钢结构设计原理讲义教案83版

1、钢结构设计原理讲义教案钢结构的特点、设计方法和材料一、钢结构的特点(1)强度高，塑性和韧性好强度高，适用于建造跨度大、承载重的结构。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然破坏。韧性好，适宜在动力荷载下工作。(2)重量轻(3)材质均匀，和力学计算的假定比较符合钢材内部组织比较均匀，接近各向同性，实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。(4)钢结构制作简便，施工工期短钢结构加工制作简便，连接简单，安装方便，施工周期短。(5)钢结构密闭性较好水密性和气密性较好，适宜建造密闭的板壳结构。(6)钢结构耐腐蚀性差容易腐蚀，处于较强腐蚀性介质内的建筑物不宜采用钢结构。(7)钢材耐热但不耐火温度在200 c

2、以内时，钢材主要力学性能降低不多。温度超过200c后，不仅强度逐步降低，还会发生 兰脆和徐变现象。温度达600c时，钢材进入塑性状态不能继续承载。(8)在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂。二、钢结构的设计方法和设计表达式钢结构设计规范除疲劳计算外，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。.极限状态当结构或其组成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，此特定状态就称为该功能的极限状态。(1)承载能力极限状态包括构件和连接的强度破坏、 疲劳破坏和因过度变形而不适于 继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆。(2)正常使用极限状态

3、包括影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形，影响正常使用的振动，影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括混凝土裂缝)。以结构构件的荷载效应 S和抗力R这两个随机变量来表达结构的功能函数，则Z= g(R, S) = R-S(1)在实际工程中，可能出现下列三种情况：Z0结构处于可靠状态；Z=0结构达到临界状态，即极限状态；ZV0结构处于失效状态。按照概率极限状态设计方法，结构的可靠度 定义为：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。这里所说“完成预定功能”就是对于规定的某种功能来说结构 不失效(ZR 0)。这样结构的失效概率 p f表示为Pf P(Z 0)(2)可靠指标 与p

4、f存在对应的关系，增大，pf减小； 减小，pf增大。.分项系数的设计表达式对于承载能力极限状态荷载效应的基本组合按下列设计表达式中最不利值确定n可变何载效应控制的组合：0 G GK Q1 Q1KQi ci QiK f(3)2n永久荷载效应控制的组合：0 G GK Qi ci QiK f(4)式中0一结构重要性系数，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年及结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年结构构件，不应小于0.9；GK永久荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力；Q1K 起控制作用的第一个可

5、变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力(该值使计算结果为最大)；QiK其他第i个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力;永久荷载分项系数，当永久荷载效应对结构构件的承载力不利时取1.2,但对式（4）则取1.35。当永久荷载效应对结构构件的承载力有利时取1.0;验算结 TOC o 1-5 h z 构倾覆、滑移或漂浮时取0.9;qi、Qi 第1个和其他第i个可变荷载分项系数，当可变荷载效应对结构构件的一.-.一 2承载力不利时取1.4 （当楼面活何载大于4.0kN /m时，取1.3）；有利时，取为0;ci 第i个可变荷载组合值系数，可按荷载规范的规定采取。对于一般排架、框架结构，可采

6、用简化式计算。由可变荷载效应控制的组合： n0 G GKQi QiK f（5）i 1由永久荷载效应控制的组合，仍按式（4）进行计算。式中一一简化式中采用的荷载组合值系数，一般情况下可采用 0.9;当只有1个可变荷载时，取为1.0。对于正常使用极限状态，采用荷载的标准组合进行设计，并使变形等设计不超过相应的规定限值。设计式为： nGK Q1Kci QiK（6）i2式中 gk 一一永久荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值；Q1 K 一一起控制作用的第一个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；QiK 一一其他第i个可变荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值；

7、结构或结构构件的容许变形值。三、钢结构的材料.对钢结构用钢的基本要求（1）较高的抗拉强度 九和屈服点fy ；（2）较高的塑性和韧性 ；（3）良好的工艺性能；(4)根据具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。.钢材的主要性能凰11碳素睛构锯片内后方-应变加技(1)强度性能比例极限：OP段为直线，表示钢材具有完全弹性性质，P点应力f0称为比例极限。p屈服点：随着荷载的增加，曲线出现 ES段，S点的应力fy称为屈服点。抗拉强度或极限强度： 超过屈服台阶，材料出现应变硬化，曲线上升，直至曲线最高处的B点，这点的应力fu称为抗拉强度或极限强度。当以屈服点的应力 fy作为强度限值

8、时，抗拉强度 fu成为材料的强度储备。(2)塑性性能伸长率：试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，称为伸长率。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。3) 冷弯性能冷弯性能由冷弯试验确定。试验时使试件弯成180 ,如试件外表面不出现裂纹和分层， 即为合格。冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。4) 冲击韧性韧性是钢材强度和塑性的综合指标。由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区建造的结构不但要求钢材具有常温(20C)冲击韧性指标，还要求具有负温(0C、-20或-40)冲击韧性指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。.各种因素对钢材主要性能

9、的影响(1)化学成分碳直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳含量增加，钢的强度提高，而塑性、 韧性和疲劳强度下降，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性。硫和磷是钢中的有害成分，它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。在高温时, 硫使钢变脆，称之 热脆；在低温时，磷使钢变脆，称之 冷脆。(2)冶金缺陷常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。(3)钢材硬化冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化(或应变硬化)。在一般钢结构中，不利用硬化所提高的强度，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。另外，应将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消

10、除。(4)温度影响钢材性能随温度变动而有所变化。总的趋势是温度升高，钢材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆。在250c左右，钢材的强度略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色，称为 蓝脆现象。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度在260 c320 c时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形， 此种现象称为徐变现象。当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。(5)应力集中构件中有时存在着孔洞、槽口、凹角、截面突然改变以及

