(电大复习)本科钢结构

第二章 钢结构的材料 2.1 对建筑用钢材的性能要求 较高的强度：抗拉强度 fu和屈服强度 fy 足够的变形能力：塑性和韧性 良好的加工性能：冷加工、热加工、可焊性 2.2 钢材的主要性能及其鉴定 1、单轴拉伸时的工作性能 条件：标准试件，常温（ 20）下缓慢加载，直到拉断破坏，一次完成。 标准试件 l0 / d =5， 10； l0 标距； d 直径 弹性阶段： E 为常量 弹塑性阶段： E为变量 塑性阶段： E 为零，失去承载的能力。 应变硬化阶段：又恢复承载的能力，但很快被拉断。 一次拉伸试 验中重要指标： 屈服强度 fy： 材料强度标准值，当结构或构件截面 s fy时，认为结构或构件丧失了继续承载的能力。 fy= s0.2（名义屈服点）。 抗拉强度 fu： 构件的最大承载力，直接反映钢材的内部组织的优劣， fu愈高，强度储备愈高。 fu/ fy 强屈比，钢材塑性设计的一个重要条件。 伸长率 %100001 l ll 衡量钢材塑性的主要指标。 冷弯性能 在冷弯试验中表现的性能，既能看出钢材塑性变形的能力，又可看出钢材的冶金质量。 冲击韧 性 n 钢材抵抗冲击作用的能力。 n 用冲击韧性值 ak 表示： ak 值大，韧性好。 nak值的测定：通过试验： （ 1）梅式 U型缺口： ak 值 （ 2）夏比 V型缺口： CV 可焊性n 钢材采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数及一定的结构形式等条件下，获得合格焊缝的难易程度。 n 与含 C量和合金元素有关。 2.3 影响钢材性能的因素 1、化学成分： nC（碳）：形成钢材强度的主要成分。 nMn（锰） :弱脱氧剂。 nSi（硅） :强脱氧剂 nV(钒）、 Nb（铌）、 Ti（钛）：合金元素 nAl（铝）、 Cr（铬）、 Ni（镍）： Al是强脱氧剂，用于补充脱氧。 Cr、 Ni为合金元素。 有害元素： nS（硫）：热脆 nP（磷）：冷脆 nO（氧）、 N（氮）： 2、成材过程的影响 n 冶炼：平炉、转炉 n 浇铸：钢水 钢锭 初轧 成材（传统工艺） 钢水 连铸机 钢坯 成材（新工艺） n 轧制：改善内部组织结构 n 热处理：显著提高强度 3、其它因素 n 冷加工硬化：强度提高，塑性、韧性降低。 n 温度：正温、负温 n 应力集中：易发生脆性破坏。 2.4 钢材延性破坏和非延性破坏、 循环加载和快速加载的效应 1、 延性破坏和非延性破坏（塑性破坏和脆性破坏） 破坏特点： 塑性破坏（延性破坏）：有屈服现象，破坏前有较大的塑性变形； 脆性破坏（非延性破坏）：无屈服现象，破坏前没有塑性变形或只有很小的塑性变形。 将结构或构件设计成延性结构是我们设计的目的。但并非所有的塑性材料都发生塑性破坏。 2、循环荷载的效应（又称重复荷载） 土木工程中，承受重复荷载作用的结构或构件有： n吊车梁：吊车 n桥梁：车辆 n容器：内部液体 n海洋平台：海水 n建筑物：地震作用 以上这些重复荷载都是可变荷载，这些重复荷载的作用使构件 的钢材易发生疲劳断裂。 （ 1）疲劳断裂 n概念：微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。 n特点：截面应力很小，小于抗拉强度，甚至是屈服强度；断裂时无明显的变形；裂缝起始点在构件表面处。 n发生的原因：在连续重复荷载作用下，在钢材表面的缺陷处，产生应力集中现象，形成二向或三向拉应力场。在应力高峰处，裂缝逐渐开展，使截面的有效面积逐渐减少而应力集中更加严重，塑性变形受到限制，直到断裂时，变形都很小。 n影响的因素：钢材的质量（ C、 S、 P含量）、构件的几何尺寸（不能有突变）和冶金缺陷等有关； 重复荷载作用下构件截面的应力变化幅度（ sD=smax-smin)有关；重复荷载的循环次数 n有关。 sD n曲线 n图 2-11 是根据试验数据经统计而得的。 n式 2-1 是只考虑了均值，不完善。 n式 2-2 是考虑了均值和方差后的方程，能真实反映试验数据的准确性。 n 式 2-6 是构件截面进行疲劳验算的计算公式， C、 是参数，与构件和连接有关。 注注 意意 ： sD主要取决于应力循环次数 n 、构件和连接的具体细部构造和应力集中程度，与钢材强度无关。 