钢结构基本原理课件.ppt

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1、钢结构基本原理,1,钢结构基本原理,钢结构基本原理,2,建筑钢材,钢 结 构,加工,理论指导,良好的机械性能,设计理论：概率极限状态设计法,可靠性,耐久性,强度：抵抗破坏的能力 刚度：抵抗变形的能力 稳定性：保持原有平衡状态的能力,构 件,（杆件）,绪 论,连 接,钢结构基本原理,3,钢结构的设计方法,结构的功能要求,钢结构基本原理,4,承载能力极限状态表达式,基本组合 可变荷载效应控制的组合,永久荷载效应控制的组合,钢结构基本原理,5,对于一般排架、框架结构，由可变荷载效应控制的组合，可采用下式计算：,偶然组合：偶然作用的代表值不乘分项系数，与偶然作用同时出现的可变荷载，应根据观测资料和工程

2、经验采用适当的代表值，具体的设计表达式及各种系数，应符合专门规范的规定。,钢结构基本原理,6,钢结构的材料学习要求： 1、掌握钢材的机械性能和钢材的机械性能指标，建筑用钢的种类、规格和选用； 2、熟悉各种因素对钢材机械性能的影响，尤其是一些特殊影响如冷脆、热脆、兰脆，钢材疲劳破坏的特征等； 3、了解钢材疲劳计算,钢结构基本原理,7,钢结构的材料,化学成分的影响,钢结构基本原理,8,温度的影响,降温过程的变化：低温冷脆,钢结构基本原理,9,应力集中：应力集中越严重，出现同号三相应力场的应力水平越接近，钢材越趋于脆性。,各种因素对钢材性能的影响,温度：高温热塑性变形，低温冷脆（脆性温度转变区）,疲

3、劳：钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现象称为疲劳。 疲劳破坏具有突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂。其破坏过程经历裂纹的产生、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段，是延时断裂。,钢结构基本原理,10,钢柱上焊接牛腿（腹板和翼缘）,钢结构基本原理,11,梁柱节点：梁分别连接在柱的腹板和翼缘（连接角钢与梁焊缝相连，与柱螺栓相连）,钢结构基本原理,12,柱与柱间支撑与柱脚的连接（柱脚已埋入混凝土地面以下）,钢结构基本原理,13,钢结构基本原理,14,梁与支撑间的连接,俯视,仰视,钢结构基本原理,15,连接学习要求： 1、掌握各种连接

4、的特点和适用范围； 2、掌握对接焊缝、直角角焊缝、普通螺栓、高强度螺栓连接的构造和计算； 3、熟悉焊缝质量检验规定； 3、了解焊接残余应力和变形的成因，熟悉焊接应力与变形对结构工作性能的影响和减少焊接应力与变形的措施；,钢结构基本原理,16,连 接 概 述,钢结构基本原理,17,将所能收集到的焊缝符号列表画出并标明其含义,钢结构基本原理,18,钢结构基本原理,19,二对接焊缝计算 1:简化原则：对接焊缝可视为焊件截面的延续组成部分，即焊接中的应力分布与原焊件原有的相同。,轴心力作用,钢结构基本原理,20,M,N共同作用时（梁内）,矩形截面,IT字形截面,在同时承受较大正应力和剪应力的梁腹板与翼

5、缘交接处受拉区端部的不利点，还应验算其折算应力,问：为什么 前要乘以一系数1.1？,思考：牛腿问题的处理？,钢结构基本原理,21,角焊缝的构造和计算,钢结构基本原理,22,hfmin1.2tmin,钢结构基本原理,23,正面角焊缝：轴心力N作用 正应力沿长度方向均匀，但横截面上应力状态复杂。破坏可能沿三个断面开展。 特点：强度，刚度大，塑性较差。,角焊缝强度条件的一般表达式简化原则: 1)有较截面简化：he=hfcos450=0.7hf. 2) 应力简化：截面上应力均匀分布。 3)受力形式：受轴心力Nx,Ny作用。,钢结构基本原理,24,使用该公式时注意： 1该公式适用于角焊缝受各种力综合作用

