钢结构教学课件 淮海工学院土木工程系.ppt

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1、淮海工学院土木工程系,1,第四篇 钢结构,淮海工学院土木工程系,2,1.较高的抗拉强度fu和屈服点fy； 2.较好的塑性、韧性； 3.良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）； 4.对环境的良好适应性。,16 建筑钢材 16.1 建筑钢材的主要机械性能,淮海工学院土木工程系,3,淮海工学院土木工程系,4,A.有屈服点钢材-曲线可以分为五个阶段：,(1)弹性阶段(OB段),AB段有一定的 塑性变形, 但 整个OB段卸载 时，=0； E=206103N/mm2,OA段材料处于纯弹性。,16.1.1 强度和塑性,注意比例极限和弹性极限,淮海工学院土木工程系,5,（2）弹塑性阶段（BC) 该段很短,表现出

2、钢材的非弹性性质; B屈服上限; C屈服下限(屈服点),（3）屈服阶段（CD) 该段基本 保持不变（水 平), 急剧 增大,称为屈 服台阶或流 幅段,变形模 量 E = 0,淮海工学院土木工程系,6,（4）应变硬化阶段(DE段),极限抗拉强度fu,（5）颈缩阶段(EF段),随荷载的增加缓慢增大,但增加较快,淮海工学院土木工程系,7,B.注意：应力应变曲线的简化,1)Fp和fe和fy相差很小； 2)超过 fy到屈服台阶终止的变形约为2.5%-3%，足以满足考虑结构的塑性变形发展的要求。,（1）钢材可以简化为理想弹塑性体,淮海工学院土木工程系,8,（2）钢材在静载作用下： 强度计算以fy为依据;f

3、u为结构的安全储备。,（3）断裂时变形约为弹性变形的200倍，在破坏前 产生明显可见的塑性 变形， 可及时补救， 故几乎不可能发生。,0.15%,22%,fu,fy,fu-fy,淮海工学院土木工程系,9,C.单向拉伸时钢材的机械性能指标,（1）屈服点fy-应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。,（2）抗拉强度fu-应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材最大的抗拉强度。,淮海工学院土木工程系,10,2、塑性：当钢材应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即破坏的性质。 主要指标： 伸长率： x100 断面收缩率 ： x10

4、0,淮海工学院土木工程系,11,16.1.2冷弯性能,衡量钢材常温冷加工弯曲产生塑性性能和质量优劣的综合指标。,淮海工学院土木工程系,12,16.1.3冲击韧性,衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。,淮海工学院土木工程系,13,(a)梅氏U型缺口 (b)夏比V型缺口,由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性， 单位：J。Cv受温度的影响,淮海工学院土木工程系,14,冲击韧性试验装置,淮海工学院土木工程系,15,钢材的机械性能指标,1、屈服点fy； 2、伸长率； 3、抗拉强度fu； 4、冷弯试验； 5、冲击韧性Cv (包

5、括常温冲击韧性、 0度时冲击韧性 负温冲击韧性）。,小 节,淮海工学院土木工程系,16,16.1.4 钢材的可焊性能,可焊性：在一定的焊接工艺条件下，所施焊的焊缝镕敷金属和母材金属不发生裂纹，且焊接接头的机械性能不低于母材。 影响可焊性的因素：钢材品种、化学成分、规格、约束程度、焊接的环境温度、焊接材料、焊接工艺。,淮海工学院土木工程系,17,一、塑性破坏 破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，断口发暗，可以采取补救措施。 二、脆性破坏 破坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变形远比材料应有的变形能力小，破坏突然，断口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。,16.2 钢材的破坏形式,淮海工学院土木工程系

6、,18,16.3.1化学成分 普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%； 普通低合金钢中合金元素5%。 1. 碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。 一般控制在0.22%以下， 在0.2以下时，可焊性良好。,16.3 影响钢材性能的主要因素,淮海工学院土木工程系,19,2.硫（S）：有害元素，热脆性。碳素钢不得超过0.035%。合金钢不大于0.025%。 3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。 4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点1600，可以消除一部分S的有害作用。 5

