第17章鋼結構基本概念(2)

1、第第1717章章 鋼結構基本概念鋼結構基本概念第一節(jié)第一節(jié) 鋼結構的發(fā)展鋼結構的發(fā)展第二節(jié)第二節(jié) 鋼結構概述鋼結構概述 第三節(jié)第三節(jié) 鋼結構構件鋼結構構件第四節(jié)第四節(jié) 鋼結構的連接鋼結構的連接3.1 3.1 軸心受力構件軸心受力構件 應用應用：承重結構，包括拉、壓桿，柱承重結構，包括拉、壓桿，柱 對截面形式的要求對截面形式的要求 (1) (1) 軸心受力構件的軸心受力構件的應用和應用和截面選擇截面選擇第三節(jié)第三節(jié) 鋼結構構件鋼結構構件 截面積滿足強度要求截面積滿足強度要求 制作簡便制作簡便 便于和相鄰構件連接便于和相鄰構件連接 截面開展而壁厚較薄截面開展而壁厚較薄 軸心受力構件截面形式軸心受力

2、構件截面形式 熱軋型鋼截面熱軋型鋼截面 冷彎薄壁型鋼截面冷彎薄壁型鋼截面 型鋼和鋼板的組合截面型鋼和鋼板的組合截面實腹式組合截面實腹式組合截面格構式組合截面格構式組合截面 格構式構件：格構式構件： 由兩個或多個型鋼肢件通過綴條或綴板連接而成。由兩個或多個型鋼肢件通過綴條或綴板連接而成。 綴條多采用單角鋼，綴板由鋼板組成；綴條多采用單角鋼，綴板由鋼板組成；構件截面上與腹板相交的軸線為實軸，與綴材平面相垂直的軸為虛軸。構件截面上與腹板相交的軸線為實軸，與綴材平面相垂直的軸為虛軸。優(yōu)點：優(yōu)點：增加慣性矩，提高剛度，節(jié)約鋼材，適用于較高大構件。增加慣性矩，提高剛度，節(jié)約鋼材，適用于較高大構件。缺點：缺

3、點：制造費工制造費工(2) (2) 軸心受力構件的強度和剛度驗算軸心受力構件的強度和剛度驗算 強度驗算強度驗算 圖 4-2 孔洞處截面應力分布 (a) 彈性狀態(tài)應力；(b)極限狀態(tài)應力 (a) (b) N N N N 0 max=30 fy N 軸心拉力或壓力設計值；軸心拉力或壓力設計值； An 構件的凈截面面積；構件的凈截面面積； fy 鋼材的抗拉鋼材的抗拉( (壓壓) )強度設計值強度設計值n(41)yNfA剛度驗算：剛度驗算：保證構件在運輸、安裝、使用時不產生過大變形保證構件在運輸、安裝、使用時不產生過大變形剛度通過限制構件的剛度通過限制構件的長細比長細比 或柔度或柔度來實現來實現。取取

4、值值詳詳見見規(guī)規(guī)范范或或教教材材。構構件件的的容容許許長長細細比比，其其 0 x xxli0y yylix/xxiIA 截 面 對軸 的 回 轉 半 徑0 xxl 構件對 軸計算長度；y/yiIA0yyl 構件對 軸計算長度； 計算長度系數計算長度系數 0ll受拉構件的容許長細比 表 4-1 承受靜力荷載或間接承受動力荷載的結構 項次 構件名稱 有重級工作制吊車的廠房 一般結構 直接承受動力 荷載的結構 1 桁架的桿件 250 350 250 2 吊車梁或吊車桁架 以下的柱間支撐 200 300 3 其它拉桿、支撐、系桿等 （張緊的圓鋼除外） 350 400 某普通支撐構件采用雙角鋼截面型式，

