(電大復習)本科鋼結構

第二章 鋼結構的材料 2.1 對建筑用鋼材的性能要求 較高的強度：抗拉強度 fu和屈服強度 fy 足夠的變形能力：塑性和韌性 良好的加工性能：冷加工、熱加工、可焊性 2.2 鋼材的主要性能及其鑒定 1、單軸拉伸時的工作性能 條件：標準試件，常溫（ 20）下緩慢加載，直到拉斷破壞，一次完成。 標準試件 l0 / d =5， 10； l0 標距； d 直徑 彈性階段： E 為常量 彈塑性階段： E為變量 塑性階段： E 為零，失去承載的能力。 應變硬化階段：又恢復承載的能力，但很快被拉斷。 一次拉伸試 驗中重要指標： 屈服強度 fy： 材料強度標準值，當結構或構件截面 s fy時，認為結構或構件喪失了繼續(xù)承載的能力。 fy= s0.2（名義屈服點）。 抗拉強度 fu： 構件的最大承載力，直接反映鋼材的內部組織的優(yōu)劣， fu愈高，強度儲備愈高。 fu/ fy 強屈比，鋼材塑性設計的一個重要條件。 伸長率 %100001 l ll 衡量鋼材塑性的主要指標。 冷彎性能 在冷彎試驗中表現(xiàn)的性能，既能看出鋼材塑性變形的能力，又可看出鋼材的冶金質量。 沖擊韌 性 n 鋼材抵抗沖擊作用的能力。 n 用沖擊韌性值 ak 表示： ak 值大，韌性好。 nak值的測定：通過試驗： （ 1）梅式 U型缺口： ak 值 （ 2）夏比 V型缺口： CV 可焊性n 鋼材采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)及一定的結構形式等條件下，獲得合格焊縫的難易程度。 n 與含 C量和合金元素有關。 2.3 影響鋼材性能的因素 1、化學成分： nC（碳）：形成鋼材強度的主要成分。 nMn（錳） :弱脫氧劑。 nSi（硅） :強脫氧劑 nV(釩）、 Nb（鈮）、 Ti（鈦）：合金元素 nAl（鋁）、 Cr（鉻）、 Ni（鎳）： Al是強脫氧劑，用于補充脫氧。 Cr、 Ni為合金元素。 有害元素： nS（硫）：熱脆 nP（磷）：冷脆 nO（氧）、 N（氮）： 2、成材過程的影響 n 冶煉：平爐、轉爐 n 澆鑄：鋼水 鋼錠 初軋 成材（傳統(tǒng)工藝） 鋼水 連鑄機 鋼坯 成材（新工藝） n 軋制：改善內部組織結構 n 熱處理：顯著提高強度 3、其它因素 n 冷加工硬化：強度提高，塑性、韌性降低。 n 溫度：正溫、負溫 n 應力集中：易發(fā)生脆性破壞。 2.4 鋼材延性破壞和非延性破壞、 循環(huán)加載和快速加載的效應 1、 延性破壞和非延性破壞（塑性破壞和脆性破壞） 破壞特點： 塑性破壞（延性破壞）：有屈服現(xiàn)象，破壞前有較大的塑性變形； 脆性破壞（非延性破壞）：無屈服現(xiàn)象，破壞前沒有塑性變形或只有很小的塑性變形。 將結構或構件設計成延性結構是我們設計的目的。但并非所有的塑性材料都發(fā)生塑性破壞。 2、循環(huán)荷載的效應（又稱重復荷載） 土木工程中，承受重復荷載作用的結構或構件有： n吊車梁：吊車 n橋梁：車輛 n容器：內部液體 n海洋平臺：海水 n建筑物：地震作用 以上這些重復荷載都是可變荷載，這些重復荷載的作用使構件 的鋼材易發(fā)生疲勞斷裂。 （ 1）疲勞斷裂 n概念：微觀裂縫在連續(xù)重復荷載作用下不斷擴展直至斷裂的脆性破壞。 n特點：截面應力很小，小于抗拉強度，甚至是屈服強度；斷裂時無明顯的變形；裂縫起始點在構件表面處。 n發(fā)生的原因：在連續(xù)重復荷載作用下，在鋼材表面的缺陷處，產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，形成二向或三向拉應力場。在應力高峰處，裂縫逐漸開展，使截面的有效面積逐漸減少而應力集中更加嚴重，塑性變形受到限制，直到斷裂時，變形都很小。 n影響的因素：鋼材的質量（ C、 S、 P含量）、構件的幾何尺寸（不能有突變）和冶金缺陷等有關； 重復荷載作用下構件截面的應力變化幅度（ sD=smax-smin)有關；重復荷載的循環(huán)次數(shù) n有關。 sD n曲線 n圖 2-11 是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計而得的。 n式 2-1 是只考慮了均值，不完善。 n式 2-2 是考慮了均值和方差后的方程，能真實反映試驗數(shù)據(jù)的準確性。 n 式 2-6 是構件截面進行疲勞驗算的計算公式， C、 是參數(shù)，與構件和連接有關。 注注 意意 ： sD主要取決于應力循環(huán)次數(shù) n 、構件和連接的具體細部構造和應力集中程度，與鋼材強度無關。 