鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識教程

1、鋼 結(jié) 構(gòu),第一章 概述第二章 建筑鋼材第三章 鋼結(jié)構(gòu)的連接第四章 軸心受力構(gòu)件第五章 梁（受彎構(gòu)件）第六章 拉彎與壓彎構(gòu)件,第一章 緒 論,第一節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與應(yīng)用第二節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理與方法第三節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展,第一節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用,一、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、強(qiáng)度高、強(qiáng)重比大；塑性、韌性好；2、材質(zhì)均勻，符合力學(xué)假定，安全可靠度高；3、工廠化生產(chǎn)，工業(yè)化程度高，施工速度快

2、；4、鋼結(jié)構(gòu)耐熱不耐火；易銹蝕，耐腐性差。二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用1、重型結(jié)構(gòu)及大跨度建筑結(jié)構(gòu)；2、多層、高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)；3、輕鋼結(jié)構(gòu)；4、塔桅等高聳結(jié)構(gòu)；5、鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)。,第二節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理與方法,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首層規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068）規(guī)定：結(jié)構(gòu)的可靠度應(yīng)采用以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法分析確定。鋼結(jié)構(gòu)和其他建筑結(jié)構(gòu)一樣，遵循“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”要求，采用的也是以概率論為基礎(chǔ)，用分項(xiàng)

3、系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)j計(jì)方法。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，在前序課程（如鋼混結(jié)構(gòu)、地基與基礎(chǔ)等），對此以作詳細(xì)介紹，此課就不再講述，認(rèn)真進(jìn)行復(fù)習(xí)。通過復(fù)習(xí)應(yīng)掌握以下概念：結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)；結(jié)構(gòu)的基本功能要求；結(jié)構(gòu)的可靠度；失效概率；荷載及強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計(jì)值。,第三節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展,我國是最早應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的國家，但是歷史的原因致使現(xiàn)代建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及發(fā)展與發(fā)達(dá)國家相比，已有相當(dāng)大的差距，最大的差距在于建筑鋼結(jié)構(gòu)。97年新發(fā)布的《中國建筑技術(shù)

4、政策》中強(qiáng)調(diào)要重點(diǎn)發(fā)展建筑鋼結(jié)構(gòu)，國家相關(guān)部門也多次發(fā)布文件，要求擴(kuò)大鋼結(jié)構(gòu)住宅的市場占有率。96年我國鋼產(chǎn)量已開始超億噸，居世界首位，為鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展奠定物質(zhì)基礎(chǔ)，對鋼材的使用已由“節(jié)約使用”變?yōu)椤昂侠碛娩摗?、“加大建筑用鋼”。?dāng)今我國建筑業(yè)中發(fā)展最快的就是鋼結(jié)構(gòu)，最缺的人才也是鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)，發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)以帶動其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已成為建筑業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)。,第二章 建筑鋼材,第一節(jié) 建筑結(jié)構(gòu)用鋼的基本要求第二節(jié) 鋼材的主要機(jī)械

5、性能第三節(jié) 影響鋼材性能的主要因素第四節(jié) 建筑結(jié)構(gòu)用鋼的種類及選擇,第一節(jié) 建筑結(jié)構(gòu)用鋼的基本要求,● 鋼材種類繁多，規(guī)格、用途也不相同，對建筑結(jié)構(gòu)用鋼來說，主要有三方面的要求。1、較高的強(qiáng)度：結(jié)構(gòu)的承載力大，所需的截面小，結(jié)構(gòu)的自重輕；2、較好的塑性及韌性：塑性好，不易發(fā)生脆性破壞；韌性好，利于承受動力荷載；3、良好的加工性能與耐久性：包括可焊性、冷彎性能以及耐腐性能；● 據(jù)上要求,《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-

6、2003推薦承重結(jié)構(gòu)用鋼宜采用：炭素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼及低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼中的Q345、Q390和Q420鋼四種鋼材。,第二節(jié) 鋼材的主要機(jī)械性能,,,一、單向拉伸試驗(yàn)曲線 根據(jù)鋼材單向拉伸性能曲線，工程應(yīng)用中，鋼材的性能按理想彈塑性體考慮，fy定為鋼材拉、壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。,二、鋼材的主要機(jī)械性能強(qiáng)度：fy 強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)計(jì)依據(jù)；fu鋼材的最大承載強(qiáng)度，安全儲備。塑性－δ5（δ10），鋼材產(chǎn)生塑變時(shí)而不發(fā)生脆性斷裂

7、的能力，便于內(nèi)力重分布，吸收能量，重要指標(biāo)。冷彎性能－90o、180o，在冷加工過程中產(chǎn)生塑性變形時(shí)，對產(chǎn)生裂紋的敏感性，是判別鋼材塑性及冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)。韌性－沖擊韌性αk，鋼材在一定溫度下塑變及斷裂過程中吸收能量的能力，用于表征鋼材承受動力荷載的能力（動力指標(biāo)），按常溫（20o）、零溫（0o） 、負(fù)溫（-20o、-40o）區(qū)分 ?？珊感裕碚麂摬暮附雍缶邆淞己煤附咏宇^性能的能力－不產(chǎn)生裂紋，焊縫影響區(qū)材性滿足有關(guān)要求。,第三

