1、钢结构课程教案首页 （表格式）班级 科目 课的类型学时数40教学内容一、概述、连接、钢梁、钢柱及压杆、钢桁架重点 钢结构焊接连接计算 钢梁的稳定钢柱的整体及局部稳定难点 焊接应力及变形 钢梁失稳的原因及防止失稳的措施，格构柱的局部稳定教学目的使学生了解基本构件的设计理论及计算方法，同时，清楚构件的连接计算，及稳定计算方法。教学方法引导学生将结构力学、材料力学等力学概念用于工程结构，且要将工程结构之间的共同点及不同点进行比较。教具 钢结构梁、柱（格构柱）模型教学进程概述 2 学时 钢材 4 学时 连接 14 学时钢梁 10 学时 钢柱 10 学时课后总结课程结束后，总结各章、节学生掌握情况，对各
2、章难点的理解情况，以便调整后续课的进程。作业 连接 10 题 钢梁 3 题另设计大题一题；钢柱 4 题绪 论钢结构在各项工程中的应用极为广泛，如我们平时所遇到的钢厂房、钢桥、塔架、桅杆、钢闸门、储液库等，钢结构是由单独的构件，例如梁、桁架、柱和板等组成，亦即由钢制成的杆件和薄板组成。这些杆件和薄板用焊缝和螺栓等彼此连接成符合建筑物用途的结构综合体，如上所提到钢桥等。从工程结构角度来看，钢结构是工程结构的一个分枝。这些结构的不同之点就是材料不同，钢结构对应的材料是钢材、木结构对应的材料是木材等等，由于材料不同，使其它们各有自己的特点。一、钢结构的特点1、结构自重轻这里指的是钢结构轻。在同样的跨度
3、，同样的载荷下，钢结构比钢筋混凝土结构轻得多。主要是因为钢的强度高，故所需要的截面小。通常取材料的容重和容许应力的比值 作为衡量结构工作的重量指标；钢材的/C， ， 所以钢结构与其它结构相比是米/10.54s 410.6w410cC自重较轻的结构，因而也便于运输和安装。2、可靠性较高（相对于其它结构）因为钢有下列特点，塑性好，韧性好，比较符合各项同性，是一种理想的弹塑性体。塑性好的意思是钢结构在破坏前有很大的变形。如果脆性材料（如粉笔）破坏前就无预兆， （胶皮变形很大） 。理想的弹塑性体。假如设计施工没问题，则钢结构就比较可靠，比较符合各项同性（宏观看） 。钢的抗拉、压的强度是相等的，而混凝土
4、的 和 是不同的，木材也有横纹ct和顺纹之分，各项强度也不相同。韧性好指的是指成承受动载的性能好3、制造容易、安装方便钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并且能使用机械操作，因此大量的钢结构一般是在专业化的金属结构件做成构件，精确度较高，用钢筋混凝土时则需要立模，扎筋等。钢结构的连接采用焊接和螺栓连接，在短期内使用的工程。4、施工周期短由于钢结构构件制造的机械化，自动化程度高，且装配速度快，因此它的施工速度快，周期短，不象钢筋混凝土，需要养护，一个工厂，如果早建好一年就比晚建好一年的经济效益大，一个旅店也是如此。比采用钢筋混凝土结构可提前工程结构钢筋混凝土结构钢结构木结构砖石结构竣工
5、，提交。5、抗震性好对同样没有考虑抗震措施时，钢结构比混凝土结构和砖石结构抗震性好。钢结构也有下列缺点：耐腐蚀性和耐火性能差，钢结构容易生锈油漆带来维护的问题，对高塔的维护要高空作业。现在日本有种涂料，一次能用 10 年，当温度高于 500600时，钢的弹性模量会下降，强度减小，使钢结构失去工作能力，因而接近高温的结构需要增加隔热措施。二、钢结构的应用1、大跨度：如武汉长江大桥 50 年代建代，正桥钢桁架为 9 孔，每孔跨度128m，正桥全长 1155.5m。又如北京人民大会堂，很多重要结构都采用了钢结构，其中万人会议厅跨度达 61m，重庆北碚朝阳桥，嘉陵江大桥（ 88 米一跨）都是钢结构的桥
6、。61 年北京工人体育馆采用 94m 的屋盖结构，能容纳 1.5 万人；67 年首都体育馆采用跨度 99m 的平板网架结构，1.5 万人； 73 年上海体育馆采用平板网架结构 110m。2、活动式结构：如钢闸门，起重机等，对于这一类需要移动和转动的结构，可以充分发挥自重较轻的优点，从而能大大降低启闭设备的造价和运转所需要的动力，同时也发挥钢材抗振性能好的优点，因为活动或结构不可避免地要承受一定的动荷载。3、可拆卸的结构：由于钢结构不仅重量轻，还可以用螺栓和其它便于拆卸的手段来连接。因此需要搬迁和周转使用的结构，如建筑工地生产和生活用房的骨架，装配式的混凝土搅拌机等常用钢结构。4、密闭结构（如闸