并不是所有的承受動力荷載重復作用的構件和連接都進行疲勞驗算。 n規(guī) 范規(guī)定：直接承受動力荷載重復作用的構件，當應力變化的循環(huán)次數(shù) n 5 104次時，對應力循環(huán)中出現(xiàn)拉應力的部位進行疲勞驗算。 n疲勞計算的方法按 “ 容許應力法 ” 計算，即： 計算時應注意： 1、荷載為可變荷載，且為標準值； 2、動力荷載不乘以動力系數(shù)； 3、按彈性方法計算截面應力 。 2.5 建筑鋼材的類別及鋼材的選用 建筑鋼材的類別： 1、碳素結構鋼： Q235 2、低合金高強度結構鋼： Q345、 Q390、 Q420 3、高強鋼絲及鋼索：主要用于抗拉構件中，如：斜拉結構、懸索結構、桅桿結構等。 高強鋼絲分光面鋼絲和鍍鋅鋼絲，由碳素結構鋼多次冷拔而成，其主要指標為抗拉強度 fu，且有 “ 松弛 ” 現(xiàn)象。多根鋼絲可組成 “ 平行鋼絲束 ” 和 “ 鋼絞線 ” ；多根鋼絞線可組成 “ 鋼絞線束 ” 和 “ 鋼絲繩 ” 。 鋼材的選用 n結構或構件的重要性 n荷載的性質 (靜載或動載） n連接的方法（焊接或螺栓） n工作環(huán)境及溫度（腐蝕程度、構件的工作溫度） 型鋼規(guī)格： n熱軋鋼板：薄板、厚板 n 熱軋型鋼：角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼 管、H 型鋼、 T型鋼 n 冷彎薄壁型鋼： 第 3章 構件截面承載力 強度 鋼結構承載能力的三種形式： 構件截面承載能力：在荷載作用下截面的應力與構件材料相應強度值的比較，即強度 單個構件的承載能力：構件的穩(wěn)定性，與構件的剛度有關 整體結構的承載能力：與抗側力構件的剛度有關或與結構體系中壓桿、壓彎構件有關 3.1 軸心受力構件的強度和截面選擇 1、軸心受力構件的應用： 分類：軸心受壓構件、軸心受拉構件 應用： 桁架：鋼屋架、托架、吊車梁以及制動桁架； 塔架：電視塔、氣象塔、輸電線路塔； 網(wǎng)架：平面網(wǎng)架 、空間網(wǎng)架； 柱：操作平臺柱、抗風柱； 各種支撐結構：屋面支撐、柱間支撐 以上各種結構中的每一根桿件均為軸心受力構件。 3、截面選擇的基本原則： 滿足強度所需的截面面積； 滿足剛度的要求； 制作簡便； 便于連接 軸心受拉構件的強度計算： 軸心受力構件的強度承載力是以截面的平均應力達到鋼材的屈服應力為極限。 fAN 當構件的截面有局部削弱時，截面上的應力分布不再是均勻的 ,以其凈截面的平均應力達到其強度限值作為設計時的控制值。即用 An代替 上式的 A。 計算公式同軸拉構件的強度計算公式； 當壓桿截面無孔洞時，構件承載力是由穩(wěn)定來控制，此時強度可不計算； 當壓桿截面有孔洞時，構件承載力可由強度來控制，此時即要計算凈截面強度又要計算桿件的穩(wěn)定性； 索的受力性能和強度計算： 索是柔性材料，只能抗拉，不能抗壓，也不能抗彎； 變形對鋼索的承載力影響很大，所以進行內力分析時采用二階分析法； 在計算內力和變形時，按彈性階段進行計算； 強度計算采用 “ 容許應力法 ” ，公式為KfAN kk max 3.2 梁的類型和 強度 3.2.1 梁的類型 鋼梁的制作方法分：型鋼梁、組合梁 按受力情況分：單向受彎、雙向受彎 梁的支座形式：以簡支梁為主 截面選擇： 冷彎薄壁：輕型鋼結構。 熱軋型鋼：加工簡單，價格低，受規(guī)格限制。 組合梁：型鋼和鋼板進行連接 鋼 混凝土組合梁：高層鋼結構中應用廣泛。 受彎構件計算內容： 截面強度計算：抗彎（截面彎曲正應力最大處）、抗剪（截面剪應力最大處）、折算應力（截面彎曲應力和剪應力都較大處） 構件的整體穩(wěn)定計算：彎扭失穩(wěn) 構件的局部穩(wěn)定計算：各板件的承載力 構件的疲勞 驗算：直接承受動力荷載的梁，當 n 5 104次時應進行計算。 強度計算： 梁的正應力：以工字型截面為例，純彎曲的簡支梁的 M- 曲線。有四個階段： 1）彈性工作階段 2）彈塑性工作階段 3）塑性工作階段 4）應變硬化階段 彈性工作階段： ye fWM 彈性階段承載力的極限狀態(tài)： 注： eye WfM 需進行疲勞驗算的梁以此作為承載能力極限狀態(tài)； 冷彎薄壁梁也以此作為承載能力極限狀態(tài) 彈塑性工作階段： 梁翼緣邊緣纖維應力已達到 屈服點，開始形成塑性區(qū)，并從翼緣開始逐步向中和軸發(fā)展?？拷泻洼S部分腹板面積仍保持彈性階段。這時所增加的外力 M 全部由彈性區(qū)來承受。 普通鋼結構的受彎構件就是以這個階段作為承載力極限狀態(tài)。