钢结构设计原理

第一章——绪论1、钢材优点：质量轻强度高；塑性韧性好；材质均匀；工业化程度高工期短；抗震性能好；密闭性好；绿色环保。缺点：防火性耐腐蚀性差；稳定问题突出；造价高2、钢结构的工程应用：大跨度结构；高层建筑钢结构；工业厂房钢结构；高耸钢结构；桥梁钢结构；板壳钢结构；索膜结构；移动钢结构；钢砼组合结构第二章——钢结构材料1、力学性能：强度、塑性（破坏前产生塑性变形，伸长率和截面收缩率）冷弯性能（塑性变形时抵抗产生裂纹。是判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标）抗冲击韧性（冲击荷载下抵抗脆性断裂）2、钢材强度：弹性阶段；屈服阶段；强化阶段；颈缩阶段。屈服阶段波动曲线的下限为屈服荷载相应的应力为屈服点或流限，反映强度；应变幅度为流幅，越大塑性越好。3、破坏状态：塑性破坏（构件应力超过屈服点并达到抗拉极限强度产生明显塑性变形断裂）；脆性破坏（破坏前无明显变形，平均应力低于抗拉极限强度甚至低于屈服点。产生原因：裂纹材料韧性钢材化学成分冶金缺陷钢板厚度加载速度应力性质大小最低使用温度连接方法应力集中等。）疲劳破坏（连续反复荷载作用下，应力远低于极限强度甚至低于屈服强度）4、影响钢材性能因素：化学成分（C主要来源，随其含量增加强度增加塑性可焊性抗腐蚀性降低SO有害热脆性PN有害元素杂质冷脆性，抗腐蚀能力提高可焊性降低Mn合金元素弱脱氧剂Si合金元素强脱氧剂）生产工艺（因脱氧程度不同分为沸腾、镇静、半镇静和特殊镇静钢）；钢材硬化（时效、应变和应变时效硬化）温度影响（温度不超过200℃性能变化不大；达250℃抗拉强度提高塑性韧性下降产生裂缝，蓝脆现象；超300℃屈服点极限强度明显下降；达600℃强度几乎为零，冷脆现象）应力集中5、钢材分类：碳素结构钢、低合金钢、优质碳素结构钢、优质钢丝绳和建筑结构用钢板6、Q235AF：屈服强度为235N|mm2A级沸腾钢（AB级为F或Z，C级只为Z，D级只为TZ，E级为TZ）7、热轧钢板：宽*厚*长；等肢角钢L肢宽度*肢厚度；不等肢角钢L长肢宽度*短肢宽度*肢厚度；热轧H型钢（宽翼缘H型钢HW、中翼缘H型钢HM、窄翼缘H型钢HN）高度*宽度*腹板厚度*翼缘厚度。（工字钢I30a；槽钢L25Q外廓高度为25cm）第三章——钢结构连接1、钢结构连接：焊接连接：构造简单不削弱截面可实现自动化操作密闭性好；热影响区材质变脆残余应力和变形不利结构安全裂缝扩展敏感低温冷脆（对接、角焊缝）螺栓连接：施工单装拆方便摩擦型高强度螺栓连接动力性能好耐疲劳易阻止裂纹扩展；构造复杂孔精度要求高削弱截面不经济（普通、高强螺栓）铆钉连接：塑性韧性好传力可靠质量易于检查抗动力荷载好；构造复杂费钢费工已淘汰2、AB级为精制螺栓（强度等级5.6级8.8级1类孔0.25~0.5mm抗剪好价格高）C级为粗制螺栓（4.6级4.8级2类孔1.5~3mm抗剪较差抗拉好价格经济）4.6：小数点前表螺栓成品抗拉强度不小于400N|mm2，小数点及后面数字表示屈强比为0.63、高强度螺栓（大六角头型和扭剪型）连接：摩擦型连接（传力机理：不允许接触面滑移依靠摩擦力传递外力。极限状态：摩擦力刚被克服接触面即将滑移。栓孔直径：1.5~2mm。适应范围：直接承受动力荷载的结构）承压型连接（允许接触面滑移依靠螺栓受剪和孔壁承压传力。螺栓受剪破坏或孔壁承压破坏。1~1.5mm。承受静载或间接承受动力荷载的结构）4、焊接方法：手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电阻焊、电渣焊5、焊缝连接形式按被连接钢材的相互位置：对接、搭接、T形连接和角部连接6、焊缝缺陷：裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未融合、未焊透7、一二级焊缝需进行外观检查、超声波探伤检验和X射线检验8、角焊缝根据作用力分为正面角焊缝（各截面均存在正应力和剪应力强度高塑性差）侧面角焊缝（强度低塑性好应力分布不均两端大中间小）和斜焊缝；按截面形式分为直角和斜角角焊缝9、质量检测为三级时，抗压抗剪强度与钢材强度相等，抗拉强度=0.85倍母材强度10、计算角焊缝在扭矩作用产生应力假定：被连接构件绝对刚性，角焊缝是弹性；被连接构件绕角焊缝有效截面形心旋转，角焊缝任一点应力方向垂直该点与形心连线且应力大小与距离大小成正比。