钢结构设计原理电子教案.pdf

第一章 概 述 一、教学内容：钢结构在我国的发展概况、钢结构的特点和合理应用范围、钢结构的设计方法、钢结构的发展。二、教学内容及教学要求：（一）钢结构在我国的发展 1、了解钢结构在我国发展的几个阶段；2、了解当前钢结构在我国发展的态势。（二）钢结构的特点和合理应用范围 1、理解匀质等向体的重要意义；2、理解钢结构的特点，及根据充分发挥其特点的原则确定其合理应用范围。（三）近似概率极限状态设计法 1、理解结构可靠性的内容，用可靠度指标衡量结构可靠性的方法；2、掌握钢结构近似概率极限状态设计方法和设计表达式。三、重点、难点：重点：钢结构的特点和合理应用范围；近似概率极限状态设计方法 难点：近似概率极限状态设计方法表达式的理解 四、学时安排：3 学时 五、作业：课外查找两种有关钢结构的杂志、了解钢结构的一些前沿动态 六、教案：第一节 钢结构在我国的发展概况 一、结合钢结构的特点：1、轻质高强 2、抗震性能好 3、建造速度快 4、工期短 5、综合经济效益好 阐述国外国内各历史阶段钢结构的发展情况，预期，随着我国经济建设的不断发展，钢结构的应用将日新月异，并将进入新的更高的发展阶段。二、解析钢结构课程的基本框架、特点、地位及学习方法 钢结构课程基本框架如下表：钢材屋架柱拉弯、压弯构件：梁、受弯构件：梁轴心受压构件：柱螺栓连接焊接各种更大构件各种构件组成建筑结构 主要章节都沿用如下设计思路：强度 刚度 整体稳定 局部稳定 第二节 钢结构的特点和合理应用 一、钢结构特点 1、自重轻而承载强度高 钢材虽容重比其他材料大，但强度却高很多，属轻质高强材料。例：同跨度同荷载条件下，钢屋架重量只有钢筋砼屋架自重的3141；应用：大跨结构，如体育场馆，桥梁；高耸结构，如输电塔架，电视塔等。2、塑性、韧性好 理力 材力 结力 钢结构 钢筋砼结构 砌体结构 地基与基础 研究如何应用力学的规律并结合实践工程经验，来解决实际结构的设计问题。力学 着重分析推理及对受荷结构进行分析计算。塑性：静力荷载作用下，材料抵抗变形的能力；20-30%韧性：动力、冲击交变荷载作用下，材料不破坏的能力。塑性好，避免偶然或超载产生的断裂破坏（脆性破坏）。韧性好，使对动力荷载适应性强。应用：抗震性能好；有较大动力设备的、有吊车的工业厂房。3、更接近于匀质等向体 各部分各方向都接近于匀质等向体，在使用应力阶段，钢材属于匀质等向体（理想弹性体），和力学计算相符合。所以钢结构的实际受力情况和力学计算最相符合。4、具有可焊性和良好加工性能 使钢结构的连接大力简化，还可满足制造各种复杂形状结构的需要，这是促进近代钢结构发展的重要因素之一。5、耐热性能好，但防火性能差 200 内，钢材耐热而不耐高温；200 以上，温度越高，强度越底，耐火时间不长，超过 600，瞬时全部崩溃。例：美国 9.11 事件。6、密封性好 7、钢材的可重复使用性-回炉冶炼，重复使用。绿色和可持续发展材料 8、耐腐蚀性差；有低温冷脆倾向 二、钢结构的应用：1、承受荷载大的工业厂房等 2、大跨度结构 3、高层建筑 4、塔桅结构 5、轻型钢结构（冷弯薄壁型钢、小角钢、钢管结构）6、钢与砼组合结构（新的研究领域，钢材适宜受拉、混凝土适宜受压，组合并用，充分发挥它的长处。广泛用于高层建筑等，主要结构形式：钢-砼组合梁、钢管砼柱等）第三节 钢结构设计方法 一、结构的功能要求 1、设计准则：充分满足功能要求的基础上，做到安全可靠，技术先进，但又要经济合理。概括为：结构应具有安全性、适用性、耐久性，统称为可靠性。钢结构设计规范采用了以概率理论为基础的极限状态设计法。2、结构在规定的设计使用年限内应满足的功能有：(1)在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；(2)在正常使用时具有良好的工作性能；(3)在正常维护下具有足够的耐久性；(4)在设计规定的偶然事件(如地震、火灾、爆炸、撞击等)发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。3、结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力，称为结构的可靠性；一般建筑物的设计基准期为 50 年。二、结构的极限状态 1、承载能力极限状态：概念：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，称为该功能的极限状态。极限状态实质上是结构可靠与不可靠的界限，故也可称为“界限状态”。