1、金属结构设计的一般知识和相关强度计算 王 伟 2006年11月15日联系方式：0379-65972442 13938820878 wangweiguanlin一：金属结构设计的一般知识：1、 钢结构：是钢材制成的工程结构，通常由型钢和钢板等制成的梁、桁架、柱、板等构件组成，各部分之间用焊缝、螺栓或铆钉连接，有些钢结构还部分采用钢丝绳或钢丝束。 ：钢结构与钢筋混凝土结构、木结构和砖石等砌体结构都是工程结构的不同分支。 共同点：结构体系、内力分析和设计程序等方面大体相同。 不同点：由于材料性质的不同、原材料和构件截面的形状的不同使其在结构型式、构件的计算方法、构件的连接方法和构造处理方法上都有显著
2、的差别。 2、 钢结构的优缺点： 材质均匀，可靠性高。钢材组织均匀，接近各相同性的匀质体。钢材由钢厂生产，控制严格，质量比较稳定。钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算结果，所以钢结构可靠性较高。 强度高，重量轻。钢材的强度较高，弹性模量亦高，因而钢结构构件小而轻。其密度与强度的比值一般也小于混凝土和木材，从而在同样受力情况下钢结构自重小，可以做成跨度较大的结构。 塑性和韧性好。钢结构的抗拉和抗压强度相同，塑性和韧性好，适于承受冲击和动力荷载，有较好的抗震性能。 便于机械化制造。钢结构由轧制型钢和钢板在工厂制成，便于机械化制造，生产效率高，速度快，成品精确度较高，质量易于保证，是工程结
3、构中工业化程度最高的一种结构。 安装方便，施工期限短。钢结构安装方便，施工期限短，可尽快地发挥投资的经济效益。 密封性好。钢结构的密封性较好，容易做成密不漏水和密不漏气的常压和高压容器结构和大直径的管道。 耐热性较好：结构表面温度在200以内时，钢材强度变化很小，因而钢结构适用于热车间。但结构表面长期受辐射热达到150时，应采用隔热板加以防护。 耐火性差。钢结构耐火性较差，钢材表面温度达到300400以后，其强度和弹性模量显著下降，600时几乎降到零。当耐火要求较高时，需要采取保护措施，如在钢结构外面包混凝土或其他防火板材，或在构件表面喷涂一层含隔热材料和化学助剂等的防火涂料，以提高耐火等级。
4、 耐锈蚀性差。钢结构耐锈蚀性差，特别在潮湿和有腐蚀性介质的环境中，容易锈蚀，需要定期维护，增加了维护费用。3、 钢结构的应用范围： 重型工业厂房的承重结构和吊车梁。例如冶金企业的炼钢、轧钢车间，重型机械厂的铸钢、水压机、锻压、总装配车间等等，这些车间的高度和跨度一般都比较大，有的柱距也比较宽，有重级工作制大吨位吊车，或是设备振动厉害，或是热加工车间，结构表面温度较高。 大跨度建筑的屋盖结构。例如公共建筑中的体育馆、大会堂、影剧院等， 多层与高层建筑的骨架。例如工业厂房中的多层框架、民用建筑中跨度较大的多层框架和高层框架，固定式采油平台也多采用多层钢框架。 塔桅结构。如输电线路塔架、无线电广播发
5、射桅杆、电视播映发射塔、环境气象塔、卫星或火箭发射塔等高耸结构等。 大跨度的桥梁。 容器和大直径管道等壳体结构。如储液灌、储气灌、大直径输油（气）和输煤浆管道、水工压力管道、囤仓以及炉体结构等。 移动式结构。如水工闸门、各种起重机、移动式采油平台等。 可拆卸、搬移的结构。如装配式活动房屋、流动式展览馆、军用桥梁等。 轻型结构。跨度不大，屋面轻的工业和商业房屋常采用冷弯薄壁型钢结构、小角钢、圆钢、钢管或焊接轻型H型钢组成的轻型结构。 在地震区抗震要求高的工程结构。4、 钢结构的材料： 钢材的主要机械性能：屈服强度fy：钢结构设计中构件应力可以达到的限值，强度承载能力极限状态的 标志。抗拉强度fu
6、：钢材抗破断能力的极限。（屈强比fy/fu 屈强比愈大，强度储备小，延性愈好。） 伸长率：表明钢材塑性变形的发展能力。屈服强度fy、抗拉强度fu、伸长率：三项基本机械性能指标 冷弯性能：衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂纹的抵抗能力的一项标志。 （一般是将试件冷弯到规定的角度（常用180）而不出现裂纹或分层等，作为判断钢材冷弯性能的方法。） 冲击韧性：钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂能力的一项机械性能。 （夏比V形缺口试验，V形试件冲击功） 决定和影响钢材性能的因素：a) 化学成分：C、Mn、Si、V、S
