第一章緒論第一章緒論1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)不同材料形成的結(jié)構(gòu)有各自的特點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)(steelstructure)是由鋼板或型鋼制造而成的結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)如下：1.強(qiáng)度(strength)高與其他材料諸如木材、磚石、混凝土相比，鋼材的容重雖然大，但強(qiáng)度高很多。現(xiàn)舉例說(shuō)明，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）中，強(qiáng)度最低的鋼材為Q235，其抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215N/mm2，《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2002）中標(biāo)號(hào)最高的為C80，其抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為2.22N/mm2、35.9N/mm2,由此可見(jiàn)，前者抗拉強(qiáng)度為后者的97倍，而抗壓強(qiáng)度為6倍。因此，在相同的荷載和條件下，鋼結(jié)構(gòu)的重量輕。1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)不同材料形成的結(jié)構(gòu)有各自的特點(diǎn)。鋼結(jié)22.塑性(plasticity)、韌性(toughness)好由于鋼材的塑性好，一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)不會(huì)因偶然或局部超載而發(fā)生突然斷裂，而是以事先有較大變形為先兆。鋼材的韌性好，則使鋼結(jié)構(gòu)能很好地承受動(dòng)力荷載，這些性能均對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安全提供了可靠保證。鋼材的內(nèi)部組織均勻，非常接近于各向同性體，在使用應(yīng)力階段，鋼材為理想彈性工作，符合工程力學(xué)的基本假定。因此，鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況與力學(xué)計(jì)算結(jié)果吻合好，可根據(jù)力學(xué)原理建立鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法。3.材質(zhì)均勻2.塑性(plasticity)、韌性(toughness)3可焊性是鋼結(jié)構(gòu)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。由于鋼材的可焊性解決了鋼結(jié)構(gòu)的制作問(wèn)題，致使鋼結(jié)構(gòu)連接大為簡(jiǎn)化，可制造各種復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)。當(dāng)然焊接也將產(chǎn)生殘余應(yīng)力、殘余變形以及熱影響區(qū)脆性等問(wèn)題。5.工業(yè)化程度高鋼結(jié)構(gòu)采用的型鋼和鋼板，經(jīng)專(zhuān)業(yè)廠家制作為鋼構(gòu)件，然后運(yùn)至工地安裝。型鋼的大量采用再加上專(zhuān)業(yè)化的生產(chǎn)，故精度高、制作周期短。工地安裝廣泛采用螺栓連接，良好的裝配性使工期大為縮短。此外，已建鋼結(jié)構(gòu)也易于拆卸。4.可焊性(weldability)好可焊性是鋼結(jié)構(gòu)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。由于鋼材的可焊性解決了鋼結(jié)46.密閉性好鋼材本身組織致密，焊接的鋼結(jié)構(gòu)可以做到完全密閉，甚至鉚接或螺栓連接都可以做到。因此，可用于建造氣密性和水密性要求高的氣罐、油罐和高壓容器。7.耐腐蝕性差鋼材在濕度大和有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中容易銹蝕。因此，為確保鋼結(jié)構(gòu)的耐久性，必須采用油漆、鍍鋅等防護(hù)措施，故維護(hù)費(fèi)用較高。6.密閉性好鋼材本身組織致密，焊接的鋼結(jié)構(gòu)可以5鋼材當(dāng)輻射熱溫度低于150℃時(shí)，鋼材的主要性能變化很小。因此，其耐熱性能較好。當(dāng)溫度超過(guò)150℃時(shí)，材質(zhì)性能有所變化，需采取隔熱措施，當(dāng)溫度達(dá)到600℃左右，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)瞬間崩潰，完全喪失承載力。因此，耐火性能差，必須采取一定的防火措施。美國(guó)世貿(mào)大樓的坍塌充分

說(shuō)明了鋼結(jié)構(gòu)耐火性能差是一致命缺憾。8.耐熱不耐火鋼材當(dāng)輻射熱溫度低于150℃時(shí)，鋼材的主要性能變化很1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍站在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展前沿，可以說(shuō)世界上沒(méi)有不能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，只有不合理的結(jié)構(gòu)。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，結(jié)合我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域合理的應(yīng)用范圍大致如下：1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍站在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展前沿1.工業(yè)廠房(industrialfactorybuilding)工業(yè)廠房可分為輕型、中型和重型工業(yè)廠房，主要根據(jù)是否設(shè)置吊車(chē)以及吊車(chē)噸位的大小和運(yùn)行頻繁程度而定。例如，煉鋼車(chē)間、鍛壓車(chē)間等。近年來(lái)，輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房中的應(yīng)用十分普遍。2.大跨結(jié)構(gòu)(largespanstructure)大跨結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、自重輕的優(yōu)點(diǎn)。比如，體育館、會(huì)展中心、飛機(jī)庫(kù)、劇場(chǎng)等。尤其在懸索橋、斜拉橋等橋梁工程中的應(yīng)用。1.工業(yè)廠房(industrialfactorybuil83.高層結(jié)構(gòu)(high-risestructure)高層結(jié)構(gòu)，尤其是超高層結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，塑性、韌性好，抗震性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。例如，辦公樓、賓館、住宅等。近年來(lái)，隨著我國(guó)鋼產(chǎn)量的逐年增加，鋼結(jié)構(gòu)在多層、高層、超高層建筑中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。4.高聳結(jié)構(gòu)(toweringstructure)高聳結(jié)構(gòu)主要包括塔架和桅桿結(jié)構(gòu)。如電視塔、輸電線塔、鉆井塔、環(huán)境大氣監(jiān)測(cè)塔、廣播發(fā)射桅桿等。3.高層結(jié)構(gòu)(high-risestructure)95.容器、貯罐、管道如大型油庫(kù)、油罐、氣罐、煤氣庫(kù)、輸油管等。6.可拆卸或移動(dòng)的結(jié)構(gòu)如建筑工地的活動(dòng)房，臨時(shí)的商業(yè)或旅游業(yè)建筑，塔式起重機(jī)，龍門(mén)吊等。此類(lèi)結(jié)構(gòu)多為輕鋼結(jié)構(gòu)并采用螺栓或扣件連接。7.其他構(gòu)筑物如高爐、運(yùn)輸通廊、棧橋、管道支架等。5.容器、貯罐、管道如大型油庫(kù)、油罐、氣罐、煤氣庫(kù)、輸油101.3鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的一般原則是“技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保質(zhì)量”。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法可分為容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法兩種。分述如下：

1.3鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的一般原則一容許應(yīng)力法(allowablestressmethod)“容許應(yīng)力法”也稱(chēng)為“安全系數(shù)法”或“定值法”。即將影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的諸因素取為定值，采用一個(gè)憑經(jīng)驗(yàn)選定的安全系數(shù)來(lái)考慮設(shè)計(jì)諸因素變異的影響，以衡量結(jié)構(gòu)的安全度。其表達(dá)式為：(1-1)一容許應(yīng)力法(allowablestressmeth

容許應(yīng)力法，作為一種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法計(jì)算簡(jiǎn)便，目前許多國(guó)家在不同的規(guī)范中仍在采用。但此設(shè)計(jì)方法采用定值的安全系數(shù)考慮不確定諸因素的影響不科學(xué)，不能定量度量結(jié)構(gòu)的可靠度，而且給人一種誤導(dǎo)，只要有安全系數(shù)結(jié)構(gòu)就百分之百可靠。目前，我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）中，只有結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接的疲勞強(qiáng)度計(jì)算采用此方法。式中：

—由標(biāo)準(zhǔn)荷載與構(gòu)件截面尺寸所計(jì)算的應(yīng)力；

—容許應(yīng)力

=—材料的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，對(duì)于鋼材為屈服點(diǎn)；

—安全系數(shù)。

容許應(yīng)力法，作為一種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法計(jì)算簡(jiǎn)便，目前許13二極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法(limit-statedesignmethod)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法問(wèn)世于20世紀(jì)50年代。它將變異性的設(shè)計(jì)參數(shù)采用概率分析引入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。根據(jù)應(yīng)用概率分析的程度分為三種水準(zhǔn)。即半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法、近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法和全概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。目前，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法采用的是近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，有時(shí)也稱(chēng)為概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。1.可靠性(reliability)定義按照概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，結(jié)構(gòu)可靠度定義為：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。是結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性的總稱(chēng)。二極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法(limit-statedesign142.極限狀態(tài)(limitstate)定義及分類(lèi)當(dāng)結(jié)構(gòu)或其組成部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，此特定狀態(tài)就稱(chēng)為該功能的極限狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可分為兩類(lèi)：(1)承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形時(shí)的極限狀態(tài)，它包括強(qiáng)度、穩(wěn)定和疲勞等計(jì)算。2.極限狀態(tài)(limitstate)定義及分類(lèi)15結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用的某項(xiàng)規(guī)定極限值時(shí)的極限狀態(tài)。包括靜載下的過(guò)大變形、動(dòng)載下的劇烈振動(dòng)及耐久性問(wèn)題。結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)來(lái)描述，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮影響結(jié)構(gòu)可靠性的隨機(jī)變量有n個(gè)，即x1,x2,…,xn,則在n個(gè)隨機(jī)變量間通常可建立函數(shù)關(guān)系，若僅考慮R,S兩個(gè)參數(shù)，則結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)為：Z=(R,S)=R-S(1-2)3.結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)(2)正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用的某項(xiàng)規(guī)定極限值時(shí)的極限狀16式中：R—結(jié)構(gòu)的抗力；

