钢结构设计原理--总复习

《钢结构设计原理》总复习主讲教师：张美霞中国地质大学(武汉)网络学院考试范围一、绪论二、钢结构的材料三、钢结构的连接四、轴心受力构件五、受弯构件六、拉弯和压弯构件七、屋盖结构试卷题型分析一、填空题——主要考查钢结构的基本知识根据题意在空格处添上相关内容，涉及1～7章所有内容，10个空。例题：1、冷弯性能是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标。2、残余应力为构件内部自相平衡的内力，其对构件的静力强度无影响。二、单项选择题——主要考查钢结构的基本知识根据题意，在给定的答案中选择一项填入空格，涉及1～７章的内容，10道题。例题1、钢材的含碳量大小与钢材的（D）无关。A、强度；B、塑性；C、可焊性；D、弹性2、格构式截面采用换算长细比是因为（A）。A、考虑剪切变形影响；B、考虑弯曲变形的影响；C、考虑扭转变形影响；D、考虑两分肢协同工作。三、简答题—主要考查钢结构的基本知识根据题意，给出简单合理的解答，涉及1～8章内容，4道题。例题1、钢结构的特点有那些？2、焊缝连接有哪些优缺点？试卷题型分析四、计算题——2～３道题1、角焊缝连接或螺栓连接2、轴心受压构件（实腹式）3、受弯构件（截面选择并验算）4、压弯和拉弯构件的验算注意问题基本参数的计算－截面面积、截面惯性矩、截面抵抗矩、回转半径、两向计算长度的取值、长细比等；稳定系数给出表格，中间值内插；计算时单位的换算要统一；熟悉基本计算公式和计算内容。试卷题型分析第一章绪论1、钢结构的特点钢结构是由钢板、热轧型钢和冷加工成型的薄壁型钢制造而成。与其他材料的结构相比具有以下优点：（1）钢材强度高，韧性、塑性好；（2）质量轻，强重比大；（3）材质均匀，符合力学假定，安全可靠度高；（4）制造简单，工厂化生产，工业化程度高，施工速度快，施工周期短；（5）密封性好。钢结构的缺点有：（1）钢材耐热但不耐火。200摄氏度以内时主要性能下降不多，600摄氏度时钢材进入塑性状态不能承载，设计规定钢材表面温度超过150后要采取隔热措施；（2）钢材易锈蚀，耐腐蚀性能差，维护费用高；。（3）钢结构在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂。第一章绪论2、钢结构的设计方法除疲劳计算采用容许应力法外，钢结构设计规范采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计算。两种极限状态－承载能力极限状态与正常使用极限状态。失效概率：结构不能完成预定功能的概率。目前只能用近似概率设计方法，采用可靠指标表示失效概率可靠度－－可靠性的概率度量，按照概率极限状态设计法，在规定的时间内（设计基准期－分5、25、50以及100年），规定的条件（正常设计、施工、使用、维护）完成预定功能的概率。可靠度的控制：控制失效概率小到一定水平。可靠的结构设计指的是使失效概率小到可以接受程度的设计，绝对可靠的结构（失效概率等于零）是不存在的。第一章绪论极限状态设计表达式(1)对于承载能力极限状态，结构构件应采用荷载效应的基本组合和偶然组合进行设计基本组合按下列极限状态设计表达式中最不利值确定：由可变荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：RSSSniQciQQQGGikikk)(2011RSSniQciQGGikik)(10第一章绪论0——结构重要性系数，按下列规定采用：对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，不应小于0.9；G——永久荷载分项系数，应按下列规定采用：当永久荷载效应对结构构件的承载能力不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35；当永久荷载效应对结构构件的承载能力有利时，一般情况下取1.0；第一章绪论Q1,Qi——第1个和第i个可变荷载分项系数，应按下列规定采用：当可变荷载效应对结构构件的承载能力不利时，在一般情况下应取1.4，对标准值大于4.0kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3；当可变荷载效应对结构构件的承载能力有利时，应取为0；S——永久荷载标准值的效应；SQ1k——在基本组合中起控制作用的第1个可变荷载标准值的效应；SQik——第i个可变荷载标准值的效应；ci——第i个可变荷载的组合值系数，其值不应大于1；R——结构构件的抗力设计值。