11、焊接应力对结构性能影响：对结构静力强度无影响，降低结构刚度，增加钢材在低温下的脆断倾向，降低结构的疲劳强度12、焊接变形：纵向收缩、横向收缩、角变形、弯曲变形和扭曲变形13、减小焊接应力和焊接变形的措施：焊接位置要安排合理；焊缝尺寸恰当；焊缝数量宜少不宜过分集中；应尽量避免两条或三条焊缝垂直交叉；避免在母材厚度方向的收缩应力；采取合理施焊次序；采用反变形；对于小尺寸焊件，焊前预热或焊后回火加热至600℃左右缓慢冷却14、螺栓排列：并列（端距≥2d0防止孔端钢板冲剪破坏，中距≥3d0防止孔间板破裂；最大值防止板间张口和鼓曲）错列（边距≥1.5d0，中距≥3d0）15、改善撬力：将螺栓的抗拉强度设计值降低20%；设置加劲肋加强连接件刚度减小螺栓中的附加力16、在弯矩作用下离中和轴越远螺栓拉力越大。当计算其形心位置作为中和轴时，所得的端板受压区高度很小，中和轴通常在受压一侧最外排螺栓附近的某个位置。17、同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓破坏形式：螺栓杆受剪受拉破坏、孔壁承压破坏18、高强度螺栓摩擦型连接与普通螺栓连接重要区别就是完全不靠螺杆的抗剪和孔壁的承压传力，而是靠钢板间接触面的摩擦力传力。19、一个高强度螺栓抗拉承载力不应大于0.8P，保证卸载后螺栓不发生松弛现象。20、摩擦面抗滑移系数在施工中如何保证：喷砂；喷砂后涂无机富锌漆；喷砂后生赤锈和钢丝刷消除浮锈或对未经过处理的干净轧制表面不做处理21、Q235钢用E43型焊条（E4300~E4328，最小抗拉强度为43N|mm2）E50E55第四章——轴心受力构件1、轴心受力构件的截面形式：热轧型钢截面（圆钢圆管方管角钢工字钢T型钢槽钢）、冷弯薄壁型钢截面（角形槽形截面和方管）、型钢和钢板连接成的组合截面（实腹式）、格构式组合截面2、轴心受拉截面形式要求：符合强度刚度要求；制作简单便于和相邻构件连接；符合经济要求。轴心受压构件还需符合稳定性要求（整体稳定和局部稳定）3、格构式构件缀材（承担绕虚轴产生的横向剪力）布置：缀条（柱：桁架）和缀板（柱：刚架）4、轴心受力构件以截面的平均应力达到钢材的屈服强度为计算准则；对有孔洞削弱的轴心受力构件以其净截面的平均应力达到屈服强度为强度极限状态。设计时对轴心受力构件长细比进行控制，随增大稳定减小5、理想轴心压杆与实际区别：杆件为等截面直杆，力线与杆轴线重合，受荷前无初始缺陷（初始应力，初弯曲初偏心）；实际轴心受压构件都存在初弯曲初偏心和残余应力6、轴心压杆的屈曲变形：弯曲屈曲（双轴对称截面）扭转屈曲（十字形截面）弯扭屈曲（单轴对称截面）7、四条柱子曲线依截面形式、失稳方向、板件厚度、制造加工方式确定8、局部失稳原因：板件受压应力作用，其平面尺寸较宽大厚度较薄。限制板件宽厚比实现局部稳定。9、假定轴压构件A最大长细比为100，B为150，两构件采用钢号相同，截面面积相同，能否判断哪一根构件整体稳定承载力高及原因：稳定承载力由稳定系数毛截面面积和钢材屈服强度确定，稳定系数的确定不仅与长细比有关，还和截面形式失稳方向板件厚度制作方法有关。10、实腹式轴心受压构件：型钢和组合截面，一般采用双轴对称截面（肢件和缀材）截面形式：工字型圆形箱型。设计原则：用料经济、结构简单、制造省工、方便运输和便于装配11、格构式构件设计对虚轴（整稳承载力算同实腹式轴心压杆）失稳，通常加大长细比考虑剪切变形影响。12、格构式轴心受压构件，剪力应由承受该剪力的缀材截面分担，由于剪力的方向取决于杆的初弯曲，可向左也可向右，因此缀条可能承受拉力也可承受压力，缀条截面按轴心压杆设计。13、柱脚构成：底板、靴梁、隔板、肋板。