北京交通大学钢结构设计原理复习重点

第一章绪论钢结构的特点：1、轻质高强，承载力大2、钢材材性好，可靠性高3、工业化程度高4、抗震性能好5、气密水密性好6、易于锈蚀7、耐热性好，耐火性差8、绿色环保无污染钢结构的适用范围：1、承受大荷载、动荷载的结构2、大跨度或高度很大的结构3、拼装式结构或需要移动的结构4、对密封性要求高的结构5、轻型结构6、其他复杂造型结构钢结构的主要形式：1、大跨度结构2、重型结构3、高耸结构4、多层与高层结构5、密封结构6、活动结构7、轻型结构钢结构设计的目的：保证整体结构和结构构件在充分满足功能要求的基础上安全、可靠地工作功能要求：1、安全性：承受作用，保持稳定，不倒塌2、适用性：工作性能良好，满足使用要求3、耐久性：随时间仍能满足使用要求可靠度：结构在规定时间内、在规定条件下完成预定功能的概率。

规定时间是指结构的设计使用年限；规定条件是指正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件功能的极限状态：结构或者结构的某一部分超过某一定特定状态后，就不能满足某一规定功能要求，则此特定状态称为功能的极限状态承载能力极限状态（状态1）：结构或构件达到最大承载能力或者达到不适合继续承载的变形的极限状态。

如强度、稳定、疲劳破坏正常使用极限状态（状态2）：结构或构件达到正常使用或耐久性能（刚度、锈蚀等）的某项规定限值的状态。

包含标准组合、频遇组合或准永久组合第二章钢结构的材料钢材的力学性能：强度、塑性、韧性、冷弯性能、耐久性五项指标：抗拉强度、伸长率、屈服点、冷弯试验、常温（低温）冲击韧性影响钢材力学性能的因素：化学成分、冶金缺陷与轧制过程、钢材硬化、温度影响、应力状态、加载速度钢材的两种破坏形式：1、塑性破坏：破坏前构件应力达到uf，变形大、持续时间较长。

特征：破坏断口参差不齐，色暗，因晶体在剪切之下相互滑移呈纤维状2、破坏前变形小，无明显破坏征兆，构件破坏应力小于yf，均由应力集中而引起。

特征：破坏断口平齐，晶粒往往在一个面断裂而呈光泽的晶粒状疲劳破坏的定义：钢材在循环多次反复作用下裂纹生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏疲劳破坏的发生条件：1、受反复荷载作用2、存在拉应力3、应力集中程度较高。

疲劳破坏的三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢发展和最后迅速断裂疲劳破坏的影响因素：1、应力种类2、应力循环特征和应力幅3、循环次数（疲劳寿命）4、应力集中疲劳强度：对于轧制钢材或非焊接结构，疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应有关；而对于焊接结构，疲劳强度与应力幅、循环次数和缺口效应有关应力幅：一次循环中最大应力与最小应力之差钢材的静力强度对疲劳性能无显著影响。

钢材的选用原则：1、结构或构件的重要性2、荷载情况（静力荷载，动力荷载）3、连接方法（焊接连接、螺栓连接）4、结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）5、钢材的厚度第三章钢结构的连接连接按连接方法分类：焊接连接、铆钉连接、螺栓连接连接按功能分类：受力性连接、缀连性连接、支撑性连接不同连接的使用范围：焊接：适于静力结构，对接焊缝适用于承受各种荷载的永久性结构铆钉：内力较大，承受各种荷载的永久性结构普通螺栓：内力较小，次要结构，临时结构，安装连接摩擦型高强度螺栓：内力较大的永久性结构，直接承受动载的结构承压型高强度螺栓：内力较大的永久性结构，间接承受动载的结构不同连接的刚度：焊接＞摩擦型＞铆钉＞承压型＞普通螺栓连接形式：按被连接件相互几何位置分为对接、搭接、顶接（T形、角接）焊缝形式：对接焊缝、角焊缝焊缝种类和连接形式是不同的概念同一类型的接头可以用两种焊缝实现焊缝质量等级：三级：外观检查，即焊缝实际尺寸是否符合设计要求；有无看得见的裂纹、咬边等缺陷。