S—荷載效應(yīng)。

實(shí)際工程中，隨著條件的不同，Z有三種可能性：

當(dāng)Z﹥0結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；

當(dāng)Z=0結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界狀態(tài)，即極限狀態(tài)；

當(dāng)Z﹤0結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)的可靠度及失效概率為：

結(jié)構(gòu)的可靠度：Ps=P(Z≥0)(1-3)

結(jié)構(gòu)的失效概率：Pf=P(Z≤0)(1-4)

兩者關(guān)系：Ps+Pf=1(1-5)式中：R—結(jié)構(gòu)的抗力；

S—荷載效應(yīng)。

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4.設(shè)計(jì)方法表達(dá)式

現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）中除疲勞計(jì)算外，都采用廣大設(shè)計(jì)人員熟悉的分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式表示以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。(1)對(duì)于承載能力極限狀態(tài)，應(yīng)按荷載效應(yīng)的基本組合或偶然組合進(jìn)行荷載組合，基本組合按下列設(shè)計(jì)表達(dá)式中最不利值確定4.設(shè)計(jì)方法表達(dá)式現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB5018(i)由可變荷載效應(yīng)控制的組合：式中：—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；—永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)；—第個(gè)可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)，其中為可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)；—按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)值；—按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)值，其中為諸可變荷載效應(yīng)中起

≤

(ii)由永久荷載效應(yīng)控制的組合：≤

(1-6)

(1-7)(i)由可變荷載效應(yīng)控制的組合：式中：≤(ii)由永久荷載19控制作用者；

—可變荷載的組合值系數(shù)；

—參與組合的可變荷載數(shù)；

—鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。，為鋼材屈服點(diǎn)，為抗力分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)于Q235鋼：1.087；對(duì)于Q345、Q390和Q420鋼：=1.111。但對(duì)于端面承壓和連接，則，其中為極限強(qiáng)度，=1.538(2)對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，應(yīng)據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合或準(zhǔn)永久組合。鋼結(jié)構(gòu)通常只考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合，其設(shè)計(jì)式為：≤（1-9）控制作用者；

—可變荷載的組合值系數(shù)；

—參與組合的可變荷載20式中：

—永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；

—超控制作用的第一個(gè)可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；

—其他第個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；

—結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的容許應(yīng)力值。式中：

—永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；211.4鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的歷程。從古至今，煉鐵、煉鋼以及每一項(xiàng)新技術(shù)的問(wèn)世都極大地推動(dòng)了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。我國(guó)的歷史最為悠久，是最早用鐵建造結(jié)構(gòu)的國(guó)家。其中以鐵鏈橋及鐵塔為典型代表。建于公元58～75年的蘭津橋（圖1.1）是最早的一座鐵鏈橋，比歐洲最早的鐵鏈橋早70余年；建于1706年的四川滬定大渡河橋（圖1.2），凈跨100m，寬2.8m，由13根鐵鏈組成，每根約1.6t，鐵鏈錨固于直徑20cm,長(zhǎng)4m的鑄鐵錨樁上，該座橋比英國(guó)用鑄鐵建造的歐洲第一座跨度31m的拱橋早83年，比美洲第一座跨度為21.3m的鐵鏈橋早105年。1.4鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的鐵塔作為古代的一種宗教建筑，如建于967年的廣州光孝寺東鐵塔，共7層，塔身高6.35m；建于1061年的湖北荊州玉泉寺鐵塔（圖1.3），共17層，塔身高17.9m；山東濟(jì)寧鐵塔寺鐵塔；江蘇鎮(zhèn)江甘露寺鐵塔等，均以獨(dú)特的建筑造型和超凡的冶金技術(shù)，展示了我國(guó)勞動(dòng)人民的聰明智慧和我國(guó)古代金屬結(jié)構(gòu)的輝煌成就！鐵塔作為古代的一種宗教建筑，如建于967年的廣州光孝寺東圖1.1蘭津橋圖1.2滬定大渡河橋圖1.3玉泉寺鐵塔圖1.1蘭津橋圖1.2滬定大渡河橋圖1.3玉泉2418世紀(jì)末工業(yè)革命在歐洲興起，冶金技術(shù)的發(fā)展使鋼結(jié)構(gòu)在歐美的應(yīng)用快速增長(zhǎng)。18世紀(jì)80年代熟鐵型材問(wèn)世，19世紀(jì)30年代采用軋制方法制造鐵軌，19世紀(jì)20～30年代鉚釘連接技術(shù)導(dǎo)致鉚接熟鐵結(jié)構(gòu)的誕生。如1889年采用熟鐵建成的高度321m的巴黎埃菲爾（Eiffel）鐵塔（圖1.4）。18世紀(jì)末工業(yè)革命在歐洲興起，冶金技術(shù)的發(fā)展使鋼結(jié)構(gòu)1856年和1867年相繼發(fā)明轉(zhuǎn)爐和平爐冶煉工藝，軟鋼時(shí)代到來(lái)。從19世紀(jì)60年代和70年代起才有了全鋼制造的橋梁，如建于1847年的跨越美國(guó)密西西比河的圣路易斯拱橋，中間跨158.5m，兩邊跨各為153m。19世紀(jì)后半葉焊縫連接出現(xiàn)，20世紀(jì)20年代起在工程結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)30年代末到50年代初，高強(qiáng)螺栓連接開(kāi)始應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)工程，促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。1856年和1867年相繼發(fā)明轉(zhuǎn)爐和平爐冶煉工藝，軟鋼時(shí)圖1.4埃菲爾鐵塔圖1.5西爾斯大廈圖1.4埃菲爾鐵塔圖1.5西爾斯大廈27自20世紀(jì)70年代起國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的高峰期到來(lái)。代表性建筑有1974年建成的110層，高443m的美國(guó)芝加哥西爾斯（Sears）大廈（圖1.5）；1974年建成的5層纖繩，高645m的波蘭華沙長(zhǎng)波用桅桿；1973年建成的高392m的蘇聯(lián)基輔自立式電視塔；1975年建成的直徑207m的美國(guó)新奧爾良超級(jí)穹頂；80年代初建成的跨度218m的新加波章宜機(jī)場(chǎng)飛機(jī)庫(kù)；1981年建成的主跨1410m的英國(guó)亨伯（Humber）吊橋；自20世紀(jì)70年代起國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的高峰期到來(lái)。代表1998年4月建成通車(chē)的中央跨長(zhǎng)1991m的日本明石海峽吊橋（圖1.6），實(shí)現(xiàn)了超大跨度的飛躍。1996年建成的地上88層、450m高的馬來(lái)西亞吉隆坡石油大廈（圖1.7）；于1998年動(dòng)工、2004年12月正式開(kāi)放的地下5層，地上101層508m高的臺(tái)北101大廈（圖1.8），被視為世界新“地標(biāo)”，在高度方面向極限沖刺。鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)入目前最高境界！1998年4月建成通車(chē)的中央跨長(zhǎng)1991m的日本明石海峽圖1.6日本明石海峽吊橋圖1.6日本明石海峽吊橋30圖1.7石油大廈阿聯(lián)酋七星級(jí)酒店圖1.7石油大廈31圖1.8臺(tái)北101大廈圖1.8臺(tái)北101大廈32圖1.9倫敦子彈頭圖1.10瑞典190米陀螺型奇異建筑圖1.9倫敦子彈頭圖1.10瑞典190米陀螺型奇異建33中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展雖有輝煌的歷史，但在半封建半殖民地的百年歷史中落后了。1949年新中國(guó)成立后，由于鋼產(chǎn)量的限制，鋼結(jié)構(gòu)雖有發(fā)展，但數(shù)量少、規(guī)模小，僅在重型廠房、大跨度公共建筑以及塔桅結(jié)構(gòu)中采用。鞍山、武漢、包頭等鋼廠的煉鋼、軋鋼及連鑄車(chē)間均采用了鋼結(jié)構(gòu)，中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展雖有輝煌的歷史，但在半封建半殖民地的在公共建筑方面代表作有1962年建成的北京工人體育館采用圓形雙層輻射式懸索結(jié)構(gòu)，直徑94m；1967年建成的浙江體育館采用雙曲拋物面正交索網(wǎng)的懸索結(jié)構(gòu)，橢圓平面，80×60m；1975年建成的上海體育館，跨度110m的三向平板網(wǎng)架；1977年建成的北京環(huán)境氣象塔為高達(dá)325m的5層纖繩三角形桿身的鋼桅桿結(jié)構(gòu)。在公共建筑方面代表作有1962年建成的北京工人體育館采用在橋梁方面代表作有：1957年建成的武漢長(zhǎng)江大橋；1968年建成的南京長(zhǎng)江大橋等。1978年以后，我國(guó)改革開(kāi)放政策實(shí)施，鋼結(jié)構(gòu)得到了前所未有的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域得以拓展。比如，1994年建成的天津新體育館，采用圓形平面球面雙層網(wǎng)殼，直徑108m；1996年建成的嘉興電廠干煤柵，采用矩形平面三心圓柱面雙層網(wǎng)殼，跨度為103.5m；1997年建成的上海體育館馬鞍山環(huán)形大懸挑空間鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，最大懸挑長(zhǎng)度78m；在橋梁方面代表作有：1957年建成的武漢長(zhǎng)江大橋；12000年建成的上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓張弦梁屋蓋鋼結(jié)構(gòu)，張弦梁屋架最大跨度為80m。正建的中國(guó)國(guó)家大劇院（圖1.9）的鋼結(jié)構(gòu)東西跨度212.24m，南北跨度143.64m，高度46.285m，蛋殼面積3.5萬(wàn)米2;正建的2008奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館鳥(niǎo)巢（圖1.10）等。這些建筑的建成標(biāo)志我國(guó)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)已迅速接近國(guó)際先進(jìn)水平。2000年建成的上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓張弦梁屋蓋鋼結(jié)構(gòu)，圖1.12中國(guó)國(guó)家大劇院圖1.112008奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館鳥(niǎo)巢圖1.12中國(guó)國(guó)家大劇院圖1.112008奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)38另外，高層及超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑在北京、上海、深圳等地拔地而起，以地下3層，地上88層，420.5m的上海金貿(mào)大廈（圖1.11）為代表，標(biāo)志著我國(guó)超高層鋼結(jié)構(gòu)已進(jìn)入世界前列！圖1.13上海金貿(mào)大廈另外，高層及超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑在北京、上海、深圳等地拔地而起，39綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)作為一種綜合性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)，既有輝煌的歷史，更有美好的未來(lái)。我國(guó)自1996年鋼產(chǎn)量首次突破1億噸大關(guān)居世界第一至今，以1997年建設(shè)部頒發(fā)的《中國(guó)建筑技術(shù)政策》（1996～2010）為代表，國(guó)家推出一系列政策推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。可以預(yù)言:21世紀(jì)是鋼結(jié)構(gòu)的世紀(jì)！中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)飛速發(fā)展的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)！綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)作為一種綜合性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)，既有輝煌圖1.14東京千年塔日本東京千年塔(MillenniumTower)高約840米，外觀呈現(xiàn)圓錐形，約170層樓，可用于商業(yè)和居住。千年塔可以容納6萬(wàn)人。圖1.14東京千年塔日本東京千年塔(Millenni終極塔樓高(UltimaTower)2英里，約合3218.7m。其基座直徑約1830米，大約500層樓,容納約100萬(wàn)人口。超群大廈(BionicTower)約合1200米、有300層樓，容納約10萬(wàn)人造價(jià)是150億美元。福斯特建筑事務(wù)所的水晶島(CrystalIsland)項(xiàng)目高1500英尺(約合457米)，可供3萬(wàn)人居住。東京清水TRY2004巨城金字塔的高度是埃及吉薩大金字塔的12倍。埃及吉薩大金字塔高6574英尺(約合2003米)，可容納75萬(wàn)人。X-Seed4000摩天巨塔樓高13,123英尺(約合4000米)，造價(jià)1萬(wàn)億美元，形似帳篷由巨柱支撐，每根柱子都可以住人。X-Seed4000摩天巨塔共有800個(gè)樓層，可以讓50萬(wàn)至100萬(wàn)人在此安居樂(lè)業(yè)。空中之城1000(SkyCity1000)是一座約1000米高的城市，可容納常駐居民3.6萬(wàn)，工人10萬(wàn)。終極塔樓高(UltimaTower)2英里，約合3218.圖1.15舊金山終極塔樓圖1.15舊金山終極塔樓圖1.16超群大廈