7、、P、O、N、H等C：随着碳含量的增加，钢材的抗拉强度和屈服强度提高；但塑性、冷弯性能和冲击韧性降低，焊接性变差。S:十分有害的元素，硫与铁化合生成硫化铁（FeS），散布在纯铁体的间层中，当温度在8001200时熔化而使钢材出现裂纹，称为“热脆”现象。N、P:有害作用主要是使钢在低温时韧性降低并容易产生脆性破坏，称为“冷脆”现象。H：在低温时易使钢呈脆性破坏，产生所谓的“氢脆”破坏现象。b) 冶炼、浇注、轧制过程的影响：c) 热处理的作用：普通钢材轧制后是自然堆放冷却而不做热处理。如经适当的热处理，则可显著提高其强度并保持其良好的塑性和韧性。d) 残余应力的影响：u 热轧型钢中的热轧残余应力是
8、因其热轧后不均匀冷却而产生的。不同形状、尺寸和规格型钢的截面残余应力分布各不相同，相同型钢的截面残余应力分布也因热轧后的堆放、冷却条件和随后的调直方法等不同也有差别。u 热轧钢板截面的残余应力的分布大体为边缘受压、中间受拉的抛物线形。u 残余应力尤其是焊接残余应力与荷载应力叠加后，常使钢材处于二维或三维的复杂应力状态下受力，将降低其抗冲击断裂和抗疲劳破坏的能力。e) 温度的影响：0150以下，钢材的机械性能随温度变化不大。当温度在250左右时，钢材的抗拉强度反而有较大提高，但这时的相应伸长率较低、冲击韧性变差，钢材在此温度范围内破坏时常呈脆性破坏特征，称为“蓝脆”。在此温度范围内进行钢材的机械
9、加工，则易产生裂纹，故应力求避免。当温度超过300时，钢材的屈服强度、抗拉强度和弹性模量开始显著下降，而伸长率开始增大，钢材产生徐变；当温度超过400时，强度和弹性模量都急剧降低；达600时其承载能力几乎完全消失。钢材的温度由常温下降特别是在负温度范围内时，钢材的强度等虽有提高，但其塑性和韧性降低、脆性增加。f) 冷加工和时效硬化：u 钢材在冷拉、冷弯、冲孔、剪切等冷加工时都有很大的塑性变形，因而产生冷作硬化。虽可提高钢材的屈服强度，但同时降低塑性和增加脆性，对承受动力荷载的钢结构是不利的。u 钢材随时间进展将使屈服强度和抗拉强度提高、伸长率和冲击韧性降低，称为时效硬化。g) 应力集中的影响：
10、u 在荷载作用下，截面突变处的某些部位（空洞边缘或缺口尖端处）将产生局部高峰应力，其余部位应力较低且分布极不均匀，这种现象称应力集中。u 通常把截面高峰应力与平均应力（当截面受轴心力作用时）的比值称为应力集中系数。u 应力集中一般不影响截面的静力极限承载力，但在动力荷载作用下以使结构发生脆性破坏。u 减小应力集中的措施：应尽量减免构件截面的急剧改变。 钢结构的钢材选用和保证项目要求：a) 钢材的选用：确定钢材牌号（钢种、冶炼方法、脱氧方法、质量等级）及提出应有的机械性能和化学成分保证项目。b) 保证项目的要求：u 承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接
11、结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。u 对于需要验算疲劳的焊接结构和非焊接结构的钢材，应具有冲击韧性的合格保证；对于有抗震要求的结构钢材还应符合下列规定： 钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.2。 钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率应大于20。 钢材应有良好的可焊性和合格的冲击韧性。 采用焊接连接的钢结构，当钢板厚不小于40且承受沿板厚方向的拉力时，受拉试件板厚方向的截面收缩率，不应小于国家标准厚度方向性能钢板GB50313关于Z15级规定的容许值。 钢结构的设计方法：a) 设计原则：除疲劳计算外采用以概率理论为基
