1、水 工 鋼 結 構 Hydraulic Steel Structures,可再生能源學院 許桂生,華北電力大學 鋼結構,緒論(Introduction),1 課程的性質和任務 2 鋼結構的特點 3 鋼結構的應用 4 鋼結構設計的要求 5 水工鋼結構的發(fā)展,主要內(nèi)容：,華北電力大學 鋼結構,課程概況,鋼結構是土木工程專業(yè)的主要專業(yè)課之一，也是水工、港航、海工、農(nóng)水等水利類專業(yè)的專業(yè)基礎課。鋼結構是當前我國重點推廣和發(fā)展的結構形式。 鋼結構是采用鋼材制作而成的結構，是建筑工程的主要結構 形式之一。課程的主要內(nèi)容包括材料、連接、基本構件三大部分。不同結構形式都是由基本構件聯(lián)結而成，基本構件的核心問題

2、是穩(wěn)定問題。 本課程為2學分,計劃 授課32學時。本課程課堂授課結束后集中安排一周的課程設計。,1 課程的性質和任務,華北電力大學 鋼結構,課程特點與學習要求,本課程是結構工程中按材料劃分出來的一門學科，先修課程有：材料力學、結構力學以及概率統(tǒng)計等。 本課程的主要任務是：著重學習（水工）鋼結構的基本理論與基本知識，掌握（水工）鋼結構的選材、構造原理、 計算方法與結構布置原則。能設計簡單的（水工）鋼結構構件，對（水工）鋼結構的新發(fā)展有一定的了解。 本課程的特點是：大家對鋼結構的感性認識少，結構構造復雜，理論性強（特別是穩(wěn)定理論）。 多看書，搞清空間構造，加強感性認識；多作題，避免眼高手低。,1

3、課程的性質和任務,華北電力大學 鋼結構,平時成績占30 期末考試占70，其中平時成績主要包括作業(yè)、考勤、課堂表現(xiàn)等方面； 許桂生 水利水電教研室 主樓B620 TEL: 61772453 E-mail: xu_,課程的意義、成績評定,1 課程的性質和任務,華北電力大學 鋼結構,水工鋼結構設計的有關規(guī)范,鋼結構設計規(guī)范 GB50017-2003 建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準 GB50068-2001 建筑結構荷載規(guī)范 GB50009-2001 水利水電工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準 GB5019994 水工建筑物荷載設計規(guī)范 DL5077-1997 水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范 SL74-95,1 課程

4、的性質和任務,華北電力大學 鋼結構,鋼結構基本概念,鋼結構：由鋼材通過連接而成的承載結構。 鋼材：通常指型鋼和鋼板；鋼絲繩或鋼絲束。 型鋼：具有一定幾何尺寸等級規(guī)格的軋制鋼材，比較常見的角鋼、工字鋼、槽鋼、T型鋼等 ( P26 )。 連接：焊縫連接、螺栓連接、鉚釘連接等 ( Ch3 )。,1 課程的性質和任務,華北電力大學 鋼結構,鋼與鐵,鋼是一種鐵碳合金，為了保證其韌性和塑性，含碳量一般不超過2%。鋼的主要元素除鐵、碳外，還有硅、錳、硫、磷等。,一般生鐵的含碳量大于2，鋼的含碳量小于2。,1 課程的性質和任務,華北電力大學 鋼結構,1 承載能力大 鋼材強度高，重量輕，在結構重量相同時，鋼結構

5、的承載能力更大。 2 穩(wěn)妥可靠 (1) 鋼材在使用階段接近理想彈塑性體，這使得理論計算與實際情況相吻合。 (2) 鋼材具有良好的塑性和韌性，不會因偶然的超載而破壞，對動力荷載適應性強。,2 鋼結構的特點,華北電力大學 鋼結構,3 工業(yè)化生產(chǎn)，施工周期短 鋼結構構件一般可以在工廠由專門機具加工，生產(chǎn)效率高，且不受氣候影響。 4 密閉性好 鋼材本身組織致密，因而具有良好的氣密性和水密性。 5 耐熱不耐火 鋼材在200oC以下時性能變化很小，但在溫度超過300oC后強度和彈性模量會顯著下降。 6 耐腐蝕性差 新建鋼結構，一般都需要采用油漆、噴鋁、鍍鋅等進行防繡涂裝，在涂裝前需認真除銹，以后定期涂裝，

6、所以維護費用較高，這是鋼結構的主要缺點。,2 鋼結構的特點,華北電力大學 鋼結構,活動式結構：閘門、升船機等； 裝拆式結構：鋼模板、砼攪拌樓等； 密封結構：壓力管道、貯液罐、貯氣罐等； 高聳結構：電視塔、微波塔等； 大跨度結構：橋梁、體育館等； 海工鋼結構：鉆井、采油平臺等。,3 鋼結構的應用,華北電力大學 鋼結構,瀘定橋位于四川省瀘定縣境內(nèi)，始建于1705，橋身由13根鐵索組成，東西橋臺之間凈跨100米、鐵索長101.67米、橋寬2.7米。,瀘定橋,華北電力大學 鋼結構,玉泉寺在湖北省當陽城西15公里的玉泉山東麓，始建于東漢末年，為我國歷代著名的佛教寺院之一。,玉泉寺鐵塔,華北電力大學 鋼結

7、構,艾菲爾鐵塔,華北電力大學 鋼結構,陜西銅川天然氣公司 1000立方米天然氣球罐,大連西太平洋石化有限公司 1500立方米CF-62鋼球罐,華北電力大學 鋼結構,三峽擋水閘門吊裝,華北電力大學 鋼結構,橋,華北電力大學 鋼結構,武漢長江大橋,華北電力大學 鋼結構,武漢長江二橋,華北電力大學 鋼結構,漢諾威AWD球場,華北電力大學 鋼結構,國家體育場(鳥巢）全景效果圖,華北電力大學 鋼結構,建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準(GB50068-2001)規(guī)定：結構的可靠度應采用以概率論為基礎的極限狀態(tài)設計方法分析確定。 鋼結構和其他建筑結構一樣，遵循“統(tǒng)一標準”要求。除疲勞計算外， 鋼結構設計規(guī)范(GB

