鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

1、鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),西安建筑科技大學(xué),(工程管理專業(yè)),1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,,1.1 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài) 當整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求時，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。 承載能力極限狀態(tài) 對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形 正常使用極限狀態(tài) 對

2、應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值 結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)Z來描述，設(shè)計結(jié)構(gòu)時可取荷載效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力R兩個基本隨機變量來表達結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)，即Z=g（R，S）＝R－S （1-1）顯然，Z是隨機變量，有以下三種情況：Z＞0 結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；Z＝0 結(jié)構(gòu)達到極限狀態(tài)；Z＜0 結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)?？梢?，結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)是結(jié)構(gòu)由可靠轉(zhuǎn)變?yōu)槭У呐R界狀態(tài)。由于R和S受到許多隨機性因素影

3、響而具有不確定性， Z≥0不是必然性的事件。因此科學(xué)的設(shè)計方法是以概率為基礎(chǔ)來度量結(jié)構(gòu)的可靠性。1.2 可靠度 按照概率極限狀態(tài)設(shè)計法，結(jié)構(gòu)的可靠度定義為結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率?！巴瓿深A(yù)定功能”指對某項規(guī)定功能而言結(jié)構(gòu)不失效。結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)滿足的功能有：,(1) 在正常施工和正常使用時，能承受可能出現(xiàn)的各種作用； (2) 在正常使用時具有良好的工作性能； (3

4、) 在正常維護下具有足夠的耐久性； (4) 在設(shè)計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。 規(guī)定的設(shè)計使用年限（設(shè)計基準期）是指設(shè)計規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進行大修即可按其預(yù)定目使用的年限。大陸規(guī)范規(guī)定建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準期為50年。 若以Pr表示結(jié)構(gòu)的可靠度，則有Pr=P（Z≥0） （1-2） 記Pf為結(jié)構(gòu)的失效概率，則

5、有Pf=P（Z<0） （1-3） 顯然 Pr= 1－Pf （1-4） 因此結(jié)構(gòu)可靠度的計算可轉(zhuǎn)換為失效概率的計算?？煽康慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計指的是使失效概率小到可以接受程度的設(shè)計，絕對可靠的結(jié)構(gòu)（失效概率等于零）是

6、不存在的。由于與Z有關(guān)的多種影響因素都是不確定的，其概率分布很難求得，目前只能用近似概率設(shè)計方法，同時采用可靠指標表示失效概率。 1.3 可靠指標 為了使結(jié)構(gòu)達到安全可靠與經(jīng)濟上的最佳平衡，必須選擇一個結(jié)構(gòu)的最優(yōu)失效概率或目標可靠指標?？刹捎谩靶史ā鼻蟮?。即通過對原有規(guī)范作反演分析，找出隱含在現(xiàn)有工程中相應(yīng)的可靠指標值，經(jīng)過綜合分析，確定設(shè)計規(guī)范采用的目標可靠指標值?！督ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標準》規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠指標

7、不應(yīng)小于表1-1中的規(guī)定。鋼結(jié)構(gòu)連接的承載能力極限狀態(tài)經(jīng)常是強度破壞而不是屈服，可靠指標應(yīng)比構(gòu)件為高，一般推薦用4.5。表1－1,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,,1.4 極限狀態(tài)設(shè)計表達式 除疲勞計算外，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，用分項系數(shù)的設(shè)計表達式進行計算 (1) 對于承載能力極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用荷載效應(yīng)的基本組合和偶然組合進行設(shè)計 基本組合 按下列

8、極限狀態(tài)設(shè)計表達式中最不利值確定 由可變荷載效應(yīng)控制的組合： （1-5） 由永久荷載效應(yīng)控制的組合：

9、 （1-6） ?0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，按下列規(guī)定采用：對安全等級為一級或設(shè)計使用年限為100年及以上的 結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.1；對安全等級為二級或設(shè)計使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于 1.0；對安全等級為三級或設(shè)計使用年限為5年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.9；?G——永久荷載分項系數(shù)，應(yīng)按下列規(guī)定采用：當永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力不利時，對 由可變荷載效應(yīng)

