钢结构课件全套1-4章ppt课件

《钢结构课件全套1-4章ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢结构课件全套1-4章ppt课件（518页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、11.了解钢结构的特点了解钢结构的特点和应用。和应用。2.掌握钢结构的设计掌握钢结构的设计方法和设计要求。方法和设计要求。3.了解钢结构的发展了解钢结构的发展概况。概况。1.1 1.1 钢结构的特点钢结构的特点1.2 1.2 钢结构的设计方法钢结构的设计方法1.3 1.3 钢结构的设计规范钢结构的设计规范1.4 1.4 钢结构的应用和发展钢结构的应用和发展1.5 1.5 本课程的主要内容和特点本课程的主要内容和特点本章目录本章目录基本要求基本要求2第第1.11.1节节 钢结构的特点钢结构的特点1. 1. 钢结构的定义钢结构的定义2. 2. 钢结构的特点钢结构的特点了解钢结构的定义和特点了解钢结

2、构的定义和特点本节目录本节目录基本要求基本要求31.1.1 1.1.1 钢结构的定义钢结构的定义定义：定义：由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢等钢由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢等钢材为主建造的工程结构，称为材为主建造的工程结构，称为钢结构钢结构。如高层建筑、大。如高层建筑、大跨桥梁、高耸的塔等。跨桥梁、高耸的塔等。 钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不同分支。的不同分支。 41.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点1 1、强

3、度高，结构重量轻、强度高，结构重量轻 由于钢材强度高，结构需要的构件截面小，结构自由于钢材强度高，结构需要的构件截面小，结构自重轻。重轻。a=容重容重/ /强度，强度，a越小，结构相对越轻。越小，结构相对越轻。 钢材：钢材：a=1.73.710-4/m 木材：木材：a=5.410-4/m 钢砼：钢砼：a=1810-4/m 51.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点2 2、材质均匀，塑性和韧性好、材质均匀，塑性和韧性好主要表现在：主要表现在： （1 1）钢材在使用阶段接近理想弹塑性体，这使得理）钢材在使用阶段接近理想弹塑性体，这使得理论计算与实际情况相吻合。论计算与实际情况相吻合。 （2

4、 2）钢材具有良好的塑性和韧性，不会因偶然的超）钢材具有良好的塑性和韧性，不会因偶然的超载而破坏，对动力荷载适应性强。钢结构的抗震性能优载而破坏，对动力荷载适应性强。钢结构的抗震性能优于其它结构。于其它结构。61.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点3 3、便于工业化生产，施工周期短、便于工业化生产，施工周期短钢结构构件一般可以在专业化工厂由专门机具加工，钢结构构件一般可以在专业化工厂由专门机具加工，生产效率高，且不受气候影响。生产效率高，且不受气候影响。71.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点4 4、密闭性好，不渗漏、密闭性好，不渗漏 钢材本身组织致密，因而具有良好的气密性

5、和水钢材本身组织致密，因而具有良好的气密性和水密性。密性。5 5、良好的加工性能和焊接性能、良好的加工性能和焊接性能6 6、可重复使用性、可重复使用性81.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点7 7、耐热性较好，耐火性差、耐热性较好，耐火性差钢材在表面温度不超过钢材在表面温度不超过200时时, ,其性能变化很小其性能变化很小, ,因而适合于热车间。温度超过因而适合于热车间。温度超过200以后，强度和弹性以后，强度和弹性模量显著下降。达模量显著下降。达600时时, ,钢材进入塑性状态已不能钢材进入塑性状态已不能承载。承载。91.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点 新新建建钢钢结

6、结构构，一一般般都都需需要要采采用用油油漆漆、喷喷铝铝、镀镀锌锌等等进进行行防防锈锈涂涂装装，在在涂涂装装前前需需认认真真除除锈锈，以以后后定定期期涂涂装，所以维修费用较高，这是钢结构的主要缺点。装，所以维修费用较高，这是钢结构的主要缺点。8 8、耐腐蚀性差、耐腐蚀性差101.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点在在动动荷荷载载作作用用下下，钢钢结结构构容容易易因因震震动动而而产产生生噪噪声声，在对环境有要求的场所需采用必要的消声措施。在对环境有要求的场所需采用必要的消声措施。9 9、低温冷脆倾向、低温冷脆倾向1010、容易发生噪声、容易发生噪声11第第1.21.2节节 钢结构的设计方

7、法钢结构的设计方法1. 1. 概述概述2. 2. 概率极限状态设计法概率极限状态设计法3. 3. 规范设计表达式规范设计表达式1.1.了解钢结构的设计准则和设计方法了解钢结构的设计准则和设计方法本节目录本节目录基本要求基本要求2.2.掌握现行规范设计方法和设计表达式掌握现行规范设计方法和设计表达式 121.2.1 1.2.1 概述概述1 1、设计目的、设计目的 结构设计的目的是要使设计的结构和结构构件在施结构设计的目的是要使设计的结构和结构构件在施工和工作过程中均能满足各种预定功能的要求。工和工作过程中均能满足各种预定功能的要求。 建筑结构功能包括：建筑结构功能包括： （1 1）安全性）安全性

8、 （2 2）适用性）适用性 （3 3）耐久性）耐久性132 2、设计准则设计准则 结构由各种荷载所产生的效应结构由各种荷载所产生的效应( (内力和变形内力和变形) )不大于不大于结构结构( (包括连接包括连接) )由材料性能和几何因素等所决定的抗力由材料性能和几何因素等所决定的抗力或规定限值。或规定限值。143 3、设计设计方法方法（1 1）容许应力方法）容许应力方法式中式中 由标准荷载与构件截面公称尺寸所由标准荷载与构件截面公称尺寸所 计算的应力；计算的应力； fk构件截面几何特征；构件截面几何特征；K大于大于1的安全系数；的安全系数；钢材的容许应力。钢材的容许应力。15 （2 2）概率极限

9、状态设计方法）概率极限状态设计方法 根据应用概率分析程度的不同，可分为三种水准：根据应用概率分析程度的不同，可分为三种水准： 半概率极限状态设计方法半概率极限状态设计方法; ; 近似概率极限状态设计方法近似概率极限状态设计方法; ; 全概率设计方法。全概率设计方法。3 3、设计设计方法方法161.2.2 1.2.2 概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法1 1、半经验半概率极限状态设计法、半经验半概率极限状态设计法式中式中K1荷载系数；荷载系数； K2材料系数材料系数; ; K3调整系数；调整系数； fyk钢材的屈服强度标准值；钢材的屈服强度标准值； 钢材容许应力。钢材容许应力。172 2、

10、近似概率极限状态设计法、近似概率极限状态设计法 极极限限状状态态：当当结结构构或或其其组组成成部部分分超超过过某某一一特特定定状状态态就就不不能能满满足足设设计计规规定定的的某某一一功功能能要要求求时时，此特定状态称为该功能的极限状态。此特定状态称为该功能的极限状态。现行钢结构设计规范现行钢结构设计规范（GB500172003）采用该法。采用该法。(1)(1)极限状态的概念极限状态的概念18(2) (2) 极限状态分为两类极限状态分为两类b.b.正常使用正常使用极限状态极限状态: : 包包括括：影影响响正正常常使使用用或或外外观观的的变变形形、影影响响正正常常使使用用的的振振动动、影影响响正正

11、常常使使用用的的或或耐耐久久性性的的局局部部破破坏等状态。坏等状态。a.a.承载能力承载能力极限状态极限状态: : 包包括括：强强度度破破坏坏、疲疲劳劳破破坏坏、不不适适于于继继续续承承载载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。 19 结构的工作性能可用结构的结构的工作性能可用结构的“功能函数功能函数”来描述，来描述，一般情况：一般情况： Zg（x1，x2，xn）（1-3）(3) (3) 功能函数和极限状态方程功能函数和极限状态方程式中式中 g（）结构的功能函数；结构的功能函数；xi(i1,2,n)影响结构可靠性的各物理量。影响结构可靠性的各物理量。

12、20 为简化，将各因素概括为两个综合随机变量为简化，将各因素概括为两个综合随机变量结构结构抗力抗力R和和作用效应作用效应S，则式（，则式（1-31-3）可写成：）可写成：Zg（R，S）RS（1-4） 在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：Z0表示结构处于表示结构处于可靠可靠状态状态Z0表示结构处于表示结构处于极限极限状态状态 Z0表示结构处于表示结构处于失效失效状态状态21 判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，为此，通常将下式：为此，通常将下式：Zg（R，S）RS=0( (1-5) )称为极限状态方程

13、。称为极限状态方程。(4) (4) 结构可靠度和失效概率结构可靠度和失效概率 可靠度可靠度是指结构在规定的时间内、规定的条件下，是指结构在规定的时间内、规定的条件下，完成预定功能的概率。完成预定功能的概率。22 结构能完成预定功能的概率结构能完成预定功能的概率( (可靠度可靠度) )用用Ps表示，则：表示，则： 结构不能完成预定功能的概率结构不能完成预定功能的概率( (失效概率失效概率) )用用Pf表示，表示，则：则： 由于事件由于事件Z0与事件与事件Z0是对立事件，所以是对立事件，所以结构的可靠度与结构的失效概率满足结构的可靠度与结构的失效概率满足: : PsPZ0（1-6） PfPZ0（1

14、-7） PsPf1或或Ps1-Pf（1-8）23 已知已知Z Z的概率密度曲线的概率密度曲线 fz(z) 如图如图1.2.1，则失效概率，则失效概率可用积分求得：可用积分求得：fz z(z)(z)Pf fz z图图1.2.1 1.2.1 Z的概率密度曲线的概率密度曲线Z=R-S 24(5) (5) 可靠指标可靠指标 因因Z的分布很难得到，因此式的分布很难得到，因此式（1-9）实际上很难求实际上很难求出，这使概率设计法一直不能付诸实用。出，这使概率设计法一直不能付诸实用。 20世纪世纪60年代末期，美国学者康奈尔提出系统的一年代末期，美国学者康奈尔提出系统的一次二阶矩设计方法，才使得概率设计法进

15、入实用阶段。次二阶矩设计方法，才使得概率设计法进入实用阶段。 一次二阶矩法不直接计算一次二阶矩法不直接计算Pf，通过可靠指标，通过可靠指标度量。度量。25可靠指标可靠指标（1-101-10）Z Z服从标准正态分布时，服从标准正态分布时，与与Pf的关系为：的关系为：式中式中: : ( () )标准正态函数；标准正态函数； -1-1( () )标准正态函数的反函数。标准正态函数的反函数。26 从图从图1.2.11.2.1中可以看出中可以看出与失效概率与失效概率Pf间存在着一一间存在着一一对应关系，即对应关系，即: : 1 1）减小时，阴影部分的面积增大，减小时，阴影部分的面积增大， 即失效概率即失

16、效概率Pf增大；增大；说明说明可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。 2 2）增大时，阴影部分的面积减少，增大时，阴影部分的面积减少， 亦即失效概率亦即失效概率Pf减小。减小。27b2.52.73.23.74.2Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5正态分布时可靠指标和失效概率的对应关系正态分布时可靠指标和失效概率的对应关系 计算避开了计算避开了Z的全分布的推求，而只需要分布特征的全分布的推求，而只需要分布特征值，即一阶原点矩和二阶中心矩，故此得名。值，即一阶原点矩和二阶中心矩，故此得名。283 3、全概率极限状态设计法、全

17、概率极限状态设计法 对对结结构构的的各各种种基基本本变变量量均均采采用用随随机机变变量量或或随随机机过过程程来来描描述述，对对结结构构进进行行精精确确的的概概率率分分析析，求求得得结结构构最最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。优失效概率作为结构可靠度的直接度量。291.2.3 1.2.3 规范设计表达式规范设计表达式 为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不直接使用不直接使用进行设计，而是采用以概率理论为基础的进行设计，而是采用以概率理论为基础的极限状态设计方法极限状态设计方法( (疲劳问题除外疲劳问题除外) )，用分项系数的表达，用分项系数

18、的表达式进行计算；式进行计算； 结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式考虑。的形式考虑。 我国规范分别按承载能力和正常使用极限状态设计我国规范分别按承载能力和正常使用极限状态设计给出表达式。给出表达式。301 1、承载能力极限状态分项系数表达式、承载能力极限状态分项系数表达式可变荷载效应起控制作用时：可变荷载效应起控制作用时：永久荷载效应永久荷载效应起控制作用时：起控制作用时： 对于一般排架和框架结构：对于一般排架和框架结构：31（1 1）永久荷载分项系数）永久荷载分项系数 G当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时 对可变荷载效应控制的

19、组合，应取对可变荷载效应控制的组合，应取1.2 对永久荷载效应控制的组合，应取对永久荷载效应控制的组合，应取1.35当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时 一般情况下应取一般情况下应取1.0 对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。32（2 2）可变荷载的分项系数）可变荷载的分项系数 Q Q 一般情况下应取一般情况下应取1.4； 对标准值大于对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活的工业房屋楼面结构的活荷载，标准值应取荷载，标准值应取1.3。33f 钢材或连接材料强度设计值钢材或连接材料强度设计值; ;fk 钢材或连接材料强度标准值钢材或连接材料强度

20、标准值; ; R钢材或连接材料抗力分项系数，钢材或连接材料抗力分项系数， 对于对于Q235钢钢, , R R =1.087; =1.087; 对于对于Q345、Q390、Q420钢钢, , R R=1.111=1.111。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。其中：其中：式中：式中：342 2、正常使用极限状态、正常使用极限状态 对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的规定组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应

21、的规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。 式中：式中：Gk永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；Q1k起控制作用的第起控制作用的第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；产生的变形值（该值使计算结果为最大）；Qik其他第其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值； 结构或结构构件的变形容许值。结构或结构构件的变形容许值。35第第1.31.3节节 钢结构的设计规范钢结构的设计规范1. 1

22、. 概述概述2. 2. 主要设计规范主要设计规范1.1.了解与钢结构有关的主要设计规范了解与钢结构有关的主要设计规范本节目录本节目录基本要求基本要求361.3.1 1.3.1 概述概述1 1、什么是设计规范、什么是设计规范 设计规范是国家颁布的关于设计计算和构造要求的设计规范是国家颁布的关于设计计算和构造要求的技术规定和标准，是带有一定约束性和立法性的文件。技术规定和标准，是带有一定约束性和立法性的文件。2 2、颁布设计规范的目的、颁布设计规范的目的 （1 1）贯彻国家技术经济政策、保证设计的质量，达）贯彻国家技术经济政策、保证设计的质量，达到方法上必要的统一化和标准化。到方法上必要的统一化和

23、标准化。 （2 2）设计、校核、审批工程结构的依据。）设计、校核、审批工程结构的依据。371.3.2 1.3.2 主要设计规范主要设计规范与钢结构设计有关的一些规范：与钢结构设计有关的一些规范：GB500172003 钢结构设计规范钢结构设计规范TB10002.2-2005 铁路桥梁钢结构设计规范铁路桥梁钢结构设计规范GB50009-2001 建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范GB50018-2002 冷弯薄壁型钢结构技术规范冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范钢结构工程施工质量验收规范JTJ025-86 公路桥涵钢结构及木结构设计规范公路桥涵钢结构及木结

24、构设计规范38 GB50017-2003是我国进行房屋建筑和一般构筑物钢是我国进行房屋建筑和一般构筑物钢结构设计必须遵循的现行国家标准，适用于热轧钢材建结构设计必须遵循的现行国家标准，适用于热轧钢材建筑的钢结构，规范中对钢结构的设计原则、采用的钢材筑的钢结构，规范中对钢结构的设计原则、采用的钢材要求、各种设计指标、三大基本构件的计算内容和要求，要求、各种设计指标、三大基本构件的计算内容和要求，连接计算方法、构造要求以及疲劳计算等都做了明确的连接计算方法、构造要求以及疲劳计算等都做了明确的规定，供设计人员遵照执行。规定，供设计人员遵照执行。39第第1.41.4节节 钢结构的应用和发展钢结构的应用

25、和发展1. 1. 钢结构的应用概况钢结构的应用概况2. 2. 钢结构的发展钢结构的发展3. 3. 钢结构应用示例钢结构应用示例1.1.了解钢结构的应用和发展了解钢结构的应用和发展本节目录本节目录基本要求基本要求401.4.1 1.4.1 钢结构的应用概况钢结构的应用概况 根据钢结构的特点，它主要适用于下列结构：根据钢结构的特点，它主要适用于下列结构： （1 1）承受荷载很大或跨度大，高度大的结构）承受荷载很大或跨度大，高度大的结构 （2 2）承受动力荷载作用或经常移动的结构）承受动力荷载作用或经常移动的结构 （3 3）经常拆装的拼装式结构）经常拆装的拼装式结构 （4 4）对密闭性要求高的结构）

26、对密闭性要求高的结构 （5 5）高温车间或需承受一定高温的结构）高温车间或需承受一定高温的结构 （6 6）轻型结构）轻型结构41属于上述性质的主要有下列结构属于上述性质的主要有下列结构: : （1 1）工业与民用建筑结构）工业与民用建筑结构 高层建筑框架；车站、会堂、体育馆、车库等大跨高层建筑框架；车站、会堂、体育馆、车库等大跨度屋盖结构；大厂房、车间的度屋盖结构；大厂房、车间的 承重柱、屋盖、吊车梁。承重柱、屋盖、吊车梁。 （2 2）桥梁结构）桥梁结构 中等跨度或大跨度的铁路桥、公路桥、栈桥等各种中等跨度或大跨度的铁路桥、公路桥、栈桥等各种桥的桥跨结构。桥的桥跨结构。 （3 3）塔桅结构）塔

27、桅结构 电视塔、发射塔、气象塔、无线电桅杆等。电视塔、发射塔、气象塔、无线电桅杆等。42 （4 4）移动式结构）移动式结构 各种起重运输机械、和大型建筑机械的各种起重运输机械、和大型建筑机械的 承重骨架，承重骨架，升船机、水工闸门等。升船机、水工闸门等。 （5 5）板壳结构）板壳结构 管道、气柜、高炉结构、高压容器等。管道、气柜、高炉结构、高压容器等。 （6 6）轻型）轻型和临时和临时结构结构 钢模板、钢拱架、万能杆件、拆装梁（如六四梁）钢模板、钢拱架、万能杆件、拆装梁（如六四梁）等等 。431.4.2 1.4.2 钢结构的发展钢结构的发展 18世纪欧洲工业革命后，钢结构在欧洲各国的应用世纪欧

28、洲工业革命后，钢结构在欧洲各国的应用逐渐增多，而我国钢结构的发展非常缓慢。逐渐增多，而我国钢结构的发展非常缓慢。 新中国成立后，由于受到钢产量的制约，钢结构仅新中国成立后，由于受到钢产量的制约，钢结构仅在重型厂房、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构在重型厂房、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中采用。中采用。 改革开放以来，钢结构产量开始逐渐增加。改革开放以来，钢结构产量开始逐渐增加。1996年年我国的钢产量超过一亿吨，我国的钢产量超过一亿吨，2003年达到创记录的年达到创记录的2.2亿吨，亿吨，2005年上升到年上升到3.5亿吨。亿吨。44 伴随钢结构产量的增加，钢结构政策从限制使用改伴

29、随钢结构产量的增加，钢结构政策从限制使用改为积极合理的推广应用。钢结构在现代应用的领域更加为积极合理的推广应用。钢结构在现代应用的领域更加多元化，包括大跨结构、工业厂房、受动力荷载影响的多元化，包括大跨结构、工业厂房、受动力荷载影响的结构、多层和高层建筑、高耸结构、可拆卸结构、容器结构、多层和高层建筑、高耸结构、可拆卸结构、容器构筑物以及钢和混凝土的组合结构等。构筑物以及钢和混凝土的组合结构等。45钢结构的主要发展方向：钢结构的主要发展方向： （1 1）高性能钢材的研制）高性能钢材的研制高强，耐腐蚀，耐火钢高强，耐腐蚀，耐火钢 （2 2）计算理论和设计方法的改进）计算理论和设计方法的改进 （3

30、 3）结构体系的革新和新型连接形式的研究）结构体系的革新和新型连接形式的研究 （4 4）结构优化理论的应用和设计计算手段的改变）结构优化理论的应用和设计计算手段的改变 （5 5）机械化制造与安装的现代化水平的提高）机械化制造与安装的现代化水平的提高 （6 6）型钢品种的丰富）型钢品种的丰富461.4.3 1.4.3 钢结构应用示例钢结构应用示例1 1、建筑结构、建筑结构 图图1.4.1 1.4.1 国家大剧院国家大剧院网壳结构网壳结构47图图1.4.2 1.4.2 国家体育馆国家体育馆鸟巢鸟巢48图图1.4.3 1.4.3 苏州乐园宇宙大战馆球体屋面苏州乐园宇宙大战馆球体屋面穹顶穹顶49图图1

31、.4.41.4.4台北台北 101101大楼，大楼，508508m高，高，20042004年建成。年建成。50图图1.4.51.4.5金茂大厦金茂大厦8888层层420.5420.5米高米高19991999年建成。年建成。51图图1.4.61.4.6深圳地王大厦深圳地王大厦6969层层384384m高高19991999年建成。年建成。52图图1.4.7 1.4.7 单层工业厂房单层工业厂房53图图1.4.8 1.4.8 多层工业厂房多层工业厂房542 2、桥梁结构、桥梁结构图图1.4.9 1.4.9 卢浦大桥，主跨卢浦大桥，主跨550550m，20032003年年 55图图1.4.10 1.4

32、.10 润扬长江大桥，润扬长江大桥，20052005年年 56图图1.4.11 1.4.11 苏通长江大桥苏通长江大桥57 图图1.4.12 1.4.12 芜湖长江大桥，主跨芜湖长江大桥，主跨312m312m，20002000年年58图图1.4.13 1.4.13 自锚式悬索桥自锚式悬索桥59图图1.4.141.4.14巴黎艾菲尔铁塔巴黎艾菲尔铁塔 3 3、塔结构、塔结构60东东方方明明珠珠电电视视塔塔图图1.1.4.4.151561 4 4、可拆卸和移动结构、可拆卸和移动结构图图1.4.16 1.4.16 活动桥活动桥62图图1.4.17 1.4.17 活动车库活动车库63图图1.4.18

33、1.4.18 架桥机架桥机64图图1.4.191.4.19 挂篮挂篮65第第1.51.5节节 本课程的主要内容和特点本课程的主要内容和特点1.1.钢结构课程特点及与其它前续课程的联系钢结构课程特点及与其它前续课程的联系2. 2. 本课程的学习方法本课程的学习方法1.1.了解本课程的特点和重要性了解本课程的特点和重要性本节目录本节目录基本要求基本要求661.5.1 1.5.1 钢结构课程特点及与其它前续课程的联系钢结构课程特点及与其它前续课程的联系1 1、 本课程特点：本课程特点： 上篇是土木工程专业的一门专业基础课程，下篇是上篇是土木工程专业的一门专业基础课程，下篇是建筑工程方向的专业课程，本

34、课程具有如下特点：建筑工程方向的专业课程，本课程具有如下特点： （1 1）内容庞杂，理论性和实践性强）内容庞杂，理论性和实践性强 （2 2）与设计规范关系紧密）与设计规范关系紧密 （3 3）题型多，包括设计、复核和确定承载力）题型多，包括设计、复核和确定承载力672 2、 与前续课程联系与前续课程联系 “钢钢结结构构”和和“材材料料力力学学”的的联联系系最最为为紧紧密密，但但材材料料力力学学更更侧侧重重理理论论探探讨讨，而而“钢钢结结构构”需需要要站站在在设设计计的的角度来考虑，因此必须符合相应的规范要求。角度来考虑，因此必须符合相应的规范要求。 同同时时，由由于于钢钢材材本本身身接接近近理理

35、想想弹弹塑塑性性体体，所所以以钢钢结结构课程的理论性强，许多内容要用到弹塑性力学的知识。构课程的理论性强，许多内容要用到弹塑性力学的知识。681.5.2 1.5.2 本课程的学习方法本课程的学习方法 （1 1）注重加强对基本理论和基本概念的理解）注重加强对基本理论和基本概念的理解 （2 2）采用归纳、分析和比较）采用归纳、分析和比较 （3 3）注重习题和课程设计训练）注重习题和课程设计训练 （4 4）联系工程实践）联系工程实践69701.了解钢材的破坏形了解钢材的破坏形式和主要性能。式和主要性能。2.了解影响钢材性能了解影响钢材性能的主要因素。的主要因素。3.了解钢材疲劳破坏了解钢材疲劳破坏及

36、计算方法。及计算方法。4.了解钢材的种类及了解钢材的种类及选用原则要求。选用原则要求。2.1 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求2.2 2.2 钢材的破坏形式钢材的破坏形式2.3 2.3 钢材的主要性能钢材的主要性能2.4 2.4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2.5 2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件2.6 2.6 钢材的疲劳钢材的疲劳2.7 2.7 钢的种类和钢材的规格钢的种类和钢材的规格本章目录本章目录基本要求基本要求71第第2.12.1节节 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求1. 1. 概述概述2. 2. 钢结构对材料

37、的基本要求钢结构对材料的基本要求了解钢结构对材料性能的基本要求了解钢结构对材料性能的基本要求 本节目录本节目录基本要求基本要求722.1.1 2.1.1 概述概述 含碳量小于含碳量小于2的铁碳合金称作钢，含碳量大于的铁碳合金称作钢，含碳量大于2时称作铁。钢材种类繁多，性能差别很大，适用于钢结时称作铁。钢材种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构只是其中一小部分。构只是其中一小部分。73（1 1）较高的抗拉强度）较高的抗拉强度 fu和屈服点和屈服点 fy；（2 2）较好的塑性、韧性；）较好的塑性、韧性；（3 3）良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；）良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；（4 4）

38、对环境的良好适应性。）对环境的良好适应性。2.1.2 2.1.2 钢结构对材料的基本要求钢结构对材料的基本要求74第第2.22.2节节 钢材的破坏形式钢材的破坏形式钢材的两种破坏形式钢材的两种破坏形式了解钢材的破坏形式和特点了解钢材的破坏形式和特点 本节目录本节目录基本要求基本要求752.2.1 2.2.1 钢材的两种破坏形式钢材的两种破坏形式破坏形式破坏形式特特征征断断口口后后果果塑性破坏塑性破坏构件应力超过屈服构件应力超过屈服点，并且达到抗拉点，并且达到抗拉极限强度后，构件极限强度后，构件产生明显的变形并产生明显的变形并断裂。断裂。断裂时断口与断裂时断口与作用力方向呈作用力方向呈4545，

39、呈纤维，呈纤维状，色泽发暗状，色泽发暗在破坏前有很明在破坏前有很明显的变形，并有显的变形，并有较长的变形持续较长的变形持续时间，便于发现时间，便于发现和补救。和补救。脆性破坏脆性破坏在破坏前无明显变在破坏前无明显变形，平均应力也小形，平均应力也小（一般都小于屈服（一般都小于屈服点），没有任何预点），没有任何预兆。兆。断口平直并呈断口平直并呈有光泽的晶粒有光泽的晶粒状。状。突然发生的，危突然发生的，危险性大，应尽量险性大，应尽量避免。避免。76第第2.32.3节节 钢材的主要性能钢材的主要性能1. 1. 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能2. 2. 冷弯性能冷弯性能3. 3. 冲击