此時只考慮部分截面塑性發(fā)展。其計算公式是在彈性階段的基礎上引進了一個截面塑性發(fā)展系數(shù) 即： ynfWM 塑性階段： 截面每一處纖維的應力 均等于 fy， 即： ypnpypnp fWMfWM 是鋼結構進行塑性設計的依據(jù)。此時截面出現(xiàn)塑性鉸， Mp 即為塑性鉸彎矩。 應變硬 化階段： 梁翼緣的強度有所增加，但在計算時不利用這一階段的強度值，作為強度儲備。 為什么普通鋼結構中鋼梁的承載能力極限狀態(tài)不利用完全塑性而只考慮部分截面的塑性變形？ 當截面發(fā)生塑性變形時，將使梁的撓度增大而不滿足正常使用的要求； 梁翼緣與腹板交接處的折算應力太大而不滿足要求； 對梁的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定不利。 梁的剪應力： 在荷載作用下梁截面既有彎矩又有剪力（純彎曲梁除外），截面既有正應力又有剪應力。 剪應力的計算按 “ 材料力學 ” 的公式計算：vw fItVS 剪 應力計算公式使用時應注意： 1）對熱軋型鋼，由于其腹板較厚，若腹板無孔洞或截面削弱，一般情況下不驗算剪應力； 2）主、次梁連接采用圖中所示時，次梁端部剪應力計算公式：vww fthV 5.1max梁的扭轉： 自由扭轉：截面之間無約束，可以自由翹曲，縱向纖維無軸向應變，截面只有剪應力。 約束扭轉：桿件端部的支承使截面之間互相約束，其截面的翹曲變形受到約束，縱向纖維有軸向拉伸或壓縮，截面除有剪應力外，還有正應力。引起截面剪應力的扭矩有兩部分組成：自由扭轉力矩和約束扭轉力矩 3.3 梁的局部壓應力和組合應力 局部壓應力 當梁上有集中荷載作用時，除驗算截面的正應力和剪應力外，還應驗算局部壓應力。 集中力通過翼緣傳至腹板，使翼緣和腹板沿梁的長度方向在一定范圍內受壓，在計算時假定為均勻受壓。這種壓應力在哪個部位是最不利的？ 驗算時采用公式 3-30。 當驗算不滿足時應采取措施： 1、設置加勁肋； 2、加大腹板厚度； 組合應力（折算應力）： 同一截面的同一部位有多種應力狀態(tài)時，是否滿足強度要求。 以工字型截面為例： max （邊緣）、 max（中和軸） 是同一截面的不同部位。此外任一部 位都有 、 ，找最不利的部位。 梁截面沿長度的變化 指受強度控制的焊接截面，可以沿梁的長度方向變化。 主要用在實腹式焊接吊車梁 兩種方式：改變梁腹板的高度； 變化翼緣板面積； 變化梁的腹板高度： 端部腹板高度應滿足抗剪強度的要求； 梁端部高度不小于梁高的一半； 轉折點的距離為（ 1/51/6）梁的跨度； 轉折點處腹板設橫向加勁肋。 變化翼緣板面積 若為單層翼緣板：改變翼緣板寬度。需滿足以下要求： 1）變截面位置：踞支座 l/6 處，改變后的板寬 b1 由 M1 確定； 2） b b1，坡度 1:4； 3）采用對接焊縫（正焊縫或斜焊縫） 若為多層翼緣板，采用逐步切斷外層翼緣板的方法，此時要區(qū)分理論切斷點和實際切斷點。 3.5 梁的內力重分布和塑性設計 內力重分布：對 超靜定結構 ，截面出現(xiàn) 塑性鉸 后，隨著荷載的增加，結構內力重新分布，使其他截面出現(xiàn)塑性鉸，直至形成機動結構。 塑性設計：就是利用內力重分布，使截面達到材料的屈服強度，充分發(fā)揮材料的潛能。 鋼材性能要滿足以下要求： 1） 5 15%； 2） u 20 y； 3) fu/fy 1.2 塑性 設計適用范圍：不直接承受動荷載的超靜定梁； 由實腹構件組成的單層和兩層框架。 3.6 拉彎、壓彎構件的應用和強度計算 拉彎構件的應用： 截面形式：兩種情況 拉彎構件計算其強度和剛度 (限制長細比 ) ；其容許長細比與軸心拉桿相同 (表6-1)； 破壞形式： 實腹式 拉彎的截面出現(xiàn)塑性鉸是承載能力的極限狀態(tài)；對 格構式 拉彎桿繞虛軸受彎和 冷彎薄壁 型鋼截面拉彎桿，把截面邊緣達到屈服強度視為構件極限狀態(tài)，以上屬于強度破壞形式；對軸心拉力很小而彎矩很大的拉彎桿也可能存在和梁類似的彎扭失穩(wěn)的破壞形式。 壓彎構件的應用： 截面形式：兩種情況 計算強度、整體穩(wěn)定 (彎矩作用平面內和彎距作用平面外 )、局部穩(wěn)定和剛度 (限制長細比 )，壓彎構件的容許長細比與軸心壓桿相同。 破壞形式：取決于桿的受力條件，桿的長度，支承條件、截面的形式和尺寸等。對粗短桿和截面有嚴重削弱的桿可能產(chǎn)生 強度破壞 ，此外大多數(shù)壓彎構件總是 整體失穩(wěn)破壞 。組成壓彎構件的板件，還有板件屈曲將促使構件提前失穩(wěn)的 局部失穩(wěn)破壞 。 