钢结构设计原理复习

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）2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2235/Nmm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。3H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：4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：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bwcwtsinfftlNw或（3.2.2）wvwftlNcos（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：fh—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＝fhcos/28、★构造要求：a)最小焊脚尺寸(minfh)角焊缝的焊脚尺寸min1.5,mmfhtt为较厚焊件厚度（）自动焊：min1.5-1,mmfhtt为较厚焊件厚度（）T形连接单面角焊缝：min1.5+1,mmfhtt为较厚焊件厚度（）焊件厚度t≤4mm时：取min=fhtb）最大焊脚尺寸（maxfh）t—较薄焊件的板厚max1.2fht对板件（厚度t）边缘的角焊缝（贴边焊）当t≤6mm时，maxfh≤t；当t＞6mm时，maxfh≤t-(1～2)mm。5c）侧焊缝最大计算长度（maxwl）max60wflhd）角焊缝的最小计算长度minwl侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于：min8wflh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/1wbl。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2wfN/mm160fK1=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：6f——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2400/Nmm，屈强比（屈服点与抗拉强度之比）为0.811、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7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：2bbvvv4dNnf承压承载力