8、節(jié) 影響鋼材性能的主要因素,1、化學(xué)成份2、冶金及軋制3、冷作硬化與時(shí)效硬化4、復(fù)雜應(yīng)力與應(yīng)力集中5、殘余應(yīng)力6、溫度,1、化學(xué)成份的影響 基本成份為Fe，炭鋼中含量占99％，C、Si、Mn為雜質(zhì)元素，S、P、N、O為冶煉過程中不易除盡的有害元素。C：含C↑使強(qiáng)度↑塑性、韌性、可焊性↓，應(yīng)控制在≤0.22%，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)控制在≤0.20%。Si：含Si適量使強(qiáng)度↑ 其它影響不大，有益，應(yīng)控制≤0.1~0.3%Mn

9、：含Si適量使強(qiáng)度↑ 降低S、O的熱脆影響，改善熱加工性能，對其它性能影響不大，有益。S：含量↑使強(qiáng)度↑塑性、韌性、性能冷彎、可焊性↓； 高溫時(shí)使鋼材變脆－熱脆現(xiàn)象。P：低溫時(shí)使鋼材變脆－冷脆現(xiàn)象；其它同SO、N：O同S；N同P，控制含量≤0.008%,,2、冶金與軋制的影響冶金的影響主要為脫氧方法：沸騰鋼用Mn為脫氧劑，時(shí)間快，價(jià)格低，質(zhì)量差；鎮(zhèn)靜鋼用Si為脫氧劑，時(shí)間慢，價(jià)格高，質(zhì)量好。反復(fù)的軋制可以改善鋼材

10、的塑性，同時(shí)可以使鋼材中的氣孔、裂紋、疏松等缺陷焊合，使金屬晶體組織密實(shí)，晶粒細(xì)化，消除纖維組織缺陷，使鋼材的力學(xué)性能提高。3、冷作硬化與時(shí)效硬化由于某種因素的影響而使鋼材強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降，增加脆性的現(xiàn)象稱之為硬化現(xiàn)象。冷加工時(shí)（常溫進(jìn)行彎折、沖孔剪切等），鋼材發(fā)生塑性變形從而使鋼材變硬的現(xiàn)象稱之為冷作硬化。鋼材中的C、N，隨著時(shí)間的增長和溫度的變化，而形成碳化物和氮化物，使鋼材變脆的“老化”現(xiàn)象稱之為時(shí)效硬化。,4、復(fù)

11、雜應(yīng)力與應(yīng)力集中的影響鋼材在多向同號應(yīng)力場作用下，一向的變形受到另一向的限制，而使鋼材強(qiáng)度增加，塑性、韌性下降，異號應(yīng)力場時(shí)則相反。鋼構(gòu)件由于截面的改變以及孔洞、凹槽、裂紋等原因而使構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中實(shí)際為：局部應(yīng)力增大并多為同號應(yīng)力場。5、殘余應(yīng)力的影響鋼材在軋制、焊接、切割等過程中會產(chǎn)生在構(gòu)件內(nèi)部自相平衡的內(nèi)力（P26,圖2.10）,殘余應(yīng)力雖對構(gòu)件的強(qiáng)度無影響，但對構(gòu)件的變形（剛度）、疲勞以及穩(wěn)定承載力產(chǎn)生不利影

12、響（后續(xù)章節(jié)中將詳細(xì)介紹）。,6、溫度的影響 溫度的影響，一般可分正溫與負(fù)溫影響兩部分。正溫影響（P27，圖2.11）總體影響規(guī)律為溫度上升，鋼材的強(qiáng)度降低，塑性、韌性提高，這一現(xiàn)象稱之為熱塑現(xiàn)象，溫度達(dá)600o左右時(shí)，鋼材的強(qiáng)度幾乎降至為零，而塑性、韌性極大，易于進(jìn)行熱加工，此溫度稱之為熱煅溫度。需要說明：鋼材在300o左右時(shí)，強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降，鋼材表面呈藍(lán)色，這一反覆現(xiàn)象稱之為藍(lán)脆現(xiàn)象。鋼材在300o以上時(shí)應(yīng)采取

13、隔熱措施。負(fù)溫影響（P27，圖2.12）隨著溫度的降低鋼材的強(qiáng)度提高，塑性、韌性降低，脆性增大，稱之為低溫冷脆，當(dāng)溫度降至某一特定溫度時(shí)鋼材的脆性急劇增大，稱此溫度點(diǎn)為轉(zhuǎn)脆溫度。,第四節(jié) 建筑結(jié)構(gòu)用鋼的種類與選擇 一、鋼材的牌號表示方法及結(jié)構(gòu)用鋼的種類,鋼材牌號由：“Q、屈服點(diǎn)值、質(zhì)量等級、脫氧方法”四部分組成。Q：表示“屈”字拼音首位字母，意為“屈服強(qiáng)度”；質(zhì)量等級：分A~E五級（字序越高質(zhì)量越好）；脫氧方法：F

