鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課件

緒論§1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用範(fàn)圍1.輕質(zhì)高強;

由於鋼材強度高，結(jié)構(gòu)需要的構(gòu)件截面小,結(jié)構(gòu)自重輕。

a=容重/強度,a越小，結(jié)構(gòu)相對越輕。鋼材：a=1.7～3.7×10-4/m；

木材：a=5.4×10-4/m；鋼砼：a=18×10-4/m；一、鋼結(jié)構(gòu)的特點澳大利亞啤酒中心

2.鋼材的塑性和韌性好；

塑性和韌性是概念上完全不同的兩個物理量。

塑性——承受靜力荷載時，材料吸收變形能的能力。

塑性好，會使結(jié)構(gòu)一般情況下不會由於偶然超載而突然斷裂，給人以安全保證；

韌性——承受動力荷載時，材料吸收能量的多少。

韌性好，說明材料具有良好的動力工作性能。

3.材質(zhì)均勻、各向同性，接近理想的彈塑性體，與力

學(xué)假定符合較好;

鋼材屈服前看作彈性材料,屈服以後看作塑性或彈塑性材料4.製作、安裝簡便，工期短，符合工業(yè)化要求;

國家大劇院屋架安裝鋼結(jié)構(gòu)住宅5、密閉性好，不滲漏;6、鋼材耐熱性好，耐火性差;

當(dāng)結(jié)構(gòu)表面長期受輻射熱達150℃以上或在短時間內(nèi)可能受到火焰作用時，須採用隔熱和防火措施。7、鋼材耐腐蝕性差。二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用範(fàn)圍1.大跨度結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)橋樑天津體育場千年穹頂西班牙迪加航空港上海會展中心單層廠房多層工業(yè)廠房2.工業(yè)廠房金陵石化總廠單擊圖片播放單擊圖片播放3.承受動力荷載及地震作用的結(jié)構(gòu)單擊圖片播放帝王大廈4.高層建築與高聳結(jié)構(gòu)金茂大廈88層420米北京財富中心東京千年塔單擊圖片播放單擊圖片播放5.道路、橋樑結(jié)構(gòu)單擊圖片播放6.水利、水工結(jié)構(gòu)海上石油平臺(1).波紋拱殼結(jié)構(gòu)7.輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)單擊圖片播放(2)門式剛架結(jié)構(gòu)（3）多層輕型房屋建築活動車庫8.可拆卸、移動房屋及移動結(jié)構(gòu)單擊圖片播放9.構(gòu)築物10.建築小品單擊圖片播放§1.2鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演變1.容許應(yīng)力方法

從20世紀初到20世紀5O年代，鋼結(jié)構(gòu)採用安全係數(shù)法設(shè)計，即:N--構(gòu)件截面的內(nèi)力；A--構(gòu)件截面幾何特徵；F--鋼材的最大強度；K--大於1的安全係數(shù)；[σ]--鋼材的容許應(yīng)力。2.概率極限狀態(tài)設(shè)計方法(1)極限狀態(tài)：當(dāng)結(jié)構(gòu)或其組成部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求時，此特定狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。(2)

極限狀態(tài)分為兩類：b.正常使用極限狀態(tài):

包括：影響正常使用或外觀的變形、影響正常使用的振動、影響正常使用的或耐久性的局部破壞等狀態(tài)。a.承載能力極限狀態(tài):

包括：強度破壞、疲勞破壞、不適於繼續(xù)承載的變形、失穩(wěn)、傾覆、變?yōu)闄C動體系等狀態(tài)。

(3)根據(jù)應(yīng)用概率分析的程度不同，可分為三種水準：

半概率極限狀態(tài)設(shè)計方法;

近似概率極限狀態(tài)設(shè)計方法;

全概率設(shè)計方法。

a.半概率極限狀態(tài)設(shè)計方法;1).三係數(shù)法（當(dāng)時稱為計算極限狀態(tài)法）

:1957年至1973年我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計採用半概率的分項係數(shù)法,結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入三個分項係數(shù)，即:

荷載分項係數(shù)--考慮荷載的不定性;

材料分項係數(shù)--考慮材料的不均性;

工作條件係數(shù)--考慮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的工作特點以及某些假定的計算簡圖與實際情況不完全相符等因素。2)

半經(jīng)驗半概率極限狀態(tài)設(shè)計法(容許應(yīng)力法）

N--構(gòu)件截面的內(nèi)力；

A--構(gòu)件截面幾何特徵；

K1--荷載係數(shù)；

K2--材料係數(shù);K3--調(diào)整係數(shù)；

fyk--鋼材的屈服強度標(biāo)準值；

[σ]--鋼材容許應(yīng)力b、近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法

（現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)範(fàn)(GB50017－2003)）

結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的“功能函數(shù)”來描述：

Z＝g（X1，X2，…，Xn）

（1－3）

式中：

g（·）--結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)；

Xi(i＝1，2,…,n)--影響結(jié)構(gòu)可靠性的各物理量。

將各因素概括為兩個綜合隨機變數(shù)--結(jié)構(gòu)的抗力R、

作用效應(yīng)S，則公式（1-3）可以寫成：

Z＝g（R，S）＝R－S

（1-4）在實際工程結(jié)構(gòu)中，可能出現(xiàn)下列三種情況：

Z＞0表示結(jié)構(gòu)處於可靠狀態(tài)；

Z＝0表示結(jié)構(gòu)處於極限狀態(tài)

Z＜0表示結(jié)構(gòu)處於失效狀態(tài)；

判斷結(jié)構(gòu)是否可靠，要看結(jié)構(gòu)是否達到極限狀態(tài)，為此，通常將下式：

Z＝g(R，S)＝R－S＝0

(1-5)

稱為極限狀態(tài)方程。結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定功能的概率(可靠度)用Ps表示，則：Ps＝P{Z≥0}

（1-6）結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率(失效概率)用Pf表示，則：Pf＝P{Z<0｝（1-7）由於事件｛Z≥0｝與事件{Z＜0｝是對立事件，所以結(jié)

構(gòu)的可靠度與結(jié)構(gòu)的失效概率滿足:Ps＋Pf＝1

或

Ps＝1-Pf

（1-8）

因為R和S都是隨機變數(shù)，且假定都服從正態(tài)分佈，由概率論原理知功能函數(shù)Z=R-S也服從正態(tài)分佈,則:f(z)PfμzZ的概率密度曲線Z=R-S

令：Z、R、S的平均值分別為

μz、μR、μs，標(biāo)準差分別為σz、σR、σs，則:

因σz＞0，故：

f(z)μzZ的概率密度曲線PfZ=R-S因服從標(biāo)準正態(tài)分佈，故上式又可寫成：式中:

φ(·)--標(biāo)準正態(tài)函數(shù)；φ-1(·)--標(biāo)準正態(tài)函數(shù)的反函數(shù)。從圖中可以看出β與失效概率Pf間存在著一一對應(yīng)關(guān)係,即:1).β減小時，陰影部分的面積增大，即失效概率Pf增大；

2).β增大時，陰影部分的面積減少，亦即失效概率Pf減小。說明β可以作為衡量結(jié)構(gòu)可靠度的一個數(shù)量指標(biāo)。β—可靠度指標(biāo)f(z)μzZ的概率密度曲線PfZ=R-S單擊圖片播放標(biāo)準正態(tài)分佈時與的對應(yīng)值4.03.17X10-53.71.08X10-43.26.87X10-41.35X10-33.0β的計算:

將式(1-10)、(1-11)代入β的定義式得：c.全概率設(shè)計法對結(jié)構(gòu)的各種基本變數(shù)均採用隨機變數(shù)或隨機過程來描述，對結(jié)構(gòu)進行精確的概率分析，求得結(jié)構(gòu)最優(yōu)失效概率作為結(jié)構(gòu)可靠度的直接度量。三、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計運算式

a.採用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法(疲勞問題除外)，用分項係數(shù)的運算式進行計算；

b.