12、础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式进行计算。承重结构应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。u 承载能力极限状态:构件和连接的强度破坏疲劳破坏因过渡变形而不适于继续承载结构和构件丧失稳定结构转变为机动体系结构倾覆u 正常使用极限状态：影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观变形影响正常使用的振动影响正常使用或耐久性能的局部破坏u 按承载能力极限状态设计钢结构时，应考虑荷载效应的基本组合，必要时尚应考虑荷载效应的偶然组合。u 按正常使用极限状态设计钢结构时，应考虑荷载效应的标准组合，对钢与混凝土组合梁，尚应考虑准永久组合。u 计算结构或构件的强度、稳定性以及连接强度时，应采用荷载
13、设计值（荷载标准值乘以荷载分项系数）；计算疲劳时，应采用荷载标准值。u 对于直接承受动力荷载的结构：在计算强度和稳定性时，动力荷载设计值应乘以动力系数；在计算疲劳和变形时，动力荷载标准值不乘动力系数。u 计算结构和构件的变形时，可不考虑螺栓（或铆钉）孔引起的截面削弱。b) 荷载分类、荷载代表值和荷载组合：u 结构上的荷载可分为以下三类： 永久荷载：例如结构自重、土压力、预应力等。 可变荷载：例如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。 偶然荷载：例如爆炸力、撞击力等。u 荷载代表值： 永久荷载采用标准值作为代表值。 可变荷载根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值
14、作为代表值。 对偶然荷载应按建筑结构的使用特点确定其代表值。u 荷载组合：建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载（效应）组合，并应取各自的最不利的组合进行设计。 承载能力极限状态： 应按荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载（效应组合），并应采用下列设计表达式进行设计。O SR 式中：O结构重要性; S荷载效应组合的设计值; R结构构件抗力的设计值，应按各有关建筑结构设计规范的规定确定 对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定：可变荷载效应控制的组合S=GSGK+Q1SQ1K+QiciSQiK式中：G永久
15、荷载的分项系数； 当其效应对结构不利时：对由可变荷载效应控制的组合，应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35； 当其效应对结构有利时 一般情况下应取1.0； 对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。 Qi-第i个可变荷载的分项系数，其中Q1为可变荷载Q1的分项系数； 可变荷载的分项系数：一般情况下应取1.4；对于标准值大于4KN/的工业房屋楼面结构的活荷载应取1.3。SGK按永久荷载标准值GK计算的荷载效应值；SQiK按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值,其中SQ1K为诸可变荷载效应中起控制作用者； ci可变荷载Qi的组合值系数； n 参与组合的可变荷载数。永久荷载效应控制的组
16、合： S=GSGK+ QiciSQiK 正常使用极限状态： 应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合，并应按下列表达式进行设计： SC 式中：C结构或构件达到正常使用要求的规定限值，例如变形、裂缝、振幅、加速度、应力等的限值，应按各建筑结构设计规范的规定采用。 标准组合 S=SGK+SQ1K+ciSQiK频遇组合 S=SGK+f1SQ1K+qiSQiKf1可变荷载Q1的频遇值系数；qi可变荷载Qi的准永久值系数；准永久组合 S=SGK+ qiSQiKc) 结构体系的确定和建模分析计算u 合理的结构体系的确定；u 选择合适的结构计算简图；u 结构计算软件的应用，计算机辅助快
