钢结构基础课程教案同济大学Word文档下载推荐.docx

1、0） 显然 Pr= 1Pf （1-2） （1-3） （1-4） 因此结构可靠度的计算可转换为失效概率的计算。可靠的结构设计指的是使失效概率小到可以 接受程度的设计，绝对可靠的结构（失效概率等于零）是不存在的。由于与Z有关的多种影响因素 都是不确定的，其概率分布很难求得，目前只能用近似概率设计方法，同时采用可靠指标表示失效 概率。 1.3 可靠指标 为了使结构达到安全可靠与经济上的最佳平衡，必须选择一个结构的最优失效概率或目标可靠 指标。可采用“校准法”求得。即通过对原有规范作反演分析，找出隐含在现有工程中相应的可靠 指标值，经过综合分析，确定设计规范采用的目标可靠指标值。建筑结构设计统一标准规

2、定结 构构件可靠指标不应小于表1-1中的规定。钢结构连接的承载能力极限状态经常是强度破坏而不是屈 服，可靠指标应比构件为高，一般推荐用4.5。表11 表 1.4 极限状态设计表达式 除疲劳计算外，钢结构设计规范采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计 表达式进行计算 （1） 对于承载能力极限状态 承载能力极限状态，结构构件应采用荷载效应的基本组合和偶然组合进行设计 承载能力极限状态 基本组合 按下列极限状态设计表达式中最不利值确定 由可变荷载效应控制的组合： n （1-5） 0 （ G S G + Q S Q + Q ci S Q ） R k 1 1k i=2 i ik 由永久

3、荷载效应控制的组合： 0 （ G S G + Q ci S Q ） R k n （1-6） i =1 0结构重要性系数 结构重要性系数，按下列规定采用：对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的 结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于 1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，不应小于0.9； G永久荷载分项系数，应按下列规定采用：当永久荷载效应对结构构件的承载能力不利时，对 由可变荷载效应控制的组合应取1.2，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35；当永久荷载 效应对结构构件的承载能力有利时，一般情况下取1.0； Q1, Qi

4、第1个和第i个可变荷载分项系数，应按下列规定采用：当可变荷载效应对结构构件的承 载能力不利时，在一般情况下应取1.4，对标准值大于4.0kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载 取1.3；当可变荷载效应对结构构件的承载能力有利时，应取为0； S永久荷载标准值的效应； SQ1k在基本组合中起控制作用的第1个可变荷载标准值的效应； SQik第i个可变荷载标准值的效应； ci第i个可变荷载的组合值系数，其值不应大于1； R结构构件的抗力设计值，R=Rk/R，Rk为结构构件抗力标准值，R为抗力分项系数，对于Q235 钢，R=1.087；对于Q345、Q390和Q420钢，R=1.111。 对于一般排架、框

5、架结构，可以采用简化设计表达式： 由可变荷载效应控制的组合： 0 （ G S G + Q S Q ） R （1-7） 简化设计表达式中采用的荷载组合系数，一般情况下可取=0.9，当只有一个可变 荷载时，取=1.0。 由永久荷载效应控制的组合仍按式（1-6）计算。 偶然组合 对于偶然组合，极限状态设计表达式宜按下列原则确定：偶然作用的代表值不乘以分项系数；与 偶然作用同时出现的可变荷载，应根据观测资料和工作经验采用适当的代表值。 （2） 对于正常使用极限状态 正常使用极限状态，结构构件根据不同设计目的，分别选用荷载效应的标准组合、频遇组合 正常使用极限状态 和准永久组合进行设计，使变形、裂缝等荷

6、载效应的设计值符合下式的要求： SdC Sd变形、裂缝等荷载效应的设计值； C设计对变形、裂缝等规定的相应限值。 （1-8） 钢结构的正常使用极限状态只涉及变形验算，仅需考虑荷载的标准组合： S d = SGk + SQ1k + ci SQik （1-9） 1.5 钢结构的疲劳计算 疲劳断裂的概念 钢结构的疲劳断裂是裂纹在连续重复荷载作 用下不断扩展以至断裂的脆性破坏。疲劳破坏经 历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最 后迅速断裂。 与疲劳破坏有关的几个概念 应力集中 应力循环特征 连续重复荷载之下应力从最大到最 小重复一周叫做一个循环。应力循环特征常用应 力比来表示，拉应力取正值，压应力