結(jié)構(gòu)的可靠度用可靠度指標(biāo)來度量，並以分項係數(shù)的形式考慮。

（一）按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的基本組合或偶然組合進行荷載（效應(yīng)）組合，採用下列運算式設(shè)計：式中：γo--結(jié)構(gòu)重要性係數(shù)；

S--荷載效應(yīng)（組合）的設(shè)計值；

R--鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接材料抗力的設(shè)計值。荷載效應(yīng)組合如下：2.由永久荷載效應(yīng)控制的組合：3.荷載分項係數(shù)取值如下：1.由可變荷載效應(yīng)控制的組合：（1）永久荷載分項係數(shù)當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時

--對可變荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.2;--對永久荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.35;

當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時

--一般情況下應(yīng)取1.0；

--對結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗算，應(yīng)取0.9。（2）可變荷載的分項係數(shù)

--一般情況下應(yīng)取1.4；

--對標(biāo)準值大於4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載標(biāo)準值應(yīng)取1.3。

對於鋼結(jié)構(gòu)這種單一材料，可以將荷載效應(yīng)運算式用應(yīng)力形式表示?？勺兒奢d起控制作用時：永久荷載起控制作用時：式中：4、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)設(shè)計運算式--鋼材或連接材料強度設(shè)計值。--鋼材或連接材料強度標(biāo)準值。--鋼材或連接材料抗力分項係數(shù)，對於Q235鋼γR=1.087;Q345、Q390、Q420鋼γR=1.111

。鋼結(jié)構(gòu)規(guī)範(fàn)給出了各類鋼材和連接的強度設(shè)計值。(二)

正常使用極限狀態(tài)1.

對於正常使用極限狀態(tài)，要求分別採用荷載的標(biāo)準組合、頻遇組合和準永久組合，並使變形等不超過相應(yīng)的規(guī)定限值。νGk--永久荷載標(biāo)準值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；νQ1k--第1個可變荷載的標(biāo)準值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值（該值使計算結(jié)果為最大）；νQik--其他第i個可變荷載標(biāo)準值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值。

[ν]--結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的容許變形值。(315頁附錄2)

2.

對於受壓、受拉構(gòu)件，規(guī)範(fàn)規(guī)定應(yīng)限制其長細比，即:

λ≤[λ](1-24）式中：λ--受壓、受拉構(gòu)件的計算長細比；

[λ]--規(guī)範(fàn)規(guī)定的受拉、受壓構(gòu)件容許長細比，按規(guī)範(fàn)採用。（三）使用設(shè)計運算式的注意事項

1.計算靜力強度和穩(wěn)定時，採用荷載的設(shè)計值；疲勞計算、變形計算採用荷載的標(biāo)準值。

2.強度設(shè)計指標(biāo)f1)強度設(shè)計值的種類、性質(zhì)；

2)按板厚或直徑分組；

3)強度設(shè)計值的折減。例如:按軸心受力計算單面連接單角鋼的強度時。見教材，附表1.41.較高的抗拉強度fu和屈服點fy；2.較好的塑性、韌性；3.良好的工藝性能（冷、熱加工，可焊性）；4.對環(huán)境的良好適應(yīng)性。§2.1

鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求一、塑性破壞

破壞前有明顯的塑性變形，破壞過程長，斷口發(fā)暗，可以採取補救措施。

二、脆性破壞

壞前沒有明顯的變形和徵兆，破壞時的變形遠比材料應(yīng)有的變形能力小，破壞突然，斷口平直、發(fā)亮呈晶粒狀，無機會補救?！?.2鋼材的破壞形式一、受拉、受壓、受彎及受剪時的性能（一）一次拉伸時的性能

1.條件：標(biāo)準試件（GB228—63），常溫（20℃）下緩慢加載，一次完成。含碳量為0.1%－0.3%。標(biāo)準試件：lo/d=5、10；lo-標(biāo)距；d--直徑§2.3

鋼材的主要性能d單擊圖片播放2.階段劃分A.有屈服點鋼材σ--ε曲線可以分為五個階段：(1)彈性階段(OB段)OA段材料處於純彈性，即:AB段有一定的塑性變形,但整個OB段卸載時，ε=0；E=206×103N/mm2OBCDAE（2）彈塑性階段（BC)

該段很短,表現(xiàn)出鋼材的非彈性性質(zhì);

σB—屈服上限;σC—屈服下限(屈服點)（3）塑性階段（CD)

該段σ基本保持不變（水平),ε急劇增大,稱為屈服臺階或流幅段,變形模量E=0OBCDAE（4）強化階段(DE段)極限抗拉強度fu（5）頸縮階段(EF段)隨荷載的增加σ緩慢增大,但ε增加較快OBCDAEB.對無明顯屈服點的鋼材

該種鋼材在拉伸過程中沒有屈服階段，塑性變形小，破壞突然。

設(shè)計時取相當(dāng)於殘餘變形為0.2%

時所對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服點—‘條件屈服點’fy=f0.20.2%fuεp3.應(yīng)力應(yīng)變曲線的簡化1)fy與fb相差很??；2)超過fy到屈服臺階終止的變形約為2.5%--3%，足以滿足考慮結(jié)構(gòu)的塑性變形發(fā)展的要求。

（1）鋼材可以簡化為理想彈塑性體ε2.5%--3%fy

ε00.15%ε

（2）鋼材在靜載作用下：強度計算以fy為依據(jù);fu為結(jié)構(gòu)的安全儲備。（3）斷裂時變形約為彈性變形的200倍，在破壞前產(chǎn)生明顯可見的塑性變形，可及時補救，故幾乎不可能發(fā)生。O0.15%22%fufyfu-fy4.單向拉伸時鋼材的機械性能指標(biāo)

（1）屈服點fy--應(yīng)力應(yīng)變曲線開始產(chǎn)生塑性流動時對應(yīng)的應(yīng)力，它是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強度設(shè)計值的重要指標(biāo)。（2）抗拉強度fu--應(yīng)力應(yīng)變曲線最高點對應(yīng)的應(yīng)力，它是鋼材最大的抗拉強度。（3）伸長率（4）斷面收縮率它是衡量鋼材塑性應(yīng)變能力的重要指標(biāo)。當(dāng)l0/d=5時，用δ5表示，當(dāng)l0/d=10時，用δ10表示。A0A1同單向拉伸時的性能，屈服點也相差不多。（二）受壓時的性能

採用短試件l0/d=3,屈服點同單向拉伸時的屈服點。（三）受彎時的性能（四）受剪時的性能抗剪強度可由折算應(yīng)力計算公式得到：二、冷彎性能

衡量鋼材塑性性能和品質(zhì)優(yōu)劣的綜合指標(biāo)。add+2.1a單擊圖片播放三、衝擊韌性

衡量鋼材在動力（衝擊）荷載、複雜應(yīng)力作用下抗脆性破壞能力的指標(biāo)，用斷裂時吸收的總能量（彈性和非彈性能）來表示。(a)梅氏U型缺口(b)夏比V型缺口

由試件斷裂吸收的能量Cv來衡鋼材的衝擊韌性，單位：J。Cv受溫度的影響衝擊韌性試驗裝置單擊圖片播放鋼材的機械性能指標(biāo)1、屈服點fy；2、伸長率δ；3、抗拉強度fu；4、冷彎試驗；5、衝擊韌性Cv(包括常溫衝擊韌性、

0度時衝擊韌性負溫衝擊韌性）。小節(jié)

一、化學(xué)成分

普通碳素鋼中Fe占99%，其他雜質(zhì)元素占1%；普通低合金鋼中合金元素＜5%。

1.碳（C）：鋼材強度的主要來源，隨其含量增加，強度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蝕性降低。一般控制在0.22%以下，在0.2％以下時，可焊性良好。§2.4