40、韧性冲击韧性掌握钢材的主要力学性能要求及含义掌握钢材的主要力学性能要求及含义本节目录本节目录基本要求基本要求772.3.1 2.3.1 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能1 1、钢材在单向一次拉伸下的工作性能、钢材在单向一次拉伸下的工作性能试验条件：标准试件试验条件：标准试件（GB/T228），），常温常温（205）下缓慢加载，一次完成。含碳量为下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%0.3%。标准试件：标准试件：Lo/d=5或或10；Lo- - -标距；标距；d - - -直径直径图图2.3.12.3.1782 2、有明显屈服点钢材的、有明显屈服点钢材的-曲线曲线OBCDAGH图

41、图2.3.22.3.2792 2、有明显屈服点钢材的、有明显屈服点钢材的-曲线曲线图图2.3.32.3.380 可划分为以下五个阶段：可划分为以下五个阶段： (1)(1)弹性阶段弹性阶段( (OB段段) )OA段材料处于纯弹性，即段材料处于纯弹性，即: :AB段有一定的塑性变形段有一定的塑性变形, , 但整个但整个OB段卸载时段卸载时 =0弹性模量：弹性模量：E=206103N/mm2其中，其中，A点应力点应力 f p称为比例极限。称为比例极限。81(2)(2)弹塑性阶段弹塑性阶段（BC段段) ) 该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留下永久的残余

42、变形。下永久的残余变形。(3)(3)塑性阶段塑性阶段（CD段段) ) 该段该段基本保持不变（水平基本保持不变（水平),),急剧增大急剧增大, ,称为屈称为屈服台阶。变形模量服台阶。变形模量E=0。 该该段段应应力力最最高高点点和和最最低低点点分分别别称称为为上上屈屈服服点点和和下下屈屈服服点点，下下屈屈服服点点比比较较稳稳定定，设设计计中中则则以以下下屈屈服服点点为为依据。依据。82（4 4）强化阶段强化阶段( (DG段段) ) 当应力达到当应力达到G G点时，出现颈缩现象，至点时，出现颈缩现象，至H点而断裂。点而断裂。 随荷载的增加随荷载的增加缓慢增大缓慢增大, ,但但增加较快。曲线最增加较

43、快。曲线最高点处高点处G点的应力点的应力 fu称为抗拉强度或极限强度。称为抗拉强度或极限强度。（5 5）颈缩破坏阶段颈缩破坏阶段( (GH段段) )833 3、对无明显屈服点的钢材、对无明显屈服点的钢材 高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶，高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶，塑性变形小，设计中不宜利用它的塑性。塑性变形小，设计中不宜利用它的塑性。 设设计计时时取取相相当当于于残残余余变变形形为为0.2%时时所所对对应应的的应应力力作作为为屈屈服服点点称称为为条条件件屈屈服服点点或或名义屈服点名义屈服点fy=f0.20.2%fup图图2.3.42.3.4844 4、应力应变曲线的简化

44、、应力应变曲线的简化设计时将钢材简化为理想弹塑性体设计时将钢材简化为理想弹塑性体钢材在静载作用下：钢材在静载作用下： 强度计算以强度计算以fy为依据，为依据，fu为结构的安全储备。为结构的安全储备。22.5%-3%fy10.15%图图2.3.52.3.5855 5、单向拉伸时钢材的机械性能指标、单向拉伸时钢材的机械性能指标 （1 1）屈服点屈服点 fy应力应变曲线开始产生塑性流动应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强时对应的应力，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。度设计值的重要指标。 （2 2）抗拉强度抗拉强度 fu应力应变曲线最高点对

45、应的应应力应变曲线最高点对应的应力力, ,它是钢材最大的抗拉强度。它是钢材最大的抗拉强度。86（3 3）伸长率伸长率当当lo/d=5时，用时，用5表示表示当当l0/d=10时，用时，用10表示表示（510）实际工程中以伸长率实际工程中以伸长率 代表材料断裂前具有的塑性变形能力。代表材料断裂前具有的塑性变形能力。钢材的塑性是指：当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残钢材的塑性是指：当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。试件断裂时的绝对变形值与原标距长度的百分比，用试件断裂时的绝对变形值与原标距长度的百分比，用表示。表示。

46、87（4 4）断面收缩率断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比，用面面积比值的百分比，用 表示。表示。式中：式中： A0试件原来的断面面积试件原来的断面面积 A1试件拉断后颈缩区的断面面积试件拉断后颈缩区的断面面积 图图2.3.62.3.688 采用短试件采用短试件l0/d=3，屈服点同单向拉伸时的屈服点。，屈服点同单向拉伸时的屈服点。6 6、受压时的性能、受压时的性能7 7、受剪时的性能、受剪时的性能抗剪强度可由折算应力计算公式得到：抗剪强度可由折算应力计算公式得到：892.3.2 2.3.2 冷弯性能冷弯性能 冷

47、弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标综合指标 鉴鉴定定合合格格指指标标：通通过过冷冷弯弯冲冲头头加加压压，当当试试件件弯弯曲曲至至180时时，检检察察试试件件弯弯曲曲部部分分的的外外面面、里里面面和和侧侧面面，如如果果没没有有裂裂纹纹、断断裂裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。或分层，即认为试件冷弯性能合格。 图图2.3.7902.3.3 2.3.3 冲击韧性冲击韧性冲击韧性冲击韧性钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。 用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧用断裂时吸收的总能量（弹性和

48、非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号Wkv或或Cv表示，单位为表示，单位为J。 冲冲击击韧韧性性由由冲冲击击韧性试验确定。韧性试验确定。图图2.3.891图图2.3.9冲击韧性演示冲击韧性演示92影响冲击韧性的因素：影响冲击韧性的因素： 冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏V型和梅型和梅氏氏U型，近年来，我国冲击试验已用夏氏型，近年来，我国冲击试验已用夏氏V型代替梅氏型代替梅氏U型。型。 冲冲击击韧韧性性还还与与试试验验的的温温度度有有关关。根根据据温温度度不不同

49、同，我我国国钢钢材材标标准准中中将将试试验验分分为为四四档档，即即+20,0，-20和和-40时时的的冲击韧性。冲击韧性。 温度越低，冲击韧性越低。温度越低，冲击韧性越低。93钢材的机械性能指标钢材的机械性能指标屈服点屈服点 fy伸长率伸长率 抗拉强度抗拉强度 fu冷弯试验冷弯试验冲击韧性冲击韧性 Cv小结小结94第第2.42.4节节 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响1. 1. 化学成分化学成分2. 2. 冶金缺陷冶金缺陷3. 3. 钢材硬化钢材硬化1.1.了解影响钢材性能的主要因素了解影响钢材性能的主要因素本节目录本节目录基本要求基本要求2.2.了解防止脆性断裂破坏的

50、方法了解防止脆性断裂破坏的方法 4. 4. 温度影响温度影响5. 5. 应力集中应力集中6. 6. 荷载的影响荷载的影响952.4.1 2.4.1 化学成分化学成分 普通碳素钢中普通碳素钢中Fe占占99%，C和和其他元素仅占其他元素仅占1%，但，但对钢材力学性能有着决定性的影响。对钢材力学性能有着决定性的影响。 普通低合金钢中合金元素普通低合金钢中合金元素小于小于5%。 (1)(1)碳碳（C）：钢钢材材强强度度的的主主要要来来源源，随随其其含含量量增增加加，强强度度增增加加，塑塑性性、韧韧性性和和疲疲劳劳强强度度降降低低，同同时时恶恶化化钢钢的的焊焊接接性性能能和和抗抗腐腐蚀蚀性性。钢钢结结构

51、构用用钢钢中中，碳碳含含量量一一般般控控制制在在0.22%以下，当其含量在以下，当其含量在0.2以下时，可焊性良好。以下时，可焊性良好。 96图图2.4.1含碳量对含碳量对-关系的影响关系的影响0%TC0.3%97 (2) (2)硫（硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。 (3)(3)磷（磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过提高，可焊性降低。不得超过0.045%。 (4)(4)锰（锰（Mn）：合金元素：合金元素, ,弱脱氧剂。与弱脱氧剂。与S形成形成MnS, ,熔点熔点1600, ,可以消除

52、一部分可以消除一部分S的有害作用。的有害作用。 (5)(5)硅（硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。：合金元素。强脱氧剂。 98 (6) (6)钒（钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。 (7)(7)氧氧（O）：有害杂质，与：有害杂质，与S相似（热脆）。相似（热脆）。 (8)(8)氮氮（N）：有害杂质，与：有害杂质，与P相似（冷脆）相似（冷脆） 。 (9)(9)铜铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。性有影响。 992.

53、4.2 2.4.2 冶金缺陷冶金缺陷常见的冶金缺陷有：常见的冶金缺陷有： 偏偏析析：钢钢中中化化学学成成分分不不一一致致和和不不均均匀匀性性称称为为偏偏析析。主主要要是是硫硫和和磷的偏析，使钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。磷的偏析，使钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。 非非金金属属夹夹杂杂：常常见见的的夹夹杂杂物物为为硫硫化化物物和和氧氧化化物物。硫硫化化物物使使钢钢材材在在8001200高高温温下下变变脆脆，氧氧化化物物会会降降低低钢钢材材的的力力学学性性能能和和工工艺艺性能。性能。 气气孔孔：浇浇注注时时由由FeO与与C作作用用所所生生成成的的CO气气体体不不能能充充分分逸逸出出而而留在钢锭内形

54、成的。留在钢锭内形成的。 裂纹裂纹：钢材中已出现的局部破坏：钢材中已出现的局部破坏 分分层层：指指沿沿厚厚度度方方向向形形成成层层间间并并不不相相互互脱脱离离的的分分层层。分分层层处处易易被锈蚀被锈蚀, , 且分层使钢材性能变差。且分层使钢材性能变差。1002.4.3 2.4.3 钢材硬化钢材硬化冷冷作作硬硬化化在在冷冷加加工工或或一一次次加加载载使使钢钢材材产产生生较较大大的的塑塑性性变变形形的的情情况况下下，卸卸载载后后再再重重新新加加载载，钢钢材材的的屈屈服服点点提提高高，塑塑性性和和韧韧性降低的现象性降低的现象。时时效效硬硬化化随随着着时时间间的的增增加加，纯纯铁铁体体中中有有一一些些

55、数数量量极极少少的的碳碳和和氮氮的的固固熔熔物物质质析析出出，使使钢钢材材的的屈屈服服点点和和抗抗拉拉强强度度提提高高，塑性和韧性下降的现象塑性和韧性下降的现象。应变时效硬化应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体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。发生时效硬化现象。101图图2.4.2 硬化对钢材性能的影响硬化对钢材性能的影响0冷作硬化冷作硬化时效硬化时效硬化冷作硬化后冷作硬化后的塑性区的塑性区2431fyfp冷加工及时效冷加工及时效冷加工及时效冷加工及时

56、效后的塑性区后的塑性区fy0102图图2.4.3103 注注意意: :不不管管哪哪一一种种硬硬化化，都都要要降降低低钢钢材材的的塑塑性性和和韧韧性性，对对钢钢材材不不利利。因因此此钢钢结结构构设设计计中中一一般般不不利利用用硬硬化化后后提提高高的的强强度度，而而且且对对于于直直接接承承受受动动荷荷载载的的结结构构还还应设法消除硬化的影响。应设法消除硬化的影响。例例如如，经经过过剪剪切切机机剪剪切切的的钢钢板板，为为了了消消除除剪剪切切边边缘缘的的冷冷作作硬硬化化，可可采采用用火火焰焰烧烧烤烤使使之之“退退火火”或或将边缘刨去将边缘刨去35mm。 1042.4.4 2.4.4 温度影响温度影响图

57、图2.4.4温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响8006004002000N/mm2Efufy20040060020406080%220210200190180170160E Ex10x103 3N/mmN/mm2 2t(0C)105 1 1正温范围正温范围 200以以内内对对钢钢材材性性能能无无大大影影响响，该该范范围围内内随随温温度度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。 250左左右右抗抗拉拉强强度度略略有有提提高高，塑塑性性降降低低，脆脆性性增增加加蓝蓝脆现象，该温度区段称为脆现象，该温度区段称为“蓝蓝脆区脆区”。 2603

58、20产生徐变现象。产生徐变现象。 600左左右右弹弹性性模模量量趋趋于于零零，承承载载能能力力几几乎乎完完全全丧丧失。失。106 当当 温温 度度 低低于于常常温温时时，钢钢材材的的脆脆性性倾倾向向随随温温度度降降低低而而增增加加，材材料料强强度度略略有有提提高高，但但其其塑塑性性和和韧韧性性降降低低，该该现现象象称称为为低低温温冷冷脆脆。2 2负温范围负温范围脆性破坏脆性破坏转变过渡区段转变过渡区段塑性破坏塑性破坏反弯点反弯点试验温度试验温度T T0 0C C冲冲 击击 断断 裂裂 功功 C Cv vT1T2T0图图2.4.5 冲击韧性与温度的关系曲线冲击韧性与温度的关系曲线1072.4.5

59、 2.4.5 应力集中应力集中 1. 1.应力集中的概念应力集中的概念 在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。部高峰应力，形成所谓应力集中现象。 图图2.4.6孔洞及槽孔孔洞及槽孔处的应力集处的应力集中现象中现象y yz zy yx xz zx xx xy y0 00 01 11 1x xy y0 00 01 11 110

60、8 2.2.应力集中的影响应力集中的影响 可以看出截面槽可以看出截面槽口改变愈急剧，应力口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑抗拉强度愈高，但塑性愈差，脆性破坏的性愈差，脆性破坏的倾向愈大。倾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10测距10010100600700500400300200100图图2.4.7应力集中对应力集中对-曲线曲线关系的影响关系的影响1093.3.减小应力集中现象的措施减小应力集中现象的措施 由由于于钢钢材材具具有有良良好好的的塑塑性性性性能能，当当承承受受静静力力荷荷载载且且在在常常温温下下工工作作时时，只只要要符符合合

61、规规范范规规定定的的设设计计要要求求，可以不考虑应力集中的影响。可以不考虑应力集中的影响。1:2.5图图2.4.81102.4.6 2.4.6 荷载的影响荷载的影响 1. 1.加荷速度的影响加荷速度的影响 加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。因此，试验时需规定加载速度。温下大得多。因此，试验时需规定加载速度。 2. 2. 循环荷载的影响循环荷载的影响 钢材在钢材在直接的直接的连续连续反复的动力反复的动力荷载作用下，损伤会荷载作用下，损伤

62、会逐渐累积，逐渐累积，缺陷会发展成微观缺陷会发展成微观裂纹裂纹，继而发展到宏观，继而发展到宏观裂裂纹，纹，截面削弱到一定程度而突然截面削弱到一定程度而突然破坏（破坏（这种现象叫这种现象叫疲劳疲劳破坏）。破坏）。111本节讨论：本节讨论：防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法 (1) (1)合理选择钢材合理选择钢材 温度温度冷脆转变温度低冷脆转变温度低 厚度厚度薄薄 (2) (2)合理设计合理设计 合合理理的的设设计计应应该该在在考考虑虑材材料料的的断断裂裂韧韧性性水水平平、最最低低工工作作温温度度、荷荷载载特特征征、应应力力集集中中等等因因素素后后，再再选选择择合合理理的结构型式，尤其是合理的构

63、造细节十分重要。的结构型式，尤其是合理的构造细节十分重要。 设设计计时时应应力力求求使使缺缺陷陷引引起起的的应应力力集集中中减减少少到到最最低低限限度，尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。度，尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。112 (3) (3)合理制作和安装合理制作和安装 冷加工冷加工栓孔栓孔 钻、扩钻、扩 焊焊接接合合理理工工艺艺、参参数数，减减小小焊焊接接残残余余应应力力，如厚钢板，焊前预热，焊后保温如厚钢板，焊前预热，焊后保温 安装安装减小装配残余应力减小装配残余应力 (4) (4)合理使用及维修措施合理使用及维修措施避免突然荷载避免突然荷载113第第2.52.5节节 复杂

64、应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件1.掌握复杂应力作用钢材屈服条件及应用掌握复杂应力作用钢材屈服条件及应用基本要求基本要求114基本基本假定：假定： （1 1）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；体积中积聚的能量来表达； （2 2）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。形能时，钢材即由弹性转入塑性。115OZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力图图2.5.1单元体受主应力单元体受主应力图图2.5.2116 在在三三向向应应力力作作用用

65、下下，钢钢材材由由弹弹性性状状态态转转变变为为塑塑性性状状态态的的条条件件，可可用用按按能能量量强强度度理理论论计计算算的的折折算算应应力力red和钢材在单向应力下的屈服点和钢材在单向应力下的屈服点fy相比较来判断，即相比较来判断，即1.1.以一般应力分量表示以一般应力分量表示2.2.以主应力表示以主应力表示当当时钢材处于弹性状态，时钢材处于弹性状态，时钢材处于塑性状态。时钢材处于塑性状态。(2-2)(2-2)(2-1)(2-1)117 对对于于薄薄板板，厚厚度度方方向向的的应应力力很很小小，常常可可忽忽略略不不计计，这这时时三三向向应应力力状状态态可可简简化化为为平平面面应应力力状状态态，式

66、式（2-12-1）成为成为3.3.几种特殊情况几种特殊情况一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：（2-2-4 4）（2-2-3 3）118纯剪时纯剪时 =0 ，则有则有（2-2-5 5）即：钢材的剪切屈服点是单轴拉伸屈服点即：钢材的剪切屈服点是单轴拉伸屈服点 fy的的0.58倍。倍。因此，规范规定：钢材的抗剪设计强度为抗拉设计强度因此，规范规定：钢材的抗剪设计强度为抗拉设计强度的的0.58倍。倍。（2-2-6 6）119第第2.62.6节节 钢材的疲劳钢材的疲劳1. 1. 疲劳破坏特征疲劳破坏特征2. 2. 常幅疲劳常幅疲劳3. 3. 变幅疲劳变幅疲劳1.1.

67、了解钢材疲劳破坏的特征了解钢材疲劳破坏的特征2. 2. 掌握疲劳破坏的计算方法掌握疲劳破坏的计算方法本节目录本节目录基本要求基本要求1202.6.1 2.6.1 疲劳破坏特征疲劳破坏特征 1.1.概念概念 钢材在连续反复荷载的作用，当应力低于抗拉强度，钢材在连续反复荷载的作用，当应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度时发生突然断裂的现象，这种现象称甚至低于屈服强度时发生突然断裂的现象，这种现象称为钢材的疲劳。为钢材的疲劳。 2.2.疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理 疲劳破坏是积累损伤的结果。疲劳破坏是积累损伤的结果。 破坏过程：缺陷破坏过程：缺陷微观裂纹微观裂纹宏观裂纹宏观裂纹断裂。断裂。 3 3.

68、.疲劳破坏与脆性破坏比较疲劳破坏与脆性破坏比较121相同点：相同点：突然断裂，断裂时名义应力都低于屈服点突然断裂，断裂时名义应力都低于屈服点不同点之一：不同点之一： 疲劳破坏疲劳破坏 裂纹扩展稳定，缓慢，多次反复加载裂纹扩展稳定，缓慢，多次反复加载 脆性破坏脆性破坏 裂纹扩展不稳定，迅速，一次加载就可能裂纹扩展不稳定，迅速，一次加载就可能 破坏破坏不同点之二：不同点之二： 疲劳破坏疲劳破坏 断口分为疲劳区和瞬断区（疲劳区记载了裂断口分为疲劳区和瞬断区（疲劳区记载了裂 缝扩展和闭合的过程，颜色发暗，表面有较缝扩展和闭合的过程，颜色发暗，表面有较 清楚的疲好纹理，呈沙滩状或波纹状。瞬断清楚的疲好纹

69、理，呈沙滩状或波纹状。瞬断 区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到 一临界尺寸时脆性断裂的待点，瞬断区晶粒一临界尺寸时脆性断裂的待点，瞬断区晶粒 粗亮。）粗亮。） 脆性破坏脆性破坏 闪光的晶粒状闪光的晶粒状1224. 4. 影响疲劳破坏的主要因素影响疲劳破坏的主要因素 构造细节构造细节应力集中程度和残余应力大小应力集中程度和残余应力大小 荷载循环次数荷载循环次数5104次，验算疲劳次，验算疲劳 荷载引起的循环应力特征荷载引起的循环应力特征 应力幅（焊接结构）应力幅（焊接结构） 应力比（非焊接结构）应力比（非焊接结构）注意：注意：与钢材的静力强度和最大应力无

70、明显关系与钢材的静力强度和最大应力无明显关系 不出现拉应力，不会发生疲劳破坏不出现拉应力，不会发生疲劳破坏1235 5. .几个概念几个概念 循环荷载循环荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载。结构或构件承受的随时间变化的荷载。应力循环应力循环构件截面应力随时间的变化。构件截面应力随时间的变化。 应力循环次数应力循环次数结构或构件破坏时所经历的应力变结构或构件破坏时所经历的应力变 化次数。化次数。应力比应力比循环应力中绝对值最小的峰值应力循环应力中绝对值最小的峰值应力min与绝与绝对值最大的峰值应力对值最大的峰值应力max之比。之比。=min/max( (拉应力取拉应力取正号而压应力取负号正号而

71、压应力取负号) )124 应力幅应力幅在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅: : = =maxmax- -minmin为常量为常量常幅循环：常幅循环：为变量为变量变幅循环：变幅循环： 此处此处max为最大拉应力，取正值，为最大拉应力，取正值，min为最小拉应力或压为最小拉应力或压应力。（拉应力取正号而压应力取负号）应力。（拉应力取正号而压应力取负号）+ +- -t t图图2.6.1125 循环应力谱循环应力谱图图2.6.2完全对称循环完全对称循环r r=f=fy

72、yt t=minmin/ /max max = = -1-1minminmaxmax+ +- -0 0图图2.6.3脉冲循环脉冲循环r r=f=fy yt t=minmin/ /max max =0=0+ +- -0 0126 循环应力谱循环应力谱+ +- -图图2.6.5不完全对称循环二不完全对称循环二r r=f=fy yt t0 0=minmin/ /max max -1-1minminmaxmax0 0图图2.6.4不完全对称循环一不完全对称循环一r r=f=fy yt t0 0=minmin/ /max max -1-1minminmaxmax+ +- -0 01272.6.2 2.6

73、.2 常幅疲劳常幅疲劳当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。 对焊接结构：对焊接结构：r r=f=fy yt t=minmin/ /maxmax=-1=-1minminmaxmax+ +- -0 0图图2.6.6图图2.6.7128 可以看出，由于焊接残余应力焊缝附近主体金属的可以看出，由于焊接残余应力焊缝附近主体金属的最大应力已达最大应力已达 fy，因此，有，因此，有应力增大时保持应力增大时保持 fy不变不变应力减小时从应力减小时从名义应力比名义应力比真实应力比真实应力比129 应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名应力幅对焊接结构

74、的疲劳强度有很大影响，而与名义最大应力义最大应力max和应力比和应力比无关。无关。 可见，只要可见，只要为常数，不管名义为常数，不管名义为何值，真实为何值，真实也为常数，因此：也为常数，因此：1.1.容许应力幅容许应力幅 根根据据试试验验数数据据可可以以绘绘出出构构件件或或连连接接的的应应力力幅幅与与相相应应的的致致损损循循环环次次数数N N的的关关系系曲曲线线，按按试试验验数数据据回回归归的的-N曲线为平均曲线曲线为平均曲线( (图图a) )，取对数坐标，取对数坐标( (图图b) )。130图图2.6.8-N曲线曲线(a)0N2S2S 2S2S(b)0N=5104N=5X106.b b1 1

75、131 考考虑虑试试验验数数据据的的离离散散性性, ,取取平平均均值值减减去去2倍倍lgN的的标标准准差差s作作为为疲疲劳劳强强度度下下限限，当当lg为为正正态态分分布布时时, ,保保证证率率为为97.7%。 则对应疲劳寿命则对应疲劳寿命n的容许应力幅可由直线斜截式方程的容许应力幅可由直线斜截式方程求出：求出：（y=kx+b） 取系数：取系数：lgC是延长直线与横坐标的交点是延长直线与横坐标的交点是直线的斜率是直线的斜率132133此时的此时的即为容许应力幅：即为容许应力幅：式中：系数式中：系数、C为不同构件和连接类别的试验为不同构件和连接类别的试验参数，称疲劳特征参数。参数，称疲劳特征参数。

76、1342 2. . 常幅疲劳验算常幅疲劳验算式中：式中：计算部位的应力幅计算部位的应力幅 对于焊接结构对于焊接结构: : =max-min 对于非焊接结构：对于非焊接结构：=max-0.7min( (折算应力幅）折算应力幅）max、min计算部位每次应力循环中的最大拉应力和计算部位每次应力循环中的最大拉应力和 最小拉应力或压应力（压应力取负值）。最小拉应力或压应力（压应力取负值）。常幅疲劳的容许应力幅常幅疲劳的容许应力幅1353 3. . 验算验算公式的几点补充说明公式的几点补充说明 （1 1）计算时用荷载的标准值。）计算时用荷载的标准值。 （2 2）由由于于来来源源于于试试验验，已已考考虑虑

77、动动力力效效应应，计计算算时时不不再考虑动力系数。再考虑动力系数。 （3 3）公式同样适用剪应力情况验算。）公式同样适用剪应力情况验算。 （4 4）针针对对不不同同构构造造和和受受力力特特点点的的钢钢结结构构和和连连接接（应应力力集集中中和和残残余余应应力力分分布布程程度度不不同同）, ,GB50017-2003把把各各种种不不同同的的构构造造划划分分为为8个个类类别别，给给出出了了8个个类类别别的的C、值。值。136参数参数和和的取值的取值333333440.410.650.961.472.183.268611940101287654321构件和连接类别构件和连接类别图图2.6.9疲劳容许应

78、力幅疲劳容许应力幅与应力循环次数与应力循环次数n的关系曲线的关系曲线123456784003002001008060105234 5 6 78910621065106107n/（N/mm2）137 编号越大，其应力集中、残余应力情况越严重，其编号越大，其应力集中、残余应力情况越严重，其C值越小，容许应力幅值越小，容许应力幅越小。越小。 （5 5）钢材种类不同，静力强度差别较大，而公式中）钢材种类不同，静力强度差别较大，而公式中 无差别。无差别。 试验表明：对目前常用的构件和连接，疲劳强度一试验表明：对目前常用的构件和连接，疲劳强度一般与所用钢材的屈服强度无关。般与所用钢材的屈服强度无关。 所以

79、，不能通过提高钢材屈服强度来提高抗疲劳能力。所以，不能通过提高钢材屈服强度来提高抗疲劳能力。138 （6 6）对非焊接结构，残余应力影响较小，疲劳寿）对非焊接结构，残余应力影响较小，疲劳寿命主要与最大应力、应力比有关，但为统一采用一种验命主要与最大应力、应力比有关，但为统一采用一种验算公式，引入了折算应力幅概念。算公式，引入了折算应力幅概念。 （7 7）完全压应力状态不验算疲劳。）完全压应力状态不验算疲劳。 规范规定：在应力循环中不出现拉应力部位可不计规范规定：在应力循环中不出现拉应力部位可不计算疲劳。算疲劳。1392.6.3 2.6.3 变幅疲劳变幅疲劳 当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅

80、疲劳。当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。i-121it图图2.6.10变幅荷载循环变幅荷载循环 对于受随机荷载作用的变幅疲劳计算，通常近似按对于受随机荷载作用的变幅疲劳计算，通常近似按线性疲劳累积损伤原则将变化的应力幅折算成等效常应线性疲劳累积损伤原则将变化的应力幅折算成等效常应力幅力幅e，然后令，然后令140式中：式中：ni以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； ni预期使用寿命内应力幅水平达到预期使用寿命内应力幅水平达到i的应力循的应力循环次数。环次数。常幅疲劳的容许应力幅常幅疲劳的容许应力幅141对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度：对于吊车梁，