10、控制的組合應(yīng)取1.2，對由永久荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.35；當永久荷載 效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力有利時，一般情況下取1.0；?Q1, ?Qi——第1個和第i個可變荷載分項系數(shù)，應(yīng)按下列規(guī)定采用：當可變荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承 載能力不利時，在一般情況下應(yīng)取1.4，對標準值大于4.0kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載 取1.3；當可變荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力有利時，應(yīng)取為0； S——

11、永久荷載標準值的效應(yīng)；,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,,,SQ1k——在基本組合中起控制作用的第1個可變荷載標準值的效應(yīng)； SQik——第i個可變荷載標準值的效應(yīng)； ?ci——第i個可變荷載的組合值系數(shù)，其值不應(yīng)大于1； R——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計值，R=Rk/?R，Rk為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力標準值，?R為抗力分項系數(shù)，對于Q235 鋼，?R=1.087；對于Q345、Q390和Q42

12、0鋼，?R=1.111。 對于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，可以采用簡化設(shè)計表達式： 由可變荷載效應(yīng)控制的組合： （1-7） ?——簡化設(shè)計表達式中采用的荷載組合系數(shù)，一般

13、情況下可取?=0.9，當只有一個可變 荷載時，取?=1.0。 由永久荷載效應(yīng)控制的組合仍按式（1-6）計算。 偶然組合 對于偶然組合，極限狀態(tài)設(shè)計表達式宜按下列原則確定：偶然作用的代表值不乘以分項系數(shù)；與偶然作用同時出現(xiàn)的可變荷載，應(yīng)根據(jù)觀測資料和工作經(jīng)驗采用適當?shù)拇碇怠?2) 對于正常使用極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)不同設(shè)計目的，分別選用荷載效應(yīng)的標準組合、頻遇組合和準永久組合進行設(shè)計，使變形、

14、裂縫等荷載效應(yīng)的設(shè)計值符合下式的要求：Sd≤C （1-8） Sd——變形、裂縫等荷載效應(yīng)的設(shè)計值； C——設(shè)計對變形、裂縫等規(guī)定的相應(yīng)限值。,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,,鋼結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)只涉及變形驗算，僅需考慮荷載的標準組合： （1-9）,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,,1.5 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計算,疲勞斷裂的概念 鋼結(jié)構(gòu)的

15、疲勞斷裂是裂紋在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴展以至斷裂的脆性破壞。疲勞破壞經(jīng)歷三個階段：裂紋的形成，裂紋的緩慢擴展和最后迅速斷裂。與疲勞破壞有關(guān)的幾個概念 應(yīng)力集中 應(yīng)力循環(huán)特征 連續(xù)重復(fù)荷載之下應(yīng)力從最大到最小重復(fù)一周叫做一個循環(huán)。應(yīng)力循環(huán)特征常用應(yīng)力比來表示，拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負值。應(yīng)力幅 應(yīng)力幅表示應(yīng)力變化的幅度，用△? =?max- ?min表示，應(yīng)力幅總是正值。,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,,疲勞

16、壽命（致?lián)p循環(huán)次數(shù)） 疲勞壽命指在連續(xù)反復(fù)荷載作用下應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)，一般用n表示。（1）疲勞曲線（??—n曲線）,(1-11),1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,,大,陸,,2 鋼結(jié)構(gòu)材料,2.1 結(jié)構(gòu)鋼材的破壞形式: 塑性破壞 脆性破壞 2.2 鋼結(jié)構(gòu)對鋼材性能的要求 (1) 較高的強度:

17、 屈服強度（屈服點）fy和抗拉強度fu (2) 良好的塑性 : 伸長率 鋼材拉伸圖 (3) 韌性好 :沖擊韌性值Cv 沖擊韌性圖 (4) 可焊性好 (5) 合格的冷彎性能 2.3 影響鋼材性能的主要因素 (1) 化學(xué)成分 鋼材由各種化學(xué)成分組成的，其基本元素為鐵（Fe），碳素結(jié)構(gòu)鋼中鐵占99%。碳和其它元素僅占1%，但對鋼材的性能有著決定性的影響。普通低合金鋼中還含有

