钢结构设计原理复习.docx
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钢结构设计原理复习
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钢结构设计原理复习
第一章绪论
1、钢结构的特点(前5为优点,后三为缺点)
1)强度高、重量轻2)材质均匀,塑性、韧性好
3)良好的加工性能和焊接性能(易于工厂化生产,施工周期短,效率高、质量好)
4)密封性能好5)可重复性使用性6)耐热性较好,耐火性差
7)耐腐蚀性差8)低温冷脆倾向
2、钢结构的应用
1)大跨结构【钢材强度高、结构重量轻】(体育馆、会展、机场、厂房)
2)工业厂房【具有耐热性】
3)受动力荷载影响的结构【钢材具有良好的韧性】
4)多层与高层建筑【钢结构的综合效益指标优良】(宾馆、办公楼、住宅等)
3、结构的可靠度:
结构在规定的时间(50年),规定的条件(正常设计、正常施工、正常使用、正常维护)下,完成预定功能的概率。
4、结构的极限状态:
承载能力极限状态(计算时使用荷载设计值)、正常使用极限状态(荷载取标准值)
5、涉及标准值转化为设计值的分项系数:
恒荷载取1.2活荷载取1.4
第二章钢结构的材料
1、钢材的加工
1热加工:
指将钢坯加热至塑性状态,依靠外力改变其形状,生产出各种厚度的钢板和型钢。
(热加工的开轧和锻压温度控制在1150-1300℃)
2冷加工:
指在常温下对钢材进行加工。
(冷作硬化现象:
钢材经冷加工后,会产生局部或整体硬化,即在局部或整体上提高了钢材的强度和硬度,降低了塑性和韧性的现象)
3热处理:
指通过加热、保温、冷却的操作方法,使钢材的组织结构发生变化,以获得所需性能的加工工艺。
(退火、正火、淬火和回火)
2、钢材的两种破坏形式:
?
特征
断口
后果
塑性破坏
(延性破坏)
构件应力超过屈服点,并且达到抗拉极限强度后,构件产生明显的变形并断裂。
常为杯形,呈纤维状,色泽发暗。
在破坏前有很明显的变形,并有较长的变形持续时间,便于发现和补救。
脆性破坏
在破坏前无明显变形,平均应力也小(一般都小于屈服点),没有任何预兆。
断口平直和呈有光泽的晶粒。
突然发生的,危险性大,应尽量避免。
3、钢材的六大机械性能指标
屈服点fy:
它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。
(作为钢结构设计可以达到的最大应力)
抗拉强度fu:
它是钢材破坏前所能承受的最大应力。
(强度的安全储备)
伸长率δ:
代表材料断裂前具有的塑性变形能力。
断面收缩率ψ:
断面收缩率ψ越大,钢材的塑性越好。
冷弯性能(塑性):
钢材在冷加工(常温下加工)产生塑性变形时,对发生裂缝的抵抗能力。
冲击韧性:
【韧性:
反映钢材抵抗冲击荷载、动力荷载的能力,是钢材在变形和断裂中吸收能量的度量。
】(衡量韧性指标用冲击韧性值表示,也叫冲击功,用符号Akv表示,单位为J){温度越低,冲击韧性越低。
}
4、有害元素(S、O、P、N)的影响
硫(S):
有害元素,具有热脆性(温度达到800-1000℃时,硫化铁会熔化使钢材变脆,从而引发热裂纹)。
规范规定结构用钢中硫的含量不得超过0.05%。
氧(O):
有害杂质,与S相似(热脆)。
磷(P):
磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。
钢材中的有害元素,具有冷脆性(温度较低时促使钢材变脆)。
因此,磷的含量也要严格控制,规范中规定不得超过0.045%。
氮(N):
有害杂质,与P相似。
5、钢材的硬化
(1)冷作硬化:
在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下,卸载后再重新加载,钢材的屈服点提高,塑性和韧性降低的现象。
(2)时效硬化:
随着时间的增加,纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出,使钢材的屈服点和抗拉强度提高,塑性和韧性下降的现象。
【在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下,会加速时效硬化的发展】
(3)应变时效硬化:
钢材产生一定数量的塑性变形后,铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出,从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。
6、温度的影响
1)高温
温度在250℃左右的区间内,fu有局部性提高,冲击韧性降低,出现蓝脆现象。
