1、1钢结构设计原理钢结构设计原理 Theory of Steel Structure 2参考资料1：钢结构钢结构，陈绍蕃主编，中国建筑工业出版社，陈绍蕃主编，中国建筑工业出版社，2003。2：钢结构钢结构，刘声扬主编，武汉工业大学出版社，刘声扬主编，武汉工业大学出版社，1992。3：钢结构设计原理钢结构设计原理，王肇民主编，同济大学出版社，王肇民主编，同济大学出版社，1991。4：钢结构钢结构，周绥平主编，武汉工业大学出版社，周绥平主编，武汉工业大学出版社，1997。5：钢结构疑难释义钢结构疑难释义，刘声扬主编，武汉工业大学出版社，刘声扬主编，武汉工业大学出版社，1993。6：钢结构构件的稳定钢
2、结构构件的稳定，孙绍文主编，冶金工业出版社，孙绍文主编，冶金工业出版社，1993。7：建筑钢结构设计建筑钢结构设计，王肇民主编，同济大学出版社，王肇民主编，同济大学出版社，2001。8：钢结构设计规范理解与应用钢结构设计规范理解与应用，崔佳等编著，中国建筑工业出版，崔佳等编著，中国建筑工业出版 社，社，2003。9：钢结构设计规范钢结构设计规范GB500172003。10：冷弯薄壁型钢结构技术规程冷弯薄壁型钢结构技术规程GB500182002。钢结构设计原理3主要内容1：绪论绪论2：钢结构的材料：钢结构的材料3：钢结构的连接：钢结构的连接4：轴心受力构件：轴心受力构件5：受弯构件：受弯构件6：
3、拉弯和压弯构件：拉弯和压弯构件钢结构设计原理4第一章第一章 绪绪 论论1.1 钢结构的特点钢结构的特点1.2 钢结构的设计方法钢结构的设计方法1.3 钢结构的应用和发钢结构的应用和发展展钢结构设计原理5第一章 绪论1.1 钢结构的特点1.1 钢结构的特点钢结构的特点1.轻质高强轻质高强2.塑性塑性、韧性好韧性好3.材质均匀材质均匀、性能稳定、性能稳定4.制作简便，施工工期短制作简便，施工工期短5.密闭性好密闭性好6.耐腐蚀性差耐腐蚀性差7.耐热耐热不耐火不耐火6第一章 绪论1.2 钢结构的设计方法1.2 钢结构的设计方法钢结构的设计方法u 设计方法：设计方法：以概率理论为基础的以概率理论为基础
4、的极限状态设计方法极限状态设计方法 u 计算疲劳计算疲劳仍采用仍采用容许应力幅法容许应力幅法u 计算计算强度、稳定、连接强度、稳定、连接用用荷载荷载设计值设计值u 计算计算疲劳、变形疲劳、变形用用荷载荷载标准值标准值u 对于对于直接直接承受承受动力荷载动力荷载的结构：的结构：在计算在计算强度和稳定强度和稳定时，动力荷载设计值时，动力荷载设计值应应乘乘动力系数动力系数 在计算在计算疲劳和变形疲劳和变形时，动力荷载标准值时，动力荷载标准值不应不应乘乘动力系数动力系数7第一章 绪论1.3 钢结构的应用与发展1.3 钢结构的应用与发展钢结构的应用与发展1.钢结构的钢结构的应用应用（1）重：重：重工业厂
5、房重工业厂房（2）大：大：大跨度结构大跨度结构（3）高：高：高层建筑、高耸结构高层建筑、高耸结构（4）动：动：受动荷载作用的厂房受动荷载作用的厂房（5）轻：轻：荷载较小的轻钢结构荷载较小的轻钢结构（6）小：小：小型、可拆装的结构小型、可拆装的结构8第一章 绪论1.3 钢结构的应用与发展2.钢结构的钢结构的发展发展（1）高性能钢材高性能钢材的研究与应用的研究与应用（2）设计方法设计方法的改进的改进（3）稳定理论稳定理论的进一步发展的进一步发展（4）预应力钢结构预应力钢结构的研究与应用的研究与应用（5）空间钢结构空间钢结构与与高层钢结构高层钢结构的研究与应用的研究与应用（6）组合结构组合结构的研究
6、与应用的研究与应用9轻质轻质材料的质量密度与强度的比值材料的质量密度与强度的比值 小小Q235钢钢C30混凝土混凝土fmf/107.37.14mf/10184附附1：轻质高强：轻质高强Q235钢钢 密度密度：7850kg/m3 强度强度：235N/mm2 C30混凝土混凝土 密度密度：2450kg/m3 强度强度：20N/mm2 10钢结构设计原理第二章.钢结构的材料2.1 钢结构对钢结构对材料材料的要求的要求2.2 钢材的钢材的破坏形式破坏形式2.3 钢材的钢材的主要性能主要性能2.4 各种各种因素因素对钢材主要性能的影响对钢材主要性能的影响2.5 复杂应力复杂应力作用下钢材的作用下钢材的屈
7、服条件屈服条件2.6 钢材的钢材的疲劳疲劳2.7 钢的钢的种类种类和钢材和钢材规格规格11第二章 钢结构的材料2.1 钢结构对材料的要求u 较高的强度较高的强度2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求u 足够的变形能力。即塑性、韧性好。足够的变形能力。即塑性、韧性好。u 良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）钢结构设计规范钢结构设计规范GB50017-2003规定：规定：承重结构承重结构的钢材应具有的钢材应具有抗拉强度抗拉强度、伸长率伸长率、屈服强度屈服强度和和硫、磷硫、磷含量含量的合格保证，对的合格保证，对焊接结构焊接结构尚应具有碳含量的