11、钢材内部缺陷等。此时，构件中的应力分布将不再保持均匀，而是在某些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成应力集中现象。承受静力荷载作用的构件在常温下工作时，在计算中可不考虑应力集中的影响。但在负 温或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破坏的根源，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。(6)反复荷载作用在直接的连续反复的动力荷载作用下，钢材的强度将降低，低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度，这种现象称为钢材的疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的 脆性断裂。材料总是有 缺陷”的，在反复荷载作用下， 先在其缺陷发生塑性变形和硬化

12、而生成一些极小的裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂纹，试件截面削弱，而在裂纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破坏，并表现为突然的脆性断裂。.钢材的破坏形式塑性破坏：变形超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度 fu后才发生。塑性破坏前，由于总有较大的塑性变形发生，且变形持续 的时间较长，很容易及时发现而采取措施予以补救，不致引起严重后果。脆性破坏：破坏前塑性变形很小， 甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点， 断裂从应力集中处开始。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时

13、觉察和采取补救措施。.钢材的疲劳计算钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。钢材的疲劳强度取决于应力集中和应力循环次数。循环次数N A 5x104,应进行疲劳计算。(1)常幅疲劳应力幅为应力谱中最大应力与最小应力之差，即max min式中：max 每次应力循环中的最大拉应力(取正值)；min 每次应力循环中的最小拉应力(取正值)或压应力(取负值)。如果重复作用的荷载数值不随时间变化，则在所有应力循环内的应力幅将保持常量，称之为常幅疲劳。根据试验数据可以画出构件或连接的应力幅与相应的致损循环次数 N的关系曲线。目前国内外都常用双对数坐标轴的方法使曲线改为直线以便工

14、作。在双对数坐标图中， 疲劳直线方程为：lg N bi lg()或N( )10bl C1式中直线对纵坐标的斜率;b i-直线在横坐标轴上的截距;N一循环次数。n曲线考虑到试验数据的离散性,取平均值减去2倍lgN的标准差（2s）作为疲劳强度下限值，下限值的直线方程为:取此式中ig NN(作为容许应力幅biig(10b2C 17N)2s b2lg()(8)(9)(10)对于不同焊接构件和连接形式，规范按连接方式、受力特点和疲劳强度等归纳分类,划分为8类。对焊接结构的焊接部位的常幅疲劳，应按下式计算:max min (11)对于非焊接部位，其疲劳强度应按下式计算:max k min(12)（2）变幅

15、疲劳和吊车梁的欠载效应系数实际上，结构所受荷载其性质为变幅的。变幅疲劳可作为常幅疲劳按下式计算:W6f maxN 2 106(13)n 2106 循环次数N = 2X106的容许应力幅，应按式（10）计算;欠载效应系数。对重级工作制硬钩吊车f = 1.0,重级工作制软钩吊车0.8;中级工作制吊车f =0.5。6.钢的种类和钢材规格（1）钢的种类按脱氧方法，钢可分为沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）和特殊镇静钢（TZ）, 镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去。镇静钢脱氧充分，沸腾钢脱氧较差，半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间。一般采用镇静钢。按化学成分，钢可分为碳素钢和合金钢。在建筑工程中采用的

16、是碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。（1）碳素结构钢按质量等级分为 A、B、C、D四级，A级钢只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时尚可附加冷弯试验的要求，化学成分对碳、镒可以不作为交货条件。B、C、D钢均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（分别为+20C, 0C,20C）等力学性能。化学成分碳、硫、磷的极限含量。钢的牌号由代表屈服点的字母 Q、屈服点数值、质量等级符号（ A、B、C、D）、脱氧 方法符号等四个部分按顺序组成。根据钢材厚度（直径）v 16mm时的屈服点数值分为 Q195、 Q215、Q235、Q255、Q275 ,钢结构一般仅用 Q235 ,钢的牌号根据

17、需要可为 Q235A ; Q235B ; Q235C ; Q235D 等。（2）低合金高强度结构钢仍然根据钢材厚度（直径）v l6mm时的屈服点大小，分为 Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。钢结构一般采用 Q345、Q390、Q420,钢的牌号仍 有质量等级符号，除 A、B、C、D四个等级外增加一个等级E,主要是要求40 c的冲击韧性。钢的牌号如 Q345B、Q390C等等。低合金高强度结构钢一般为镇静钢，因此钢的牌 号中不注明脱氧方法。A级钢应进行冷弯试验，其他质量级别钢，如供方能保证弯曲试验结果符合规定要求， 可不作检验。（3）优质碳素结构钢以不热处理或热处理（退火、正火或

18、高温回火）状态交货，要求热处理状态交货的应在合同中注明，未注明者，按不热处理交货，如用于高强度螺栓的 45号优质碳素结构钢需经热处理，强度较高，对塑性和韧性又无显著影响。（2）钢材的选择选择钢材时考虑的因素有：1）结构的重要性重要结构应考虑选用质量好的钢材；一般工业与民用建筑结构，可选用普通质量的钢材。2）荷载情况 直接承受动力荷载的结构和强烈地震区的结构，应选用综合性能好的钢材；一般承受静力荷载的结构则可选用价格较低的Q235钢。3）连接方法 焊接结构对材质的要求应严格一些。4）结构所处的温度和环境在低温条件下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢。5）钢材厚度 厚

