钢结构设计原理 课程教学方案Word文档下载推荐.docx
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材料的强度高,塑性和韧性好
材质均匀,和力学计算的假定比较符合
钢结构制造简便,施工周期短
钢结构的质量轻
钢材耐腐蚀性差
钢材耐热但不耐火
钢结构的应用范围:
大跨度钢结构
重型厂房钢结构
受动力荷载影响的结构
可拆卸的结构
高耸结构和高层建筑
容器和其他构筑物
轻型钢结构
1.2钢结构的建造过程和内在缺陷
钢结构的建造过程:
工厂制造:
验收、放样、加工、装配、矫正、除锈和涂漆
工地安装:
扩大拼装、吊装就位、临时固定、最后固定
钢结构的初始缺陷:
几何缺陷:
初弯曲初倾斜杆件长度误差
材料缺陷:
钢材并非理想的匀质体和各向同性体
1.3钢结构的组成原理
跨越结构
高耸结构
1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法
1.5钢结构的发展
发展低合金高强度钢材和型钢品种
结构和构件设计计算方法的深入研究
结构形式的革新
结构优化设计
第2章钢结构的材料
1、掌握钢结构用材的要求及影响因素;
2、掌握钢结构的破坏形式;
3、掌握钢材的主要性能及其鉴定;
4、了解不同情况下的荷载效应;
5、了解建筑钢材的类别及其表达方式;
6、了解钢材选用的原则,能够正确选用钢材。
掌握对钢结构用材的要求,建筑钢材的主要性能和影响钢材性能的因素,掌握建筑钢材的可能破坏形式及其对钢结构的重要意义,钢材类别和钢材选用的原则。
钢材的循环加载和快速加载的效应。
理论教学4学时。
1、对钢结构用材的要求
2、钢材的主要性能及其鉴定
钢材的破坏形式,单向受拉时的性能,冷弯性能,冲击韧性
3、影响钢材性能的因素
化学成分的影响,成材过程的影响,影响钢材性能的其他因素
4、钢材的延性破坏和非延性破坏
5、循环加载和快速加载的效应
6、钢材的疲劳
常幅疲劳,变幅疲劳
7、建筑钢材的类别及钢材的选用
钢结构对材料的要求,钢的种类,钢材的选择,钢材的规格
2.1对钢结构用材的要求
较高的强度。
足够的变形能力。
良好的加工性能。
适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等的性能。
容易生产,价格便宜。
2.2钢材的主要性能及其鉴定
单向拉伸时的工作性能
冷弯性能
冲击韧性
可焊性
钢材性能的鉴定
2.3影响钢材性能的因素
化学成分的影响
成材过程的影响
影响钢材性能的其它因素:
冷加工硬化(应变硬化),温度的影响,应力集中
2.4钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载和快速加载的效应
延性破坏和非延性破坏
循环荷载的效应
快速加荷效应
2.5建筑钢材的类别及钢材的选用
建筑钢材的类别
钢材的选择
型钢的规格
第3章构件的截面承载能力---强度
1、了解轴心受力构件的应用和截面形式;
2、掌握钢结构构件截面设计基本要求及方法;
3、掌握轴心受力构件的截面设计方法;
4、了解受弯构件的种类及其应用;
5、掌握梁的类型和强度、梁的局部压应力和组合应力计算;
6、掌握受弯构件截面设计方法;
7、掌握拉弯、压弯构件的应用和强度计算;
8、掌握拉弯及压弯构件截面设计方法;
9、知道梁的内力重分布和塑性设计。
掌握轴心受力构件强度计算,梁的类型和强度、梁的局部压应力和组合应力计算,拉弯、压弯构件的应用和强度计算。
梁的局部压应力和组合应力的计算。
理论教学6学时。
1、轴心受力构件的强度及截面选择;
2、梁的类型和强度;
3、梁的局部压应力和组合应力;
4、按强度条件选择梁截面;
5、梁的内力重分布和塑性设计;
6、拉弯、压弯构件的应用和强度计算。
3.1轴心受力构件的强度及截面选择
轴心受力构件的应用和截面选择:
对截面形式的要求:
能提供强度所需要的截面积,制作比较简便,便于和相邻的构件连接,截面开展而壁厚较薄
