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钢结构设计原理复习
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)
脆性破坏
构件应力超过屈服常为杯形,呈纤在破坏前有很明
点,并且达到抗拉极限强维状,色泽发暗。
显的变形,并有较长
度后,构件产生明显的变的变形持续时间,便
形并断裂。
于发现和补救。
在破坏前无明显变形,断口平直和呈有突然发生的,危险
平均应力也小(一般都小光泽的晶粒。
性大,应尽量避免。
于屈服点),没有任何预
兆。
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)
1
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:
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
235N/mm2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。
2
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:
3
第3章连接
Chapter3Connections
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:
Nsin
ftw或fcw
(3.2.2
)
b
lwt
Ncos
fvw
(3.2.3
)
lwt
l’——w斜焊缝计算长度。
加引弧板时,
l’w=b/sin
;不加引弧板时,
l’w=
b/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
≤1.5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
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:
hf—焊脚尺寸;—焊脚边的夹角;
he—有效厚度(破坏面上焊缝厚度)
并有,he=hf
cos
/2
8、★构造要求:
a)最小焊脚尺寸(hf
min)
角焊缝的焊脚尺寸
hfmin1.5
t,t为较厚焊件厚度(mm)
自动焊:
hfmin
1.5
t-1,t为较厚焊件厚度(mm)
T形连接单面角焊缝:
hfmin
1.5t+1,t为较厚焊件厚度(mm)
焊件厚度t≤4mm时:
取hfmin=t
b)最大焊脚尺寸(hfmax)t—较薄焊件的板厚
hfmax1.2t
对板件(厚度t)边缘的角焊缝(贴边焊)
当t≤6mm时,hfmax≤t;当t>6mm时,hfmax≤t-(1~2)mm。
4
c)侧焊缝最大计算长度(lwmax)lwmax60hf
d)角焊缝的最小计算长度lwmin
侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于:
lwmin8hf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
b/lw1。
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。
第3章连接
Chapter3Connections
例题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∟125×10,与厚度
为8mm的节点板连接,其搭接长度为300mm,焊脚尺寸
hf=8mm,钢材为Q235-B,手工焊,焊条为E43型。
解:
角焊缝设计强度值ffw160N/mm2
K1=0.7,K2=0.3,lw3=b=125mm
第3章连接
Chapter3Connections
正面角焊缝所能承受的内力N3为:
5
f——正面角焊缝的强度设计值增大系数。
静载时f=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
400N/mm2,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
6
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:
Nvb
nv
d2
fvb
4
承压承载力设计值:
Ncb
d
tfcb
单个剪力螺栓的设计承载力:
NminbminNcb,Nvb
b验算:
NvNmin
第3章
连
接
Chapter3
Connections
受剪承载力设计值:
b
d2
b
Nv
nv
4
fv
剪面数目
螺栓抗剪设计强度
承压承载a力设计值:
Ncb
d
tfcb
承压设计强度
螺栓直径
承压构件一侧总
厚度的较小值
t1
t2
t1
t2
t3
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