钢结构设计（共计335共计2部分）部分1

1、会计学1钢结构设计（共计钢结构设计（共计335共计共计2部分）部分部分）部分1第1页/共173页1.1 Characteristics of Steel StructuresHigh strength and low weight1.1.1 Advantages 钢结构的优点Uniformity of material and predictability of propertiesEase of fabrication and high speed of erection Good performance in earthquake resistance钢结构的特点f材料的质量密度材料的强度

2、建筑钢材：钢筋混凝土：木材：m/10184m/104 . 54m/107 . 37 . 14适用于跨度大、高度高、承载重的结构！适用于承受动力荷载的结构、地震区结构！第2页/共173页钢结构构件在工厂制作加工钢结构构件的运输钢结构施工现场第3页/共173页钢材耐热性较好焊接连接的钢结构密封性好，适用于要求密闭的高压容器、管道等结构温度在200以内时：钢材性质基本不变温度在300以上后：钢材强度逐渐下降温度达到600时：钢材强度降至不到三分之一钢结构压力容器石油天然气输送用钢管第4页/共173页Susceptibility to corrosionPoor ability in fire res

3、istanceHigh price of steels1.1.2 Disadvantages 钢结构的缺点在火灾中，未加防护的钢结构一般只能维持20分钟左右！火灾中倒塌的钢桁架火灾中软化的钢梁第5页/共173页钢结构的防火保护措施工人包覆防火板工人喷涂防火涂料水泥沙浆包覆包覆防火板喷涂防火涂料第6页/共173页1.2 Developments and Applications of Steel Structures 钢结构的发展和应用At the beginning of the 19th century:Iron structures were used in buildings and b

4、ridges in Europe1.2.1 Development history in foreign countries In 1856 steel was first manufacturedThe age of steel began1856年：英国人贝斯麦首次用转炉炼钢成功，钢材开始用于建筑结构，年：英国人贝斯麦首次用转炉炼钢成功，钢材开始用于建筑结构，进一步出现了轧制型钢和铆钉连接方法，钢结构得到了广泛应用进一步出现了轧制型钢和铆钉连接方法，钢结构得到了广泛应用第7页/共173页Home Insurance Company Building家庭保险公司大楼Location: Chi

5、cago, Illinois, USACompletion Date: 1885 (demolished in 1931)Height: 55m (138 feet)Stories: 10Materials: SteelFacing Materials: BrickEngineer(s): William LeBaron JenneyIn 1885 the first high-rise steel-framed building was completed:Home insurance company building in Chicago第8页/共173页At the beginning

6、of the 20th century:High rise buildings appeared in New YorkPark Row Building公园街大厦Manhattan,NewYorkcity,USATechnical Data Height 119 m 391 ft Floors (OG) 30 Year (start) 1896 Year (end) 1899This was the first building in the world ever to reach 30 floors第9页/共173页Times Tower时代塔楼Height: 110m Stories:

7、25Completion Date: 1904第10页/共173页Empire State Building 帝国大厦Height: 381m Stories: 102Completion Date: 1931保持世界最高建筑记录达40余年！第11页/共173页第二次世界大战期间（1939-1945）： 钢结构的发展陷入停顿状态1945-今：钢结构进入恢复和发展阶段卷入战争的国家和地区80多个（其中参战国61个），人口约20亿，占当时世界总人口80以上特别是50-70年代，欧洲国家（主要是西欧）和日本在较短的时间内进入到高速发展阶段，成为除美国外钢结构发展水平较高的国家第12页/共173页资料

8、:1991年前，世界前100栋高层建筑中，81栋为钢结构81栋9栋其它国家72栋 美国24栋 纽约7栋 芝加哥41栋 其它城市日本加拿大香港新加坡南朝鲜第13页/共173页1.2.2 Development history in China In ancient times (before the Opium War ):China was the pioneer to use irons as load-carrying members玉泉寺铁塔（湖北当阳）：塔高1669米，共13层建于北宋(公元1061年)我国现存最高、最重和保存最完好的铁塔大渡河铁索桥（四川泸定）：始建于清代康熙四十四年

9、（公元1705年），次年完成桥净跨约103m，桥宽2.8m现存古代铁索桥中制作最精良的一座第14页/共173页In the years between the Opium War and 1949:Slow development of steel structuresIn the years between 1949 and 1980s:Steels were used only in important structures建国后第一个五年计划期间：钢结构得到了发展,兴建了一批钢结构厂房、桥梁1957年10月15日：武汉长江大桥建成通车典礼武汉长江大桥夜景第15页/共173页60-70年代

