钢结构设计原理(辽工大)

辽工大钢结构王维维课上所画加以整理1、钢结构具有如下特点：①钢材强度高，结构重量轻（钢屋架的重量仅为钢筋混凝土屋架的1/3～1/4）②材质均匀，且塑性韧性好③良好的加工性能和焊接性能④密封性好⑤钢材的可重复使用性⑥钢材耐热不耐火（耐火性差需要做防火设计）⑦耐腐蚀性差⑧钢结构的低温冷脆倾向。2、大跨结构：（刚度）共振（动荷载）、延性、稳定，采用的结构形式有空间桁架、网架、网壳等。3、目前我国钢结构的设计方法主要以概率极限状态设计方法为主。（疲劳验算等以经验为主）4、概率极限状态设计原理：作用效应S和结构抗力R，结构的功能函数可表示为Z=R-S｛①＞0结构处于可靠状态②=0结构达到极限状态③＜0结构处于失效状态｝5、我国《规范》具体推荐碳素结构钢中的Q235和低合金高强度结构钢中的Q345、Q390和Q420等牌号的钢材作为承重钢结构用钢。6、钢的冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等。7、冷加工包括冷轧、冷弯、冷拔等延伸性加工，也包括剪、冲、钻、刨等切削性加工。8、钢材的主要性能：力学、物理、化学性能。9、钢材的破坏形式有：塑性破坏、脆性破坏。10、钢材拉伸的四阶段：比例、屈服、强化、颈缩阶段。11、钢材的三个重要力学指标：抗拉强度fu、伸长率δ和屈服点fy。（伸长率和断面收缩率↑，塑性↑）12、钢材的其他性能：冷弯性能、冲击韧性。（冲击功用Akv表示↑→韧性↑→抗动荷载能力↑）13、随着碳含量↑的提高，钢的强度↑逐渐增高，而塑性和韧性↓下降，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等↓也变劣。14、我国行业标准JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。15、钢材的硬化有三种情况：时效硬化、冷作硬化和应变时效硬化。人工时效是据应变时效硬化提出来的。16、应力集中会导致材料难以做到“材尽其用”。17、P31应力集中对钢材性能的影响应力应变曲线图(σ-ε)：凹凸明显的，脆性强，越易出现三向拉应力。18、P32不同应变速率下钢材断裂吸收能量随温度的变化图（温度T-冲击功Akv）：加荷速度越快↑，温度转变越高↑19、当温度低于常温时，随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。（注意工作温度（质量等级ABCDE，A不要求，B常温，C0℃，D-20℃，E-40℃））20、P34冲击韧性（Akv）与工作温度(T)的关系图：温度T1也称为脆性转变温度，温度T2也称为全塑性转变温度，T0为转变温度（拐点）。（T＜T1脆性，T1＜T＜T2半塑半脆，T＞T2塑性）①T1≤T≤T2T↓Akv↓②T≤T1或T≥T2T对Akv没啥影响。21、防止脆性断裂的方法：合理设计、正确制造、合理使用。22、我国的建筑用钢主要为碳素结构钢、低合金高强度结构钢、建筑结构用钢板。23、钢材根据化学成分和冲击韧性的不同划分为A、B、C、D共4个质量等级，按字母顺序由A到D，表示质量等级由低到高。“F”沸腾钢“Z”和“TZ”分别代表镇静钢和特种镇静钢。24、钢材选用原则和建议（规范）：为了保证承重结构的承载能力，防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、连接方法、工作环境、应力状态和钢材厚度等因素综合考虑，选用合适牌号和质量等级的钢材。（规范）承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格证，对焊接结构尚应具有含碳量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材，还应具有冷弯试验的合格保证。25、钢结构的连接方法可分为焊接连接、铆钉链接、螺栓连接（分为普通螺栓连接和高强螺栓连接（分为承压型和摩擦型））和轻型钢结构用的紧固件连接等。26、焊接连接的优点：构造简单，用料经济，不削弱截面，制作加工方便可实现自动化操作，连接的密闭性好，结构刚度大。缺点：热影响区内导致局部材质变脆，残余应力使构件承载力降低。27、手工电弧焊所用焊条应与焊件钢材相适应。