第一章绪论对于一般排架、框架结构，可以采用简化设计表达式：由可变荷载效应控制的组合：——简化设计表达式中采用的荷载组合系数，一般情况下可取=0.9，当只有一个可变荷载时，取=1.0。由永久荷载效应控制的组合仍按式计算：RSSniQQGGikik)(10RSSniQciQGGikik)(10第一章绪论偶然组合对于偶然组合，极限状态设计表达式宜按下列原则确定：偶然作用的代表值不乘以分项系数；与偶然作用同时出现的可变荷载，应根据观测资料和工作经验采用适当的代表值。(2)对于正常使用极限状态，结构构件根据不同设计目的，分别选用荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，使变形、裂缝等荷载效应的钢结构的正常使用极限状态只涉及变形验算，仅需考虑荷载的标准组合：niQciQGdikkkSSSS21第一章绪论3、钢结构的应用和发展应用：（1）大跨度钢结构钢屋架、网架、网壳结构、悬索结构、拱架结构、桥梁结构（2）重型厂房结构（3）多层和高层建筑（4）高耸建筑电视塔、微波塔、通讯塔等（5）轻型钢结构（6）容器和其他构筑物等第一章绪论钢结构的发展：（1）高性能钢材（强度、塑性和韧性、耐火、耐候等）（2）对结构承载能力的认识从构件到整体、从弹性到弹塑性、计算手段的改进（3）新型结构形式高强钢索、钢和混凝土组合结构、杂交结构（4）制造和安装机电一体化，用软件把钢材切割、焊接技术和焊接标准集成一起，保证质量又节省劳动力。第一章绪论第二章钢结构的材料第1节钢结构对材料的要求钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。1、较高的强度：屈服强度（屈服点）fy和抗拉强度fu。2、较好的塑性及韧性：伸长率和冲击韧性值Cv。塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载；3、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能；据上要求,《钢结构设计规范》GB50017-2019推荐承重结构用钢宜采用：碳素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。第3节钢材的力学性能一、强度屈服强度fy——设计标准值（设计时可达的最大应力）；抗拉强度fu——钢材的最大应力强度，fu/fy为钢材的强度安全储备系数。理想弹塑性——工程设计时将钢材的力学性能，假定为一理想弹塑性体二、塑性——钢材产生塑变时而不发生脆性断裂的能力重要指标——好坏决定结构安全可靠度，内力重分布，保证塑性破坏，避免脆性破坏。用伸长率衡量δ5（δ10）第二章钢结构的材料三、韧性——钢材在断裂或塑变时吸收能量的能力，用于表征钢材抗冲击荷载及动力荷载的能力，动力指标，是强度与塑性的综合表现。用冲击韧性衡量，分常温（20o）、零温（0o）、负温（-20o、-40o）要求区分。四、冷弯性能——90o、180o，钢材发生塑变时对产生裂纹的抵抗能力，是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标。五、可焊性——钢材在焊接过程中对产生裂纹或发生断裂的抵抗能力，以及焊接后具备良好性能的指标。通过焊接工艺试验进行评定第二章钢结构的材料第4节钢材性能的影响因素一、化学成分－C、S、P、Mn、Si二、冶金与轧制三、时效硬化四、温度－正温与负温，热塑现象、冷脆现象五、冷作硬化六、应力集中与残余应力－残余应力的概念以及它的影响。七、复杂应力状态－强度理论，同号应力，异号应力。