并不是所有的承受动力荷载重复作用的构件和连接都进行疲劳验算。 n规 范规定：直接承受动力荷载重复作用的构件，当应力变化的循环次数 n 5 104次时，对应力循环中出现拉应力的部位进行疲劳验算。 n疲劳计算的方法按 “ 容许应力法 ” 计算，即： 计算时应注意： 1、荷载为可变荷载，且为标准值； 2、动力荷载不乘以动力系数； 3、按弹性方法计算截面应力 。 2.5 建筑钢材的类别及钢材的选用 建筑钢材的类别： 1、碳素结构钢： Q235 2、低合金高强度结构钢： Q345、 Q390、 Q420 3、高强钢丝及钢索：主要用于抗拉构件中，如：斜拉结构、悬索结构、桅杆结构等。 高强钢丝分光面钢丝和镀锌钢丝，由碳素结构钢多次冷拔而成，其主要指标为抗拉强度 fu，且有 “ 松弛 ” 现象。多根钢丝可组成 “ 平行钢丝束 ” 和 “ 钢绞线 ” ；多根钢绞线可组成 “ 钢绞线束 ” 和 “ 钢丝绳 ” 。 钢材的选用 n结构或构件的重要性 n荷载的性质 (静载或动载） n连接的方法（焊接或螺栓） n工作环境及温度（腐蚀程度、构件的工作温度） 型钢规格： n热轧钢板：薄板、厚板 n 热轧型钢：角钢、槽钢、工字钢、钢 管、H 型钢、 T型钢 n 冷弯薄壁型钢： 第 3章 构件截面承载力 强度 钢结构承载能力的三种形式： 构件截面承载能力：在荷载作用下截面的应力与构件材料相应强度值的比较，即强度 单个构件的承载能力：构件的稳定性，与构件的刚度有关 整体结构的承载能力：与抗侧力构件的刚度有关或与结构体系中压杆、压弯构件有关 3.1 轴心受力构件的强度和截面选择 1、轴心受力构件的应用： 分类：轴心受压构件、轴心受拉构件 应用： 桁架：钢屋架、托架、吊车梁以及制动桁架； 塔架：电视塔、气象塔、输电线路塔； 网架：平面网架 、空间网架； 柱：操作平台柱、抗风柱； 各种支撑结构：屋面支撑、柱间支撑 以上各种结构中的每一根杆件均为轴心受力构件。 3、截面选择的基本原则： 满足强度所需的截面面积； 满足刚度的要求； 制作简便； 便于连接 轴心受拉构件的强度计算： 轴心受力构件的强度承载力是以截面的平均应力达到钢材的屈服应力为极限。 fAN 当构件的截面有局部削弱时，截面上的应力分布不再是均匀的 ,以其净截面的平均应力达到其强度限值作为设计时的控制值。即用 An代替 上式的 A。 计算公式同轴拉构件的强度计算公式； 当压杆截面无孔洞时，构件承载力是由稳定来控制，此时强度可不计算； 当压杆截面有孔洞时，构件承载力可由强度来控制，此时即要计算净截面强度又要计算杆件的稳定性； 索的受力性能和强度计算： 索是柔性材料，只能抗拉，不能抗压，也不能抗弯； 变形对钢索的承载力影响很大，所以进行内力分析时采用二阶分析法； 在计算内力和变形时，按弹性阶段进行计算； 强度计算采用 “ 容许应力法 ” ，公式为KfAN kk max 3.2 梁的类型和 强度 3.2.1 梁的类型 钢梁的制作方法分：型钢梁、组合梁 按受力情况分：单向受弯、双向受弯 梁的支座形式：以简支梁为主 截面选择： 冷弯薄壁：轻型钢结构。 热轧型钢：加工简单，价格低，受规格限制。 组合梁：型钢和钢板进行连接 钢 混凝土组合梁：高层钢结构中应用广泛。 受弯构件计算内容： 截面强度计算：抗弯（截面弯曲正应力最大处）、抗剪（截面剪应力最大处）、折算应力（截面弯曲应力和剪应力都较大处） 构件的整体稳定计算：弯扭失稳 构件的局部稳定计算：各板件的承载力 构件的疲劳 验算：直接承受动力荷载的梁，当 n 5 104次时应进行计算。 强度计算： 梁的正应力：以工字型截面为例，纯弯曲的简支梁的 M- 曲线。有四个阶段： 1）弹性工作阶段 2）弹塑性工作阶段 3）塑性工作阶段 4）应变硬化阶段 弹性工作阶段： ye fWM 弹性阶段承载力的极限状态： 注： eye WfM 需进行疲劳验算的梁以此作为承载能力极限状态； 冷弯薄壁梁也以此作为承载能力极限状态 弹塑性工作阶段： 梁翼缘边缘纤维应力已达到 屈服点，开始形成塑性区，并从翼缘开始逐步向中和轴发展。靠近中和轴部分腹板面积仍保持弹性阶段。这时所增加的外力 M 全部由弹性区来承受。 普通钢结构的受弯构件就是以这个阶段作为承载力极限状态。此时只考虑部分截面塑性发展。其计算公式是在弹性阶段的基础上引进了一个截面塑性发展系数 即： ynfWM 塑性阶段： 截面每一处纤维的应力 均等于 fy， 即： ypnpypnp fWMfWM 是钢结构进行塑性设计的依据。