1、钢结构设计原理 复习 1本文由保招贡献ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。第一章基本要求 掌握钢结构的特点， 正确理解钢结构的合理应用范围， 了解近似概率汲限状态设计方法的概念， 理解规范采用的基本设计表达式， 了解各分项系数取值的依据和含义。重点、难点分析 重点、 1.钢结构的特点和合理应用范围 钢结构的特点和合理应用范围 本门课是学习如何用钢材来设计结构，因此学习时 应注意： （1）应结合钢材的特点来掌握钢结构的特点 ） 钢材强度高， 因此， 在承载力相同的条件下， 钢材强度高 ， 因此 ， 在承载力相同的条件下 ， 钢结 构自重轻；
2、 钢材材质均匀， 为理想的弹塑性体， 构自重轻 ； 钢材材质均匀 ， 为理想的弹塑性体 ， 符 合工程力学所采用的基本假定， 因此， 合工程力学所采用的基本假定 ， 因此 ， 钢结构计算 结果准确可靠； 钢材的塑性好， 因此， 结果准确可靠 ； 钢材的塑性好 ， 因此 ， 钢结构在一 般情况下， 不会发生突然断裂破坏； 钢材韧性好，般情况下 ， 不会发生突然断裂破坏 ； 钢材韧性好 ， 因此， 能很好地承受动力荷载； 因此 ， 能很好地承受动力荷载 ； 钢材具有不渗漏的 特点， 因此， 钢结构可以做密闭容器； 特点 ， 因此 ， 钢结构可以做密闭容器 ； 而钢材易腐 不耐高温， 因此，钢结构防
3、火性能差， 蚀 ， 不耐高温 ， 因此 ， 钢结构防火性能差 ， 为防腐 需定期维护。 蚀，需定期维护。（2）应结合钢结构的特点掌握其合理应用范围 ） 钢结构的承载力大， 因此， 钢结构的承载力大 ， 因此 ， 适用于荷载大的重型厂 房及高层建筑； 钢结构自重轻，因此， 房及高层建筑 ； 钢结构自重轻 ， 因此 ， 适用于大跨 度结构， 可拆卸和移动式结构；钢结构对动力荷载 度结构 ， 可拆卸和移动式结构 ； 的适用性强，因此， 的适用性强 ， 因此 ， 适用于直接承受动载的结构或 对抗震性能要求高的结构； 钢结构的密闭性好， 对抗震性能要求高的结构 ； 钢结构的密闭性好 ， 因 适用于制造容
4、器和管道。此，适用于制造容器和管道。2. 结构的两种极限状态 承载能力极限状态 这种极限状对应于结构或构件达到最大承载能力 或不适于继续承载的变形。这里有两个极限准则： 或不适于继续承载的变形。这里有两个极限准则： 一个是最大承载力，一个是不适于继续承载的变形。 一个是最大承载力，一个是不适于继续承载的变形。 包括以下几个方面： 包括以下几个方面： 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（ 覆等） ； 覆等） ； 结构构件或连接因超过材料强度而破坏； 结构构件或连接因超过材料强度而破坏； 结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏； 结构构件或连
5、接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏； 结构构件或结构转变为机动体系； 结构构件或结构转变为机动体系； 结构或构件丧失稳定（如压屈等） 。 结构或构件丧失稳定（如压屈等） 。正常使用极限状态 这种极限状态对应于结构或构件达到正常使用或耐 久性能的某项规定限值。 久性能的某项规定限值。 包括以下几个方面： 包括以下几个方面： 影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝） ； 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝） ；影响正常使用的振动； 影响正常使用的振动； 影响正常使用的其它特定状态。 影响正常使用的其它特定状态。 对钢结构来说，主要是控