7、门、压力钢管、储液罐、储气罐等）用钢板制作这类结构不易漏水、气和油，密闭性好。三、设计要求安全、适用、经济、美观，这便是进行工程结构评价所用的指标。安全主要指结构在承受工作荷载方面，对于各种破坏状态都具有必要的安全度。适用满足使用要求，保养方便。经济省材、省工、省时、造价低。美观结构应和周围环境协调。要做到这几点，设计工作者应该重视采用先进的设计理论和计算方法，例如尽量使构件型式和规格标准化和统一化从而减轻设计制造和安装的工作量，以达到降低造价的目的。前面提到钢结构是由梁、柱、桁架、板等基本构件组成，所以本课的内容要学、梁、柱、桁架的设计，以及各种构件的连接（不能象搭积木那样） ，还要讲钢的材
8、料，最后接水工专业课，学习水工钢闸门，这就是本课程的主要内容。一、钢材，二、连接，三、梁，四、压杆，五、桁架，六、水平面钢闸门。第一章 钢结构的材料 11 建筑钢的种类和性能一、种类钢结构的材料一般都采用建筑钢。建筑钢按其化学性能可分为：1）普通碳素钢，主要成份为铁与少量的碳。在钢结构中常采用含碳量低于0.22%的低碳钢，其中又以 3 号的钢为最常用。2）普通低合金钢，除主要含铁与 C 外，尚含有少量的合金素如锰，钛、硅等。其合金元素总量一般不超过 3%，故称为低合金钢。其中以 16Mn 钢为最常用。二、主要性能1、钢结构对材料的要求强度高 值高可减轻结构的自重。sbs,节约钢材、降低造价，
9、高可增加结构的安全保障。b较高的塑性，韧性及耐久性，较高的塑性和韧性使结构在荷载作用下有足够的应变能力，既可减轻结构脆性破坏倾向，又能通过较大的塑性变形，调整局部应力高峰。较高的耐疲劳性则使结构具有较好的抵抗重复荷载的能力。良好的工艺性能 )(加 工 后 不 要 有 什 么 影 响冷 热 加 工 性强 度 不 低 于 以 前不 出 现 裂 纹可 焊 性工 艺 性 能此外，还要根据具体情况要求钢材具有耐腐蚀的能力。二、建筑钢的主要机械能性钢材的工作大致可分为：弹性，塑性（屈服） 、自强和破坏四个阶段，其中：是用来衡量钢材强度，塑性，韧性的指标。kbs、， ，强 度bs 塑 性b韧 性j 作为设计
10、强度； 作为一种强度储备（因变形过大） ；sb塑性 表示钢材经受巨大的变形后尚不致破坏的能力；钢兼有良好的b弹性与塑性，当 时， 成直线关系，又 以前的应变都很小，p与 spE故在计算钢结构的强度时，可近似地将钢的弹性工作阶段提高到 ，同时由于低s碳钢的流幅相当长，当应力达到屈服点而出现塑性流动时，钢由理想的弹性转为理想的塑性体。钢受压、受弯的性能 与受拉图。uEs、钢受剪的性能 ， 。358.0s 25/10.cmkgG钢材的脆断，脆断发生条件、危害，脆断同韧性的关系，冲击韧性的测定。构件内能的增加=外力所作的功用 表示 k)(净 面 积能AEk钢材的冷弯性能三、钢的可焊性、抗蚀性和防腐措施
11、钢的可焊性、抗蚀性和防腐措施是钢经焊接后质量如何是否有裂缝，夹渣，强度是否低以焊接前。焊接结构的失事往往是由于钢材的可焊性不良，在低温或受动载时发生脆断，故对于重要的受动载结构，应对所用钢材进行可焊性的鉴定。钢材的锈蚀使承载力降低。影响因素：环境；结构型式（最好不要做成 ） ；材料种类L防锈措施：刷漆；镀锌、铬；电化学保护。 12 钢的组织和化学成分等对钢材性能的影响一、组织构造钢的内部组织构造是直接影响钢材性能的主要因素，低碳钢的组织构造主要是由铁素体和少量珠光体构成。钢的基本组织铁素体：碳溶解于 中所形成的固溶体（接近于纯铁） 。强度低，塑性高，Fe如果钢中铁素体的晶粒越细，珠光体网状层分
12、布越密越均匀，则钢的质量愈好，强度与塑性，特别是冲击韧性都有所提高。渗碳体：碳与铁相互作用形成的化合物 （含 ） 。CFe3%67.珠光体：由铁素体与渗碳体组成的共析体。强度高，塑性低。可根据组织构造解释低碳钢的屈服现象。二、化学成份主要成份， ，引起钢材热脆，降低热加工性能和uiSMnNOPSCFe,焊接性能，并降低塑性冲击韧性和疲劳强度。强度塑性，低碳钢 0.22%C易引起钢的热脆（焊接时脆）0.05%S易引起钢的冷脆（低温时脆）0.045%P形成气孔气泡，使钢性能变脆，是杂质； 引起钢材冷脆降低塑NO, NP,性，和冲击韧性，使钢的可焊性和冷弯性能变差。使钢强度，塑性影响不大，可影响可焊
