1、1、张耀春，钢结构设计原理，高等教育出版社，、张耀春，钢结构设计原理，高等教育出版社，20012、沈祖炎，钢结构基本原理，中国建筑工业出版社，、沈祖炎，钢结构基本原理，中国建筑工业出版社，20003、钟善桐，钢结构，中国建筑工业出版社，、钟善桐，钢结构，中国建筑工业出版社，1988材料力学材料力学、结构力学结构力学结构轴心构件 受弯构件 偏心构件材料发展构件厂房高层建筑桥梁结构 大跨度建筑塔桅结构焊接铆接螺栓焊接铆接螺栓计算计算设计原理设计原理桥梁第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第三章第三章 连接连接第四章第四章 受弯构件受弯构件第五章第五章 轴心受力构件轴心受力构
2、件第六章第六章 拉弯、压弯构件拉弯、压弯构件第七章第七章 公路桥梁钢结构设计特点公路桥梁钢结构设计特点 总复习总复习1.1 钢结构的发展简史钢结构的发展简史及钢结构的地位及钢结构的地位早在公元前早在公元前2000年左右，美索不达米亚平原（两河年左右，美索不达米亚平原（两河流域）就出现了早期的炼铁术流域）就出现了早期的炼铁术我国也较早（战国，公元前我国也较早（战国，公元前400年左右）年左右）最早出现时间最早出现时间钢钢(steel)是铁碳合金是铁碳合金1.2 钢结构的特点及应用钢结构的特点及应用钢材强度高，结构重量轻钢材强度高，结构重量轻 与混凝土相比，密度大，但强度高与混凝土相比，密度大，但
3、强度高 当跨度和荷载均相同时，钢屋架的重量仅为钢筋混凝土当跨度和荷载均相同时，钢屋架的重量仅为钢筋混凝土屋架的屋架的1/31/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10 为运输和吊装提供了方便为运输和吊装提供了方便钢结构的特点钢结构的特点钢构件常较柔细，稳定问题比较突出钢构件常较柔细，稳定问题比较突出材质均匀，且塑性韧性好材质均匀，且塑性韧性好 晶格均匀，各向同性，良好延性晶格均匀，各向同性，良好延性 符合工程力学理性弹塑性假定，计算简单、结果可靠符合工程力学理性弹塑性假定，计算简单、结果可靠 重量轻和韧性好，抗震性能也好于其他结构重量轻和韧性好，抗震性能也好于其他结构良好
4、的加工性能和焊接性能良好的加工性能和焊接性能 便于厂家批量生产，精度较高，成品现场安装，既可便于厂家批量生产，精度较高，成品现场安装，既可保证质量，又可缩短工期保证质量，又可缩短工期密封性好密封性好 可用来制作压力容器、管道，甚至载人太空结构。可用来制作压力容器、管道，甚至载人太空结构。钢材的可重复使用性钢材的可重复使用性钢材耐热但不耐火钢材耐热但不耐火 100左右，性能变化不大左右，性能变化不大 250左右，会出现兰脆现象左右，会出现兰脆现象 600时进入热塑性状态，将丧失承载能力时进入热塑性状态，将丧失承载能力 有防火要求时：防火涂料、耐火材料、循环水套等有防火要求时：防火涂料、耐火材料、
5、循环水套等耐腐蚀性差耐腐蚀性差 一般厂房钢构件经过除锈、涂防腐油漆后，不会锈蚀一般厂房钢构件经过除锈、涂防腐油漆后，不会锈蚀 特殊环境中，可采用耐候钢或不锈钢特殊环境中，可采用耐候钢或不锈钢钢结构的低温冷脆倾向钢结构的低温冷脆倾向 厚钢板焊接节点，应力复杂，有低温脆性破坏倾向厚钢板焊接节点，应力复杂，有低温脆性破坏倾向 可采用耐候钢可采用耐候钢钢结构的应用钢结构的应用大跨结构大跨结构 跨度越大，跨度越大，自重自重在荷载中所占的比例越大，减轻自重在荷载中所占的比例越大，减轻自重是首要问题是首要问题 钢材强度高、重量轻的优势正好适合于大跨结构钢材强度高、重量轻的优势正好适合于大跨结构 结构形式有空
6、间桁架、网架、网壳、悬索、张弦梁、结构形式有空间桁架、网架、网壳、悬索、张弦梁、实腹或格构式拱架和框架等。实腹或格构式拱架和框架等。结构类型多样，涵盖了多种现代钢结构体系建筑造型新颖，加大结构设计施工难度钢结构跨度大，安装技术含量高 预应力钢结构体系、膜结构等新体系应用，填补国内相关标准空白节能环保技术在钢结构围护体系中广泛应用，推广示范作用显著 武钢承担数量最大武钢承担数量最大(08(08办提供办提供),),舞钢供应的钢板强度级别和厚度最高舞钢供应的钢板强度级别和厚度最高尽管用立体桁架作为上弦有效尽管用立体桁架作为上弦有效地提高了平面外的稳定性。整地提高了平面外的稳定性。整体屋盖还是单向受力
7、为主。体屋盖还是单向受力为主。国家体育馆南北长国家体育馆南北长 144.5144.5米，米，东西宽东西宽114 114 米，尝试了张弦立米，尝试了张弦立体桁架的空间结构形式体桁架的空间结构形式双双向张弦立体桁架。向张弦立体桁架。如何保证双向索同时张拉到位如何保证双向索同时张拉到位并发挥作用并发挥作用?v双向张弦立体桁架双向张弦立体桁架受动力荷载影响的结构受动力荷载影响的结构 发挥钢材的良好韧性发挥钢材的良好韧性 有较大锻锤或动力设备的厂房、对抗震要求高的结构有较大锻锤或动力设备的厂房、对抗震要求高的结构多层和高层建筑多层和高层建筑 利用钢结构具有较高的强度、塑性耗能能力、韧性等利用钢结构具有较