18、低于5%的合金元素。,2 鋼結(jié)構(gòu)材料,,碳（C） 、硫（S） 、磷（P） 、氧（O）和氮（N） 、錳（Mn） 、硅（Si）,(2) 冶煉、軋制、熱處理 (3) 鋼材的硬化 時效硬化 冷作硬化 (4) 溫度的影響 (5) 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài) (6) 應(yīng)力集中 (7) 反復(fù)荷載作用 2.4 結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇 (1) 鋼材的種類和牌號

19、 碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的字母Q、屈服點的數(shù)值（N/mm2）、質(zhì)量等級符號和脫氧方法符號等四個部分按順序組成。如Q235－AF表示屈服強度為235N／mm2的A級沸騰鋼；Q235-Bb表示屈服強度為235N／mm2的B級半鎮(zhèn)靜鋼；Q235-C表示屈服強度為235N／mm2的C級鎮(zhèn)靜鋼。 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼 低合金鋼是在冶煉過程中添加一種或幾種少量合金元素，其總量低于5％的鋼材。其牌號與碳素結(jié)構(gòu)

20、鋼牌號的表示方法相同，常用的低合金鋼有Q345、Q390、Q420等。,2 鋼結(jié)構(gòu)材料,,低合金鋼的脫氧方法為鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼。 Q345-B表示屈服強度為345N／mm2的B級鎮(zhèn)靜鋼；Q390－D表示屈服強度為390N／mm2的D級特殊鎮(zhèn)靜鋼。 碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼都可以采取適當?shù)臒崽幚?如調(diào)質(zhì)處理)進一步提高其強度。例如用于制造高強度螺栓的45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼以及40硼（40B）、20錳鈦硼（2

21、0MnTiB）就是通過調(diào)質(zhì)處理提高強度的。 (2) 鋼材的選用原則 鋼材選用的原則是既要使結(jié)構(gòu)安全可靠和滿足使用要求，又要最大可能節(jié)約鋼材和降低造價。為保證承重結(jié)構(gòu)的承載力和防止在一定條件下可能出現(xiàn)的脆性破壞，應(yīng)綜合考慮下列因素：結(jié)構(gòu)的重要性、荷載的性質(zhì)、連接方法、結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境、鋼材厚度 （3）鋼材的規(guī)格 鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材主要為熱軋成型的鋼板、型鋼，以及冷彎成型的薄壁型鋼等。鋼

22、板 鋼板有薄鋼板（厚度0.35~4mm）、厚鋼板（厚度4.5~60mm）、特厚板（板厚＞60mm）和扁鋼(厚度4~60mm，寬度為12~200mm)等。鋼板用“—寬×厚×長”或“—寬×厚”表示，單位為mm，如—450×8×3100，—450×8。型鋼 鋼結(jié)構(gòu)常用的型鋼是角鋼、工字型鋼、槽鋼和H型鋼、鋼管等。除H型鋼和鋼管有熱軋和焊接成型外，其余

23、型鋼均為熱軋成型。 冷彎薄壁型鋼 冷彎薄壁型鋼采用薄鋼板冷軋制成。其壁厚一般為1.5~12mm，但承重結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的壁厚不宜小于2mm。薄壁型鋼能充分利用鋼材的強度以節(jié)約鋼材，在輕鋼結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。常用冷彎薄壁型鋼截面型式有等邊角鋼]、卷邊等邊角鋼、Z型鋼、卷邊Z型鋼、槽鋼、卷邊槽鋼（C型鋼）、鋼管等。,2 鋼結(jié)構(gòu)材料,,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接方法 在傳力過程中，連接部位應(yīng)有足夠的強度。被連接件間應(yīng)保持