13、性，因此这些元素必须加inSM,以限制。能提高强度和抗腐蚀性，但过多易使表面热脆开裂，应限制。uC在钢中属于有利元素，在钢中加入适量的锰，除能消除 ，使inS, OS,钢热脆的影响外还能较显著地提高 ，并能保证较好的塑性和冲击韧性，在bs,钢中的加入适量的硅，除用以脱氧外，还要以提高钢的 。bs,三、 （不讲）四、时效硬化（老化）1、定义：钢的性质随时间逐渐变脆的现象较为时效硬化。2、原因：钢素体内溶有少量的 C、N，其溶解度随温度的降低而减小。当碳逐渐以固溶体析出时，形成渗碳体和氧化物，从而加强了晶界的间层，使钢变硬变脆。3、影响因素：温度，重复荷载 13 影响钢材脆性断裂的因素一、低温影响
14、情况 ；塑性 。kt临界温度要求：a.构件的工作温度高于冷脆区临界温度。b.对低温工作的构件保证 。k二、复杂应力1、钢材的塑性条件： 3132123213max zhs三 向双 向单 向2、同号平面应力，主体应力作用下，强度提高，塑性变低，钢材变脆。即使 ，但 ，可将 代入来算。s1 szh仍 ss5.0,21213、异号平面应力，强度降低，塑性增加：钢梁 常用的工字形截面梁 exp sxyzh213三、应力集中的影响应力集中的影响是复杂应力状态的许多实例之一。在什么情况下要发生应力集中呢？当构件截面有突变时要发生应力集中，构件没有突变时力线均匀，断面应力也均匀，当构件有孔洞时，力线就会弯曲
15、，孔边应力就会增加，不仅在 方x向， 向也产生了应力。力线密的地方，应力如果取孔边附近一块单元来看。虽y是平向受力，但由于应力集中产生了 向的力，强度虽然提高了，但塑性变坏了，y局部地方就会变脆， 阻止了 方向的变形，要增加变形，就得加大 ，所以yx x强度提高了。但我们不能利用所增加的强度，我们害怕钢材变脆，应力集中是我们不希望的，应尽量避免，例如构件截面突变的应做成渐变的。四、间歇重复荷载的影响（冷作硬化）定义，由于先前加荷载残余变形使钢的弹性范围极高和塑性降低的现象，如冷拉钢丝。不利之处， 钢材变脆。对冲孔，切割等冷加工的措施。五、连续性重复荷载的影响钢的疲劳1、一般概念，疲劳是一种常见
16、的现象，在每次转变中都使它的法向应力由拉变压，容易开裂。皮带转动轴，钢在连续的重复荷载作用下，拉应力低于抗拉强度 的构件发生突变，如果 ，材料就破坏了，这种现象叫疲劳破坏，引起bb疲劳破坏的应力叫疲劳应力 （疲劳强度小于抗拉强度） 。p2、影响疲劳强度的因素。强度与反复作用的荷载的性质拉或压应力循环特征 ，循坏次数 和应力集n中程度等有直接关系。应力循环特性通常用应力比 来表示。maxin/当交变应力的种类和应力比值一定时，如 为拉应力， 时曲线如0降低到曲线的水平渐近线时，即使荷载循环无限次，试件也不maxax,当n致破坏，与此相应的值即为 时的受拉疲劳强度 。规范： 万次的0p02n作为
17、时的疲劳容许拉应力 。kp/00p当 一定时， 同 之间接近于直线的关系，确定 就是间接地根据上述npp的 和 所确定的两点划出一直线，根据这条直线可求得钢材在各种不同 值p01 时的疲劳强度。规范 TJ1774 规定为拉应力时 max kp10为压应力时 p钢材性能小结：强度： ， ，储 备设 计 bs,ks/kszh/塑性： （冷弯）钢材低温变脆，故应以低温的 控制。b k韧性： 抵抗冲击荷载的能力。k疲劳： 连续重复荷载的作用结果pp冷作硬化加工措施应力集中设计时注意避免刻槽、凹角、截面突然改变。锈蚀防锈 14 钢材的标号及选用承重结构常用的钢材 )16(,35,20为 代 表普 通 低