8、高的强度、塑性耗能能力、韧性等优点优点 结构形式有多层框架、框架支撑结构、框筒、悬挂、结构形式有多层框架、框架支撑结构、框筒、悬挂、巨型框架等巨型框架等可拆卸的结构可拆卸的结构 应用于建筑、铁路、公路、水应用于建筑、铁路、公路、水利、石油、商业、旅游和军事等领利、石油、商业、旅游和军事等领域的办公室、指挥部、宿舍、会议域的办公室、指挥部、宿舍、会议室、仓库、商店、楼顶加层及各种室、仓库、商店、楼顶加层及各种临时用房等。临时用房等。容器和其他构筑物容器和其他构筑物 化工类钢板容器，如油罐、气罐、高炉、热风炉等化工类钢板容器，如油罐、气罐、高炉、热风炉等 还有通廊栈桥、管道支架、锅炉支架、海洋平台
9、等还有通廊栈桥、管道支架、锅炉支架、海洋平台等轻型钢结构轻型钢结构 冷弯薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可比钢筋混冷弯薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可比钢筋混凝土屋架的用钢量还少凝土屋架的用钢量还少 如变截面门式刚架、冷弯薄壁型钢结构、金属拱形波如变截面门式刚架、冷弯薄壁型钢结构、金属拱形波纹屋盖结构、钢管结构等纹屋盖结构、钢管结构等大跨度桥梁大跨度桥梁桁架桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥桁架桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥 钢和混凝土的组合结构钢和混凝土的组合结构 钢板件受压失稳，不能充分发挥它的高强，而混凝土钢板件受压失稳，不能充分发挥它的高强，而混凝土则宜于受压不适于受拉，将钢材和混凝土并用，使两种材
10、则宜于受压不适于受拉，将钢材和混凝土并用，使两种材料都充分发挥它的长处料都充分发挥它的长处 组合结构在我国获得了长足的发展，应用于高层建筑组合结构在我国获得了长足的发展，应用于高层建筑(如深圳的赛格广场如深圳的赛格广场)、大跨桥梁、工业厂房和地铁站台柱、大跨桥梁、工业厂房和地铁站台柱等。等。主要构件形式有主要构件形式有组合梁、组合柱、组合楼板组合梁、组合柱、组合楼板等等1.3 钢结构的设计方法钢结构的设计方法容许应力设计方法容许应力设计方法概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法容许应力设计方法容许应力设计方法 kfK由标准荷载按一阶弹性分析求得得结构构件中的最大应力；由标准荷载按一阶弹性分析
11、求得得结构构件中的最大应力；规范规定的材料的容许应力；规范规定的材料的容许应力；大于大于1的安全系数，凭工程经验取值。如中国的的安全系数，凭工程经验取值。如中国的TJ 17-3-74钢结构规范取钢结构规范取1.41.式中：式中：kf材料的标准强度。对塑性材料取屈服点，对脆性材料取抗拉强度；材料的标准强度。对塑性材料取屈服点，对脆性材料取抗拉强度；K 以结构构件的计算应力以结构构件的计算应力 不大于规范所给定的材料容许不大于规范所给定的材料容许应力应力 的原则来进行设计的方法。的原则来进行设计的方法。简单，相当可靠，已使用多年。简单，相当可靠，已使用多年。目前疲劳计算和钢桥、储液罐及压力容器等的
12、设计均使用该方法。目前疲劳计算和钢桥、储液罐及压力容器等的设计均使用该方法。优点优点:仅以某点的应力考虑可靠性，忽略了塑性发展；不考虑荷载作用比例的仅以某点的应力考虑可靠性，忽略了塑性发展；不考虑荷载作用比例的变化和反号作用；无可靠度概念，可能带来不安全或浪费。变化和反号作用；无可靠度概念，可能带来不安全或浪费。缺点缺点:结构的可靠度结构的可靠度 结构在规定时间内和规定条件下，完成预定功能的概率结构在规定时间内和规定条件下，完成预定功能的概率 显然可靠度与结构的设计基准期长短有关，设计基准期显然可靠度与结构的设计基准期长短有关，设计基准期长，可靠度要求就高，反之则低。长，可靠度要求就高，反之则
13、低。一般建筑物的设计基准期为一般建筑物的设计基准期为50年。年。概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法荷载规范的承载力极限状态表达式荷载规范的承载力极限状态表达式 可变荷载效应控制的组合：可变荷载效应控制的组合：fQiKniciQiKQQGKG)(2110永久荷载效应控制的组合：永久荷载效应控制的组合：fQiKniciQiGKG)(10对于排架、框架结构，可采用简化公式计算：对于排架、框架结构，可采用简化公式计算：可变荷载效应控制的组合：可变荷载效应控制的组合：永久荷载效应控制的组合，公式与上同。永久荷载效应控制的组合，公式与上同。fQiKniQiGKG)(10注意：注意：f为钢材或连接的强
