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1、建筑结构原理与设计初步第10章 钢结构基本构件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望1.1.了解手工电弧焊、自动及半自动焊、气体保护焊的原了解手工电弧焊、自动及半自动焊、气体保护焊的原 理理；2.2.理解焊缝连接、普通螺栓连接、高强度螺栓连接的概理解焊缝连接、普通螺栓连接、高强度螺栓连接的概 念、特点及应用条件；念、特点及应用条件；3.3.熟悉熟悉焊缝的构造要求焊缝的构造要求。教学目标：教学目标：第一节第一节 钢结构的连接钢结构的连接 钢结构的连接方法有
2、焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种。钢结构的连接方法有焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种。一一、钢结构的连接种类、钢结构的连接种类 1.1.焊缝连接焊缝连接 (1)(1)优点优点 构构造造简简单单，加加工工方方便便，节节约约钢钢材材，连连接接的的刚刚度度大大，密封性能好，易于采用自动化作业。密封性能好，易于采用自动化作业。（2 2）缺点）缺点 但但焊焊缝缝连连接接会会产产生生残残余余应应力力和和残残余余变变形形，且且连连接接的的塑性和韧性较差。塑性和韧性较差。2.2.螺栓连接螺栓连接 螺栓连接可分为螺栓连接可分为普通螺栓连接普通螺栓连接和和高强度螺栓高强度螺栓连接连接两种。两种。（1 1）普通螺栓
3、连接）普通螺栓连接 普通螺栓分为普通螺栓分为A A、B B、C C三级。三级。AA级级和和B B级级为为精精制制螺螺栓栓。其其抗抗剪剪性性能能比比C C级级螺螺栓栓好好，但但成本高，安装困难，故较少采用。成本高，安装困难，故较少采用。C C级螺栓为粗制螺栓，加工粗糙，尺寸不很准确，只级螺栓为粗制螺栓，加工粗糙，尺寸不很准确，只要求要求类孔（孔径比螺栓直径大类孔（孔径比螺栓直径大1.53mm）。）。（2 2）高强度螺栓连接）高强度螺栓连接1 1）传递剪力的机理）传递剪力的机理主要是靠被连接板件间的强大摩擦阻力来传递剪力。主要是靠被连接板件间的强大摩擦阻力来传递剪力。2 2）优点）优点 施工简便、
4、受力好、耐疲劳、可拆换、工作安全可施工简便、受力好、耐疲劳、可拆换、工作安全可 靠。靠。3 3）应用）应用 广泛用于各种钢结构连接中，尤其适用于承受动力荷广泛用于各种钢结构连接中，尤其适用于承受动力荷 载的结构中。载的结构中。4 4）高高强强度度螺螺栓栓连连接接受受剪剪力力时时，按按其其传传力力方方式式又又可可分分为为摩擦型摩擦型和和承压型承压型两种：两种：摩摩擦擦型型高高强强螺螺栓栓仅仅靠靠被被连连接接板板件件间间的的强强大大摩摩擦擦阻阻力力传传递递剪剪力力，以以摩摩擦擦阻阻力力刚刚被被克克服服作作为为连连接接承承载载力力的的极极限状态。限状态。承压型高强螺栓是靠被连接板件间的摩擦力和螺承压
5、型高强螺栓是靠被连接板件间的摩擦力和螺栓杆共同传递剪力，以螺栓杆被剪坏或被压（承压）坏栓杆共同传递剪力，以螺栓杆被剪坏或被压（承压）坏作为承载力的极限。其承载力比摩擦型高，可节约螺栓。作为承载力的极限。其承载力比摩擦型高，可节约螺栓。二、钢结构连接构造与计算二、钢结构连接构造与计算（一）焊接连接（一）焊接连接 1.1.焊接方法、原理与特点焊接方法、原理与特点钢结构常用的焊接方法有电弧焊，包括手工电弧钢结构常用的焊接方法有电弧焊，包括手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊及气体保护焊等。焊、自动或半自动埋弧焊及气体保护焊等。（1）手工电弧焊手工电弧焊1）原理）原理如下图所示：如下图所示：其电路由焊条、焊
6、钳、焊件、电焊机和导线等组成。其电路由焊条、焊钳、焊件、电焊机和导线等组成。2 2）焊条焊条手工焊常用的焊条有碳钢焊条和低合金钢焊条。手工焊常用的焊条有碳钢焊条和低合金钢焊条。其其牌牌号号为为E43、E50和和E55型型等等，其其中中E表表示示焊焊条条，两两位位数数字字表表示示焊焊条条熔熔敷敷金金属属抗抗拉拉强强度度的的最最小小值值（单单位位为为kgf/mm2）。）。手手工工焊焊采采用用的的焊焊条条应应符符合合国国家家标标准准的的规规定定，焊焊条条的的选选用用应应与与主主体体金金属属相相匹匹配配。一一般般情情况况下下，对对Q235钢钢采采用用E43型型焊焊条条，对对Q345钢钢采采用用E50型
