1、 建筑结构基础CONTENTS目 录钢结构概述钢结构的连接钢结构构件的计算钢屋盖的设计8.18.28.38.4项目8 钢 结 构学习目标项目8 钢 结 构了解钢结构的特点。掌握钢结构的连接方式、构造及计算方法。掌握钢构件的设计及计算方式。掌握钢屋盖的设计方法。PART8.1钢结构概述8.1.1 钢结构的类型及特点 1.钢结构的类型 钢结构是工程结构中应用比较广泛的一种建筑结构，按照使用功能及结构组成方式的不同，钢结构主要分为厂房类钢结构、桥梁类钢结构、海上采油平台钢结构和卫星发射钢塔架等，常见的为厂房类钢结构和桥梁类钢结构。8.1.1 钢结构的类型及特点1 1）厂房类钢结构）厂房类钢结构 厂房
2、类钢结构中的主要承重构件（如钢柱子、钢结构基础、钢梁、钢屋架及钢屋盖等）由钢材组成。厂房类钢结构主要包括轻型钢结构和重型钢结构。8.1.1 钢结构的类型及特点2 2）桥梁类钢结构）桥梁类钢结构 桥梁类钢结构在公路、铁路领域中有着极为广泛的应用，如板梁桥、桁架桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥等。8.1.1 钢结构的类型及特点 2.钢结构的特点 自重轻、强度高、施工快等诸多优点使得钢结构在众多结构形式中脱颖而出。随着国家经济建设的发展，钢结构在我国的应用越来越多，应用领域也不断扩大，如大跨度结构、高层建筑、工业建筑、高耸结构、可拆卸或移动的结构、特种结构等。8.1.1 钢结构的类型及特点1 1）钢结构的优
3、点）钢结构的优点 （1）钢材强度高。钢材强度高是钢结构相比其他结构的首要优势。与混凝土结构相比，在相同截面的情况下钢结构可以承受更大的荷载。可以说，钢结构适用于建造跨度大、承载重的结构。（2）钢材质量轻。钢结构的构件较小、质量较轻，便于运输、装拆和扩建。（3）塑性、韧性好。塑性好，钢结构在一般条件下不会因超载而突然破坏；韧性好，适宜在动力荷载下工作。8.1.1 钢结构的类型及特点 （4）材质均匀。钢材内部组织比较均匀，接近各向同性，实际受力情况和工程力学计算结果比较吻合。（5）制造简单，施工周期短。钢结构的加工制作简便，连接简单，安装方便。（6）密封性好。水密性和气密性较好，适宜建造密闭的板壳
4、结构。（7）可焊性好。（8）抗震性能好。8.1.1 钢结构的类型及特点2 2）钢结构的缺点）钢结构的缺点 （1）耐火性差。钢材在150 时强度无变化；温度在200 以内时，钢材主要的力学性能降低不多；温度超过200 后，不仅强度逐步降低，还会发生兰脆和徐变现象；温度达600 时，强度约为0，钢材进入塑性状态不能继续承载。（2）耐腐蚀性差。钢材容易腐蚀，处于较强腐蚀性环境内的建筑物不宜采用钢结构。8.1.2 钢结构的应用与发展 我国是最早用铁制造承重结构的国家，早在公元前246公元前219年的秦始皇时代，就开始用铁做简单的承重结构，而西方国家在17世纪才开始使用金属承重结构。公元36世纪，聪明勤
5、劳的中国人民就用铁链修建铁索悬桥，著名的四川泸定县大渡河铁索桥（建于清朝）和贵州的盘江大桥等都是中国早期铁体承重结构的例子。2016年3月，127层、580 m高的上海中心大厦竣工，展示了我国钢结构设计与施工的非凡成就。8.1.2 钢结构的应用与发展 我国著名的高层、超高层建筑大多是中外合作的产物，如上海金茂大厦、深圳地王大厦、环球金融中心等。在借鉴国外先进经验的基础上，1998年建成的大连远洋大厦标志着高层钢结构建筑国产化的起步，1999年建成的深圳赛格广场是当时世界上最高的钢筋混凝土结构建筑。近年来，专业钢结构设计人员的素质在实践中得到不断提高。一批有特色有实力的专业研究所、设计院不断研究
6、和开发出钢结构设计的软件与新技术。1.高层和超高层钢结构建筑的国产化8.1.2 钢结构的应用与发展 （1）钢结构的制造企业在全国遍地开花，造就了一批有实力的龙头企业。年产量几十万吨规模的企业就有余家，承担了国内大型钢结构工程任务，这些企业完全具备与国际同行业企业进行公平竞争的实力。（2）目前一批外资、合资、民营的钢结构制造企业已在激烈的市场竞争中脱颖而出。在计算机设计、制图、数字控制、自动化加工制造等方面都处于行业领先水平，其产品的范围也从传统的建筑工程结构、机械装备、非标准构件、成套设施扩大到商品房屋、集装箱产品、港口设施等直接服务用户的终端产品。2.钢结构构件生产的工业化8.1.2 钢结构
7、的应用与发展 （3）近年来，轻钢建筑以其商品化程度高、施工速度快、使用效果好、应用面广、造价低等优势获得了迅猛发展。全国每年约有2106 m2的轻钢建筑竣工。在此背景下，国外轻钢结构生产厂商也纷纷在我国设立分公司、制造厂，获得了很大的经济效益。8.1.2 钢结构的应用与发展 自1996年开始我国钢的年产量超过1亿吨，居世界首位。1998年投产的轧制H型钢系列为钢结构市场的发展奠定了良好的物质基础。钢铁和其他材料工业的发展也为钢结构行业提供了品质优良、规格齐全的材料。小到农村的彩钢房，大到国家重点工程“鸟巢”，都证明了钢结构在我国的使用越来越普遍。3.钢结构市场存在着巨大的市场潜力和发展前景8.