包括：（1）、静力强度（2）、动力强度（3）、稳定 局部 整体 2、正常使用极限状态：刚度、挠度、变形、裂缝 三、概率极限状态设计原理 结构或构件的承载力R 截面模量构件截面积材料强度都是独立的随机变 量，应用概率来确定它们的设计值。荷载效应，作用S 地震基础不均匀沉降温度变化荷载也是随机变量，用各自的统计现值来确定。从而写出极限状态方程：Z=g（R，S）=R-S=0 当 RS 时，结构处于可靠状态。当 RS 时，结构处于失效状态。当 R=S 时，结构处于极限状态。过去采用安全系数法安全系数都为定值且全凭经验选定，设计的结构和不同构件的安全座不可能相等，因而不合理。后来出现了极限状态设计法：1、半概率极限设计法：少量参数，如：钢材设计强度、风雪荷载 2、近似概率设计法：现在用见 P，各统计资料不完全。3、全概率设计法：有待完善研究。四、近似概率设计法 概念：把影响构件可靠性的各种因素都视为随机变量，根据分析确定失效概率来度量结构的可靠性。根据实际结构的统计资料，得到极限状态方程 Z=R-S 的统计结果，算出各种 Z 值所占全部统计值的百分率，以横轴坐标为 Z 值，纵坐标为各 Z 值所占%（即Z值 的 统 计 频 率），绘 出 统 计 频 率 曲 线 如 下 图：Z0 时为 pr，为可靠概率，则有下列关系：pr=1-pf pf值越小，结构或构件可靠度也越大。设计图中失效概率比较困难，但由图可见，失效概率和平均值Z及标准差z之间存在下列关系：zz，zz 有了 Z 值的全部值（统计），就能算出他的平均值Z及标准差z。称为结构或构件的可靠指标（可靠度）。计算 值比计算 pf值简单，因此用 值确定构件的可靠度，所以这种设计方法又称为可靠度设计。当 R 和 S 的统计值不按正态分布时，结构构件的可靠指标应以它们的当量正态分布的平均值和标准差代入以下公式来计算：钢结构要求=3 3.2，即设计出来的结构的失效概率为万分之 6.9和千分之 1.35 之间。这种采用概率理论的极限状态设计法称为概率极限状态设计法，他比容许应力设计法要先进的多。但采用概率极限状态设计法时，必须拥有各个随机变量的统计数值。但我们只掌握了少量，如：屈服点、风荷载和雪荷载等，其他大多只能凭经验定。因而现行规范推荐的设计法可称为近似概率极限状态设计法。按可靠指标进行设计，不易掌握和取得，因而现行设计规范将极限状态设计公式等效地转化为大家熟悉的分项系数设计公式。1、承载力极限状态公式：可变荷载效应控制的组合：永久荷载效应控制的组合：对于一般排架,框架结构,可采用简化式计算：由可变荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合,仍按计划(1.3.13)进行计算。说明：0：为结构重要性系数,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;二级或设计使用年限为 50 年的结构构件,不应小于 1.0:三级或设计使用年限为 5 年的结构构件,不应小于 0.9,对使用年限为25 年的结构构件,0 不应小于 0.95;：为永久荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力;为起控制作用的第一个可变荷载标准值结构构件截面或连接中产生的应力(该值计算结果为最大),为其他第 i个可变荷载在结构构件截面或连接中产生的应力;G 为永久荷载分项系数,当永久荷载对结构构件的承载能力不利时取 1.2,但对式(1.3.13)则取 1.35.当永久荷载对结构构件的承载有利时,取为 1.0.验算结构倾覆,滑移或漂浮时取 0.9,Q1,Qi 为 第一个和其他第 i个可变荷载分项系数,当可变荷载效应对结构构件的承载能力不利时,取 1.4(当楼面活荷载大于 4.0kM m 时,取 1.3),有利时,ci取为第 i个可变荷载组合值系数,可按荷载规范的规定采用;为简化式中采用的荷载组合值系数,一般情况下可采用0.9,当只有一个可变荷载时,取为 1.0,为钢材或连接的强度设计值,对钢材为屈服点 y 除以抗力分项系数 R 的商.如 Q235刚抗拉强度设计值 =y/1.087。2、正常使用极限状态表达式 按 GB50068 2001 建筑结构可靠度设计统一标准 的规定要求分别 采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的规定限值。钢结构只考虑荷载的标准组合，其设计式为：第二章 建筑钢材及其性能 一、教学内容：结构钢材一次拉伸时的力学性能；结构钢材的力学性能指标；结构钢材的脆性破坏；钢材种类和规格。二、教学内容及教学要求：（一）钢材一次拉伸时的力学性能 理解拉伸全过程的四个阶段（二）钢材的力学性能指标 1、理解单向应力状态下 4 个力学性能指标；2、理解钢材的塑韧性指标；3、理解化学成分对钢材性能的影响。