14、－沸騰鋼；Z－鎮(zhèn)靜鋼（一般省略）； b－半鎮(zhèn)靜鋼；TZ－特殊鎮(zhèn)靜鋼。注：炭素結(jié)構(gòu)鋼分：A、B、C、D 四級，含所有脫氧方法；低合金結(jié)構(gòu)鋼分：A、B、C、D、E五級，只有鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。 如前所述建筑結(jié)構(gòu)用鋼，宜選炭素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235及低合金鋼中的Q345、Q390、Q420四種鋼材。,二、建筑結(jié)構(gòu)用鋼的選擇,鋼材的質(zhì)量和性能，由鋼材力學(xué)性能中的抗拉強(qiáng)度fu、屈服強(qiáng)度fy、伸

15、長率δ5（δ10）、冷彎180o及沖擊韌性αk，化學(xué)成分C、S、P等的極限含量，以及冶煉脫氧方法來衡量。選材時(shí)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載性質(zhì)（靜、動）、連接方法、工作溫度等因素來綜合考慮以選擇適宜鋼材。一般承重結(jié)構(gòu)應(yīng)有fu、fy、δ5以及C（ ≤0.22%）、S、P的極限含量合格保證；焊接及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)還應(yīng)具備冷彎180o合格保證（C≤0.2%）；承受動力荷載需要驗(yàn)算結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度時(shí),還應(yīng)根據(jù)具體情況增加對αk的不同要求。,第六節(jié)

16、 普通螺栓的連接,一、普通螺栓的連接構(gòu)造螺栓的規(guī)格與表示 鋼結(jié)構(gòu)一般選用C級（粗制）六角螺母螺栓，標(biāo)識用M和工程直徑（mm）表示，例如M16、M20等螺栓的排列 螺栓的各距應(yīng)滿足規(guī)定的要求（P71~72，表3.5~8）,,二、受力性能與計(jì)算1、受力分類螺栓根據(jù)作用不同，按螺栓受力可以分為：受剪、受拉及剪拉共同作用,,2、受剪連接受力性能與破壞形式五種破壞形式螺栓受剪破壞孔壁擠壓破壞連接板凈截面破壞螺栓

17、受彎破壞連接板沖剪破壞,單個(gè)受剪螺栓的承載力計(jì)算螺栓抗剪：孔壁承壓：最大承載力：,軸力作用受剪螺栓群的連接計(jì)算受力特性：沿受力方向，受力分配不均，兩端大中間小，在一定范圍內(nèi)，靠塑變可以均布內(nèi)力，過大時(shí)，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)仍按均布，但強(qiáng)度需乘折減系數(shù)β，當(dāng)l1≥15d0時(shí)：

18、 當(dāng)l1≥60d0時(shí)β＝0.7連接所需螺栓數(shù)量：連接板凈截面強(qiáng)度,扭矩、軸力及剪力共同作用受剪螺栓群計(jì)算扭矩作用：,軸力及剪力作用軸力扭矩共同作用下最大受力螺栓受拉螺栓連接受力性能與承載力,受彎矩作用螺栓連接計(jì)算,M、N共同作用（偏心受拉）螺栓計(jì)算小偏心：大偏心:,拉剪共同作用螺栓連接計(jì)算

19、注：此類連接因無支托板，一般應(yīng)考慮精制螺栓連接，以減少連接變形。,,第七節(jié) 高強(qiáng)度螺栓連接一、概述按受力特性分：摩擦型與承壓型抗剪連接時(shí)摩擦型以板件間最大摩擦力為承載力極限狀態(tài)；承壓型允許克服最大摩擦力后，以螺桿抗剪與孔壁承壓破壞為承載力極限狀態(tài)（同普通螺栓）。受拉時(shí)兩者無區(qū)別。高強(qiáng)螺栓采用Ⅱ級孔，便于施工。受傳力機(jī)理的要求，構(gòu)造上除連接板的邊、端距≥1.5d0外其它同普通螺栓。高強(qiáng)螺栓的材料與強(qiáng)度等級由高

20、強(qiáng)材料經(jīng)熱處理制成，按強(qiáng)度等級分10.9與8.8級。10.9級一般為20MnTiB、40Cr等材料，fu≥1000N/mm2，fu/fy≥0.9；8.8級一般為45＃鋼制成， fu≥800N/mm2，fu/fy≥0.8。,高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力（P85表3.9）二、摩擦型高強(qiáng)螺栓連接計(jì)算受剪連接計(jì)算一個(gè)螺栓抗剪承載力連接所需螺栓數(shù)凈截面強(qiáng)度：考慮50％孔前傳力,受拉連接高強(qiáng)螺栓計(jì)算由于高強(qiáng)螺栓的基本承載力為摩擦力，而摩