10、：由于钢产量的限制，仅有少数重要建筑采用钢结构1961年建成的北京工人体育馆：为举办第26届世乒赛兴建直径94m的车辐式悬索结构辐射布置上下钢索各144根至今仍然是我国最大的悬索结构建于1968年的南京长江大桥：采用三跨连续钢桁架第16页/共173页After 1980s:Rapid development of steel structures钢结构在我国得到了迅速发展：出现了一些钢结构（超）高层建筑、高耸建筑东方明珠电视塔：1993年建成 高468m金茂大厦 ：地上88层 ，地下3层 高365m 1998年建成深圳地王大厦：81层 高325m1996年建成第17页/共173页2006年：我

11、国钢产量突破4亿吨，占全球产量的三分之一1996年：我国钢产量突破1亿吨，并连续十年位居世界第一钢结构建筑总量/ 建筑总量中国韩国日本美国1%20%50%68%我国建设部建筑用钢发展规划：“十五”期间建筑用钢达到总钢产量的3%2015年建筑用钢达到总钢产量的6%与发达国家相比，我国钢结构的应用存在较大差距：促进钢结构的发展和应用第18页/共173页1.3 Types of Steel Structures1.3.1 Single-storey buildings 单层房屋建筑钢结构的形式1.3.2 Multi-storey and high-rise buildings 多层和高层房屋建筑1.

12、3.3 Bridges 桥梁1.3.4 Towers and masts 塔架和桅杆 第19页/共173页1.3.1 Single-storey buildings 单层房屋建筑Portal frame structures and bent structures 门式刚架结构和排架结构第20页/共173页Grid structures and reticulated shells 网架和网壳结构第21页/共173页日本明古屋体育馆世界上最大的单层网壳结构单层球面网壳，直径187m，1997年建成采用直径65cm，长10m的钢管组成三角形网格网壳结构的工程实例：第22页/共173页网壳结构的工

13、程实例：福冈穹顶日本第一个可开合网壳结构，1993年建成，跨度：212.8m第23页/共173页中国国家游泳中心-“水立方”网架结构的工程实例：第24页/共173页“水立方”内部构造： Kelvin的“泡沫理论”：将水在泡沫状态下的微观分子结构放大到建筑结构尺度，从几何上可以归结为1个14面体结合了14个12面体的多次重复，将这些多面体内部抽空形成网格，然后按建筑需要切割出平板网架第25页/共173页在主体钢结构的外面：“水立方”的建筑外围采用世界上最为先进的环保节能ETFE(四氟乙烯)膜材料，由3000多个气枕组成，覆盖面积达到10万平方米，堪称世界之最，具有较好的抗压性、自洁功能、隔热散光

14、功能膜施工中膜上的镀点可以改变光线的方向起到隔热散光的效果第26页/共173页Suspended cable structures 悬索结构主要受力构件为高强度钢索，有多种不同的布置方式第27页/共173页华盛顿杜勒斯机场侯机厅悬索采用25mm圆钢，平行布置索拉力由抗弯刚度较大的斜柱传递悬索结构的工程实例：第28页/共173页Cable and membrane structures 索膜结构深圳华侨城欢乐谷中心剧场深圳华侨城欢乐谷中心剧场 深圳大梅沙海滨广场张拉膜深圳大梅沙海滨广场张拉膜第29页/共173页1.3.2 Multi-storey and high-rise buildings

15、多层和高层房屋建筑Rigid framed structures 刚架结构Braced rigid frames 刚架支撑结构Tube structures 筒体结构第30页/共173页梁和柱刚性连接形成多层多跨框架侧向刚度小，适用于层数30的多层或高层钢结构Rigid framed structures 刚架结构第31页/共173页北京长富宫中心 地上25层，地下2层, 高94m 1987年建成 2层以下和地下室为型钢砼结构, 以上全部为钢框架结构第32页/共173页框架和支撑体系（支撑桁架、剪力墙、核心筒）组成的结构可用于4060层的高层钢结构Braced rigid frames 刚架支

