钢结构设计原理讲义

钢结构设计原理第一章钢结构的大体性能建筑工程中，钢结构所用的钢材都是塑性比较好的材料，在拉力作用下，应力-应变曲线在超过弹性后有明显的屈服点和一段屈服平台，然后进入强化阶段。传统的钢结构设计，以屈服点作为钢材强度的极限，并把局部屈服作为承载能力的准则。目前利用塑性的设计方式已经提上了日程。钢材和其他建筑结构材料相较，强度要高得多。在一样的荷载条件下，钢结构构件截面小，截面组成部份的厚度也小。因此，稳定问题在钢结构设计中是一个突出的问题。建筑结构钢材有较好的韧性。因此，钢结构是经受动荷载的重要结构。钢材的韧性也不是一成不变的。材质、板厚、受力状态、温度等都会对它产生影响。【钢材的生产及其对材性的影响】建筑结构所用的钢材包括两大类：一类是热轧型钢和钢板；另一类是冷成型（冷弯、冷冲、冷轧）的薄壁型钢和压型钢板。一、 钢的熔炼冶炼按需要生产的钢号进行，它决定钢材的主要化学成份。炼钢的原料为99%钢水+废钢+合金元素。平炉炼钢的质量优于转炉炼钢的质量。目前，我国采用转炉炼钢，转炉钢具有投资少、建厂快、生产效率高、原料适应性强等长处。二、 钢的脱氧脱氧的手腕是在钢液中加入和氧的亲和力比铁高的锰、硅和铝。脱氧的程度对钢材的质量很有影响。锰是弱脱氧剂。硅是较强的脱氧剂。铝是强脱氧剂。钢液中含有较多的FeO，浇注时FeO和碳彼此作用，形成CO气体逸出，引发钢液的猛烈沸腾，这种钢称之为沸腾钢。它夹杂较多FeO，冷却后有许多气泡。硅在还原氧化铁的进程中放出热量，使钢液冷却缓慢，气体大多可以逸出，所得钢锭称之为镇定钢。冷却后因体积收缩而在上部形成较大缩孔，缩孔的孔壁有些氧化，在辊轧时不能焊合，必需先把钢锭头部切去。切头后实得钢材仅为钢锭的80%〜85%。对冲击韧性（尤其是低温冲击韧性）要求高的重要结构，如酷寒地域的露天结构，钢材宜用硅脱氧后再用铝补充脱氧的特殊镇定钢。这种钢比一般镇定钢具有更高的室温冲击韧性和更低的冷脆偏向性和时效偏向性。镇定钢的质量好于沸腾钢。镇定钢本钱高。镇定钢偏析小。镇定钢的性能优于沸腾钢，主要表此刻容易保证必要的冲击韧性，包括低温冲击和时效冲击，冲击韧性好可以经受动荷载和处于低温的结构。GB50017-2003规范规定沸腾钢不能用于下列焊接结构：需要验算疲劳者；处于-30t和更低温度者；工作温度低于-20°C并直接经受动力荷载（但不需验算疲劳）者。鉴定镇定钢和沸腾钢，可以通过硅的含量来进行。GB700-88规定，Q235钢分为A、B、C、D四级。前两级可以是沸腾钢、半镇定钢或镇定钢，C级必需是镇定钢。三、钢的轧制辊轧是型钢和钢板成型的工序，是二次熔炼的进程，可以改善钢材的性能。辊轧分热轧和冷轧，以前者为主。冷轧只用于生产小号型钢和薄板。通过热轧后，钢材组织密实，力学性能取得改善。这种改善主要表此刻沿轧制方向上，从而使钢材在必然程度上再也不是各向同性体。通过轧制以后，钢材内部的非金属夹杂物被压成薄片，出现分层现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，而且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。焊缝收缩诱发的局部应变是屈服点应变的数倍。型钢和扁钢老是沿辊轧方向受力，不存在非各向同性问题。钢板则不同，垂直于辊轧方向受力，因此钢板拉力实验的试样应垂直与轧制方向切去。轧制影响钢材的塑性和韧性，产生残余应力，同时加工、切割、焊接也产生残余应力。热轧钢材厚度小的强度高于厚度大的，而且塑性及冲击韧性也比较好。因此钢材的机械性能要按厚度分级。热轧是不均匀冷却造成的残余应力。在没有外力作用下内部自相平衡的应力叫做残余应力。板的尺寸越大，冷却后的应力也越大。各类截面的热轧型钢都有这种残余应力，不过随截面形式和尺寸不同，残余应力的散布有所区别。一般地说，截面尺寸越大，残余应力也越大。残余应力虽然是自相平衡的，对钢构件在外力作用下的性能有必然影响。残余应力影响变形、稳定隹、疲劳、低温脆断等。轧制普通工字钢的轧机只有两个水平轧辊。滚轧成型时，腹板所受压力大于翼缘，翼缘所受压力和它内侧的斜度有关。腹板的性能优于翼缘。当工字钢作受弯构件时，翼缘的应力大于腹板，承载能力主要取决于翼缘的性能。我国规定，各类型钢拉力实验和冲击实验的样坯都从翼缘上切取，不过，槽钢和工字钢拉伸试件也可以在腹板取样。判断钢结构事故应考虑以下几个方面，化学成份不均匀；C、S、P偏析，含量外多、内少；厚钢板要抽查查验是不是有层间撕裂，利用超声波或X射线探伤。四、矫直和热处置钢材热轧冷却后存在残余应力，因此矫直后的残余应力应是对原始残余应力进行从头散布。重散布使翼缘原始残余应力峰值有所降低，将减轻用作压杆时的不利作用。矫直有两种方式，辊床调直和顶直。热处置可以改变钢材性能，建筑钢材一般以热轧状态交货，不进行热处置。热处置包括调质热处置和正火。调质热处置包括淬火和高温回火两道工序。五、钢材的匀质和等向性钢材内部化学元素的散布不是完全均匀的。钢锭的周围部份含碳减少，从周边到中心碳逐渐增多，硫、磷等杂质也聚集在冷却较慢的部份，形成偏析。型钢截面上不同部份的屈服点有不同，是力学性质上的一种非匀质现象。测试力学性能的方式是在翼缘上切取试样肯定屈服点比在腹板上取样更能反映材料的实际性能。钢材内部存在残余应力，从力学角度来讲也是一种不均匀性。钢板的各向异性，表此刻三个方向的受力性能。沿轧制方向力学性能最好，横向稍差。钢板如有分层，则沿厚度方向性能最差。是不是分层，需用超声波等手腕探伤。对于比较重要的结构，一是对钢材进行探伤检查，并限制局部份层的面积，二是在设计时注意避免垂直于板面受拉和焊缝收缩造成层间撕裂。【加工对钢构件性能的影响】一、加工对钢构件性能的影响钢结构的建造进程分为热加工、冷加工和冷作硬化。热加工，如钻孔切割，影响残余应力。冷加工使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。一、冷加工的影响冷加工考虑的因素有屈服强度、抗拉强度、冷弯性能。冷加工后，钢材的强度有所提高，但塑性和冲击韧性降低。韧性降低的原因包括冷加工和时效两种因素。钢材的剪切和冲孔，使剪断的边缘和冲出的孔壁严重硬化，乃至出现微细裂纹。对于比较重要的结构，剪断处需要刨边；冲孔只能用较小的冲头，冲完再进行扩孔。目的都是把硬化部份除掉，以避免裂纹在必然条件下扩展。冷弯成型后弯角部份屈服点大幅度提高，同时抗拉强度也有所提高，但塑性降低。外侧沿圆弧方向为拉伸，沿半径方向为紧缩，内侧沿弧线方向紧缩，沿半径方向拉伸。当材料弯成圆角时半径和板厚之比越小，塑性应变越大，屈服点提高幅度越大。Q345-16Mn，在一15°C以下不要冷加工，容易产生脆性断裂。Q235-A3在一20°C以下不要冷加工，容易产生脆性断裂。二、热加工的影响热加工包括火焰切割、乙炔切割和焊接。焊接和焰割对钢材焊接造成以下后果，焊缝金属具有铸造组织，不同于轧制钢材，焊缝性能不如母材好，但强度高；焊弧的高温使临近焊缝的钢材发生组织转变，焊缝周围性能不好，形成热影响区，热影响区包括过热区、正火区和部份重结晶区，在疲劳情况下，热影响区容易破坏；局部性的高温使钢材发生塑性变形，冷却后存在残余应力，残余应力产生的原因是熔化铁水膨胀，未熔化部份对其产生的应力。焊缝金属的碳含量稍低，而氮、氢、氧稍高。采用短弧焊、埋弧焊和气体保护焊使熔化金属和空气更好的隔离，可以不同程度地氮和氧的含量。焊缝金属含氢量高来源于大气和焊条药皮，包括药皮的有机物成份和吸收的水分。当冷却快时氢能使焊缝金属内部出现微观裂纹。因此，受潮的焊条必需烘干后才能利用，重要结构还要用低氢型焊条，以避免出现裂纹。焊接构件的残余应力和热轧构件的一样，在整个截面上拉压两部份应力自相平衡，不同的是焊接构件在焊缝及其近旁的残余拉应力特别高。三条焊缝情况要避免交叉，如不能避免，将次要焊缝断开，不要贯通。