当温度达到600℃时,钢材进入热塑性状态,强度下降严重,将丧失承载能力。
2)低温
当温度低于常温时,T下降,随着温度的降低,钢材的强度提高,而塑性和韧性降低,逐渐变脆,称为钢材的低温冷脆。
3)冲击功曲线的反弯点T0称为转变温度。
在脆性转变温度以下,钢材表现为完全的脆性破坏;而在全塑性转变温度以上,钢材则表现为完全的塑性破坏。
7、高周疲劳(应力疲劳):
工作应力小于fy,没有明显的塑性变形,寿命n≥5×104次。
如吊车梁、桥梁、海洋平台在日常荷载下的疲劳破坏。
低周疲劳(应变疲劳):
工作应力大于fy,有较大的塑性变形,寿命n=102~5×104次。
如强烈地震下一般钢结构的疲劳破坏。
8、我国的建筑用钢主要为碳素结构钢、低合金高强度结构钢和建筑结构用钢板三种。
碳素结构钢:
按字母顺序由A到D,表示质量等级由低到高。
除A级外,其他三个级别的含碳量均在0.20%以下。
Q235B代表屈服点为
的B级镇静钢。
(在具体标注时,“Z”,“TZ”可省略)
角钢型号:
符号“∟”+“长边宽×短边宽×厚度”【对等边的可为:
∟125×8】
I字钢:
I20a表示高度为200mm,腹板厚度为a类的工字钢。
H型钢:
高度H×宽度B×腹板厚度t1×翼缘厚度t2
第三章连接
1、连接的方式:
焊缝连接、铆钉连接、螺栓连接和轻型钢结构用的紧固件连接。
2、焊条:
Q235钢选择E43型焊条
Q345钢选择E50型焊条(E5001--E5048)
Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500--E5518)
不同钢种的钢材焊接,宜采用与低强度钢材相适应的焊条。
3、焊缝连接形式按被连接钢材的相互位置分为对接、搭接、T形连接和角部连接。
4、焊缝形式:
对接焊缝和角焊缝。
对接焊缝按受力与焊缝方向分:
1)正对接焊缝;2)斜对接焊缝
角焊缝按受力与焊缝方向分:
1)正面角焊缝:
作用力方向与焊缝长度方向垂直。
2)侧面角焊缝:
作用力方向与焊缝长度方向平行。
3)斜焊缝
5、对接焊缝:
对接焊缝的焊件常需做成坡口,又叫坡口焊缝。
坡口形式与焊件厚度有关。
(1)对接焊缝的构造处理
1)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,以使截面过渡和缓,减小应力集中。
2)在焊缝的起灭弧处,常会出现弧坑等缺陷,故焊接时可设置引弧板和引出板,焊后将它们割除。
3)为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板。
(2)对接焊缝的优缺点
优点:
用料经济、传力均匀、无明显的应力集中,利于承受动力荷载。
缺点:
需剖口,焊件长度要求精确。
6、对接焊缝的计算:
7、角焊缝的构造:
角焊缝按截面形式(两焊脚边的夹角)可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。
角焊缝按受力与焊缝方向分:
1)正面角焊缝:
作用力方向与焊缝长度方向垂直。
【焊缝根部形成高峰应力,易于开裂。
破坏强度高,但塑性差,弹性模量大】
2)侧面角焊缝:
作用力方向与焊缝长度方向平行。
【主要承受剪应力,剪应力两端大,中间小;强度低,弹性模量低,但塑性较好】
3)斜焊缝
注:
—焊脚尺寸;α—焊脚边的夹角;
he—有效厚度(破坏面上焊缝厚度)
并有,he=
cosα/2
8、★构造要求:
a)最小焊脚尺寸(
)
角焊缝的焊脚尺寸
自动焊:
T形连接单面角焊缝:
焊件厚度t≤4mm时:
取
b)最大焊脚尺寸(
)t—较薄焊件的板厚
对板件(厚度t)边缘的角焊缝(贴边焊)
当t≤6mm时,
≤t;当t>6mm时,
≤t-(1~2)mm。
c)侧焊缝最大计算长度(
)
d)角焊缝的最小计算长度
侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于:
和40mm
考虑到焊缝两端的缺陷,其实际长度应较前述数值还要大2hf
e)1)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
。
2)两侧面角焊缝之间的距离b≤16t(t>12mm)或190mm(t≤12mm),t—较薄焊件的板厚
3)当仅采用正面角焊缝时,其搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍,也不得小于25mm。
4)三面围焊时:
当焊缝端部在焊件转角处时,应将焊缝延续绕过转角加焊2hf。
避开起落弧发生在转角处的应力集中。
——正面角焊缝的强度设计值增大系数。
静载时
=1.22,对直接承受动力荷载的结构,取1.0。
?