19、度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。钢结构的焊接连接钢结构的连接方法可分为焊缝连接、螺栓连接和钏钉连接三种。焊接连接是现代钢结构最主要的连接方法。 它的优点是：（1）焊件间可直接相连， 构造简单，制作加工方便；（2）不削弱截面，用料经济；（3）连接的密闭性好，结构刚度大；（4）可实现自动化操作，提 高焊接结构的质量。缺点是：（1）在焊缝附近的热影响区内，钢材的材质变脆；（2）焊接残余应力和变形使受压构件承载力降低； 较为突出。一、焊缝的形式1.角焊缝区1-1（3）焊接结构对裂纹很敏感，低温时冷脆的问题3R 3.10宜加为科编做诉90的焊缝角焊缝按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。两焊脚边

20、的夹角为称为直角角焊缝，直角边边长hf称为角焊缝的焊脚尺寸，he= 0.7hf为直角角焊缝的 计算厚度。斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。对于夹角大于135或小于60的斜角角焊缝，不宜用作受力焊缝（钢管结构除外）。2 .对接焊缝对接焊缝的焊件常需加工成坡口，故又叫坡口焊缝。焊缝金属填充在坡口内，所以对接焊缝是被连接件的组成部分。坡口形式与焊件厚度有关。当焊件厚度很小（手工焊t 6mm,埋弧焊t 10mm）时，可用直边缝。对于一般厚度（t=1020mm）的焊件可采用具有斜坡口的单边 V形或V形焊 缝。斜坡口和离缝c共同组成一个焊条能够运转的施焊空间， 使焊缝易于焊透；钝边p有托住熔化金属的作用

21、。又于较厚的焊件（t20mm）,则采用U形、K形和X形坡口。对于V形缝和U形缝需对焊缝根部进行补焊。对接焊缝坡口形式的选用，应根据板厚和施工条 件按现行标准建筑结构焊接规程的要求进行。凡T形，十字形或角接接头的对接焊缝称之为对接与角接组合焊缝。口 |5Sm二 I 三_1 -。=蔺此笛I一门六d但F*曲 简图3对接焊缝的坡口形式.焊缝质量检验钢结构工程施工质量验收规范 规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。焊缝质量的外观检验检查外观缺陷和几何尺寸，

22、内部无损检验检查内部缺陷。二、直角角焊缝的构造与计算角焊缝按其与作用力的关系可分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝。正面角焊缝的焊缝长度方向与作用力垂直， 侧面角焊缝 的焊缝长度方向与作用力平行，斜焊缝的焊缝长度方向与作用力倾斜，由正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝组成的混合，通常称作围焊缝。侧面角焊缝主要承受剪力，塑性较好，强度较低。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。焊缝越长，应力分布不均匀性越显著。正面角焊缝受力复杂，其破坏强度高于侧面角焊缝，但塑性变形能力差。斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间。.角焊缝的构造要求(1)最小焊脚尺寸hf 1.5 712(

23、1)式中t2一较厚焊件厚度，单位为 mm。计算时，焊脚尺寸取整数。自动焊熔深较大，可减小 1mm; T形连接的单面角焊缝，应增加 1mm;当焊件厚度小于或等于4mm时，则取与焊件厚度相同。(2)最大焊脚尺寸(2)hf1.2tl式中 力一较薄焊件的厚度，单位为 mm。对板件边缘的角焊缝，当板件厚度t6mm时，取hfwt- (1-2) mm;当tw6mm时,取 hy to图4最大焊角尺寸(3)角焊缝的最小计算长度侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm o(4)侧面角焊缝的最大计算长度侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀，两端大而中间小，可能首先在焊缝的两端破坏，故规定侧面角焊

24、缝的计算长度lw 12mm)或190mm (twi2mm) , t为较薄焊件的厚度。搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时，其搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，也不得小于25mm。图5焊缝长度及两侧焊缝间距图6搭接连接(6)间断角焊缝的构造要求间断角焊缝只能用于一些次要构件的连接或受力很小的连接中。间断角焊缝的间断距离l不宜过长，以免连接不紧密。一般在受压构件中应满足lwi5t;在受拉构件中lw30t, t为较薄焊件的厚度。图7连续角焊缝和间断角焊缝(7)减小角焊缝应力集中的措施杆件端部搭接采用三面围焊时，所有围焊的转角处必须连续施焊。对于非围焊情况，当角焊缝的端部在构件转角处时，可连续地作长度为

25、2hf的绕角焊。.直角角焊缝强度计算的基本公式(3)式中垂直于焊缝长度方向的应力;f一平行于焊缝长度方向的应力;f 一正面角焊缝的强度增大系数，f =1.22;直接承受动力荷载结构中的角焊缝,f =1.0;f；一角焊缝的强度设计值。式（3）为角焊缝的基本计算公式。只要将焊缝应力分解为垂直于焊缝长度方向的应力f和平行于焊缝长度方向的应力f,上述基本公式可适用于任何受力状态。对正面角“缝，f =0,得(4)Nwf =f f fhel w对侧面角“缝，f =0,得_ Nf =hel wfW(5)式中he 一直角角焊缝的有效厚度，he= 0.7 hf ；lw 一焊缝的计算长度，考虑起灭弧缺陷，按各条焊

26、缝的实际长度每端减去hf计算。.角焊缝连接的计算（1）承受轴心力作用的角焊缝连接计算1）采用盖板连接当轴心力通过连接焊缝中心时，可认为焊缝应力是均匀分布的。图8承受轴心力的盖板连接当只有侧面角焊缝时_ Nf 二he l wfW当只有正面角焊缝时_ Nf 二hel wf fW当采用三面围焊时，先计算正面角焊缝所承担的内力Ni ffwh lffhelw1式中 lw1 一连接一侧正面角焊缝计算长度的总和。再计算侧面角焊缝的强度N N1helw式中lw 一连接一侧正面角焊缝计算长度的总和。2）承受斜向轴心力图9承受斜向轴心力将N力分解为垂直于焊缝和平行于焊缝的分力Nx N sin ； Nv入yN co

