工学水工钢结构

工学水工钢结构第1页/共199页

绪论(Introduction)§1课程的性质和任务§2钢结构的特点§3钢结构的应用§4钢结构设计的要求§5水工钢结构的发展主要内容：第2页/共199页

课程概况钢结构是土木工程专业的主要专业课之一，也是水工、港航、海工、农水等水利类专业的专业基础课。钢结构是当前我国重点推广和发展的结构形式。钢结构是采用钢材制作而成的结构，是建筑工程的主要结构形式之一。课程的主要内容包括材料、连接、基本构件三大部分。不同结构形式都是由基本构件联结而成，基本构件的核心问题是稳定问题。本课程为2学分,计划授课32学时。本课程课堂授课结束后集中安排一周的课程设计。§1课程的性质和任务

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课程特点与学习要求本课程是结构工程中按材料划分出来的一门学科，先修课程有：材料力学、结构力学以及概率统计等。本课程的主要任务是：着重学习（水工）钢结构的基本理论与基本知识，掌握（水工）钢结构的选材、构造原理、计算方法与结构布置原则。能设计简单的（水工）钢结构构件，对（水工）钢结构的新发展有一定的了解。

本课程的特点是：大家对钢结构的感性认识少，结构构造复杂，理论性强（特别是稳定理论）。多看书，搞清空间构造，加强感性认识；多作题，避免眼高手低。§1课程的性质和任务

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平时成绩占30％期末考试占70％，其中平时成绩主要包括作业、考勤、课堂表现等方面；许桂生水利水电教研室主楼B620TEL:61772453E-mail:xu_guisheng@

课程的意义、成绩评定§1课程的性质和任务

第5页/共199页水工钢结构设计的有关规范钢结构设计规范

GB50017-2003建筑结构可靠度设计统一标准

GB50068-2001建筑结构荷载规范

GB50009-2001水利水电工程结构可靠度设计统一标准GB50199－94水工建筑物荷载设计规范DL5077-1997水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95

§1课程的性质和任务

第6页/共199页钢结构基本概念钢结构：由钢材通过连接而成的承载结构。钢材：通常指型钢和钢板；钢丝绳或钢丝束。型钢：具有一定几何尺寸等级规格的轧制钢材，比较常见的角钢、工字钢、槽钢、T型钢等(P26)。连接：焊缝连接、螺栓连接、铆钉连接等(Ch3)。§1课程的性质和任务

第7页/共199页钢与铁钢是一种铁碳合金，为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过2%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。铁矿石高炉生铁钢炼钢炉一般生铁的含碳量大于2％，钢的含碳量小于2％。§1课程的性质和任务

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1承载能力大

钢材强度高，重量轻，在结构重量相同时，钢结构的承载能力更大。

2稳妥可靠

(1)钢材在使用阶段接近理想弹塑性体，这使得理论计算与实际情况相吻合。

(2)钢材具有良好的塑性和韧性，不会因偶然的超载而破坏，对动力荷载适应性强。§2钢结构的特点

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3工业化生产，施工周期短钢结构构件一般可以在工厂由专门机具加工，生产效率高，且不受气候影响。

4密闭性好钢材本身组织致密，因而具有良好的气密性和水密性。

5耐热不耐火钢材在200oC以下时性能变化很小，但在温度超过300oC后强度和弹性模量会显著下降。

6耐腐蚀性差新建钢结构，一般都需要采用油漆、喷铝、镀锌等进行防绣涂装，在涂装前需认真除锈，以后定期涂装，所以维护费用较高，这是钢结构的主要缺点。§2钢结构的特点

第10页/共199页活动式结构：闸门、升船机等；装拆式结构：钢模板、砼搅拌楼等；密封结构：压力管道、贮液罐、贮气罐等；高耸结构：电视塔、微波塔等；大跨度结构：桥梁、体育馆等；海工钢结构：钻井、采油平台等。§3钢结构的应用

第11页/共199页泸定桥位于四川省泸定县境内，始建于1705，桥身由13根铁索组成，东西桥台之间净跨100米、铁索长101.67米、桥宽2.7米。泸定桥第12页/共199页玉泉寺在湖北省当阳城西15公里的玉泉山东麓，始建于东汉末年，为我国历代著名的佛教寺院之一。玉泉寺铁塔第13页/共199页艾菲尔铁塔第14页/共199页陕西铜川天然气公司1000立方米天然气球罐大连西太平洋石化有限公司1500立方米CF-62钢球罐第15页/共199页三峡挡水闸门吊装第16页/共199页桥第17页/共199页武汉长江大桥第18页/共199页武汉长江二桥第19页/共199页汉诺威AWD球场第20页/共199页国家体育场(鸟巢）全景效果图第21页/共199页《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)规定：结构的可靠度应采用以概率论为基础的极限状态设计方法分析确定。钢结构和其他建筑结构一样，遵循“统一标准”要求。除疲劳计算外，《钢结构设计规范》(GB50017-2003)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。水工钢结构的设计目前仍采用容许应力法。§4钢结构设计的要求

第22页/共199页《钢结构设计规范》(GB50017-2003)第1章总则第1.0.1条明确指出：“为在钢结构设计中贯彻执行国家的技术经济政策，做到技术先进、经济合理、安全使用、确保质量，特制定本规范”。也就是说，力求用最经济的方法，使所建结构满足下列基本功能要求：§4钢结构设计的要求