14、度设计值，对钢材为屈服点为钢材或连接的强度设计值，对钢材为屈服点fy除以除以抗力分项系数的商。抗力分项系数的商。如如Q235钢抗拉强度设计值为钢抗拉强度设计值为 fy/R=fy/1.087=235/1.087=215N/mm2；对于端面承压和连接则为极限强度；对于端面承压和连接则为极限强度fu除以抗除以抗力分项系数力分项系数1.538。如如Q345钢抗拉强度设计值为钢抗拉强度设计值为 fy/R=fy/1.111=345/1.111=310N/mm2；各种钢材和连接的强度设计值见附录各种钢材和连接的强度设计值见附录1。荷载规范的正常使用极限状态表达式荷载规范的正常使用极限状态表达式 钢结构只考虑
15、荷载效应的标准组合：钢结构只考虑荷载效应的标准组合：TQiKniciKQGKvvvv21挠度容许值 项次 构 件 类 别 vT vQ 1 吊车梁和吊车桁架（按自重和起重量最大的一台吊车计算挠度）(1)手动吊车和单梁吊车（含悬挂吊车）(2)轻级工作制桥式吊车(3)中级工作制桥式吊车(4)重级工作制桥式吊车 l/500 l/800 l/1000 l/1200 2 手动或电动葫芦的轨道梁 l/400 3 有重轨（重量等于或大于 38kg/m）轨道的工作平台梁 有轻轨（重量等于或小于 24kg/m）轨道的工作平台梁 l/600 l/400 vT为永久和可变荷载标准值产生的挠度的容许值；vQ为可变荷载标
16、准值产生的挠度的容许值。挠度容许值 项次 构 件 类 别 vT vQ 4 楼（屋）盖梁或桁架、工作平台梁（第 3 项除外）和平台板(1)主梁或桁架（包括设有悬挂起重设备的梁和桁架）(2)抹灰顶棚的次梁(3)除(1)、(2)款外的其他梁（包括楼梯梁）(4)屋盖檩条 a)支承无积灰的瓦楞铁和石棉瓦屋面者 b)支承压型金属板、有积灰的瓦楞铁和石棉瓦等屋面者 c)支承其他屋面材料者(5)平台板 l/400 l/250 l/250 l/150 l/200 l/200 l/150 l/500 l/350 l/300 5 墙架构件（风荷载不考虑阵风系数）(1)支柱(2)抗风桁架（作为连续支柱的支承时）(3)
17、砌体墙的横梁（水平方向）(4)支承压型金属板、瓦楞铁和石棉瓦墙面的横梁（水平方向）(5)带有玻璃窗的横梁（竖直和水平方向）l/200 l/400 l/1000 l/300 l/200 l/200 一阶弹性分析二阶弹性分析框架结构的近似二阶弹性分析二阶弹塑性分析1.4 结构内力的分析方法1.5 钢结构的新发展结构用钢的新发展新型结构体系的新发展构件、节点的新发展设计方法的新发展哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）土木工程系哈尔滨工业大学（威海）土木工程系l 铁矿石（氧化铁）铁矿石（氧化铁）生铁（生铁（含碳量含碳量2.06%2.06%以上）以上）高温高温 coco、c
18、 c石灰石石灰石 砂质和粘土等砂质和粘土等 熔渣熔渣高温高温l 炼铁炼铁生铁生铁：坚硬、脆、熔点低，常用于铸铁：坚硬、脆、熔点低，常用于铸铁l 炼钢炼钢生铁生铁碳、杂质碳、杂质氧化作用氧化作用钢（含碳钢（含碳0.25%)0.45时，淬硬倾向更加明显，需严格控制时，淬硬倾向更加明显，需严格控制工艺。工艺。1556CuNiVMoCrMnCCE1)1)时效硬化时效硬化氮和碳随时间的增长逐渐氮和碳随时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，对晶粒的化物和碳化物，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用，塑性滑移起到遏制作用，使钢材的强度提高，塑性使钢材的强度提高，塑性和韧性下降和韧性
19、下降称为称为时效时效硬化硬化（也称老化）（也称老化）时效硬化的时间较长，但振时效硬化的时间较长，但振动荷载、反复荷载及温度动荷载、反复荷载及温度变化等情况下，会加速发变化等情况下，会加速发展展。fy fp%0 2 4 3 1 时效硬化 冷作硬化 冷作硬化后的塑性区 2 2）冷作硬化（或应变硬化）冷作硬化（或应变硬化）冷加工使钢材产生较大的塑性变冷加工使钢材产生较大的塑性变形，卸荷后再重新加载，钢材屈服形，卸荷后再重新加载，钢材屈服点提高，塑性和韧性降低的现象。点提高，塑性和韧性降低的现象。fy fp%0 2 4 3 1 时效硬化 冷作硬化 冷作硬化后的塑性区 3 3）冷作时效）冷作时效(应变时