在制造厂对焊接结构的零件下料时，要考虑施焊后冷却的收缩而把材料适当放长。若是两个构件受到相连的刚性部份牵制而不能收缩，则整个构件将产生拉应力，这是另一种残余应力，叫做反作用残余应力。3、热矫正和热成型常常利用的矫正方式是进行局部加热，使其冷却后产生反向变形。为了避免淬火效应，加热温度不该超过900°C，钢结构规范规定，低合金钢在加热矫正后应自然冷却。热加工成型的构件需要加热到900〜1000C。二、制造和安装的误差对钢结构性能的影响存在初始弯曲的轴心压杆，受压能力降低，既受压又受弯。存在初始弯曲的轴心拉杆，不降低经受拉力的能力。杆长度的误差会使体系内压力和拉力在体系内自相平衡。由于出此刻经受荷载之前，称为残余内力。当残余内力和载荷引发的内力同号时，将使承载能力降低。【外界作用对钢结构性能的影响】外界作用包括钢结构建成后的利用荷载和大气作用等。一、 多轴应力的影响钢材在双向拉力作用下屈服应力和抗拉强度提高，延伸率降低。在异号双向应力作用下屈服应力和抗拉强度降低，延性率增大。三向受拉塑性比双向受拉还低，破坏将是脆性的。三轴拉应力对钢结构是十分不利的。二、 加荷速度的影响建筑结构钢材在冲击性的快速加载作用下维持良好的强度和塑性变形能力。即在20C左右的室温环境下，钢材的屈服点和抗拉强度随应变速度的增大而提高，塑性变形能力也提高。不利方面是脆性转变温度随加荷速度增加而提高。三、 循环加载的影响钢材在多次重复荷载的循环荷载作用下滞回环饱满而稳定，这种好的性能为钢结构在地震作用下耗能能力提供了基础。四、 低温和侵蚀性介质的影响低温使钢材韧性降低，温度降低到必然程度时钢材在冲击荷载作用下完尽是脆性断裂，侵蚀性介质也会促成脆性断裂并影响疲劳强度。五、 高温的影响除有热源的生产车间外，钢结构可能蒙受的高温主要来自火灾。若是应力较高，且温度接近600°C，则高温软化可以致使压杆屈曲和拉杆出现颈缩，需要修复、加固或改换。若是火灾后构件没有新的变形，一般都可以继续安全承载。避免钢结构火灾损伤的途径，一是用纵火材料加以保护，二是应用耐火钢材。第二章钢结构稳定问题概述钢结构承载能力极限状态可以出现于下列六种情况：一、 整个结构或其一部份作为刚体失去平衡（如倾复）；二、 结构构件或连接因材料强度被超过而破坏；3、 结构转变成机动体系（倒塌）；4、 结构或构件丧失稳定（屈曲等）；五、 结构出现过度的塑性变形，而不适于继续承载；六、 在重复荷载作用下构件疲劳断裂。【钢结构的失稳破坏】建筑结构用的钢材具有很大的塑性变形能力。当结构因抗拉强度不足而破坏时，破坏前呈现较大变形。可是当结构因受压稳定性不足而破坏时，可能在失稳前只有很小的变形，即呈脆性破坏的特征。脆性破坏具有突发性，不能由变形发展的征兆及时避免，所以比塑性破坏危险。按国家标准，脆性破坏的构件的靠得住指标应比延性破坏者提高一级，即安全品级为二级的构件值由提高到。【失稳类别】一、 钢结构的稳定问题分为两类：一、 第一类稳定问题或具有平衡分岔的稳定问题（也叫分支点失稳）。完善直杆轴心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。二、 第二类稳定问题或无平衡分岔稳定的问题（也叫极值点失稳）。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到必然程度时丧失稳定的承载能力，属于这一类。但某些结构如坦拱，即即是完全弹性的，也没有平衡分岔。二、 弹性稳定可以分为以下三类：一、 稳定分岔屈曲。结构在达到临界状态时，从未屈曲的平衡位形过渡到无穷临近的屈曲平衡位形，即由直杆而出现微弯。尔后，变形的进一步增大，要求荷载增加。直杆轴心受压和平板在中面受压都属于这种情况。二、 不稳定分岔屈曲。结构屈曲后只能在比临界荷载低的荷载下才能维持平衡位形。属于这种情况的有经受轴向荷载的圆柱壳和经受均匀外压力的全世界壳，钢结构常常利用的缀条柱和圆柱壳很相似。薄壁型钢方管压杆也在必然条件下表现出类似特性。3、越跃屈曲。这种屈曲的特点是：结构由一个平衡位形突然跳到另一个平衡位形，其间出现很大的变形。属于这种情况的有铰接坦拱和油罐的扁球壳顶盖。虽然在发生越跃后荷载可以大于临界值，但实际工程中允许出现这样大的变形，因此，应该以临界荷载作为承载的极限。越跃屈曲虽然没有平衡分岔，却和不稳定分岔屈曲有相似的地方，都是从丧失稳定平衡后经历一段不稳定平衡，然后从头取得稳定平衡。当构件有几何缺点时荷载和变形的关系。对于稳定分岔屈曲，虽然有缺点，荷载仍然可以高于临界值；对于不稳定分岔屈曲，缺点使承载能力受到很大伤害，荷载的极限值比无缺点时的临界值大幅度降低。由此可见，屈曲为不稳定分岔的结构对缺点特别敏感。对于非对称结构，可能出现一种特殊的非对称特性：屈曲时向某一方向变形时呈稳定分岔，向另一个方向变形时呈不稳定分岔。【结构稳定问题的特点】一、 考虑变形对外力效应的影响在分析结构内力以求解算它的强度时，除由柔索组成的结构外，按未变形的结构来分析它的平衡常常可以取得足够精准的结果。分析结构的稳定问题则不同，必然涉及到结构变形后的位形和变形对外力效应（即二阶效应）。针对未变形的结构来分析它的平衡，不考虑变形对外力效应的影响，叫做一阶分析；针对已变形的结构来分析它的平衡，则是二阶分析。应力问题通常都是一阶分析，只有少数特殊的结构如悬索屋盖、桅杆结构和悬索桥，因为变形对内力影响很大，才需要用二阶分析。一般解算超静定结构的内力，虽然要考虑变形协调关系，并无全面考虑变形对外力效应的影响。稳定问题原则上都应该用二阶分析。可是，目前在计算框架柱稳按时，肯定计算长度虽然以已变形的结构为依据，而柱内力却是按一阶分析算得的。若是要分析大变形、大挠度问题，曲率要用更精准的表达式，这时曲率和位移导数之间再也不存在线性关系，称为三阶分析。二、 静定和超静定结构的区分失去意义静定和超静定结构的划分，是适应应力问题的需要而做出的：静定结构的内力分析只用静力平衡关系就够了；超静定结构的内力分析，则还需加上变形协调关系。三、 叠加原理不适用叠加原理普遍用于应力问题。它的应用以知足下列两个条件为前提：一、 材料服从胡克定律，亦即应力与应变成正比；二、 结构的变形很小，可以用一阶分析来进行计算。归纳地说，也就是它既不存在物理的非线性，也不存在几何的非线性。稳定问题一般不符合第二个前提，因为它需要用二阶分析来计算。二阶分析在曲率和位移导数之间虽然可以看成存在线性关系，但内力和变形之间常常是非线性关系。叠加原理不适用于二阶分析。【稳定计算中的整体观点】结构的稳定承载能力，和它的刚度密切相关。梁屈曲时兼有侧向弯曲和扭转两种变形。由于验算构件稳按时形式上似乎是验算某一截面，往往令人对强度和稳定计算的实质分辨不清。二者之间的原则区别是：强度是某一个截面的问题，而稳定则是构件整体问题，因为构件的刚度是它的整体组成所决定的，包括截面刚度和构件长度。在处置稳定问题时，必需具有整体观点。从整体上看框架的侧向刚度只能由悬臂柱提供，铰接柱毫无抗侧移的能力。因此悬臂柱对左柱上端提供弹性支座的作用，它的任务就不单单是经受本身的一半压力，而是还要包括对左柱的支援作用，这种作用表此刻经受水平力。水平力和压力的合力是一个斜向作使劲。处置稳定问题应该有整体的观点，还可以从局部稳定和整体稳定的相关关系来讲明。局部和整体的相关关系可以归纳为：整体缺点促使截面局部弱化，局部弱化反过来又影响整体承载能力。最优化设计的结构老是对缺点很敏感的。只要有一点误差，结构的承载能力就要下降。整体和局部等稳，是最优化原理在压杆设计中的应用，它充分表明优化结构对缺点的敏感性。缺点可使承载能力降低很多。【稳定设计的几项原则】一、在钢结构设计中，为了保证结构不丧失稳定，还应注意以下几点：一、 结构整体布置必需考虑整个体系及其组成部份的稳定性要求。