he=0.7hf;lw—角焊缝计算长度,考虑起灭弧缺陷时,每条焊缝取其实际长度减去2hf。
9、焊接残余应力的分类
【1】纵向焊接应力:
长度方向的应力(不均匀的温度场产生不均匀的膨胀)
●焊缝处钢材受热伸长,但受两侧低温区域的限制产生热塑性压缩;
●焊缝冷却时收缩又受到限制而产生拉应力;
●拉应力大小可达钢材屈服点fy;
●远离焊缝区域产生纵向压应力,焊件内应力自相平衡。
【2】横向焊接应力:
垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力;
●焊缝纵向收缩,焊件有反向弯曲变形的趋势,在焊缝处中部受拉,两端受压;
●先焊焊缝凝固阻止后焊焊缝横向自由膨胀,发生横向塑性压缩变形;焊缝冷却,后焊焊缝收缩受限产生拉应力,先焊焊缝产生压应力;
●应力分布与施焊方向有关;
●横向应力是上述两种应力合成。
【3】厚度方向焊接应力:
垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。
●在厚钢板的焊接连接中,焊缝需要多层施焊。
沿厚度方向先焊焊缝凝固,阻止后焊焊缝的膨胀,产生塑性压缩变形。
●冷却时外围焊缝散热快先冷固,内层焊缝收缩受限制产生沿厚度方向的拉应力,外部则产生压应力。
10、螺栓连接
优点:
施工简单,装拆方便,对安装工的要求高;
摩擦型高强度螺栓连接动力性能好;
耐疲劳,易阻止裂纹扩展。
缺点:
费料、开孔截面削弱;螺栓孔加工精度更高。
型号:
C级4.8表示螺栓成品的抗拉强度不小于
,屈强比(屈服点与抗拉强度之比)为0.8
11、螺栓的排列
排列的方式有并列排列和错列排列两种。
(1)受力要求
a)端距限制——防止孔端钢板剪断,≥2d0;
b)螺孔中心距限制下限:
防止孔间板破裂≥3d0
上限:
防止板间张口和鼓曲。
(2)构造要求螺栓的中距及边距过大,则构件接触面不够紧密,潮气易侵入缝隙而发生锈蚀。
(3)施工要求要保证有一定的空间,以便转动扳手,拧紧螺母。
12、螺栓的其它构造要求
1)为了保证连接的可靠性,每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个永久螺栓;
2)直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽,或其他措施以防螺帽松动;
3)C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接
13、受剪螺栓的破坏形式
①螺栓杆剪断;②板件被剪坏;③端距太小,端距范围内的板件被栓杆冲剪破坏;④板件因螺栓孔削弱太多而被拉断;⑤螺栓杆发生弯曲破坏。
【其中④⑤可由构造要求避免,前三个可由计算解决】
14、单个普通螺栓的受剪计算
假定:
假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布;
假定挤压力沿栓杆直径平面(实际上是相应于栓杆直径平面的孔壁部分)均匀分布
受剪承载力设计值:
承压承载力设计值:
单个剪力螺栓的设计承载力:
验算:
15、高强度螺栓群承受拉力、弯矩和剪力的共同作用(以例题说明公式)
例题:
双角钢拉杆与柱的连接如图。
拉力N=550kN。
钢材为Q235B钢。
角钢与节点板、节点板与端板采用焊缝连接,焊条采用E43型焊条。
端板与柱采用10.9级M20高强螺栓连接。
构件表面采用喷砂处理。
试求:
(1)角钢与节点板连接的焊缝长度
(2)节点板与端板的焊缝高度
(3)验算高强螺栓连接(分别按摩擦型和承压型连接考虑)
解:
查表