18、 合 钢 为 常 用普 通 碳 素 钢 ukbMC供应方法及符号甲类（A）：按机械性能供应，基本保证 和 ，根据设计可提b,uCNPS,附加保证，一般只提 的要求。sC,乙类（B ）：保证 等和 。有良好的塑性，适用于板结构（没PSMin,uC有强度要求的） 。特类（C ）：既保证机械性能，又保证化学成分，普通碳素钢的钢号常以代号表示。选用钢材要考虑的因素。 焊 接 冲 击 韧 性 较 好螺 栓 、 铆 钉连 接 情 况 不 重 要重 要结 构 性 质 有 腐 蚀 介 质低 温 无 腐 蚀 介 质常 温工 作 性 质静 载动 载荷 载钢 材 的 选 择 )(普通碳素 3 号钢的综合指标较好，能
19、满足一般的钢结构要求，为最常用的钢号。6 钢结构的计算方法目前规范规定采用容许应力法：表达式： KSfNyi根据荷载求得的内力。iN钢材的标准强度 。yf sR构件截面的几何特性，如轴心受力构件 ，S KANSs,受弯构件 。kWMSs/,321K荷载安全系数（1.23） ， 材料强度安全系数， ：（1.143） ；2K3A经验调整系数（1.0） 。3将上式简化得 SNsi钢材的屈服点是随其厚度的增加而降低，故 应根据其厚度采用不同的数值，见表 14。第二章 连 接钢结构是由若干构件和元件组成的，其间必须用某种方法加以连接，如果连接设计得不合理，将使构件产生薄弱环节，影响其安全和寿命，同时连接
20、方式直接引响到施工工艺和造价。从使用经验来看，不少钢结构的事故与节点设计的不合理有关。因此对连接设计必须有足够的重视。 21 种 类铆 钉 连 接 高 强 螺 栓普 通 螺 栓螺 栓 选 择 钢 结 构 都 用 焊 接 的因 此 我 国密 闭 性 好制 造 简 单无 拼 接 板节 约 钢 材优焊 接 %908,),(:焊接的缺点，易产生焊接应力和焊接变形，有变脆的倾向，冲击韧性差，有弧光。螺栓连接：（铆接）缺点：相对于焊接 1、有拼接板，费钢；2、拼接板要打孔，制造麻烦， （铆更烦一般热） ；3、密闭性差。优点：1、无热影响区；2、无焊接残余应力；3、冲击韧性好；4、无弧光，但有噪音（打铆）
21、；5、拆卸方便。螺栓连接用于动荷，重要结构，可拆卸的结构，铆接基本被淘汰因此连接的重点在焊接。22 焊接方法1、焊接方法主要有：手工焊质量差些自动焊质量好些焊缝长些，比较稳定。半自动焊间于二者之间二氧化碳气体保护焊（自学）2、焊条型号：焊条与钢材应配套，即焊条的选择要与钢材、焊接技术相适应。对焊条的基本要求：（1） 、化学成分与金相组织与基本金属相近。（2） 、机械性能相近。（3） 、工艺性能好，可焊性要满足要求。例：3 号钢 手工焊T 42 相当于 42kg/mm2自动焊H 08 16Mn 手工焊T 50 相当于 50kg/mm2自动焊H 08后面的表示药皮号，号数越高，质量越好，机械性能也
22、越好。例如，1979 年 12 月中旬，我国东北某市，发生一起高压液化气罐爆炸的严重事故，损失很大，原因是球罐采用的对接焊缝有一处未焊透，使用约四年时间，该处产生裂缝，并逐渐扩展，终于在零下二十几度时，发生脆性撕裂，造成严重事故，由此可见，结构的低温脆断，尤其是焊接结构，应予以特别重视。3、焊缝缺陷及质量检查。（1）焊缝缺陷，外表缺陷：尺寸偏差；咬边。内部缺陷：未熔透；气孔；夹渣；裂纹。（2）焊缝质量的检查方法：普通方法：外观检查、尺寸测量；精确方法：钻孔检查、无损探伤；23 焊接连接型式，焊缝类型及焊接强度一、连接型式和焊缝类型按连接型式分：对接、搭接、顶接。按工作性质分：强度焊接只传递内力
23、用；密强焊缝保证不漏气、液体、传递内力。按焊接位置分：俯焊质量好、质量高；立焊：水平、竖直质量较差；仰焊：质量差并避免。二、焊缝的强度和焊缝的容许应力焊接强度主要决定于焊缝金属和基本金属的强度，并与焊接型式应力集中程度以及焊接工艺条件有密切的关系。焊缝金属的强度与焊条型号有关，例如 T42 的焊条其熔成金属的抗拉强度为42kg/mm2，接近于 3 号钢的抗拉强度（3842 公斤 /mm2） ，说明焊接强度接近于基本金属强度。经过大量试验证明，质量较好的对接连接试验的破坏通常不发生在焊缝金属上。然而，焊接质量受工艺条件影响很大，以至于抗拉强度的变幅度较大。焊缝中的某些缺陷对受力性质不同的连接也有
