[PPT]钢结构基础

1、钢结构基础 同济大学土木系1 概率极限状态设计法和疲劳设计的容许应力法1 概率极限状态设计法和疲劳设计的容许应力法1.1 结构的极限状态 当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态为该功能的极限状态。分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。 承载能力极限状态 对应于结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形 正常使用极限状态 对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值 结构的工作性能可用结构的功能函数Z来描述，设计结构时可取荷载效应S和结构抗力R两个基本随机变量来表达结构的功能函数，即Z=g（R，S）RS （1-1）显然，Z是

2、随机变量，有以下三种情况：Z0 结构处于可靠状态；Z0 结构达到极限状态；Z0 结构处于失效状态。可见，结构的极限状态是结构由可靠转变为失效的临界状态。由于R和S受到许多随机性因素影响而具有不确定性， Z0不是必然性的事件。因此科学的设计方法是以概率为基础来度量结构的可靠性。1.2 可靠度 按照概率极限状态设计法，结构的可靠度定义为结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的概率。“完成预定功能”指对某项规定功能而言结构不失效。结构在规定的设计使用年限内应满足的功能有： (1) 在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用； (2) 在正常使用时具有良好的工作性能； (3) 在正常维护

3、下具有足够的耐久性； (4) 在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。 规定的设计使用年限（设计基准期）是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目使用的年限。大陆规范规定建筑结构的设计基准期为50年。 若以Pr表示结构的可靠度，则有Pr=P（Z0） （1-2） 记Pf为结构的失效概率，则有Pf=P（Z90o 时， he hf cos( /2)。 (2) 角焊缝的尺寸限制 焊脚尺寸 hf 应与焊件的厚度相适应，不宜过大或过小。 对手工焊，hf应不小于 ，t为较厚焊件的厚度（mm），对自动焊，可减小1mm； hf应不大于较薄焊件厚度的1.2倍。 对于板件边缘的焊缝

4、，当t 6mm时， hf t ；当t 6mm时， hf t (12)mm。 （图3-6） 焊缝长度 lw也不应太长或太短，其计算长度不宜小于8hf或40mm ，且不宜大于60hf 。 (3) 角焊缝计算的基本公式 (3-5)式中 f 正面角焊缝的强度设计值增大系数， ；但对直接承受动力荷载 结构中的角焊缝，由于正面角焊缝的刚度大，韧性差，应取f 1.0； x 、y 按角焊缝有效截面计算，垂直于焊缝长度方向的正应力； z 按角焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力。 3 钢结构的连接设计 (4) 常用连接方式的角焊缝计算 受轴心力作用时（图3-7） 焊缝长度与受力方向垂直（正面角焊缝）： (3

5、-6) 焊缝长度与受力方向平行（侧面角焊缝） ： (3-7)式中 lw为连接一侧所有焊缝的计算长度之和，每条焊缝按实际长度减去2hf。 三面围焊时，先按式（36）计算计算正面角焊缝受力N1，再由N N1按式（37）计算。 弯矩单独作用时（图3-8） (3-8)式中 Ww角焊缝有效截面的截面模量。 扭矩单独作用时（图3-9） (3-9)式中 J 角焊缝有效截面的极惯性矩，J=IxIy ； rAA点至形心o点的距离。 3 钢结构的连接设计 将 A分解到x和y方向，有 弯矩、扭矩、轴心力共同作用时，分别计算受力最不利点的正应力和剪应力，按下式计算： (3-10) 3 钢结构的连接设计3 钢结构的连接

6、设计3 钢结构的连接设计3.5 螺栓连接的排列和构造要求螺栓在构件上的排列可以是并列或错列（图3-11），排列时应考虑下列要求:1受力要求：对于受拉构件，螺栓的栓距和线距不应过小，否则对钢板截面削弱太多，构件有可能沿直线或折线发生净截面破坏。对于受压构件，沿作用力方向螺栓间距不应过大，否则被连接的板件间容易发生凸曲现象。因此，从受力角度应规定螺栓的最大和最小容许间距。2构造要求：若栓距和线距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易于侵入缝隙而产生腐蚀，所以，构造上要规定螺栓的最大容许间距。3施工要求：为便于转动螺栓扳手，就要保证一定的作业空间。所以，施工上要规定螺栓的最小容许间距。图3-11钢板上螺

7、栓的排列(a) 并列；(b) 错列；(c) 容许间距3 钢结构的连接设计根据以上要求，规范规定螺栓的最大和最小容许间距见表3-2。注: 1. d0 为螺栓孔径，t 为外层薄板件厚度。 2. 钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢) 相连的螺栓最大间距，可按中间排数值采用。 表3-2螺栓的最大和最小容许间距3 钢结构的连接设计3.6 普通螺栓连接的性能和计算1. 普通螺栓连接的性能 普通螺栓连接按螺栓传力方式，可分为抗剪螺栓连接和抗拉螺栓连接。 抗剪螺栓连接有五种破坏形式，见图3-12。3 钢结构的连接设计3 钢结构的连接设计抗拉螺栓连接 3 钢结构的连接设计2. 螺栓群计算当螺栓连接处于弹性阶段时，