,肢尖:
=0.35
,
(1)肢背:
肢尖:
(2)
由于钢板厚度为14mm,端板厚为20mm,可设焊缝高度为10mm
故取焊脚尺寸为10mm
验算是否满足:
故节点板与端点板的焊缝高为10mm
(3)验算高强螺栓连接
螺栓的最大内力:
按摩擦型连接计算:
故摩擦型验算不合格。
按承压型连接计算:
有:
故满足要求。
▲具体公式有以下几种:
(1)摩擦型连接的计算
(2)承压型连接的计算
例2、试设计如图所示牛腿与柱的连接角焊缝①,②,③。
钢材为Q235B,焊条E43型,手工焊。
(见作业本P114,T3.11)
第四章受弯构件的计算原理
1、承受横向荷载和弯矩的构件叫受弯构件。
2、弯曲强度:
梁的抗弯强度应满足:
(绕x轴单向弯曲时)
(绕x、y轴双向弯曲时)
式中:
Mx、My——梁截面内绕x、y轴的最大弯矩设计值;
Wnx、Wny——截面对x、y轴的净截面模量;
γx、γy——截面对x、y轴的有限塑性发展系数,小于γ;
f——钢材抗弯设计强度。
注:
对工字型钢取
3、在构件截面上有一特殊点S,当外力产生的剪力作用在该点时构件只产生线位移,不产生扭转,这一点S称为构件的剪力中心。
剪力中心S位置的一些简单规律
(1)双对称轴截面和点对称截面(如Z形截面),S与截
面形心重和;
(2)单对称轴截面,S在对称轴上;
(3)由矩形薄板中线相交于一点组成的截面,每个薄板中
的剪力通过该点,S在多板件的交汇点处。
4、弯曲剪应力计算(以工字型钢为例)
工字型截面剪应力可近似按下式计算:
,
5、局部压应力
式中:
F—集中荷载,动力荷载作用时需考虑动力系数
ψ—集中荷载放大系数(考虑吊车轮压分配不均匀),重级工作制吊车梁ψ=1.35,其它梁ψ=1.0;
—腹板厚度
lz—集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度,可按下式计算:
跨中集中荷载:
=a+5
6、折算应力:
当σ和σc异号时比同号时要提早进入屈服,而此时塑性变形能力高,危险性相对较小故取β1=1.2。
σ和σc同号时屈服延迟,脆性倾向增加,故取β1=1.1。
7、受弯构件的刚度:
υ≤[υ]
υ——标准荷载下梁的最大挠度
[υ]——受弯构件的挠度限值,按附P384表2.1规定采用
注:
均布荷载下等截面简支梁
集中荷载下等截面简支梁
式中,
Ix——跨中毛截面惯性矩
Mx——跨中截面弯矩(为标准值)
8、梁整体稳定:
梁受竖向荷载P作用下,当P增加到某一数值时,梁将在截面承载力尚未充分发挥之前突然偏离原来的弯曲变形平面,发生侧向位移和扭转,使梁丧失继续承载的能力,这种现象称为梁的整体失稳,也称整体弯扭失稳或侧向失稳。
9、影响梁整体稳定的因素
1)截面刚度的影响
梁的侧向抗弯刚度E
↑
扭转刚度G
↑临界弯矩Mcr↑翘曲刚度E
↑
2)侧向支撑距离的影响
侧向支撑l1↓,临界弯矩Mcr↑。
侧向支撑越是靠近受压翼缘,效果越好。
3)荷载类型的影响
弯矩图越饱满,临界弯矩越低
4)荷载作用位置的影响
荷载作用在下翼缘,附加扭矩会减
缓梁的扭转变形,提高梁的临界荷
载。
5)受压翼缘的影响
受压翼缘宽大的截面,临界弯矩高些。
6.)支座约束程度的影响。
梁端支承条件约束程度↑,临界弯矩↑。
10、增强梁整体稳定的措施
1)增大梁截面尺寸,增大受压翼缘的宽度最为有效;
2)在受压翼缘设置侧向支撑;
3)当梁跨内无法增设侧向支撑时,宜采取闭合箱形截面;
4)增加梁两端的约束提高其稳定承载力。
采取措施使梁端不能发
生扭转。
11、梁板件的局部稳定:
可增加板厚控制。
第五章梁的设计
1、标准值→设计值:
活载:
恒载:
对于
(工字型钢):
要计算疲劳时取1.0;考虑塑性发展取1.05;
在
时取1.0
2、梁的验算:
1)强度验算
①正应力
②剪应力
③局部压应力
④折算应力
2)梁的刚度验算 υ≤[υ]
υ——标准荷载下梁的最大挠度
[υ]——受弯构件的挠度限值,按附表2.1规定采用
3)整体稳定验算:
(1)判断梁是否需要进行整体稳定验算。
(2)如需要则按照梁的截面类型选择适当的计算公式计算整体稳定系数。
(3)不论哪种情况算得的稳定系数大于0.6,都应采用修正公式进行修正。
(4)采用公式验算整体稳定承载力是否满足要求。
4)局部稳定验算:
(1)型钢梁的局部稳定都已经满足要求不必再验算。
(2)对于焊接组合梁,翼缘可以通过限制板件宽厚比保证其不发生局部失稳。
(3)腹板则较为复杂,一种方法是通过设置加劲肋的方法保证其不发生局部失稳;另一种方法是允许腹板发生局部失稳,利用其屈曲后承载力。
例题:
如图所示,某焊接工字形等截面简支梁,跨度10m,在跨中作用有一静力集中荷载,该荷载由两部分组成,一部分为横载,标准值为200KN;另一部分为活载,标准值为300KN。
荷载沿梁的跨度方向支承长度为150mm。
该梁在支座处设有支承加劲肋。
若该梁采用Q235B钢制作,试检验该梁的强度、刚度是否满足要求。
第六章轴心受拉构件
1、轴心受力构件:
是指承受通过截面形心轴线的轴向力作用的构件。
包括轴心受拉构件(轴心拉杆)和轴心受压构件(轴心压杆)。
2、弯曲失稳:
构件由直线形式改变为弯曲形式,且这种变化带有突然性。
只发生弯曲变形,截面只绕一个主轴旋转,杆纵轴由直线变为曲线,是双轴对称截面常见的失稳形式;
3、扭转失稳:
对某些抗扭刚度较差的轴心受压构件(十字形截面),当轴心压力达到临界值时,稳定平衡状态不再保持而发生微扭转。
当轴心力在稍微增加,则扭转变形迅速增大而使构件丧失承载能力的现象。
4、弯扭失稳:
截面为单轴对称(T形截面)的轴心受压构件绕对称轴失稳时,由于截面形心和剪切中心不重合,在发生弯曲变形的同时必然伴随有扭转变形的现象。
5、轴心受压构件的计算长度系数μ:
两端铰接:
1上端自由,下端固定:
2上端铰接,下端固定:
0.8
两端固定:
0.65上端可移动不转动,下端固定:
1.2
上端可移动不转动,下端铰接:
2
6、截面设计原则
1)等稳定性【尽可能使两个方向的稳定系数或长细比相等,以达到经济效果】
2)宽肢薄壁【前提是满足板件宽厚比限值】
3)连接方便4)制造省工
7、构件的截面验算:
A、截面有削弱时,进行强度验算;
B、整体稳定验算;
C、局部稳定验算;
对于热轧型钢截面,因板件的宽厚比较大,可不进行局部稳定的验算。
D、刚度验算:
可与整体稳定验算同时进行。
第七章拉弯、压弯构件
1、长细比
越大,整体稳定系数
越小,稳定性越差。
2、构件同时承受轴心压(或拉)力和绕截面形心主轴的弯矩作用,称为压弯(或拉弯)构件。
3、拉弯、压弯构件的强度计算准则:
(1)边缘屈服准则,此时构件处于弹性工作阶段。
(2)全截面屈服准则,此时构件在轴力和弯矩共同作用下形成塑性铰。
(3)部分发展塑性准则,此时构件处于弹塑性工作阶段。
例题:
试设计一工作平台柱。
柱的轴心压力设计值为4500KN(包括自重),柱高6m,两端铰接,采用H型钢,截面无削弱,钢材为Q235。
题型:
一、单选题(10×2′)
二、填空题(10×1′)
三、名词解释(5×3′)
四、简答题(5×5′)
五、计算题(3×10′)
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