底板的厚度由板的抗弯强度（区格中最大弯矩）决定，通常为20~40mm，最薄不小于14mm，保证底板具有足够的刚度。靴梁高度由其与柱边连接所需的焊缝长度决定第五章——受弯构件1、按截面形式分类：实腹式（梁）：制作方法：型钢梁（热轧型钢梁和冷成型薄壁型钢梁）、组合梁。空腹式（蜂窝梁，桁架）：简支梁式、钢架横梁式、连续伸臂悬臂式2、截面塑性发展系数考虑限制截面上塑性变形发展的深度≤h|83、梁的抗剪强度：截面最大剪应力发生在腹板中和轴处，抗剪强度不足时增大腹板面积加大腹板厚度4、整体失稳：截面弯矩增大到某一数值，梁在向下弯曲的同时突然发生侧向弯曲和扭转变形破坏。原因：受压翼缘达到临界应力，弱轴为想x轴，腹板做连续支承，只有绕y轴屈曲，侧向屈曲后弯矩平面不再和截面的剪切中心重合必然产生扭转。对跨中无侧向支承的中等或较大跨度的梁，丧失整体稳定时的临界弯矩低于按其抗弯强度确定的截面承载能力，这些梁大小故由整体稳定性控制。5、影响钢梁整体稳定因素：侧向抗弯刚度抗扭刚度；梁截面尺寸包括各种惯性矩；梁侧向无支承长度或受压翼缘侧向支撑点间距（越小越好；惯性矩越大越好）；荷载性质；沿梁截面高度方向荷载作用点位置；梁端支座对截面的约束；钢梁的初始缺陷影响。提高措施：增加受压翼缘宽度；在受压翼缘设置侧向支承6、不需要验算整体稳定性情形：有铺板密铺在梁的受压翼缘并与其牢固相接，能阻止梁受压翼缘懂的侧向位移；工字型截面简支梁受压翼缘的自由长度与其宽度比不超过所规定数值；箱形截面梁截面尺寸满足h|b0≤6，l1|b1≤95（235|fy）可不计算整体稳定性7、限制宽厚比保证梁受压翼缘板的整体稳定性。8、加劲肋的种类和作用：增加腹板厚度或设计腹板加劲肋提高腹板稳定性。横向加劲肋（防止有剪应力和局部应力作用引起的腹板失稳）纵向加劲肋（防止由弯曲应力引起~）短加劲肋（防止由局部压应力~）9、腹板中间加劲肋设计：腹板两侧成对配置的钢板横向加劲肋；仅在一侧配置的钢板横向加劲肋；同时用横向加劲肋和纵向加劲肋加强的腹板在其相交处将纵向加劲肋断开，横向加劲肋保持连续；配置短边加劲肋时，短边加劲肋的外伸宽度取横向加劲肋的0.7~1.0倍，厚度不应小于短加劲肋外伸宽度的1|15；型钢做成的加劲肋截面相应的惯性矩不小于钢板加劲肋惯性矩要求10、型钢梁设计原则：强度整体稳定刚度要求、局压承载力，局部稳定一般满足要求11、选择组合梁截面需要初步估算梁的截面高度、腹板厚度和翼缘尺寸12、组合梁截面沿长度的改变：单层翼缘板焊接工字形梁翼缘板宽度的改变；双层~梁外层翼缘板的切断；单层~梁腹板高度的改变第六章——拉弯和压弯构件1、压弯构件：同时承受轴心压力和弯矩（强度刚度整体局部稳定）双轴对称截面H、单轴对称T2、三种不同强度计算准则：边缘纤维屈服准则、全截面屈服准则、部分发展塑性准则3、平面内失稳：弯矩位于腹板平面内，构件绕强轴弯曲，当荷载增大到某一数值时挠度迅速增加破坏，挠曲线始终在弯矩作用平面内。平面外失稳：侧向抗弯刚度较小，侧向又无足够的支撑，可能在平面内失稳前突然产生侧向的弯起同时伴随扭转丧失整体稳定，挠曲方向偏离了弯矩作用平面4、失稳形式与构件的抗扭刚度、抗弯刚度和侧向支承的布置有关5、腹板局部稳定：腹板宽厚比限值与应力梯度和长细比有关梁腹板加劲肋的设置原则与构造要求1h0|tw≤80235|fy时，对有局部压应力的梁应按构造配置横向加劲肋，对=0的梁可不配置加劲肋2当~~＞~~时，应按计算配置横向加劲肋3当＞170~或＞150~或按计算需要时，应在弯矩较大区格的受压区增加配置纵向加劲肋，局部压应力很大的梁，必要时宜在受压区配置短加劲肋。任何情况下h0|hw≯250~。4梁的支座处和上翼缘受到较大固定集中荷载处宜设置支承加劲肋5对于按塑性设计方法设计的超静定梁为保证塑性变形的充分发展，其腹板的高厚比应满足h0|tw≤72~~。横向加劲肋的间距a应满足构造要求a≥0.5h0。一般情况下，a≤2h0；无局部压力的梁，当h0|tw≤100时a≤2.5h0；同时还设纵向加劲肋时a≤2h2。纵向加劲肋至腹板计算高度受压边缘的距离h1应在h0|2.5~h0|2范围内。短加劲肋间距