8、50017-2003)采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，用分項系數(shù)的設計表達式進行計算。 水工鋼結構的設計目前仍采用容許應力法。,4 鋼結構設計的要求,華北電力大學 鋼結構,鋼結構設計規(guī)范(GB50017-2003)第1章總則第1.0.1條明確指出：“為在鋼結構設計中貫徹執(zhí)行國家的技術經(jīng)濟政策，做到技術先進、經(jīng)濟合理、安全使用、確保質量，特制定本規(guī)范”。也就是說，力求用最經(jīng)濟的方法，使所建結構滿足下列基本功能要求：,4 鋼結構設計的要求,華北電力大學 鋼結構,（1）安全性 結構在正常施工和正常使用條件下，承受可能出現(xiàn)的各種作用的能力，以及在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時及發(fā)生后，仍保持必

9、要的整體穩(wěn)定性的能力。 （2）適用性 結構在正常使用條件下，滿足預定使用要求的能力。 （3）耐久性 結構在正常維護條件下，隨時間變化而仍能滿足預定功能要求的能力。 結構的安全性、適用性和耐久性總稱為結構的可靠性。,4 鋼結構設計的要求,華北電力大學 鋼結構,我國鋼結構的發(fā)展概況,根據(jù)考古發(fā)現(xiàn)，我國在春秋時期已經(jīng)開始使用人工制鐵。 公元前6070年，已建成鐵鏈橋。比較著名的鐵鏈橋有云南的沅江橋、貴州的盤江橋、四川的瀘定橋。 此外，還建有不少鐵塔，如湖北荊州的玉泉寺鐵塔、江蘇鎮(zhèn)江的甘露寺鐵塔等。,5 鋼結構的發(fā)展,華北電力大學 鋼結構,新中國鋼結構的發(fā)展,橋梁方面：1957年的武漢長江大橋；196

10、8年的南京長江大橋；1992年的九江長江大橋；1993年的上海楊浦大橋；1996年的西陵長江大橋等。 公用與民用建筑：首都體育館（跨度99m平板）；上海體育館（直徑110m平板網(wǎng)架結構）；秦俑陳列館（跨度70m的三鉸拱鋼結構） 。 塔桅結構：北京環(huán)境氣象桅桿（ 1977，325m ）；上海東方明珠電視塔（1995，468m）。 水工結構：葛洲壩2號船閘人字鋼閘門（ 349.72.5m，重600t ）；三峽永久船閘人字鋼閘門（ 38.520.23.0m，重1904t ） ；三峽升船機承船廂 （鋼質開口槽形梁格結構，1322310m，過船噸位3000t） 。,5 鋼結構的發(fā)展,華北電力大學 鋼結構

11、,鋼結構的發(fā)展趨勢,1. 高性能鋼材的研制 2. 設計方法和計算理論的改進 3. 結構形式的革新,5 鋼結構的發(fā)展,鋼結構具有的優(yōu)越特點，使它成為一種比較理想的結構。隨著我國現(xiàn)代化建設的發(fā)展和鋼產(chǎn)量的增加，鋼結構的應用將會有很大發(fā)展，鋼結構工程的科學技術水平也將進一步提高，其發(fā)展趨勢為：,華北電力大學 鋼結構,1. 高性能鋼材的研制 鋼結構的突出特點就是鋼材的強度高，因此特別適用于大跨度和承受大的荷載，采用高強度鋼材，更能發(fā)揮鋼結構這一優(yōu)勢。為保證必要的塑性、韌性和可焊性，鋼結構用的高強度鋼一般都是低合金鋼。,5 鋼結構的發(fā)展,華北電力大學 鋼結構,我國高性能鋼材的研制和應用 屈服點為345N

12、/mm2的16錳鋼南京長江大橋 屈服點為390N/mm2的15錳釩鋼 屈服點為410N/mm2的15錳釩氮鋼九江長江大橋 國外高強度鋼的發(fā)展 日本、美國、前蘇聯(lián)都已把屈服點為700N/mm2以上的鋼列入了規(guī)范，如何研制高強度鋼并合理應用是一個重要課題。 另外，耐腐蝕鋼、寬翼緣工字型鋼、方鋼管、壓型鋼板、冷彎薄壁型鋼等都能較好發(fā)揮鋼材的效能，得到較好的經(jīng)濟效果，有著廣闊的發(fā)展前景。,5 鋼結構的發(fā)展,華北電力大學 鋼結構,2. 設計方法和計算理論的改進 統(tǒng)一標準和現(xiàn)行鋼規(guī)都要求采用以概率論為基礎的極限狀態(tài)設計法，這是通過大量理論研究和試驗分析取得的成果，但是還有很多問題需要進一步研究和完善，有大

13、量的工作需要繼續(xù)完成。 例如 實際構件和幾何缺陷的統(tǒng)計分析，殘余應力的分布，機會缺陷和殘余應力對承載力繼續(xù)狀態(tài)的影響； 受壓構件的極限承載力及其影響因素； 多次重復荷載和動力作用下構件和結構的極限狀態(tài)； 鋼材的塑性利用和板件屈服后的強度問題等等。,5 鋼結構的發(fā)展,華北電力大學 鋼結構,3. 結構形式的革新 （1） 計算理論和計算手段的進步以及新材料新工藝的出現(xiàn)，為鋼結構形式的革新提供了條件。 網(wǎng)架一類的桿件多而超靜定結構次數(shù)又多的空間結構 大跨度懸索結構和斜拉結構 預應力鋼結構 鋼和混凝土組合結構 （2） 結構形式革新的另一種形式是把梁、拱、懸索等不同受力類型的結構融于同一結構。 九江長江大

14、橋 北京北郊綜合體育館 亞運村游泳館,5 鋼結構的發(fā)展,華北電力大學 鋼結構,（3） 隨著高強度螺栓和焊接技術的發(fā)展，鉚接結構已被栓焊或全焊結構代替。 廠房鋼結構、塔桅結構、網(wǎng)架結構中廣泛應用了高強度螺栓連接； 西陵長江大橋的箱型加勁梁采用了全焊接結構； 孫口黃河大橋桁梁采用了整體焊接節(jié)點、節(jié)點外拼接的新的型式。 （4） 高層建筑鋼結構的研究 近年來，我國已建成一批高層建筑，如： 上海錦江飯店分館 （153m） 深圳發(fā)展中心大廈 （165m） 北京京廣中心大廈 （208m） 我國鋼結構事業(yè)發(fā)展很快，結構革新在科研、設計、材料、制造加工、安裝建設等方面還有許多工作要做。,5 鋼結構的發(fā)展,華北電