（三）结构钢材的脆性破坏 1、理解应力集中现象；2、理解冶金缺陷和温度变化可能引起钢材脆性破坏现象；3、理解实效硬化和冷作硬化的现象和原因。（四）钢材的牌号、规格和合理选用 1、理解建筑钢材牌号和用途；2、理解各种钢材的规格和特性；3、理解如何根据使用要求、使用条件、受力状况合理地选用钢材。三、重点、难点：重点：结构钢材一次拉伸时的力学性能；结构钢材静力和动力性能指标；应用能量理论计算钢材的折算应力；应力集中 难点：钢材的疲劳问题 四、学时安排：7 学时 五、作业：3、4 六、教案：第一节 建筑钢材的基本要求 1、要求：强度高；塑性、韧性好；可焊性良好；低温下保持较好韧性；抗腐蚀性能好。2、种类：碳素结构钢中的 Q235及低合金钢中的 Q345、Q390、Q420。3、规格：供应的钢材规格为型材、板材、管材及金属制品四大类。第二节 建筑钢材的主要机械性能 机械性能包括：强度、塑性、冷弯性能、冲击韧性及可焊性。一、强度和塑性 钢材强度一般由常温静载（包括韧性）下单向拉伸实验曲线表明把钢材加工成标准试件，20条件下做拉伸试验，得到应力-应变曲线关系如下图：低碳钢拉伸工作四阶段：1、弹性阶段pf，应力与应变为直线关系，E 大，小 2、塑性弹性阶段由比例极限得到屈服点yf，应力应变表现为曲线关系。3、塑性阶段应力保持屈服点yf不变，应变不断增大，钢材处于流塑状态，表现为暂时失去承载力。4、强化阶段恢复了承载能力，应力-应变曲线上升，当到uf（抗拉强度）时试件颈缩断裂。断口与作用力方向 45。这种塑性变形很大，经历时间很长的破坏称为“塑性破坏”。破坏时间没有明显征兆，破坏在瞬时发生危险性大，称为“脆性破坏”。通过拉伸试验，得到三个机械性能指标：（1）uf抗拉强度-是钢材一项重要的强度指标，它反映钢材受拉时所能承受的极限应力。（2）伸长率-是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标，以试件破坏后在标定长度内的残余应变表示。取圆试件直径的5倍或10倍为标定长度，其相应伸长率分别用 5或 10表示。（3）yf屈服点-是钢结构设计中应力允许达到的最大限值 二、冷弯试验（冷弯性能）将钢材按原有厚度（直径）做成标准试件，放在冷弯试验机上，用具有一定弯心直径的冲头，在常温下对标准试件中部施加荷载，使之弯曲达到1800，然后检查试件表面，如果不出现裂纹和起层，则认为试件材料冷弯试验合格。作用：1、检验钢材是否适应构件制作过程中的冷作工艺 2、可以暴露出钢材内部缺陷（颗粒组织、结晶状况、微裂 纹、气泡等）三、冲击韧性 韧性是指钢材抵抗冲击或振动荷载的能力，其衡量指标为冲击韧性。冲击韧性值由冲击试验求得。钢材的屈服点、抗拉强度、伸长率、是在常温静载下实验得到，反映钢材在常温静载下的性能；韧性反映钢材在承受冲击或振动荷载下的性能。四、可焊性 第三节 建筑钢材的两种破坏形式 破坏形式分为两种：延性（塑性）破坏 脆性破坏 一、延性破坏 1、概念：材料在破坏之前如果有明显的变形，并吸收很大 的能量，从发生变形到最后破坏要持续较长的时间 2、特点：破坏前变形大，持续时间长，易于发现和补救，危险性相对较小 二、脆性破坏 1、概念：材料在破坏之前没有明显的变形吸收能量很少，破坏突然发生。例：砖石材料的破坏。2、特点：对比延性破坏 第四节 影响钢材性能的主要因素 一、化学成分因素的影响 钢中主要元素是铁（99%），其余是各种元素（1%）钢是以铁和碳为主要成分的合金，虽然碳和其他元素所占比例甚少，但却左右着钢材的性能。碳 是各种钢中的最重、主要元素之一。随着含碳量的提高，钢的强度逐渐增高，而塑性和韧性下降，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等也变劣。碳素钢按碳的含量区分，小于0.25的为低碳钢，介于0.25和0.6之间的为中碳钢，大于0.6的为高碳钢。规范推荐的钢材，含碳量均不超过0.22，对于焊接结构则严格控制在0.2以内。硫 是有害元素，常以硫化铁形式夹杂于钢中。当温度达800-1000 时，硫化铁会熔化使钢材变脆，因而在进行焊接或热加工时，有可能引发热裂纹，称为“热脆现象”。此外，硫还会降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、抗锈蚀性能和焊接性能等。磷 可提高钢的强度和抗锈蚀能力，但却严重地降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能，特别是在温度较低时促使钢材变脆，称为“冷脆现象”。