24、不同影响。另外，焊缝经过质量检查，检查方法不同，对焊缝质量的保证程度也不同，基于上述原因，对接焊缝规定了不同的容许应力见表 2-1（讲表 2-1）P34焊缝质量受 )()普 通 方 法 、 精 确 方 法焊 缝 质 量 检 查对 受 拉 、 受 压焊 缝 缺 陷 动 焊手 工 焊 、 自 动 焊 、 半 自工 艺 条 件在贴角焊缝中，应力情况比较复杂，在各种破坏型式中，取其最低的平均剪应力来验算贴角焊缝的强度，故规范规定抗拉，抗压和抗剪统一用容许剪应力。hT24 对接焊缝连接的构造和计算对接焊缝主要用于板件，型钢的拼接或构件的连接，由于对接缝不附加钢板，传力直接，平顺，没有明显的应力集中现象，
25、因而受力良好，对于受动载的构件连接都适用。1、构造：开剖口 见书 P34 表 2-3时，不开剖口m0时，用 V 形剖口2，用 形剖口X如不能双面焊， 时可用 U 形剖口，目的是为了焊缝，关于焊缝的标m0准方法见表 2-3，P33。板厚不等时，须将厚板的边刨成 1:4 的坡度。引弧板，由于焊缝的起弧端和终点灭弧端存在弧坑和末熔透的缺陷，对低温，动载不利，对重要的结构可用引弧板，以保证质量，一般结构如不用引弧板，应减 5mm。fl2、计算：（1）对接直缝承受轴心力 作用。N验算强度： halfl计算长度，无引弧板时为fl ml10实板厚度，厚度不等时取薄者。f表 2-1。hal从表中看出， （手工
26、、半自动焊、普通方法检查） ，这使焊缝强度hl，使钢不能充分利用，要提高焊缝的抗拉容许应力，可采用精确方法检查，用自动焊，采用斜焊缝。（2）斜焊缝承受轴心力 N 作用，从 P32 表 2-1，表 2-2 中看出。正应力 sinhatflx或剪应力 cohfl斜缝与轴心的夹角，cos1sin/xlf对缝抗剪强度n当 时，钢板与焊缝等强。当 时，才验算焊缝正、剪应力。5656（3）对接焊缝承受 共同作用。NQM、此时焊缝应力和构件应力状况基本相同。端部最大正应力： bahlffWA或截面中和轴处的剪应力： hftIS式中： ； ； ， 面积矩。fflA261ffl123ffl惯 矩 fS对于受 缝
27、在 和 都较大处（如工字形的腹板、翼缘交结点应用第四QM、 强度理论验算） ，还应折算应力的验算： 1.32heezh25 贴角焊缝连接的构造和计算对于在不同平面上的焊件搭接或顶接用贴角焊缝。优点：施焊时缝距不需要校正，板边不需加剖口，施焊比较方便，应用：于工厂制造和现场安装中。一、受力情况和构造要求接受力方向和位置分 上 二 者 都 有围 缝 外 力端 缝 外 力侧 缝 /焊缝的剖面型式分为 凹 面 式平 坡 式普 通 式平坡式和凹式剖面适用于受动荷的构件连接，普通式常用于静荷，主传力不太平顺，焊根处应力集中比较严重，动荷下易裂缝。构造要求： ),(2.15.41当 位 于 板 边 缘 时或
28、 tmhf常用的贴角焊缝厚度有 6、8、10、12mm，水工中 。mhf6)(6048静动ffffhl如太短，假如焊缝内有缺陷，缺陷就会很突出；太长了，剪力沿长度方向分布不均匀，特别是受动荷时易在焊缝两端应力较大处首先断裂。侧焊缝受力：为纵向剪力破坏发生在的最小厚度平面上， fff hh7.045cos端焊缝受力方向 焊缝长度方向，受力很复杂，其破坏形式可能是拉断，不同于侧焊缝的剪断，虽然破坏强度略高于侧焊缝的抗剪强度，但考虑到应力集中、应力偏差、焊缝塑性较差等不利因素，故规范规定一律用 来验算强度。ht围焊缝连接比单独用侧焊缝和端焊缝传力均匀，故受动荷时要尽量采用围焊缝。对重要的侧、端焊缝宜
29、绕过焊件连续施焊，重要结构不能用间断焊，次要的结构受压 ，受拉 。t5.130二、贴角焊缝的强度计算（一）受轴力作用的计算1、对称：用下式验算其强度： 7.0htfNl焊件一侧计算长度之和减 1 厘米；fl贴角焊缝容许剪应力见表 2-1 或 2-2。ht2、不对称：由于 N 到两焊缝距离不等，两侧焊缝受力的大小不等，所受之力可按杠杆原理分配。布置焊缝时要将总的 按焊缝受力大小分配；/htfNAffAb2ffAb1K1 2等肢 ；不等肢短肢拼接 ；长肢拼合：3.0,7.21K5.0,7.21。常用角钢的面积分配可见表 2-4（P41） 。有了5,6.021K。fffff hAlhA./ 确 定3
