钢结构经典教程讲课课件.ppt

1、钢结构经典教程第一章 绪 论第一节第一节 钢结构的特点与应用钢结构的特点与应用第二节第二节 钢结构的设计原理与方法钢结构的设计原理与方法第三节第三节 钢结构的发展钢结构的发展第四节第四节 钢结构课程的学习方法钢结构课程的学习方法第一节 钢结构的特点及应用一、钢结构的特点强度高、重量轻钢与混凝土、木材相比，虽然质量密度较钢与混凝土、木材相比，虽然质量密度较大，但其屈服点较混凝土和木材要高得多，大，但其屈服点较混凝土和木材要高得多，其质量密度与屈服点的比值相对较低。在其质量密度与屈服点的比值相对较低。在承载力相同的条件下，钢结构与钢筋混凝承载力相同的条件下，钢结构与钢筋混凝土结构、木结构相比，构件

2、较小，重量较土结构、木结构相比，构件较小，重量较轻，便于运输和安装。轻，便于运输和安装。质地均匀，塑性和韧性好钢材质地均匀，各向同性，弹性模量大，钢材质地均匀，各向同性，弹性模量大，有良好的塑性和韧性，为理想的弹塑性体，有良好的塑性和韧性，为理想的弹塑性体，完全符合目前所采用的计算方法和基本理完全符合目前所采用的计算方法和基本理论。论。生产、安装工业化程度高，施工周期短 钢结构生产具备成批大件生产和高度准确钢结构生产具备成批大件生产和高度准确性的特点，可以采用工厂制作、工地安装性的特点，可以采用工厂制作、工地安装的施工方法，所以其生产作业面多，可缩的施工方法，所以其生产作业面多，可缩短施工周期

3、，进而为降低造价、提高效益短施工周期，进而为降低造价、提高效益创造条件。创造条件。密闭性能好 由于焊接结构可以做到完全密封，一些要由于焊接结构可以做到完全密封，一些要求气密性和水密性好的高压容器、大型油求气密性和水密性好的高压容器、大型油库、气柜、管道等板壳结构都采用钢结构。库、气柜、管道等板壳结构都采用钢结构。抗震及抗动力荷载性能好 钢结构因自重轻、质地均匀，具有较好的钢结构因自重轻、质地均匀，具有较好的延性，因而抗震及抗动力荷载性能好。延性，因而抗震及抗动力荷载性能好。具有一定的耐热性 温度在温度在250以内，钢的性质变化很小，以内，钢的性质变化很小，温度达到温度达到300以上，强度逐渐下

4、降，达以上，强度逐渐下降，达到到450650时，强度降为零。因此，钢时，强度降为零。因此，钢结构可用于温度不高于结构可用于温度不高于250的场合。在的场合。在自身有特殊防火要求的建筑中，钢结构必自身有特殊防火要求的建筑中，钢结构必须用耐火材料予以维护。当防火设计不当须用耐火材料予以维护。当防火设计不当或者当防火层处于破坏的状况下，有可能或者当防火层处于破坏的状况下，有可能将产生灾难性的后果。将产生灾难性的后果。远眺纽约曼哈顿世贸大楼远眺纽约曼哈顿世贸大楼 绝绝版版纽纽约约世世贸贸中中心心双双子子塔塔 撞击下的世界贸易中心撞击下的世界贸易中心 美国东部时间美国东部时间2001年年9月月11日上午

5、日上午8时时45分，一架起飞重量达分，一架起飞重量达160吨的波音吨的波音767型型飞机，直接撞击纽约世界贸易中心北塔；飞机，直接撞击纽约世界贸易中心北塔；18分钟后，又一架起飞重量为分钟后，又一架起飞重量为100吨的波音吨的波音757型飞机，几乎拦腰撞击世界贸易中心南型飞机，几乎拦腰撞击世界贸易中心南塔。假设两架飞机的起飞重量是满负荷，再塔。假设两架飞机的起飞重量是满负荷，再考虑两种机型的速度是考虑两种机型的速度是1000千米千米/小时，而小时，而且以恐怖分子执意为之的心理，这个速度已且以恐怖分子执意为之的心理，这个速度已是下限，那么，在这种条件下，世界贸易中是下限，那么，在这种条件下，世界

6、贸易中心受到的冲量究竟有多少呢？心受到的冲量究竟有多少呢？根据动量的计算公式根据动量的计算公式P=mv，m是质点的质量，是质点的质量，v是该是该质点的质心速度，质点的动量是矢量，其方向和速度矢质点的质心速度，质点的动量是矢量，其方向和速度矢量的方向相同。实质上，飞机撞击世界贸易中心是属于量的方向相同。实质上，飞机撞击世界贸易中心是属于物体对障碍物碰撞的现象，我们先看看有关数据：物体对障碍物碰撞的现象，我们先看看有关数据：一、一、北塔所承受北塔所承受767型飞机撞击的动量型飞机撞击的动量 m=1601000=160000（千克）（千克）v=（10001000）3600277.8米米/秒秒 P=m