因此，磷的含量也要严格控制。锰 是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，消除硫对钢的热脆影响，改善钢的冷脆倾向，同时不显著降低塑性和韧性。锰还是我国低合金钢的主要合金元素，其含量为0.81.8.但锰对焊接性能不利，因此含量也不宜过多。硅 是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生产镇静钢。适量的硅，可以细化晶粒，提高钢的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能无显著不良影响。硅的含量在一般镇静钢中为0.120.30，在低合金钢中为0.20.55o过量的硅会恶化焊接性能和抗锈蚀性能。钒、铌、钛等元素在钢中形成微细碳化物，加入适量，能起细化晶粒和弥散强化作用，从而提高钢材的强度和韧性，又可保持良好的塑性。铬、镍是提高钢材强度的合金元素。氧和氮属于有害元素。氧与硫类似使钢热脆，氮的影响和磷类似，因此其含量均应严格控制。二、温度因素的影响 随着温度升高，钢材强度及弹性模量降低，塑性韧性提高。1500C 以内，钢材性能变化不大；超过 3000C 后，强度和弹性模量显著下降，塑性显著上升；到 6000C 上，强度几乎为零，塑性急剧上升，表现为丧失承载力；蓝脆现象：钢材在 2500C 附近，钢材强度有所提高，而塑性相应降低，钢材性能转脆，由于在这个温度下，钢材表面氧化膜呈蓝色，故称“蓝脆现象”。应避免在这个温度区进行热加工。三、钢材的疲劳因素的影响 疲劳破坏：钢材承受重复变化的荷载作用时，材料强度降低，破坏提早。破坏突然发生。疲劳破坏原因：1、应力集中 一般认为是由于钢材内部有微观细小裂纹，在连续反复变化的荷载作用下，裂纹端部产生应力集中，交变的应力使裂纹逐渐扩展，这种积累的损伤最后导致突然断裂。2、应力变化及循环次数 用应力比maxmin反映应力循环特征，循环变幅应力循环常幅应力循环 规范采用容许应力幅的方法计算疲劳。1nC 式中 常幅疲劳的容许应力幅 n应力循环次数 C、与构件和连接类别有关的系数，由表2.1查得 三、疲劳计算 规范规定的常幅疲劳计算公式和变幅疲劳计算公式如下：1nC 式中 常幅疲劳的容许应力幅 对焊接部位应力幅minmax，对非焊接部位为折 算应力幅minmax7.0 max计算部位每次应力循环中的最大拉应力（取正值）min计算部位每次应力循环中的最小拉应力（取正值）或压 应力（取负值）变幅疲劳计算公式 161021026Cf 式中f欠载效应系数。规范规定对重级工作制的硬钩吊车取 1.0，重级工作制的软钩吊车取 0.8，中级工作制吊车取 0.5。6102循环次数 n=2 106次的容许应力幅。第五节 建筑钢材的种类、规格及选择 一、建筑钢材的种类 Q235、Q345、Q390及 Q420 标准钢材牌号表示方法由字母 Q、屈服点数值（N/mm2）、质量等级代号（A、B、C、D）及脱氧方法代号（F、b、Z、TZ）四个部分组成。Q：“屈”字汉语拼音的首位字母。质量等级：A 级代表最差，D 级最优 脱氧方法：F-沸腾钢 b-半镇静钢 Z-镇静钢 TZ-特殊镇静钢 Q235中 A、B 级有沸腾钢、半镇静钢及镇静钢，C 级全部为镇静钢，D 级全部为特殊镇静钢。低合金高强度结构钢全部为镇静钢或特殊镇静钢，其中质量等级有 AE五个级别。钢号的代表意义如下：1）Q235-A：屈服点为 235N/mm2的 A 级镇静碳素结构钢 2）Q235-BF：屈服点为 235N/mm2的 B 级沸腾碳素结构钢 3）Q235-D：屈服点为 235N/mm2的 D 级特殊镇静碳素结构钢 4）Q345-E：屈服点为 345N/mm2的 E 级低合金高强度结构钢 二、钢材规格 1、热轧成型（1）热轧钢板：a、厚 45-60mm，宽 06-3m，长 4-5m b、薄 0.35-4mm作冷弯薄型钢原材料。c、扁钢：d、花纹钢：走道板和梯子板（2）热轧型钢：a、角钢：按边宽来编号，如：5 号角钢边宽 50mm；分为等边和不等边：100 80 80 b、工字钢：I20a 表示：高为 20cm工字钢，a 表示腹板厚度 c、槽钢：22a d、钢管：无缝、有缝 2、冷轧成型：用薄钢板模压或弯制而成，壁薄 1.5-5mm。截面开展，特别经济。第三章 钢结构的连接 一、教学内容：钢结构连接的种类和特点；对接焊缝及其连接；角焊缝及其连接；焊接应力和焊接变形；普通螺栓连接；高强螺栓连接。二、教学内容及教学要求：（一）钢结构连接的种类和特点 1、理解钢结构常采用的两种连接方法，焊接和螺栓连接，它们的优缺点和用途；2、理解电弧焊的基本原理和设备，焊条种类和选用，焊缝的方位和要求，焊缝符号和标注方法，以及焊缝缺陷和检验标准；3、理解普通和高强螺栓的优缺点和用途。