钢结构全套PPT教学课件

第1章

绪论

全套PPT课件1.1钢结构的特点及应用

1.2钢结构的设计方法1.3钢结构的发展（一）材质均匀，和力学计算的假定比较符合

（二）材料的强度高，塑性和韧性好

（三）钢结构制造简便，施工周期短

1.1.1钢结构的特点

五大优点

:（四）钢结构的重量轻

（五）钢结构的密闭性好

（一）材质均匀，和力学计算的假定比较符合

钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性体，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以严格控制，材质波动的范围较小。因此，钢结构的实际工作性能与理论计算结果吻合较好。（二）材料的强度高，塑性和韧性好

钢材和其他建筑材料，诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多。因此，特别适用于大跨度或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂；韧性好，结构对动力荷载的适应性强，因此，在地震区采用钢结构是比较合适的。另一方面，由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，受压时需要满足稳定的要求，强度有时不能充分发挥。（三）钢结构制造简便，施工周期短

钢结构所用的材料较为单一，而且是成材，加工比较简便，机械化程度高。因此，大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件，精确度较高，质量可靠。构件在工地拼装，可以采用安装简便的普通螺栓和高强螺栓，有时还可以在地面拼装成较大的单元再行吊装，施工周期较短。小量的钢结构如轻钢屋架，也可以在现场就地制造，随即用简易机具吊装。此外，对已建成的钢结构也比较容易进行改建、扩建和加固。同时，用螺栓连接的结构还可根据需要进行拆迁。（四）钢结构的重量轻

钢材容重虽比混凝土等建筑材料的容重大，但钢结构却比钢筋混凝土结构重量轻，原因是钢材的强度与容重之比要比混凝土大得多。同样跨度承受同样荷载时，钢屋架的重量最多不过钢筋混凝土屋架的1／3至1／4，薄壁型钢屋架甚至接近1／10，为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构，如建造在交通不便的山区和边远地区的工程，重量轻也是个重要的有利条件。同时，重量轻可以降低地基及基础部分的造价，而且对抵抗地震力作用较为有利。但由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，受压时，构件一般由稳定和刚度控制，强度难以充分发挥。（五）钢结构的密闭性好

钢材组织致密，具有不渗透性和耐高压性，采用焊接可制成完全密闭的结构，水密性和气密性较好，适宜于做有密闭要求的板壳结构，如压力容器、油库、气柜和管道等。

（一）钢材耐腐蚀性差

（二）钢材耐热但不耐火

（三）钢结构在某些情况下可能发生脆性断裂

三大缺点

:（一）钢材耐腐蚀性差

钢材耐腐蚀的性能比较差，因此，必须对结构注意防护。这使维护费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆，锈蚀问题并不严重。（二）钢材耐热但不耐火

钢材长期经受100℃以内的辐射热时，强度没有多大变化，因此具有一定的耐热性能，但温度达150℃以上时，就须用隔热层加以保护。当温度超过200℃后，材质变化较大，强度逐渐降低；当温度超过300℃以后，强度急剧下降；当温度达到600℃时，钢材进入塑性状态已不能承载。因此，钢材不能耐火，对重要的结构必须注意采取防火措施。（三）钢结构在某些情况下可能发生脆性断裂

钢材虽然韧性较好，但在低温下材质变脆，在发生疲劳破坏时的脆性破坏等，如果设计、制造或使用不当，钢结构会发生脆性断裂，设计时应予以注意。1.1.2钢结构的应用范围

1234（三）高层建筑（一）大跨度结构（二）重型厂房结构（四）多层钢框架结构1.1.2钢结构的应用范围

5678（七）组合结构（五）高耸结构（六）轻型钢结构（八）其它结构形式

（一）大跨度结构

结构的跨度越大，自重在全部荷载中所占的比重也就越大，减轻结构自重可以获得明显的经济效果。因此，钢结构强度高而重量轻的优点对于大跨结构特别突出，如飞机库、体育馆、火车站、展览馆、影剧院、大会堂等，其结构体系可为平板网架、网壳、空间桁架、斜拉、悬索和拱架等。还有历届奥运会、博览会等都可以显示钢结构的发展水平。（二）重型厂房结构

钢铁联合企业和重型机械制造工业，有许多车间属于重型厂房。车间里吊车的起重量较大，或者吊车的工作较为繁重，工作较为频繁，多采用钢骨架。如：大型钢铁企业的炼钢、轧钢、无缝钢管等车间；重型机器厂的铸钢、锻压、水压车间；造船厂的船体车间等。另外，有强烈辐射热的车间，也经常采用钢结构。（三）高层建筑由于城市建设的需要，高层、超高层逐渐增多。钢结构强度高、自重轻，构件体积小，且装配化程度高，施工快等独特优点，对高层建筑尤其有利。目前世界上最高，最大的结构采用的大多都是钢结构。世界上已经建成的几个纯钢结构超高层建筑已经很多。我国于1997年建成的上海金茂大厦(95层，建筑高度421m，结构高度395m)，还有上海浦东环球金融中心也跻身于世界超高层的行列。巨型钢结构为高层或超高层建筑的一种崭新体系，它是为了满足特殊功能或综合功能而产生的，它具有良好的建筑适应性和潜在的高效结构性能，是一种很有发展的结构。如日本千叶县43层、高180m的NEC大楼，该建筑内部布置大开口和大空间庭院，其巨型结构是由四根巨型结构柱和四个巨型的空间桁架梁组成的巨型空间桁架体系。经分析，这种体系具有极强的抗推刚度。（四）多层钢框架结构

钢框架结构，其自重轻，抗震性能好，施工速度快，机械化程度高，结构简单。构件易于标准化和定型化，对多层建筑而言，钢框架结构体系是一种比较经济合理、运用广泛的结构体系。但同时它也存在一定的缺点，如用钢量稍大，耐火性能差，后期维修费用高，造价略高于混凝土框架等。从目前来看，钢框架结构建筑是对城市环境影响最小的一种结构之一，在西方已被广泛采用。与钢筋混凝土结构相比，更具有在“高、大、轻”三方面发展的独特优势。因此，两者相结合以至达到更好的使用功能效果。（五）高耸结构

高耸结构包括塔架和桅杆结构，如高压输电线路的塔架、广播和电视发射用的塔架和桅杆等。广州和上海的电视塔高度为200和205米。1977年建成的北京环境气象塔高325米，是五层拉线的桅杆结构。（六）轻型钢结构

钢结构重量轻不仅对大跨结构有利，对使用荷载特别轻的小跨结构也有优越性。因为当使用荷载特别轻时，小跨结构的自重也成为一个重要因素。薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可不超过钢筋混凝土屋架的用钢量。轻型钢结构包括轻型门式钢架房屋钢结构、冷弯薄壁型钢结构以及钢管结构等，已广泛应用于没有吊车或吊车吨位不大的工业厂房、办公楼及中小体育馆等。（七）组合结构

将钢和混凝土组合起来共同受力并发挥各自的长处，可以有效地节约材料。例如，压型钢板组合楼板、钢-混凝土组合梁、钢管混凝土柱、劲性混凝土柱等，已得到广泛的应用。（八）其它结构形式