7、v=160000277.8=44448000千克千克米米/秒秒 二、二、南塔所承受南塔所承受757型飞机撞击的动量型飞机撞击的动量 m=1001000=100000（千克）（千克）v=（10001000）3600277.8米米/秒秒 P=mv=100000277.8=27780000千克千克米米/秒秒 以上数据之巨，可见飞机每一次撞击的力量都是致以上数据之巨，可见飞机每一次撞击的力量都是致命的，所以有物理学家说，这种撞击与爆炸，可达命的，所以有物理学家说，这种撞击与爆炸，可达1000吨烈性炸药当量，应该是可信的。吨烈性炸药当量，应该是可信的。南北塔是筒中筒结构，核心是南北塔是筒中筒结构，核心是

8、47个电梯井个电梯井（因分段设置，（因分段设置，47个电梯井可容个电梯井可容104部电部电梯），外围是钢柱排列，梯），外围是钢柱排列，9层以下的承重外层以下的承重外柱间距为柱间距为3米，米，9层以上承重外柱间距为层以上承重外柱间距为1.016米，标准层窗宽仅米，标准层窗宽仅0.55米，如此密植米，如此密植的钢铁森林，于极高速撞击之下，两架飞机的钢铁森林，于极高速撞击之下，两架飞机还是全都没入其腹部，甚至撞击南塔那架还还是全都没入其腹部，甚至撞击南塔那架还穿透整座进深达穿透整座进深达63.5米的大厦，撞击力量之米的大厦，撞击力量之巨，威力之大，实在令人悚然。巨，威力之大，实在令人悚然。但是，事实

9、上，世界贸易中心却经受住但是，事实上，世界贸易中心却经受住了这等力量的撞击，因为撞击造成的动量，了这等力量的撞击，因为撞击造成的动量，并不是坍塌的决定因素。并不是坍塌的决定因素。烈火中的世界贸易中心烈火中的世界贸易中心 撞击两塔的波音撞击两塔的波音767型或型或757型飞机，如果机体型飞机，如果机体直径约计直径约计10米的话，也就是说，世界贸易中心北塔米的话，也就是说，世界贸易中心北塔的的80层左右，南塔的层左右，南塔的60层左右，在飞机的质量与速层左右，在飞机的质量与速度的撞击下，应该各有三层都处于被飞机蹿通的状度的撞击下，应该各有三层都处于被飞机蹿通的状态。而且态。而且767机型满挂油料是

10、机型满挂油料是45吨，吨，757机型为机型为30吨，这些油料霎时倾倒其中，可从具体数据看其惨吨，这些油料霎时倾倒其中，可从具体数据看其惨烈之状。烈之状。世界贸易中心边长世界贸易中心边长=63.5米米 世界贸易中心每层的建筑面积世界贸易中心每层的建筑面积=63.563.54032平方米平方米 如果除开间隔墙体所占面积，还有一般占摩天大如果除开间隔墙体所占面积，还有一般占摩天大厦建筑面积达厦建筑面积达1/51/4的电梯井的面积，也就是说，的电梯井的面积，也就是说，在在3000平方米不到的面积里，浇灌了平方米不到的面积里，浇灌了4530吨的吨的高燃值的油料在燃烧（南塔有一部分溢出）。高燃值的油料在燃

11、烧（南塔有一部分溢出）。钢材达到 fu 时，已产生很大塑性变形而失去使用性能，但fu 高则可以增加结构的安全保障，故fu/fy 的值可看作钢材强度储备系数。4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。e）螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生弯、剪破坏钢构件在轧制、焊接、剪切等过程中，会在钢构件中产生内部自相平衡的残余应力，残余应力对构件的强度无影响，但会对构件的稳定承载力产生不利影响。钢管的回转半径较大、对称性好、材料利用率高，拉、压均可。（2）对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。e）螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生弯、剪破坏对几何形

12、体适应性强，构造简单，省材省工，易于自动化，工效高钢材中的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。栓杆除主要受剪力外，还有弯矩和轴向拉力，而孔壁则受到挤压。钢材的疲劳过程可分为裂纹的形成，裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。式中的系数考虑了以下几个因素：拧紧螺帽时螺栓同时受到由预拉力引起的拉应力和由螺纹力矩引起的扭转剪应力作用。由本例计算结果可知，如不设加劲肋，ab，b/a0，k5.整体稳定验算（型钢截面局部稳定一般不需验算）。为了提高格构式构件的抗扭刚度，保证运输和安装过程中截面几何形状不变，以及传递必要的内力，在受有较大水平力处和每

