钢结构经典教程

1、远眺纽约曼哈顿世贸大楼远眺纽约曼哈顿世贸大楼 绝绝版版纽纽约约世世贸贸中中心心双双子子塔塔 苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）上上海海商商务务中中心心网网状状网网壳壳159m 高的启东广播电视塔位于江苏启东新落成的广电广场高的启东广播电视塔位于江苏启东新落成的广电广场购物中心购物中心 根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用中，根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用中，钢材的性能按理想弹塑性体考虑，钢材的性能按理想弹塑性体考虑，f fy y定为钢定为钢材拉、压强度标准值。材拉、压强度标准值。ABCOD1 1、化学成份的影响、化学成份的影响 基本成份为基本成份为Fe，炭钢

2、中含量占，炭钢中含量占99，C、Si、Mn为杂质元为杂质元素，素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。为冶炼过程中不易除尽的有害元素。 C：含：含C使强度使强度塑性、韧性、可焊性塑性、韧性、可焊性，应控制在，应控制在0.22%，焊接结构应控制在，焊接结构应控制在0.20%。 Si：含：含Si适量使强度适量使强度 其它影响不大，有益，应控制其它影响不大，有益，应控制0.10.3% Mn：含：含Mn适量使强度适量使强度 降低降低S、O的热脆影响，改善热加的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，工性能，对其它性能影响不大，有益有益。 S：含量：含量使强度、塑性、韧性、性能冷弯、可焊

3、性使强度、塑性、韧性、性能冷弯、可焊性； 高温时使钢材变脆高温时使钢材变脆热脆现象热脆现象。 P：低温时使钢材变脆：低温时使钢材变脆冷脆现象冷脆现象；其它同；其它同S O、N：O同同S；N同同P，控制含量，控制含量0.008%2、冶金与轧制的影响 冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用时间快，价格低，质量差；镇静钢用Si为脱氧剂，时为脱氧剂，时间慢，价格高，质量好。间慢，价格高，质量好。 反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，

4、使金属晶体组织密的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。能提高。3、冷作硬化与时效硬化冷作硬化与时效硬化 由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象称之为下降，增加脆性的现象称之为硬化现象硬化现象。 冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化冷作硬化。 钢材中的钢材中的C、N，随着时间的增长和温度

5、的变化，而形，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化老化”现象称之现象称之为为时效硬化时效硬化。4 4、复杂应力与应力集中的影响、复杂应力与应力集中的影响 钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应力力，此谓应力集中现象。应力集中越严重此谓应力集中现象。应力集中越严重，钢材塑性越钢材塑性越差。差。 钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到

6、另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反。力场时则相反。 钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部应力增使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部应力增大并多为同号应力场。大并多为同号应力场。5、残余应力的影响残余应力的影响残余应力残余应力为钢材在冶炼、轧制、焊接、为钢材在冶炼、轧制、焊接、冷加工等过程中冷加工等过程中，由于不均匀的冷却、由于不均匀的冷却、组织构造的变化而在钢材内部产生的不组织构造的变化而在钢材内部产生的不均

7、匀的应力。残余应力在构件内部自相均匀的应力。残余应力在构件内部自相平衡而与外力无关。残余应力的存在易平衡而与外力无关。残余应力的存在易使钢材发生脆性破坏。残余应力虽对构使钢材发生脆性破坏。残余应力虽对构件的强度无影响，但对构件的变形（件的强度无影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不利刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不利影响。影响。6、温度的影响 温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。n 正温影响正温影响 总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这一现象称之为性提高，这一现

8、象称之为热塑现象热塑现象，温度达，温度达600o左右时，左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为行热加工，此温度称之为热煅温度热煅温度。 需要说明：钢材在需要说明：钢材在300o左右时，强度提高，塑性、韧性左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象蓝脆现象。钢材在钢材在300o以上时应采取以上时应采取隔热措施隔热措施。n 负温影响负温影响 随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性

9、增大，称之为性增大，称之为低温冷脆低温冷脆，当温度降至某一特定温度时，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度转脆温度。1、钢、钢 结结 构构 的的 连连 接接 方方 法法 焊缝代号、螺栓图例焊缝代号、螺栓图例 见见P51-53的图表。的图表。 或fcw 1、轴心受力的对接焊缝、轴心受力的对接焊缝fvw对接焊缝抗剪强度设计值对接焊缝抗剪强度设计值 2、承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝、承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝 由于焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分别为三角由于焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分别为三角形与抛物线形，其最大值应分