8、合格保证。尚应具有碳含量的合格保证。焊焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材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还应具有冷冷弯试验弯试验的合格保证。需要验算的合格保证。需要验算疲劳疲劳的的焊接结构焊接结构的钢材，应具有的钢材，应具有常温或负温常温或负温冲击韧性冲击韧性的合格保证。对需要验算的合格保证。对需要验算疲劳疲劳的的非焊接结非焊接结构构的钢材应具有的钢材应具有常温常温冲击韧性冲击韧性的合格保证。的合格保证。12第二章 钢结构的材料2.2 钢材的破坏形式u 塑性破坏塑性破坏：破坏前：破坏前有有明显的变形明显的变形，破坏历时时，破坏历时时 间长，可以采取补救措施。间长
9、，可以采取补救措施。2.2 钢材的破坏形式钢材的破坏形式u 脆性破坏脆性破坏：破坏前：破坏前没有没有明显的变形明显的变形，破坏发生，破坏发生 突然，没有机会补救。突然，没有机会补救。l脆性破坏的原因脆性破坏的原因：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造 不合理、使用不当等。不合理、使用不当等。应尽量发挥材料的塑性应尽量发挥材料的塑性 避免一切脆性破坏的可能性避免一切脆性破坏的可能性 13第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能一、强度一、强度2.3 钢材的主要性能钢材的主要性能强度指标是由钢材的强度指标是由钢材的单向均匀受拉单向均匀受拉试验测得的试验测得的强度指标：强度指
10、标：比例极限比例极限 ；屈服强度屈服强度 ；极限强度极限强度pfyfuf 试验条件试验条件：标准试件标准试件在常温（在常温（20）下缓慢加载，）下缓慢加载，一次完成一次完成14第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能 钢材在单向均匀受拉时工作性能表现为四个阶段钢材在单向均匀受拉时工作性能表现为四个阶段1.弹性阶段弹性阶段:应力最高点对应应力最高点对应比例极限比例极限 弹性模量弹性模量 应力应力pf251006.2mmNE E2.弹塑性阶段弹塑性阶段:应力介于应力介于 和和 之间之间 弹塑性模量弹塑性模量 是变数是变数yfpftE3.塑性阶段塑性阶段:应力达到屈服强度应力达到屈服强度yf%5.
11、2%15.0:,0tEuf4.强化颈缩阶段强化颈缩阶段:应力最高点对应抗拉极限应力最高点对应抗拉极限15第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能 钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体1.计算简便计算简便2.与与 相差不大相差不大yfpf3.虽然虽然 ，但，但 对应对应 的应变非常大（不满足正的应变非常大（不满足正 常使用极限状态）常使用极限状态）yfufuf4.以以 作为设计强度的依据，具有较大的强度储备，作为设计强度的依据，具有较大的强度储备，若出现偶然因素，使人们有机会补救若出现偶然因素，使人们有机会补救yfl 屈强比屈强比 ：Q235钢为钢为0.57
12、，Q345钢为钢为0.67uyff/16第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能 简化计算简化计算,采用理想弹塑性模型采用理想弹塑性模型 作为钢结构设计的最大应力作为钢结构设计的最大应力yf 作为钢材实际破坏强度作为钢材实际破坏强度uf17第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能二、塑性性能二、塑性性能塑性塑性：在：在静力荷载静力荷载作用下，钢材吸收作用下，钢材吸收变形能变形能的能力的能力衡量塑性性能的指标：衡量塑性性能的指标：伸长率伸长率表示以时表示以时5001000010001,5,10试件中间部分的直径试件拉断后的标距长度试件原标距长度%100dldldlllll18第二章 钢结构的