24、正確的位置，以滿足傳力和使用要求。 鋼結(jié)構(gòu)的連接通常有焊接，鉚接和螺栓連接三種方式（圖3-1）。 3.2 焊接連接的特性 鋼結(jié)構(gòu)常用的焊接方法有電弧焊，電渣焊、氣體保護焊和電阻焊等。 焊縫連接形式按構(gòu)件的相對位置可分為平接、搭接、T形連接和角接四種。（圖3-2） 焊縫形式主要有對接焊縫和角焊縫。其中對接焊縫按受力方向可分為對接正焊縫和對接斜焊縫；角焊縫長度方向垂直于力作用方向的稱正面角焊縫，平行于

25、力作用方向的稱側(cè)面角焊縫。 焊縫缺陷和焊縫等級 焊縫中可能存在裂紋、氣孔、燒穿、夾渣、未焊透、咬邊、焊瘤等缺陷。（圖3-3） 《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50205）規(guī)定，焊縫依其質(zhì)量檢查標準分為三級，其中三級焊縫只要求通過外觀檢查，即檢查焊縫實際尺寸是否符合設(shè)計要求和有無看得見的裂紋，咬邊等缺陷。對于重要結(jié)構(gòu)或要求焊縫金屬強度等于被焊金屬強度的對接焊縫，必須進行一級或二級質(zhì)量檢驗，即在外觀檢查的基礎(chǔ)

26、上再做無損檢驗。其中二級要求用超聲波檢驗每條焊縫的20％長度，且不小于200mm；一級要求用超聲波檢驗每條焊縫全部長度，以便揭示焊縫內(nèi)部缺陷。 焊縫代號 焊縫符號主要由圖形符號、輔助符號和引出線等部分組成。 （表3-1a） （表3-1b）,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,3.3 對接焊縫的構(gòu)造和計算 對接焊縫按坡口形式分為I形縫、V形縫、帶鈍邊單邊V形縫、帶鈍邊V形縫（也叫Y形

27、縫）、帶鈍邊U形縫、帶鈍邊雙單邊V形縫和雙Y形縫等。（圖3-4） 對基焊縫計算 對接焊縫的應(yīng)力分布情況基本上與焊件相同。可用計算焊件的方法計算對接焊縫。對于重要的構(gòu)件，按一、二級標準檢驗焊縫質(zhì)量，焊縫和構(gòu)件等強，不必另行計算，只有對三級焊縫，才需要計算。 （1）軸心受力的對接焊縫 ? ＝N／（lwt）≤fwt或fwc

28、 (3-1)式中 N ——軸心拉力或壓力的設(shè)計值； lw ——焊縫計算長度，當采用引弧板施焊時，取焊縫實際長度；當無法采用引弧板時，每條 焊縫取實際長度減去2t； t ——在對接接頭中為連接件的較小厚度，不考慮焊縫的余高；在T形接頭中為腹板厚度; ftw， fcw——對接焊縫

29、的抗拉、抗壓強度設(shè)計值。抗壓焊縫和質(zhì)量等級為一、二級的抗拉焊縫與母材等強，三級抗拉焊縫強度為母材的85% 。 （2）受彎、受剪的對接焊縫計算 ? ＝M／Ww ≤ fwt (3-2)? ＝VS／（Iwt ）≤ fwV (3-3)

30、 (3-4),3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,3.4 角焊縫的構(gòu)造和計算 (1) 角焊縫的截面 角焊縫兩邊夾角一般為900（直角角焊縫），夾角大于1350或小于600的斜角交焊縫，除鋼管結(jié)構(gòu)外，一般不宜用作受力焊縫。 （圖3-5） 角焊縫的

31、有效截面為平分角焊縫夾角?的截面，破壞往往從這個截面發(fā)生。有效截面的高度（不考慮焊縫余高）稱為角焊縫的有效厚度he ，當? ≤90o 時， he ＝0.7 hf ；當? >90o 時， he ＝ hf cos(? /2)。 (2) 角焊縫的尺寸限制 焊腳尺寸 hf 應(yīng)與焊件的厚度相適應(yīng)，不宜過大或過小。 對手工焊，hf應(yīng)不小于 ，t為較厚焊件的厚度（mm），對自動焊，可