21、擦力預(yù)正壓力有關(guān)，為保證板件間保留一定的壓緊力《規(guī)范》規(guī)定:受彎連接結(jié)算（形心軸在中排）拉、剪共同作用連接計(jì)算三、承壓型高強(qiáng)螺栓連接 受力性能同普通螺栓，拉剪作用時(shí)以栓桿抗剪及孔壁承壓承力；受拉同摩擦型，計(jì)算公式總結(jié)如表3.11。,本章重點(diǎn)1、角焊縫的構(gòu)造與計(jì)算；2、焊接殘余應(yīng)力與變形的產(chǎn)生機(jī)理與影響；2、普通螺栓受剪連接的破壞形式與機(jī)理；3、高強(qiáng)螺栓連接的構(gòu)造與計(jì)算。,第四章軸心受力構(gòu)件

22、,第一節(jié) 概 述第二節(jié) 軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度第三節(jié) 實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定第四節(jié) 實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定第五節(jié) 實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)第六節(jié) 格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件,第一節(jié) 概 述軸心受力構(gòu)件分軸心受拉及受壓兩類構(gòu)件，作為一種受力構(gòu)件，就應(yīng)滿足承載能力與正常使用兩種極限狀態(tài)的要求。正常使用極限狀態(tài)的要求用構(gòu)件的長細(xì)比來控制；承載能力極限狀態(tài)包括強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定三方面的

23、要求。穩(wěn)定問題是鋼構(gòu)件的重點(diǎn)問題，所有鋼構(gòu)件都涉及到穩(wěn)定問題，是鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。本章將簡單講述鋼結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的一般概念，為下序章節(jié)打基礎(chǔ)。軸心受力構(gòu)件的截面分：實(shí)腹式與格構(gòu)式兩類（P97圖4.2）實(shí)腹式又分型鋼截面（包括普通型鋼與薄壁型鋼），組合截面（鋼板組合與型鋼組合截面）格構(gòu)式截面又分綴條式截面與綴板式截面,第二節(jié) 軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度一、軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度 以凈截面的平均應(yīng)力強(qiáng)度為準(zhǔn)則：即

24、二、軸心受力構(gòu)件的剛度 以構(gòu)件的長細(xì)比來控制，即第三節(jié) 實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定一、穩(wěn)定問題的概述 所謂的穩(wěn)定是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受載變形后，所處平衡狀態(tài)的屬性。如圖4.4，穩(wěn)定分穩(wěn)定平衡、隨遇平衡、不穩(wěn)定平衡。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)實(shí)際上為從穩(wěn)定平衡狀態(tài)經(jīng)過臨界平衡狀態(tài)，進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，臨界狀態(tài)的荷載即為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的穩(wěn)定極限荷載，構(gòu)件必須工作在臨界荷載之前。,穩(wěn)定問題為鋼結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)問題，所有鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件均件

25、均存在穩(wěn)定問題，穩(wěn)定問題分構(gòu)件的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。二、理想軸心受壓構(gòu)件的整體失穩(wěn) 1、理想條件：絕對直桿、材料均質(zhì)、無荷載偏心、無初始應(yīng) 力、完全彈性。 2、典型失穩(wěn)形式（p101，圖4.5） 彎曲失穩(wěn)－只有彎曲變形； 扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)－只有扭轉(zhuǎn)變形。 彎扭失穩(wěn)－彎曲變形的同時(shí)伴隨有扭轉(zhuǎn)變形。 單對稱截面繞對稱軸（或不對稱截面）彎曲失穩(wěn)時(shí)，由于截

26、面的形心（內(nèi)力作用點(diǎn)）與剪心（截面的扭轉(zhuǎn)中心）不重合，截面內(nèi)的內(nèi)力分量相對于剪心產(chǎn)生偏心產(chǎn)生扭矩，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。失穩(wěn)承載力低于彎曲失穩(wěn)承載力。 只有類似于十字型截面扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)承載力小于彎曲失穩(wěn)承載力，其他截面一般來說彎曲穩(wěn)定承載力均大于扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)承載力。,3、理想構(gòu)件的彈性彎曲失穩(wěn)根據(jù)右圖列平衡方程解平衡方程：得4、理想構(gòu)件的彈塑性彎曲失穩(wěn)構(gòu)件失穩(wěn)時(shí)如果截面應(yīng)力超出彈性極限，則構(gòu)件進(jìn)入彈塑

27、性工作階段，這時(shí)應(yīng)按切線模量理論進(jìn)行分析,3、實(shí)際構(gòu)件的整體穩(wěn)定 實(shí)際構(gòu)件與理想構(gòu)件間存在著初始缺陷，缺陷主要有：初始彎曲、殘余應(yīng)力、初始偏心。⑴、初始彎曲的影響⑵、初始偏心的影響,⑶、殘余應(yīng)力的影響 前面已講：鋼構(gòu)件在軋制、焊接、剪切等過程中，會在鋼構(gòu)件中產(chǎn)生內(nèi)部自相平衡的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力對構(gòu)件的強(qiáng)度無影響，但會對構(gòu)件的穩(wěn)定承載力產(chǎn)生不利影響。注：殘余應(yīng)

28、力對弱軸的影響大于對 強(qiáng)軸的影響,4、實(shí)際軸壓構(gòu)件的工程計(jì)算方法 初始彎曲與初始偏心的影響規(guī)律相同，按概率理論兩者同時(shí)取最大值的幾率很小，工程中把初彎曲考慮為最大（桿長的千分之一）以兼并考慮初彎曲的影響；按彎曲失穩(wěn)理論計(jì)算，考慮彎扭失穩(wěn)的影響，同時(shí)考慮殘余應(yīng)力的影響，根據(jù)各類影響因素的不同將構(gòu)件截面類型分為a、b、c及d四類（詳見p112，圖4.16及p113，表4.4a）。