5、受壓力某普通支撐構件采用雙角鋼截面型式，受壓力N=410kN。計。計算長度算長度l0 x=3m, l0y=8.85m，回轉半徑，回轉半徑ix=2.37cm , iy=4.47cm。材料為。材料為Q235鋼。試驗算其強度和剛度。鋼。試驗算其強度和剛度。 例題：例題：jANxxxrl0yyyrl0100808的截面積的截面積2944.13cmA 構件凈截面積構件凈截面積: 2448.24)8 . 015. 2944.13(2cmAj32410 10167.724.448 10yMPaf強度強度剛度剛度20018774. 41085. 8220012737. 21032u 概念：承受橫向荷載，樓蓋梁

6、、吊車梁、橋面梁等；概念：承受橫向荷載，樓蓋梁、吊車梁、橋面梁等；u 分類：分類：熱軋型鋼梁：加工方便、制造簡單、熱軋型鋼梁：加工方便、制造簡單、成本低，如工字鋼、槽鋼、成本低，如工字鋼、槽鋼、H型鋼型鋼冷彎薄壁型鋼梁：用于荷載較小，冷彎薄壁型鋼梁：用于荷載較小，跨度不大的情況，節(jié)省鋼材跨度不大的情況，節(jié)省鋼材3.2 3.2 受彎構件梁受彎構件梁(g)一般采用三塊鋼板焊接而成的一般采用三塊鋼板焊接而成的工字形截面工字形截面，或，或(h)由由T型鋼型鋼(用用H型鋼剖分而成型鋼剖分而成)中間加板的中間加板的焊接截面焊接截面。(i)當焊接組合梁翼緣需要很厚時，可采用當焊接組合梁翼緣需要很厚時，可采用

7、兩層翼緣板截面兩層翼緣板截面。(j)對受動力荷載的梁，若鋼材質量不能滿足焊接結構的要求對受動力荷載的梁，若鋼材質量不能滿足焊接結構的要求時，可采用高強度螺栓或鉚釘連接而成的時，可采用高強度螺栓或鉚釘連接而成的工字形截面工字形截面。(k)荷載很大而高度受到限制或梁的抗扭要求較高時，可采用荷載很大而高度受到限制或梁的抗扭要求較高時，可采用箱形截面箱形截面。u 常用組合梁形式常用組合梁形式 1.簡單式梁格簡單式梁格 ：單一主梁：單一主梁 2.普通式梁格：分主、次梁普通式梁格：分主、次梁 3.復式梁格：分主梁及橫、縱次梁復式梁格：分主梁及橫、縱次梁主梁次梁主梁縱向次梁橫向次梁主梁u 梁格布置梁格布置3

8、.3 3.3 梁的設計梁的設計梁的設計必須同時滿足梁的設計必須同時滿足1、承載力極限狀態(tài)、承載力極限狀態(tài) 強度強度(抗彎強度、抗剪強度、局部承壓強度抗彎強度、抗剪強度、局部承壓強度) 整體穩(wěn)定性整體穩(wěn)定性 局部穩(wěn)定性局部穩(wěn)定性2、正常使用極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài) 剛度剛度(撓度撓度)隨著梁上荷載不斷增加，彎曲應力的發(fā)展可分為三個階段：隨著梁上荷載不斷增加，彎曲應力的發(fā)展可分為三個階段：(1)彈性階段；彈性階段；(2)彈塑性階段；彈塑性階段；(3)塑性階段。塑性階段。 u 抗彎強度抗彎強度以部分截面發(fā)展塑性（以部分截面發(fā)展塑性（1/41/4截面，截面，a=h/8 8）為極限狀態(tài)：）為極限狀態(tài)：

9、式中：式中： Wn梁的凈截面模量梁的凈截面模量； 塑性發(fā)展系數。塑性發(fā)展系數。 ( )( )( )()x yx yx yxn ynMfW 工字形和槽形截面梁腹板上的剪應力分布如圖所示。截工字形和槽形截面梁腹板上的剪應力分布如圖所示。截面上的最大剪應力發(fā)生在腹板中和軸處。面上的最大剪應力發(fā)生在腹板中和軸處。 抗剪強度不足時，最有效的辦法是增大腹板的面積，但抗剪強度不足時，最有效的辦法是增大腹板的面積，但腹板高度腹板高度hw一般由梁的剛度條件和構造要求確定，故設計時一般由梁的剛度條件和構造要求確定，故設計時常采用加大腹板厚度的辦法增大梁的抗剪強度。常采用加大腹板厚度的辦法增大梁的抗剪強度。u 抗剪