7、取负值。 应力幅 应力幅表示应力变化的幅度，用 =max- min表示，应力幅总是正值。 （b） 图 1-1 疲劳应力谱 （a） max min t 疲劳寿命（致损循环次数） 疲劳寿命指在连续反复荷载作用下应力的循环次数，一般用n表示。 （1）疲劳曲线（?n曲线） log? 2n n （a） 图 1-2 ?-n 曲线 b （b） 2n logn 当采用双对数坐标时，疲劳曲线呈直线关系图 1-2（b）。其方程为 log n = b ? m log ? 考虑到试验点的离散性，需要有一定的概率保证，则方程改为 （1-10） （1-11） ? 2 n 式中 b n 轴上的截距； m 直线对纵坐标的斜率

8、（绝对值） ； 根 它 n 标准差， 据 试验 数据 由统计理论 公式得 出 ， 表示 log n 的离散程度 。 （1-11） 若 log n 呈正态分布 ，公式（1-12）保证率 是 97.7%；若 呈 t 分布 ，则约 为 95%。 （2）疲劳计算及容许应力幅 一般钢结构都是按照概率极限状态进行设计的，但对疲劳部分规范规定按容 许应力原则进行验算。这是由于现阶段对疲劳裂缝的形成、扩展以至断裂这一过 程的极限状态定义，以及有关影响因素研究不足的缘故。 应力幅值由重复作用的可变荷载产生，所以疲劳验算按可变荷载标准值进 行。由于验算方法以试验为依据，而疲劳试验中已包含了动力的影响，故计算荷 载

9、时不再乘以吊车动力系数。 常幅疲劳按下式进行验算 ? 式中 幅 ? = max ? 0.7 min ，应力以拉为正，压为负； 数由公式（1-14）计算。 由式（1-11）可得 （ 1-12） 对焊接部位为应力幅 ? min ；对非焊接结构为折算应力 ? 常 幅 疲 劳 的 容 许 应 力 幅 ， 按 构 件 和 连 接 的 类 别 以 及 预 期 的 循 环 次 10 ? = ? ? n ? b ? C ?m ? =?n? 1 m 1 （1-13） 取此 ? 作为容许应力幅,并将 m 调成整数,记为 = ? n? 式中 n应力循环次数； （1-14） C、 系数，根据 构件和连接类别按表 1-

10、3 采用。 系数 C、 值 构件和连 接 类别 C 1 1940 10 12 4 2 861 10 12 4 3 3.26 10 12 3 4 2.18 10 12 3 5 1.47 10 12 3 6 0.96 10 12 3 7 0.65 10 12 3 表 1-3 8 0.41 10 12 3 应 力 循 环 次 数 n 确 定 容 许 应 力 幅 ? ，或 根 据 设 计 应 力 幅 水 平 预 估 应 力 循 环 次 数 n。 如为全压应力循环，不出现拉应力，则对这一部位不必进行疲劳计算。 由 式 （1-14）可 知 ，只 要 确 定 了 系 数 C 和 ，就 可 根 据 设 计 基

11、 准 期 内 可 能 出 现 的 （3）变幅疲劳 大部分结构实际所承受的循环应力都不是常幅的。以吊车梁为例，吊车运行 时并不总是满载，小车在吊车桥上所处的位置也在变化，吊车的运行速度及吊车 的维修情况也经常不同。因此吊车梁每次的荷载循环都不尽相同。吊车梁实际处 于欠载状态的变幅疲劳下。对于重级工作制吊车梁和重级、中级工作制的吊车桁 架，规范规定其疲劳可作为常幅疲劳按下式计算 f ? ? 210 式中 6 （ 1-15） 变幅疲劳的最大应力幅； 循环次数 n = 2 10 次的容许应力幅，由式（1-14）计算； f 中 、 重 级 吊 车 荷 载 折 算 成 n = 2 10 6 时 的 欠 载