各種因素對鋼材性能的影響

2.硫（S）：有害元素，熱脆性。不得超過0.05%。

3.磷（P）：有害元素，冷脆性?？垢g能力略有提高，可焊性降低。不得超過0.045%。

4.錳（Mn）：合金元素。弱去氧劑。與S形成MnS，熔點1600℃，可以消除一部分S的有害作用。

5.矽（Si）：合金元素。強去氧劑。

6.釩（V）：合金元素。細化晶粒，提高強度，其碳化物具有高溫穩(wěn)定性，適用於受荷較大的焊接結(jié)構(gòu)。7.氧（O）：有害雜質(zhì)，與S相似。8.氮（N）：有害雜質(zhì)，與P相似。9.銅（Cu）：提高抗銹蝕性，提高強度，對可焊性有影響。二．冶金缺陷常見的冶金缺陷有：偏析：化學(xué)成分分佈的不均勻程度；非金屬夾雜；氣孔；裂紋等。三、鋼材的硬化

冷作硬化——當(dāng)荷載超過材料比例極限卸載後，出現(xiàn)殘餘變形，再次加載則比例極限（或屈服點）提高的現(xiàn)象，也稱“應(yīng)變硬化”。

時效硬化——隨時間的增長，碳和氮的化合物從晶體中析出，使材料硬化的現(xiàn)象。

應(yīng)變時效——鋼材產(chǎn)生塑性變形時，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同時可以加速時效硬化，因此也稱“人工時效”。四、溫度影響

1．正溫範(fàn)圍

200℃以內(nèi)對鋼材性能無大影響，該範(fàn)圍內(nèi)隨溫度升高總的趨勢是強度、彈性模量降低，塑性增大。8006004002000N/mm2Efuδfy200400600溫度對鋼材機械性能的影響20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)

250℃左右抗拉強度略有提高，塑性降低，脆性增加—蘭脆現(xiàn)象，該溫度區(qū)段稱為“蘭脆區(qū)”。

260～320℃產(chǎn)生徐變現(xiàn)象。

600℃左右彈性模量趨於零，承載能力幾乎完全喪失。

當(dāng)溫度低於常溫時，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而增加，材料強度略有提高，但其塑性和韌性降低，該現(xiàn)象稱為低穩(wěn)冷脆。

2．負溫範(fàn)圍脆性破壞轉(zhuǎn)變過渡區(qū)段塑性破壞反彎點試驗溫度T0C衝擊斷裂功CvT1T2T0衝擊韌性與溫度的關(guān)係曲線五、應(yīng)力集中1.應(yīng)力集中的概念

構(gòu)件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突變時，應(yīng)力不均勻，力線變曲折，缺陷處有高峰應(yīng)力—應(yīng)力集中。2.應(yīng)力集中的影響3.減小應(yīng)力集中現(xiàn)象的措施

<1:2.5

由於鋼材具有良好的塑性性能，當(dāng)承受靜力荷載且在常溫下工作時，只要符合規(guī)範(fàn)規(guī)定的設(shè)計要求，可以不考慮應(yīng)力集中的影響。六、反復(fù)荷載作用（疲勞問題）七、板厚、直徑的影響八、焊接殘餘應(yīng)力１）材料由彈性轉(zhuǎn)入塑性的強度指標(biāo)用變形時單位體積中積聚的能量來表達；§2.5

複雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件假定：２）當(dāng)複雜應(yīng)力狀態(tài)下變形能等於單軸受力時的變形能時，鋼材即由彈性轉(zhuǎn)入塑性。oZXY單元體受複雜應(yīng)力（應(yīng)力分量）單元體受主應(yīng)力1.以應(yīng)力分量表示2.以主應(yīng)力表示材料處於彈性狀態(tài)材料處於塑性狀態(tài)討論：（1）三向受壓時(靜水壓力)————不破壞;（2）三向受拉時——一定破壞;

由於三向受拉限制了材料的塑性發(fā)展，材料要發(fā)生脆性破壞。能量理論所得的公式只適用於塑性材料，因此形式上的不破壞與實際的脆性破壞是不矛盾的，只是實際的脆性破壞不再符合能量理論的基本假定。圖示簡支梁1-1截面腹板與翼緣交界A點的應(yīng)力1-1A對於薄板，厚度方向的應(yīng)力很小，為平面受力狀態(tài)。PPMM11AXVY一般的梁，只存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力，則：2-2AVM22AYXq

3-3APMVP33YXM3-3截面僅有剪力，彎矩、局部壓力均為零，故該截面除剪應(yīng)力外，正應(yīng)力均為零，即為純剪狀態(tài)。一、概念1、迴圈荷載——結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的隨時間變化的荷載。PP11A1-1A§2.6

鋼材的疲勞單擊圖片播放（1）應(yīng)力迴圈（2）應(yīng)力迴圈特徵—應(yīng)力比ρ--構(gòu)件截面應(yīng)力隨時間的變化。（3）應(yīng)力幅

在迴圈荷載作用下，應(yīng)力從最大到最小重複一次為一次迴圈，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差為應(yīng)力幅:為常量常幅迴圈：為變數(shù)變幅迴圈：+σ-σt(b)脈衝迴圈(a)完全對稱迴圈(c)不完全對稱迴圈(d)不完全對稱迴圈2.鋼材的疲勞

在迴圈荷載（連續(xù)反復(fù)荷載）作用下，經(jīng)過有限次迴圈，鋼材發(fā)生破壞的現(xiàn)象，稱之為疲勞。3.疲勞破壞的機理

疲勞破壞是積累損傷的結(jié)果。缺陷→微觀裂紋→宏觀裂紋。4.疲勞破壞的特徵屬於脆性破壞，截面平均應(yīng)力小於屈服點。5.影響鋼材疲勞的主要因素（1）構(gòu)件和連接的分類

規(guī)範(fàn)將構(gòu)件和連接的種類分為8類，第1類為軋製的型鋼（殘餘應(yīng)力小）疲勞強度最高；第8類為角焊縫應(yīng)力集中最嚴重疲勞強度最低。詳見鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)範(fàn)“疲勞計算的構(gòu)件和連接分類（附錄E）”。焊縫附近主體金屬的應(yīng)力由：實際應(yīng)力迴圈均形成在拉應(yīng)力範(fàn)圍（2）應(yīng)力幅（Δσ）和應(yīng)力迴圈特徵（應(yīng)力比ρ）A.對於焊接結(jié)構(gòu)：

應(yīng)力幅對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度有很大影響，而與名義最大應(yīng)力σmax和應(yīng)力比ρ無關(guān)。B.對於非焊接結(jié)構(gòu)和軋製鋼材

在迴圈次數(shù)N一定的情況下，根據(jù)試驗資料可以繪出N次迴圈的疲勞圖(σmax和σmin關(guān)係曲線)。

當(dāng)ρ=0和ρ=-1時的疲勞強度分別為σ0和σ-1，連接BC並延長至A、D。非焊接結(jié)構(gòu)的疲勞圖DA

由上述推導(dǎo)可知，對於非焊接結(jié)構(gòu)和軋製鋼材，疲勞強度與最大應(yīng)力、應(yīng)力比、迴圈次數(shù)和缺口效應(yīng)（構(gòu)造類型的應(yīng)力集中情況）有關(guān)。ABCD直線方程為：DA非焊接結(jié)構(gòu)的疲勞圖（3）應(yīng)力迴圈次數(shù)N（疲勞壽命）應(yīng)力迴圈次數(shù)N<5×104，不需要進行疲勞計算。

應(yīng)力幅越低，作用迴圈次數(shù)越多，疲勞壽命越高；應(yīng)力幅相同，作用的迴圈次數(shù)越多，疲勞壽命越高。0NX105N1N2fy123456

由試驗結(jié)果，以及上述分析可知鋼材的疲勞強度主要與構(gòu)件和連接分類（內(nèi)部缺陷、應(yīng)力集中、殘餘應(yīng)力）、應(yīng)力迴圈次數(shù)和應(yīng)力幅有關(guān)。