81、按下式计算其疲劳强度：欠载效应系数欠载效应系数。重级工作制硬钩吊车。重级工作制硬钩吊车1.0； 重级工作制软钩吊车重级工作制软钩吊车0.8；中级工作制吊车；中级工作制吊车0.5。 循环次数循环次数 N=2106 的容许应力幅。的容许应力幅。式中：式中：142第第2.72.7节节 钢材的种类和规格钢材的种类和规格1. 1. 钢材的种类钢材的种类2. 2. 钢材的选择钢材的选择3. 3. 钢材的规格钢材的规格1.1.了解钢材的种类、命名和选择了解钢材的种类、命名和选择本节目录本节目录基本要求基本要求2.2.了解钢材的主要规格了解钢材的主要规格1432.7.1 2.7.1 钢材的种类钢材的种类 按用

82、途钢可分为：结构钢、工具钢和特殊钢。按用途钢可分为：结构钢、工具钢和特殊钢。 按冶炼方法，钢可分为转炉、平炉和电炉。按冶炼方法，钢可分为转炉、平炉和电炉。 按按照照脱脱氧氧方方法法和和程程度度的的不不同同，可可分分为为沸沸腾腾钢钢、半半镇镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。静钢、镇静钢和特殊镇静钢。 按化学成分，钢又可分为碳素钢和低合金钢。按化学成分，钢又可分为碳素钢和低合金钢。 1 1. .碳素结构钢碳素结构钢 命名方式命名方式: :由四部分组成由四部分组成，依次是，依次是屈服点的字母屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号，如，如Q235-AF。

83、144 说明说明：（：（1 1）质量等级符号质量等级符号A、B、C、D是根据钢材是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同共化分为的化学成分和冲击韧性不同共化分为4个等级。个等级。 Q235-质量等级质量等级（A、B、C、D） 脱氧方法脱氧方法（F、Z、b、Tz） A保证保证fu、fy、，P、S含量含量 B保证保证fu,fy, ,冷弯，常温时冷弯，常温时Cv，P，S，C含量；含量；C保证保证 fu,fy, ,冷弯，冷弯，0oC时时Cv，P，S，C含量含量; ; D保证保证fu,fy, ,冷弯，冷弯，-20oC时时Cv，P，S，C含量含量; ;145 （2 2）脱氧方法符号也有四种，脱氧方法符号也有四种

84、，F代表沸腾钢，代表沸腾钢，b代代表半镇静钢，表半镇静钢，Z代表镇静钢，代表镇静钢，TZ代表特种镇静钢，在具代表特种镇静钢，在具体标注时体标注时Z和和TZ可以省略。可以省略。 （3 3）规范）规范GB50017将将Q235牌号的钢材选为承重结牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范冷弯试验结果均应符合规范GB/T700-2006的要求。的要求。1462 2. .低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中适量添加低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中适量添加几种合金元

85、素（合金元素总量不超过几种合金元素（合金元素总量不超过5%）, ,使钢的强度使钢的强度明显提高。明显提高。 低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似, ,只是质量等级分为只是质量等级分为A、B、C、D、E五等（其中五等（其中E主要是主要是要求要求-40 的冲击韧性）的冲击韧性）, ,低合金高强度结构钢采用的脱低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢, ,故可不加脱氧方法的符故可不加脱氧方法的符号。号。147 根根据据钢钢材材厚厚度度（直直径径）16mm时时的的屈屈服服点点不不同同，分分为为Q295、Q34

86、5、Q390、Q420、Q460等等，其其中中Q345、Q390和和Q420钢钢材材都都有有较较高高的的强强度度和和较较好好的的塑塑性性、韧韧性性和焊接性能，是钢结构设计规范推荐采用的钢种。和焊接性能，是钢结构设计规范推荐采用的钢种。1482.7.2 2.7.2 钢材的选择钢材的选择 1 1. .选择钢材的选择钢材的一般一般原则原则 （1 1）结构或构件的重要性）结构或构件的重要性 （2 2）荷载情况）荷载情况 静力荷载作用下可选择经济性较好的静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材；钢材； 动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。 （3 3）连接方法（

87、焊接连接、螺栓连接）连接方法（焊接连接、螺栓连接） 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的极限含量；非焊接结构对的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。的要求可降低一些。149 （4 4）结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等） 低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢。低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢。 （5 5）钢材的厚度）钢材的厚度 厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。2.2.钢材选择的注意事项钢材选择的注意事项 （1 1）承重结构的钢材宜采用）承

88、重结构的钢材宜采用Q235钢、钢、Q345钢、钢、Q390钢和钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢碳素结构钢GB/T700和和低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢GB/T1591的规定。的规定。150 （2 2）承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈）承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。碳量的合格保证。 （3 3）对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲）对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于

89、击韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于0但但高于高于20时，时，Q235钢和钢和Q345钢应具有钢应具有0冲击韧性冲击韧性合格的保证；对于合格的保证；对于Q390钢和钢和Q420钢应钢应具有具有20冲击冲击韧性的合格保证。韧性的合格保证。151 当当结结构构工工作作温温度度等等于于或或低低于于20时时，对对Q235钢钢和和Q345钢钢应应具具有有20冲冲击击韧韧性性的的合合格格保保证证；对对Q390和和Q420钢应具有钢应具有40冲击韧性的合格保证。冲击韧性的合格保证。 （4 4）对对于于需需要要验验算算疲疲劳劳的的非非焊焊接接结结构构的的钢钢材材亦亦应应具具有有常常温温冲冲击击韧韧性性的

90、的合合格格保保证证，当当结结构构工工作作温温度度等等于于或或低低于于20时时，对对Q235钢钢和和Q345钢钢应应具具有有0冲冲击击韧韧性性合合格格的的保保证证；对对Q390钢钢和和Q420钢钢应应具具有有20冲冲击击韧韧性性的合格保证。的合格保证。1522.7.3 2.7.3 钢材的规格钢材的规格 主要包括：热轧成型的钢板和型钢，以及冷加工成主要包括：热轧成型的钢板和型钢，以及冷加工成型的冷轧薄钢板和冷弯薄壁型钢。型的冷轧薄钢板和冷弯薄壁型钢。 分为厚钢板、薄钢板和扁钢分为厚钢板、薄钢板和扁钢1.1.热轧钢板热轧钢板表示方法：表示方法： 宽宽厚度厚度长度长度规格厚度mm宽度mm长度m厚钢板4

91、.5-60600-30004.0-12.0薄钢板0.35-4500-15000.5-4.0扁钢4-6012-2003.0-9.01532.2.热轧型钢热轧型钢（1 1）工字钢）工字钢 普通工字钢的型号用符号普通工字钢的型号用符号“工工”后面加截面高度的后面加截面高度的厘米数表示，厘米数表示，20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为分为a、b或或a、b、c等类别。等类别。 轻型工字钢的表示方法同普通工字钢。轻型工字钢的表示方法同普通工字钢。 类型：分为普通工字钢和轻型工字钢两种。类型：分为普通工字钢和轻型工字钢两种。 表示方法：表示方法：154型号：普通工

92、字钢为型号：普通工字钢为10-63号号 轻型工字钢为轻型工字钢为10-70号号供应长度：供应长度：5-19m供应尺寸规格供应尺寸规格x1r1hxxdybry图图2.7.1图图2.7.2155（2 2）角钢）角钢表示方法：表示方法： 不等边角钢不等边角钢 长边宽长边宽短边宽短边宽厚度厚度 等边角钢等边角钢 边长边长厚度厚度类型：分为等边和不等边两种。类型：分为等边和不等边两种。最大边长：最大边长：200mm供应长度：供应长度：4-19m供应尺寸规格：供应尺寸规格：156边长边长厚度厚度等边角钢等边角钢x1bxdxx1x0x0y0y0r1brr1dz0图图2.7.3长边宽度长边宽度短边宽度短边宽度

93、厚度厚度不等边角钢不等边角钢xx1bxdxx1x0x0y0y0r1brr1dz0图图2.7.4157（3 3）槽钢）槽钢表示方法：和工字钢相似表示方法：和工字钢相似 类型：分为普通槽钢和轻型槽钢两种类型：分为普通槽钢和轻型槽钢两种 。 最大型号为最大型号为40c 供应长度为供应长度为5-19m 供应尺寸规格：供应尺寸规格：x1y1yy1yhxxdrtbr1z0图图2.7.5图图2.7.6图图2.7.7158（4 4）H型钢型钢分类：宽翼缘分类：宽翼缘(HW)、中翼缘、中翼缘( (HM)和窄翼缘和窄翼缘( (HN)表示方法：表示方法： H高度高度宽度宽度腹板厚度腹板厚度翼缘厚度翼缘厚度如：如：

94、Hhbt1t2bht1t2图图2.7.8图图2.7.9图图2.7.10159（5 5）钢管）钢管分类：无缝钢管和焊接钢管两种分类：无缝钢管和焊接钢管两种 供应规格：供应规格： 国产热轧无缝钢管的最大外径可达国产热轧无缝钢管的最大外径可达630mm， 供应长度：供应长度：3-12m。 表示方法：表示方法：外径外径壁厚壁厚图图2.7.11tD图图2.7.12图图2.7.13160（6 6）冷弯薄壁型钢和压型钢板）冷弯薄壁型钢和压型钢板图图2.7.14压型钢板壁厚压型钢板壁厚0.4-1.5mm图图2.7.13壁厚壁厚1.5-5mm161图图2.7.151621631.了解钢结构连接的种类了解钢结构连

95、接的种类及特点。及特点。2.了解焊接的工作性能，了解焊接的工作性能，掌握焊接连接的构造要求掌握焊接连接的构造要求和计算方法。和计算方法。3.掌握螺栓连接的构造要掌握螺栓连接的构造要求和计算方法。求和计算方法。4.掌握焊接残余应力和残掌握焊接残余应力和残余变形产生的原因及对结余变形产生的原因及对结构工作性能的影响。构工作性能的影响。3.1 3.1 钢结构的连接方法钢结构的连接方法3.2 3.2 焊接方法和焊缝连接形式焊接方法和焊缝连接形式3.3 3.3 角焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算3.4 3.4 对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算3.5 3.5 焊接应力和焊接变形焊接应力和焊接变形

96、3.6 3.6 螺栓连接的构造螺栓连接的构造3.7 3.7 普通螺栓连接的工作性能和计算普通螺栓连接的工作性能和计算3.8 3.8 高强度螺栓连接的工作性能和计算高强度螺栓连接的工作性能和计算本章目录本章目录基本要求基本要求164第第3.13.1节节 钢结构的连接方法钢结构的连接方法1. 1. 概述概述2. 2. 焊缝连接焊缝连接3. 3. 螺栓连接螺栓连接4. 4. 铆钉连接铆钉连接了解钢结构的连接方法及特点了解钢结构的连接方法及特点 本节目录本节目录基本要求基本要求1653.1.1 3.1.1 概述概述 连接的作用是通过一定方式将板材或型钢组合成构连接的作用是通过一定方式将板材或型钢组合成

97、构件件, ,或将若干构件组合成整体结构或将若干构件组合成整体结构, ,以保证其共同工作。以保证其共同工作。 钢结构的连接方法可分为焊接连接、螺栓连接和铆钢结构的连接方法可分为焊接连接、螺栓连接和铆钉连接三种。钉连接三种。 焊接连接焊接连接 螺栓连接螺栓连接 铆钉连接铆钉连接 图图3.1.11663.1.2 3.1.2 焊缝连接焊缝连接对接焊缝连接对接焊缝连接角焊缝连接角焊缝连接焊缝连接焊缝连接优点：构造简单，任何形式的构件都可直接相连；优点：构造简单，任何形式的构件都可直接相连； 用料经济，不削弱截面；用料经济，不削弱截面； 制作加工方便，可实现自动化操作；制作加工方便，可实现自动化操作； 连

98、接的密闭性好，结构刚度大。连接的密闭性好，结构刚度大。167缺点：在焊缝附近的热影响区内，钢材局部材质变脆；缺点：在焊缝附近的热影响区内，钢材局部材质变脆； 焊接残余应力和残余变形降低受压构件承载力；焊接残余应力和残余变形降低受压构件承载力； 对裂纹敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到对裂纹敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到 整体，低温冷脆问题较为突出。整体，低温冷脆问题较为突出。3.1.3 3.1.3 螺栓连接螺栓连接普通螺栓连接普通螺栓连接高强度螺栓连接高强度螺栓连接螺栓连接螺栓连接粗制螺栓粗制螺栓 C级级精制螺栓精制螺栓 A、B级级摩擦型高强度螺栓摩擦型高强度螺栓承压型高强度螺栓承压型

99、高强度螺栓168 铆钉连接是将铆钉插入铆孔后施压使铆钉端部铆合铆钉连接是将铆钉插入铆孔后施压使铆钉端部铆合, ,常用加热铆合，也可在常温下铆合。常用加热铆合，也可在常温下铆合。 铆钉连接的塑性、韧性较好，连接变形小，承受动铆钉连接的塑性、韧性较好，连接变形小，承受动力荷载时抗疲劳性能好，适合于重型和直接承受动力荷力荷载时抗疲劳性能好，适合于重型和直接承受动力荷载的结构。载的结构。 但由于铆钉连接费材费工，噪音大，一般情况下很但由于铆钉连接费材费工，噪音大，一般情况下很少采用。少采用。3.1.4 3.1.4 铆钉连接铆钉连接图图3.1.2169图图3.1.3铆钉连接铆钉连接170第第3.23.2

100、节节 焊接方法和焊缝连接形式焊接方法和焊缝连接形式1. 1. 钢结构常用焊接方法钢结构常用焊接方法2. 2. 焊缝连接形式及焊缝形式焊缝连接形式及焊缝形式3. 3. 焊缝缺陷及焊缝质量检验焊缝缺陷及焊缝质量检验了解焊缝连接类型、焊接方法及质量要求等了解焊缝连接类型、焊接方法及质量要求等 本节目录本节目录基本要求基本要求1711 1、手工电弧焊、手工电弧焊3.2.1 3.2.1 钢结构常用焊接方法钢结构常用焊接方法（1 1）原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。）原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。 焊机焊机导线导线熔池熔池焊条焊条焊钳焊钳保护气体保护气体焊件焊件电弧电弧图图3

101、.2.1 手工电弧焊手工电弧焊172（4 4）焊条的表示方法：）焊条的表示方法：E后面加后面加4个数字个数字E表示焊条表示焊条(Electrode)前两位前两位数字为熔融金属的最小抗拉强度数字为熔融金属的最小抗拉强度（N/mm2)后两位数字表示适用焊接位置、电流种类及药皮类型等。后两位数字表示适用焊接位置、电流种类及药皮类型等。（2 2）优点：设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位）优点：设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，持别适于焊接短焊缝。置的焊接，持别适于焊接短焊缝。（3 3）缺点：生产效率低，劳动强度大，焊接质量取决于）缺点：生产效率低，劳动强度大，焊接质量取决于焊工的精神

102、状态与技术水平，质量波动大。焊工的精神状态与技术水平，质量波动大。 173（5 5）焊条的选择）焊条的选择 焊条应与焊件钢材相适应；不同钢种的钢材焊接，焊条应与焊件钢材相适应；不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。如：宜采用与低强度钢材相适应的焊条。如：Q390、Q420钢钢E55型焊条型焊条(E5500-5518)Q345钢钢E50型焊条型焊条(E5000-5048)Q235钢钢E43型焊条型焊条（E4300-E4328)2 2、埋弧焊（自动或半自动）、埋弧焊（自动或半自动）（1 1）原理：埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊）原理：埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法

103、。方法。174图图3.2.2 埋弧自动电弧焊埋弧自动电弧焊焊丝焊丝转盘转盘送丝器送丝器悍剂漏斗悍剂漏斗悍剂悍剂悍件悍件熔渣熔渣悍缝金属悍缝金属 （2 2）优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度）优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低；电弧热量集中，熔深大，热影响区小；工艺条件稳低；电弧热量集中，熔深大，热影响区小；工艺条件稳定，焊缝的化学成分均匀，焊缝质量好，焊件变形小。定，焊缝的化学成分均匀，焊缝质量好，焊件变形小。175 （3 3）缺点：装配精度要求高，设备投资大，施工位置）缺点：装配精度要求高，设备投资大，施工位置受限等。受限等。 （4 4）焊丝的选择：埋弧焊的焊条应与焊件钢材相匹

104、配，）焊丝的选择：埋弧焊的焊条应与焊件钢材相匹配，如：如：Q235-H08、H08A、H08MnA;Q345、Q390-H08A、H08E、H08Mn等。等。3 3、气体保护焊、气体保护焊 气体保护焊是利用惰性气体或二氧化碳气体作为保护气体保护焊是利用惰性气体或二氧化碳气体作为保护介质，在电弧周围造成局部的保护层，使被熔化的钢材介质，在电弧周围造成局部的保护层，使被熔化的钢材不与空气接触。其优点：电弧加热集中，焊接速度快，不与空气接触。其优点：电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，焊缝强度高，塑性好。熔化深度大，焊缝强度高，塑性好。 1761 1、焊缝连接形式、焊缝连接形式3.2.2 3.2.

105、2 焊缝连接形式及焊缝形式焊缝连接形式及焊缝形式按被连接钢材的相互位置，可分为：按被连接钢材的相互位置，可分为：（1 1）对接连接）对接连接有拼接盖板的对接连接有拼接盖板的对接连接177（2 2）搭接连接）搭接连接（3 3）T T形连接形连接（4 4）角部连接）角部连接178（5 5）焊钉连接）焊钉连接N（6 6）槽焊连接）槽焊连接N1792 2、焊缝形式、焊缝形式（1 1）正交正交平行平行斜交斜交对接焊缝对接焊缝角焊缝角焊缝正对接焊缝正对接焊缝斜对接焊缝斜对接焊缝按按受受力力方方向向正面角焊缝正面角焊缝侧面角焊缝侧面角焊缝斜焊缝斜焊缝正交正交斜交斜交180（2 2）角焊缝沿长度方向的布置分为

106、：）角焊缝沿长度方向的布置分为：连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。 断续角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中，用于断续角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中，用于次要构件或受力小的连接。次要构件或受力小的连接。 长度长度b10hf或或50mm受压时间断距离受压时间断距离l15t; ;受拉时受拉时l30t，其中其中t为较薄焊件的厚度。为较薄焊件的厚度。b bl l间隔角焊缝间隔角焊缝连续角焊缝连续角焊缝181（3 3）角焊缝按施）角焊缝按施焊焊位置分为：位置分为：船形位置焊船形位置焊（平焊）（平焊）立立焊焊立立焊焊仰焊仰焊仰焊仰焊仰焊仰焊横

107、焊横焊横焊横焊横焊横焊平焊平焊图图3.2.31821 1、焊缝缺陷、焊缝缺陷3.2.3 3.2.3 焊缝缺陷及焊缝质量检验焊缝缺陷及焊缝质量检验 焊缝缺陷是指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热焊缝缺陷是指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。影响区钢材表面或内部的缺陷。 常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等；以及焊缝尺寸不符合要渣、咬边、未熔合、未焊透等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。求、焊缝成形不良等。 183图图3.2.4焊缝缺陷焊缝缺陷裂纹裂纹焊瘤焊瘤烧穿烧穿弧坑弧坑气孔气孔夹渣夹

108、渣咬边咬边未熔合未熔合未焊透未焊透1842 2、焊缝质量检验、焊缝质量检验 外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸； 内部无损检验：检验内部缺陷。（超声波检验、内部无损检验：检验内部缺陷。（超声波检验、X射射线或线或射线透照或拍片）射线透照或拍片）3 3、焊缝质量等级及选用、焊缝质量等级及选用 钢结构工程施工质量验收规范钢结构工程施工质量验收规范GB50205-2001规定规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。 三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标

109、准；质量标准； （1 1）焊缝质量等级）焊缝质量等级185 一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求一定数量的一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求一定数量的超声波探伤检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应超声波探伤检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤检验，并应符合国家相应质量标准的要求。采用射线探伤检验，并应符合国家相应质量标准的要求。 钢结构设计规范钢结构设计规范(GB500172003)中，对焊缝质中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：量等级的选用有如下规定： 需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受

110、压时应为二级。平行于横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。平行于作用力方向的纵向对接焊缝应为二级。作用力方向的纵向对接焊缝应为二级。 （2 2）焊缝等级选用）焊缝等级选用186 在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。 重级工作制和起重量重级工作制和起重量500kN的中级工作制吊的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的形接头焊透的对接与角接组合焊缝，质量不板之间的形接头焊透

111、的对接与角接组合焊缝，质量不应低于二级。应低于二级。 角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量且需要验算疲劳和起重量500kN的中级工作制吊车的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。梁的角焊缝的外观质量应符合二级。187 （3 3）焊缝焊缝符号符号标标注注方方法法相同焊缝相同焊缝安装焊缝安装焊缝双面焊缝双面焊缝单面焊缝单面焊缝三角围焊三角围焊塞焊缝塞焊缝对接焊缝对接焊缝角焊缝角焊缝形形式式hfO Ohfhfacv90或或135或或6mm时时，hf,maxt-(12)mm当当 t6mm时时，hf,maxt h hf ft

112、tt t1 1t1tt tt t1 1h hf f贴边焊缝贴边焊缝200（2 2）最小焊脚尺寸）最小焊脚尺寸 为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，组织，导致母材开裂， hf,min 还还应满足以下要求应满足以下要求: : 式中式中: : t较厚焊件厚度较厚焊件厚度另外：对埋弧自动焊另外：对埋弧自动焊hf,min可减小可减小1mm; ; 对对T形连接单面角焊缝形连接单面角焊缝h hf,minf,min应增加应增加1mm; ; 当当t4mm时时, , hf,min=t 取整取整mmmm数，小数点以后只进不舍。数，小数点以后只进

113、不舍。h hf ft tt t1 1t t1 1t t201 （3 3）设计焊角尺寸）设计焊角尺寸hf 应满足应满足 （1 1）侧面角焊缝的最大计算长度）侧面角焊缝的最大计算长度2 2、焊缝计算长度的构造要求、焊缝计算长度的构造要求 侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均两端大而中间小。焊缝越长，应力集中越显著。如果两端大而中间小。焊缝越长，应力集中越显著。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；但是当焊缝长度超过某一限加载，应力会渐趋均匀；但是当焊缝长度超过某一限值后，

114、可能首先在焊缝两端发生破坏而逐渐向中间发值后，可能首先在焊缝两端发生破坏而逐渐向中间发展，最终导致焊缝破坏。展，最终导致焊缝破坏。202 当实际长度大于以上限值时，计算时超出部分不予当实际长度大于以上限值时，计算时超出部分不予考虑；但当内力沿侧焊缝全长分布时，考虑；但当内力沿侧焊缝全长分布时，lw不受此限制不受此限制. .故侧面焊缝计算长度：故侧面焊缝计算长度： （2 2）侧面角焊缝的最小计算长度）侧面角焊缝的最小计算长度 对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起灭弧坑相距太近，使焊缝不可靠。焊缝越短应力重且起灭弧坑相距太近，使焊缝不可靠。

115、焊缝越短应力集中也越严重，故根据经验，规定：集中也越严重，故根据经验，规定：此规定适合正面角焊缝和侧面角焊缝。此规定适合正面角焊缝和侧面角焊缝。 203（3 3）侧面角焊缝的计算长度）侧面角焊缝的计算长度当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：3 3、搭接连接的构造要求、搭接连接的构造要求N NN Nl lw w2h2hf f2h2hf fN NN Nl l2 2l l1 1b b钢板拱曲钢板拱曲图图3.3.6 204 试验结果表明，连接的承载力与试验结果表明，连接的承载力与b/lw有关。当有关。当b/lw1 1时，连接承载力随比值增大明显下降，这是由于应力

116、时，连接承载力随比值增大明显下降，这是由于应力传递的过分弯折而使构件中应力不均所致，为防止连接强传递的过分弯折而使构件中应力不均所致，为防止连接强度过分降低，规范规定：度过分降低，规范规定： b/lw 1 1 为避免因焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大，要求：为避免因焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大，要求：b16t（t12mm）或或190mm（t12mm） 式中：式中：b为两侧焊缝的距离；为两侧焊缝的距离； lw为侧焊缝计算长度；为侧焊缝计算长度；t为较薄焊件的厚度。为较薄焊件的厚度。205 在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，且不得小于倍，

117、且不得小于25mm。 当焊缝端部在焊件转角处时，应当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转角加焊将焊缝延续绕过转角加焊2hf。避开。避开起落弧发生在转角处的应力集中。起落弧发生在转角处的应力集中。t t1 1t t2 2 （t t1 1t t2 2）图图3.3.7 2hf2h2hf f2h2hf f焊缝绕角焊缝绕角2hf图图3.3.82063.3.3 3.3.3 直角角焊缝强度计算的基本公式直角角焊缝强度计算的基本公式 分析计算直角角焊缝时，作如下假定和简化处理分析计算直角角焊缝时，作如下假定和简化处理: : 假定角焊缝破坏面与直角边的夹角为假定角焊缝破坏面与直角边的夹角为45； 不不计计

118、焊焊缝缝熔熔入入焊焊件件的的深深度度和和焊焊缝缝表表面面的的弧弧线线高高度度，偏偏安安全全地地取取破破坏坏面面上上等等腰腰三三角角形形的的高高为为直直角角角角焊焊缝缝的的有有效效厚度厚度he，he0.7hf。 1 1、基本假定、基本假定h hc c焊脚尺寸焊脚尺寸焊根焊根熔深熔深焊缝厚度焊缝厚度有效厚度有效厚度凸度凸度焊趾焊趾图图3.3.9 207 有效厚度有效厚度he与焊缝计算长度与焊缝计算长度lw的乘积称为破坏面的的乘积称为破坏面的有效截面面积。计算时假定有效截面上应力均匀分布。有效截面面积。计算时假定有效截面上应力均匀分布。 2 2、有效截面上的应力状态、有效截面上的应力状态在外力作用下

119、，直角角焊缝有效截面上有三个应力：在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力： 正应力正应力 垂直于焊缝有效截面（面外垂直）垂直于焊缝有效截面（面外垂直） 剪应力剪应力平行于焊缝长度方向（面内平行）平行于焊缝长度方向（面内平行） 剪应力剪应力垂直于焊缝长度方向（面内垂直）垂直于焊缝长度方向（面内垂直） 图图3.3.10 208 3 3、破坏时的极限条件、破坏时的极限条件 国际标准化组织国际标准化组织(ISO)推荐用式推荐用式(3-1)确定角焊缝的极确定角焊缝的极限强度限强度: :式中：式中： fuw -焊缝金属的抗拉强度焊缝金属的抗拉强度 出于偏于安全考虑出于偏于安全考虑, ,且与母材的能量

120、强度理论的折算且与母材的能量强度理论的折算应力公式一致，欧洲钢结构协会应力公式一致，欧洲钢结构协会(ECCS)，将将(3-1)的的1.8改改为为3即：即：209 我国我国规范规范采用了以上折算应力公式，但由于我国采用了以上折算应力公式，但由于我国规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条件确定的，规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条件确定的，故引入抗力分项系数后上式又可表达为故引入抗力分项系数后上式又可表达为 以下图为例，推导直角角焊缝强度计算的实用公式。以下图为例，推导直角角焊缝强度计算的实用公式。 4 4、直角角焊缝的强度计算公式、直角角焊缝的强度计算公式ffw角焊缝强度设计值角焊缝强度