32、減小1mm； hf應(yīng)不大于較薄焊件厚度的1.2倍。 對于板件邊緣的焊縫，當t ≤6mm時， hf ≤t ；當t >6mm時， hf ＝t －(1~2)mm。 （圖3-6） 焊縫長度 lw也不應(yīng)太長或太短，其計算長度不宜小于8hf或40mm ，且不宜大于60hf 。 (3) 角焊縫計算的基本公式

33、 (3-5)式中 ?f ——正面角焊縫的強度設(shè)計值增大系數(shù)， ；但對直接承受動力荷載 結(jié)構(gòu)中的角焊縫，由于正面角焊縫的剛度大，韌性差，應(yīng)取?f ＝1.0； ?x 、?y ——按角焊縫有效截面計算，垂直于焊縫長

34、度方向的正應(yīng)力； ?z ——按角焊縫有效截面計算，沿焊縫長度方向的剪應(yīng)力。,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,(4) 常用連接方式的角焊縫計算 ① 受軸心力作用時（圖3-7） 焊縫長度與受力方向垂直（正面角焊縫）：

35、 (3-6) 焊縫長度與受力方向平行（側(cè)面角焊縫） ： (3-7)式中 ?lw為連接一側(cè)所有焊縫的計算長度之和，每條焊縫按實際長度減去2hf。

36、 三面圍焊時，先按式（3－6）計算計算正面角焊縫受力N1，再由N－ N1按式（3－7）計算。 ② 彎矩單獨作用時（圖3-8） (3-8)式中 Ww——角焊縫有效截面的截面模量。 ③ 扭

37、矩單獨作用時（圖3-9） (3-9)式中 J ——角焊縫有效截面的極慣性矩，J=Ix＋Iy ； rA——A點至形心o點的距離。,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,將? A分解到x和y方向，有

38、 ④ 彎矩、扭矩、軸心力共同作用時，分別計算受力最不利點的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，按下式計算：

39、 (3-10),3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,3.5 螺栓連接的排列和構(gòu)造要求　　螺栓在構(gòu)件上的排列可以是并列或錯列（圖3-11），排列時應(yīng)考慮下列要求:　1．受力要求：對于受拉構(gòu)件，螺栓的栓距和線距不應(yīng)過小，否則對鋼板截面削弱太多，構(gòu)件有可能沿直線或折線發(fā)生凈截面破壞。對于受壓構(gòu)件，沿作用力方向螺栓間距不應(yīng)過大，否則被連接

40、的板件間容易發(fā)生凸曲現(xiàn)象。因此，從受力角度應(yīng)規(guī)定螺栓的最大和最小容許間距。　2．構(gòu)造要求：若栓距和線距過大，則構(gòu)件接觸面不夠緊密，潮氣易于侵入縫隙而產(chǎn)生腐蝕，所以，構(gòu)造上要規(guī)定螺栓的最大容許間距?！?．施工要求：為便于轉(zhuǎn)動螺栓扳手，就要保證一定的作業(yè)空間。所以，施工上要規(guī)定螺栓的最小容許間距。,圖3-11　鋼板上螺栓的排列(a) 并列；(b) 錯列；(c) 容許間距,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,根據(jù)以上要求，規(guī)范規(guī)定螺栓的最大和最

41、小容許間距見表3-2。,注: 1. d0 為螺栓孔徑，t 為外層薄板件厚度。 2. 鋼板邊緣與剛性構(gòu)件(如角鋼、槽鋼) 相連的螺栓最大間距，可按中間排數(shù)值采用。,表3-2螺栓的最大和最小容許間距,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,3.6 普通螺栓連接的性能和計算1. 普通螺栓連接的性能 普通螺栓連接按螺栓傳力方式，可分為抗剪螺栓連接和抗拉螺栓連接。 　抗剪螺栓連接　有五種破壞形式，見圖3-12。,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,