6、制构件的刚度， 对钢结构来说 ， 主要是控制构件的刚度， 避免出 现影响正常使用的过大变形或在动力作用 下的较大振动。 下的较大振动。3.概率极限状态设计原理 3.概率极限状态设计原理0，结构处于可靠状态 ， =0，结构处于极限状态 ， 0，结构处于可靠状态 ， =0，结构处于极限状态 ， 0，结构处于失效状态 ，功能函数 Z=R-S4.设计表达式 4.设计表达式（1）永久荷载分项系数 （G）当其效应对结构不利时 -对可变荷载效应起控制作用的组合 应取 1.2; 对可变荷载效应起控制作用的组合， -对可变荷载效应起控制作用的组合，应取 1.2; -对永久荷载效应起控制作用的组合 应取 1.35
7、; 对永久荷载效应起控制作用的组合， -对永久荷载效应起控制作用的组合，应取 1.35; 当其效应对结构有利时 -一般情况下应取 1.0； 一般情况下应取 1.0 -一般情况下应取 1.0； -对结构的倾覆 滑移或漂浮验算，应取 0.9 对结构的倾覆、 0.9。 -对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取 0.9。（2）可变荷载的分项系数 （Q）-一般情况下应取 1 -一般情况下应取 1.4； 一般情况下应取 -对标准值大于 对标准值大于 4kN/m -对标准值大于 4kN/m2 的工业房屋楼面结构的 活荷载标准值应取 1.3 1.3。 活荷载标准值应取 1.3。 当永久荷载效应与可变荷载效应反号时
8、， 当永久荷载效应与可变荷载效应反号时，永久荷载对设计是有利的第二章 钢结构的材料基本要求 （1）掌握钢材在不同条件下可能产生的两种破 坏形式，理解两种破坏形式对钢材正确使用和设计 的意义。 （2）通过钢材的一次单向拉伸试验、冷弯试验， 掌握钢材在正常情况下的静力工作性能，了解规范 对钢材机械性能指标规定的依据和意义。 （3）通过钢材的冲击韧性试验、疲劳试验了解 钢材的动力工作性能，并验算疲劳。 （4）了解各种因素（化学成分、冶金缺陷、应 力集中、加荷速度、硬化、温度等）对钢材性能的 影响，特别要注意分析影响钢材脆性破坏的因素。 （5）应根据具体条件和要求,正确选用钢材。重点、 重点、难点分析
9、 1.掌握钢材的主要性能 掌握钢材的主要性能（1）钢材的静力工作性能（单项拉伸工作曲线） （ 抗拉强度是钢材破坏前能够承受的最大应力，反映了与钢材 内部组织有关的极限抗拉能力，大可增加结构的安全储备。 屈服强度(屈服点）作为钢材强度的标准值，是钢结构设计 中钢材可以达到的最大应力。引入抗力分项系数后，即得到钢 材抗拉、抗压和抗弯的强度设计值。 伸长率反映钢材承受静力荷载时产生塑性变形而不立即断裂 的能力。 冷弯 1800 衡量钢材塑性变形能力的综合指标。一方面可以检 验钢材能否适应构件制作中的冷加工工艺过程，另一万面可以 检验钢材的内部缺陷如颗粒组织、结晶情况和非金属夹杂物分 布等缺陷。（2）
10、钢材的动力工作性能 冲击韧性 衡量钢材承受冲击荷载作用时抵抗 脆性破坏能力的指标。 允许应力幅 取决于构件或连接的细部构造， 用以衡量钢材在连续反复荷裁作用下的抗疲劳的性 能指标。（3）钢材在复杂应力作用下的工作性能 钢材在复杂应力作用下的工作性能可用折算应力 zs 衡量。 zs 以主应力表示时，为：1 zs = ( 1 ? 2 ) 2 + ( 2 ? 3 ) 2 + ( 3 ? 1 ) 2 2当 zs f y 时钢材处于弹性阶段， 时钢材处于弹性阶段，时钢材处于塑性阶段。 zs f y 时钢材处于塑性阶段。如果三个主应力同号，绝对值接近或差值不大时，即使主应 力数值很大，甚至超过时，折算应力