第23页/共199页（1）安全性结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力，以及在偶然事件（如地震、爆炸）发生时及发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。（2）适用性结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能力。（3）耐久性结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。

§4钢结构设计的要求

第24页/共199页我国钢结构的发展概况根据考古发现，我国在春秋时期已经开始使用人工制铁。公元前60－70年，已建成铁链桥。比较著名的铁链桥有云南的沅江桥、贵州的盘江桥、四川的泸定桥。此外，还建有不少铁塔，如湖北荆州的玉泉寺铁塔、江苏镇江的甘露寺铁塔等。§5钢结构的发展

第25页/共199页新中国钢结构的发展桥梁方面：1957年的武汉长江大桥；1968年的南京长江大桥；1992年的九江长江大桥；1993年的上海杨浦大桥；1996年的西陵长江大桥等。公用与民用建筑：首都体育馆（跨度99m平板）；上海体育馆（直径110m平板网架结构）；秦俑陈列馆（跨度70m的三铰拱钢结构）。塔桅结构：北京环境气象桅杆（1977，325m）；上海东方明珠电视塔（1995，468m）。水工结构：葛洲坝2号船闸人字钢闸门（34×9.7×2.5m，重600t）；三峡永久船闸人字钢闸门（38.5×20.2×3.0m，重1904t）；三峡升船机承船厢

（钢质开口槽形梁格结构，132×23×10m，过船吨位3000t）。§5钢结构的发展

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钢结构的发展趋势

1.高性能钢材的研制2.设计方法和计算理论的改进

3.结构形式的革新§5钢结构的发展

钢结构具有的优越特点，使它成为一种比较理想的结构。随着我国现代化建设的发展和钢产量的增加，钢结构的应用将会有很大发展，钢结构工程的科学技术水平也将进一步提高，其发展趋势为：第27页/共199页1.

高性能钢材的研制钢结构的突出特点就是钢材的强度高，因此特别适用于大跨度和承受大的荷载，采用高强度钢材，更能发挥钢结构这一优势。为保证必要的塑性、韧性和可焊性，钢结构用的高强度钢一般都是低合金钢。§5钢结构的发展

第28页/共199页我国高性能钢材的研制和应用屈服点为345N/mm2的16锰钢——南京长江大桥屈服点为390N/mm2的15锰钒钢屈服点为410N/mm2的15锰钒氮钢——九江长江大桥

国外高强度钢的发展日本、美国、前苏联都已把屈服点为700N/mm2以上的钢列入了规范，如何研制高强度钢并合理应用是一个重要课题。另外，耐腐蚀钢、宽翼缘工字型钢、方钢管、压型钢板、冷弯薄壁型钢等都能较好发挥钢材的效能，得到较好的经济效果，有着广阔的发展前景。§5钢结构的发展

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2.设计方法和计算理论的改进

《统一标准》和现行《钢规》都要求采用以概率论为基础的极限状态设计法，这是通过大量理论研究和试验分析取得的成果，但是还有很多问题需要进一步研究和完善，有大量的工作需要继续完成。

例如实际构件和几何缺陷的统计分析，残余应力的分布，机会缺陷和残余应力对承载力继续状态的影响；受压构件的极限承载力及其影响因素；多次重复荷载和动力作用下构件和结构的极限状态；钢材的塑性利用和板件屈服后的强度问题等等。§5钢结构的发展

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3.

结构形式的革新

（1）计算理论和计算手段的进步以及新材料新工艺的出现，为钢结构形式的革新提供了条件。网架一类的杆件多而超静定结构次数又多的空间结构大跨度悬索结构和斜拉结构预应力钢结构钢和混凝土组合结构

（2）结构形式革新的另一种形式是把梁、拱、悬索等不同受力类型的结构融于同一结构。

九江长江大桥北京北郊综合体育馆亚运村游泳馆§5钢结构的发展

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（3）随着高强度螺栓和焊接技术的发展，铆接结构已被栓焊或全焊结构代替。

厂房钢结构、塔桅结构、网架结构中广泛应用了高强度螺栓连接；西陵长江大桥的箱型加劲梁采用了全焊接结构；孙口黄河大桥桁梁采用了整体焊接节点、节点外拼接的新的型式。

（4）高层建筑钢结构的研究

近年来，我国已建成一批高层建筑，如：上海锦江饭店分馆（153m）深圳发展中心大厦（165m）北京京广中心大厦（208m）我国钢结构事业发展很快，结构革新在科研、设计、材料、制造加工、安装建设等方面还有许多工作要做。§5钢结构的发展

第32页/共199页CH1绪论CH2钢结构的材料和计算方法CH3钢结构的连接CH4钢梁CH5钢柱与钢压杆CH6钢桁架CH7平面钢闸门水工钢结构第33页/共199页Ch2

钢结构的材料和计算方法§1钢材的主要性能§2影响钢材机械性能的主要因素§3钢材的疲劳§4建筑钢的种类、牌号及选用§5轧成钢材的规格及用途§6钢结构的计算方法第34页/共199页§1钢材的主要性能一、一次单向拉伸试验曲线

fBACD第35页/共199页钢材的两种破坏形式：脆性破坏——在一定条件下，未产生警示性的塑性变形而突然发生的脆性断裂。塑性破坏——在应力达到抗拉强度fu后产生很大的塑性变形而发生的断裂。§1钢材的主要性能第36页/共199页二、钢材的主要性能强度－fy