27、sN sinhel wN coshelw代入式（3）验算角焊缝的强度3）承受轴心力的角钢角焊缝计算特殊情况也可采钢桁架中角钢腹杆与节点板的连接焊缝一般采用两面侧焊或三面围焊,用L形围焊。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。图10角钢与节点板的连接对于三面围焊，可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3 ,求出正面角焊缝所分担的轴心力N3。当腹杆为双角钢组成的 T形截面，且肢宽为 b时,w(6)N 3 =2 X 0.7 hf 3 b f f f由平衡条件（M =0）可得:N1 =N(b e) N3bNe N3T-2, N3=k1 N-.k2N-N2(8

28、)式中 Ni、N2 角钢肢背和肢尖的侧面角焊缝所承受的轴力;e角钢的形心距;k1、k2 角钢肢背和肢尖焊缝的内力分配系数，可查表得至L对于两面侧焊，因N3 =0,则:Ni = kiNN2=k2N(10 )求得各条焊缝所受的内力后,按构造要求假定肢背和肢尖焊缝的焊脚尺寸,即可求出焊缝的计算长度。对双角钢截面lw1 =N12 0.7hf1 ffwlw2 =N22 0.7hf2ffw式中 hf1、Iwi 一个角钢肢背上的侧面角焊缝的焊脚尺寸及计算长度;一个角钢肢尖上的侧面角焊缝的焊脚尺寸及计算长度。实际焊缝长度为计算长度加 2hf。对于三面围焊，焊缝实际长度为计算长度加hf ；对于采用绕角焊的侧面角

29、焊缝实际长度等于计算长度（绕角焊缝长度2 hf不进入计算）。当杆件受力很小时，可采用 L形围焊。由于只有正面角焊缝和角钢肢背上的侧面角焊缝，令N 2 = 0,得:N3=2 k2NNi=N- N3hf 3 =N32 0.7加3(15)角钢端部的正面角焊缝的长度已知，可按下式计算其焊脚尺寸:式中，lw3 = b- h f 0(2)承受弯矩、轴心力或剪力共同作用的角焊连连接计算图11承受偏心斜拉力的角焊缝图11所示的双面角焊缝连接承受偏心斜拉力N作用，计算时，可将作用力N分解为Nx和Ny两个分力。角焊缝同时承受轴心力Nx和剪力Ny和弯矩M = Nx-e的共同作用。焊缝计算截面上的应力分布如图所示，图

30、中A点应力最大为控制设计点。此处垂直于焊缝长度方向的应力由两部分组成，即由轴心拉力Nx产生的应力：Nx NxAehelw由弯矩M产生的应力:= M = 6MM-We- he4这两部分应力由于在 A点处的方向相同，可直接叠加，故 A点垂直于焊缝方向的应力为Nx6M+22helw 2helw剪力Ny在A点处产生平行于焊缝长度方向的应力Ny NyfA 2helw则焊缝的强度计算式为:当连接直接承受动力荷载作用时，取=1.00M和剪力V工字形和H形截面梁（或牛腿）与钢柱翼缘的角焊缝连接，通常承受弯矩 的共同作用。计算时通常假设腹板焊缝承受全部剪力，弯矩则由全部焊缝承受。仃讨图12工字形梁（或牛腿）的脚

31、焊缝连接此应力满足角焊缝的强度条件翼缘焊缝的最大弯曲应力发生在翼缘焊缝的最外纤维处,Mhxwf 1= 一.一w ff fIw2式中M 全部焊缝所承受的弯矩;Iw全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩。腹板焊缝承受两种应力的共同作用，即弯曲应力和剪应力， 设计控制点为翼缘焊缝与腹 板焊缝的交点处 A,此处的弯曲应力和剪应力分别按下式计算: TOC o 1-5 h z Mh2f 2=,Iw2Vf=ry he2lw2式中he2lw2腹板焊缝有效截面之和。则腹板焊缝在 A点的强度验算式为:f 22- w1 f ff f(3)承受扭矩或扭矩与剪力共同作用的角焊缝连接计算1)环形角焊缝承受扭矩 T在有效截面的任

32、一点上所受切线方向的剪应力f ,应按下式计算:T r _，、f =- l5d0时，螺栓的抗剪和承压承载力设计值应乘以折减系数刀予以降低：li60d0 时， 0.7。1.1li150d0 丫均m图4连接螺栓的内力分布螺栓群的抗剪连接承受轴心力时，可认为轴心力N由每个螺栓平均分担，螺栓数n为(4)Nn=-Nm in(2)普通螺栓群偏心受剪图5所示为螺栓群承受偏心剪力的情形，剪力 F的作用线至螺栓群中心线的距离为e,故螺栓群同时受到轴心力 F和扭矩T=F - e的共同作用。在轴心力作用下可认为每个螺栓平均受力，则FNif-n卜厂LT Av图5螺栓群的偏心受剪螺栓群在扭矩T=Fe作用下，每个螺栓均受剪

33、。连接的计算基于下列假设: 被连接板件为绝对刚性时，螺栓为弹性的;被连接板件绕螺栓群形心旋转，各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离口成正比,其方向与连线该螺栓至形心垂直。设O为螺栓群栓杆截面的形心，螺栓 i距形心O最远，其所受剪力Nit最大:mtTriNi -2riTri22XYi(5)将N1T分解为水平分力N1和垂直分力N：Nix= NiyiTyiri2 riTyi22xyi(6)NiTy=NiTxiTxi-2ririTxi2Xi2 yi由此可得螺栓群偏心受剪时，受力最大的螺栓l所受合力为NiTx NiTy NifTyi x22yiTxi2Xi2yib,、Nmin当螺栓群布置在一个狭长带,y