（二）对接焊缝及其连接 1、理解对接焊缝的构造和工作性能；2、掌握对接焊缝和工字连接构造，能综合应用传递各种内力时的传力过程分析和焊缝的计算公式；（三）角焊缝及其连接 1、理解角焊缝的形式、工作性能和构造要求；2、掌握各种连接在各种内力作用下的内力传递过程分析以及连接的计算。（四）焊接应力和焊接变形 了解焊接应力和焊接变形的种类、产生原因及影响，以及减小和消除的措施。（五）普通螺栓连接和高强螺栓连接 1、理解螺栓的排列和构造要求；2、理解普通螺栓连接传递剪力和拉力时的工作性能和破坏形式；3、掌握普通螺栓连接在传递各种内力时，传力过程的分析和计算方法；4、掌握高强螺栓连接在传递各种内力时，传力过程的分析和计算方法。三、重点、难点：重点：对接焊缝和角焊缝的受力性能；摩擦型高强度螺栓的工作特点和计算 难点：焊接应力与焊接变形 四、学时安排：14 学时 五、作业：1、2、3、6、7、8、9、10、11、14 六、教案：第一节 连接种类和特点 一、简述钢结构连接的重要地位 二、连接形式（一）按连接件间相对位置 1、平接：连接件在同一平面内 2、搭接：连接件相互搭接 3、垂直连接：连接件相互垂直（二）按连接方法 分为焊接连接、铆钉连接、螺栓连接和轻型钢结构用的紧固件连接等(图3.1.1)。图 3.1.1 钢结构的连接方法（a）焊缝连接；(b)铆钉连接；(c)螺栓连接；(d)紧固件连接 1、焊接连接：（最主要连接方法）1.1优点：（1）不削弱面，经济；（2）直接焊接，简单，省工；（3）连接密封性好，刚度大。1.2缺点：（1）焊区材质变脆；（2）产生残余应力、残余变形。1.3 钢结构常用的焊接方法 (1)手工电弧焊 最常用的一种焊接方法(图 3.1.2)。通电后，在涂有药皮的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着熔池，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。图 3.1.2 手工电弧焊 (a)电路；(b)施焊过程 1 一电焊机；2 一导线；3 一焊件；4 一电弧；5 一药皮；6 一起保护作用的气体；7 一熔渣；8一焊缝金属；9 一主体金属；10 一焊丝；11 一熔池 手工电弧焊设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，特别适于焊接短焊缝。但生产效率低，劳动强度大，焊接质量与焊工的技术水平和精神状态有很大的关系。1.4 手工电弧焊所用焊条应与焊件钢材(或称主体金属)相适应，例如：对 Q235钢采用 E43 型焊条(E4300 E4328)；对 Q345钢采用 E50 型焊条(E5000 E5048)；对 Q390 钢和Q420 钢采用 E55 型焊条(E5500 E5518)。焊条型号中字母 E 表示焊条，前两位数字为熔敷金属的最小抗拉强度(单位为kgfmm)，第三、四位数字表示适用焊接位置、电流以及药皮类型等。不同钢种的钢材相焊接时，宜采用低组配方案。(2)埋弧焊(自动或半自动)2、铆钉连接：孔比钉杆直径大 1mm，加热到 900-1500，插入钉孔，打成铆钉头，现已很少采用。3、螺栓连接（1）普通螺栓连接：主要为 c 级粗制螺栓，传递剪力时，连接变形较大，但传递拉力性能尚好。主要用于安装连接及可拆卸的结构中。普通碳素钢制成，属 4.6、4.8 级，表示最低抗拉强度：400N/mm2。0.6、0.8螺栓材料屈强比（屈服点/最低抗拉强度）（2）高强螺栓连接：主要靠连接板间的强大摩擦阻力传递剪力，而普通螺栓和铆钉主要靠钉杆承压和抗剪来传剪力。又分为：摩擦型和承压型 a、摩擦型只靠连接板件间的强大摩擦阻力传力，以摩擦阻力被克服作为连接承载力的极限强度。为了产生更大摩擦力，应采用高强度及材料优质碳素钢制成。包括：优质碳素钢（8.8级）、合金结构钢（10.9 级）。b、承压型靠被连接板件间的摩擦力和栓杆共同传力，以栓杆被剪坏或被压（承压）坏为承载力极限。二、焊缝代号、螺栓图例（结合教材略讲）第二节 对接焊缝的构造和计算 一、对接焊缝的构造 常开成各种形式的坡口（I型、单边 V 型、X 型和 K 型等）根据焊件厚度，保证焊缝质量，便于施焊及减小焊缝截面积的原则选用。厚度 6mm，开坡口，保证焊缝。