保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设置必要的支撑构件。平面结构构件的出平面稳定计算必需和结构布置相一致。二、 杆件稳定计算的常常利用方式，往往是依据必然的简化假设或典型情况得出的，设计者必需确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。3、设计结构的细部构造和构件的稳定计算必需彼此配合，使二者有一致性。第三章钢结构的断裂【钢结构脆性破坏及其原因】冷加工和凿痕是引发脆性破坏的部份原因。焊接结构的脆性破坏也有和铆接结构一路的地方，那就是常常发生在气温较低的情况，结构的钢材厚度较大，一般处在静力荷载作用下，而且应力常常并未达到设计应力，或虽达设计应力但和材料的屈服点还有一段距离。破坏时结构并未超载，表明脆性破坏是钢结构的一种特殊问题。综上所述，造成脆断的原因有：材质不合格，低温冲击韧性差，和汇交于节点板上各杆之间的间隙过小，低温焊接产生了较大的残余应力。在屋盖结构中，桁架比实腹构件更易脆断。钢结构脆性破坏事故不断发生，除采用焊接外，还有以下原因：结构比过去复杂，有的利用条件恶劣（如海洋结构），有的荷载很大，钢材强度和钢板厚度都趋于提高和增大，设计时采用更精细的计算方式并利用材料非弹性性能以尽可能降低造价，致使结构的实际安全储蓄比过去有所降低。【断裂力学的观点】断裂是在荷载和侵蚀性环境的作用下，裂纹扩展到临界尺寸时发生的。焊接进程中可能出现的缺点，包括宏观裂纹，如角焊缝可能存在的缺点，咬边、未熔合、未焊透及气孔等，其中以咬边最为不利。结构的无损探伤只有必然的灵敏度，过小的缺点发现不了。所以，即便通过探伤，也不能说构件就不含有裂纹。依照线弹性断裂力学，应力强度因子K.a后*Q>KC，裂纹尺寸a越大，构件所能安全经受的应力。就越小。裂纹的失稳扩展，和构件压屈失稳有些相似的地方。压杆所能经受的应力为。c二兀2E/人2，长细比人越大，cC越低；带裂纹拉杆拉断应力七=KC/（a而Z），裂纹尺寸a越大，cC越低。建筑结构所用钢材属于强度不高而韧性较好的钢材，当要解决低应力脆断问题时，需要用弹塑性断裂力学代替断裂力学来解决低应力脆断问题。目前可以用来衡量高韧性材料抵抗断裂的能力的有裂纹张开位移理论（即COD理论）。依照这种理论当薄板受拉知足条件哄ln・sec（冥）>8构建即将开裂：公式左端代表裂纹顶端张开位移，右端是位移失稳兀E 2f c临界值，8C和KC一样，属于材料的固有特性。简化后整理得应・C>JEf*，这就是说，韧性好的材料制成的构件何时出现断裂，也和。、b两个因素相关。由于Sc容易实验，试件不要求很厚，故可由8c的实验值推算Kc。应力所起的作用应该从能量的角度来理解。因裂纹出现而板单位厚度释放出的应变能是b2 du2b2,TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"U=--^a2，则能量释放率为G=—=—-^a。按照精准计算，P的数值应是：平面E da E应力状态P=兀；平面应变状态P=兀(1-V2)。造成裂纹需要做必然的功W，它的数值和裂纹尺寸a成正比，即半=R=常数，出现裂纹进程中能量的总转变是W+U。以裂纹出da现和扩展所需要的能量W为正，在此进程中释放出的能量U为负。若dWdUd(W+U)八…二、… ^d(W+U)八上…、 …k+k= 一＞。，即稳定扩展阶段；若 ~~-V0，失稳扩展阶段。(41)\o"CurrentDocument"dada da da用高强度钢材做成的结构，构件中贮存的应变能高，断裂的危险性也就大于用普通钢材的结构。因此，对高强钢材的韧性应该要求更高一些。一般建筑结构用的钢材在室温下的断裂韧性K^值的测试，要求很厚的试件才能知足平面应变的条件，所以难以直接测得。钢材的韧性目前仍是以缺口冲击韧性作为衡量的准则，并用夏比V形缺口冲击实验值c。实验表明，Kc和q的转变规律有必然的相似性，尤其是动力荷载作用下更为类似，脆性转变温度也很接近。【避免脆性断裂】一、 裂纹原始裂纹尺寸的控制主要由保证施工质量和强查验来解决。裂纹质量不仅涉及到裂纹，还涉及到咬边、欠焊、夹渣和气孔等缺点。因为这些缺点或本身就起裂纹的作用，或能够引发裂纹。查验发现缺点超过允许限度，就需要加以补救。在工程实际上，焊缝长度小于6mm的裂纹在查验时不易被发现。当焊接两板时，需要在两板之间垫上软钢丝留出裂缝，焊缝有收缩余地，裂纹就不会出现。在焊接进程中，把角焊缝的表面做成凹形，有利于缓和应力集中，可是经验表明，凹形表面的焊缝，焊后比凸形的容易开裂，在凹形焊缝开裂的条件下，改用凸形缝，就再也不开裂。焊缝的收缩作用还有可能引发板的层间撕裂。综上所述，控制焊接结构的初始裂纹需要在焊缝设计、施焊工艺和焊后查验各个环节加以注意。二、 应力考察断裂问题时，应力b应是构件的实际应力，它不单单和荷载大小有关，也和构造形状及施焊条件有关。三轴同号应力状态的脆性破坏最为危险。应力不仅要看它的大小，更重要的是要看应力状态。同时，避免焊缝过于集中和避免截面突然转变，这样都有助于避免脆断。三、 材料韧性规定以夏比V形缺口冲击实验作为材料韧性的判据。V形缺面试件吸收的功较少，脆性转变温度则稍高。钢材的断裂有几种不同的表现，即可以是脆性断裂、韧性断裂或兼有脆性和韧性的断裂。脆性断裂的宏观特征是没有塑性变形，断口表面呈颗粒状，平齐而光亮，断面和拉伸应力的方向垂直；韧性断裂则有明显的宏观塑性变形，并出现颈缩现象，断口呈纤维状，其断裂机理是剪切断裂进程。有塑性变形就要吸收较多的能量。材料断裂时吸收的能量和温度有密切关系。吸收的能量可以划分为三个区域，即变形是塑性的、弹塑性的和弹性的。后者属于完全脆性的断裂，也属于平面应变状态。所以冲击韧性的指标宜在弹塑性区域。加荷速度也是一个影响能量吸收额的很是重要的因素。随着加荷速度的减小，曲线向温度较低的方向移动。有些结构的钢材在工作温度下冲击韧性很低，但仍能维持完好，就可以够由加荷速度来讲明。对于同一冲击韧性的材料，当设计经受动力荷载时，允许最低的利用温度要比经受静力荷载高得多。加荷速度分为三级，缓慢加荷8=10-5S-1，中速加荷8T0-3S-1，动力加荷8=10S-1。当应变率低于缓慢加荷10-3S-1时属于准静态情况，应变率效应可以略去不计。把加荷速度分为二级，其中R1为静力及缓慢加载，适合于经受自重、楼面荷载、车辆荷载、风及波浪荷载和提升荷载的结构；R2级为冲击荷载，适用于高应变速度如爆炸和冲撞荷载。因此，除遭强烈地震作用解决外，建筑结构通常都可列为准静态的结构，即在考虑荷载的动力系数后按静态结构对待，不过经受多次循环荷载时需要进行疲劳计算。钢材的厚度对它的韧性也有影响。薄板断裂时几乎呈完全韧性的剪切断口，厚度稍大则呈韧性和脆性混合的断口；厚板呈脆性的平断口。作为材料的韧性指标值，应取平面应变状态的断裂韧性KIC。12mm和更厚的板，冲击实验的标准试样都是10mmX55mmX55mmo不同板厚的板用于同一截面尺寸的试样进行实验，反映不出带切口厚板处于平面应变状态的不利情况。缺点一是当厚板和薄板的冲击韧性相同时，厚板的韧性比薄板的低。另一个缺点是难于把裂纹扩展和裂纹形成区分开来。为了弥补这一缺点，可以采用全厚度的试样做静力拉伸实验或落锤实验。静力拉伸实验的试样双侧都有V形缺口，在不同温度下进行这种实验，可以通过断口颗粒状部份所占百分比的转变来肯定材料的脆性转变温度，也可以通过试样拉断的延伸率、厚度缩减率或拉伸图所包的能量来考察向脆性的转化。无韧性温度NDT值比V形缺口冲击实验所得的转变温度高15-25°C，因为落锤实验的动力效应大。对于厚度不大而韧性又高的钢材，夏比V形缺口冲击实验这一指标是靠得住的。四、 结构形式优良的结构形式可以减小断裂的不良后果。由于脆断时应力一般没有达到设计设计应力，重散布后结构仍可安全承载。当把结构设计成超静定的，即有赘余构件的，可以减少断裂造成的损失。