13、个运送单元的两端，应设置横隔，构件较长时还应设置中间横隔。作用于焊缝有效截面上的应力有：垂直于焊缝有效截面的正应力，垂直于焊缝长度方向的剪应力，及沿焊缝 长度方向的剪应力。4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。2、承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝我们可以估量，以液态燃油的漫溢性质，这数十吨我们可以估量，以液态燃油的漫溢性质，这数十吨燃油所产生的热量，或可足以把受撞击层变成熔炉，燃油所产生的热量，或可足以把受撞击层变成熔炉，兼有楼体里面许多例如纸张、塑料制品、各类管线兼有楼体里面许多例如纸张、塑料制品、各类管线气体等易燃易爆物品，特别是外幕墙玻璃被击破和气体等易燃易爆

14、物品，特别是外幕墙玻璃被击破和电梯井被穿透后，电梯井便变作拔气管，成了助燃电梯井被穿透后，电梯井便变作拔气管，成了助燃工具。所以被撞击后的世界贸易中心，远远看去，工具。所以被撞击后的世界贸易中心，远远看去，就像两根硕大的烟囱。同时，高达就像两根硕大的烟囱。同时，高达1000的温度，的温度，钢结构都易产生变形，更因上有重压，所以最终招钢结构都易产生变形，更因上有重压，所以最终招致崩落现象。而且，高温之下，燃油有气化的现象，致崩落现象。而且，高温之下，燃油有气化的现象，急速膨胀的气体，燃烧中必然夹杂着爆炸，这更是急速膨胀的气体，燃烧中必然夹杂着爆炸，这更是致命的。致命的。因此，火，火，火，才是世界

15、贸易中心殒落的决因此，火，火，火，才是世界贸易中心殒落的决定因素。定因素。大厦被撞击后，那里面被飞机蹿空的三层，大厦被撞击后，那里面被飞机蹿空的三层，其核心部位其核心部位电梯井已失去作用（有部分电梯井已失去作用（有部分油料会倒灌井内，引起井道内爆），里面几油料会倒灌井内，引起井道内爆），里面几乎成了镂空状态，在烈火燃烧下，剩下的两乎成了镂空状态，在烈火燃烧下，剩下的两侧外围承重的钢柱软化，以上数十层至少有侧外围承重的钢柱软化，以上数十层至少有20000余吨的楼层的重力（以两幢共用钢余吨的楼层的重力（以两幢共用钢19.2万吨计，加上租赁方的什物就远不止这万吨计，加上租赁方的什物就远不止这个数了）

16、，在有个数了），在有10米高的空间盈余下，夹着米高的空间盈余下，夹着9.8米米/秒的加速度作自由落体坠落，重力之秒的加速度作自由落体坠落，重力之下，势如破竹。下，势如破竹。在这里，燃烧的高温致使被飞机冲力撞在这里，燃烧的高温致使被飞机冲力撞剩的钢柱软化，而被撞击层以上楼层的剩的钢柱软化，而被撞击层以上楼层的重力在加速度作用下，以雷霆万钧之势，重力在加速度作用下，以雷霆万钧之势，造成了世界贸易中心遇袭后的必然结造成了世界贸易中心遇袭后的必然结果果坍塌。所以，世界贸易中心只能坍塌。所以，世界贸易中心只能是坍塌，而不是倒塌。是坍塌，而不是倒塌。钢结构抗腐蚀性较差 钢结构的最大缺点是易于锈蚀。新建造的

17、钢结构的最大缺点是易于锈蚀。新建造的钢结构一般都需仔细除锈、镀锌或刷涂料。钢结构一般都需仔细除锈、镀锌或刷涂料。以后隔一定时间又要重新刷涂料，维护费以后隔一定时间又要重新刷涂料，维护费用较高。目前国内外正在发展不易锈蚀的用较高。目前国内外正在发展不易锈蚀的耐候钢，可大量节省维护费用，但还未能耐候钢，可大量节省维护费用，但还未能广泛采用。广泛采用。二、钢结构的应用钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。直观

18、的说：大厦、体育馆、装拆的结构。直观的说：大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。这是和钢结构自身的特宅和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。点相一致的。钢结构的应用1 1、重型结构及大跨度建筑结构；、重型结构及大跨度建筑结构；2 2、多层、高层及超高层建筑结构；、多层、高层及超高层建筑结构；3 3、轻钢结构；、轻钢结构；4 4、塔桅等高耸结构；、塔桅等高耸结构；5 5、钢混凝土组合结构。、钢混凝土组合结构。钢结构的应用钢结构通常有框架、平面钢结构通常有框架、平面(木行木行)架、网架架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式