20、效应变时效)硬化硬化 在钢材产生一定数量的塑性变形在钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶氮和碳将后，铁素体晶体中的固溶氮和碳将更容易析出，从而使已经冷作硬化更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。的钢材又发生时效硬化现象。fy%0 冷加工及时效 冷加工及时效后的塑性区 在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓产生局部
21、高峰应力，形成所谓应力集中应力集中现象。现象。应力集中现象应力集中现象不同槽口试件静力拉伸试验的应力不同槽口试件静力拉伸试验的应力应变曲线应变曲线 应力集中对应力集中对-曲线关系的影响曲线关系的影响 截面槽口改变截面槽口改变愈急剧，应力集愈急剧，应力集中现象愈厉害，中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈坏的脆性倾向愈大。大。1020300.425100%(N/mm2)10测距测距100101006007005004003002001001)加载速度的影响加载速度的影响冲击荷载作用时，加载速度很高，钢材的塑性滑移在加载冲击荷载作用时，加载速度很高
22、，钢材的塑性滑移在加载瞬间跟不上应变速率，反映出瞬间跟不上应变速率，反映出屈服点提高的倾向屈服点提高的倾向室温环境下：室温环境下：(20左右左右)钢材的屈服点和抗拉强度随应变速钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率的增加而提高，同时还能保持良好的塑性变形能力率的增加而提高，同时还能保持良好的塑性变形能力温度较低时：温度较低时：应变速率对钢材性能的影响要大得多应变速率对钢材性能的影响要大得多加载速度和温度对加载速度和温度对冲击韧性的影响冲击韧性的影响2.4.5荷载类型的影响荷载类型的影响2)循环荷载的影响循环荷载的影响疲劳：疲劳：钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产钢材在连续交变荷载作用下，会
23、逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏。生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏。高周疲劳高周疲劳的断裂寿命较长，应力水平较低的断裂寿命较长，应力水平较低fy，断裂前的，断裂前的循环次数多循环次数多n5104，通常的疲劳都属于这一种。，通常的疲劳都属于这一种。低周疲劳低周疲劳的断裂寿命较短，断裂应力水平较高的断裂寿命较短，断裂应力水平较高fy，破坏前，破坏前的循环次数少的循环次数少n=1025104。2.4.6温度的影响温度的影响正温范围：正温范围：（1 1）温度在）温度在150150以内，钢材材以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度质变化很小，钢结构可用于温度不高于不高于150150
24、的场合。的场合。（2 2）温度在）温度在250250左右的区间内左右的区间内出现出现蓝脆现象蓝脆现象，fu 有局部性提高，有局部性提高，同时塑性降至最低，材料有转脆同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。倾向。（3 3）当温度达到）当温度达到600600时，钢材时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。将丧失承载能力。钢材的隔热、防火措施钢材的隔热、防火措施:l 根据防火等级，喷涂不同厚度的防火涂料根据防火等级，喷涂不同厚度的防火涂料l 当结构可能受到炽热熔化金属的侵害时，应采用砖当结构可能受到炽热熔化金属的侵害时，应采用砖或耐热材料做成的隔热层加以保护或耐
25、热材料做成的隔热层加以保护l 当结构表面长期受辐射热达当结构表面长期受辐射热达150150以上或在短时间以上或在短时间内可能受到火焰作用时，应采取有效的防护措施内可能受到火焰作用时，应采取有效的防护措施（如隔热层或水套等）（如隔热层或水套等）2.4.6温度的影响温度的影响冲击韧性和温度关系示意图冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏脆性破坏两种破两种破坏均有坏均有塑性破坏塑性破坏转变温转变温度区度区冲击断裂功冲击断裂功试验温度试验温度T1T0T2（1 1）冲击功曲线的反弯点）冲击功曲线的反弯点T T0 0称为称为转变温度转变温度。界限温度。界限温度T T1 1和和T T2 2分别分别为为脆性转变温度