121、设计值210 f f 对对于于有有效效截截面面既既不不是是正正应应力力也也不不是是剪剪应应力力，但但可可分解为分解为 和和 。N Nf f+ + V V V VN N 破坏截面破坏截面图图3.3.11 211 在在V作用下，在有效截面内产生与焊缝长度方向平行的作用下，在有效截面内产生与焊缝长度方向平行的剪应力为：剪应力为：（3-4） 在在N作用下作用下,产生与有效截面成产生与有效截面成45交角的平均应力为交角的平均应力为（3-5） 可将可将 f 分解为分解为 和和 ，如下，如下（3-6）212 将式将式（3-4）和式和式（3-6）代入式代入式（3-3），），得得上式即为规范给定的直角角焊缝强度

122、计算通用公式。上式即为规范给定的直角角焊缝强度计算通用公式。 f 正面角焊缝的强度设计值增大系数。正面角焊缝的强度设计值增大系数。静载时静载时 f1.22，对直接承受动载的结构，对直接承受动载的结构， f1.0 。 213对正面角焊缝，对正面角焊缝， f0，力力N与焊缝长度方向垂直，则与焊缝长度方向垂直，则对侧面角焊缝对侧面角焊缝 ， f0，力力V与焊缝长度方向平行，则与焊缝长度方向平行，则 （3-83-8）（3-93-9）式中：式中：he=0.7=0.7hf； lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去焊缝取其实际长度减去2hf。21

123、43.3.4 3.3.4 直角角焊缝连接的计算直角角焊缝连接的计算 1 1、轴心力作用时角焊缝的计算、轴心力作用时角焊缝的计算 （1）承受斜向轴心力的）承受斜向轴心力的T形角焊缝连接形角焊缝连接 方法一：分力法求解方法一：分力法求解 将力将力N分解为垂直于焊缝分解为垂直于焊缝和平行于焊缝的分力：和平行于焊缝的分力：Nx=Nsin ，Ny=Ncos 计算应力：计算应力：N Nx xN Ny yN N f fN图图3.3.12 215代入式代入式3-7验算焊缝强度，即验算焊缝强度，即: :方法二：直接法求解方法二：直接法求解将式将式3-10和式和式3-11代入式代入式3-12，可得，可得: :21

124、6将将 代入上式，得代入上式，得（3-133-13）则受斜向轴心力角焊缝的计算公式为：则受斜向轴心力角焊缝的计算公式为：令：令：为斜焊缝强度增大系数。为斜焊缝强度增大系数。2171.221.201.141.121.081.041.021.00 f 907060504030200 查查 f 表表 当当焊焊件件受受轴轴心心力力，且且轴轴心心力力通通过过连连接接焊焊缝缝群群的的中中心，焊缝的应力可认为是均匀分布的。心，焊缝的应力可认为是均匀分布的。 盖盖板板对对接接连连接接可可采采用用两两侧侧侧侧面面角角焊焊缝缝连连接接，正正面面角焊缝连接和三面围焊连接。角焊缝连接和三面围焊连接。 （2 2）轴心力

125、作用下的盖板对接连接）轴心力作用下的盖板对接连接218仅采用侧面角焊缝连接仅采用侧面角焊缝连接lw连接一侧的侧面角焊缝连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和。计算长度的总和。图中图中N NN Nl lw w图图3.3.13 219采用三面围焊连接（矩形盖板）采用三面围焊连接（矩形盖板）先计算正面角焊缝承担的内力先计算正面角焊缝承担的内力lw连接一侧的正面角焊连接一侧的正面角焊缝计算长度的总和。缝计算长度的总和。再计算侧面角焊缝的强度再计算侧面角焊缝的强度lw连接一侧的侧面角焊连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和缝计算长度的总和N NN Nlwlw图图3.3.14 220或直接由下式计算：或直接由下式

126、计算：图中：图中：或或N NN Nlwlw图图3.3.14 221采用三面围焊连接（菱形盖板）采用三面围焊连接（菱形盖板）N NN Nlw1lw3 3lw2图图3.3.15222 在在钢钢桁桁架架中中，角角钢钢腹腹杆杆与与节节点点板板的的连连接接焊焊缝缝常常用用两两面面侧侧焊焊，或或三三面面围围焊焊，特特殊殊情情况况也也允允许许采采用用L形形围围焊焊。腹腹杆杆受受轴轴心心力力作作用用，为为了了避避免免焊焊缝缝偏偏心心受受力力，焊焊缝缝所所传传递递的的合合力力的的作作用用线线应应与与角钢杆件的轴线重合。角钢杆件的轴线重合。 （3 3）承受轴心力的角钢角焊缝连接）承受轴心力的角钢角焊缝连接 如如左

127、左图图钢钢桁桁架架节节点点，弦弦杆杆和和腹腹杆杆采采用用双双角角钢钢组组成成的的T形形截截面面，腹腹杆杆通通过过节节点点板板与与弦杆连接。弦杆连接。6-1106-11010-15010-1506-1106-11010-15010-1508 8170170190190130130120120285 25285 25图图3.3.16223仅用侧面焊缝连接仅用侧面焊缝连接解上式，得解上式，得由力及力矩平衡得：由力及力矩平衡得：（3-143-14）肢背焊缝肢背焊缝x xx xlw1w1lw2w2N NN N1 1N N2 2cb图图3.3.17224肢尖焊缝肢尖焊缝（3-153-15）k1角钢肢背焊缝

128、的内力分配系数；角钢肢背焊缝的内力分配系数；k2角钢肢尖焊缝的内力分配系数。角钢肢尖焊缝的内力分配系数。式中：式中： 在在N1、N2作用下，作用下，肢背、肢尖焊肢背、肢尖焊缝的计算长度为：缝的计算长度为：（3-163-16）（3-173-17）hf1肢背焊缝的焊角尺寸；肢背焊缝的焊角尺寸；hf2肢尖焊缝的焊角尺寸。肢尖焊缝的焊角尺寸。式中：式中：225角钢与节点板连接焊缝的内力分配系数角钢与节点板连接焊缝的内力分配系数 0.350.350.650.65不等边角钢不等边角钢（长边相连）（长边相连）0.250.250.750.75不等边角钢不等边角钢（短边相连）（短边相连）0.30.30.70.7

129、等边角钢等边角钢肢尖肢尖 k2肢背肢背 k1内力分配系数内力分配系数 截面及连接情况截面及连接情况226采用三面围焊采用三面围焊 设计时先假定正面角焊缝的焊脚尺寸设计时先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3，并求出它，并求出它所分担的内力所分担的内力N3：（3-183-18）通过平衡关系，可得肢背和肢尖焊缝通过平衡关系，可得肢背和肢尖焊缝分担的内力分担的内力为为: :x xx xlw1w1lw2w2N NN N1 1N N2 2cbN N3 3图图3.3.18227 利用式利用式3-16和和3-17可得可得肢背、肢尖焊肢背、肢尖焊缝的计算长度。缝的计算长度。肢背焊缝肢背焊缝（3-193-19）肢尖焊

130、缝肢尖焊缝（3-203-20）采用采用L形围焊形围焊x xx xlw1w1N NN N1 1cbN N3 3图图3.3.19228 令令N20，由式，由式3-20，得：，得：L形围焊角焊缝计算公式为：形围焊角焊缝计算公式为：（3-223-22）若求出得若求出得hf3大于大于hfmax , ,则不能采用则不能采用L形围焊形围焊（3-213-21）由水平平衡关系，得：由水平平衡关系，得：（3-233-23）（3-243-24） 未采用绕角焊时未采用绕角焊时采用绕角焊时采用绕角焊时229 2 2、受弯矩、受弯矩M、轴力、轴力N 、剪力、剪力V联合作用的角焊缝计算联合作用的角焊缝计算 （1 1）偏心斜

131、拉力作用）偏心斜拉力作用 在偏心斜拉力作用下，角焊缝可看作同时承受轴心力在偏心斜拉力作用下，角焊缝可看作同时承受轴心力Nx、剪力、剪力Ny和弯矩和弯矩M=Nxe的共同作用。的共同作用。有效截面有效截面he elwAM=NM=Nx xe eN Nx xA AN NN Ny ye eA由由N Nx x由由N Ny yA由由M M图图3.3.20230由轴心拉力由轴心拉力Nx产生的应力：产生的应力：由弯矩由弯矩M产生的最大应力：产生的最大应力：因因A点应力为最大，所以是设计控制点。对点应力为最大，所以是设计控制点。对A点：点： A点由轴心拉力点由轴心拉力Nx和弯矩和弯矩M产生的应力方向相同，产生的应

132、力方向相同，直接叠加得：直接叠加得：231A点由剪力点由剪力Ny产生的应力：产生的应力：则角焊缝强度计算公式为：则角焊缝强度计算公式为：232 （2 2）V、M共同作用下角焊缝强度计算共同作用下角焊缝强度计算假设：腹板焊缝承受全部剪力，而弯矩由全部焊缝承受假设：腹板焊缝承受全部剪力，而弯矩由全部焊缝承受对于翼缘最外纤维对于翼缘最外纤维1点处：点处：f2f2f1f1M MV V1 1腹板焊缝腹板焊缝f f1 12 2翼缘焊缝翼缘焊缝x xx xh h1 1h h2 2图图3.3.21233式中式中: :Iw全部焊缝有效截面对中性轴的惯性矩；全部焊缝有效截面对中性轴的惯性矩； h1上、下翼缘焊缝有

133、效截面最外纤维间的距离。上、下翼缘焊缝有效截面最外纤维间的距离。对对翼缘与腹板焊缝交点翼缘与腹板焊缝交点2处：处：h2腹板焊缝的实际长度；腹板焊缝的实际长度；lw2腹板焊缝的计算长度；腹板焊缝的计算长度；he2腹板焊缝有效截面高度；腹板焊缝有效截面高度；式中：式中：腹板焊缝有效截面面积之和。腹板焊缝有效截面面积之和。234则腹板焊缝在则腹板焊缝在2点的强度验算式为：点的强度验算式为： 工字梁与钢柱翼缘角焊缝的连接另一种计算方法是假工字梁与钢柱翼缘角焊缝的连接另一种计算方法是假设腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，此时弯设腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，此时弯矩矩M化为一对水平力

134、化为一对水平力H=M/h。则：。则：腹板焊缝的强度计算式：腹板焊缝的强度计算式：翼缘焊缝的强度计算式：翼缘焊缝的强度计算式：235 （3 3）承受扭矩与剪力联合作用的角焊缝计算）承受扭矩与剪力联合作用的角焊缝计算搭接搭接扭矩扭矩顶接顶接弯矩弯矩注意区分偏心受力时：注意区分偏心受力时：VyVy O Or rr rT Tx xx xTxTxTyTyA Ay yy yA Ar r1 1r ry y0.7h0.7hf f0.7h0.7hf fx xx xl lt tx x0 0y yy yl l2 2e e1 1e e2 2A AV VT TA Ar rr rT T图图3.3.22236将将F向焊缝群

135、形心简化得向焊缝群形心简化得: : 剪力：剪力：V=F 扭矩：扭矩：T=F(e1+e2)计算时按弹性理论假定计算时按弹性理论假定: : 被连接件绝对刚性，它有绕焊缝形心被连接件绝对刚性，它有绕焊缝形心O O旋转的趋旋转的趋势，而焊缝本身为弹性。势，而焊缝本身为弹性。 扭距在角焊缝群上产生的任一点的应力方向垂直扭距在角焊缝群上产生的任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度r成正比。成正比。 在轴心力在轴心力V V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。作用下，焊缝群上的应力均匀分布。经过分析，可知：经过分析，可知：A点和点和A点为该连接的设计控

136、制点点为该连接的设计控制点T T作用下作用下A A点应力点应力: :237将其沿将其沿x轴和轴和y轴分解轴分解: : Ip为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，Ip=Ix+Iy Ix，Iy焊缝计算截面对焊缝计算截面对x x、y y轴的惯性矩；轴的惯性矩； rx，ry为焊缝形心到焊缝验算点为焊缝形心到焊缝验算点A A的距离在的距离在x、y方向方向的投影长度。的投影长度。剪力剪力V作用下，作用下，A点应力点应力: :238 A点垂直于焊缝长度方向的应力为点垂直于焊缝长度方向的应力为: f= Ty+ Vy ，平行于焊缝长度方向的应力为平行于焊缝长度方向的应力为: : f=

137、Tx则则A点强度验算公式：点强度验算公式：即：即：239第第3.43.4节节 对接焊缝的构造与计算对接焊缝的构造与计算1. 1. 对接焊缝的构造对接焊缝的构造2. 2. 对接焊缝的计算对接焊缝的计算掌握对接焊缝构造和计算方法掌握对接焊缝构造和计算方法本节目录本节目录基本要求基本要求2403.4.1 3.4.1 对接焊缝的构造对接焊缝的构造 (1)(1)对对 手手 工工 焊焊 ， 焊焊 件件 厚厚 度度 t6mm； 对对 埋埋 弧弧 焊焊t10mm时可不做坡口，采用直边缝。时可不做坡口，采用直边缝。 1 1、对接焊缝的坡口形式、对接焊缝的坡口形式 对接焊缝的焊件常需做成坡口，又叫坡口焊缝。坡对接

138、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。口形式与焊件厚度有关。 C=0.5C=0.52mm2mm直边缝直边缝241 (2)(2)当当焊焊件件厚厚度度t=720mm时时，宜宜采采用用单单边边V V形形或或双双边边V形坡口。形坡口。 (3) (3) 当当t20mm时，宜采用时，宜采用U形、形、K形、形、X形坡口。形坡口。U U形坡口形坡口C=3C=34mm4mmp pC=3C=34mm4mmp pK K形坡口形坡口C=2C=23mm3mm单边单边V V形坡口形坡口C=2C=23mm3mm双边双边V V形坡口形坡口p p2422 2、对接焊缝的优缺点、对接焊缝的优缺点 优点：用

139、料经济、力线不弯折、传力均匀、无明显的优点：用料经济、力线不弯折、传力均匀、无明显的 应力集中，利于承受动力荷载。应力集中，利于承受动力荷载。缺点：经常需开坡剖口，焊件下料精度要求高。缺点：经常需开坡剖口，焊件下料精度要求高。 3 3、对接焊缝的构造处理、对接焊缝的构造处理 （1 1）在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，）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。故焊接时可设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。引弧板和引出板引弧板和引出板引弧板引弧板引出板引出板C=3C=34mm4mmp pX X形坡口形坡口243 （2 2）当板件厚度或宽度在一侧相差

140、大于）当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应时，应做坡度不大于的斜角，以平缓过度，减小应力集中。对做坡度不大于的斜角，以平缓过度，减小应力集中。对于直接受动力荷载且需要进行疲劳计算的结构，斜角坡于直接受动力荷载且需要进行疲劳计算的结构，斜角坡度应不大于度应不大于1:4。改变宽度改变宽度1:2.51:2.51:2.51:2.5改变厚度改变厚度1:2.51:2.53.4.2 3.4.2 对接焊缝的计算对接焊缝的计算 对接焊缝分为：焊透和部分焊透两种，后面不做特对接焊缝分为：焊透和部分焊透两种，后面不做特殊说明，均指焊透的对接焊缝。殊说明，均指焊透的对接焊缝。244 对接焊缝可视作焊件的一部分，

141、故其计算方法与构对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。件强度计算相同。1 1、轴心受力的对接焊缝、轴心受力的对接焊缝lw焊缝计算长度，无引弧板和引出板时，焊缝计算焊缝计算长度，无引弧板和引出板时，焊缝计算长度取实际长度减去长度取实际长度减去2t；有引弧板时，取实际长度。；有引弧板时，取实际长度。t连接件的较小厚度，对连接件的较小厚度，对T形接头为腹板的厚度形接头为腹板的厚度 。 ftw、fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。t ta aN NN NN NN N图图3.4.1245 （2 2）直对接焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况：）直对接

142、焊缝需要计算焊缝强度的只有两种情况： 没有引弧板时需要计算；没有引弧板时需要计算； 受拉情况下的三级焊缝。受拉情况下的三级焊缝。 其余：其余： （1 1）在一般加引弧板施焊的情况下，所有受压、受）在一般加引弧板施焊的情况下，所有受压、受剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝，均与母材等强，剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算。不用计算。 受拉三级对接焊缝受拉三级对接焊缝以以5N/mm2倍数取整倍数取整说明：说明： （3 3）当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接，如）当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接，如下：下：246 lw斜焊缝计算长度。设引弧板时，斜焊缝计算长度。设引弧板

143、时，lwb/sin；不；不设引弧板时，设引弧板时，lwb/sin2t。 fvw对接焊缝抗剪设计强度。对接焊缝抗剪设计强度。 经计算，当经计算，当tg1.5时，对接斜焊缝强度不低于母材，时，对接斜焊缝强度不低于母材，可不用检算。可不用检算。t ta aN NN NN NN N图图3.4.22472 2、承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝、承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝 焊缝内应力分布同母材。焊缝截面是矩形，正应力焊缝内应力分布同母材。焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分布分别为三角形与抛物线形，其最大值与剪应力图形分布分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件：应分别满足下列强度条件

144、： （1 1）板件间对接连接）板件间对接连接lwt tM MV VV VM M lwt t图图3.4.3248M焊缝承受的设计弯矩；焊缝承受的设计弯矩；Ww焊缝计算截面模量。焊缝计算截面模量。V焊缝承受的设计剪力；焊缝承受的设计剪力；Iw焊缝计算截面惯性矩；焊缝计算截面惯性矩；Sw计算剪应力处以上（或以下）焊缝计算截面对计算剪应力处以上（或以下）焊缝计算截面对 中和轴的面积矩。中和轴的面积矩。（2 2）工字形截面梁对接连接计算）工字形截面梁对接连接计算 对于工字形截面梁的对接接头，除应分别验算最大正应力对于工字形截面梁的对接接头，除应分别验算最大正应力与最大剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的

145、折算应力：与最大剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力：249（2 2）工字形截面梁对接连接计算）工字形截面梁对接连接计算式中：式中： 1、 1为腹板与翼缘交接处的正应力和剪应力。为腹板与翼缘交接处的正应力和剪应力。 1.1考虑到最大折算应力只在局部出现，故将强考虑到最大折算应力只在局部出现，故将强度设计值适当提高。度设计值适当提高。 计算截面计算截面翼缘与腹板交接处翼缘与腹板交接处1 1maxmax1 1maxmaxM MM MV VV V图图3.4.42503 3、承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝、承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝 轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力，

146、剪力作用轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力，剪力作用下产生剪应力，其计算公式为：下产生剪应力，其计算公式为：1 1maxmax1 1maxmax柱柱牛腿牛腿N NV V1 1焊缝计算截面焊缝计算截面maxmax由由M=VeM=Vee e由由N N由由V Vh h0 0h ht t图图3.4.5251腹板与翼缘交界处的折算应力腹板与翼缘交界处的折算应力: :式中式中 焊透的对接焊缝的计算除考虑焊缝长度是否减少，焊透的对接焊缝的计算除考虑焊缝长度是否减少，焊缝强度要否折减外，其计算方法与母材的强度计算完焊缝强度要否折减外，其计算方法与母材的强度计算完全相同。全相同。 252第第3.53.5节节 焊

147、接应力和焊接变形焊接应力和焊接变形1. 1. 焊接应力的分类和产生的原因焊接应力的分类和产生的原因2. 2. 焊接应力对结构工作性能的影响焊接应力对结构工作性能的影响3. 3. 焊接变形焊接变形4. 4. 减小焊接应力和焊接变形的措施减小焊接应力和焊接变形的措施1.1.了解焊接应力产生的主要原因、分类以及对结构了解焊接应力产生的主要原因、分类以及对结构 性能影响性能影响2.2.了解减小焊接残余应力和焊接残余变形的措施了解减小焊接残余应力和焊接残余变形的措施本节目录本节目录基本要求基本要求2533.5.1 3.5.1 焊接应力的分类和产生的原因焊接应力的分类和产生的原因1.1.焊接残余应力的分类

148、焊接残余应力的分类 纵向焊接残余应力纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向沿焊缝长度方向 横向焊接残余应力横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向且平行垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力。于构件表面的应力。 厚度方向焊接残余应力厚度方向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向且垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。垂直于构件表面的应力。 钢钢结结构构中中的的焊焊接接过过程程是是一一个个不不均均匀匀加加热热和和冷冷却却过过程程，由由于于不不均均匀匀的的温温度度场场，使使主主体体金金属属的的膨膨胀胀和和收收缩缩不不均均匀匀。导导致致在在主主体体金金属属内内部部产产生生内内应应力力，通通常常称称这这种种内内应应力

149、力为为焊接应力。焊接应力。2542.2.焊接残余应力产生的原因焊接残余应力产生的原因（1 1）纵向焊接残余应力）纵向焊接残余应力施焊时焊缝及附近的温度场施焊时焊缝及附近的温度场800800o oC C500500o oC C300300o oC C纵向焊接残余应力纵向焊接残余应力300300o oC C500500o oC C800800o oC C6 64 42 20 08cm8cm6 62 24 48cm8cm图图3.5.1255 焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程。在施焊焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及附近温度可高时，焊件上产生不均匀的温

150、度场，焊缝及附近温度可高达达1600C，而邻近区域温度骤降。，而邻近区域温度骤降。 温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到周围钢材的限制而产生残缩的焊缝区趋向收缩，但受到周围钢材的限制而产生残余拉应力。余拉应力。 焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生残余压应力。平衡，这必然在焊缝稍远区产生残余压应力。 对于低碳钢和低合金钢，这种拉应力可以达到钢材

151、对于低碳钢和低合金钢，这种拉应力可以达到钢材的屈服强度。的屈服强度。256 焊缝的纵向收缩焊缝的纵向收缩：使焊件有反向弯曲变形的趋势，使焊件有反向弯曲变形的趋势，而实际又不能分开，于是而实际又不能分开，于是导致两焊件在焊缝处中导致两焊件在焊缝处中间产生间产生横向横向拉拉应力应力，两端，两端则产生则产生压压应力应力； 由以下两部分收缩力所引起由以下两部分收缩力所引起（2 2）横向焊接残余应力）横向焊接残余应力 施施焊焊先后约束影响：先后约束影响：焊接时先焊焊缝已凝固，焊接时先焊焊缝已凝固，会会阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。焊阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。焊缝冷却时

152、，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生横向压应力，因应力自相平衡，应力，而先焊焊缝产生横向压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生横向拉应力。更远处焊缝则产生横向拉应力。257（3 3）沿厚度方向的焊接残余应力）沿厚度方向的焊接残余应力x xy yz z图图3.5.3焊缝的纵向收缩焊缝的纵向收缩施施焊焊先后约束影响先后约束影响横向横向焊接焊接残余残余应力应力图图3.5.2258 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的焊接时沿厚度方向已凝

153、固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。膨胀，产生塑性压缩变形。 焊缝冷却成形时，与空气接触的焊缝表面先冷却焊缝冷却成形时，与空气接触的焊缝表面先冷却结硬，中间部分后冷却，沿厚度方向的收缩受到外面已结硬，中间部分后冷却，沿厚度方向的收缩受到外面已冷却焊缝的约束，因而在焊缝内部形成沿厚度方向的拉冷却焊缝的约束，因而在焊缝内部形成沿厚度方向的拉应力，外部为压应力。应力，外部为压应力。 当钢材厚度当钢材厚度t20mm时时, ,厚度方向焊接应力较小厚度方向焊接应力较小, ,可忽可忽略略; ;但但t50mm时时, ,厚度方向焊接应力可达厚度方向焊接应力可达50Nmm2 如果纵、横、厚三个方向

154、的焊接应力在焊缝某区域如果纵、横、厚三个方向的焊接应力在焊缝某区域形成三向拉应力场，将大大降低焊缝的塑性。形成三向拉应力场，将大大降低焊缝的塑性。2593.5.2 3.5.2 焊接应力对结构性能的影响焊接应力对结构性能的影响1 1、对结构静力强度的影响、对结构静力强度的影响因焊接残余应力自相平衡，故：因焊接残余应力自相平衡，故：当板件全截面达到当板件全截面达到f fy y，即，即N=NN=Ny y时：时：因此：焊接残余应因此：焊接残余应力对结构的静力强力对结构的静力强度无影响。度无影响。B Bf fy y面积面积=A=At tN=0N=0A Ac c2 2A Ac c2 2A Ac cN NN

155、 Nb bf fy ya ab bc cd df fe ef fy yN=NN=Ny y=N/Bt=N/Bt无残余应力无残余应力有残余有残余应力应力ee图图3.5.42602 2、对结构刚度的影响、对结构刚度的影响 当焊接残余应力存在时，因截面的当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已部分拉应力已经达到经达到fy，故该部分刚度为零（已屈服），这时在，故该部分刚度为零（已屈服），这时在N N作作用下应变增量为：用下应变增量为：当截面上没有焊接残余应力时，在当截面上没有焊接残余应力时，在N N作用下应变增量为：作用下应变增量为： 因此：存在焊接残余应力将使结构变形增大，即因此：存在焊接残余应

156、力将使结构变形增大，即降低了结构的刚度。降低了结构的刚度。以上图轴心受拉杆件为例：以上图轴心受拉杆件为例：1 1 2 2显然：显然：2613 3、对压杆稳定承载力的影响、对压杆稳定承载力的影响 对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力。曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力。 5 5、对疲劳强度的影响、对疲劳强度的影响 4 4、对低温冷脆的影响、对低温冷脆的影响 对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易发生和发展，增加了钢材低温脆断倾塑性的发展，使裂缝容易

157、发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向。所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能向。所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。的重要措施。 在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。三向焊接残余应力三向焊接残余应力x xz zy y2623.5.3 3.5.3 焊接变形焊接变形1 1、焊接残余变形的种类、焊接残余变形的

158、种类 在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却收缩，势必在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却收缩，势必使构件产生局部鼓曲、使构件产生局部鼓曲、 歪曲、弯曲或扭转等。焊接变形歪曲、弯曲或扭转等。焊接变形的基本形式有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变的基本形式有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。实际的焊接变形常常是几形、波浪变形、扭曲变形等。实际的焊接变形常常是几种变形的组合。种变形的组合。纵向及横向收缩纵向及横向收缩角变形角变形弯曲变形弯曲变形扭曲变形扭曲变形波浪变形波浪变形图图3.5.52632 2、焊接变形对结构性能的影响、焊接变形对结构性能的影响 焊接变形若超出验收规

159、范规定，需花许多工时去矫正；焊接变形若超出验收规范规定，需花许多工时去矫正； 影响构件的尺寸和外形美观，还可能降低结构的承载影响构件的尺寸和外形美观，还可能降低结构的承载 力，引起事故。力，引起事故。3.5.4 3.5.4 减小焊接应力和焊接变形的措施减小焊接应力和焊接变形的措施1. 1. 设计方面的措施设计方面的措施推荐推荐不推荐不推荐推荐推荐不推荐不推荐（1 1）合理安排焊缝的位置）合理安排焊缝的位置（对称布置焊缝可减小焊接变形）（对称布置焊缝可减小焊接变形）264（4 4）尽量避免母材在厚度方向的收缩应力）尽量避免母材在厚度方向的收缩应力（2 2）合理的选择焊缝的尺寸和形式）合理的选择焊