34、i 3xi 时,可取Xi=0以简化计算，则上式为2W Nb min(9)2Tyi2V.普通螺栓的抗拉连接(i)单个普通螺栓的抗拉承载力抗拉螺栓连接在外力作用下，螺栓连接的破坏形式为栓杆被拉断。单个抗拉螺栓的承载力设计值为:Ntb = & ftb式中 de螺栓的有效直径;ftb 螺栓抗拉强度设计值。为了考虑撬力的影响，规范规定普通螺栓抗拉强度设计值ftb取螺栓钢材抗拉强度设计值f的0.8倍(即ftb = 0.8 f )。(2)普通螺栓群轴心受拉图6所示螺栓群在轴心力作用下的抗拉连接，通常假定每个螺栓平均受力，则连接所需螺栓数为:n= bNtb图6式中Ntb个螺栓的抗拉承载力设计值。(3)普通螺栓

35、群在弯矩作用下受拉州普通螺栓群承受弯矩图7IW图7所示为螺栓群在弯矩作用下的抗拉连接(剪力V通过承托板传递)。当计算其形心位置作为中和轴时，所求得的端板受压区高度 c总是很小，中和轴通常在弯矩指向一侧最O处，即认为连接变形为绕 O处水平轴转动，螺栓拉力与O点算起的纵坐标y成正比。外排螺栓附近的某个位置。因此，实际计算时可近似地取中和轴位于最下排螺栓Ni/yi= N2/y2= -= N i/y i= - = Nn/ynM= Niyi+ N2y2+“,+ Niyi+,+ N nyn22(Ni/yi)Yi +(N2/y2)y2 + ，+,、2(Ni/yi)yi +, + ( Nn/yn)2Yn故得螺

36、栓i的拉力为: TOC o 1-5 h z ,2， 、Ni=Myi/yi（11）设计时要求受力最大的最外排螺栓1的拉力不超一个螺栓的抗拉承载力设计值：2 bNi=Myi/ yi v Nt（12）（4）普通螺拴群偏心受拉由图8a可知，螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯矩M = N e的共同作用。按弹性设计法，根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉两种情况。对图8螺栓群偏心受拉1）小偏心受拉小偏心情况（图 8b）,所有螺栓均承受拉力作用，端板与柱翼缘有分离趋势，故在计算时轴心拉力 N由各螺栓均匀承受； 而弯矩M则引起以螺栓群形心 O处水平轴为中和轴的三角形应力分布（图8b）,使上部

37、螺栓受拉，下部螺栓受压；叠加后则全部螺栓均为受拉（图84b）。这样可得最大和最小受力螺栓的拉力和满足设计要求的公式如下（各 y均自O 点算起）： TOC o 1-5 h z NmaxN/nNey/y；N：（13）一一,，一，2一NminN/nNey /y0（14）式（13）表示最大受力螺栓的拉力不超过一个螺栓的承载力设计值；式（14）则表示全部螺栓受拉，不存在受压区。由此式可得Nmin0时的偏心距 eyi2 / （ny1）。令p=刈屋= y2/（ny1）为螺栓有效截面组成的核心距，即e p = yi2/ （nyi）时，则端板底部将出现受压区（图 8c）。近似并偏安全取中和轴位于最下排螺栓O处，

38、按相似步骤写对 O处水平轴的弯矩平衡方程，可得（e和各y自O点算起，最上排螺栓 1的拉力最大）： TOC o 1-5 h z /Ni/ y1 = N2/y2= - = Ni/ yi = 一 = Nn/ynM= Ni yi + N2 y2 + + Ni yi + + Nn yn/ 、2/ 、/2/ 、)/ 、/2=(Ni/yi)yi+(N2/y2)y2+ ,+(Ni/yi)yi+ + (Nn/yn)VnNi=Ne，yi，/yi 2Ntb(i5).普通螺栓受剪力和拉力的共同作用图9螺栓群受剪力和拉力共同作用图9所示连接，螺栓群承受剪力和偏心力N （即轴心拉力 N和弯矩M = N - e）的共同作用

39、。承受剪力和拉力共同作用的普通螺栓应考虑两种可能的破坏形式：一是螺杆受剪兼受 拉破坏；二是孔壁承压破坏。螺杆计算式为22(i6)V由每个螺栓平均承担，即NvMN N：Ntb式中 Nv 一个螺栓承受的剪力设计值。一般假定剪力Nv =V/n。n为螺栓个数。M 受拉力最大螺栓的拉设计值。由偏心拉力引起的螺栓最大拉力Nt仍按上述方法计算。N；、Nb 一个螺栓的抗剪和抗拉承载力设计值。孔壁承压的计算式为(17)Nv (24)Nmin对摩擦型连接，Nb =0.9nf W P对承压型连接，N：in分别按式(1)与式(2)计算的较小值。当剪切面在螺纹处时式(1)中应将d改为de。(2)扭矩或扭矩、剪力共同作用

40、时高强度螺栓群在扭矩或扭矩、剪力共同作用时的抗剪计算方法与普通螺栓群相同，但应采用高强度螺栓承载力设计值进行计算。.高强度螺栓群的抗拉计算(1)轴心力作用时高强度螺栓群连接所需螺栓数目N，n-K(25)Nt式中 N；一在杆轴方向受拉力时，一个高强度螺栓(摩擦型连接或承压型连接)的承载力设计值。(2)高强度螺栓群因弯矩受拉认为中和轴在螺栓群的形心轴上(图10),最外排螺栓受力最大。高强度螺栓群因弯矩受拉时，最大拉力及其验算式为：N1=My12y(26)式中 y1-螺栓群形心轴至螺栓的最大距离；yi2 一形心轴上、下各螺栓至形心轴距离的平方和。ffi二一o 600K-0-图10承受弯矩的高强度螺栓