10、強度抗剪強度兩種情況下，應驗算腹板計算高度兩種情況下，應驗算腹板計算高度h0邊緣的局部承壓強度邊緣的局部承壓強度: (1) 翼緣受有沿腹板平面作用的集中荷載翼緣受有沿腹板平面作用的集中荷載(包括支座反力包括支座反力) (2) 受有移動的集中荷載受有移動的集中荷載(如吊車的輪壓如吊車的輪壓) 當計算不能滿足時，在固定集中荷載處當計算不能滿足時，在固定集中荷載處(包括支座處包括支座處)，應對腹板用支承加勁肋予以加強；對移動集中荷載，則只能應對腹板用支承加勁肋予以加強；對移動集中荷載，則只能修改梁截面，加大腹板厚度。修改梁截面，加大腹板厚度。u 局部承壓強度局部承壓強度整體失穩(wěn)現象整體失穩(wěn)現象機理分

11、析：機理分析：梁受彎變形后，上翼緣受壓，由于梁側向剛度梁受彎變形后，上翼緣受壓，由于梁側向剛度不夠，就會發(fā)生梁的側向彎曲失穩(wěn)變形；梁截面從上至下不夠，就會發(fā)生梁的側向彎曲失穩(wěn)變形；梁截面從上至下彎曲量不等，就形成截面的扭轉變形，同時還有彎矩作用彎曲量不等，就形成截面的扭轉變形，同時還有彎矩作用平面內的彎曲變形，故梁的整體失穩(wěn)為彎扭失穩(wěn)形式，完平面內的彎曲變形，故梁的整體失穩(wěn)為彎扭失穩(wěn)形式，完整的說法應為：側向彎曲扭轉失穩(wěn)。整的說法應為：側向彎曲扭轉失穩(wěn)。有效措施：有效措施：提高上翼緣側移剛度。提高上翼緣側移剛度。u 梁的整體穩(wěn)定性梁的整體穩(wěn)定性 組合梁由翼緣與腹板焊接而成，如果這些板件的寬厚比

12、組合梁由翼緣與腹板焊接而成，如果這些板件的寬厚比很大，板中壓應力或剪應力達到某數值后，受壓翼緣或腹板很大，板中壓應力或剪應力達到某數值后，受壓翼緣或腹板可能偏離其平面位置，出現波形鼓曲，這種現象稱為梁喪失可能偏離其平面位置，出現波形鼓曲，這種現象稱為梁喪失局部穩(wěn)定。局部穩(wěn)定。熱軋型鋼梁能夠滿足局部穩(wěn)定要求，一般不必計算。熱軋型鋼梁能夠滿足局部穩(wěn)定要求，一般不必計算。u 梁的局部穩(wěn)定性梁的局部穩(wěn)定性 梁的剛度驗算即為梁的撓度驗算。梁的剛度不足，其將梁的剛度驗算即為梁的撓度驗算。梁的剛度不足，其將會產生較大變形，影響正常使用。會產生較大變形，影響正常使用。 例如樓蓋梁的撓度超過正常使用的某一限值時

13、，一方面例如樓蓋梁的撓度超過正常使用的某一限值時，一方面給人們一種不舒服和不安全的感覺，另一方面可能使其上部給人們一種不舒服和不安全的感覺，另一方面可能使其上部的樓面及下部的抹灰開裂，影響結構的功能；吊車梁撓度過的樓面及下部的抹灰開裂，影響結構的功能；吊車梁撓度過大，會加劇吊車運行時的沖擊和振動，甚至使吊車運行困難大，會加劇吊車運行時的沖擊和振動，甚至使吊車運行困難等等。等等。 v荷載標準值產生的最大撓度；荷載標準值產生的最大撓度； v規(guī)范根據實踐經驗規(guī)定的梁的容許撓度值。規(guī)范根據實踐經驗規(guī)定的梁的容許撓度值。vvu 梁的剛度梁的剛度1、根據實際情況計算梁的最大彎距設計值、根據實際情況計算梁的