图 3 2 1 对 接 焊 缝 的 坡 口 形 式 (a)直 边 缝；(b)单 边 V 形 坡 口；(c)V 形 坡 口；(d)U 形 坡 口；(e)K 形 坡 口；(f)X 形坡 口 在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4mm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1:2.5的斜角(图3.2.2)，以使截面过渡缓和，减小应力集中。在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，对承载力影响极大，故焊接时一般应设置引弧板或引出板(图3.2.3)，焊后将它割除。对受静力荷载的结构设置引弧(出)板有困难时，允许不设置引弧(出)板，可令焊缝计算长度等于实际长度减2t(此处t为较薄焊件厚度)。一、对接焊缝的计算 对接焊缝通常都做成带坡口的，按焊缝是否被焊透，分为焊透的对接焊缝和未焊透的对接焊缝两种。设计方法也各异。1轴心受力的对接焊缝 在对接接头和T形接头中，垂直于轴心拉力或轴心压力N 的对接焊缝(图3.2.4)，其强度应按下式计算：按GB 50205 1995 钢结构施工及验收规范的规定，对接焊缝施焊时均应加引弧板，以避免焊缝两端的起落弧缺陷，这样，焊缝计算长度应取为实际长度。但在某些特殊情况下，如T形接头，当加引弧板较为困难而未加时，则计算每条焊缝长度应减去2t。因此，在一般加引弧板施焊的情况下，所有受压、受剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算，只有受拉的三级焊缝才需要进行计算。当直焊缝不能满足强度要求时，可采用斜对接焊缝。图3.2.5 所示的轴心受拉斜焊缝，可按下列公式计算：当斜焊缝倾角 56.3，即 tan 1.5时，可认为与母材等强，不用计算。例题 试验算图3.2.6 所示钢板的对接焊缝的强度。图中=540mm，t=22mm，轴心力的设计值为N=2500kN。钢材为Q235-B，手工焊，焊条为E43 型，三级检验标准的焊缝，施焊时加引弧板。解 直缝连接其计算长度 w=54 cm。焊缝正应力为：不满足要求,改用斜对接焊缝,取截割斜度为1.5:1,即=56 ,焊缝长度=65cm.故此时焊缝的正应力为：剪应力为：这就说明当tan 15时，焊缝强度能够保证，可不必验算.2承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝 图3.2.7a 所示对接接头受弯矩和剪力的联合作用，由于焊缝截面是矩形图形分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件：图3.2.7b所示是工字形截面梁的接头，采用对接焊缝，除应分别验算最大正应力和剪应力外，对于同时受有较大正应力和较大剪应力处，例如腹板与翼缘的交接点处，还应按下式验算折算应力：式中，1,1为验算点处的焊缝正应力和剪应力；1.1为考虑到最大折算应力只在局部出现，而将强度设计值适当提高的系数.3承受轴心力,弯矩和剪力联合作用的对接焊缝 当轴心力与弯矩、剪力联合作用时，轴心力和弯矩在焊缝中引起的正应力应进行叠加，剪应力仍按式(3.2.5)验算，折算应力仍按式(3.2.6)验算。除考虑焊缝长度是否减少，焊缝强度要否折减外，对接焊缝的计算方法与母材的强度计算完全相同。第三节 直角角焊缝及其连接的构造和计算 不必开坡口，焊缝金属直接填充在由被连接折件形成的直角或斜角区内。一、角焊缝的构造 1、角焊缝的形式 按焊缝和外力关系分：1、焊缝轴线平行于外力 N 侧焊缝 2、焊缝轴线垂直于外力 N 端焊缝 3、斜焊缝和端焊缝组成的混合焊 按角焊缝截面形式分：1、直角角焊缝 2、斜角角焊缝 焊缝施焊方法：平焊（施工质量最易保证）、立焊、横焊和仰焊（操作复杂，质量不易保证，尽量避免）2、角焊缝的构造要求(1)最大焊脚尺寸 不宜大于较薄焊件厚度的 1.2倍。(2)最小焊脚尺寸 角焊缝的焊脚尺寸不得小于 1.5，(3)侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝的计算长度不宜大于 60，当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。(4)角焊缝的最小计算长度 侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度均不得小于 8和 40mm，考虑到焊缝两端的缺陷，其实际焊接长度应较前述数值还要大 2。(5)搭接连接的构造要求 每条侧焊缝的长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离，即 b w 1.