7、.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。 6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。,淮海工学院土木工程系,20,7.氧（O）：有害杂质，与S相似。 8.氮（N）：有害杂质，与P相似。 9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。,二冶金缺陷（冶炼、浇铸、轧制和热处理）,常见的冶金缺陷有： 偏析：化学成分分布的不均匀程度； 非金属夹杂； 气孔； 裂纹等。,淮海工学院土木工程系,21,16.3.2钢材的硬化,冷作硬化当荷载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则比例极限（或屈服点）提高的现象，也称“应变硬化”。 时效硬化随时间的增

8、长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。 应变时效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，因此也称“人工时效”。,淮海工学院土木工程系,22,淮海工学院土木工程系,23,）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；,16.3.3复杂应力和应力集中的影响,假定：,）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。,1复杂应力的影响,淮海工学院土木工程系,24,淮海工学院土木工程系,25,1.以应力分量表示,2.以主应力表示,材料处于弹性状态,材料处于塑性状态,淮海工学院土木工程系,26,2、应力集中的影响,

9、应力集中的概念 构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力应力集中。,淮海工学院土木工程系,27,2.应力集中的影响,淮海工学院土木工程系,28,3.减小应力集中现象的措施,由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。,淮海工学院土木工程系,29,16.3.4温度的影响： 升温情况 100 抗拉强度、屈服点和弹性模量都有变化。 250左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加蓝脆现象，该温度区段称为“蓝脆区”。 250350强度下降，伸长率明显增大产生徐变现象。 600左右弹性模量趋于零

10、 ，承载能力几乎完全丧失。,淮海工学院土木工程系,30,当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加，材料强度略有提高，但其塑性和韧性降低，该现象称为低稳冷脆。,2负温范围,淮海工学院土木工程系,31,一、概念 1、循环荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载。,16.3.5 钢材的疲劳,淮海工学院土木工程系,32,(b)脉冲循环,(a)完全对称循环,(c)不完全对称循环,(d)不完全对称循环,淮海工学院土木工程系,33,2.钢材的疲劳,在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。,3.疲劳破坏的机理,疲劳破坏是积累损伤的结果。 缺陷微观裂纹宏观裂纹。,4

11、.疲劳破坏的特征,属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。,淮海工学院土木工程系,34,16.4.1钢的种类 分类：非合金钢；低合金钢；合金钢（GB/T 13304.1-2008） 适合钢结构：碳素钢；低合金高强度结构钢；另外高性能建筑结构钢；耐候结构钢 碳素钢：Q235A,B-普通质量； Q235C,D优质非合金钢 低合金钢：Q345A-普通质量；Q345B-D Q390A-D一般用途优质；Q345E，Q390E，Q420，Q460一般用途特殊质量 高性能建筑结构钢（GJ）：特殊质量等级 耐候结构钢（NH或GNH）,16.4建筑钢材的种类和规格,淮海工学院土木工程系,35,16.4.2 钢结构

12、用钢的牌号 1、碳素结构钢（GB/T 700-2006）-低碳钢牌号 Q235-质量等级（A、B、C、D）（Q195、Q215、Q235、Q275) 脱氧方式（F、b、Z、Tz）举例：Q235AF 其中AB级为F、Z；C级为Z；DE级为TZ A-保证fu、fy、，P、S含量 B-保证fu,fy,冷弯，常温时Cv，P，S，C含量； C-保证 fu,fy,冷弯,0oC时Cv，P，S，C含量; D-保证fu,fy,冷弯,-20oC时Cv，P，S，C含量;,16.4建筑钢材的种类和规格,淮海工学院土木工程系,36,2.低合金钢(GB/T 1591-2008) 八种,低合金钢的质量等级分A、B、C、D、

13、E，其中E主要是要求-400 C 的冲击韧性。,另外还有Q460;Q500;Q550; Q620;Q690,淮海工学院土木工程系,37,二、钢材的选择,（一）选择钢材的原则,1结构或构件的重要性；,淮海工学院土木工程系,38,2荷载情况（静力荷载，动力荷载）； 静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材。 动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。 3连接方法（焊接连接、螺栓连接）； 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。 4结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）； 低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢 钢材的厚度。 厚度大的焊接结构应

14、采用材质较好的钢材。,淮海工学院土木工程系,39,（二）钢材选择建议,1、承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢GB/T700和低合金高强度结构钢GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准的规定和要求。,2、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。,淮海工学院土木工程系,40,3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于0但高于20时，Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证； 对于Q390钢和