29、a類為殘余應(yīng)力影響較小，c類為殘余應(yīng)力影響較大，并有彎扭失穩(wěn)影響，a、c類之間為b類，d類厚板工字鋼繞弱軸。 《規(guī)范》計(jì)算公式 ψ按λ計(jì)算,第四章軸心受力構(gòu)件,第一節(jié) 概 述第二節(jié) 軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度第三節(jié) 實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定第四節(jié) 實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定第五節(jié) 實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)第六節(jié) 格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件,第一節(jié) 概 述軸心

30、受力構(gòu)件分軸心受拉及受壓兩類構(gòu)件，作為一種受力構(gòu)件，就應(yīng)滿足承載能力與正常使用兩種極限狀態(tài)的要求。正常使用極限狀態(tài)的要求用構(gòu)件的長細(xì)比來控制；承載能力極限狀態(tài)包括強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定三方面的要求。穩(wěn)定問題是鋼構(gòu)件的重點(diǎn)問題，所有鋼構(gòu)件都涉及到穩(wěn)定問題，是鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。本章將簡單講述鋼結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的一般概念，為下序章節(jié)打基礎(chǔ)。軸心受力構(gòu)件的截面分：實(shí)腹式與格構(gòu)式兩類（P97圖4.2）實(shí)腹式又分型鋼截面（包括普

31、通型鋼與薄壁型鋼），組合截面（鋼板組合與型鋼組合截面）格構(gòu)式截面又分綴條式截面與綴板式截面,第二節(jié) 軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度一、軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度 以凈截面的平均應(yīng)力強(qiáng)度為準(zhǔn)則：即二、軸心受力構(gòu)件的剛度 以構(gòu)件的長細(xì)比來控制，即第三節(jié) 實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定一、穩(wěn)定問題的概述 所謂的穩(wěn)定是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受載變形后，所處平衡狀態(tài)的屬性。如圖4.4，穩(wěn)定分穩(wěn)定平衡、隨遇平衡、不穩(wěn)定

32、平衡。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)實(shí)際上為從穩(wěn)定平衡狀態(tài)經(jīng)過臨界平衡狀態(tài)，進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，臨界狀態(tài)的荷載即為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的穩(wěn)定極限荷載，構(gòu)件必須工作在臨界荷載之前。,穩(wěn)定問題為鋼結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)問題，所有鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件均件均存在穩(wěn)定問題，穩(wěn)定問題分構(gòu)件的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。二、理想軸心受壓構(gòu)件的整體失穩(wěn) 1、理想條件：絕對直桿、材料均質(zhì)、無荷載偏心、無初始應(yīng) 力、完全彈性。 2、典型失穩(wěn)形式（p101，圖4.5） 彎曲失穩(wěn)－只有彎曲變形

33、； 扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)－只有扭轉(zhuǎn)變形。 彎扭失穩(wěn)－彎曲變形的同時(shí)伴隨有扭轉(zhuǎn)變形。 單對稱截面繞對稱軸（或不對稱截面）彎曲失穩(wěn)時(shí)，由于截面的形心（內(nèi)力作用點(diǎn)）與剪心（截面的扭轉(zhuǎn)中心）不重合，截面內(nèi)的內(nèi)力分量相對于剪心產(chǎn)生偏心產(chǎn)生扭矩，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。失穩(wěn)承載力低于彎曲失穩(wěn)承載力。 只有類似于十字型截面扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)承載力小于彎曲失穩(wěn)承載力，其他截面一般來說彎

34、曲穩(wěn)定承載力均大于扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)承載力。,3、理想構(gòu)件的彈性彎曲失穩(wěn)根據(jù)右圖列平衡方程解平衡方程：得4、理想構(gòu)件的彈塑性彎曲失穩(wěn)構(gòu)件失穩(wěn)時(shí)如果截面應(yīng)力超出彈性極限，則構(gòu)件進(jìn)入彈塑性工作階段，這時(shí)應(yīng)按切線模量理論進(jìn)行分析,3、實(shí)際構(gòu)件的整體穩(wěn)定 實(shí)際構(gòu)件與理想構(gòu)件間存在著初始缺陷，缺陷主要有：初始彎曲、殘余應(yīng)力、初始偏心。⑴、初始彎曲的影響⑵、初始偏心的影響,⑶、殘余應(yīng)力的影響

35、 前面已講：鋼構(gòu)件在軋制、焊接、剪切等過程中，會在鋼構(gòu)件中產(chǎn)生內(nèi)部自相平衡的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力對構(gòu)件的強(qiáng)度無影響，但會對構(gòu)件的穩(wěn)定承載力產(chǎn)生不利影響。注：殘余應(yīng)力對弱軸的影響大于對 強(qiáng)軸的影響,4、實(shí)際軸壓構(gòu)件的工程計(jì)算方法 初始彎曲與初始偏心的影響規(guī)律相同，按概率理論兩者同時(shí)取最大值的幾率很小，工程中把初彎曲考慮為最大（桿長的千分之一）以兼并考慮初彎曲的影響；按