两侧面角焊缝之间的距离 b 也不宜大于 16t(t12mm)或 200mm(t 12mm)，t为较薄焊件的厚度，以免因焊缝横向收缩，引起板件发生较大拱曲。在搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时(图 3.3.6)，其搭接长度不得小于焊件较小厚度的 5 倍，也不得小于 25mm，以免焊缝受偏心弯矩影响太大而破坏。二、直角焊缝的应力分析 1、我国对直角焊缝大批实验结果表明：（1）通过 A 点任一辐射面都可能是破坏面，侧焊缝从 45喉部截面破坏居多，端焊缝则多数在端截面破坏。（2）角焊缝中，端焊缝破坏强度是侧焊缝 1.351.55 倍。所以偏于安全，假定直角焊缝破坏截面在 45喉部截面外，即图中AE截面。计算时取 AD（不考虑 DE）称有效截面。（3）侧焊缝 AD 截面主要受剪，焊缝截面受剪、受正应力。二、直角角焊缝计算 下面分别介绍角焊缝在各种外力作用下的计算方法：1、角焊缝受轴心力作用 把 nf 按垂直和平行于焊缝轴线的两个方向分解得：c o s,sinnffnff 再把f沿焊缝有效截面法向和切向分解为：、这样，当角焊缝受一般形式斜向等轴分力作用时，有效截面上便引起相互垂直的三个方向应力、1，根据实验分析结果，角焊缝不破坏施应条件为：wfIIf33122角焊缝设计强度 三个方向的应力按下式计算：2sin45sinnff。2sin45cosnff。co s1nff 式中：welhNnf 代入前式，整理后得：wffweflhNnf （1）式中：eh角焊缝有效厚度，fehh7.0 wl一条角焊缝计算长度，考虑到角焊缝两端不可 避免会有弧长等缺陷，计算长度=等长-10mm f设计强度系数。35112mf 0 20 30 40 50 60 80-90 f 1 1.02 1.04 1.08 1.12 1.14 1.22 利用公式计算时，需考虑f有利影响：wfwefflhN （2）这就是角焊缝群受轴心力作用时设计强度条件公式。从公式中可以看出：（1）当=0 时，f=1，由式（1）可变为：wfwefflhN 此即侧焊缝受轴心力作用情形。（2）当=90 时f=1.22，于是（1）可写成：wfwefflhN22.1 或：wfweflhN22.1 此即为侧焊缝受轴心力作用的情形。这意味着当考虑荷载时，端焊缝设计强度是侧焊缝设计强度的 1.22 倍。（3）当 6mm，t2A=270mmx28mm=7560mm 且由附表1.1知盖板的强度设计值=215Nmm(t2=16mm)，而被连接钢板板厚t=28mm16mm，其强度设计值=205Nmm；故满足强度要求。根据构造要求，应满足：b=240mm=335mm 且 bN=1400kN 满足要求。2、角钢和节点板用角焊缝相连而受轴心力作用，如图：bhfNfwf7.0222.13 由力平衡，得：00abMM及，得 2311NNkN 2322NNkN bek21 k 为角钢侧面焊缝内力分配系数 bek12 可查表 3.3，应记住。当 N3=0（无端焊缝）时，有：NkN11 NkN22 wffwfhNkl7.0211 wffwfhNkl7.0222 例题 试确定下图所示承受静态轴心力的三面围焊连接的承载力及肢尖焊缝的长度。已知角钢2125x10，与厚度为8mm的节点板连接，其搭接长度为300mm，焊脚尺寸hf=8mm，钢材为Q235-B，手工焊，焊条为E43型.解 角焊缝强度设计值=160Nmm.由表 3.3.1知焊缝内力分配系数为K1=0.70，K2=0.30.正面角焊缝的长度等于相连角钢肢的宽度,=b=125mm，则正面角焊缝所能承受的内力N3为：=20.78mm125mm160N mm=273.3kN 肢 背 角 焊 缝 所 能 承 受 的 内 力 N1为：N1=2x0.7x8mmx(300mm-8mm)x160N mm=523.3kN 由 式(3.3.12)知：N1=K1N-=0.70N-=523.3Kn 则:N=94207kN 由 式(3.3.13)计 算 肢 尖 焊 缝 承 受 的 内 力 N2为：N2=K2N-=0.30942.7Kn-136.6KN=146.2kN 由 此 可 算 出 肢 尖 焊 缝 所 要 求 的 实 际 长 度 为：+8=89.6mm,取 90mm.由计算知该连接的承载力 N943kN，肢尖焊缝长度应为 90mm.3、角焊缝受弯矩、剪力和轴心力共同作用 剪力：wfeflhVAV7.02 （=0，侧焊缝受轴心力作用）wfeNflhNAN7.02（=90，端焊缝受轴心力作用）在 M 作用下，有效截面上产生垂直于焊缝轴线方向且按三角形规律分布应力：27.026wfeMflhMWM eW角焊缝绕 x 轴抵抗矩。