41、连接(3)高强度螺栓群偏心受拉高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接均可按普通螺栓小偏心受拉计算，即:N N e, 、 Ni= +2 & Nt(27)n V(4)高强度螺栓群承受拉力、弯矩和剪力的共同作用图11所示为摩擦型连接高强度螺栓承受拉力、弯矩和剪力共同作用时的情况。摩擦 型连接高强度螺栓承受剪力和拉力共同作用时，一个螺栓抗剪承载力设计值也可以表达 为：N： = 0.9nf (P-1.25Nt)(28)图11摩擦型连接高强度螺栓的应力由图11 (c)可知，每行螺栓所受拉力Nt各不相同，故应按下式计算摩擦型连接高强度螺栓的抗剪强度VWn。(0.9 nf P)十 0.9nf (P-1.25Nt1)

42、+ (P-1.25Nt2)+(29)式中n。一受压区(包括中和轴处)的高强度螺栓数；Nt1、Nt2受拉区高强度螺栓所承受的拉力。也可将式(29)写成下列形式：(30)VW0.9np ( nP-1.252 Nti)式中 n连接的螺栓总数;2 Nti 一螺栓承受拉力的总和。此外，螺栓最大拉力应满足:NtiW0.8P对承压型连接高强度螺栓，应按下式计算N 2 fvN；2Nt 1Ntb同时还应按下式验算孔壁承压:NvWNb1.2轴心受力构件设计轴心受拉构件时需进行强度和刚度的验算，设计轴心受压构件时需进行强度、整体稳定、局部稳定和刚度的验算。一、轴心受力构件的强度和刚度.轴心受力构件的强度计算轴心受力

43、构件的强度是以截面的平均应力达到钢材的屈服点为承载力极限状态NAn式中N构件的轴心拉力或压力设计值;An 构件的净截面面积;f 钢材的抗拉强度设计值。N采用高强度螺栓摩擦型连接的构件， 验算最外列螺栓处危险截面的强度时，按下式计算:(2)n1 N= N(1 0.5) n式中 n 连接一侧的高强度螺栓总数;色一一计算截面（最外列螺栓处）上的高强度螺栓数；0.5孔前传力系数。采用高强度螺栓摩擦型连接的拉杆，除按式（2）验算净截面强度外，还应按下式验算毛截面强度(4).轴心受力构件的刚度计算轴心受力构件的刚度是以限制其长细比保证(5)式中一一构件的最大长细比;一一构件的容许长细比。轴心受压构件的整体

44、稳定.理想轴心受压构件的屈曲形式理想轴心受压构件可能以三种屈曲形式丧失稳定：弯曲屈曲 双轴对称截面构件最常见的屈曲形式。扭转屈曲 长度较小的十字形截面构件可能发生的扭转屈曲。弯扭屈曲 单轴对称截面杆件绕对称轴屈曲时发生弯扭屈曲。.理想轴心受压构件的弯曲屈曲临界力若只考虑弯曲变形，临界力公式即为著名的欧拉临界力公式，表达式为Ne=2eil22ea2(6).初始缺陷对轴心受压构件承载力的影响实际工程中的构件不可避免地存在初弯曲、荷载初偏心和残余应力等初始缺陷，这些缺陷会降低轴心受压构件的稳定承载力。1）残余应力的影响当轴心受压构件截面的平均应力fp时，杆件截面内将出现部分塑性区和部分弹性区。由于截

45、面塑性区应力不可能再增加，能够产生抵抗力矩的只是截面的弹性区，此时的临 界力和临界应力应为:Ncr =2EIeL2EI Ie2 l Icr2er(8)式中Ie弹性区的截面惯性矩（或有效惯性矩）；I 全截面的惯性矩。2）初弯曲的影响具有初弯曲的轴心受压构件的承载力具有如下特点:具有初弯曲的压杆， 压力一开始作用，杆件就产生挠曲，并随着荷载的增大而增加,开始挠度增加慢，随后迅速增长，当压力N接近欧拉临界力时，中点挠度趋于无限大。压杆的初挠度值愈大，相同压力 N情况下，杆的挠度愈大。初弯曲即使很小，轴心受压构件的承载力总是低于欧拉临界力。3）初偏心的影响具有初偏心的轴心受压构件的承载力特点与具有初弯

46、曲压杆的承载力特点相同。可以认 为初偏心影响与初弯曲影响类似。由于初偏心与初弯曲的影响类似，各国在制订设计标准时，通常只考虑其中一个缺陷来模拟两个缺陷的影响。.实际轴心受压构件的极限承载力和多柱子曲线以压杆跨中截面边缘屈服时的承载力作为最大承载力，称为边缘屈服准则。实际上压力还可增加，只是压力超过边缘屈服准则的最大承载力后，构件进入弹塑性阶段， 随着截面塑性区的不断扩展，变形值增加得更快， 直至压杆不能维持稳定平衡， 这才是具有初弯曲压杆 真正的极限承载力，以此为准则计算压杆稳定，称为“最大强度准则”。通常考虑影响最大 的残余应力和初弯曲两种缺陷的影响。压杆失稳时临界应力。与长细比之间的关系曲