36、彎曲失穩(wěn)理論計(jì)算，考慮彎扭失穩(wěn)的影響，同時(shí)考慮殘余應(yīng)力的影響，根據(jù)各類影響因素的不同將構(gòu)件截面類型分為a、b、c及d四類（詳見p112，圖4.16及p113，表4.4a）。 a類為殘余應(yīng)力影響較小，c類為殘余應(yīng)力影響較大，并有彎扭失穩(wěn)影響，a、c類之間為b類，d類厚板工字鋼繞弱軸。 《規(guī)范》計(jì)算公式 ψ按λ計(jì)算,第五章 梁（受彎構(gòu)件）,第一節(jié)概述第二節(jié)梁的強(qiáng)度與剛度第三節(jié)

37、梁的整體穩(wěn)定第四節(jié)梁的局部穩(wěn)定與加勁肋設(shè)計(jì)第五節(jié)梁的截面設(shè)計(jì),第一節(jié) 概 述梁主要是用作承受橫向荷載的實(shí)腹式構(gòu)件（格構(gòu)式為桁架），主要內(nèi)力為彎矩與剪力；梁的正常使用極限狀態(tài)為控制梁的撓曲變形；梁的承載能力極限狀態(tài)包括：強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性；梁的截面主要分型鋼與鋼板組合截面梁格形式主要有：簡式梁格（單一梁）、普通梁格（分主、次梁）及復(fù)式梁格（分主梁及橫、縱次梁），具體詳見P141圖5.2,第二節(jié)梁的強(qiáng)度與剛度,

38、一、梁的強(qiáng)度梁在荷載作用下將產(chǎn)生彎應(yīng)力、剪應(yīng)力，在集中荷載作用處還有局部承壓應(yīng)力，故梁的強(qiáng)度應(yīng)包括：抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、局部成壓強(qiáng)度，在彎應(yīng)力、剪應(yīng)力及局部壓應(yīng)力共同作用處還應(yīng)驗(yàn)算折算應(yīng)力。1、抗彎強(qiáng)度彈性階段：以邊緣屈服為最大承載力彈塑性階段：以塑性鉸彎矩為最大承載力,彈性最大彎矩塑性鉸彎矩截面形狀系數(shù)梁的《規(guī)范》計(jì)算方法以部分截面發(fā)展塑性（1/4截面）為極限承載力狀態(tài)單向彎曲雙向彎曲式中：γ為塑性

39、發(fā)展系數(shù)，按P143，表5.1b1/t≥13及直接承受動力荷載時(shí)γ=1.0,二、抗剪強(qiáng)度三、腹板局部壓應(yīng)力四、折算應(yīng)力兩σ同號取1.1， 異號取1.2五、梁的剛度控制梁的撓跨比小于 規(guī)定的限制（為變形量的限制）,第三節(jié) 梁的整體穩(wěn)定,一、梁的失穩(wěn)機(jī)理梁受彎變形后，上翼緣受壓，由于梁側(cè)向剛度不夠，就會發(fā)生梁的側(cè)向彎曲失穩(wěn)變形，梁截面從上至下彎曲量不等，就形成截面的扭轉(zhuǎn)變形，同時(shí)還有彎矩作用平面

40、那的彎曲變形，故梁的失穩(wěn)為彎扭失穩(wěn)形式，完整的說應(yīng)為：側(cè)向彎曲扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。從以上失穩(wěn)機(jī)理來看， 提高梁的整穩(wěn)承載力 的有效措施應(yīng)為提高 梁上翼緣的側(cè)移剛度， 減小梁上翼緣的側(cè)向 計(jì)算長度,二、影響梁整體穩(wěn)定的因素主要因素有：截面形式，荷載類型，荷載作用方式，受壓翼緣的側(cè)向支撐。三、整體穩(wěn)定計(jì)算 表達(dá)式,三、梁的整體穩(wěn)定保證措施提高梁的整體穩(wěn)定承載力的關(guān)鍵是，增強(qiáng)梁受壓翼緣的抗側(cè)

41、移及扭轉(zhuǎn)剛度，當(dāng)滿足一定條件時(shí)，就可以保證在梁強(qiáng)度破壞之前不會發(fā)生梁的整體失穩(wěn)，可以不必驗(yàn)算梁的整體穩(wěn)定，具體條件詳見P153四、梁的側(cè)向支撐側(cè)向支撐作用是為梁提供側(cè)向支點(diǎn)，減小側(cè)向計(jì)算長度，故要求側(cè)向支撐應(yīng)可靠，能有效地承受梁側(cè)彎產(chǎn)生的側(cè)向力（實(shí)際為彎曲剪力），由于側(cè)彎主要是受壓翼緣彎曲引起，同第四章，側(cè)向力可以寫為：如果為支桿應(yīng)按軸心受壓構(gòu)件計(jì) 算，同時(shí)應(yīng)注意如書P154圖5.11 所示的有效支撐。夾支座：梁