12、 效 应 等 效 系 数 ， 根 据 对大 国 陆 吊 车 荷 载 谱 的 调 查 统 计 结 果 ， 重 级 工 作 制 硬 勾 吊 车 为 1.0， 重 级 工 作 制 软 勾 吊 内 车为 0.8，中级工作制吊车为 0.5。 2 钢结构材料 2.1 结构钢材的破坏形式 结构钢材的破坏形式: 塑性破坏 脆性破坏 2.2 钢结构对钢材性能的要求 （1） 较高的强度: 屈服强度（屈服点）fy和抗拉强度fu 2 钢 结 构 材 料 （2） 良好的塑性 : 伸长率 钢材拉伸图 （3） 韧性好 :冲击韧性值Cv 冲击韧性图 （4） 可焊性好 （5） 合格的冷弯性能 2.3 影响钢材性能的主要因素 （

13、1） 化学成分 钢材由各种化学成分组成的，其基本元素为铁（Fe），碳素结构钢中铁占99%。碳和其它元 素仅占1%，但对钢材的性能有着决定性的影响。普通低合金钢中还含有低于5%的合金元素。 碳（C 碳（C） 、硫（S） 、磷（P） 、氧（O）和氮（N） 、锰（Mn） 、硅（Si） 硫（S 磷（P 氧（O）和氮（N 锰（Mn） 硅（Si） （2） 冶炼、轧制、热处理 （3） 钢材的硬化 时效硬化 冷作硬化 （4） 温度的影响 （5） 复杂应力状态 （6） 应力集中 （7） 反复荷载作用 2.4 结构钢材种类及其选择 （1） 钢材的种类和牌号 碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点的数值（N/

14、mm2）、质量等级符号和脱氧方 碳素结构钢 法符号等四个部分按顺序组成。如Q235AF表示屈服强度为235Nmm2的A级沸腾钢； Q235-Bb表示屈服强度为235Nmm2的B级半镇静钢；Q235-C表示屈服强度为235Nmm2的C 级镇静钢。 低合金高强度结构钢 低合金钢是在冶炼过程中添加一种或几种少量合金元素，其总量低于5的钢材。其牌号与碳 素结构钢牌号的表示方法相同，常用的低合金钢有Q345、Q390、Q420等。 低合金钢的脱氧方法为镇静钢或特殊镇静钢。 Q345-B表示屈服强度为345Nmm2的B级镇静钢；Q390D表示屈服强度为390Nmm2的D 级特殊镇静钢。 碳素结构钢和低合金

15、钢都可以采取适当的热处理（如调质处理）进一步提高其强度。例如用 于制造高强度螺栓的45号优质碳素钢以及40硼（40B）、20锰钛硼（20MnTiB）就是通过调质 处理提高强度的。 （2） 钢材的选用原则 钢材选用的原则是既要使结构安全可靠和满足使用要求，又要最大可能节约钢材和降低 造价。为保证承重结构的承载力和防止在一定条件下可能出现的脆性破坏，应综合考虑下列 因素：结构的重要性、荷载的性质、连接方法、结构的工作环境、钢材厚度 （3）钢材的规格 钢结构所用钢材主要为热轧成型的钢板、型钢，以及冷弯成型的薄壁型钢等。 钢板 钢板有薄钢板（厚度0.354mm）、厚钢板（厚度4.560mm）、特厚板（