15、Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。 当结构工作温度等于或低于20时，对Q235钢和Q345钢应具有20冲击韧性的合格保证； 对Q390和Q420钢应具有40冲击韧性的合格保证。,淮海工学院土木工程系,41,4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于20时，对Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。,5、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。,6、当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用 Z 向钢时，其材质应符合现行国家标准厚度方向

16、性能钢板GB/T5313的规定。,淮海工学院土木工程系,42,8、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准焊接耐候钢GB/T4172的规定。,7、钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率z来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三个等级，即Z15，Z25，Z35，分别对应其允许值。,淮海工学院土木工程系,43,三、钢材的规格,热轧成型的钢板和型钢，冷弯（或冷压）成型的薄壁型钢。,（一）热轧钢板,（表示方法 宽厚度长度 ）,分为: 厚板（厚度4.5-60mm) 薄板（厚度0.35-4mm),扁钢： 厚度4-60m

17、m， 宽度20-200mm。,淮海工学院土木工程系,44,(二）热轧型钢,1.工字钢,2.槽钢,工字钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c) 最大63号,槽钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c) 最大40号,淮海工学院土木工程系,45,3.角钢,淮海工学院土木工程系,46,4.H型钢、T型钢,分为： 宽翼缘HW、中翼缘HM、窄翼缘HN 、轻型薄壁HT,5.钢管,淮海工学院土木工程系,47,（三）冷弯薄壁型钢、压型钢板,壁厚1.55mm,压型钢板壁厚0.32mm,S、W、V、U型,淮海工学院土木工程系,48,与Q235钢（fy=235255n/mm2）相当的国外钢材： （A36）美国，43A、

18、43B（英国）， St37（德国）， SM41（日本）， Fe360（ISO）等。,与Q345钢、Q390钢和Q420钢相当的国外钢种为： A242，A440，A441（美国）； 50AD，55CE（英国） St52，St70（德国）； SM50，SM53，SM58（日本）。,淮海工学院土木工程系,49,17 钢结构的连接,1.了解钢结构连接的种类及各自的特点； 2.了解焊接连接的工作性能，掌握焊接连接的计算方法及构造要求； 3.了解焊接应力和焊接变形产生的原因及其对结构工作的影响； 4.了解螺栓连接的工作性能，掌握螺栓连接的计算和构造要求。,淮海工学院土木工程系,50,17.1 钢结构的连接

19、种类及其特点,淮海工学院土木工程系,51,焊接,淮海工学院土木工程系,52,螺栓连接 普通螺栓连接 、级(5.6，8.8级)适用于受剪,类孔，目前被高强代替. C级（4.6，4.8）适用与受拉， 类孔。对于受剪，适用用于静、间动荷载的次要、安装和可拆卸结构的连结。 高强螺栓连接 摩擦型 分为10.9S，8.8S，利用板间摩擦力传递 剪力，特点：变形小，不松动，耐疲劳 承压型 后期特点与普通螺栓相同，不过其强度 高，但剪切变形比摩擦形高。,铆钉连接,淮海工学院土木工程系,53,17.2.1钢结构常用焊接方法,1.手工电弧焊,A、焊条的选择： 焊条应与焊件钢材相适应。,原理：利用电弧产生热量 熔化

20、焊条和母材形 成焊缝。,17.2 焊接连接,淮海工学院土木工程系,54,Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500-5518),Q345钢选择E50型焊条(E5000-5048),B、焊条的表示方法：,E焊条(Electrode),第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2),第3、4适用焊接位置、电流及药皮的类型。,不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。,缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。,优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；,Q235钢选择E43型焊条（E4300-E4328),C、优、缺点,淮海工学院土木工程系,55,2.埋弧焊

21、（自动或半自动）,通电引弧后，使焊丝、焊件和焊剂熔化，形成熔渣浮在金属表面与空气隔绝。,淮海工学院土木工程系,56,A、焊丝的选择应与焊件等强度。 B、优、缺点： 优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。 缺点：设备投资大，施工位置受限等。,送丝器,机器,淮海工学院土木工程系,57,3.气体保护焊,优、缺点： 优点：焊接速度快，焊接质量好。 缺点：施工条件受限制等。,淮海工学院土木工程系,58,17.2.2 焊缝形式 1. 按构件的相对位置分 对接 搭接 T形接头 角接接头,淮海工学院土木工程系,59,对接焊缝 直缝 斜缝,角焊缝 端缝 侧缝,2. 按焊缝的种类分,直交 斜交,