19、。（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。1、厂房钢结构 厂房钢结构一般指重型、大型车间的承重厂房钢结构一般指重型、大型车间的承重骨架。通常由檩条、天窗架、屋架、托架、骨架。通常由檩条、天窗架、屋架、托架、柱、吊车梁、制动梁（桁架）、各种支撑柱、吊车梁、制动梁（桁架）、各种支撑及墙架等构件组成。及墙架等构件组成。2、轻型钢结构轻型钢结构因具有用钢量省、造价低、供货迅速、轻型钢结构因具有用钢量省、造价低、供货迅速、安装方便、外形美观、内部空旷等特点，在近年安装方便、外形美观、内部空旷等特点，在近年来得到迅速的发展，主要用于：来得到迅速的发展，主要用于：单层或多层厂房、仓库单层或多层厂房、仓库；多层住

20、宅、办公楼多层住宅、办公楼（图图）多层住宅、办公楼柱距一般为多层住宅、办公楼柱距一般为69米，不超过米，不超过8层，层，基础受力小，有利于抗震；资源耗用少；工业化基础受力小，有利于抗震；资源耗用少；工业化程度高；施工速度快；可装拆；造价略高。程度高；施工速度快；可装拆；造价略高。小别墅小别墅（图图）3、大跨度钢结构大跨度结构主要有网架结构、悬索结构和大跨度结构主要有网架结构、悬索结构和网壳结构等。网壳结构等。（1）网架结构网架结构广泛用作体育馆、展览馆、俱乐网架结构广泛用作体育馆、展览馆、俱乐部、影剧院、食堂、会议室、候车厅、飞部、影剧院、食堂、会议室、候车厅、飞机库、车间等的屋盖结构。具有工

21、业化程机库、车间等的屋盖结构。具有工业化程度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特点。点。网架结构构成网架的基本单元有三角锥、三棱体、构成网架的基本单元有三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等，由这些基本单元正方体、截头四角锥等，由这些基本单元可组合成平面形状的三边形、四边形、六可组合成平面形状的三边形、四边形、六边形、圆形或其他任何形体。边形、圆形或其他任何形体。i1 为单肢的最小回转半径，即图中单肢绕11轴的回转半径。螺栓的各距应满足规定的要求（P84，表3.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。一个既承受剪力 ，又承

22、受拉力 的螺栓需同时满足：例如采用弹簧垫圈，或将螺帽或螺杆焊死等方法。由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象称之为硬化现象。A1 试件拉断后颈缩区的断面面积；构成网架的基本单元有三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等，由这些基本单元可组合成平面形状的三边形、四边形、六边形、圆形或其他任何形体。钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。假设全部剪力均由竖向焊缝承受，弯矩由翼缘与腹板角焊缝共同承受。有了剪力后，即可进行缀条和缀板的计算四、高强度螺栓群的计算第五节 实腹式压弯构件的截面设计耐久性

23、需要考虑的有：耐腐蚀性、“时效”现象、疲劳现象等。因此，可认为中和轴在螺栓群的形心轴上，最外排螺栓受力最大。用四个角钢作肢件的截面形式往往用于受力较小而长细比较大的构件。一般而言，网架钢结构有下列三种节点形式：结构或构件失稳实际上为从稳定平衡状态经过临界平衡状态，进入不稳定状态，临界状态的荷载即为结构或构件的稳定极限荷载，构件必须工作在临界荷载之前。（1）对不熟悉的钢种焊接时，需做工艺性能和力学性能的试验；压弯构件的局部稳定常用限制板件高（宽）厚比的方法来保证。网架结构一般而言，网架钢结构有下列三种节点形式：一般而言，网架钢结构有下列三种节点形式：焊接球节点焊接球节点 螺栓球节点螺栓球节点（图

24、图）钢板节点钢板节点（2）悬索及索桁架结构以一系列拉索为主要承重构件，这些索按以一系列拉索为主要承重构件，这些索按一定的规律组成各种不同的形式，悬挂于一定的规律组成各种不同的形式，悬挂于相应的支撑结构上，使材料强度在受拉情相应的支撑结构上，使材料强度在受拉情况下得到充分发挥的结构形式。节约钢材况下得到充分发挥的结构形式。节约钢材（以浙江省体育馆为例，仅（以浙江省体育馆为例，仅17kg/m2）、）、外形美观、设计施工较复杂，适合于大跨外形美观、设计施工较复杂，适合于大跨度屋顶。度屋顶。（3）网壳结构同网架结构一样，网壳也是由许多杆件按同网架结构一样，网壳也是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接

25、成空间杆系一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构，但网架的外形呈平板状，而网壳的结构，但网架的外形呈平板状，而网壳的外形呈曲面状。网壳结构的特点：外形美外形呈曲面状。网壳结构的特点：外形美观、通透感好，建筑空间大、用材省，设观、通透感好，建筑空间大、用材省，设计施工较复杂。计施工较复杂。苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）上上海海商商务务中中心心网网状状网网壳壳4.桥梁钢结构桥梁钢结构的主要形式有：桥梁钢结构的主要形式有：（1）桁架式桥（如武汉、南京长江大桥）（连续）桁架式桥（如武汉、南京长江大桥）（连续小跨距）小跨距）（2）箱形桥梁（如立交桥、铁路桥），钢板