对Q235钢采用E43型焊条，E表示焊条，两位数字为熔敷金属的最小抗拉强度（单位为kgf/mm2，转化成强度单位乘以9.8单位Mpa，如43×9.8Mpa）28、不同钢种的钢材相焊接时，宜采用低组配方案，即宜采用与低强度钢相适应的焊条。29、焊接的连接形式：对接、搭接、T形连接和角部连接。对接连接主要用于厚度相同或接近相同的两构件的相互连接。焊缝沿长度方向的布置分为连续角焊缝和间断角焊缝，连续角焊缝的受力性能好，为主要的角焊缝形式。30、焊缝按施焊位置分为平焊、横焊、立焊和仰焊。平焊施焊方便（好），仰焊的操作条件最差。31、裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷。焊缝质量检验一般可用外观检查及内部无损检验，前者检查外观缺陷和几何尺寸，后者检查内部缺陷。内部无损检验目前广泛采用超声波检验。32、P58（理解）GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》规定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质量标准，设计要求全焊透的一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求用超声波探伤进行内部缺陷的检验，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。（理解）JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》规定，对设计要求全焊透的一级焊缝应进行100%的超声波探伤检验，对二级焊缝应进行抽检，抽检比例应不少于20%。所有查出的不合格焊缝，均应按有关规定予以补修至检查合格为止。P58（3）焊缝质量等级的规定①②③④自己看。33、铆钉链接的制造有热铆和冷铆。34、普通螺栓分为A、B、C三级，A级与B级为精制螺栓，C级为粗制螺栓。C级螺栓材料性能等级为4.6级和4.8级。小数点前的数字表示螺栓成品的抗拉强度不小于400N/mm2，小数点及小数点以后数字表示其屈强比为0.6或0.8。螺栓孔的直径比螺栓杆的直径打1.5～3mm。35、高强度螺栓连接，螺栓抗拉强度应分别不低于800N/mm2和1000N/mm2，且屈强比分别为0.8和0.9，其性能等级分别称为8.8级和10.9级。36、对接焊缝包括焊透的对接焊缝和T形对接与角接组合焊缝。坡口处理→施焊空间，坡口形式:直、V、U、K、X37、引弧板与引出板→减少缺陷，坡度处理（改变宽度、改变厚度）→减小应力集中。38、焊缝金属的强度是高于母材的。由于三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85%，而一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。由于对接焊缝是焊件截面的组成部分，焊缝中的应力分布情况基本上与焊件原来的情况相同，故计算方法与构件的强度计算一样。39、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，不用计算，只有受拉的三级焊缝才需要进行计算。40、计算证明，当斜焊缝倾角θ≤56.3°，即tanθ≤1.5时，可与母材等强，不用计算。41、角焊缝是最常用的焊缝。按其与作用力的关系分为侧面角焊缝、正面角焊缝和斜向角焊缝；按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。42、大量试验结果表明，侧面角焊缝主要承受剪应力。正面角焊缝受力较复杂，截面的各面均存在正应力和剪应力，焊根处有很大的应力集中。43、P67角焊缝荷载与变形关系图：延性一定时强度大小，正＞斜＞侧；强度一定时延性大小，正＜斜＜侧。44、P67角焊缝的构造要求：自己看（计算常用）。焊件和节点板的焊缝连接形式：两面侧焊、三面围焊和L形围焊。45、焊接残余应力（沿焊缝长度方向的纵向焊接应力、垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力）和变形的成因是：不均匀温度场。46、焊接应力是一种无荷载作用下的内应力，因此会在焊件内部自相平衡。47、焊接应力的影响：①焊接应力不影响结构的静力强度，②焊接应力会降低结构的刚度，③焊接残余应力会加重低温冷脆的影响，④焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。