26、脆性转变温度和和全塑性转变温度全塑性转变温度。（2 2）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间T T1 1 T T2 2内完内完成的，此温度区间称为钢材的成的，此温度区间称为钢材的脆性转变温度区脆性转变温度区。2.4.6温度的影响温度的影响负温范围：负温范围：随着温度的降低，随着温度的降低，钢材的强度提高，而钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐塑性和韧性降低，逐渐变脆，称钢材的渐变脆，称钢材的低低温冷脆温冷脆。钢材的冲击。钢材的冲击韧性对温度的降低十韧性对温度的降低十分敏感。分敏感。冲击韧性和温度关系示意图冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏脆性破坏两种
27、破两种破坏均有坏均有塑性破坏塑性破坏转变温转变温度区度区冲击断裂功冲击断裂功试验温度试验温度T1T0T2（3 3）在脆性转变温度）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破则表现为完全的塑性破坏。坏。（4 4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选均应通过试验来确定。在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于用钢材时应使其工作温度大于T1,T
28、1,接近接近T0T0。2.4.6温度的影响温度的影响2.4.7 防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法外因外因 钢材在构造和加工工程中引起的钢材在构造和加工工程中引起的应力集中应力集中、低温影响低温影响、动力荷动力荷 载的作用载的作用、冷作硬化冷作硬化和和应变时效硬化应变时效硬化等等 内因内因 钢材的钢材的化学成分化学成分、组织构造组织构造和和缺陷缺陷等等(1(1）合理的选用钢材）合理的选用钢材;(2(2）对于低温工作和受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度）对于低温工作和受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度低于结构的工作温度;(3)(3)尽量使用较薄的型钢和
29、板材，使其具有良好的冲击韧性尽量使用较薄的型钢和板材，使其具有良好的冲击韧性;(4(4）设计时结构的构造要合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、）设计时结构的构造要合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、连续的传递应力，从而减小构件的应力集中。连续的传递应力，从而减小构件的应力集中。影响钢材出现脆性破坏的因素影响钢材出现脆性破坏的因素合合 理理 设设 计计正正 确确 制制 造造(1)(1)严格按照设计要求进行制作，不得随意进行钢材代换，不得随严格按照设计要求进行制作，不得随意进行钢材代换，不得随意将螺栓连接该为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度。意将螺栓连接该为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度
30、。(2)(2)为了避免冷作硬化现象的发生，应采用钻孔或冲孔后再扩钻的为了避免冷作硬化现象的发生，应采用钻孔或冲孔后再扩钻的方法，以及对剪切边进行刨边。方法，以及对剪切边进行刨边。(3)(3)为了减少焊接残余应力导致的应力集中，应该制定合理的焊接为了减少焊接残余应力导致的应力集中，应该制定合理的焊接工艺和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处工艺和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处理方法消除主要构件中的焊接残余应力。理方法消除主要构件中的焊接残余应力。(4)(4)焊接中不得在构件上任意打火起弧，影响焊接的质量，应按照焊接中不得在构件上任意打火起弧，影响焊接的质量，应按
31、照规范的要求进行。规范的要求进行。合合 理理 使使 用用(1)(1)不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构。不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构。(2)(2)原设计在室温工作的结构，在冬季停产时要注意保暖。原设计在室温工作的结构，在冬季停产时要注意保暖。(3)(3)不要在主要结构上任意焊接或附加零件悬挂物。不要在主要结构上任意焊接或附加零件悬挂物。(4)(4)避免因生产和运输不当对结构造成的撞击或机械损伤。避免因生产和运输不当对结构造成的撞击或机械损伤。(5)(5)平时对结构应注意检察和维护。平时对结构应注意检察和维护。l 疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征定义定义：钢材在循环荷载作用下，应力