26、焊成）箱形桥梁（如立交桥、铁路桥），钢板焊成（3）拱形桥梁，中、小跨度（）拱形桥梁，中、小跨度（图图）（4）斜拉桥（如上海南浦、杨浦大桥）斜拉桥（如上海南浦、杨浦大桥）“H”型钢，型钢，大跨距、特大跨距（大跨距、特大跨距（图图）（5）悬索桥（如江阴长江大桥）桁架梁）悬索桥（如江阴长江大桥）桁架梁1000米跨米跨距距 5.高耸钢结构高耸钢结构的结构形式多为空间桁架，其特高耸钢结构的结构形式多为空间桁架，其特点是高跨比较大，以水平荷载作用为主，点是高跨比较大，以水平荷载作用为主，可应用在以下几个方面：可应用在以下几个方面：（1）输电塔（）输电塔（图图）（2）通讯及微波塔）通讯及微波塔（3）多功能广

27、播电视发射塔（）多功能广播电视发射塔（图图）（4）桅杆）桅杆（5）火炬塔、石油化工塔架）火炬塔、石油化工塔架 如构成各截面的几何与物理中心是理想直线，弯矩也只作用在一个平面内，这种失稳具有分枝失稳的特点；16（b）所示，图中A点应力最大为控制设计点。实验证明，焊接缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大，故可认为受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等，但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感。3、栓群偏心受拉螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯知M=Ne的联合作用。（2）焊工要进行考核，持证上岗；作用于焊缝有效截面上的应力有：垂直于焊缝有效截面的正应力，垂直于焊缝长度方向的剪应力，及沿焊缝 长度方向的剪应力

28、。仅用横向加劲肋（有助于防止剪力作用下的失稳）（图）箱形截面腹板的 不应大于由上述公式右边算得的残余应力在构件内部自相平衡而与外力无关。实腹式压弯构件在轴力及弯距作用下，即可能发生弯矩作用平面内的弯曲失稳，也可能发生弯矩作用平面外的弯曲扭转失稳（类似梁）。二、影响梁整体稳定的因素2、承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝第三节 实腹式压弯构件的整体稳定二、理想轴心受压构件的整体失稳3b）受力较复杂，截面的各面均存在正应力和剪应力，焊根处有很大的应力集中。（5）楼板用压型钢板加钢筋网加细石砼构成组合板，板与梁连接用销钉3）同时受剪、受杆轴方向拉力的承压型高强螺栓的强度计算焊接时为保证质量，需要注意之处

29、：6.高层钢结构已建的高层钢结构已建的高层钢结构（纽约世贸中心不幸在（纽约世贸中心不幸在恐怖事件中倒塌，恐怖事件中倒塌，向死难的人民表示哀悼向死难的人民表示哀悼）高层钢结构（1）一般）一般50层以上建筑均用钢结构层以上建筑均用钢结构（2）自重轻、抗震性能好，基础处理方便）自重轻、抗震性能好，基础处理方便（3）柱用焊接方管（圆角）、）柱用焊接方管（圆角）、H型钢或组合柱型钢或组合柱（4）梁用）梁用H型钢，上下翼缘用对接焊，腹板用型钢，上下翼缘用对接焊，腹板用高强螺栓作抗剪连接，柱与梁翼缘对应处有加高强螺栓作抗剪连接，柱与梁翼缘对应处有加强板强板 高层钢结构（5）楼板用压型钢板加钢筋网加细石砼）楼

30、板用压型钢板加钢筋网加细石砼构成组合板，板与梁连接用销钉构成组合板，板与梁连接用销钉（6）外墙用玻璃或铝幕墙）外墙用玻璃或铝幕墙（7）基础用桩基加箱基，箱基作停车场）基础用桩基加箱基，箱基作停车场（8）防火要求非常严格）防火要求非常严格 159m 高的启东广播电视塔位于江苏启东新落成的广电广场高的启东广播电视塔位于江苏启东新落成的广电广场购物中心购物中心第二节 钢结构的设计原理与方法结构设计首层规范结构设计首层规范建筑结构可靠度设建筑结构可靠度设计统一标准计统一标准（GB50068）规定：结）规定：结构的可靠度应采用以概率论为基础的极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。限

