钢结构设计原理复习.docx

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钢结构设计原理复习

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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

1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℃）

2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）

3热处理：

指通过加热、保温、冷却的操作方法，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：

它是钢材破坏前所能承受的最大应力。

（强度的安全储备）

伸长率δ：

代表材料断裂前具有的塑性变形能力。

断面收缩率ψ：

断面收缩率ψ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）：

工作应力小于fy，没有明显的塑性变形，寿命n≥5×104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n＝102～5×104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”可省略）

角钢型号：

符号“∟”+“长边宽×短边宽×厚度”【对等边的可为：

∟125×8】

I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：

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；α—焊脚边的夹角；

he—有效厚度（破坏面上焊缝厚度）

并有，he＝

cosα/2

8、★构造要求：

a）最小焊脚尺寸（

）

角焊缝的焊脚尺寸

自动焊：

T形连接单面角焊缝：

焊件厚度t≤4mm时：

取

b）最大焊脚尺寸（

）t—较薄焊件的板厚

对板件（厚度t）边缘的角焊缝（贴边焊）

当t≤6mm时，

≤t；当t＞6mm时，

≤t-（1～2）mm。

c）侧焊缝最大计算长度（

）

d）角焊缝的最小计算长度

侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于：

和40mm

考虑到焊缝两端的缺陷，其实际长度应较前述数值还要大2hf

e）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

。

2）两侧面角焊缝之间的距离b≤16t（t＞12mm）或190mm（t≤12mm），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。

——正面角焊缝的强度设计值增大系数。

静载时

＝1.22，对直接承受动力荷载的结构，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表示螺栓成品的抗拉强度不小于

，屈强比（屈服点与抗拉强度之比）为0.8

11、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级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接

13、受剪螺栓的破坏形式

①螺栓杆剪断；②板件被剪坏；③端距太小，端距范围内的板件被栓杆冲剪破坏；④板件因螺栓孔削弱太多而被拉断；⑤螺栓杆发生弯曲破坏。

【其中④⑤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：

承压承载力设计值：

单个剪力螺栓的设计承载力：

验算：

15、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N＝550kN。

钢材为Q235B钢。

角钢与节点板、节点板与端板采用焊缝连接，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）

解：

查表

，肢尖：

=0.35

，

（1）肢背：

肢尖：

（2）

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10mm

验算是否满足：

故节点板与端点板的焊缝高为10mm

（3）验算高强螺栓连接

螺栓的最大内力：

按摩擦型连接计算：

故摩擦型验算不合格。

按承压型连接计算：

有：

故满足要求。

▲具体公式有以下几种：

（1）摩擦型连接的计算

（2）承压型连接的计算

例2、试设计如图所示牛腿与柱的连接角焊缝①，②，③。

钢材为Q235B，焊条E43型，手工焊。

（见作业本P114,T3.11）

第四章受弯构件的计算原理

1、承受横向荷载和弯矩的构件叫受弯构件。

2、弯曲强度：

梁的抗弯强度应满足：

（绕x轴单向弯曲时）

（绕x、y轴双向弯曲时）

式中：

Mx、My——梁截面内绕x、y轴的最大弯矩设计值；

Wnx、Wny——截面对x、y轴的净截面模量；

γx、γy——截面对x、y轴的有限塑性发展系数，小于γ；

f——钢材抗弯设计强度。

注：

对工字型钢取

3、在构件截面上有一特殊点S，当外力产生的剪力作用在该点时构件只产生线位移，不产生扭转，这一点S称为构件的剪力中心。

剪力中心S位置的一些简单规律

（1）双对称轴截面和点对称截面（如Z形截面），S与截

面形心重和；

（2）单对称轴截面，S在对称轴上；

（3）由矩形薄板中线相交于一点组成的截面，每个薄板中

的剪力通过该点，S在多板件的交汇点处。

4、弯曲剪应力计算（以工字型钢为例）

工字型截面剪应力可近似按下式计算：

，

5、局部压应力

式中：

F—集中荷载，动力荷载作用时需考虑动力系数

ψ—集中荷载放大系数（考虑吊车轮压分配不均匀），重级工作制吊车梁ψ=1.35，其它梁ψ=1.0；

—腹板厚度

lz—集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度，可按下式计算：

跨中集中荷载：

=a+5

6、折算应力：

当σ和σc异号时比同号时要提早进入屈服，而此时塑性变形能力高，危险性相对较小故取β1=1.2。

σ和σc同号时屈服延迟，脆性倾向增加，故取β1=1.1。

7、受弯构件的刚度：

υ≤[υ]

υ——标准荷载下梁的最大挠度

[υ]——受弯构件的挠度限值，按附P384表2.1规定采用

注：

均布荷载下等截面简支梁

集中荷载下等截面简支梁

式中，

Ix——跨中毛截面惯性矩

Mx——跨中截面弯矩（为标准值）

8、梁整体稳定：

梁受竖向荷载P作用下，当P增加到某一数值时，梁将在截面承载力尚未充分发挥之前突然偏离原来的弯曲变形平面，发生侧向位移和扭转，使梁丧失继续承载的能力，这种现象称为梁的整体失稳，也称整体弯扭失稳或侧向失稳。