强度设计标准值，设计依据；fu钢材的最大承载强度，安全储备。塑性－δu，钢材产生塑变时而不发生脆性断裂的能力，便于内力重分布，吸收能量，重要指标。冷弯性能－90o、180o，在冷加工过程中产生塑性变形时，对产生裂纹的敏感性，是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标。韧性－冲击韧性αk，钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的能力（动力指标），按常温（20o）、零温（0o）、负温（-20o、-40o）区分。§1钢材的主要性能第37页/共199页二、钢材的主要性能可焊性－表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能力－不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求。抗腐蚀性－钢材腐蚀速度是研究钢材腐蚀和抗腐蚀的重要指标，一般可按钢材每年腐蚀厚度的毫米数或单位时间内单位面积腐蚀减损的重量来表示。（水工）钢结构常用的防腐措施：

(a)涂料防护

(b)喷镀保护

(c)电化学保护§1钢材的主要性能第38页/共199页§2影响钢材性能的主要因素1、化学成份2、冶炼及轧制3、冷作硬化与时效硬化4、复杂应力与应力集中5、残余应力6、温度第39页/共199页1、化学成份的影响

基本成份为Fe，炭钢中含量占99％，C、Si、Mn为杂质元素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。C：含C↑使强度↑塑性、韧性、可焊性↓，应控制在≤0.20%。Si：含Si适量使强度↑其它影响不大，有益，应控制≤0.1~0.3%Mn：含Si适量使强度↑降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益。S：含量↑使强度↑塑性、韧性、冷弯性能、可焊性↓；高温时使钢材变脆－热脆现象。P：低温时使钢材变脆－冷脆现象；其它同SO、N：O同S；N同P，控制含量≤0.008%§2影响钢材性能的主要因素第40页/共199页2、冶炼与轧制的影响冶炼的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用Si为脱氧剂，时间慢，价格高，质量好。反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。§2影响钢材性能的主要因素第41页/共199页3、冷作硬化与时效硬化由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，脆性增加的现象称之为硬化现象。冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化。钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化”现象称之为时效硬化。§2影响钢材性能的主要因素第42页/共199页4、复杂应力与应力集中的影响钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反。钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部应力增大并多为同号应力场。§2影响钢材性能的主要因素第43页/共199页5、残余应力的影响钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内部自相平衡的内力,残余应力虽对构件的强度无影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不利影响。§2影响钢材性能的主要因素第44页/共199页6、温度的影响

温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。正温影响总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这一现象称之为热塑现象，温度达600o左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为热煅温度。需要说明：钢材在300o左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象。钢材在300o以上时应采取隔热措施。§2影响钢材性能的主要因素第45页/共199页6、温度的影响

温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。负温影响随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度。§2影响钢材性能的主要因素第46页/共199页钢材在交变应力作用下，在远低于抗拉强度时突然发生断裂的现象，称为疲劳破坏。疲劳破坏的特点：当重复荷载的循环次数n达到某定值时，在钢材中的应力虽然低于抗拉极限强度，甚至还低于屈服点，也会提前发生突然脆性断裂。破坏时塑性变形极小。§3钢材的疲劳第47页/共199页疲劳破坏的机理

钢结构的疲劳断裂是裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展以至断裂的脆性破坏。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。与疲劳破坏有关的几个概念

应力集中

钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应力的现象。

§3钢材的疲劳第48页/共199页应力循环连续重复荷载之下应力从最大到最小重复一周叫做一个循环。应力循环特征常用应力比来表示，拉应力取正值，压应力取负值。应力幅应力幅表示应力变化的幅度，用△=max-min表示，应力幅总是正值。疲劳寿命（致损循环次数）疲劳寿命指在连续反复荷载作用下应力的循环次数，一般用n表示。§3钢材的疲劳第49页/共199页§3钢材的疲劳第50页/共199页§3钢材的疲劳第51页/共199页§3钢材的疲劳第52页/共199页一、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类

钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法”四部分组成。Q：表示“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度”；质量等级：分A~E五级（字序越高质量越好）；脱氧方法：F－沸腾钢；Z－镇静钢（一般省略）；

b－半镇静钢；TZ－特殊镇静钢。注：碳素结构钢分：A、B、C、D四级，含所有脱氧方法；低合金结构钢分：A、B、C、D、E五级，只有镇静钢和特殊镇静钢。结构用钢宜选碳素结构钢中的Q235及低合金钢中的Q345、Q390、Q420四种钢材。§4建筑钢的种类、牌号及选用第53页/共199页二、结构用钢的选择钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强度fu、屈服强度fy、伸长率δ5（δ10）、冷弯180o及冲击韧性αk，化学成分C、S、P等的极限含量，以及冶炼脱氧方法来衡量。选材时应根据结构的重要性、荷载性质（静、动）、连接方法、工作温度等因素来综合考虑以选择适宜钢材。一般承重结构应有fu、fy、δ5以及C（≤0.22%）、S、P的极限含量合格保证；焊接及重要的非焊接承重结构还应具备冷弯180o合格保证（C≤0.2%）；承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时,还应根据具体情况增加对αk的不同要求。§4建筑钢的种类、牌号及选用第54页/共199页钢板：厚钢板、薄钢板、扁钢。型钢（热轧成型）：角钢、工字钢、H型钢、槽钢、T型钢、钢管等。冷弯薄壁型钢：采用薄钢板冷轧制成。钢材的规格§5轧成钢材的规格及用途第55页/共199页§5轧成钢材的规格及用途第56页/共199页（1）安全性