31、状态设计方法分析确定。钢结构和其他建筑结构一样，遵循钢结构和其他建筑结构一样，遵循“统统一标准一标准”要求，采用的也是要求，采用的也是以概率论为以概率论为基础，用分项系数表达的极限状态设计基础，用分项系数表达的极限状态设计方法方法。结 构 概 率 设 计 法对结构设计中需要考虑的多种非确定性因素，如对结构设计中需要考虑的多种非确定性因素，如荷载、材料性能等，运用概率论和数理统计的方荷载、材料性能等，运用概率论和数理统计的方法来寻找它们的规律性，从而进行结构设计，这法来寻找它们的规律性，从而进行结构设计，这就是结构概率设计法就是结构概率设计法。荷载效应荷载效应S：取决于各种荷载（恒载、活载、风、

32、：取决于各种荷载（恒载、活载、风、地震作用，温度变化等）。地震作用，温度变化等）。结构或构件的承载力或抗力结构或构件的承载力或抗力R：取决于材料、构：取决于材料、构件的几何特性等。件的几何特性等。结 构 概 率 设 计 法设结构状态方程：设结构状态方程：Z=R-S 当当 Z0 时，结构可靠；时，结构可靠；当当 Z 20mm e）K形：适合板厚形：适合板厚t 20mm f）X形：适合板厚形：适合板厚t 20mm 对接焊缝的形式：对接焊缝的构造在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差或厚度相差4mm以上时，应分别在宽度方以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从

33、一侧或两侧做成坡度不大向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于于1:2.5的斜角，以使截面过渡和缓，减小的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中。应力集中。对接焊缝的构造在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，这些缺陷对承载力影响极大，故焊接时一这些缺陷对承载力影响极大，故焊接时一般应设置引弧板和引出板，焊后将它割除。般应设置引弧板和引出板，焊后将它割除。对受静力荷载的结构设置引弧（出）板有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，此时，困难时，允许不设置引弧（出）板，此时，可令焊缝计算长度等于实际长度减可令焊缝计算长度等于实际长度减2

34、t（此（此处处t为较薄焊件厚度）。为较薄焊件厚度）。二、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。缝质量的检验标准等因素有关。如果焊缝中不存在任何缺陷，焊缝金属的强度如果焊缝中不存在任何缺陷，焊缝金属的强度是高于母材的。全由于焊接技术问题，焊缝中可能是高于母材的。全由于焊接技术问题，焊缝中可能有气孔、夹渣、咬边、未焊透等缺陷。实验证明，有气孔、夹渣、咬边、未焊透等缺陷。实验证明，焊接缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大，故可焊接缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大，故可认为受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等，但

35、受认为受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等，但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感。当缺陷面积与焊件拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感。当缺陷面积与焊件截面积之比超过截面积之比超过5%时，对接焊缝的抗拉强度将明显时，对接焊缝的抗拉强度将明显下降。由于三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，下降。由于三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的故其抗拉强度为母材强度的85%，而一、二级检验，而一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。对接焊缝的应力分布认为与焊件原来的应力分对接焊缝的应力分布认为与焊件原来的应力分布基本相同。计算时，焊缝中最大应力（或折算应布基

36、本相同。计算时，焊缝中最大应力（或折算应力）不能超过焊缝的强度设计值。力）不能超过焊缝的强度设计值。轴心拉力或压力轴心拉力或压力;焊缝计算长度，无引弧板时，焊缝长度取实焊缝计算长度，无引弧板时，焊缝长度取实 长减去长减去2t，有引弧板时，取实长，有引弧板时，取实长;平接时为焊件的较小厚度，顶接时取腹板厚平接时为焊件的较小厚度，顶接时取腹板厚;、对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。或fcw 1、轴心受力的对接焊缝、轴心受力的对接焊缝在一般加引弧板施焊的情况下，所有受压、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，受剪的对接焊缝以及受拉的

37、一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算，只有受拉的三均与母材等强，不用计算，只有受拉的三级焊缝才需要进行计算。级焊缝才需要进行计算。当直焊缝不能满足强度要求时，可采用斜当直焊缝不能满足强度要求时，可采用斜对接焊缝。当斜焊缝倾角对接焊缝。当斜焊缝倾角56.3，即，即tg1.5时，可认为与母材等强，不用计时，可认为与母材等强，不用计算。算。fvw对接焊缝抗剪强度设计值对接焊缝抗剪强度设计值 2、承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝、承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝 由于焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分别为三角由于焊缝截面是矩形，正应力与剪应力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

38、。形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件。焊缝截面抵抗矩焊缝截面抵抗矩 焊缝截面上计算点处以上截面对中和轴的面积矩焊缝截面上计算点处以上截面对中和轴的面积矩对于腹板和翼缘的交界点，正应力、剪应力虽不是最大，对于腹板和翼缘的交界点，正应力、剪应力虽不是最大，但都比较大，所以需验算折算应力，即：但都比较大，所以需验算折算应力，即：1、1为腹板与翼缘交界点处的正应力和剪应力；为腹板与翼缘交界点处的正应力和剪应力；1.1为为考虑到最大折算应力只在部分截面的部分点出现，而将强考虑到最大折算应力只在部分截面的部分点出现，而将强度设计值适当提高。度设计值适当提高。3、承受轴心力，弯矩和剪力联合作用的对