壓彎構件在彎矩作用平面外的穩(wěn)定計算 1.失穩(wěn)現(xiàn)象：彎扭屈曲 2.臨界力的推導：將壓彎構件分解成兩種受力情況：純彎曲和軸壓 n 純彎曲構 件發(fā)生彎扭失穩(wěn)時的平衡微分方程：式 4-44、 45 n 此時將軸力對側向彎曲和扭轉的影響加以考慮，將式 4-44、 45改寫成 4-87、 88 n 將方程聯(lián)立求解得出式 4-90 梁的整體穩(wěn)定系數(shù) ycrb f n 假定在彈性階段喪失整體穩(wěn)定，式 4-60 n 引入系數(shù)：等效彎矩系數(shù)b；截面影響系數(shù) b ； n 但在實際工程中，由于梁截面的缺陷（殘余應力、初偏心、初彎曲等），都會使梁在彈塑性階段發(fā)生整體失 穩(wěn)。此時應對穩(wěn)定系數(shù)進行修正。 影響梁整體穩(wěn)定承載力的因素有： n 荷載類型及其沿梁跨度分布情況 n 荷載作用于截面上的位置 n 截面形式及其截面特性（抗彎剛度和抗扭剛度） n 梁受壓翼緣側向支承點的距離 n 端部支承條件 n 初彎曲、加載初偏心和殘余應力等 4.5 壓彎構件的面內和面外的穩(wěn)定及截面選擇計算 失穩(wěn)現(xiàn)象：壓彎構件的失穩(wěn)可根據(jù)其抵抗彎曲變形能力的強弱而分為在彎矩作用平面內的彎曲失穩(wěn)和彎矩作用平面外的彎扭失穩(wěn)。在軸線壓力 N和彎矩 M的共同作用下，當壓彎構件抵抗彎扭變形能力很強，或者在構件的側面有足夠多的 支撐以阻止其發(fā)生彎扭變形時，則構件可能在彎矩作用平面內發(fā)生整體的彎曲失穩(wěn)。當構件的抗扭剛度和彎矩作用平面外的抗彎剛度不大，且側向沒有足夠支撐以阻止其產(chǎn)生側向位移和扭轉時，可能發(fā)生彎矩作用平面外的彎扭失穩(wěn)。 面內穩(wěn)定承載力計算（三種方法）： 1.截面邊緣纖維屈服準則 2.最大強度準則 （或極限承載力準則） 3.實用計算方法 最大強度準則 ： （或極限承載力準則） 計算實腹式壓彎構件 Nu通常有近似解析法和數(shù)值積分法兩種方法。 近似解析法： n 對于彈塑性的壓彎構件，可以把撓曲線近似的取為正弦曲線的 半個波段。這樣，已知撓曲線函數(shù)后，可以列出構件任意截面的壓力 N和撓度 v的關系，并由極值條件得出構件的承載力 Nu。 n 此法的重要缺點是很難具體分析殘余應力對壓彎構件承載力的影響。 數(shù)值積分法： n 把桿件沿軸線方向分成足夠多的小段，并以每段的中點曲率代表該段的曲率。在確定每小段的截面應力時將殘余應力的影響計入在內。對于桿件分的段數(shù)愈多，計算精度愈高，同時計算量也愈大。 n 此法比沒有考慮殘余應力的近似法精確，并且還具有可以考慮初始彎曲和能夠用于不同荷載條件與不同支承條件的優(yōu)點，但推導的計算公式太繁瑣，不適合實際 應用。 我們將板件的非彈性屈曲應力值控制在什么范圍內才認為板件是穩(wěn)定的？ 一種是不允許板件的屈曲先于構件的整體屈曲，鋼結構設計規(guī)范（ GB 50017）對軸心壓桿就是這樣規(guī)定的。 另一種是允許板件先屈曲。雖然板件屈曲會降低構件的承載能力，但由于構件的截面較寬，整體剛度好，從節(jié)省鋼材來說反而合算，冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范（ GB 50018）就有這方面的條款。有時對于一般鋼結構的部分板件，如大尺寸的焊接組合工字形截面的腹板，也允許其先有局部屈曲。 軸心受壓構件的局部穩(wěn)定： l 根據(jù)局部屈曲不先于 整體屈曲的原則，板件的臨界應力和構件的臨界應力相等即可確定出構件的腹板高厚比（式 4-113）和翼緣的寬厚比（式 4-115）。 l 注意公式的使用條件： 1.只針對于工字型截面； 2. 取構件兩個方向長細比的較大者； 3.當 12mm）或 200mm（當 t 12mm）， t為較薄焊件的厚度。不滿足要求時，應加正面角焊縫、塞焊、槽焊（見圖 7.29）。 7.5 焊接殘余應力和焊接殘余變形 w什么是焊接殘余應力？ w焊接殘余應力的分類：縱向殘余應力、橫向殘余應力、沿厚度方向的殘余應力。 w焊接殘余應力的影響： 對靜力強度的影響；對結構剛度的影響；對壓桿穩(wěn)定的影響；低溫冷脆的影響；對疲勞強度的影響 w焊接殘余變形：焊接工藝和設計方面 第 7章 鋼結構的連接和節(jié)點構造 7.1 鋼結構對連接的要求及連接方法 基本構件通過連接制成整體結構。例如：屋架。