16、撑结构第33页/共173页框架和支撑体系（核心筒）组成的结构第34页/共173页筒体结构由内外两个筒体或多个筒体组合而成分别称为“筒中筒体系”和“筒束体系”筒体通常的做法为“密柱深梁”筒体结构具有较大的侧向刚度，可用于60100层左右的超高层钢结构Tube structures 筒体结构第35页/共173页西尔斯大厦的筒束体系筒束体系 西尔斯大厦：位于美国芝加哥高443m, 108层 ，建于1974年筒体结构的工程实例：第36页/共173页1.3.3 Bridges 桥梁Solid web plate girders 实腹板梁式结构Truss structures 桁架式结构Arches an

17、d frames拱或刚架式结构Combination of arches and trusses or beams 拱与梁或桁架的组合结构Cable-stayed structures 斜拉结构Suspended cable structures悬索结构第37页/共173页多跨连续钢桁架桥Truss structures 桁架式结构第38页/共173页钢拱桥Arches and frames拱或刚架式结构第39页/共173页Combination of arches and trusses or beams 拱与梁或桁架的组合结构第40页/共173页三塔斜拉桥武汉天兴洲长江大桥Cable-st

18、ayed structures 斜拉结构第41页/共173页旧金山金门大桥3跨钢桁梁悬索桥Suspended cable structures悬索结构第42页/共173页1.3.4 Towers and masts 塔架和桅杆 Towers 塔架结构Masts 桅杆结构第43页/共173页电站输电塔某电视塔Towers 塔架结构第44页/共173页Masts 桅杆结构杆身依靠纤绳的牵拉而站立第45页/共173页1.4 Steel Structural Members 钢结构的基本构件Tension members 受拉构件Bending members 受弯构件Axially loaded c

19、ompression members 轴心受压构件Beam-columns 压弯构件第46页/共173页Chapter 2 Material of Steel Structures 钢结构的材料钢结构的材料2.1 Steel Properties2.3 Failure Modes of Steels2.2 Factors to Influence Steel Properties2.4 Structural Steel Products 第47页/共173页较高的抗拉强度和屈服强度较好的塑性和韧性良好的工艺性能结构承载能力高安全储备高自重轻结构在静载和动载下有足够的变形能力减轻脆性破坏的倾向调

20、整局部高峰应力易于加工成各种形式的结构且不至因加工对结构的受力性能造成较大不利影响钢结构对材料的要求第48页/共173页2.1 Steel Properties 钢材的性能2.1.1 Steel properties determined by tension test 拉伸试验体现的钢材性能0AN00ll：tensile stress拉伸应力：unit strain单位应变%100001llllPercentage elongation: 伸长率%100010AAAlPercentage reduction of area: 截面收缩率拉伸试验标准试件第49页/共173页低碳钢、低合金钢拉伸

21、试件的应力-应变曲线：OABCDEF比例极限弹性极限屈服点抗拉极限E1lModulus of elasticity : 弹性模量ElYield stress: 屈服应力y)(yflTensile strength: 拉伸强度u)(uf第50页/共173页OABCDEF比例极限弹性极限屈服点抗拉极限E1O理想的弹塑性体)(yyf比例极限、弹性极限、屈服点十分接近屈服后出现较大范围的塑性变形，流幅大约为0.15%2.5%y)(yf 作为钢材的最大设计应力（强度标准值）第51页/共173页高强度钢拉伸试件的应力-应变曲线:O条件屈服点（名义屈服点）%2 . 0)(2 . 02 . 0f)(2 . 0

22、2 . 0f:卸荷后残余应变为 对应的应力%2 . 0第52页/共173页夏比试件的冲击韧性值：21hhWCv摆锤重量摆锤释放前的高度摆锤击断试件后的高度梅氏试件的冲击韧性值：nvkACa 缺口处净截面面积冲击功l冲击韧性(Impact toughness)：衡量钢材在冲击荷载下抗脆断的能力，是强度与塑性的综合体现2.1.2 Steel properties determined by impact test 冲击试验体现的钢材性能第53页/共173页2.1.3 Steel properties determined by cold-bend test 冷弯试验体现的钢材性能l冷弯试验反映钢材