此时截面出现塑性铰， Mp 即为塑性铰弯矩。 应变硬 化阶段： 梁翼缘的强度有所增加，但在计算时不利用这一阶段的强度值，作为强度储备。 为什么普通钢结构中钢梁的承载能力极限状态不利用完全塑性而只考虑部分截面的塑性变形？ 当截面发生塑性变形时，将使梁的挠度增大而不满足正常使用的要求； 梁翼缘与腹板交接处的折算应力太大而不满足要求； 对梁的整体稳定和局部稳定不利。 梁的剪应力： 在荷载作用下梁截面既有弯矩又有剪力（纯弯曲梁除外），截面既有正应力又有剪应力。 剪应力的计算按 “ 材料力学 ” 的公式计算：vw fItVS 剪 应力计算公式使用时应注意： 1）对热轧型钢，由于其腹板较厚，若腹板无孔洞或截面削弱，一般情况下不验算剪应力； 2）主、次梁连接采用图中所示时，次梁端部剪应力计算公式：vww fthV 5.1max梁的扭转： 自由扭转：截面之间无约束，可以自由翘曲，纵向纤维无轴向应变，截面只有剪应力。 约束扭转：杆件端部的支承使截面之间互相约束，其截面的翘曲变形受到约束，纵向纤维有轴向拉伸或压缩，截面除有剪应力外，还有正应力。引起截面剪应力的扭矩有两部分组成：自由扭转力矩和约束扭转力矩 3.3 梁的局部压应力和组合应力 局部压应力 当梁上有集中荷载作用时，除验算截面的正应力和剪应力外，还应验算局部压应力。 集中力通过翼缘传至腹板，使翼缘和腹板沿梁的长度方向在一定范围内受压，在计算时假定为均匀受压。这种压应力在哪个部位是最不利的？ 验算时采用公式 3-30。 当验算不满足时应采取措施： 1、设置加劲肋； 2、加大腹板厚度； 组合应力（折算应力）： 同一截面的同一部位有多种应力状态时，是否满足强度要求。 以工字型截面为例： max （边缘）、 max（中和轴） 是同一截面的不同部位。此外任一部 位都有 、 ，找最不利的部位。 梁截面沿长度的变化 指受强度控制的焊接截面，可以沿梁的长度方向变化。 主要用在实腹式焊接吊车梁 两种方式：改变梁腹板的高度； 变化翼缘板面积； 变化梁的腹板高度： 端部腹板高度应满足抗剪强度的要求； 梁端部高度不小于梁高的一半； 转折点的距离为（ 1/51/6）梁的跨度； 转折点处腹板设横向加劲肋。 变化翼缘板面积 若为单层翼缘板：改变翼缘板宽度。需满足以下要求： 1）变截面位置：踞支座 l/6 处，改变后的板宽 b1 由 M1 确定； 2） b b1，坡度 1:4； 3）采用对接焊缝（正焊缝或斜焊缝） 若为多层翼缘板，采用逐步切断外层翼缘板的方法，此时要区分理论切断点和实际切断点。 3.5 梁的内力重分布和塑性设计 内力重分布：对 超静定结构 ，截面出现 塑性铰 后，随着荷载的增加，结构内力重新分布，使其他截面出现塑性铰，直至形成机动结构。 塑性设计：就是利用内力重分布，使截面达到材料的屈服强度，充分发挥材料的潜能。 钢材性能要满足以下要求： 1） 5 15%； 2） u 20 y； 3) fu/fy 1.2 塑性 设计适用范围：不直接承受动荷载的超静定梁； 由实腹构件组成的单层和两层框架。 3.6 拉弯、压弯构件的应用和强度计算 拉弯构件的应用： 截面形式：两种情况 拉弯构件计算其强度和刚度 (限制长细比 ) ；其容许长细比与轴心拉杆相同 (表6-1)； 破坏形式： 实腹式 拉弯的截面出现塑性铰是承载能力的极限状态；对 格构式 拉弯杆绕虚轴受弯和 冷弯薄壁 型钢截面拉弯杆，把截面边缘达到屈服强度视为构件极限状态，以上属于强度破坏形式；对轴心拉力很小而弯矩很大的拉弯杆也可能存在和梁类似的弯扭失稳的破坏形式。 压弯构件的应用： 截面形式：两种情况 计算强度、整体稳定 (弯矩作用平面内和弯距作用平面外 )、局部稳定和刚度 (限制长细比 )，压弯构件的容许长细比与轴心压杆相同。 破坏形式：取决于杆的受力条件，杆的长度，支承条件、截面的形式和尺寸等。对粗短杆和截面有严重削弱的杆可能产生 强度破坏 ，此外大多数压弯构件总是 整体失稳破坏 。组成压弯构件的板件，还有板件屈曲将促使构件提前失稳的 局部失稳破坏 。 压弯构件在弯矩作用平面外的稳定计算 1.失稳现象：弯扭屈曲 2.