22、全焊透 部分焊透,第二节 焊接方法、形式、质量等级,淮海工学院土木工程系,60,3. 按施焊位置分,平焊（俯焊） 立焊 横焊 仰焊,淮海工学院土木工程系,61,17.2.3焊缝缺陷及焊缝质量检查,1.焊缝缺陷,淮海工学院土木工程系,62,2.焊缝质量检查,外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸； 内部无损检验：检验内部缺陷。,内部检验主要采用超声 波，有时还用磁粉检验 荧光检验等辅助检验方 法。还可以采用X射线或 射线透照或拍片。,淮海工学院土木工程系,63,钢结构工程施工及验收规范规定：,焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级 和三级。,三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合 三级质量标准；,

23、一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。,淮海工学院土木工程系,64,17.3 对接焊缝连接,对接焊缝的形式和构造 1主要形式 直边缝，缝（小） 单边V形（中） 双边V形（中） J形（中） U形（中） K形（较厚） X形（较厚）,淮海工学院土木工程系,65,2、V形、U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊； 3、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1，t1较薄焊件厚度； 4、当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以

24、平缓过度，减小应力集中。,淮海工学院土木工程系,66,二、对接焊缝的计算,1、轴心受力的对接焊缝的计算,注意的取值。,淮海工学院土木工程系,67,2、斜向受力的对接的焊接分别验证正应力、剪应力，有一定的近似性,二、对接焊缝的计算,淮海工学院土木工程系,68,17.4 角焊缝连接,17.4.1 角焊缝的构造 1 角焊缝的形式 直角角焊缝 普通型 平坦型 凹面型 斜角角焊缝 斜锐焊缝 斜钝焊缝 斜凹角焊缝,一般采用普通型，对于正面角焊缝可采用平坦型或凹面型；对于承受 动力荷载，正面宜平坦型、侧面宜采用凹面型。注意焊角尺寸和计算厚度,淮海工学院土木工程系,69,2、角焊缝的尺寸要求 （1）最小焊角尺

25、寸,当焊件较厚而焊脚尺寸太小 时，焊缝内部将因冷却过快 产生淬硬组织，易产生裂纹。,淮海工学院土木工程系,70,（2）最大焊角尺寸,过大，易使焊件形成烧伤 烧透等“过烧”现象，产生 较大的残余应力残余变形,淮海工学院土木工程系,71,（3）不等焊脚尺寸 （4）角焊缝最小计算长度 （5）侧面角焊缝最大计算长度,较薄满足最大焊脚尺寸要求,较厚满足最小焊脚尺寸要求,侧面角焊缝内力均匀 分布，不受此限制。,局部受热严重，起落弧的弧坑间距太近 其他可能的缺陷，焊缝不够可靠。,淮海工学院土木工程系,72,（6）当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：,A、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，规范规

26、定：,B、为了避免焊缝横向收缩时引起板件的拱曲太大，规范规定：,淮海工学院土木工程系,73,一、角焊缝的构造,（7）在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，且不得小于25mm。,（8） 当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2hf的绕角焊，且转角处必须连续施焊。,淮海工学院土木工程系,74,17.4.2 角焊缝的计算,（1）当平行于焊缝长度方向时，（侧面焊缝）,17.4.2.1 轴心力作用时角焊缝作用,淮海工学院土木工程系,75,（2）当力垂直于焊缝长度方向时，(正面焊缝),淮海工学院土木工程系,76,（3）当两方向力综合作用时,淮海工学院土木工程系,77,（4）当作用力斜向于焊缝长度

27、方向时,淮海工学院土木工程系,78,17.4.3.2角钢角焊缝连接,A、仅采用侧面角焊缝连接,由力及力矩平衡得:,故:,淮海工学院土木工程系,79,对于校核问题:,对于设计问题:,淮海工学院土木工程系,80,B、采用三面围焊,由力及力矩平衡得:,余下的问题同情况A，即:,淮海工学院土木工程系,81,对于校核问题:,对于设计问题:,淮海工学院土木工程系,82,C、采用L形围焊,代入下式3-20，3-21得:,对于设计问题:,淮海工学院土木工程系,83,淮海工学院土木工程系,84,淮海工学院土木工程系,85,淮海工学院土木工程系,86,淮海工学院土木工程系,87,淮海工学院土木工程系,88,淮海工