47、线称为柱子曲线。规范所采用的轴心受压柱子曲线是按最大强度准则确定的。规范在理论分析的基础上，结合工程实际，将柱子曲线归纳为四类。一般的截面情况属于 b类。轧制圆管以及轧制普通工字钢绕x轴失稳时其残余应力影响较小，故属a类。曲线d主要用于厚板截面。.轴心受压构件的整体稳定计算轴心受压构件所受应力不应大于整体稳定的临界应力，考虑抗力分项系数crcrfy(9)规范对轴心受压构件的整体稳定计算采用下列形式:式中一轴心受压构件的整体稳定系数,上。 fy(10)整体稳定系数 值应根据构件的截面分类和构件的长细比查得。构件长细比 应按照下列规定确定:（1）截面为双轴对称或极对称的构件(11)式中 l0 x、

48、l0y 构件对主轴x和的计算长度;ix、iy 构件截面对主轴x和y的回转半径。对双轴对称十字形截面构件,x或y取值不得小于5.07b/1（其中b/1为悬伸板件宽厚比）（2）截面为单轴对称的构件单轴对称截面，绕对称轴失稳时为弯扭屈曲。 在相同情况下，弯扭失稳比弯曲失稳的临界应力要低。因此，单轴对称截面绕对称轴（设为y轴）的稳定应取计及扭转效应的下列换算长细比yz代替y ：yz122.2(y z)1/222 2222 2y z)4(160/i0) y z(12)i2A/(It /25.7I /l2)(13)单角钢截面和双角钢组合 T形截面绕对称轴的换算长细比可采用简化方法确定。无任何对称轴且又非极

49、对称的截面（单面连接的不等边单角钢除外）不宜用作轴心受压 构件。对单面连接的单角钢轴心受压构件，考虑折减系数后，可不考虑弯扭效应。当槽形截面用于格构式构件的分肢，计算分肢绕对称轴（y轴）的稳定性时，不必考虑扭转效应，直接用查出 y值。四、轴心受压构件的局部稳定一般组成轴心受力构件的板件的厚度与板的宽度相比都较小，如果这些板件过薄，则在压力作用下，板件将离开平面位置而发生凸曲现象，这种现象称为板件丧失局部稳定。1.工字形和H形截面轴心受压构件的局部稳定一般通过限制组成截面的板件宽（高）厚比来保证轴心受压构件的局部稳定。（1）工字形和H形截面的受压翼缘受压翼缘板悬伸部分的宽厚比b /t限值：b （

50、10式中，为构件两方向长细比的较大值。当（2）工字形和H形截面的腹板腹板高厚比h0/tw限值：%（25 tw0.1 )235fy(14)100 时，取 =100。0.5 )235ff、，(15)当工字形截面的腹板高厚比h0/tw不满足式（15）的要求时，除了加厚腹板外，还可采用有效截面的概念进行计算。计算时腹板截面面积仅考虑两侧宽度各为20tw；235/fy的部分，如图1所示，但计算构件的稳定系数时仍可用全截面。当腹板高厚比不满足要求时，亦可在腹板中部设置纵向加劲肋，用纵向加劲肋加强后的腹板仍按式（1）计算，但ho应取翼缘与纵向加劲肋之间的距离，如图 2所示。图1腹板有效截面图2腹板纵向加劲肋

51、五、实腹式轴心受压构件的截面设计实腹式轴心受压构件一般采用双轴对称截面，以避免弯扭失稳。常用截面形式有型钢截面和组合截面两种形式。实腹式轴心受压构件进行截面选择时应主要考虑以下原则:面积的分布应尽量开展,增加截面的惯性矩和回转半径，提高柱的整体稳定承载力和刚度;两个主轴方向尽量等稳定性，即x y ,以达到经济的效果；便于与其他构件进行连接；尽可能构造简单，制造省工，取材方便。1.实腹式轴心受压构件的截面设计首先应根据轴心压力的设计值、计算长度选定合适的截面形式，再初步确定截面尺寸,然后进行强度、整体稳定、局部稳定、刚度等的验算。具体步骤如下:(1)假定柱的长细比 ，求出需要的截面面积般假定 =

52、50100,当压力大而计算长度小时取较小值，反之取较大值。根据、截面分类可查得稳定系数截面面积为:(16)(2)求两个主轴所需要的回转半径ixlox -10y一y(17)(3)由已知截面面积 A、两个主轴的回转半径ix，iy优先选用轧制型钢。当现有型钢规格不满足所需截面尺寸时，可以采用组合截面，这时需先初步定出截面的轮廓尺寸，一般是根据回转半径确定所需截面的高度h和宽度boi x i yh 一;b (18)22为系数，表示h、b和回转半径ix，iy之间的近似数值关系，常用截面可由表格查得。例如由三块钢板组成的工字形截面1=0.43,2=0.24。(4)由所需要的A、h、b等，再考虑构造要求、局

53、部稳定以及钢材规格等，确定截面的 初选尺寸。(5)构件强度、稳定和刚度验算。局部稳定：对于热轧型钢截面，由于其板件的宽厚比较小，一般能满足要求，可不验算。 对于组合截面，则应对板件的宽厚比进行验算。2.实腹式轴心受压构件的构造要求当实腹式轴心受压构件的腹板高厚比h0/tw 80时，应设置横向加劲肋。横向加劲肋的间距不得大于3h0,其截面尺寸要求为双侧加劲肋的外伸宽度bs应不小于(h0/30 40) mm,厚度ts应大于外伸宽度的l/15。实腹式轴心受压构件的纵向焊缝 (翼缘与腹板的连接焊缝)受力很小，不必计算，可按构 造要求确定焊缝尺寸。六、格构式轴心受压构件的设计格构式轴心受压构件一般采用两