160、缝的尺寸和形式（3 3）尽量避免焊缝的过分集中和交叉）尽量避免焊缝的过分集中和交叉推荐推荐不推荐不推荐推荐推荐不推荐不推荐切角切角推荐推荐不推荐不推荐易引起层状撕裂易引起层状撕裂2652 2、工艺上的措施、工艺上的措施 （1 1）采用合理的施焊顺序）采用合理的施焊顺序 分块拼接分块拼接12345分段退焊分段退焊5 4 3 2 1 1 2 3 4 55 4 3 2 1 1 2 3 4 58 7 7 88 7 7 86 66 6IIIIII对角跳焊对角跳焊1234沿厚度分层焊沿厚度分层焊IIIIII图图3.5.6266 （2 2）采用反变形处理）采用反变形处理（3 3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后

161、回火处理）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理焊前反变形焊前反变形图图3.5.7267第第3.63.6节节 螺栓连接的构造螺栓连接的构造1. 1. 螺栓的种类螺栓的种类2. 2. 螺栓的排列螺栓的排列3. 3. 螺栓连接的构造要求螺栓连接的构造要求了解螺栓的排列形式和要求了解螺栓的排列形式和要求本节目录本节目录基本要求基本要求2683.6.1 3.6.1 螺栓的种类螺栓的种类普通螺栓类型精制螺栓粗制螺栓性能等级A级和B级C级5.6级和8.8级4.6级和4.8级加工方式车床上经过切削而成单个零件上一次冲成加工精度类孔：栓孔直径与栓杆直径之差为0.250.5mm类孔：栓孔直径与栓杆直径之差为1.5

162、3mm抗剪性能好较差用途构件精度很高的结构（机械结构）；在钢结构中很少采用沿螺栓杆轴受拉的连接；次要的抗剪连接；安装的临时固定1 1、普通螺栓、普通螺栓269 性能等级的含义：性能等级的含义：5表示表示fu500N/mm2, , 0.6表示表示fy/fu=0.6如如5.6级级 由由45号、号、40B和和20MnTiB钢加工而成，并经过热钢加工而成，并经过热处理处理45号号8.8级；级； 40B和和20MnTiB10.9级级2 2、高强度螺栓连接、高强度螺栓连接 大六角头螺栓大六角头螺栓 扭剪型螺栓扭剪型螺栓1 1 2 3 2 3 4 41-1-螺栓；螺栓；2-2-垫圈；垫圈；3-3-螺母；螺母

163、；4-4-螺丝螺丝;5-;5-槽口槽口1 1 4 3 54 3 5图图3.6.1270高强度螺栓分类：高强度螺栓分类： 根据确定承载力极限的原则不同，分为高强度螺栓根据确定承载力极限的原则不同，分为高强度螺栓摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。传力途径传力途径： 摩擦型摩擦型依靠被连板件间摩擦力传力，以摩擦阻依靠被连板件间摩擦力传力，以摩擦阻力被克服作为设计准则。力被克服作为设计准则。 承压型承压型依靠螺栓杆与孔壁承压传力，以螺栓杆依靠螺栓杆与孔壁承压传力，以螺栓杆被剪坏或孔壁被压坏作为承载能力极限状态（破坏时的被剪坏或孔壁被压坏作为承载能力极限状态（破坏时的极

164、限承载力）。极限承载力）。 孔径：孔径：摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称摩擦型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大直径大1.5-2.0mm；承压型连接的高强度螺栓的孔径比；承压型连接的高强度螺栓的孔径比螺栓公称直径大螺栓公称直径大1.0-1.5mm。2713.6.2 3.6.2 螺栓的排列螺栓的排列1 1、排列形式分类、排列形式分类 螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理又便于安装。构造合理又便于安装。 排列的方式通常分为并列和错列两种形式。排列的方式通常分为并列和错列两种形式。并列并列端距端距中距中距边距边距中距中距边边距距错

165、列错列端距端距边距边距边距边距中距中距3d0图图3.6.2272 并列并列简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件截面的削弱较大。螺栓孔的存在，对构件截面的削弱较大。 错列错列可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓孔可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓孔排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。2 2、螺栓排列的要求、螺栓排列的要求（1 1）受力要求）受力要求 在垂直于受力方向：对于受拉构件，各排螺栓的中在垂直于受力方向：对于受拉构件，各排螺栓的中距及边距不能过小，以免使螺栓周围应力集中相互影响，距及边距不能过小，以免使螺栓周

166、围应力集中相互影响，且使钢板的截面削弱过多，降低其承载能力。且使钢板的截面削弱过多，降低其承载能力。273平行于受力方向：平行于受力方向： 端距应按被连接钢板抗挤压及抗剪切等强度条件确端距应按被连接钢板抗挤压及抗剪切等强度条件确定，以便钢板在端部不致被螺栓冲剪撕裂，规范规定端定，以便钢板在端部不致被螺栓冲剪撕裂，规范规定端距不应小于距不应小于2d0； 受压构件上的中距不宜过大，否则在被连接板件间受压构件上的中距不宜过大，否则在被连接板件间容易发生鼓曲现象。容易发生鼓曲现象。 因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距（2 2）构造要求）构造要求 边

167、距和中距不宜过大，中距过大，连接板件间不密实，潮边距和中距不宜过大，中距过大，连接板件间不密实，潮气容易侵入，造成板件锈蚀气容易侵入，造成板件锈蚀. .规范规定了螺栓的最大容许间距规范规定了螺栓的最大容许间距274（3 3）施工要求）施工要求 要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。要保证有一定的空间，以便转动扳手，拧紧螺母。因此规范规定了螺栓的最小容许间距。因此规范规定了螺栓的最小容许间距。端距端距端距端距中距中距边距边距线距线距3d02d03d01.5d01.5d03d03d02d0端距端距边距边距1.5d0(1.2d0)2d02d01.5d03d0端距端距并列并列错列错列图图3.6.

168、3275 螺栓或铆钉的最大、最小容许距离螺栓或铆钉的最大、最小容许距离1.2d1.2d0 0其他螺栓或铆钉其他螺栓或铆钉高强度螺栓高强度螺栓轧制边自动精密气割或轧制边自动精密气割或锯割边锯割边1.5d1.5d0 0剪切边或手工气割边剪切边或手工气割边垂直内垂直内力方向力方向2d2d0 04d4d0 0或或8t8t顺内力方向顺内力方向中心中心至构至构件边件边缘距缘距离离沿对角线方向沿对角线方向16d16d0 0或或24t24t拉力拉力12d12d0 0或或18t18t压力压力顺内力方向顺内力方向16d16d0 0或或24t24t垂直内力方向垂直内力方向中中间间排排3d3d0 08d8d0 0或或

169、12t12t外排（垂直内力方向或顺内力方向）外排（垂直内力方向或顺内力方向）中心中心间距间距最小容许最小容许距离距离最大容许距离最大容许距离（取两者中的小值）（取两者中的小值）位置和方向位置和方向名称名称注注：(1)(1)d d0 0 为螺栓孔或铆钉孔直径，为螺栓孔或铆钉孔直径，t t为外层较薄板件的厚度；为外层较薄板件的厚度； (2)(2)钢板边缘与刚性构件钢板边缘与刚性构件( (如角钢、槽钢等如角钢、槽钢等) )相连的螺栓或铆钉的最大间距，可按中间排的数值采用。相连的螺栓或铆钉的最大间距，可按中间排的数值采用。2763.6.3 3.6.3 螺栓连接的构造要求螺栓连接的构造要求 螺栓连接除了

170、满足上述螺栓排列的容许距离外，根螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外，根据不同情况尚应满足下列构造要求：据不同情况尚应满足下列构造要求： （1 1）为了证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头）为了证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端，永久螺栓不宜少于两个，但组合构件的缀条除外。一端，永久螺栓不宜少于两个，但组合构件的缀条除外。 （2 2）直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或）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。其他措施以防螺帽松动。 （3 3）C级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，可用于抗剪级螺栓宜用于沿杆轴方向的受拉连接，可用于抗剪连接情况有

171、：承受静载或间接动载的次要连接；承受静载的连接情况有：承受静载或间接动载的次要连接；承受静载的可拆卸结构连接；临时固定构件的安装连接。可拆卸结构连接；临时固定构件的安装连接。 （4 4）型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧）型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件。密，应采用钢板而不能采用型钢作为拼接件。277第第3.73.7节节 普通螺栓连接的工作性能和计算普通螺栓连接的工作性能和计算1. 1. 普通螺栓的抗剪连接普通螺栓的抗剪连接2. 2. 普通螺栓的抗拉连接普通螺栓的抗拉连接3. 3. 普通螺栓受剪力和拉力的联合作用普通螺栓受剪力和拉

172、力的联合作用1. 1. 掌握普通螺栓连接的工作特点及破坏形式掌握普通螺栓连接的工作特点及破坏形式本节目录本节目录基本要求基本要求2. 2. 掌握普通螺栓连接的计算方法掌握普通螺栓连接的计算方法2783.7.1 3.7.1 普通螺栓的抗剪连接普通螺栓的抗剪连接 1 1、抗剪连接工作性能和破坏形式、抗剪连接工作性能和破坏形式（1 1）工作性能）工作性能 对图示螺栓连接做抗剪试验对图示螺栓连接做抗剪试验, ,即可得到板件上即可得到板件上a、b两点相对位移两点相对位移和作用力和作用力N的关系曲线，由此曲线可的关系曲线，由此曲线可看出，抗剪螺栓受力经历了四个阶段。看出，抗剪螺栓受力经历了四个阶段。NN/

173、2N/2ba012341234N普通螺栓普通螺栓高强度螺栓高强度螺栓图图3.7.1279 摩擦传力的弹性阶段摩擦传力的弹性阶段( (0-1段段) ) 直线段直线段连接处于弹性工作阶段；由于对普通螺栓板件连接处于弹性工作阶段；由于对普通螺栓板件间摩擦力较小，故此该阶段很短，可略去不计。间摩擦力较小，故此该阶段很短，可略去不计。 滑移阶段滑移阶段( (1-2段段) ) 水平段水平段摩擦力摩擦力被被克服后，板件间突然克服后，板件间突然产生相对产生相对滑移，滑移，最大滑移量为栓杆和孔最大滑移量为栓杆和孔壁之间的间隙壁之间的间隙。 栓杆栓杆直接直接传力的弹性阶段传力的弹性阶段( (2-3段段) ) 曲线

174、上升段曲线上升段该阶段主要靠栓杆与孔壁接触传力。栓该阶段主要靠栓杆与孔壁接触传力。栓杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁则受到挤压。由于连接材杆受剪力、拉力、弯矩作用，孔壁则受到挤压。由于连接材料的弹性以及栓杆拉力增加所导致的板件间摩擦力的增大，料的弹性以及栓杆拉力增加所导致的板件间摩擦力的增大，N-关系以曲线状态上升。关系以曲线状态上升。 280 弹塑性阶段弹塑性阶段( (3-4段段) ) 荷载继续增加，剪切变形迅速加大，直到连接最荷载继续增加，剪切变形迅速加大，直到连接最后破坏。曲线的最高点后破坏。曲线的最高点“4”所对应的荷载即为普通所对应的荷载即为普通螺栓抗剪连接的极限荷载。螺栓抗剪连接的极

175、限荷载。 （2 2）抗剪连接的破坏形式）抗剪连接的破坏形式 栓杆被剪坏栓杆被剪坏 破坏条件：栓杆直径较小而板件较厚时破坏条件：栓杆直径较小而板件较厚时N NN N281孔壁被挤压破坏孔壁被挤压破坏 破坏条件：栓杆直径较大而板件较薄时破坏条件：栓杆直径较大而板件较薄时 NN板件被拉断板件被拉断 破坏条件：截面削弱过多时破坏条件：截面削弱过多时NN 由于拴杆和扳件的挤压由于拴杆和扳件的挤压是相对的，故也常把这种破是相对的，故也常把这种破坏叫做螺栓承压破坏。坏叫做螺栓承压破坏。板件端部被剪坏板件端部被剪坏 破坏条件：端矩破坏条件：端矩a过小时过小时 构造保证措施：端矩不应构造保证措施：端矩不应小于小

176、于2d0aNN282 栓杆弯曲破坏栓杆弯曲破坏 破坏条件：螺栓杆过长时破坏条件：螺栓杆过长时 构造保证措施：栓杆长度不应大于构造保证措施：栓杆长度不应大于5d5d 前三种破坏形式通过计算解决，后两种则通过构造前三种破坏形式通过计算解决，后两种则通过构造要求保证。第要求保证。第种破坏属于构件强度破坏，因此，抗剪种破坏属于构件强度破坏，因此，抗剪螺栓连接的计算只考虑螺栓连接的计算只考虑和和两种形式破坏。两种形式破坏。N/2NN/2 2 2、单个普通螺栓抗剪连接的承载力计算、单个普通螺栓抗剪连接的承载力计算 由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和

177、孔壁承压（即螺栓承压）两种情况。孔壁承压（即螺栓承压）两种情况。 （1 1）假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个剪力）假定螺栓受剪面上的剪应力均匀分布，一个剪力螺栓的抗剪承载力设计值为：螺栓的抗剪承载力设计值为：283式中式中：nv 受剪面数目，单剪受剪面数目，单剪=1；双剪；双剪=2。 d螺栓杆公称直径；螺栓杆公称直径； fvb螺栓的抗剪强度设计值。螺栓的抗剪强度设计值。NN/2N/2t2t1t3NNt2t1d d284 （2 2）螺杆受剪的同时，孔壁与螺杆柱面发生挤压，）螺杆受剪的同时，孔壁与螺杆柱面发生挤压，挤压应力分布在半圆柱面上。当螺杆较粗，板件相对较挤压应力分布在半圆柱面上。当螺

178、杆较粗，板件相对较薄，薄板的孔壁可能发生挤压破坏。承压计算时，假定薄，薄板的孔壁可能发生挤压破坏。承压计算时，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，则单栓承压设计承载力：的孔壁部分）均匀分布，则单栓承压设计承载力：dfcb螺栓承压强度设计值；螺栓承压强度设计值；t连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。连接接头一侧承压构件总厚度的较小值。式中：式中： 对双剪：取对双剪：取t1与与t2+t3中较小者中较小者 对单剪：取对单剪：取t1与与t2中较小者中较小者285一个抗剪普通螺栓的承载力设计值：一个抗剪普通螺栓的承载力

179、设计值：3 3、普通螺栓群抗剪连接计算、普通螺栓群抗剪连接计算（1 1）普通螺栓群轴心受剪）普通螺栓群轴心受剪 试验证明试验证明, ,栓群在轴心栓群在轴心受剪受剪时，长度方向上各螺栓的时，长度方向上各螺栓的受力并不均匀，而是两端大受力并不均匀，而是两端大, ,中间小。中间小。 l l1 1N NN/2N/2N/2N/2平均值平均值图图3.7.2286 当当l115d0(d0为孔径为孔径) )时，连接进入弹塑性工作状态后，时，连接进入弹塑性工作状态后，内力发生重分布，各螺栓受力趋于相同，故设计时假定内力发生重分布，各螺栓受力趋于相同，故设计时假定N N 由各螺栓平均分担。由各螺栓平均分担。 即连

180、接所需螺栓数为：即连接所需螺栓数为： 当当l115d0(d0为孔径为孔径) )时，连接进入弹塑性工作状态时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力后，即使内力发生发生重分布重分布, ,各螺栓受力也难以均匀，而是各螺栓受力也难以均匀，而是端部螺栓首先达到极限强度而破坏，然后依次向里破坏。端部螺栓首先达到极限强度而破坏，然后依次向里破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数由试验可得连接的抗剪强度折减系数与与l1/d0的关系曲线，的关系曲线，我国规范规定：我国规范规定：287因此，对普通螺栓的长列连接，所需抗剪栓数为：因此，对普通螺栓的长列连接，所需抗剪栓数为：当当 时，时， 当当 时，时， 以上折减系数

181、同样适用于高强度螺栓或铆钉的长列连接。以上折减系数同样适用于高强度螺栓或铆钉的长列连接。ECCS试验曲线试验曲线（8.88.8级级 M22M22）我国规范我国规范1.00.750.50.25020406080l1 1/d/d0 0图图3.7.3288F作用下每个螺栓平均受力，则作用下每个螺栓平均受力，则 （2 2）普通螺栓群偏心受剪）普通螺栓群偏心受剪eF=F+TOr1x1y1y2N1TxN1TyN1TNt21F作用作用扭矩扭矩T作用作用图图3.7.4289 栓群在扭矩栓群在扭矩T=Fe作用下，每个螺栓均受剪，按弹性设作用下，每个螺栓均受剪，按弹性设计法计算的基本假设如下：计法计算的基本假设如

182、下： 连接件绝对刚性连接件绝对刚性, , 螺栓弹性；螺栓弹性； 连接板件绕栓群形心转动，各螺栓所受剪力大小连接板件绕栓群形心转动，各螺栓所受剪力大小与该螺栓至形心距离与该螺栓至形心距离ri成正比，方向则与它和形心的连线成正比，方向则与它和形心的连线垂直。垂直。“1 1”号螺栓距形心最远，因此，其所受剪力最大。号螺栓距形心最远，因此，其所受剪力最大。计算公式推导如下：计算公式推导如下： 设各螺栓至螺栓群形心设各螺栓至螺栓群形心O的距离为的距离为r1、r2、r3，rn，各螺栓承受的分力分别为，各螺栓承受的分力分别为N1T、N2T、N3T，NnT，根，根据平衡条件得：据平衡条件得：290将上式代回将

183、上式代回(a)，得用得用k表达的表达的T式：式： 由假设由假设得到，得到，（k为常数）为常数）（a a）（b b）（c c）291 螺栓螺栓“1 1”离形心最远是危险螺栓离形心最远是危险螺栓, ,联合（联合（c c）和）和（b b）得最大剪力）得最大剪力N N1T1T将将N1T分解为水平和竖直分力：分解为水平和竖直分力：xi第第i个螺栓中心的个螺栓中心的x坐标坐标yi第第i个螺栓中心的个螺栓中心的y坐标坐标292受力最大螺栓受力最大螺栓“1”所受的合力为所受的合力为: :如果如果y13x1，则可假定，则可假定xi=0 ， 由此得由此得N1Ty=0，则计算式为：则计算式为：2933.7.2 3.

184、7.2 普通螺栓的抗拉连接普通螺栓的抗拉连接 1 1、单个普通螺栓的抗拉承载力、单个普通螺栓的抗拉承载力 螺栓杆受到沿杆轴方向的拉力作用，抗拉螺栓的螺栓杆受到沿杆轴方向的拉力作用，抗拉螺栓的破坏形式表现为栓杆被拉断。假定拉应力在螺栓螺纹破坏形式表现为栓杆被拉断。假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均匀分布，因此，一个普通螺栓的抗拉承载处截面上均匀分布，因此，一个普通螺栓的抗拉承载力设计值为：力设计值为： Ae螺栓在螺纹处的有效截面积；螺栓在螺纹处的有效截面积； de螺栓有效直径；螺栓有效直径；ftb螺栓的抗拉强度设计值，螺栓的抗拉强度设计值， ftb0.8f 。 式中：式中：294 当传递拉力杆件刚度

185、不大时，如图当传递拉力杆件刚度不大时，如图T T形连接在受拉后将发形连接在受拉后将发生较大的变形，并起杠杆作用，在外侧端部产生撬力生较大的变形，并起杠杆作用，在外侧端部产生撬力Q，因，因此，螺杆中的拉力增加（撬力此，螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。试验证）并产生弯曲现象。试验证明影响撬力的因素较多，由于确定明影响撬力的因素较多，由于确定Q值比较复杂，在计算中值比较复杂，在计算中不计不计Q力，而是采用降低螺栓强度设计值的方法解决，即取力，而是采用降低螺栓强度设计值的方法解决，即取ftb=0.8f（f螺栓钢材的抗拉强度设计值螺栓钢材的抗拉强度设计值););并采取构造措施加并采取构造措施加

186、强连接的刚度，如设加劲肋。强连接的刚度，如设加劲肋。考虑撬力：考虑撬力： NtN+QN Nt tN Nt tQ QQ Qb b2N2N图图3.7.6加劲肋加劲肋设加劲肋加强翼缘设加劲肋加强翼缘2N图图3.7.7295 2 2、普通螺栓群轴心受拉、普通螺栓群轴心受拉 当外力通过螺栓群形心时当外力通过螺栓群形心时, ,一般假定每个螺栓均匀一般假定每个螺栓均匀受力，因此，连接所需的螺栓数为：受力，因此，连接所需的螺栓数为：式中：式中： 3 3、普通螺栓群在弯矩作用下、普通螺栓群在弯矩作用下 Ntb为单个普通螺栓的抗拉承载力设计值为单个普通螺栓的抗拉承载力设计值 在弯矩在弯矩M作用下，被连接件有顺弯作

187、用下，被连接件有顺弯矩矩M作用方向旋转的趋势，因此螺栓作用方向旋转的趋势，因此螺栓受拉。受拉。N图图3.7.8296按弹性设计，其假定为：按弹性设计，其假定为： 连接板件绝对刚性，螺栓为弹性；连接板件绝对刚性，螺栓为弹性； 螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比。栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比。图图3.7.9 普通螺栓弯矩受拉普通螺栓弯矩受拉V VM M刨平顶紧刨平顶紧承托（板）承托（板）y y1 1y y2 2y y3 3N N2 2N N3 3O Oc cN N1 1中和轴中和轴受压区受压区bcbc297显

188、然，显然， 受拉力最大螺栓为距中和轴最远的受拉力最大螺栓为距中和轴最远的1号螺栓。号螺栓。由力矩平衡可得：由力矩平衡可得：由假定由假定可得：可得：由式由式(b)得得: :298将式将式(b)代入式代入式(a)得得: :设计时只要满足下式即可：设计时只要满足下式即可：因此，因此，螺栓螺栓“1”分担的拉力：分担的拉力：299 4 4、普通螺栓群偏心受拉、普通螺栓群偏心受拉 螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯矩和弯矩MNe的联合作用。技弹性设计法，根据偏心距的大小的联合作用。技弹性设计法，根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉两种情况。可能出现小偏

189、心受拉和大偏心受拉两种情况。V V由承托承担由承托承担大偏心受拉大偏心受拉y y1 1y y2 2y y3 3N NN N1 1N N2 2N N3 3O O中和轴中和轴受压区受压区e e小偏心受拉小偏心受拉V VM MN N刨平顶紧刨平顶紧承托（板）承托（板）e e旋转中心旋转中心N NmaxmaxN N2 2N N3 3N Nminmin00N Ny y2 2y y2 2y y1 1y y1 1c cO Oe e图图3.7.10300先按小偏心受拉计算先按小偏心受拉计算 当当M较小，较小，N较大时，所有螺栓均承受拉力作用，此较大时，所有螺栓均承受拉力作用，此时被连板件绕螺栓群形心时被连板件

190、绕螺栓群形心O转动。螺栓群受力最小的螺转动。螺栓群受力最小的螺栓拉力为：栓拉力为： 若若 成立成立, ,则小偏心成立则小偏心成立, ,此时要求受力最此时要求受力最大的螺栓拉力满足条件：大的螺栓拉力满足条件：301 若若 ，则小偏心假设不成立，则小偏心假设不成立, ,应按大偏心计算。应按大偏心计算。这时，偏于安全取中和轴位于最下排螺栓形心这时，偏于安全取中和轴位于最下排螺栓形心O处，根处，根据平衡可得受拉力最大螺栓分担的拉力据平衡可得受拉力最大螺栓分担的拉力, ,即要求其满足：即要求其满足：式中：式中：e偏心拉力偏心拉力N N到最下排螺栓形心到最下排螺栓形心O O间的距离；间的距离；yi第第i

191、i排螺栓形心到最下排螺栓形心排螺栓形心到最下排螺栓形心O O间的距离；间的距离；（M较大，较大，N较小）较小）注意与小偏心时注意与小偏心时e和和yi的区别。的区别。3023.7.3 3.7.3 普通螺栓受剪力和拉力的联合作用普通螺栓受剪力和拉力的联合作用 同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式：同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式：一是螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承压破坏。一是螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承压破坏。 试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线，如图自单独

192、作用的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线，如图所示。所示。图图7.3.12剪拉同时作用的相关曲线剪拉同时作用的相关曲线0 00.50.51.01.01.01.00.50.5N Nv vN Nv vb bN Nt tN Nt tb bNVe图图3.7.11303 规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，规范规定：同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓，应分别符合下列公式的要求：应分别符合下列公式的要求：验算螺栓剪验算螺栓剪-拉联合作用：拉联合作用：验算孔壁承压：验算孔壁承压：NVb单个螺栓抗剪承载力设计值；单个螺栓抗剪承载力设计值；Ncb单个螺栓承压承载力设计值单个螺栓承压承载力设计值Nt

193、b单个螺栓抗拉承载力设计值；单个螺栓抗拉承载力设计值；Nv、Nt单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。304第第3.83.8节节 高强度螺栓连接的工作性能和计算高强度螺栓连接的工作性能和计算1. 1. 高强度螺栓连接的工作性能高强度螺栓连接的工作性能2. 2. 高强度螺栓群的抗剪计算高强度螺栓群的抗剪计算3. 3. 高强度螺栓群的抗拉计算高强度螺栓群的抗拉计算1. 1. 掌握高强度螺栓的类型和工作特点掌握高强度螺栓的类型和工作特点本节目录本节目录基本要求基本要求2. 2. 掌握高强度螺栓的计算方法掌握高强度螺栓的计算方法3053.8.1 3.8.1 高强度螺栓

194、连接的工作性能高强度螺栓连接的工作性能 1 1、高强度螺栓的类型、高强度螺栓的类型 按设计准则的不同，高强度螺栓分为两类：按设计准则的不同，高强度螺栓分为两类： 摩擦型高强度螺栓摩擦型高强度螺栓通过板件间摩擦力传递内力，通过板件间摩擦力传递内力，破坏准则为摩擦力被克服；破坏准则为摩擦力被克服； 承压型高强度螺栓承压型高强度螺栓受力特征与普通螺栓类似。在受力特征与普通螺栓类似。在外力的作用下螺栓承受剪力和拉力。外力的作用下螺栓承受剪力和拉力。 螺栓的预拉力螺栓的预拉力P( (即板件间的法向压紧力即板件间的法向压紧力) )、摩擦面间、摩擦面间的抗滑移系数和钢材种类等都直接影响到高强度螺栓摩的抗滑移

195、系数和钢材种类等都直接影响到高强度螺栓摩擦型连接的承载力。擦型连接的承载力。3062 2、高强度螺栓的预拉力、高强度螺栓的预拉力 预拉力是通过拧紧螺帽，使螺杆受到拉伸作用而使被预拉力是通过拧紧螺帽，使螺杆受到拉伸作用而使被连接板件间产生压紧力。连接板件间产生压紧力。 高强度螺栓分大六角头型和扭剪型两种，二者预拉力高强度螺栓分大六角头型和扭剪型两种，二者预拉力控制方法各不相同。控制方法各不相同。 （1 1）高强度螺栓预拉力的建立方法）高强度螺栓预拉力的建立方法 为了保证通过摩擦力传递剪力，高强度度螺栓的预拉为了保证通过摩擦力传递剪力，高强度度螺栓的预拉力力P的准确控制非常重要。的准确控制非常重要

196、。大六角头螺栓大六角头螺栓1 1 2 3 2 3 4 41-1-螺栓；螺栓；2-2-垫圈；垫圈；3-3-螺母；螺母；4-4-螺丝螺丝图图3.8.1307A A、力矩法（控制拧紧力矩）、力矩法（控制拧紧力矩） 初拧初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的用力矩扳手拧至终拧力矩的30%-50%， 使板件贴紧密；使板件贴紧密； 终拧终拧初拧基础上初拧基础上, ,按按100%设计终拧力矩拧紧。设计终拧力矩拧紧。 特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。特点：简单、易实施，但得到的预拉力误差较大。大六角头螺栓的预拉力控制方法有：大六角头螺栓的预拉力控制方法有：扭剪型螺栓扭剪型螺栓螺栓螺栓垫圈垫圈螺母螺母图图3.