8、1.2 钢结构的应用与发展 随着经济建设的蓬勃发展和交流的进一步扩大，越来越多的大跨度结构、高层建筑、工业建筑、高耸结构、桥梁等大空间和超大空间的建筑物需要钢结构。随着钢材产量和质量的持续提高，其价格正逐步下降，钢结构的造价也相应有较大幅度的降低。钢结构的发展必将上一个新的台阶。PART8.2钢结构的连接8.2.钢结构的连接 钢结构的构件是由型钢、钢板等通过连接构成的，各构件再通过安装连接架构成整体结构。因此，连接在钢结构中处于枢纽地位。在进行连接的设计时，必须遵循安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。钢结构的连接方法可分为焊接连接、螺栓连接、铆钉连接和轻型钢结构用的紧固件连
9、接等。本节重点介绍焊接连接和螺栓连接。8.2.1 焊接连接 1.钢结构常用的焊接方法 钢结构的焊接方法主要有手工电弧焊、埋弧焊（自动或半自动）、气体保护电弧焊和电阻焊。8.2.1 焊接连接1 1）手工电弧焊）手工电弧焊 图8-1所示为手工电弧焊原理示意图。手工电弧焊是最常用的一种焊接方法。其原理是通电后在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住熔池，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。8.2.1 焊接连接图图8 8-1 1 手工电弧焊原
10、理手工电弧焊原理11焊条；焊条；22药皮；药皮；33焊条夹持端；焊条夹持端；44绝缘手把；绝缘手把；55焊钳；焊钳；66焊件；焊件；77地线夹头；地线夹头；88焊缝；焊缝；99焊芯；焊芯；1010焊缝弧坑；焊缝弧坑；1111电弧；电弧；1212热影响区；热影响区；1313熔渣；熔渣；1414熔池；熔池；1515保护气体；保护气体；1616焊条端部喇叭口焊条端部喇叭口8.2.1 焊接连接 手工电弧焊的优点是设备简单，操作灵活方便，能进行全位置焊接，适合焊接多种材料；不足之处是生产效率低、劳动强度大。8.2.1 焊接连接2 2）埋弧焊（自动或半自动）埋弧焊（自动或半自动）埋弧焊是当今生产效率较高的
11、机械化焊接方法之一，其优点是生产效率高、焊缝质量高、无弧光及烟尘很少等。埋弧焊可焊接的钢种包括碳素结构钢、不锈钢、耐热钢及其复合钢材等，其在造船、锅炉、化工容器、桥梁、起重机械、冶金机械制造业、海洋结构、核电设备中应用最为广泛。此外，用埋弧焊堆焊耐磨耐蚀合金或焊接镍基合金、铜合金也是较理想的。近年来，虽然先后出现了许多种高效、优质的新焊接方法，但埋弧焊的应用并未受到任何影响。从各种熔焊方法的熔敷金属重量所占份额的角度来看，埋弧焊占10%左右，且多年来一直变化不大。8.2.1 焊接连接3 3）气体保护电弧焊）气体保护电弧焊 气体保护电弧焊是用气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊，简称气体保
12、护焊。气体保护焊通常按照电极是否熔化和保护气体的不同，分为非熔化极（钨极）惰性气体保护焊（TIG，tungsten inert gas）和熔化极气体保护焊（GMAW，gas metal arc welding）。熔化极气体保护焊包括惰性气体保护焊（MIG，metal inert-gas）、氧化性混合气体保护焊（MAG，metal active gas arc welding）、CO2气体保护焊和管状焊丝气体保护焊（FCAW，flux cored arc welding）。8.2.1 焊接连接 气体保护焊直接依靠保护气体在电弧周围形成局部的保护层，以防止有害气体的侵入并保证了焊接过程的稳定性。气
13、体保护焊适于全位置的焊接，但不适用于风较大的环境。8.2.1 焊接连接4 4）电阻焊）电阻焊 电阻焊是利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。电阻焊的方法主要有四种，即点焊、缝焊、凸焊、对焊。电阻焊只适用于板叠厚度不大于12 mm的焊接。对冷弯薄壁型钢构件，电阻焊可用来缀合壁厚不超过3.5 mm的构件。例如，将两个冷弯槽钢或C形钢组合成I形截面构件等。8.2.1 焊接连接 电阻焊的优点：熔核形成时始终被塑性环包围，熔化金属与空气隔绝，冶金过程简单；加热时间短，热量集中，故热影响区小，变形与应力也小，通常在焊后不必安排校正和热处理工序
14、；不需要焊丝、焊条等填充金属，以及氧、乙炔、氢等焊接材料，焊接成本低；操作简单，易于实现机械化和自动化，改善了劳动条件；生产率高，且无噪声及有害气体，在大批量生产中可以和其他制造工序一起编到组装线上。但闪光对焊因有火花喷溅，故需要隔离。8.2.1 焊接连接 电阻焊的缺点：缺乏可靠的无损检测方法，焊接质量只能靠工艺试样和工件的破坏性试验来检查，以及靠各种监控技术来保证；点、缝焊的搭接接头不仅增加了构件的重量，且因在两板焊接熔核周围形成夹角，致使接头的抗拉强度和疲劳强度均较低；设备功率大，机械化、自动化程度较高，使设备成本较高、维修较困难，并且常用的大功率单相交流焊机不利于电网的平衡运行。8.2.