如受动力荷载影响的结构、可拆卸的结构、容器和其他构筑物等。由于钢材具有良好的韧性，设有较大锻锤或产生动力作用的其他设备的厂房，其骨架直接承受的动力尽管有时不是很大，但间接振动却极为强烈，所以即使屋架跨度不是很大时，也往往用钢结构制成。对于抗震能力要求高的结构，用钢结构也是比较适宜的。一、概率极限状态设计方法1.2钢结构的设计方法二、设计表达式1、承载能力极限状态承载能力极限状态，结构或构件达到最大承载能力，或达到不适于继续承载的变形的极限状态，它包括结构构件或连接因强度超过而破坏，结构或其一部分作为刚体而失去平衡（倾覆或滑移），在反复荷载作用下构件或连接发生疲劳破坏等。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：(1)整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；(2)结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载；(3)结构转变为机动体系；(4)结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；(5)地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）2、正常使用极限状态结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：(1)影响正常使用或外观的变形；(2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）(3)影响正常使用的振动；(4)影响正常使用的其他特定状态

3、结构的功能函数

结构的工作性能可用结构的功能函数来描述。

简化设计时，只以结构构件的荷载效应Ｓ和抗力Ｒ这两个基本随机变量来表达结构的功能函数，则有

结构处于可靠状态；

结构达到临界状态，即极限状态；

结构处于失效状态。

由于基本变量R、S的不定性，说明作用在结构的荷载潜在着出现高值的可能，材料性能也潜在着出现低值的可能；虽然设计者在设计时采用了相当保守的方案，但在结构投入使用后，也不能保证它绝对可靠，因而对所设计的结构的功能只能作出一定概率的保证。1.2.2设计表达式(1)对于承载能力极限状态设计，应采用荷载效应的基本组合，必要时应考虑荷载效应的偶然组合。荷载效应的的基本组合按下列设计表达式中最不利值确定（在钢结构设计中，习惯采用应力表达形式）：由可变荷载效应控制的组合：

由永久荷载效应控制的组合：

(2)对于正常使用极限状态，按《建筑结构可靠度设计统一标准》的规定要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，使变形、裂缝等荷载效应的设计值不超过相应的规定限值。在钢结构设计中，只考虑荷载的标准组合，其设计表达式为：

一、研究高强度钢材二、改进设计方法三、采用新型结构1.3钢结构的发展四、发展前景广阔五、构件生产的标准化1.3钢结构的发展

1、研究高强度钢材应用高强度钢材，对大(跨度)、高(耸)、重(型)的结构非常有利。我国目前普遍应用的钢材是普通碳素结构钢中的Q235钢和低合金高强度结构钢中的Q345、Q390、Q420钢。目前，我国已采用Q460钢，并成功应用于北京国家体育馆-鸟巢。从发展趋势来看，高强度结构钢的研制和开发还将不断进行。在强度增加的同时，还应具有优良的塑性性能和韧性性能。另外，改进钢材的耐腐蚀性和耐火性，也是今后的发展方向。2、改进设计方法

经过我国钢结构工程技术人员多年来的勤奋工作，现行的《规范》在用了当前国际上结构设计最先进的方法，以概率理论为基础的极限状态设计方法；对轴心受压构件的稳定计算由原来的三条柱子曲线改为四条柱子曲线，凡此等等，都表明我国运用现代科技的测试和计算技术，已能较好地使钢结构的计算方法反映结构的实际工作情况，从而能更合理地使用材料。然而在有些问题上仍有待作进一步改进和提高。3、采用新型结构(1)大跨度建筑：网架结构近年来在我国已得到较广泛的应用，它能有效地跨越较大的空间。悬索结构在大跨度建筑中是一种造型美观，对建筑平面图形适应性强的结构形式，由于主要承重构件受拉，因此可最大限度地利用材料，用钢量很低，故很受欢迎。预应力钢结构是在大跨度结构中节约钢材的一种有效方法，用于加强悬索结构，更具有明显经济效果。(2)组合结构：将钢和混凝土组合起来共同受力并发挥各自材料的长处，钢材利于受拉，混凝土利于受压的特点，能有效地节约材料。主要形式有压型钢板组合楼盖、组合梁、钢管混凝土柱和劲性混凝土等。4、发展前景广阔随着我国经济的发展，钢结构在各行业的发展也越来越迅速。近几年来，建筑钢结构在单层、多层的轻中重型厂房，高层、超高层建筑，大跨度公共建筑等方面已经取得了很大的进展。火力电厂、桥梁、市政建设、高层住宅、底层别墅也开始成了建筑钢结构的发展市场，尤其是住宅钢结构在国内的应用还很少，市场前景广阔。5、构件生产的标准化目前，钢结构的应用越来越广。从设计入手，结合产品的制造工艺，将一些易于定型化、标准化的产品，使其杆件规格统一，便于互换和大量制造成系列化产品，达到批量生产，降低造价的目的，将使钢结构实现工业化生产、标准化制作，有效的推进我国住宅的产业化。另外，结构设计的优化和计算机辅助设计都得到了很大的发展，可较好的确定优化的结构形式和截面形式，取得较大的经济效果。

本章小结钢结构具有：材料的强度高，塑性和韧性好；材质均匀，和力学计算的假定比较符合；钢结构制造简便，施工周期短；钢结构的重量轻；钢结构的密闭性好等优点。钢结构适用于重型厂房结构、大跨度结构、高耸结构、多层钢框架结构、高层建筑、受动力荷载影响的结构、可拆卸的结构、容器和其他构筑物、轻型钢结构、组合结构等。钢结构的发展要从研究高强度钢材、改进设计方法、采用新型结构、应用优化原理、构件的定型化、系列化、产品化等方面不断进行探索与研究。思考题1.1钢结构与其他材料的结构相比，有哪些特点？1.2钢结构采用什么设计方法？其设计原则是什么？1.3什么是极限状态？分为哪两类？其内容有哪些？1.4结构设计中，能否保证结构绝对安全，为什么？第2章

钢结构的材料

2.1概述

2.2钢材的破坏形式2.3钢材的主要性能2.4钢材在复杂应力作用下的力学性能

2.5各种因素对钢材性能的影响2.6钢材的种类、规格及选用

钢的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的钢材只是其中的一小部分。用作钢结构的钢材必须符合下列要求：(1)有较高的强度(2)较好的塑性、韧性及耐疲劳性能。(3)良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和可焊性能等）。(4)耐久性好。2.1概述2.2钢材的破坏形式钢材在各种作用下有两种性质完全不同的破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。建筑钢结构所用钢材虽然有较好的塑性和韧性，但在一定的条件下，仍然有脆性破坏的可能性。两者的破坏特征有明显的区别。塑件破坏是由于构件的应力达到材料的极限强度而产生的，破坏断口呈纤维状，色泽发暗，破坏前有较大的塑性变形，且变形持续时间长，容易发现并采取有效补救措施，通常不会引起严重后果。脆性破坏服强度,是在塑性变形很小，甚至没有塑性变形的情况下突然发生的，破坏时构件的计算应力可能小于钢材的屈服强度,