临界力的推导：将压弯构件分解成两种受力情况：纯弯曲和轴压 n 纯弯曲构 件发生弯扭失稳时的平衡微分方程：式 4-44、 45 n 此时将轴力对侧向弯曲和扭转的影响加以考虑，将式 4-44、 45改写成 4-87、 88 n 将方程联立求解得出式 4-90 梁的整体稳定系数 ycrb f n 假定在弹性阶段丧失整体稳定，式 4-60 n 引入系数：等效弯矩系数b；截面影响系数 b ； n 但在实际工程中，由于梁截面的缺陷（残余应力、初偏心、初弯曲等），都会使梁在弹塑性阶段发生整体失 稳。此时应对稳定系数进行修正。 影响梁整体稳定承载力的因素有： n 荷载类型及其沿梁跨度分布情况 n 荷载作用于截面上的位置 n 截面形式及其截面特性（抗弯刚度和抗扭刚度） n 梁受压翼缘侧向支承点的距离 n 端部支承条件 n 初弯曲、加载初偏心和残余应力等 4.5 压弯构件的面内和面外的稳定及截面选择计算 失稳现象：压弯构件的失稳可根据其抵抗弯曲变形能力的强弱而分为在弯矩作用平面内的弯曲失稳和弯矩作用平面外的弯扭失稳。在轴线压力 N和弯矩 M的共同作用下，当压弯构件抵抗弯扭变形能力很强，或者在构件的侧面有足够多的 支撑以阻止其发生弯扭变形时，则构件可能在弯矩作用平面内发生整体的弯曲失稳。当构件的抗扭刚度和弯矩作用平面外的抗弯刚度不大，且侧向没有足够支撑以阻止其产生侧向位移和扭转时，可能发生弯矩作用平面外的弯扭失稳。 面内稳定承载力计算（三种方法）： 1.截面边缘纤维屈服准则 2.最大强度准则 （或极限承载力准则） 3.实用计算方法 最大强度准则 ： （或极限承载力准则） 计算实腹式压弯构件 Nu通常有近似解析法和数值积分法两种方法。 近似解析法： n 对于弹塑性的压弯构件，可以把挠曲线近似的取为正弦曲线的 半个波段。这样，已知挠曲线函数后，可以列出构件任意截面的压力 N和挠度 v的关系，并由极值条件得出构件的承载力 Nu。 n 此法的重要缺点是很难具体分析残余应力对压弯构件承载力的影响。 数值积分法： n 把杆件沿轴线方向分成足够多的小段，并以每段的中点曲率代表该段的曲率。在确定每小段的截面应力时将残余应力的影响计入在内。对于杆件分的段数愈多，计算精度愈高，同时计算量也愈大。 n 此法比没有考虑残余应力的近似法精确，并且还具有可以考虑初始弯曲和能够用于不同荷载条件与不同支承条件的优点，但推导的计算公式太繁琐，不适合实际 应用。 我们将板件的非弹性屈曲应力值控制在什么范围内才认为板件是稳定的？ 一种是不允许板件的屈曲先于构件的整体屈曲，钢结构设计规范（ GB 50017）对轴心压杆就是这样规定的。 另一种是允许板件先屈曲。虽然板件屈曲会降低构件的承载能力，但由于构件的截面较宽，整体刚度好，从节省钢材来说反而合算，冷弯薄壁型钢结构技术规范（ GB 50018）就有这方面的条款。有时对于一般钢结构的部分板件，如大尺寸的焊接组合工字形截面的腹板，也允许其先有局部屈曲。 轴心受压构件的局部稳定： l 根据局部屈曲不先于 整体屈曲的原则，板件的临界应力和构件的临界应力相等即可确定出构件的腹板高厚比（式 4-113）和翼缘的宽厚比（式 4-115）。 l 注意公式的使用条件： 1.只针对于工字型截面； 2. 取构件两个方向长细比的较大者； 3.当 12mm）或 200mm（当 t 12mm）， t为较薄焊件的厚度。不满足要求时，应加正面角焊缝、塞焊、槽焊（见图 7.29）。 7.5 焊接残余应力和焊接残余变形 w什么是焊接残余应力？ w焊接残余应力的分类：纵向残余应力、横向残余应力、沿厚度方向的残余应力。 w焊接残余应力的影响： 对静力强度的影响；对结构刚度的影响；对压杆稳定的影响；低温冷脆的影响；对疲劳强度的影响 w焊接残余变形：焊接工艺和设计方面 第 7章 钢结构的连接和节点构造 7.1 钢结构对连接的要求及连接方法 基本构件通过连接制成整体结构。例如：屋架。在钢结构中，连接的设计、制作、安装占有很重要的地位，所以设计时，在选用合理的连接方式时，应考虑以下问题： 1、连接设计与结构内力分析时的假定相一致； 2、连接设计应选 择最不利的荷载工况； 3、传力直接、明确，避免应力集中； 4、节点的变形协调； 5、避免偏心的影响； 6、连接的方式应避免在结构中产生过大的残余应力； 7、利用厚钢板时，应避免层间撕裂； 8、连接的构造简单，便于施工 焊接连接 20世纪 20 年代发展起来的，是现代钢结构最主要的连接方式。 优点：构造简单，加工方便，节省钢材。而且能实现自动化操作，生产效率较高。 