《建筑力学与结构分析（新形态活页式）》 教案 项目5 钢结构构造

项目五钢结构构造建筑力学与结构教学团队任务一剪切与挤压受力特点及内力计算课程名称建筑力学与结构课程性质专业基础课授课对象建技大一学生授课学时2学时学情分析1.学生在之前的部分学习了杆件的轴向拉伸与压缩，对剪切与挤压的内力计算模式有一定的认识；2.80%的同学能够掌握应力的概念，但是不能很好的区分正应力和切应力的区别，并灵活运用。3.70%的学生能够分清剪切与挤压的区别，但是在进行实用计算时，对剪切面和挤压面的判断容易出错，需要进行多加练习。教学目标知识目标1.掌握剪切与挤压的概念及连接处三种破坏形式；2.理解并掌握剪切的实用计算；3.理解并掌握挤压的实用计算。能力目标掌握对受剪构件的剪切与挤压实用计算。素质目标培养学生严肃认真的工作态度和对剪切与挤压实用计算的掌握。教学重点1.剪切与挤压的概念；2.剪切的实用计算；3.挤压的实用计算。教学难点掌握剪切与挤压实用计算中As与Abs的区别。教学内容教学过程设计课堂实施过程一、剪切与挤压：（一）概念在工程结构或机械中，构件之间通常通过铆钉、螺栓、销钉等连接件相连接，这类连接件的主要变形破坏形式是剪切与挤压。剪切的受力特点：构件在两侧面受到大小相等、方向相反、作用线相距很近的外力（外力合力）的作用。剪切的变形特点：构件沿位于两侧外力之间的截面发生相对错动，称剪切变形，发生错动的截面称为剪切面。连接件在受到剪切变形的同时，往往还要受到挤压变形。传递压力的接触面称为挤压面。(二)连接处破坏三种形式1.剪切破坏2.挤压破坏3.拉伸破坏学生：从实际生活中举例受剪构件有哪些。老师：结合学生的实例,讲解剪切与挤压的概念及连接处破坏三种形式。二、剪切的实用计算：（一）剪切面上的内力剪切面上的内力为一个切向力，称为剪力，记作FS。（二）剪切面上的应力在剪切面上，只存在切应力，工程中假设剪切面上的切应力平均分布，即有：FS为剪切面上的剪力，用截面法由平衡方程确定；AS为剪切面的面积。（三）剪切强度条件[]为材料的许用切应力老师：讲解剪切的实用计算公式。学生：分成小组，分别讨论剪切面应力计算公式与强度条件公式中各字母的含义。三、挤压的实用计算：（一）挤压面上的挤压力在挤压面上存在着法向的力，称为挤压力，记作Fbs。（二）挤压面上的应力在挤压面上，存在着法向的挤压应力，记作Fbs为挤压面上的挤压力；Abs为挤压面的计算面积，取实际挤压面在垂直于挤压力的平面上投影的面积。（三）挤压强度条件[bs]为材料的许用挤压应力。（四）应用案例练习老师：讲解挤压的实用计算公式。学生：分成小组，分别讨论挤压面应力计算公式与强度条件公式中各字母的含义。教学反思学生在之前的内容中学习了杆件的轴向拉伸与压缩，对剪切与挤压的内力计算模式有一定的认识，但是不能很好的区分正应力和切应力的区别，在进行实用计算时，对剪切面和挤压面的判断容易出错，需要进行多加练习结合学生的认知，从学生的实际生活出发，通过一些实例，让学生掌握剪切与挤压的实用计算。任务二钢结构连接与构件课程名称建筑力学与结构课程性质专业基础课授课对象建技大一学生授课学时2学时学情分析1.学生在之前的部分学习了钢筋混凝土构件的基本构造要求，对钢结构的材料性能及基本特点有一定的认识；2.80%的同学能够掌握钢结构的基本概念，但是对于施工中对应的不同连接方法还需进一步加强掌握。教学目标知识目标1.掌握钢结构的连接方法；2.理解并掌握钢结构焊接连接；3.理解并掌握钢结构螺栓连接；4.学会识读钢结构构件。能力目标掌握钢结构的主要连接方法，并学会识读钢结构构件。素质目标培养学生严肃认真的工作态度和对钢结构的认知。教学重点1.钢结构的连接方法；2.钢结构焊接连接；3.钢结构螺栓连接；4.钢结构构件的识读。教学难点根据受力特点区分不同钢结构构件。教学内容教学过程设计课堂实施过程一、钢结构的连接方法：钢结构的连接方法有焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种。（一）焊缝连接焊缝连接是通过电弧产生的热量使焊条和焊件局部熔化，经冷却凝结成焊缝，从而将焊件连接成为一体。优点：不削弱构件截面，节约钢材，构造简单，制造方便，连接刚度大，密封性能好，在一定条件下易于采用自动化作业，生产效率高。缺点：焊缝附近钢材因焊接高温作用形成的热影响区可能是某些部位材质变脆；焊接过程中钢材受到分布不均匀的高温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，对结构的承载力、刚度和使用性能有一定影响；焊接结构由于刚度大，局部裂纹一经发生很容易扩展到整体，尤其是在低温下易发生脆断；焊缝连接的塑性和韧性较差，施焊时可能产生缺陷，使疲劳强度降低。(二)螺栓连接螺栓连接是通过螺栓这种紧固件把连接件连接成为一体。螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。