42、為側(cè)向彎曲扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，所以支座處應(yīng)采取措施限制梁的扭轉(zhuǎn)。,第四節(jié) 梁的局部穩(wěn)定與加勁肋設(shè)計(jì),一、概述同軸壓構(gòu)件一樣，為提高梁的剛度與強(qiáng)度及整體穩(wěn)定承載力，應(yīng)遵循“肢寬壁薄”的設(shè)計(jì)原則，從而引發(fā)板件的局部穩(wěn)定承載力問題。翼緣板受力較為簡單，仍按限制板件寬厚比的方法來保證局部穩(wěn)定性。腹板受力復(fù)雜，而且為滿足強(qiáng)度要求，截面高度較大，如仍采用限制梁的腹板高厚比的方法，會使腹板取值很大，不經(jīng)濟(jì)，一般采用加勁肋的方法來減小板件尺寸，從而提高

43、局部穩(wěn)定承載力。 圖中：1－橫向加勁肋 2－縱向加勁肋 3－短加勁肋,二、翼緣板的局部穩(wěn)定設(shè)計(jì)原則－－等強(qiáng)原則按彈性設(shè)計(jì)（不考慮塑性發(fā)展γ=1.0），因有殘余應(yīng)力影響，實(shí)際截面已進(jìn)入彈塑性階段，《規(guī)范》取Et=0.7E。若考慮塑性發(fā)展(γ＞1.0），塑性發(fā)展會更大Et=0.5E。當(dāng) 時(shí)， γ=1.0,三、腹板的屈曲屈曲應(yīng)力統(tǒng)一表

44、達(dá)式（k值相見p167，表5.9）,剪切應(yīng)力屈曲如不設(shè)加勁肋，a＞＞b，b/a→0，k≈5.34,χ=1.23彎曲應(yīng)力彈性屈曲如不設(shè)加勁肋， k≈23.9,χ=1.66（1.23,扭轉(zhuǎn)不約束）,局部壓應(yīng)力彈性屈曲按a/h0=2設(shè)置橫向加勁肋， k≈18.4,η=1.0復(fù)合應(yīng)力作用板件屈曲僅配置橫向加勁肋配有縱向加勁肋的上區(qū)格（偏心受壓）配有縱向加勁肋的下區(qū)格（偏心受壓，σc2≈σc）,四、加勁肋的配

45、置與構(gòu)造1、配置規(guī)定（P169，表5.10）,2、加勁肋的構(gòu)造橫向加勁肋貫通，縱向加勁肋斷開；橫向加勁肋的間距a應(yīng)滿足 ，當(dāng) 且 時(shí)，允許縱向加勁肋距受壓翼緣的距離應(yīng)在 范圍內(nèi)；上述各式中，h0為梁腹板的計(jì)算高度，hc為梁腹板受壓區(qū)高度，對于單

46、對稱截面，前述表5.10中4、5項(xiàng)中有關(guān)縱向加勁肋規(guī)定中的h0應(yīng)取2hc。加勁肋可以成對布置于腹板兩側(cè)，也可以單側(cè)布置，支承加勁肋及重級工作制吊車梁必須兩側(cè)對稱布置。加勁肋必須具備一定剛度，截面尺寸及慣性矩應(yīng)滿足：,橫向加勁肋的截面尺寸雙側(cè)布置時(shí)單側(cè)布置時(shí)：bs不應(yīng)小于上式的1.2倍。截面慣性矩的要求（同時(shí)配置橫、縱肋時(shí)）橫向肋：縱向肋： 當(dāng) 時(shí) 當(dāng)

47、 時(shí)橫向加勁肋應(yīng)按右圖示切角， 避免多向焊縫相交，產(chǎn)生復(fù)雜 應(yīng)力場。,支承加勁肋構(gòu)造與計(jì)算在梁支座處及較大集中荷載作用處，應(yīng)布置支承加勁肋，支承加勁肋實(shí)際上就是加大的橫向加勁肋，支承加勁肋分梁腹板兩側(cè)成對布置的平板式，及凸緣式兩種。,其作用除保證腹板的局部穩(wěn)定外，還應(yīng)承受集中力作用，故除滿足橫向加勁肋的有關(guān)尺寸及構(gòu)造要求外，尚滿足如下所述幾方面承載力的要求。穩(wěn)定性計(jì)算

48、 注：平板式按b類；凸緣式按c類端面刨平抵緊示應(yīng)驗(yàn)算端面承壓端面焊接時(shí)以及支承肋與腹板的焊縫應(yīng)按第三章方法驗(yàn)算焊縫強(qiáng)度,第四節(jié) 鋼梁的設(shè)計(jì),一、型鋼梁的設(shè)計(jì)1、根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算梁的最大彎距設(shè)計(jì)值Mmax；2、根據(jù)抗彎強(qiáng)度，計(jì)算所需的凈截面抵抗矩：3、查型鋼表確定型鋼截面4、截面驗(yàn)算強(qiáng)度驗(yàn)算：抗彎、抗剪、局部承壓（一般不需驗(yàn)算折算應(yīng)力強(qiáng)度）；剛度驗(yàn)算：驗(yàn)算梁的撓跨比整體穩(wěn)定驗(yàn)算（型鋼截面局部穩(wěn)定一般不

