钢结构设计原理教案

钢结构设计原理教案

第一章概述

一、教学内容：

钢结构在我国的发展概况、钢结构的特点和合理应用范围、钢结构的设

计方法、钢结构的发展。

二、教学内容及教学要求：

（-）钢结构在我国的发展

1、了解钢结构在我国发展的几个阶段；

2、了解当前钢结构在我国发展的态势。

（二）钢结构的特点和合理应用范围

1、理解匀质等向体的重要意义；

2、理解钢结构的特点，及根据充分发挥其特点的原则确定其合理应用

范围。

（三）近似概率极限状态设计法

1、理解结构可靠性的内容，用可靠度指标衡量结构可靠性的方法；

2、掌握钢结构近似概率极限状态设计方法和设计表达式。

三、重点、难点：

重点：钢结构的特点和合理应用范围；近似概率极限状态设计方法

难点：近似概率极限状态设计方法表达式的理解

四、学时安排：3学时

五、作业：课外查找两种有关钢结构的杂志、了解钢结构的一些前沿动

态

六、教案:

第一节钢结构在我国的发展概况

一、结合钢结构的特点：1、轻质高强

2、抗震性能好

3、建造速度快

4、工期短

5、综合经济效益好

阐述国外国内各历史阶段钢结构的发展情况，预期，随着我国经济建设

的不断发展，钢结构的应用将日新月异，并将进入新的更高的发展阶段。

二、解析钢结构课程的基本框架、特点、地位及学习方法

《钢结构》课程基本框架如下表:

’轴心受压构件：柱

‘焊接'受弯构件：梁

钢材—各种构件＞«各种更大构件）,组成建筑结构

‘螺栓连接；拉弯、压弯构件：梁、柱

屋架

主要章节都沿用如下设计思路：

强度刚度整体稳定局部稳定

第二节钢结构的特点和合理应用

一、钢结构特点

1、自重轻而承载强度高

钢材虽容重比其他材料大，但强度却高很多，属轻质高强材料。

例：同跨度同荷载条件下，钢屋架重量只有钢筋胫屋架自重的」-工；

43

应用：大跨结构，如体育场馆，桥梁；高耸结构，如输电塔架，电视塔

等。

2、塑性、韧性好

塑性：静力荷载作用下，材料抵抗变形的能力；20-30%

韧性：动力、冲击交变荷载作用下，材料不破坏的能力。

塑性好，避免偶然或超载产生的断裂破坏（脆性破坏）。韧性好，使对动

力荷载适应性强。

应用：抗震性能好；有较大动力设备的、有吊车的工业厂房。

3、更接近于匀质等向体

各部分各方向都接近于匀质等向体，在使用应力阶段，钢材属于匀质等

向体（理想弹性体），和力学计算相符合。所以钢结构的实际受力情况和力学

计算最相符合。

4、具有可焊性和良好加工性能

使钢结构的连接大力简化，还可满足制造各种复杂形状结构的需要，这

是促进近代钢结构发展的重要因素之一。

5、耐热性能好，但防火性能差

200℃内，钢材耐热而不耐高温；200℃以上，温度越高，强度越底，耐

火时间不长，超过600℃,瞬时全部崩溃。例：美国9.11事件。

6、密封性好

7、钢材的可重复使用性-一回炉冶炼，重复使用。绿色和可持续发展材料

8、耐腐蚀性差：有低温冷脆倾向

二、钢结构的应用：

1、承受荷载大的工业厂房等2、大跨度结构

3、高层建筑4、塔桅结构

★5、轻型钢结构（冷弯薄壁型钢、小角钢、钢管结构）

★6、钢与硅组合结构（新的研究领域，钢材适宜受拉、混凝土适宜受压，

组合并用，充分发挥它的长处。广泛用于高层建筑等，主要结构形式：钢-

於组合梁、钢管段柱等）

第三节钢结构设计方法

一、结构的功能要求

1、设计准则：充分满足也能要求的基础上，做到安全可靠，技术先进,

但又要经济合理。

概括为：结构应具有安全性、适用性、耐久性，统称为可靠性。《钢结构

设计规范》采用了以概率理论为基础的极限状态设计法。

2、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)在正常维护下具有足够的耐久性；

(4)在设计规定的偶然事件(如地震、火灾、爆炸、撞击等)发生时及发生

后，仍能保持必需的整体稳定性。

3、结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力，称为

结构的可靠性；一般建筑物的设计基准期为50年。

二、结构的极限状态

1、承载能力极限状态：

概念：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，称为该功能的极限状态。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”。包括：