焊接部位的疲勞強度與鋼材的靜力強度(屈服點fy)基本無關(guān)。

對於只有壓應(yīng)力的應(yīng)力迴圈作用，由於鋼材內(nèi)部缺陷不易開展，則不會發(fā)生疲勞破壞，不必進行疲勞計算。二、疲勞強度計算（一）常幅疲勞

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以繪出構(gòu)件或連接的應(yīng)力幅Δσ與相應(yīng)的致?lián)p迴圈次數(shù)N的關(guān)係曲線，按試驗數(shù)據(jù)回歸的Δσ-N曲線為平均曲線(圖a)，取對數(shù)座標(biāo)(圖b)。1.容許應(yīng)力幅[Δσ]

由於現(xiàn)階段對鋼材發(fā)生疲勞破壞尚處於進一步研究階段，按概率極限狀態(tài)計算疲勞強度還不成熟，故採用容許應(yīng)力幅的計算方法。Δσ-N曲線(a)0N式中：β--直線對縱坐標(biāo)的斜率；

b1--直線在橫軸座標(biāo)上的截距；

N--迴圈次數(shù)。(b)0N=5×104N=5X106............b1

考慮試驗數(shù)據(jù)的離散性，取平均值減去2倍lgN的標(biāo)準差s作為疲勞強度下限，當(dāng)lgΔσ為正態(tài)分佈時，保證率為97.7%。下限值的直線方程為：此時的Δσ即為容許應(yīng)力幅：式中：係數(shù)β、c--根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)範(fàn)“疲勞計算的構(gòu)件和連接分類”查表得到。2S2S(b)0N=5×104N=5X106............b12.疲勞強度計算式中：Δσ--計算部位的應(yīng)力幅；對於焊接部位:Δσ=σmax-σmin；對於其他部位：Δσ=σmax-0.7σmin(計算應(yīng)力幅）。

σmax、σmin--計算部位每次應(yīng)力迴圈中的最大拉應(yīng)力和最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力（取負值）。說明：1）計算時用荷載的標(biāo)準值；

2）由於來源於試驗，已考慮動力效應(yīng)，計算時不再考慮動力係數(shù)；（二）變幅疲勞和吊車欠載效應(yīng)係數(shù)σσmaxσmin0t—欠載效應(yīng)係數(shù)。重級工作制硬鉤吊車1.0；重級工作制軟鉤吊車0.8；中級工作制吊車0.5。--迴圈次數(shù)N=2X106的容許應(yīng)力幅。式中：對於吊車梁，按下式計算其疲勞強度：

1、不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位可不計算疲勞。但對出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位，例如σmax=140N/mm2,σmin=-10N/mm2和σmax=10N/mm2,σmin=-140N/mm2

兩種應(yīng)力迴圈的應(yīng)力幅都是150N/mm2

，疲勞強度相同，顯然不合理。

2、螺栓受拉時螺紋處的應(yīng)力集中很大，疲勞強度很低，常有疲勞破壞的實例，但規(guī)範(fàn)沒有規(guī)定，應(yīng)予補充。思考:一、鋼的種類

1、碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB/T700-88）---低碳鋼牌號

Q235--品質(zhì)等級（A、B、C、D）澆注方法（F、Z、Tz）

A--保證fu、fy、δ，P、S含量

B--保證fu,fy,δ,冷彎，常溫時Cv，P，S，C含量；

C--保證fu,fy,δ,冷彎,0oC時Cv，P，S，C含量;D--保證fu,fy,δ,冷彎,-20oC時Cv，P，S，C含量;§2.7

鋼材的種類和規(guī)格2.低合金鋼(GB/T1591-94)GB/T1591-94Q295Q390Q345Q420相應(yīng)的鋼材品種（GB/T1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTiRE

低合金鋼的品質(zhì)等級分A、B、C、D、E，其中E主要是要求-400C的衝擊韌性。二、鋼材的選擇（一）選擇鋼材的原則1．結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性；2．荷載情況（靜力荷載，動力荷載）；

靜力荷載作用下可選擇經(jīng)濟性較好的Q235鋼材。動力荷載作用下應(yīng)選擇綜合性能較好鋼材。3．連接方法（焊接連接、螺栓連接）；

焊接結(jié)構(gòu)對材質(zhì)的要求嚴格，應(yīng)嚴格控制C、S、P的極限含量；非焊接結(jié)構(gòu)對C的要求可降低一些。4．結(jié)構(gòu)所處的工作條件（環(huán)境溫度，腐蝕等）；

低溫下工作的結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇低溫脆斷性能好的鎮(zhèn)定鋼鋼材的厚度。

厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)採用材質(zhì)較好的鋼材。（二）鋼材選擇建議1、承重結(jié)構(gòu)的鋼材宜採用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼，其品質(zhì)應(yīng)分別符合國家標(biāo)準《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T700和《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T1591的規(guī)定。當(dāng)採用其他牌號的鋼材時，尚符合相應(yīng)有關(guān)標(biāo)準的規(guī)定和要求。2、承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結(jié)構(gòu)尚具有含碳量的合格保證。

3、對於需要驗算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有常溫衝擊韌性的合格保證；當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度等於或低於0℃但高於－20℃時，Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有0℃衝擊韌性合格的保證；對於Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有－20℃衝擊韌性的合格保證。當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度等於或低於－20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有－20℃衝擊韌性的合格保證；

對Q390和Q420鋼應(yīng)具有－40℃衝擊韌性的合格保證。

4、對於需要驗算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)的鋼材亦應(yīng)具有常溫衝擊韌性的合格保證，當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度等於或低於－20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有0℃衝擊韌性合格的保證；對Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有－20℃衝擊韌性的合格保證。5、重要的受拉或受彎的焊接構(gòu)件中，厚度大於等於16mm的鋼材應(yīng)具有常溫衝擊韌性合格的保證。

6、當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)為防止鋼材的層狀撕裂而採用Z向鋼時，其材質(zhì)應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準《厚度方向性能鋼板》GB/T5313的規(guī)定。8、對於外露環(huán)境，且對大氣腐蝕有特殊要求的或在腐蝕性氣態(tài)和固態(tài)介質(zhì)作用下的承重結(jié)構(gòu)，宜採用耐候鋼，其品質(zhì)要求應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準《焊接耐候鋼》GB/T4172的規(guī)定。

7、鋼板的抗撕裂性能採用厚度方向的斷面收縮率Ψz來評定。該標(biāo)準將沿厚度方向的斷面收縮率分為三個等級，即Z15，Z25，Z35，分別對應(yīng)其允許值。三、鋼材的規(guī)格

熱軋成型的鋼板和型鋼，冷彎（或冷壓）成型的薄壁型鋼。（一）熱軋鋼板（表示方法—

寬×厚度×長度）分為:厚板（厚度4.5-60mm)薄板（厚度0.35-4mm)扁鋼：厚度4-60mm，寬度20-200mm。(二）熱軋型鋼1.工字鋼2.槽鋼工字鋼根據(jù)截面高度h及厚度分類a(或b、c)槽鋼根據(jù)截面高度h及厚度分類a(或b、c)3.角鋼∠肢寬度×肢厚度

等肢角鋼∠長肢寬度×短肢寬度×肢厚度

不等肢角鋼4.H型鋼分為：寬翼緣HW、中翼緣HM、窄翼緣HNbht1t2表示方法：

H高度×寬度×腹板厚度×翼緣厚度如：

Hh×b×t1×t25.鋼管tD表示方法：Φ外徑×壁厚分為無縫管和焊接管（三）冷彎薄壁型鋼壁厚1.5~5mm壓型鋼板壁厚0.4~1.5mm一、焊縫連接

§3.1

鋼結(jié)構(gòu)的連接方法對接焊縫連接優(yōu)點：不削弱截面，方便施工，連接剛度大；缺點：材質(zhì)易脆，存在殘餘應(yīng)力，對裂紋敏感。