7、型焊焊条条，对对Q390和和Q420钢采用钢采用E55型焊条。型焊条。3）特点）特点手手工工焊焊具具有有设设备备简简单单，适适用用性性强强的的优优点点，特特别别是是短短焊焊缝缝或或曲曲折折焊焊缝缝的的焊焊接接时时，或或在在施施工工现现场场进进行行高高空空焊焊接接时时，只只能能采采用用手手工工焊焊接接，所所以以它它是是钢钢结结构构中中最最常用的焊接方法。常用的焊接方法。但但其其生生产产效效率率低低，劳劳动动强强度度大大，保保证证焊焊缝缝质质量量的关键是焊工的技术水平，焊缝质量的波动较大。的关键是焊工的技术水平，焊缝质量的波动较大。（2 2）自动或半自动埋弧焊自动或半自动埋弧焊 1 1）原理）原理
8、 2）特点及应用）特点及应用自自动动埋埋弧弧焊焊焊焊缝缝质质量量稳稳定定，焊焊缝缝内内部部缺缺陷陷少少，塑塑性性和韧性好，因此其质量比手工电弧焊好。和韧性好，因此其质量比手工电弧焊好。半自动埋弧焊质量介于自动焊和手工焊之间。半自动埋弧焊质量介于自动焊和手工焊之间。3）应用）应用自动埋弧焊只适合焊接较长的直线焊缝。自动埋弧焊只适合焊接较长的直线焊缝。半自动埋弧焊适合于焊接曲线或任意形状的焊缝。半自动埋弧焊适合于焊接曲线或任意形状的焊缝。自自动动焊焊或或半半自自动动焊焊应应采采用用与与焊焊件件金金属属强强度度相相匹匹配配的的焊焊丝丝和和焊焊剂剂。焊焊丝丝应应符符合合焊焊接接用用钢钢丝丝GB1300
9、-77的的规定，焊剂种类根据焊接工艺要求确定。规定，焊剂种类根据焊接工艺要求确定。2.焊缝连接的主要优缺点焊缝连接的主要优缺点优点：构造简单、加工方便、节省钢材；优点：构造简单、加工方便、节省钢材；连接刚度大、密封好、易于采用自动化作连接刚度大、密封好、易于采用自动化作业业缺点：热应力影响、残余应力、对裂纹敏缺点：热应力影响、残余应力、对裂纹敏感感3.焊缝的形式与构造焊缝的形式与构造 焊缝连接可分为焊缝连接可分为:角接角接T形连接形连接搭接搭接 对接对接 焊缝的形式是指焊缝本身的截面形式，主要有焊缝的形式是指焊缝本身的截面形式，主要有:对接焊缝对接焊缝 角焊缝角焊缝（1 1）对接焊缝对接焊缝1
10、）特点及截面形式）特点及截面形式特点特点传传力力均均匀匀平平顺顺，无无明明显显的的应应力力集集中中，受受力力性能较好。性能较好。但但对对接接焊焊缝缝连连接接要要求求下下料料和和装装配配的的尺尺寸寸准准确确，保保证证相相连连板板件件间间有有适适当当空空隙隙，还还需需要要将将焊焊件边缘开坡口，制造费工。件边缘开坡口，制造费工。截面形式截面形式 I型、单边型、单边V型、型、V型、型、J型、型、U型、型、K型和型和 X型等。型等。2 2）对接焊缝的构造对接焊缝的构造当焊件厚度很小当焊件厚度很小(t 10mm)时，可采用时，可采用I型坡口；型坡口；对对于于一一般般厚厚度度（t=1020mm）的的焊焊件件
11、，可可采采用用单单边边V型型或或V型型坡坡口口，以以便便斜斜坡坡口口和和间间隙隙b组组成成一一个焊条能够运转的空间，使焊缝易于焊透；个焊条能够运转的空间，使焊缝易于焊透；对对于于厚厚度度较较厚厚的的焊焊件件（t20mm），应应采采用用U型型、K型或型或X型坡口。型坡口。引弧板引弧板：对接焊缝施焊时的起点和终点，常因：对接焊缝施焊时的起点和终点，常因起弧和灭弧出现弧坑等缺陷，此处极易产生裂起弧和灭弧出现弧坑等缺陷，此处极易产生裂纹和应力集中，为避免焊口缺陷，可在焊缝两纹和应力集中，为避免焊口缺陷，可在焊缝两端设引弧板。端设引弧板。在对接焊缝的拼接处，当焊件的在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或
12、厚度相差宽度不同或厚度相差4 mm4 mm以上时，以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从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一侧或两侧做成坡度不大于1/41/4（对承受动荷载的结构）或（对承受动荷载的结构）或1/2.51/2.5（对承受静荷载的结构）（对承受静荷载的结构）（右图）。当厚度不同时，坡口（右图）。当厚度不同时，坡口型式应根据较薄焊件厚度来取用，型式应根据较薄焊件厚度来取用，焊缝的计算厚度等于较薄焊件的焊缝的计算厚度等于较薄焊件的厚度。厚度。（2）角焊缝）角焊缝角角焊焊缝缝位位于于板板件件边边缘缘，传传力力不不均均匀匀，受受力力情情况况复复杂杂，受力不均匀容易引起应力集