破坏的断口平齐并呈有光泽的晶粒状。

由于脆性破坏前没有明显的征兆，不能及时觉察和补救，破坏后果严重。

因此，在钢结构的设计、施工和使用中，要充分考虑各方面因素，尽量避免一切发生脆性破坏的可能性。2.3钢材的主要性能（1）强度比例极限与弹性极限

屈服点

抗拉强度

（2）塑性2.3钢材的主要性能（1）强度比例极限与弹性极限

屈服点

抗拉强度

（2）塑性伸长率δ反映的是标距范围内变形的平均值，相比较而言，用断面收缩率Ψ作为钢材的塑性指标更真实，但由于在测量面积时较困难且误差较大，因此，我们通常用伸长率δ代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力，而不用断面收缩率Ψ。结构制作时，这种能力使得材料承受剪切、冲压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显破坏。2.3.2冷弯性能钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对裂纹的抵抗能力的一项指标。钢材的冷弯性能是用冷弯试验来检验钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能，并显示其缺陷的程度。冷弯试验方法是在材料试验机上，通过冷弯冲头加压。图2.2是冷弯试验示意图，用具有弯心直径d的冲头对标准试件中部施加荷载使之弯曲，检查并记录试件弯曲部位出现的裂纹或分层等情况时的冷弯角度，或者要求将试件冷弯到规定的一定角度(一般为

)时，以试件弯曲部分的外面、里面和侧面，不出现裂缝或分层，作为判断冷弯性能的方法。冷弯性能一方面是检验钢材适应冷加工能力和显示钢材内部缺陷(如分层、非金属夹杂等）状况的一项指标，另一方面由于冷弯时试件中部受弯部位受到冲头挤压以及弯曲和剪切的复杂作用，因而也是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性变形能力的一项指标。因此，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。

图2.2钢材冷弯试验示意图2.3.3冲击韧性钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下，断裂过程中吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击荷载作用，可能因低温、应力集中，而导致脆性断裂的一项机械性能。一般通过标准试件的冲击试验来获得钢材的冲击韧性指标。冲击韧性是钢材断裂时吸收机械能量的量度，是强度与塑性的综合指标。理论上，韧性是应力-应变曲线与横坐标围成的面积，面积越大，韧性值越大。2.4钢材在复杂应力作用下的力学性能建筑钢材可以假设为理想弹塑性体，它的静力强度指标是屈服点。屈服点标志着钢材由弹性工作转入塑性工作。但在实际结构中，有些构件往往是受双向或三向应力的作用，如实腹梁的腹板等。这时，确定钢材的屈服条件需要用强度理论来解决。对于接近理想弹塑性体的建筑钢材来说，最常用的是能量强度理论（或第四强度理论），而且也经实验验证。因此，在复杂应力如平面或立体应力(图2.4)作用下，钢材由弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论(或第四强度理论)计算的折算应力

与单向应力下的屈服点相比较来判断：

(2.3)当

时，为弹性状态；

时为塑性状态。如三向应力有一向应力很小(如厚度较小，厚度方向的应力可忽略不计)或为零时，则属于平面应力状态，式(2.3)成为：

(2.4)在一般的梁中，只存在正应力

和剪应力则：

(2.5)当只有剪应力时，=0，则=由此得：

(2.6)因此，《钢结构设计规范》确定钢材抗剪设计强度为抗拉设计强度的0.58倍。当平面或立体应力皆为拉应力时，材料破坏时没有明显的塑性变形产生，即材料处于脆性状态。

图2.4复杂应力状态2.5各种因素对钢材性能的影响2.5.1化学成分的影响钢是由各种化学成分组成的，化学成分及其含量对钢的性能特别是力学性能有着重要的影响。铁(Fe)是钢材的基本元素，纯铁质软，在碳素结构钢中约占99％；碳和其他元素仅占1％，对钢材的力学性能却有着决定性的影响。其他元素包括硅(Si)、锰(Mn)、硫(S)、磷(P)、氮(N)、氧(O)等。低合金钢中还含有少量合金元素(低于5％)，如铜(Cu)、钒(V)、

钛(Ti)、铌(Nb)、铬(Cr)等。

在普通碳素钢中，碳是除纯铁以外的最主要的元素，它直接影响钢材的强度、塑性和韧性。随着含碳量的提高，钢的强度逐渐升高，但塑性、冲击韧性下降，冷弯性能、可焊性能和抗锈蚀性能等也都变差。因此，尽管碳是使钢材获得足够强度的主要元素，但在钢结构(特别是焊接结构)中并不采用有较高含碳量的钢材，含碳量一般均不超过0.22％，在焊接结构中，其含碳量应低于0.20%。2.5.2钢材缺陷的影响冶金缺陷对钢材性能的影响，不仅在构件或结构受力时表现出来，有时在加工制作工程中也可表现出来。常见的治金缺陷有；偏析钢中化学成分的不一致和不均匀性称为偏析。偏析能恶化钢材的性能，特别是硫、磷的偏析会使偏析区钢材的塑性、冷弯性能、冲击韧性及焊接性能变坏。一般地说，沸腾钢的偏析要比镇静钢严重得多。非金屑夹杂掺杂在钢材今的非金属杂物，对钢材的性能有极为不利的影响。常见非金属夹杂物是硫化物和氧化物。硫化物在800一1200℃高温下，使钢材变脆(即热脆)，氧化物，特别是粗大的氧化物，可严重地降低钢材的物理力学性能和工艺性能。裂纹成品钢材中的裂纹(微现的或定观的)，不论其成因如何均使钢材的冷弯性能、冲击韧性及疲劳强度大大降低，并降低钢材抗脆性破坏的能力。分层这种缺陷是在钢材厚度方向分成多层(但各层间仍互相连接，并不服离)。分层并不影响垂直于厚度方向的强度，但严重降低冷弯性能。在分层的夹续处还易锈蚀，在应力作用下将加速锈蚀，甚至形成裂纹，大大降低钢材的冲击韧性、疲劳强度及抗脆断能力。2.5.3钢材的硬化钢材的硬化有三种情况。时效硬化在高温时溶化于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐从固溶体中析出，形成氮化物和自由碳化物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高塑性和韧性下降。这一现象叫做时效硬化(也称为老化)。时效硬化发生的过程一般很长，但是在材料经受塑性变形后加热，可以使时效硬化发展得特别迅速。

图2.5硬化对钢材性能的影响由于硬化的结果总要降低钢材的塑性和韧性，在一般的钢结构中，不但不利用所提高的强度，有时还要考虑其不利影响。有些重要的结构要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。2.5.4温度的影响钢材性能随温度变动而变化。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，见图2.6。

图2.6温度对钢材机械性能的影响在正温范围内，当温度超过85℃后，随着温度的升高，技拉强度、屈服点及弹性模量均有变化，总的趋势是强度降低、应变增大。然而，在250℃左右时，钢材的抗拉强度却反而略有提高同时塑性和冲击韧性下降，这种现象称为蓝脆现象，这个温度区称为蓝脆区。在蓝脆区进行热加工，可能使钢材发生裂纹。此外，当温度超过曲260-320℃时，在一定荷载作用下，钢材将随时间的增长而变形逐渐增大，产生徐变现象。因此，当结构的表面长期受辐射热达150℃以上，或在短时间内可能受到火焰作用时，应用隔热层加以保护。当温度达到600℃时，弹性模量等均降至零，但它有一定耐高温的能力，当有适当的隔热保护时，甚至油400-500℃这样的高温环境中还可以使用。当温度低于常温时，随着温度的降低，钢材的脆性顿向逐渐增大，可导致低温脆断。2.5.5应力集中