14、最大彎距設計值Mmax；2 2、根據抗彎強度，計算所需的凈截面抵抗矩：、根據抗彎強度，計算所需的凈截面抵抗矩：3 3、查型鋼表確定型鋼截面、查型鋼表確定型鋼截面4 4、截面驗算、截面驗算 強度驗算：抗彎、抗剪、局部承壓；強度驗算：抗彎、抗剪、局部承壓； 剛度驗算：驗算梁的撓跨比剛度驗算：驗算梁的撓跨比 整體穩(wěn)定驗算（型鋼截面局部穩(wěn)定一般不需驗算）。整體穩(wěn)定驗算（型鋼截面局部穩(wěn)定一般不需驗算）。 根據驗算結果調整截面，再進行驗算，直至滿足。根據驗算結果調整截面，再進行驗算，直至滿足。fMWxTmaxu 型鋼梁的設計步驟型鋼梁的設計步驟二、螺栓連接二、螺栓連接 優(yōu)點：連接剛度大，傳力可靠；優(yōu)點：連

15、接剛度大，傳力可靠； 分為：分為： 普通螺栓連接；高強度螺栓連接普通螺栓連接；高強度螺栓連接三、鉚釘連接三、鉚釘連接N缺點：對施工技術要求很高，勞動強度大，缺點：對施工技術要求很高，勞動強度大，施工條件差，施工條件差， 施工速度慢。施工速度慢。 優(yōu)點：拆裝方便優(yōu)點：拆裝方便 缺點：板件有削弱缺點：板件有削弱一、一、焊縫連接焊縫連接 優(yōu)點：不削弱截面，方便施工，連接剛度大；優(yōu)點：不削弱截面，方便施工，連接剛度大；缺點：材質易脆，存在殘余應力，對裂紋敏感。缺點：材質易脆，存在殘余應力，對裂紋敏感。 第四節(jié)第四節(jié) 鋼結構的連接鋼結構的連接1.1.手工電弧焊手工電弧焊 焊機焊機導線導線熔池熔池焊條焊條

16、焊鉗焊鉗保護氣體保護氣體焊件焊件電弧電弧電弧焊電弧焊（手工電弧焊、自動（手工電弧焊、自動 半自半自動埋弧焊），動埋弧焊），氣體保護焊氣體保護焊。原理：原理：由焊條、焊鉗、焊件、電焊機與導線組成電路。通電由焊條、焊鉗、焊件、電焊機與導線組成電路。通電引弧后，在涂有焊藥的焊條端與焊件間產生電弧，使焊藥燃引弧后，在涂有焊藥的焊條端與焊件間產生電弧，使焊藥燃燒、焊條熔化；燒、焊條熔化；熔滴滴入被電弧吹成的焊接溶池中，焊縫金屬冷卻后與焊件熔滴滴入被電弧吹成的焊接溶池中，焊縫金屬冷卻后與焊件熔成一體；熔成一體；焊藥燃燒在熔池周圍形成保護氣體，稍冷后在焊縫熔化金屬焊藥燃燒在熔池周圍形成保護氣體，稍冷后在焊縫

17、熔化金屬表面形成熔渣，以隔絕熔池中液體金屬與氧、氮等氣體的接表面形成熔渣，以隔絕熔池中液體金屬與氧、氮等氣體的接觸，避免形成脆性易裂化合物。觸，避免形成脆性易裂化合物。缺點：質量波動大，要求焊工等缺點：質量波動大，要求焊工等級高，勞動強度大，效率低。級高，勞動強度大，效率低。 優(yōu)點：方便，特別在高空和野外優(yōu)點：方便，特別在高空和野外作業(yè)，小型焊接；作業(yè)，小型焊接；一般情況下，焊條與母材的對應關系如下：一般情況下，焊條與母材的對應關系如下： Q235Q235鋼材，采用鋼材，采用E43E43焊條；焊條； Q345Q345鋼材，采用鋼材，采用E50E50焊條；焊條； Q390Q390、Q420Q42