8、螺栓群中各螺栓受力并不相等，两端大而中间小(图3-15a)；当螺栓群连接长度l1不太大时，随着外力增加连接超过弹性变形而进入塑性阶段后，因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀(图3-15b) 。但当构件的节点处或拼接缝的一侧螺栓很多，且沿受力方向的连接长度l1过大时，端部的螺栓会因受力过大而首先发生破坏，随后依次向内逐排破坏（即所谓解钮扣现象）。因此规范规定当连接长度l1 大于15d0时，应将螺栓的承载力乘以折减系数 =1.1l1/150d0 ，当l1 大于60d0时，折减系数取0.7 。因此，当外力通过螺栓群中心时，可认为所有的螺栓受力相同。 螺栓群在轴心力作用下的抗剪计算n = N /N bmi

9、n (3-15)此时应验算板的净截面强度= N /Anf (3-16)3 钢结构的连接设计 螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算图3-18 螺栓群受扭矩作用3 钢结构的连接设计 螺栓群在扭矩、剪力、轴心力共同作用下的抗剪计算 分别算出扭矩、剪力、轴心力作用下受力最大螺栓的受力，将其分解到x和y两个方向，按下式验算： 螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算 n = N / N tb (3-19) 螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算 螺栓群在弯矩作用下上部螺栓受拉，因而有使连接上部分离的趋势，使螺栓群形心下移。通常假定中和轴在最下排螺栓处，则螺栓的最大拉力为： 图3-19 弯矩作用下的抗拉螺栓计算 3 钢结构的连接设计

10、 螺栓群同时承受剪力和拉力的计算图3-20 螺栓群同时承受剪力和拉力此时连接传递的力有弯矩M = Ve 和剪力V，Nt按式(3-20)计算。3 钢结构的连接设计3.7 高强螺栓连接的性能和计算1. 高强螺栓连接的性能 高强螺栓连接按受力特征分为高强螺栓摩擦型连接、高强螺栓承压型连接和承受拉力的高强螺栓连接。 高强螺栓连接的预拉力 高强度螺栓预拉力设计值按材料强度和螺栓有效截面积确定，取值时考虑螺栓材料抗力的变异性，引入折减系数0.9；施加预应力时为补偿预拉力损失超张拉5%10%，引入折减系数0.9；在扭紧螺栓时，扭矩使螺栓产生的剪力将降低螺栓的抗拉承载力，引入折减系数1/1.2；钢材由于以抗拉

11、强度为准，引入附加安全系数0.9。故高强度螺栓预拉力为 3 钢结构的连接设计高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数 2. 高强螺栓的抗剪承载力设计值 高强度螺栓摩擦型连接3 钢结构的连接设计 高强度螺栓承压型连接 极限承载力由螺栓杆身抗剪和孔壁承压决定，摩擦力只起延缓滑动作用，计算方法与普通螺栓相同，见式(3-11)和(3-12)。3. 高强螺栓群的抗剪计算 轴心力作用时 螺栓数 按式(3-15)计算，其中N bmin对摩擦型为式(3-23)，对承压型用高强度螺栓的抗剪、承压承载力设计值。 构件净截面强度 对于承压型连接，与普通螺栓验算相同；对于摩擦型连接，要考虑摩擦力的作用，一部分剪力由孔前接触面

12、传递(图3-21)。按规范规定，孔前传力占螺栓传力的50%，则截面11处净截面传力为有了N以后，净截面验算按式(3-16)进行。 扭矩作用时，及扭矩、剪力、轴心力共同作用时的抗剪高强度螺栓所受剪力的计算，其方法与普通螺栓相同，单个螺栓所受剪力应不超过高强度螺栓的承载力设计值。图3-21 摩擦型高强螺栓孔前传力3 钢结构的连接设计4. 高强螺栓群的抗拉计算 抗拉承载力设计值 高强度螺栓连接由于螺栓中的预拉力作用，构件间在承受外力作用前已经有较大的挤压力，高强度螺栓受到外拉力作用时，首先要抵消这种挤压力。分析表明，当高强度螺栓达到规范规定的承载力0.8P时，螺栓杆的拉力仅增大7%左右，可以认为基本

13、不变。规范规定一个高强度螺栓抗拉承载力设计值为 N bt = 0.8 P (3-25) 受轴心拉力作用时，螺栓数为n = N / N bt = N / (0.8 P) (3-26) 受弯矩作用，当板没有被拉开时，接触面保持紧密贴合，中和轴可以认为在螺栓群的形心轴线上(图322)，则受力最大的螺栓应满足 N1M = M y1 / m yi2 (3-27)对于承受静力荷载的结构，板被拉开并不等于达到承载能力的极限，此时可按图(3-19)所示的内力分布计算。图3-22 高强螺栓受弯连接3 钢结构的连接设计5. 同时承受剪力和拉力的高强螺栓群连接计算 对于高强度螺栓摩擦型连接，按下式计算 对于高强度螺