13、材料2.3 钢材的主要性能三、冲击韧性三、冲击韧性冲击韧性冲击韧性：在：在动力荷载动力荷载作用下，材料吸收作用下，材料吸收能量能量的能力的能力衡量冲击韧性的指标：衡量冲击韧性的指标：冲击功冲击功 韧性是钢材强度和塑性的综合指标韧性是钢材强度和塑性的综合指标 梅氏梅氏U型缺口型缺口试件试件:冲击试验冲击试验的标准试件型式：的标准试件型式：夏比夏比V型缺口型缺口试件试件:我国采用夏比我国采用夏比V型缺口试件型缺口试件2/cmJk JCV 冲击韧性受温度的影响冲击韧性受温度的影响冲击韧性冲击韧性由冲击韧性试验获得由冲击韧性试验获得19第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能四、冷弯性能四、冷弯性能
14、 冷弯性能冷弯性能是检验钢材适应是检验钢材适应冷加工冷加工（常温下加工）（常温下加工）的能力和显示的能力和显示钢材内部缺陷钢材内部缺陷状况的一项指标状况的一项指标 冷弯性能冷弯性能是考察钢材在是考察钢材在复杂应力状态复杂应力状态下发展下发展塑性塑性 变形变形能力的指标能力的指标 冷弯性能冷弯性能由由冷弯试验冷弯试验确定确定20第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能 钢材物理性能指标钢材物理性能指标l 弹性模量弹性模量l 泊松比泊松比l 剪变模量剪变模量l 线膨胀系数线膨胀系数l 质量密度质量密度2310206mmNE3.023107912mmNEGC06/101237850mkg21附附2
15、 2：拉伸试件：拉伸试件22附附3 3：冲击韧性试验：冲击韧性试验23附附4 4：冷弯试验：冷弯试验24第二章 钢结构的材料2.4 各种因素对钢材主要性能的影响一、化学成分一、化学成分2.4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响普通碳素钢普通碳素钢中中Fe占占99%，其他其他杂质元素占杂质元素占1%普通低合金钢普通低合金钢中有中有5%的合金元素的合金元素碳（碳（C）：钢材强度的主要来源，但是随其）：钢材强度的主要来源，但是随其含量增加含量增加，强度增强度增 加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般一般 控制在控制在0.120.2%
16、，在，在0.2以下时，可焊性良好以下时，可焊性良好硫（硫（S）：热脆性热脆性，不得超过，不得超过0.05%磷（磷（P）：冷脆性冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过不得超过0.045%25第二章 钢结构的材料2.4 各种因素对钢材主要性能的影响锰（锰（Mn）：合金元素。）：合金元素。弱脱氧剂弱脱氧剂。与。与S形成形成MnS，熔点为，熔点为 1600，可以消除一部分，可以消除一部分S的有害作用。的有害作用。硅（硅（Si）：合金元素。）：合金元素。强脱氧剂强脱氧剂。氧（氧（O）：有害杂质，效果同：有害杂质，效果同S。氮（氮（N）：有害杂质，效果同：有害杂质
17、，效果同P。26第二章 钢结构的材料2.4 各种因素对钢材主要性能的影响二、冶金缺陷二、冶金缺陷常见的常见的冶金缺陷冶金缺陷有有偏析偏析、非金属夹杂非金属夹杂、气孔气孔、裂纹裂纹等。等。偏析偏析化学成分分布的不均匀程度。化学成分分布的不均匀程度。三、加荷速度三、加荷速度 1材性试验要求材性试验要求缓慢加载缓慢加载 2要考虑要考虑动荷载动荷载对结构的对结构的不利影响不利影响加荷速度高加荷速度高，钢材屈服点提高，呈，钢材屈服点提高，呈脆性脆性。因此，。因此，27第二章 钢结构的材料2.4 各种因素对钢材主要性能的影响四、钢材硬化四、钢材硬化时效硬化20yf f p冷加工及时效冷加工及时效后的塑性区
18、冷作硬化后的塑性区40冷作硬化13yf 冷作硬化冷作硬化当加载超过材料当加载超过材料比例极限比例极限卸载后，出现卸载后，出现残余变形残余变形，再，再次加载则次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称的现象，也称“应变硬化应变硬化”应变时效应变时效钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称，因此也称“人工时效人工时效”。时效硬化时效硬化随时间的增长随时间的增长，碳和氮的化合物碳和氮的化合物从晶体中析出，使从晶体中析出，使材料硬化的现象。材料硬化的现象。
19、28第二章 钢结构的材料2.4 各种因素对钢材主要性能的影响五、温度的影响五、温度的影响1.正温范围正温范围 100以内以内 对钢材性能对钢材性能无影响无影响；100以上以上 随温度升高，总的趋势是随温度升高，总的趋势是强度、弹性模量降低强度、弹性模量降低，塑性增大塑性增大 250左右左右 抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增 加加蓝脆现象蓝脆现象。该温度区段称为。该温度区段称为“蓝脆区蓝脆区”。260320 在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续 变形变形徐变现象徐变现象。600左右左右 弹性模量趋于零