9、影响梁整体稳定的因素

1）截面刚度的影响

梁的侧向抗弯刚度E

↑

扭转刚度G

↑临界弯矩Mcr↑翘曲刚度E

↑

2）侧向支撑距离的影响

侧向支撑l1↓,临界弯矩Mcr↑。

侧向支撑越是靠近受压翼缘，效果越好。

3）荷载类型的影响

弯矩图越饱满，临界弯矩越低

4）荷载作用位置的影响

荷载作用在下翼缘，附加扭矩会减

缓梁的扭转变形，提高梁的临界荷

载。

5）受压翼缘的影响

受压翼缘宽大的截面，临界弯矩高些。

6.）支座约束程度的影响。

梁端支承条件约束程度↑，临界弯矩↑。

10、增强梁整体稳定的措施

1）增大梁截面尺寸，增大受压翼缘的宽度最为有效；

2）在受压翼缘设置侧向支撑；

3）当梁跨内无法增设侧向支撑时，宜采取闭合箱形截面；

4）增加梁两端的约束提高其稳定承载力。

采取措施使梁端不能发

生扭转。

11、梁板件的局部稳定：

可增加板厚控制。

第五章梁的设计

1、标准值→设计值：

活载：

恒载：

对于

（工字型钢）：

要计算疲劳时取1.0；考虑塑性发展取1.05；

在

时取1.0

2、梁的验算：

1）强度验算

①正应力

②剪应力

③局部压应力

④折算应力

2）梁的刚度验算　υ≤[υ]

υ——标准荷载下梁的最大挠度

[υ]——受弯构件的挠度限值，按附表2.1规定采用

3）整体稳定验算：

（1）判断梁是否需要进行整体稳定验算。

（2）如需要则按照梁的截面类型选择适当的计算公式计算整体稳定系数。

（3）不论哪种情况算得的稳定系数大于0.6，都应采用修正公式进行修正。

（4）采用公式验算整体稳定承载力是否满足要求。

4）局部稳定验算：

（1）型钢梁的局部稳定都已经满足要求不必再验算。

（2）对于焊接组合梁，翼缘可以通过限制板件宽厚比保证其不发生局部失稳。

（3）腹板则较为复杂，一种方法是通过设置加劲肋的方法保证其不发生局部失稳；另一种方法是允许腹板发生局部失稳，利用其屈曲后承载力。

例题：

如图所示，某焊接工字形等截面简支梁，跨度10m，在跨中作用有一静力集中荷载，该荷载由两部分组成，一部分为横载，标准值为200KN；另一部分为活载，标准值为300KN。

荷载沿梁的跨度方向支承长度为150mm。

该梁在支座处设有支承加劲肋。

若该梁采用Q235B钢制作，试检验该梁的强度、刚度是否满足要求。

第六章轴心受拉构件

1、轴心受力构件：

是指承受通过截面形心轴线的轴向力作用的构件。

包括轴心受拉构件（轴心拉杆）和轴心受压构件（轴心压杆）。

2、弯曲失稳：

构件由直线形式改变为弯曲形式，且这种变化带有突然性。

只发生弯曲变形，截面只绕一个主轴旋转，杆纵轴由直线变为曲线，是双轴对称截面常见的失稳形式；

3、扭转失稳：

对某些抗扭刚度较差的轴心受压构件（十字形截面），当轴心压力达到临界值时，稳定平衡状态不再保持而发生微扭转。

当轴心力在稍微增加，则扭转变形迅速增大而使构件丧失承载能力的现象。

4、弯扭失稳：

截面为单轴对称（T形截面）的轴心受压构件绕对称轴失稳时，由于截面形心和剪切中心不重合，在发生弯曲变形的同时必然伴随有扭转变形的现象。

5、轴心受压构件的计算长度系数μ：

两端铰接：

1上端自由，下端固定：

2上端铰接，下端固定：

0.8

两端固定：

0.65上端可移动不转动，下端固定：

1.2

上端可移动不转动，下端铰接：

2

6、截面设计原则

1）等稳定性【尽可能使两个方向的稳定系数或长细比相等，以达到经济效果】

2）宽肢薄壁【前提是满足板件宽厚比限值】

3）连接方便4）制造省工

7、构件的截面验算：

A、截面有削弱时，进行强度验算；

B、整体稳定验算；

C、局部稳定验算；

对于热轧型钢截面，因板件的宽厚比较大，可不进行局部稳定的验算。

D、刚度验算：

可与整体稳定验算同时进行。

第七章拉弯、压弯构件

1、长细比

越大，整体稳定系数

越小，稳定性越差。

2、构件同时承受轴心压（或拉）力和绕截面形心主轴的弯矩作用，称为压弯（或拉弯）构件。

3、拉弯、压弯构件的强度计算准则：

（1）边缘屈服准则，此时构件处于弹性工作阶段。

（2）全截面屈服准则，此时构件在轴力和弯矩共同作用下形成塑性铰。

（3）部分发展塑性准则，此时构件处于弹塑性工作阶段。

例题：

试设计一工作平台柱。

柱的轴心压力设计值为4500KN（包括自重），柱高6m，两端铰接，采用H型钢，截面无削弱，钢材为Q235。

题型：

一、单选题（10×2′）

二、填空题（10×1′）

三、名词解释（5×3′）

四、简答题（5×5′）

五、计算题（3×10′）

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