角焊縫連接三、螺栓連接

優(yōu)點：連接剛度大，傳力可靠；

分為：

普通螺栓連接高強度螺栓連接二、鉚釘連接N缺點：對施工技術(shù)要求很高，勞動強度大，施工條件差，施工速度慢。一、鋼結(jié)構(gòu)常用焊接方法1.手工電弧焊A、焊條的選擇：焊條應(yīng)與焊件鋼材相適應(yīng)。原理：利用電弧產(chǎn)生熱量熔化焊條和母材形成焊縫。

§3.2

焊接方法和焊接連接形式

焊機導(dǎo)線熔池焊條焊鉗保護氣體焊件電弧單擊圖片播放Q390、Q420鋼選擇E55型焊條(E5500--5518)Q345鋼選擇E50型焊條(E5000--5048)B、焊條的表示方法：E—焊條(Electrode)第1、2位數(shù)字為熔融金屬的最小抗拉強度（kgf/mm2)第3、4適用焊接位置、電流及藥皮的類型。不同鋼種的鋼材焊接，宜採用與低強度鋼材相適應(yīng)的焊條。缺點：品質(zhì)波動大，要求焊工等級高，勞動強度大，效率低。優(yōu)點：方便，特別在高空和野外作業(yè)，小型焊接；Q235鋼選擇E43型焊條（E4300--E4328)C、優(yōu)、缺點2.埋弧焊（自動或半自動）、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊絲轉(zhuǎn)盤送絲器焊劑漏斗焊劑熔渣焊件埋弧自動焊A、焊絲的選擇應(yīng)與焊件等強度。B、優(yōu)、缺點：優(yōu)點：自動化程度高，焊接速度快，勞動強度低，焊接品質(zhì)好。缺點：設(shè)備投資大，施工位置受限等。送絲器機器3.氣體保護焊優(yōu)、缺點：優(yōu)點：焊接速度快，焊接品質(zhì)好。缺點：施工條件受限制等。二、焊接連接形式和焊縫形式1.焊接連接形式搭接角部連接T形連接對接單擊圖片播放單擊圖片播放2.焊縫形式（1）對接焊縫正對接焊縫（2）角焊縫T型對接焊縫斜對接焊縫3.焊縫位置三、焊縫缺陷及焊縫品質(zhì)檢查1.焊縫缺陷2.焊縫品質(zhì)檢查外觀檢查：檢查外觀缺陷和幾何尺寸；內(nèi)部無損檢驗：檢驗內(nèi)部缺陷。

內(nèi)部檢驗主要採用超聲波，有時還用磁粉檢驗螢光檢驗等輔助檢驗方法。還可以採用X射線或γ射線透照或拍片。《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)範(fàn)》規(guī)定：

焊縫按其檢驗方法和品質(zhì)要求分為一級、二級和三級。

三級焊縫只要求對全部焊縫作外觀檢查且符合三級品質(zhì)標(biāo)準；

一、二級焊縫除外觀檢查外，尚要求一定數(shù)量的超聲波檢驗並符合相應(yīng)級別的品質(zhì)標(biāo)準。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)範(fàn)》（GB50017--2003）中，對焊縫品質(zhì)等級的選用有如下規(guī)定：

(1)需要進行疲勞計算的構(gòu)件中，垂直於作用力方向的橫向?qū)雍缚p受拉時應(yīng)為一級，受壓時應(yīng)為二級。3.焊縫品質(zhì)等級及選用(2)在不需要進行疲勞計算的構(gòu)件中，凡要求與母材等強的受拉對接焊縫應(yīng)不低於二級；受壓時宜為二級。

（３）重級工作制和起重量Ｑ＞５０ｔ的中級工作制吊車梁的腹板與上翼緣板之間以及吊車桁架上弦桿與節(jié)點板之間的Ｔ形接頭焊透的對接與角接組合焊縫，不應(yīng)低於二級。（４）角焊縫品質(zhì)等級一般為三級，直接承受動力荷載且需要驗算疲勞和起重量Ｑ＞５０ｔ的中級工作制吊車梁的角焊縫的外觀品質(zhì)應(yīng)符合二級。4.焊縫代號hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式1、角焊縫的形式:一、角焊縫的形式和受力分析§3.3角焊縫的構(gòu)造與計算直角角焊縫、斜角角焊縫（1）直角角焊縫hehfhf凹面式（2）斜角角焊縫對於α>135o或α<60o斜角角焊縫,除鋼管結(jié)構(gòu)外,不宜用作受力焊縫。（1）側(cè)面角焊縫（側(cè)焊縫）2.直角角焊縫的受力分析單擊圖片播放

試驗表明側(cè)面角焊縫主要承受剪力，強度相對較低，塑性性能較好。因外力通過焊縫時發(fā)生彎折，故剪應(yīng)力沿焊縫長度分布不均勻，兩端大中間小，lw/hf越大剪應(yīng)力分佈越不均勻。剪應(yīng)力τfA.應(yīng)力分析NlwNB.破壞形式（2）正面角焊縫單擊圖片播放A.

應(yīng)力分析

正面角焊縫受力複雜，應(yīng)力集中嚴重，塑性較差，但強度較高，與側(cè)面角焊縫相比可高出35%--55%以上。B.正面角焊縫的破壞形式（3）斜角焊縫

斜焊縫的受力性能介於側(cè)面角焊縫和正側(cè)面角焊縫之間。單擊圖片播放二、角焊縫的構(gòu)造

1、最大焊腳尺寸hf,max

為了避免焊縫處局部過熱，減小焊件的焊接殘餘應(yīng)力和殘餘變形，hf,max應(yīng)滿足以下要求:

hf,max≤1.2t1（鋼管結(jié)構(gòu)除外）式中:t1---較薄焊件厚度。tt1hf

對於板件邊緣的角焊縫,尚應(yīng)滿足以下要求：

當(dāng)t≤6mm時，hf,max≤t；當(dāng)t>6mm時，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1t2、最小焊腳尺寸hf,min

為了避免在焊縫金屬中由於冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織，導(dǎo)致母材開裂，hf,min應(yīng)滿足以下要求:

式中:t2----較厚焊件厚度

另:對於埋弧自動焊hf,min可減去1mm;

對於T型連接單面角焊縫hf,min應(yīng)加上1mm;

當(dāng)t2≤4mm時,hf,min=t23.側(cè)面角焊縫的最大計算長度

側(cè)面角焊縫在彈性工作階段沿長度方向受力不均，兩端大而中間小。焊縫長度越長，應(yīng)力集中係數(shù)越大。如果焊縫長度不是太大，焊縫兩端達到屈服強度後，繼續(xù)加載，應(yīng)力會漸趨均勻；當(dāng)焊縫長度達到一定的長度後，可能破壞首先發(fā)生在焊縫兩端，故：注：

1、當(dāng)實際長度大於以上值時，計算時不與考慮；

2、當(dāng)內(nèi)力沿側(cè)焊縫全長分佈時，不受上式限制。4.側(cè)面角焊縫的最小計算長度

對於焊腳尺寸大而長度小的焊縫，焊件局部加熱嚴重且起落弧坑相距太近，以及可能產(chǎn)生缺陷，使焊縫不可靠。故為了使焊縫具有一定的承載力，規(guī)範(fàn)規(guī)定：5.搭接連接的構(gòu)造要求

當(dāng)板件端部僅採用兩條側(cè)面角焊縫連接時：

A、為了避免應(yīng)力傳遞的過分彎折而使構(gòu)件中應(yīng)力不均，規(guī)範(fàn)規(guī)定：B、為了避免焊縫橫向收縮時引起板件的拱曲太大，規(guī)範(fàn)規(guī)定：t1t2bD.在搭接連接中，搭接長度不得小於焊件較小厚度

的5倍，且不得小於25mm。

C.當(dāng)角焊縫的端部位於構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時，應(yīng)作2hf的繞角焊，且轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。b2hft1t2三、直角角焊縫的強度計算公式