6、，即：f与Tf共同作用下的情况。 2鉴别焊缝有效截面上的应力是f还是f应根据所计算焊缝计算总的位置，结合相对应于该点的外力作用方向与该联总所在焊缝的长度方向进行考虑。 3注意f的取值:,角焊缝强度条件的一般表达式,提问：受剪与抗拉设计值转换为什么乘以 ？f如何取值？ t和f对焊缝有效截面而言是单纯的正应力与剪应力吗？,钢结构基本原理,25,T、V、N作用下搭接头角焊缝计算. 基本假设 A：被连接件是绝对钢体，焊缝是弹性工作。 B：焊缝群上任一点的应力方向于该点与焊缝有效截面形心O形的连线，其大小与连线的距离r成正比,连接中角焊缝受弯、受扭的判别 ： 根据力矩所在平面与焊缝所在平面的位置关系确定

7、： 两平面相互垂直，力矩为弯矩； 两平面相互平行，力矩为扭矩。,钢结构基本原理,26,焊接残余应力,成因：不均匀的温度场。 形成主要根源：“热”塑性变形。,对结构性能的影响 1静力强度：无影响. 2刚度：变形增加，刚度减小。 3压杆的稳定承载力：降低。 4疲劳强度：降低 5低温冷脆：易发生,特点：是自相平衡的内应力体系，即在任何截面上残余应力均为有拉有压，内力和内力矩平衡,种类（无约束状态下施焊）： 1纵向：焊缝及附近区域为拉应力。 2横向： 塑性变形区纵向收缩引起的x. 焊缝全长不同时焊接致使横向收缩的不同时性所引起的x. 3厚度方向残余应力。,钢结构基本原理,27,普通螺栓连接,一：普通螺

8、栓的构造： 1：普通螺栓的形式和规格尺寸：M16，M20等。16,20为公称直径。 2：螺栓及孔的图例： 3：排列要求，并列和错列。,二：螺栓连接的受力性能和计算： 受剪螺栓连接：栓杆受剪，孔壁承压。 受拉螺栓连接：沿杆轴方向受拉。 拉剪螺栓连接：兼有上述两种。,钢结构基本原理,28,受剪螺栓连接,取 为单个螺栓承载力设计值,钢板拉断怎么办？,钢结构基本原理,29,螺栓群受剪螺栓计算： 1、轴心力作用： a:确定螺栓需要数目： 当l1过长，应对Nmim乘予以降低： l115d0时： =1.1-l1/150d0 =0.7,钢结构基本原理,30,2、受偏心力作用： a. F简化： 剪力V ；扭矩T

9、 b.最不利螺栓选定：假定被连接件是绝对刚性体，而螺栓是弹性体，受“T”作用，所有螺栓绕“O”旋转。 c.计算：采用得比代换求力平衡的原理求解最不利螺栓上受由T产生的力。,V作用,验算公式：,注意： y13x时，N1T=N1XT=Ty1/yi2 x13y时，N1T=N1yT=Tx1/xi2,钢结构基本原理,31,受拉螺栓连接： 1、受力：沿杆轴方向受拉。 破坏：栓杆被拉断。,2、单个螺栓受拉承载力设计值,值的由来：考虑橇杠作用，并对其进行简化，从而采如用 来考虑。,3、螺栓群受拉连拉计算。 1轴心力：,钢结构基本原理,32,2偏心力作用下,a.小偏心情况：螺栓群全部受拉。,若0,按大偏心计算,

10、b.大偏心情况,问：为什么大偏心计算公式仅有一项？,钢结构基本原理,33,拉剪螺栓连接：,破坏形式： 螺栓杆受剪受拉破坏 孔壁承压破坏,验算剪拉作用,验算孔壁承压,钢结构基本原理,34,高强度螺栓连接的构造与计算,一：连接付性能等级：材料和使用配合 1：连接付：栓杆、配套螺母、垫圈 2：强度划分及级等表示： 栓杆 螺母 10.9 S 10H 8.8 S 8H 垫圈:HRC 35 - 45 3:螺孔： 摩擦型(do+1.5mm) (M16) do+2.0 (M20) 承压型(do+0.1mm) (M16) do+2.0 (M20),钢结构基本原理,35,3：紧固方法： 扭矩法. 转角法. 扭掉螺