圖1.16超群大廈圖1.17莫斯科水晶島

圖1.17莫斯科水晶島圖1.18東京清水TRY2004巨城金字塔

圖1.18東京清水TRY2004巨城金字塔圖1.19東京X-Seed4000圖1.19東京X-Seed4000圖1.20東京空中之城1000圖1.20東京空中之城1000

圖1.21世界超高層建筑圖譜圖1.21世界超高層建筑圖

圖1.22世界超高層建筑圖譜圖1.22世界超高層建筑圖

圖1.23中國(guó)超高層建筑圖譜圖1.23中國(guó)超高層建筑圖第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料第一節(jié)建筑結(jié)構(gòu)用鋼的基本要求第二節(jié)鋼材的破壞形式第三節(jié)鋼材的主要機(jī)械性能第四節(jié)影響鋼材性能的主要因素第五節(jié)復(fù)雜應(yīng)力作用下的屈服條件第六節(jié)鋼材的疲勞和疲勞計(jì)算第七節(jié)建筑結(jié)構(gòu)用鋼的種類(lèi)及選擇第一節(jié)建筑結(jié)構(gòu)用鋼的基本要求第一節(jié)建筑結(jié)構(gòu)用鋼的基本要求鋼材種類(lèi)繁多，規(guī)格、用途也不相同，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)用鋼來(lái)說(shuō)，主要有三方面的要求。1、較高的強(qiáng)度：結(jié)構(gòu)的承載力大，所需的截面小，結(jié)構(gòu)的自重輕；2、較好的塑性及韌性：塑性好，不易發(fā)生脆性破壞；韌性好，利于承受動(dòng)力荷載；3、良好的加工性能與耐久性：包括可焊性、冷彎性能以及耐腐性能；據(jù)上要求,《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003推薦承重結(jié)構(gòu)用鋼宜采用：炭素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼及低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼中的Q345、Q390和Q420鋼四種鋼材。第一節(jié)建筑結(jié)構(gòu)用鋼的基本要求鋼材種類(lèi)繁多，54第二節(jié)

鋼材的破壞形式

兩種破壞形式：１塑性破壞：由于變形過(guò)大，超過(guò)了材料或構(gòu)件可能的應(yīng)變能力而產(chǎn)生的，而且僅在構(gòu)件的應(yīng)力達(dá)到了鋼材的抗拉強(qiáng)度f(wàn)u后才發(fā)生的。2脆性破壞:脆性破壞前塑性變形很小，甚至沒(méi)有塑性變形，計(jì)算應(yīng)力可能小于鋼材的屈服點(diǎn)fy，斷裂從應(yīng)力集中處開(kāi)始。破壞前沒(méi)有任何預(yù)兆，破壞是突然發(fā)生的。第二節(jié)鋼材的破壞形式55第三節(jié)鋼材的主要機(jī)械性能

一、單向拉伸試驗(yàn)曲線

根據(jù)鋼材單向拉伸性能曲線，工程應(yīng)用中，鋼材的性能按理想彈塑性體考慮，fy定為鋼材拉、壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。第三節(jié)鋼材的主要機(jī)械性能

一、單向拉伸試驗(yàn)曲線

根56二、鋼材的主要機(jī)械性能強(qiáng)度：fy強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)計(jì)依據(jù)；fu鋼材的最大承載強(qiáng)度，安全儲(chǔ)備。塑性－δ5（δ10），鋼材產(chǎn)生塑變時(shí)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(biāo)。冷彎性能－90o、180o，在冷加工過(guò)程中產(chǎn)生塑性變形時(shí)，對(duì)產(chǎn)生裂紋的敏感性，是判別鋼材塑性及冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)。韌性－沖擊韌性αk，鋼材在一定溫度下塑變及斷裂過(guò)程中吸收能量的能力，用于表征鋼材承受動(dòng)力荷載的能力（動(dòng)力指標(biāo)），按常溫（20o）、零溫（0o）、負(fù)溫（-20o、-40o）區(qū)分。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(guān)要求。二、鋼材的主要機(jī)械性能57第四節(jié)影響鋼材性能的主要因素1、化學(xué)成份2、冶金及軋制3、冷作硬化與時(shí)效硬化4、復(fù)雜應(yīng)力與應(yīng)力集中5、殘余應(yīng)力6、溫度第四節(jié)影響鋼材性能的主要因素581、化學(xué)成份的影響

