具有热脆性（温度达到 800-1000时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂纹） 。规范规定结构用钢中
5、硫的含量不得超过 0.05%。氧（O）：有害杂质，与 S 相似（热脆） 。 磷（P）：磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。钢材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时促使钢材变脆） 。因此，磷的含量也要严格控制，规范中规定不得超过0.045%。氮（N）：有害杂质，与 P 相似。5、钢材的硬化（1）冷作硬化：在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象。（2）时效硬化：随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象。 【在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，会加
6、速时效硬化的发展】（3）应变时效硬化：钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。6、温度的影响1）高温温度在 250左右的区间内，fu 有局部性提高，冲击韧性降低，出现蓝脆现象。当温度达到 600时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。2）低温当温度低于常温时，T 下降，随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。3）冲击功曲线的反弯点 T0 称为转变温度。在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。7、高周疲劳（应力疲劳）
7、：工作应力小于 fy，没有明显的塑性变形，寿命 n5104 次。如吊车梁、桥梁、海洋平台在日常荷载下的疲劳破坏。低周疲劳（应变疲劳）：工作应力大于 fy，有较大的塑性变形，寿命 n1025104 次。如强烈地震下一般钢结构的疲劳破坏。8、我国的建筑用钢主要为碳素结构钢、低合金高强度结构钢和建筑结构用钢板三种。碳素结构钢：按字母顺序由 A 到 D，表示质量等级由低到高。除 A 级外，其他三个级别的含碳量均在 0.20%以下。Q235B 代表屈服点为 的 B 级镇静钢。 （在具体标注时， “Z”， “TZ”可省235/Nm略）角钢型号：符号“”+“长边宽短边宽厚度” 【对等边的可为：1258】3I
8、 字钢：I20a 表示高度为 200mm，腹板厚度为 a 类的工字钢。H 型钢：高度 H宽度 B腹板厚度 t1翼缘厚度 t2第三章 连接1、连接的方式：焊缝连接、铆钉连接、螺栓连接和轻型钢结构用的紧固件连接。2、焊条：Q235 钢选择 E43 型焊条Q345 钢选择 E50 型焊条 (E5001-E5048)Q390、Q420 钢选择 E55 型焊条(E5500-E5518)不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。3、焊缝连接形式按被连接钢材的相互位置分为对接、搭接、T 形连接和角部连接。4、焊缝形式：对接焊缝和角焊缝。 对接焊缝按受力与焊缝方向分：1）正对接焊缝；2）斜对接焊缝角
9、焊缝按受力与焊缝方向分： 1）正面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直。2）侧面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向平行。3）斜焊缝5、对接焊缝：对接焊缝的焊件常需做成坡口，又叫坡口焊缝。坡口形式与焊件厚度有关。（1）对接焊缝的构造处理1) 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。2）在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故焊接时可设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。3）为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板。（2）对接焊缝的优缺点优点：用料经济、传力均匀、无明显的应
10、力集中，利于承受动力荷载。缺点：需剖口，焊件长度要求精确。6、对接焊缝的计算：4第 3章 连 接Chapter 3 Conections斜 向 受 力 的 对 接 焊 缝对 接 焊 缝 斜 向 受 力 是 指 作 用 力 通 过 焊 缝 重 心 ， 并 与 焊 缝 长 度 方 向 呈 夹 角 ， 其 计 算 公 式 为 ：lw斜 焊 缝 计 算 长 度 。 加 引 弧 板 时 ， lw b/sin； 不 加 引 弧 板 时 ， lwb/sin 2t。fvw对 接 焊 缝 抗 剪 设 计 强 度 。 （ P398表 1.3）规 范 规 定 ， 当 斜 焊 缝 倾 角 56.3， 即 tan 1.
11、5时 ， 可 认 为 对 接斜 焊 缝 与 母 材 等 强 ， 不 用 计 算 。3.2 对 接 焊 缝 的 构 造 和 计 算bwctsinftlNw或（ 3.2.2）vflco（ 3.2.3）7、角焊缝的构造：角焊缝按截面形式（两焊脚边的夹角）可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。角焊缝按受力与焊缝方向分： 1）正面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直。 【焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。破坏强度高，但塑性差，弹性模量大】2）侧面角焊缝：作用力方向与焊缝长度方向平行。 【主要承受剪应力，剪应力两端大，中间小；强度低，弹性模量低，但塑性较好】3）斜焊缝注： 焊脚尺寸；焊脚边的夹角； fhhe有效厚度
12、（破坏面上焊缝厚度）并有， he cos/2f8、构造要求：a) 最小焊脚尺寸( )minf角焊缝的焊脚尺寸 i1.5, mfht为 较 厚 焊 件 厚 度 （ ）自动焊： min.-,ft为 较 厚 焊 件 厚 度 （ ）T 形连接单面角焊缝： min.+,ft为 较 厚 焊 件 厚 度 （ ）焊件厚度 t4mm 时：取 i=fhb）最大焊脚尺寸（ ） t较薄焊件的板厚maxfmax1.2fht对板件（厚度 t ）边缘的角焊缝（贴边焊）当 t6mm 时， t ； 当 t6mm 时， t - (12)mm 。maxfhmaxfh5c）侧焊缝最大计算长度（ ） maxwlax60flhd）角焊缝