15、力大學 鋼結構,CH1 緒論 CH2 鋼結構的材料和計算方法 CH3 鋼結構的連接 CH4 鋼梁 CH5 鋼柱與鋼壓桿 CH6 鋼桁架 CH7 平面鋼閘門,水 工 鋼 結 構,華北電力大學 鋼結構,Ch2 鋼結構的材料和計算方法,1 鋼材的主要性能 2 影響鋼材機械性能的主要因素 3 鋼材的疲勞 4 建筑鋼的種類、牌號及選用 5 軋成鋼材的規(guī)格及用途 6 鋼結構的計算方法,華北電力大學 鋼結構,1 鋼材的主要性能,一、一次單向拉伸試驗曲線,f,B,A,C,D,華北電力大學 鋼結構,鋼材的兩種破壞形式：,脆性破壞在一定條件下，未產(chǎn)生警示性的塑性變形而突然發(fā)生的脆性斷裂。 塑性破壞在應力達到抗拉強

16、度fu后產(chǎn)生很大的塑性變形而發(fā)生的斷裂。,1 鋼材的主要性能,華北電力大學 鋼結構,二、鋼材的主要性能 強度 fy 強度設計標準值，設計依據(jù)；fu鋼材的最大承載強度，安全儲備。 塑性u，鋼材產(chǎn)生塑變時而不發(fā)生脆性斷裂的能力，便于內(nèi)力重分布，吸收能量，重要指標。 冷彎性能90o、180o，在冷加工過程中產(chǎn)生塑性變形時，對產(chǎn)生裂紋的敏感性，是判別鋼材塑性及冶金質量的綜合指標。 韌性沖擊韌性k，鋼材在一定溫度下塑變及斷裂過程中吸收能量的能力，用于表征鋼材承受動力荷載的能力（動力指標），按常溫（20o）、零溫（0o） 、負溫（-20o、-40o）區(qū)分 。,1 鋼材的主要性能,華北電力大學 鋼結構,二、

17、鋼材的主要性能 可焊性表征鋼材焊接后具備良好焊接接頭性能的能力不產(chǎn)生裂紋，焊縫影響區(qū)材性滿足有關要求。 抗腐蝕性鋼材腐蝕速度是研究鋼材腐蝕和抗腐蝕的重要指標，一般可按鋼材每年腐蝕厚度的毫米數(shù)或單位時間內(nèi)單位面積腐蝕減損的重量來表示。（水工）鋼結構常用的防腐措施： (a) 涂料防護 (b) 噴鍍保護 (c) 電化學保護,1 鋼材的主要性能,華北電力大學 鋼結構,2 影響鋼材性能的主要因素,1、化學成份 2、冶煉及軋制 3、冷作硬化與時效硬化 4、復雜應力與應力集中 5、殘余應力 6、溫度,華北電力大學 鋼結構,1、化學成份的影響 基本成份為Fe，炭鋼中含量占99，C、Si、Mn為雜質元素，S、P

18、、N、O為冶煉過程中不易除盡的有害元素。 C：含C使強度塑性、韌性、可焊性，應控制在0.20%。 Si：含Si適量使強度 其它影響不大，有益，應控制0.10.3% Mn：含Si適量使強度 降低S、O的熱脆影響，改善熱加工性能，對其它性能影響不大，有益。 S：含量使強度塑性、韌性、冷彎性能、可焊性； 高溫時使鋼材變脆熱脆現(xiàn)象。 P：低溫時使鋼材變脆冷脆現(xiàn)象；其它同S O、N：O同S；N同P，控制含量0.008%,2 影響鋼材性能的主要因素,華北電力大學 鋼結構,2、冶煉與軋制的影響 冶煉的影響主要為脫氧方法：沸騰鋼用Mn為脫氧劑，時間快，價格低，質量差；鎮(zhèn)靜鋼用Si為脫氧劑，時間慢，價格高，質量

19、好。 反復的軋制可以改善鋼材的塑性，同時可以使鋼材中的氣孔、裂紋、疏松等缺陷焊合，使金屬晶體組織密實，晶粒細化，消除纖維組織缺陷，使鋼材的力學性能提高。,2 影響鋼材性能的主要因素,華北電力大學 鋼結構,3、冷作硬化與時效硬化 由于某種因素的影響而使鋼材強度提高，塑性、韌性下降，脆性增加的現(xiàn)象稱之為硬化現(xiàn)象。 冷加工時（常溫進行彎折、沖孔剪切等），鋼材發(fā)生塑性變形從而使鋼材變硬的現(xiàn)象稱之為冷作硬化。 鋼材中的C、N，隨著時間的增長和溫度的變化，而形成碳化物和氮化物，使鋼材變脆的“老化”現(xiàn)象稱之為時效硬化。,2 影響鋼材性能的主要因素,華北電力大學 鋼結構,4、復雜應力與應力集中的影響 鋼材在多

20、向同號應力場作用下，一向的變形受到另一向的限制，而使鋼材強度增加，塑性、韌性下降，異號應力場時則相反。 鋼構件由于截面的改變以及孔洞、凹槽、裂紋等原因而使構件內(nèi)產(chǎn)生應力集中，應力集中實際為：局部應力增大并多為同號應力場。,2 影響鋼材性能的主要因素,華北電力大學 鋼結構,5、殘余應力的影響 鋼材在軋制、焊接、切割等過程中會產(chǎn)生在構件內(nèi)部自相平衡的內(nèi)力,殘余應力雖對構件的強度無影響，但對構件的變形（剛度）、疲勞以及穩(wěn)定承載力產(chǎn)生不利影響。,2 影響鋼材性能的主要因素,華北電力大學 鋼結構,6、溫度的影響 溫度的影響，一般可分正溫與負溫影響兩部分。 正溫影響 總體影響規(guī)律為溫度上升，鋼材的強度降低

21、，塑性、韌性提高，這一現(xiàn)象稱之為熱塑現(xiàn)象，溫度達600o左右時，鋼材的強度幾乎降至為零，而塑性、韌性極大，易于進行熱加工，此溫度稱之為熱煅溫度。 需要說明：鋼材在300o左右時，強度提高，塑性、韌性下降，鋼材表面呈藍色，這一反覆現(xiàn)象稱之為藍脆現(xiàn)象。鋼材在300o以上時應采取隔熱措施。,2 影響鋼材性能的主要因素,華北電力大學 鋼結構,6、溫度的影響 溫度的影響，一般可分正溫與負溫影響兩部分。 負溫影響 隨著溫度的降低鋼材的強度提高，塑性、韌性降低，脆性增大，稱之為低溫冷脆，當溫度降至某一特定溫度時鋼材的脆性急劇增大，稱此溫度點為轉脆溫度。,2 影響鋼材性能的主要因素,華北電力大學 鋼結構,鋼材