15、1 焊接连接 1.焊接连接的构造与计算1 1）对接焊缝的构造与计算）对接焊缝的构造与计算 （1）对接焊缝的构造。在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4 mm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12.5的斜角(见图8-2)；当焊件的厚度不同时，焊缝坡口的形式应根据较薄焊件厚度的相关要求取用。图图8 8-2 2 不同宽度或厚度焊件的拼接不同宽度或厚度焊件的拼接8.2.1 焊接连接 对于较厚的焊件(t20 mm，t为钢板厚度)，应采用V形缝、U形缝、K形缝、X形缝。其中，V形缝和U形缝为单面施焊，在焊缝根部还需补焊。对于没有条件补焊时，要事先在根部加垫板(见图
16、8-3)。当焊件可随意翻转施焊时，使用K形缝和X形缝较好。图图8 8-3 3 在根部加垫板在根部加垫板8.2.1 焊接连接 在厚度或宽度有变化的焊接中，为了使构件传力均匀，应在板的一侧或两侧做成坡度不大于14的斜角，形成平缓的过渡(见图8-4)。图图8 8-4 4 厚度或宽度有变化的焊件的连接厚度或宽度有变化的焊件的连接8.2.1 焊接连接 当采用部分焊透的对接焊缝时，应在设计图中注明坡口的形式和尺寸，其计算厚度he不得小于1.5t，t为较大的焊件厚度。在直接承受动力荷载的结构中，垂直于受力方向的焊缝不宜采用部分焊透的对接焊缝。钢板拼接采用对接焊缝时，纵横两个方向的对接焊缝可采用十字形交叉或T
17、形交叉，如图8-5所示。当对接焊缝采用T形交叉时，交叉点的间距不得小于200 mm。8.2.1 焊接连接图图8 8-5 5 钢板的拼接钢板的拼接8.2.1 焊接连接 （2）对接焊缝的计算。对接焊缝中的应力分布情况与焊件原来的情况基本相同。下面根据焊缝受力情况分述焊缝的计算公式：轴心力作用下的对接焊缝计算。在对接接头和T形接头中，垂直于轴心拉力或轴心压力的对接焊缝或对接与角接组合焊缝，其强度应按式（8-1）计算。(8-1)式中，N为轴心拉力或轴心压力；lw为焊缝长度；t为连接件的较小厚度（在对接接头中），或为腹板的厚度（在T形接头中）；fwt、fwc分别为对接焊缝的抗拉强度设计值和抗压强度设计值
18、。8.2.1 焊接连接 【例8-1】如图8-6所示的对接连接中，已知钢材为Q345钢，焊条为E50型，焊缝质量为三级（fwt=265 N/mm2），施工时不用引弧板，轴心拉力设计值为610 kN。试通过计算验证焊缝是否满足连接要求。图图8 8-6 6 【例【例8 8-1 1】图】图8.2.1 焊接连接 【解】因为fwt=265 N/mm2，所以该焊缝满足连接要求。弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝计算。在对接接头、T形接头中,承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝或对接与角接组合焊缝，其正应力和剪应力应分别进行计算。焊缝在弯矩作用下产生正应力，在剪力作用下产生剪应力，其应力分布如图8-7所示。8.2.1
19、 焊接连接图图8 8-7 7 弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝计算简图弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝计算简图但在同时受到较大正应力和剪应力处（如梁腹板横向对接焊缝的端部），应按式（8-2）计算折算应力。当对接焊缝和T形对接与角接组合焊缝无法采用引弧板或引出板施焊时，每条焊缝的长度应各减去2t。8.2.1 焊接连接 弯矩作用下焊缝截面上A点的正应力M最大，其计算公式为 (8-3)式中，M为焊缝承受的弯矩；Ww为焊缝计算截面的截面模量。剪力作用下焊缝截面上C点的剪应力最大，可按式（8-4）计算。(8-4)式中，V为焊缝承受的剪力；Iw为焊缝计算截面对其中和轴的惯性矩；Sw为计算剪应力处以上焊缝计算截
20、面对中和轴的面积矩。8.2.1 焊接连接 对于工字形、箱形等构件，在腹板与翼缘交接处，焊缝截面的B点（见图8-7）同时受到较大正应力1和较大剪应力1的作用，因此还应计算折算应力f。即 (8-5)(8-6)(8-7)式中，1为腹板与翼缘交接处焊缝正应力；h0、h分别为焊缝截面处腹板高度、总高度；1为腹板与翼缘交接处焊缝剪应力；S1为B点以上面积对中和轴的面积矩；tw为腹板厚度；其他符号含义同前。8.2.1 焊接连接 【例8-2】图8-8所示为工字钢的截面尺寸为：翼缘宽度b=70 mm，厚度t=10 mm；腹板截面高度h=150 mm，厚度tw=8 mm。工字钢接头处的轴向拉力N=200 kN，弯