结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力，以及在偶然事件（如地震、爆炸）发生时及发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。（2）适用性

结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能力。（3）耐久性

结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。

结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。

钢结构的设计要求§6钢结构的计算方法《统一标准》：结构可靠度——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。《钢规》：除疲劳计算外，应采用以概率理论为基础的极限状态设计法，用分项系数设计表达式进行计算。第57页/共199页《钢结构设计规范》§6钢结构的计算方法第58页/共199页结构设计准则：结构由各种作用所产生的效应（内力和变形）不大于结构（包括连接）由材料性能和几何因素等所确定的抗力或规定限值问题及矛盾：荷载大小、材料强度、截面尺寸、计算模式、施工质量等因素均为随机变量（或随机过程）不确定，导致结构效应与抗力均为随机变量，不可能保证百分之百保证结构效应小于抗力或规定限值，只能作一定的概率保证。结构设计概述§6钢结构的计算方法第59页/共199页容许应力法（建国初～1957年）把钢材可以使用的最大强度，除以一个笼统的安全系数作为结构设计计算时构件容许达到的最大应力，即容许应力法：

N——构件的内力；

S——截面几何特性；

σs——钢材屈服强度；K——总安全系数；

σ——构件的计算应力式中：

优点：简单、明确缺点：太笼统。各构件的可靠程度各不相同，而整个结构取决于可靠度最小的构件

第60页/共199页半概率法（1957年～1988年）三个系数的极限状态计算方法（1957年～1974年）以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一设计安全系数的容许应力计算方法（1974年～1988年）材料强度概率：荷载概率：——材料强度和荷载的标准值——材料强度和荷载的平均值——材料强度和荷载的标准差——材料强度和荷载的保证系数第61页/共199页优点：对结构可靠性的处理有所改进缺点：对荷载、材料性能等的处理都取一个经验定值，因为这对结构可靠度的研究仅处于以经验为基础的定性分析阶段

式中：——根据标准荷载求得的内力；

——屈服强度；——

构件几何特性；、

、——

分别为荷载系数、材料系数和调整系数——

安全系数；——

钢材的容许应力半概率法（1957年～1988年）第62页/共199页水工钢结构：钢闸门、压力钢管、拦污栅、升船机等。《水利水电工程钢闸门设计规范》SL74-95《船闸总体设计规范》JTJ305-2001《水电站压力钢管设计规范》SL281-2003水工钢结构采用容许应力法进行设计，实质上属于半概率、半经验的极限状态设计法。水工钢结构的设计半概率法（1957年～1988年）第63页/共199页概率论为基础概率极限状态设计方法结构可靠度研究由以经验为基础的定性分析阶段推进到以概率论和数理统计为基础的定量分析阶段近似的概率设计法（分析中忽略和简化了基本变量随时间变化的关系，所以确定基本变量分布时有相当程度的近似性，且进行了线性化简化计算

）

概率极限状态设计(一次二阶矩)法（1988年～）第64页/共199页极限状态：实质上是结构可靠与不可靠的界限，故也可称为“界限状态”；对于结构的各种极限状态，均应规定明确的标志或限值两类极限状态：（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

包括：影响结构、构件和非结构构件正常使用或耐久性能的局部损坏（包括组合结构中混凝土裂缝）

概率极限状态设计法（1988年～）第65页/共199页功能函数

式中

Z=g(﹒)

——结构的功能函数；

xi(i=1,2,……n)

——影响结构或构件可靠度的基本变量仅有作用效应S和结构抗力R两个基本变量时结构的功能函数可表为：

荷载效应S：取决于各种荷载（恒载、活载、风、地震作用、温度变化等）结构或构件的承载力或抗力R：取决于材料、构件的几何特性等

概率极限状态设计法（1988年～）第66页/共199页由于R和S都是随机变量，其函数Z也是一个随机变量。三种可能状态：

结构可靠度：结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率

若以ps表示结构的可靠度则：

若以pf表示结构的失效概率则：

概率极限状态设计法（1988年～）第67页/共199页Z的概率密度fZ（Z）曲线定义：可靠指标=均值/标准差概率极限状态设计法（1988年～）第68页/共199页β——可靠指标或安全指标，与pf存在一一对应关系，β与pf变化相反。若Z为正态分布：由：有：由于β的计算只采用分布的特征值，即一阶原点矩（均值）μZ和二阶中心矩（方差）σZ2，对非线性函数只取线性项，而不考虑Z的全分布，故称此法为一次二阶矩法。概率极限状态设计法（1988年～）第69页/共199页β与pf对应表格不同结构构件承载能力极限状态的可靠指标β概率极限状态设计法（1988年～）第70页/共199页设计表达式《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。