优点：施工工艺简单、安装方便，特别适用于工地安装连接，也便于拆卸，适用于需要装拆结构和临时性连接。缺点：需要在板件上开孔和拼装时对孔，增加制造工作量，且对制造的精度要求较高；螺栓孔还使构件截面削弱，且被连接件常需相互搭接或增设辅助连接板（或角钢），因而构造较繁且多费钢材。（三）铆钉连接铆钉连接是将一端带有半圆形预制钉头的铆钉，将钉杆烧红后迅速插入连接件的钉孔中，然后用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，以使连接达到紧固。优点：铆接传力可靠，塑性、韧性均较好，质量易于检查和保证，可用于重型和直接承受动力荷载的结构。缺点：铆接工艺复杂、制造费工费料，且劳动强度高，故已基本被焊接和高强度螺栓连接所取代。学生：从实际生活中举例钢结构的连接有哪些。老师：结合学生的实例,讲解钢结构的连接方法及三种方法的优缺点。二、焊接连接：（一）焊接方法钢结构常用的焊接方法是电弧焊，包括手工电弧焊、自动或半自动电弧焊以及气体保护焊等。手工电弧焊自动焊气体保护焊（二）焊缝形式焊缝连接形式根据被连接构件间的相互位置可分为对接、搭接、T形连接和角接等四种形式。焊缝按其工作性质来分有强度焊缝和密强焊缝两种。焊缝按施焊位置分，有平焊、立焊、横焊和仰焊四种。（三）焊接构造1.对接焊缝2.角焊缝老师：讲解钢结构的焊接连接。学生：分成小组，分别讨论不同焊接方法及其构造要求。三、螺栓连接：（一）普通螺栓连接的构造钢结构采用的普通形式为大六角头型，其代号用字母M与公称直径（mm）表示。工程中常用M18，M20，M22，M24。按国际标准，螺栓统一用螺栓的性能等级来表示，如“4.6级”、“8.8级”等。小数点前数字表示螺栓材料的最低抗拉强度，如“4”表示400N/mm2，“8”表示800N/mm2。小数点后的数字（0.6、0.8）表示螺栓材料的屈强比，即屈服点与最低抗拉强度的比值。根据螺栓的加工精度，普通螺栓又分为A、B、C三级。钢结构连接最常用4.6级或4.8级普通螺栓为C级螺栓；而5.6级与8.8级普通螺栓为A级或B级螺栓，A级、B级螺栓属精制螺栓，工程中较少采用，C级普通螺栓在钢结构工程中有广泛的应用。（二）普通螺栓连接的排列螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理又便于安装。排列方式有并列和错列两种排列（如图所示）。并列较简单，错列较紧凑。（三）普通螺栓连接的受力特点1.受剪螺栓连接2.受拉螺栓连接受拉螺栓连接中，在外力N作用下，构件相互间有分离趋势，从而使螺栓沿杆轴方向受拉。受拉螺栓的破坏形式是栓杆被拉断，其部位多在被螺纹削弱的截面处。3.拉剪螺栓连接由于C级螺栓的抗剪能力差，故对重要连接一般均应在端板下设置支托，以承受剪力（如图所示）。对次要连接，若端板下不设支托，则螺栓将同时承受剪力和沿杆轴方向的拉力的作用。（三）高强度螺栓的受力特点高强度螺栓连接按设计和受力要求可分为摩擦型和承压型两种。摩擦型连接在承受剪切时，以外剪力达到板件间可能发生的最大摩阻力为极限状态；当超过时板件间发生相对滑移，即认为连接已失效而破坏。摩擦型高强度螺栓只利用接触面间的摩擦阻力传递剪力，其整体性能好、抗疲劳能力强，适用于承受动力荷载和重要的连接。承压型连接在受剪时，则允许摩擦力被克服并发生板件间相对滑移，然后外力可以继续增加，并以此后发生的螺杆剪切或孔壁承压的最终破坏为极限状态。允许外力超过构件接触面间的摩擦力，利用螺栓杆与孔壁直接接触传递剪力，承载能力比摩擦型提高较多。可用于不直接承受动力荷载的情况。老师：讲解钢结构的螺栓连接。学生：分成小组，分别讨论普通螺栓连接和高强螺栓连接的受力特点及其构造要求。四、钢结构构件：（一）轴心受力构件轴心受力构件是指承受通过截面形心的轴向力作用的构件，分为轴心受拉构件和轴心受压构件。它们广泛的应用于柱、桁架、网架、塔架和支撑等结构中。1.轴心受力构件的受力特点轴心受拉构件设计时，应满足强度和刚度的要求。轴心受拉构件的刚度是以它的长细比来控制的。轴心受压构件的受力性能与受拉构件不同，除有些短粗或截面有较大削弱的构件其承载力由强度条件起控制作用外，一般情况下，轴心受压构件的承载能力是由稳定条件决定的。因此设计时除满足强度和刚度的条件外，还应满足整体稳定性和局部稳定性的要求。2.轴心受压柱的构造轴心受压柱由柱头、柱身、柱脚三部分组成。按柱身的构造型式可分为实腹式和格构式两类。（二）受弯构件承受横向荷载的实腹式受弯构件通常称为梁，它是组成钢结构的基本构件之一。1.类型与应用钢梁按截面的形式分为型钢梁和组合梁两大类。型钢梁构造简单，制造省工，成本较低，故应用较多。但在荷载较大或构件的跨度较大时，所需梁的截面尺寸较大时，由于轧制条件的限制，型钢的尺寸、规格不能满足梁承载力和刚度的要求，这时常采用组合梁。2.受弯构件（梁）的稳定性整体稳定性局部稳定性（三）梁的拼接和连接