13、中；受力不均匀容易引起应力集中；但但因因不不需需开开坡坡口口，尺尺寸寸和和位位置置要要求求精精度度稍稍低低，使使用用灵灵活，制造方便，故得到广泛应用。活，制造方便，故得到广泛应用。1）截面形式）截面形式角角焊焊缝缝按按两两焊焊脚脚边边的的夹夹角角可可分分为为直直角角角角焊焊缝缝和和斜斜角角角焊缝角焊缝两种。两种。直角角焊缝直角角焊缝斜角角焊缝斜角角焊缝 在建筑钢结构中，最常用的是直角角焊缝，斜角角焊缝在建筑钢结构中，最常用的是直角角焊缝，斜角角焊缝主要用于钢管结构中。主要用于钢管结构中。角角焊焊缝缝按按其其与与外外力力作作用用方方向向的的不不同同可可分分为为平平行行于于外外力力作作用用方方向向
14、的的侧侧面面角角焊焊缝缝、垂垂直直于于外外力力作作用用方方向向的的正正面面角角焊焊缝缝（或或称称端端焊焊缝缝）和和与与外外力力作作用用方方向向斜斜交交的的斜斜向角焊缝三种。向角焊缝三种。2）角焊缝构造）角焊缝构造最小焊脚尺寸最小焊脚尺寸，其中为较厚焊件的板厚，单位，其中为较厚焊件的板厚，单位mm。对于自动焊，最小焊脚尺寸可减小对于自动焊，最小焊脚尺寸可减小1mm；对于；对于T型连接型连接的单面角焊缝则应增加的单面角焊缝则应增加1mm。当焊件厚度等于或小于。当焊件厚度等于或小于4mm时，则时，则应与焊件同厚。应与焊件同厚。最大焊脚尺寸最大焊脚尺寸角焊缝的最大焊脚尺寸应满足：角焊缝的最大焊脚尺寸应
15、满足：hf max1.2t1，其中，其中t1为为较薄焊件的板厚，单位较薄焊件的板厚，单位mm。当贴着板边缘施焊时，尚应满足：当焊件边缘厚度当贴着板边缘施焊时，尚应满足：当焊件边缘厚度t6mm时，取时，取hf max=t；当焊件边缘厚度；当焊件边缘厚度t6mm时，时，取取hf max=t-（12）mm。最小计算长度最小计算长度角焊缝的最小计算长度应大于角焊缝的最小计算长度应大于8hf，且不小于，且不小于40mm。侧面角焊缝的最大计算长度侧面角焊缝的最大计算长度侧焊缝的计算长度不宜大于侧焊缝的计算长度不宜大于60hf（静荷载）或（静荷载）或40hf（动荷载）。但当内力沿侧焊缝全长分布时则不受此限。
16、（动荷载）。但当内力沿侧焊缝全长分布时则不受此限。在搭接连接中，要求搭接长度在搭接连接中，要求搭接长度l5t1，且不小于，且不小于25mm。4.焊缝的缺陷和质量等级焊缝的缺陷和质量等级（1）焊缝的缺陷）焊缝的缺陷裂纹、焊瘤、烧穿、气孔、夹渣、咬边、未熔合、裂纹、焊瘤、烧穿、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透、焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良未焊透、焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良（2）焊缝质量等级）焊缝质量等级一级：一级：100%探伤检测探伤检测二级：抽检比例不小于二级：抽检比例不小于20%无损探伤无损探伤三级：例行外观检查三级：例行外观检查（3）选用：按钢结构设计规范（）选用：按钢结构设计规范
17、（GB50017-2003）中的规定选用）中的规定选用5.焊缝的符号及标注方法焊缝的符号及标注方法见教材见教材P116-117表表10-1 6.6.焊缝的计算焊缝的计算 （1 1）对接焊缝）对接焊缝 1 1）轴心受力对接焊缝的计算）轴心受力对接焊缝的计算或或 2)2)轴心受力轴心受力斜对接焊缝斜对接焊缝或或【例例10.110.1】试试验验算算下下图图所所示示钢钢板板的的对对接接焊焊缝缝强强度度。图图中中l=550mm=550mm，t t=22mm=22mm，轴轴心心力力的的设设计计值值为为N N=2300kN=2300kN。钢钢材材为为Q235-BFQ235-BF，手工焊，焊条，手工焊，焊条E
18、43E43型，焊缝质量标准三级。型，焊缝质量标准三级。附表附表15 2 2）直角角焊缝的计算公式）直角角焊缝的计算公式 在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下 当力垂直于焊缝长度方向时（正面角焊缝）当力垂直于焊缝长度方向时（正面角焊缝）当力平行于焊缝长度方向时当力平行于焊缝长度方向时（侧面角焊缝）（侧面角焊缝）角钢连接角焊缝的计算角钢连接角焊缝的计算采用两侧焊缝连接时：采用两侧焊缝连接时：N1=k1N，N2=k2N k 1、k 2角钢肢背与肢尖焊缝的内力分配系数。角钢肢背与肢尖焊缝的内力分配系数。角钢肢背和肢尖焊缝所需的长度：角钢肢背和肢尖焊缝所需的长度：