基本成份為Fe，炭鋼中含量占99％，C、Si、Mn為雜質(zhì)元素，S、P、N、O為冶煉過(guò)程中不易除盡的有害元素。C：含C↑使強(qiáng)度↑塑性、韌性、可焊性↓，應(yīng)控制在≤0.22%，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)控制在≤0.20%。Si：含Si適量使強(qiáng)度↑其它影響不大，有益，應(yīng)控制≤0.1~0.3%Mn：含Si適量使強(qiáng)度↑降低S、O的熱脆影響，改善熱加工性能，對(duì)其它性能影響不大，有益。S：含量↑使強(qiáng)度↑塑性、韌性、性能冷彎、可焊性↓；高溫時(shí)使鋼材變脆－熱脆現(xiàn)象。P：低溫時(shí)使鋼材變脆－冷脆現(xiàn)象；其它同SO、N：O同S；N同P，控制含量≤0.008%1、化學(xué)成份的影響592、冶金與軋制的影響冶金的影響主要為脫氧方法：沸騰鋼用Mn為脫氧劑，時(shí)間快，價(jià)格低，質(zhì)量差；鎮(zhèn)靜鋼用Si為脫氧劑，時(shí)間慢，價(jià)格高，質(zhì)量好。反復(fù)的軋制可以改善鋼材的塑性，同時(shí)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(shí)，晶粒細(xì)化，消除纖維組織缺陷，使鋼材的力學(xué)性能提高。3、冷作硬化與時(shí)效硬化由于某種因素的影響而使鋼材強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降，增加脆性的現(xiàn)象稱(chēng)之為硬化現(xiàn)象。冷加工時(shí)（常溫進(jìn)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(chēng)之為冷作硬化。鋼材中的C、N，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)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(chēng)之為時(shí)效硬化。2、冶金與軋制的影響604、復(fù)雜應(yīng)力與應(yīng)力集中的影響鋼材在多向同號(hào)應(yīng)力場(chǎng)作用下，一向的變形受到另一向的限制，而使鋼材強(qiáng)度增加，塑性、韌性下降，異號(hào)應(yīng)力場(chǎng)時(shí)則相反。鋼構(gòu)件由于截面的改變以及孔洞、凹槽、裂紋等原因而使構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中實(shí)際為：局部應(yīng)力增大并多為同號(hào)應(yīng)力場(chǎng)。5、殘余應(yīng)力的影響鋼材在軋制、焊接、切割等過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生在構(gòu)件內(nèi)部自相平衡的內(nèi)力（P26,圖2.10）,殘余應(yīng)力雖對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度無(wú)影響，但對(duì)構(gòu)件的變形（剛度）、疲勞以及穩(wěn)定承載力產(chǎn)生不利影響（后續(xù)章節(jié)中將詳細(xì)介紹）。4、復(fù)雜應(yīng)力與應(yīng)力集中的影響616、溫度的影響

溫度的影響，一般可分正溫與負(fù)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(qiáng)度降低，塑性、韌性提高，這一現(xiàn)象稱(chēng)之為熱塑現(xiàn)象，溫度達(dá)600o左右時(shí)，鋼材的強(qiáng)度幾乎降至為零，而塑性、韌性極大，易于進(jìn)行熱加工，此溫度稱(chēng)之為熱煅溫度。需要說(shuō)明：鋼材在300o左右時(shí)，強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降，鋼材表面呈藍(lán)色，這一反覆現(xiàn)象稱(chēng)之為藍(lán)脆現(xiàn)象。鋼材在300o以上時(shí)應(yīng)采取隔熱措施。負(fù)溫影響（P27，圖2.12）隨著溫度的降低鋼材的強(qiáng)度提高，塑性、韌性降低，脆性增大，稱(chēng)之為低溫冷脆，當(dāng)溫度降至某一特定溫度時(shí)鋼材的脆性急劇增大，稱(chēng)此溫度點(diǎn)為轉(zhuǎn)脆溫度。6、溫度的影響62第五節(jié)復(fù)雜應(yīng)力作用下的屈服條件在單向拉力試驗(yàn)中，單向應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，鋼材即進(jìn)入塑性狀態(tài)。在復(fù)雜應(yīng)力作用下，鋼材由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)的條件是按能量強(qiáng)度理論計(jì)算的折算應(yīng)力與單相應(yīng)力下的屈服點(diǎn)相比較來(lái)判斷：

當(dāng)時(shí)為彈性狀態(tài)；時(shí)為塑性狀態(tài)。如三向應(yīng)力有一向應(yīng)力很小（如厚度較小，厚度方向的應(yīng)力可忽略不計(jì)）或?yàn)榱銜r(shí)，則屬于平面應(yīng)力狀態(tài)，上式成為

第五節(jié)復(fù)雜應(yīng)力作用下的屈服條件在單向拉力試驗(yàn)中，63

在一般的梁中，只存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力，則：當(dāng)只有剪應(yīng)力時(shí)，則：

由此得：

因此，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范確定鋼材抗剪強(qiáng)度為抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度的0.58倍。當(dāng)平面或立體應(yīng)力皆為拉應(yīng)力時(shí)，材料破壞時(shí)沒(méi)有明顯的塑性變形產(chǎn)生，即材料處于脆性狀態(tài)。在一般的梁中，只存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力，則64第六節(jié)鋼材的疲勞和疲勞計(jì)算1疲勞破壞：鋼材在循環(huán)應(yīng)力多次反復(fù)作用下裂紋生成，擴(kuò)展以至斷裂破壞的現(xiàn)象稱(chēng)為鋼材的疲勞或疲勞破壞。疲勞破壞屬于脆性破壞。2疲勞計(jì)算類(lèi)別及參數(shù)取值：

﹙1﹚應(yīng)力譜循環(huán)荷載在鋼材內(nèi)應(yīng)起的反復(fù)循環(huán)應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線即為應(yīng)力譜

﹙2﹚應(yīng)力幅試驗(yàn)與分析證明應(yīng)力幅相同的情況下，最大最小應(yīng)力無(wú)論是較高或較低，以及應(yīng)力比是較大或較小，對(duì)疲勞強(qiáng)度基本不起作用。第六節(jié)鋼材的疲勞和疲勞計(jì)算1疲勞破壞：鋼材在循環(huán)應(yīng)力多次65

﹙3﹚疲勞計(jì)算類(lèi)別：不同類(lèi)別鋼構(gòu)件或連接的疲勞強(qiáng)度各不相同。按其疲勞性能的高低歸并為八個(gè)疲勞計(jì)算類(lèi)別，并對(duì)每個(gè)類(lèi)別規(guī)定了相應(yīng)的參數(shù)取值。其中一類(lèi)疲勞性能最好，八類(lèi)最差。需要指出，疲勞破壞應(yīng)力幅或疲勞允許應(yīng)力幅主要取決于應(yīng)力循環(huán)次數(shù)以及構(gòu)件或連接的具體構(gòu)造細(xì)節(jié)和應(yīng)力集中程度.3疲勞曲線：對(duì)于不同的構(gòu)件和連接用不同的應(yīng)力幅在疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行常幅循環(huán)應(yīng)力試驗(yàn)可得試件發(fā)生疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n，將足夠多的試驗(yàn)點(diǎn)連接起來(lái)，便得到曲線，即疲勞曲線。4鋼構(gòu)件和連接的疲勞計(jì)算:規(guī)范規(guī)定當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)大于等于十萬(wàn)次（n≧）時(shí)，應(yīng)對(duì)應(yīng)力循環(huán)中出現(xiàn)的拉應(yīng)力的部位進(jìn)行疲勞計(jì)算，對(duì)不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位一般不計(jì)算疲勞，計(jì)算疲勞時(shí)，不乘分項(xiàng)系數(shù)，也不乘動(dòng)力系數(shù)，按彈性方法計(jì)算其應(yīng)力。﹙3﹚疲勞計(jì)算類(lèi)別：不同類(lèi)別鋼構(gòu)件或連接的疲勞665常幅疲勞的容許應(yīng)力幅：

實(shí)際上試驗(yàn)數(shù)據(jù)是分布在實(shí)線兩側(cè)有一定寬度的分布帶，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定容許應(yīng)力幅取分散帶的下限，即平行于實(shí)線但偏左k倍的標(biāo)準(zhǔn)差的疲勞屈線。試驗(yàn)表明，常幅疲勞的容許應(yīng)力幅與循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系，采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)時(shí)，大體是一多為-1/的直線。

式中c,-系數(shù)，按疲勞計(jì)算類(lèi)別查表n-應(yīng)力循環(huán)系數(shù)5常幅疲勞的容許應(yīng)力幅：676常幅疲勞計(jì)算:

焊接部位

非焊接部位

拉應(yīng)力時(shí)取正號(hào)，壓應(yīng)力時(shí)取正號(hào)7變幅疲勞計(jì)算：當(dāng)疲勞應(yīng)力幅變化時(shí)，按照線性疲勞累積損傷原則，將隨機(jī)變化的應(yīng)力幅折算成等效常應(yīng)力幅，然后按常應(yīng)力幅疲勞計(jì)算：6常幅疲勞計(jì)算:68式中：-以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命-預(yù)期壽命內(nèi)相應(yīng)力幅的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)8吊車(chē)梁的變幅計(jì)算：吊車(chē)梁引起變幅的荷載主要是吊車(chē)荷載，疲勞計(jì)算時(shí)通常以經(jīng)常發(fā)生的一臺(tái)吊車(chē)標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算應(yīng)力幅，規(guī)范規(guī)定的計(jì)算公式為：

-次數(shù)效應(yīng)系數(shù)。對(duì)重級(jí)工作制硬鉤吊車(chē);重級(jí)工作制軟鉤吊車(chē)；中級(jí)工作制吊車(chē)式中：-以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命69第七節(jié)建筑結(jié)構(gòu)用鋼的種類(lèi)與選擇

一、鋼材的牌號(hào)表示方法及結(jié)構(gòu)用鋼的種類(lèi)

鋼材牌號(hào)由：“Q、屈服點(diǎn)值、質(zhì)量等級(jí)、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(qiáng)度”；質(zhì)量等級(jí)：分A~E五級(jí)（字序越高質(zhì)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：炭素結(jié)構(gòu)鋼分：A、B、C、D四級(jí)，含所有脫氧方法；低合金結(jié)構(gòu)鋼分：A、B、C、D、E五級(jí)，只有鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。如前所述建筑結(jié)構(gòu)用鋼，宜選炭素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235及低合金鋼中的Q345、Q390、Q420四種鋼材。第七節(jié)建筑結(jié)構(gòu)用鋼的種類(lèi)與選擇

一、鋼材的牌號(hào)表示方70二、建筑結(jié)構(gòu)用鋼的選擇鋼材的質(zhì)量和性能，由鋼材力學(xué)性能中的抗拉強(qiáng)度f(wàn)u、屈服強(qiáng)度f(wàn)y、伸長(zhǎng)率δ5（δ10）、冷彎180o及沖擊韌性αk，化學(xué)成分C、S、P等的極限含量，以及冶煉脫氧方法來(lái)衡量。選材時(shí)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載性質(zhì)（靜、動(dòng)）、連接方法、結(jié)構(gòu)所處的溫度和環(huán)境、鋼材的厚度等因素來(lái)綜合考慮以選擇適宜鋼材。一般承重結(jié)構(gòu)應(yīng)有fu、fy、δ5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(jié)構(gòu)還應(yīng)具備冷彎180o合格保證（C≤0.2%）；承受動(dòng)力荷載需要驗(yàn)算結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度時(shí),還應(yīng)根據(jù)具體情況增加對(duì)αk的不同要求。二、建筑結(jié)構(gòu)用鋼的選擇鋼材的質(zhì)量和性能，由鋼材力學(xué)性能中的抗713鋼材的規(guī)格鋼結(jié)構(gòu)采用的鋼材有鋼板、型鋼以及冷彎成型的薄壁型鋼。（1）鋼板有厚鋼板（厚度4～60㎜）和薄鋼板（厚度為0.35～4㎜）扁鋼（厚度為4～60㎜）（2）型鋼常用的型鋼有角鋼、工字鋼、槽鋼和鋼管。普通型鋼是由鋼材熱軋而成，型鋼截面形式合理，材料在截面上分布對(duì)受力最為有利。由于其形狀較為簡(jiǎn)單種類(lèi)和尺寸分級(jí)較少，所以便于軋制，而且構(gòu)件間相互連接也比較方便，因此型鋼是鋼結(jié)構(gòu)中采用的主要鋼材。（3）薄壁型鋼是用薄鋼板，經(jīng)模壓或彎曲而制成，其截面形式及尺寸可按合理方案設(shè)計(jì)，能充分利用鋼材的強(qiáng)度節(jié)約鋼材，所以已在我國(guó)逐步推管使用。3鋼材的規(guī)格72第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接第三章一、焊縫連接

§3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接方法及其特點(diǎn)對(duì)接焊縫連接優(yōu)點(diǎn)：不削弱截面，方便施工，連接剛度大；缺點(diǎn)：材質(zhì)易脆，存在殘余應(yīng)力，對(duì)裂紋敏感。

角焊縫連接一、焊縫連接§3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接方法及其特點(diǎn)對(duì)接焊74三、螺栓連接

優(yōu)點(diǎn)：連接剛度大，傳力可靠；

分為：

普通螺栓連接高強(qiáng)度螺栓連接二、鉚釘連接缺點(diǎn)：對(duì)施工技術(shù)要求很高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工條件差，施工速度慢。三、螺栓連接優(yōu)點(diǎn)：連接剛度大，傳力可靠；分75一、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

焊接方法和焊縫連接形式

焊機(jī)導(dǎo)線熔池焊條焊鉗保護(hù)氣體焊件電弧一、鋼結(jié)構(gòu)常用焊接方法1.手工電弧焊A、焊條的選擇：原理：利76Q390、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(qiáng)度（kgf/mm2)第3、4適用焊接位置、電流及藥皮的類(lèi)型。不同鋼種的鋼材焊接，宜采用與低強(qiáng)度鋼材相適應(yīng)的焊條。缺點(diǎn)：質(zhì)量波動(dòng)大，要求焊工等級(jí)高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)Q390、Q420鋼選擇E55型焊條(E5500--5518772.埋弧焊（自動(dòng)或半自動(dòng)）、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、焊絲轉(zhuǎn)盤(pán)送絲器焊劑漏斗焊劑熔渣焊件埋弧自動(dòng)焊2.埋弧焊（自動(dòng)或半自動(dòng)）、、、、、、、、、、、、、、、、、78A、焊絲的選擇應(yīng)與焊件等強(qiáng)度。B、優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)化程度高，焊接速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低，焊接質(zhì)量好。缺點(diǎn)：設(shè)備投資大，施工位置受限等。送絲器機(jī)器A、焊絲的選擇應(yīng)與焊件等強(qiáng)度。送絲器機(jī)器793.氣體保護(hù)焊優(yōu)點(diǎn)：焊接速度快，焊接質(zhì)量好。缺點(diǎn)：施工條件受限制等。3.氣體保護(hù)焊優(yōu)點(diǎn)：焊接速度快，焊接質(zhì)量好。804.電阻焊優(yōu)、缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：成本低，效率高，質(zhì)量好，焊接變形小（適用于冷彎薄壁型鋼的連接）缺點(diǎn)：不適于厚板、較大約束度及低溫條件施焊4.電阻焊優(yōu)、缺點(diǎn)：81二、焊接連接形式和焊縫形式1.焊接連接形式對(duì)接搭接二、焊接連接形式和焊縫形式1.焊接連接形式對(duì)接搭接822.焊縫形式（1）對(duì)接焊縫正對(duì)接焊縫（2）角焊縫T型對(duì)接焊縫斜對(duì)接焊縫2.焊縫形式（1）對(duì)接焊縫正對(duì)接焊縫（2）角焊縫T型對(duì)接焊縫833.焊縫位置3.焊縫位置84三、焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢查1.焊縫缺陷（a）裂紋；（b）焊瘤；（c）燒穿；（d）弧坑；（e）氣孔；（f）夾渣；（g）咬邊；（h）未熔合；（i）未焊透三、焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢查1.焊縫缺陷（a）裂紋；（b）焊瘤852.焊縫質(zhì)量檢查外觀檢查：檢查外觀缺陷和幾何尺寸；內(nèi)部無(wú)損檢驗(yàn)：檢驗(yàn)內(nèi)部缺陷。

內(nèi)部檢驗(yàn)主要采用超聲波，有時(shí)還用磁粉檢驗(yàn)熒光檢驗(yàn)等輔助檢驗(yàn)方法。還可以采用X射線或γ射線透照或拍片。2.焊縫質(zhì)量檢查外觀檢查：檢查外觀缺陷和幾何尺寸；內(nèi)部檢驗(yàn)86《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定：

焊縫按其檢驗(yàn)方法和質(zhì)量要求分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。

三級(jí)焊縫只要求對(duì)全部焊縫作外觀檢查且符合三級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；

一、二級(jí)焊縫除外觀檢查外，尚要求一定數(shù)量的超聲波檢驗(yàn)并符合相應(yīng)級(jí)別的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定：焊縫按其檢驗(yàn)87