当把结构设计成静定结构时，注意使荷载能够多路径传递。多路径不容易整体破坏，同时次要构件和主要构件一样可以对多路径传递作出贡献。从控制脆断的角度考虑，多路径传递优于单路径传递。当对梁做防断裂设计时，若是受拉翼缘由一块厚板组成，材料的韧性要求应优于多层较薄的板，才能够取得统一的安全保证。当腹板与翼缘板之间有间隙连接时，有利于裂痕到裂缝处停止。梁腹板和翼缘之间不受垂直于间隙的拉力，这是允许间隙存在的一个条件。五、 钢材选用设计焊接结构，钢材的选用也是避免脆断的因素之一。【应力侵蚀开裂】用七=侦扁・b>KC作为判断构件是不是会断裂的准则，只适用于处于非侵蚀性环境的构件。在侵蚀性介质中，虽然应力低于K/值，通过一按时期也会出现脆性断裂。这种现象叫做应力侵蚀开裂，也叫做滞后断裂或延迟断裂。出现这种现象的原因是：构件中原来存在的小裂纹在侵蚀性介质作用下随着时间的增加而逐渐扩展，待达到临界尺寸时，构件就会突然脆断。应力侵蚀断裂主要发生在高强度材料，高强螺栓在利用进程中就有可能出现延迟断裂的现象。在侵蚀性介质中做实验来测定材料的断裂韧性，所得结果要比在无侵蚀性介质的大气中测得的低。当按原始裂纹算得的应力场强度因子低于它的临界值Kscc时，不论时间多长，试件都不会断裂。每一种材料在特定的侵蚀介质中的K^c是个常数，一般Kscc=(1/2-1/5)KC。钢材的含碳量越高，则韧性越低，抵抗应力侵蚀断裂的性能也越差。第四章疲劳破坏【影响疲劳破损的因素】一、 疲劳荷载钢结构的疲劳破损是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开展和最后达到临界尺寸而出现的断裂。二、 疲劳破坏的进程一般地说，疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构，实际上只有后两个阶段，因为结构总会有内在的微小缺点，这些缺点本身就起着裂纹的作用。疲劳破坏的起始点多数在构件的表面。对非焊接构件，表面上的刻痕、轧铁皮的凸凹、轧钢缺点和分层和焰割边不平整、冲孔壁上的裂纹，都是裂源可能出现的地方。对焊接构件，最常常的裂源出此刻焊缝趾处，那里常有焊渣侵入。有些焊接构件疲劳破坏起源于焊缝内部缺点，如气孔、欠焊、夹渣等。疲劳裂纹经历长期的荷载循环，扩展十分缓慢；而脆性断裂不经长期的荷载循环。当构件应力较小时，扩展区所占范围较大，而当构件应力很大时，扩展区就比较小。扩展区的表面滑腻，而且是愈近裂源愈光，这是因为裂纹通过量次开合的缘故。拉断区可以是脆性的颗粒状断口，也可以时带有必然韧性的断口。三、 疲劳实验的结果滑腻试件的疲劳强度明显高于带槽试件，这是因为带槽试件的应力集中使疲劳强度降低。因此，应力集中是研究疲劳问题的重要因素。在实际结构中，应力集中的程度由构造细节决定。有横向对接焊缝的试件的疲劳强度。随焊缝余高角度°的转变情况：角度°愈小，max应力集中愈严重，疲劳强度愈低。应力循环的特征可以由最小、最大应力的比值R=。min/。max来表示，以拉应力为正。四、 断裂力学的分析用断裂力学的观点考察疲劳问题，首先是分析裂纹扩展速度。带裂纹的钢构件是不是进一步开裂，取决于应力强度因子K[=aM^是不是超过材料的断裂韧性KC。应力强度因子是对裂纹顶端周围应力和应变的一个气宇。裂纹的扩展速度取决于K的转变幅度△K-K-K_，即-^^=C(AK)a，此式常称为Paris定律，式中n和C为与材料有关的常数。由于工程设计顶用名义应力计算，不计入应力集中系数和残余应力影响，C还和构造细节有关。严格地说，C，n不仅和材料有关，也和平均应力及环境有必然关系。对于扩展速度受R值影响的区域，可以用有效应力强度因子幅气代替AK，则疲劳寿命的表达式为N=1』“2二^，式中a和a别离是裂纹的初始尺寸和裂纹缓慢扩展阶段结束时的Ca(AK)n 1 2尺寸。用Ab来表示应力幅，即Ab=bi/b，则有N=(Ab)-n对于钢结构，n值常在〜之间，可取为。GB50017规范规定允许应力幅的计算公式是［Ab］=(C)邛。n五、 环境的影响对于长寿命的疲劳，侵蚀的不利影响要比短寿命疲劳严重的多。侵蚀对疲劳裂纹的扩展速度的影响和疲劳荷载的频率有关：频率愈低影响愈大，但在扩展速度低的范围内无明显影响。六、 提高疲劳寿命在一样的应力幅作用下，结构没有焊缝(也没有截面转变)的部位，疲劳破坏前的循环次数高于有对接焊缝的部位，后者又高于有角焊缝的部位。延长疲劳寿命有三种方式。首先是减小初始裂纹尺寸ai，若是把匕减小为号2，则构件所能经受的循环次数增加AN1。这个增加很是乐观，原因是在裂纹尺寸很小时，扩展速度da/dN很低。其他两种方式是降低构件所经受的应力和采用韧性较好的材料。【疲劳设计准则】一、 大体原则在实际工程中，安全寿命法和破损安全法往往是结合在一路的。首先按安全寿命法的思路进行设计，争取在利用期限不出现裂纹，同时也注意荷载的多路径传递和结构各部份都易于检查，在意外地出现裂痕时仍然保证安全。土建结构的疲劳破坏可以采用利用寿命法来代替安全寿命法。二者的不同是，前者在结构达到安全利用寿命时不当即报废，而且承认在达到安全寿命前有可能出现疲劳裂痕。在利用寿命期间还需要注意的一个问题，就是荷载有无转变。若是造成疲劳的荷载比设计值增大，就需要对寿命做出新的估算。二、 应力比准则和应力幅准则自从焊接结构用于经受疲劳荷载以来，工程界从实践中逐渐熟悉到和这种结构疲劳强度密切相关的不是应力比R，而是应力幅Ab。应力幅准则的计算公式是Ab＜［Ab］，［Ab］是允许应力幅，它随构造细节而不同，也随破坏前循环次数转变。焊接结构疲劳计算宜以应力幅为准则，原因在于结构内部的残余应力。如前面所述，疲劳裂纹的起源常在焊趾或焊缝内部的缺点，而焊缝及其近旁常常存在高达材料屈服点的拉伸残余应力。焊缝旁实际应力的转变范围：不论脉冲循环仍是对称循环，只要应力幅相同，对构件疲劳的实际效果就相同，而和应力循环特征R或平均应力无关。裂纹扩展只取决于施加的应力幅。有纵向角焊缝的试件在疲劳强度时，对R<0的试件，残余应力对疲劳强度的影响大，而对R>0的试件影响不大。对于R>0的应力循环，应力幅准则完全适用，因为有残余应力和无残余应力的构件疲劳强度相差不大。对于R<0的应力循环，采用应力幅准则偏于安全较多。GB50017规范对非焊接结构一概取下列有效应力幅：聂。二。max-0.7bmin，此式在应力循环不变号时稍偏安全，但一般并非过度安全。三、构造细节分类和应力循环次数构件和连接的焊缝及其近旁有很高的残余拉应力。因此，即便施加的应力循环完全在压力范围内，实际的应力波动仍然是在拉力范围内。在这样的条件下，压力范围内的应力循环仍然有可能造成疲劳裂纹。可是，裂纹一旦出现，残余应力取得释放，就不会继续扩展。因此，GB50017规范规定：在应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳。在用应力幅准则验算时，［Ac］按有关规范中构造细节分类的规定来查用。景按一般计算方式肯定，没必要计算残余应力和应力集中，因为据以肯定［Aq］的试件都含有残余应力和应力集中。特殊情况，横向对接焊缝上钻孔，而［aq］按焊接连接去查历时，Ac就必需乘以相应集中系数。四、变幅疲劳荷载荷载变幅的疲劳问题，可以由式~N+N2+n=zn—1表达的线性积累损伤准1 2 i i则来计算。式中：n为应力幅Ac.对结构的作用次数；N.为应力幅Ac.常幅作用下结构的预期寿命。几种不同应力幅对结构作用的前后顺序不影响疲劳寿命。对于焊接构件，z(n/N)常大于1，则用线性积累损伤准则计算的一般能保证安全。ii线性积累损伤准则则由于利用方便，此刻仍是最通行的方式。在具体应用这一准则时，可以采用等效常应力幅代替变更的应力幅。£n(Ac)n1n等效应力幅Ac=—£i ，把等效应力幅除以满载时的应力幅可得应力幅降ei低系数a=Ace/Ac1(也叫次载系数)。