19、b.采用三面围焊连接时采用三面围焊连接时N1=k1N-N3/2 N2=k2N-N3/2c.采用采用L形围焊缝时形围焊缝时 N3=2 k 2N（10-15）N1=N-N3 【例【例10.2】在下图所示角钢和节点板采用两侧面焊缝】在下图所示角钢和节点板采用两侧面焊缝的连接中，的连接中，N=660kN（静荷载设计值），角钢为（静荷载设计值），角钢为211010，节点板厚度，节点板厚度t1=12mm，钢材为，钢材为Q235-A.F，焊条焊条E43型，手工焊。试确定所需角焊缝的焊脚尺寸和焊型，手工焊。试确定所需角焊缝的焊脚尺寸和焊缝长度。缝长度。4.4.焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形（1）焊接应力
20、与焊接变形的产生）焊接应力与焊接变形的产生焊焊接接应应力力和和焊焊接接变变形形：在在施施焊焊过过程程中中，焊焊件件由由于于受受到到不不均均匀匀的的电电弧弧高高温温作作用用所所产产生生的的变变形形和和应应力力，称称为为热热变变形形和和热热应应力力。而而冷冷却却后后，焊焊件件中中所所存存在在的的反反向向应应力力和和变变形形，称称为为焊焊接应力和焊接变形。接应力和焊接变形。（2）减少焊接应力与焊接变形的措施）减少焊接应力与焊接变形的措施1）设计方面）设计方面选选用用适适宜宜的的焊焊脚脚尺尺寸寸和和焊焊缝缝长长度度，最最好好采采用用细细长长而而不用粗短焊缝。不用粗短焊缝。焊焊缝缝应应尽尽可可能能布布置
21、置在在结结构构的的对对称称位位置置上上，以以减减少少焊焊接残余变形。接残余变形。对对接接焊焊缝缝的的拼拼接接处处，应应做做成成平平缓缓过过渡渡，以以减减少少连连接接处的应力集中。处的应力集中。不宜采用带锐角的板料作为肋板。不宜采用带锐角的板料作为肋板。焊缝不宜过于集中。焊缝不宜过于集中。当当拉拉力力垂垂直直于于受受力力板板面面时时，要要考考虑虑板板材材有有分分层层破破坏坏的的可能。可能。尽尽量量避避免免三三向向焊焊缝缝相相交交。应应采采用用使使次次要要焊焊缝缝中中断断而而主主要要焊焊缝缝连连续续通通过过的的构构造造。对对于于直直接接承承受受动动荷荷载载的的吊吊车车梁梁受受拉拉翼翼缘缘处处，尚尚
22、应应将将加加劲劲肋肋切切短短50100mm，以以提提高抗疲劳强度。高抗疲劳强度。要注意施焊方便，尽量避免采用仰焊及立焊等。要注意施焊方便，尽量避免采用仰焊及立焊等。2)2)制造方面制造方面焊焊前前预预热热或或焊焊后后后后热热法法。对对于于小小尺尺寸寸焊焊件件，焊焊前前预预热热，或或焊焊后后回回火火加加热热至至60左左右右，然然后后缓缓慢慢冷冷却却，可可以消除焊接应力与焊接变形。以消除焊接应力与焊接变形。选选择择合合理理的的施施焊焊次次序序。例例如如分分层层施施焊焊，对对角角跳跳焊焊等等。等等。施焊前给构件施加一个与焊接变形方向相反的预施焊前给构件施加一个与焊接变形方向相反的预变形，使之与焊接所
23、引起的变形相互抵消，从而达到减变形，使之与焊接所引起的变形相互抵消，从而达到减小焊接变形的目的。小焊接变形的目的。作业布置：作业布置：预预 习：螺栓连接；习：螺栓连接；习习 题：题：10-20（二）（二）螺栓连接螺栓连接1.1.普通螺栓连接的计算和构造普通螺栓连接的计算和构造（1 1）普通螺栓连接的构造）普通螺栓连接的构造1 1）螺栓的规格）螺栓的规格钢钢结结构构采采用用的的普普通通螺螺栓栓形形式式为为六六角角头头型型，其其代代号号用用字字母母M和和公公称称直直径径的的毫毫米米数数表表示示。螺螺栓栓直直径径d应应根根据据整整个个结结构构及及其其主主要要连连接接的的尺尺寸寸和和受受力力情情况况选
24、选定定，受受力力螺螺栓栓一一般般采采用用M16、M20、M24等。等。2）螺栓的排列）螺栓的排列螺栓的排列有：螺栓的排列有：并列和错列。并列和错列。并列并列错列错列螺螺栓栓在在构构件件上上的的排排列列应应同同时时考考虑虑受受力力要要求求、构构造造要要求求及及施工要求。施工要求。从从受受力力角角度度出出发发，螺螺栓栓端端距距不不能能太太小小，否否则则孔孔前前钢钢板板有有被被剪剪坏坏的的可可能能；螺螺栓栓端端距距也也不不能能过过大大，螺螺栓栓端端距距过过大大不不仅仅会会造造成成材材料料的的浪浪费费，对对受受压压构构件件而而言言还还会会发发生生压压屈屈鼓鼓肚肚现现象。象。从从构构造造角角度度考考虑虑