39、接焊缝 当轴心力与弯矩、剪力联合作用时，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轴心力和弯矩在焊缝中引起的正应力应进行叠加，剪应力仍按上面的式验算，进行叠加，剪应力仍按上面的式验算，折算应力仍按上面的式验算。折算应力仍按上面的式验算。例题例题3-1 试验算下图所示钢板的对接焊缝的强试验算下图所示钢板的对接焊缝的强度。图中度。图中a=540mm,t=22mm，轴心力的设，轴心力的设计值为计值为N=2500kN。钢材为。钢材为Q235-B，手工焊，手工焊，焊条为焊条为E43型，三级检验标准的焊缝，施焊时加型，三级检验标准的焊缝，施焊时加引弧板。引弧板。第三节 角焊缝连接设

40、计一、角焊缝的形式一、角焊缝的形式角焊缝是最常用的焊缝。角焊缝按其角焊缝是最常用的焊缝。角焊缝按其与作用力的关系可分为：焊缝长度方向与与作用力的关系可分为：焊缝长度方向与作用力垂直的正面角焊缝；焊缝长度方向作用力垂直的正面角焊缝；焊缝长度方向与作用力平行的侧面角焊缝以及斜焊缝。与作用力平行的侧面角焊缝以及斜焊缝。按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。焊缝。直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（图角三角形截面（图3.3.1a）。在直接承受动）。在直接承受动力荷载的结构中，正面角焊缝的截面常采用力荷载的结构中，正面

41、角焊缝的截面常采用图图3.3.1（b）所示的坦式，侧面角焊缝的截）所示的坦式，侧面角焊缝的截面则作成凹面式（图面则作成凹面式（图3.3.1c）。图中的）。图中的hf为为焊角尺寸。焊角尺寸。两焊脚边的夹角两焊脚边的夹角90或或90的焊缝的焊缝称为斜角角焊缝（图称为斜角角焊缝（图3.3.2）。斜角角焊缝常）。斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。对于夹角用于钢漏斗和钢管结构中。对于夹角135或或60的斜角角焊缝，除钢管结的斜角角焊缝，除钢管结构外，不宜用作受力焊缝。构外，不宜用作受力焊缝。侧面角焊缝主要承受剪应力，应力沿焊缝长度方向侧面角焊缝主要承受剪应力，应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而

42、中间小的状态的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态。塑性较好。塑性较好。正面角焊缝（图正面角焊缝（图3.3.3b）受力较复杂，截面的各）受力较复杂，截面的各面均存在正应力和剪应力，焊根处有很大的应力集中。面均存在正应力和剪应力，焊根处有很大的应力集中。这一方面由于力线的弯折，另一方面焊根处正好是两焊这一方面由于力线的弯折，另一方面焊根处正好是两焊件接触间隙的端部，相当于裂缝的尖端。经试验，正面件接触间隙的端部，相当于裂缝的尖端。经试验，正面角焊缝的静力强度高于侧面角焊缝角焊缝的静力强度高于侧面角焊缝。二、角焊缝的构造要求部位 项目 构 造 要 求 备 注 焊脚尺寸 hf 上限 对 边：t1为较薄

43、焊件厚 下限 ；当 t2为较厚焊件厚对自动焊可减1mm；对单面T型焊应加1mm 焊缝长度 lw 上限 （受动力荷载）；（其他情况）；内力沿侧缝全长均匀分布者不限 下限 8hf或 40mm，取两者最大值 端部仅有两侧面角焊缝连接 长度 lw 距离 l0 t为较薄焊件厚 端部 转角 转角处加焊一段长度 2hf（两面侧缝时）或用三面围焊 转角处焊缝须连续施焊 搭接连接 搭接最小长度 5t1或 25mm，取两者最大值 t1 为较薄焊件厚度 围焊时，在转角处截面突变，会产生应围焊时，在转角处截面突变，会产生应力集中，如在此处起灭弧，可能出现弧力集中，如在此处起灭弧，可能出现弧坑或咬肉等缺陷，从而加大应力

44、集中的坑或咬肉等缺陷，从而加大应力集中的影响。故所有围焊的转角处必须连续施影响。故所有围焊的转角处必须连续施焊。对于非围焊情况，当角焊缝的端部焊。对于非围焊情况，当角焊缝的端部在构件转角处时，可连续地作长度为在构件转角处时，可连续地作长度为2hf的绕角焊的绕角焊 其它构造要求：其它构造要求：(1)承受动力荷载的结构中，垂直于受力方承受动力荷载的结构中，垂直于受力方向的焊缝不宜采用不焊透的对接焊缝。向的焊缝不宜采用不焊透的对接焊缝。(2)在直接承受动力荷载的结构中，角焊缝在直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形，焊脚尺寸的比例：表面应做成直线形或凹形，焊脚尺寸的比例：对正面角焊缝