197、8.2308 B B、转角法、转角法 初拧初拧用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密；用普通扳手拧至不动，使板件贴紧密； 终拧终拧初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过初拧基础上用长扳手或电动扳手再拧过一定的角度，一般为一定的角度，一般为120180完成终拧。完成终拧。 特点：预拉力的建立简单、有效，但要注意防止特点：预拉力的建立简单、有效，但要注意防止欠拧、漏拧和超拧。欠拧、漏拧和超拧。 扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓）扭断螺栓杆尾部法（扭剪型高强度螺栓） 初拧初拧拧至终拧力矩的拧至终拧力矩的60%80%； 终拧终拧初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。初拧基础上，以扭断螺栓杆尾部为准。 特点：施工简

198、单、技术要求低易实施、质量易保特点：施工简单、技术要求低易实施、质量易保证等。证等。309（2 2）高强度螺栓预拉力的确定）高强度螺栓预拉力的确定高强螺栓的预拉力设计值高强螺栓的预拉力设计值P由下式确定由下式确定式中：式中：Ae螺纹处有效截面积；螺纹处有效截面积；fu螺栓热处理后的最抵抗拉强度；螺栓热处理后的最抵抗拉强度；8.8级，取级，取fu=830N/mm2，10.9级级, ,取取fu=1040N/mm2系数系数1.2考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对考虑拧紧螺帽时，螺栓杆上产生的剪力对抗拉强度的降低；抗拉强度的降低；系数系数0.9为防止施工时超张拉导致螺杆破坏的折减为防止施工时超张拉导

199、致螺杆破坏的折减系数；考虑材料的不均匀性的折减系数；附加安全系系数；考虑材料的不均匀性的折减系数；附加安全系数。数。310螺栓的性能等级螺栓的性能等级螺螺栓栓公公称称直直径（径（mm）M16M20M22M24M27M308.8级级8012515017523028010.9级级100155190225290355一个高强度螺栓的设计预拉力一个高强度螺栓的设计预拉力P 3 3、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数、高强度螺栓摩擦面抗滑移系数 按公式计算出的按公式计算出的P值以值以5kN的倍数取整就形成规范规的倍数取整就形成规范规定的设计预拉力。定的设计预拉力。 高强度螺栓摩擦面抗滑移系数大小与接触面的处理高

200、强度螺栓摩擦面抗滑移系数大小与接触面的处理方法和构件钢号有关，其大小随板件间的挤压力的减小方法和构件钢号有关，其大小随板件间的挤压力的减小而降低。不同钢材在不同接触面的处理方法下的抗滑移而降低。不同钢材在不同接触面的处理方法下的抗滑移系数系数见下表。见下表。311 4 4、高强度螺栓抗剪连接工作性能、高强度螺栓抗剪连接工作性能 受力过程与普通螺栓相似，也分为四个阶段：摩擦受力过程与普通螺栓相似，也分为四个阶段：摩擦传力的弹性阶段、滑移阶段、栓杆传力的弹性阶段、弹传力的弹性阶段、滑移阶段、栓杆传力的弹性阶段、弹塑性阶段。塑性阶段。连接处接触面处理方法连接处接触面处理方法构构件件的的钢钢号号Q23

201、5Q345Q420喷喷砂（丸）砂（丸）0.450.500.50喷砂（丸）后涂无机富锌漆喷砂（丸）后涂无机富锌漆0.350.400.40喷砂（丸）后生赤绣喷砂（丸）后生赤绣0.450.500.50钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面0.300.350.40摩擦面抗滑移系数摩擦面抗滑移系数 值值312 但比较两条但比较两条N曲线可知，由于高强度螺栓因连接曲线可知，由于高强度螺栓因连接件间存在很大的摩擦力，故其第一个阶段（件间存在很大的摩擦力，故其第一个阶段（0-1段）远远段）远远大于普通螺栓。通过大于普通螺栓。通过1点后，连接产生了滑移，当栓杆点后，连接产生

202、了滑移，当栓杆与孔壁接触后，连接又可继续承载直到破坏。与孔壁接触后，连接又可继续承载直到破坏。 对于高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为摩擦力对于高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为摩擦力被克服，板件间出现相对滑移，因此以被克服，板件间出现相对滑移，因此以1点为极限。点为极限。NN/2N/2ba012341234N普通螺栓普通螺栓高强度螺栓高强度螺栓图图3.8.3313 对于高强度螺栓承压型连接，破坏准则为连接达到对于高强度螺栓承压型连接，破坏准则为连接达到其极限状态其极限状态4点。点。（1 1）高强度螺栓摩擦型抗剪连接）高强度螺栓摩擦型抗剪连接 单个摩擦型高强度螺栓抗剪承载力设计值单个摩擦型高强

203、度螺栓抗剪承载力设计值: :0.9抗力分项系数抗力分项系数 R的倒数的倒数( R=1.111); nf传力摩擦面数目，单剪时传力摩擦面数目，单剪时=1，双剪时，双剪时=2； 摩擦面抗滑移系数摩擦面抗滑移系数; ; P预拉力设计值。预拉力设计值。式中：式中：314 高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪承载力计算方法高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪承载力计算方法与普通螺栓相同，即与普通螺栓相同，即（2 2）高强度螺栓承压型抗剪连接）高强度螺栓承压型抗剪连接取单栓抗剪承载力为：取单栓抗剪承载力为：单栓抗剪设计承载力：单栓抗剪设计承载力：单栓承压设计承载力：单栓承压设计承载力：剪切面在螺纹处时剪切面在螺纹处时

204、315 5 5、高强度螺栓抗拉连接工作性能、高强度螺栓抗拉连接工作性能高强度螺栓在承受外拉力前，螺杆中已有很高的高强度螺栓在承受外拉力前，螺杆中已有很高的预拉力预拉力P，板层之间则有压力，板层之间则有压力C，而，而P与与C维持平衡，维持平衡，即即 C=P图图3.8.4 高强度螺栓受拉高强度螺栓受拉P Pf fC Cf fN Nt tP PC C316 当外拉力为当外拉力为Nt时：板件有被拉开趋势，板件间的时：板件有被拉开趋势，板件间的压力压力C减小为减小为Cf，栓杆拉力，栓杆拉力P增加为增加为Pf，根据平衡关，根据平衡关系有系有: :若螺栓和被连接板件保持弹性，板叠厚度为若螺栓和被连接板件保持

205、弹性，板叠厚度为，则，则 螺栓杆的伸长量螺栓杆的伸长量= =板件压缩恢复量板件压缩恢复量Ab栓杆截面面积；栓杆截面面积；Ap板件挤压面面积。板件挤压面面积。 由以上三式，可得由以上三式，可得317 当板件即将被拉开时：当板件即将被拉开时： Cf=0，有，有Pf=Nt，因此：，因此： 一般板件间的挤压面面积比栓杆截面面积大许多，一般板件间的挤压面面积比栓杆截面面积大许多，近似取近似取AP/Ab=10，则有：，则有： 当板件即将被拉开时，栓杆的拉力仅增加当板件即将被拉开时，栓杆的拉力仅增加10%。另。另外，试验证明，当栓杆的外加拉力大于外，试验证明，当栓杆的外加拉力大于P时，卸载后螺时，卸载后螺栓

206、杆的预拉力将减小，即发生松弛现象。但当栓杆的预拉力将减小，即发生松弛现象。但当Nt不大于不大于0.8P时，则无松弛现象，这时时，则无松弛现象，这时Pf=1.07P，可认为螺杆的，可认为螺杆的预拉力不变，且连接板件间有一定的挤压力保持紧密接预拉力不变，且连接板件间有一定的挤压力保持紧密接触，所以现行规范规定：触，所以现行规范规定：318 摩擦型高强度螺栓的单栓抗拉设计承载力为：摩擦型高强度螺栓的单栓抗拉设计承载力为： 承压型高强度螺栓的单栓抗拉承载力，因其破坏准承压型高强度螺栓的单栓抗拉承载力，因其破坏准则为螺栓杆被拉断，故计算方法与普通螺栓相同，即：则为螺栓杆被拉断，故计算方法与普通螺栓相同，

207、即：式中：式中：Ae螺栓杆的有效截面面积；螺栓杆的有效截面面积； de螺栓杆的有效直径；螺栓杆的有效直径； ftb高强度螺栓的抗拉强度设计值。高强度螺栓的抗拉强度设计值。3196 6、高强度螺栓同时承受剪力和拉力连接的工作性能、高强度螺栓同时承受剪力和拉力连接的工作性能（1 1）高强度螺栓摩擦型连接）高强度螺栓摩擦型连接 尽管当尽管当NtP 时，栓杆预拉力基本不变，但由于时，栓杆预拉力基本不变，但由于随随Nt的的增大而减小，且随增大而减小，且随Nt的增大板件间的挤压力减小，故连接的的增大板件间的挤压力减小，故连接的抗剪能力下降。规范规定将抗剪能力下降。规范规定将Nt乘以乘以1.125的系数来考

208、虑的系数来考虑值降值降低的不利影响，故单个摩擦型连接高强度螺栓有拉力作用时低的不利影响，故单个摩擦型连接高强度螺栓有拉力作用时的抗剪承载力设计值为：的抗剪承载力设计值为：1.1111.111为抗力分项系数为抗力分项系数 R式中：式中： 上式就是上式就是GBJ17-88规范采用的计算公式，在规范采用的计算公式，在GB50017-2003中，采用等价的直线相关公式：中，采用等价的直线相关公式：320（2 2）高强度螺栓承压型连接）高强度螺栓承压型连接 对于高强度螺栓承压型连接在剪力和拉力共同作用下对于高强度螺栓承压型连接在剪力和拉力共同作用下计算方法与普通螺栓相同，即为防止栓杆剪拉破坏，要求计算方

209、法与普通螺栓相同，即为防止栓杆剪拉破坏，要求321为了防止孔壁的承压破坏，应满足：为了防止孔壁的承压破坏，应满足： 系数系数1.2是考虑由于外拉力的存在导致高强度螺栓的是考虑由于外拉力的存在导致高强度螺栓的承压承载力降低的修正系数。承压承载力降低的修正系数。322兼受剪拉兼受剪拉受拉受拉取二者较小取二者较小值，长列螺值，长列螺栓折减栓折减受剪受剪普通螺栓普通螺栓备注备注计算公式计算公式受力状态受力状态螺栓种类螺栓种类单个螺栓承载力设计值汇总表（一）单个螺栓承载力设计值汇总表（一）323兼受剪拉兼受剪拉受拉受拉长列螺栓折长列螺栓折减减受剪受剪摩擦型高摩擦型高强度螺栓强度螺栓备注备注计算公式计算公

210、式受力状态受力状态螺栓种类螺栓种类单个螺栓承载力设计值汇总表（二）单个螺栓承载力设计值汇总表（二）324兼受剪拉兼受剪拉受拉受拉取二者较小值，当取二者较小值，当剪切面在螺纹处时剪切面在螺纹处时受剪受剪承压型高承压型高强度螺栓强度螺栓备注备注计算公式计算公式受力状态受力状态螺栓种类螺栓种类单个螺栓承载力设计值汇总表（三）单个螺栓承载力设计值汇总表（三）3253.8.2 3.8.2 高强度螺栓群的抗剪计算高强度螺栓群的抗剪计算 1 1、受轴心剪力作用、受轴心剪力作用假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：（1 1）对于摩擦型连接：）对于摩擦型连接：（2 2）对于承压型连

211、接：）对于承压型连接：或或3262 2、扭矩或扭矩、剪力共同作用下、扭矩或扭矩、剪力共同作用下计算方法与普通螺栓相同，即：计算方法与普通螺栓相同，即： 剪力剪力F作用下每个螺栓受力：作用下每个螺栓受力：eF=F+TOr1x1y1y2N1TxN1TyN1TNt21F作用作用扭矩扭矩T作用作用图图3.8.5327扭矩扭矩T作用下：作用下：由此可得螺栓由此可得螺栓1的强度验算公式为的强度验算公式为: :摩擦型连接摩擦型连接: :承压型连接承压型连接: :3283.8.3 3.8.3 高强度螺栓群的抗拉计算高强度螺栓群的抗拉计算1 1、受轴心拉力作用、受轴心拉力作用假定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：假

212、定各螺栓受力均匀，故所需螺栓数：（1 1）对于摩擦型连接：）对于摩擦型连接：（2 2）对于承压型连接：）对于承压型连接：3292 2、高强度螺栓群受弯矩作用、高强度螺栓群受弯矩作用 由于高强度螺栓的外拉力总小于由于高强度螺栓的外拉力总小于0.8P（预拉力）（预拉力）故在弯矩作用下，连接板件接触面始终处于密帖状态，故在弯矩作用下，连接板件接触面始终处于密帖状态，因此可认为连接的中和轴与螺栓群形心轴重合，最外侧因此可认为连接的中和轴与螺栓群形心轴重合，最外侧螺栓受力最大。螺栓受力最大。Nt1Nt2Nt3Nt4oy2y3y4y1图图3.8.6330按弹性设计，其假定为：按弹性设计，其假定为： 连接板

213、件绝对刚性，螺栓为弹性；连接板件绝对刚性，螺栓为弹性； 螺栓群的中和轴位于螺栓群形心螺栓群的中和轴位于螺栓群形心O处，各螺栓所受处，各螺栓所受拉力与其至中和轴的距离成正比。拉力与其至中和轴的距离成正比。由力矩平衡可得：由力矩平衡可得：由假定由假定可得：可得：331由式由式(b)得得: :将式将式(b)代入式代入式(a)得得: :设计时只要满足下式即可：设计时只要满足下式即可：因此，因此，最外排螺栓最外排螺栓“1”分担的拉力：分担的拉力：3323 3、高强度螺栓群偏心受拉、高强度螺栓群偏心受拉 偏心力作用下的高强度螺栓连接，螺栓最大拉力不应大偏心力作用下的高强度螺栓连接，螺栓最大拉力不应大于于0

214、.8P，以保证板件紧密贴合，端板不会被拉开，所以摩擦，以保证板件紧密贴合，端板不会被拉开，所以摩擦型和承压型均可按普通螺栓小偏心受拉计算，即中和轴型和承压型均可按普通螺栓小偏心受拉计算，即中和轴位于位于螺栓群形心螺栓群形心O处处，则，则NMVNOO刨平顶紧刨平顶紧承托（板）承托（板）NNmaxN2N3Oy1Nminy1cy2y2图图3.8.73334 4、高强度螺栓群在拉力、弯矩和剪力共同作用、高强度螺栓群在拉力、弯矩和剪力共同作用（1 1）对于摩擦型连接：）对于摩擦型连接： 在在M和和N共同作用下，最外（下）排共同作用下，最外（下）排“1”号螺栓号螺栓所受拉力最大为（中和轴位于螺栓群形心所受

215、拉力最大为（中和轴位于螺栓群形心O处）：处）：验算方法一：验算方法一：=由由N+由由MNMV图图3.8.8334 在在V作用下，各螺栓所受剪力均相同，即为：作用下，各螺栓所受剪力均相同，即为： 在拉、剪共同作用下，对高强度螺栓摩擦型连接的验在拉、剪共同作用下，对高强度螺栓摩擦型连接的验算条件为：算条件为：上式中上式中: : 按按GBJ17-88规范，验算条件为：规范，验算条件为：二者二者等价等价335 在弯矩在弯矩M和拉力和拉力N共同作用下，高强螺栓群中各排共同作用下，高强螺栓群中各排螺栓拉力都不相同，即：螺栓拉力都不相同，即： 故对于栓群抗剪强度故对于栓群抗剪强度, ,应按下式进行验算更为合

216、理，应按下式进行验算更为合理，即即 单个螺栓抗剪设计承载力随拉力的增加而减小，有单个螺栓抗剪设计承载力随拉力的增加而减小，有验算方法二：验算方法二：336此外，螺栓最大拉力尚应满足：此外，螺栓最大拉力尚应满足： 验算法二计及了螺栓拉力不同对抗剪强度的影响，验算法二计及了螺栓拉力不同对抗剪强度的影响，因此更为经济合理，而验算法一则过于保守。因此更为经济合理，而验算法一则过于保守。即：即： 当当NtiE，且且弯弯曲曲拉拉、压压应应力力平平衡衡，所所以以中中和和轴轴向向受拉一侧移动。受拉一侧移动。Ncr,rNcr,rlx xy yd1d2crcr形形心心轴轴中中和和轴轴386 令：令：I1为应力退降

217、区对中和轴的惯性矩，为应力退降区对中和轴的惯性矩，I2为弯曲为弯曲受压截面对中和轴的惯性矩，根据应力增加遵循切线模受压截面对中和轴的惯性矩，根据应力增加遵循切线模量量E，应力退降遵循弹性模量，应力退降遵循弹性模量E E的假定，且忽略剪切变的假定，且忽略剪切变形的影响，由内、外弯矩平衡得：形的影响，由内、外弯矩平衡得： 解此微分方程，得理想的轴心压杆微弯状态下的弹解此微分方程，得理想的轴心压杆微弯状态下的弹塑性临界力：塑性临界力： 式中：式中：387(2)(2)切线模量理论切线模量理论 假定假定: :达到临界力达到临界力Ncr,时杆件挺直，但微弯时时杆件挺直，但微弯时, ,轴心力轴心力增加增加N

218、，其产生的平均压应力与弯曲拉应力正好相等。，其产生的平均压应力与弯曲拉应力正好相等。NcrNcr,lx xy ycrcr,中中和和轴轴388 因此，全截面应力增加，没有退降区因此，全截面应力增加，没有退降区, ,切线模量切线模量E通通用于全截面。用于全截面。 与弹性屈曲情况相比与弹性屈曲情况相比, ,切线模量理论可只用切线模量切线模量理论可只用切线模量E代替弹性模量代替弹性模量E, ,因此得临界应力和临界力分别为：因此得临界应力和临界力分别为：因为因为EEr，所以：，所以：3895 5、初始缺陷对压杆稳定的影响、初始缺陷对压杆稳定的影响 其中对压杆弯曲失稳影响最大的是残余应力、初其中对压杆弯曲

219、失稳影响最大的是残余应力、初弯曲和初偏心。弯曲和初偏心。初初始始缺缺陷陷几何缺陷：初弯曲、加载初偏心等几何缺陷：初弯曲、加载初偏心等力学缺陷：残余应力、材料不均匀等力学缺陷：残余应力、材料不均匀等390(1)(1)残余应力的影响残余应力的影响残余应力产生的原因残余应力产生的原因焊接时的不均匀加热和冷却焊接时的不均匀加热和冷却型钢热轧后的不均匀冷却型钢热轧后的不均匀冷却板边缘经火焰切割后的热塑性收缩板边缘经火焰切割后的热塑性收缩构件冷校正后产生的塑性变形构件冷校正后产生的塑性变形残余应力的分布残余应力的分布 残余应力有平行于杆轴方向的纵向残余应力和垂残余应力有平行于杆轴方向的纵向残余应力和垂直于

220、杆轴方向的横向残余应力两种。横向残余应力的直于杆轴方向的横向残余应力两种。横向残余应力的绝对值一般很小，而且对杆件承载力的影响甚微，故绝对值一般很小，而且对杆件承载力的影响甚微，故通常只考虑纵向残余应力。对厚板组成的截面，残余通常只考虑纵向残余应力。对厚板组成的截面，残余应力沿厚度方向有较大变化，不能忽视。应力沿厚度方向有较大变化，不能忽视。391 实测的残余应力分布较复杂而离散，分析时常采实测的残余应力分布较复杂而离散，分析时常采用其简化分布图，典型截面和不同加工方式杆件纵向用其简化分布图，典型截面和不同加工方式杆件纵向残余应力计算简图如下：残余应力计算简图如下：+-0.361f0.361f

221、y y0.805f0.805fy y图图4.3.5热轧工字钢热轧工字钢0.3f0.3fy y0.3f0.3fy y0.3f0.3fy y图图4.3.6热轧热轧H H型钢型钢图图4.3.7轧制边焊接工字钢轧制边焊接工字钢=0.3-0.6f fy y0.3f0.3fy yf fy y392图图4.3.8焰切边焊接工字钢焰切边焊接工字钢0.2f0.2fy yf fy y0.75f0.75fy y图图4.3.9焊接箱形截面焊接箱形截面0.53f0.53fy yf fy yf fy y仅考虑残余应力影响的轴压杆的临界应力仅考虑残余应力影响的轴压杆的临界应力 为了说明问题的方便，以忽略腹板的热轧为了说明问

222、题的方便，以忽略腹板的热轧H H型钢柱型钢柱为例，推求临界应力：为例，推求临界应力：393 当当fp=fy-rc时，截面出时，截面出现塑性区，塑性区和应力分布现塑性区，塑性区和应力分布如右图。如右图。th htkbkbb bxxyf fy yacacb1 1rtbrc图图4.3.10394 对对x-x轴（强轴）屈曲时轴（强轴）屈曲时 对对y-y轴（弱轴）屈曲时轴（弱轴）屈曲时 由于由于k1.0，所以残余应力将降低临界应力，而且对，所以残余应力将降低临界应力，而且对弱轴的影响要远大于对强轴的影响。弱轴的影响要远大于对强轴的影响。3951.01.00n n欧拉临界曲线欧拉临界曲线1.01.0crx

223、crxcrycryE E图图4.3.11仅考虑残余应力的柱子曲线仅考虑残余应力的柱子曲线正则化长细比正则化长细比396(2)(2)初弯曲的影响初弯曲的影响NNl/ /2 2l/ /2 2v0 0y0 0v1 1yxyvy0yNN-EIyxy图图4.3.12 有有初弯曲的轴心压杆初弯曲的轴心压杆397假定两端铰支轴心压杆的初弯曲曲线为：假定两端铰支轴心压杆的初弯曲曲线为： 当当N作用时，杆的挠度增加值为作用时，杆的挠度增加值为y, , 则由杆段内外力则由杆段内外力矩平衡得矩平衡得: :将式将式4-13代入上式，得代入上式，得: :398 根据前述推导可知，根据前述推导可知，N作用下增加的挠度也呈

224、正弦曲作用下增加的挠度也呈正弦曲线分布，即线分布，即将上式代入式将上式代入式4-14，整理得，整理得因因sin(x/l)0，则必有，则必有: :因此因此: :399图图4.3.13有初弯曲压杆的压力挠度曲线有初弯曲压杆的压力挠度曲线杆长中点总挠度为：杆长中点总挠度为：0.51.00vv0 0=0.3=0.3v0 0=0.1=0.1v0 0=0=0ABBA弹性弹性虚线表示进入弹塑性虚线表示进入弹塑性400 对对于于仅仅考考虑虑初初弯弯曲曲的的轴轴心心压压杆杆，截截面面边边缘缘开开始始屈屈服服的条件为：的条件为：式中式中: :初弯曲率初弯曲率欧拉临界应力欧拉临界应力W W毛截面模量毛截面模量401

225、 解式解式4-18，其有效根即为以截面边缘屈服为准则的，其有效根即为以截面边缘屈服为准则的临界应力：临界应力： 上式称为柏利上式称为柏利(Perry)公式公式。402(3)(3)加载加载初偏心的影响初偏心的影响NNl/2 2l/2 2xyve0xye00e e0yNNN(e0+y)xy0x图图4.3.14 有初偏心的压杆有初偏心的压杆403 假设杆轴在受力前是顺假设杆轴在受力前是顺直直，在弹性工作阶段，微，在弹性工作阶段，微弯状态建立的微分方程为弯状态建立的微分方程为解微分方程，即得：解微分方程，即得：404压杆长度中点压杆长度中点（x=l/2）挠度最大，此时挠度最大，此时仅有初偏心轴心压杆的

226、压力仅有初偏心轴心压杆的压力挠度曲线如下图：挠度曲线如下图：1.01.00 0v ve e0 0=0.3=0.3e e0 0=0.1=0.1e e0 0=0=0A AB BB BA A弹性弹性虚线表示进入弹塑性虚线表示进入弹塑性 初初偏偏心心与与初初弯弯曲曲的的影影响响类类似似，在在制制订订设设计计标标准准时时，通通常常只只考考虑虑初弯曲影响情况。初弯曲影响情况。405 前面推导仅针对铰支支承情况，实际压杆支承千差万前面推导仅针对铰支支承情况，实际压杆支承千差万别，对于任意支承情况的压杆，其临界力为：别，对于任意支承情况的压杆，其临界力为：(4)(4)杆端约束对轴心压杆整体稳定的影响杆端约束对

227、轴心压杆整体稳定的影响406表表1 1 压杆计算长度系数压杆计算长度系数自由转动自由转动自由侧移自由侧移无转动无转动自由侧移自由侧移自由转动自由转动无侧移无侧移2.02.062.12.051.21.041.01.030.800.702无转动无转动无侧移无侧移0.650.501端部条件端部条件符号符号的建议值的建议值的理论值的理论值简图简图项次项次4076 6、实际轴心压杆的极限承载力、实际轴心压杆的极限承载力 实际压杆不可能处于理想状态，有初弯曲、初偏实际压杆不可能处于理想状态，有初弯曲、初偏心、残余应力等多种不利因素的影响，实际压杆的失心、残余应力等多种不利因素的影响，实际压杆的失稳称为极值

228、形失稳，是第二类稳定问题。稳称为极值形失稳，是第二类稳定问题。 目前，我国规范采用极限承载力准则进行轴心压目前，我国规范采用极限承载力准则进行轴心压杆弯曲失稳计算，计算时考虑了残余应力和初偏心缺杆弯曲失稳计算，计算时考虑了残余应力和初偏心缺陷的影响，采用数值积分法计算（压杆挠度曲线法或陷的影响，采用数值积分法计算（压杆挠度曲线法或逆算单元杆长法等）。逆算单元杆长法等）。4087 7、轴心受压构件整体稳定的设计准则、轴心受压构件整体稳定的设计准则 （1 1）屈服准则：以理想压杆为计算模型，弹性段）屈服准则：以理想压杆为计算模型，弹性段以欧拉临界力为基础，弹塑性段以切线模量为基础，以欧拉临界力为基

229、础，弹塑性段以切线模量为基础，用安全系数考虑初始缺陷的不利影响。用安全系数考虑初始缺陷的不利影响。 （2 2）边缘屈服准则：以有初弯曲和初偏心的压杆）边缘屈服准则：以有初弯曲和初偏心的压杆为模型，以截面边缘应力达到屈服点为其承载力极限。为模型，以截面边缘应力达到屈服点为其承载力极限。柏利柏利(Perry)公式是其中的一种，其实质是考虑压力二公式是其中的一种，其实质是考虑压力二阶效应的强度计算式，把稳定问题按强度问题处理，阶效应的强度计算式，把稳定问题按强度问题处理，本身就存在着很大的缺陷。本身就存在着很大的缺陷。409 （3 3）压溃准则，即最大强度准则：以有初始缺陷）压溃准则，即最大强度准则