22、在交變應力作用下，在遠低于抗拉強度時突然發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，稱為疲勞破壞。 疲勞破壞的特點：當重復荷載的循環(huán)次數(shù)n達到某定值時，在鋼材中的應力雖然低于抗拉極限強度，甚至還低于屈服點，也會提前發(fā)生突然脆性斷裂。破壞時塑性變形極小。,3 鋼材的疲勞,華北電力大學 鋼結構,疲勞破壞的機理 鋼結構的疲勞斷裂是裂紋在連續(xù)重復荷載作用下不斷擴展以至斷裂的脆性破壞。疲勞破壞經(jīng)歷三個階段：裂紋的形成，裂紋的緩慢擴展和最后迅速斷裂。 與疲勞破壞有關的幾個概念 應力集中 鋼結構構件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變化、形狀變化、內(nèi)部缺陷等使一些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應力的現(xiàn)象。,3 鋼材的疲勞,華北電力大學 鋼結構,應

23、力循環(huán) 連續(xù)重復荷載之下應力從最大到最小重復一周叫做一個循環(huán)。應力循環(huán)特征常用應力比來表示，拉應力取正值，壓應力取負值。 應力幅 應力幅表示應力變化的幅度，用 =max- min表示，應力幅總是正值。 疲勞壽命（致?lián)p循環(huán)次數(shù)） 疲勞壽命指在連續(xù)反復荷載作用下應力的循環(huán)次數(shù)，一般用n表示。,3 鋼材的疲勞,華北電力大學 鋼結構,3 鋼材的疲勞,華北電力大學 鋼結構,3 鋼材的疲勞,華北電力大學 鋼結構,3 鋼材的疲勞,華北電力大學 鋼結構,一、鋼材的牌號表示方法及結構用鋼的種類,鋼材牌號由：“Q、屈服點值、質量等級、脫氧方法”四部分組成。 Q：表示“屈”字拼音首位字母，意為“屈服強度”； 質量等

24、級：分AE五級（字序越高質量越好）； 脫氧方法：F沸騰鋼；Z鎮(zhèn)靜鋼（一般省略）； b半鎮(zhèn)靜鋼；TZ特殊鎮(zhèn)靜鋼。 注：碳素結構鋼分：A、B、C、D 四級，含所有脫氧方法；低合金結構鋼分：A、B、C、D、E五級，只有鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。 結構用鋼宜選碳素結構鋼中的Q235及低合金鋼中的Q345、Q390、Q420四種鋼材。,4 建筑鋼的種類、牌號及選用,華北電力大學 鋼結構,二、結構用鋼的選擇,鋼材的質量和性能，由鋼材力學性能中的抗拉強度fu、屈服強度fy、伸長率5（10）、冷彎180o及沖擊韌性k，化學成分C、S、P等的極限含量，以及冶煉脫氧方法來衡量。選材時應根據(jù)結構的重要性、荷載性質（靜、動

25、）、連接方法、工作溫度等因素來綜合考慮以選擇適宜鋼材。 一般承重結構應有fu、fy、5以及C（ 0.22%）、S、P的極限含量合格保證；焊接及重要的非焊接承重結構還應具備冷彎180o合格保證（C0.2%）；承受動力荷載需要驗算結構疲勞強度時,還應根據(jù)具體情況增加對k的不同要求。,4 建筑鋼的種類、牌號及選用,華北電力大學 鋼結構,鋼板：厚鋼板、薄鋼板、扁鋼。 型鋼（熱軋成型）：角鋼、工字鋼、H型鋼、槽鋼、T型鋼、鋼管等。 冷彎薄壁型鋼：采用薄鋼板冷軋制成。,鋼材的規(guī)格,5 軋成鋼材的規(guī)格及用途,華北電力大學 鋼結構,5 軋成鋼材的規(guī)格及用途,華北電力大學 鋼結構,（1）安全性 結構在正常施工和

26、正常使用條件下，承受可能出現(xiàn)的各種作用的能力，以及在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時及發(fā)生后，仍保持必要的整體穩(wěn)定性的能力。 （2）適用性 結構在正常使用條件下，滿足預定使用要求的能力。 （3）耐久性 結構在正常維護條件下，隨時間變化而仍能滿足預定功能要求的能力。 結構的安全性、適用性和耐久性總稱為結構的可靠性。,鋼結構的設計要求,6 鋼結構的計算方法,統(tǒng)一標準：結構可靠度結構在規(guī)定的時間內(nèi)、在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率。 鋼規(guī)：除疲勞計算外，應采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計法，用分項系數(shù)設計表達式進行計算。,華北電力大學 鋼結構,鋼結構設計規(guī)范,6 鋼結構的計算方法,華北電力大學 鋼

27、結構,結構設計準則：結構由各種作用所產(chǎn)生的效應（內(nèi)力和變形）不大于結構（包括連接）由材料性能和幾何因素等所確定的抗力或規(guī)定限值 問題及矛盾：荷載大小、材料強度、截面尺寸、計算模式、施工質量等因素均為隨機變量（或隨機過程）不確定，導致結構效應與抗力均為隨機變量，不可能保證百分之百保證結構效應小于抗力或規(guī)定限值，只能作一定的概率保證。,結構設計概述,6 鋼結構的計算方法,華北電力大學 鋼結構,容許應力法（建國初1957年）,把鋼材可以使用的最大強度，除以一個籠統(tǒng)的安全系數(shù)作為結構設計計算時構件容許達到的最大應力，即容許應力法：,N構件的內(nèi)力； S截面幾何特性； s鋼材屈服強度； K總安全系數(shù)； 構

28、件的計算應力,式中：,優(yōu)點：簡單、明確 缺點：太籠統(tǒng)。各構件的可靠程度各不相同，而整個結構取決于可靠度最小的構件,華北電力大學 鋼結構,半概率法（1957年1988年）,三個系數(shù)的極限狀態(tài)計算方法（1957年1974年） 以結構極限狀態(tài)為依據(jù)，多系數(shù)分析后用單一設計安全系數(shù)的容許應力計算方法（1974年1988年）,材料強度概率：,荷載概率：,華北電力大學 鋼結構,優(yōu)點：對結構可靠性的處理有所改進 缺點：對荷載、材料性能等的處理都取一個經(jīng)驗定值，因為這對結構可靠度的 研究僅處于以經(jīng)驗為基礎的定性分析階段,式中：,半概率法（1957年1988年）,華北電力大學 鋼結構,水工鋼結構：鋼閘門、壓力鋼