将Nf和Mf相加，代入公式：wfffNfMff22 直角焊缝和对接焊缝设计计算复习小结 一、直角焊缝计算：（一）角焊缝受轴心力作用时的计算 1、侧焊缝时 wfwefflhN 2、正面角焊缝时（端焊缝）wffwefflhN 3、两方向综合作用的角焊缝，应分别计算两方向力作用 F 的ff和，然后按式：wfffff22 4、周围角焊缝 wfwefflhN 对于承受静力或间接承受动力荷载的结构，f取值规定如下：侧焊缝：f=1.0 正面焊缝：f=1.22 斜焊缝：f=3sin112 f取值在 1.0-1.22之间，中间用插值法查得。（二）、在弯矩、剪力和轴心力共同作用下 T 形角焊缝计算 1、轴心力 N 产生的垂直于焊缝长度的应力为：NfwewlZhVAN 2、由剪力 V 产生的平行于焊缝长度的应力为 wewvflZhVAVt 3、由弯矩 M 产生的垂直于焊缝长度的应力为 Mf=26weWlZhMWM 将Nf和Mf相加，代入公式：wfffNfMff22 二、对接焊缝连接的计算 1、受轴心力对接焊缝的计算 wcwtwfftlN或 wcwtwfftlN或sin wvwftlNco s 规定：wl为角焊缝计算长度，当采用引弧板时，为wl-2t，当采用引弧板时，质量为一级、二级和没有应力的三级对接焊缝，其强度无须计算。2、弯矩、剪力共同作用下时对接焊缝计算 （1）矩形截面 wtwWftlMWM2m a x6 wvWWftISVm a x（2）工字型截面 在同时受有较大正应力1和较大剪应力1的翼缘与腹板交接处分别计算外，还应验算其折算应力：hhhhWMW0m a x01 wWWtISV11 折算应力：wtf1.132121 其中：1wS为工字型截面受拉翼缘对截面中和轴的面程矩：考虑最大折算应力是在腹板端点处局部出现，而焊缝强度最低值与最不利应力同时存在几率较小，故将其强度设计值提高20%。3、弯矩、剪力和轴心力共同作用时对接焊缝计算 （1）矩形截面 焊缝端部最大正应力：wcwtwwMNffWMtlN或m a x wvwwftISVm a x 焊缝中和轴处：作用，还需验算折算应力：wtNf1.132m a x2 （2）工字型截面 wcwtwwffANWM或m a x wvwwwftISVm a x wtNf1.132121 wtNf1.132m a x2 后两个公式分别为验算翼缘与腹板交接处，即腹板边缘的折算应力及验算焊接截面中和轴处的折算应力。第五节 普通螺栓的构造和计算 一、螺栓的排列和其它构造要求 1、螺栓的规格 钢结构采用的普通螺栓形式分为六角头型，用 M 及公称直径毫米数来表示。常用 M16的螺栓，M16、M20、M24等。钢结构施工图上的螺栓和孔的制图符号见规范,其中细线“+”表示定位线，同时应标注或统一说明螺栓的直径和孔径。2、螺栓的排列 （1）分类：并列排列：布置简单，但栓孔对截面削弱较多。错列排列：较紧凑，可减少截面削弱，但排列较繁杂。（2）排列原则：（a）受力要求-间距及边距不应太小，否则螺栓之间的钢板及边缘处栓孔前钢板可能沿作用力方向剪断；对于受压构件，栓距太大还易引起钢板鼓曲；（b）构造要求-螺栓间距及边距太小，也不利于扳手操作；（c）施工要求-间距及边距也不应太大，否则钢板不易夹紧，潮气易侵入。为此，表 3.5 根据栓孔直径，钢材边缘加工情况及受力方向，规定了螺栓中心间距及边距的最大、最小极限。二、普通螺栓连接的受力性能和计算 按传力方式分：（1）、外力与栓杆垂直的受剪螺栓连接 （2）、外力与杆平行的受拉螺栓连接 （3）、同时受剪和受拉的螺栓连接 受剪螺栓连接依靠栓杆抗剪和栓杆对孔壁的承压传力；受拉螺栓由板件使螺栓张拉传力。（一）受剪螺栓连接 1、受力性能和破坏形式见图：为一个螺栓受剪过程测得的荷载 位移图。为千分表所测得的构 件沿荷载方向位移值。当荷载较小时，外荷载板件间摩阻传力，连接处于弹性阶段，荷载位移关系呈上升直线关系。当外荷加大，板件间摩阻力被克服，产生相对滑移，值增长加快，荷载位移呈水平直线关系，直至栓杆与螺栓孔壁靠紧。这时靠栓杆受剪和孔壁承压传递外力，荷载位移呈上升曲线关系，连接进入弹塑性工作阶段。随着外荷载继续增加，迅速增大，直至连接破坏。规范规定：（1）摩擦型高强螺栓以摩擦力被克服，板件间产生相对滑移（曲线水平段）为极限承载力。（2）普通螺栓及承压型高强螺栓则以螺栓最后被剪断或孔壁被挤压破坏作为极限承载力。螺栓受剪破坏形式：（1）螺栓被剪断（见下图 a）（2）较薄板件件被栓杆挤坏，螺栓杆承压破坏（见下图 b）（3）螺栓间或端部钢材被剪穿（见下图 c）（4）螺栓孔削弱太多，构件净截面被拉断或压坏（见下图 d）上述第种破坏形式由螺栓端距 l1 2d 来保证；第种破坏属于构件的强度验算。因此，普通螺栓