28、学院土木工程系,89,淮海工学院土木工程系,90,17.6 普通螺栓连接,17.6.1 普通螺栓连接的构造,1.普通螺栓的形式和规格,C级-粗制螺栓，性能等级为4.6或4.8级； 4表示fu400N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d) 13mm。,A、B级-精制螺栓，性能等级为5.6或8.8级; 5或8表示fu500或800N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6 或0.8；类孔，孔径(do)-栓杆直径(d)0.30.5mm。,按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。,注意:螺栓M16,20,24,30,(22),(2

29、7)。 l/d=46,淮海工学院土木工程系,91,17.6.1.2螺栓的排列,1.并列简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构 件截面削弱大；,2.错列排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件截 面削弱小；,淮海工学院土木工程系,92,3.螺栓排列的要求,（1）受力要求: 垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而降低承载力，螺栓的边距和中距不能太小； 顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太小； 对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。 （2）构造要求； 螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。,淮海工学院土木工程系,93,（3）施工要

30、求,为了便于扳手拧紧螺母，螺栓中距应不小于3do。 根据以上要求，规范给定了螺栓的容许间距。,淮海工学院土木工程系,94,螺栓和孔的图例,淮海工学院土木工程系,95,螺栓连接的受力形式,A 只受剪力,B 只受拉力,C 剪力和拉力共同作用,17.6.2 普通螺栓的受力 性能和计算,淮海工学院土木工程系,96,抗剪螺栓-依靠螺杆抗剪和螺杆对孔壁的承压，传递垂直于螺栓的外力。 抗拉螺栓-依靠螺杆受拉传递平行于螺杆的外力。 拉剪螺栓-两者兼而有之。,淮海工学院土木工程系,97,17.6.2.1 受剪螺栓连接,（1） 受力性能和破坏形式 受力性能,(a)C级普通螺栓 第一阶段 弹性阶段 第二阶段 相对滑

31、动阶段 第三阶段 弹塑性阶段,淮海工学院土木工程系,98,破坏形式 a）螺栓剪断 b）钢板孔壁挤压破坏 c）钢板由于螺孔削弱而净截面拉断 d）钢板因螺孔端距或螺孔中距太小而剪坏 e） 螺杆因太长或螺孔大于螺杆直径而产生弯、剪破坏 另外还有 螺栓双剪破坏等。,注意：后两种破坏可以通过最小容许端距2d0和使螺栓 的夹紧长度为46倍（普通）和57倍（高强度）螺栓 直径的条件防止。,淮海工学院土木工程系,99,螺栓剪断,淮海工学院土木工程系,100,淮海工学院土木工程系,101,淮海工学院土木工程系,102,淮海工学院土木工程系,103,淮海工学院土木工程系,104,淮海工学院土木工程系,105,（2

32、）受剪螺栓的承载力计算方法,对于承压型高强度螺栓：抗剪承载力设计值计算中取有效直径,淮海工学院土木工程系,106,（3）受剪螺栓连接计算,(a) 确定螺栓需要数目,承载力的折减系数：当l115d0 时,淮海工学院土木工程系,107,（b）验算净截面强度,拼接板的危险截面为2-2截面:,A、螺栓采用并列排列时:,主板的危险截面为1-1截面:,淮海工学院土木工程系,108,B、螺栓采用错列排列时:,主板的危险截面为1-1和 1-1截面:,淮海工学院土木工程系,109,拼接板的危险截面为2-2和2-2截面:,淮海工学院土木工程系,110,1 受力性能和破坏特征,17.6.2.2 受拉螺栓连接,抗拉螺

33、栓连接在外力作用下，连接板件接触面有脱开趋势，螺栓杆受杆轴方向拉力作用，以栓杆被拉断为其破坏形式。,（1）单个受拉螺栓的承载力设计值,式中：Ae-螺栓的有效截面面积； de-螺栓的有效直径； ftb-螺栓的抗拉强度设计值。,2 计算方法,淮海工学院土木工程系,111,公式的两点说明：,（1）螺栓的有效截面面积 因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径de而不是净直径dn，现行国家标准取：,淮海工学院土木工程系,112,(2）螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影响,A、螺栓受拉时，一般是通过与螺杆垂直的板件传递，即螺杆并非轴心受拉，当连接板件发生变形时，螺栓有被撬开的趋势（杠杆作用）