30、、围焊缝：（1） 、三面 相等，则： f bllfff对角钢轴线取矩： 0)2(21 blbff得 21lblffff（2）如肢背的厚度加大为 则： fh)2( blhlfff（二）.承受剪力和弯矩 M 共同作用时。焊缝呈， 焊缝接均匀分布考虑m/Q； fmWfdAQ； ； ffflhA7.0 27.061fxf lhyI2htQMh常用的焊缝截面，可令 ， 为 时的抵抗矩，查表 2-.fff1.f5，P42。（三） 承受剪力 Q 与扭矩 T 共同作用（牛腿的搭接联接）在材力中曾讲述纯扭的应力，T扭矩，pJr/ pnpJM/所求点到 O 的距离， 极惯矩，此处与上面有类似之处。由 T 产生的应
31、力（到形心距）pIr/2yx常用 可表 2-5（P42）yxpIp由 产生的剪应力QfA/也可将 为 。yx,pxypTy pypx JTrcosin由 产生的剪应力QAfQ/最后应力合成 )(2htTxya此计算作了 3 个假定三、焊缝的标注方法26 焊接应力和焊接变形构件在未受荷载前，由于施焊电弧高温引起的内应力和变形为焊接应力和焊接变形。1、焊接应力和焊接变形产生的原因。产生的原因，纵向残余应力由于不均匀地加温度和冷却产生的。横向残应力：由于纵焊缝收缩；后焊部份的收缩受到先焊部份的阻止。焊接变形：缩短、角度改变、弯曲变形等。2、焊接应力和变形的危害性及解决措施：焊缝中的同号平面应力使焊缝
32、和附近金属显著变脆；焊接变形对结构安装精度有很大影响，过大的变形将显著降低结构的承载能力；措施：减小变形的主要方法有， （1）选择合理的焊接顺序；（2）尽可能用对称焊缝（如工字形截面） ；（3）采用反变形法（P52 图 2-26） 。降低残余应力的方法：预热、锤击、回火等。焊接连接小结27 螺栓连接一、概述1、种类 不 能 受 剪只 承 受 拉 力锚 栓 力 连 接用 高 强 钢 材 制 成 靠 摩 擦高 强 螺 栓 好制 造 安 装 费 工 受 力 性 能精 制 制 造 要 求 不 高粗 制普 通 螺 栓 孔杆 孔杆, )(31(dm2、典型式与焊缝一样分对、搭、顶接接受力分，如图 P54
33、图 2-27。(a)抗剪连接（P 螺杆轴） ， （b）偏心抗剪（P 螺杆）既有 M，又有 P（c）抗拉连接（P/ 杆轴） ， （d）抗拉和抗剪组合连接。中间的如同 ，拉M剪二、普通螺栓的连接和构造（一）构造 1、直径，同一结构常用一种直径，常用直径为M20、 M22、 M24、M27。2、排列，要求：整齐、紧凑、简平、统一，有二种排法。a. 并列 b. 错列 尺寸：原则：距离不能大小（否则钢板要被损坏，高强螺栓不好拧）规定。d3min也不能太大（太大受压时） ，具体见规范（二）强度计算1、抗剪连接（图）破坏形式两种：钉杆受剪（当 d 很小时易发生这种剪切破坏）孔壁承受压力被压坏（当 d 大，
34、很小时）螺栓承载力： 42ljjljnNlclcd如图（钢结构作了简化） ， ， 见表 2-9。exple公式假定受力均匀，实际边缘大些。抗拉 表 2-9，2-10420lledNl螺栓连接计算，主要是确定：1、连接所需的螺栓数；2、验收构件削弱后的强度。1、受轴心力作用的抗剪螺栓连接。在轴力 N 作用下，连接所需要的螺栓数： mineN中的最小者。minljlcl和为注意： ：加了拼接板的 为连接一边所需的数n不加了拼接板的 为连接所需的数接头一边的螺栓数 。2验算净截面强度 /jAN )1(2: 21 ndaenednbAjjj 较 小 值（ 直 断 面 、 弯 断 面 ） 取错 列并 排
35、2、受弯矩和剪力作用的抗剪螺栓连接计算。3 个假定：被连接构件是无限刚性；钢板绕螺栓群中心转动；螺栓是弹性的。相当于两个刚体饶中心转动，离中心越远，受力越大，位移越大。螺栓构成的抵抗扭矩 M：（1）nNNM321力的大小与距离成正比，则： 321N我们希望求 N1，因为它受力最大 161312;代入（1）式 1212121221 /)( NyXMNMiiiin的水平和垂直分力为1N 21111siniixy；211yMNx211yxNiy由 Q 引起的剪力为： nQymin2121 )(lQyx抗剪承压较小者。minlN当 时， ，式中 为零：13xy01yyN1min2lQyx3、受拉力和剪
