第17章 钢结构基本概念(2)

1、第第1717章章 钢结构基本概念钢结构基本概念第一节第一节 钢结构的发展钢结构的发展第二节第二节 钢结构概述钢结构概述 第三节第三节 钢结构构件钢结构构件第四节第四节 钢结构的连接钢结构的连接3.1 3.1 轴心受力构件轴心受力构件 应用应用：承重结构，包括拉、压杆，柱承重结构，包括拉、压杆，柱 对截面形式的要求对截面形式的要求 (1) (1) 轴心受力构件的应用和截面选择轴心受力构件的应用和截面选择第三节第三节 钢结构构件钢结构构件 截面积满足强度要求截面积满足强度要求 制作简便制作简便 便于和相邻构件连接便于和相邻构件连接 截面开展而壁厚较薄截面开展而壁厚较薄 轴心受力构件截面形式轴心受力

2、构件截面形式 热轧型钢截面热轧型钢截面 冷弯薄壁型钢截面冷弯薄壁型钢截面 型钢和钢板的组合截面型钢和钢板的组合截面实腹式组合截面实腹式组合截面格构式组合截面格构式组合截面 格构式构件：格构式构件： 由两个或多个型钢肢件通过缀条或缀板连接而成。由两个或多个型钢肢件通过缀条或缀板连接而成。 缀条多采用单角钢，缀板由钢板组成；缀条多采用单角钢，缀板由钢板组成；构件截面上与腹板相交的轴线为实轴，与缀材平面相垂直的轴为虚轴。构件截面上与腹板相交的轴线为实轴，与缀材平面相垂直的轴为虚轴。优点：优点：增加惯性矩，提高刚度，节约钢材，适用于较高大构件。增加惯性矩，提高刚度，节约钢材，适用于较高大构件。缺点：缺

3、点：制造费工制造费工(2) (2) 轴心受力构件的强度和刚度验算轴心受力构件的强度和刚度验算 强度验算强度验算 图 4-2 孔洞处截面应力分布 (a) 弹性状态应力；(b)极限状态应力 (a) (b) N N N N 0 max=30 fy N 轴心拉力或压力设计值；轴心拉力或压力设计值； An 构件的净截面面积；构件的净截面面积； fy 钢材的抗拉钢材的抗拉( (压压) )强度设计值强度设计值n(41 )yNfA 刚度验算：刚度验算：保证构件在运输、安装、使用时不产生过大变形保证构件在运输、安装、使用时不产生过大变形刚度通过限制构件的刚度通过限制构件的长细比长细比 或柔度或柔度来实现来实现。

4、取取值值详详见见规规范范或或教教材材。构构件件的的容容许许长长细细比比，其其 0 xxxli0yyylix/xxiIA 截 面 对轴 的 回 转 半 径0 xxl 构件对 轴计算长度；y/yiIA0yyl 构件对 轴计算长度； 计算长度系数计算长度系数 0ll受拉构件的容许长细比 表 4-1 承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构 项次 构件名称 有重级工作制吊车的厂房 一般结构 直接承受动力 荷载的结构 1 桁架的杆件 250 350 250 2 吊车梁或吊车桁架 以下的柱间支撑 200 300 3 其它拉杆、支撑、系杆等 （张紧的圆钢除外） 350 400 某普通支撑构件采用双角钢截面型式，

5、受压力某普通支撑构件采用双角钢截面型式，受压力N=410kN。计。计算长度算长度l0 x=3m, l0y=8.85m，回转半径，回转半径ix=2.37cm , iy=4.47cm。材料为。材料为Q235钢。试验算其强度和刚度。钢。试验算其强度和刚度。 例题：例题：jANxxxrl0yyyrl0100808的截面积的截面积2944.13cmA 构件净截面积构件净截面积: 2448.24)8 . 015. 2944.13(2cmAj32410 10167.724.448 10yMPaf强度强度刚度刚度20018774. 41085. 8220012737. 21032u 概念：承受横向荷载，楼盖梁