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017--2003）中，對(duì)焊縫質(zhì)量等級(jí)的選用有如下規(guī)定：

(1)需要進(jìn)行疲勞計(jì)算的構(gòu)件中，垂直于作用力方向的橫向?qū)雍缚p受拉時(shí)應(yīng)為一級(jí)，受壓時(shí)應(yīng)為二級(jí)。3.焊縫質(zhì)量等級(jí)及選用(2)在不需要進(jìn)行疲勞計(jì)算的構(gòu)件中，凡要求與母材等強(qiáng)的受拉對(duì)接焊縫應(yīng)不低于二級(jí)；受壓時(shí)宜為二級(jí)。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017--20088

（３）重級(jí)工作制和起重量Ｑ＞５０ｔ的中級(jí)工作制吊車(chē)梁的腹板與上翼緣板之間以及吊車(chē)桁架上弦桿與節(jié)點(diǎn)板之間的Ｔ形接頭焊透的對(duì)接與角接組合焊縫，不應(yīng)低于二級(jí)。（４）角焊縫質(zhì)量等級(jí)一般為三級(jí)，直接承受動(dòng)力荷載且需要驗(yàn)算疲勞和起重量Ｑ＞５０ｔ的中級(jí)工作制吊車(chē)梁的角焊縫的外觀質(zhì)量應(yīng)符合二級(jí)。（３）重級(jí)工作制和起重量Ｑ＞５０ｔ的中級(jí)工作制吊車(chē)梁的腹89鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理課件904.焊縫代號(hào)4.焊縫代號(hào)915.孔、螺栓圖例5.孔、螺栓圖例921、對(duì)接焊縫的坡口形式:一、對(duì)接焊縫的構(gòu)造要求§3.3對(duì)接焊縫的構(gòu)造與計(jì)算對(duì)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(shí)可不做坡口,采用直邊縫;(2)t=6~20mm時(shí)，宜采用鈍邊P的單邊V形和雙邊V形坡口;(3)t>20mm時(shí)，宜采用U形、K形、X形坡口。1、對(duì)接焊縫的坡口形式:一、對(duì)接焊縫的構(gòu)造要求§3.3對(duì)接93C=0.5~2mm（a）C=2~3mm（b）αC=2~3mm（C）αp（d）C=3~4mmpC=3~4mmp（e）C=3~4mmp（f）C=0.5~2mm（a）C=2~3mm（b）αC=2~3mm942、V形、U形坡口焊縫單面施焊，但背面需進(jìn)行清根補(bǔ)焊3、對(duì)接焊縫的起、滅弧點(diǎn)易出現(xiàn)缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后將其切去；不能做引弧板時(shí)，每條焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度等于實(shí)際長(zhǎng)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)相差大于4mm時(shí)，應(yīng)做坡度不大于1:2.5(靜載)或1:4(動(dòng)載)的斜角，以平緩過(guò)度，減小應(yīng)力集中≤1:2.5≤1:2.52、V形、U形坡口焊縫單面施焊，但背面需進(jìn)行清根補(bǔ)焊≤1:295對(duì)接焊縫分為：焊透和部分焊透兩種；動(dòng)荷載作用下部分焊透的對(duì)接焊縫不宜用做垂直受力方向的連接焊縫；對(duì)于靜載作用下的一級(jí)和二級(jí)對(duì)接焊縫其強(qiáng)度可視為與母材相同，不予計(jì)算。三級(jí)焊縫需進(jìn)行計(jì)算；對(duì)接焊縫可視作焊件的一部分，故其計(jì)算方法與構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算相同。二、對(duì)接焊縫的計(jì)算NNt對(duì)接焊縫分為：焊透和部分焊透兩種；二、對(duì)接焊縫的計(jì)算NNt961、軸心力作用下的對(duì)接焊縫計(jì)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(duì)接焊縫的抗拉和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。NNlwtA當(dāng)不滿足上式時(shí)，可采用斜對(duì)接焊縫連接如圖B。另:當(dāng)tanθ≤1.5時(shí),不用驗(yàn)算!NNtBθNsinθNcosθlw1、軸心力作用下的對(duì)接焊縫計(jì)算式中：NNlwtA972、M、V共同作用下的對(duì)接焊縫計(jì)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(qiáng)度計(jì)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(duì)接連接2、M、V共同作用下的對(duì)接焊縫計(jì)算lwtAMVστ因焊縫截面98（2）工字形截面梁對(duì)接連接計(jì)算MV1焊縫截面A、對(duì)于焊縫的σmax和τmax應(yīng)滿足式3-2和3-3要求；σmaxτσ1τ1τmaxB、對(duì)于翼緣與腹板交接點(diǎn)焊縫（1點(diǎn)），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(qiáng)度增大系數(shù)。（2）工字形截面梁對(duì)接連接計(jì)算MV1焊縫截面A、對(duì)于焊縫的σ993、N、M、V共同作用下的對(duì)接焊縫計(jì)算（1）矩形截面中和軸處：3、N、M、V共同作用下的對(duì)接焊縫計(jì)算100（2）工字形截面工字形截面對(duì)接焊縫除滿足上述三項(xiàng)計(jì)算外，尚應(yīng)計(jì)算翼緣與腹板相交處的折算應(yīng)力，即翼緣與腹板相交處工字形截面對(duì)接焊縫除滿足上述三項(xiàng)計(jì)算外，尚應(yīng)101hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式1、角焊縫的形式:一、角焊縫的形式和應(yīng)力分布§3.4角焊縫的構(gòu)造與計(jì)算直角角焊縫、斜角角焊縫（1）直角角焊縫hehfhf凹面式hehfhf普通式hehf1.5hf平坡式1、角焊縫的形式:102（2）斜角角焊縫對(duì)于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。（2）斜角角焊縫對(duì)于α>135o或α<60o斜角角焊縫,除鋼103（1）側(cè)面角焊縫（側(cè)焊縫）2.直角角焊縫的受力分析側(cè)面角焊縫的應(yīng)力試驗(yàn)表明側(cè)面角焊縫主要承受剪力，強(qiáng)度相對(duì)較低，塑性性能較好。因外力通過(guò)焊縫時(shí)發(fā)生彎折，故剪應(yīng)力沿焊縫長(zhǎng)度分布不均勻，兩端大中間小，lw/hf越大剪應(yīng)力分布越不均勻。（1）側(cè)面角焊縫（側(cè)焊縫）2.直角角焊縫的受力分析側(cè)面角焊縫104（2）正面角焊縫

正面角焊縫受力復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，塑性較差，但強(qiáng)度較高，與側(cè)面角焊縫相比可高出35%--55%以上。（2）正面角焊縫正面角焊縫受力復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，塑105正面角焊縫的破壞形式正面角焊縫的破壞形式1061、最小焊腳尺寸hf,min

為了避免在焊縫金屬中由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織，導(dǎo)致母材開(kāi)裂，hf,min應(yīng)滿足以下要求:式中:t2----較厚焊件厚度

另:對(duì)于埋弧自動(dòng)焊hf,min可減去1mm;

對(duì)于T型連接單面角焊縫hf,min應(yīng)加上1mm;

當(dāng)t2≤4mm時(shí),hf,min=t2二、角焊縫的構(gòu)造1、最小焊腳尺寸hf,min為了避免在焊縫金屬中107

2、最大焊腳尺寸hf,max為了避免焊縫處局部過(guò)熱，減小焊件的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，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(duì)于板件邊緣的角焊縫,尚應(yīng)滿足以下要求：

當(dāng)t≤6mm時(shí)，hf,max≤t；當(dāng)t>6mm時(shí)，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1t2、最大焊腳尺寸hf,max1083.側(cè)面角焊縫的最小計(jì)算長(zhǎng)度對(duì)于焊腳尺寸大而長(zhǎng)度小的焊縫，焊件局部加熱嚴(yán)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)范規(guī)定：3.側(cè)面角焊縫的最小計(jì)算長(zhǎng)度對(duì)于焊腳尺寸大而長(zhǎng)度1094.側(cè)面角焊縫的最大計(jì)算長(zhǎng)度側(cè)面角焊縫在彈性工作階段沿長(zhǎng)度方向受力不均，兩端大而中間小。焊縫長(zhǎng)度越長(zhǎng)，應(yīng)力集中系數(shù)越大。如果焊縫長(zhǎng)度不是太大，焊縫兩端達(dá)到屈服強(qiáng)度后，繼續(xù)加載，應(yīng)力會(huì)漸趨均勻；當(dāng)焊縫長(zhǎng)度達(dá)到一定的長(zhǎng)度后，可能破壞首先發(fā)生在焊縫兩端，故：注：