缺点：焊缝质量易受材料操作的影响，因此对钢材材质要求较高（主要是含碳量），焊接时构件内有残余应力和残余变形，且宜产生裂缝，给疲劳破坏带来隐患 。所以，对直接承受动力荷载的结构 不宜 采用。 铆钉连接 优点：传力可靠，连接的韧性和塑性较好，质量易于检查。 缺点：用钢量大、施工较复杂。 在土木工程中很少采用，主要用在飞机制造业。 普通螺栓 按性能等级分： 3.6， 4.6， 4.8， 5.6，5.8， 6.8， 8.8级。 含义：以 “4.6” 为例： 按制作精度分： A、 B级和 C级。 1、 A、 B 级 精制螺栓，栓杆由车床加工而成，表面光滑，尺寸准确，要求螺栓孔为 I 类孔，允许偏差为 0.18 0.25mm。 2、 C 级 粗制螺栓，要求螺栓孔为 II类孔 ，允许偏差为 1.5 2.0mm。 高强度螺栓 与普通螺栓的区别：材料强度高、施工时施加预拉力。 按性能等级分： 8.8 级、 10.9 级、 12.9级 从外形上分： 1、大六角头螺栓 (见图 1）：连接副：一个螺栓、一个螺母、二个垫圈。有 8.8级、 10.9级。 2、扭剪型螺栓（见图 2）：连接副：一个螺栓、一个螺母、一个垫圈。有 8.8 级、 10.9级。 按受力状况分： 1、摩擦型连接：预拉力把被连接的部件夹紧，使部件的接触面间产生很大的摩擦力，外力通过摩擦力来传递。板件之间不允许产生滑移。 2、承压型连接 ：板件之间允许产生滑移。 7.2 焊接连接的特性 1、 焊接方法 电弧焊、 电阻焊 气体保护焊 手工电弧焊： 1、通电后在涂有焊药的焊条与焊件之间产生电弧，熔化焊条而形成焊缝。焊药则随焊条熔化而形成熔渣覆盖的焊缝上，同时产生一种气体，隔离空气与熔化的液体金属，使它不与外界空气接触，保护焊缝不受空气有害气体影响。 2、焊条应与焊件的金属强度相适应。 Q235 钢焊件 E43型系列焊条 Q345 钢焊件 E50型系列焊条 Q390 钢焊件 E55型系列焊条 当不同钢种的钢材连接时，宜用与低强度钢材相 适应的焊条。 优点： 操作简单，不受地方、场所、焊件尺寸、形状的限制。 缺点： 由于是手工操作，受到焊工的技术水平的影响（焊工要分等级），所以焊缝要进行质量检查。（焊缝的外观和内部探伤） 自动或半自动埋弧焊 ： 自动焊的焊缝质量均匀，塑性好，冲击韧性高，抗腐蚀性强。半自动焊除人工操作前进外，其余与自动焊相同。 适用于焊接受力构件，如：焊接截面中腹板与翼缘的连接等。 气体保护焊： 是利用惰性气体或 CO2气体作为保护介质，在电弧周围形成保护层，使被融化的金属不与空气接触，而形成 的火焰来熔化焊条，形成焊缝。 电弧加热集中，熔化深度大，焊接速度快，焊缝强度高，塑性好，其效率是手工电弧焊的 34 倍。 可以手工操作或自动操作。 电阻焊 利用电流通过焊件接触点表面产生的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。 冷弯薄壁型钢（厚度低于 3.5mm）的焊接；板叠厚度不超过 12mm 的焊接。 焊缝连接的优缺点 ： 优点：（ 1）不需要在钢材上打孔钻眼，既省工省时，又不使材料的截面积受到减弱 （ 2）任何形状的构件都可直接连接，一般不需要辅助零件，使连接构造简单，传力路线短，适应面广； （ 3） 焊接连接的气密性和水密性都较好，结构刚性也较大，结构的整体性较好。 缺点： （ 1）由于高温作用在焊缝附近形成热影响区，钢材的金相组织和机械性能发生变化，材质变脆； （ 2）焊接的残余应力会使结构发生脆性破坏和降低压杆稳定的临界荷载，同时残余变形还会使构件尺寸和形状发生变化； （ 3）焊接结构具有连续性，局部裂缝一经发生便容易扩展到整体。 焊缝缺陷 焊缝在焊接过程中会在焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部产生缺陷，常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等； 外观检查：直尺 、放大镜、磁粉等 内部探伤：超声波或射线 钢结构工程施工质量验收规范GB50202-2001 规定，焊缝质量检查标准分为三级，三级只要求焊缝通过外观检查；二级质量检验，即在外观检验的基础上要求超声波检验每条焊缝 20%的长度，一级要求用超声波检验每条焊缝的全部长度。 