21、矩M=40 kNm，剪力V=240 kN；工字钢的钢号为Q345B，手工焊接，焊条为E50，施焊时增设引弧板，焊缝质量等级为二级（fwt=315 N/mm2）。试验算焊缝强度。图图8 8-8 8 【例【例8 8-2 2】图】图8.2.1 焊接连接 【解】焊缝截面特性计算。翼缘焊缝应力验算。8.2.1 焊接连接 腹板顶点处的焊缝应力验算。故满足要求。8.2.1 焊接连接2 2）角焊缝的构造与计算）角焊缝的构造与计算 （1）角焊缝的构造。角焊缝主要用于两个不在同一平面的焊件的连接。角焊缝通常有三种主要截面形式，即普通式焊缝、平坡式焊缝和凹面式焊缝。一般规定。钢结构角焊缝的构造应符合下列规定：a.在
22、直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线型或凹型。焊脚尺寸的比例：对正面角焊缝宜为11.5(长边顺内力方向)，对侧面角焊缝可为11。8.2.1 焊接连接 b.在次要构件或次要焊缝连接中，可采用断续角焊缝。断续角焊缝焊段的长度不得小于10hf（hf为角焊缝的焊脚尺寸）或50 mm，其净距不应大于15t(对受压构件)或30t(对受拉构件)，t为较薄焊件的厚度。c.当板件的端部仅有两侧面角焊缝连接时，每条侧面角焊缝的长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离；同时两侧面焊缝之间的距离不宜大于16t(当t12 mm时)或190 mm(当t12 mm时)。d.当角焊缝的端部在构件转角处做长度为2hf的绕角
23、焊时，转角处必须连续施焊。8.2.1 焊接连接 e.在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，并不得小于25 mm。尺寸要求。钢构件角焊缝的尺寸应符合下列规定：a.hf不得小于1.5t，t为较厚焊件的厚度(当采用低氢型碱性焊条施焊时，t可采用较薄焊件的厚度)。但对埋弧自动焊，最小焊脚尺寸可减小1 mm；对T形连接的单面角焊缝，应增加1 mm。当焊件厚度等于或小于4 mm时，最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同。8.2.1 焊接连接 b.hf不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍(钢管结构除外)，但板件(厚度为t)边缘的角焊缝最大焊脚尺寸尚应符合下列要求：当t6 mm时，hft;当t6 mm时，hft-
24、(12)mm。圆孔或槽孔内的角焊缝尺寸也不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1/3。c.角焊缝的两焊脚尺寸一般相等。当焊件的厚度相差较大且等焊脚尺寸不能符合最大(最小)焊脚尺寸要求时，可采用不等焊脚尺寸，与较薄焊件接触的焊脚边应符合最小焊脚尺寸的要求，与较厚焊件接触的焊脚边应符合最大焊脚尺寸的要求。d.侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40 mm。8.2.1 焊接连接 e.侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf，当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。若内力沿侧面角焊缝全长分布，则其计算长度不受此限。单面角焊缝的构造要求。为减少腹板因焊接产生变形并提高工效，当T形接头的腹板厚度不大于
25、8 mm且不要求全熔透时，可采用单面角焊缝，如图8-9所示。图图8 8-9 9 单面角焊缝单面角焊缝8.2.1 焊接连接 单面角焊缝应符合下列规定：a.单面角焊缝适用于仅承受剪力的焊缝。b.单面角焊缝仅可用于承受静态荷载和间接动态荷载的、非露天和不接触强腐蚀性介质的结构构件。c.最小焊脚尺寸及最小根部熔深应符合表8-1的要求。8.2.1 焊接连接 d.经工艺评定合格的焊接参数、方法不得变更。e.柱与底板的连接、柱与牛腿的连接、梁端板的连接、吊车梁及支承局部悬挂荷载的吊架等，除非设计时有专门规定，否则不得采用单面角焊缝。(2）角焊缝的计算。在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下。正面角焊缝(作用