42、,??,,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,抗拉螺栓連接,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,2. 螺栓群計算　　當螺栓連接處于彈性階段時，螺栓群中各螺栓受力并不相等，兩端大而中間小(圖3-15a)；當螺栓群連接長度l1不太大時，隨著外力增加連接超過彈性變形而進入塑性階段后，因內(nèi)力重分布使各螺栓受力趨于均勻(圖3-15b) 。但當構(gòu)件的節(jié)點處或拼接縫的一側(cè)螺栓很多，且沿受力方向的連接長度l1過大時，端部的螺栓會因受力過大而首先發(fā)生破壞，隨后依次向

43、內(nèi)逐排破壞（即所謂解鈕扣現(xiàn)象）。因此規(guī)范規(guī)定當連接長度l1 大于15d0時，應(yīng)將螺栓的承載力乘以折減系數(shù)? =1.1－l1/150d0 ，當l1 大于60d0時，折減系數(shù)?取0.7 。因此，當外力通過螺栓群中心時，可認為所有的螺栓受力相同。,① 螺栓群在軸心力作用下的抗剪計算n = N /N bmin (3-15)此時應(yīng)驗算板的凈截面強度= N /An≤f

44、 (3-16),??,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,② 螺栓群在扭矩作用下的抗剪計算,圖3-18 螺栓群受扭矩作用,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,③ 螺栓群在扭矩、剪力、軸心力共同作用下的抗剪計算 分別算出扭矩、剪力、軸心力作用下受力最大螺栓的受力，將其分解到x和y兩個方向，按下式驗算：,④ 螺栓群在軸心力作用下的抗拉計算 n = N / N tb

45、 (3-19),⑤ 螺栓群在彎矩作用下的抗拉計算 螺栓群在彎矩作用下上部螺栓受拉，因而有使連接上部分離的趨勢，使螺栓群形心下移。通常假定中和軸在最下排螺栓處，則螺栓的最大拉力為：,圖3-19 彎矩作用下的抗拉螺栓計算,?,3

46、 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,⑥ 螺栓群同時承受剪力和拉力的計算,圖3-20 螺栓群同時承受剪力和拉力,此時連接傳遞的力有彎矩M = V?e 和剪力V，Nt按式(3-20)計算。,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,3.7 高強螺栓連接的性能和計算1. 高強螺栓連接的性能 高強螺栓連接按受力特征分為高強螺栓摩擦型連接、高強螺栓承壓型連接和承受拉力的高強螺栓連接。 　 高強螺栓連接的預(yù)拉力 高強度螺栓預(yù)拉力設(shè)計值按材料強度和螺栓有效截

47、面積確定，取值時考慮①螺栓材料抗力的變異性，引入折減系數(shù)0.9；②施加預(yù)應(yīng)力時為補償預(yù)拉力損失超張拉5%~10%，引入折減系數(shù)0.9；③在扭緊螺栓時，扭矩使螺栓產(chǎn)生的剪力將降低螺栓的抗拉承載力，引入折減系數(shù)1/1.2；④鋼材由于以抗拉強度為準，引入附加安全系數(shù)0.9。故高強度螺栓預(yù)拉力為,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,高強度螺栓連接的摩擦面抗滑移系數(shù),2. 高強螺栓的抗剪承載力設(shè)計值 高強度螺栓摩擦型連接,?,?,3 鋼結(jié)構(gòu)的

48、連接設(shè)計,,,高強度螺栓承壓型連接 極限承載力由螺栓桿身抗剪和孔壁承壓決定，摩擦力只起延緩滑動作用，計算方法與普通螺栓相同，見式(3-11)和(3-12)。,3. 高強螺栓群的抗剪計算① 軸心力作用時 螺栓數(shù) 按式(3-15)計算，其中N bmin對摩擦型為式(3-23)，對承壓型用高強度螺栓的抗剪、承壓承載力設(shè)計值。 構(gòu)件凈截面強度 對于承壓型連接，與普通螺栓驗算相同；對于摩擦型連接，要考慮摩擦