49、需驗(yàn)算）。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果調(diào)整截面，再進(jìn)行驗(yàn)算，直至滿足。,二、組合梁的截面設(shè)計(jì)1、根據(jù)受力情況確定所需的截面抵抗矩2、截面高度的確定最小高度：hmin由梁剛度確定；最大高度：hmax由建筑設(shè)計(jì)要求確定；經(jīng)濟(jì)高度：he由最小耗鋼量確定；選定高度：hmin≤h≤hmax；h≈he，并認(rèn)為h0≈he3、確定腹板厚度（假定剪力全部由腹板承受），則有： 或按經(jīng)驗(yàn)公式：,3、確定翼緣寬度確定了腹板厚度后，可按抗彎要求

50、確定翼緣板面積Af，已工字型截面為例：有了Af ，只要選定b、t中的其一，就可以確定另一值。4、截面驗(yàn)算強(qiáng)度驗(yàn)算：抗彎、抗剪、局部承壓以及折算應(yīng)力強(qiáng)度）；剛度驗(yàn)算：驗(yàn)算梁的撓跨比；整體穩(wěn)定驗(yàn)算；局部穩(wěn)定驗(yàn)算（翼緣板）根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果調(diào)整截面，再進(jìn)行驗(yàn)算，直至滿足。根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行加勁肋結(jié)算與布置,4、腹板與翼緣焊縫的計(jì)算連接焊縫主要用于承受彎曲剪力，單位長度上剪力為：當(dāng)梁上承受固定的集中荷載且未設(shè)支承了時(shí)，

51、上翼緣焊縫同時(shí)承受剪力T1及集中力F的共同作用，由F產(chǎn)生的單位長度上的力V1為：,第六章 拉彎與壓彎構(gòu)件,第一節(jié) 概述第二節(jié) 拉彎與壓彎構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度第三節(jié) 實(shí)腹式壓彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定第四節(jié) 實(shí)腹式壓彎構(gòu)件的局部穩(wěn)定第五節(jié) 實(shí)腹式壓彎構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)第六節(jié) 格構(gòu)式壓彎構(gòu)件,第一節(jié) 概 述,拉彎與壓彎構(gòu)件實(shí)際上就是軸力與彎矩共同作用的構(gòu)件，也就是為軸心受力構(gòu)件與受彎構(gòu)件的組合，典型的三種拉、壓彎構(gòu)件如下圖所示。

52、同其他構(gòu)件一樣，拉、壓彎構(gòu)件也需同時(shí)滿足正常使用及承載能力兩種極限狀態(tài)的要求。正常使用極限狀態(tài)：滿足剛度要求。承載能力極限狀態(tài)：需滿足強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定三方面要求。截面形式：同軸心受力構(gòu)件， 分實(shí)腹式截面與格構(gòu)式截面實(shí)腹式：型鋼截面與組合截面格構(gòu)式：綴條式與綴板式,第二節(jié) 拉、壓彎構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度一、強(qiáng)度兩個(gè)工作階段，兩個(gè)特征點(diǎn)彈性工作階段：以邊緣屈服為特征點(diǎn)（彈性承載力）彈塑性工作階段：以塑性鉸彎距為特

53、征點(diǎn)（極限承載力）極限承載力,聯(lián)立以上兩式，消去η，則有如下相關(guān)方程 －－軸力單獨(dú)作用時(shí)最大承載力 －－彎距單獨(dú)作用時(shí)最大承載力 如右圖所示，為計(jì)算方便，改用線性相關(guān)方程（偏安全）《規(guī)范》公式,關(guān)于±號的說明－－如右

54、圖所示對于單對稱截面，彎距繞非對稱軸作用時(shí)，會出現(xiàn)兩種控制應(yīng)力狀況。不考慮塑性發(fā)展（γ=1.0）的情況直接承受動力荷載時(shí)；格構(gòu)式構(gòu)件，彎距繞虛軸作用時(shí)；當(dāng) 時(shí)。二、剛度一般情況，剛度由構(gòu)件的長細(xì)比控制，即：,第三節(jié) 實(shí)腹式壓彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定,一、概 述 實(shí)腹式壓彎構(gòu)件在軸力及彎距作用下，即可能發(fā)生彎矩作用平面內(nèi)的彎曲失穩(wěn)

55、，也可能發(fā)生彎矩作用平面外的彎曲扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)（類似梁）。兩方面在設(shè)計(jì)中均應(yīng)保證。二、彎矩作用平面內(nèi)的整體穩(wěn)定 以右圖示理想的壓彎構(gòu)件為例 考慮初彎曲 的影響 以受壓邊緣纖維屈服為破壞準(zhǔn)則，則有,如果M=0，則構(gòu)件變?yōu)檩S心壓桿，則有代入上式便有：聯(lián)立1、2兩式，消去 則有：如果和梁一樣允許一定的塑性發(fā)展，則有《規(guī)范》公式