20、弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。，承载能力几乎完全丧失。29低温对钢材冲击韧性的影响1T C t/T cT 2（有兼坏破种两坏破性脆冲击功区度温变转）坏破性塑第二章 钢结构的材料2.4 各种因素对钢材主要性能的影响2.负温范围负温范围 当温度当温度低于常温低于常温时，钢材的时，钢材的脆脆 性倾向随温度降低而增加性倾向随温度降低而增加。T1 T2 之间之间温度转变脆性区温度转变脆性区，冲，冲击功急剧下降。而且不同的钢材其击功急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。使用验确定。使用温度必须高于温度必须高于T1 ，但不一定高于但不一定高于T
21、230第二章 钢结构的材料2.4 各种因素对钢材主要性能的影响六、应力集中的影响六、应力集中的影响构造缺陷构造缺陷：构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变等：构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变等应力集中应力集中：由于构造缺陷，应力不均匀，力线变曲折，：由于构造缺陷，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处缺陷处 有高峰应力有高峰应力。应力集中的危害：塑性降低，脆性增加应力集中的危害：塑性降低，脆性增加 构造设计时应构造设计时应避免截面突变和尖锐角避免截面突变和尖锐角的情况的情况七、厚度的影响七、厚度的影响随着厚度的增加，钢材的随着厚度的增加，钢材的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度
22、均下降均下降31第二章 钢结构的材料2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件假定：假定：1.材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积 中积聚的能量来表达；中积聚的能量来表达；2.当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能 时，钢材即由弹性转入塑性。时，钢材即由弹性转入塑性。)(3)(2zx2yz2xyxzzyyx2z2y2xredyredf弹性状态弹性状态yredf塑性状态塑性状态平面应力平面应力状态状态2xyyx2y2x3red梁的应力梁的
23、应力状态状态纯剪应力纯剪应力状态状态223red3red32第二章 钢结构的材料2.6 钢材的疲劳2.6 钢材的疲劳钢材的疲劳一、钢材疲劳破坏的特征一、钢材疲劳破坏的特征1.概念概念 钢材的疲劳钢材的疲劳钢材在钢材在连续循环荷载连续循环荷载作用下，当作用下，当循环次数循环次数达达 到到某一值某一值n时钢材的破坏时钢材的破坏 循环荷载循环荷载结构或构件承受的结构或构件承受的随时间变化随时间变化的荷载的荷载 应力循环次数应力循环次数n结构或构件破坏时所经历的应力变化次数结构或构件破坏时所经历的应力变化次数 应力幅应力幅 在在循环荷载循环荷载作用下，应力从最大到最小重复作用下，应力从最大到最小重复
24、一次为一次循环，一次为一次循环，最大应力与最小应力之差最大应力与最小应力之差 为应力幅。为应力幅。minmax直接直接承受承受动力荷载动力荷载重复作用重复作用的钢结构构件及其的钢结构构件及其连接，当应力变化的连接，当应力变化的循环次数循环次数n5104时，时，应进行疲劳计算。应进行疲劳计算。33第二章 钢结构的材料2.6 钢材的疲劳 同号应力循环同号应力循环:应力比应力比 应力循环的形式应力循环的形式 异号应力循环异号应力循环:应力比应力比（拉应力取正号，压应力取负号）（拉应力取正号，压应力取负号）0maxmin0maxmin 常幅疲劳荷载常幅疲劳荷载所有应力循环中，应力幅保持常量。所有应力循
25、环中，应力幅保持常量。变幅疲劳荷载变幅疲劳荷载在应力循环过程中，应力幅是变量。在应力循环过程中，应力幅是变量。时，疲劳强度最小1时，为静荷载134第二章 钢结构的材料2.6 钢材的疲劳2.疲劳破坏的特点疲劳破坏的特点（1）疲劳破坏时，应力）疲劳破坏时，应力小于小于材料材料静力强度静力强度；（2）疲劳破坏属于）疲劳破坏属于突然突然的的脆性破坏脆性破坏。3.疲劳破坏的过程疲劳破坏的过程缺陷缺陷 微观裂纹微观裂纹 宏观裂纹宏观裂纹 断裂断裂4.影响疲劳强度的主要因素影响疲劳强度的主要因素（1）应力幅应力幅（2）应力循环次数应力循环次数 n 材料内部缺陷材料内部缺陷（3）缺陷缺陷 构造缺陷（应力集中）