1、試驗表明，直角角焊縫的破壞常發(fā)生在喉部，故通常將45o截面作為計算截面，作用在該截面上的應(yīng)力如下圖所示：hfhehh1h2deσ┻τ┻τ∥helwh---焊縫厚度、h1—熔深h2—凸度、d—焊趾、e—焊根2、實際上計算截面的各應(yīng)力分量的計算比較繁難，為了簡化計算，規(guī)範(fàn)假定：焊縫在有效截面處破壞，且各應(yīng)力分量滿足以下折算應(yīng)力公式:

┻┻∥3、由於我國規(guī)範(fàn)給定的角焊縫強度設(shè)計值，是根據(jù)抗剪條件確定的故上式又可表達為：式中：--焊縫金屬的抗拉強度┻┻∥σ┻τ┻τ∥helw4、直角角焊縫的強度計算公式：NNyNx┻┻∥σfσ┻τ┻τ∥=τfhelw45O45Ohf將3—3、3—4式，代入3—2式得：式3—5即為，規(guī)範(fàn)給定的角焊縫強度計算通用公式βf—正面角焊縫強度增大係數(shù)；靜載時取1.22，動載時取1.0。┻┻∥┻┻∥對於正面角焊縫，τf=0，由3—5式得：對於側(cè)面角焊縫，σf=0，由3—5式得：

以上各式中：

he=0.7hf；

lw—角焊縫計算長度，考慮起滅弧缺陷時，每條焊縫取其實際長度減去2hf。四、各種受力狀態(tài)下的直角角焊縫連接計算1、軸心力作用下(1)軸心力作用下的蓋板對接連接:A、僅採用側(cè)面角焊縫連接：B、採用三面圍焊連接：NNlwlw’(2)T形角焊縫連接NxNyNθN代入式3-5驗算焊縫強度，即:(3)角鋼角焊縫連接A、僅採用側(cè)面角焊縫連接由力及力矩平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2對於校核問題:對於設(shè)計問題:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2B、採用三面圍焊由力及力矩平衡得:餘下的問題同情況‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2對於校核問題:對於設(shè)計問題:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2C、採用L形圍焊代入下式3-20，3-21得:對於設(shè)計問題:Ne1e2bN1xxN3lw12、N、M、V共同作用下(1)偏心軸力作用下角焊縫強度計算NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet(2)V、M共同作用下焊縫強度計算h1σfAσfBτf對於A點：式中：Iw—全部焊縫有效截面對中和軸的慣性矩；

h1—兩翼緣焊縫最外側(cè)間的距離。xxhh2BB’Ah1MeFVM對於B點：強度驗算公式：式中：h2、lw,2—腹板焊縫的計算長度；

he,2—腹板焊縫截面有效高度。h1σf1σf2τfxxhh2BB’Ah1MVM假定:A、被連接件絕對剛性，焊縫為彈性，即：T作用下被連接件有繞焊縫形心旋轉(zhuǎn)的趨勢；B、T作用下焊縫群上任意點的應(yīng)力方向垂直於該點與焊縫形心的連線，且大小與r成正比；C、在V作用下，焊縫群上的應(yīng)力均勻分佈。3、T、V共同作用下將F向焊縫群形心簡化得:V=FT=F(e1+e2)Fe1e2x0l1l2xxyyAA’0TVr故：該連接的設(shè)計控制點為A點和A’點xxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyheT作用下A點應(yīng)力:將其沿x軸和y軸分解:e2x0l1l2xxyyAA’0TVr剪力V作用下,A點應(yīng)力:A點垂直於焊縫長度方向的應(yīng)力為:A點平行於焊縫長度方向的應(yīng)力為:強度驗算公式：思考:以上計算方法為近似計算，為什麼?τVxxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhe五、斜角角焊縫的計算α1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2圖Aα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b圖B1、由於斜角角焊縫的研究不夠充分，為簡化計算，規(guī)範(fàn)規(guī)定：對於兩焊腳邊夾角60o≤α≤135o的斜T形連接，其斜角角焊縫採用與直角角焊縫相同的計算公式，且統(tǒng)一取βf=1.0。2、斜角角焊縫的計算厚度hei由幾何關(guān)係得其通式為：式中：b、b1和b2≤5mm說明：A.b1和b2≤1.5mm時,

可取b1、b2=0B.b1和b2>5mm時,

應(yīng)如圖“B”方式處理，且使b≤5mm。α1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2圖Aα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b圖B1、對接焊縫的坡口形式:一、對接焊縫的構(gòu)造§3.4對接焊縫的構(gòu)造與計算

對接焊縫的焊件常做坡口，坡口形式與板厚和施工條件有關(guān)。

t--焊件厚度(1)當(dāng):t<6mm(手工焊),t<10mm(埋弧焊)時可不做坡口,採用直邊縫;(2)t=7~20mm時，宜採用單邊V形和雙邊V形坡口;(3)t>20mm時，宜採用U形、K形、X形坡口。C=0.5~2mm（a）C=2~3mm（b）αC=2~3mm（C）αp（d）C=3~4mmpC=3~4mmp（e）C=3~4mmp（f）2、V形、U形坡口焊縫單面施焊，但背面需進行補焊；3、對接焊縫的起、滅弧點易出現(xiàn)缺陷，故一般用引弧板引出，焊完後將其切去；不能做引弧板時，每條焊縫的計算長度等於實際長度減去2t1，t1—較薄焊件厚度；4、當(dāng)板件厚度或?qū)挾仍谝粋?cè)相差大於4mm時，應(yīng)做坡度不大於1:2.5(靜載)或1:4(動載)的斜角，以平緩過度，減小應(yīng)力集中?！?:2.5≤1:2.5對接焊縫分為：焊透和部分焊透（自學(xué)）兩種；動荷載作用下部分焊透的對接焊縫不宜用做垂直受力方向的連接焊縫；對於靜載作用下的一級和二級對接焊縫其強度可視為與母材相同，不與計算。三級焊縫需進行計算；對接焊縫可視作焊件的一部分，故其計算方法與構(gòu)件強度計算相同。二、對接焊縫的計算NNt1、軸心力作用下的對接焊縫計算式中：

N—軸心拉力或壓力；

t—板件較小厚度；T形連接中為腹板厚度；

ftw、fcw

—對接焊縫的抗拉和抗壓強度設(shè)計值。NNlwtA

當(dāng)不滿足上式時，可採用斜對接焊縫連接如圖B。另:當(dāng)tanθ≤1.5時,不用驗算!NNtBθNsinθNcosθlw2、M、V共同作用下的對接焊縫計算lwtAMVστ因焊縫截面為矩形，M、V共同作用下應(yīng)力圖為：故其強度計算公式為：式中：Ww—焊縫截面模量；Sw--焊縫截面面積矩；

Iw--焊縫截面慣性矩。（1）板件間對接連接（2）工字形截面梁對接連接計算MV1焊縫截面A、對於焊縫的σmax和τmax應(yīng)滿足式3-29和3-30要求；σmaxτσ1τ1τmaxB、對於翼緣與腹板交接點焊縫（1點），其折算應(yīng)力尚應(yīng)滿足下式要求：1.1—考慮最大折算應(yīng)力只在局部出現(xiàn)的強度增大係數(shù)?！?－5焊接應(yīng)力和焊接變形一、焊接殘餘應(yīng)力的分類及其產(chǎn)生的原因

1、焊接殘餘應(yīng)力的分類

A、縱向焊接殘餘應(yīng)力—沿焊縫長度方向;B、橫向焊接殘餘應(yīng)力—垂直於焊縫長度方向;C、沿厚度方向的焊接殘餘應(yīng)力。

2、焊接殘餘應(yīng)力產(chǎn)生的原因（1）縱向焊接殘餘應(yīng)力

焊接過程是一個不均勻的加熱和冷卻過程，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫處可達1600oC，而鄰近區(qū)域溫度驟降。高溫鋼材膨脹大，但受到兩側(cè)溫度低、膨脹小的鋼材限制，產(chǎn)生熱態(tài)塑性壓縮，焊縫冷卻時被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向收縮，但受到兩側(cè)鋼材的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力。對於低碳鋼和低合金鋼，該拉應(yīng)力可以使鋼材達到屈服強度。焊接殘餘應(yīng)力是無荷載的內(nèi)應(yīng)力，故在焊件內(nèi)自相平衡，這必然在焊縫稍遠區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++