简单荷载分项系数设计式：RK

——抗力标准值SGK——按标准值计算的永久荷载（G）效应值SQK——按标准值计算的可变荷载（Q）效应值

γ

——分项系数式中：

第71页/共199页一般情况下荷载分项系数：

γ

G＝1.2；γ

Q＝1.4永久荷载效应对结构有利时：γ

G＝1.0可变荷载大于4kN/m2时：

γ

Q＝1.3抗力分项系数：

Q235钢：γ

R＝1.087；

Q345、Q390；Q420钢：γ

R＝1.111其中：钢材强度设计值f——钢材强度除以对应的抗力分项系数，即分项系数γ

以可靠指标β为基础用概率统计方法求出。设计表达式第72页/共199页可变荷载效应控制的组合：永久荷载效应控制的组合：承载能力极限状态荷载效应的基本组合设计表达式第73页/共199页正常使用极限状态荷载效应的标准组合vGK

——永久荷载标准值产生的变形值vQ1K——起控制作用的第一个可变荷载标准值产生的变形值vQiK——其他第i个可变荷载标准值产生的变形值[v]——结构或结构构件的容许变形值式中：

设计表达式第74页/共199页§1连接的类型§2焊接方法和焊缝强度§3对接焊缝连接的构造和计算§4角焊缝连接的构造和计算§5焊接应力和焊接变形§6螺栓连接CH3钢结构的连接第75页/共199页焊缝连接铆钉连接螺栓连接§1连接的类型第76页/共199页铆钉连接

铆钉连接（riveted

connections）的制造有热铆和冷铆二种方法。热铆是由烧红的钉坯插入构件的钉孔中，用铆钉枪或压铆机铆合而成。冷铆是在常温下铆合而成。在建筑结构中一般都采用热铆。

铆钉打好后，钉杆由高温逐渐冷却而发生收缩，但被钉头之间的钢板阻止住，所以钉杆中产生了收缩拉应力，对钢板则产生压缩系紧力。这种系紧力使连接十分紧密。当构件受剪力作用时，钢板接触面上产生很大的摩擦力，因而能大大提高连接的工作性能。

§1连接的类型第77页/共199页§1连接的类型第78页/共199页§2焊接方法和焊缝强度第79页/共199页§2焊接方法和焊缝强度第80页/共199页钢结构常用的焊接方法手工电弧焊

埋弧焊（自动或半自动）气体保护焊

电阻焊§2焊接方法和焊缝强度电弧焊第81页/共199页手工电弧焊示意图§2焊接方法和焊缝强度手工电弧焊第82页/共199页优缺点：设备简单，操作灵活方便，适用于任意空间，工位复杂，形状复杂的焊缝焊接，特别适用于焊接短焊缝全手动，生产效率低，劳动强度大，焊接质量和焊工的精神状态与技术水平有很大关系焊条与焊剂：短焊条(350－400mm)：Q235—E43型；Q345—E50型；Q390与Q420—E55焊剂：附于焊条之药皮，保护电弧和溶化金属§2焊接方法和焊缝强度手工电弧焊第83页/共199页埋弧焊（自动或半自动）埋弧焊示意图§2焊接方法和焊缝强度第84页/共199页特点：焊丝不涂药皮，施焊端靠由焊剂漏头自动流下的颗粒状焊剂所覆盖电弧热量集中，熔深大，适于厚板的焊接生产率高，工艺条件稳定，焊缝化学成分均匀，焊缝的质量好，质量均匀、塑性、韧性好，抗腐蚀性强，焊件变形小，减小了热影响区的范围装配精度（如间隙）要求比手工焊高

埋弧焊（自动或半自动）§2焊接方法和焊缝强度第85页/共199页利用二氧化碳气体或其他惰性气体作为保护介质，保证了焊接过程的稳定性速度快，焊缝强度高于手工电弧焊，塑性、抗腐蚀性好

气体保护焊§2焊接方法和焊缝强度第86页/共199页电阻焊§2焊接方法和焊缝强度第87页/共199页焊缝连接形式焊缝形式（按构造分）：对接焊缝角焊缝§2焊接方法和焊缝强度第88页/共199页按受力方向分：对接焊缝：正对接焊缝、斜对接焊缝角焊缝：正面角焊缝、侧面角焊缝、斜焊缝焊缝形式§2焊接方法和焊缝强度第89页/共199页按长度方向的布置分：连续角焊缝：受力性能较好，主要的角焊缝形式间断角焊缝：容易引起应力集中只能用于一些次要构件的连接或受力很小的连接中连续角焊缝间断角焊缝§2焊接方法和焊缝强度焊缝形式第90页/共199页焊缝缺陷

焊缝缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷。产生裂纹的原因很多，如钢材的化学成分不当；焊接工艺条件（如电流、电压、焊速、施焊次序等）选择不合适；焊件表面油污未清除干净等。第91页/共199页焊缝缺陷：焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷常见缺陷：焊缝缺陷§2焊接方法和焊缝强度第92页/共199页焊缝质量检验《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）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；设计要求全焊透的一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求用超声波探伤进行内部缺陷的检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤检验，并应符合国家相应质量标准的要求。

第93页/共199页焊缝质量检验方法：外观检查、超声波探伤检验、X射线检验焊缝质量分三级:一级焊缝需经外观检查、超声波探伤、x射线检验都合格；二级焊缝需外观检查、超声波探伤合格；三级焊缝需外观检查合格；