焊缝设计强度为基材的0.85倍二级：外观基础上加无损检验。

超声波检验焊缝20%的长度一级：超声波检验每条焊缝的全长，以揭示焊缝内部缺陷对接焊缝的计算：1、受轴力作用：wtwNfl tσ=≤焊缝计算长度wl——有引弧板时取几何长度l无引弧板时取几何长度减去焊口影响2wl l t=-2、受剪力作用：wwvwVSfI tτ=≤3、受弯矩作用：wtwMfWσ=≤4、弯矩、剪力和轴力同时作用：正应力和剪应力都较大处要使用折算应力1.1weq tfσ=侧焊缝：平行受力方向的焊缝称为侧焊缝，应力性质：受剪应力作用，塑性好，强度偏低，约为端焊缝强度的75％。

剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小。

焊缝越长，分布越不均匀端焊缝：垂直受力方向的焊缝称为端焊缝，应力性质：应力状态比较复杂，即非剪应力，亦非正应力，而是介于二者之间的一种应力有效截面（计算截面）：直角角焊缝的实际破坏面很不规则，计算中假定沿45°喉部截面破坏，该截面称为焊缝有效截面 焊脚尺寸：指焊跟至焊趾的尺寸f hf h 值不能过大、过小：过小的角焊缝将导致焊缝冷却过快易产生收缩裂纹等缺陷；过大会导致焊缝烧穿较薄的焊件，增加主体金属的翘曲和焊接残余应力21.2f h t ≤≤1t 较厚焊件厚度 2t 较薄焊件厚度 但对边缘施焊的角焊缝要求 ①当6 f t mm h t ≤≤②当6 (1~2)f t mm h t mm >=- 焊缝长度不宜过小，也不能过大： 角焊缝的计算长度不得小于8f h 和40mm ，长度过小会使焊件局部加热严重，且起、落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠侧面角焊缝的计算长度也不宜过大，承受静荷载的侧面角焊缝计算长度不得大于60f h ，动荷载下不得大于40f h ，因为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。

焊缝长度越长，应力集中系数越大。

如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀。

当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端。

（当实际长度大于以上数值时，计算时不与考虑；当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制） 仅采用两条侧焊缝时：1、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，规范规定 w l b ≥2、为了避免焊缝横向收缩时引起板件的 拱曲太大，规范规定 16b t ≤（较薄焊件厚度）角焊缝的计算：w f f ≤（静荷载时 1.22f β=，动荷载时 1.0f β=）具体情况见书残余应力的成因：焊接过程中，局部高温引起不均匀加热，部分区域出现塑性压缩，冷却时，焊缝附近钢材不能自由收缩，从而产生残余应力残余应力产生的三个因素：1、钢材本身有热胀冷缩的性质，且随温度升高屈服强度降低2、焊接过程存在不均匀加热3、刚才伸缩受到外界或内部因素的约束 残余应力的分布规律：1、任意方向的残余应力在任意截面上的积分为零2、在垂直焊缝截面上，焊缝截面及热影响区存在残余拉应力，约束区存在压应力3、平行焊缝截面上，焊接残余应力与施焊顺序相关，分布复杂。

焊接残余应力的影响： 1、对结构静力强度无影响 2、降低结构刚度 3、降低结构稳定承载力4、容易使钢构件发生脆断5、降低材料疲劳强度 焊接应力和变形控制：1、采用合理的焊接次序：跳焊、间断焊2、焊缝均匀对称3、焊后校直或给构件以一个和焊接变形相反的预变形4、焊前预热、焊后热处理规范禁止3条相互垂直的焊缝相交，为什么？由于焊缝中存在三向应力，阻碍了塑性变形，在低温下使裂缝易发生和发展，加速构件的脆性破坏螺栓的间距要求： 1、受力要求:垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而降低承载力，螺栓的边距和端距不能太小顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太小对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。