（2）橫向焊接殘餘應(yīng)力產(chǎn)生的原因:1、焊縫的縱向收縮，使焊件有反向彎曲變形的趨勢，導(dǎo)致兩焊件在焊縫處中部受拉，兩端受壓；2、焊接時已凝固的先焊焊縫，阻止後焊焊縫的橫向膨脹，產(chǎn)生橫向塑性壓縮變形。焊縫冷卻時，後焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力；應(yīng)力分佈與施焊方向有關(guān)。

以上兩種應(yīng)力的組合即為，橫向焊接殘餘應(yīng)力。(a)焊縫縱向收縮時的變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮時的橫向應(yīng)力xy+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時的橫向應(yīng)力xy-+-+(d)焊縫橫向殘餘應(yīng)力yx不同施焊方向下,焊縫橫向收縮時產(chǎn)生的橫向殘餘應(yīng)力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx（3）沿厚度方向的焊接殘餘應(yīng)力

在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊，焊接時沿厚度方向已凝固的先焊焊縫，阻止後焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生塑性壓縮變形。焊縫冷卻時，後焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此，除了橫向和縱向焊接殘餘應(yīng)力σx,σy

外，還存在沿厚度方向的焊接殘餘應(yīng)力σz，這三種應(yīng)力形成同號(受拉)三向應(yīng)力，大大降低連接的塑性。-+-321σxσyσz二、焊接殘餘應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響1、對結(jié)構(gòu)靜力強度的影響f+--bfy+--bfyNyNy因焊接殘餘應(yīng)力自相平衡，故：當(dāng)板件全截面達到fy，即N=Ny時：結(jié)論：焊接殘餘應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的靜力強度沒有影響。+--fyfbBt2、對結(jié)構(gòu)剛度的影響A、當(dāng)焊接殘餘應(yīng)力存在時，因截面的bt部分拉應(yīng)力已經(jīng)達到fy

，故該部分剛度為零（屈服），這時在N作用下應(yīng)變增量為：f+--bfyNN+--fyfNNbBt因為B-b<B，所以△ε1>△ε2。結(jié)論：焊接殘餘應(yīng)力的存在增大了結(jié)構(gòu)的變形，即降低了結(jié)構(gòu)的剛度。B、當(dāng)截面上沒有焊接殘餘應(yīng)力時，在N作用下應(yīng)變增量為：

另外，對於軸心受壓構(gòu)件，焊接殘餘應(yīng)力使其撓曲剛度減小，降低壓桿的穩(wěn)定承載力（詳見第五章）。

對於厚板或交叉焊縫，將產(chǎn)生三向焊接殘餘拉應(yīng)力，限制了其塑性的發(fā)展，增加了鋼材低溫脆斷傾向。所以，降低或消除焊接殘餘應(yīng)力是改善結(jié)構(gòu)低溫冷脆性能的重要措施。3、對低溫冷脆的影響4、對疲勞強度的影響

在焊縫及其附近主體金屬焊接殘餘拉應(yīng)力通常達到鋼材的屈服強度，此部位是形成和發(fā)展疲勞裂紋的敏感區(qū)域。因此焊接殘餘應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的疲勞強度有明顯的不利影響。三、焊接變形

焊接變形包括：縱向收縮、橫向收縮、彎曲變形、角變形和扭曲變形等，通常是幾種變形的組合。

單擊圖片播放單擊圖片播放單擊圖片播放單擊圖片播放單擊圖片播放單擊圖片播放單擊圖片播放單擊圖片播放四、減小焊接殘餘應(yīng)力和焊接變形的措施（自學(xué)）1、設(shè)計上的措施；（1）焊接位置的合理安排（2）焊縫尺寸要適當(dāng)（3）焊縫數(shù)量要少，且不宜過分集中（4）應(yīng)儘量避免兩條以上的焊縫垂直交叉（5）應(yīng)儘量避免母材在厚度方向的收縮應(yīng)力2、加工工藝上的措施（1）採用合理的施焊順序（2）採用反變形處理（3）小尺寸焊件，應(yīng)焊前預(yù)熱或焊後回火處理單擊圖片播放單擊圖片播放§3－6螺栓連接的構(gòu)造一、螺栓的種類1.普通螺栓C級---粗制螺栓，性能等級為4.6或4.8級；4表示fu≥400N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；Ⅱ類孔，孔徑(do)-栓桿直徑(d)＝1～3mm。A、B級---精製螺栓，性能等級為5.6或8.8級;5或8表示fu≥500或800N/mm2,0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；Ⅰ類孔，孔徑(do)-栓桿直徑(d)＝0.3～0.5mm。按其加工的精細程度和強度分為:A、B、C三個級別。2.高強度螺栓由45號、40B和20MnTiB鋼加工而成，並經(jīng)過熱處理45號－8.8級；40B和20MnTiB－10.9級

（a）大六角頭螺栓（b）扭剪型螺栓扭剪型高強度螺栓單擊圖片播放二、螺栓的排列1.並列—簡單、整齊、緊湊所用連接板尺寸小，但構(gòu)件截面削弱大；B錯列A並列中距中距邊距邊距端距2.錯列—排列不緊湊，所用連接板尺寸大，但構(gòu)件截面削弱??；

3.螺栓排列的要求（1）受力要求:

垂直受力方向：為了防止螺栓應(yīng)力集中相互影響、截面削弱過多而降低承載力，螺栓的邊距和端距不能太??；

順力作用方向：為了防止板件被拉斷或剪壞，端距不能太?。?/p>

對於受壓構(gòu)件：為防止連接板件發(fā)生鼓曲，中距不能太大。（2）構(gòu)造要求；

螺栓的邊距和中距不宜太大，以免板件間貼合不密，潮氣侵入腐蝕鋼材。（3）施工要求

為了便於扳手擰緊螺母，螺栓中距應(yīng)不小於3do。

根據(jù)以上要求，規(guī)範(fàn)給定了螺栓的容許間距。三、螺栓連接的構(gòu)造要求為了保證連接的可靠性，每個桿件的節(jié)點或拼接接頭一端不宜少於兩個永久螺栓，但組合構(gòu)件的綴條除外；直接承受動荷載的普通螺栓連接應(yīng)採用雙螺帽，或其他措施以防螺帽鬆動；C級螺栓宜用於沿桿軸方向的受拉連接，以下情況可用於抗剪連接：

1、承受靜載或間接動載的次要連接；

2、承受靜載的可拆卸結(jié)構(gòu)連接；

3、臨時固定構(gòu)件的安裝連接。型鋼構(gòu)件拼接採用高強螺栓連接時，為保證接觸面緊密，應(yīng)採用鋼板而不能採用型鋼作為拼接件；§3－7

普通螺栓連接計算一、螺栓連接的受力形式FNFA

只受剪力B

只受拉力C剪力和拉力共同作用

二、普通螺栓抗剪連接（一）工作性能和破壞形式

1.工作性能對圖示螺栓連接做抗剪試驗,即可得到板件上a、b兩點相對位移δ和作用力N的關(guān)係曲線,該曲線清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四個階段,即：

(1)摩擦傳力的彈性階段(0~1段)

直線段—連接處於彈性狀態(tài)；該階段較短—摩擦力較小。NδO1234NNabNN/2N/2(2)滑移階段(1~2段)

克服摩擦力後，板件間突然發(fā)生水準滑移，最大滑移量為栓孔和栓桿間的距離，表現(xiàn)在曲線上為水準段。NδO1234abNN/2N/2

(3)栓桿傳力的彈性階段(2~3段)