29、管、攔污柵、升船機等。 水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范SL74-95 船閘總體設計規(guī)范JTJ305-2001 水電站壓力鋼管設計規(guī)范SL281-2003 水工鋼結構采用容許應力法進行設計，實質上屬于半概率、半經(jīng)驗的極限狀態(tài)設計法。,水工鋼結構的設計,半概率法（1957年1988年）,華北電力大學 鋼結構,概率論為基礎 概率極限狀態(tài)設計方法 結構可靠度研究由以經(jīng)驗為基礎的定性分析階段推進到以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為基礎的定量分析階段 近似的概率設計法 （分析中忽略和簡化了基本變量隨時間變化的關系，所以確定基本變量分布時有相當程度的近似性，且進行了線性化簡化計算 ）,概率極限狀態(tài)設計(一次二階矩)法 （19

30、88年 ）,華北電力大學 鋼結構,極限狀態(tài)：實質上是結構可靠與不可靠的界限，故也可稱為“界限狀態(tài)”；對于結構的各種極限狀態(tài)，均應規(guī)定明確的標志或限值 兩類極限狀態(tài)： （1）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，結構和構件喪失穩(wěn)定，結構轉變?yōu)闄C動體系和結構傾覆 （2）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耐久性能的局部損壞（包括組合結構中混凝土裂縫）,概率極限狀態(tài)設計法 （1988年 ）,華北電力大學 鋼結構,功能函數(shù),式中Z=g() 結構的功能函數(shù)； xi(i=1,2,n) 影響結構或構件可靠度的基本變量,僅有作用效應S和結構抗力

31、R兩個基本變量時結構的功能函數(shù)可表為：,荷載效應S：取決于各種荷載（恒載、活載、風、地震作用、溫度變化等） 結構或構件的承載力或抗力R：取決于材料、構件的幾何特性等,概率極限狀態(tài)設計法 （1988年 ）,華北電力大學 鋼結構,由于R和S都是隨機變量，其函數(shù)Z也是一個隨機變量。三種可能狀態(tài)：,結構可靠度：結構在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率,若以ps表示結構的可靠度 則：,若以pf表示結構的失效概率 則：,概率極限狀態(tài)設計法 （1988年 ）,華北電力大學 鋼結構,Z的概率密度fZ（Z）曲線,定義：可靠指標=均值/標準差,概率極限狀態(tài)設計法 （1988年 ）,華北電力大學 鋼結構

32、,可靠指標或安全指標，與pf存在一一對應關系， 與pf變化相反。,若Z為正態(tài)分布：,由：,有：,由于的計算只采用分布的特征值，即一階原點矩（均值）Z和二階中心矩（方差）Z2，對非線性函數(shù)只取線性項，而不考慮Z的全分布，故稱此法為一次二階矩法。,概率極限狀態(tài)設計法 （1988年 ）,華北電力大學 鋼結構,與pf對應表格,不同結構構件承載能力極限狀態(tài)的可靠指標,概率極限狀態(tài)設計法 （1988年 ）,華北電力大學 鋼結構,設計表達式,建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準(GB50068-2001)規(guī)定結構構件的極限狀態(tài)設計表達式，應根據(jù)各種極限狀態(tài)的設計要求，采用有關的荷載代表值、材料性能標準值、幾何參數(shù)標準

33、值以及各種分項系數(shù)等表達。,簡單荷載分項系數(shù)設計式：,RK 抗力標準值 SGK按標準值計算的永久荷載（G）效應值 SQK按標準值計算的可變荷載（Q）效應值 分項系數(shù),式中：,華北電力大學 鋼結構,一般情況下荷載分項系數(shù)： G1.2 ； Q1.4 永久荷載效應對結構有利時： G1.0 可變荷載大于4kN/m2時： Q1.3 抗力分項系數(shù)： Q235鋼： R1.087； Q345、Q390；Q420鋼： R1.111 其中：鋼材強度設計值f鋼材強度除以對應的抗力分項系數(shù)，即,分項系數(shù) 以可靠指標為基礎用概率統(tǒng)計方法求出。,設計表達式,華北電力大學 鋼結構,可變荷載效應控制的組合：,永久荷載效應控制

34、的組合：,承載能力極限狀態(tài)荷載效應的基本組合,設計表達式,華北電力大學 鋼結構,正常使用極限狀態(tài)荷載效應的標準組合,vGK 永久荷載標準值產(chǎn)生的變形值 vQ1K 起控制作用的第一個可變荷載標準值產(chǎn)生的變形值 vQiK 其他第i個可變荷載標準值產(chǎn)生的變形值 v 結構或結構構件的容許變形值,式中：,設計表達式,華北電力大學 鋼結構,1 連接的類型 2 焊接方法和焊縫強度 3 對接焊縫連接的構造和計算 4 角焊縫連接的構造和計算 5 焊接應力和焊接變形 6 螺栓連接,CH3 鋼結構的連接,華北電力大學 鋼結構,焊縫連接 鉚釘連接 螺栓連接,1 連接的類型,華北電力大學 鋼結構,鉚釘連接,鉚釘連接（r

35、ivetedconnections）的制造有熱鉚和冷鉚二種方法。熱鉚是由燒紅的釘坯插入構件的釘孔中，用鉚釘槍或壓鉚機鉚合而成。冷鉚是在常溫下鉚合而成。在建筑結構中一般都采用熱鉚。 鉚釘打好后，釘桿由高溫逐漸冷卻而發(fā)生收縮，但被釘頭之間的鋼板阻止住，所以釘桿中產(chǎn)生了收縮拉應力，對鋼板則產(chǎn)生壓縮系緊力。這種系緊力使連接十分緊密。當構件受剪力作用時，鋼板接觸面上產(chǎn)生很大的摩擦力，因而能大大提高連接的工作性能。,1 連接的類型,華北電力大學 鋼結構,1 連接的類型,華北電力大學 鋼結構,2 焊接方法和焊縫強度,華北電力大學 鋼結構,2 焊接方法和焊縫強度,華北電力大學 鋼結構,鋼結構常用的焊接方法,手

36、工電弧焊 埋弧焊（自動或半自動） 氣體保護焊 電阻焊,2 焊接方法和焊縫強度,電弧焊,華北電力大學 鋼結構,手工電弧焊示意圖,2 焊接方法和焊縫強度,手工電弧焊,華北電力大學 鋼結構,優(yōu)缺點： 設備簡單，操作靈活方便，適用于任意空間，工位復雜，形狀復雜的焊縫焊接，特別適用于焊接短焊縫 全手動，生產(chǎn)效率低，勞動強度大，焊接質量和焊工的精神狀態(tài)與技術水平有很大關系 焊條與焊劑： 短焊條(350400mm)：Q235E43型； Q345E50型；Q390與Q420E55 焊劑：附于焊條之藥皮，保護電弧和溶化金屬,2 焊接方法和焊縫強度,手工電弧焊,華北電力大學 鋼結構,埋弧焊（自動或半自動）,埋弧焊