当构件截面的完整性遭到破坏，如有裂纹(内部的或凉面的)、孔洞、刻槽、四角以及截面的厚度或宽度的突然改变时，构件中的应力分布将变得很不均匀。在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。2.5.6反复荷载作用试验表明，钢材在直接的连续往复的动力荷载作用下，其强度将会降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度值。这种现象称为钢材的疲劳。疲劳破坏表现为脆性断裂。实践中证明，当构件的应力水平不高或荷载往复的次数不多时，钢材一般不会发生疲劳破坏，计算时，也不必考虑疲劳的影响。但是，在长期承受频繁的往复荷载作用时，结构及其连接在设计中必须考虑结构的疲劳问题。2.6钢材的种类、规格及选用2.6.1钢材的种类钢材按其用途可分为结构钢、工具钢和特殊钢(如不锈钢等)。结构钢又分建筑用钢和机械用钢。按冶炼方法，可分为转炉钢和平炉钢等。按浇铸时的脱氧方法，又分为沸腾钢(代号为F)、半镇静钢(代号为b)、镇静钢(代号为z)和特殊镇静钢(代号为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。按成型方法分类，钢又分为轧制钢(热轧、冷轧)、锻造钢和铸钢。最后按化学成分分类，钢又分为碳素钢和合金钢。在建筑工程中采用是碳素结构钢、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自钢分为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，在化学成分中对碳、锰可以不作为交货条件。B、C、D级钢均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性(分别为+20℃、0℃、—20℃)等力学性能。化学成分对碳、硫、磷的极限含量要求更严。钢材的牌号由屈服点的汉语拼音字母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。如Q235A、Q235AF；Q235C；Q235D等。冶炼方法一般由供方自行决定，设计者不再另行提出，如需方有特殊要求时可在合同中加以注明。2．低合金高强度结构钢采用与碳素结构钢相向的牌号表示方法。钢的牌号仍有质量等级符号，除与碳素结钢四个等级（A、B、C、D)相同外增加一个等级E，主要是要求—40℃的冲击韧性。钢的牌号如Q345B、Q390C等等。低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢，C、D、E级属于特殊镇静钢，因此钢的牌号中不注明脱氧方法，其冶炼方法也由供方自行选择。2.6.2钢材的规格钢结构采用的型材有热轧成型的钢板和型钢以及冷弯(或冷压)成型的薄壁型钢。1、钢板热轧钢板有厚钢板（厚度4.5～60mm）和薄钢板（厚度0.35～4mm），还有扁钢（厚度4～60mm，宽度12～200mm），用符号表示为“-”，且在符号“-”后加“宽x厚x长”（单位为mm）。如“-400x8x1000”，指的是宽度为400mm、厚度为8mm、长度为1000mm的钢板。2、型钢热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢和钢管等。⑴角钢角钢分等边角钢和不等边角钢两种（如图2.8所示）。不等边角钢的表示方法为，在符号“L”后加“长边宽×短边宽×厚度”，如L180×110×10，对于等边角钢则以“边宽×厚度”表示，如L110×10，单位皆为mm。

(a)(b)图2.8角钢(a)等边角钢(b)不等边角钢⑵工字钢、H型钢工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和H型钢。普通工字钢和轻型工字钢用号数表示，号数即为其截面高度的厘米数。20号以上的工字钢，同一号数有三种腹板厚度分别为a、b及c三类。如I32a、I32b、I32c，a类腹板较薄，用作受弯构件较为经济。轻型工字钢的腹板和翼缘均较普通工字钢薄，如表示为I32Q，因而在相同重量下其截面模量和回转半径均较大。H型钢是世界各国使用很广泛的热轧型钢，与普通工字钢相比，其翼缘内外两侧平行，便于与其他构件相连。它可分为宽翼缘H型钢(代号HW，翼缘宽度B与截面高度H相等)、中翼缘H型钢(代号HM）、窄翼缘H型钢(代号HN）。各种H型钢均可剖分为了型钢供应，代号分别为TW、TM和TN。⑶槽钢槽钢有普通槽钢和轻型槽钢两种，也以其截面高度的厘米数编号，如[18a。与工字钢相似，14号以上的槽钢，同一号数有三种腹板厚度分别为a、b及c三类，a类腹板较薄。号码相同的轻型槽钢，其翼缘较普通槽钢宽而薄，腹板也较薄，回转半径大，重量轻。⑷钢管钢管有无缝钢管和有缝钢管两种，用符号“”后面加“外径x厚度”表示，如180x5，单位均为毫米。3、薄壁型钢薄壁型钢是用1．5—5mm厚的薄钢板(一般用Q235或Q345钢)经模压或弯曲而成，其截面形式及尺寸可按合理方案设计。有防锈涂层的彩色压型钢板所用钢板厚度0.4—1.6mm，一般用于轻型屋面及墙面。薄壁型钢能充分利用钢材的强度，节约钢材。

图2.9薄壁型钢2.6.3钢材的选用1、钢材选用的条件选择钢材的目的是为保证承重结构的承载能力，做到结构安全可靠，防止在一定条件下出现脆性破坏，同时用材经济合理。主要考虑下列各因素：(1)结构或构件的重要性：(2)荷载的特征(静载或动载)；(3)连接方法(焊接、铆接或螺栓连接)；(4)工作条件(结构所处的温度及腐蚀介质等环境)；(5)钢材的厚度；(6)结构形式及应力状态。2、对钢材质量的要求承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、屈服强度、伸长率和硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有保证碳的极限含量(由于Q235A钢的碳含量不作为交货条件，故一般不用于焊接结构)的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材，还应具有冷弯试验的合格保证。对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材及非焊接结构的钢材，还应具有常温冲击韧性的合格保证。3、下列情况的承重结构和构件不应采用Q235沸腾钢：

（1）焊接结构直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构。工作温度低于-20℃时的直接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构以及承受静力荷载的受弯及受拉的重要承重结构。工作温度等于或低于-30℃的所有承重结构。

本章小结

1．钢材在受力破坏时有塑性破坏和脆性破坏两种特征。后者为变形小的突然性断裂，危险性大，应在设计、制造、安装中严加防止。2．钢材的主要性能包括强度、塑性、韧性等方面。强度指标为屈服强度和抗拉强度。塑性指标为伸长率和180度冷弯性能。韧性指标为冲击韧性指标值。它们可由单向拉伸试验和冷弯、冲击试验取得。采用的钢材均应符合各自的标准。3．影响钢材机械性能的主要因素有化学成分、冶金缺陷、钢材硬化、温度影响、应力集中、反复荷载作用等。4．钢材应根据结构的重要性、荷载特征、连接方法、工作条件、钢材厚度、结构形式及应力状态等选用。思考题2.1钢结构对村料性能有哪些要求?

2.2钢村有哪几种破坏形式?

2.3钢材有哪几项主要机械性能指标?各项指标可用来衡量钢材哪些方面的性能?各项指标是如何得到的?

2.4影响钢材机械性能的主要因素有哪些?钢材的主要化学成分有哪些?各化学成分对钢材的机械性能有何影响?2.5钢材在复杂应力作用下的屈服条件是什么?

2.6碳素结构钢和低合金结构钢的牌号是如何表示的?

2.7钢材的选用应考虑哪些因素?怎样选择才能做到经济合理、安全适用?