23、对冷加工过程的适应能力以及钢材质量的好坏，是衡量钢材力学性能的综合指标使试件弯曲180，看是否出现裂纹或分层第54页/共173页2.1.4 Steel properties under complexity stress condition 钢材在复杂应力作用下的性能2222223zxyzxyxzzyyxzyxzs：弹性状态yzsf：塑性状态yzsf钢材在复杂应力状态下的折算应力：yzyxyzzyzxxyzoxxyxz第55页/共173页l平面应力状态0, 0zxyzz2223xyyxyxzsl对于一般梁截面，0y223xyxzs考虑几种特殊情况：l纯剪时，0 x23zs钢材的抗剪屈服点yyv

24、yfff58. 031xyyxxyxyyxyxxy平面应力状态第56页/共173页2.1.5 Weldability of steels 钢材的可焊性 Carbon steel 碳素钢C0.27%Mn 0.7%Si 0.4%S0.05% P 0.05% Low-alloy steel 低合金钢以碳当量衡量钢材的可焊性：1556%uiornECNVMCMCC好的可焊性：焊接安全、可靠、不产生焊接裂缝，焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影区的延伸性（塑性）和力学性能都不低于母材第57页/共173页2.1.6 Corrosion resistance of steels 钢材的抗腐蚀性 涂层保护涂层保护

25、 采用耐候钢采用耐候钢(weathering steel)耐候钢通过添加合金元素提高其耐腐蚀性：eiuRTPC合金体系riuCNPC合金体系第58页/共173页低碳钢(Low carbon steel)：C 0.25% 中碳钢(Middle carbon steel) ：0.25%C 0.6% 铁(Fe)约占 99%（碳素钢）碳 (C)低于 0.22%（碳素钢）提高强度塑性、韧性、可焊性下降钢材的基本成分2.2 Factors to Influence Steel Properties 影响钢材性能的因素2.2.1 Chemical composition 化学成分纯铁体较柔软碳和铁合成渗碳体

26、及珠光体渗碳体和珠光体较坚硬第59页/共173页钢材的其它成分有害成分脱氧剂：硅（Si）、锰（Mn）提高强度对塑性、韧性无显著不良影响合金元素：钒（V）、钛（Ti）提高强度、抗腐蚀性能不显著降低塑性 硫（S）降低塑性、韧性、疲劳强度、可焊性导致“热脆”磷（P）导致“冷脆”提高强度、抗锈蚀性降低塑性、韧性、冷弯性能 氧（O）导致“热脆” 氮（N）导致“冷脆”22COOCOFOFee222OSFSOFieieCOFCOFeeiS第60页/共173页控制钢材的化学成分投入脱氧剂脱氧12001300 下压制改善内部结构，消除缺陷，提高力学性能沸腾钢、半镇静钢、镇静钢钢板Plates 型钢Shapes冶

27、炼Smelting 浇铸Moulding轧制Rolling2.2.2 Production process 生产过程第61页/共173页时效硬化原因:高温时熔化在铁中的少量氮和碳，随着时间的增长从纯铁体中析出，形成氮化物和碳化物，散布在晶粒的滑移面上阻碍其塑性变形，使得钢材强度提高，塑性和韧性下降时效硬化后的变形能力时效硬化后的屈服强度 人工时效（artificial age hardening） 使钢材产生10%的塑性变形后加热至250左右并保温1小时以加速时效硬化，以测定重要结构钢材的时效后冲击韧性2.2.3 Age hardening 时效硬化第62页/共173页冷加工后的变形能力冷加工

28、消耗的塑性变形应变硬化后的屈服强度冷加工硬化原因： 冷加工过程消耗了一部分塑性变形，使其塑性变形能力下降，屈服点提高应变时效：既发生了应变硬化，又发生了时效硬化2.2.4 Cold work hardening (strain hardening) 冷加工硬化(应变硬化)第63页/共173页2.2.5 Temperature 温度“蓝脆”：250左右，抗拉强度提高而冲击韧性下降，表面出现蓝色氧化膜温度升高，钢材强度降低，应变增大200以下，钢材性能变化不大430 540 之间，钢材强度急剧下降600 时，钢材强度很低不能承载温度降低，钢材强度增大，塑性和韧性下降第64页/共173页l温度对冲击

29、韧性的影响冷脆转变温度（冷脆临界温度）:JAk27max4 . 0kA或 对应的温度脆性破坏塑性破坏转变过渡区域T1T2T0反弯点试验温度T（）冲击断裂功Brittle failureDuctile failure第65页/共173页第66页/共173页00 xyxy00应力集中部位存在同号平面或立体应力场，促使钢材变脆构件形状变化越剧烈，应力集中越严重，脆性破坏的危险性越大aK/max孔边的最大应力净截面平均应力应力集中系数2.2.6 Stress concentration 应力集中第67页/共173页钢材在不同应力条件下的应力-应变曲线第68页/共173页第69页/共173页2.3 Fa