37、示意圖,2 焊接方法和焊縫強度,華北電力大學 鋼結構,特點： 焊絲不涂藥皮，施焊端靠由焊劑漏頭自動流下的顆粒狀焊劑所覆蓋電弧熱量集中，熔深大，適于厚板的焊接 生產(chǎn)率高，工藝條件穩(wěn)定，焊縫化學成分均勻，焊縫的質量好，質量均勻、塑性、韌性好，抗腐蝕性強，焊件變形小，減小了熱影響區(qū)的范圍 裝配精度（如間隙）要求比手工焊高,埋弧焊（自動或半自動）,2 焊接方法和焊縫強度,華北電力大學 鋼結構,利用二氧化碳氣體或其他惰性氣體作為保護介質，保證了焊接過程的穩(wěn)定性 速度快，焊縫強度高于手工電弧焊，塑性、抗腐蝕性好,氣體保護焊,2 焊接方法和焊縫強度,華北電力大學 鋼結構,電阻焊,2 焊接方法和焊縫強度,華北

38、電力大學 鋼結構,焊縫連接形式,焊縫形式（按構造分）： 對接焊縫 角焊縫,2 焊接方法和焊縫強度,華北電力大學 鋼結構,按受力方向分： 對接焊縫：正對接焊縫、斜對接焊縫 角焊縫：正面角焊縫、側面角焊縫、斜焊縫,焊縫形式,2 焊接方法和焊縫強度,華北電力大學 鋼結構,按長度方向的布置分： 連續(xù)角焊縫：受力性能較好，主要的角焊縫形式 間斷角焊縫：容易引起應力集中只能用于一些次要構件的連接或受力很小的連接中,連續(xù)角焊縫 間斷角焊縫,2 焊接方法和焊縫強度,焊縫形式,華北電力大學 鋼結構,焊縫缺陷,焊縫缺陷指焊接過程中產(chǎn)生于焊縫金屬或附近熱影響區(qū)鋼材表面或內(nèi)部的缺陷。 常見的缺陷有裂紋、焊瘤、燒穿、弧

39、坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透等；以及焊縫尺寸不符合要求、焊縫成形不良等。 裂紋是焊縫連接中最危險的缺陷。產(chǎn)生裂紋的原因很多，如鋼材的化學成分不當；焊接工藝條件（如電流、電壓、焊速、施焊次序等）選擇不合適；焊件表面油污未清除干凈等。,華北電力大學 鋼結構,焊縫缺陷：焊接過程中產(chǎn)生于焊縫金屬或附近熱影響區(qū)鋼材表面或內(nèi)部的缺陷 常見缺陷：,焊縫缺陷,2 焊接方法和焊縫強度,華北電力大學 鋼結構,焊縫質量檢驗,鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范（GB50205-2001）規(guī)定焊縫按其檢驗方法和質量要求分為一級、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質量標準； 設計要求全焊透的一級、

40、二級焊縫則除外觀檢查外，還要求用超聲波探傷進行內(nèi)部缺陷的檢驗，超聲波探傷不能對缺陷作出判斷時，應采用射線探傷檢驗，并應符合國家相應質量標準的要求。,華北電力大學 鋼結構,焊縫質量檢驗方法：外觀檢查、超聲波探傷檢驗、X射線檢驗 焊縫質量分三級: 一級焊縫需經(jīng)外觀檢查、超聲波探傷、x射線檢驗都合格； 二級焊縫需外觀檢查、超聲波探傷合格； 三級焊縫需外觀檢查合格；,焊縫質量檢查,華北電力大學 鋼結構,焊縫符號表示方法(GB/T324-1988)規(guī)定： 焊縫代號由引出線、圖形符號、輔助符號三部分組成。,焊縫符號,華北電力大學 鋼結構,焊縫強度,2 焊接方法和焊縫強度,焊縫的強度主要決定于焊縫金屬和主體

41、金屬、并與焊接形式、應力集中程度以及焊接工藝等。 對接焊縫：抗壓、抗剪同母材 抗拉I、II級同母材，III級母材抗拉強度的85% 角焊縫：抗拉、抗壓和抗剪統(tǒng)一取最低值，不再區(qū)分。 水工鋼閘門等水工鋼結構，應按水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范的規(guī)定采用焊縫容許應力。,華北電力大學 鋼結構,焊縫強度設計值（N/mm2）,華北電力大學 鋼結構,焊縫強度設計值（N/mm2）,華北電力大學 鋼結構,3 對接焊縫連接的構造和計算,對接焊縫的優(yōu)點：用料經(jīng)濟，傳力均勻，無明顯的應力集中， 利于承受動力荷載。 缺點：需剖口，焊件長度要精確。,對接焊縫(buttwelds)的焊件常需做成坡口，故又叫坡口焊縫(groov

42、ewelds)。,華北電力大學 鋼結構,變厚度板對接，在板的一面或兩面切成坡度不大于1：2.5的斜面，避免應力集中,變寬度板對接，在板的一側或兩側切成坡度不大于1：2.5的斜邊，避免應力集中,起落弧處易有焊接缺陷，用引弧板，采用引弧板施工復雜，除承受動力荷載外，一般不用，計算每條焊縫長度應則減去2t（t為較薄焊件厚度）,對接焊縫的構造處理,華北電力大學 鋼結構,對接焊縫的計算,對接焊縫的強度與所用鋼材的牌號、焊條型號及焊縫質量的檢驗標準等因素有關。,受壓、受剪的對接焊縫：與母材強度相等； 受拉對接焊縫： 一、二級焊縫與母材強度相等； 三級焊縫為母材強度的85%。,對接焊縫中的應力分布與原焊件基

43、本相同，故計算方法與構件的強度計算一樣，計算時焊縫中的最大應力（或折算應力）不能超過焊縫的強度設計值。,華北電力大學 鋼結構,軸心受力的對接焊縫,直對接焊縫,華北電力大學 鋼結構,軸心受力的對接焊縫,當斜焊縫傾角56.3，即tg1.5時，可認為與母材等強，不用計算。,斜對接焊縫,華北電力大學 鋼結構,對接焊縫受彎矩、剪力聯(lián)合作用,華北電力大學 鋼結構,承受軸心力，彎矩和剪力聯(lián)合作用,當軸心力與彎矩、剪力聯(lián)合作用時，軸心力和彎矩在焊縫中引起的正應力應進行疊加，剪應力和折算應力仍按彎矩和剪力聯(lián)合作用驗算。,華北電力大學 鋼結構,角焊縫連接的形式,按焊縫長度方向與作用力方向的關系可分為： 垂直 正面