13、的最小计算长度 in侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于： 和 40mm min8wfl考虑到焊缝两端的缺陷，其实际长度应较前述数值还要大 2hfe）1）搭接连接的构造要求：每条侧焊缝的长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离，即。/wbl2）两侧面角焊缝之间的距离 b16t（t12mm）或 190mm（t12mm） ，t较薄焊件的板厚3）当仅采用正面角焊缝时，其搭接长度不得小于焊件较小厚度的 5 倍，也不得小于25mm。4）三面围焊时：当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转角加焊 2hf。避开起落弧发生在转角处的应力集中。 第 3章 连 接Chapter 3 Conections例 题
14、 3.4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 2 12510， 与 厚 度为 8m的 节 点 板 连 接 ， 其 搭 接 长 度 为 30m， 焊 脚 尺 寸hf=8m， 钢 材 为 Q235-B， 手 工 焊 ， 焊 条 为 E43型 。解 ：角 焊 缝 设 计 强 度 值 2wfN/160K1=0.7， K2=0.3， lw3=b=125m6第 3章 连 接Chapter 3 Conections正 面 角 焊 缝 所 能 承 受 的 内 力 N3为 ：正面角焊缝的强度设
15、计值增大系数。静载时 1.22，对直接承受动力荷载的结f f构， 取 1.0 。 he=0.7hf； lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去 2hf。9、焊接残余应力的分类 【1】纵向焊接应力：长度方向的应力（不均匀的温度场产生不均匀的膨胀） 焊缝处钢材受热伸长，但受两侧低温区域的限制产生热塑性压缩； 焊缝冷却时收缩又受到限制而产生拉应力； 拉应力大小可达钢材屈服点 fy; 远离焊缝区域产生纵向压应力，焊件内应力自相平衡。【2】横向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力 ； 焊缝纵向收缩，焊件有反向弯曲变形的趋势，在焊缝处中部受拉，两端受压； 先焊焊缝凝固阻
16、止后焊焊缝横向自由膨胀，发生横向塑性压缩变形；焊缝冷却，后焊焊缝收缩受限产生拉应力，先焊焊缝产生压应力； 应力分布与施焊方向有关； 横向应力是上述两种应力合成。【3】厚度方向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。沿厚度方向先焊焊缝凝固，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。 冷却时外围焊缝散热快先冷固，内层焊缝收缩受限制产生沿厚度方向的拉应力，外部则产生压应力。10、螺栓连接优点：施工简单，装拆方便，对安装工的要求高；摩擦型高强度螺栓连接动力性能好；耐疲劳，易阻止裂纹扩展。缺点：费料、开孔截面削弱；螺栓孔加工精度更高。型号：C 级 4.8
17、 表示螺栓成品的抗拉强度不小于 ，屈强比（屈服点与抗拉240/Nm强度之比）为 0.8711、螺栓的排列排列的方式有并列排列和错列排列两种。(1) 受力要求 a）端距限制防止孔端钢板剪断，2d0 ；b）螺孔中心距限制 下限：防止孔间板破裂3d0上限：防止板间张口和鼓曲。（2）构造要求 螺栓的中距及边距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易侵入缝隙而发生锈蚀。（3）施工要求 要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。12、螺栓的其它构造要求1）为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓；2）直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽松动；3）C 级螺栓
18、宜用于沿杆轴方向的受拉连接13、受剪螺栓的破坏形式螺栓杆剪断；板件被剪坏；端距太小，端距范围内的板件被栓杆冲剪破坏；板件因螺栓孔削弱太多而被拉断；螺栓杆发生弯曲破坏。 【其中可由构造要求避免，前三个可由计算解决】14、单个普通螺栓的受剪计算假定：假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布 ；假定挤压力沿栓杆直径平面（实际上是相应于栓杆直径平面的孔壁部分）均匀分布受剪承载力设计值：2bbvv4dNnf承压承载力设计值： bbcctf单个剪力螺栓的设计承载力： bmincv,N验算： bvminN8第 3章 连 接Chapter 3 Conections例 3.1 验 算 如 图 所 示 普 通 螺 栓 连
19、 接 强 度 。 螺 栓 M20， 孔 径21.5m， 材 料 为 Q235。步 骤 1 计 算 螺 栓 上 的 力N=103/5=60kNV=104/5=80kN分 析 螺 栓 受 力 状 态荷 载 P通 过 螺 栓 截 面 形 心 O， 分 解后 得 剪 力 V和 拉 力 N， 螺 栓 处 于 既受 拉 又 受 剪 的 状 态 。P=10kN543o计 算 Nv=V/n=80/4=20kNNt=N/n=60/4=15kN915、高强度螺栓群承受拉力、弯矩和剪力的共同作用（以例题说明公式）例题：双角钢拉杆与柱的连接如图。拉力 N550kN 。钢材为 Q235B 钢。角钢与节点板、节点板与端板
20、采用焊缝连接，焊条采用 E43 型焊条。端板与柱采用 10.9 级 M20 高强螺栓连接。构件表面采用喷砂处理。试求： （1）角钢与节点板连接的焊缝长度（2）节点板与端板的焊缝高度（3）验算高强螺栓连接（分别按摩擦型和承压型连接考虑）10（1） 肢背： 11120.7650 26.8 mwwfwfkNlhl取肢尖：22.351430.70761 wfwkNhl 取（2） 389 FkVk由于钢板厚度为 14mm，端板厚为 20mm，可设焊缝高度为 10mm故取焊脚尺寸为 10mmmaxin1.46.507ffhm验算是否满足： 240wflh222()()20.7.7389138910 ) .4.4566f fwf fwwfFVllMPaPa故节点板与端点板的焊缝高为 10mm（3）验算高强螺栓连接解：查表 3.3.1 和附录知：肢背：=0.65，肢尖： =0.351K2，60/wfNm12ffh