48、合理焊缝的设计：①合理的选择焊缝的尺寸和形式，在保证结构的承载能力的条件下，设计时应该尽量采用较小的焊缝尺寸②尽可能减少不必要的焊缝③合理地安排焊缝的位置④尽量避免焊缝的过分集中和交叉⑤尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。49、螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求。50、螺栓连接按受力情况分为三类：螺栓只承受剪力，螺栓只承受拉力，螺栓承受拉力和剪力的共同作用。51、P92螺栓连接试件作抗剪试验（四阶段）图：摩擦传力阶段、滑移阶段、栓杆传力阶段、弹塑性阶段。普通螺栓连接和高强度螺栓承压型连接的极限状态相似，均以螺栓或钢板破坏为承载力的极限状态，而高强度螺栓摩擦型连接是以剪力达到摩擦力极限承载力为极限状态。52、除高强度螺栓摩擦型连接外，受剪螺栓连接达到极限承载力时，可能的破坏形式有：①螺栓杆剪断②板件被挤坏，也叫做螺栓杆承压破坏③板件被栓杆冲剪破坏（45°角）④板件被拉断⑤螺栓杆发生弯曲破坏。上述第③种破坏形式由螺栓端距l1≥2d0来保证；第④种破坏通过构件的强度验算来保证；一般情况下，被连接板件总厚度小于5倍的螺栓直径时，第⑤种破坏形式可以避免；因此，螺栓的受剪连接满足上述要求后，只需考虑①、②两种破坏形式。53、外拉力基本只能使板层间压力减小，而对螺杆预拉力没有大的影响。每个摩擦型连接的高强度螺栓在其杆轴方向的外拉力不得大于0.8P（P为预拉力）。54、增强梁整体稳定的措施：①增大梁截面尺寸，其中增大受压翼缘的宽度是最为有效的②增加侧向支撑系统，侧向支撑应设在受压翼缘处③当梁跨内无法增设侧向支撑时，宜采用闭合箱型截面④增加梁两端的约束提高其稳定承载力。55、为什么当钢梁整体稳定系数φb0.6时，要用φb’来代替φb？当φb0.6时梁已进入弹塑性阶段，此时《规范》规定要对φb进行修正，用φb’来代替φb，考虑钢材弹塑性对整体稳定的影响。56、加劲肋设置原则：①当h0/tw≤80yf235时，σc=0腹板局部稳定能够保证，不必配置加劲肋②当h0/tw＞80yf235时，应配置横向加劲肋，170yf235＞h0/tw＞80yf235对应剪应力下的屈曲，配置横向加劲肋（0.5h0-2h0）③当h0/tw＞170yf235（剪切屈曲，配置横向加劲肋），h0/tw＞150yf235（剪切屈曲，配置纵向加劲肋）时，除配置横向加劲肋外，还应在弯矩较大的受压区配置纵向加劲肋。局部压应力很大的梁，必要时尚应在受压区配置短加劲肋。在任何情况下h0/tw均不宜超过250yf235④梁的支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处，宜设置支撑加劲肋。57、柱通常由柱头、柱身和柱脚三部分组成，柱头支承上部结构并将其荷载传给柱身，柱脚则把荷载传给基础。轴心受力构件按其截面组成形式，分为实腹式构件和格构式构件。58、轴心受力构件的刚度通常用长细比来衡量，长细比越小，表示构建刚度越大，反之越小。59、轴心受压构件弯曲屈曲临界力随抗弯刚度的增加和构件长度的减小而增大。60、屈曲状态有：弯曲屈曲、扭转屈曲、弯扭屈曲61、力学缺陷对轴心受压构件弯曲屈曲的影响→残余应力；构件几何缺陷对轴心受压构件弯曲屈曲的影响→初弯曲和初偏心。62、为了获得经济与合理的设计效果，选择实腹式轴心受压构件的截面时，应考虑以下几个原则：①等稳定性。使构件两个主轴方向的稳定承载力相同，即使φx=φy②宽肢薄壁③连接方便④制造省工。63、残余应力对轴压杆整体稳定性的影响取决于哪些因素？（构件截面形状尺寸、残余应力的分布和大小，构件屈曲时弯曲方向）。64、压弯构件可能有哪几种整体破坏形式？（强度、弯矩作用平面内失稳破坏、弯矩作用平面外失稳破坏）。65、计算拉弯和压弯构件的强度时，有三种不同的强度计算准则：①边缘屈服准则②全截面屈服准则③部分发展塑性准则。66、什么情况下考虑边缘屈服？（γx=γy=1）①对于需要计算疲劳的实腹式拉弯、压弯构件，目前对其截面塑性性能缺乏研究②对格构式拉弯、压弯构件，当弯矩绕虚轴作用时，由于截面腹部无实体部分，塑性开展的潜力不大③为了保证受压翼缘在截面发展塑性时不发生局部失稳，受压翼缘的自由外伸宽度b与其厚度t