11、栓部梅花卡头.,二：高强度螺栓的预拉力和紧固方法,1：予拉力作用：保证连接质量的关建因素。,钢结构基本原理,36,一摩擦型： 1:受剪连接的受力性能和计算。 1受力性能：剪切变形小，弹性性能好，耐疲劳。,三：高强度螺栓连接的受力性能与计算：,承载能力极限状态：摩擦力刚被克服连接将要产生相对滑移。,2计算方法： a:单个螺栓:,净截面强度：考虑孔前传力。即：摩擦力均匀分布在螺孔四周，孔前接触面已传力一半。,钢结构基本原理,37,2:受拉连接的受力性能和计算： 1受力性能：依靠予拉力使被连接件压紧传力。 NtP时,栓杆拉力增加很少。 NtP时,栓杆可能达到材料的屈服强度。卸荷后连接产生松驰。予拉力

12、降低。,2抗拉承载力设计值：Ntb=0.8P,3螺栓群的受拉连接计算：无需考虑大小偏心，中心轴取形心轴,钢结构基本原理,38,3螺栓群拉剪计算：先求Nti,Nvi,钢结构基本原理,39,二承压型 1:受剪连接：与普通螺栓相同，只是应采用承压型螺栓强度设计值进行计算。且当剪切面在螺纹处时，按螺纹处有效面积计算。即 Nvbnv(de2/4)fvb 且Nvb1.3Ncb Ncb=detfcb,2:受拉连接：计算公式与普通螺栓相同， 其抗拉强度设计值,3:拉剪连接 满足：,且,钢结构基本原理,40,钢结构构件概述,钢结构基本原理,41,二：构件截面形式： 1：型钢截面： 2：组合截面 实腹式组合截面

13、格构式组合截面,两种截面比较：格构式在料相同的条件下,可增加截面刚度，节约用钢。但制造比较费工。 为什么？,三：计算内容： 1：强度。 2：刚度。 3：整体稳定； 弯曲屈曲 受弯构件 弯扭屈曲 轴压构件 扭转屈曲 压弯构件 弯曲屈曲 弯扭屈曲 弯扭屈曲 4：局部稳定：波状局部屈曲,钢结构基本原理,42,四：设计步骤： 1：原则：安全适用，用料节省。 等稳定性，宽肢薄壁 制造省工，安装简便 2：步骤： A：初选截面： B：对所选定截面进行强度，刚度，整体稳定和局部稳定验算。,钢结构基本原理,43,受 弯 构 件 全章内容：受弯构件的强度和刚度，梁的整体稳定、 梁板件的局部稳定，梁腹板屈曲后的强度

14、，梁的截面设计。 大纲要求：了解梁板件的局部稳定，梁腹板屈曲后的强度，掌握受弯构件的强度和刚度，梁的整体稳定以及梁的截面设计步骤。,钢结构基本原理,44,受弯构件的类型、强度和刚度,一、 受弯构件的类型： 1:接截面形式：型钢梁，组合梁。 2:按支承形式：简支梁，连续梁等。 3:按荷载作用：单向弯曲梁 双向弯曲梁,二、梁的强度 一）抗弯强度 1：截面弯曲 应力的发展： 弹性 弹塑性 塑性 My= fy Wn Wp =fy Wpn Mp/My= Wpn/Wn =,只与形状有关而与强度无关 塑性发展系数 形状系数,钢结构基本原理,45,2.抗弯强度计算，考虑梁截面部分发展塑性。 单向弯曲梁:,双向

15、弯曲梁：,注: 、 截面塑性发展系数。,1）承受静压力荷载或接动力荷载取值见书P110表4.2.1 2）直接动力荷载取1.0。,钢结构基本原理,46,二)抗剪强度,三)局压强度,不满足 固定集中荷载 增加支承长度 设置支承加劲肋 移动集中荷载：增加腹板厚度,钢结构基本原理,47,四)折计算应力,注：计算点选取原则：取沿梁全长中和都较大而截面尺寸比较小的截面，并在腹截面中选取 和 都比较大的点或纤维。,三梁的刚度： 1：计算状态。正常使用极限状态；计算时随取荷载标准值。 2：计算公式。 VmaxV 或 Vmax/l V/l 对简支梁受均布荷载qk时为,钢结构基本原理,48,梁的整体稳定,一一般概