26、构造缺陷（应力集中）残余应力残余应力35第二章 钢结构的材料2.6 钢材的疲劳二、常幅疲劳计算二、常幅疲劳计算采用页，表类，按类别分为参数，根据构件和连接，应力循环次数，（常幅疲劳的容许应力幅力取负值）（拉应力取正值，压应力中的最小拉应力或压应计算部位每次应力循环值）中的最大拉应力（取正计算部位每次应力循环，力对焊接部位为应力幅，2.2188)/7.0幅对非焊接部位为折算应/12minmaxminmaxminmaxCnnCmmN36第二章 钢结构的材料2.6 钢材的疲劳三、变幅疲劳计算三、变幅疲劳计算6102f欠载效应的等效系数力幅时的常幅疲劳的容许应循环次数fn61021026重级工作制吊车
27、梁和重级、中级工作制吊车桁架重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的疲劳可作的疲劳可作为为常幅疲劳常幅疲劳，按下式计算：，按下式计算：吊车类别重级工作制硬钩吊车（如均热炉车间夹钳吊车）1.0重级工作制软钩吊车0.8中级工作制吊车0.5吊车梁和吊车桁架欠载效应的等效系数f37第二章 钢结构的材料2.6 钢材的疲劳 疲劳计算时应注意的问题疲劳计算时应注意的问题1.直接直接承受承受动力荷载动力荷载重复作用重复作用的钢结构构件及其连接，当应的钢结构构件及其连接，当应 力变化的力变化的循环次数循环次数n5104时，应进行疲劳计算。时，应进行疲劳计算。2.疲劳计算采用疲劳计算采用容许应力幅法，容许应力
28、幅法，荷载采用荷载采用标准值标准值。3.由于来源于试验，已考虑动力效应，计算时由于来源于试验，已考虑动力效应，计算时不不再考虑再考虑动力系数动力系数。4.在应力循环中在应力循环中不出现拉应力不出现拉应力的部位可不计算疲劳。的部位可不计算疲劳。38第二章 钢结构的材料2.7 钢的种类和钢材规格2.7 钢的种类和钢材规格钢的种类和钢材规格一、一、钢的种类钢的种类1.化学成分化学成分普通碳素钢普通碳素钢 Q235普通低合金钢普通低合金钢 Q345、Q390、Q420平炉平炉 成本高，质量好（成本高，质量好（6小时小时100t左右）左右）氧气顶吹转炉氧气顶吹转炉 成本低，质量也可（成本低，质量也可（1
29、5分钟分钟150t）2.炉种炉种3.脱氧程度脱氧程度沸腾钢（沸腾钢（F）脱氧较差脱氧较差镇静钢（镇静钢（Z）脱氧充分脱氧充分半镇静钢（半镇静钢（b）脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间特殊镇静钢（特殊镇静钢（TZ）39第二章 钢结构的材料2.7 钢的种类和钢材规格4.质量等级质量等级A级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量B、C、D级：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击级：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击 韧性（分别为韧性（分别为20、0、-20）及碳、硅、）及碳、硅、锰、硫、磷含量锰、硫、磷含量E级：级：
30、除满足除满足D级的要求外，还要求级的要求外，还要求-40时的冲击韧性时的冲击韧性5.钢材编号钢材编号碳素钢：碳素钢：Q质量等级（质量等级（AD）脱氧程度（）脱氧程度（F，b）低合金钢：低合金钢：Q质量等级（质量等级（AE）如如Q235-AF、Q345-C40第二章 钢结构的材料2.7 钢的种类和钢材规格6.钢材的选择钢材的选择（1）结构或构件的重要性；）结构或构件的重要性；（2）荷载的种类（静荷载或动荷载）；）荷载的种类（静荷载或动荷载）；（3）连接方法（焊接或非焊接）；）连接方法（焊接或非焊接）；（4）工作条件（温度，腐蚀等）工作条件（温度，腐蚀等）钢结构设计规范钢结构设计规范（GB5001
31、7-2003）规定：）规定：承重结构承重结构的钢材应具有的钢材应具有抗拉强度抗拉强度、伸长率伸长率、屈服强度屈服强度和和硫、磷硫、磷含量含量的合格保证，对的合格保证，对焊接结构焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。尚应具有碳含量的合格保证。焊焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材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还应具有冷冷弯试验弯试验的合格保证。需要验算的合格保证。需要验算疲劳疲劳的的焊接结构焊接结构的钢材，应具有的钢材，应具有常温或负温常温或负温冲击韧性冲击韧性的合格保证。对需要验算的合格保证。对需要验算疲劳疲劳的的非焊接结非焊接结构构的钢材应具有的钢材应具有常温常温