17、速计算；u 采取适当的构造措施弥补结构简化存在的不足。 二：金属构件相关强度和刚度等计算： 强度：要求使构件截面上的最大正应力不超过钢材的强度设计值。 刚度：要求使构件的长细比不超过容许长细比。 整体稳定：要求使构件在设计荷载下不致发生屈曲而丧失承载力。 局部稳定：要求一般是使组成构件的板件宽厚比不超过规定的限值，以保证板件不会屈曲，并使格构式构件的分肢不发生屈曲。 疲劳计算：容许应力幅法。主要是针对直接承受动力荷载重复作用的钢构件及连接中拉应力出现的部位。 构件：主要有梁、柱、桁架、拱、壳、悬索等轴心受力构件和拉压弯构件的计算：1. 轴心受力构件强度计算：u 轴心受拉构件和轴心受压构件的强度
18、，除高强螺栓摩擦型连接处外，应按下式计算： 式中：N轴心拉力或轴心压力 An净截面面积 钢材抗拉或抗压强度设计值例：一根219X6的无缝钢管8米高，材质Q235,做一支撑柱，其承载能力为多少？ 解：219X6 A=40.15cm2 =215N/2 NA =40.15X102X215=863.225KNu 高强度螺栓摩擦型连接处的强度应按下列公式计算：（1-0.5） 式中：n在节点或拼接处，构件一端连接的高强螺栓数目； n1净截面面积 A构件的毛截面面积2. 实腹式轴心受压构件的稳定性计算： 式中：轴心受压构件的稳定系数（取截面两主轴稳定系数的较小者）， 根据构件的长细比、钢材的屈服强度fy和构
19、件的截面分类查得。 要想知道长细比计算长度和回转半径i 长细比的计算：1) 截面为双轴对称或极对称的构件： x = y = 式中： lox、loy 构件对主轴x和y的计算长度。 对双轴对称十字形截面构件，x或y的取值不得小于5.07（其中为悬伸板件宽厚比）例：一根219X6的无缝钢管8米高，材质Q235,做一轴心受压立柱，其承载能力为多少？ 解：219X6 A=40.15cm2 =215N/2 I=2278.71 cm4 i7.53cm l0=8000 W=208.10 cm3 = l0/i=8000/75.3=106.2=150查表：a类截面 0.201NA =0.201X40.15X102
20、X215=173.5KN2) 截面为单轴对称构件，绕非对称轴的长细比x仍按上式计算，饶对称轴应取换算长细比，比较复杂这里不详细说明。3) 单角钢截面和双角钢组合T形截面绕对称轴的yx可采用下列方法简化计算 等边单角钢截面：当0.54 时，yz = y(1+)当0.54 时，yz = 4.78 (1+)（b、t分别为角钢肢的宽度和厚度） 等边双角钢截面：当0.58 时，yz = y(1+)当0.58 时，yz = 3.9 (1+) 长肢相并的不等边角钢：当0.48 时，yz = y(1+)当0.48 时，yz = 5.1 (1+) 短肢相并的不等边双角钢截面： 当0.56 时，可近似取yz =
21、y 当 0.56 时，yz = 3.7 (1+)4) 格构式轴心受压构件长细比：应采用换算长细比，算法如下; 双肢组合构件：当缀件为缀板时：ox = 当缀件为缀条时：ox = 式中：整个构件对x轴的长细比；分肢对最小刚度轴11的长细比，其计算长度取为：焊接时，为相邻两缀板的净距离；螺栓连接时，为相邻两缀板边缘螺栓的距离。A1x构件截面中垂直于x轴的各缀条毛截面面积之和。A主肢构件的截面积之和。 四肢组合构件当缀件为缀板时：ox = ；oy = 当缀件为缀条时：ox = ；oy = 式中：整个构件对y轴的长细比；A1y 构件截面中垂直于y轴的各斜缀条毛面积之和。计算长度0的计算： 式中：构件的几