2、构造要求：螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入腐蚀钢材。

受剪连接破坏形式： 1、螺栓杆被剪坏 2、孔壁的挤压破坏 3、板件被拉断4、板件端部被剪坏(拉豁)：端距不小于2d 05、栓杆弯曲破坏：板叠厚度不超过5d 前三种通过计算避免，后两种通过构造解决 单个螺栓的抗剪承载力： 螺杆抗剪承载力设计值：24bb vv v d N n f π=承压承载力设计值：b b cv N d t f=⋅∑单栓承载力：{}minmin ,bb b vcN N N =t ∑—在同一受力方向的承压构件的较小厚度普通螺栓群的单栓抗剪承载力的折减： 在1015l d >（0d 为孔径）时，要进行折减，因为螺栓群在轴力的作用下的受剪连接，螺栓群在长度方向各螺栓受力不均匀，两端大、中间小，当1015l d ≤时可不考虑这种不均匀性，当1015l d >时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重分布，各个螺栓内力也难以均匀，故要进行折减 将螺栓承载力乘以折减系数：1100101.10.7(15)1500.7(60)l l d d l d η⎧-≥>⎪=⎨⎪>⎩扭矩作用下的计算假定： 1、连接板件绝对刚性，螺栓为弹 性体2、扭矩使连接板绕螺栓群形心O 转动，各螺栓所受剪力与螺栓至形心距离成正比,其方向与螺栓到形心的连线相垂直 拉力、剪力联合作用下：1防止孔壁压坏：1bv c V N N n=≤三种螺栓受剪型连接的传力机理： 普通螺栓依靠螺栓抗剪和孔壁承压来传递外力；摩擦型是依靠被夹紧板束接触面的摩擦力传力，以摩擦力被克服和被连接件的构件发生相对滑移作为破坏的极限状态；承压型是依靠螺栓受剪和孔壁承压来传递外力，以螺栓受剪破坏或孔壁承压破坏作为承载力极限状态 摩擦型螺栓承载力：抗剪承载力：0.9bv f N n P μ=⋅⋅抗拉承载力：0.8b t N P = 抗剪、抗拉承载力：1v t b b v t N N N N ⎛⎫⎛⎫+≤ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭承压型螺栓承载力： 抗剪承载力：24b b vvv d N n f π=、bb c v N d t f =⋅∑{}minmin ,b b b v c N N N =抗拉承载力：2b b e tt d N f π⋅=抗剪、1≤同时防止孔壁承压破坏： 1.2bc v N N ≤*用承压型高强螺栓连接轴心拉杆时，可否直接承受动载？不能直接承受动荷载，承压型高强螺栓允许被连接件之间发生滑动，滑动后依靠栓干抗剪和承压径传递剪力，他的允许的外力有可能大于所受摩擦力，产生相对滑移，在动荷载作用下就存在循环应力，就可能存在疲劳破坏*摩擦型高强度螺栓本身不存在疲劳破坏问题，原因何在？因为高强摩擦型螺栓之间是摩擦传递内力，破坏准则是克服摩擦力，它的摩擦力是大于螺栓所受到的外力，螺栓不会产生滑移 ，就不存在循环应力，也就没有疲劳破坏，一旦产生滑移高强摩擦性螺栓就算被破坏第四章 轴心受力构件受拉构件也需要进行刚度验算的原因： ♦ 避免自重下的挠曲 ♦避免动载作用下振动过大♦防止运输、安装过程中偶然碰撞引起杆件变形解释概念：压杆的整体稳定性、压杆的局部稳定性、格构式压杆的换算长细比 压杆的整体稳定性：轴心受压杆件维持其原有平衡状态的能力压杆的局部稳定性：在外压力作用下，截面的某些部分（板件），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 格构式压杆的换算长细比：当构件绕虚轴发生弯曲失稳时，因为剪力要由比较柔弱的缀材负担，剪切变形较大，导致构件产生较大的附加侧向变形，这对构件临界力的降低是不可忽略的，故用加大的长细比来代替进行计算，为换算长细比实际轴心压杆与理想轴心压杆有哪些区别？1）材料为弹塑性材料，且材质不均匀 2）存在残余应力、初弯曲、初偏心等缺陷 轴心受压构件的失稳模式：弯曲失稳：只发生弯曲变形，截面只绕一个主轴旋转，杆纵轴由直线变为曲线，是双轴对称截面常见的失稳形式扭转失稳：失稳时除杆件的支撑端外，各截面均绕纵轴扭转，是某些双轴对称截面可能发生的失稳形式弯扭失稳：单轴对称截面绕对称轴屈曲时，杆件发生弯曲变形的同时必然伴随着扭转 理想轴压杆件的基本假设：1、截面几何中心（形心）和物理中心（质心） 始终重合2、杆件轴线（截面形心的连线）笔直3、轴力作用线与杆件轴线始终重合 临界力的求解步骤：1、令结构偏离初始平衡位置，产生一可能变形2、分析受力情况，作隔离体受力图3、由平衡条件建立稳定分析的特征方程4、由特征方程求解临界荷载欧拉临界应力：22cr Eπσλ=实际轴心受压构件：杆件不可避免的存在初弯曲、初偏心、残余应力以及材质不均匀等初始缺陷，导致杆件稳定性与理想轴心压杆有很大区别。