(1)、静力强度

(2)、动力强度

(3)、稳定局部整体

2、正常使用极限状态：刚度、挠度、变形、裂缝

三、概率极限状态设计原理

'材料强度'

结构或构件的承载力R，构件截面积，都是独立的随机变

截面模量

量，应用概率来确定它们的设计值。

陶载1

温度变化

荷载效应，作用S，也是随机变量，用各自的统计现

基础不均匀沉降

地震

值来确定。

从而写出极限状态方程:

Z=g(R,S)=R-S=0

当R>S时，结构处于可靠状态。

当R<S时，结构处于失效状态。

当R=S时，结构处于极限状态。

过去采用安全系数法——安全系数都为定值且全凭经验选定，设计的结

构和不同构件的安全座不可能相等，因而不合理。

后来出现了极限状态设计法：

1、半概率极限设计法：少量参数，如：钢材设计强度、风雪荷载

2、近似概率设计法：现在用见P,各统计资料不完全。

3、全概率设计法：有待完善研究。

四、近似概率设计法

概念：把影响构件可靠性的各种因素都视为随机变量，根据分析确定失

效概率来度量结构的可靠性。

根据实际结构的统计资料，得到极限状态方程Z=R-S的统计结果，算出

各种Z值所占全部统计值的百分率，以横轴坐标为Z值，纵坐标为各Z值所

Z<0时结构失效（阴影所示）为pv而Z>0时为p，，为可靠概率，则有下

列关系:Pr-1_Pf

Pf值越小，结构或构件可靠度也越大。

设计图中失效概率比较困难，但由图可见，失效概率和平均值〃z及标准

差q之间存在下列关系：

风=%

万二%

有了Z值的全部值（统计），就能算出他的平均值4及标准差4。

=

氏MK-Mx

0z-+只

B称为结构或构件的可靠指标(可靠度)。

计算B值比计算由值简单，因此用B值确定构件的可靠度，所以这种设

计方法又称为可靠度设计。

'\

*13«失效藏率与可*指标的对应关系

B2.52.73?23^7<2

--------------------------------------------------：-----------------------------------------

P,5X10!3.5X10"6.9x10-4j1.1x10"1.3x10'5

当R和S的统计值不按正态分布时，结构构件的可靠指标应以它们的当量

正态分布的平均值和标准差代入以下公式来计算：

钢结构要求B=3〜3.2,即设计出来的结构的失效概率为万分之6.9和千

分之1.35之间。

这种采用概率理论的极限状态设计法称为概率极限状态设计法，他比容

许应力设计法要先进的多。

但采用概率极限状态设计法时，必须拥有各个随机变量的统计数值。但

我们只掌握了少量，如：屈服点、风荷载和雪荷载等，其他大多只能凭经验

定。因而现行规范推荐的设计法可称为近似概率极限状态设计法。

按可靠指标进行设计，不易掌握和取得，因而现行设计规范将极限状态

设计公式等效地转化为大家熟悉的分项系数设计公式。

1、承载力极限状态公式：

可变荷载效应控制的组合：

n

，<>(y"Gk+bQlk+£%收。QJW/(1,3.12)

永久荷载效应控制的组合：

£加叽外卜/(1.3.13)

1=1

对于一般排架，框架结构，可采用简化式计算：

由可变荷载效应控制的组合：

九(九九1+W(1.3.14)

由永久荷载效应控制的组合，仍按计划（1.3.13）进行计算。

说明：

yO:为结构重要性系数，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;二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应

小于1.0:三级或设计使用年限为5年的结构构件，不应小于0.9,对使用年限

为25年的结构构件,丫0不应小于0.95;

°Gk：为永久荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力；

为起控制作用的第一个可变荷载标准值结构构件截面或连

接中产生的应力（该值计算结果为最大），0Qn为其他第i个可变荷载在结构

构件截面或连接中产生的应力；/为永久荷载分项系数，当永久荷载对结构

构件的承载能力不利时取1.2,但对式（1.3.13）则取1.35.当永久荷载对结构

构件的承载有利时，取为1.0.验算结构倾覆，滑移或漂浮时取0.9,yQ1,yQi为

第一个和其他第i个可变荷载分项系数，当可变荷载效应对结构构件的承载

能力不利时，取1.4（当楼面活荷载大于4.0k%2时，取1.3）,有利时,卜i取为

第i个可变荷载组合值系数，可按荷载规范的规定采用；w为简化式中采用的

荷载组合值系数，一般情况下可采用0.9,当只有一个可变荷载时，取为1.0,/

为钢材或连接的强度设计值，对钢材为屈服点fy除以抗力分项系数yR的商.