6、、吊车梁、桥面梁等；概念：承受横向荷载，楼盖梁、吊车梁、桥面梁等；u 分类：分类：热轧型钢梁：加工方便、制造简单、热轧型钢梁：加工方便、制造简单、成本低，如工字钢、槽钢、成本低，如工字钢、槽钢、H型钢型钢冷弯薄壁型钢梁：用于荷载较小，冷弯薄壁型钢梁：用于荷载较小，跨度不大的情况，节省钢材跨度不大的情况，节省钢材3.2 3.2 受弯构件梁受弯构件梁(g)一般采用三块钢板焊接而成的一般采用三块钢板焊接而成的工字形截面工字形截面，或，或(h)由由T型钢型钢(用用H型钢剖分而成型钢剖分而成)中间加板的中间加板的焊接截面焊接截面。(i)当焊接组合梁翼缘需要很厚时，可采用当焊接组合梁翼缘需要很厚时，可采用

7、两层翼缘板截面两层翼缘板截面。(j)对受动力荷载的梁，若钢材质量不能满足焊接结构的要求对受动力荷载的梁，若钢材质量不能满足焊接结构的要求时，可采用高强度螺栓或铆钉连接而成的时，可采用高强度螺栓或铆钉连接而成的工字形截面工字形截面。(k)荷载很大而高度受到限制或梁的抗扭要求较高时，可采用荷载很大而高度受到限制或梁的抗扭要求较高时，可采用箱形截面箱形截面。u 常用组合梁形式常用组合梁形式 1.简单式梁格简单式梁格 ：单一主梁：单一主梁 2.普通式梁格：分主、次梁普通式梁格：分主、次梁 3.复式梁格：分主梁及横、纵次梁复式梁格：分主梁及横、纵次梁主梁次梁主梁纵向次梁横向次梁主梁u 梁格布置梁格布置3

8、.3 3.3 梁的设计梁的设计梁的设计必须同时满足梁的设计必须同时满足1、承载力极限状态、承载力极限状态 强度强度(抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度) 整体稳定性整体稳定性 局部稳定性局部稳定性2、正常使用极限状态、正常使用极限状态 刚度刚度(挠度挠度)随着梁上荷载不断增加，弯曲应力的发展可分为三个阶段：随着梁上荷载不断增加，弯曲应力的发展可分为三个阶段：(1)弹性阶段；弹性阶段；(2)弹塑性阶段；弹塑性阶段；(3)塑性阶段。塑性阶段。 u 抗弯强度抗弯强度以部分截面发展塑性（以部分截面发展塑性（1/41/4截面，截面，a=h/8 8）为极限状态：）为极限状态：

9、式中：式中： Wn梁的净截面模量；梁的净截面模量； 塑性发展系数。塑性发展系数。 ( )( )( )()x yx yx yxn ynMfW 工字形和槽形截面梁腹板上的剪应力分布如图所示。截工字形和槽形截面梁腹板上的剪应力分布如图所示。截面上的最大剪应力发生在腹板中和轴处。面上的最大剪应力发生在腹板中和轴处。 抗剪强度不足时，最有效的办法是增大腹板的面积，但抗剪强度不足时，最有效的办法是增大腹板的面积，但腹板高度腹板高度hw一般由梁的刚度条件和构造要求确定，故设计时一般由梁的刚度条件和构造要求确定，故设计时常采用加大腹板厚度的办法增大梁的抗剪强度。常采用加大腹板厚度的办法增大梁的抗剪强度。u 抗

10、剪强度抗剪强度两种情况下，应验算腹板计算高度两种情况下，应验算腹板计算高度h0边缘的局部承压强度边缘的局部承压强度: (1) 翼缘受有沿腹板平面作用的集中荷载翼缘受有沿腹板平面作用的集中荷载(包括支座反力包括支座反力) (2) 受有移动的集中荷载受有移动的集中荷载(如吊车的轮压如吊车的轮压) 当计算不能满足时，在固定集中荷载处当计算不能满足时，在固定集中荷载处(包括支座处包括支座处)，应对腹板用支承加劲肋予以加强；对移动集中荷载，则只能应对腹板用支承加劲肋予以加强；对移动集中荷载，则只能修改梁截面，加大腹板厚度。修改梁截面，加大腹板厚度。u 局部承压强度局部承压强度整体失稳现象整体失稳现象机理