34、，使螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。连接件刚度越小撬力越大。试验证明影响撬力的因素较多，其大小难以确定，规范采取简化计算的方法，取ftb=0.8f（f螺栓钢材的抗拉强度设计值）来考虑其影响。,淮海工学院土木工程系,113,B、 在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，来减小杠杆作用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。,淮海工学院土木工程系,114,(2）螺栓群受拉螺栓连接的计算,淮海工学院土木工程系,115,1)、螺栓群受轴心力作用时受拉螺栓的计算,2)、拉力通过形心，但与端板成一夹角。,淮海工学院土木工程系,116,淮海工学院土木工程系,117,淮海工学院土木工程系

35、,118,淮海工学院土木工程系,119,17.7 高强度螺栓连接,17.7.1概述 摩擦型高强度螺栓连接：钢板间摩擦力承受剪力。 承压型高强度螺栓连接：栓杆受剪、孔壁承压。 受拉时两者一致。,淮海工学院土木工程系,120,17.7.1.1 材料和性能等级 高强螺栓的材料 8.8级表示最低抗拉强度800N/mm2, fy/fu=0.8 10.9级表示最低抗拉强度1000N/mm2, fy/fu=0.917. 17.7.1.2高强螺栓预拉力P 高强度螺栓预拉力是根据螺栓杆的有效抗拉强度确定的，并考虑了以下修正系数： 考虑材料的不均匀性的折减系数0.9； 为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减系数0.

36、9； 考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低除以系数1.2。 附加安全系数0.9。 我国规范p=(0.90.90.9/1.2)fuAe=0.607fuAe,17.7 高强度螺栓连接,淮海工学院土木工程系,121,淮海工学院土木工程系,122,17.7.1.3 紧固方法,17.7 高强度螺栓连接,由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理,（a）大六角头螺栓 （b）扭剪型螺栓,注意:螺栓M16M30。 l/d=57,淮海工学院土木工程系,123,17.7 高强度螺栓连接,1、高强度螺栓预拉力的建立方法 通过拧紧螺帽的方法，螺帽的紧固方法： A、转角法 施工方法： 初拧用

37、普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；,终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度，一般为120度-180度完成终拧。,淮海工学院土木工程系,124,特点：预拉力的建立简单、有效，但要防止欠拧、漏拧 和超拧； B、扭矩法 施工方法： 初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的50%以上，使 板件贴紧密； 终拧初拧基础上，按100%设计终拧力矩拧紧。 特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。,17.7 高强度螺栓连接,淮海工学院土木工程系,125,C、扭断螺栓尾部梅花卡头法（扭剪型高强度螺栓）,施工方法： 初拧拧至终拧力矩的60%80%； 终拧初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。 特点：施工简单、技术要求低

38、易实施、质量易保证等 高强度螺栓的施工要求： 由于高强度螺栓的承载力很大程度上取决于螺栓杆的预拉力，因此施工要求较严格： 1）终拧力矩偏差不应大于10%； 2）如发现欠、漏和超拧螺栓应更换； 3）拧固顺序先主后次，且当天安装，当天终拧完。 如工字型梁为：上翼缘下翼缘腹板。,淮海工学院土木工程系,126,17.7.2 2 摩擦型连接的计算 17.7.2.1 受剪高强度螺栓摩擦型 （1）单个螺栓的抗剪承载力设计值 传力机理：靠钢板间的磨擦面传力,17.7 高强度螺栓连接,淮海工学院土木工程系,127,（2）螺栓群的受剪高强度螺栓计算 假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：,对于摩擦型连接：,淮海工学院

39、土木工程系,128,高强度螺栓群轴心力作用下,为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算.,主板的危险截面为1-1截面。,考虑孔前传力50%得：,1-1截面的内力为：,淮海工学院土木工程系,129,拼接板的危险截面为2-2截面。,考虑孔前传力50%得：,2-2截面的内力为：,淮海工学院土木工程系,130,注意：毛截面处，虽然截面面积有所增大 但承担全部力N，有时可能比开孔处截面 还危险，故对其也要进行验算：,淮海工学院土木工程系,131,二 摩擦型连接受拉高强度螺 栓的受力性能和计算,1 受力性能和单个高强度 螺栓的抗拉承载力设计值,淮海工学院土木工程系,132,2 摩擦型连接螺栓群的 受拉高