注： 一、二级焊缝用于等强连接，其焊缝的拉、压、弯时与母材相等，不必计算焊缝的强度。 三级焊缝一般只能达到母材强度的 85%，应进行验算。 若为高空施焊，焊缝强度设计值应乘折减系数 0.9。 焊缝连接型式及焊缝型式 连接型式 按 被连接构件的相对位置分：平接； T形连接；搭接：角接；（图 7-7） 按施焊位置分：俯焊（平焊）、立焊、横焊和仰焊 （图 7-10） 焊缝型式可分为对接焊缝和角焊缝两种形式 对接焊缝分为对接正焊缝和对接斜焊缝 ； 角焊缝分为侧面角焊缝和正面角焊缝 ； 焊缝代号： 焊缝代号由引出线、图形符号和辅助符号三部分组成。引出线由横线和带箭头的斜线组成。 对接焊缝的构造和计算 一、构造要求： 1.按照坡口形式： （ a）直边缝；（ b）单边 V形缝；（ c）双边 V 形缝；（ d） U形缝；（ e）K形缝；（ f） X形缝 （ g）（ h）（ i）加垫板的直边缝、单边 V形缝、双边 V 形缝 不同板厚与板宽的对接： 在钢板厚度或宽度有变化的焊接中，为了使构件传力均匀，减少应力集中，应在板的一侧或两侧作成坡度不大于 1:2.5 的斜坡（图 3-30），形成平缓的过渡。若板厚相差不大于 4mm，则可不做斜坡。 加引弧板 对接焊缝的引弧板对接焊缝的起点和终点，常因不能熔透而出现凹形的焊口，受力后易出现裂缝及应力集中。为消除这种不利情况，施焊时常将焊缝两端施焊至引弧板上，然后再将多余的部分割掉，并用砂轮将表面磨平。在工厂焊接时可采用引弧板，在工地 焊接时，除了受动力荷载的结构外，一般不用引弧板，而是计算时扣除焊缝两端各 t（连接件较小厚度）长度。 概念库 钢材的设计强度是根据屈服点确定的 塑性好的钢材，则韧性也可能好 钢材的三项主要力学性能指标为抗 拉 强度、屈服点、伸长率 焊接残余应力对构件的静 力 强 度无影响 实腹式轴心受拉构件计算的内容包括强度、刚度 (长细比 ) 为提高轴心受压构件的整体稳定，在构件截面面积不变的情况下，构件截面的形式应使其面积分布尽可能远离形心 轴心受压构件发生弹性失稳时，截面上的平均应力低于钢材比例极限 轴 心 受压构件柱 脚底板的面积主要取决于基 础 材 料 的强度等级 两 端 铰接的理想轴心受压构件，当截面形式为双轴对称十字形时，在轴心压力作用下构件可能发生扭 转 屈 曲 在焊接组合梁的设计中，腹板厚度应厚薄相当 在 焊 接工字形组合梁中，翼缘与腹板连接的角焊缝计算长度不受 60h，的限制，是因为内力沿侧面角焊缝全长分布的关系 焊 接 工字形截面梁腹板设置加劲肋的目的是提高梁的局部稳定性 梁 上 作用较大固定集中荷载时，其作用点处应设置支承加劲肋 弯 矩 作用在实轴平面内的双肢格构式压弯柱应进行强 度 、刚 度 、弯矩作用平面内稳定性、单肢稳定性和缀材的计算 单 轴 对称截面的压弯构件，当弯矩作用在对称轴平面内，且使较大翼缘受压时，构件达到临界状态的应力分布可能在拉、压侧都出现塑性 碳的含量对钢材性能的影响很大，一般情况下随着含碳量的增高，钢材的塑性和韧性逐渐降低 试验证明，钢材的疲劳强度主要与构造状况、应力幅和循环荷载重复次数有关，而与钢材的强度并无明显关 承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数 N5X104时，应进行疲劳验算 按焊缝质量检验标准，对外观缺陷及内部探伤都要检验的是二级和一级焊缝 采用普 通螺栓连接时，栓杆发生剪断破坏，是因为螺栓直径过细 计算结构或构件的强度，稳定性以及连接的强度时，应采用荷载设计值 构件的长细比是计算长度与回转半径之比 轴心受压构件，应进行强度、整体稳定局部稳定和刚度的验算 工字形梁弯矩和剪力都较大的截面中，除了要验算正应力和剪应力外，还要在正应力和剪应力都较大处验算折算应力 实腹式偏心受压构件的整体稳定，包括作用平面内弯矩的稳定和弯矩作用平面外的稳定 钢屋盖的刚度和空间整体性是由屋盖支撑系统保证 钢材的伸长率 是反映材料塑性变形能力的性能指标。 .计算结构或构件的强度 、稳定性以及连接的强度时，应采用荷载设计值 应力集中产生同号应力场， 使塑性变形受到限制 钢材经历了应变硬化 ( 应变强化 ) 之后强度提高 钢材牌号 Q235 、 Q345 、 Q390 、 Q420 是根据材料屈服命名的。 高强度螺栓摩擦型连接受剪破坏时， 作用剪力超过了连接板件间的摩擦力作为承载能力极限状态。 