25、，螺螺栓栓的的栓栓距距及及线线距距不不宜宜过过大大，否否则则被被连连接接构构件件间间的的接接触触不不紧紧密密，潮潮气气就就会会侵侵入入板板件件间间的的缝缝隙隙内内，造成钢板锈蚀。造成钢板锈蚀。从施工角度来说，布置螺栓还应考虑拧紧螺栓时所必须从施工角度来说，布置螺栓还应考虑拧紧螺栓时所必须的施工空隙。的施工空隙。3）螺栓的其他构造要求）螺栓的其他构造要求每每一一杆杆件件在在节节点点上上以以及及拼拼接接接接头头的的一一端端，永永久久性性的的螺螺栓栓数数不不宜宜少少于于两两个个。对对组组合合构构件件的的缀缀条条，其其端端部部连连接接可可采用一个螺栓。采用一个螺栓。C级级螺螺栓栓宜宜用用于于沿沿其其杆
26、杆轴轴方方向向的的受受拉拉连连接接，在在下下列列情况下可用于受剪连接：情况下可用于受剪连接：承受静荷载或间接承受动荷载结构中的次要连接；承受静荷载或间接承受动荷载结构中的次要连接；不承受动荷载的可拆卸结构的连接；不承受动荷载的可拆卸结构的连接；临时固定构件用的安装连接。临时固定构件用的安装连接。对对直直接接承承受受动动荷荷载载的的普普通通螺螺栓栓连连接接应应采采用用双双螺螺帽帽或其它能防止螺帽松动的有效措施。或其它能防止螺帽松动的有效措施。（2）普通螺栓连接的计算）普通螺栓连接的计算 普通螺栓连接的受力形式分为三类：外力与栓杆垂普通螺栓连接的受力形式分为三类：外力与栓杆垂直的受剪螺栓连接；外力
27、与栓杆平行的受拉螺栓连接；直的受剪螺栓连接；外力与栓杆平行的受拉螺栓连接；同时受剪和受拉的螺栓连接。同时受剪和受拉的螺栓连接。受剪螺栓受剪螺栓受拉螺栓受拉螺栓受剪和受拉的螺栓受剪和受拉的螺栓1）受剪螺栓连接）受剪螺栓连接受力特点受力特点受剪螺栓连接达到极限承载力时的五种破坏形式：受剪螺栓连接达到极限承载力时的五种破坏形式：受剪破坏受剪破坏挤压破坏挤压破坏拉压拉压破坏破坏冲剪破坏冲剪破坏受弯破坏受弯破坏 计算方法计算方法 a.a.受剪螺栓连接受轴心力作用时受剪螺栓连接受轴心力作用时 首先，计算出连接所需螺栓数目。由于轴心拉力通过螺首先，计算出连接所需螺栓数目。由于轴心拉力通过螺栓群中心，可假定每
28、个螺栓受力相等，则连接一侧所需螺栓栓群中心，可假定每个螺栓受力相等，则连接一侧所需螺栓数为：数为：b.螺栓群在轴心力作用下，当构件节点处或拼接缝一侧螺栓螺栓群在轴心力作用下，当构件节点处或拼接缝一侧螺栓很多，且沿受力方向连接长度过大，应将螺栓承载力设计值很多，且沿受力方向连接长度过大，应将螺栓承载力设计值乘以折减系数乘以折减系数此时此时 其次，对构件净截面强度进行验算。构件开孔处净截面其次，对构件净截面强度进行验算。构件开孔处净截面强度应满足：强度应满足：式中式中连接件或构件在所验算截面处的净截面面积连接件或构件在所验算截面处的净截面面积净截面强度验算截面应选择最不利截面，即内力最大或净截面强
29、度验算截面应选择最不利截面，即内力最大或净截面面积较小的截面。净截面面积较小的截面。N 连接件或构件验算截面处的轴心力设计值；连接件或构件验算截面处的轴心力设计值；钢材的抗拉（或抗压）强度设计值。钢材的抗拉（或抗压）强度设计值。若若该该连连接接采采用用如如下下图图c c所所示示的的螺螺栓栓错错列列布布置置时时，就就有有如下如下6 6种可能的破坏面：种可能的破坏面：应同时计算出各种可能破坏面的净截面面积，并应同时计算出各种可能破坏面的净截面面积，并分析各种可能破坏面上所受力的大小，确定最不利截分析各种可能破坏面上所受力的大小，确定最不利截面，然后将净截面面积和相应验算截面处的轴心力设面，然后将净
30、截面面积和相应验算截面处的轴心力设计值代入上式验算。计值代入上式验算。2)2)受拉螺栓连接受拉螺栓连接 受力特点受力特点在受拉螺栓连接接头中，普通螺栓所受拉力的大小与被在受拉螺栓连接接头中，普通螺栓所受拉力的大小与被连接板件的刚度有关。假如被连接板件的刚度很大，连接的连接板件的刚度有关。假如被连接板件的刚度很大，连接的竖板端受拉力竖板端受拉力2 2N Nt t，因被连接板件无变形，所以一个螺栓所受，因被连接板件无变形，所以一个螺栓所受拉力为拉力为N Nt t。但是，实际被连接板件的刚度常较小，受拉后和拉力垂但是，实际被连接板件的刚度常较小，受拉后和拉力垂直的角钢水平肢会发生较大的变形，因而在角
31、钢水平肢的端直的角钢水平肢会发生较大的变形，因而在角钢水平肢的端部因杠杆作用而产生反力部因杠杆作用而产生反力Q Q，普通螺栓所受拉力将会增大至，普通螺栓所受拉力将会增大至N Nt t+Q/2+Q/2。受拉螺栓连接受轴心力作用时的计算方法受拉螺栓连接受轴心力作用时的计算方法 由于受拉螺栓的最不利截面在螺栓削弱处，因此，计由于受拉螺栓的最不利截面在螺栓削弱处，因此，计算时应根据螺纹削弱处的有效直径算时应根据螺纹削弱处的有效直径d de e或有效面积或有效面积A Ae e来确定来确定其承载力。其承载力。一个受拉螺栓的承载力设计值为一个受拉螺栓的承载力设计值为 式中：式中：de、Ae分别为螺栓螺纹处的