32、冲击韧性冲击韧性的合格保证。的合格保证。41第二章 钢结构的材料2.7 钢的种类和钢材规格二、钢材的规格二、钢材的规格1.热轧钢板热轧钢板（1）工字钢）工字钢 普通工字钢普通工字钢 20a H型钢型钢 HW3003001015 T型钢型钢 TW1503001015（2）槽钢）槽钢 32b（3）角钢）角钢 L12510 L1258010（4）钢管）钢管 40062.热轧型钢热轧型钢（P321，附录，附录7 型钢表）型钢表）120020400，如板长厚宽423.冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢壁厚壁厚1.55mm第二章 钢结构的材料2.7 钢的种类和钢材规格43 钢结构设计原理第三章.钢结构的连接3.1
33、钢结构的连接方法钢结构的连接方法3.2 焊接方法和焊缝连接形式焊接方法和焊缝连接形式3.3 角焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算3.4 对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算3.5 焊接应力和焊接变形焊接应力和焊接变形3.6 螺栓连接的构造螺栓连接的构造3.7 普通螺栓连接的工作性能和计算普通螺栓连接的工作性能和计算3.8 高强度螺栓连接的工作性能和计算高强度螺栓连接的工作性能和计算44第三章 钢结构的连接3.1 钢结构的连接方法3.1 钢结构的连接方法钢结构的连接方法焊缝连接焊缝连接铆钉连接铆钉连接螺栓连接螺栓连接 焊接连接焊接连接 应用最广泛应用最广泛 优点：优点：不削弱截面，方便施工，
34、连接刚度大，密闭性好；不削弱截面，方便施工，连接刚度大，密闭性好；缺点：缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感，疲劳性能差。材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感，疲劳性能差。螺栓连接螺栓连接 应用较广泛应用较广泛优点：优点：装拆方便，高强螺栓摩擦型连接的动力、疲劳性能较好。装拆方便，高强螺栓摩擦型连接的动力、疲劳性能较好。缺点：缺点：削弱了截面。削弱了截面。铆钉连接铆钉连接 已基本淘汰已基本淘汰优点：优点：传力可靠，塑性、韧性好，动力性能好。传力可靠，塑性、韧性好，动力性能好。缺点：缺点：施工不便，费工费料。施工不便，费工费料。45第三章 钢结构的连接3.2 焊接方法和焊缝连接形式3.2 焊接
35、方法和焊缝连接形式焊接方法和焊缝连接形式电弧焊电弧焊一、焊接方法一、焊接方法电弧焊、电阻焊、气焊电弧焊、电阻焊、气焊1.手工电弧焊手工电弧焊 优点：方便，特别在高空和野外作业；优点：方便，特别在高空和野外作业；缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。焊条：焊条：E43型型适用于适用于Q235钢钢 E50型型适用于适用于Q345钢钢 (P307，附表，附表1.2）E55型型适用于适用于Q390钢，钢，Q420钢钢其中其中43，50，55熔敷金属的最小抗拉强度，单位熔敷金属的最小抗拉强度，单位不同钢种的钢材相焊接时，宜采用与低强度
36、钢材相适应的焊条不同钢种的钢材相焊接时，宜采用与低强度钢材相适应的焊条2/mmkgf46 焊机焊机导线导线熔池熔池焊条焊条焊钳焊钳保护气体保护气体焊件焊件电弧电弧47第三章 钢结构的连接3.2 焊接方法和焊缝连接形式2.自动（半自动）埋弧电弧焊自动（半自动）埋弧电弧焊优点：质量好，效率高；优点：质量好，效率高；缺点：需要专用设备。缺点：需要专用设备。3.气体保护焊气体保护焊优点：质量好；优点：质量好；缺点：对环境要求高。缺点：对环境要求高。48第三章 钢结构的连接3.2 焊接方法和焊缝连接形式二、焊缝连接形式及焊缝形式二、焊缝连接形式及焊缝形式1.焊缝连接形式焊缝连接形式对接连接（用盖板的对接
37、）、搭接连接、对接连接（用盖板的对接）、搭接连接、T形连接、角部连接形连接、角部连接49附附5 5：对接：对接50附附6 6：搭接：搭接51附附7 7：T T 型连接型连接52第三章 钢结构的连接3.2 焊接方法和焊缝连接形式2.焊缝形式焊缝形式焊缝：对接焊缝、角焊缝焊缝：对接焊缝、角焊缝 正正对接焊缝：焊缝对接焊缝：焊缝垂直垂直于力线于力线 对接焊缝对接焊缝 斜斜对接焊缝：焊缝对接焊缝：焊缝倾斜倾斜于力线于力线 正面正面角焊缝：焊缝角焊缝：焊缝垂直垂直于力线于力线 角焊缝角焊缝 侧面侧面角焊缝：焊缝角焊缝：焊缝平行平行于力线于力线 斜斜角焊缝角焊缝:焊缝焊缝倾斜倾斜于力线于力线按受力方向划分