14、栓承压型连接，按下式计算3 钢结构的连接设计3 钢结构的连接设计4 轴心受力构件设计4 轴心受力构件设计4.1 轴心受力构件的应用和截面形式 轴心受力构件的截面形式有三种：第一种是热轧型钢截面，如图4-1(a)中的工字钢、H型钢、槽钢、角钢、T型钢、圆钢、圆管、方管等；第二种是冷弯薄壁型钢截面，如图4-1(b)中冷弯角钢、槽钢和冷弯方管等；第三种是用型钢和钢板或钢板和钢板连接而成的组合截面，如图4-1(c)所示的实腹式组合截面和图4-1(d) 所示的格构式组合截面等。 4 轴心受力构件设计4.2 轴心受力构件的强度和刚度 强度轴心受力构件的强度应以净截面的平均应力不超过钢材的屈服强度为准则：应

15、力应变关系图对于高强螺栓的摩擦型连接，计算板件强度时要考虑孔前传力的影响（式3-24）。 4 轴心受力构件设计 刚度 刚度通过限制构件的长细比来实现。4 轴心受力构件设计4.3 实腹式轴心受压构件的整体稳定计算 实际的压杆不可避免地存在着初弯曲、荷载作用点的初偏心和截面的残余应力，它们对压杆的承载力有不利的影响。同时，构件两端可能存在着不同程度的约束，使得构件的承载力有所提高。对于杆端约束，可以用计算长度l0代替构件的几何长度l ，将其等效为两端简支的构件，即l0=l， 称计算长度系数。典型约束的理论值和建议值见表43。对于初弯曲、初偏心和残余应力的影响，考虑到材料的弹塑性性能，用数值积分法求

16、得构件的极限强度Nu，相应的稳定系数=Nu/(Afy)。按照概率统计理论，影响柱承载力的几个不利因素，其最大值同时出现的可能性是极小的。理论分析表明，考虑初弯曲和残余应力两个最主要的不利因素比较合理，初偏心不必另行考虑。初弯曲的矢高取构件长度的千分之一，残余应力根据截面的加工条件确定。轴心受压构件应按下式计算整体稳定： 4 轴心受力构件设计 p764 轴心受力构件设计轴心受压构件的整体稳定系数 E4 轴心受力构件设计图4-3 GB50017的柱曲线 4 轴心受力构件设计 为便于计算，规范根据构件的长细比、钢材屈服强度和截面分类编制了计算表格。另外，稳定系数值可以用Perry公式： 4 轴心受力

17、构件设计4 轴心受力构件设计4 轴心受力构件设计4.4 实腹式轴心受压构件的局部稳定计算 对于局部屈曲问题，通常有两种考虑方法：一是不允许板件屈曲先于构件整体屈曲，目前一般钢结构的规定就是不允许局部屈曲先于整体屈曲来限制板件宽厚比。另一种做法是允许板件先于整体屈曲，采用有效截面的概念来考虑局部屈曲对构件承载力的不利影响，冷弯薄壁型钢结构，轻型门式刚架结构的腹板就是这样考虑的。这里板件宽厚比的规定是基于局部屈曲不先于整体屈曲考虑的，根据板件的临界应力和构件的临界应力相等的原则即可确定板件的宽厚比。经分析并简化可得到工形截面和H形截面的板件的宽厚比：4 轴心受力构件设计 【例题4-1 】某焊接工字

18、形截面柱，截面几何尺寸如图4-4所示。柱的上、下端均为铰接，柱高4.2m，承受的轴心压力设计值为1000kN，钢材为Q235，翼缘为火焰切割边，焊条为E43系列，手工焊。试验算该柱是否安全。 4 轴心受力构件设计4 轴心受力构件设计4 轴心受力构件设计(2) 格构式轴心受压构件绕虚轴失稳的换算长细比格构式轴心受压构件绕实轴的计算与实腹式构件相同，但绕虚轴的计算不同，绕虚轴屈曲时的稳定承载力比相同长细比的实腹式构件低。 实腹式轴心受压构件在发生整体弯曲后，构件中产生的剪力很小，而其抗剪刚度很大，因此横向剪力产生的附加变形很微小，对构件临界荷载的降低不到1%，可以忽略不计。对于格构式轴心受压构件，绕虚轴失稳时的剪力要由较弱的缀材承担，剪切变形较大，产生较大的附加变形，对构件临界荷载的降低不能忽略。经理论分析，可以用换算长细比0 x代替对x轴的长细比x来考虑剪切变形对临界荷载的影响。对于双肢格构式构件，换算长细比为 4 轴心受力构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计P755 受弯构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计5 受弯构件设计5