11、仍然很小，钢材不易进 入塑性状态，即钢材处于同号应力场时，直到破坏也不会有 明显的塑性变形发生，此时的破坏形式为脆性破坏，因此， 同号应力场是脆性破坏的力学原因；相反，钢材处于异号应 力场，或同号但应力差较大时，钢材就容易进入塑性状态， 最后破坏为塑性破坏。2.掌握形成和影响钢材性能的因素 2.掌握形成和影响钢材性能的因素 （1）化学成分 钢材的主要元素是铁（Fe）,如普通碳素钢中铁元素 占 99%，其他元素如碳（C） 、硅（Si） 、锰（Mn） 、 硫（S） 、磷（P） 、氧（O） 、氮（N）等仅占 1%，但 这些少量元素对钢材的性能确有决定性的影响，它们 的含量都应保证在规定的限量之内，如
12、这些元素的含 量超过规定的限量时，将使钢材变脆，并降低钢材的 可焊性及加工工艺性能。化学成份的影响钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。 钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。纯铁 Fe（ 99） 纯铁 Fe（占 99） Fe钢碳 C变脆（强度，塑性、韧性、可焊性，抗腐蚀性） 变脆（强度 塑性、韧性、可焊性，抗腐蚀性 变脆 其它主要元素 硅 Si 适量强度，塑性、韧性、冷弯性能、可焊性变化不大 Si 适量强度 塑性、韧性、冷弯性能、 锰 Mn强度消除热脆，改善冷脆，塑性韧性降低不显著 Mn强度消除热脆，改善冷脆， 强度 适量强度、韧性 钒(V)、钛(
13、Ti)、铌(Nb) 等适量强度、韧性、塑性良好 (V)、 (Ti)、 硫 S热脆、韧性、疲劳强度、抗锈蚀性、可焊性 热脆、韧性、疲劳强度、抗锈蚀性、可焊性 氧 O 影响同硫 有 益 元 素有 强度、抗锈蚀能力塑性、韧性、冷弯性能、可焊性 ， 磷（P）强度、抗锈蚀能力塑性、韧性、冷弯性能、可焊性， 害 元 冷脆，低温工作性能差。 冷脆，低温工作性能差。 素 氮（N）影响同磷（2）冶炼和轧制 冶炼过程中产生的偏析、非金属夹杂、裂纹、分 层等缺陷将严重降低钢材的冷弯、冲击韧性、疲劳强 度等力学性能，使得钢材抗脆性断裂的能力降低。因 此，镇静钢的性能优于沸腾钢。 钢材热轧可消除冶炼过程中的部分缺陷，提
14、高钢 材的力学性能。 （3）钢材的硬化 钢材的硬化有冷作硬化（应变硬化）和时效硬化两种。 钢材的硬化使钢材塑性减小，脆性增加。（4）温度 温度变化对钢材性能的影响很大。 温度在 150以下时，钢材的强度、弹性模量 变化不大，随着温度升高，钢材的屈服强度降低， 塑性增大，达 600时，屈服强度接近为零。因此， 对钢结构应注意做防火隔热保护。 当温度下降到负温某一区域时，其冲击韧性急 剧下降，出现低温脆断。因此，在负温工作的结构， 钢材还应具有负温（-20或-40）冲击韧性的合 格保证，以提高抗低温脆断的能力。3.掌握我国钢结构常用钢材的种类、牌号， 3.掌握我国钢结构常用钢材的种类、牌号，能正确
15、 掌握我国钢结构常用钢材的种类 选用钢材 （1）钢材的品种和牌号 适用与钢结构的钢材分为碳素结构钢和低合金高强 度结构钢两种。碳素结构钢可 省 略低合金高强度结构钢390 420(2) 钢材的规格热轧钢板、 热轧钢板、钢带 热轧型钢（焊接） 热轧型钢（焊接） 冷轧钢板、 冷轧钢板、钢带 冷弯薄壁型钢热轧钢板 表示方法：在符号“ 后加 宽度厚度长度” 后加“ 表示方法：在符号“-”后加“宽度厚度长度” 热轧型钢 角钢规格角钢分类 等边角钢 不等边角钢(单位 mm) 单位 mm)最小规格 L203 L25163 最大规格 L20024 L20012518 长度 4000 19000型号或表示方法
