(精选)钢结构设计原理复习总结

钢结构的特点：

1.钢材强度高、塑性和韧性好

2.钢结构的重量轻

3.材质均匀，和力学计算的假定比较符合

4.钢结构制作简便，施工工期短

5.钢结构密闭性好

6.钢结构耐腐蚀性差

7.钢材耐热但不耐火

8.钢结构可能发生脆性断裂

钢结构的破坏形式

钢材有两种性质完全不同的破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。钢结构所用材料虽然有较高的塑性和韧性，但一般也存在发生塑性破坏的可能，在一定条件下，也具有脆性破坏的可能。

塑性破坏是由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度fu 后才发生。破坏前构件产生较大的塑性变形，断裂后的断口呈纤维状，色泽发暗。在塑性破坏前，构件发生较大的塑性变形，且变形持续的时间较长，容易及时被发现而采取补救措施，不致引起严重后果。另外，塑性变形后出现内里重分布，使结构中原先受力不等的部分应力趋于均匀，因而提高了结构的承载能力。

构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强度后，构件产生明显的变形并断裂。常温及静态荷载作用下，一般为塑性破坏。破坏时构件有明显的颈缩现象。常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。在破坏前有很明显的变形，并有较长的变形持续时间，便于发现和补救。

脆性破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点fy ，断裂从应力集中处开始。冶金和机械加工过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂缝，常是断裂的发源地。破坏前没有任 何预兆，破坏时突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶粒状。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时察觉和采取补救措施，而且个别构件的断裂常会引起整体结构塌毁，后果严重，损失较大，因此，在设计，施工和使用过程中，应特别注意防止钢结构的脆性破坏。

在破坏前无明显变形，平均应力也小（一般都小于屈服点），没有任何预兆。局部高峰值应力可能使材料局部拉断形成裂纹；冲击振动荷载；低温状态等可导致脆性破坏。平直和呈有光泽的晶粒。突然发生的，危险性大，应尽量避免。

低碳钢的应力应变曲线：

1.弹性阶段：OA 段：纯弹性阶段εσE = A 点对应应力：p σ（比例极限）

AB 段：有一定的塑性变形，但整个OB 段卸载时0=ε B 点对应应力：e σ（弹性极限）

2.屈服阶段：应力与应变不在呈正比关系，应变增加很快，应力应变曲线呈锯齿波动，出现应力不增加而应变仍在继续发展。其最高点和最低点分别称为上屈服点和下屈服点；下屈服点稳定，设计中以下屈服点为依据。

3.强化阶段：随荷载的增大，应力缓慢增大，但应变增加较快。当超过屈服台阶，材料出现应变硬化，曲线上升，至曲线最高处，这点应力fu 称为抗拉强度或极限强度。

4.颈缩阶段：截面出现了横向收缩，截面面积开始显著缩小，塑像变形迅速增大，应力不断降低，变形却延续发展，直至F点试件断裂。

疲劳破坏：钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续反复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。

钢材的疲劳强度取决于构造状况（应力集中程度和残余应力）、作用的应力幅、反复荷载的虚幻次数，而和钢材的静力强度无明显关系。

钢结构的连接方法：焊接连接：不削弱构件截面，构造简单，节约钢材，焊缝处薄。弱铆钉连接：塑性和韧性极好，质量容易检查和保证，费材又费工。螺栓连接：操作简单便于拆卸。

焊接连接的优点：1.焊件间可以直接相连，构造简单，制作加工方便2.不削弱截面，节省材料3.连接的密闭性好，结构的刚度大4.可实现自动化操作，提高焊接结构的质量。

缺点：1.焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆2.焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低3.焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，容易扩展至整个截面，低温冷脆问题也比较突出。

焊接连接通常采用的方法为电弧焊（包括手工电弧焊）自动（半自动）埋弧焊和气体保护焊。

侧面角焊缝主要承受剪力，塑性较好，应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端打而中间小的状态。焊缝越长，应力分布不均匀性越显著，但临界塑性工作阶段时，产生应力重分布，可使应力分布的不均与现象渐趋缓和。

焊脚不能过小：否则焊接时产生的热量较小，而焊件厚度较大，致使施焊是冷却速度过快，产生淬硬组织，导致母材开裂。

焊脚不能过大：1.较薄焊件容易烧穿或过烧2.冷却时的收缩变形加大，增大焊接应力，焊件容易出现翘曲变形

计算长度不能过小：1.焊件的局部加热严重，焊缝起灭狐所引起的缺陷相距较近，及可能的其他缺陷使焊缝不够可靠。对于搭接连接的侧面角焊缝而言，由于力线弯折大，也会造成严重的应力集中。