230、：以有初始缺陷的实际压杆为模型，考虑截面的塑性发展，以最终破的实际压杆为模型，考虑截面的塑性发展，以最终破坏的最大荷载为其极限承载力。坏的最大荷载为其极限承载力。 （4 4）经验公式：以试验数据为依据。）经验公式：以试验数据为依据。8 8、轴心受压构件的柱子曲线、轴心受压构件的柱子曲线 压杆失稳时临界应力压杆失稳时临界应力cr与长细比与长细比之间的关系曲线之间的关系曲线称为柱子曲线。称为柱子曲线。 我国规范给定的临界应力我国规范给定的临界应力cr，是按最大强度准则并，是按最大强度准则并通过数值分析确定的。通过数值分析确定的。410 规范在制定轴心受压构件的柱子曲线时，根据不同规范在制定轴心受压

231、构件的柱子曲线时，根据不同截面形状和尺寸、不同加工条件和相应的残余应力分布截面形状和尺寸、不同加工条件和相应的残余应力分布和大小、不同的弯曲屈曲方向以及和大小、不同的弯曲屈曲方向以及l/1000的最大初弯曲的最大初弯曲, ,按照最大强度准则，对多种实腹式轴心受压构件弯曲失按照最大强度准则，对多种实腹式轴心受压构件弯曲失稳算出了近稳算出了近200条柱子曲线。条柱子曲线。 规范将这些曲线分成四组，也就是将分布带分成四规范将这些曲线分成四组，也就是将分布带分成四个窄带，取每组的平均值曲线作为该组代表曲线，给出个窄带，取每组的平均值曲线作为该组代表曲线，给出a、b、c、d四条柱子曲线。四条柱子曲线。4

232、11图图4.3.14我国的柱子曲线我国的柱子曲线4129 9、轴心受压构件的整体稳定计算、轴心受压构件的整体稳定计算 轴心受压构件不发生整体失稳的条件为，截面轴心受压构件不发生整体失稳的条件为，截面应力不大于临界应力，考虑抗力分项系数应力不大于临界应力，考虑抗力分项系数R后，即后，即为：为：413公式使用说明：公式使用说明： （1 1）截面分类，查表可得，如下：）截面分类，查表可得，如下：表表2 2 轴心受压构件截面分类（板厚轴心受压构件截面分类（板厚t40mm）a a类类 a a类类b b类类a a类类对对y y轴轴对对x x轴轴截面形式截面形式x xx xy yy yx xy yh hb

233、b轧制，轧制，b/h0.8b/h0.8b b类类 b b类类 x xy yh hb b轧制，轧制，b/hb/h0.80.8焊接焊接x xx xy yy y轧制轧制414b b类类b b类类 焊接，焊接，翼缘为焰切翼缘为焰切边边轧制等轧制等边角钢边角钢x xx xy yy yx xx xx xy yy yx xy yy yx xx xy yy yx xy yx xx xy yy yx xx xy yy y对对y y轴轴对对x x轴轴截面形式截面形式轧制、焊接轧制、焊接板件宽厚比板件宽厚比大于大于2020x xy yx xy yx xy y轧制或轧制或焊接焊接轧制截面和翼轧制截面和翼缘为焰切边的缘

234、为焰切边的焊接截面焊接截面y yx xx xy y焊接，板件焊接，板件边缘焰切边缘焰切x xx xy yy y415对对y y轴轴对对x x轴轴截面形式截面形式c c类类 c c类类c c类类b b类类焊接，翼缘为焊接，翼缘为轧制或剪切边轧制或剪切边x xx xy yy yx xx xy yy yx xx xy yy y焊接，翼缘为焊接，翼缘为轧制或剪切边轧制或剪切边x xy yx xy y焊接，板件焊接，板件宽厚比宽厚比2020x xy yx xy yy yx xx xy yx xy y焊接焊接b b类类b b类类格构式格构式x xy yy yx xy yx xy yx x416轴心受压构件

235、截面分类（板厚轴心受压构件截面分类（板厚t40mm） c c类类 c c类类板件宽厚比小于等于板件宽厚比小于等于2020 d d类类 c c类类翼缘为轧制或剪切边翼缘为轧制或剪切边板件宽厚比大于板件宽厚比大于2020翼缘为焰切边翼缘为焰切边 d d类类 c c类类 t80mm t80mm t t80mm80mm c c类类 b b类类 b b类类 b b类类 b b类类 b b类类对对y y轴轴对对x x轴轴截面形式截面形式x xy yh hb b轧制工字形轧制工字形或或H H形截面形截面焊接工字焊接工字形形截面形形截面x xx xy yy yx xy y焊接箱形截面焊接箱形截面417（2 2

236、）构件长细比的确定）构件长细比的确定截面为双轴对称或极对称构件：截面为双轴对称或极对称构件：x xx xy yy y 对双轴对称十字形截面，为了防止发生扭转屈曲，对双轴对称十字形截面，为了防止发生扭转屈曲，尚应满足：尚应满足：lox、loy构件对主轴构件对主轴x x和和y y的计算长度；的计算长度；ix、iy构件截面对主轴构件截面对主轴x x和和y y的回转半径。的回转半径。x xx xy yy yx xx xy yy yb bt t418截面为单轴对称的构件：截面为单轴对称的构件： 绕非对称轴绕非对称轴x x轴失稳形式为弯曲失稳，长细比：轴失稳形式为弯曲失稳，长细比：x xx xy yy y

237、 绕对称轴绕对称轴y y轴失稳时，一般为弯扭失稳，其临界轴失稳时，一般为弯扭失稳，其临界力比弯曲失稳的要低，所以计算时，以计及扭转效力比弯曲失稳的要低，所以计算时，以计及扭转效应的换算长细比应的换算长细比yz代替代替y ，计算公式如下：，计算公式如下：x xx xy yy y419Eo截面形心至剪切中心的距离；截面形心至剪切中心的距离；Io截面对剪切中心的极回转半径；截面对剪切中心的极回转半径；y构件对对称轴的长细比；构件对对称轴的长细比；z扭转屈曲的换算长细比；扭转屈曲的换算长细比；It毛截面抗扭惯性矩；毛截面抗扭惯性矩；A毛截面面积；毛截面面积；式中：式中：420 I毛截面扇性惯性矩，对毛

238、截面扇性惯性矩，对T T形截面（轧制、双板焊接、形截面（轧制、双板焊接、双角钢组合）、十字形截面和角形截面可近似取双角钢组合）、十字形截面和角形截面可近似取I=0； l扭转屈曲的计算长度，对两端铰接端部截面可自扭转屈曲的计算长度，对两端铰接端部截面可自由翘曲或两端嵌固端部截面的翘曲完全受到约束的构件，取由翘曲或两端嵌固端部截面的翘曲完全受到约束的构件，取l=loy。讨论讨论1 1：剪切中心：剪切中心 剪心是截面的一个特征剪心是截面的一个特征, ,仅与截面的形状、尺寸有关，仅与截面的形状、尺寸有关，与荷载无关。与荷载无关。 截面剪心的位置具有以下规律：截面剪心的位置具有以下规律： 在构件截面上有

239、一特殊点在构件截面上有一特殊点S，当外力产生的剪力作用在，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，这一点该点时构件只产生线位移，不产生扭转，这一点S称为构件称为构件的剪切中心，也称弯曲中心。的剪切中心，也称弯曲中心。421（A）有对称轴的截面，剪心一定在对称轴上；有对称轴的截面，剪心一定在对称轴上；（B）双轴对称截面，剪心与形心重合；双轴对称截面，剪心与形心重合；（C）由矩形薄板相交于一点组成的截面，剪心必在交点上。由矩形薄板相交于一点组成的截面，剪心必在交点上。xxyyS,OxxyyS,OxxyyOSxxyyOSOSyxxOS图图4.3.15 简单截面的剪切中心简单截面的剪

240、切中心S和形心和形心O位置位置422讨论讨论2 2：抗扭惯性矩：抗扭惯性矩自由扭转时的截面特性自由扭转时的截面特性(A)(A)矩形狭长截面的抗扭惯性矩为：矩形狭长截面的抗扭惯性矩为：(B)(B)对由狭长矩形截面组成的截面，其抗扭惯性矩为：对由狭长矩形截面组成的截面，其抗扭惯性矩为： 式中式中, ,bi相相ti是组成截面各狭长矩形的宽度和厚度，是组成截面各狭长矩形的宽度和厚度，k是考虑各组成截面实际是连续的影响而引人的增大系数，是考虑各组成截面实际是连续的影响而引人的增大系数，对角形截面可取对角形截面可取：k=1.0；对；对T T形截面可取形截面可取k=1.15；对槽；对槽形截面可取形截面可取k

241、=1.12；工字型截面可取；工字型截面可取k=1.25。423讨论讨论3 3：扇性惯性矩：扇性惯性矩开口薄壁杆件约束扭转时的截面开口薄壁杆件约束扭转时的截面 特性特性 EI是构件的翘曲刚度，与前述弯曲刚度是构件的翘曲刚度，与前述弯曲刚度EIx和扭转和扭转刚度刚度GIt相对应。一般由公式计算，例如单轴对称工字相对应。一般由公式计算，例如单轴对称工字形截面的形截面的I为为x xx xy yy yh h图图4.3.16424式中式中： I1，I2为工字形截面较大翼缘和较小翼缘各对工为工字形截面较大翼缘和较小翼缘各对工字截面对称轴字截面对称轴y的惯性矩；的惯性矩； Iy=I1+I2； h为上、下两翼缘

242、板形心间的距离为上、下两翼缘板形心间的距离。 注意：注意：I的量纲是长度的的量纲是长度的6 6次方，这与次方，这与Ix、Iy、It量纲为长度的量纲为长度的4次方不同。次方不同。双轴对称工字形截面的双轴对称工字形截面的425角钢截面简化计算方法角钢截面简化计算方法 单角钢截面和双角钢组合单角钢截面和双角钢组合T形截面绕对称轴形截面绕对称轴y轴换算长轴换算长细比细比yz可用下列简化方法确定：可用下列简化方法确定：y yy yt tb b（A A）等边单角钢截面）等边单角钢截面等边单角钢等边单角钢 yzyz简化公式简化公式 条条 件件426（B B）等边双角钢截面）等边双角钢截面 条条 件件 yz简

243、化公式简化公式等边双角钢等边双角钢y yy yb bb b427（C C）长肢相并的不等边角钢截面）长肢相并的不等边角钢截面 条条 件件 yz简化公式简化公式不等边双角钢不等边双角钢（长肢相并）（长肢相并） b b1 1b b2 2y yy yb b2 2b b2 2b b1 1428（D D）短肢相并的不等边角钢截面）短肢相并的不等边角钢截面 条件条件 yz简化公式简化公式不等边双角钢不等边双角钢（短肢相并）（短肢相并） b b1 1b b2 2y yy yb b2 2b b1 1b b1 1429（E E）单轴对称的轴心受压构件在绕非对称轴以外的任意）单轴对称的轴心受压构件在绕非对称轴以外

244、的任意轴失稳时，应按弯扭屈曲计算其稳定性。轴失稳时，应按弯扭屈曲计算其稳定性。 条条 件件 uzuz简化公式简化公式等边双角钢等边双角钢 当计算等边角钢构件绕平行轴（当计算等边角钢构件绕平行轴（u轴轴) )稳定时，可按稳定时，可按下表计算换算长细比，并按下表计算换算长细比，并按b类截面确定类截面确定值。值。u uu ub b 为构件对为构件对u轴的长细比。轴的长细比。430其他注意事项：其他注意事项： （A）无任何对称轴且又非极对称的截面（单面连接无任何对称轴且又非极对称的截面（单面连接的不等边角钢除外）不宜用作轴心受压构件；的不等边角钢除外）不宜用作轴心受压构件； （B）单面连接的单角钢轴心

245、受压构件，考虑强度折单面连接的单角钢轴心受压构件，考虑强度折减系数后，可不考虑弯扭效应的影响；减系数后，可不考虑弯扭效应的影响； （C）格构式截面中的槽形截面分肢，计算其绕对称格构式截面中的槽形截面分肢，计算其绕对称轴（轴（y轴）的稳定性时，不考虑扭转效应，直接用轴）的稳定性时，不考虑扭转效应，直接用y查稳查稳定系数。定系数。y yy yx xx x实轴实轴虚轴虚轴4314.3.2 4.3.2 局部稳定的计算局部稳定的计算1 1、薄板屈曲基本原理、薄板屈曲基本原理 板件根据其宽厚比大小可分为厚板、薄板和宽薄板板件根据其宽厚比大小可分为厚板、薄板和宽薄板三种。其中薄板短方向宽度三种。其中薄板短方

246、向宽度b与厚度与厚度t之比，大概是在下之比，大概是在下列范围之内：列范围之内： 5-8b/t1时时值变化不大。值变化不大。 上式表达的临界力与压力方向的板长无关，而与垂上式表达的临界力与压力方向的板长无关，而与垂直于压力方向的板宽直于压力方向的板宽b的平方成反比。所以，减小板长的平方成反比。所以，减小板长并不能提高并不能提高Ncr，但减小板宽可明显提高但减小板宽可明显提高Ncr。 因此，得临界荷载为：因此，得临界荷载为：板在弹性阶段的临界应力表达式板在弹性阶段的临界应力表达式440 对于其它支承条件的单向均匀受压薄板，采用相同对于其它支承条件的单向均匀受压薄板，采用相同的分析方法可得相同的临界

247、应力表达式，但的分析方法可得相同的临界应力表达式，但值不同，值不同，结果如下：结果如下：三边简支，与压力平行的一边自由的矩形板三边简支，与压力平行的一边自由的矩形板与压力平行的一边为固定，一边为简支时：与压力平行的一边为固定，一边为简支时：与压力平行的两边为固定时：与压力平行的两边为固定时：与压力平行的一边为固定，一边为自由时：与压力平行的一边为固定，一边为自由时：441 对于各种支承条件的单向均匀受压薄板，对于各种支承条件的单向均匀受压薄板，值结果汇值结果汇总如下：总如下： 综上所述，单向均匀受压薄板弹性阶段的临界力及临综上所述，单向均匀受压薄板弹性阶段的临界力及临界应力的计算公式可统一表达

248、为：界应力的计算公式可统一表达为：b ba a侧边侧边侧边侧边=4=4=5.42=5.42 =6.97=6.97=0.425=0.425=1.277=1.277简简支支简简支支442 式中：式中： 为板边缘的弹性约束系数。为板边缘的弹性约束系数。（4 4）单向均匀受压薄板弹塑性屈曲应力）单向均匀受压薄板弹塑性屈曲应力 板件进入弹塑性状态后，在受力方向的变形遵循板件进入弹塑性状态后，在受力方向的变形遵循切线模量规律，而垂直受力方向则保持弹性，因此板切线模量规律，而垂直受力方向则保持弹性，因此板件属于正交异性板。其屈曲应力可用下式表达：件属于正交异性板。其屈曲应力可用下式表达：443 2. 2.

249、轴心受压构件的局部稳定的验算轴心受压构件的局部稳定的验算 在外压力作用下，截面的某些板件部分，不能继续维在外压力作用下，截面的某些板件部分，不能继续维持平面平衡状态而产生凸曲现象，称为局部失稳。局部持平面平衡状态而产生凸曲现象，称为局部失稳。局部失稳会降低构件的承载力。失稳会降低构件的承载力。444解决方法：限制宽厚比或高厚比解决方法：限制宽厚比或高厚比计算原则：计算原则：等稳定性准则等稳定性准则。要求：板件局部失稳不先于构件整体。要求：板件局部失稳不先于构件整体失稳，即板件的临界应力不小于构件的临界应力，对工失稳，即板件的临界应力不小于构件的临界应力，对工字形截面构件和字形截面构件和T T形

250、截面构件采用此原则。形截面构件采用此原则。 图图4.3.21 轴心受压构件的局部失稳轴心受压构件的局部失稳腹板失稳腹板失稳ABCDEFA翼缘失稳翼缘失稳AODEPCBGb1445 由上式，即可确定局部失稳不先于整体失稳时，板由上式，即可确定局部失稳不先于整体失稳时，板件的宽厚比限值。件的宽厚比限值。对工字形截面：对工字形截面： 求翼缘板外伸肢宽厚比时，取求翼缘板外伸肢宽厚比时，取=1.0，=0.425； 求腹板高厚比时，取求腹板高厚比时，取=1.3，=4.0。 由上式得到的关系曲线较为复杂，为便于应用，由上式得到的关系曲线较为复杂，为便于应用，规范采用直线表达。规范采用直线表达。446b bt

251、 t020406080100102030b/t计算曲线计算曲线规范规范图图4.3.22工字形截面轴心压杆翼缘板的宽厚比（工字形截面轴心压杆翼缘板的宽厚比（Q235钢）钢）（A A）翼缘翼缘t tb b447式中式中:取构件两方向长细比较大者，取构件两方向长细比较大者， 当当100，取，取=100。b bt tt tb b翼缘翼缘 翼缘板自由外伸宽度翼缘板自由外伸宽度b的取值，我国设计规范中规定：的取值，我国设计规范中规定：对焊接构件取腹板边缘至翼缘板自由端的距离；对轧制对焊接构件取腹板边缘至翼缘板自由端的距离；对轧制构件取内圆弧起点至翼缘板自由端的距离。构件取内圆弧起点至翼缘板自由端的距离。4

252、4802040608010020406080h0/tw计算曲线计算曲线规范规范图图4.3.23 工字形截面轴心压杆腹板的宽厚比（工字形截面轴心压杆腹板的宽厚比（Q235Q235钢）钢）h0t tw w（B B）腹板腹板449式中：式中：取构件两方向长细比较大者，取构件两方向长细比较大者， 当当100，取，取=100。腹板腹板 腹板高度腹板高度h0的取值与翼缘板自由外伸宽度的取值与翼缘板自由外伸宽度b的取值方的取值方法相同。法相同。t tw wh h0 0h h0 0t tw w450对对T形截面：形截面： T形截面翼缘板：形截面翼缘板： t tb bb bt tt tw wh h0 0h h0

253、 0t tw w热轧剖分热轧剖分T形钢腹板形钢腹板焊接焊接T形钢腹板形钢腹板b bt t451双角钢双角钢T形截面腹板形截面腹板h h0 0t tw w强度准则。板件的局部屈曲临界应力大于或等于钢材强度准则。板件的局部屈曲临界应力大于或等于钢材屈服点，对箱形截面构件采用此原则。要求：屈服点，对箱形截面构件采用此原则。要求： 452箱形截面翼缘板箱形截面翼缘板b bb b0 0t th h0 0t tw w箱形截面腹板箱形截面腹板注意：箱形截面限值与长细比无关（强度准则）注意：箱形截面限值与长细比无关（强度准则） 3. 3.轴压构件的腹板局部稳定不满足时的解决措施轴压构件的腹板局部稳定不满足时的

254、解决措施（1 1）增加腹板厚度。此法不一定经济。）增加腹板厚度。此法不一定经济。453 （2 2）采用有效截面验算。对于工字形、）采用有效截面验算。对于工字形、 H形和箱形形和箱形截面，当腹板高厚比不满足以上规定时，在计算构件的截面，当腹板高厚比不满足以上规定时，在计算构件的强度和稳定性时，腹板截面取有效截面，即取腹板计算强度和稳定性时，腹板截面取有效截面，即取腹板计算高度范围内两侧各为高度范围内两侧各为 部分，但计算构件部分，但计算构件的稳定系数时仍取全截面。的稳定系数时仍取全截面。t tw wh h0 0腹板屈曲后有效截面腹板屈曲后有效截面454 （3 3）设纵向加劲肋。对于）设纵向加劲肋

255、。对于H H形、形、工字形和箱形截面腹板高厚比不满工字形和箱形截面腹板高厚比不满要求时，也可以在腹板中部设置纵要求时，也可以在腹板中部设置纵向加劲肋。纵向加劲肋与翼缘间的向加劲肋。纵向加劲肋与翼缘间的腹板，应满足高厚比限值。腹板，应满足高厚比限值。 纵纵向向加加劲劲肋肋宜宜在在腹腹板板两两侧侧成成对对配配置置，其其一一侧侧的的外外伸伸宽宽度度不不应应小小于于10tw，厚度不应小于，厚度不应小于0.75tw。腹板加劲肋腹板加劲肋纵向加劲肋纵向加劲肋横横向向加加劲劲肋肋h h0 0图图4.3.24455第第4.44.4节节 轴心受压柱的设计轴心受压柱的设计1. 1. 实腹柱设计实腹柱设计2. 2.

256、 格构柱设计格构柱设计3. 3. 柱的横隔柱的横隔掌握轴心受压柱的设计方法、设计步骤掌握轴心受压柱的设计方法、设计步骤及主要构造要求及主要构造要求本节目录本节目录基本要求基本要求4564.4.1 4.4.1 实腹柱设计实腹柱设计1 1、截面形式、截面形式 图图4.4.1轴心受压实腹柱常用截面轴心受压实腹柱常用截面xyixiy=37(a)xyixiy1.8(b)ixiy1.6xy(c)xyixiy1.7(d)xyixiy1(e)xy(f)xyixiy1(g)xyixiy=1(h)xyixiy11.8(j)xyixiy1(k)xy(l)ixiy1(i)xy4572 2、截面的选取原则、截面的选取原

257、则（2 2）尽量满足两主轴方向的等稳定要求）尽量满足两主轴方向的等稳定要求, ,即：即： , ,以达到经济要求；以达到经济要求；（4 4）尽可能构造简单，制造省工，取材方便。）尽可能构造简单，制造省工，取材方便。 （1 1）截面积的分布尽量展开，以增加截面的惯性矩和回转）截面积的分布尽量展开，以增加截面的惯性矩和回转半径，从而提高柱的整体稳定性和刚度；半径，从而提高柱的整体稳定性和刚度；（3 3）便于其他构件的连接；）便于其他构件的连接；3 3、截面设计、截面设计 截面设计时，首先按上述原则选定合适的截面形式，再截面设计时，首先按上述原则选定合适的截面形式，再初步选择截面尺寸，然后进行强度、整

258、体稳定、局部稳定、初步选择截面尺寸，然后进行强度、整体稳定、局部稳定、刚度等的验算。刚度等的验算。458具体步骤如下：具体步骤如下：（1 1）截面面积）截面面积A的确定的确定假定假定=50-100，当压力大而杆长小时取小值，反，当压力大而杆长小时取小值，反之取大值，根据之取大值，根据和截面分类、钢材种类，查得稳定和截面分类、钢材种类，查得稳定系数系数，则需要的截面面积为：，则需要的截面面积为：（2 2）求两主轴方向的回转半径：）求两主轴方向的回转半径：459（3 3）由截面面积）由截面面积A A和两主轴方向的回转半径和两主轴方向的回转半径ix，iy，优先选，优先选用轧制型钢，如工字钢、用轧制型

259、钢，如工字钢、H H型钢等。型钢截面不能满足时，型钢等。型钢截面不能满足时，选用组合截面，组合截面的尺寸可由回转半径确定。选用组合截面，组合截面的尺寸可由回转半径确定。 1、2为系数，表示为系数，表示h、b和回转半径之间的近似数值关系。和回转半径之间的近似数值关系。460（4 4）由求得的）由求得的A、h、b，综合考虑构造、局部稳定、钢，综合考虑构造、局部稳定、钢材规格等，确定截面尺寸。材规格等，确定截面尺寸。表表3各种截面回转半径的近似值各种截面回转半径的近似值0.20b0.24b0.215b0.40b0.60b0.44b0.24b0.32h0.28h0.30h0.40h0.38h0.38h

260、0.43h截面截面xbyhxbyhxbyhxb=hyhxbyhxbyhxbyh461（5 5）构件验算：）构件验算：截面有削弱时，需进行强度验算。截面有削弱时，需进行强度验算。整体稳定验算：整体稳定验算：局部稳定验算局部稳定验算 局部稳定通过限制宽厚比来保证。对于热轧型钢局部稳定通过限制宽厚比来保证。对于热轧型钢截面，因板件的宽厚比较小，一般能满足要求，可不截面，因板件的宽厚比较小，一般能满足要求，可不进行局部稳定的验算。进行局部稳定的验算。刚度验算刚度验算 通过限制长细比来保证。可与整体稳定验算同时通过限制长细比来保证。可与整体稳定验算同时进行。进行。4624 4、构造要求、构造要求 对于实

261、腹式柱，当腹板的高厚比对于实腹式柱，当腹板的高厚比h0/tw80时，为提时，为提高柱的抗扭刚度，防止腹板在运输和施工中发生过大的高柱的抗扭刚度，防止腹板在运输和施工中发生过大的变形，应设横向加劲肋，要求如下：变形，应设横向加劲肋，要求如下： 相邻横向加劲肋间距相邻横向加劲肋间距3h0； 外伸宽度外伸宽度bsh0/30+40mm； 厚度厚度tsbs/15。 对于组合截面，其翼缘与腹对于组合截面，其翼缘与腹 板间的焊缝受力较小，可不计算，板间的焊缝受力较小，可不计算， 按构造选定焊脚尺寸即可。按构造选定焊脚尺寸即可。b bs s3h3h0 0h0t ts s4634.4.2 4.4.2 格构柱设计

262、格构柱设计1 1、截面形式、截面形式 图图4.4.2轴心受压格构柱常用截面轴心受压格构柱常用截面yyxx(a)yyxx(b)yyxx(d)yyxx(c)yyxx(e)图图4.4.3格构柱缀材布置格构柱缀材布置缀条柱缀条柱缀板柱缀板柱yyxx11l1柱肢柱肢缀条缀条11l1柱肢柱肢缀板缀板l01abh464格构柱格构柱缀条格构柱缀条格构柱缀板格构柱缀板格构柱2 2、格构柱的分类、格构柱的分类 在柱的横截面上穿过构件腹板的轴叫实轴，穿过两在柱的横截面上穿过构件腹板的轴叫实轴，穿过两肢之间缀材面的轴叫虚轴。肢之间缀材面的轴叫虚轴。y yy yx xx x单虚轴单虚轴实轴实轴虚轴虚轴x xx xy y

263、y y双虚轴双虚轴虚轴虚轴虚轴虚轴4653 3、截面选取原则、截面选取原则 等稳定性原则：通过调整两肢间的距离，实现对两等稳定性原则：通过调整两肢间的距离，实现对两主轴的等稳定性。主轴的等稳定性。4 4、格构式轴压构件设计、格构式轴压构件设计（1 1）强度计算）强度计算N轴心压力设计值；轴心压力设计值； An柱肢净截面面积之和。柱肢净截面面积之和。y yy yx xx x实轴实轴虚轴虚轴柱肢柱肢466（2 2）整体稳定验算）整体稳定验算 格构柱绕实轴的稳定计算与实腹柱一样。但绕虚轴格构柱绕实轴的稳定计算与实腹柱一样。但绕虚轴的整体稳定临界力比实腹柱低。的整体稳定临界力比实腹柱低。 轴心受压构件

264、整体弯曲后，沿杆长各截面上将存在轴心受压构件整体弯曲后，沿杆长各截面上将存在弯矩和剪力。对实腹式构件弯矩和剪力。对实腹式构件, ,剪力引起的附加变形很小剪力引起的附加变形很小, ,对临界力的影响只占对临界力的影响只占31000左右。因此，在确定实腹左右。因此，在确定实腹式轴心受压构件整体稳定的临界力时，仅仅考虑了由弯式轴心受压构件整体稳定的临界力时，仅仅考虑了由弯矩作用所产生的变形，而忽略了剪力所产生的变形。矩作用所产生的变形，而忽略了剪力所产生的变形。 467 对于格构式柱，当绕虚轴失稳时，情况有所不同，对于格构式柱，当绕虚轴失稳时，情况有所不同，因被件之间并不是连续的板而只是每隔一定距离用