16、念： 1：梁的整体稳定：弯扭屈曲。,上翼纵向弯曲压应力大 侧向变形 侧向附加M 侧向变形,下翼弯曲压应力 侧向变形 截面受拉部分值 侧向变形 弯扭屈曲,二、临界弯矩与与整体稳定系数： 1：临界弯矩,2：影响因素： 1) 侧向抗弯刚度EIy： Mcr 自由扭转刚度GIt： Mcr 受压翼缘自由长度l1： Mcr,2)荷载类型及作用点,问：增强梁整体稳定的措施有哪些？,问：有没有不需要验算整体稳定的时候？,钢结构基本原理,49,3:整体稳定系数的计算：,1)整体稳定条件：,2）整体稳定系数：,钢结构基本原理,50,3)弹性稳定理论:Q235钢、双轴对称、I字型截面、纯弯曲梁:,4)修正公式：,钢结

17、构基本原理,51,弹塑性修正: 0.6时 弹塑性 cr 当b0.6时，用b(b)代替b,不同截面形式处理： 轧制槽钢:,钢结构基本原理,52,三、梁整体稳定计算： 1：最大刚度平面内受弯。 2:在两个主平面受弯的“I”截面：,注：x为强轴,y为弱轴。,钢结构基本原理,53,梁的局部稳定和腹板加劲肋设计,一、梁的局部失稳,失稳实质：组成梁的矩形薄板在各种应力作用下的屈曲问题。,钢结构基本原理,54,解决途径：控制板所受的应力小于其失稳临界应力,其影响因素： 与板所受应力、支承情况，板的长宽比有关，且与板的宽厚比的平方成反比。,k:板的屈曲系数，和荷载种类、分布状况及板的边长比例和边界条件相关。,

18、方案：（1）设置加劲肋 （2）限制板件宽厚比,钢结构基本原理,55,二：梁受压翼缘宽厚比： 受压翼缘主要承受弯矩产生的均匀压应力。,弹性： 弹塑性：,钢结构基本原理,56,三：腹板的局部稳定：,1：腹板受力： 或单据或联合作用。,2：经济处理方案：在腹板上设置一些加劲肋，将腹板分隔或若干小尺寸的矩形板段，各板段四周翼缘和加劲肋构成支承，有效增加,加劲肋的配置和腹板局部稳定验算：,钢结构基本原理,57,轴心受力构件 全章内容：轴力构件的强度和刚度，轴压构件整体稳定、 局部稳定，实腹式，格构式轴压构件截面设计。 大纲要求：了解轴压构件的稳定原理及稳定计算方法，计 算公式及系数的应力，掌握轴心受压实

19、腹柱和 格构柱的截面选则，计算步骤公式。,钢结构基本原理,58,轴力构件的强度和刚度,一、 轴拉，轴压构件的强度： 1：理论依据：拉杆屈服时，将产生很大变形，因此计算方法以此种达到不适于承载的变形作为承载能力的极限状态。 2：计算公式： =N/An f,例外：摩擦型高强螺栓连接的构件可能毛截面面积更不安全。,钢结构基本原理,59,2.计算依据： 以正常使用极限状态作为其设计状态。 规范规定：控制其容许长度比：,3公式： 注： , 相应方向截面回转半径计算时注意在 不同主轴方向的一一对应关系,钢结构基本原理,60,轴压构件的整体稳定,一:确定轴压构件整体稳定承载力的方法：,分界点,钢结构基本原理

20、,61,3：理想轴压杆的弹性屈曲,欧拉公式：,欧拉临界应力公式,欧拉临界力公式,4：理想轴压杆弹塑性屈曲 ：切线模量理论与双模量理论,结论,钢结构基本原理,62,二实际杆：考虑力学缺陷和构件的几何缺陷的影响,1：残余应力对稳定承载力的影响： 残余应力的压应力部分将使用轴压杆受力时部分截面较早进入塑性状态。,有效截面惯性矩,2：初偏心，初弯曲对稳定承载力的影响,初弯曲 初偏心,M挠曲N,轴心力N作用,杆件稳定承载力下降,杆件稳定承载力下降,钢结构基本原理,63,3：实际轴压杆N的确定： 实际状况：应力，应变不但在同一截面上各点而且在杆件沿纵轴各截面都有变化。 解决办法：计算机模拟实际状况求解制定