不能过长：侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀，两端大而中间小，焊缝越长，应力集中越明显。

焊接残余应力对结构性能的的影响：

1.焊接应力不会影响结构的静力强度

2.焊接应力的存在增大了结构的变形，故降低了结构的刚度。

3.焊接应力必定会降低受压构件的稳定承载力

4.在厚板或具有交叉焊缝的强狂下，将产生三向焊接拉应力。阻碍了塑性变形的发展，增加了钢材在低温下的脆断倾向。

5.会对结构的疲劳强度有明显的不利影响。

普通螺栓连接的工作性能：抗剪连接时最常见的螺栓连接。在抗剪试验中，试件由零载一直加载至连接破坏的全过程，经历了以下三个阶段：

1.弹性阶段：施加荷载之初，连接中的剪力较小，荷载靠板件接触面间的摩擦力传递，螺栓杆与孔壁之间的间隙保持不变

2.相对滑移阶段：当荷载增大，连接中的剪力达到板件间摩擦力的最大值，板件间产生相对滑移，其最大滑移量为螺栓杆与孔壁之间的间隙，直至螺栓杆与孔壁接触

3.弹塑性阶段：荷载继续增加，连接所承受的外力主要靠螺栓与孔壁接触传递。螺栓杆主要受剪力外，还承受弯矩和轴向拉力，而孔壁则受到挤压。由于材料的弹性，也由于螺栓杆的伸长受到螺帽的约束，增大了板件间的压紧力，使板件间的摩擦力增大，曲线呈上升状态。

荷载继续增加，在此阶段即使有很小的增量，连接的剪切变形也迅速加大，直到连接的最后破坏。

螺栓抗剪连接达到极限承载力时，可能的破坏形式：

1.螺杆剪断：螺栓杆直径较小而板件较厚

2.孔壁挤压破坏:直径较大、板件较薄

3.构件拉断:板件截面可能因为螺栓孔削弱太多而被拉断

4.端部钢板冲剪破坏：端距太小，端距范围内的板件可能会被螺栓杆冲剪破坏。

前三种似乎通过计算避免破坏，第四种通过构造方法避免

高强度螺栓连接的工作性能：高强度螺栓连接和普通螺栓连接的主要区别在于普通螺栓连接在受剪时依靠螺栓栓杆承压和抗剪来传递剪力，在拧紧螺帽是螺栓产生的预拉力很小，其影响可以忽略。而高强度螺栓除了其材料强度高之外，拧紧螺栓还施加很大的预拉力，使被连接板件的接触面之间产生压紧力，因而板件间存在很大的摩擦力。预拉力、连接板件抗滑移系数和钢材种类都直接影响其承载力。高强螺栓受剪受拉强度中，受拉强度较大。由于预拉力作用，板件间在承受荷载前已经存在较大的压紧力，拉力作用首先要抵消这种压紧力。

轴心受力构件的设计应同时满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求。轴心受拉构件的设计需要分别进行强度和刚度的计算，轴心受压构件的设计需要进行强度、整体稳定、局部稳定和刚度计算。轴心受力构件的刚度通过限制其长细比来保证。

理想轴心受压构件：假设构件完全挺直，荷载沿构件形心轴作用，在受荷之前构件无初始应力、初弯曲和初偏心等缺陷，截面沿构件时均匀的。

三种屈曲形式丧失稳定：1.弯曲屈曲：构件的截面只绕一个主轴旋转，构件纵轴有直线变为曲线，这是双轴对称截面构件最常见的屈曲形式。（工字形）2.扭转屈曲：失稳时构件除支承端外的各截面均绕纵轴扭转（十字形截面）

3.弯扭屈曲：单轴对称截面构件绕对称轴屈曲是，在发生弯曲变形的同时必然伴随着扭转（T 形）

工字形截面受压翼缘翼缘板外伸部分的宽厚比与长细比的关系：y

f t b 235)1.010(1λ+≤ λ取构件两方向长细比的较大值，小于30取30，大于100取100

1.长细比

2.钢种

双肢缀条式格构式构件的换算长细比：1

2027A A x x +=λλ（也是等稳法则的稳定条件。靠虚轴、实轴等稳即等稳法则。）x λ整个构件对虚轴的长细比 A1一个节间内两侧斜缀条毛截面面积之和