30、ilure Modes of Steels 钢材的破坏形式nPlastic failure 塑性破坏应力超过屈服点并达到抗拉强度破坏前有明显的塑性变形破坏断口呈纤维状nBrittle failure 脆性破坏低应力破坏前塑性变形很小或没有破坏断口较平直第70页/共173页第71页/共173页资料：1919年1月15日美国波士顿的一个直径90英尺、高50英尺，装有2百万加仑糖浆的钢罐突然破裂，12人被淹死或受伤而死，40人受伤，数匹马被淹死，并对波士顿部分地区的高架铁轨造成了损害。第72页/共173页重复荷载作用破坏时应力低于抗拉极限甚至屈服点塑性变形很小或没有l疲劳破坏的特征l疲劳破坏的三个阶

31、段裂纹形成裂纹不断扩展脆性断裂连续重复荷载作用nFatigue fracture of steels 钢材的疲劳破坏第73页/共173页2.4.1 Carbon structural steel 碳素结构钢l力学性能基本保证yield strength ultimate strength elongation屈服强度 极限强度 伸长率l化学成分基本要求 carbon (C), manganese (Mn), silicon (Si), sulfur (S), phosphorus (P)2.4 Structural Steel Products 钢材的种类l牌号Q195 ,Q215 ,Q235

32、 ,Q255 , Q275第74页/共173页冷弯试验合格l脱氧方法 F、b、Z、TZlExamples: Q235A、Q235Ab、Q235AF Q235B、Q235Bb、Q235BF Q235C Q235Dl质量等级JAk27200JAk27-20JAk27grade Agrade Bgrade Cgrade D第75页/共173页2.4.2 Low alloy structural steel 低合金结构钢l力学性能基本保证yield strength, ultimate strength, elongation, cold-bend propertyl化学成分要求carbon (C),

33、 manganese (Mn), silicon (Si), sulfur (S), phosphorus (P), vanadium (V), niobium (Nb), titanium (Ti)l强度等级 Q295，Q345 ，Q390 ，Q420 ，Q460 第76页/共173页l质量等级grade A grade B JAk3420grade C grade D 冷弯试验合格l脱氧方法 Z、TZlExamples: Q345A、Q345B、Q345C、Q345D、Q345E Q420A、Q420B、Q420C、Q420D、Q420Egrade E -40JAk27-20JAk340J

34、Ak34第77页/共173页2.4.3 High quality carbon structural steel 优质碳素结构钢2.4.4 High quality wire rope 优质钢丝绳 高强度钢丝l严格限制杂质元素和缺陷 S0.035%, P60mm扁钢 460mm“_ 宽厚长”角钢：“L 肢宽肢厚”“L 长肢宽短肢宽肢厚”工字钢：“I 截面高度厘米数”“QI 截面高度厘米数”槽钢：“ 截面高度厘米数” “Q 截面高度厘米数” H型钢:“HW（HM，HN）高度宽度 腹板厚度 翼缘厚度”HM340250914钢管：“ 宽度高度厚度” “ 外径管厚 ” 第83页/共173页厚度1.51

35、2mm，国外已发展到25mmnCold-formed steel 冷弯型钢第84页/共173页2.4.7 Choice of structural steels 钢材的选用结构的类型和重要性荷载类别连接方法环境温度受力性质钢材厚度第85页/共173页思考题：钢结构的特点有哪些？钢结构的结构形式有哪些？什么是“密柱深梁”？钢材的机械性能指标有哪些？分别反映了钢材哪些方面的性能？第86页/共173页Chapter 3 Failure Modes of Steel Structures 钢结构的破坏形式钢结构的破坏形式3.1 Overall Buckling 整体屈曲3.3 Plastic Fail