在鋼結構中，連接的設計、制作、安裝占有很重要的地位，所以設計時，在選用合理的連接方式時，應考慮以下問題： 1、連接設計與結構內力分析時的假定相一致； 2、連接設計應選 擇最不利的荷載工況； 3、傳力直接、明確，避免應力集中； 4、節(jié)點的變形協(xié)調； 5、避免偏心的影響； 6、連接的方式應避免在結構中產(chǎn)生過大的殘余應力； 7、利用厚鋼板時，應避免層間撕裂； 8、連接的構造簡單，便于施工 焊接連接 20世紀 20 年代發(fā)展起來的，是現(xiàn)代鋼結構最主要的連接方式。 優(yōu)點：構造簡單，加工方便，節(jié)省鋼材。而且能實現(xiàn)自動化操作，生產(chǎn)效率較高。 缺點：焊縫質量易受材料操作的影響，因此對鋼材材質要求較高（主要是含碳量），焊接時構件內有殘余應力和殘余變形，且宜產(chǎn)生裂縫，給疲勞破壞帶來隱患 。所以，對直接承受動力荷載的結構 不宜 采用。 鉚釘連接 優(yōu)點：傳力可靠，連接的韌性和塑性較好，質量易于檢查。 缺點：用鋼量大、施工較復雜。 在土木工程中很少采用，主要用在飛機制造業(yè)。 普通螺栓 按性能等級分： 3.6， 4.6， 4.8， 5.6，5.8， 6.8， 8.8級。 含義：以 “4.6” 為例： 按制作精度分： A、 B級和 C級。 1、 A、 B 級 精制螺栓，栓桿由車床加工而成，表面光滑，尺寸準確，要求螺栓孔為 I 類孔，允許偏差為 0.18 0.25mm。 2、 C 級 粗制螺栓，要求螺栓孔為 II類孔 ，允許偏差為 1.5 2.0mm。 高強度螺栓 與普通螺栓的區(qū)別：材料強度高、施工時施加預拉力。 按性能等級分： 8.8 級、 10.9 級、 12.9級 從外形上分： 1、大六角頭螺栓 (見圖 1）：連接副：一個螺栓、一個螺母、二個墊圈。有 8.8級、 10.9級。 2、扭剪型螺栓（見圖 2）：連接副：一個螺栓、一個螺母、一個墊圈。有 8.8 級、 10.9級。 按受力狀況分： 1、摩擦型連接：預拉力把被連接的部件夾緊，使部件的接觸面間產(chǎn)生很大的摩擦力，外力通過摩擦力來傳遞。板件之間不允許產(chǎn)生滑移。 2、承壓型連接 ：板件之間允許產(chǎn)生滑移。 7.2 焊接連接的特性 1、 焊接方法 電弧焊、 電阻焊 氣體保護焊 手工電弧焊： 1、通電后在涂有焊藥的焊條與焊件之間產(chǎn)生電弧，熔化焊條而形成焊縫。焊藥則隨焊條熔化而形成熔渣覆蓋的焊縫上，同時產(chǎn)生一種氣體，隔離空氣與熔化的液體金屬，使它不與外界空氣接觸，保護焊縫不受空氣有害氣體影響。 2、焊條應與焊件的金屬強度相適應。 Q235 鋼焊件 E43型系列焊條 Q345 鋼焊件 E50型系列焊條 Q390 鋼焊件 E55型系列焊條 當不同鋼種的鋼材連接時，宜用與低強度鋼材相 適應的焊條。 優(yōu)點： 操作簡單，不受地方、場所、焊件尺寸、形狀的限制。 缺點： 由于是手工操作，受到焊工的技術水平的影響（焊工要分等級），所以焊縫要進行質量檢查。（焊縫的外觀和內部探傷） 自動或半自動埋弧焊 ： 自動焊的焊縫質量均勻，塑性好，沖擊韌性高，抗腐蝕性強。半自動焊除人工操作前進外，其余與自動焊相同。 適用于焊接受力構件，如：焊接截面中腹板與翼緣的連接等。 氣體保護焊： 是利用惰性氣體或 CO2氣體作為保護介質，在電弧周圍形成保護層，使被融化的金屬不與空氣接觸，而形成 的火焰來熔化焊條，形成焊縫。 電弧加熱集中，熔化深度大，焊接速度快，焊縫強度高，塑性好，其效率是手工電弧焊的 34 倍。 可以手工操作或自動操作。 電阻焊 利用電流通過焊件接觸點表面產(chǎn)生的熱量來熔化金屬，再通過壓力使其焊合。 冷彎薄壁型鋼（厚度低于 3.5mm）的焊接；板疊厚度不超過 12mm 的焊接。 焊縫連接的優(yōu)缺點 ： 優(yōu)點：（ 1）不需要在鋼材上打孔鉆眼，既省工省時，又不使材料的截面積受到減弱 （ 2）任何形狀的構件都可直接連接，一般不需要輔助零件，使連接構造簡單，傳力路線短，適應面廣； （ 3） 焊接連接的氣密性和水密性都較好，結構剛性也較大，結構的整體性較好。 缺點： （ 1）由于高溫作用在焊縫附近形成熱影響區(qū)，鋼材的金相組織和機械性能發(fā)生變化，材質變脆； （ 2）焊接的殘余應力會使結構發(fā)生脆性破壞和降低壓桿穩(wěn)定的臨界荷載，同時殘余變形還會使構件尺寸和形狀發(fā)生變化； （ 3）焊接結構具有連續(xù)性，局部裂縫一經(jīng)發(fā)生便容易擴展到整體。 