10、别满足下列强度条件。形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件。 焊缝截面抵抗矩焊缝截面抵抗矩 焊缝截面上计算点处以上截面对中和轴的面积矩焊缝截面上计算点处以上截面对中和轴的面积矩对于腹板和翼缘的交界点，正应力、剪应力虽不是最大，对于腹板和翼缘的交界点，正应力、剪应力虽不是最大，但都比较大，所以需验算折算应力，即：但都比较大，所以需验算折算应力，即： 1、 1为腹板与翼缘交界点处的正应力和剪应力；为腹板与翼缘交界点处的正应力和剪应力；1.1为为考虑到最大折算应力只在部分截面的部分点出现，而将强考虑到最大折算应力只在部分截面的部分点出现，而将强度设计值适当提高。度设计值适当提高。 侧面角焊缝侧

11、面角焊缝主要承受剪应力，应力沿焊缝长度方向主要承受剪应力，应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态。塑性较好。塑性较好 。 正面角焊缝正面角焊缝（图（图3.3.3b）受力较复杂，截面的各）受力较复杂，截面的各面均存在正应力和剪应力，焊根处有很大的应力集中。面均存在正应力和剪应力，焊根处有很大的应力集中。这一方面由于力线的弯折，另一方面焊根处正好是两焊这一方面由于力线的弯折，另一方面焊根处正好是两焊件接触间隙的端部，相当于裂缝的尖端。经试验，正面件接触间隙的端部，相当于裂缝的尖端。经试验，正面角焊缝的静力强度高于侧面角焊缝角焊缝的静力强度高于侧面

12、角焊缝。 两焊脚边的夹角 焊脚尺寸。焊脚尺寸。 有效厚度有效厚度（2）承受斜向轴心力的角焊缝）承受斜向轴心力的角焊缝 下图所示受斜向轴心力的角焊缝连接下图所示受斜向轴心力的角焊缝连接，有有两种计算方法。两种计算方法。（1）角钢用两面侧焊缝与节点板连接的焊缝计算）角钢用两面侧焊缝与节点板连接的焊缝计算 K1、 K2焊缝内力分配系数；焊缝内力分配系数；N1 、N2 分别为角钢肢背和肢尖传递的内力。分别为角钢肢背和肢尖传递的内力。 这两部分应力由于在这两部分应力由于在A点处的方向相同，可直接点处的方向相同，可直接叠加，故叠加，故A点垂直于焊缝长度方向的应力为：点垂直于焊缝长度方向的应力为：n 工字梁

13、（或牛腿）与钢柱翼缘角焊缝的连接工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘角焊缝的连接 的另一种计算方法是使焊缝传递应力与母材所承的另一种计算方法是使焊缝传递应力与母材所承受应力相协调，即假设腹板焊缝只承受剪力；翼受应力相协调，即假设腹板焊缝只承受剪力；翼缘焊缝承担全部弯矩，并将弯矩缘焊缝承担全部弯矩，并将弯矩M化为一对水平化为一对水平力力H=M/h1。则。则 注：注：A级用于级用于M24以下，以下，B级用于级用于M24以上。以上。 a）螺栓剪断）螺栓剪断 b）钢板孔壁挤压破坏）钢板孔壁挤压破坏 c）钢板由于螺孔削弱而净截面拉断）钢板由于螺孔削弱而净截面拉断 d）钢板因螺孔端距或螺孔中距太小而剪坏）钢板因螺孔

14、端距或螺孔中距太小而剪坏 de2e）螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生）螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生弯、剪破坏弯、剪破坏 dt5f）螺栓双剪破坏）螺栓双剪破坏 上述第上述第 种破坏形式由螺栓端距种破坏形式由螺栓端距l12d。保证；第种破坏属于构件的强度验算。保证；第种破坏属于构件的强度验算。因此，普通螺栓的受剪连接只考虑、因此，普通螺栓的受剪连接只考虑、两种破坏形式。两种破坏形式。 bV2VbV4fdnNbCbCftdNbCbVbminV;minNNNN7 . 01501 . 101dlbminNNnfANnnTn2T21T1rNrNrNTnTrNrNrNTn221T12211iiTxy

15、xxTN2211iiTxyxxTNbVyTyNxTxVNTNNNNNNmin2112111)()(nNNNx1nVNVx1de 螺纹处有效直径螺纹处有效直径 抗拉强度设计值抗拉强度设计值 btNnNNt（2）大偏心受拉 （2）大偏心受拉 （2）大偏心受拉）大偏心受拉 eueuAfAfP6075.02 .19 .09 .09 .0： 其中其中 即两公式是等价的。式中的即两公式是等价的。式中的Nv是同时作用剪力和拉力时，单个是同时作用剪力和拉力时，单个螺栓所能承受的最大剪力设计值。螺栓所能承受的最大剪力设计值。 在弯矩和拉力共同作用下，高强螺栓群中的拉力在弯矩和拉力共同作用下，高强螺栓群中的拉力各