49、力的作用，一部分剪力由孔前接觸面?zhèn)鬟f(圖3-21)。按規(guī)范規(guī)定，孔前傳力占螺栓傳力的50%，則截面1－1處凈截面?zhèn)髁?有了N′以后，凈截面驗算按式(3-16)進行。 ② 扭矩作用時，及扭矩、剪力、軸心力共同作用時的抗剪高強度螺栓所受剪力的計算，其方法與普通螺栓相同，單個螺栓所受剪力應(yīng)不超過高強度螺栓的承載力設(shè)計值。,圖3-21 摩擦型高強螺栓孔前傳力,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,4. 高強螺栓群的抗拉計算 抗拉承載力設(shè)

50、計值 高強度螺栓連接由于螺栓中的預(yù)拉力作用，構(gòu)件間在承受外力作用前已經(jīng)有較大的擠壓力，高強度螺栓受到外拉力作用時，首先要抵消這種擠壓力。分析表明，當高強度螺栓達到規(guī)范規(guī)定的承載力0.8P時，螺栓桿的拉力僅增大7%左右，可以認為基本不變。規(guī)范規(guī)定一個高強度螺栓抗拉承載力設(shè)計值為 N bt = 0.8 P

51、 (3-25) ① 受軸心拉力作用時，螺栓數(shù)為n = N / N bt = N / (0.8 P) (3-26) ② 受彎矩作用，當板沒有被拉開時，接觸面保持緊密貼合，中和軸可以認為在螺栓群的形心軸線上(圖3－22)，則受力最大的螺栓應(yīng)滿足

52、 N1M = M y1 / m ∑yi2 (3-27)對于承受靜力荷載的結(jié)構(gòu)，板被拉開并不等于達到承載能力的極限，此時可按圖(3-19)所示的內(nèi)力分布計算。,圖3-22 高強螺栓受彎連接,?,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,5. 同時承受剪力和拉力的高強螺栓群連接計算 對于高強度螺栓摩擦型連接，按下式計算,,,對于高強

53、度螺栓承壓型連接，按下式計算,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,4.1 軸心受力構(gòu)件的應(yīng)用和截面形式 軸心受力構(gòu)件的截面形式有三種：第一種是熱軋型鋼截面，如圖4-1(a)中的工字鋼、H型鋼、槽鋼、角鋼、T型鋼、圓鋼、圓管、方管等；第二種是冷彎薄壁型鋼截面，如圖4-1(b)中冷彎角鋼、槽鋼和冷彎方管等；第三種是用型鋼和鋼板或鋼板和鋼板連接而成的組合截面，如圖4

54、-1(c)所示的實腹式組合截面和圖4-1(d) 所示的格構(gòu)式組合截面等。,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,4.2 軸心受力構(gòu)件的強度和剛度 強度軸心受力構(gòu)件的強度應(yīng)以凈截面的平均應(yīng)力不超過鋼材的屈服強度為準則：,應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系圖,對于高強螺栓的摩擦型連接，計算板件強度時要考慮孔前傳力的影響（式3-24）。,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,剛度 剛度通過限制構(gòu)件的長細比?來實現(xiàn)。,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,4.3 實腹式軸

55、心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定計算 實際的壓桿不可避免地存在著初彎曲、荷載作用點的初偏心和截面的殘余應(yīng)力，它們對壓桿的承載力有不利的影響。同時，構(gòu)件兩端可能存在著不同程度的約束，使得構(gòu)件的承載力有所提高。對于桿端約束，可以用計算長度l0代替構(gòu)件的幾何長度l ，將其等效為兩端簡支的構(gòu)件，即l0=?l， ? 稱計算長度系數(shù)。典型約束?的理論值和建議值見表4－3。對于初彎曲、初偏心和殘余應(yīng)力的影響，考慮到材料的彈塑性性能，用數(shù)值積分法求得構(gòu)件的