2.8建筑钢结构所用钢材的常用规格有哪些?2.9促使钢材转脆的主要因素有哪些?2.10同一种钢材的伸长率指标为什么δ5>δ10？2.11为什么薄钢板的强度比厚钢板的强度高(或钢材的强度按其厚度或直径分组)？第3章

钢结构的连接

3.1钢结构常用的连接方法3.2焊接方法和焊缝连接形式3.3对接焊缝的构造和计算3.4角焊缝的构造和计算3.5焊接残余应力和焊接残余变形3.6螺栓连接的排列和构造要求3.7普通螺栓连接的性能和计算3.8高强度螺栓连接的工作性能和计算第3章钢结构的连接3.1钢结构常用的连接方法钢结构通常由一些钢构件组成，钢构件则又由一些钢板或型钢等部件组成；构件或部件间需互相连接，以便可靠地传递内力。因此，连接方式及其质量的优劣直接影响钢结构的工作性能。钢结构中常用的连接方法有焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种（如图3.1所示）。

图3.1钢结构的连接方法(a）焊缝连接(b)铆钉连接(c)螺栓连接3.1钢结构常用的连接方法钢结构通常由一些钢构件组成，钢构件则又由一些钢板或型钢等部件组成；构件或部件间需互相连接，以便可靠地传递内力。因此，连接方式及其质量的优劣直接影响钢结构的工作性能。钢结构中常用的连接方法有焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种（如图3.1所示）。

图3.1钢结构的连接方法(a）焊缝连接(b)铆钉连接(c)螺栓连接3.1.2螺栓连接螺栓连接（如图3.1(b)所示）按材料不同，分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接。(1)普通螺栓连接(2)高强度螺栓连接3.1.3铆钉连接铆钉连接（如图3.1(c)所示）在受力和设计上与普通螺栓连接相仿。3.2焊接方法和焊缝连接形式3.2.1钢结构中常见的焊接方法(1)手工电弧焊这是最常用的一种焊接方法(如图3.2所示)。图3.2手工电弧焊自动(或半自动)埋弧电弧焊(如图3.3所示)图3.3埋弧电弧焊(3)气体保护焊从焊枪口中喷出惰性气体或二氧化炭气体，以保护被熔化的金属使它不与空气接触。由于热量集小中，焊接速度大，熔化深度也大，所得焊缝的强度比手工电弧焊高，塑性和抗腐蚀性也较好。(4)电阻焊利用电流通过焊件接触点表面的电阻产生的热量来熔化金属，再通过压力使其熔合。适用于焊接厚度<12mm时的焊接。3.2.2焊缝连接形式焊缝的连接形式按被连接件间的相互位置（如图3.4所示）可分为对接连接、搭接连接、T形连接和角部连接四种。

图3.4被连接件间的相互位置(a)对接(b)搭接(c)角部连接(d)T形连接（a）（b）（c）（d）焊缝的形式主要有对接焊缝(如图3.5(a)所示)和角焊缝(如图3.5(b)所示)两种：

(a)对接焊缝(b)角焊缝图3.5焊缝的形式1．对接焊缝采用对接焊缝时，常需要在被连接板件边线开成各种型式的坡口，焊缝金属就填充在坡口内，因而焊缝本身也是被连接板件截面的组成部分。板边的坡口型式有Ⅰ型(垂直坡口)、单边V型、V型、Ｕ型、X型和K型等（如图3.6所示）。应根据焊件厚度、保证焊缝质量、便于旋焊及减小焊缝截面面积等因素选用。

（a）（b）（c）（d）（e）（f）2．角焊缝角焊缝可分直角角焊缝(如图3.8(a)、(b)、(c)所示)和斜角角焊缝(如图3.8(d)、(e)、(f)所示)两种。在建筑结构中，最常用的是直角角焊缝，尤其以图3.8(a)所示的角焊缝用得最多。斜角角焊缝主要用于钢管结构中。本章主要介绍如图3.8(a)所示的直角角焊缝。

图3.8角焊缝的形式（a）（b）（c）（d）（e）（f）实际连接中，可按具体情况采用对接焊缝或角焊缝的对接连接、搭接连接、T形连接和角部连接（如图3.9所示）。

图3.9焊缝连接的形式(a)对接连接；(b)用拼接盖板的对接连接；(c)搭接连接；(d)、(e)T形连接；(f)、(g)角部连接（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）3.3对接焊缝的构造和计算3.3.1对接焊缝的构造对接焊缝坡口的形式与尺寸应结合焊件厚度和施焊条件，按照保证焊缝质量、便于施焊和减小焊缝截面面积的原则，根据《建筑钢结构焊接规程》中推荐的手工电弧焊和埋弧焊焊接接头基本型式和尺寸选用，见图3.6、3.7所示。当对接焊缝拼接的焊件宽度不同或厚度相差4mm以上时，应分别在宽度或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1/2.5的斜角(如图3.10)，以使截面平缓过渡，减少应力集中。当厚度相差不大(当较薄钢板的厚度≥5～9mm时为2mm、10～12ｍｍ时为3mm、＞12mm时为4mm)时，可不加工斜角，因焊缝表面形成的斜度即可满足平缓过渡的要求。（a)(b)（c）图3.10变截面钢板拼接

(a)变宽度；(b)、(c)变厚度3.3.2对接焊缝的计算对接焊缝可视为焊件截面的延续组成部分，焊缝中的应力分布情况基本与焊件原有的相同，故计算时可利用《材料力学》中各种受力状态下构建强度的计算公式。(1)轴心力(拉力或压力)作用时的对接焊缝计算对接焊缝受垂直于焊缝的轴心拉力或轴心压力作用时(如图3-12(ａ)所示)，其强度应按下式计算：

(3.1)式中——轴心拉力或轴心压力

——焊缝长度。当无法采用引弧和引出板施焊时，每条焊缝长度计算时应各减去10mm；

——在对接接头中为连接件的较小厚度；在T形接头中为腹板的厚度；

、——对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值，按附表1.2选用。

图3-12轴心力作用时的对接焊缝(a)直焊缝；(b)斜焊缝（a）（b）(2)弯矩和剪力共同作用时的对接焊缝计算a).矩形截面：如图3.13(a)所示，焊缝中的最大正应力和剪应力应分别符合下列公式

（3.2）

（3.3）

式中——焊缝截面抵抗矩；

——焊缝截面计算剪应力处以上部分对中和轴的面积矩；

——焊缝截面惯性矩；

——对接焊缝的抗剪强度设计值．按附表1.2选用。b).工字形截面；如图3.13(b)所示，焊缝中的最大正应力和剪应力除应分别符合式（3.2）和式（3.3）的要求外，在同时受有较大正应力和剪应力

的梁腹板横向对接焊缝受拉区的端部“1”点，还应按下式计算折算应力：

（3.4）式中1.1是考虑最大折算应力只在焊缝的局部产生，因而将焊缝强度设计值提高的系数。

（a）

（b）

图3.13弯矩和剪力共同作用时的对接焊缝[例3-1]计算工字形截面牛腿与钢柱连接的对接焊缝强度(图3.14)。F=550kN(设计值)，偏心距e=300mm。钢材为Q235B，焊条为E43型，手工焊。焊缝为三级检验标准，上、下翼缘加引弧板和引出板施焊。[解]截面几何特征值和内力:

图3.14例3-1附图

，（a）最大正应力（b）最大剪应力

（c）“1”点的折算应力3.4角焊缝的构造和计算3.4.1角焊缝的构造形式和尺寸要求角焊缝（如图3.8所示）可分为直角角焊缝与斜角角焊缝。直角角焊缝的截面形式有普通焊缝（如图3.8(a)所示）、平坡焊缝（如图3.8(b)所示）、深熔焊缝（如图3.8(c)所示）等几种。一般情况下均用普通焊缝，由于这种焊缝受力时力线弯折，应力集中现象较严重，在焊缝根角上形成高峰应力，易于开裂，因此在承受动力荷载的连接中，必要时可采用平坡焊缝或深熔焊缝。直角角焊缝垂直于构件受力方向时(如图3.15(a)所示)称为正面角焊缝，简称为端缝；而平行于构件受力方向时(如图3.15(b)所示)称为侧面角焊缝，简称为侧缝；当直角角焊缝既不平行也不垂直于构件受力方向时(如图3.15(c)所示)，称为斜角焊缝。正面角焊缝受力后的应力状态要比侧面角焊缝复杂得多，应力集中现象较明显，在焊缝的根角处往往形成高峰应力(如图3.16所示)，易于开裂。在荷载作用下，正面角焊缝有三种破坏形式(如图3.17所示)。通常总是在根角首先出现裂缝，然后扩及整个焊缝截面以致断裂。

图3.15直角角焊缝(a)侧面角焊缝；(b)正面角焊缝；(c)斜角焊缝

图3.16正面角焊缝受力后的应力分布（a）（b）（c）3.4.2角烽缝的计算方法根据试验结果，两种角焊缝的强度和塑性各不相同，正面角焊缝的强度高但塑性和韧性略差，侧面角焊缝的强度低但塑性和韧性较好。在工程实践中，确定焊缝的使用性能和优劣程度时，应综合考虑各种因素的利弊，不能单纯按照强度高低。根据多年来工程实践经验证明，虽然正面角焊缝和侧面角焊缝各有所长，也各有所短，取长补短。两种角焊缝采用同一个强度设计值，由此设计的连接的使用效果良好。所以，习惯上在计算时正面角焊缝和侧面角焊缝的强度设计值的取值是相同的，并不因试验结果不同而有所区别。角焊缝的应力分布比较复杂，正面角焊缝与侧面角焊缝工作差别很大，要精确计算很困难，因此采用简化计算方法，以焊缝的最小截面即斜截面为其计算截面，并将算得的应力作为剪应力。虽然这些假定和实际情况有一定出入，但通过大量试验证明是可以保证安全的，久已为大多数国家所采用。

3.5焊接残余应力和焊接残余变形3.5.1焊接应力的分类和产生的原因

焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及其附近温度最高，可达1600℃以上，而邻近区域温度则急剧下降（图3.32）。不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生了热态塑性压缩。焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短，但受到周围钢材限制而产生拉应力。在低碳钢和低合金钢中，这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。焊接应力是一种无荷载作用下的内部应力，因此会在焊件内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力。

图3.32施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力(a)、(b)施焊时焊缝及附近的温度场；(c)钢板上纵向焊接应力随焊接残余应力的产生，同时也会出现不同方向的不均匀收缩变形(图3.33)，称为焊接残余变形。

图3.33焊接残余变形种类

随焊接残余应力的产生，同时也会出现不同方向的不均匀收缩变形(图3.33)，称为焊接残余变形。3.5.2焊接残余应力的种类及分布焊接残余应力按其方向可分为纵向、横向和沿厚度方向的残余应力。1．纵向残余应力纵向残余应力是在焊接温度场内，焊件沿焊缝长度方向因冷却先后不同而引起的纵向内应力。其沿焊件横向的分布规律如图3.34所示，即高温区为拉应力，低温区为压应力，残余应力大小及其具体分布与焊接的刚度和温度场变化梯度有关，刚度愈大、温度场变化梯度愈大，则残余拉应力愈大，最大值有时可达到钢材的屈服点。

图3.34纵向残余应力沿构件横向的分布2．横向残余应力横向残余应力是由两部分残余应力叠加而成。一是由于焊件沿焊缝纵向的冷缩，使钢板有产生如图3.35(a)所示的外弓形弯曲变形趋势，但因焊缝已将两块钢板连成整体，使钢板的弯曲变形受到焊缝的约束而未能形成，故在焊缝横向产生了横向残余应力，应力沿焊缝长度呈不均匀分布，且中段受拉，两端受压(如图3.35(b)所示)。二是由于施焊先后不同所引起，先焊的焊缝先冷却凝固，使后焊部分的热膨胀受到约束而产生热塑压缩变形；在焊缝冷却过程中，后冷却部分的横向收缩变形受到先冷却焊缝的约束，使焊缝产生横向拉应力，相反，先冷却部分则产生了横向应力，此项横向残余应力的分布与施焊顺序有关（如图3.35(c)所示）。焊缝中最后产生的横向残余应力就是由一、二两项应力叠加的结果（如图3.35(d)所示）。

图3.35焊接横向残余应力的成因及分布3．沿焊缝厚度方向的残余应力在厚钢板焊接中，焊缝需经过多层施焊才能焊满成型。由于焊缝较厚，冷却时，表层先冷却，中间层后冷却，先冷却部分会对后冷却部分的收缩变形起约束作用，从而使焊缝中间部分产生了拉应力，表层附近则产生丁压应力(如图3.36所示)。

图3.36厚度方向的焊接残余应力

4．约束状态下产生的焊接应力

在实际焊接接头中，由于相连接构件的刚度不同，或受到夹具约束等原因，使焊件不能自由变形，从而产生了更大的焊接应力，这种应力称约束状态下的焊接应力。它是不能自相平衡的，只有在外界约束解除后，使因外界约束产生的那一部分应力释放以后，剩余的应力才是焊件自身相互约束产生的焊接残余应力，而且是一组自相平衡的内力(如图3.37所示)。

图3.37约束状态下的焊接残余应力3.5.3焊接残余应力和残余变形对结构性能的影响1.焊接残余应力的影响(1)对结构静力强度的影响对塑性较好的材料，焊接残余应力对静力强度无影响。如图3.38所示，当存在残余应力的构件受到静载作用时。焊件横截面上由外载产生的应力与残余应力相叠加，使构件应力出现不均匀分布，随着外载逐渐增加，高应力区先达到屈服点人而进入塑性状态，当外载继续增加时，新增荷载只能由未达屈服点的弹性区来承担，随外荷载不断增加，塑性区逐渐扩大，直至全断面应力均达到屈服点。这时构件的总承载力为，这与没有残余应力时构件的承载力完全一样。因为残余应力是一组自相平衡的内应力，其合力为零，故不影响构件静力强度。

图3.38焊接残余应力对静力强度的影响（2）对结构刚度的影响焊接残余应力的存在，会降低构件的刚度。由图3.38可知，有残余应力的构件，受外载作用后，截面应力分布不均匀，在外应力和残余应力同号叠加区，随外荷不断增加，会先达到屈服点，使截面出现塑性区，从而减少了继续承载的有效面积。所以，在相同外力增量的情况下，构件会因承载截面的减小而使变形增大，也就使构件刚度相应减小了。（3）对压杆稳定性的影响有残余应力的压杆，在轴心压力作用下，存在残余压应力的部分必定先进入塑性状态，使构件的弹性区减小，压杆的挠曲刚度也随之减小，所以会降低构件的稳定承载力。（4）对低温冷脆的影响在厚板焊缝和右三向交叉焊缝处，会产生三向焊接残余应力，若三向均为拉应力时，则会阻碍材料的塑性变形，使材质变脆。当构件在低温条件下承载时，容易产生裂纹并扩展，加速了构件的脆性破坏。（5）对疲劳强度的影响有残余应力的构件受到反复荷载作用时，在焊缝及其附近的高额残余拉应力有时可达到屈服点，使构件的实际应力循环从

