钢结构基础课程教案电子教案

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1、钢结构基础,同济大学土木系,(土木工程专业) 讲师：张云平,1 概率极限状态设计法和疲劳设计的容许应力法,1 概率极限状态设计法和疲劳设计的容许应力法,1.1 结构的极限状态 当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态为该功能的极限状态。分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。 承载能力极限状态 对应于结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形 正常使用极限状态 对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值 结构的工作性能可用结构的功能函数Z来描述，设计结构时可取荷载效应S和结构抗力R两个基本随机变量来表达结构的功能函数，即 Z

2、=g（R，S）RS （1-1） 显然，Z是随机变量，有以下三种情况： Z0 结构处于可靠状态； Z0 结构达到极限状态； Z0 结构处于失效状态。 可见，结构的极限状态是结构由可靠转变为失效的临界状态。 由于R和S受到许多随机性因素影响而具有不确定性， Z0不是必然性的事件。因此科学的设计方法是以概率为基础来度量结构的可靠性。 1.2 可靠度 按照概率极限状态设计法，结构的可靠度定义为结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的概率。“完成预定功能”指对某项规定功能而言结构不失效。结构在规定的设计使用年限内应满足的功能有：,(1) 在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用； (2)

3、 在正常使用时具有良好的工作性能； (3) 在正常维护下具有足够的耐久性； (4) 在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。 规定的设计使用年限（设计基准期）是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定 目使用的年限。大陆规范规定建筑结构的设计基准期为50年。 若以Pr表示结构的可靠度，则有 Pr=P（Z0） （1-2） 记Pf为结构的失效概率，则有 Pf=P（Z0） （1-3） 显然 Pr= 1Pf （1-4） 因此结构可靠度的计算可转换为失效概率的计算。可靠的结构设计指的是使失效概率小到可以接受程度的设计，绝对可靠的结构（失效概率等于零）是不存在的。由于与Z有

4、关的多种影响因素都是不确定的，其概率分布很难求得，目前只能用近似概率设计方法，同时采用可靠指标表示失效概率。 1.3 可靠指标 为了使结构达到安全可靠与经济上的最佳平衡，必须选择一个结构的最优失效概率或目标可靠指标。可采用“校准法”求得。即通过对原有规范作反演分析，找出隐含在现有工程中相应的可靠指标值，经过综合分析，确定设计规范采用的目标可靠指标值。建筑结构设计统一标准规定结构构件可靠指标不应小于表1-1中的规定。钢结构连接的承载能力极限状态经常是强度破坏而不是屈服，可靠指标应比构件为高，一般推荐用4.5。表11,1 概率极限状态设计法和疲劳设计的容许应力法,1.4 极限状态设计表达式 除疲劳

5、计算外，钢结构设计规范采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计 表达式进行计算 (1) 对于承载能力极限状态，结构构件应采用荷载效应的基本组合和偶然组合进行设计 基本组合 按下列极限状态设计表达式中最不利值确定 由可变荷载效应控制的组合： （1-5） 由永久荷载效应控制的组合： （1-6） 0结构重要性系数，按下列规定采用：对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的 结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于 1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，不应小于0.9； G永久荷载分项系数，应按下列规定采用：当永久荷载

6、效应对结构构件的承载能力不利时，对 由可变荷载效应控制的组合应取1.2，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35；当永久荷载 效应对结构构件的承载能力有利时，一般情况下取1.0； Q1, Qi第1个和第i个可变荷载分项系数，应按下列规定采用：当可变荷载效应对结构构件的承 载能力不利时，在一般情况下应取1.4，对标准值大于4.0kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载 取1.3；当可变荷载效应对结构构件的承载能力有利时，应取为0； S永久荷载标准值的效应；,1 概率极限状态设计法和疲劳设计的容许应力法,钢结构的正常使用极限状态只涉及变形验算，仅需考虑荷载的标准组合： （1-9）,1 概率极限状态设计法