如Q235刚抗拉强度设计值产/y/1.087。

2、正常使用极限状态表达式

按GB50068—2001«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，并使变形等设计值

不超过相应的规定限值。钢结构只考虑荷载的标准组合，其设计式为：

++2也产Q0W[»]

第二章建筑钢材及其性能

一、教学内容：

结构钢材一次拉伸时的力学性能；结构钢材的力学性能指标；结构钢材

的脆性破坏；钢材种类和规格。

二、教学内容及教学要求：

（一）钢材一次拉伸时的力学性能

理解拉伸全过程的四个阶段

（二）钢材的力学性能指标

1、理解单向应力状态下4个力学性能指标；

2、理解钢材的塑韧性指标：

3、理解化学成分对钢材性能的影响。

（三）结构钢材的脆性破坏

1、理解应力集中现象；

2、理解冶金缺陷和温度变化可能引起钢材脆性破坏现象；

3、理解实效硬化和冷作硬化的现象和原因。

（四）钢材的牌号、规格和合理选用

1、理解建筑钢材牌号和用途；

2、理解各种钢材的规格和特性；

3、理解如何根据使用要求、使用条件、受力状况合理地选用钢材。

三、重点、难点：

重点：结构钢材一次拉伸时的力学性能；结构钢材静力和动力性能指标;

应用能量理论计算钢材的折算应力；应力集中

难点：钢材的疲劳问题

四、学时安排：7学时

五、作业：3、4

六、教案:

第一节建筑钢材的基本要求

1、要求：强度高：塑性、韧性好；可焊性良好；低温下保持较好韧性;

抗腐蚀性能好。

2、种类：碳素结构钢中的Q235及低合金钢中的Q345、Q390,Q420。

3、规格：供应的钢材规格为型材、板材、管材及金属制品四大类。

第二节建筑钢材的主要机械性能

机械性能包括：强度、塑性、冷弯性能、冲击韧性及可焊性。

一、强度和塑性

钢材强度一般由常温静载（包括韧性）下单向拉伸实验曲线表明把钢材

加工成标准试件，±20℃条件下做拉伸试验，得到应力-应变曲线关系如下图:

750

0.050.100.150.200.250.300.35

应变£/%

低碳钢拉伸工作四阶段：

1、弹性阶段——4,应力与应变为直线关系，E大，8小

2、塑性弹性阶段——由比例极限得到屈服点力，应力应变表现为曲线

关系。

3、塑性阶段——应力保持屈服点刀不变，应变不断增大，钢材处于流

塑状态，表现为暂时失去承载力。

4、强化阶段----次复了承载能力，应力-应变曲线上升，当到（抗拉

强度）时试件颈缩断裂。断口与作用力方向45°0

这种塑性变形很大，经历时间很长的破坏称为“塑性破坏”。破坏时间没

有明显征兆，破坏在瞬时发生危险性大，称为“脆性破坏”。

通过拉伸试验，得到三个机械性能指标：

（1）fu——抗拉强度--是钢材一项重要的强度指标，它反映钢材受拉

时所能承受的极限应力。

（2）6——伸长率--是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标,

以试件破坏后在标定长度内的残余应变表示。取圆试件直径的5倍或10倍为标

定长度，其相应伸长率分别用35或310表示。

（3）4——屈服点--是钢结构设计中应力允许达到的最大限值

二、冷弯试验（冷弯性能）

将钢材按原有厚度（直径）做成标准试件，放在冷弯试验机上，用具有

一定弯心直径的冲头，在常温下对标准试件中部施加荷载，使之弯曲达到

180°,然后检查试件表面，如果不出现裂纹和起层，则认为试件材料冷弯试

验合格。

作用：1、检验钢材是否适应构件制作过程中的冷作工艺

2、可以暴露出钢材内部缺陷（颗粒组织、结晶状况、微裂

纹、气泡等）

三、冲击韧性

韧性是指钢材抵抗冲击或振动荷载的能力，其衡量指标为冲击韧性。冲

击韧性值由冲击试验求得。

钢材的屈服点、抗拉强度、伸长率、是在常温静载下实验得到，反映钢

材在常温静载下的性能；

韧性反映钢材在承受冲击或振动荷载下的性能。

图2.3.5克比V型缺口冲击试验和标准试件

1一摆锤；2—试件；3—试验机台座；4一刻度盘；5一指针

四、可焊性

第三节建筑钢材的两种破坏形式

破坏形式分为两种：延性(塑性)破坏

脆性破坏

一、延性破坏

1、概念：材料在破坏之前如果有明显的变形，并吸收很大

的能量，从发生变形到最后破坏要持续较长的时间

2、特点：破坏前变形大，持续时间长，易于发现和补救，危险性相对

较小

二、脆性破坏

1、概念：材料在破坏之前没有明显的变形吸收能量很少，破坏突然发

生。例：砖石材料的破坏。

2、特点：对比延性破坏

第四节影响钢材性能的主要因素

一、化学成分因素的影响

钢中主要元素是铁(99%),其余是各种元素(1%)