26、力垂直于焊缝长度方向)：(8-8)8.2.1 焊接连接 侧面角焊缝(作用力平行于焊缝长度方向)：(8-9)在各种力的综合作用下，f和f共同作用处。(8-10)式中，f为按焊缝有效截面(helw)计算时垂直于焊缝长度方向的应力；f为按焊缝有效截面计算时沿焊缝长度方向的剪应力；he为角焊缝的计算厚度，对直角角焊缝等于0.7hf，lw为角焊缝的计算长度，对每条焊缝取其实际长度减去2hf；fwf为角焊缝的强度设计值；f为正面角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，f=1.22，对直接承受动力荷载的结构，f=1.0。8.2.1 焊接连接 两焊脚边夹角60135的T形接头，其斜
27、角角焊缝的强度应按式（8-8)式（8-10)计算，一般取f=1.0，其计算厚度 (根部间隙b、b1或b21.5 mm)或 部分焊透的对接焊缝和T形对接与角接组合焊缝的强度，应按式（8-8)式（8-10)计算；在垂直于焊缝长度方向的压力作用下，取f=1.22，其他受力情况下取f=1.0。其计算厚度应采用：8.2.1 焊接连接 a.V形坡口：当60时，he=s；当60时，he=0.75s。b.单边V形和K形坡口：当=455时，he=s-3。c.U形坡口、J形坡口：he=s。式中，s为坡口深度，即根部至焊缝表面(不考虑余高)的最短距离；为V形、单边V形或K形坡口角度。当熔合线处焊缝截面边长等于或接近
28、于最短距离s时，抗剪强度设计值应按角焊缝的强度设计值乘以0.9。角钢与钢板、圆钢与钢板、圆钢与圆钢之间的角焊缝连接计算。8.2.1 焊接连接 a.角钢与钢板连接的角焊缝应按表8-2所列公式计算。8.2.1 焊接连接8.2.1 焊接连接 b.圆钢与钢板(或型钢的平板部分)、圆钢与圆钢之间的连接焊缝主要用于圆钢、小角钢的轻型钢结构中，应按式（8-11）计算抗剪强度。(8-11)式中，he为角焊缝的计算厚度，对圆钢与钢板(或型钢的平板部分)的连接，he=0.7hf，对圆钢与圆钢的连接，he=0.1(d1+2d2）-a，其中，d1为大圆钢直径，d2为小圆钢直径，a为焊缝表面至两个圆钢公切线的距离；其他
29、符号含义同前。8.2.2 螺栓连接 螺栓连接分普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。（1）普通螺栓连接的优点是装卸便利、设备简单；缺点是螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大。（2）高强度螺栓连接的优点是连接的韧性和塑性较好，质量检查方便，传力均匀；对动力载荷的结构及低温下工作的结构，连接可靠性好，可拆卸，耐疲劳。缺点是摩擦面处理安装工艺略为复杂，造价略高，且在动力作用下容易松动。8.2.2 螺栓连接 1.普通螺栓连接的计算 (1）普通螺栓承载力设计值。普通螺栓受剪连接中，单个螺栓承载力设计值Nbmin按式（8-12）取值。(8-12)(8-13)(8-14)8.2.2 螺栓连接式中
30、，Nbv为单个螺栓抗剪承载力设计值；Nbc为单个螺栓承压承载力设计值；nv为受剪面数目；d为螺栓杆直径；t为在不同受力方向中一个受力方向承压构件的较小总厚度；fbv、fbc分别为螺栓的抗剪强度设计值和承压强度设计值。普通螺栓杆轴受拉连接中，单个螺栓的承载力设计值Nbt按式（8-15）计算。(8-15)式中，de为螺栓在螺纹处的有效直径；fbt为普通螺栓的抗拉强度设计值。8.2.2 螺栓连接 (2）普通螺栓连接的计算公式。承受轴心力的抗剪连接。承受轴心力的抗剪连接如图8-10所示，需要螺栓数n的要求如下：(8-16)式中，N为一个螺栓受剪承载力实际值；Nmin为一个螺栓受剪承载力设计值。图图8
31、8-10 10 承受轴心力的抗剪连接承受轴心力的抗剪连接8.2.2 螺栓连接 承受偏心力的抗剪连接。承受偏心力的抗剪连接如图8-11所示，布置螺栓后，对受力最大的螺栓进行验算，其值应符合下列条件：(8-11)式中，当ymax3xmax时，可取 ，其中，e为偏心距，xi、yi为任意一个螺栓的坐标；n为螺栓个数；8.2.2 螺栓连接图图8 8-11 11 承受偏心力的抗剪连接承受偏心力的抗剪连接8.2.2 螺栓连接 承受轴心力的抗拉连接。承受轴心力的抗拉连接如图8-12所示，所需螺栓的数目应符合式（8-18）的要求。(8-18)式中，Nbt为一个螺栓的受拉承载力设计值。图图8 8-12 12 承受