7、和疲劳设计的容许应力法,1.5 钢结构的疲劳计算,疲劳断裂的概念 钢结构的疲劳断裂是裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展以至断裂的脆性破坏。疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。 与疲劳破坏有关的几个概念 应力集中 应力循环特征 连续重复荷载之下应力从最大到最小重复一周叫做一个循环。应力循环特征常用应力比来表示，拉应力取正值，压应力取负值。 应力幅 应力幅表示应力变化的幅度，用 =max- min表示，应力幅总是正值。,1 概率极限状态设计法和疲劳设计的容许应力法,疲劳寿命（致损循环次数） 疲劳寿命指在连续反复荷载作用下应力的循环次数，一般用n表示。 （1）疲劳曲线（n曲

8、线）,(1-11),1 概率极限状态设计法和疲劳设计的容许应力法,1 概率极限状态设计法和疲劳设计的容许应力法,1 概率极限状态设计法和疲劳设计的容许应力法,大,陆,2 钢结构材料,2.1 结构钢材的破坏形式: 塑性破坏 脆性破坏 2.2 钢结构对钢材性能的要求 (1) 较高的强度: 屈服强度（屈服点）fy和抗拉强度fu (2) 良好的塑性 : 伸长率 钢材拉伸图 (3) 韧性好 :冲击韧性值Cv 冲击韧性图 (4) 可焊性好 (5) 合格的冷弯性能 2.3 影响钢材性能的主要因素 (1) 化学成分 钢材由各种化学成分组成的，其基本元素为铁（Fe），碳素结构钢中铁占99%。碳和其它元 素仅占1

9、%，但对钢材的性能有着决定性的影响。普通低合金钢中还含有低于5%的合金元素。,2 钢结构材料,碳（C） 、硫（S） 、磷（P） 、氧（O）和氮（N） 、锰（Mn） 、硅（Si）,(2) 冶炼、轧制、热处理 (3) 钢材的硬化 时效硬化 冷作硬化 (4) 温度的影响 (5) 复杂应力状态 (6) 应力集中 (7) 反复荷载作用 2.4 结构钢材种类及其选择 (1) 钢材的种类和牌号 碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点的数值（N/mm2）、质量等级符号和脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。如Q235AF表示屈服强度为235Nmm2的A级沸腾钢；Q235-Bb表示屈服强度为235Nmm2的B

10、级半镇静钢；Q235-C表示屈服强度为235Nmm2的C级镇静钢。 低合金高强度结构钢 低合金钢是在冶炼过程中添加一种或几种少量合金元素，其总量低于5的钢材。其牌号与碳素结构钢牌号的表示方法相同，常用的低合金钢有Q345、Q390、Q420等。,2 钢结构材料,低合金钢的脱氧方法为镇静钢或特殊镇静钢。 Q345-B表示屈服强度为345Nmm2的B级镇静钢；Q390D表示屈服强度为390Nmm2的D级特殊镇静钢。 碳素结构钢和低合金钢都可以采取适当的热处理(如调质处理)进一步提高其强度。例如用于制造高强度螺栓的45号优质碳素钢以及40硼（40B）、20锰钛硼（20MnTiB）就是通过调质处理提高

11、强度的。 (2) 钢材的选用原则 钢材选用的原则是既要使结构安全可靠和满足使用要求，又要最大可能节约钢材和降低造价。为保证承重结构的承载力和防止在一定条件下可能出现的脆性破坏，应综合考虑下列因素：结构的重要性、荷载的性质、连接方法、结构的工作环境、钢材厚度 （3）钢材的规格 钢结构所用钢材主要为热轧成型的钢板、型钢，以及冷弯成型的薄壁型钢等。 钢板 钢板有薄钢板（厚度0.354mm）、厚钢板（厚度4.560mm）、特厚板（板厚60mm）和扁钢(厚度460mm，宽度为12200mm)等。钢板用“宽厚长”或“宽厚”表示，单位为mm，如45083100，4508。 型钢 钢结构常用的型钢是角钢、工字