1、當(dāng)實(shí)際長(zhǎng)度大于以上值時(shí)，計(jì)算時(shí)不予考慮；2、當(dāng)內(nèi)力沿側(cè)焊縫全長(zhǎng)分布時(shí)，不受上式限制。4.側(cè)面角焊縫的最大計(jì)算長(zhǎng)度側(cè)面角焊縫在彈性工作1105.搭接連接的構(gòu)造要求

當(dāng)板件端部?jī)H采用兩條側(cè)面角焊縫連接時(shí)：

A、為了避免應(yīng)力傳遞的過(guò)分彎折而使構(gòu)件中應(yīng)力不均，規(guī)范規(guī)定：t1t2b5.搭接連接的構(gòu)造要求當(dāng)板件端部?jī)H采用兩條側(cè)面角焊縫111D.在搭接連接中，搭接長(zhǎng)度不得小于焊件較小厚度

的5倍，且不得小于25mm。

C.當(dāng)角焊縫的端部位于構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時(shí)，應(yīng)作2hf的繞角焊，且轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。b2hft1t2D.在搭接連接中，搭接長(zhǎng)度不得小于焊件較小厚度

112三、角焊縫的計(jì)算

1、角焊縫強(qiáng)度計(jì)算的一般表達(dá)式試驗(yàn)表明，直角角焊縫的破壞常發(fā)生在45o截面，故通常將45o截面作為計(jì)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—焊根三、角焊縫的計(jì)算1、角焊縫強(qiáng)度計(jì)算的一般表達(dá)式hfh113在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，其強(qiáng)度條件應(yīng)滿足：

式中：--角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值┻┻∥σ┻τ┻τ∥helw在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，其強(qiáng)度條件應(yīng)滿足：

式中：--114直角角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算公式：NNyNx┻┻∥σfσ┻τ┻τ∥=τfhelw45O45Ohf直角角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算公式：NNyNx┻┻∥σfσ┻τ┻τ∥=115將3—9、3—10式，代入3—11式得：βf—正面角焊縫強(qiáng)度增大系數(shù)；靜載時(shí)取1.22，動(dòng)載時(shí)取1.0。將3—9、3—10式，代入3—11式得：βf—正面角焊縫強(qiáng)度1162、軸心力作用時(shí)蓋板連接的角焊縫計(jì)算

對(duì)于正面角焊縫，τf=0，由3—10式得：對(duì)于側(cè)面角焊縫，σf=0，由3—5式得：2、軸心力作用時(shí)蓋板連接的角焊縫計(jì)算對(duì)于側(cè)面角焊縫，σf=0117以上各式中：he=0.7hf；

lw—角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度，考慮起滅弧缺陷時(shí)，每條焊縫取其實(shí)際長(zhǎng)度減去2hf。對(duì)于三面圍焊縫正面角焊縫所承受的內(nèi)力側(cè)面角焊縫所承受的內(nèi)力以上各式中：對(duì)于三面圍焊縫正面角焊縫所承受的內(nèi)力側(cè)面角焊縫1183、軸心力作用時(shí)角鋼連接的角焊縫計(jì)算A、僅采用側(cè)面角焊縫連接由力及力矩平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw23、軸心力作用時(shí)角鋼連接的角焊縫計(jì)算A、僅采用側(cè)面角焊縫連接119強(qiáng)度計(jì)算：Ne1e2bN1N2xxlw1lw2強(qiáng)度計(jì)算：Ne1e2bN1N2xxlw1lw2120B、采用三面圍焊由力及力矩平衡得:余下的問(wèn)題同情況‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2B、采用三面圍焊由力及力矩平衡得:余下的問(wèn)題同情況‘A’，即121C、采用L形圍焊令3-26中得:Ne1e2bN1xxN3lw1即可采用3-23、3-29計(jì)算L形焊縫C、采用L形圍焊令3-26中得:Ne1e21224、N、M、V共同作用下在N、M、V、共同作用時(shí)，焊縫上端點(diǎn)處最危險(xiǎn)，該點(diǎn)焊縫應(yīng)滿足：其中4、N、M、V共同作用下在N、M、V、共同作用時(shí)，焊縫上端點(diǎn)123假定:A、被連接件絕對(duì)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(shì)；B、T作用下焊縫群上任意點(diǎn)的應(yīng)力方向垂直于該點(diǎn)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)力均勻分布。5、T、V共同作用下將F向焊縫群形心簡(jiǎn)化得:V=FT=F(e1+e2)Fe1e2x0l1l2xxyyAA’0TVr故：該連接的設(shè)計(jì)控制點(diǎn)為A點(diǎn)和A’點(diǎn)假定:5、T、V共同作用下將F向焊縫群形心Fe1e2x0l1124T作用下A點(diǎn)應(yīng)力:將其沿x軸和y軸分解:e2x0l1l2xxyyAA’0TVrT作用下A點(diǎn)應(yīng)力:將其沿x軸e2x0l1l2xxyyAA’0125剪力V作用下,A點(diǎn)應(yīng)力:τV將3-35、3-36、3-37代入3-13得，A點(diǎn)應(yīng)滿足：剪力V作用下,A點(diǎn)應(yīng)力:τV將3-35、3-36、3-37代126§3－5焊接應(yīng)力和焊接變形一、焊接殘余應(yīng)力的分類(lèi)及其產(chǎn)生的原因

1、焊接殘余應(yīng)力的分類(lèi)A、縱向焊接殘余應(yīng)力—沿焊縫長(zhǎng)度方向;B、橫向焊接殘余應(yīng)力—垂直于焊縫長(zhǎng)度方向;C、沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力。

2、焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因（1）縱向焊接殘余應(yīng)力§3－5焊接應(yīng)力和焊接變形一、焊接殘余應(yīng)力的分類(lèi)及其產(chǎn)生的127焊接過(guò)程是一個(gè)不均勻的加熱和冷卻過(guò)程，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，焊縫處可達(dá)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(shí)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(duì)于低碳鋼和低合金鋼，該拉應(yīng)力可以使鋼材達(dá)到屈服強(qiáng)度。焊接殘余應(yīng)力是無(wú)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(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++焊接過(guò)程是一個(gè)不均勻的加熱和冷卻過(guò)程，焊件上產(chǎn)生不均128

（2）橫向焊接殘余應(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(shì)，導(dǎo)致兩焊件在焊縫處中部受拉，兩端受壓；2、焊接時(shí)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(shí)，后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(yuǎn)處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力；應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)。

以上兩種應(yīng)力的組合即為，橫向焊接殘余應(yīng)力。（2）橫向焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因:129(a)焊縫縱向收縮時(shí)的變形趨勢(shì)-+-(b)焊縫縱向收縮時(shí)的橫向應(yīng)力xy+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時(shí)的橫向應(yīng)力xy-+-+(d)焊縫橫向殘余應(yīng)力yx不同施焊方向下,焊縫橫向收縮時(shí)產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx(a)-+-(b)xy+-+施焊方向(c)xy-+-+(d)130（3）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力

在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊，焊接時(shí)沿厚度方向已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生塑性壓縮變形。焊縫冷卻時(shí)，后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(yuǎn)處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此，除了橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力σx,σy

外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力σz，這三種應(yīng)力形成同號(hào)(受拉)三向應(yīng)力，大大降低連接的塑性。-+-321σxσyσz（3）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力在厚鋼板的焊131二、焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響1、對(duì)結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響f+--bfy+--bfyNyNy因焊接殘余應(yīng)力自相平衡，故：當(dāng)板件全截面達(dá)到fy，即N=Ny時(shí)：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度沒(méi)有影響。+--fyfbBt二、焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響1、對(duì)結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響f+1322、對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響A、當(dāng)焊接殘余應(yīng)力存在時(shí)，因截面的bt部分拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到fy

，故該部分剛度為零（屈服），這時(shí)在N作用下應(yīng)變?cè)隽繛椋篺+--bfyNN+--fyfNNbBt2、對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響A、當(dāng)焊接殘余應(yīng)力存在時(shí)，因截面的bt部133因?yàn)锽-b<B，所以△ε1>△ε2。結(jié)論：焊接殘余應(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(méi)有焊接殘余應(yīng)力時(shí)，在N作用下應(yīng)變?cè)隽繛椋?/p>

另外，對(duì)于軸心受壓構(gòu)件，焊接殘余應(yīng)力使其撓曲剛度減小，降低壓桿的穩(wěn)定承載力（詳見(jiàn)第五章）。因?yàn)锽-b<B，所以△ε1>△ε2。結(jié)論：B、當(dāng)截面上沒(méi)有134

對(duì)于厚板或交叉焊縫，將產(chǎn)生三向焊接殘余拉應(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，降低或消除焊接殘余應(yīng)力是改善結(jié)構(gòu)低溫冷脆性能的重要措施。3、對(duì)低溫冷脆的影響4、對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