11、分析：机理分析：梁受弯变形后，上翼缘受压，由于梁侧向刚度梁受弯变形后，上翼缘受压，由于梁侧向刚度不够，就会发生梁的侧向弯曲失稳变形；梁截面从上至下不够，就会发生梁的侧向弯曲失稳变形；梁截面从上至下弯曲量不等，就形成截面的扭转变形，同时还有弯矩作用弯曲量不等，就形成截面的扭转变形，同时还有弯矩作用平面内的弯曲变形，故梁的整体失稳为弯扭失稳形式，完平面内的弯曲变形，故梁的整体失稳为弯扭失稳形式，完整的说法应为：侧向弯曲扭转失稳。整的说法应为：侧向弯曲扭转失稳。有效措施：有效措施：提高上翼缘侧移刚度。提高上翼缘侧移刚度。u 梁的整体稳定性梁的整体稳定性 组合梁由翼缘与腹板焊接而成，如果这些板件的宽厚

12、比组合梁由翼缘与腹板焊接而成，如果这些板件的宽厚比很大，板中压应力或剪应力达到某数值后，受压翼缘或腹板很大，板中压应力或剪应力达到某数值后，受压翼缘或腹板可能偏离其平面位置，出现波形鼓曲，这种现象称为梁丧失可能偏离其平面位置，出现波形鼓曲，这种现象称为梁丧失局部稳定。局部稳定。热轧型钢梁能够满足局部稳定要求，一般不必计算。热轧型钢梁能够满足局部稳定要求，一般不必计算。u 梁的局部稳定性梁的局部稳定性 梁的刚度验算即为梁的挠度验算。梁的刚度不足，其将梁的刚度验算即为梁的挠度验算。梁的刚度不足，其将会产生较大变形，影响正常使用。会产生较大变形，影响正常使用。 例如楼盖梁的挠度超过正常使用的某一限值

13、时，一方面例如楼盖梁的挠度超过正常使用的某一限值时，一方面给人们一种不舒服和不安全的感觉，另一方面可能使其上部给人们一种不舒服和不安全的感觉，另一方面可能使其上部的楼面及下部的抹灰开裂，影响结构的功能；吊车梁挠度过的楼面及下部的抹灰开裂，影响结构的功能；吊车梁挠度过大，会加剧吊车运行时的冲击和振动，甚至使吊车运行困难大，会加剧吊车运行时的冲击和振动，甚至使吊车运行困难等等。等等。 v荷载标准值产生的最大挠度；荷载标准值产生的最大挠度； v规范根据实践经验规定的梁的容许挠度值。规范根据实践经验规定的梁的容许挠度值。vvu 梁的刚度梁的刚度1、根据实际情况计算梁的最大弯距设计值、根据实际情况计算梁

14、的最大弯距设计值Mmax；2 2、根据抗弯强度，计算所需的净截面抵抗矩：、根据抗弯强度，计算所需的净截面抵抗矩：3 3、查型钢表确定型钢截面、查型钢表确定型钢截面4 4、截面验算、截面验算 强度验算：抗弯、抗剪、局部承压；强度验算：抗弯、抗剪、局部承压； 刚度验算：验算梁的挠跨比刚度验算：验算梁的挠跨比 整体稳定验算（型钢截面局部稳定一般不需验算）。整体稳定验算（型钢截面局部稳定一般不需验算）。 根据验算结果调整截面，再进行验算，直至满足。根据验算结果调整截面，再进行验算，直至满足。fMWxTmaxu 型钢梁的设计步骤型钢梁的设计步骤二、螺栓连接二、螺栓连接 优点：连接刚度大，传力可靠；优点：

15、连接刚度大，传力可靠； 分为：分为： 普通螺栓连接；高强度螺栓连接普通螺栓连接；高强度螺栓连接三、铆钉连接三、铆钉连接N缺点：对施工技术要求很高，劳动强度大，缺点：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差，施工条件差， 施工速度慢。施工速度慢。 优点：拆装方便优点：拆装方便 缺点：板件有削弱缺点：板件有削弱一、一、焊缝连接焊缝连接 优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大；优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大；缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。 第四节第四节 钢结构的连接钢结构的连接1.1.手工电弧焊手工电弧焊 焊机焊机导线导线熔池熔池焊条焊