38、按受力方向划分53第三章 钢结构的连接3.2 焊接方法和焊缝连接形式按沿长度方向的布置划分按沿长度方向的布置划分角焊缝：连续角焊缝、间断角焊缝角焊缝：连续角焊缝、间断角焊缝为较薄焊件的厚度受拉：受压：ttltl3015按施焊位置划分按施焊位置划分平焊、横焊、立焊、仰焊平焊、横焊、立焊、仰焊平焊平焊立焊立焊横焊横焊仰焊仰焊54第三章 钢结构的连接3.2 焊接方法和焊缝连接形式三、焊缝缺陷和焊缝质量检验三、焊缝缺陷和焊缝质量检验1.焊缝缺陷焊缝缺陷裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、气孔等等2.焊缝质量检验焊缝质量检验一级：外观检查、超声波检验、一级：外观检查、超声波检验、X射线检
39、查射线检查二级：二级：外观检查、超声波检验外观检查、超声波检验三级：外观检查三级：外观检查5556第三章 钢结构的连接3.2 焊接方法和焊缝连接形式四、焊缝的标注方法四、焊缝的标注方法hfhfhf-lhfhf2-l2hf1-l1hf-l接焊场现（）hf1hf2hf缝焊塞hf2hf1hf2hf2-l257第三章 钢结构的连接3.3 角焊缝的构造与计算一、角焊缝的形式和强度一、角焊缝的形式和强度3.3 角焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算按截面形式划分按截面形式划分 直角角焊缝直角角焊缝角焊缝角焊缝 斜角角焊缝斜角角焊缝fh角焊缝的角焊缝的焊脚尺寸焊脚尺寸eh角焊缝的角焊缝的计算厚度（有效厚度）计
40、算厚度（有效厚度），fehh7.0角焊缝一般用直角角焊缝。夹角角焊缝一般用直角角焊缝。夹角 的斜角的斜角角焊缝，角焊缝，不宜不宜用作受力焊缝（钢管结构除外）用作受力焊缝（钢管结构除外）0060135或58第三章 钢结构的连接3.3 角焊缝的构造与计算按受力方向划分按受力方向划分1.正面角焊缝正面角焊缝：焊缝轴线：焊缝轴线垂直于垂直于力线力线1）应力状态复杂，存在正应力和剪应力，应力分布很不均匀）应力状态复杂，存在正应力和剪应力，应力分布很不均匀2）三种破坏情况，）三种破坏情况，ab面剪断、面剪断、ac面拉断、面拉断、ao面开裂面开裂3）破坏强度高，塑性差）破坏强度高，塑性差59B.B.正面角焊
41、缝的破坏形式正面角焊缝的破坏形式60第三章 钢结构的连接3.3 角焊缝的构造与计算2.侧面角焊缝侧面角焊缝：焊缝轴线焊缝轴线平行于平行于力线力线1）主要受剪，剪应力分布不均匀，两端大，中间小，焊缝越长）主要受剪，剪应力分布不均匀，两端大，中间小，焊缝越长 剪应力分布越不均匀剪应力分布越不均匀2）剪断面常在）剪断面常在45o斜截面斜截面上上3）强度低，但塑性好）强度低，但塑性好正面角焊缝的强度是侧面角焊缝正面角焊缝的强度是侧面角焊缝强度的强度的1.351.55倍倍 3.斜角角焊缝斜角角焊缝：焊缝轴线焊缝轴线倾斜于倾斜于力线力线61第三章 钢结构的连接3.3 角焊缝的构造与计算二、角焊缝的构造要求
42、二、角焊缝的构造要求1.最小焊脚尺寸最小焊脚尺寸）较厚焊件的厚度（，mmtthfmaxmaxmin5.1注：对注：对埋弧自动焊埋弧自动焊，最小焊脚尺寸可，最小焊脚尺寸可减小减小1mm；对；对T形连接的形连接的单面角焊缝单面角焊缝，应，应增加增加1mm。当。当焊件厚度焊件厚度4mm时，最小焊脚尺时，最小焊脚尺寸应寸应与焊件厚度相同与焊件厚度相同。焊脚尺寸过小，会在焊缝金属中由于冷却速度快而产生焊脚尺寸过小，会在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织。淬硬组织。hfhft2t1t1t22.最大焊脚尺寸最大焊脚尺寸焊脚尺寸过大，易使母材形成焊脚尺寸过大，易使母材形成“过烧过烧”现象，使构件产生翘曲、
43、现象，使构件产生翘曲、变形和较大的焊接应力。变形和较大的焊接应力。）较薄焊件的厚度（，mmtthfminminmax2.162第三章 钢结构的连接3.3 角焊缝的构造与计算hfhft2t1t1t2对于贴边焊对于贴边焊 minmax1max11max12.12166thmmthmmtthmmtfff并且，时，当时，当maxminfffhhh要求：3.角焊缝的最小计算长度角焊缝的最小计算长度焊缝焊脚尺寸大而长度较小时，焊件局部加热严重且起落弧的焊缝焊脚尺寸大而长度较小时，焊件局部加热严重且起落弧的弧坑相距太近，以及可能产生的缺陷，使焊缝不够可靠。此外，弧坑相距太近，以及可能产生的缺陷，使焊缝不够可