32、有效直径和有效面积分别为螺栓螺纹处的有效直径和有效面积假定各个螺栓所受拉力相等，假定各个螺栓所受拉力相等，则连接所需螺栓数目为则连接所需螺栓数目为:螺栓抗拉强度设计值。螺栓抗拉强度设计值。概念：在例如桁架、刚架、排架、塔架及网壳等杆件概念：在例如桁架、刚架、排架、塔架及网壳等杆件体系结构中，通常假设其节点为铰接连接，当无节间荷载体系结构中，通常假设其节点为铰接连接，当无节间荷载作用时，只有轴向拉力和压力的作用，分别称为轴心受拉作用时，只有轴向拉力和压力的作用，分别称为轴心受拉构件和轴心受压构件。构件和轴心受压构件。截面形式：一般分为两类，第一类是热轧型钢截面；截面形式：一般分为两类，第一类是热
33、轧型钢截面；第二类是型钢组合截面或格构式组合截面。第二类是型钢组合截面或格构式组合截面。第二节第二节 钢结构轴心受力构件钢结构轴心受力构件对轴心受力构件截面形式的要求：对轴心受力构件截面形式的要求：能提供强度所需要的截面面积；能提供强度所需要的截面面积；制作简便；便于和相邻构件连接；制作简便；便于和相邻构件连接；截面宽大而壁厚较薄，以满足刚度要求。截面宽大而壁厚较薄，以满足刚度要求。对轴心受压构件而言，因为其稳定性直接取决于对轴心受压构件而言，因为其稳定性直接取决于它的整体刚度，所以其截面的两个主轴方向的尺寸应宽它的整体刚度，所以其截面的两个主轴方向的尺寸应宽大。根据以上情况，轴心受压构件除经
34、常采用双角钢和大。根据以上情况，轴心受压构件除经常采用双角钢和宽翼缘工字形截面外，有时需要采用实腹式或格构式组宽翼缘工字形截面外，有时需要采用实腹式或格构式组合截面。合截面。1轴心受力构件的计算轴心受力构件的计算（1 1）强度计算）强度计算轴心受力构件的强度承载能力极限状态是截面的轴心受力构件的强度承载能力极限状态是截面的平均应力达到钢材的屈服强度平均应力达到钢材的屈服强度fy。轴心受力构件的强度按下式验算轴心受力构件的强度按下式验算式中式中N构件的轴心拉力或压力设计值；构件的轴心拉力或压力设计值；An构件的净截面面积；构件的净截面面积；f钢材的抗拉或抗压强度设计值。钢材的抗拉或抗压强度设计值
35、。（2 2）刚度验算）刚度验算当构件刚度不足时：容易在制造、运输和吊装当构件刚度不足时：容易在制造、运输和吊装过程中产生弯曲或过大的变形；过程中产生弯曲或过大的变形；在使用期间因其自重而明显下挠；在使用期间因其自重而明显下挠；在动力荷载作用下会发生较大振动；在动力荷载作用下会发生较大振动；可能使得构件的极限承载力显著降低；可能使得构件的极限承载力显著降低；初初弯弯曲曲和和自自重重产产生生的的挠挠度度也也将将对对构构件件的的整整体体稳稳定带来不利影响。定带来不利影响。轴心受力构件的刚度是以其长细比来衡量的。轴心受力构件的刚度是以其长细比来衡量的。轴心受力构件的刚度按下式验算：轴心受力构件的刚度按
36、下式验算：式中式中 构件最不利方向的长细比构件最不利方向的长细比 l0 相应方向的构件计算长度；相应方向的构件计算长度；i 相应方向的截面回转半径相应方向的截面回转半径 构件的容许长细比构件的容许长细比（3 3）实腹式轴心受压构件稳定性验算）实腹式轴心受压构件稳定性验算稳稳定定性性验验算算的的重重要要性性：若若结结构构或或构构件件处处于于不不稳稳定定状状态态时时，轻轻微微扰扰动动就就将将使使结结构构或或其其组组成成构构件件产产生生很很大大的的变变形形而而最终丧失承载能力最终丧失承载能力,这种现象称为失去稳定性。这种现象称为失去稳定性。在在轴轴心心受受力力构构件件中中，对对于于轴轴心心受受拉拉构
37、构件件，由由于于在在拉拉力力作作用用下下，构构件件总总有有拉拉直直绷绷紧紧的的倾倾向向，其其平平衡衡状状态态总总是是稳稳定定的，的，不必进行稳定性验算不必进行稳定性验算。对对于于轴轴心心受受压压构构件件，截截面面若若没没有有孔孔洞洞削削弱弱，一一般般不不会会因因强强度度不不足足而而丧丧失失承承载载能能力力；但但当当其其长长细细比比较较大大时时，稳稳定定性是导致其破坏的主要因素。性是导致其破坏的主要因素。2 2）整体稳定验算）整体稳定验算 轴心受压构件的整体稳定性按下式验算轴心受压构件的整体稳定性按下式验算 式中式中 N N轴心受压构件的压力设计值；轴心受压构件的压力设计值；A A构件的毛截面面