36、ure 塑性破坏3.2 Local Buckling 局部屈曲3.4 Fatigue Failure 疲劳破坏3.5 Brittle Fracture 脆性断裂第87页/共173页3.1 Overall Buckling 整体屈曲(失稳）n关于稳定的基本概念PP微小的扰动PP撤去扰动后：构件恢复到初始平衡位置稳定构件停留在新的平衡位置临界状态构件的变形持续增长失稳构件处于临界状态时所对应的荷载称为临界荷载（critical load）第88页/共173页n屈曲（失稳）的类别Euler buckling欧拉屈曲Extreme buckling极值型屈曲 Critical load 临界荷载Ult

37、imate load 极限荷载第89页/共173页n钢构件的整体失稳第90页/共173页3.2 Local Buckling 局部屈曲（失稳）n结构的局部失稳:结构中的局部构件失去稳定，不能继续承载n构件的局部失稳: 构件的组成板件失去稳定（发生凸曲变形） 不宜利用局部屈曲后的强度，因为构件或板件失稳后会出现明显的变形，不利于继续使用不宜在承受动力荷载的结构中利用可以利用，但有动力荷载时，局部失稳的临界荷载不能太小，以防止呼吸现象的出现。第91页/共173页Aluminum HAluminum cruciform第92页/共173页n截面的分类特厚实截面（塑性设计截面）厚实截面（弹塑性设计截面

38、）非厚实截面（弹性设计截面）超屈曲设计截面（纤细截面，薄柔截面）第93页/共173页3.3 Plastic Failure 塑性破坏受拉构件的塑性破坏:yf塑性变形阶段弹性阶段应变硬化阶段断裂yfyf3.3.1 Plastic failure of steel members 构件的塑性破坏第94页/共173页受弯构件的塑性破坏:第95页/共173页3.3.2 Plastic redistribution of stresses 应力塑性重分布不均匀的应力分布均匀的应力分布l有残余应力时的应力塑性重分布塑性变形第96页/共173页l应力集中时的应力塑性重分布第97页/共173页3.3.3 Pl

39、astic redistribution of internal forces 内力塑性重分布24/12/22qlMqlMMCBAPBAMMM2/12lMqPPBAMMMPCMM2/16lMqPu梁端形成塑性铰跨中形成塑性铰第98页/共173页重复荷载作用破坏时应力低于抗拉极限甚至屈服点塑性变形很小或没有l疲劳破坏的特征l疲劳破坏的三个阶段裂纹形成裂纹不断扩展脆性断裂连续重复荷载作用3.4 Fatigue Failure 疲劳破坏第99页/共173页l连续重复荷载作用下的应力比和应力幅应力比:maxmin(拉应力取正值，压应力取负值)绝对值最小的应力绝对值最大的应力应力幅：minmax最大拉应

40、力 最小拉应力或压应力第100页/共173页疲劳强度（Fatigue strength） : 应力循环中的最大拉应力疲劳寿命（Fatigue life） : 应力循环次数l疲劳强度和疲劳寿命的关系第101页/共173页l疲劳强度和应力比的关系ACEDB10yf11maxmin疲劳强度分析图（N=2106 ）110KK100K第102页/共173页l焊接结构疲劳寿命主要与应力幅有关在焊缝及其附近主体金属残余拉应力通常达到钢材的屈服点实际最大应力实际最小应力yfmaxyfmin第103页/共173页2/24836mmNKsifyA36:：千磅/英寸2Ksi第104页/共173页l应力幅与致损循环次

41、数的关系曲线)lg(2)lg(lg21bsbN以一定概率所定设计式：1s2)lg(lg1 bN1bNlglg平均曲线：NcNb210)(1Nc容许应力幅第105页/共173页l疲劳设计准则常幅疲劳设计1Nc对于焊接结构:minmax对于非焊接结构:minmax7 . 0:预期的疲劳寿命NNlglg12345687610501Nc不同结构和连接类别的 曲线N:系数，由试验确定 , c第106页/共173页设应力幅的循环次数为对应的常幅疲劳寿命为iiniN根据线形累积损伤准则，发生疲劳破坏的条件为：1iiNn设想有常应力幅对应的常幅疲劳寿命为ine6102Ne1iiiiNnnn用（a）式代替用（b

42、）式代替)(eicn（b）)(iicN（a）/1)(iiienn等效应力幅：l疲劳设计准则变幅疲劳设计第107页/共173页l疲劳强度计算应注意的几点1疲劳强度计算采用容许应力幅法，荷载采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，应力按弹性工作计算；2在完全压应力（不出现拉应力）循环中，裂纹不会继续发展，此种情况可不予验算；3根据试验，不同钢种的不同静力强度对焊接部位的疲劳强度无显著影响。疲劳容许应力幅与钢种无关。第108页/共173页3.5 Brittle Fracture 脆性断裂第109页/共173页n影响脆性断裂的因素l裂纹 Flawsl应力 Stressesl材料 Materialsl