上式就是GB50017规范的公式，只是符号略有不同。在变幅疲劳的计算中还需要解决一个问题，即如何肯定各应力幅A。.的作用频数ni目前存在多种计算法。其中最常常利用的是雨流法。【疲劳实验和查验】实验研究可以分为两类，一类是典型的连接细节的疲劳实验，目的在肯定Ac-N曲线和在细节分类中的归属等。另一类是整个构件的疲劳实验，目的在查验一项具体设计的抗疲劳性能。有时这种实验也用来考察某一典型连接细节的疲劳性能。从弯曲疲劳实验的结果来看，小尺寸试件的疲劳强度比大尺寸试件稍高。另外，厚度很大的板质量也不如中、小厚度板。对经受疲劳荷载的构件，特别是容易开展疲劳裂纹的部位必需增强查验。查验包括外观检查和无损检查。外观检查要求仔细查看焊体周围区域和平行于焊缝的板边缘，寻觅有无裂纹和层间撕裂。检查人员要有丰硕经验，并借助放大镜和照明设备进行工作，才能发现微细裂纹。外观检查是质量控制的重要环节，表面完好往往是焊接工作做的不错的标志。无损检查有多种方式，包括磁性颗粒法、染色体渗透法、射线照相检查、超声探伤法。磁性颗粒法可用以检查出金属表面裂纹或紧靠表面的内部缺点，最适合于壁厚不超过6.5mm的小型钢管连接。在查验时对焊缝区施以壮大磁场，并铺一层磁铁颗粒。裂纹和夹杂等缺点切断磁力线，使粉末集中在这些区域。焊接产生的磁力性能的不同时常可以没必要施加磁场而也能用磁性颗粒来查验。裂纹的深度可以通过打磨或超声方式来测出。染色液体渗入法是使带染料的液体渗入表面的细裂纹，然后通过显色剂，把染料吸上来以显示裂纹轮廓。射线照相检查是依托电磁射线来肯定焊缝是不是完好。X光线和Y射线都能穿透像焊缝这样的非透明体。在焊缝背后放上敏感胶片，即可取得焊缝结构的永久记录。射线照相法虽然是探查气孔和夹渣等缺点极好的办法，但在实践中对检查某些焊缝连接不适用。超声探伤从20世纪60年代以来逐渐成为焊接结构连接无损检查的最重要方式。此法利用高频率声波来检查和测定母材在焊接前的缺点和焊接连接的缺点，它对表面裂纹和内部裂纹都很敏感。此法对查找线缺点和平面缺点诸如未焊透、分层和裂纹十分灵敏。超声查验也受到一些限制，粗糙的表面会使灵敏度和靠得住度降低，它不能像射线照相法那样提供永久性记录。另外，气泡、夹渣等球状缺点不那么容易检查出来，因为超声波碰到它们时会从隔壁绕过而不是像碰到线性缺点那样被反射归去。超声技术在实践中只限于用在板厚以上的连接。经受疲劳作用的结构在服役期间需要按期检查。一旦发生裂纹后，检查距离时间应不断缩短，原因是随着裂纹尺寸扩展，开裂速度加速，对应于同一裂纹扩展量Aa，时间距离AT愈来愈短。【提高疲劳性能的工艺办法】工艺办法的目的是缓和应力集中程度、消除切口，或是在表层形成紧缩残余应力。缓和应力集中的最普遍方式是磨去焊缝的表脸部份，如对接焊缝的余高。对角焊缝打磨焊趾，可以改善它的疲劳性能。焊缝的趾部常常存在咬边形成的切口，而且还有焊渣侵入。打磨后的表面不该存在明显的刻痕。对于角焊缝的趾部用气体保护钨弧使从头熔化，可以起消除切口的作用。这种方式在不同应力幅情况下疲劳寿命都能一样提高。在焊缝和近旁金属的表层形成紧缩残余应力，是改善疲劳性能的一个有效方式。用喷射金属丸粒或锤击进行敲打。梁的疲劳实验表明，当在它未经受荷载前进行敲击处置，不如在经受荷载后处置的效果好。上述各类办法对不同的连接构造疲劳性能的提高，其效果不尽相同。这些办法对fy高于400N/mm2的高强钢结构，要比普通碳素钢更为有效。这是因为：（1）高强钢材试件的疲劳强度高于低碳素钢，原因是它的裂纹形成阶段比后者长。若把焊接结构的初始缺点消除，效果就十分可观。（2）高强钢材焊接后残余拉应力高于低碳钢的。施加残余压应力以改善连接的疲劳性能，也优于低碳钢。第五章拉杆【拉杆的极限状态】一、无孔拉杆焊接结构中的拉杆，完全没有螺栓孔（或铆钉孔）者，属于无孔拉杆。实际工程中的构件总会有些几何尺寸的误差，其中包括初始弯曲和力作用点的误差；另外，还会有残余应力。初始弯曲并非降低拉杆承载能力，只不过要使拉杆变形增大。在不产生疲劳的静力荷载作用下，残余应力对拉杆的承载能力也没有影响。构件中的残余应力不论是热轧引发的，仍是焊接造成的，也不论其散布图形如何，都有一个一路的特点，就是拉、压两种残余应力在截面上彼此平衡。拉杆截面若是有突然转变，则应力在转变处的散布再也不是均匀的。设计拉杆应该以屈服作为承载能力的极限状态。屈服结束进入应变硬化时的应变值£“，据国内实验资料是8y的〜倍。如按12倍计算，则£广12XX10-=，即屈服使材料每米伸长。二、有孔拉杆有孔拉杆可以分为两种类型:一种是铆接结构中的组合构件，沿整个长度都散布有铆钉;另一种是型钢和焊接结构，仅在端部和其他构件用螺栓或铆钉连接。前一种构件应该以净截面屈服为承载能力的极限状态，目前很少利用，后一种构件应用较多。它的承载能力极限状态要从毛截面和净截面两方面来考虑。就毛截面来讲，极限状态仍然是应力达到屈服点；就净截面来讲，则应力达到抗拉强度。u时才是极限状态。毛截面屈服和净截面拉断何者控制设计，要通过比较，比较时注意对二者采用不同的安全系数。净截面应力达到抗拉强度，构件就要被拉断。可以附加一个系数y =〜。因此，设计拉杆时拉力不该超过八和一Ja，ru yyynY是抗力分项系数，A和A^别离是毛截面和净截面面积。由毛截面控制设计的条件是Q235钢，A>炫A=0.78A；Q345钢，A>1.25A=0.92A。Q235钢拉杆一般不会由净n1.60 n1.36截面强度控制，因为An/A通常不低于。对Q345钢的构件，若是要毛截面屈服控制，排列螺栓时需要注意在垂直拉力的方向不能太密。屈强比匕/fy一般随材料强度的提高而降低。初始弯曲和残余应力对有孔拉杆的影响和无孔拉杆的影响没有区别。有孔拉杆受力的一个特殊情况，是孔洞造成的应力集中。当结构承载静力荷载时，只要材料有足够的塑性和韧

性，则在应力顶峰处材料屈服后，应变增大而不断裂，应力散布逐渐平缓。最后，净截面全数屈服，和没有应力集中的情况一样。残余应力和应力集中不降低拉杆的静力强度，靠的都是钢材的塑性。由此可见，塑性变形的性能对钢结构十分重要。孔旁应力集中不影响杆的强度。【净截面的效率】设计拉杆的拼接一般都注意截面的各部份尽可能能取得直接拼接。直接传力的条件下，净截面全数有效。在节点上用两块节点板连于翼缘，而腹板没有任何连接。这时，净截面的强度就不能完全发挥出来。设拉断力为N，A和气别离是毛截面和净截面面积，即N<Af,以A=N/f作为有效净截面，则净截面的效率门=A/A，门的数值和很多因素有关，e u en其中一个重要因素就是构件截面上的材料相对于节点板的散布情况。材料贴于节点板并和节点板相连的部份占的比重越大，门就接近于1。这部份比重可以由构件截面形心到节点板的距离来衡量。偏心距越大，则未直接连接于节点板的部份越大，散布情况越不利。对于双节点板的连接，每块节点板分担构件内力的一半。因此，距离为半截面形心至节点板的距离。按如实验资料，净截面的效率还和连接长度l有关。l值大者效率比小者高。杆宽度越大而连接长度越小，则危险截面处的应力散布越不均匀。构件拉断时，危险截面的应力还不能完全均匀，从而使构件承载能力降低。这种不均匀的现象起因于正应力是靠剪力的作用逐渐由集中而转化为均匀的。板的宽度越小，即需要传播的范围越窄，均匀散布也就可以够在越短的距离内实现。这种正应力散布不均匀现象称为剪切滞后。影响净截面效率的还有一些其他因素，如材料的塑性、制孔的方式和紧固件的排列等。强度高而塑性低的材料，净截面效率门比式门=1-1/1的低。采用冲成的栓孔，也会使门降低，需要在门=1-1/1的基础上乘以。紧固件排列的影响主要体此刻行距g和孔距d的比值。行距大者效率较低。综上所述，在按净截面拉断设计拉杆时，不仅要用净截面进行计算，还要注意净截面是不是全数有效，并引进必要的系数门。无孔拉杆虽然不以净截面拉断作为极限状态，但在截面仅部份直接连接的情况下，端部仍然存在剪切滞后现象。