38、积；构件的毛截面面积；f 钢材的抗压强度设计值；钢材的抗压强度设计值；轴心受压构件的整体稳定系数，见附表轴心受压构件的整体稳定系数，见附表1717。3）局部稳定验算）局部稳定验算概概念念：工工字字型型截截面面轴轴心心受受压压构构件件，若若腹腹板板及及翼翼缘缘的的板板件件太太宽宽太太薄薄，当当轴轴压压力力达达到到某某一一数数值值时时，板板件件就就可可能能在在构构件件丧丧失失强强度度和和整整体体稳稳定定之之前前不不能能维维持持平平面面平平衡衡状状态态而而产产生生凹凹凸凸鼓鼓出出变变形形，这这种种现现象象称称为为板板件件失失去去稳稳定定，或或称称板板件件屈曲屈曲。实腹式轴心受压构件截面设计的步骤：先
39、选择截面的形实腹式轴心受压构件截面设计的步骤：先选择截面的形式，然后根据整体稳定和局部稳定等要求选择截面尺寸，最式，然后根据整体稳定和局部稳定等要求选择截面尺寸，最后进行强度和稳定性验算。后进行强度和稳定性验算。2 2 轴心受压构件的构造轴心受压构件的构造（1）实腹式轴心受压柱）实腹式轴心受压柱截面形式：截面形式：型钢截面型钢截面组合截面组合截面格构式截面格构式截面为避免弯扭失稳，常采用双轴对称截面。为避免弯扭失稳，常采用双轴对称截面。单单角角钢钢截截面面适适用用于于塔塔架架、桅桅杆杆结结构构和和起起重重机机臂臂杆杆或轻便桁架。或轻便桁架。双双角角钢钢便便于于在在不不同同情情况况下下组组成成接
40、接近近于于等等稳稳定定的的压压杆截面，常用于由节点板连接杆件的平面桁架。杆截面，常用于由节点板连接杆件的平面桁架。H型型钢钢的的宽宽度度与与高高度度相相同同时时对对强强轴轴的的回回转转半半径径约约为为弱弱轴轴回回转转半半径径的的2倍倍，对对于于在在中中点点有有侧侧向向支支撑撑的的独独立立柱最适合。柱最适合。焊焊接接工工字字形形截截面面制制造造简简单单，其其腹腹板板按按局局部部稳稳定定的的要要求求可作得很薄而节约钢材，应用十分广泛。可作得很薄而节约钢材，应用十分广泛。焊焊接接工工字字形形截截面面制制造造简简单单，其其腹腹板板按按局局部部稳稳定定的的要要求求可作得很薄而节约钢材，应用十分广泛。可作
41、得很薄而节约钢材，应用十分广泛。十字形截面在两个主轴方向的回转半径是相同的，对十字形截面在两个主轴方向的回转半径是相同的，对于重型中心受压柱，当两个方向的计算长度相同时，这于重型中心受压柱，当两个方向的计算长度相同时，这种截面最为有利。种截面最为有利。方管或由钢板焊成的箱形截面，承载能力和刚度都较方管或由钢板焊成的箱形截面，承载能力和刚度都较大，但连接构造复杂，常用作高大的承重支柱。大，但连接构造复杂，常用作高大的承重支柱。轻型钢结构中，可采用各种冷弯薄壁型钢截面组成压杆，轻型钢结构中，可采用各种冷弯薄壁型钢截面组成压杆，从而获得较好经济效果。从而获得较好经济效果。设置横向加劲肋设置横向加劲肋
42、：为了提高构件的抗扭刚度，防止构件：为了提高构件的抗扭刚度，防止构件在施工和运输过程中发生变形，当在施工和运输过程中发生变形，当h h0 0/t tw w8080时，应在一定位时，应在一定位置设置成对的横向加劲肋。置设置成对的横向加劲肋。设设置置横横隔隔：对对于于大大型型实实腹腹式式柱柱，为为了了增增加加其其抗抗扭扭刚刚度度和和传传布布集集中中力力作作用用，在在受受有有较较大大水水平平力力处处，以以及及运运输输单单元元的的端端部部，应应设设置置横横隔隔，横横隔隔间间距距一一般般不不大大于于柱柱截截面面较较大大宽宽度的度的9倍或倍或8m。（2 2）格构式轴心受压柱）格构式轴心受压柱格构式构件是将
43、肢件用缀材连成一体的一种构件。格构式构件是将肢件用缀材连成一体的一种构件。缀条与缀板：缀条与缀板：缀缀材材分分缀缀条条和和缀缀板板两两种种，相相应应地地格格构构式式构构件件也也分分为为缀缀条条式和缀板式两种。式和缀板式两种。缀板缀板缀条缀条实实轴轴虚轴虚轴肢件肢件：格格构构式式受受压压构构件件是是把把肢肢件件布布置置在在距距截截面面形形心心一一定定距距离离的的位位置置上上，通通过过调调整整肢肢件件间间距距离离以以使使两两个个方方向向具具有有相相同同的的稳定性。稳定性。肢肢件件通通常常为为槽槽钢钢、工工字字钢钢或或H H型型钢钢，用用缀缀材材把把它它们们连连成成整体，以保证各肢件能共同工作。整体
44、，以保证各肢件能共同工作。槽槽钢钢肢肢件件的的翼翼缘缘可可以以向向内内，也也可可以以向向外外，前前者者外外观观平平整整优于后者；优于后者；工工字字钢钢作作为为肢肢件件组组成成的的格格构构式式截截面面柱柱，适适用用于于柱柱子子承承受受荷载较大的情况；荷载较大的情况；对对于于长长度度较较大大而而受受力力不不大大的的压压杆杆，如如桅桅杆杆，起起重重机机臂臂杆等，肢件可以由四个角钢组成，四周均用缀材连接。杆等，肢件可以由四个角钢组成，四周均用缀材连接。格格构构柱柱截截面面的的特特点点：由由于于材材料料集集中中于于分分肢肢，与与实实腹腹柱柱相相比比，在在用用料料相相同同的的情情况况下下可可增增大大截截面