44、角焊縫(端縫)； 平行 側面角焊縫(側縫) 斜焊縫,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,按截面形式可分為直角角焊縫和斜角角焊縫,角焊縫的形式和強度,直角角焊縫,斜角角焊縫,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,側面角焊縫：焊縫長度方向與受力方向平行，主要承受剪應力，其特點為應力分布簡單些，但分布并不均勻，剪應力兩端大，中間小。彈模低強度低，但塑性較好,正面角焊縫：焊縫垂直于受力方向，其特點為受力后應力狀態(tài)較復雜，應力集中嚴重，焊縫根部形成高峰應力，易于開裂。破壞強度要高一些，但塑性差,斜焊縫：受力性能和強度介于兩者之間,角焊縫按受力方向分類,華北電力大學 鋼結構,角焊

45、縫應力狀態(tài),a側面角焊縫 b正面角焊縫,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,角焊縫的構造要求,華北電力大學 鋼結構,有效厚度he=0.7hf為焊縫橫截面的內(nèi)接等腰三角形的最短距離，即不考慮熔深和凸度,直角角焊縫強度計算的基本公式,當角焊縫的兩焊腳邊夾角為90時，稱為直角角焊縫，即一般所指的角焊縫,角焊縫截面,華北電力大學 鋼結構,直角角焊縫的破壞常發(fā)生在喉部 角焊縫的有效截面為焊縫有效厚度（喉部尺寸）與計算長度的乘積也即以45方向的最小截面,角焊縫有效截面上的應力,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,角焊縫極限強度,（3.1）,Q235系數(shù)為1.8 其他鋼種系數(shù)為1

46、.73.0,與母材公式一致,統(tǒng)一公式,（3.2）,fuw-焊縫金屬抗拉強度,華北電力大學 鋼結構,規(guī)范采用折算應力，引入抗力分項系數(shù) ：,（3.3）,ffw-角焊縫強度設計值，由抗剪條件確定 3 ffw-相當于角焊縫抗拉強度設計值,計算、 、 過于繁瑣不方便設計計算,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,進一步簡化 ：,（3.4）,合應力f：,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,分應力、 ：,沿焊縫長度方向的分力Nx引起f= ,（3.5）,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,f、 f共同作用計算式：,（3.6）,或：,對直接承受動力荷載結構中的角焊縫，f

47、1.0,華北電力大學 鋼結構,對正面角焊縫，f=0,（3.7）,對側面角焊縫， f=0,（3.8）,式3.6、3.7、3.8為角焊縫基本計算式適用于任何受力狀態(tài),3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,承受軸心力作用時角焊縫連接計算,各種受力狀態(tài)下角焊縫的計算,只有側面角焊縫按式（3.8）計算 只有正面角焊縫按式（3.7）計算,用蓋板的對接連接承受軸心力（拉力、壓力或剪力）,華北電力大學 鋼結構,三面圍焊： 先按式3.7計算正面角焊縫承擔的內(nèi)力N： 再由（N-N）計算側面角焊縫的強度：,lw為連接一側的正面角焊縫計算長度總和,lw為連接一側的側面角焊縫計算長度總和,（3.9）,3 角

48、焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,分力法： 垂直于焊縫分力： NxNsin 平行于焊縫分力： Ny Ncos,承受斜向軸心力的角焊縫連接計算,（3.10）,驗算強度,（3.6）,華北電力大學 鋼結構,直接法： 將公式（3.10）以及f1.22直接代入驗算公式（3.6）中可得：,（3.11）,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,承受軸心力的角鋼角焊縫計算,a兩面?zhèn)群?b三面圍焊 cL形圍焊,腹桿受軸心力作用，為了避免焊縫偏心受力，焊縫所傳遞的合力的作用線應與角鋼桿件的軸線重合,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,三面圍焊情況： 先假定正面角焊縫的焊腳尺寸hf

49、3，正面角焊縫所分擔的軸心力N3,（3.12）,（3.13）,（3.14）,式中：N1、N2肢背和肢尖側面角焊縫所分擔的軸力 e角鋼的形心距 K1、K2肢背和肢尖焊縫的內(nèi)力分配系數(shù),3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,角鋼角焊縫內(nèi)力分配系數(shù)K,設計時也可近似取K12/3，K2=1/3,華北電力大學 鋼結構,兩面?zhèn)群盖闆r： N3 0,（3.15）,（3.16）,（3.17）,（3.18）,華北電力大學 鋼結構,例3.2 試設計用拼接蓋板的對接連接。已知鋼板寬B=270mm，厚度t1=28mm，拼接蓋板厚度t2=16mm。該連接承受的靜態(tài)軸心力N=1400kN（設計值），鋼材為Q23

50、5-B，手工焊，焊條為E43型。,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,方法一：先假定焊腳尺寸求得焊縫長度,再由焊縫長度確定拼接蓋板的尺寸,方法二：先假定焊腳尺寸求得焊縫長度,再由焊縫長度確定拼接蓋板的尺寸,設計拼接蓋板的對接連接兩種方法：,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,解：角焊縫的焊腳尺寸hf應根據(jù)板件厚度確定：由于此處的焊縫在板件邊緣施焊，且拼接蓋板厚度t2=16mm6mm，t2t1，則：,取hf10mm，查附表1.2可得角焊縫強度設計值：ffw160N/mm2,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,(1)采用兩面?zhèn)群笗r：,連接一側四條焊縫總長度

51、，按式（3.8）有：,一條側焊縫實際長度：,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,當拼接板寬度較大時，采用菱形拼接板可減小角部的應力集中，從而使連接的工作性能得以改善。菱形拼接蓋板的連接焊縫由端縫、側縫和斜焊縫組成。 設計時，一般先假定拼接蓋板的尺寸再進行驗算。拼接蓋板尺寸如圖所示。,(1)采用菱形拼接蓋板時：,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,則各部分焊縫的承載力分別為：,華北電力大學 鋼結構,軸力Nx 剪力Ny 彎距 MNxe,承受彎距、軸心力、剪力聯(lián)合作用的角焊縫連接計算,A點應力最大，為控制點,彎矩、剪力、軸