【角钢拉杆】内力不大的拉杆，常常利用角钢来做。其中最简单的是单角钢拉杆。这种拉杆可以贴于节点板的一侧，构造简单，但连接有偏心作用；也可以对称于节点板放置，其连接没有偏心，但需要在杆端开槽或节点板上开槽，才能插入。双角钢拉杆是角钢拉杆中最多见的形式。两根角钢或是一路连于一块节点板，或是别离连于两块节点板。后一情况，两角钢应该用缀材加以联系。一、单角钢拉杆贴于节点板一侧的单角钢拉杆构造简单，但受力情况却比较复杂。由于只有一个肢和节点板连接，节点板传来的力不通过截面形心，角钢偏心受拉，而且绕截面两主轴都有弯矩。1eIxeIy在弹性范围内截面任一点的应力。=N;+广（y-弋1）+尸（x-十），其中，I为AIIII xymymxmyII-12 II-12对xy轴的惯性积、= 一乎,I= —斗。通常拉力N作用在节点板的中平面y x内，即距离角钢背ab半个节点板厚度。N位于角钢肢宽一半处时截面上最大应力的绝对值最小，受力情况最有利。这就是说，角钢肢尖和肢背的连接焊缝宜各取需要焊缝总量的一半，而不是像双角钢拉杆那样按和分派。单角钢拉杆在偏心受力的状态下，若是杆端连接有足够强度，杆件最后将在连接焊缝端部拉断。拉断前虽然截面能够完全屈服，但终因弯矩存在而使完全屈服的拉力和极限拉力都稍低于轴心压杆。我国轻型钢结构小组完成的实验表明，单肢连接的单角钢拉杆的极限拉力和轴心拉力的相差不很差异，一般都能达到轴心拉杆承载能力的80%以上，因此，设计时可以看成轴心拉杆计算，不过要把构件及其连接的强度设计值乘以。GB50017规范就是这样规定的。二、 双角钢拉杆为了避免缀板受压屈曲，双角钢拉杆必需有足够的厚度，同时缀板应尽可能靠近杆端，以保证节点连接的良好性能。三、 桁架单角钢腹杆的布置单角钢经常常利用作轻型桁架的腹杆。T形钢作为弦杆的轻型桁架的两种不同的腹杆布置：一种是腹杆连在弦杆的同侧，另一种则在双侧交替布置。在双侧交替布置，腹杆轴线在桁架平面内可以汇交于弦杆轴线，不对后者造成偏心受力，似乎是可取的。在桁架平面外的偏心力矩只能由腹杆承担，因为弦杆的抗扭刚度很小。因此腹杆在弦杆双侧交替布置时，腹杆的弯曲应力要比同侧布置大很多。【螺纹拉杆】用圆钢做成的拉杆，当长度较大时，很容易因自重而下垂。若是杆端部有螺纹，或中部设置花篮螺栓，使通过扭紧螺帽而产生一点预拉力，就可以避免下垂。有效截面积在净截面积和毛截面积之间，可以按下式计算：A=vD2(1-kp，式中，e4 DD为螺杆公称直径；p为螺距；k为系数，对公制粗牙螺纹可取。上式相对于有效直径为D=D-0.9382p。第六章轴心压杆【轴心压杆的极限状态】一、轴心压杆的失稳形式轴心压杆承载能力的极限状态是丧失稳定，完善弹性直杆失稳的临界力，可由欧拉公式得出，欧拉公式给出的临界力Ne=兀2EI/12，是杆件能够继续维持直线平衡形式的极限荷载，达到这一荷载后杆件就发生弯曲变形。丧失直线形式的平衡并非必然是由直变弯，也可能由直变扭，即呈扭转屈曲。按照弹性稳定理论，两头铰支且翘曲无约束的杆，当截面为双轴对称或极对称时，扭转屈曲的临界力%=(GI+兀2EIw/12)/i2，其中，GI是杆自由扭转刚度；EIw是杆约束扭转刚度；i0是截面关于剪心的极回转半径。一根具体的轴心压杆，达到承载能力的极限状态时究竟呈弯曲屈曲仍是扭转屈曲，要看它的材料和截面特征EIy、EIw、GIt和长度l的大小。除弯曲屈曲和扭转屈曲外，轴心压杆还有另外一种可能的失稳形式，即弯曲和扭转同时发生的弯扭屈曲。对两头铰支且翘曲无约束的弹性杆，弯扭屈曲临界力N，即%(N-Np(N「N「一N\y2=0。其中，Ny为按欧拉公式计算的绕y轴弯曲屈曲的临界力；%为扭转屈曲临界力；y,为剪心坐标。当截面绕对称轴弯曲刚度较小，扭转刚度也不大时，弯扭屈曲成为这种杆件承载能力的极限状态。用作轴心压杆的单轴对称截面，常见的有T形截面，可以是轧制的、焊接的或由H型钢一分为二切成的。这种截面用作桁架弦杆构造方便，可以省去节点板。双角钢组合而成的T行截面也是桁架常见的截面。单角钢不仅用于轻型桁架的腹杆，而且大量用于塔架。轴心压杆采用没有对称轴的截面，绕两主轴弯曲都会伴随有扭转，使临界荷载老是低于弯曲屈曲临界力，也低于扭转屈曲临界力。不等边的单角钢就属于这种情况。设计单角钢轴心压杆，应注意，除垂直于对称轴的主轴x夕卜，绕其他轴弯曲都会受到扭转的影响。据电力建设研究所的实验资料，临界力因扭转而降低的相当于计算长度增大10%〜20%。二、缺点的影响轴心压杆三种不同失稳形式的临界力。三种不同失稳形式针对完全弹性的材料和完善而无缺点的杆推得的，还不能直接用于设计计算。现实的钢压杆是用弹性材料制成的，它既有几何缺点又有力学缺点。几何缺点主如果杆件并非直杆，或多或少有一点初始弯曲，也可能有一点初始扭曲。另外，截面并非完全对称，从而形成初始偏心。力学缺点包括屈服点在整个截面上并非均匀和残留应力。对压杆性能影响最大的是初始弯曲和残余应力。初始偏心的影响和初始弯曲大体相同，常和残余应力并在一路考虑。初弯曲的存在使轴心压杆丧失稳定的性质发生了改变。直杆在荷载达到临界力时失稳，属于平衡分岔问题，在弹性范围内。随着荷载和挠度的增大，部份截面进入塑性，杆件的刚度逐渐降低。初始扭曲使杆件受压收产生扭矩和剪应力。剪应力和压应力相配合，使杆件提前屈服，从而影响杆件承载力。残余应力在压杆截面上的散布转变无穷，它既和轧制后的冷却、焰割、焊接等进程有关，也和材料厚度和截面组成形式有关。同一型式但尺寸不同的截面，残余应力散布还会有不小的不同。轧制型钢残余应力的绝对值不受其屈服点的影响。因此，随着材料屈服点提高，残余应力的影响相对降低。相对厚度大者残余应力大。焊接截面在焊缝处一般都有高达材料屈服点的残余拉应力。厚板焊成的截面残余应力不仅高于薄板焊接截面，而且还有沿板厚转变的特点。残余应力对压杆性能的影响程度，主要取决于残余压应力的大小，它的转变情况、散布宽度和在截面上占据的部位。原因是残余压应力使压杆的一部份提前屈服，从而减弱杆件的刚度。残余应力不仅对不同截面形式和不同生产条件的压杆稳定承载能力影响不同，对同一杆件的不同屈曲轴影响也不相同。对有残余应力的杆，若是经退火处置使残余应力大体消失，则受压承载力可以由较大提高。在实际工程中，对构件进行退火难于做到。因此，企图消除残余应力是不现实的。不过，可以通过适当的设计和工艺办法，可取得比较有利的残余应力散布。如翼缘加焊了盖板，翼缘不加盖板而仅在其边缘堆焊焊珠。对现有的压杆若是荷载比原设计值增大，就可以够采用这两种办法来加固，但加固施焊时可能需要用其他方式经受此杆的荷载。【轴心压杆的稳定计算】一、 甲曲线的肯定Nf〃轴心压杆不致因弯曲屈曲而丧失承载能力的计算公式是一<i=f，式中，甲是轴9Arr心受压稳定系数。如何具体考虑几何缺点和力学缺点的影响来肯定中系数，有两种方式。第一种方式是采用切线模量理论，e按残余应力的散布决定，初始弯曲的不利作用在安全系数范围内考虑。第二种方式是采用极限承载能力理论，同时计入初始弯曲和残余应力的效应。由于初始弯曲在实际构件中不可能完全避免，钢结构施工规范又对初始弯曲的矢高有所限制，在肯定甲值时具体计入初始弯曲的效应比较合理。目前利用最多的是极限承载力理论。甲曲线的特点是尽可能以统计和概率原理作为依据，而且理论分析和实验紧密结合。在理论计算中，所有几何缺点、屈服应力和残余应力的数据，都由实验资料统计分析得来。为了利用方便，甲曲线还应该用比较简便的公式来表达公式采用Perry型式可以取得和曲线很接近的结果，即（1—甲）（1一入2甲）=a（入一0.2）甲。对于欧钢协的a、b、c三条曲线，a别离取、、.我国为了采取多条柱曲线，做了大量的计算分析和一部份实验。结合我国的应用情况，重点放在焊接H型钢和双角钢组合截面上。其他截面如普通工字钢、T型钢和钢管等也做了分析，随后归纳为三条曲线。