轴心受拉构件的强度
轴心受压构件的强度
3.2梁的类型和强度
梁的类型
梁的弯曲、剪切强度
梁的扭转
3.3梁的局部压应力和组合应力
局部压应力
多种应力的组合效应
3.4按强度条件选择梁截面
初选截面
截面验算
梁截面沿长度的变化
3.5梁的内力重分布和塑性设计
3.6拉弯、压弯构件的应用和强度计算
拉弯、压弯构件的应用
拉弯、压弯构件的强度计算
拉弯、压弯构件的截面设计
第4章单个构件的承载能力---稳定性
1、熟悉钢结构稳定问题的特点与分析方法;
2、了解轴心受压构件稳定理论的基本概念和分析方法;
3、掌握轴心受压构件的整体稳定分析与局部稳定分析;
4、掌握轴心受压构件的截面设计方法;
5、了解受弯构件整体稳定和局部稳定的计算原理;
6、掌握受弯构件的整体稳定分析与局部稳定分析;
7、掌握受弯构件截面设计方法;
8、掌握压弯构件的面内和面外整体稳定分析与局部稳定分析;
9、掌握拉弯、压弯构件的刚度计算;
10、掌握拉弯及压弯构件截面设计方法;
11、熟悉压弯构件的主要构造要求;
12、掌握板件的稳定计算;
13、了解构件失稳形式;
14、理解板件的屈曲后强度的利用。
掌握轴心受力构件、受弯构件的整体稳定分析与局部稳定分析,掌握压弯构件的面内和面外整体稳定分析与局部稳定分析,掌握轴心受力构件的截面设计方法,掌握受弯构件截面设计方法,掌握拉弯及压弯构件截面设计方法。
板件的稳定计算及其屈曲后强度的利用。
理论教学10学时。
1、稳定问题的一般特点;
2、轴心受压构件的整体稳定
理想轴心压杆的失稳形式,理想轴心压杆的弯曲屈曲,轴心压杆的扭转屈曲和弯扭屈曲
3、实腹式轴心受压柱的截面选择计算
实腹式轴心压杆截面形式的选择,截面设计,构造要求
4、格构式轴心受压构件的截面选择计算
格构式轴心压杆的组成,剪切变形对虚轴稳定性的影响,杆件的截面选择,格构式压杆的剪力,缀材设计
5、梁的整体稳定
钢梁整体稳定的概念,受弯构件的弯扭失稳,梁整体稳定的计算原理,梁的刚度计算,梁的整体稳定系数,梁的整体稳定计算方法
6、压弯构件的面内和面外稳定性及截面选择计算
压弯构件在弯矩作用平面内的稳定计算,压弯构件在弯矩作用平面内的失稳现象,实腹式压弯构件在弯矩作用平面内稳定计算的实用计算公式,压弯构件在弯矩作用平面外的稳定计算,双轴对称工字形截面压弯构件的弹性弯扭屈曲临界力,实腹式压弯构件在弯矩作用平面外稳定计算的实用计算公式
7、实腹式压弯构件的设计
截面形式,截面选择及验算,构造要求
8、格构式压弯构件的设计
弯矩绕虚轴作用的格构式压弯构件,弯矩绕实轴作用的格构式压弯构件,格构式柱的横隔及分肢的局部稳定
9、板件的稳定和屈曲后强度的利用
梁的局部稳定和腹板加劲肋,梁受压翼缘的局部稳定,梁腹板的局部稳定,梁腹板加劲肋的设计,压弯构件腹板的稳定,压弯构件翼缘的稳定
4.1稳定问题的一般特点
失稳的类别:
传统的分类:
分枝点(分岔)失稳:
特点是在临界状态时,结构(构件)从初始的平衡位形突变到与其临近的另一个平衡位形,表现出平衡位形的分岔现象。
极值点失稳:
特点是没有平衡位形的分岔,临界状态表现为结构(构件)不能继续承受荷载增量。
按屈曲后性能分类:
稳定分岔屈曲
不稳定分岔屈曲
跃越屈曲
一阶和二阶分析:
一阶分析:
认为结构(构件)的变形比起其几何尺寸来说很小,在分析结构(构件)内力时,忽略变形的影响。
二阶分析:
考虑结构(构件)变形对内力分析的影响。
有两种方法可以用来确定构件的稳定极限承载能力:
简化方法:
切线模量理论,折算模量理论
数值方法:
数值积分法,有限单元法
稳定问题的多样性,稳定问题的整体性,稳定问题的相关性
4.2轴心受压构件的整体稳定性
残余应力产生的原因:
焊接时的不均匀加热和冷却
型钢热扎后的不均匀冷却
板边缘经火焰切割后的热塑性收缩
构件冷校正后产生的塑性变形
残余应力的测量方法:
锯割法
轴心受压构件的整体稳定计算(弯曲屈曲):
轴心受压柱的实际承载力
列入规范的轴心受压构件稳定系数
轴心受压构件稳定系数的表达式
轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲
4.3实腹式柱和格构式柱的截面选择计算
实腹式柱的截面选择计算:
实腹式轴心压杆的截面形式
实腹式轴心压杆的计算步骤:
假定杆的长细比;
确定截面各部分的尺寸;
计算截面几何特性,验算杆的整体稳定;
当截面有较大削弱时,还应验算净截面的强度;
刚度验算。
格构式柱的截面选择计算:
格构式轴心压杆的组成
剪切变形对虚轴稳定性的影响
杆件的截面选择
格构式压杆的剪力
缀材设计
4.4受弯构件的弯扭失稳
梁丧失整体稳定的现象
梁的临界荷载:
依梁到达临界状态发生微小侧向弯曲和扭转的情况来建立平衡关系
整体稳定系数
整体稳定系数的近似计算
整体稳定性的保证
受弯构件截面设计
4.5压弯构件的面内和面外稳定性及截面选择计算
压弯构件在弯矩作用平面内的稳定性:
压弯构件在弯矩作用平面内的失稳现象
在弯矩作用平面内压弯构件的弹性性能
实腹式压弯构件在弯矩作用平面内的承载能力
实腹式压弯构件在弯矩作用平面内稳定计算的实用计算公式
压弯构件在弯矩作用平面外的稳定性:
双轴对称工字形截面压弯构件的弹性弯扭屈曲临界力
单轴对称工字形截面压弯构件的弹性弯扭屈曲临界力
实腹式压弯构件在弯矩作用平面外的实用计算公式
格构式压弯构件的设计:
在弯矩作用平面内格构式压弯构件的受力性能和计算
单肢计算
构件在弯矩作用平面外的稳定性
缀材计算
4.6板件的稳定和屈曲后强度的利用
轴心受压构件的板件稳定:
均匀受压板件的屈曲现象
均匀受压板件的屈曲应力
板件的宽厚比
受弯构件的板件稳定:
翼缘板的局部稳定
腹板在不同受力状态下的临界应力
腹板加劲肋的设计
支承加劲肋的计算
压弯构件的板件稳定:
腹板的稳定
翼缘的稳定
板件屈曲后的强度利用:
板件屈曲后的强度
板件的有效宽厚比
受弯构件腹板屈曲后的性能
第5章整体结构中的压杆和压弯构件
1、熟悉钢结构整体分析原则和思路;
2、熟悉桁架中压杆的计算长度;
3、熟悉框架稳定和框架柱计算长度;
4、了解变截面框架柱的计算长度的确定方法。
桁架中压杆的计算长度的确定,框架失稳形式和等截面框架柱的计算长度的确定方法。
变截面框架柱的计算长度的确定方法。
1、桁架中压杆的计算长度
2、框架稳定和框架柱的计算长度
单层多跨等截面框架柱的计算长度,多层多跨等截面框架柱的计算长度,变截面阶形柱的计算长度,框架平面外柱的计算长度
5.1桁架中压杆的计算长度
弦杆和单系腹杆的计算长度:
影响计算长度的因素:
杆件的轴力性质,杆件线刚度的大小,与所分析杆件直接刚性连接的杆件
变内力杆件的计算长度:
平面外计算长度公式
平面内计算长度:
节点间的距离
交叉腹杆的计算长度:
桁架平面内:
压杆的计算长度取节点与交叉点之间的距离
桁架平面外:
与杆件的受拉或受压有关,也与轴力大小及杆件断开情况有关。
5.2框架稳定和框架柱计算长度
框架的稳定
单层多跨等截面框架柱的计算长度
多层多跨等截面框架柱的计算长度
变截面阶形柱的计算长度
框架平面内稳定的其他问题
在框架平面外柱的计算长度
第6章钢结构的正常使用极限状态
1、熟悉拉杆、压杆的刚度要求;
2、熟悉梁和桁架的变形限制;
3、理解正常使用极限状态的特点;
4、熟悉钢框架的变形限制;
5、了解振动的限制。
轴心拉杆、压杆的刚度要求。
钢框架的变形限制,振动的限制。
1、正常使用极限状态的特点;
2、拉杆、压杆的刚度要求;
3、梁和桁架的变形限制;
4、钢框架的变形限制;
5、振动的限制。
6.1正常使用极限状态的特点
正常使用极限状态的判定:
影响正常使用或外观的变形
影响正常使用或耐久性能的局部破坏(包括裂缝)
影响正常使用或耐久性能的振动
影响正常使用或耐久性能的其他特定状态
6.2拉杆、压杆的刚度要求
刚度由长细比控制
6.3梁和桁架的变形限制
必须保证梁和桁架的挠度不超过规范所规定的容许挠度
6.4钢框架的变形限制
6.5振动的限制
楼板的竖向振动
地震引起的水平和竖向振动