16、板厚60mm） 和扁钢（厚度460mm，宽度为12200mm）等。钢板用“宽厚长”或“宽厚”表示， 单位为mm，如45083100，4508。 型钢 钢结构常用的型钢是角钢、工字型钢、槽钢和H型钢、钢管等。除H型钢和钢管有热轧和 焊接成型外，其余型钢均为热轧成型。 冷弯薄壁型钢 冷弯薄壁型钢采用薄钢板冷轧制成。其壁厚一般为1.512mm，但承重结构受力构件的壁厚不 宜小于2mm。薄壁型钢能充分利用钢材的强度以节约钢材，在轻钢结构中得到广泛应用。常 用冷弯薄壁型钢截面型式有等边角钢、卷边等边角钢、Z型钢、卷边Z型钢、槽钢、卷边槽钢 （C型钢）、钢管等。 3 钢结构的连接设计 3.1 钢结构的连接

17、方法 在传力过程中，连接部位应有足够的强度。被连接件间应保持正确的位置，以满足传力和使 用要求。 图 钢结构的连接通常有焊接，铆接和螺栓连接三种方式（图3-1）。 3.2 焊接连接的特性 钢结构常用的焊接方法有电弧焊，电渣焊、气体保护焊和电阻焊等。 焊缝连接形式按构件的相对位置可分为平接、搭接、T形连接和角接四种。（图3-2） 图 焊缝形式主要有对接焊缝和角焊缝。其中对接焊缝按受力方向可分为对接正焊缝和对接斜焊 缝；角焊缝长度方向垂直于力作用方向的称正面角焊缝，平行于力作用方向的称侧面角焊缝。 焊缝缺陷和焊缝等级 焊缝中可能存在裂纹、气孔、烧穿、夹渣、未焊透、咬边、焊瘤等缺陷。（图3-3） 图

18、 钢结构工程施工质量验收规范（GB50205）规定，焊缝依其质量检查标准分为三级，其中 三级焊缝只要求通过外观检查，即检查焊缝实际尺寸是否符合设计要求和有无看得见的裂纹，咬 边等缺陷。对于重要结构或要求焊缝金属强度等于被焊金属强度的对接焊缝，必须进行一级或二 级质量检验，即在外观检查的基础上再做无损检验。其中二级要求用超声波检验每条焊缝的20 长度，且不小于200mm；一级要求用超声波检验每条焊缝全部长度，以便揭示焊缝内部缺陷。 焊缝代号 焊缝符号主要由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成。 （表3-1a） （表3-1b） 表 表 3 钢 结 构 的 连 接 设 计 3.3 对接焊缝的构造和计

19、算 对接焊缝按坡口形式分为I形缝、V形缝、带钝边单边V形缝、带钝边V形缝（也叫Y形缝）、 带钝边U形缝、带钝边双单边V形缝和双Y形缝等。（图3-4） （ 对基焊缝计算 对接焊缝的应力分布情况基本上与焊件相同。可用计算焊件的方法计算对接焊缝。对于重要 的构件，按一、二级标准检验焊缝质量，焊缝和构件等强，不必另行计算，只有对三级焊缝，才 需要计算。 （1）轴心受力的对接焊缝 N（lwt）fwt或fwc （3-1） 式中 N 轴心拉力或压力的设计值； lw 焊缝计算长度，当采用引弧板施焊时，取焊缝实际长度；当无法采用引弧板时，每条 焊缝取实际长度减去2t； t 在对接接头中为连接件的较小厚度，不考虑

20、焊缝的余高；在T形接头中为腹板厚度; ftw， fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。抗压焊缝和质量等级为一、二级的抗拉焊缝与母 材等强，三级抗拉焊缝强度为母材的85% 。 （2）受弯、受剪的对接焊缝计算 MWw fwt （3-2） VS（Iwt ） fwV （3-3） （3-4） 2 2 zs = B + 3 B 1.1 f t w 3.4 角焊缝的构造和计算 （1） 角焊缝的截面 角焊缝两边夹角一般为900（直角角焊缝），夹角大于1350或小于600的斜角交焊缝，除钢管结 构外，一般不宜用作受力焊缝。 （图3-5） 角焊缝的有效截面为平分角焊缝夹角的截面，破坏往往从这个截面发生。有效截面的