36、力共同作用的抗拉螺栓计算1）当单纯受拉时，图 P59 2-32所需要的螺栓数： elNn2）受拉为主，剪力较小时，图 2-33，根据实验，符合相关曲线： 122leel为了计算方便，采用直线的相关公式 elele6.25.1且 ； 普同螺栓抗拉容许应力。lll作用于螺栓中的平均剪应力，但不超l e按下式计算： e 24dnNye然后，按下式验算强度： 420lxdn3）剪力很大时，图 2-34通常设支托，螺栓只受拉力，传动中心在最下边的螺栓处，各螺栓所受力与到 O 点距离成正比。即： ，12Ny nyNy)(,2113 nyNnM in )()()( 21231212121 1liNy2iyl
37、eN三、高强螺栓连接的构造和计算（一）构造和特性1、性能：受力状态，破坏形式，普通螺栓的破坏形式，栓杆被剪坏，如果抗剪能力较强时，则可能是把孔壁压坏。高强螺栓与普通螺栓最大的差别是它不靠剪切和承压来传力，而是靠拧紧螺栓，在板件接触间产生强大的摩擦力来传力。拧得越紧，螺杆受到的拉力也越大，摩擦力就越大，承受荷载的能力也越大。摩擦力 ， 压力， 摩擦系数。fPFf要螺栓受的拉力大，就需要用高强钢材，所以高强螺栓是用高抗拉强度的钢材做的。高强螺栓破坏的定义：当两板开始滑移，就达到了极限承载能力，就认为破坏了。2、构造：提高高强螺栓连接的摩擦力应从三方面考虑，采用高强钢材制造螺栓，目前我国常用 40B
38、 和 45 号中碳钢制成。40B 的 ；为提高摩擦系数 ，对90lf接触面应进行处理，如喷砂、砂洗，必要时再镀无机富锌漆；应选用特制的板手，可以用亮灯控制，日本有一种高强螺栓，将下面的拧断，预拉力就达到了。排列 错 列并 列尺寸 ， ，20M24（二）高强螺栓连接的强度计算受剪切的连接计算：高强螺栓承受剪力的设计准则是使设计荷载引起的剪力不超过摩擦力。1、一个高强螺的极限承载能力为： ，考虑安全系数： PfnNmPfnfNKmml 7.04.表 2-11，P63 表 2-12 P64f2、承受摩擦面间的剪切和螺栓轴线方向的外拉力（受剪、受拉） )(7.0TPfnNml 可使 不变，来个变通，将
39、括号内的数增大，即将 T 增大则 f)4.1(.)(7.0 fTPfnNmmil T 有限制，应使 ，否则括号内的数值小于零。T3、确定螺栓数： lNn使被连接构件受剪的力。N4、验算截面强度普通螺栓验算时只需要验算 的强度，而高强螺栓则是两方面的，毛截jA面（为主板截面是否会被拉断） 。净截面： /j)4.01(nN一个螺栓受 。在孔前传正递走 ，如第一排有 ，则 1-12.05.nN1n面的力应力为： )4.1(4.01N第三章 钢梁21 钢梁的类型及应用一、类型双 向 受 弯单 向 受 弯接 受 力 状 态 悬 臂连 续 大它替 换 但 费 钢 坏 了 便 于支 座 沉 陷 不 敏 感构
40、 造 简 单 施 工 方 便 且 对简 支按 支 承 情 况 分 跨 度 较 大 又 受 扭 时组 合 梁 和 荷 载 都 较 小 时工 字 型 ， 槽 型 ， 当 跨 度轧 成 梁按 截 面 分 M, ,二、应用32 钢梁的弯曲及其计算一、梁的弯曲强度1、三个应个阶段（1） 、弹性阶段： 成直线关系， 钢梁设计的依据，smax。WMs（2） 、弹塑性阶段： 接直线规律增加， 保持不变， 处， ，s ss形成塑性区。（3） 、塑性阶段：应力图成为两个矩形。梁在弯矩作用方向绕截面中和轴自由转动，形成了一个塑性阶段，此时梁达到了承载能力的极限，此时 sssss WSydAdM )(21当截面对称时