54、个肢件组成，肢件间用缀条或缀板连成整体。格构柱两肢间距离的确定以两个主轴的等稳定性为准则。在柱的横截面上穿过肢件腹板的轴称为实轴，穿过两肢之间缀材面的轴称为虚轴。缀条一般用单根角钢做成，而缀板通常用钢板做成。.双肢格构式轴心受压构件绕虚轴的换算长细比格构式轴心受压构件绕实轴的稳定计算与实腹式轴心受压构件相同，但绕虚轴的整体稳定临界力比长细比相同的实腹式轴心受压构件低。格构式轴心受压构件，当绕虚轴失稳时，采用换算长细比来考虑缀材剪切变形对格构式轴心受压构件绕虚轴的稳定承载力的影响。(1)缀条式格构式构件双肢缀条式格构构件的换算长细比为：(19)1 227 A0 x vx a式中 x 整个构件对虚

55、轴的长细比；A 整个构件的毛截面面积；Ai 一个节间内两侧斜缀条毛面积之和。需要注意的是，式(19)的适用范围为斜缀条与柱轴线间的夹角在400700之间。(2)缀板式格构式构件21双肢缀板的换算长细比采用：(20)式中1 分肢的长细比;.格构式轴心受压构件的缀材设计(1)格构式轴心受压构件的横向剪力格构式构件绕虚轴失稳发生弯曲时，缀材要承受横向剪力的作用。最大剪力的计算式:(21)V A5;2f3y5在设计中，将剪力 V沿柱长度方向取为定值。(2)缀条的设计p图3缀条计算简图缀条可视为以分肢为弦杆的平行弦桁架的腹杆，内力与桁架腹杆的计算方法相同。在横 TOC o 1-5 h z 向剪力作用下，

56、一个斜缀条的轴心力为(图3):一ViN i (22)ncos式中Vi分配到一个缀材面上的剪力；n承受剪力Vi的斜缀条数。单系缀条时，n=1;交叉缀条时，n=2;e缀条的倾角(图3)。斜缀条可能受拉也可能受压，应按轴心压杆选择截面。缀条一般采用单角钢，与柱单面连接，考虑到受力时的偏心和受压时的弯扭，当按轴心受力构件设计时，应按钢材强度设计值乘以下列折减系数：按轴心受力计算构件的强度和连接时=0.85。按轴心受压计算构件的稳定性时等边角钢=0.6+0.0015 ,但不大于1.0短边相连的不等边角钢=0.5+0.0025 ，但不大于1.0长边相连的不等边角钢=0.70为缀条的长细比，对中间无联系的单

57、角钢压杆，按最小回转半径计算，当20时,取 =20。交叉缀条体系的横缀条按受压力N= V1计算。为了减小分肢的计算长度，单系缀条也可加横缀条，其截面尺寸一般与斜缀条相同，也可按容许长细比(=150)确定。(3)缀板的设计千- Q 17图4缀板计算简图缀板式格构构件可视为一多层框架。缀板内力为：Vili TOC o 1-5 h z 男力：T 一(23)a弯矩(与肢件连接处)：M T a q1(24)22式中 li 缀板中心线间的距离；a肢件轴件间的距离。缀板与肢体间用角焊缝相连，角焊缝承受剪力和弯矩的共同作用。缀板应有一定的刚度。规范规定，同一截面处两侧缀板刚度之和不得小于一个分肢线刚 度的6倍

58、。一般取宽度d 2a/3(4),厚度t a/40 ,并不小于6mm,端缀板宜适当加宽， 取 d = a。3.构件的横隔格构式构件应每隔一段距离设置横隔。另外，大型实腹式构件(工字形或箱形)也应设置9倍或8m,且每个运送单元的端部均应设置横横隔。横隔的间距不得大于构件较大宽度的 隔。当构件某一处受有较大水平集中力作用时，也应在该处设置横隔O7 弋 aJJ鞋回： 一M1 ; IL.fa c横隔图图54.格构式轴心受压构件的设计步骤格构式轴心受压构件的设计需首先选择分肢截面和缀材的形式,中小型柱可采用缀板或缀条柱，大型柱宜用缀条柱。按对实轴（y-y轴）的整体稳定选择柱的截面，方法与实腹式构件的计算相

59、同。 按对虚轴（xx轴）的整体稳定确定两分肢的距离。为了获得等稳定性,应使两方向的长细比相等，即使0 x y缀条柱（双肢）:0 xx2*yAl(25)(26)缀板柱（双肢）:0X(27)(28)对缀条式构件应预先确定斜缀条的截面Ai；对缀板式构件应先假定分肢长细比按式(26)或式(28)计算得出x后，即可得到对虚轴的回转半径：ix lox/ x(29)构件在缀材方向的宽度 b ix/ i,亦可由已知截面的几何量直接算出构件的宽度bo验算构件对虚轴的整体稳定性，不合适时应修改构件宽b再进行验算。设计缀条或缀板(包括它们与分肢的连接)。进行以上计算时应注意：校对实轴的长细比y和对虚轴的换算长细比o

60、x均不得超过容许长细比;缀条构件的分肢长细比i li/ii不得超过构件两方向长细比(对虚轴为换算长细比)较大值的0.7倍，否则分肢可能先于整体失稳；缀板构件的分肢长细比i loi/ii不应大于40,并不应大于构件较大长细比max的0.5倍(当max50时，取 max =50),亦是为了保证分肢不先于整体构件失去承载能力。八、轴心受压柱的柱头和柱脚.轴心受压柱的柱头图6梁与柱的较接连接梁与轴心受压柱较接时，梁可支承于柱顶上，亦可连于柱的侧面。梁支于柱顶时，梁的支座反力通过柱顶板传给柱身。顶板与柱用焊缝连接，顶板厚度一般取1620mm。为了便于安装定位，梁与顶板用普通螺栓连接。多层框架的中间梁柱连