44、靠。此外，焊缝集中在一很短距离，焊件的应力集中也较大。焊缝集中在一很短距离，焊件的应力集中也较大。mmhlfw408min且不小于63第三章 钢结构的连接3.3 角焊缝的构造与计算4.侧面角焊缝的最大计算长度侧面角焊缝的最大计算长度侧面角焊缝沿长度方向受力不均匀，两端大中间小，所以一般侧面角焊缝沿长度方向受力不均匀，两端大中间小，所以一般均规定其最大计算长度。均规定其最大计算长度。fwhl60max注：若内力沿角焊缝注：若内力沿角焊缝全长分布全长分布，则计算长度，则计算长度不不受此限受此限maxminwwwlll要求：注意注意：焊脚尺寸和焊缝计算长度：焊脚尺寸和焊缝计算长度取取mm的整数，小数
45、点以后的整数，小数点以后都进为都进为1。64第三章 钢结构的连接3.3 角焊缝的构造与计算5.搭接连接的构造要求搭接连接的构造要求为了避免应力传递的过分弯折为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均匀而使构件中应力不均匀bl 1)仅有两条侧面角焊缝时仅有两条侧面角焊缝时为了避免焊缝横向收缩时引起为了避免焊缝横向收缩时引起板件的拱曲太大板件的拱曲太大为较薄板件的厚度时，当时，当tmmbmmttbmmt19012161265第三章 钢结构的连接3.3 角焊缝的构造与计算为较薄板件的厚度搭接长度tmmt 25,5max2）仅有正面角焊缝时）仅有正面角焊缝时为了减少收缩应力以及因偏心在钢板为了减少收
46、缩应力以及因偏心在钢板与连接件中产生的次应力与连接件中产生的次应力3）围焊的）围焊的转角处转角处必须必须连续施焊。连续施焊。非围焊时，可在构件转角处作非围焊时，可在构件转角处作 长度为长度为 的的绕角焊绕角焊fh266第三章 钢结构的连接3.3 角焊缝的构造与计算:的关系和实际长度角焊缝的计算长度llwfwwhllll侧面角焊缝正面角焊缝三面围焊：.1fwhll2.2侧面角焊缝两面侧焊：fwfwhllhllL侧面角焊缝正面角焊缝形围焊：.3不在内）（绕角的侧面角焊缝绕角焊：fwhll2.4NNllNNllNNllNNfh2ll焊缝实际长度焊缝实际长度 取为取为5mm的倍数，如的倍数，如192m
47、m取为取为195mm，196mm取为取为200mm。l67第三章 钢结构的连接3.3 角焊缝的构造与计算三、直角角焊缝强度计算的基本公式三、直角角焊缝强度计算的基本公式 有效截面有效截面：welh 作用在焊缝有效截面上的应力：作用在焊缝有效截面上的应力：剪应力平行于焊缝长度方向的剪应力剪应力垂直于焊缝长度方向的剪应力垂直于焊缝有效截面正应力 角焊缝的角焊缝的通用计算公式通用计算公式wff332222.1131，附表角焊缝强度设计值，查Pfwf68第三章 钢结构的连接3.3 角焊缝的构造与计算 角焊缝的角焊缝的基本计算公式基本计算公式weyflhN2fwexflhN得：代入，将wff33222（
48、直接动荷）（静荷或间接动荷）系数，正面角焊缝的强度增大0.122.1fffwfffff22角焊缝的基本计算公式角焊缝的基本计算公式的合应力）和，引起：垂直于焊缝长度方向，引起：平行于焊缝长度方向分解为(fyfxNNNf045045yNxNNfhehwlff69第三章 钢结构的连接3.3 角焊缝的构造与计算 计算步骤计算步骤（4）区分区分正面角焊缝正面角焊缝受力和受力和侧面角焊缝侧面角焊缝受力，视受力，视荷荷 载种类载种类(静荷或动荷）代入角焊缝的基本计算公静荷或动荷）代入角焊缝的基本计算公 式进行计算。式进行计算。（1）求出）求出同一平面同一平面焊缝群的焊缝群的形心形心（2）将荷载向）将荷载向
49、形心形心简化，找出简化，找出最不利位置最不利位置（3）分别求出）分别求出各荷载分量各荷载分量在最不利位置产生的在最不利位置产生的应力应力70第三章 钢结构的连接3.3 角焊缝的构造与计算四、各种受力状态下直角角焊缝连接的计算四、各种受力状态下直角角焊缝连接的计算1.承受轴心力作用承受轴心力作用(1)用盖板的对接连接用盖板的对接连接wffwefflhN:只有正面角焊缝角焊缝计算长度的总和侧面连接一侧正面计算侧面角焊缝的强度正面角焊缝承担的内力三面围焊)(:wwfwefwewfflflhNNlhfNwfffff22wfwefflhN:只有侧面角焊缝71第三章 钢结构的连接3.3 角焊缝的构造与计算
50、例例3-1 双盖板对接连接的角焊缝计算双盖板对接连接的角焊缝计算条件：已知钢板截面为条件：已知钢板截面为25014，盖板截面为，盖板截面为219010，承受承受轴心静力荷载设计值轴心静力荷载设计值700kN，钢材为，钢材为Q235，焊条为，焊条为E43型，型，手工焊。手工焊。要求：设计此盖板。要求：设计此盖板。解：确定角焊缝的焊脚尺寸解：确定角焊缝的焊脚尺寸mmthf6145.15.1maxminmmthf12102.12.1minmaxmmmmmmthmmtf982110216max，贴边焊：mmhf8取2/160mmNfwf查得角焊缝强度设计值19025251072第三章 钢结构的连接3.