和欧钢协的曲线不同的是没有人从0〜时的水平段。常常利用的双角钢T形截面、焰割边的焊接工字形截面以合格构式截面都归b曲线。因此b曲线将是设计顶用得最多的曲线。刚层建筑钢结构的柱子无论是H形仍是箱型截面，板件厚度常常在40mm以上，有时乃至超过100mm。当板厚超过40mm时稳定系数甲低于c曲线，即d曲线。箱形截面的稳定系数甲可以用c或b曲线。二、 扭转屈曲和弯扭屈曲计算用公式N=1/i2（GI+兀2EI/12）和i2（N-N）（N-N）-N2阡=0计算扭转9 0t w 0y y。 。 y。 >4s屈曲临界力和弯扭屈曲临界力，只能用于弹性范围，且没有计入几何缺点和力学缺点的不利效应。对有初始扭曲和残余应力的十字形截面轴心压杆的扭转屈曲进行研究后，得出两种缺点都不可轻忽。弯扭屈曲比扭转屈曲更复杂，目前通行计算弯扭屈曲的方式是先把问题按弹性条件转化为弯曲屈曲，然后按弯曲屈曲来考虑非弹性和缺点影响。欧钢协规定计算弯扭屈曲的公式人=、;w作为通用长细比，计算稳定系数甲，然后进行稳定系数验算。其中，by。=N4/A，若是把这个弯扭屈曲应力看成是一根长细比为X、的杆的弯曲屈曲临界力，则by。=兀2E/七2，%是把弯扭屈曲转化为弯曲屈曲的换算长细比。在GB50017规范中换算长细比的符号是人宓,计算公式是其中e0为截面形心至剪心的人.=^=|（人2+人2）+j（A2+人2）2一4（1-其中e0为截面形心至剪心的距离；i0为截面对剪心的极回转半径；人^为构件对对称轴的长细比；气为扭转屈曲的换算长细比，人2=i2A/（I/25.7+1/12）；l为扭转屈曲的计算长度。z0 t www把弯扭屈曲作为弯曲屈曲对待的缺点，有些情况下设计出的构件偏于不安全，同时弯扭屈曲的概念受到淡化，容易被设计人员所轻忽。开口冷弯薄壁型钢截面，因壁薄而抗扭性能低。当为单轴对称时，在轴心压力作用下，绕对称轴弯扭屈曲的问题特别突出。我国采用的方式也是通过换算长细比转化为弯曲屈曲的.s2+i2 <s2+i2 i2一以e2办法。换算长细比的公式是（以x轴代表对称轴以=入,220+J（22。）2一"0—2―，人21式中，e为剪心至形心的距离；s2=_厂（-w+0.039I），l=61，郎为和端部约束条0 A12 tww件有关的系数。当开口截面杆件两头铰支且端截面自由翘曲时，以=6=；两头铰支而端截面翘曲完全受到约束时，a=，6=。轴心压杆的扭转屈曲，一般设计规范都没有计算规定。十字形截面的杆虽然有可能在弯曲屈曲之前发生扭转屈曲，可是只要注意了板件局部稳定的要求，就不会有扭转屈曲的危险。原因是扭转屈曲和局部屈曲都是以绕形心纵轴转动为特征。截面用于轴心受压时，扭转屈曲不能等同于局部屈曲。一般说来，对板件宽厚比大而翼缘又窄者应多加注意。设计中需要计算时，可以像计算弯扭屈曲那样通过换算长细比转化为弯曲屈曲问题。T形截面压杆还有两个特征值得关注。其一是板件局部屈曲和杆件整体屈曲的关系。由于板件间的相关作用，腹板和翼缘同时屈曲，其夹角维持直角。这种局部屈曲的变形模式恰好和杆件绕剪心整体扭转屈曲一致。它们的临界应力必然相同。第二个特征是当T形截面杆沿剪心纵轴经受压力时，绕y轴屈曲时只弯而不扭，相应的承载能力高于荷载作用在截面形心的情况。GB50017规范对T形截面腹板宽厚比的限值（15+0.2人儿：235，，（用于热轧剖分T形钢）和（13+0.17人>：235，（用于焊接T形钢）就是针对这种情况制定的。【压杆的计算长度】一、杆端约束从弯曲边界条件来讲，或为完全转动的铰，或为绝对不能转动的刚性嵌固。实际构件端部的构造情况既不可能没有一点转动约束，也不可能丝毫不发生转动。在柱下端焊上一块底板，沿柱的强轴用两个锚栓把底板固定于基础，实际上是对柱下端有相当大的转动约束作用，它的性能更接近于嵌固。实验表明，上端简支，下端焊接的压杆经受的极限荷载比上端简支，下端嵌固的杆计算临界力大一些；比两头铰支的杆更大。对焊接柱脚在不同压力作用下的转动刚度做出测定，并提出了考虑柱脚约束作用的具体建议。柱上端为不动铰时，可采用下列计算长度系数:H形截面绕弱轴屈曲日,=，H形截面绕强轴屈曲日,=，这两个系数别离对应于柱底约束系数G^=和。梁对柱的约束作用首先需要肯定梁柱连接处弯矩M和转角0之间的关系，从而找出连接的转动刚度。这一刚度显然和连接构造方式有直接关系。其中，用两头T形钢连接的转动刚度最好，可以为是刚性连接；用端板的法兰盘式连接的刚度次之；梁上下翼缘用角钢或角钢和钢板连接刚度再次之，可以为是半刚性的；仅把梁腹板用单角钢、双角钢或端板连接的，转动刚度很小，属于柔性连接。肯定杆端的转动特性后，就可以够对约束的杆做稳定计算分析，分析时考虑初始弯曲和残余应力的影响。陈慧发等提出一个日系数的计算公式日=1-0.017以20.6，式中a=M.丁=吝为端部约束系数，R为转动刚度。M是有轴力作历时的塑性铰弯0MM k pc矩。以上是按梁无穷刚性进行计算的。实际上梁会有变形，应予以考虑。则转动刚度Rk应该为R，简化式即上=!+二，其中，I为惯性矩，L为长度。a=吝。按照k RR 2EI g g M以上两个公式，陈慧发建议设计时日系数，当^<0.5时，r=1.0；厂〉0.5，柱绕强轴弯曲r=0.95，柱绕弱轴弯曲r=0.90。以上肯定计算长度系数R的方式和传统的按弹性的完善直杆的计算不同。这里不仅联系构造的实际情况考虑了杆端约束的作用，而且计入了几何缺点和力学缺点的影响。并把计算长度推行到了弹塑性杆的范围。二、桁架和塔架杆件计算长度桁架抵达极限状态或是因拉杆屈服，或是因压杆屈曲。实用的设计方式并非采用桁架稳定整体分析方式，而是简化为逐个压杆的稳定承载力计算。在计算时考虑其他杆件的约束效应，由杆件计算长度来表现。一、桁架平面内的计算长度在分析钢桁架的杆件内力时，常常假定杆件在节点上铰接。这样算得各杆的轴向内力和实际情况出入不大。可是，钢桁架的节点构造，无论是铆接或焊接，实际上都接近刚节点，同一节点上各杆之间的夹角在桁架变形进程中维持不变。由于节点的刚性，各杆不仅经受轴力，也会出现弯曲。这种弯曲属于二阶效应性质，习惯上称为次弯曲或次应力，它的大小和杆件抗弯刚度有直接关系。杆件愈刚劲，弯矩愈大。研究表明，除杆件短而粗的桁架外，设计时一般可以不考虑次弯矩的效应，因为材料具有很好的塑性；另一方面，节点刚性对压杆屈服起有利影响，即造成结构失稳的整体性，使最危险的压杆受到相邻杆的约束作用。桁架在均匀荷载作用下，上弦各节点内力不同。若是内力不同的上弦杆各按自身的内力选定截面，同时腹杆因截面小而刚度弱，它对弦杆的约束作用可以忽略，则这些弦杆将在同一荷载作用下同时屈曲，彼此不起约束作用。可是，对跨度不大的桁架，为了简化制造，通常都不转变弦杆截面。按照按稳定理论分析的结果提出下列计算长度系数R=、：1―5,式4n中n是上弦节间数。在节间数量不多时，约束效应比较显著，原因是节间数少，贝怫邻节间内力相差比较差异，约束效应就大。实际上腹杆也会起一些约束作用，计算长度系数还会比弦杆低一些。目前我国设计规范规定受压弦杆的计算长度取其几何长度，即R=1，没有利用其他弦杆的约束作用。受压腹杆所处的情况比受压弦杆有利。腹杆下端连于受拉下弦，而下弦的截面和刚度常比腹杆为大，约束作用较强。弦杆的线刚度和腹杆的线刚度比愈大，则约束作用愈大。我国设计规范规定腹杆计算长度系数R=0.8。若是考虑相邻腹杆也起约束作用，日值还可以降低一些。当相连杆件较少，我国规范规定不计约束影响，取R=1o当腹杆体系为交叉斜杆时受下弦杆约束影响不大，计算长度比几何长度减小不多，故取几何长度。若是考虑相交拉杆在节点处的转动约束，则当两斜杆的拉、压力绝对值相等时，压杆的计算长度等于其几何长度的倍。若是再计及下弦杆在端点的约束作用，则计算长度进一步减少。若是弦杆截面转变，端部受压腹杆来自相邻弦杆的约束就要减弱。