16、条焊钳焊钳保护气体保护气体焊件焊件电弧电弧电弧焊电弧焊（手工电弧焊、自动（手工电弧焊、自动 半自半自动埋弧焊），动埋弧焊），气体保护焊气体保护焊。原理：原理：由焊条、焊钳、焊件、电焊机与导线组成电路。通电由焊条、焊钳、焊件、电焊机与导线组成电路。通电引弧后，在涂有焊药的焊条端与焊件间产生电弧，使焊药燃引弧后，在涂有焊药的焊条端与焊件间产生电弧，使焊药燃烧、焊条熔化；烧、焊条熔化；熔滴滴入被电弧吹成的焊接溶池中，焊缝金属冷却后与焊件熔滴滴入被电弧吹成的焊接溶池中，焊缝金属冷却后与焊件熔成一体；熔成一体；焊药燃烧在熔池周围形成保护气体，稍冷后在焊缝熔化金属焊药燃烧在熔池周围形成保护气体，稍冷后在焊

17、缝熔化金属表面形成熔渣，以隔绝熔池中液体金属与氧、氮等气体的接表面形成熔渣，以隔绝熔池中液体金属与氧、氮等气体的接触，避免形成脆性易裂化合物。触，避免形成脆性易裂化合物。缺点：质量波动大，要求焊工等缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。级高，劳动强度大，效率低。 优点：方便，特别在高空和野外优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；作业，小型焊接；一般情况下，焊条与母材的对应关系如下：一般情况下，焊条与母材的对应关系如下： Q235Q235钢材，采用钢材，采用E43E43焊条；焊条； Q345Q345钢材，采用钢材，采用E50E50焊条；焊条； Q390Q390、Q420Q4

18、20钢材，采用钢材，采用E55E55焊条。焊条。焊条牌号为焊条牌号为E43E43、E50E50和和E55E55型等，型等，E E表示焊条，数字表示熔融表示焊条，数字表示熔融金属最小抗拉强度（单位为金属最小抗拉强度（单位为Kgf/mmKgf/mm2 2）。）。 原理：原理：自动电焊机沿轨道按设定速度移动，通电引弧后，使自动电焊机沿轨道按设定速度移动，通电引弧后，使埋于焊剂下的焊丝和附近的焊剂熔化。埋于焊剂下的焊丝和附近的焊剂熔化。随焊机的移动，颗粒随焊机的移动，颗粒状焊剂不断从料斗漏下，电弧完全被埋在焊剂之内，同时焊状焊剂不断从料斗漏下，电弧完全被埋在焊剂之内，同时焊丝自动地边熔化边下降，称为自

19、动埋弧焊。丝自动地边熔化边下降，称为自动埋弧焊。 ( (沿轨道推移过程由人工控制时，称为半自动埋弧焊沿轨道推移过程由人工控制时，称为半自动埋弧焊) )2.2.自动自动/ /半自动埋弧焊半自动埋弧焊门式全自动埋弧焊机门式全自动埋弧焊机优点：自动化程度高，焊接速度快，焊接质量好优点：自动化程度高，焊接速度快，焊接质量好。缺点：设备投资大，施工位置受限等。缺点：设备投资大，施工位置受限等。 原理：原理：直接依靠惰性气体或二氧化碳气体在电弧周围形成局直接依靠惰性气体或二氧化碳气体在电弧周围形成局部的保护层，以防止有害气体侵入，从而保持焊接过程的稳部的保护层，以防止有害气体侵入，从而保持焊接过程的稳定。

20、定。3.3.气体保护焊气体保护焊焊缝形式焊缝形式角焊缝角焊缝 对接焊缝对接焊缝 对 接 焊 缝角 焊 缝4. 4. 焊缝形式及连接形式焊缝形式及连接形式连接形式连接形式平接平接 搭接搭接 T T形连接形连接 角接角接 (a)(c)(b)(d)(f)(e)(g)(h)(i)1.1.普通螺栓普通螺栓C级级- 粗制螺栓，性能等级为粗制螺栓，性能等级为4.6或或4.8级；级； 4表示表示fu400N/mm2, 0.6或或0.8表示表示fy/fu=0.6或或0.8； 类孔，孔径类孔，孔径(do)-栓杆直径栓杆直径(d) 13mm。A、B级级- 精制螺栓，性能等级为精制螺栓，性能等级为5.6或或8.8级级