32、虽然低于极限强度，甚至低钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏。于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏。破坏过程破坏过程：裂纹形成：裂纹形成-裂纹扩展裂纹扩展-最后迅速断裂而破坏最后迅速断裂而破坏破坏特点破坏特点：（1 1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破坏。没有展开，属于脆性破坏。（3 3）疲劳对缺陷十分敏感。）疲劳对缺陷十分敏感。（2 2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶
33、粒状或人字纹。而疲劳破坏的坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。主要断口特征是放射和年轮状花纹。疲劳的种类疲劳的种类 常幅疲劳：常幅疲劳：常幅交变荷载；引起常幅循环应力，简称循环常幅交变荷载；引起常幅循环应力，简称循环应力；转动的机械零件可能发生常幅疲劳破坏。应力；转动的机械零件可能发生常幅疲劳破坏。变幅疲劳：变幅疲劳：吊车梁、吊车桥、钢桥等可能发生变幅疲劳破吊车梁、吊车桥、钢桥等可能发生变幅疲劳破坏。坏。min=-a max=a min=0 max=2a min max min max maxmin0 maxmin0 拉应力 压应力 疲劳破坏特
34、征疲劳破坏特征 突然性突然性 破坏前没有塑性变形，属于脆性断裂破坏前没有塑性变形，属于脆性断裂 长期性长期性 长期累积损伤，包括裂纹萌生、缓慢扩展和断裂长期累积损伤，包括裂纹萌生、缓慢扩展和断裂 三个阶段三个阶段 低应力低应力 名义循环应力（远）低于屈服点名义循环应力（远）低于屈服点 缺陷敏感性缺陷敏感性 对包括缺口、裂纹及组织缺陷等十分敏感对包括缺口、裂纹及组织缺陷等十分敏感 产生疲劳裂纹的焊接初始缺陷 疲劳裂纹的扩展 脆性断裂区(a)(b)裂纹源、裂纹扩展区和断裂区图示裂纹源、裂纹扩展区和断裂区图示 应力比（应力比（）循环应力中绝对值最小的峰值应力循环应力中绝对值最小的峰值应力 minmi
35、n与绝对值最大的峰值应力与绝对值最大的峰值应力 maxmax之比。之比。=minmin/maxmax(拉应力取正号而压应力取负号拉应力取正号而压应力取负号)应力幅（应力幅（DD）DD=maxmax-minmin，此处，此处 maxmax为最大拉应力，取正值，为最大拉应力，取正值，minmin为最小拉应为最小拉应力或压应力。（力或压应力。（拉应力取正号而压应力取负号）拉应力取正号而压应力取负号）应力循环次数应力循环次数（n n，疲劳寿命），疲劳寿命）结构或构件破坏时所经历的应力变化次数，常幅时为结构或构件破坏时所经历的应力变化次数，常幅时为5 510104 4以上时需要考虑疲劳以上时需要考虑疲劳
36、l 常幅疲劳常幅疲劳当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。1.1.非焊接结构的疲劳非焊接结构的疲劳大量试验研究表明，疲劳强度除于大量试验研究表明，疲劳强度除于主体金属主体金属和和连接类型连接类型有有关外，还与关外，还与循环应力比循环应力比 和和循环次数循环次数n n有关。有关。当以当以n=2n=210106 6为疲劳寿命时，我国为疲劳寿命时，我国钢结构设计规范钢结构设计规范给给出了验算以出了验算以拉应力拉应力为主的疲劳计算公式为主的疲劳计算公式 pmax（2.5.1）k-1p0p（2.5.2）2.2.焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳通过大量试验
37、研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是素是构件和连接的类型构件和连接的类型、应力幅应力幅DD以及以及循环次数循环次数n n，而与应，而与应力比无关。力比无关。焊缝部位存在残余拉焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈应力，通常达到钢材的屈服点服点f fy y ，该处是产生和发该处是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。展疲劳裂纹最敏感的区域。fy+-(a)(b)maxyf最大：最大：maxminyyff-D-最小：最小：yyff-D真实应力比：真实应力比：焊缝附近真实应力比的大小焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅取决于应力幅DD的大小的大小