焊縫缺陷 焊縫在焊接過程中會在焊縫金屬或附近熱影響區(qū)鋼材表面或內部產(chǎn)生缺陷，常見的缺陷有裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透等； 外觀檢查：直尺 、放大鏡、磁粉等 內部探傷：超聲波或射線 鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范GB50202-2001 規(guī)定，焊縫質量檢查標準分為三級，三級只要求焊縫通過外觀檢查；二級質量檢驗，即在外觀檢驗的基礎上要求超聲波檢驗每條焊縫 20%的長度，一級要求用超聲波檢驗每條焊縫的全部長度。 注： 一、二級焊縫用于等強連接，其焊縫的拉、壓、彎時與母材相等，不必計算焊縫的強度。 三級焊縫一般只能達到母材強度的 85%，應進行驗算。 若為高空施焊，焊縫強度設計值應乘折減系數(shù) 0.9。 焊縫連接型式及焊縫型式 連接型式 按 被連接構件的相對位置分：平接； T形連接；搭接：角接；（圖 7-7） 按施焊位置分：俯焊（平焊）、立焊、橫焊和仰焊 （圖 7-10） 焊縫型式可分為對接焊縫和角焊縫兩種形式 對接焊縫分為對接正焊縫和對接斜焊縫 ； 角焊縫分為側面角焊縫和正面角焊縫 ； 焊縫代號： 焊縫代號由引出線、圖形符號和輔助符號三部分組成。引出線由橫線和帶箭頭的斜線組成。 對接焊縫的構造和計算 一、構造要求： 1.按照坡口形式： （ a）直邊縫；（ b）單邊 V形縫；（ c）雙邊 V 形縫；（ d） U形縫；（ e）K形縫；（ f） X形縫 （ g）（ h）（ i）加墊板的直邊縫、單邊 V形縫、雙邊 V 形縫 不同板厚與板寬的對接： 在鋼板厚度或寬度有變化的焊接中，為了使構件傳力均勻，減少應力集中，應在板的一側或兩側作成坡度不大于 1:2.5 的斜坡（圖 3-30），形成平緩的過渡。若板厚相差不大于 4mm，則可不做斜坡。 加引弧板 對接焊縫的引弧板對接焊縫的起點和終點，常因不能熔透而出現(xiàn)凹形的焊口，受力后易出現(xiàn)裂縫及應力集中。為消除這種不利情況，施焊時常將焊縫兩端施焊至引弧板上，然后再將多余的部分割掉，并用砂輪將表面磨平。在工廠焊接時可采用引弧板，在工地 焊接時，除了受動力荷載的結構外，一般不用引弧板，而是計算時扣除焊縫兩端各 t（連接件較小厚度）長度。 概念庫 鋼材的設計強度是根據(jù)屈服點確定的 塑性好的鋼材，則韌性也可能好 鋼材的三項主要力學性能指標為抗 拉 強度、屈服點、伸長率 焊接殘余應力對構件的靜 力 強 度無影響 實腹式軸心受拉構件計算的內容包括強度、剛度 (長細比 ) 為提高軸心受壓構件的整體穩(wěn)定，在構件截面面積不變的情況下，構件截面的形式應使其面積分布盡可能遠離形心 軸心受壓構件發(fā)生彈性失穩(wěn)時，截面上的平均應力低于鋼材比例極限 軸 心 受壓構件柱 腳底板的面積主要取決于基 礎 材 料 的強度等級 兩 端 鉸接的理想軸心受壓構件，當截面形式為雙軸對稱十字形時，在軸心壓力作用下構件可能發(fā)生扭 轉 屈 曲 在焊接組合梁的設計中，腹板厚度應厚薄相當 在 焊 接工字形組合梁中，翼緣與腹板連接的角焊縫計算長度不受 60h，的限制，是因為內力沿側面角焊縫全長分布的關系 焊 接 工字形截面梁腹板設置加勁肋的目的是提高梁的局部穩(wěn)定性 梁 上 作用較大固定集中荷載時，其作用點處應設置支承加勁肋 彎 矩 作用在實軸平面內的雙肢格構式壓彎柱應進行強 度 、剛 度 、彎矩作用平面內穩(wěn)定性、單肢穩(wěn)定性和綴材的計算 單 軸 對稱截面的壓彎構件，當彎矩作用在對稱軸平面內，且使較大翼緣受壓時，構件達到臨界狀態(tài)的應力分布可能在拉、壓側都出現(xiàn)塑性 碳的含量對鋼材性能的影響很大，一般情況下隨著含碳量的增高，鋼材的塑性和韌性逐漸降低 試驗證明，鋼材的疲勞強度主要與構造狀況、應力幅和循環(huán)荷載重復次數(shù)有關，而與鋼材的強度并無明顯關 承受動力荷載重復作用的鋼結構構件及其連接，當應力變化的循環(huán)次數(shù) N5X104時，應進行疲勞驗算 按焊縫質量檢驗標準，對外觀缺陷及內部探傷都要檢驗的是二級和一級焊縫 采用普 通螺栓連接時，栓桿發(fā)生剪斷破壞，是因為螺栓直徑過細 計算結構或構件的強度，穩(wěn)定性以及連接的強度時，應采用荷載設計值 構件的長細比是計算長度與回轉半徑之比 軸心受壓構件，應進行強度、整體穩(wěn)定局部穩(wěn)定和剛度的驗算 工字形梁彎矩和剪力都較大的截面中，除了要驗算正應力和剪應力外，還要在正應力和剪應力都較大處驗算折算應力 實腹式偏心受壓構件的整體穩(wěn)定，包括作用平面內彎矩的穩(wěn)定和彎矩作用平面外的穩(wěn)定 鋼屋蓋的剛度和空間整體性是由屋蓋支撐系統(tǒng)保證 鋼材的伸長率 是反映材料塑性變形能力的性能指標。 .計算結構或構件的強度 、穩(wěn)定性以及連接的強度時，應采用荷載設計值 應力集中產(chǎn)生同號應力場， 使塑性變形受到限制 鋼材經(jīng)歷了應變硬化 ( 應變強化 ) 之后強度提高 鋼材牌號 Q235 、 Q345 、 Q390 、 Q420 是根據(jù)材料屈服命名的。 高強度螺栓摩擦型連接受剪破壞時， 作用剪力超過了連接板件間的摩擦力作為承載能力極限狀態(tài)。 部分焊透的對接焊縫的計算應按角焊縫計算 焊接工字形截面梁腹板設置加勁肋的目的是提高梁的局部穩(wěn)定性 一個承受剪力作用的普通螺栓在抗剪連接中的承載力是栓桿的抗剪承載力和被連接構件 ( 板 ) 的承壓承載力中較大值 軸心受壓構件柱腳底板的面積主要取決于 .基礎材料的強度等 按承載力極限狀態(tài)設計鋼結構時，應考慮荷 載 效應的標準組合。 四種厚度不等的 16Mn 鋼鋼板，其中 1 6m m鋼板設計強度最高。 鋼材在低溫下，塑性降低。 對鋼材的疲勞強度影響不顯著的是鋼 種。 普通螺栓受剪連接主要有四種破壞形式，即 (I)螺桿剪斷 ；(I)壁孔擠壓破壞 ；(II)構件拉斷 ；(N)端部鋼板沖剪破壞。在設計時應按下述 (I)、 (I)、 (II)組進行計算 。 關于重級工作制吊車焊接吊車梁的腹板與上翼緣間的焊縫，可采用二級焊透對接焊縫。 每個受剪力作用 的摩擦型高強度螺栓所受的拉力應低于其預拉力的 0 .5 倍。 為提高軸心受壓構件的整體穩(wěn)定，在構件截面面積不變的情況下，構件截面的形式應使其面積分布盡可能遠離形心。 對有孔眼等削弱的軸心拉桿承載力，鋼結構設計規(guī)范采用的準則為凈截面平均應力達到鋼材屈服點。 提高軸心受壓構件局部穩(wěn)定常用的合理方法是增加板件厚度。 單軸對稱截面的壓彎構件，當彎矩作用在對稱軸平面內，且使較大翼緣受壓時，構件達到臨界狀態(tài)的應力分布可 能 在 拉 、壓側都出現(xiàn)塑 承載能力極限狀態(tài)包括構件和連接的強度破壞、疲勞破壞和因過度變形而不適于繼續(xù)承載的狀態(tài) 匕 10 0X80X8 表示不等邊角鋼的長邊寬為l00mm,短邊寬 80mm，厚 8mmo 正 面 角焊縫相對于側面角焊縫，破壞強度高，塑性變形能力差 螺栓 排 列分為并列和錯列兩種形式，其中并列比較簡單整齊，布置緊湊，所用連接板尺寸小，但對構件截面的削弱較大 軸心受力構件的強度是以凈截面的平均應力達到鋼材的屈服點為承載能力極限狀態(tài) 承受橫向荷載的構件稱為受彎構件 進行拉彎和壓彎構件設計時，拉彎構件僅需要計算強度和剛度 ；壓彎構件則需要計算強度、局部穩(wěn)定、整體穩(wěn)定、剛度 屋架的外形應考慮在制造簡單的條 件下盡量與彎矩圖接近，使弦桿的內力差別較小。 鋼中硫和氧的含量超過限量時，會使鋼材熱脆 鋼材的疲勞破壞屬于脆性破壞。 摩 擦型連接的高強度螺栓在桿軸方向受拉時，承載力與螺栓直徑有關。 高強度螺栓摩擦型連接與承壓型連接相比，承載力計算方法不同。 在 鋼 梁底面設有吊桿，其拉力設計值為650kN(靜載 )，吊桿通過節(jié)點板將荷載傳給鋼梁，節(jié)點板采用雙面焊縫焊于梁下翼緣，勺 =10mm,fj =160MPa，則每面焊縫長度為 2 60mm。 軸心受壓構件發(fā)生彈性失穩(wěn)時，截面上的平均應力低于鋼材比例極限。 保證工字形截面梁 受壓翼緣局部穩(wěn)定的方法是限制其寬厚比。 梁的支撐加勁肋應設置在上翼緣或下翼緣有固定作用力的部位 單軸對稱截面的壓彎構件，一般宜使彎矩繞非對稱軸作用。 正常使用極限狀態(tài)包括影響結構、構件和非結構構件正常使用或外觀的變形，影響正常使用的振動，影響正常使用或耐久性能的局部損壞 計算結構或構件的強度，穩(wěn)定性以及連接的強度時，應采用荷載設計值，而不是標準值。 螺栓排列分為并列和錯列兩種形式，其中錯列可以減小栓孔對截面的削弱，但螺栓排列松散，連接板尺寸較大 軸 心 受壓構件板件過薄，在壓力作用下，板件離開平面位置發(fā)生凸 曲現(xiàn)象，稱為構件喪失局部穩(wěn)定 梁的抗剪強度不滿足設計要求時，最有效的辦法是增大腹板的面積 偏心受壓柱鉸接柱腳只傳遞軸心壓力和剪力，剛接柱腳除傳遞軸心壓力和剪力外，還要傳遞彎矩 框架的梁柱連接時，梁端采用剛接可以減小梁跨中的彎矩，但制作施工較復雜。 鋼材的伸長率 8 是反映材料塑性變形能力的性能指標。 在 彈 性階段，側面角焊縫應力沿長度方向的分布為兩 端 大 、 中 間 小。 