焊缝质量检查第94页/共199页

《焊缝符号表示方法》(GB/T324-1988)规定：焊缝代号由引出线、图形符号、辅助符号三部分组成。焊缝符号第95页/共199页焊缝强度§2焊接方法和焊缝强度焊缝的强度主要决定于焊缝金属和主体金属、并与焊接形式、应力集中程度以及焊接工艺等。对接焊缝：抗压、抗剪同母材

抗拉I、II级——同母材，III级母材抗拉强度的85%角焊缝：抗拉、抗压和抗剪统一取最低值，不再区分。水工钢闸门等水工钢结构，应按《水利水电工程钢闸门设计规范》的规定采用焊缝容许应力。第96页/共199页焊缝强度设计值（N/mm2）

第97页/共199页焊缝强度设计值（N/mm2）

第98页/共199页§3对接焊缝连接的构造和计算对接焊缝的优点：用料经济，传力均匀，无明显的应力集中，利于承受动力荷载。

缺点：需剖口，焊件长度要精确。对接焊缝(butt

welds)的焊件常需做成坡口，故又叫坡口焊缝(groove

welds)。第99页/共199页变厚度板对接，在板的一面或两面切成坡度不大于1：2.5的斜面，避免应力集中

变宽度板对接，在板的一侧或两侧切成坡度不大于1：2.5的斜边，避免应力集中起落弧处易有焊接缺陷，用引弧板，采用引弧板施工复杂，除承受动力荷载外，一般不用，计算每条焊缝长度应则减去2t（t为较薄焊件厚度）

对接焊缝的构造处理第100页/共199页对接焊缝的计算对接焊缝的强度与所用钢材的牌号、焊条型号及焊缝质量的检验标准等因素有关。

受压、受剪的对接焊缝：与母材强度相等；受拉对接焊缝：一、二级焊缝与母材强度相等；三级焊缝为母材强度的85%。对接焊缝中的应力分布与原焊件基本相同，故计算方法与构件的强度计算一样，计算时焊缝中的最大应力（或折算应力）不能超过焊缝的强度设计值。第101页/共199页轴心受力的对接焊缝

直对接焊缝第102页/共199页轴心受力的对接焊缝

当斜焊缝倾角θ≤56.3°，即tgθ≤1.5时，可认为与母材等强，不用计算。斜对接焊缝第103页/共199页对接焊缝受弯矩、剪力联合作用第104页/共199页承受轴心力，弯矩和剪力联合作用

当轴心力与弯矩、剪力联合作用时，轴心力和弯矩在焊缝中引起的正应力应进行叠加，剪应力和折算应力仍按弯矩和剪力联合作用验算。

第105页/共199页角焊缝连接的形式按焊缝长度方向与作用力方向的关系可分为：垂直———

正面角焊缝(端缝)；平行———

侧面角焊缝(侧缝)

斜焊缝§3角焊缝连接的构造和计算第106页/共199页按截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝角焊缝的形式和强度直角角焊缝斜角角焊缝§3角焊缝连接的构造和计算第107页/共199页侧面角焊缝：焊缝长度方向与受力方向平行，主要承受剪应力，其特点为应力分布简单些，但分布并不均匀，剪应力两端大，中间小。弹模低强度低，但塑性较好正面角焊缝：焊缝垂直于受力方向，其特点为受力后应力状态较复杂，应力集中严重，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。破坏强度要高一些，但塑性差

斜焊缝：受力性能和强度介于两者之间角焊缝按受力方向分类第108页/共199页角焊缝应力状态a－侧面角焊缝b－正面角焊缝§3角焊缝连接的构造和计算第109页/共199页角焊缝的构造要求第110页/共199页有效厚度he=0.7hf为焊缝横截面的内接等腰三角形的最短距离，即不考虑熔深和凸度

直角角焊缝强度计算的基本公式当角焊缝的两焊脚边夹角为90°时，称为直角角焊缝，即一般所指的角焊缝角焊缝截面第111页/共199页直角角焊缝的破坏常发生在喉部角焊缝的有效截面为焊缝有效厚度（喉部尺寸）与计算长度的乘积也即以45°方向的最小截面角焊缝有效截面上的应力§3角焊缝连接的构造和计算第112页/共199页角焊缝极限强度（3.1）Q235—系数为1.8其他钢种—系数为1.7～3.0与母材公式一致统一公式（3.2）fuw-焊缝金属抗拉强度第113页/共199页规范采用折算应力，引入抗力分项系数

：（3.3）ffw-角焊缝强度设计值，由抗剪条件确定√3

ffw-相当于角焊缝抗拉强度设计值计算σ⊥、τ⊥、

τ∥过于繁琐不方便设计计算§3角焊缝连接的构造和计算第114页/共199页进一步简化

：（3.4）合应力σf：§3角焊缝连接的构造和计算第115页/共199页分应力σ⊥、τ⊥

：沿焊缝长度方向的分力Nx引起τf=τ∥（3.5）§3角焊缝连接的构造和计算第116页/共199页σf、

τf共同作用计算式：（3.6）或：对直接承受动力荷载结构中的角焊缝，βf＝1.0第117页/共199页对正面角焊缝，τf=0

（3.7）对侧面角焊缝，σ

f=0

（3.8）式3.6、3.7、3.8为角焊缝基本计算式适用于任何受力状态§3角焊缝连接的构造和计算第118页/共199页承受轴心力作用时角焊缝连接计算各种受力状态下角焊缝的计算只有侧面角焊缝按式（3.8）计算只有正面角焊缝按式（3.7）计算用盖板的对接连接承受轴心力（拉力、压力或剪力）第119页/共199页三面围焊：先按式3.7计算正面角焊缝承担的内力N’：再由（N-N‘）计算侧面角焊缝的强度：∑lw为连接一侧的正面角焊缝计算长度总和∑lw为连接一侧的侧面角焊缝计算长度总和（3.9）§3角焊缝连接的构造和计算第120页/共199页分力法：垂直于焊缝分力：