高层结构在风荷载作用下的振动
第7章钢结构的连接和节点构造
1、掌握钢结构对连接的要求及连接方法;
2、掌握焊接连接的特性、构造和计算,焊接残余应力和焊接残余变形;
3、掌握普通螺栓连接的构造和计算;
4、掌握高强度螺栓连接的性能和计算;
5、理解钢结构对连接的要求及连接方法;
6、掌握焊接梁翼缘焊缝的计算、构件的拼接、梁与梁的连接、梁与柱的连接;
7、掌握柱脚的设计;
8、了解桁架节点设计,节点构造对构件承载力的影响。
掌握焊接连接的特性、构造和计算,焊接残余应力和焊接残余变形,普通螺栓连接、高强度螺栓连接的性能和计算,掌握焊接梁翼缘焊缝的计算、构件的拼接、梁与梁的连接、梁与柱的连接、柱脚的设计。
焊接梁翼缘焊缝的计算,桁架节点设计,节点构造对构件承载力的影响。
理论教学18学时。
1、钢结构对连接的要求及连接方法;
2、对接焊缝的构造和计算;
3、角焊接连接的特性和计算;
4、焊接残余应力和焊接残余变形;
5、普通螺栓连接的构造和计算;
6、高强度螺栓连接的性能和计算;
7、焊接梁翼缘焊缝的计算;
8、柱脚的设计;
9、桁架节点设计;
10、节点构造对构件承载力的影响。
7.1钢结构对连接的要求及连接方法
连接的要求:
足够的强度、刚度和延性
连接方法:
焊接、铆接和螺栓连接
7.2焊接连接的特性
焊缝连接的优缺点:
优点:
省工省材
任何形状的构件均可直接连接
密封性好,刚度大
缺点:
材质劣化
残余应力、残余变形
一裂即坏、低温冷脆
焊缝缺陷:
裂纹、气孔、烧穿、夹渣、未焊透、咬边、焊瘤等
焊缝等级:
《钢结构工程施工质量验收规范》分三级
三级焊缝:
外观检查;
二级焊缝:
在外观检查的基础上再做无损检验,用超声波检验每条焊缝的20%长度,且不小于200mm;
一级焊缝:
在外观检查的基础上用超声波检验每条焊缝全部长度,以便揭示焊缝内部缺陷。
强度折减:
高空安装焊缝,强度设计值乘以0.9
焊缝连接型式:
平接、搭接、T形连接和角接
焊缝型式:
对接焊缝和角焊缝
7.3对接焊缝的构造和计算
计算原则:
I、II级等强不计算,仅计算III级焊缝
轴心受力的对接焊缝,受弯受剪的对接焊缝
部分焊透的对接焊缝计算原则:
按角焊缝进行计算
7.4角焊缝的构造和计算
角焊缝应力分析
角焊缝计算的基本公式:
仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时,仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时,同时有平行与垂直于焊缝长度方向的轴心力时
常用连接方式的角焊缝计算:
受轴心力焊件的拼接板连接,受轴心力角钢的连接,弯矩作用下角焊缝计算,扭矩作用下角焊缝计算,弯矩、剪力、轴心力共同作用下角焊缝计算,扭矩、剪力、轴心力共同作用下角焊缝计算,塞焊计算
7.5焊接残余应力和焊接残余变形
焊接残余应力的分类:
纵向残余应力,横向残余应力,厚度方向的残余应力,约束状态下的焊接应力
焊接残余应力的影响:
对结构静力强度的影响,对结构刚度的影响,对压杆稳定的影响,对低温冷脆的影响,对疲劳强度的影响
减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法:
采取合理的施焊次序;
施焊前加相反的预变形;
焊前预热,焊后回火
合理的焊缝设计:
焊接位置要合理,布置应尽量对称于截面重心;
焊缝尺寸要适当,采用较小的焊脚尺寸;
焊缝不宜过分集中;
应尽量避免三向焊缝交叉;
考虑钢板分层问题;
焊条易达到;
避免仰焊
7.6普通螺栓连接的构造和计算
螺栓的排列方式:
并列或错列
螺栓的排列要求:
受力要求:
钢板端部剪断,端距不应小于2d0;
受拉时,栓距和线距不应过小;
受压时,沿作用力方向的栓距不宜过大。
构造要求:
栓距和线距不宜过大
施工要求:
有一定的施工空间
传力方式:
抗剪螺栓和抗拉螺栓
抗剪螺栓连接的破坏形式:
螺栓杆剪断;
孔壁压坏;
板被拉断;
板端被剪断;
螺栓杆弯曲