52、力共同作用下的頂接連接角焊縫,3 角焊縫連接的構造和計算,華北電力大學 鋼結構,彎矩M作用下，x方向應力,（3.22）,剪力作用下，y方向應力,軸力N作用下，x方向應力,華北電力大學 鋼結構,M和N作用下的應力方向相同，可直接疊加，故A點垂直于焊縫長度方向的應力f為,（3.6）,華北電力大學 鋼結構,假設腹板焊縫承受全部剪力，彎矩則由全部焊縫承受,彎矩、剪力共同作用下工字梁角焊縫連接計算,彎曲應力沿梁高度呈三角形分布，最大應力發(fā)生在翼緣焊縫的最外纖維1處,為焊縫分布較合理，宜在每個翼緣的上下兩側均勻布置焊縫,華北電力大學 鋼結構,翼緣焊縫只承受垂直于焊縫長度方向的彎曲應力，翼緣焊縫最外纖維處的

53、應力滿足角焊縫的強度條件,（3.23）,華北電力大學 鋼結構,腹板焊縫承受彎曲應力和剪應力的聯(lián)合作用： 彎曲應力垂直于焊縫長度方向且沿梁高度呈三角形分布 剪應力平行于焊縫長度方向且沿焊縫截面均勻分布 設計控制點為翼緣焊縫與腹板焊縫2的交點處,華北電力大學 鋼結構,腹板焊縫2的端點應按下式驗算強度：,（3.6）,華北電力大學 鋼結構,方法二：假設腹板焊縫只承受剪力；翼緣焊縫承擔全部彎矩，并將彎矩M化為一對水平力H=M/h1 腹板焊縫2的端點應按下式驗算強度： 腹板焊縫的強度計算式為：,華北電力大學 鋼結構,例3.4 試驗算如圖所示牛腿與鋼柱連接角焊縫強度。鋼材為Q235，焊條為E43型，手工焊。

54、荷載設計值N=365kN，偏心距e350mm，焊腳尺寸hf18mm，hf26mm，圖b為焊縫有效截面。,華北電力大學 鋼結構,華北電力大學 鋼結構,豎向剪力VF 扭距TF（e1+e2）,承受扭矩剪力聯(lián)合作用三面圍焊角焊縫計算,按彈性理論假定： 被連接件是絕對剛性的，它有繞焊縫形心O旋轉的趨勢，而角焊縫本身是彈性的； 角焊縫群上任一點的應力方向垂直于該點與形心的連線，且應力大小與連線長度r成正比。,華北電力大學 鋼結構,扭矩T引起的剪應力T最大在A點和A點最大，A點和A點為設計控制點 扭距T作用下，A點（或A點）的應力T：,T沿x軸和y軸的分應力：,（3.25）,（3.26）,華北電力大學 鋼結

55、構,剪力V引起的剪應力V均勻分布 剪力V作用下，A點（或A點）的應力Vy：,A點垂直于焊縫長度方向的應力f：,A點沿焊縫長度方向的應力Tx A點合應力滿足的強度條件為：,（3.27）,華北電力大學 鋼結構,例3.6 如圖所示鋼板長度l1400mm，搭接長度l+x=400mm，鋼板厚t12mm，荷載設計值F200kN，荷載至柱邊距離e1540mm，鋼材為Q235，手工焊，焊條為E43型，試確定焊腳尺寸并驗算該焊縫的強度。,華北電力大學 鋼結構,解：焊縫組成的圍焊共同承受剪力V=F和扭距T=F（e1+x）的作用，設焊縫尺寸均為hf10mm,華北電力大學 鋼結構,華北電力大學 鋼結構,5 焊接應力和

56、焊接變形,一、焊接殘余應力的分類及其產(chǎn)生的原因 1、焊接殘余應力的分類 A、縱向焊接殘余應力沿焊縫長度方向; B、橫向焊接殘余應力垂直于焊縫長度方向; C、沿厚度方向的焊接殘余應力。 2、焊接殘余應力產(chǎn)生的原因 （1）縱向焊接殘余應力,華北電力大學 鋼結構,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，但受到兩側鋼材的限制而產(chǎn)生拉應力。對于低碳鋼和低合金鋼，該拉應力可以使鋼材達到屈服強度。焊接殘余應力是無荷載的內(nèi)應力，故在焊件

57、內(nèi)自相平衡，這必然在焊縫稍遠區(qū)產(chǎn)生壓應力。,5 焊接應力和焊接變形,華北電力大學 鋼結構,（2）橫向焊接殘余應力,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，阻止后焊焊縫的橫向膨脹，產(chǎn)生橫向塑性壓縮變形。焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應力，因應力自相平衡，更遠處焊縫則產(chǎn)生拉應力；應力分布與施焊方向有關。 以上兩種應力的組合即為橫向焊接殘余應力。,（3）沿厚度方向的焊接殘余應力,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，阻止后焊焊縫的膨脹

58、，產(chǎn)生塑性壓縮變形。焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應力，因應力自相平衡，更遠處焊縫則產(chǎn)生拉應力。因此，除了橫向和縱向焊接殘余應力x,y 外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應力z，這三種應力形成同號(受拉)三向應力，大大降低連接的塑性。,華北電力大學 鋼結構,約束狀態(tài)下的焊接應力,華北電力大學 鋼結構,焊接殘余應力的影響,對結構靜力強度的影響,華北電力大學 鋼結構,對結構剛度的影響,對壓桿穩(wěn)定的影響,華北電力大學 鋼結構,對低溫冷脆的影響,對疲勞強度的影響,華北電力大學 鋼結構,焊接殘余變形,殘余變形形式,華北電力大學 鋼結構,殘余變形形式,華北電力大學 鋼

59、結構,減小焊接殘余應力和焊接殘余變形的方法,采取合理的施焊次序,華北電力大學 鋼結構,施焊前加相反的預變形（圖a、b） 焊前預熱，焊后回火（圖c）,減小焊接殘余應力和焊接殘余變形的方法,華北電力大學 鋼結構,合理的焊縫設計,焊接位置要合理，布置應盡量對稱于截面重心 焊縫尺寸要適當，采用較小的焊腳尺寸 焊縫不宜過分集中（圖a） 應盡量避免三向焊縫交叉（圖b） 考慮鋼板分層問題（圖c） 焊條易達到（圖d） 避免仰焊,華北電力大學 鋼結構,螺栓由螺桿和螺母組成。,螺栓連接,螺栓,普通螺栓,高強螺栓,錨固螺栓,粗制螺栓,精制螺栓,摩擦型,承壓型,華北電力大學 鋼結構,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fu400N/mm2, 0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；類孔，孔