21、; 5或或8表示表示fu500或或800N/mm2, 0.6或或0.8表示表示fy/fu=0.6或或0.8； 类孔，孔径类孔，孔径(do)-栓杆直径栓杆直径(d)0.30.5mm。按其加工的精细程度和强度分为按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。三个级别。分为普通螺栓和高强度螺栓分为普通螺栓和高强度螺栓 螺栓连接施工简单，固定可靠，无需专用设备，广泛用螺栓连接施工简单，固定可靠，无需专用设备，广泛用于临时固定构件及可拆卸结构的安装。于临时固定构件及可拆卸结构的安装。 A A、B B级螺栓加工精制，精度高要求，要求级螺栓加工精制，精度高要求，要求I I类孔，孔径与类孔，孔径与栓径相同

22、，栓杆和螺孔间空隙仅为栓径相同，栓杆和螺孔间空隙仅为0.3mm0.3mm左右。在钢结构左右。在钢结构中已很少采用；中已很少采用； CC级螺栓由圆钢压制成，表面粗糙，要求级螺栓由圆钢压制成，表面粗糙，要求类孔，孔径类孔，孔径比螺栓杆径大比螺栓杆径大1.51.53mm3mm。 传递剪力时，变形大，但传递传递剪力时，变形大，但传递拉力时性能尚好，且成本低，故多用于承受拉力的安装螺拉力时性能尚好，且成本低，故多用于承受拉力的安装螺栓连接、次要结构中。栓连接、次要结构中。n 按抗剪受力特性分：按抗剪受力特性分：摩擦型与承压型摩擦型与承压型 摩擦型以板件间最大摩擦力为承载力极限状态；摩擦型以板件间最大摩擦

23、力为承载力极限状态； 承压型允许克服最大摩擦力后，以螺杆抗剪与孔壁承压破坏为承承压型允许克服最大摩擦力后，以螺杆抗剪与孔壁承压破坏为承载力极限状态。载力极限状态。n 高强螺栓采用高强螺栓采用级孔，便于施工。级孔，便于施工。n 高强螺栓按强度等级分高强螺栓按强度等级分10.9与与8.8级。级。 10.9级为级为20MnTiB、40Cr等材料，等材料，fu1000N/mm2，fu/fy0.9； 8.8级一般为级一般为45钢制成，钢制成， fu800N/mm2，fu/fy0.8。施工简便、受力好、耐疲劳、可拆换、施工简便、受力好、耐疲劳、可拆换、工作安全可靠。已广泛用于钢结构连接工作安全可靠。已广泛

24、用于钢结构连接中，尤其适用于承受动力荷载的结构中。中，尤其适用于承受动力荷载的结构中。2.2.高强度螺栓高强度螺栓(1)(1)并列并列简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小， 但构件截面削弱大；但构件截面削弱大；B B 错列错列A A 并列并列中距中距中距中距 边距边距边距边距端距端距(2)(2)错列错列排列不紧凑，所用连接板尺寸大，排列不紧凑，所用连接板尺寸大， 但构件截面削弱小；但构件截面削弱小； 3. 3. 螺栓的排列螺栓的排列4.4.螺栓排列的要求螺栓排列的要求（1 1）受力要求）受力要求: : 垂直受力方向：垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、截面

25、削为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而降低承载力，弱过多而降低承载力，螺栓的边距和端距不能太小；螺栓的边距和端距不能太小； 顺力作用方向：顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太端距不能太小；小； 对于受压构件：对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。中距不能太大。（2 2）构造要求；）构造要求； 螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。潮气侵入腐蚀钢材。5.5.破坏形式破坏形式（1 1）螺栓杆被剪坏）螺栓杆被剪坏 栓杆较细而板件较厚时栓杆较细而板件较厚时（2）孔壁的挤压破坏）孔壁的挤压破坏 栓杆较粗而板件较薄时栓杆较粗而板件较薄时（3）板件被拉断）板件被拉断 截面削弱过多时截面削弱过多时 以上破坏形式予以计算解决。以上破坏形式予以计算解决。（4 4）板件端部被剪坏）板件端部被剪坏( (拉豁拉豁) ) 端矩过小时；端矩不应小于端矩过小时；端矩不应小于2d2dO ONN（5 5）栓杆弯曲破坏）栓杆弯曲破坏 螺栓杆过长；栓杆长度不应大于螺栓杆过长；栓杆长度不应大于5d5d这这两两种种破破坏坏构构造造解解决