在焊縫及其附近主體金屬焊接殘余拉應(yīng)力通常達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度，此部位是形成和發(fā)展疲勞裂紋的敏感區(qū)域。因此焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有明顯的不利影響。對(duì)于厚板或交叉焊縫，將產(chǎn)生三向焊接殘余135三、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。

（a）縱、橫向收縮；（b）彎曲變形；（c）角變形；（d）波浪變形；（e）扭曲變形三、焊接變形焊接變形包括：縱向收縮、橫向收縮、彎曲變136四、減小焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的措施1、設(shè)計(jì)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(guò)分集中（4）應(yīng)盡量避免兩條以上的焊縫垂直交叉（5）應(yīng)盡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）采用合理的施焊順序（2）采用反變形處理（3）小尺寸焊件，應(yīng)焊前預(yù)熱或焊后回火處理四、減小焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的措施1、設(shè)計(jì)上的措施:137§3－6螺栓連接的構(gòu)造一、螺栓的種類(lèi)1.普通螺栓C級(jí)---粗制螺栓，性能等級(jí)為4.6或4.8級(jí)；4表示fu≥400N/mm2,

0.6或0.8表示fy/fu=0.6或0.8；Ⅱ類(lèi)孔，孔徑(do)-栓桿直徑(d)＝1.0～1.5mm。A、B級(jí)---精制螺栓，性能等級(jí)為5.6或8.8級(jí);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(lèi)孔，孔徑(do)-栓桿直徑(d)＝0.3～0.5mm。按其加工的精細(xì)程度和強(qiáng)度分為:A、B、C三個(gè)級(jí)別。§3－6螺栓連接的構(gòu)造一、螺栓的種類(lèi)1.普通螺栓C級(jí)---1382.高強(qiáng)度螺栓由45號(hào)、40Cr和20MnTiB鋼加工而成，并經(jīng)過(guò)熱處理45號(hào)－8.8級(jí)；40Cr和20MnTiB－10.9級(jí)（a）大六角頭螺栓（b）扭剪型螺栓2.高強(qiáng)度螺栓由45號(hào)、40Cr和20MnTiB鋼加工而成，139二、螺栓的排列和構(gòu)造要求1.并列—簡(jiǎn)單、整齊、緊湊所用連接板尺寸小，但構(gòu)件截面削弱大；B錯(cuò)列A并列中距中距邊距邊距端距2.錯(cuò)列—排列不緊湊，所用連接板尺寸大，但構(gòu)件截面削弱小；

二、螺栓的排列和構(gòu)造要求1.并列—簡(jiǎn)單、整齊、緊湊所用連接板140（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(guò)多而降低承載力，螺栓的邊距和端距不能太小；順力作用方向：為了防止板件被拉斷或剪壞，端距不能太小；對(duì)于受壓構(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。（1）受力要求:141（3）施工要求

為了便于扳手?jǐn)Q緊螺母，螺栓中距應(yīng)不小于3do。

根據(jù)以上要求，規(guī)范給定了螺栓的容許間距。注:1.d0

為螺栓孔徑，t為外層薄板件厚度。2.鋼板邊緣與剛性構(gòu)件(如角鋼、槽鋼)相連的螺栓最大間距，可按中間排數(shù)值采用。

（3）施工要求為了便于扳手?jǐn)Q緊螺母，螺栓中距應(yīng)不小于3142三、螺栓連接的受力性能和計(jì)算FNFA只受剪力B只受拉力C剪力和拉力共同作用三、螺栓連接的受力性能和計(jì)算FNFA只受剪力B只受拉力C143

1、普通螺栓抗剪連接1.受力性能對(duì)圖示螺栓連接做抗剪試驗(yàn),即可得到板件上a、b兩點(diǎn)相對(duì)位移δ和作用力N的關(guān)系曲線,該曲線清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四個(gè)階段,即：(1)摩擦傳力的彈性階段(0~1段)

直線段—連接處于彈性狀態(tài)；該階段較短—摩擦力較小。NδO1234NNabNN/2N/21、普通螺栓抗剪連接NδO1234NNabNN/2N/2144(2)滑移階段(1~2段)克服摩擦力后，板件間突然發(fā)生水平滑移，最大滑移量為栓孔和栓桿間的距離，表現(xiàn)在曲線上為水平段。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。由于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)系以曲線狀態(tài)上升。

(2)滑移階段(1~2段)NδO1234abNN/2N/2145

(4)彈塑性階段(3~4段)

達(dá)到‘3’后，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(diǎn)（曲線的最高點(diǎn)）即為普通螺栓抗剪連接的極限承載力Nu。NδO1234abNN/2N/2Nu(4)彈塑性階段(3~4段)NδO1234abNN/2N1462.破壞形式（1）螺栓桿被剪壞

栓桿較細(xì)而板件較厚時(shí)（2）孔壁的擠壓破壞

栓桿較粗而板件較薄時(shí)（3）板件被拉斷

截面削弱過(guò)多時(shí)

以上破壞形式予以計(jì)算解決。N/2NN/2NNNN2.破壞形式（1）螺栓桿被剪壞N/2NN/2NNNN147（4）板件端部被剪壞(拉豁)

端距過(guò)小時(shí)；端距不應(yīng)小于2dONN（5）栓桿彎曲破壞螺栓桿過(guò)長(zhǎng)；栓桿長(zhǎng)度不應(yīng)大于5d這兩種破壞構(gòu)造解決N/2NN/2（4）板件端部被剪壞(拉豁)NN（5）栓桿彎曲破壞這兩種破壞1483.計(jì)算：

（1）抗剪螺栓的單栓承載力設(shè)計(jì)值由破壞形式知抗剪螺栓的承載力取決于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(qiáng)度設(shè)計(jì)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：d3.計(jì)算：

（1）抗剪螺栓的單栓承載力設(shè)計(jì)值149剪切面數(shù)目nvNNNN/2N/2N/2N/3N/3N/3N/2剪切面數(shù)目nvNNNN/2N/2N/2N/3N/3N/3N/150（2）普通螺栓群抗剪連接計(jì)算1、普通螺栓群軸心力作用下抗剪計(jì)算N/2Nl1N/2平均值螺栓的內(nèi)力分布

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

當(dāng)l1≤15d0(d0為孔徑)時(shí)，連接進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)后，內(nèi)力重新分布，各個(gè)螺栓內(nèi)力趨于相同，故設(shè)計(jì)時(shí)假定N有各螺栓均擔(dān)。所以，連接所需螺栓數(shù)為：（2）普通螺栓群抗剪連接計(jì)算1、普通螺栓群軸心力作用下抗剪計(jì)151

當(dāng)l1>15d0(d0為孔徑)時(shí)，連接進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)后，即使內(nèi)力重新分布,各個(gè)螺栓內(nèi)力也難以均勻，端部螺栓首先破壞,然后依次破壞。由試驗(yàn)可得連接的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)η與l1/d0的關(guān)系曲線。ECCS試驗(yàn)曲線8.8級(jí)M22我國(guó)規(guī)范1.00.750.50.2501020304050607080l1/d0η平均值長(zhǎng)連接螺栓的內(nèi)力分布故，連接所需栓數(shù)：當(dāng)l1>15d0(d0為孔徑)時(shí)，連接進(jìn)入彈塑152NNbtt1b1

普通螺栓群軸心力作用下，為了防止板件被拉斷尚應(yīng)進(jìn)行板件的凈截面驗(yàn)算。拼接板的危險(xiǎn)截面為2-2截面:A、螺栓采用并列排列時(shí):主板的危險(xiǎn)截面為1-1截面:1122NNbtt1b1普通螺栓群軸心力作用下，為了防止板件153NNtt1bc2c3c4c1B、螺栓采用錯(cuò)列排列時(shí):主板的危險(xiǎn)截面為1--1和1’--1’截面:111’1’NNtt1bc2c3c4c1B、螺栓采用錯(cuò)列排列時(shí):主板的危154NNbtt1b1c2c3c4c1拼接板的危險(xiǎn)截面為2--2和2’--2’截面:222’2’NNbtt1b1c2c3c4c1拼接板的危險(xiǎn)截面為2--2和1552、普通螺栓群偏心力作用下抗剪計(jì)算F作用下每個(gè)螺栓受力：FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1FT作用下連接按彈性設(shè)計(jì)，其假定為：

（1）連接板件絕對(duì)剛性，螺栓為彈性；

（2）T作用下連接板件繞栓群形心轉(zhuǎn)動(dòng)，各螺栓剪力與其至形心距離呈線形關(guān)系，方向與ri垂直。2、普通螺栓群偏心力作用下抗剪計(jì)算F作用下每個(gè)螺栓受力：Fe156TxyN1TN1TxN1Ty