18、0鋼材，采用鋼材，采用E55E55焊條。焊條。焊條牌號為焊條牌號為E43E43、E50E50和和E55E55型等，型等，E E表示焊條，數字表示熔融表示焊條，數字表示熔融金屬最小抗拉強度（單位為金屬最小抗拉強度（單位為Kgf/mmKgf/mm2 2）。）。 原理：原理：自動電焊機沿軌道按設定速度移動，通電引弧后，使自動電焊機沿軌道按設定速度移動，通電引弧后，使埋于焊劑下的焊絲和附近的焊劑熔化。埋于焊劑下的焊絲和附近的焊劑熔化。隨焊機的移動，顆粒隨焊機的移動，顆粒狀焊劑不斷從料斗漏下，電弧完全被埋在焊劑之內，同時焊狀焊劑不斷從料斗漏下，電弧完全被埋在焊劑之內，同時焊絲自動地邊熔化邊下降，稱為自動

19、埋弧焊。絲自動地邊熔化邊下降，稱為自動埋弧焊。 ( (沿軌道推移過程由人工控制時，稱為半自動埋弧焊沿軌道推移過程由人工控制時，稱為半自動埋弧焊) )2.2.自動自動/ /半自動埋弧焊半自動埋弧焊門式全自動埋弧焊機門式全自動埋弧焊機優(yōu)點：自動化程度高，焊接速度快，焊接質量好優(yōu)點：自動化程度高，焊接速度快，焊接質量好。缺點：設備投資大，施工位置受限等。缺點：設備投資大，施工位置受限等。 原理：原理：直接依靠惰性氣體或二氧化碳氣體在電弧周圍形成局直接依靠惰性氣體或二氧化碳氣體在電弧周圍形成局部的保護層，以防止有害氣體侵入，從而保持焊接過程的穩(wěn)部的保護層，以防止有害氣體侵入，從而保持焊接過程的穩(wěn)定。定

20、。3.3.氣體保護焊氣體保護焊焊縫形式焊縫形式角焊縫角焊縫 對接焊縫對接焊縫 對接焊縫角焊縫4. 4. 焊縫形式及連接形式焊縫形式及連接形式連接形式連接形式平接平接 搭接搭接 T T形連接形連接 角接角接 (a)(c)(b)(d)(f)(e)(g)(h)(i)1.1.普通螺栓普通螺栓C級級- 粗制螺栓，性能等級為粗制螺栓，性能等級為4.6或或4.8級；級； 4表示表示fu400N/mm2, 0.6或或0.8表示表示fy/fu=0.6或或0.8； 類孔，孔徑類孔，孔徑(do)-栓桿直徑栓桿直徑(d) 13mm。A、B級級- 精制螺栓，性能等級為精制螺栓，性能等級為5.6或或8.8級級; 5或或8

21、表示表示fu500或或800N/mm2, 0.6或或0.8表示表示fy/fu=0.6或或0.8； 類孔，孔徑類孔，孔徑(do)-栓桿直徑栓桿直徑(d)0.30.5mm。按其加工的精細程度和強度分為按其加工的精細程度和強度分為:A、B、C三個級別。三個級別。分為普通螺栓和高強度螺栓分為普通螺栓和高強度螺栓 螺栓連接施工簡單，固定可靠，無需專用設備，廣泛用螺栓連接施工簡單，固定可靠，無需專用設備，廣泛用于臨時固定構件及可拆卸結構的安裝。于臨時固定構件及可拆卸結構的安裝。 A A、B B級螺栓加工精制，精度高要求，要求級螺栓加工精制，精度高要求，要求I I類孔，孔徑與類孔，孔徑與栓徑相同，栓桿和螺孔