钢是以铁和碳为主要成分的合金，虽然碳和其他元素所占比例甚少，但

却左右着钢材的性能。

碳是各种钢中的最重、主要元素之一。随着含碳量的提高，钢的强度

逐渐增高，而塑性和韧性下降，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等也变劣。

碳素钢按碳的含量区分，小于0.25%的为低碳钢，介于0.25%和0.6%之间的

为中碳钢，大于0.6%的为高碳钢。规范推荐的钢材，含碳量均不超过0.22%,

对于焊接结构则严格控制在0.2%以内。

硫是有害元素，常以硫化铁形式夹杂于钢中。当温度达800—1000℃时，

硫化铁会熔化使钢材变脆，因而在进行焊接或热加工时，有可能引发热裂纹，

称为“热脆现象此外，硫还会降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、抗锈蚀

性能和焊接性能等。

磷可提高钢的强度和抗锈蚀能力，但却严重地降低钢的塑性、韧性、

冷弯性能和焊接性能，特别是在温度较低时促使钢材变脆，称为“冷脆现象”。

因此，磷的含量也要严格控制。

钱是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种弱脱氧剂，可提高钢材强

度，消除硫对钢的热脆影响，改善钢的冷脆倾向，同时不显著降低塑性和韧

性。镒还是我国低合金钢的主要合金元素，其含量为0.8%〜1.8%.但镒对焊

接性能不利，因此含量也不宜过多。

硅是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种强脱氧剂，常与镒共同除

氧，生产镇静钢。适量的硅，可以细化晶粒，提高钢的强度，而对塑性、韧

性、冷弯性能和焊接性能无显著不良影响。硅的含量在一般镇静钢中为

0.12%〜0.30%,在低合金钢中为0.2%〜0.55%o过量的硅会恶化焊接性能

和抗锈蚀性能。

锐、银、钛等元素在钢中形成微细碳化物，加入适量，能起细化晶粒和

弥散强化作用，从而提高钢材的强度和韧性，又可保持良好的塑性。

辂、镁是提高钢材强度的合金元素。

氧和氮属于有害元素。氧与硫类似使钢热脆，氮的影响和磷类似，因此其

含量均应严格控制。

二、温度因素的影响

随着温度升高，钢材强度及弹性模量降低，塑性韧性提高。

150°C以内，钢材性能变化不大；

超过300°C后，强度和弹性模量显著下降，塑性显著上升：

到600°C上，强度几乎为零，塑性急剧上升，表现为丧失承载力；

蓝脆现象：钢材在250°C附近，钢材强度有所提高，而塑性相应降低，

钢材性能转脆，由于在这个温度下，钢材表面氧化膜呈蓝色，故称“蓝脆现

象”。应避免在这个温度区进行热加工。

三、钢材的疲劳因素的影响

疲劳破坏：钢材承受重复变化的荷载作用时，材料强度降低，破坏提早。

破坏突然发生。

疲劳破坏原因：

1、应力集中

一般认为是由于钢材内部有微观细小裂纹，在连续反复变化的荷载作用

下，裂纹端部产生应力集中，交变的应力使裂纹逐渐扩展，这种积累的损伤

最后导致突然断裂。

2、应力变化及循环次数

'常幅应力循环

用应力比「反映应力循环特征，循环，

变幅应力循环

《规范》采用容许应力幅的方法计算疲劳。

式中[ACT]——常幅疲劳的容许应力幅

n——应力循环次数

C、0——与构件和连接类别有关的系数，由表2.1查得

三、疲劳计算

《规范》规定的常幅疲劳计算公式和变幅疲劳计算公式如下：

「1W

ACT<[ACT]=—

式中[ACT]----常幅疲劳的容许应力幅

ACT----对焊接部位应力幅Ab=crmax-crmin,对非焊接部位为折

算应力幅Ab=4ax-0-7bmin

o-max——计算部位每次应力循环中的最大拉应力（取正值）

bmin——计算部位每次应力循环中的最小拉应力（取正值）或压

应力（取负值）

变幅疲劳计算公式

(Qyp

%[△人…五市

式中％欠载效应系数。《规范》规定对重级工作制的硬钩吊车取

1.0,重级工作制的软钩吊车取0.8,中级工作制吊车取0.5。

[A<T]2XI06——循环次数n=2XIO,次的容许应力幅。

第五节建筑钢材的种类、规格及选择

一、建筑钢材的种类

0235、0345、Q390及Q420

标准钢材牌号表示方法由字母Q、屈服点数值(N/mm?)、质量等级代号

(A、B、C、D)及脱氧方法代号(F、b、Z、TZ)四个部分组成。

Q:“屈”字汉语拼音的首位字母。

质量等级：A级代表最差，D级最优

脱氧方法：F-沸腾钢

b-半镇静钢

Z-镇静钢

TZ-特殊镇静钢

Q235中A、B级有沸腾钢、半镇静钢及镇静钢，C级全部为镇静钢，D

级全部为特殊镇静钢。

低合金高强度结构钢全部为镇静钢或特殊镇静钢，其中质量等级有A-E

五个级别。

钢号的代表意义如下：

1)Q235-A:屈服点为235N/mmZ的A级镇静碳素结构钢

2)Q235-BF:屈服点为235N/mm2的B级沸腾碳素结构钢

3)Q235-D:屈服点为235N/mm2的D级特殊镇静碳素结构钢

4)Q345-E:屈服点为345N/mmZ的E级低合金高强度结构钢

二、钢材规格

1、热轧成型

(1)热轧钢板：a、厚45-60mm,宽06-3m,长4-5m

b、薄0.35-4mm一作冷弯薄型钢原材料。

c、扁钢：

d、花纹钢：走道板和梯子板

(2)热轧型钢：

a、角钢：按边宽来编号，如：5号角钢边宽50mm;分为等边和不等边：

Z100X80X80

b、工字钢：120a表示：高为20cm工字钢，a表示腹板厚度

c、槽钢：［22a

d、钢管：无缝、有缝

2、冷轧成型：用薄钢板模压或弯制而成，壁薄截面开展，特

别经济。

第三章钢结构的连接

一、教学内容：钢结构连接的种类和特点；对接焊缝及其连接；角焊缝

及其连接；焊接应力和焊接变形；普通螺栓连接：高强螺栓

连接。

二、教学内容及教学要求：

（一）钢结构连接的种类和特点

1、理解钢结构常采用的两种连接方法，焊接和螺栓连接，它们的优缺

点和用途；

2、理解电弧焊的基本原理和设备，焊条种类和选用，焊缝的方位和要

求，焊缝符号和标注方法，以及焊缝缺陷和检验标准；

3、理解普通和高强螺栓的优缺点和用途。

（二）对接焊缝及其连接

1、理解对接焊缝的构造和工作性能；

2、掌握对接焊缝和工字连接构造，能综合应用传递各种内力时的传力

过程分析和焊缝的计算公式；

（三）角焊缝及其连接

1、理解角焊缝的形式、工作性能和构造要求；

2、掌握各种连接在各种内力作用下的内力传递过程分析以及连接的计

算。

（四）焊接应力和焊接变形

了解焊接应力和焊接变形的种类、产生原因及影响，以及减小和消除的

措施。

（五）普通螺栓连接和高强螺栓连接

1、理解螺栓的排列和构造要求；

2、理解普通螺栓连接传递剪力和拉力时的工作性能和破坏形式；

3、掌握普通螺栓连接在传递各种内力时，传力过程的分析和计算方法;