开始，而并非在外荷产生的名义最大应力开始，加之三向残余应力会使材质变脆，加速裂纹的出现和扩展，所以会降低结构的疲劳强度。

2．焊接残余变形的影响

在焊缝冷却过程中，由于沿焊缝纵向和横向的收缩不均匀，使构件产生了各种不同的残余变形。如纵向缩短、横向缩短、弯曲变形、扭曲变形和角变形等(如图3.33所示)。这些变形若超出了施工验收规范所容许的范围，将会影响结构的安装、正常使用和安全承载。所以，对过大的残余变形必须加以矫正。3.5.4减少焊接残余应力和变形的方法为减少焊接残余应力和残余变形，既要进行合理的设计，又要做到正确的施工。1.合理设计(1)选择适当的焊脚尺寸，避免因焊脚尺寸过大面引起过大的焊接残余应力。(2)焊缝都置应尽可能对称，并应避免焊缝过于集中和三向交叉焊缝。如构造上难以避免三向交叉缝，应使主要焊缝连续贯通，而将次要焊缝在交叉处中断(如图3.39所示)。

图3.39合理的焊缝设计(3)进行合理的焊接工艺设计，选择合理的施焊顺序。如采用分段退焊、分层焊、对角跳焊和分块拼焊等(如图3.40所示)，以使焊件能较自由收缩，减少残余应力和残余变形。

图3.40合理的施焊顺序2．正确施工(1)在制造工艺上，可采用预加反变形和局部加热法，以抵消施焊中可能产生的焊接变形(如图3.41所示)。也可采用焊前预热(在焊缝两侧各80~100mm范围内均匀加热至100~150摄氏度)。或焊后退火(将焊好的构件加热至600℃后再自然冷却)，来减少焊接残余变形和残余应力，有时也可采用锤击法来释放残余应力和矫正过大的残余变形。(2)焊接过程中应严格按焊接工艺设计的要求施焊，避免随意性。(3)应为施工人员提供较好的工作环境和施焊条件，如尽量采用自动焊或半自动焊，采用手工焊时应尽量避免仰焊等。

图3.41反变形及局部加热3.6螺栓连接的排列和构造要求

普通螺栓一般用Q235钢材制成，分A、B、C三级，常用的是C级螺栓，就是通常所称的粗制螺栓。

3.6.1螺栓的排列和构造螺栓在构件上的排列应力求简单整齐，通常采用并列和错列两种形式(如图3.42所示)。并列比较简单整齐，但螺栓孔对构件截面削弱较大。错列可以减小构件截面的削弱，有时可使连接比较紧凑。

图3.42螺栓的排列（a）并列；(b)错列（b）螺栓(包括高强度螺栓)在构件上的排列应考虑下列要求：1.受力要求：如图3.43所示，当顺力作用方向的端距小于

为螺栓孔直径)时，孔前的钢板有被冲剪破坏的可能(如图3.43(a)所示)，受压构件当顺力作用方向的栓距过大时，会产生压屈外鼓现象(如图3.43(b)所示)。因而从受力要求考虑，栓距和线距不能过小或过大。（图3.43螺栓连接构造不合理的破坏情况2．构造要求：当栓距和线距过大时，被连构件间的接触面不紧密，潮气容易侵入缝隙，引起钢板锈蚀，因而栓距和线距都不能过大。

3．施工要求：螺栓的布置必须考虑保证有一定空间能够用扳手拧螺帽，因而栓距和线距不能过小。根据上述三方面的要求进行螺栓排列时，就有最大距离和最小距离的具体规定。详细情况见表3.2。表3.3角钢上螺栓或铆钉线距表(mm)单行排列角钢肢宽404550566370758090100110125线距e252530303540404550556070钉孔最大直径11.513.513.515.517.520222224242626双行错排角钢肢宽125140160180200双行并列角钢肢宽1601802001607080e290100120140160e2130140160钉孔最大直径2424262626钉孔最大直径242426表3.4工字钢和槽钢腹板上的螺栓线距表(mm)工字钢型号121416182022252832364045505663线距404545455050556060657075757575槽钢型号1214161820222528323640————线距4045505055555560657075————表3.5工字钢和槽钢翼缘上的螺栓线距表(mm)工字钢型号121416182022252832364045505663线距404050556065657075808085909595槽钢型号1214161820222528323640————线距3035354040454545505660————

图3.44型钢的螺栓（铆钉）排列在钢结构施工图上需要将孔、螺栓的施工要求，用图形表示清楚，以免引起混淆。表3.6为常用的孔、螺栓图例。

表3.6螺栓及其孔眼图例

3.6.2螺栓连接的构造要求1、为了使连接可靠，每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺栓数不宜少于两个；2、对于直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其他防止螺帽松动的有效措施；3、由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用C级螺栓受剪。4、当采用高强螺栓连接时，拼接件不能采用型钢，只能采用钢板。（型钢抗弯刚度大，不能保证摩擦面紧密结合）5、沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板，应适当增强其刚度，以减少撬力对螺栓抗拉承载力的不利影响。3.7普通螺栓连接的性能和计算普通螺栓连接按受力情况可分为三类：①螺栓只承受剪力；②螺栓只承受拉力；③螺栓承受拉力和剪力的共同作用。d0=d+1.5～3.0mm（d0——螺孔直径，d——螺杆直径）性能等级有4.6、4.8级。以4.6级为例说明螺栓性能等级的含义：小数点前的数字表示螺栓成品的抗拉强度不小于400N/mm2,小数点及小数点后的数字表示屈强比（屈服强度与抗拉强度之比）为0.6。优点：安装简单，便于拆装；缺点：螺杆与钢板孔壁不够紧密，传递剪力时，连接变形较大。宜用于承受拉力的连接中，或用于次要结构和可拆卸结构的受剪连接及安装时的临时固定。普通螺栓按加工精度可分为：

①粗制螺栓（C级）②精制螺栓（A、B级）d0=d+0.3～0.5mm（d0——螺孔直径，d——螺杆直径）性能等级有8.8、5.6级。优点：受力性能好；缺点：安装费时费工，且费用较高。目前建筑结构中已较少使用。3.7.1普通螺栓的抗剪连接（受剪螺栓连接）1、抗剪连接的工作性能抗剪连接是最常见的螺栓连接形式。如果以图3.45(a)所示的螺栓连接试件作抗剪试验，则可得出试件上a、b两点之间的相对位移δ与作用力N的关系曲线[图3.45(b)]。由此关系曲线可见，试件由零载一直加载至连接破坏的全过程，经历了以下四个阶段。