21、高度 （不考虑焊缝余高）称为角焊缝的有效厚度he ，当 90o 时， he 0.7 hf ；当 90o 时， he hf cos（ /2）。 （2） 角焊缝的尺寸限制 焊脚尺寸 hf 应与焊件的厚度相适应，不宜过大或过小。 对手工焊，hf应不小于1 . 5 t ，t为较厚焊件的厚度（mm），对自动焊，可减小1mm； hf应不大于较薄焊件厚度的1.2倍。 对于板件边缘的焊缝，当t 6mm时， hf t ；当t 6mm时， hf t （12）mm。 （图3-6） 焊缝长度 lw也不应太长或太短，其计算长度不宜小于8hf或40mm ，且不宜大于60hf 。 （3） 角焊缝计算的基本公式 2 f 2

22、2 （ x + y ? x ? y ） + z2 f fw （3-5） 式中 f 正面角焊缝的强度设计值增大系数， f = 3 结构中的角焊缝，由于正面角焊缝的刚度大，韧性差，应取f 1.0； 2 1 . 22 ；但对直接承受动力荷载 x 、y 按角焊缝有效截面计算，垂直于焊缝长度方向的正应力； z 按角焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力。 （4） 常用连接方式的角焊缝计算 受轴心力作用时（图3-7） （ 焊缝长度与受力方向垂直（正面角焊缝）： N he ? l w f fw （3-6） 焊缝长度与受力方向平行（侧面角焊缝） ： V f fw he ? （3-7） 式中 lw为连接一侧所

23、有焊缝的计算长度之和，每条焊缝按实际长度减去2hf。 三面围焊时，先按式（36）计算计算正面角焊缝受力N1，再由N N1按式（37）计算。 弯矩单独作用时（图3-8） （ f = M f ? f fw Ww （3-8） 式中 Ww角焊缝有效截面的截面模量。 （ 扭矩单独作用时（图3-9） A = T ? rA J （3-9） 式中 J 角焊缝有效截面的极惯性矩，J=IxIy ； rAA点至形心o点的距离。 将 A分解到x和y方向，有 T Ax r Ay J T Ay r Ax J 弯矩、扭矩、轴心力共同作用时，分别计算受力最不利点的正应力和剪应力，按下式计算： （ ） + （ ） 2 f fw

24、 （3-10） 3.5 螺栓连接的排列和构造要求 螺栓在构件上的排列可以是并列或错列（图3-11），排列时应考虑下列要求: 1受力要求：对于受拉构件，螺栓的栓距和线距不应过小，否则对钢板截面削弱太多，构件有 可能沿直线或折线发生净截面破坏。对于受压构件，沿作用力方向螺栓间距不应过大，否则 被连接的板件间容易发生凸曲现象。因此，从受力角度应规定螺栓的最大和最小容许间距。 2构造要求：若栓距和线距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易于侵入缝隙而产生腐蚀，所 以，构造上要规定螺栓的最大容许间距。 3施工要求：为便于转动螺栓扳手，就要保证一定的作业空间。所以，施工上要规定螺栓的最 小容许间距。 图3-1

25、1 钢板上螺栓的排列 （a） 并列；（b） 错列；（c） 容许间距 根据以上要求，规范规定螺栓的最大和最小容许间距见表3-2。 表3-2螺栓的最大和最小容许间距 名称 位置和方向 外 排 （垂 直 内 力 或 顺 内 力 方 向 ） 中 中心间距 间 排 垂直内力方向 顺内力方向 构件受压力 构件受拉力 沿对角线方向 顺内力方向 中心至构件 边缘距离 垂直 内力 方向 剪切或手工气割边 轧 制 边 、自 动 气 割或锯割边 高强度螺栓 其它螺栓 4d 0 或 8 t 最大容许距离 （取两者的较小值） 8d 0 或 12 t 16d 0 或 24 t 12d 0 或 18 t 16d 0 或 24 t 2d 0 1.5d 0 1.5d 0 1.2d 0 3d 0 最小容许距离