該階段主要靠栓桿與孔壁的接觸傳力。栓桿受剪力、拉力、彎矩作用，孔壁受擠壓。由於材料的彈性以及栓桿拉力增大所導(dǎo)致的板件間摩擦力的增大，N-δ關(guān)係以曲線狀態(tài)上升。

(4)彈塑性階段(3~4段)

達到‘3’後，即使給荷載以很小的增量，連接的剪切變形迅速增大，直到連接破壞。

‘4’點（曲線的最高點）即為普通螺栓抗剪連接的極限承載力Nu。NδO1234abNN/2N/2Nu2.破壞形式（1）螺栓桿被剪壞

栓桿較細而板件較厚時（2）孔壁的擠壓破壞

栓桿較粗而板件較薄時（3）板件被拉斷

截面削弱過多時

以上破壞形式予以計算解決。N/2NN/2NNNN（4）板件端部被剪壞(拉豁)

端矩過小時；端矩不應(yīng)小於2dONN（5）栓桿彎曲破壞螺栓桿過長；栓桿長度不應(yīng)大於5d這兩種破壞構(gòu)造解決N/2NN/2（二）抗剪螺栓的單栓承載力設(shè)計值

由破壞形式知抗剪螺栓的承載力取決於螺栓桿受剪和孔壁承壓兩種情況，故單栓抗剪承載力由以下兩式?jīng)Q定:nv—剪切面數(shù)目；d—螺栓桿直徑；fvb、fcb—螺栓抗剪和承壓強度設(shè)計值；∑t—連接接頭一側(cè)承壓構(gòu)件總厚度的較小值。單栓抗剪承載力：抗剪承載力：承壓承載力：d剪切面數(shù)目nvNNNN/2N/2N/2N/3N/3N/3N/2（三）普通螺栓群抗剪連接計算1、普通螺栓群軸心力作用下抗剪計算N/2Nl1N/2平均值螺栓的內(nèi)力分佈

試驗證明,栓群在軸力作用下各個螺栓的內(nèi)力沿栓群長度方向不均勻，兩端大,中間小。

當(dāng)l1≤15d0(d0為孔徑)時，連接進入彈塑性工作狀態(tài)後，內(nèi)力重新分佈，各個螺栓內(nèi)力趨於相同，故設(shè)計時假定N有各螺栓均擔(dān)。所以，連接所需螺栓數(shù)為：

當(dāng)l1>15d0(d0為孔徑)時，連接進入彈塑性工作狀態(tài)後，即使內(nèi)力重新分佈,各個螺栓內(nèi)力也難以均勻，端部螺栓首先破壞,然後依次破壞。由試驗可得連接的抗剪強度折減係數(shù)η與l1/d0的關(guān)係曲線。ECCS試驗曲線8.8級

M22我國規(guī)範(fàn)1.00.750.50.2501020304050607080l1/d0η平均值長連接螺栓的內(nèi)力分佈故，連接所需栓數(shù)：NNbtt1b1

普通螺栓群軸心力作用下，為了防止板件被拉斷尚應(yīng)進行板件的淨(jìng)截面驗算。拼接板的危險截面為2-2截面:A、螺栓採用並列排列時:主板的危險截面為1-1截面:1122NNtt1bc2c3c4c1B、螺栓採用錯列排列時:主板的危險截面為1--1和1’--1’截面:111’1’NNbtt1b1c2c3c4c1拼接板的危險截面為2--2和2’--2’截面:222’2’2、普通螺栓群偏心力作用下抗剪計算F作用下每個螺栓受力：FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1FT作用下連接按彈性設(shè)計，其假定為：

（1）連接板件絕對剛性，螺栓為彈性；

（2）T作用下連接板件繞栓群形心轉(zhuǎn)動，各螺栓剪力與其至形心距離呈線形關(guān)係，方向與ri垂直。TxyN1TN1TxN1Tyr11

顯然，T作用下‘1’號螺栓所受剪力最大（r1最大）。由假定‘(2)’得由式3-39得:由力的平衡條件得：TxyN1TN1TxN1Tyr11將式3--40代入式3--38得:將N1T沿坐標(biāo)軸分解得:由此可得螺栓1的強度驗算公式為:

另外,當(dāng)螺栓佈置比較狹長(如y1≥3x1)時,可進行如下簡化計算：令:xi=0，則N1Ty=0（一）普通螺栓抗拉連接的工作性能三、普通螺栓的抗拉連接

抗拉螺栓連接在外力作用下，連接板件接觸面有脫開趨勢，螺栓桿受桿軸方向拉力作用，以栓桿被拉斷為其破壞形式。（二）單個普通螺栓的抗拉承載力設(shè)計值式中：Ae--螺栓的有效截面面積；

de--螺栓的有效直徑；

ftb--螺栓的抗拉強度設(shè)計值。dedndmd公式的兩點說明：（1）螺栓的有效截面面積

因栓桿上的螺紋為斜方向的，所以公式取的是有效直徑de而不是淨(jìng)直徑dn，現(xiàn)行國家標(biāo)準?。?2）螺栓垂直連接件的剛度對螺栓抗拉承載力的影響

A、螺栓受拉時，一般是通過與螺桿垂直的板件傳遞，即螺桿並非軸心受拉，當(dāng)連接板件發(fā)生變形時，螺栓有被撬開的趨勢（杠桿作用），使螺桿中的拉力增加（撬力Q）並產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。連接件剛度越小撬力越大。試驗證明影響撬力的因素較多，其大小難以確定，規(guī)範(fàn)採取簡化計算的方法，取ftb=0.8f（f—螺栓鋼材的抗拉強度設(shè)計值）來考慮其影響。單擊圖片播放B、在構(gòu)造上可以通過加強連接件的剛度的方法，來減小杠桿作用引起的撬力，如設(shè)加勁肋，可以減小甚至消除撬力的影響。單擊圖片播放(三）普通螺栓群的軸拉設(shè)計

一般假定每個螺栓均勻受力，因此，連接所需的螺栓數(shù)為：N(四）普通螺栓群在彎炬作用下M刨平頂緊承托(板)M1234受壓區(qū)y1y2y3N1N2N3N4中和軸M作用下螺栓連接按彈性設(shè)計，其假定為：

（1）連接板件絕對剛性，螺栓為彈性；（2）螺栓群的中和軸位於最下排螺栓的形心處，各螺栓所受拉力與其至中和軸的距離呈正比。顯然‘1’號螺栓在M作用下所受拉力最大由力學(xué)及假定可得：M刨平頂緊承托(板)M1234受壓區(qū)y1y2y3N1N2N3N4中和軸由式3--52得:將式3--54代入式3--53得:因此，設(shè)計時只要滿足下式，即可：(五）普通螺栓群在偏心拉力作用下

偏心力作用下普通螺栓連接，可採用偏於安全的設(shè)計方法，即疊加法。刨平頂緊承托(板)FeN1F1234FMy1y2y3N1MN2MN3MM=F?e中和軸N4M四、普通螺栓拉、剪聯(lián)合作用011VeM=VeV因此：2、由試驗可知，兼受剪力和拉力的螺桿，其承載力無量綱關(guān)係曲線近似為一“四分之一圓”。1、普通螺栓在拉力和剪力的共同作用下，可能出現(xiàn)兩種破壞形式：螺桿受剪兼受拉破壞、孔壁的承壓破壞；3、計算時，假定剪力由螺栓群均勻承擔(dān)，拉力由受力情況確定。

規(guī)範(fàn)規(guī)定：普通螺栓拉、剪聯(lián)合作用為了防止螺桿受剪兼受拉破壞，應(yīng)滿足：為了防止孔壁的承壓破壞，應(yīng)滿足：011ab

另外，拉力和剪力共同作用下的普通螺栓連接，當(dāng)有承托承擔(dān)全部剪力時，螺栓群按受拉連接計算。