第二章钢结构的材料第6节钢材的疲劳疲劳断裂的概念钢结构的疲劳断裂是裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展以至断裂的脆性破坏。疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。与疲劳破坏有关的几个概念疲劳寿命（致损循环次数）疲劳寿命指在连续反复荷载作用下应力的循环次数，一般用n表示。规范规定，当循环次数n不少于50000次，构件应进行疲劳验算。第二章钢结构的材料•应力循环特征连续重复荷载之下应力从最大到最小重复一周叫做一个循环。应力循环特征常用应力比来表示，拉应力取正值，压应力取负值。应力幅应力幅表示应力变化的幅度，用△=max-min表示，应力幅总是正值。要求：熟悉常幅疲劳的验算方法，对焊接和非焊接结构的验算方法要注意区分。第二章钢结构的材料第7节钢材的品种、牌号与选择品种－碳素钢Q235；低合金钢Q345、Q390、Q420牌号的表示方法－Q、屈服强度标准值、质量等级（碳素钢A~D，低合金钢A~E）,冶金脱氧方法（F、b、Z、TZ）钢材选用的原则：既要使结构安全可靠和满足使用要求，又要最大可能节约钢材和降低造价，保证承重结构的承载力和防止在一定条件下可能出现的脆性破坏。影响选择的因素：结构的重要性（结构的安全等级分一级（重要），二级（一般），三级（次要））、荷载情况（动、静荷载）、连接方法（Q235A不能用于焊接结构）、环境温度。第二章钢结构的材料第三章钢结构的连接本章要掌握的内容：（1）常用的连接方式及其特点焊接连接普通螺栓连接高强螺栓连接（2）焊缝连接的计算：对接焊缝、角焊缝的基本计算公式角焊缝在轴力、弯剪、扭剪下的计算角钢采用角焊缝连接的设计计算（3）螺栓连接的计算：单个螺栓的破坏特征及其承载力计算轴心受力、弯剪、扭剪下螺栓群的计算第三章钢结构的连接第1节钢结构的连接方法与特点焊接连接——对接焊缝，角焊缝螺栓连接——普通螺栓，高强螺栓铆钉连接——已基本被高强螺栓代替。第2节焊缝连接一、焊接特性1、焊接方法——电弧焊（手工，自动埋弧以及气体保护焊）、电阻焊和气焊。2、特点——省材、方便、适用强；热影响区变脆，残余应力与变形，质量变动大。3、焊缝缺陷－裂纹、气孔、未焊透、夹渣、烧穿等。4、焊接形式按焊件相对位置－平接（对接）、搭接以及垂直连接。按施焊位置－俯焊（平焊）、横焊、立焊以及仰焊。按截面构造－对接焊缝及角焊缝第3节对接焊缝的构造与计算一、构造破口形式——I型、单边V型、V型、U型、K型及X型。引、落弧板的设置变厚度与变宽度的板件连接——≤1：2.5斜面。质量等级与强度——一级综合性能与母材相同；二级强度与母材相同；三级抗拉强度为母材的85%二、计算——同构件。第三章钢结构的连接第4节角焊缝的构造与计算一、构造第三章钢结构的连接二、受力特性正面焊缝应力状态复杂，但内力分布均匀，承载力高；侧面焊缝应力状态简单，但内力分布不均，承载力低。破坏为45o喉部截面，设计时忽略余高。三、角焊缝的计算分析焊缝受力，找出最危险点；分析并计算各种外力（N、M、T、V）对焊缝最危险点上的应力贡献，对同性质的应力进行叠加；代入公式进行验算。wfffff22第三章钢结构的连接端缝、侧缝在轴向力作用下的计算：（1）端缝——垂直于焊缝长度方向的应力；he——角焊缝有效厚度,取0.7hf；lw——角焊缝计算长度，每条角焊缝取实际长度减2hf（每端减hf）；ffw——角焊缝强度设计值；f——系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，f=1.22，直接承受动力荷载f=1.0。（2）侧缝f——沿焊缝长度方向的剪应力。wffwefflhNwfwefflhN第三章钢结构的连接f角钢杆件与节点板焊接连接，承受轴向力N：在普通钢屋架中，双角钢截面轴力腹杆与节点板的连接一般多采用两面侧焊；受有动力荷载时，可采用三面围焊；受力较小时，可采用L形围焊，围焊的转角处必须连续施焊。截面的轴线位置可由角钢表查出z0值得到，则焊缝的形心应在截面轴线上。第三章钢结构的连接第三章钢结构的连接3.弯矩、剪力、轴力共同作用下的顶接（T