16、L 边长厚度 边长 边长 L 长边短边厚度 长边短边 长边工字钢规格工字钢分类 普通工字钢 轻型工字钢其它几何参数查 P428 附表 、8.6 附表 8.5、 其它几何参数查 附表 型号或表示方法 单位 cm 单位 I 高度 高度 QI 高度 高度 最小规格 I10 QI10 最大规格 I63 QI70 长度(m) 长度 519 槽钢规格工字钢分类 普通槽钢 轻型槽钢其它几何参数查 P429 附表 、8.8 附表 8.7、 其它几何参数查 附表 型号或表示方法 单位 cm 单位 高度 高度 Q高度 高度 最小规格 5 Q5 最大规格 40 Q40 长度(m) 长度 519 H 型钢规格H 型钢
17、分类 型钢分类 宽翼缘 H 型钢 宽翼缘 型钢 中翼缘 H 型钢 中翼缘 型钢 窄翼缘 H 型钢 窄翼缘 型钢 高频焊接 H 型钢 高频焊接 型钢型号或表示方法 单位 mm 单位 HW 高 HW 高宽腹板 厚翼缘厚 HM 高宽腹板 高 厚翼缘厚 HN 高宽腹板 高 厚翼缘厚 H 高宽腹板厚 高 翼缘厚最小规格 HW100 HW100100 68 HM150100 69 HN10050 57 H100503 3最大规格 HW400 HW400400 1321 HW600300 1220 HN700300 1324 H350175 4.56 长度(m) 长度615 612 其它几何参数查 P431
18、 附表 附表 8.9 其它几何参数查 附表T 型钢规格H 型钢分类 型钢分类 宽翼缘 T 型钢 宽翼缘 型钢 中翼缘 T 型钢 中翼缘 型钢 窄翼缘 T 型钢 窄翼缘 型钢其它几何参数查 P434 附表 附表 8.10 其它几何参数查 附表 型号或表示方法 单位 mm 单位 TW 高宽 高 TM 高宽 高 TN 高宽 高 最小规格 TW50100 TM74100 TN5050 最大规格 HW200400 HW300300 HN350200 615 长度(m) 长度t钢管规格其它几何参数查 P436 附表 附表 8.11、8.12 其它几何参数查 附表 、 型号或表示方法 单位 mm 单位 直径
19、壁厚 直径 直径壁厚 直径 最小规格 322.5 322 最大规格 35116 1525.5 312 长度(m) 长度钢管分类热轧无缝钢管 电焊钢管 直焊缝、螺旋焊缝） （直焊缝、螺旋焊缝）第三章 钢结构的连接基本要求 1.了解钢结构常用的连接方法、特点及其适用范围 2.了解对接焊接的工作性能，掌握对接焊缝的计算 方法 3.了解直角角焊缝的工作性能，掌握直角角焊缝 在各种受力情况下的计算方法，理解各种构造尺 寸的限制意义 4.了解焊接应力，焊接变形的形成原因和对结构 工作的影响，了解减少焊接应力与焊接变形的措 施5.了解普通螺栓连接的抗剪、抗拉工作性能，可能 的破坏形式，掌握普通螺栓连接在各种
20、受力情况下 的计算方法 6.了解高强度螺栓连接的抗拉、抗剪工作性能，掌 握摩擦型、承压型高强度螺栓连接在各种情况下的 计算方法重点、难点分析 1、对接焊缝要点与构件母材强度计算方法相同， 与构件母材强度计算方法相同，采用材料力学的 计算公式 加引弧板（引出板）施焊的情况下， 加引弧板（引出板）施焊的情况下，一、二级对 接焊缝不需计算。 接焊缝不需计算。 三级焊缝受拉时，或无引弧板（引出板） 三级焊缝受拉时，或无引弧板（引出板）时才验 算。轴心受力的对接焊缝N = f t w 或 f cw （3.2.1） ） lw tN l Nt斜向受力的对接焊缝N sin = f t w 或 f cw （3.