12、型钢、槽钢和H型钢、钢管等。除H型钢和钢管有热轧和焊接成型外，其余型钢均为热轧成型。 冷弯薄壁型钢 冷弯薄壁型钢采用薄钢板冷轧制成。其壁厚一般为1.512mm，但承重结构受力构件的壁厚不宜小于2mm。薄壁型钢能充分利用钢材的强度以节约钢材，在轻钢结构中得到广泛应用。常用冷弯薄壁型钢截面型式有等边角钢、卷边等边角钢、Z型钢、卷边Z型钢、槽钢、卷边槽钢（C型钢）、钢管等。,2 钢结构材料,3.1 钢结构的连接方法 在传力过程中，连接部位应有足够的强度。被连接件间应保持正确的位置，以满足传力和使 用要求。 钢结构的连接通常有焊接，铆接和螺栓连接三种方式（图3-1）。 3.2 焊接连接的特性 钢结构常

13、用的焊接方法有电弧焊，电渣焊、气体保护焊和电阻焊等。 焊缝连接形式按构件的相对位置可分为平接、搭接、T形连接和角接四种。（图3-2） 焊缝形式主要有对接焊缝和角焊缝。其中对接焊缝按受力方向可分为对接正焊缝和对接斜焊 缝；角焊缝长度方向垂直于力作用方向的称正面角焊缝，平行于力作用方向的称侧面角焊缝。 焊缝缺陷和焊缝等级 焊缝中可能存在裂纹、气孔、烧穿、夹渣、未焊透、咬边、焊瘤等缺陷。（图3-3） 钢结构工程施工质量验收规范（GB50205）规定，焊缝依其质量检查标准分为三级，其中 三级焊缝只要求通过外观检查，即检查焊缝实际尺寸是否符合设计要求和有无看得见的裂纹，咬 边等缺陷。对于重要结构或要求焊

14、缝金属强度等于被焊金属强度的对接焊缝，必须进行一级或二 级质量检验，即在外观检查的基础上再做无损检验。其中二级要求用超声波检验每条焊缝的20 长度，且不小于200mm；一级要求用超声波检验每条焊缝全部长度，以便揭示焊缝内部缺陷。 焊缝代号 焊缝符号主要由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成。 （表3-1a） （表3-1b）,3 钢结构的连接设计,3 钢结构的连接设计,3.3 对接焊缝的构造和计算 对接焊缝按坡口形式分为I形缝、V形缝、带钝边单边V形缝、带钝边V形缝（也叫Y形缝）、 带钝边U形缝、带钝边双单边V形缝和双Y形缝等。（图3-4） 对基焊缝计算 对接焊缝的应力分布情况基本上与焊件相同。

15、可用计算焊件的方法计算对接焊缝。对于重要 的构件，按一、二级标准检验焊缝质量，焊缝和构件等强，不必另行计算，只有对三级焊缝，才 需要计算。 （1）轴心受力的对接焊缝 N（lwt）fwt或fwc (3-1) 式中 N 轴心拉力或压力的设计值； lw 焊缝计算长度，当采用引弧板施焊时，取焊缝实际长度；当无法采用引弧板时，每条 焊缝取实际长度减去2t； t 在对接接头中为连接件的较小厚度，不考虑焊缝的余高；在T形接头中为腹板厚度; ftw， fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。抗压焊缝和质量等级为一、二级的抗拉焊缝与母材等强，三级抗拉焊缝强度为母材的85% 。 （2）受弯、受剪的对接焊缝计算 MWw fwt (3-2) VS（Iwt ） fwV (3-3) (3-4),3 钢结构的连接设计,3.4 角焊缝的构造和计算 (1) 角焊缝的截面 角焊缝两边夹角一般为900（直角角焊缝），夹角大于1350或小于600的斜角交焊缝，除钢管结 构外，一般不宜用作受力焊缝。 （图3-5） 角焊缝的有效截面为平分角焊缝夹角的截面，破坏往往从这个截面发生。有效截面的高度 （不考虑焊缝余高）称为角焊缝的有效厚度he ，当 90o 时， he 0.7 hf ；当 90o 时， he hf cos( /2)。 (