43、温度 Temperature l加载速率 loadingSpeed第110页/共173页Chapter 4 Tension Members 受拉构件受拉构件4.1 Axially Loaded Tension Members 轴心受拉构件4.2 Tension and Bending Members 拉弯构件第111页/共173页4.1 Axially Loaded Tension Members 轴心受拉构件4.1.1 Configuration of cross sections 截面形式 Built-up sections 组合截面Cold-formed shapes 冷成型钢Hot-r

44、olled shapes 热轧型钢第112页/共173页4.1.2 Strength of axially loaded tension members 轴心受拉构件的强度yPAfN 强度承载力:强度承载力设计值:ddAfN n截面无削弱时的强度dNN dfAN或yf塑性变形阶段弹性阶段应变硬化阶段断裂yfyf截面无削弱时的强度设计公式：Rydff/：钢材的设计强度抗力分项系数第113页/共173页n截面有削弱时的强度该处截面极限承载力:unufAN :净截面面积nA:抗拉强度uf该处截面极限承载力的设计值:udnudfAN:抗拉强度的设计值uRuudff/udnfANudNN 或该处截面的强

45、度设计公式：材料强度系数第114页/共173页净截面示意第115页/共173页uRRyudnduddnudnfffAfffAfANyudnuRRyudnfffAfffAN8 . 08 . 0/uRR则有削弱截面的强度设计公式可写为：dnfAN dnfAN或25. 1/yuffIfyudndnfffAfA8 . 0udnfAN有削弱截面的强度设计公式为第116页/共173页4.1.3 Effective net area of tension members 受拉构件的有效净截面有效净截面:neAAla/1第117页/共173页la/1dnfANdnfAN:distance from gusse

46、t plate to centroid a:length of connectionl第118页/共173页4.1.3 Stiffness of tension members 受拉构件的刚度 max0max/il:构件的最大长细比max:构件的计算长度0l:构件的回转半径i:容许长细比 第119页/共173页4.2 Tension and Bending Members 拉弯构件4.2.1 Criterion for strength calculation 强度计算准则p边缘纤维屈服准则 p全截面屈服准则 p部分发展塑性准则 第120页/共173页4.2.2 Strength of ten

47、sion and uniaxial bending members 单向拉弯构件的强度 p按边缘纤维屈服准则计算时的强度xxIyMAN:绕截面主轴 轴的截面模量2/ hIWxxxyxxxxfWMANIhMAN2/max第121页/共173页:屈服轴力ypAfN :屈服弯矩yxexfWM1exxpMMNNyxxfWMANmax按边缘纤维屈服准则的强度设计公式：:净截面模量 2/ hIWnxnx:净截面面积nAdnxxnfWMAN或1exdxpdMMNNRydff/:钢材的设计强度dnpdfANdnxexdfWM1yxxyfWMAfN第122页/共173页p按全截面屈服准则计算时的强度wywyAc

48、fthcfN21210thAfcchAfthAfchhtchfMfywyfywyx0000001thAffANhAfMfyywowyx02221410h第123页/共173页l考虑特殊情形之二：仅有弯矩作用 ypxyfwpxfWfthAhAM0041:塑性截面模量 pxW全截面屈服时屈服轴力ypAfN thAfhAfMfywypx002121l考虑特殊情形之一：仅有轴向拉力作用 全截面屈服时塑性弯矩yfyf第124页/共173页thAffANhAfMfyywowyx02221412222204141ywowyfyowyxfANAAhAfthAfhAfMpxPwowyxMNNAAhAfM2224

49、11/4/200220PwfwpxxNNAAthhAAhMM1ppMMNN单向拉弯构件全截面屈服时2222204141ywowyfowyxfANAAhAfthAhAfM222241pwowypxxNNAAhAfMM第125页/共173页1ppMMNN1ypyfWMAfN全截面屈服时的强度设计公式：dpnxxnfWMAN偏安全地采用直线关系式：:净截面面积nA:绕主轴 轴的净截面塑性模量pnxWx1ypyfWMAfN第126页/共173页13. 0pNN1pxxMM13. 0pNN115. 11pxxpMMNN13. 0dnfANdpnxxfWM13. 0dnfANdpnxxnfWMAN15.