計 算 軸 心壓桿時需要滿足強 度 、整 體 穩(wěn) 定 性、局部穩(wěn)定性、剛度 (長細比 )的要求 確 定 軸心受壓實腹柱的截面形式時，應使兩個 主軸方向的長細比盡可能接近，其目的是達 到 經(jīng) 濟 效 果 .梁 的 支撐加勁肋應設置在上 翼 緣 或 下 翼 緣有固定作用力的部位 當無集中荷載作用時，焊接工字形截面梁冀緣與腹板的焊縫主要承受水平剪力 為 保 證屋蓋結構的空間 整體作用，提高其整體剛度，減小弦桿的計算長度 ；安 裝 時穩(wěn)定與方便，承擔和傳遞水平荷載 (如風荷載、懸掛吊車水平荷載和地震荷載等 )。，應根據(jù)屋蓋結構形式 (有擦體系或無擦體系，有托架或無托架 )、廠房內吊車的位置、有無振動設備，以及房屋的跨度和高度等情況，設置可靠的支撐系統(tǒng)。 摩擦型高強 螺栓連接只依靠被連接板件間強大的摩擦阻力承受外力，以摩擦阻力被克服作為連接承載能力的極限 狀態(tài) 梁主要用于承受彎矩，為了充分發(fā)揮材料的強度，其截面通常設計成高而窄的形式。 屋架的外形首先取決與建筑物的用途，其次考慮用料經(jīng)濟施工方便、與其他構件的連接以及結構的剛度等問題 問答題庫 簡述鋼結構對鋼材的基本要求 答 :(1 )較高的抗拉強度 f.和屈服點f,；(2 )較高的塑性和韌性 ；(3)良好的工藝性能， 包括冷加工、熱加工和可焊性能 ；(4)根據(jù)結構的具體工作條件，有時還要求鋼材具有適應低 溫、高溫和腐蝕性環(huán)境的能 力。 簡述鋼結構連接方法的種類 答 :鋼 結構的連接方法可分為焊接連接、螺栓連接和鉚釘連接三種 影響梁整體穩(wěn)定的因素包括哪些 ?提高梁整體穩(wěn)定的措施包括哪些 ? 答 :影 響梁整體穩(wěn)定的因素包括荷載的形式和作用位置、梁的截面形式、側向支撐的間距以及支座形式等。提高梁整體穩(wěn)定的措施包括加強受壓翼緣和設置側向支撐等 。 .計算結構或構件的強度、穩(wěn)定性以及連接的強度時，應采用荷載設計值 .什么是疲勞斷裂 ?影響鋼材疲勞強度的因素有哪些 ? 答 :鋼材的疲勞斷裂是微觀裂紋在連續(xù)反復荷載作用下不斷擴展直至斷裂的脆性破壞。 鋼材的 疲勞強度取決于構造狀況 (應力集中程度和殘余應力 )、作用的應力幅印、反復荷載的循環(huán)次數(shù)。 為何要規(guī)定螺栓排列的最大和最小容許距離 ? 答 :為了避免螺栓周圍應力集中相互影響、銅板的截面削弱過多、鋼板在端部被螺栓沖剪破壞、被連接板件間發(fā)生鼓曲現(xiàn)象和滿足施工空間要求等，規(guī)定了螺栓排列的最大和最小容許 距離。 計算格構式軸心受壓構件繞虛軸的整體穩(wěn)定時， 為什么采用換算長細比 ? 答 :格構式軸心受壓構件，當繞虛軸失穩(wěn)時，因肢件之間并不是連續(xù)的板而只是每隔一定距離用綴條或綴板聯(lián)系起來，構件的剪切變形較大，剪力造成的附加影響不能忽略。因此，采用換算長細比來考慮綴材剪切變形對格構式軸心受壓構件繞虛軸的穩(wěn)定承載力的影響。 簡述鋼材塑性破壞和脆性破壞。 答 :塑性破壞是由于變形過大，超過了材料或構件可能的應變能力而產(chǎn)生的，而且僅在構件的應力達到鋼材的抗拉強度 f。后才發(fā)生，破壞前構件產(chǎn)生較大的塑性變形 ；脆性破壞前塑性變形很小，甚至沒有塑性變形，計算應力可能小于鋼材的屈服點 .幾，斷裂從應力集中處開始。 抗剪普通螺栓有哪幾種可能的破壞形式 ?如何防止 ? 答 :螺栓抗剪連接達到極限承載力時，可能的破壞形式有四種形式 :栓桿被剪斷 ；螺栓承壓破壞 ；板件凈截面被拉斷 ；端板被栓桿沖剪破壞。第 、 種破壞形式通過螺栓計算保證 ；第種破壞形式采用構件強度驗算保證 ；第種破壞形式由螺栓端距妻 2d。 設計拉彎和壓彎構件時應計算的內容 ? 答 :拉彎構件需要計算強度和剛度 (限制長細比 )；壓彎構件則需要計算強度、整體穩(wěn)定 (彎矩作用平面內穩(wěn)定和彎矩作用平面外穩(wěn)定 )、局部穩(wěn)定和剛度 (限制長細比 )。 什么情況下會產(chǎn)生應力集中，應力集中對鋼材材性能有何影響 ? 答 :實 際的鋼結構構件有時存在著孔洞、槽口、凹角、截面突然改變以及鋼材內部缺陷等。此時，構件中的應力分布 將不再保持均勻，而是在某些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應力，在另外一些區(qū)域則應力降低，即產(chǎn)生應力集中形象。在負溫或動力荷載作用下，應力集中的不利影響將十分突出，往往是引起脆性破壞的根源。 高強度螺栓連接和普通螺栓連接的主要區(qū)別是什么