抗剪螺栓连接的受力状态:
弹性时两端大而中间小,进入塑性阶段后,因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀
螺栓群的计算:
螺栓群在轴心力作用下的抗剪计算,螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算,螺栓群在扭矩、剪力、轴心力作用下的抗剪计算,螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算,螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算,螺栓群同时承受剪力和拉力的计算
7.7高强度螺栓连接的性能和计算
级别:
10.9级和8.8级
栓孔:
钻成孔
按受力特征分类:
摩擦型连接、承压型连接和承受拉力的连接
影响承载力的因素:
栓杆预拉力、连接表面抗滑移系数和钢材种类
高强度螺栓的预拉力施加方法:
扭矩法、转角法和扭剪法
高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数:
对于承压型连接,只要求清除油污及浮锈
对于摩擦型连接,对摩擦面抗滑移系数有要求
高强度螺栓的排列:
要求同普通螺栓,同样要考虑连接长度对承载力的不利影响。
高强度螺栓群的抗剪计算:
轴心力作用时,扭矩作用时,扭矩、剪力、轴心力共同作用时
高强度螺栓的抗拉连接性能:
规范规定每个摩擦型高强度螺栓的抗拉设计承载力不得大于0.8P,螺栓杆内原预拉力基本不变
撬力的影响:
限制抗拉承载力在0.8P以内
高强度螺栓抗拉连接承载力极限状态:
板不被拉开时,中和轴在螺栓群形心处;
板可被拉开时,与普通螺栓一样,中和轴在最外排受压螺栓形心处
同时受剪力和拉力的高强度螺栓连接计算:
高强度螺栓摩擦型连接:
由于外拉力的作用,板件间的挤压力降低;
每个螺栓的抗剪承载力也随之减少;
抗滑移系数随板件间的挤压力的减小而降低
高强度螺栓承压型连接
7.8焊接梁翼缘焊缝的计算
叠放板材的弯曲变形
无局部压应力时的梁翼缘焊缝受力
双层翼缘板时的焊缝应力
有局部压应力时的梁翼缘焊缝受力
7.9构件的拼接
等截面拉、压杆拼接:
工厂拼接:
直接对焊或拼接板加角焊缝
工地拼接:
拉杆用拼接板加高强螺栓或端板加高强螺栓;
压杆用焊接或接触面刨平顶紧
拼接原则:
等强度
变截面柱拼接:
截面变化微小者
截面变化较大而一侧翼缘外表平齐者
截面变化较大而中线上下一致者
梁的拼接:
拼接位置应错开,避免焊缝集中;
翼缘板和腹板分别接长后在拼接,较少焊接应力;
常采用正面对接焊缝,施焊时用引弧板
工地焊接拼接;
工地高强度螺栓拼接;
拼接验算
7.10梁与梁的连接
次梁为简支梁:
叠接,侧面连接
次梁为连续梁:
7.11梁与柱的连接
梁与柱的连接分类:
柔性连接、刚接、半刚接
多层框架的刚性连接分类:
完全焊接的、栓接的和栓焊混合连接的
无加劲肋柱节点的计算
有加劲肋柱节点域计算
单层框架的刚性连接
7.12柱脚设计
功能:
将柱子内力可靠地传给基础;
和基础有牢固连接;
尽可能符合计算简图。
连接方式:
铰接——支承式;
刚接——支承式(外露式)、埋入式(插入式)、外包式
7.13桁架节点设计
7.14节点构造对构件承载力的影响
第8章钢结构的脆性断裂和疲劳
1、掌握脆性破坏的主要特征及其后果;
2、了解脆性断裂的防止措施;
3、理解钢结构疲劳破损的过程;
4、掌握应力幅准则和变幅疲劳荷载;
5、了解改善结构疲劳性能的措施。
钢结构脆性断裂及其防止,钢结构疲劳破损的过程,应力幅准则,改善结构疲劳性能的措施。
钢结构抗疲劳设计,应力幅准则。
1、钢结构脆性断裂破坏;
2、脆性断裂的防止;
3、钢结构疲劳破损;
4、应力幅准则;
5、变幅疲劳荷载;
6、改善结构疲劳性能的措施。
8.1钢结
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