32、轴心力的抗拉连接承受轴心力的抗拉连接8.2.2 螺栓连接 承受偏心力的抗拉连接。承受偏心力的抗拉连接如图8-13所示，布置螺栓后，对受力最大的螺栓进行验算，其值应符合下列条件：(8-19)式中，n为螺栓个数；e为N至螺栓群中心的距离；yi为任意一个螺栓到旋转轴的距离；其他符号含义同前。图图8 8-13 13 承受偏心力的抗拉连接承受偏心力的抗拉连接8.2.2 螺栓连接 同时承受拉力和剪力的螺栓连接。普通螺栓同时承受拉力和剪力时，单个螺栓承载力应分别符合式（8-20）和式（8-21）的要求。(8-20)(8-21)式中，Nv、Nt分别为某个普通螺栓所承受的剪力和拉力；Nbv、Nbt、Nbc分别为
33、一个普通螺栓的受剪承载力设计值、受拉承载力设计值和承压承载力设计值。8.2.2 螺栓连接 【例8-3】设计双盖板拼接的普通精制5.6级螺栓连接（见图8-14）。被拼接的钢板为370 mm16 mm，钢材为Q235A.F，承受作用在拼接接头处的弯矩设计值M=59 kNm，剪力设计值V=350 kN，轴向拉力设计值N=350 kN，螺栓为M20，孔径为20.5 mm。fbv=190 N/mm2，fbc=405 N/mm2，f=215 N/mm2，fv=125 N/mm2。8.2.2 螺栓连接图图8 8-14 14 【例【例8 8-3 3】图】图8.2.2 螺栓连接 【解】单个螺栓的承载力。将剪力V
34、移至螺栓群形心所引起的附加弯矩M1为 M1=350(0.045+0.072)=28 kNm 修正后的弯矩为 M=59-28=31 kNmr2=x2+y2=10352+4702+41402=110 250 mm2则8.2.2 螺栓连接 由M、V、N的方向可知，右上角螺栓的受力最大，为 钢板净截面强度。对并列螺栓排列，净截面比净截面大，所以只需验算净截面的面积。8.2.2 螺栓连接 则正应力为8.2.1 焊接连接 剪应力为 因为max出现在钢材边缘，max出现在钢板中间，所以不必再求折算应力。8.2.2 螺栓连接 2.高强度螺栓连接的计算 (1）高强度螺栓抗剪承载力设计值。在抗剪连接中，每个高强度
35、螺栓的承载力设计值Nbv应按式（8-22）计算。Nbv=0.9nfP（8-22)式中，nf为传力摩擦面数目；为摩擦面的抗滑移系数；P为一个高强度螺栓的预拉力。8.2.2 螺栓连接 在抗剪连接中，每个承压型连接高强度螺栓的承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同，但当剪切面在螺纹处时，其受剪承载力设计值应按螺纹处的有效面积进行计算。承压型连接的高强度螺栓的预拉力P应与摩擦型连接的高强度螺栓相同。在杆轴方向受拉的连接中，单个承压型连接高强度螺栓的承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同。8.2.2 螺栓连接 高强度螺栓抗拉连接的受力特点是依靠预拉力使连接件被压紧传力。当高强度螺栓受到沿螺栓杆轴方向的外拉力
36、时，只要螺栓承担的外拉力设计值Nt不超过其预拉力P，那么螺栓杆内的原预拉力就基本不变。但当NtP时，螺栓可能达到钢材的屈服强度，卸荷后出现松弛现象，预拉力降低。因此钢结构设计规范（GB 500172003）偏安全地规定了一个高强度螺栓抗拉承载力设计值为 Nbt=0.8P （8-23)8.2.2 螺栓连接 (2）高强度螺栓连接的计算公式。当高强度螺栓摩擦型连接同时承受摩擦面间的剪力和螺栓杆轴方向的外拉力时，其承载力应按式（8-24）计算。(8-24)式中，Nv、Nt分别为某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力；Nbv、Nbt分别为某个高强度螺栓的受剪承载力设计值和受拉承载力设计值。8.2.2 螺栓连接
37、 同时承受剪力和杆轴方向拉力的承压型连接的高强度螺栓，应符合式（8-25）和式（8-26）的要求。(8-25)(8-26)式中，Nv、Nt分别为某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力；Nbv、Nbt、Nbc分别为某个高强度螺栓的受剪承载力设计值、受拉承载力设计值和承压承载力设计值。8.2.2 螺栓连接 高强度螺栓抗拉连接时，拉力N通过螺栓群形心时所需的螺栓数为 (8-37)在弯矩作用下，最上端的螺栓应满足 (8-38)进行高强度螺栓在弯矩作用下的受拉计算时，为确保安全，应取螺栓群形心。高强度螺栓群的抗剪计算。8.2.2 螺栓连接 a.高强度螺栓群受轴心力作用时，构件净截面强度对于承压型连接与普通螺栓