图3.45单个螺栓抗剪试验结果（1）摩擦传力的弹性阶段（01段）加载初，荷载小，连接中剪力小，荷载靠构件间接触面的摩擦力传递，栓杆与孔壁之间的间隙保持不变。（2）滑移阶段（12段）当连接中的剪力达到构件间摩擦力的最大值时，板件间产生相对滑移，直至栓杆与孔壁接触。（3）栓杆直接传力的弹性阶段连接所承受的外力主要是靠螺栓受剪和孔壁受挤压传递，曲线呈上升状态，达到3点时，表明螺栓或连接板达到弹性极限。（4）弹塑性阶段在此阶段即使荷载增量很小，连接的剪切变形迅速加大，直至连接破坏。4点---极限荷载2、抗剪螺栓连接破坏形式：受剪螺栓连接在达到极限承载力时，有可能出现以下五种破坏形式。(1)螺栓被剪断(图3.46a)。当螺杆直径相对较小，而构件厚度相对较厚时，可能发生这种破坏。

(2)孔壁被挤压坏(图3.46b)。当螺杆直径较大而构件厚度相对较薄时，可能发生这种破坏。

(3)构件被拉断(图3.46c)。当构件截面被螺孔削弱过多时，构件可能沿净截面处被拉断；(4)构件端部被剪坏(图3.46d)。当构件端部第一排螺孔的端距过小时，在轴心拉力作用下可能发生构件端部冲剪破坏。(5)螺栓弯曲破坏(图3.46e)。当螺栓约束的板叠过厚，即栓杆过长时，传力过程中有可能使栓杆产生过大的弯曲变形面影响连接的正常工作。

图3.46剪力螺栓的破坏形式

以上可能破坏形式一般当构件上螺孔的端距大于时，可以避免端部冲剪破坏；当螺栓夹

针对以上五种破坏形式的前三种，可通过相应的强度计算来防止，后两种可采取相应的构造措施来保证。具体措施如下：（1）通过计算保证螺栓抗剪；（2）通过计算保证螺栓抗挤压；（3）通过计算保证板件有足够的拉压强度；（4）螺栓端距≥2d

0

——避免钢板被拉豁。（5）当螺栓夹紧长度不超过其直径的五倍，则可防止螺杆产生过大的弯曲变形。3、单个普通螺栓抗剪连接的承载力（1）抗剪承载力设计值假定：螺栓受剪面上的剪应力是均匀分布的。单个抗剪螺栓的抗剪承载力设计值为：（3.16)式中

——受剪面数目，单剪

，双剪

四剪；

——栓杆直径；

——螺栓抗剪强度设计值。（2）承压承载力设计值假定：螺栓承压应力分布于螺栓直径平面上（如图3.47所示），而且该承压面上的应力为均匀分布。单个抗剪螺栓的承压承载力设计值为：(3.17)——在同一受力方向的承压构件的较小总厚度；

——螺栓承压强度设计值。

图3.47螺栓承压的计算承压面积4、普通螺栓群抗剪连接计算（1）普通螺栓群轴心受剪假定：各螺栓受到的剪力相等。连接一侧所需的螺栓数：

（3.18)

——一个螺栓抗剪承载力设计值与承压承载力设计值的较小值。

为了防止构件因开孔削弱截面而拉短，还需验算开孔截面的强度：式中——构件净截面面积。注：当节点板或拼接接头一端螺栓沿受力方向的连接长度时，即使连接进入弹塑性阶段，螺栓受力不均匀（图3.48），端部螺栓受力仍最大，往往首先破坏。图3.49的纵坐标为长连接抗剪螺栓的强度折减系数，横坐标为连接长度与螺栓孔直径的比值。当时，连接强度明显下降，开始下降较快，以后逐渐缓和，并趋于常值。由此曲线可知折减系数为：（3.19)因此，应将螺栓的承载力（、）乘以下列折减系数：

；

。

图3.48长接头螺栓的内力力分布图3.49长接头抗剪螺栓的强度折减系数3.7.2普通螺栓的抗拉连接（受拉螺栓连接）1、受力性能螺栓所受拉力的大小与被连接板件的刚度有关，刚度大，连接板件无变形，一个螺栓所受拉力；刚度小，受力后角钢发生较大变形，在角钢水平肢得端部，因杠杆作用产生反力（如图3.52所示），

与连接板刚度、螺栓直径、螺栓所在位置有关。《钢结构设计规范》将螺栓的抗拉强度适当降低（

）以考虑这种不利影响，在构造上采取措施，如设置加劲肋（图3.53），提高刚度，可以减小甚至消除撬力的影响。

图3.53T形连接中螺栓受拉

其破坏形式是栓杆拉短，部位多在被螺纹削弱截面处图3.52受拉螺栓的撬力2、单个普通螺栓的抗拉承载力：（3.20)式中、——螺纹处有效直径和有效面积；

——螺栓的抗拉强度设计值。3、普通螺栓群轴心受拉图3.54所示螺栓群在轴心力力下的抗拉连接，通常假定：每个螺栓平均受力。则连接所需螺栓数

（3.21)4、普通螺栓群弯矩受拉3.7.3普通螺栓受剪力和拉力的联合作用（拉剪螺栓连接）图3.59所示连接，螺栓群承受剪力V和偏心拉力N（即轴心拉力N和弯矩M=Ne）的联合作用。承受剪力和拉力联合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。根据试验结果，螺栓的强度条件应满足下述曲线相关方程：

、——一个螺栓所承受的剪力和拉力。

图3.59螺栓群受剪力和拉力联合作用

当连接板件过薄时，可能因承压强度不足而破坏，需按下列公式计算螺栓的承压承载力：3.8高强度螺栓连接的工作性能和计算3.8.1高强度螺栓的工作性能高强度螺栓连接按其设计准则的不同分为摩擦型连接和承压型连接两种类型。其中摩擦型连接是领先被连接件之间的摩擦阴力传递内力，并以荷载设计值引起的剪力不超过摩擦阻力这一条件作为设计准则。螺栓的预拉力P（即板件间的法向压紧力）、摩擦面间的抗滑移系数和钢材种类等都直接影响到高强度螺栓摩擦型连接的承载力。

（2）预拉力的确定2、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数3、高强度螺栓抗剪连接的工作性能4、高强度螺栓抗拉连接的工作性能5、高强度螺栓同时承受剪力和外拉力连接的工作性能1、高强度螺栓的预拉力（1）预拉力的控制方法3.8.2高强度螺栓群的抗剪计算计算方法同普通螺栓，只需用高强度螺栓的承载力代替普通螺栓的承载力。3.8.3高强度螺栓群的抗拉计算（1）轴心力作用时计算方法同普通螺栓。（2）高强度螺栓群弯矩受拉高强度螺栓的外拉力设计要求为，在连接受弯矩而使螺栓沿栓杆方向受力时，被连接构件的接触面仍一直保持紧密贴合，因此可认为在

作用下，中和轴在螺栓群的形心轴上（图3.64），最外排螺栓受力最大。（3.29）

图3.64承受弯矩的高强度螺栓连接（3）高强度螺栓群偏心受拉N≤0.8P,连接板件间接触面始终压的很紧,按小偏心受拉计算。（3.30）（4）高强度螺栓群承受拉力、弯矩和剪力的共同作用图3.65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。

图3.65摩擦型连接高强度螺栓的应力

本章小结1、钢结构的连接，常用焊接连接和螺栓连接。对不同的焊缝形式和不同的螺栓连接，计算方法是不同的。2、焊透的对接焊缝连接，在计算中作为构件的一个组成进行强度验算