40、强度螺栓的计算,轴力：,淮海工学院土木工程系,133,2 摩擦型连接螺栓群的 受拉高强度螺栓的计算,弯矩：,淮海工学院土木工程系,134,17.7 高强度螺栓连接,淮海工学院土木工程系,135,淮海工学院土木工程系,136,淮海工学院土木工程系,137,18 轴心受力构件 一、构件举例,淮海工学院土木工程系,138,淮海工学院土木工程系,139,淮海工学院土木工程系,140,淮海工学院土木工程系,141,淮海工学院土木工程系,142,淮海工学院土木工程系,143,二、构件破坏举例,广告破坏,淮海工学院土木工程系,144,脚手架坍塌,淮海工学院土木工程系,145,雪后钢结构破坏,淮海工学院土木工

41、程系,146,柱脚破坏,淮海工学院土木工程系,147,截面形式可分为：型钢截面和组合截面两大类。,1、型钢截面,特点：价格低，制作工作量少，省时又省工，成本较低。,18 轴心受力构件,淮海工学院土木工程系,148,截面形式可分为：实腹式和格构式两大类。,（1）实腹式组合截面,2、组合截面,淮海工学院土木工程系,149,（2）格构式组合截面,截面由两个或多个型钢肢件通过缀材连接而成。,淮海工学院土木工程系,150,缀条柱,淮海工学院土木工程系,151,缀板柱,淮海工学院土木工程系,152,18.2 轴力杆件的强度和刚度,1、强度计算 当轴心受拉杆与其他构件采用摩擦型高强螺栓连接时，应同时进行净截

42、面和毛截面强度计算： 式中： n在节点或拼接处，构件一端连接的高强螺栓数目； n1计算截面（最外列螺栓处）上高强螺栓数目； A 构件的毛横截面面积； An 构件的净横截面面积。,淮海工学院土木工程系,153,2、刚度计算,淮海工学院土木工程系,154,淮海工学院土木工程系,155,18.3 轴压构件整体稳定,强度： 刚度： 整体稳定：当截面应力达到临界应力时，压杆不能维持直线 平衡，而发生弯曲，并维持曲线平衡的状态。,淮海工学院土木工程系,156,一、确定轴心受压构件整体稳定承载力的方法,（一）传统方法,1、轴心受压构件的失稳形式,淮海工学院土木工程系,157,弯曲失稳,弯扭失稳,扭转失稳,淮

43、海工学院土木工程系,158,（1）弯曲失稳-只发生弯曲变形，截面只绕一个主轴旋转，杆纵轴由直线变为曲线，是双轴对称截面常见的失稳形式；,淮海工学院土木工程系,159,淮海工学院土木工程系,160,（2）弯扭失稳单轴对称截面绕对称轴屈曲时，杆件发生弯曲变形的同时必然伴随着扭转。,淮海工学院土木工程系,161,（3）扭转失稳-失稳时除杆件的支撑端外，各截面均绕纵轴扭转，是某些双轴对称截面可能发生的失稳形式；,淮海工学院土木工程系,162,2、理想轴心压杆的弹性屈曲,上述推导过程中，假定E为常量（材料满足虎克定律），所以E不应大于材料的比例极限fp，即：,淮海工学院土木工程系,163,淮海工学院土木

44、工程系,164,2、理想轴心压杆的弹塑性屈曲,传统方法仍然以理想轴心压杆的假定为基础，即 除了材料不再为无限弹性体、不符合虎克定律外 其他条件相同。该理论也采用欧拉理论的力学模 式：当压力小于临界力时，构件处于直线平衡状 态；当压力达临界力时，处于微弯平衡状态。,说明：弹性阶段，E常量，各类钢 材cr仅与长细比有关。 弹塑性阶段：Et变量，各类 钢材cr与长细比和Et都有关系。而 Et又与抗压强度有关。钢号影响。,淮海工学院土木工程系,165,香莱轴心压杆的非弹性稳定,淮海工学院土木工程系,166,传统方法的缺陷：未考虑初弯曲、初偏心和残余应力 对轴心压杆稳定承载能力的影响。,淮海工学院土木工