若是腹杆截面转变，则中部腹杆的约束条件和桁架的荷载性质有关：只经受静荷载时，腹杆和弦杆同时达到最大内力，弦杆对腹杆丝毫没有约束作用；当荷载以行动荷载为主时，腹杆内力最大时弦杆内力较低，则受压弦杆和受拉弦杆都对腹杆起不同程度的约束作用。腹杆截面转变，中部腹杆截面减小，对中部受压最大的弦杆不利。另外，不同构造方式的节点是不是都可看成完全刚性和节点连接在达到极限状态时的性能，也还需要做很多研究工作。最近几年对桁架极限承载能力分析提出了一种分析方式，即对桁架作整体考察，计及节点刚性，并允许在一部份杆端出现塑性铰，直至某一杆屈曲或桁架变形过大而不能继续承载，才达到承载能力的极限状态。二、桁架平面外的计算长度弦杆在平面外的计算长度取决于支撑布置情况，即等于侧向支撑点的间距。和受压弦杆的桁架平面内的计算长度一样，不考虑节点处的转动约束。节点板垂直于桁架平面方向的抗弯刚度很小，分析腹杆在桁架平面外的计算长度时都以为两头铰接，计算长度即等于几何长度。前提是节点不会出现垂直于桁架平面的位移，这或是由于节点处连有支撑，或是弦杆有足够的刚度。为此需要对受拉弦杆所能提供的刚度进行考察并提出有关的准则。受拉弦杆的刚度既和它的截面积及所受拉力有关，也和纵向支撑体系布置有关，纵向支撑杆在弦杆侧向弯曲时起不动支座的作用。若是它的间距过大，受拉弦杆就可能刚度不足。一般情况下，桁架端部受拉弦杆的侧向无支长度不宜超过节间长度的2〜3倍。比较复杂的问题是交叉腹杆体系中压杆的计算长度。交叉腹杆在构造上有两种做法：一种是两杆在交叉节点处都是持续的；另一种是一杆持续，另一杆断开用节点板相连。当杆件构造上是两杆持续的，则需要区分杆件受拉、受压和不受力三种不同情况分析。当杆件受拉时，弹性支座的刚度很大，一般情况是持续的两杆几何尺寸、拉力、压力大小都相同，即计算长度系数日=;当杆件不受力时，弹簧刚度只和杆的截面惯性矩及长度有关，当两杆截面、长度都相同时，计算长度系数日=;当杆件受压力时，其弹簧刚度进一步降低。若是两杆件尺寸和内力相同，则二者同时屈曲，彼此之间完全没有约束，计算长度系数日=1，这种情况下，交叉点彼此连接虽然没有起到减小计算长度的作用，但却使杆件在全长范围内的扭转受到阻碍，习惯上都按绕平行于角钢边的弯曲屈曲计算稳定。还有一种情况，就是用板相连接的杆受压而持续杆受拉。这种杆有两种可能的失稳形式：当弹簧刚度强而杆刚度弱时，弹簧支座不动而杆弯曲屈曲；反之当弹簧刚度较弱时，则弹簧拉开而屈曲。设计时应该要求弹簧有足够的刚度。以上所述主如果应用弹性稳定理论进行分析，反映了结构正常工作阶段的情况，而对工程设计来讲，更重要的是抵达极限荷载时构件的性能。实验证明，当两杆尺寸和材料都相同时，拉杆可以对压杆起不动铰支座作用。计算长度取为1L，在弹性和非弹性范围都适用。实验还证明，当荷载加大到使压杆屈曲以后，还可以继续增大。虽因屈曲而承载力下降，但拉杆承载力增加的更快了。由此可见，按弹性稳定理论分析取得的结论，在交叉斜杆计算长度问题上有普遍适用性。3、塔架杆件的计算长度塔架属于空间桁架，它的类型很多，这里分析的是输电塔一类用角钢组成的四边形塔架。塔架杆件常常利用单角钢做成，其四根主杆的两肢都和腹杆相连，可看成轴心受压计算。腹杆仅用一个肢和主杆相连，构造使之偏心受力。设计时可以把这一类偏心压杆简化为轴心压杆去计算，计算时或是降低材料抗力，或是放大杆件的计算长度，以计入偏心的效应。塔架主杆的计算长度，随腹杆体系的布置而有所不同。在主杆每一节点处，两个面内都有腹杆相连时，计算长度取两相邻节点的间距L，在计算它的长细比时应取截面的最小回转半径ix。当并非在每一节点处两个面内都有腹杆时，分两种情况：每隔一个节点为两个面的一路节点，主杆的计算长度即取这种节点的间距，相应回转半径为平行于肢边轴的回转半径ix1；对腹杆体系，两个相邻面完全没有一路节点，此时计算长度可取为，回转半径也按平行轴来取。两种情况长细比取入=L是从主杆各节间长度相同、内力也不转变动身的。若是ix节间长度和内力有转变，按长而内力大的节间进行计算显然是偏于安全的。当长度或内力相差比较差异，可以考虑相邻节间的彼此约束，从而找出计算长度系数H。当长细比取为人=L时，并未计及扭转影响，偏于不安全。建议把主杆计算长度取为ixX=—6'1+(1.5^—)6=旦—，式中，b和t别离是主杆角钢的宽度和厚度。GB50017把i\ Ltix1 x1上式的系数简化为R=1+0.25修搭)，适用于b/1<0.69L；，当b/1>0.69匕时人=5.4b/1。塔架腹杆的处境和桁架腹杆有一点不同，这就是：桁架腹杆有一端和受拉弦杆相连，从而在该端得转动受到约束；塔架腹杆则有可能两头所连的主杆都受压。因此，塔架腹杆一般不考虑弦杆的约束作用，对于单系腹杆，计算长度即为几何长度。对于交叉腹杆，当两杆一拉一压且绝对值相等或很接近时，相交点无论在面内和面外都可以起支点作用。当塔架腹杆体系有再分杆时，再分杆可否减小斜腹杆的计算长度，首先要看是不是形成了几何不可变体系。计算长度究竟减小到什么程度还要看相邻面杆件的受力情况。若是相邻面杆件和该面杆件经受一样大小的压力，则彼此之间没有支援作用，该面杆件的计算长度仍是不能减小。只有相邻面杆件受拉或经受较小压力，该面杆件的计算长度才能减小。当两面杆件的截面和长

度都相同时，计算长度系数可由下式算得：I胃*，式中5P别离为计算杆和被依托杆的内力，压力取正，拉力取负。当P=P'时，^=1.0，计算长度不能减小。当P<-—P'时r=0.5。2交叉杆中有一杆断开用节点板相连，有损于杆的弹簧刚度。塔架交叉腹杆节点处有水平杆时，连接构造有两种做法，即斜杆不持续或水平杆不持续。构造方式不同，斜杆抗压承载能力就有不同。斜杆持续的做法比不持续者承载能力提高40%。4、有支撑柱的计算长度当I形截面柱绕两个主轴的惯性矩相差差异时，适当减小绕弱轴屈曲的计算长度可以充分利用材料的性能。当支撑系统的节间长度相同，且柱脚为铰接时，柱段绕弱轴屈曲时的计算长度即为节间长度。可是，当节间长度不等时，柱段之间有彼此约束作用。不考虑这种约束作用，以较大的节间长度为计算长度，将多用钢材。两节柱间情况。由弹性稳定理论得出的计算公式是以kl(cot以kl+cotal)-(1+k)=0，式中：k为短节间与长节间之比k=a/l；a为参数，a2=N，EI为柱在支撑平面内的弯曲EI刚度，解出a后可得柱计算长度Rl=ya。简化公式R=1-0.3(1-k)0.7。此式适用于0<k<1的范围内，误差小。三节柱间情况。其中第一和第三节间长度相等，计算长度系数的简化计算公式别离为:第一和第三节擅长第二节时，R=0.7+0.3k；第一和第三节短于第二节时，日=1-0.5(1-k)0.8，两式适用于0<k<1的范围内，k=a/l。三、扭转边界条件和计算长度扭转边界条件由杆端的扭角及其对杆轴线的导数来表达。设4为杆端扭角，贝上简支端，截面不能扭转，但可自由翘曲4=0『'=0；固定端，截面不能扭转，也不能翘曲4=0妒=0；自由端，截面自由翘曲，且扭矩为零妒=0(GI-Ni)4'-EI4"'=0。杆件具有何种边界条件由构造方式决定。杆件扭转屈曲临界力公式适用于边界条件4=4〃=0。更普遍的公式应是，式中，七时扭转屈曲的计算长度。当两头简支时，R=；当两头嵌固时，七=头嵌固时，七=；当一端简支，另一端嵌固时可取七=。杆件弯扭屈曲的临界力计算时n4由上式决定，N也应考虑它的计算长度系数，即丸2EI"。计算长度系数七的精准值和扭转边界条件也有关系。在设计工作中%可以y一端铰支、另一端嵌固时按弯曲屈曲时的数值取用，即两头铰支时%=，两头嵌固时%=，一端铰支、另一端嵌固时【格构式压杆】一、剪力对格构柱稳定的影响原因是相应的抗剪刚度对格构式压杆计算绕虚轴的稳定性时，必需考虑剪力的影响原因是相应的抗剪刚度，式中，N时杆件作为_N比较弱。弹性杆考虑剪力影响时的临界力计算公式是，式中，N时杆件作为1+—ES实腹柱看待时的欧拉临界力；S是缀材体系的抗剪刚度，即产生单位剪切角所