41、，形心轴与中心轴重合，不对称时根据 ，21ASS， ，故中和轴为面积的平分线， 矩形S21sexp， ； ；I 形 ，按塑性设计4)2(bhhWs261bhWs5.1s17.可省钢。应指出，2 个矩形的应力是不可能的。因为流幅 ，所以靠近中%5.2.0和轴处总要保留一小部份弹性区，但按照理想的塑性应力图考虑，误差很小，当 时为 0.1%（I 型） ，0.33%（矩型）已足够精确。exp%5.12、影响塑性弯应力的几个因素。（1） 剪应力的影响：折算应力 ，当截面有剪应力作用时，将会提早出现塑szh23性铰，根据理论研究，当工字梁腹板的平均剪应力 时，在最不利情况下，s3.0使梁的极限弯矩减少
42、5%。因此，钢结构设计规范 TJ1774 规定，当采用塑性设计时，必须满足：最大弯矩所在的截面的腹板平均剪应力 。3.0/hQ（2）变形的影响：其影响程度要视梁的塑性分布范围大小而定。在等截面简支梁中，由于弯矩沿跨度是改变的，梁截面内的塑性区沿跨度方向将随弯矩的减小而缩小，塑性区不大，挠度增加也不很大， 简支梁跨中作用集中力。由于 ，所以对exp ffs4.1刚度要求不高的截面梁，在容许挠度范围内可采用塑性设计，变截面和刚度要求较高的主梁都不能采用塑性设计。钢结构中有时为了节约钢材，将梁截面设计成沿跨度改变的，其高度和 M 对应，使其边缘每点的 ，这就是变截面梁，此梁只要有一个截面的 ，S S
43、则各截面的 ，将产生很大的变形。S（3）其它因素：a. 动荷和重复荷载，可能发生脆断，与静力破坏不相同，故不能采用塑性设计。连续梁中（三跨、均荷） 2max10qlMB（1 个塑性铰）s（2 个塑铰）SB1 Bla00BM211；02303荷支梁跨中弯矩0经济效益，三跨均截 从 降为 ，可节约钢材 17%。B210ql2l二、钢梁的强度计算1、弹性阶段：正应力： ，剪应力jWMIQS在同一点上有 和 时，还应验算；1.32zh当梁在两个主平面内受弯时，要考虑弯应力叠加：maxjyjMW2、塑性设计要满足的要求：、等截面，静载、 3.0/ohQ、受压翼缘与钢面板相连，式 （表 3-1）85.0/
44、1bl、 s/247/0当符合塑性条件时，简支梁，按下式验算， ，/sjWMjsj WS.121双向弯曲时， 主要是以支座处的 Q 大，不满足 的要yjsxjsM3.0求。连续梁，支座弯矩 ，但 用 （弹性阶段的）032bWj33 钢梁的整体稳定性一、钢梁的整体稳定性的概念1、丧失整体稳定的现象：梁通常是设计得又高又窄，其 ，常可能xyEI在 之前，发生侧向屈曲。 （ ，扭一个尺寸） ，同样作用一个集中力也是sexp如此。2、原因： ；荷载偏心；轴线的初曲率尺寸的偏差，三者都yxEI会使梁发生微小的侧向弯曲和扭转。当 消除外界因素后梁仍是平面弯曲。ijpP梁会突然出现出较大的侧向弯曲，即使消除
45、外界因素后，梁也不会恢ej复到原来的平面弯曲状态，梁由稳定平稳临界平衡不稳定平稳，最后终因侧向弯曲和扭转的急剧加大而遭破坏。梁的总体稳定的研究，主要是确定其临界力，如同压杆要确定 一样。ejP3、临界力（和应力）公式；2lGJEIKPypejlwGJEIKyej此为双轴对称工字型等截面受压翼缘的自由长度，等于跨度或侧向支承点间的距离。l侧向刚度。yEI抗扭刚度。GJ，31316)2(bttIy)2(310bthJ：与梁的荷载形式、位置、跨度、支承情况和截面几何特性有关。pK简支梁均匀荷载： 4.13.82llKp.954.2ll简支梁纯弯 ；21lKwEIhGJ2对工字形截面： ，4hIywy
46、I24公式中的减号用于荷载作用于上翼缘时。从公式中可得一个重要概念， 主要取决于 ，crPGJEIly, ejyPJIl提高 的方法：ejP使 可加横连接系， ，l ejej PKll, ，1b使 jyI,1保证整体稳定的条件：二、整体稳定的验算方法应使最大弯应力 ，即：Kej/max KWMsejj最大刚度平面的 M， 梁受压翼缘一侧最大抵抗矩， 稳定maxM W系数， 。sejW/ hIIxx2/ xIhW212)(242lhIEGJhlKIJEkhxyxej 22)()(1lIlIl xyxyssejW )(441 lflKEIGJhKsys 与截面几何特性有关。2、验算方法。组合截面，由于 的计算式太紧，通常将其曲线简化为直线形式，其误差1仅为百分之几。简化后 hbltK1321根据情况查 P32932K、算出 后，根据公式算1wsxylh