16、不相同，即：各不相同，即： 或或此外，螺栓最大拉力应满足：此外，螺栓最大拉力应满足： 则剪力则剪力V的验算应满足下式：的验算应满足下式：frfANRyn对于高强度螺栓摩擦型连接的构件，除按此式验算净对于高强度螺栓摩擦型连接的构件，除按此式验算净截面强度外，还按前面的式子验算毛截面强度。截面强度外，还按前面的式子验算毛截面强度。 )()(0)(yxyxyxil022 NydxydEIAElEINcr2220222EANcrcrn 弹塑性弯曲屈曲弹塑性弯曲屈曲n 轴心受压构件的整体稳定计算应满足：轴心受压构件的整体稳定计算应满足：22xcrxEk232ycryEk1IIkefrAffNArNANR

17、yycrRcrycrycrfAfN)()0(0)(yxyxyxilAIiyxyx)()(2.2.轴心受压实腹构件宽厚比限值轴心受压实腹构件宽厚比限值注：表中的注：表中的 小于小于3030时取时取3030，大于，大于100100时取时取100100。 实腹式轴压杆常用截面形式及其优缺点实腹式轴压杆常用截面形式及其优缺点 铺板可采用钢筋混凝土板、钢板或由压型钢铺板可采用钢筋混凝土板、钢板或由压型钢板与混凝土组成的组合板。铺板宜与梁牢固连接板与混凝土组成的组合板。铺板宜与梁牢固连接使两者共同工作，可分担梁的受力而节约钢材，使两者共同工作，可分担梁的受力而节约钢材，并增强梁的整体稳定性。并增强梁的整体

18、稳定性。 ynefWMfWMWMynyyxnxxnPnWWF/ypnpnfWMfWMynxnyxyx)()()(VwxftIVSfv 钢材的抗剪强度设计值。钢材的抗剪强度设计值。 F 集中荷载，动力荷载需考虑动力系数；集中荷载，动力荷载需考虑动力系数； 集中荷载增大系数，重级工作制吊车梁集中荷载增大系数，重级工作制吊车梁1.35； Lz 集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定腹板长度，集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定腹板长度，按下式计算：按下式计算： Lz=a+2hy a 集中荷载沿梁跨度方向的支承长度，吊车梁可取集中荷载沿梁跨度方向的支承长度，吊车梁可取a为为50mm； hy 自吊车梁轨顶或其

19、它梁顶面至腹板计算高度上边自吊车梁轨顶或其它梁顶面至腹板计算高度上边缘的距离。缘的距离。 fcceq12223 梁净截面惯性矩；梁净截面惯性矩； y1 所计算点至梁中和轴的距离；所计算点至梁中和轴的距离； 计算折算应力的强度设计值增大系数计算折算应力的强度设计值增大系数In fWMxbxxcrcrWMfffWMbryycrrcrxx在最大刚度主平面内受弯的梁整体稳定性验算公式：在最大刚度主平面内受弯的梁整体稳定性验算公式： xycrycrbWfMffWMWMyyyxbx在两个主平面内受弯的工字形截面梁整体稳定验算：在两个主平面内受弯的工字形截面梁整体稳定验算： 绕强轴弯曲所确定的梁整体稳定系数

20、；绕强轴弯曲所确定的梁整体稳定系数； 截面塑性发展系数。截面塑性发展系数。 构造符合下列情况之一，可不计算梁的整体稳定性构造符合下列情况之一，可不计算梁的整体稳定性： a a）有铺板密布在梁的受压翼缘并与其牢固连接）有铺板密布在梁的受压翼缘并与其牢固连接 b b）工字形截面简支梁受压翼缘的自由长度）工字形截面简支梁受压翼缘的自由长度l1与其宽度与其宽度b1之比不超过下表规定数值之比不超过下表规定数值 c c）对箱形截面简支梁）对箱形截面简支梁h/b0 6 6且且 l1/b0 9595（ 235/235/fy） yfffAF23585： 该截面上腹板与翼缘连接处正应力、剪应力都较该截面上腹板与翼

21、缘连接处正应力、剪应力都较大，所以需验算折算应力。大，所以需验算折算应力。 此点：此点： 所以强度满足要求。所以强度满足要求。 2022)()1(12)(htEkwcrcrVywwcrfhthtEk202022)100(123)()1(12Vypcreqcrf38.08.0yVypffywfth235850VywwcrfhthtEk202022)100(793)()1(12ywfth2351770ywfth2351530683. 1255. 081. 10ahywfth2358401)()(22crcrcccr1)()(21121crcrcccr1)()(22222crcrcccr0025 . 0hah0cywfth235100005 . 2 ha 5 . 22cchhmmhbs4030015ssbt 303wzthI305