38、验算相同；对于摩擦型连接，要考虑摩擦力的作用，孔前传力占螺栓传力的50%，因此构件截面的强度N应按式（8-29）计算。(8-29)式中，n1为计算截面上的螺栓数；n为连接一侧的螺栓总数；其他符号含义同前。构件净截面强度n按式（8-30）计算，即 n=N/Anf （8-30)8.2.2 螺栓连接 构件毛截面强度按式（8-31）计算，即 =N/Af（8-31)式中，An为构件的净截面面积；A为构件的毛截面面积。b.扭矩作用及扭矩、剪力和轴心力共同作用时高强度螺栓的受剪计算同普通螺栓。【例8-4】试验算如图8-15所示的双盖板拼接的钢板连接。钢板钢材为Q235钢；采用摩擦型高强度螺栓连接，螺栓性能等
39、级为10.9级，M20，螺栓孔径d0=21.5 mm；构件接触面经喷砂后涂无机富锌漆，=0.35；作用在螺栓群形心处的轴向拉力N=800 kN；钢材的抗拉强度设计值f=215 N/mm2。8.2.2 螺栓连接图图8 8-15 15 【例【例8 8-4 4】图】图8.2.2 螺栓连接 【解】螺栓连接计算。查钢结构设计规范（GB 500172003）可知，一个M20的10.9级高强度螺栓的预拉力P=155 kN，则一个螺栓承载力设计值为 一个螺栓所受的剪力为 根据钢结构设计规范（GB 500172003）的规定，可知在构件的节点处或拼接接头的一端，当螺栓沿轴向受力方向的连接长度l115d0时，承载
40、力设计值可不乘以折减系数。8.2.2 螺栓连接 钢板截面强度计算。钢板净截面面积为 钢板净截面强度为 钢板毛截面强度为PART8.3钢结构构件的计算8.3.1 受弯构件的计算 1.强度计算 强度计算包括正应力、剪应力和局部压应力计算。（1）正应力公式。(8-32)（2）剪应力公式。(8-33)8.3.1 受弯构件的计算 （3）局部压应力公式。(8-34)式中，Mx为同一截面处绕x轴的弯矩；x为截面塑性发展系数；Wnx为对x轴的净截面模量；f为钢材的抗弯、强度设计值；V为计算截面沿腹板平面作用的剪力；S为计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩；I为毛截面惯性矩；tw为腹板厚度；fv为钢材的抗剪强
41、度设计值；为集中荷载增大系数；F为集中荷载，对动力荷载应考虑动力系数；lz为集中荷载在腹板计算高度上边缘的假设分布长度。8.3.1 受弯构件的计算 【例8-5】有一梁跨为6 m的简支梁，焊接组合截面规格为150 mm420 mm10 mm16 mm（见图8-16)。梁上作用有均布恒荷载16.8 kN/m(未含梁自重，梁自重gk=0.679 kN/m)和均布活荷载7 kN/m。距一端2 m处尚有恒荷载70 kN，支撑长度为0.2 m，荷载作用面距钢梁顶面12 cm。此外，梁两端的支撑长度各为0.1 m。钢材的抗拉强度设计值为215 N/mm2,钢材的抗剪强度设计值为125 N/mm2。在进行工程
42、设计时，荷载系数，对恒荷载取1.2，对活荷载取1.4。试设计钢梁截面的强度。8.3.1 受弯构件的计算图图8 8-16 16 【例【例8 8-5 5】图】图8.3.1 受弯构件的计算 【解】计算截面模量。计算荷载与内力。8.3.1 受弯构件的计算 均布荷载(设计值)q=1.2(16.8+0.679)+1.47=30.77 kN/m。集中荷载(设计值）F=1.270=84 kN。验算截面强度。a.弯曲正应力。8.3.1 受弯构件的计算 b.剪应力。c.局部承压应力。A处设置了加劲肋，可不计算局部承压应力。B处截面：8.3.1 受弯构件的计算 d.折算应力。8.3.1 受弯构件的计算 1.稳定性计
43、算1 1）整体稳定性）整体稳定性 梁的整体稳定性计算是使梁的最大弯曲纤维压应力小于或等于使梁侧扭失稳的临界应力，从而保证梁不致因侧扭而失去整体稳定性。符合下列情况之一时，可不计算梁的整体稳定性：（1）有铺板（各种钢筋混凝土板和钢板）密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连、能阻止梁受压翼缘的侧向位移时。（2）H型钢或等截面工字形简支梁受压翼缘的自由长度l1与其宽度b1之比不超过表8-3所规定的数值时。8.3.1 受弯构件的计算8.3.1 受弯构件的计算 对跨中无侧向支承点的梁，l1为其跨度；对跨中有侧向支承点的梁，l1为受压翼缘侧向支承点间的距离（梁的支座处视为有侧向支承）。（3）当箱形截面简支梁的
44、截面尺寸满足h/b06，l1/b095（235/fy）时，可不计算箱形截面简支梁的整体稳定性。除上述情况外，在最大刚度主平面内受弯的构件，其整体稳定性应按式（8-35）计算。(8-35)8.3.1 受弯构件的计算 式中，Mx为绕强轴作用的最大弯矩；Wx为按受压纤维确定的梁毛截面模量；b为梁的整体稳定性系数，应按钢结构设计规范（GB 500172003）确定。在两个主平面内受弯的H型钢截面构件或工字形截面构件，其整体稳定性应按式（8-36）计算。(8-36)式中，Wx、Wy分别为按受压纤维确定的对x轴和对y轴毛截面模量；其他符号含义同前。8.3.1 受弯构件的计算 【例8-6】有一次梁跨度为6