45、面惯惯性性矩矩，提提高高刚刚度度及及稳稳定定性性，从从而而节节约约钢钢材材。格格构构柱柱的的横横截截面面为为中中部部空空心心的的矩形，抗扭刚度较差。矩形，抗扭刚度较差。为了提高格构柱的抗扭刚度，保证柱子在运输和安装为了提高格构柱的抗扭刚度，保证柱子在运输和安装过程中的形状不变，应每隔一段距离设置横隔。过程中的形状不变，应每隔一段距离设置横隔。横隔用钢板横隔用钢板交叉角钢交叉角钢（3 3）柱头）柱头轴心受压柱柱头的构造方案：轴心受压柱柱头的构造方案：梁设置于柱顶梁设置于柱顶梁设置于柱顶梁设置于柱顶梁连接于柱的侧面梁连接于柱的侧面梁连接于柱的侧面梁连接于柱的侧面梁连接于柱的侧面梁连接于柱的侧面(4
46、)柱脚柱脚轴轴心心受受压压柱柱柱柱脚脚的的作作用用是是将将柱柱身身的的压压力力均均匀匀地地传传给给基基础础，并并和和基基础础牢牢固固连连接接。柱柱脚脚设设计计时时应应力力求求构构造造简简单单，并并便便于于安安装固定。装固定。轴心受压柱的柱脚分为：铰接柱脚和刚性柱脚。轴心受压柱的柱脚分为：铰接柱脚和刚性柱脚。轴承式铰接柱脚轴承式铰接柱脚刚接柱脚刚接柱脚刚接柱脚刚接柱脚平板式铰接柱脚平板式铰接柱脚第三节第三节 钢结构受弯构件钢结构受弯构件一、受弯构件截面形式：一、受弯构件截面形式：按按支支承承情情况况的的不不同同，可可以以分分为为简简支支梁梁、悬悬臂臂梁梁和和连连续梁。续梁。按截面形式可以分为型钢
47、梁和组合梁两大类。按截面形式可以分为型钢梁和组合梁两大类。此外，还可根据跨度和荷载大小的需要，采用蜂此外，还可根据跨度和荷载大小的需要，采用蜂窝梁。窝梁。根根据据梁梁截截面面沿沿长长度度方方向向有有无无变变化化，可可以以分分为为等等截截面梁和变截面梁。面梁和变截面梁。等等截截面面梁梁构构造造简简单单，制制作作方方便便，适适用用于于跨跨度度不不大大的的场合。场合。对对于于跨跨度度较较大大的的梁梁，为为节节约约钢钢材材，常常采采用用变变截截面面梁梁，如下图的楔形梁。如下图的楔形梁。根据受力情况的不同，还可以分为单向受弯根据受力情况的不同，还可以分为单向受弯梁和双向受弯梁（斜弯曲梁）。梁和双向受弯梁
48、（斜弯曲梁）。二、梁的强度和刚度二、梁的强度和刚度（一）钢梁的强度计算（一）钢梁的强度计算1.梁的抗弯强度按下列公式计算：梁的抗弯强度按下列公式计算：单向弯曲时：单向弯曲时：双向弯曲时双向弯曲时式中式中M弯矩；弯矩；截面塑性发展系数。对于工字形截面截面塑性发展系数。对于工字形截面x=1.05，y=1.2；对于箱形截面；对于箱形截面x=y=1.05。对其它截面的塑性发展系数见表对其它截面的塑性发展系数见表10-1110-11 f钢材抗弯矩强度设计值。钢材抗弯矩强度设计值。对于直接承受动力荷载且需计算疲劳的梁，考虑对于直接承受动力荷载且需计算疲劳的梁，考虑塑性发展会使钢材硬化，促使疲劳断裂提早出现
49、。塑性发展会使钢材硬化，促使疲劳断裂提早出现。当梁的受压翼缘自由外伸宽度与其厚度之比较大当梁的受压翼缘自由外伸宽度与其厚度之比较大时，考虑塑性发展对翼缘局部稳定有不利影响。时，考虑塑性发展对翼缘局部稳定有不利影响。对下列情况，规范不允许截面有塑性发展，对下列情况，规范不允许截面有塑性发展，而以弹性极限弯矩作为设计极限状态，即取而以弹性极限弯矩作为设计极限状态，即取=1.0：式中式中V计算截面沿腹板平面作用的剪力；计算截面沿腹板平面作用的剪力；I I梁的毛截面惯性矩；梁的毛截面惯性矩；S中中和和轴轴以以上上或或以以下下截截面面对对中中和和轴轴的的面面积积矩矩，按按毛截面计算；毛截面计算；tw腹板
50、厚度；腹板厚度；fv钢材抗剪强度设计值。钢材抗剪强度设计值。对对于于轧轧制制工工字字钢钢和和槽槽钢钢，当当无无较较大大截截面面削削弱弱时时，可可不不必验算抗剪强度。必验算抗剪强度。2 2 抗剪强度抗剪强度 3 3 局部承压强度局部承压强度 式中式中 F集中荷载，对动力荷载应考虑动力系数；集中荷载，对动力荷载应考虑动力系数；集中荷载增大系数，对重级工作制吊车梁集中荷载增大系数，对重级工作制吊车梁=1.35；对其它梁对其它梁=1.0。lz 集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度，集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度，lz=a+2hy a 集中荷载沿梁跨方向的支承长度，对吊车梁可取集中荷载