部分焊透的对接焊缝的计算应按角焊缝计算 焊接工字形截面梁腹板设置加劲肋的目的是提高梁的局部稳定性 一个承受剪力作用的普通螺栓在抗剪连接中的承载力是栓杆的抗剪承载力和被连接构件 ( 板 ) 的承压承载力中较大值 轴心受压构件柱脚底板的面积主要取决于 .基础材料的强度等 按承载力极限状态设计钢结构时，应考虑荷 载 效应的标准组合。 四种厚度不等的 16Mn 钢钢板，其中 1 6m m钢板设计强度最高。 钢材在低温下，塑性降低。 对钢材的疲劳强度影响不显著的是钢 种。 普通螺栓受剪连接主要有四种破坏形式，即 (I)螺杆剪断 ；(I)壁孔挤压破坏 ；(II)构件拉断 ；(N)端部钢板冲剪破坏。在设计时应按下述 (I)、 (I)、 (II)组进行计算 。 关于重级工作制吊车焊接吊车梁的腹板与上翼缘间的焊缝，可采用二级焊透对接焊缝。 每个受剪力作用 的摩擦型高强度螺栓所受的拉力应低于其预拉力的 0 .5 倍。 为提高轴心受压构件的整体稳定，在构件截面面积不变的情况下，构件截面的形式应使其面积分布尽可能远离形心。 对有孔眼等削弱的轴心拉杆承载力，钢结构设计规范采用的准则为净截面平均应力达到钢材屈服点。 提高轴心受压构件局部稳定常用的合理方法是增加板件厚度。 单轴对称截面的压弯构件，当弯矩作用在对称轴平面内，且使较大翼缘受压时，构件达到临界状态的应力分布可 能 在 拉 、压侧都出现塑 承载能力极限状态包括构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载的状态 匕 10 0X80X8 表示不等边角钢的长边宽为l00mm,短边宽 80mm，厚 8mmo 正 面 角焊缝相对于侧面角焊缝，破坏强度高，塑性变形能力差 螺栓 排 列分为并列和错列两种形式，其中并列比较简单整齐，布置紧凑，所用连接板尺寸小，但对构件截面的削弱较大 轴心受力构件的强度是以净截面的平均应力达到钢材的屈服点为承载能力极限状态 承受横向荷载的构件称为受弯构件 进行拉弯和压弯构件设计时，拉弯构件仅需要计算强度和刚度 ；压弯构件则需要计算强度、局部稳定、整体稳定、刚度 屋架的外形应考虑在制造简单的条 件下尽量与弯矩图接近，使弦杆的内力差别较小。 钢中硫和氧的含量超过限量时，会使钢材热脆 钢材的疲劳破坏属于脆性破坏。 摩 擦型连接的高强度螺栓在杆轴方向受拉时，承载力与螺栓直径有关。 高强度螺栓摩擦型连接与承压型连接相比，承载力计算方法不同。 在 钢 梁底面设有吊杆，其拉力设计值为650kN(静载 )，吊杆通过节点板将荷载传给钢梁，节点板采用双面焊缝焊于梁下翼缘，勺 =10mm,fj =160MPa，则每面焊缝长度为 2 60mm。 轴心受压构件发生弹性失稳时，截面上的平均应力低于钢材比例极限。 保证工字形截面梁 受压翼缘局部稳定的方法是限制其宽厚比。 梁的支撑加劲肋应设置在上翼缘或下翼缘有固定作用力的部位 单轴对称截面的压弯构件，一般宜使弯矩绕非对称轴作用。 正常使用极限状态包括影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形，影响正常使用的振动，影响正常使用或耐久性能的局部损坏 计算结构或构件的强度，稳定性以及连接的强度时，应采用荷载设计值，而不是标准值。 螺栓排列分为并列和错列两种形式，其中错列可以减小栓孔对截面的削弱，但螺栓排列松散，连接板尺寸较大 轴 心 受压构件板件过薄，在压力作用下，板件离开平面位置发生凸 曲现象，称为构件丧失局部稳定 梁的抗剪强度不满足设计要求时，最有效的办法是增大腹板的面积 偏心受压柱铰接柱脚只传递轴心压力和剪力，刚接柱脚除传递轴心压力和剪力外，还要传递弯矩 框架的梁柱连接时，梁端采用刚接可以减小梁跨中的弯矩，但制作施工较复杂。 钢材的伸长率 8 是反映材料塑性变形能力的性能指标。 在 弹 性阶段，侧面角焊缝应力沿长度方向的分布为两 端 大 、 中 间 小。 计 算 轴 心压杆时需要满足强 度 、整 体 稳 定 性、局部稳定性、刚度 (长细比 )的要求 确 定 轴心受压实腹柱的截面形式时，应使两个 主轴方向的长细比尽可能接近，其目的是达 到 经 济 效 果 .