Nx＝Nsinθ平行于焊缝分力：

Ny

＝Ncosθ承受斜向轴心力的角焊缝连接计算（3.10）验算强度（3.6）第121页/共199页直接法：将公式（3.10）以及βf＝1.22直接代入验算公式（3.6）中可得：

（3.11）§3角焊缝连接的构造和计算第122页/共199页承受轴心力的角钢角焊缝计算a－两面侧焊b－三面围焊c－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§3角焊缝连接的构造和计算第123页/共199页三面围焊情况：先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3，正面角焊缝所分担的轴心力N3

（3.12）（3.13）（3.14）式中：N1、N2－肢背和肢尖侧面角焊缝所分担的轴力

e－角钢的形心距

K1、K2－肢背和肢尖焊缝的内力分配系数§3角焊缝连接的构造和计算第124页/共199页角钢角焊缝内力分配系数K设计时也可近似取K1＝2/3，K2=1/3第125页/共199页两面侧焊情况：N3

＝0（3.15）（3.16）（3.17）（3.18）第126页/共199页例3.2

试设计用拼接盖板的对接连接。已知钢板宽B=270mm，厚度t1=28mm，拼接盖板厚度t2=16mm。该连接承受的静态轴心力N=1400kN（设计值），钢材为Q235-B，手工焊，焊条为E43型。

§3角焊缝连接的构造和计算第127页/共199页方法一：先假定焊脚尺寸求得焊缝长度再由焊缝长度确定拼接盖板的尺寸方法二：先假定焊脚尺寸求得焊缝长度再由焊缝长度确定拼接盖板的尺寸设计拼接盖板的对接连接两种方法：§3角焊缝连接的构造和计算第128页/共199页解：角焊缝的焊脚尺寸hf应根据板件厚度确定：

由于此处的焊缝在板件边缘施焊，且拼接盖板厚度t2=16mm＞6mm，t2＜t1，则：

取hf＝10mm，查附表1.2可得角焊缝强度设计值：ffw＝160N/mm2§3角焊缝连接的构造和计算第129页/共199页(1)采用两面侧焊时：连接一侧四条焊缝总长度，按式（3.8）有：一条侧焊缝实际长度：§3角焊缝连接的构造和计算第130页/共199页§3角焊缝连接的构造和计算第131页/共199页当拼接板宽度较大时，采用菱形拼接板可减小角部的应力集中，从而使连接的工作性能得以改善。菱形拼接盖板的连接焊缝由端缝、侧缝和斜焊缝组成。设计时，一般先假定拼接盖板的尺寸再进行验算。拼接盖板尺寸如图所示。(1)采用菱形拼接盖板时：

§3角焊缝连接的构造和计算第132页/共199页则各部分焊缝的承载力分别为：第133页/共199页轴力Nx剪力Ny弯距M＝Nx×e承受弯距、轴心力、剪力联合作用的角焊缝连接计算A点应力最大，为控制点弯矩、剪力、轴力共同作用下的顶接连接角焊缝§3角焊缝连接的构造和计算第134页/共199页弯矩M作用下，x方向应力（3.22）剪力作用下，y方向应力轴力N作用下，x方向应力

第135页/共199页M和N作用下的应力方向相同，可直接叠加，故A点垂直于焊缝长度方向的应力σf为（3.6）第136页/共199页假设腹板焊缝承受全部剪力，弯矩则由全部焊缝承受

弯矩、剪力共同作用下工字梁角焊缝连接计算弯曲应力沿梁高度呈三角形分布，最大应力发生在翼缘焊缝的最外纤维1处

为焊缝分布较合理，宜在每个翼缘的上下两侧均匀布置焊缝第137页/共199页翼缘焊缝只承受垂直于焊缝长度方向的弯曲应力，翼缘焊缝最外纤维处的应力满足角焊缝的强度条件（3.23）第138页/共199页腹板焊缝承受弯曲应力和剪应力的联合作用：弯曲应力垂直于焊缝长度方向且沿梁高度呈三角形分布剪应力平行于焊缝长度方向且沿焊缝截面均匀分布设计控制点为翼缘焊缝与腹板焊缝2的交点处第139页/共199页腹板焊缝2的端点应按下式验算强度：（3.6）第140页/共199页方法二：假设腹板焊缝只承受剪力；翼缘焊缝承担全部弯矩，并将弯矩M化为一对水平力H=M/h1腹板焊缝2的端点应按下式验算强度：腹板焊缝的强度计算式为：第141页/共199页例3.4