50、11第127页/共173页p按部分发展塑性准则计算时的强度dnxxxnfWMAN:塑性发展系数xpnxnxxnxWWW强度设计公式：第128页/共173页4.2.3 Strength of tension and biaxial bending members 双向拉弯构件的强度 p按边缘纤维屈服准则计算dnyynxxnfWMWMANdpnyypnxxnfWMWMANdnyyynxxxnfWMWMANp按全截面屈服准则计算p按部分发展塑性准则计算第129页/共173页4.2.4 Stiffness of tension and bending members 拉弯构件的刚度 max0maxil

51、:构件的最大长细比max:构件的计算长度0l:构件的回转半径i:容许长细比 第130页/共173页4.2.5 Stability of tension and bending members 拉弯构件的稳定 当截面上出现压应力时需考虑稳定问题0WMAN当截面上不出现压应力时不需考虑稳定问题0WMAN第131页/共173页Chapter 5 Axially Loaded Compression Members 轴心受压构件（柱）轴心受压构件（柱）5.1 Failure Modes 破坏形式5.2 Strength Design 强度设计5.3 Whole Stability of Solid-W

52、ebbed Columns 实腹式柱的整体稳定5.4 Whole Stability of Lattice Columns 格构式柱的整体稳定5.5 Design of Whole Stability 整体稳定设计第132页/共173页5.1 Failure Modes 破坏形式n截面强度破坏 strength failuren整体失稳破坏 overall bucklingPP微小的扰动PP构件恢复到初始平衡位置稳定构件停留在新的平衡位置临界状态构件的变形持续增长失稳构件处于临界状态时所能承受的荷载称为临界荷载（critical load）撤去扰动后：第133页/共173页弯曲屈曲 (flex

53、ural buckling)弯扭屈曲( flexural-torsional buckling)扭转屈曲 (torsional buckling)轴心压杆整体失稳的形态：第134页/共173页n局部失稳 local bucklingl结构的局部失稳:结构中的局部构件失去稳定，不能继续承载l构件的局部失稳: 构件的组成板件失去稳定（发生凸曲变形） 允许局部失稳，因为局部失稳后仍能继续承载！不允许局部失稳！因为板件出现了明显的凸凹变形第135页/共173页5.2 Strength Design 强度设计设计准则:yf强度设计公式:dNN dnfANor强度承载力设计值:dndfAN :净截面面积n

54、A:钢材的设计强度Rydff/第136页/共173页22EANNEcr22EE: 长细比n理想的轴心压杆的整体稳定5.3 Whole Stability of Solid-Webbed Columns实腹式柱的整体稳定临界荷载:杆件是等截面直杆材料是完全均匀和弹性的临界荷载crN理想轴心压杆实际轴心压杆压力作用线与截面的形心纵轴重合第137页/共173页n 实际的轴心压杆的整体稳定临界荷载(极限荷载)crNcrN实际轴心压杆存在初始缺陷：初弯曲、初偏心、残余应力、材性不均匀等第138页/共173页n 实际轴心压杆弯曲失稳的极限承载力边缘纤维屈服准则 冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018 采用

55、极限承载力准则钢结构设计规范GB50017 采用crN考虑构件的初始缺陷，利用数值方法进行计算第139页/共173页EfyycrycrpcrfAfANN12种不同截面尺寸轴心压杆的 曲线pcrNN/ypAfN ycrf/：轴心受压构件的稳定系数第140页/共173页我国钢结构设计规范GB50017 采用的方法：1000/ l考虑初弯曲为针对各种不同的截面形式考虑残余应力的影响近200条柱子曲线分成a、b、c、d四组四条曲线的表达式：:215. 0211/ycrf222322322421/ycrf:215. 0第141页/共173页第142页/共173页:215. 0211/ycrf222322322421/ycrf:215. 0四条曲线的表达式：第143页/共173页轴心受压构件的截面分类：第144页/共173页第145页/共173页钢结构设计规范给出了a、b、c、d四类截面轴心受压构件的稳定系数表格：第146页/共173页第147页/共173页第148页/共173页第149页/共173页第150页/共173页第151页/共173页n弯曲失稳的极限承载力yc