21、2.2） ） lwtN cos = f vw lwt（3.2.3） ）规范规定， 规范规定，当斜焊缝倾角 56.3，即tan1.5 时，可认为对接斜 时 焊缝与母材等强，不用计算。 焊缝与母材等强，不用计算。b承受弯距和剪力联合作用的对接焊缝 max maxM 6M = = 2 ftw （3.2.4） ） Ww lwtVS w 3 V w = = ? f V （3.2.5） ） I w t 2 lw t对于工字形或 T 对于工字形或 T 形截面除应分别验算最大正应力与最大 剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力: 剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力: 12 + 3 12 1.1
22、 f t wM h0 1 = ? Iw 2（3.2.6） ）VS w1 1 = I w tw受轴力、 受轴力、弯矩和剪力联合作用的对接焊缝N M max =N +M = + ftw Aw WwVmaxSw max = f vw I wt（3.2.4*） ）（3.2.5*） ） （3.2.6*） ）( N + M 1 )2 + 3 12 1.1 f t w对于梁柱节点处的牛腿，假定剪力由腹板承受， 对于梁柱节点处的牛腿，假定剪力由腹板承受，且剪应力均 匀分布，其计算公式为： 匀分布，其计算公式为：V w = fV Aw（3.2.5*） ）Aw牛腿处腹板的焊缝计算面积。 牛腿处腹板的焊缝计算面积。
23、 牛腿处腹板的焊缝计算面积对接焊缝计算步骤 确定荷载； 确定荷载； 进行截面应力状态分析； 进行截面应力状态分析； 确定最不利位置； 确定最不利位置； 计算截面几何特征值； 计算截面几何特征值； 强度验算。 不同作用情况下对接焊缝计算（矩形、 强度验算。 不同作用情况下对接焊缝计算（矩形、I 形）max ft orfww cVSw w max = fV Iwtweq = 2 + 32 1.1 ftwN N = lwtM M = WwVSw1 1 = Iwtwt2t1 ? t 2hfhft1 ? t 2t1 t2h f 1.5 t 2 ? ? （ ?h f t1 或 t1 ? 1 2）mm ?t
24、1h f 1. 5 t 2 ? ? ? h f 1.2t1 ?hft1 ? t 2t1 d2.角焊缝 2.角焊缝t1 ? t 2hf2 t1hf1(1)角焊缝的构造t2t2焊脚尺寸的限制角焊缝计算长度最小计算长度（ a) 最小计算长度（lwmin） 为了使焊缝能有一定的承载能力，根据使用经验， 为了使焊缝能有一定的承载能力，根据使用经验，侧面角焊 缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于： 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 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 b) 侧焊缝最大计算长度（lwm
25、ax） 侧焊缝最大计算长度（ lwmax60hf 若实际长度超过以上数值，则超过部分不纳入计算长度中。 若实际长度超过以上数值，则超过部分不纳入计算长度中。 若内力沿侧焊缝全长分布时，计算长度不受此限制。 若内力沿侧焊缝全长分布时，计算长度不受此限制。（2） 角焊缝的计算计算公式f ? +f2 ffw ? ? ? f ?N f = f f fw he l w2(3.3.6)与焊缝长度方向垂直。 正面角焊缝 f0，力 N 与焊缝长度方向垂直。 ， 与焊缝长度方向垂直（3.3.7） ）与焊缝长度方向平行。 侧面角焊缝 f0，力 N 与焊缝长度方向平行。 ， 与焊缝长度方向平行N f = f fw
26、he l w（3.3.8） ）以上各式中： 角焊缝计算长度， 以上各式中： he=0.7hf； lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧 角焊缝计算长度 缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去 2h 缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去 f。轴心力（拉力、压力和剪力） 轴心力（拉力、压力和剪力）作用时角焊缝的计算用盖板的对接连接当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝群的中心， 当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝群的中心， 焊缝的应力可认为是均匀分布的。 焊缝的应力可认为是均匀分布的。 A、仅采用侧面角焊缝连接 NlwNN f = ffw helwlw连接一侧的侧面角焊缝计 算长度的总和B、采用三面围焊连接 先计算
27、正面角焊缝承担的内力lw N = f ffw lwhelw连接一侧的正面角焊缝 计算长度的总和 再计算侧面角焊缝的强度NlwNN ? N f = ffw lwhelw连接一侧的侧面角焊缝 计算长度的总和承受斜向轴心力的角焊缝外力 N 和焊缝长度方向斜交，焊缝受到的力 被分解为 被分解为： 外力 和焊缝长度方向斜交，焊缝受到的力 N 被分解为： 和焊缝长度方向斜交 平行于焊缝长度方向的分力 Ncos 平行于焊缝长度方向的分力 垂直于焊缝长度方向的分力 Nsin 垂直于焊缝长度方向的分力Nx Ny N图 3.3.12 轴心力 作用下的角焊缝N sin f = helwN cos f = helwf ? ? ? f ? ? + f2 f f w ? ?2（3.3.9a） ）ff（3.3.9b） ）代入（3.3.6） ，得焊缝计算公式： 代入（3.3.6） ，得焊缝计算公式： ） ，得焊缝计算公式N sin ? ? h l ? f ew? N cos ? ? +? ? ff w ? ? h l ? e w ? ? ?22取 2 = 1.22 2 1.5 得： fN helw sin 2 + cos 2 = 1.51 sin 2 1? 3N sin 2 w 1? ff 3 helw