4、掌握高强螺栓连接在传递各种内力时，传力过程的分析和计算方法。

三、重点、难点：

重点：对接焊缝和角焊缝的受力性能；摩擦型高强度螺栓的工作特

点和计算

难点：焊接应力与焊接变形

四、学时安排：14学时

五、作业：1、2、3、6、7、8、9、10、11、14

六、教案:

第一节连接种类和特点

一、简述钢结构连接的重要地位

二、连接形式

（一）按连接件间相对位置

1、平接：连接件在同一平面内

2、搭接：连接件相互搭接

3、垂直连接：连接件相互垂直

（二）按连接方法

分为焊接连接、斜钉连接、螺栓连接和轻型钢结构用的紧固件连接等（图

3.1.1）o

图3.1.1钢结构的连接方法

（a）焊缝连接；（b）钏钉连接；（c）螺栓连接；（d）紧固件连接

1、焊接连接：（最主要连接方法）

1.1优点：（1）不削弱面，经济；

（2）直接焊接，简单，省工；

（3）连接密封性好，刚度大。

1.2缺点：（1）焊区材质变脆；

（2）产生残余应力、残余变形。

1.3钢结构常用的焊接方法

（1）手工电弧焊

最常用的一种焊接方法（图3.1.2）。通电后，在涂有药皮的焊条和焊件

间产生电弧。电弧提供热源，使焊条中的焊丝熔化，滴落在焊件上被电弧所

吹成的小凹槽熔池中。由电焊条药皮形成的熔渣和气体覆盖着熔池，防止空

气中的氧、氮等气体与熔化的液体金属接触，避免形成脆性易裂的化合物。

焊缝金属冷却后把被连接件连成一体。

图3.1.2手工电弧焊⑸电路；（b）施焊过程

1一电焊机；2—导线；3-焊件；4一电孤；5—药皮；6—起保护作用的气体；7—熔渣；8-

焊缝金属；9一主体金属；10—焊丝；11一熔池

手工电弧焊设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，特别

适于焊接短焊缝。但生产效率低，劳动强度大，焊接质量与焊工的技术水平

和精神状态有很大的关系。

1.4手工电弧焊所用焊条应与焊件钢材（或称主体金属）相适应，例如：

对Q235钢采用E43型焊条（E4300〜E4328）;对Q345钢采用E50型焊条

（E5000-E5048）;对Q390钢和Q420钢采用E55型焊条（E5500〜E5518）。焊

条型号中字母E表示焊条，前两位数字为熔敷金属的最小抗拉强度（单位为

kgf/mm2）,第三、四位数字表示适用焊接位置、电流以及药皮类型等。不同

钢种的钢材相焊接时，宜采用低组配方案。

（2）埋弧焊（自动或半自动）

2、钏钉连接：孔比钉杆直径大1mm,加热到900T500℃,插入钉孔，打

成钾钉头，现已很少采用。

3、螺栓连接

（1）普通螺栓连接：主要为c级粗制螺栓，传递剪力时，连接变形较大，

但传递拉力性能尚好。主要用于安装连接及可拆卸的结构中。普通碳素钢制

2

成，属4.6、4.8级，表示最低抗拉强度：400N/mmo0.6、0.8——螺栓材料

屈强比（屈服点/最低抗拉强度）

（2）高强螺栓连接：主要靠连接板间的强大摩擦阻力传递剪力，而普通

螺栓和钾钉主要靠钉杆承压和抗剪来传剪力。

又分为：摩擦型和承压型

a、摩擦型——只靠连接板件间的强大摩擦阻力传力，以摩擦阻力被克服

作为连接承载力的极限强度。为了产生更大摩擦力，应采用高强度及材料优

质碳素钢制成。包括：优质碳素钢（8.8级）、合金结构钢（10.9级）。

b、承压型——靠被连接板件间的摩擦力和栓杆共同传力，以栓杆被剪坏

或被压（承压）坏为承载力极限。

二、焊缝代号、螺栓图例（结合教材略讲）

第二节对接焊缝的构造和计算

一、对接焊缝的构造

常开成各种形式的坡口（I型、单边V型、X型和K型等）根据焊件厚度,

保证焊缝质量，便于施焊及减小焊缝截面积的原则选用。厚度5>6mm,开坡

口，保证焊缝。

匚

R"3~4mm；Jc=3-4mm

从c3-4nun

3tn

图3.2.1对接焊缝的坡口形式

（a）直边缝；（b）单边V形坡口；（c）V形坡口；（d）U形坡口；（e）K形坡口；（f）X形

坡口

在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4mm以上时，应分别