45、宜为对正面角焊缝宜为1:1.5,长边顺内力方向；长边顺内力方向；对侧面角焊缝可为对侧面角焊缝可为1:1。(3)在次要构件或次要焊接连接中，可采用在次要构件或次要焊接连接中，可采用断续角焊缝。断续角焊缝之间的净距，不应断续角焊缝。断续角焊缝之间的净距，不应大于大于15t（对受压构件）或（对受压构件）或30t（对受拉构（对受拉构件），件），t为较薄焊件的厚度。为较薄焊件的厚度。当角焊缝的两焊脚边夹角为当角焊缝的两焊脚边夹角为90时，时，称为直角角焊缝，即一般所指的角焊缝。称为直角角焊缝，即一般所指的角焊缝。角焊缝的有效截面为焊缝有效厚度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，而

46、有效（喉部尺寸）与计算长度的乘积，而有效厚度厚度he=0.7hf为焊缝横截面的内接等腰三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。角形的最短距离，即不考虑熔深和凸度。三、直角角焊缝的基本计算公式 两焊脚边的夹角 焊脚尺寸。焊脚尺寸。有效厚度有效厚度试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，通常认为直角角焊缝是以通常认为直角角焊缝是以45方向的最小截方向的最小截面（即有效厚度也称计算厚度与焊缝计算长面（即有效厚度也称计算厚度与焊缝计算长度的乘积）作为有效计算截面。作用于焊缝度的乘积）作为有效计算截面。作用于焊缝有效截面上的应力有：垂直于焊缝

47、有效截面有效截面上的应力有：垂直于焊缝有效截面的正应力，垂直于焊缝长度方向的剪应力，的正应力，垂直于焊缝长度方向的剪应力，及沿焊缝及沿焊缝 长度方向的剪应力。但计算比较复长度方向的剪应力。但计算比较复杂。杂。直角角焊缝强度简化的计算基本公式如下：直角角焊缝强度简化的计算基本公式如下：（1）在通过焊缝形心的拉力、压力或剪）在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用，正面角焊缝：力作用，正面角焊缝：对侧面角焊缝：对侧面角焊缝：（2）在各种力综合作用下，共同作用处。垂直于焊缝长度方向的应力；垂直于焊缝长度方向的应力；f 沿焊缝长度方向的剪应力沿焊缝长度方向的剪应力;he 角焊缝有效厚度；角焊缝有效厚度；l

48、w 角焊缝计算长度，每条角焊缝取实际角焊缝计算长度，每条角焊缝取实际 长度减长度减2 ；ffw 角焊缝强度设计值角焊缝强度设计值；f 系数，对承受静力荷载和间接承受动系数，对承受静力荷载和间接承受动 力荷载的结构，力荷载的结构，f =1.22，直接承受动，直接承受动 力荷载力荷载 f =1.0。四、角焊缝的计算 1、承受轴心力作用时角焊缝连接的计算、承受轴心力作用时角焊缝连接的计算（1）用盖板的对接连接）用盖板的对接连接当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝中心时，可认为焊缝应力是均匀分布的。缝中心时，可认为焊缝应力是均匀分布的。图图3.3.11用盖板的对接连接

49、中，当只有侧面用盖板的对接连接中，当只有侧面角焊缝时，按式（角焊缝时，按式（3.7）计算；当只有正面角）计算；当只有正面角焊缝时，按式（焊缝时，按式（3.6）计算。）计算。（2）承受斜向轴心力的角焊缝）承受斜向轴心力的角焊缝 下图所示受斜向轴心力的角焊缝连接下图所示受斜向轴心力的角焊缝连接，有有两种计算方法。两种计算方法。3、承受轴力的角钢端部连接 在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝一般采用两面侧焊，也可采用三面围焊，焊缝一般采用两面侧焊，也可采用三面围焊，特殊情况也允许采用特殊情况也允许采用L形围焊。腹杆受轴心力形围焊。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心

50、受力，焊缝所传递的作用，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。合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。（1）角钢用两面侧焊缝与节点板连接的焊缝计算）角钢用两面侧焊缝与节点板连接的焊缝计算 K1、K2焊缝内力分配系数；焊缝内力分配系数；N1、N2 分别为角钢肢背和肢尖传递的内力。分别为角钢肢背和肢尖传递的内力。（2）角钢用三面围焊与节点板连接的焊缝计算 端部正面角焊缝能传递的内力为：端部正面角焊缝能传递的内力为：（3）角钢用“L”型焊缝与节点板连接的焊缝计算 由由 N2=0得：得：例题例题 试确定图试确定图3.3.15所示承受静态轴心力的所示承受静态轴心力的三面围焊连