265、缀条因被件之间并不是连续的板而只是每隔一定距离用缀条或缀板联系起来。柱的剪切变形较大，剪力造成的附加或缀板联系起来。柱的剪切变形较大，剪力造成的附加挠曲影响就不能忽略。在格构式柱的设计中，对虚轴失挠曲影响就不能忽略。在格构式柱的设计中，对虚轴失稳的计算，常以加大长细比的办法来考虑剪切变形的影稳的计算，常以加大长细比的办法来考虑剪切变形的影响，加大后的长细比称为换算长细比。响，加大后的长细比称为换算长细比。 钢结构设计规范对缀条柱和缀板柱采用不同的换算钢结构设计规范对缀条柱和缀板柱采用不同的换算长细比计算公式。长细比计算公式。根据弹性稳定理论，当考虑剪力影响后，其临界力根据弹性稳定理论，当考虑剪

266、力影响后，其临界力可表达为可表达为468格构柱绕虚轴临界力换算为实腹柱临界力的换算长细比。格构柱绕虚轴临界力换算为实腹柱临界力的换算长细比。式中：式中：单位剪力作用下的轴线转角。单位剪力作用下的轴线转角。以上公式中假定以上公式中假定x x轴为虚轴。轴为虚轴。469对实轴（对实轴（y-y轴）的整体稳定计算轴）的整体稳定计算 因因很小，因此可以忽略剪切变形，很小，因此可以忽略剪切变形，y计算与实腹计算与实腹柱相同柱相同, ,稳定计算公式为：稳定计算公式为：x xy yy yx x实轴实轴虚轴虚轴对虚轴对虚轴（x-x）的整体稳定计算的整体稳定计算 绕绕虚虚轴轴弯弯曲曲屈屈曲曲时时，因因缀缀材材的的剪

267、剪切切刚刚度度较较小小，剪剪切切变变形形较较大大，则则不不能能被被忽忽略略，因因此此绕绕虚虚轴轴弯弯曲曲屈屈曲曲临临界界力为：力为：470整体稳定计算公式为：整体稳定计算公式为： 对虚轴整体稳定计算需要首先确定换算长细比对虚轴整体稳定计算需要首先确定换算长细比0x, ,由由于不同的缀材体系剪切刚度不同，于不同的缀材体系剪切刚度不同，亦不同，所以换算亦不同，所以换算长细比也不相同。下面分别推导缀条式和缀板式体系的长细比也不相同。下面分别推导缀条式和缀板式体系的换算长细比公式。换算长细比公式。471（A A）双肢缀条柱：）双肢缀条柱： 取一个节间进行分析。设节间长度为取一个节间进行分析。设节间长度

268、为l1 ，斜缀条与柱，斜缀条与柱竖向轴线夹角为竖向轴线夹角为，则斜缀条长度为：，则斜缀条长度为： 在单位剪力作用在单位剪力作用下一侧缀条所受剪力下一侧缀条所受剪力V1=1/2, ,则一侧斜缀则一侧斜缀条内力为：条内力为：V VV V横缀条横缀条斜缀条斜缀条V V1 1=1/2=1/2d dl l1 1l ld da ab bc cd db bV V1 1=1/2=1/2472一侧斜缀条轴向变形为：一侧斜缀条轴向变形为： 假设变形和剪切角假设变形和剪切角是是有限有限的的微小微小值值，则由斜缀条轴则由斜缀条轴向伸长引起的向伸长引起的水平变形为：水平变形为：故故剪切角剪切角为：为：473将将代入换算

269、长细比公式，则有：代入换算长细比公式，则有：代入代入10203040506070809010080604020027 当当在在4040-70-70之间范围，之间范围， 值变化不大值变化不大, , 所以规所以规范近似取为范近似取为2727。474因此，规范给出的双肢缀条柱的换算长细比为：因此，规范给出的双肢缀条柱的换算长细比为：式中式中: :x两柱肢两柱肢对虚对虚轴轴的长细比；的长细比； A两柱肢两柱肢的毛截面面积的毛截面面积之和之和； A1一个节间内两一个节间内两侧侧斜斜缀缀条毛截面面积之和。条毛截面面积之和。 注意：注意：当当不在不在4070之间范围内时，规范简化之间范围内时，规范简化公式偏

270、于不安全，应按一般公式计算换算长细比。公式偏于不安全，应按一般公式计算换算长细比。（B B）双肢缀板柱：）双肢缀板柱： 缀板与肢件缀板与肢件可视为可视为刚接，刚接，因而分因而分肢肢和和缀板组成一多缀板组成一多层刚架；假定弯曲变形的反弯点层刚架；假定弯曲变形的反弯点在在各节间的中点各节间的中点。475 若若只考虑只考虑分分肢肢和和缀板缀板在在剪力作用下的弯曲变形剪力作用下的弯曲变形，取取隔离体如下：隔离体如下：a a1 1- -2 21- -2 21 1- -2 21 1- -2 2l1 1- -2 2l1 1- -2 2l1 1- -a aT T= =1 11 12 2l1 1a aI I1

271、1I Ib bx xa ax x1 11 1x xa ax x1 11 1l1 1a a图图4.4.4476分肢弯曲变形引起的水平位移分肢弯曲变形引起的水平位移2为为: : 单位剪力作用下缀板的弯曲变形引起的分肢水平位移单位剪力作用下缀板的弯曲变形引起的分肢水平位移1: :l l1 1- -a aT=T=1 11可按下列模型计算可按下列模型计算: : 1 1- -2 2l l1 1- -2 22 2477因此，剪切角因此，剪切角: :将将代入换算长细比公式，则有：代入换算长细比公式，则有：代入代入4782-2tdl1为相邻缀板中心间距为相邻缀板中心间距I1为一个分肢绕弱轴的惯性矩为一个分肢绕弱

272、轴的惯性矩a为两分肢轴线间的距离为两分肢轴线间的距离Ib为两侧缀板的惯性矩，右图为两侧缀板的惯性矩，右图中中2-2所示，则所示，则 为保证缀板有足够的刚度，规范要为保证缀板有足够的刚度，规范要求：缀板宽度求：缀板宽度d2a/3，厚度，厚度ta/40且不且不小于小于6mm；端缀板宜适当加宽，一般取；端缀板宜适当加宽，一般取d=a。x xa ax x1 11 1l1 1a a22d图图4.4.5479 所以规范规定双肢缀板柱的换算长细比采用下式所以规范规定双肢缀板柱的换算长细比采用下式计算：计算：当当 时：时： 规范要求：同一截面处两侧缀板线刚度之和应大于规范要求：同一截面处两侧缀板线刚度之和应大

273、于6倍的一个分肢线刚度，即倍的一个分肢线刚度，即 假设分肢截面面积假设分肢截面面积所以所以480式中：式中： 注意：注意：l01与前面的与前面的l1二者含义不同，二者含义不同，l01为规范规为规范规定取值，与推导公式时含义有所区别。定取值，与推导公式时含义有所区别。 当当 时，不能采用规范简化后的公式计时，不能采用规范简化后的公式计算。算。481表表4 4 格构式截面的换算长细比汇总格构式截面的换算长细比汇总xxyyII(a)xxyyII(b)xxyy(c)2 24 4oxox= = x x2 2+ + y y= = y y2 2+ +缀条缀条5 5 oxox= = x x2 2+40 +40

274、 oyoy= = y y2 2+40+40缀条缀条oxox= = x x2 2+1 12 2 oxox= = y y2 2+1 12 2缀板缀板3 3 oxox= = x x2 2+27+27缀条缀条x x、 x x- -整个构件对整个构件对x x和和y y轴的长细比轴的长细比1 1- -单肢对最小刚度单肢对最小刚度轴轴1-11-1的长细比，其计的长细比，其计算长度取：焊接时，算长度取：焊接时，为相邻两缀板间的净为相邻两缀板间的净距离，螺栓连接时，距离，螺栓连接时，为相邻两缀板边缘螺为相邻两缀板边缘螺栓的最近距离栓的最近距离A A1x1x、 A A1y1y- -构件横截面构件横截面中垂直与中垂

275、直与x x和和y y轴的各轴的各斜缀条毛截面积之和斜缀条毛截面积之和A A1 1- -构件横截面中各斜构件横截面中各斜缀条毛截面积之和缀条毛截面积之和-构件截面内缀条所构件截面内缀条所在平面与在平面与x x轴的夹角轴的夹角符号意义符号意义oxox= = x x2 2+1 12 2计算公式计算公式缀板缀板缀材类别缀材类别构件截面尺寸构件截面尺寸1 1项次项次A AA A1x1xA AA A1x1xA AA A1x1x42A42AA A1 1(1.5-cos(1.5-cos2 2)42A42AA A1 1coscos2 2482（3 3）分肢稳定性）分肢稳定性 为保证分肢不先于整体失稳，应满足：为

276、保证分肢不先于整体失稳，应满足：缀条柱的分肢长细比：缀条柱的分肢长细比：缀板柱的分肢长细比缀板柱的分肢长细比：483 （4 4）缀材设计）缀材设计 对两端铰接轴心受压柱，绕虚轴失稳弯曲时，假对两端铰接轴心受压柱，绕虚轴失稳弯曲时，假定挠曲线为正弦曲线，跨中最大挠度为定挠曲线为正弦曲线，跨中最大挠度为v0，则沿杆长，则沿杆长任一点的挠度为：任一点的挠度为：轴心受压格构柱的横向剪力轴心受压格构柱的横向剪力 格构柱绕虚轴失稳发生弯曲时，缀材要承受横向格构柱绕虚轴失稳发生弯曲时，缀材要承受横向剪力的作用。因此，需要首先确定横向剪力的大小。剪力的作用。因此，需要首先确定横向剪力的大小。484Nlz zy

277、 yv0VNyv vmaxmaxv vmaxmax图图4.4.6剪力计算简图剪力计算简图剪力实际分布线剪力实际分布线规规范范规规定定分分布布截面任一点的弯矩为：截面任一点的弯矩为：485所以截面任一点的剪力为：所以截面任一点的剪力为：截面最大剪力在杆件两端，为：截面最大剪力在杆件两端，为： 跨度中点的挠度可由边缘纤维屈服准则导出。当截跨度中点的挠度可由边缘纤维屈服准则导出。当截面边缘最大应力达到屈服强度时，有：面边缘最大应力达到屈服强度时，有：486从而，得最大剪力为：从而，得最大剪力为：式中：式中： 经过计算分析，在常用长细比范围内，经过计算分析，在常用长细比范围内，k k可取为可取为常数，

278、即常数，即487 在设计时，假定横向剪力沿长度方向保持不变，且横在设计时，假定横向剪力沿长度方向保持不变，且横向剪力由各缀材面分担。向剪力由各缀材面分担。 因此，平行于缀材面的最大剪力为：因此，平行于缀材面的最大剪力为：488缀条的设计缀条的设计 缀条可视为以柱肢为弦杆的平行弦桁架的腹杆，缀条可视为以柱肢为弦杆的平行弦桁架的腹杆，在横向剪力作用下，一个斜缀条的轴心力为：在横向剪力作用下，一个斜缀条的轴心力为：单系缀条单系缀条缀条布置体系缀条布置体系交叉缀条交叉缀条V V1 1V V1 1V V1 1V V1 1489 V1=V/2 V1=V/2V剪力分配剪力分配490 由于剪力的方向不定，斜缀

279、条应按轴压构件计算，由于剪力的方向不定，斜缀条应按轴压构件计算，斜缀条一般采用单角钢与柱肢单面连接，考虑到受力偏斜缀条一般采用单角钢与柱肢单面连接，考虑到受力偏心和受压时的弯扭，按轴压构件设计时钢材设计强度应心和受压时的弯扭，按轴压构件设计时钢材设计强度应乘以折减系数乘以折减系数予以折减：予以折减： 按轴心受力计算强度和连接时，按轴心受力计算强度和连接时，=0.85； 按轴心受压计算稳定性：按轴心受压计算稳定性： 等边角钢等边角钢 =0.6+0.0015，且不大于，且不大于1.0； 短边相连的不等边角钢短边相连的不等边角钢=0.5+0.0025，且不大于，且不大于1.0； 长边相连的不等边角钢

280、长边相连的不等边角钢=0.70； 式中：式中：为缀条的长细比，对中间无联系的单角钢压为缀条的长细比，对中间无联系的单角钢压杆，按最小回转半径计算，当杆，按最小回转半径计算，当 20时，取时，取=20。491 横缀条设计方法：横缀条设计方法： 交叉缀条体系的横缀条应按轴压构件计算，取其内交叉缀条体系的横缀条应按轴压构件计算，取其内力力N=V1； 单缀条体系为减小分肢的计算长度，可设横缀条，单缀条体系为减小分肢的计算长度，可设横缀条，其截面一般与斜缀条相同，或按容许长细比其截面一般与斜缀条相同，或按容许长细比=150确定。确定。492缀板的设计缀板的设计 缀板柱可视为多层框架，其中肢件为框架立柱，

281、缀板柱可视为多层框架，其中肢件为框架立柱，缀板为横梁。当绕虚轴弯曲时，假定各层分肢中点和缀板为横梁。当绕虚轴弯曲时，假定各层分肢中点和缀板中点为反弯点。缀板中点为反弯点。 从柱中取隔离体，根据内力平衡可得缀板内力为：从柱中取隔离体，根据内力平衡可得缀板内力为：V V1 1/2/2l l1 12 2l l1 12 2V V1 1/2/2a/2a/2T TT TM Md d493剪力：剪力：剪力剪力T在缀板与肢件连接端部产生的弯矩在缀板与肢件连接端部产生的弯矩: :由由T T和和M M可对缀板与肢件的连接进行设计。可对缀板与肢件的连接进行设计。缀板的构造要求：宽度和厚度，线刚度要求如前所述。缀板的

282、构造要求：宽度和厚度，线刚度要求如前所述。494（3 3）格构柱的设计步骤）格构柱的设计步骤 格构柱的设计需首先确定柱肢截面和缀材形式。对格构柱的设计需首先确定柱肢截面和缀材形式。对于大型柱宜用缀条柱，中小型柱两种缀材均可。于大型柱宜用缀条柱，中小型柱两种缀材均可。 具体设计步骤如下：具体设计步骤如下： 按对实轴（按对实轴（y-y轴）的整体稳定确定柱分肢截面，轴）的整体稳定确定柱分肢截面，方法同实腹柱。方法同实腹柱。 按等稳定原则确定两分肢间距，即使按等稳定原则确定两分肢间距，即使0x=y。双肢缀条柱：双肢缀条柱：即：即：495双肢缀板柱：双肢缀板柱：即：即： 显然，为求得显然，为求得x，对缀

283、条柱应预先确定缀条截面积，对缀条柱应预先确定缀条截面积A1；对缀板柱应先假定分肢长细比；对缀板柱应先假定分肢长细比1。 得到得到x后，即可得到对虚轴的回转半径：后，即可得到对虚轴的回转半径： 根据截面特性，即可直接计算出两肢间距根据截面特性，即可直接计算出两肢间距a。496 验算对虚轴的整体稳定，并调整验算对虚轴的整体稳定，并调整b； 设计缀条或缀板及它们与柱分肢的连接。设计缀条或缀板及它们与柱分肢的连接。 验算刚度，要求：验算刚度，要求：y和和0x均不得超过均不得超过。 分肢稳定性检验。分肢稳定性检验。4.4.3 4.4.3 柱的横隔柱的横隔 为提高柱子的抗扭刚度，应设柱子横隔，间距为提高柱

284、子的抗扭刚度，应设柱子横隔，间距不大于柱截面较大宽度的不大于柱截面较大宽度的9倍或倍或8m，且每个运输单，且每个运输单元的端部均应设置横隔。元的端部均应设置横隔。497 当柱身某一处受有较大水平集中力作用时，也应在当柱身某一处受有较大水平集中力作用时，也应在该处设置横隔，以免柱肢局部受弯。该处设置横隔，以免柱肢局部受弯。 横隔可用钢板或交叉角钢做成。横隔可用钢板或交叉角钢做成。图图4.4.7 格构柱和实腹柱的横隔格构柱和实腹柱的横隔1-1AA电渣焊电渣焊(b)横隔横隔横缀条横缀条(c)(a)横隔横隔缀板缀板(d)11钻孔钻孔498第第4.54.5节节 柱头和柱脚柱头和柱脚1. 1. 梁与柱的连

285、接梁与柱的连接2. 2. 柱脚柱脚1.1.掌握柱头、柱脚的构造和设计掌握柱头、柱脚的构造和设计 本节目录本节目录基本要求基本要求4994.5.1 4.5.1 柱头（梁与柱的连接）柱头（梁与柱的连接）1 1、柱头的定义及作用、柱头的定义及作用 柱头是指柱的顶部与梁（或桁架）连接的部分。其柱头是指柱的顶部与梁（或桁架）连接的部分。其作用是将梁等上部结构的荷载传到柱身。作用是将梁等上部结构的荷载传到柱身。2 2、连接构造设计的原则、连接构造设计的原则 传力明确、过程简洁、安全可靠、经济合理，并具传力明确、过程简洁、安全可靠、经济合理，并具有足够的刚度且构造又不复杂，便于制造和安装。有足够的刚度且构造

286、又不复杂，便于制造和安装。5003 3、柱头的连接方式、柱头的连接方式 按梁安放在柱头的位置不同，柱头有两种连接方式，一按梁安放在柱头的位置不同，柱头有两种连接方式，一种是将梁直接放在柱顶上的顶面连接，另一种是将梁连于柱种是将梁直接放在柱顶上的顶面连接，另一种是将梁连于柱侧面的侧面连接。侧面的侧面连接。 轴心受压柱与梁的连接主要采用铰接。轴心受压柱与梁的连接主要采用铰接。对实腹式柱：对实腹式柱： 柱顶设一块柱顶板来安放梁，柱顶板厚度一般采用柱顶设一块柱顶板来安放梁，柱顶板厚度一般采用1625mm，平面尺寸一般向柱四周外伸，平面尺寸一般向柱四周外伸2030mm 。当梁支座。当梁支座反力较大时，为

287、了提高顶板的抗弯刚度，可在顶板上面加焊反力较大时，为了提高顶板的抗弯刚度，可在顶板上面加焊一块垫板，在顶板的下面设加劲肋。这样，柱顶板本身不需一块垫板，在顶板的下面设加劲肋。这样，柱顶板本身不需要太厚，一般要太厚，一般14mm即可。梁端支承加劲肋采用突缘板形式，即可。梁端支承加劲肋采用突缘板形式，其底部刨平（或铣平），与柱顶板直接顶紧。其底部刨平（或铣平），与柱顶板直接顶紧。 501 为了便于制造和安装为了便于制造和安装, ,两相邻梁相接处预留两相邻梁相接处预留1020mm间隙，待安装就位后，在靠近梁下翼缘处的梁支座加劲肋间隙，待安装就位后，在靠近梁下翼缘处的梁支座加劲肋间填以钢板，并用螺栓连

288、接。间填以钢板，并用螺栓连接。传力路线：传力路线：梁梁 突缘突缘 柱顶板柱顶板 加劲肋加劲肋 柱身柱身 焊缝焊缝垫板垫板焊缝焊缝焊缝焊缝柱顶板柱顶板垫块垫块柱顶板宽柱顶板宽梁梁端板端板填块填块垫块垫块加劲加劲肋肋焊缝焊缝焊缝焊缝柱顶板厚柱顶板厚14mm1020mmN/2b1/2h1b1图图4.5.1502 当梁传来的压力当梁传来的压力N N很大时，致使焊缝很大时，致使焊缝的长度很大，的长度很大，构造不合理。为此，可把柱子的腹板开一个槽，使前后构造不合理。为此，可把柱子的腹板开一个槽，使前后两根加劲肋变成一整块钢板，成为双悬臂梁。两根加劲肋变成一整块钢板，成为双悬臂梁。对其它情况构造列举如下图：

289、对其它情况构造列举如下图：隔板隔板(c)(d)承托承托刨平顶紧刨平顶紧(b)承托承托(a)刨平顶紧刨平顶紧图图4.5.25034.5.2 4.5.2 柱脚柱脚1 1、柱脚的定义及作用、柱脚的定义及作用柱下端与基础相连的部分称为柱脚。柱脚的作用是柱下端与基础相连的部分称为柱脚。柱脚的作用是将柱身所受的力传递和分布到基础将柱身所受的力传递和分布到基础,并将柱固定于基础。并将柱固定于基础。2 2、柱脚型式和构造、柱脚型式和构造仅有底板的柱脚仅有底板的柱脚底板底板底板底板LB(a)(b)图图4.5.3504有靴梁带隔板的柱脚有靴梁带隔板的柱脚隔板隔板锚栓锚栓有靴梁的柱脚有靴梁的柱脚靴梁靴梁底板底板垫板

290、垫板靴梁靴梁底板底板图图4.5.4505图图4.5.5 有靴梁、肋板、隔板的柱脚有靴梁、肋板、隔板的柱脚肋板肋板靴梁靴梁a1b1隔板隔板5063 3、柱脚的计算、柱脚的计算（1 1）柱脚传力途径）柱脚传力途径柱柱 靴梁靴梁 底板底板 混凝土基础混凝土基础隔板（肋板）隔板（肋板）实际计算不考虑实际计算不考虑507（2 2）底板的计算）底板的计算底板的面积底板的面积 底板的平面尺寸决定于基础材料的抗压能力，基础底板的平面尺寸决定于基础材料的抗压能力，基础对底板的压应力可近似认为是均匀分布的对底板的压应力可近似认为是均匀分布的, ,这样，所需这样，所需要的底板净面积要的底板净面积An应技下式确定：应

291、技下式确定：式中：式中：N作用柱脚的压力设计值；作用柱脚的压力设计值； An底板宽乘以长底板宽乘以长, ,减去锚栓孔面积，一般锚栓减去锚栓孔面积，一般锚栓孔直径为锚栓直径的孔直径为锚栓直径的11.5倍。倍。fc-基础混凝土轴心抗压强度设计值；基础混凝土轴心抗压强度设计值；c-基础混凝土局部承压时的强度提高系数；基础混凝土局部承压时的强度提高系数；508底板的厚度底板的厚度 底板的厚度由板的抗弯强度确定。在基础的均匀反底板的厚度由板的抗弯强度确定。在基础的均匀反力作用下，将柱端、靴梁、隔板和肋板视为底板的支承，力作用下，将柱端、靴梁、隔板和肋板视为底板的支承，可将底板分为不同受力区域：一边可将底

292、板分为不同受力区域：一边( (悬臂板悬臂板) )、两边、三、两边、三边和四边支承板。取不同区格弯矩最大值用来确定底板边和四边支承板。取不同区格弯矩最大值用来确定底板厚度。厚度。 在均布的基础反力在均布的基础反力q的作用下，各区格底板单位宽度的作用下，各区格底板单位宽度的最大弯矩为：的最大弯矩为： 四边支承区格四边支承区格( (a为短边长度，为短边长度，b为长边度为长边度) )：509系数，与系数，与b/a有关，见下表。有关，见下表。b/a1.01.11.21.31.41.51.60.0480.0550.0630.0690.0750.0810.086b/a1.71.81.92.03.04.00.

293、0910.0950.0990.1010.1190.125 三边支承三边支承区格：区格：-自由边长度；自由边长度；式中：式中： - -系数，与系数，与 有关，见下表。有关，见下表。 - -为与自由边垂直的边长；为与自由边垂直的边长；510b b1 1/a/a1 10.30.40.50.60.70.80.91.01.11.20.0260.0420.0580.0720.0850.0920.1040.1110.1200.125当当b1/a10.3时，可按悬臂长度为时，可按悬臂长度为b1的悬臂板计算。的悬臂板计算。 两相邻边支承区格：两相邻边支承区格：b b2 2为内角顶点至对角线的为内角顶点至对角线的

294、垂直距离。垂直距离。 对角线长度；对角线长度； 系数，与系数，与 有关。有关。 式中式中：511b b2 2/a/a2 20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.20.0260.0420.0580.0720.0850.0920.1040.1110.1200.125一边支承区格（即悬臂板）：一边支承区格（即悬臂板）：式中式中：c悬臂长度悬臂长度512取各区格板中的最大弯矩取各区格板中的最大弯矩Mmax来确定板的厚度来确定板的厚度t： 设计时要注意到靴梁和隔板的布置应尽可能使各区设计时要注意到靴梁和隔板的布置应尽可能使各区格板中的弯矩相差不要太大，以免所需的底板过厚。格板中的弯矩

295、相差不要太大，以免所需的底板过厚。 底板厚度通常为底板厚度通常为2040mm, ,最薄一般不得小于最薄一般不得小于14mm，以保证底板具有必要的刚度，从而满足基础反力，以保证底板具有必要的刚度，从而满足基础反力是均布的假设。是均布的假设。513 靴梁按支承于柱身两侧连接焊缝处的单跨双伸臂梁靴梁按支承于柱身两侧连接焊缝处的单跨双伸臂梁计算，靴梁高度计算，靴梁高度ha由其与柱边由其与柱边4条竖向连接焊缝长度确条竖向连接焊缝长度确定，厚度可取等于或小于柱翼缘的厚度，靴梁承受的荷定，厚度可取等于或小于柱翼缘的厚度，靴梁承受的荷载为由底板传来的沿梁长均布的基础反力。载为由底板传来的沿梁长均布的基础反力。

296、（3 3）靴梁的计算）靴梁的计算 假定柱压力全部由焊缝传给靴梁，则假定柱压力全部由焊缝传给靴梁，则 且取且取10的倍数。的倍数。所以所以514l为靴梁的悬臂长度。为靴梁的悬臂长度。最大剪力最大剪力V为：为： 按求得的最大弯矩和最按求得的最大弯矩和最大剪力验算靴梁截面的抗弯大剪力验算靴梁截面的抗弯和抗剪强度。和抗剪强度。 两个靴梁悬臂支承端承受的最大弯矩两个靴梁悬臂支承端承受的最大弯矩M为：为：b1aa1cctDtDBblLN4N4M2M1V1V2靴梁内力图靴梁内力图图图4.5.6515 隔板的厚度不得小于其长度的隔板的厚度不得小于其长度的1/50，高度由计算确，高度由计算确定，且略小于靴梁的高

297、度。定，且略小于靴梁的高度。隔板可视为简支于靴梁的简支梁，荷裁可按承受下隔板可视为简支于靴梁的简支梁，荷裁可按承受下图阴影面积的底板反力计算。按此荷载所产生的内力验图阴影面积的底板反力计算。按此荷载所产生的内力验算隔板与靴梁的连接焊缝以及隔板本身的强度。注意隔算隔板与靴梁的连接焊缝以及隔板本身的强度。注意隔板内侧的焊缝不易施焊，计算时不能考虑受力。板内侧的焊缝不易施焊，计算时不能考虑受力。（3 3）隔板与肋板的计算）隔板与肋板的计算b1aa1cc图图4.5.7516 肋板按悬臂梁计算，承受的荷载为下图所示的阴肋板按悬臂梁计算，承受的荷载为下图所示的阴影部分的底板反力。影部分的底板反力。肋板肋板a1b1图图4.5.8517图图4.5.9刚性柱脚刚性柱脚加劲板加劲板地脚螺栓地脚螺栓518