22、間空隙僅為栓徑相同，栓桿和螺孔間空隙僅為0.3mm0.3mm左右。在鋼結構左右。在鋼結構中已很少采用；中已很少采用； CC級螺栓由圓鋼壓制成，表面粗糙，要求級螺栓由圓鋼壓制成，表面粗糙，要求類孔，孔徑類孔，孔徑比螺栓桿徑大比螺栓桿徑大1.51.53mm3mm。 傳遞剪力時，變形大，但傳遞傳遞剪力時，變形大，但傳遞拉力時性能尚好，且成本低，故多用于承受拉力的安裝螺拉力時性能尚好，且成本低，故多用于承受拉力的安裝螺栓連接、次要結構中。栓連接、次要結構中。n 按抗剪受力特性分：按抗剪受力特性分：摩擦型與承壓型摩擦型與承壓型 摩擦型以板件間最大摩擦力為承載力極限狀態(tài)；摩擦型以板件間最大摩擦力為承載力極

23、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)。載力極限狀態(tài)。n 高強螺栓采用高強螺栓采用級孔，便于施工。級孔，便于施工。n 高強螺栓按強度等級分高強螺栓按強度等級分10.9與與8.8級。級。 10.9級為級為20MnTiB、40Cr等材料，等材料，fu1000N/mm2，fu/fy0.9； 8.8級一般為級一般為45鋼制成，鋼制成， fu800N/mm2，fu/fy0.8。施工簡便、受力好、耐疲勞、可拆換、施工簡便、受力好、耐疲勞、可拆換、工作安全可靠。已廣泛用于鋼結構連接工作安全可靠。已廣泛用于鋼結構連

24、接中，尤其適用于承受動力荷載的結構中。中，尤其適用于承受動力荷載的結構中。2.2.高強度螺栓高強度螺栓(1)(1)并列并列簡單、整齊、緊湊所用連接板尺寸小，簡單、整齊、緊湊所用連接板尺寸小， 但構件截面削弱大；但構件截面削弱大；B B 錯列錯列A A 并列并列中距中距中距中距 邊距邊距邊距邊距端距端距(2)(2)錯列錯列排列不緊湊，所用連接板尺寸大，排列不緊湊，所用連接板尺寸大， 但構件截面削弱??；但構件截面削弱??； 3. 3. 螺栓的排列螺栓的排列4.4.螺栓排列的要求螺栓排列的要求（1 1）受力要求）受力要求: : 垂直受力方向：垂直受力方向：為了防止螺栓應力集中相互影響、截面削為了防止螺

25、栓應力集中相互影響、截面削弱過多而降低承載力，弱過多而降低承載力，螺栓的邊距和端距不能太小；螺栓的邊距和端距不能太?。?順力作用方向：順力作用方向：為了防止板件被拉斷或剪壞，為了防止板件被拉斷或剪壞，端距不能太端距不能太小；?。?對于受壓構件：對于受壓構件：為防止連接板件發(fā)生鼓曲，為防止連接板件發(fā)生鼓曲，中距不能太大。中距不能太大。（2 2）構造要求；）構造要求； 螺栓的邊距和中距不宜太大，以免板件間貼合不密，螺栓的邊距和中距不宜太大，以免板件間貼合不密，潮氣侵入腐蝕鋼材。潮氣侵入腐蝕鋼材。5.5.破壞形式破壞形式（1 1）螺栓桿被剪壞）螺栓桿被剪壞 栓桿較細而板件較厚時栓桿較細而板件較厚時（2）孔壁的擠壓破壞）孔壁的擠壓破壞 栓桿較粗而板件較薄時栓桿較粗而板件較薄時（3）板件被拉斷）板件被拉斷 截面削弱過多時截面削弱過多時 以上破壞形式予以計算解決。以上破壞形式予以計算解決。（4 4）板件端部被剪壞）板件端部被剪壞( (拉豁拉豁) ) 端矩過小時；端矩不應小于端矩過小時；端矩不應小于2d2dO ONN（5 5）栓桿彎曲破壞）栓桿彎曲破壞 螺栓桿過長；栓桿長度不應大于螺栓桿過長；栓桿長度不應大于5d5d這這兩兩種種破破壞壞構構造造解解決決