45、m、间距为2 m的平台梁格。梁上所受荷载标准值为：恒荷载2 kN/m2，活荷载8 kN/m2。所用钢材为Q235钢。若平台板不与次梁连接牢固，试选择次梁(H型钢)截面。【解】计算最大弯矩。假设次梁自重为0.6 kN/m，则次梁上的荷载设计值为（当活荷载大于4.0 kN/m2时，活荷载分项系数取1.3）q=(22+0.6)1.2+821.3=26.32 kN/m28.3.1 受弯构件的计算 最大弯矩为 截面选择。设b=0.6时需要的截面模量为 选用HN400200813，Wx=1 190 cm3，自重为0.65 kN/m，与假设基本相符。8.3.1 受弯构件的计算 8.3.1 受弯构件的计算 说
46、明该梁已进入弹塑性阶段，故应对b进行修正：b=1.07-0.2820.780=0.708 验算整体稳定性：其他验算从略。8.3.1 受弯构件的计算2 2）局部稳定性）局部稳定性 由于钢材的轻质高强，钢构件的承载力往往由整体稳定承载力进行控制。如果钢结构构件的截面设计不当，则在荷载作用下受压应力和剪应力作用的腹板区及受压翼缘有可能偏离其正常位置而形成波形屈曲，即局部失稳。因此在实际工程中可以通过限制受压翼缘的宽厚比和配置加劲肋来避免局部失稳。8.3.2 轴心受力构件的计算 1.强度计算 轴心受拉构件和实腹式轴心受压构件的强度计算公式为 (8-37)式中，N为轴心拉力或轴心压力；An为净截面面积；
47、其他符号含义同前。8.3.2 轴心受力构件的计算 2.稳定性计算 (1）实腹式轴心受压构件的稳定性计算。实腹式轴心受压构件的稳定性应按式（8-38）计算。(8-38)式中，为轴心受压构件的稳定系数（计算时取截面两主轴稳定系数中的较小者），应根据构件长细比、钢材屈服强度和钢结构设计规范（GB 5000172003）采用。构件长细比应根据构件可能发生的失稳形式采用绕主轴弯曲的长细比或构件发生弯扭失稳时的换算长细比，取其较大值。8.3.2 轴心受力构件的计算 (2）格构式轴心受压构件的稳定性计算。格构式轴心受压构件的稳定性仍应按式（8-38）计算，但对虚轴图8-17（a）的x轴与图8-17（b）、（
48、c）的x轴和y轴的长细比应取换算长细比。图图8 8-17 17 格构式组合构件截面格构式组合构件截面8.3.2 轴心受力构件的计算 换算长细比应按如下方法计算：双肢组合构件。当缀件为缀板时，(8-39)当缀件为缀条时，(8-40)8.3.2 轴心受力构件的计算 式中，x为整个构件对x轴的长细比；1为分肢对最小刚度轴11的长细比，其计算长度取为：焊接时，为相邻两缀板的净距离，螺栓连接时，为相邻两缀板边缘螺栓的距离；A1x为构件截面中垂直于x轴的各斜缀条毛截面面积之和。由三肢或四肢组成的格构式轴心受压构件，其对虚轴的换算长细比可参考钢结构设计规范（GB 5000172003）的有关规定。8.3.3
49、 拉弯构件和压弯构件的计算 1.实腹式拉弯构件和压弯构件 （1）弯矩作用在主平面内的拉弯构件和压弯构件，其强度应按下列规定计算：(8-41)式中，x、y分别为与截面模量相对应的截面塑性发展系数；其他符号含义同前。当压弯构件受压翼缘的自由外伸宽度与其厚度之比大于 而不超过 时，应取x=1.0。需要计算疲劳的拉弯、压弯构件，宜取x=y=1.0。8.3.3 拉弯构件和压弯构件的计算 （2）弯矩作用在对称轴平面内（绕x轴）的实腹式压弯构件，其稳定性应按下列规定计算：弯矩作用平面内的稳定性。(8-42)式中，N为所计算构件段范围内的轴心压力；NEx为参数，NEx=2EA/(1.12x)；x为弯矩作用平面
50、内的轴心受压构件稳定系数；Mx为所计算构件段范围内的最大弯矩；W1x为在弯矩作用平面内对较大受压纤维的毛截面模量；mx为等效弯矩系数，应按下列规定采用：8.3.3 拉弯构件和压弯构件的计算 a.框架柱和两端支承的构件。无横向荷载作用时：mx=0.65+0.35M2/M1，M1和M2为端弯矩，使构件产生同向曲率（无反弯点）时取同号，使构件产生反向曲率（有反弯点）时取异号，|M1|M2|。有端弯矩和横向荷载同时作用时：使构件产生同向曲率时，mx=1.0；使构件产生反向曲率时，mx=0.85。无端弯矩但有横向荷载作用时：mx=1.0。8.3.2 轴心受力构件的计算 b.悬臂构件和分析内力未考虑二阶效