梁 的 支撑加劲肋应设置在上 翼 缘 或 下 翼 缘有固定作用力的部位 当无集中荷载作用时，焊接工字形截面梁冀缘与腹板的焊缝主要承受水平剪力 为 保 证屋盖结构的空间 整体作用，提高其整体刚度，减小弦杆的计算长度 ；安 装 时稳定与方便，承担和传递水平荷载 (如风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震荷载等 )。，应根据屋盖结构形式 (有擦体系或无擦体系，有托架或无托架 )、厂房内吊车的位置、有无振动设备，以及房屋的跨度和高度等情况，设置可靠的支撑系统。 摩擦型高强 螺栓连接只依靠被连接板件间强大的摩擦阻力承受外力，以摩擦阻力被克服作为连接承载能力的极限 状态 梁主要用于承受弯矩，为了充分发挥材料的强度，其截面通常设计成高而窄的形式。 屋架的外形首先取决与建筑物的用途，其次考虑用料经济施工方便、与其他构件的连接以及结构的刚度等问题 问答题库 简述钢结构对钢材的基本要求 答 :(1 )较高的抗拉强度 f.和屈服点f,；(2 )较高的塑性和韧性 ；(3)良好的工艺性能， 包括冷加工、热加工和可焊性能 ；(4)根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低 温、高温和腐蚀性环境的能 力。 简述钢结构连接方法的种类 答 :钢 结构的连接方法可分为焊接连接、螺栓连接和铆钉连接三种 影响梁整体稳定的因素包括哪些 ?提高梁整体稳定的措施包括哪些 ? 答 :影 响梁整体稳定的因素包括荷载的形式和作用位置、梁的截面形式、侧向支撑的间距以及支座形式等。提高梁整体稳定的措施包括加强受压翼缘和设置侧向支撑等 。 .计算结构或构件的强度、稳定性以及连接的强度时，应采用荷载设计值 .什么是疲劳断裂 ?影响钢材疲劳强度的因素有哪些 ? 答 :钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续反复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。 钢材的 疲劳强度取决于构造状况 (应力集中程度和残余应力 )、作用的应力幅印、反复荷载的循环次数。 为何要规定螺栓排列的最大和最小容许距离 ? 答 :为了避免螺栓周围应力集中相互影响、铜板的截面削弱过多、钢板在端部被螺栓冲剪破坏、被连接板件间发生鼓曲现象和满足施工空间要求等，规定了螺栓排列的最大和最小容许 距离。 计算格构式轴心受压构件绕虚轴的整体稳定时， 为什么采用换算长细比 ? 答 :格构式轴心受压构件，当绕虚轴失稳时，因肢件之间并不是连续的板而只是每隔一定距离用缀条或缀板联系起来，构件的剪切变形较大，剪力造成的附加影响不能忽略。因此，采用换算长细比来考虑缀材剪切变形对格构式轴心受压构件绕虚轴的稳定承载力的影响。 简述钢材塑性破坏和脆性破坏。 答 :塑性破坏是由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到钢材的抗拉强度 f。后才发生，破坏前构件产生较大的塑性变形 ；脆性破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点 .几，断裂从应力集中处开始。 抗剪普通螺栓有哪几种可能的破坏形式 ?如何防止 ? 答 :螺栓抗剪连接达到极限承载力时，可能的破坏形式有四种形式 :栓杆被剪断 ；螺栓承压破坏 ；板件净截面被拉断 ；端板被栓杆冲剪破坏。第 、 种破坏形式通过螺栓计算保证 ；第种破坏形式采用构件强度验算保证 ；第种破坏形式由螺栓端距妻 2d。 设计拉弯和压弯构件时应计算的内容 ? 答 :拉弯构件需要计算强度和刚度 (限制长细比 )；压弯构件则需要计算强度、整体稳定 (弯矩作用平面内稳定和弯矩作用平面外稳定 )、局部稳定和刚度 (限制长细比 )。 什么情况下会产生应力集中，应力集中对钢材材性能有何影响 ? 答 :实 际的钢结构构件有时存在着孔洞、槽口、凹角、截面突然改变以及钢材内部缺陷等。此时，构件中的应力分布 将不再保持均匀，而是在某些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，即产生应力集中形象。在负温或动力荷载作用下，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破坏的根源。 高强度螺栓连接和普通螺栓连接的主要区别是什么