21、柱子曲线,二:轴压杆稳定计算公式,如何确定？,如何求解？,钢结构基本原理,64,实腹式轴压轴件的局部稳定和截面设计,局部失稳实质：矩形薄板在各种应力作用下的屈曲问题，控制板所受的应力小于其失稳临界应力,一：实腹式轴压构件的局部稳定： 1：宽厚比限制确定原则。 1按均匀受压板计算： 2等稳定准则：,钢结构基本原理,65,2：计算公式： 1翼缘自由外伸宽厚比限制（工）： 2腹板宽厚比限制（工） 注：入取大值且30 入100,问：为什么入取大值?是否合理?,3、加强局部稳定的措施：调整高厚比或宽厚比；工字型截面腹板设置纵向加劲肋。,4、腹板的有效截面：,钢结构基本原理,66,二：实腹式轴压构件截面设

22、计,A:试选截面： 1:确定Areq,iyreq,hreq,breq. 假定入 (入=60100；在N300KN；lo=45m取小值 N1500KN；lo=56取大值) 查 x, y 选 min求Areg=N/minf (注：截面对轴所属截面类型可能不同) 求ixreq=lox/入；hreq=ixreq/ 1 求iyreq=loy/入；breqiyreq/ 2 注：对型钢截面，可直接由回转半径查表 另：焊接工字型查不能误查型钢截面工字钢的 1和 2,钢结构基本原理,67,2、确定各板件尺寸,B.截面验算： 1.强度:=N/An f 2.刚度:=lo/i 应分别对x轴，y轴计算 3:整体稳定性

23、N/ A f 分别求x, y ,取 min计算 4:局部稳定：,3、构造要求,钢结构基本原理,68,钢结构基本原理,69,格构式轴压构件设计,一：概述。 1：构件组成：分肢，缀件。 2：缀件作用： 将分肢连成整体共同受力 承受绕虚轴弯曲时产生的剪力。 3： 缀条柱：桁架。对承受横向剪力刚度大 缀板柱：刚架，刚度比缀条柱低,二：格构式轴构件整体稳定承载力 一对实轴的稳定承载力。 N/Af (接b类截面),钢结构基本原理,70,二对虚轴稳定承载力：,2:解决办法:用换算长细比ox( x)代入求,3:换算长细比ox求取 缀条柱: 缀板柱：,钢结构基本原理,71,三：局部稳定 分肢稳定 1：计算原则：

24、 分肢可视为单独的实腹式轴压构件 保证分肢不先于构件失稳 2：影响因素： 初弯曲缺陷 附加弯矩 两分肢内力不等 附加剪力 产生M（对缀件构件） 分肢的截面分类可能低于整体 3：计算 缀条构件：入10.7入max 缀板构件: 入10.5入max且不大于40,钢结构基本原理,72,钢结构基本原理,73,钢结构基本原理,74,钢结构基本原理,75,四：缀件计算,一缀件面剪力 注：1假定V沿构件全长不变 2双肢构件，此剪力由缀件而平均分担V1=V/2,二缀条计算: 1：内力计算：按较接桁架腹板计算 2:缀条截面选择:按 A1x=0.05A,选缀条角钢 3.截面验算：按轴心压杆，考虑实际偏心，规范规定用强度设计值乘以折减系数考虑 。,钢结构基本原理,76,三缀板计算 1.内力计算：刚架，反弯点法. 剪力:Vj=V1l1/a 弯矩:Mj=V1l1/2 2、尺寸：由刚度条件确定。 3、计算：缀板与分肢的角焊缝连接强度。,钢结构基本原理,77,钢结构基本原理,78,五、截面设计 1、按实轴（设为y轴）稳定条件选择分肢的截面尺寸：同实腹式截面； 2、按虚轴（设为x轴）与实轴等稳定原则确定分肢间距。,缀条构件: 缀板构件: 据此可求得 ，从而可按附录5确定分肢间距,