56、極限強度Nu，相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)?=Nu/(Afy)。按照概率統(tǒng)計理論，影響柱承載力的幾個不利因素，其最大值同時出現(xiàn)的可能性是極小的。理論分析表明，考慮初彎曲和殘余應(yīng)力兩個最主要的不利因素比較合理，初偏心不必另行考慮。初彎曲的矢高取構(gòu)件長度的千分之一，殘余應(yīng)力根據(jù)截面的加工條件確定。軸心受壓構(gòu)件應(yīng)按下式計算整體穩(wěn)定：,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,p76,,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù),E,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,

57、,圖4-3 GB50017的柱曲線,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,為便于計算，規(guī)范根據(jù)構(gòu)件的長細比、鋼材屈服強度和截面分類編制了計算表格。另外，穩(wěn)定系數(shù)?值可以用Perry公式：,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,4.4 實腹式軸心受壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定計算 對于局部屈曲問題，通常有兩種考慮方法：一是不允許板件屈曲先于構(gòu)件整體屈曲，目前一般鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)定就是不允許局部屈曲

58、先于整體屈曲來限制板件寬厚比。另一種做法是允許板件先于整體屈曲，采用有效截面的概念來考慮局部屈曲對構(gòu)件承載力的不利影響，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)，輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的腹板就是這樣考慮的。這里板件寬厚比的規(guī)定是基于局部屈曲不先于整體屈曲考慮的，根據(jù)板件的臨界應(yīng)力和構(gòu)件的臨界應(yīng)力相等的原則即可確定板件的寬厚比。經(jīng)分析并簡化可得到工形截面和H形截面的板件的寬厚比：,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,【例題4-1 】某焊接工字形截面柱，截面幾何尺寸如圖4-4所

59、示。柱的上、下端均為鉸接，柱高4.2m，承受的軸心壓力設(shè)計值為1000kN，鋼材為Q235，翼緣為火焰切割邊，焊條為E43系列，手工焊。試驗算該柱是否安全。,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,(2) 格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件繞虛軸失穩(wěn)的換算長細比格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件繞實軸的計算與實腹式構(gòu)件相同，但繞虛軸的計算不同，繞虛軸屈曲時的穩(wěn)定承載力比相同長細比的實腹式構(gòu)件低。 實腹式軸心受

60、壓構(gòu)件在發(fā)生整體彎曲后，構(gòu)件中產(chǎn)生的剪力很小，而其抗剪剛度很大，因此橫向剪力產(chǎn)生的附加變形很微小，對構(gòu)件臨界荷載的降低不到1%，可以忽略不計。對于格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件，繞虛軸失穩(wěn)時的剪力要由較弱的綴材承擔，剪切變形較大，產(chǎn)生較大的附加變形，對構(gòu)件臨界荷載的降低不能忽略。經(jīng)理論分析，可以用換算長細比?0x代替對x軸的長細比?x來考慮剪切變形對臨界荷載的影響。對于雙肢格構(gòu)式構(gòu)件，換算長細比為,4 軸心受力構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,

61、5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,P75,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎

62、構(gòu)件設(shè)計,,5 受彎構(gòu)件設(shè)計,,6 拉彎和壓彎構(gòu)件設(shè)計,6 拉彎和壓彎構(gòu)件設(shè)計,,(a) (b) (a) (b) (c) 圖6-1 拉彎構(gòu)件

63、 圖6-2 壓彎構(gòu)件,6 拉彎和壓彎構(gòu)件設(shè)計,,6 拉彎和壓彎構(gòu)件設(shè)計,,6 拉彎和壓彎構(gòu)件設(shè)計,,6 拉彎和壓彎構(gòu)件設(shè)計,,6 拉彎和壓彎構(gòu)件設(shè)計,,6 拉彎和壓彎構(gòu)件設(shè)計,,6 拉彎和壓彎構(gòu)件設(shè)計,,6 拉彎和壓彎構(gòu)件設(shè)計,,6 拉彎和壓彎構(gòu)件設(shè)計,,（2）翼緣寬厚比壓彎構(gòu)件的受壓翼緣板與梁的受壓翼緣板受力情況基本相同，因此，其翼緣寬厚比限值與梁也相同，見式（5-23）、（5-