38、0 DNX105 1Dn1 2Dn2 bDfy123456S S0lgn Dlg.b1lgClgDlgn 1 双对数坐标系双对数坐标系中成直线关系，便于使用。中成直线关系，便于使用。曲线系试验回归方程，反映了曲线系试验回归方程，反映了平均值平均值之间的关系。考虑到试验之间的关系。考虑到试验数据的离散性，取平均值减去数据的离散性，取平均值减去2倍的标准差（倍的标准差（2s）作为）作为疲劳强疲劳强度的下限值度的下限值，如图虚线所示。，如图虚线所示。(保证率保证率97.7)称该虚线上的应力幅为对应某疲劳寿命的称该虚线上的应力幅为对应某疲劳寿命的容许应力幅容许应力幅1。设计时使设计时使实际应力幅实际应
39、力幅小于小于容许应力幅容许应力幅即可：即可：。DD容许应力幅容许应力幅 将图中的虚线延长与横坐将图中的虚线延长与横坐标交于点标交于点lgC，设该线对，设该线对纵坐标的斜率为纵坐标的斜率为-1/则对应疲劳寿命则对应疲劳寿命n的容许的容许应力幅可由两个相似三角应力幅可由两个相似三角形的关系求出：形的关系求出：nCnClglglglglg1D-D1DnC注意：不同类型的构件和连接，注意：不同类型的构件和连接，疲劳寿命与允许应力幅的关系是疲劳寿命与允许应力幅的关系是不同的，即不同的，即C和和是不同的。是不同的。要由试验确定要由试验确定S S0lgn Dlg.b1lgClgDlgn 1试验参数试验参数C
40、、的确定的确定 为设计方便，按为设计方便，按连接连接方式方式和和受力特点受力特点，将，将构件和连接归纳划分构件和连接归纳划分为为8类类。(附录附录7)(N/mm2)400 300 200100 80 60 105 2 3 4 5 6 7 8 9 106 2106 5106 107 N 3 2 1 6 5 4 8 7 常幅疲劳的校核准则常幅疲劳的校核准则详细归纳详细归纳 由于疲劳问题的复杂性，目前尚没有条件采用以概率理论由于疲劳问题的复杂性，目前尚没有条件采用以概率理论为基础的极限状态设计法，仍然采用为基础的极限状态设计法，仍然采用容许应力设计法容许应力设计法。进行内力计算时，应采用进行内力计算
41、时，应采用荷载标准值荷载标准值。由于确定容许应力幅的试验中自动包括了动力作用，故内由于确定容许应力幅的试验中自动包括了动力作用，故内力计算中也力计算中也不再乘以动力系数不再乘以动力系数。常幅疲劳的统一校核准则为常幅疲劳的统一校核准则为：对焊接部位为应力幅，对焊接部位为应力幅，=max-min；对非焊接部位；对非焊接部位为折算应力幅，为折算应力幅，=max-0.7min；max最大拉应力（取最大拉应力（取正）；正）；min最小拉应力或压应力（拉取正，压取负）；最小拉应力或压应力（拉取正，压取负）；常幅疲劳的容许应力幅，单位为常幅疲劳的容许应力幅，单位为N/mm2。1DDnC变幅疲劳的计算原理变幅
42、疲劳的计算原理 基本思想：根据基本思想：根据Miner线性累积损伤准则线性累积损伤准则，将变幅应力幅折，将变幅应力幅折算为常幅算为常幅等效应力幅等效应力幅e，然后按常幅疲劳进行校核。，然后按常幅疲劳进行校核。设某个构件或连接的设计应力谱由若干个不同设某个构件或连接的设计应力谱由若干个不同应力幅水平应力幅水平i的常幅循环应力组成，每个应力幅水平的常幅循环应力组成，每个应力幅水平i所对应的循所对应的循环次数为环次数为ni，相对的疲劳寿命为，相对的疲劳寿命为Ni，Miner的线性累积损伤的线性累积损伤准则为准则为：1iiNnDDe lg lgn 1 2 3 e n1 n2 n3 N1 N2 N3 n
43、i 1 1iiNn 使用常幅疲劳公式，得第使用常幅疲劳公式，得第i个应力幅水平下的疲劳寿命：个应力幅水平下的疲劳寿命：则由：则由：可得：可得：设想另有一等效常幅疲劳应力幅设想另有一等效常幅疲劳应力幅e，循环，循环ni次后，也使次后，也使该部件产生疲劳破坏，则有：该部件产生疲劳破坏，则有：于是：于是：)(iiCND12211nniiiiNnNnNnNnNn1)()()()(2211DDDDCnCnCnCniinnD)(eiCnDD)()(eiiinCn 则等效应力幅：则等效应力幅：ni预期寿命内应力幅水平为预期寿命内应力幅水平为i的应力循环次数。的应力循环次数。1)(DDiiienn水库计数法水
44、库计数法 疲劳计算采用疲劳计算采用容许应力幅法容许应力幅法，按弹性状态计算应力进行计算。，按弹性状态计算应力进行计算。计算只适用于无高温（计算只适用于无高温（t150t150）、无严重腐蚀环境中的高周低应）、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算（应力循环次数变的疲劳计算（应力循环次数n n5510104 4)。常幅疲劳的计算公式常幅疲劳的计算公式DD（2.5.7）DD标准荷载下标准荷载下的设计应力幅；的设计应力幅；对于焊接部位的设计应力幅对于焊接部位的设计应力幅:DD=max-min；对于非焊接部位的折算应力幅：对于非焊接部位的折算应力幅：DD=max-0.7 min max 每次应力循环中