在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1：2.5的斜角（图

图3.2.2钢板拼接图3.2.3用引弧（引出）板焊接

（»）改变宽度“以改变厚度

在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，对承载力影响极大，故焊接

时一般应设置引弧板或引出板（图3.2.3）,焊后将它割除。对受静力荷载的结

构设置引弧（出）板有困难时，允许不设置引弧（出）板，可令焊缝计算长度等

于实际长度减2t（此处t为较薄焊件厚度）。

一、对接焊缝的计算

对接焊缝通常都做成带坡口的，按焊缝是否被焊透，分为焊透的对接焊

缝和未焊透的对接焊缝两种。设计方法也各异。

1.轴心受力的对接焊缝

在对接接头和T形接头中，垂直于轴心拉力或轴心压力N的对接焊缝（图

3.2.4）,其强度应按下式计算：

图3.2.4直对接焊健

按GB50205—1995《钢结构施工及验收规范》的规定，对接焊缝施焊时

均应加引弧板，以避免焊缝两端的起落弧缺陷，这样，焊缝计算长度应取为

实际长度。但在某些特殊情况下，如T形接头，当加引弧板较为困难而未加时，

则计算每条焊缝长度应减去2t。因此，在一般加引弧板施焊的情况下，所有

受压、受剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算,

只有受拉的三级焊缝才需要进行计算。

当直焊缝不能满足强度要求时，可采用斜对接焊缝。图3.2.5所示的轴心

受拉斜焊缝，可按下列公式计算：

•sin8一行

图3.2.5斜对接焊缝

［例题］试验算图3.2.6所示钢板的对接焊缝的强度。图中a=540mm,

t=22mm,轴心力的设计值为N=2500kN。钢材为Q235-B,手工焊，焊条为

E43型，三级检验标准的焊缝，施焊时加引弧板。

(b)

图3.2.6例题3.1图

［解］直缝连接其计算长度iw=54cm。焊缝正应力为:

3

N2500x10N2、厂1天M/z

a=—=--------------=210NA/r/mm>=175N/mm

Ij540mmx22mm

不满足要求，改用斜对接焊缝，取截割斜度为1.5:1,即0=56。，焊缝长度

_a_54cm

、sin0sin56°=65cm.故此时焊缝的正应力为：

3

Asin62500x10Nxsin56°22

(J--------二------------------------------------145N/mm</*=175N/mm

650mmx22mm

剪应力为:

s

Ncos92500x10Nxco856022

T==98N/mm<f；=120N/mm

I5650mtnx22mm

这就说明当tanOWL5时，焊缝强度能够保证，可不必验算.

2.承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝

图3.2.7a所示对接接头受弯矩和剪力的联合作用，由于焊缝截面是矩形图

形分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件：

M6M八

%二

W2工

3V

T5=--------■■I

中2

图3.2.7b所示是工字形截面梁的接头，采用对接焊缝，除应分别验算最大

正应力和剪应力外，对于同时受有较大正应力和较大剪应力处，例如腹板与

翼缘的交接点处，还应按下式验算折算应力：

J-+3彳w1.1/：

式中，°1,T1为验算点处的焊缝正应力和剪应力；1.1为考虑到最大折算应力

只在局部出现，而将强度设计值适当提高的系数.

雪

一

i

h

l

K

作用

联合

剪力

矩和

受弯

焊缝

对接

2.7

图3.

焊缝

对接

用的

合作

力联

和剪

，弯矩

心力

受轴

3.承

应力

的正

引起

缝中

在焊

弯矩

力和

，轴心

用时

合作

力联

矩、剪

与弯

心力

当轴

算。

6)验

(3.2.

按式

力仍

算应

，折