45、程系,167,（二）现代方法,20世纪60年代以后，新的压杆整体稳定理论在大量的试验基础上提出。实际情况说明压杆不可能完全处于理想状态，有初弯曲、初偏心、残余应力等多种不利因素的影响。试验曲线表明，压杆在承受轴压力的整个过程中都有侧向位移，只是开始侧向位移较小而接近极限承载力时侧向位移较大，到最后甚至不能收敛。,淮海工学院土木工程系,168,初始缺陷,力学缺陷：残余应力、材料不均匀等。,几何缺陷：初弯曲、初偏心等；,淮海工学院土木工程系,169,18.3.3 实际轴心受压构件的计算方法 为保证轴压构件不会发生整体失稳 应满足： 即： 可见稳定计算关键是求 ，亦即求,淮海工学院土木工程系,170

46、,Nu的 数值受初变形，初偏心，残余应力，材料不均匀程度等因素影响，不再是 的唯一函数，而是一个随机变量。 1、GB50017-2003规范采用的柱子曲线（ ） 所谓柱子曲线指压杆失稳时的临界应力 与长细比 间的关系曲线。 基本假定： 1) 初弯曲v0 2) 残余应力选用13种形式 3) 假定材料为理想弹塑性，残余应力沿杆长各截面分布相同 4) 按两端铰接计算,稳定系数附表4.14.4 P392-393,淮海工学院土木工程系,171,从200多条曲线中选出有代表性的96条曲线进行分类，合并（3类）得到实用柱子曲线; 厚板为第4类。,淮海工学院土木工程系,172,2、截面类型的划分,淮海工学院土

47、木工程系,173,3 构件长细比和换算长细比的确定,、截面为双轴对称或极对称构件：,对于双轴对称十字形截面，为了防止扭转屈曲，尚应满足：,、截面为单轴对称构件：,绕对称轴y轴屈曲时，一般为弯扭屈曲，其临界力低于弯曲屈曲，所以计算时，以换算长细比yz代替y ，计算公式如下：,淮海工学院土木工程系,174,淮海工学院土木工程系,175,、单角钢和双角钢,淮海工学院土木工程系,176,淮海工学院土木工程系,177,实腹式轴压杆整体稳定的实用计算公式 小结： 强度： 刚度： 整体稳定：,稳定系数附表4.14.4 P392-393,淮海工学院土木工程系,178,淮海工学院土木工程系,179,淮海工学院土

48、木工程系,180,18.5 实腹式轴心受压构件的局部稳定,局部失稳：在一定的受压应力、剪应力作用下， 板件（板件或受压翼缘）有可能偏离其正常位 置而形成波形屈曲。,等稳定准则：整体稳定 局部稳定,淮海工学院土木工程系,181,一 翼缘自由外伸宽厚比的限值 为三边简支，一边自由板， 取k=0.425 令： 得： 构件两个方向最大长细比 100时，取 100,淮海工学院土木工程系,182,二 腹板高厚比的限值,为四边弹性嵌固的均匀受压板，其非弹性临界屈曲时的临界应力为：,取1.3，k=4， 0.4,根据等稳定原则：,淮海工学院土木工程系,183,对于热轧部分T形钢：,焊接T形钢：,箱形截面的翼缘和

49、腹板：,对于大型工字钢截面和箱形截面轴心受压构件的腹板 由于高度较大，因此为满足高厚比的要求，往往采用 较厚的钢板，不经济。为节约材料，可采用较薄钢板 设置纵向加劲肋或有效截面法。,淮海工学院土木工程系,184,对于H形、工字形和箱形截面腹板高厚比不满足以上规定时，也可以设纵向加劲肋来加强腹板。 纵向加劲肋与翼缘间的腹板，应满足高厚比限值。 纵向加劲肋宜在腹板两侧成对配置，其一侧的外伸宽度不应小于10tw，厚度不应小于0.75tw。,淮海工学院土木工程系,185,或者按截面有效宽度的计算方法，就是将腹板计算高度边缘范围内两侧宽度各为20倍腹板厚度的部分及翼缘作为有效截面，忽略其余腹板中央部分，按有效截面计算构件的强度和稳定，但计算稳定系数时仍按全截面。 轧制型钢，由于翼缘和腹板比较厚，无需计算局部稳定。,淮海工学院土木工程系,186,一 设计原则,（1）等稳定性。尽量满足两主轴方向的等稳定要求，即：