45、，计算部位的最大拉应力（取正值）每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）min 每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应（拉应力取正值，压应力取负值）；力取正值，压应力取负值）；DD 常幅疲劳的容许应力幅常幅疲劳的容许应力幅（b)b)计算计算eD 若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅为等效常幅疲劳，将随机变化
46、的应力幅折算为等效应力幅DDe e按下按下式进行疲劳计算：式进行疲劳计算：1DDiiiennn ni i 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；n ni i 预期寿命内应力幅水平达到预期寿命内应力幅水平达到DDi i的的应力循环次数应力循环次数 （a a）检算公式）检算公式DDe e等效常幅疲劳应力幅。等效常幅疲劳应力幅。DD 常幅疲劳的容许应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。情形一能够测得使用期内应力变幅规律情形一能够测得使用期内应力变幅规律DDe 情形二情形二不能测得使用期内应力变幅规律不能测得使用期内应力变幅规律 设计设计重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级
47、工作制吊车桁架时，重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，按常幅疲劳进行计算。按常幅疲劳进行计算。计算公式计算公式6102DDnf（2.5.152.5.15）f 欠载效应的等效系数欠载效应的等效系数DDef6102Dn循环次数为循环次数为n n=2=210106 6次的容许应力幅。次的容许应力幅。1.00.80.5重级工作制硬钩吊车重级工作制硬钩吊车 重
48、级工作制软钩吊车梁重级工作制软钩吊车梁中级工作制吊车中级工作制吊车 f吊车梁类别吊车梁类别表表2-2 2-2 吊车梁或吊车桁架欠载效应系数吊车梁或吊车桁架欠载效应系数59697890103118144176N/mm2DDn=210687654321连接形式类别连接形式类别表表2-3 2-3 n n=2=210106 6的容许应力幅值的容许应力幅值疲劳破坏中一些值得注意的问题疲劳破坏中一些值得注意的问题（1 1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，设计方法。这主要是
49、因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。（2 2）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。（3 3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。（4 4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措
50、施）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施（）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；（）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；（）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；（）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；（）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。（）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。2.6.1 建筑用钢的种类建筑用钢的种类（1）碳素结构钢（）碳素结构钢（GB/T 700-1988）a）碳素结构钢的表达方式由（）碳素结构钢的表达方式由（屈服点的字母屈服点的字母Q、屈服点数值、质量、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号）等级符号和脱氧方法符号）四个部分组成。四个部分组成。b)质量等级符号是根据钢材的