22、何长度 构件的计算长度系数u 当构件两端铰接时。1u 当构件上端自由，下端固定时。2u 当构件上端固定，下端铰接时。0.7u 当构件两端固定时。0.5u 当构件上端可移动但不转动，下端固定时。1u 当构件上端可移动但不转动，下端铰接时。23. 偏心受力构件强度计算：式中：、与截面模量相应的截面塑性发展系数，可查表得。 wnx、wny构件得净截面抵抗矩。4. 偏心受力构件稳定计算：(平面内稳定)(平面外稳定) 容许长细比柱、桁架、天窗架中的杆件、柱的缀条及吊车梁或吊车梁以下的柱间支撑等受压构件不易超过150。受拉构件也有长细比的限值可查得。5. 受压构件的局部稳定计算： 轴心受压构件，翼缘板自由
23、外伸宽度b与其厚度t之比应符合下列要求：（100.10） 式中构件两方向长细比的较大值；当100时，取100。 压弯构件： （1315） 例：一偏心悬壁受压柱，柱底与基础固结，柱高6.5米，轴力设计值为1200KN，弯距为600KN/m。钢柱截面焊接H600X400X10X20（如下图），材质Q235B，试校核其安全性。 解：Ix=1.492X1094Wx=4.975X1063, ix=262.9, ,Iy=213.4X1064, iy=99.4,An=2160021) 强度验算： += + =55.6+114.9 =170.5N/2 =205 N/22) 长细比验算： H0X/ix=1300
24、0/262.9=49.4=150 H0y/iy=6500/99.4=65.4=1503) 弯距作用平面内整体稳定验算: =49.4 ,=0.859(b类截面)，1.05，1（悬臂构件） Nex=3.142X206X106X21600/49.42=18.00X106N =+=64.7+121.3=186.0N/2 =205 N/24) 弯距作用平面外整体稳定验算: =65.4 ,=0.778(b类截面)， 1（支撑段两端弯距相等，无横向荷载）120，1.070.97371.4123.9195.3 N/2 =205 N/2 5) 局部稳定验算:翼缘：b/t=195/20=9.75b/t=15腹板：
25、h0/t=560/10=566时，hft（12）3) 在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，并不得小于25 4) 在对接焊缝的拼接处：当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4以上时，应分别在宽度方向和厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1：2.5的。直接承受动力荷载且需要进行疲劳计算的结构，斜角坡度不应大于1：4。螺栓普通螺栓1、 普通螺栓受剪承载力设计值和承压承载力设计值：Nvb= nv vb (受剪承载力)Ncb= dcb(承压承载力)式中：nv 受剪面的数目。 d螺栓杆的直径。 vb螺栓的抗剪强度设计值。 cb螺栓的承压强度设计值。 在不同受力方向中一个受力方向承压构件总厚度的较小值
26、。2、 普通螺栓杆轴方向受拉承载力设计值： Ntb= tb式中：de 螺栓在螺纹处的有效直径。 tb螺栓的抗拉强度设计值。3、 普通螺栓同时承受杆轴方向的拉力和剪力作用时承载力设计值： 1 式中： 某个螺栓所承受的剪力和拉力 。 一个普通螺栓的受剪、受拉和承压承载力设计值。摩擦型高强螺栓1. 在抗剪连接中，每个高强度螺栓的承载力设计值计算： 式中： 传力摩擦面的数目； 摩擦面的抗滑移系数；可查表得 P一个高强螺栓的预拉力。2. 在螺栓杆轴方向受拉连接中，每个高强度螺栓的承载力设计值计算： 2、 高强螺栓摩擦型连接同时承受螺栓杆轴方向的外拉力和摩擦面间的剪力作用时承载力设计值： 式中： 某个高强螺栓所承受的剪力和拉力 。一个高强螺栓的受剪、受拉承载力设计值。承压型高强螺栓1、 在抗剪连接中，承压高强度螺栓的承载力设计值的计算方法同普通螺栓，但当剪切面在螺纹处时，其受剪承载力设计值应按螺纹有效截面计算。2、 在螺栓杆轴方向受拉连接中，每个高强度螺栓的承载力设计值计算同普通螺栓。3、 同时承受螺栓杆轴方向的拉力和剪力作用时承载力设计值： 式中： 某个高强螺栓所承受的剪力和拉力 。 一个高强螺栓的受剪、受拉和承压承载力设计值。承压型高强螺栓连接不应用于直接承受动力荷载的结构35