试验算如图所示牛腿与钢柱连接角焊缝强度。钢材为Q235，焊条为E43型，手工焊。荷载设计值N=365kN，偏心距e＝350mm，焊脚尺寸hf1＝8mm，hf2＝6mm，图b为焊缝有效截面。

第142页/共199页第143页/共199页竖向剪力V＝F扭距T＝F（e1+e2）承受扭矩剪力联合作用三面围焊角焊缝计算按弹性理论假定：被连接件是绝对刚性的，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而角焊缝本身是弹性的；角焊缝群上任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度r成正比。第144页/共199页扭矩T引起的剪应力τT最大在A点和A’点最大，A点和A’点为设计控制点扭距T作用下，A点（或A‘点）的应力τT：τT沿x轴和y轴的分应力：（3.25）（3.26）第145页/共199页剪力V引起的剪应力τV均匀分布剪力V作用下，A点（或A‘点）的应力τVy：A点垂直于焊缝长度方向的应力σf：A点沿焊缝长度方向的应力τTxA点合应力满足的强度条件为：（3.27）第146页/共199页例3.6

如图所示钢板长度l1＝400mm，搭接长度l＝α+γx=400mm，钢板厚t＝12mm，荷载设计值F＝200kN，荷载至柱边距离e1＝540mm，钢材为Q235，手工焊，焊条为E43型，试确定焊脚尺寸并验算该焊缝的强度。第147页/共199页解：焊缝组成的围焊共同承受剪力V=F和扭距T=F（e1+γx）的作用，设焊缝尺寸均为hf＝10mm第148页/共199页第149页/共199页§5焊接应力和焊接变形一、焊接残余应力的分类及其产生的原因

1、焊接残余应力的分类

A、纵向焊接残余应力—沿焊缝长度方向;B、横向焊接残余应力—垂直于焊缝长度方向;C、沿厚度方向的焊接残余应力。

2、焊接残余应力产生的原因（1）纵向焊接残余应力第150页/共199页焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达1600oC，而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到屈服强度。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++§5焊接应力和焊接变形第151页/共199页（2）横向焊接残余应力产生的原因:1、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形的趋势，导致两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；2、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关。

以上两种应力的组合即为横向焊接残余应力。第152页/共199页(a)焊缝纵向收缩时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩时的横向应力xy+-+施焊方向(c)焊缝横向收缩时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向残余应力yx不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx第153页/共199页（3）沿厚度方向的焊接残余应力

在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力σx,σy

外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力σz，这三种应力形成同号(受拉)三向应力，大大降低连接的塑性。-+-321σxσyσz第154页/共199页约束状态下的焊接应力第155页/共199页焊接残余应力的影响对结构静力强度的影响第156页/共199页对结构刚度的影响对压杆稳定的影响第157页/共199页对低温冷脆的影响对疲劳强度的影响第158页/共199页焊接残余变形残余变形形式第159页/共199页残余变形形式第160页/共199页减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法采取合理的施焊次序第161页/共199页施焊前加相反的预变形（图a、b）焊前预热，焊后回火（图c）减小焊接残余应力和焊接残余变形的方法第162页/共199页合理的焊缝设计焊接位置要合理，布置应尽量对称于截面重心焊缝尺寸要适当，采用较小的焊脚尺寸焊缝不宜过分集中（图a）应尽量避免三向焊缝交叉（图b）考虑钢板分层问题（图c）焊条易达到（图d）避免仰焊第163页/共199页螺栓由螺杆和螺母组成。螺栓连接螺栓普通螺栓高强螺栓锚固螺栓粗制螺栓精制螺栓摩擦型承压型第164页/共199页1.普通螺栓C级---粗制螺栓，性能等级为4.6或4.8级；4表示fu≥400N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；Ⅱ类孔，孔径(do)-栓杆直径(d)＝1～3mm。A、B级---精制螺栓，性能等级为5.6或8.8级;5或8表示fu≥500或800N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；Ⅰ类孔，孔径(do)-栓杆直径(d)＝0.3～0.5mm。按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。第165页/共199页2.高强度螺栓由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理45号－8.8级；40B和20MnTiB－10.9级（a）大六角头螺栓（b）扭剪型螺栓第166页/共199页孔、螺栓图例

第167页/共199页螺栓连接的排列和构造要求排列方式：并列或错列普通螺栓的构造和计算第168页/共199页排列要求受力要求：钢板端部剪断，端距不应小于2d0;

受拉时，栓距和线距不应过小；受压时，沿作用力方向的栓距不宜过大构造要求栓距和线距不宜过大施工要求有一定的施工空间第169页/共199页第170页/共199页普通螺栓连接受剪、受拉时的性能传力方式：抗剪螺栓和抗拉螺栓第171页/共199页1、抗剪螺栓连接破坏形式：螺栓杆剪断；孔壁压坏；板被拉断；板端被剪断；螺栓杆弯曲第172页/共199页受力状态：弹性时两端大而中间小，进入塑性阶段后，因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀。第173页/共199页为防止“解纽扣”破坏，当连接长度l1

较大时，应将螺栓的承载力乘以折减系数：当l1≤15d0时，

=1.0当15d0＜l1≤60d0时，

=1.1－l1/150d0

当l1＞60d0时，

=0.7第174页/共199页一个抗剪螺栓的设计承载力计算抗剪承载力设计值：承压承载力设计值：(a)单剪