高等钢结构理论-4
采用高等理论的钢结构设计步骤分析
【 摘
要】 总结 了高等钢结构 的有关设计理 论 ； 比分析 了钢结构 的设计 步骤 ， 出传统设计 步骤 和高 等设 对 指
计步骤的异 同； 根据 统计 数据 ， 分析 了钢结构有关设计 软件 ； 出了进 一步发 展的方向。 指
【 关键 词】 钢结构 ； 高等理论 ； 设计步骤 【 中圈分类号】 Ｔ ３ １ Ｕ９ 【 文献 标识码】 Ｂ
赵克超等 ： 采用高等理论的钢结构设｛ 步骤分析 ｔ －
５ １
采 用 高 等 理 论 的钢 结构 设 计 步 骤 分 析
赵克 超 ， 刘继 鹏
（ ．河 南 工 程 学 院 土 木 工 程 系 ． 郑 州 １
’
２０ ４ ０ ２ ０）
４ １９ ； ２ ５１１ ．上海 这种 方法 也 受到 了诸多研究者的批评 。 。
（ ） 二阶设计 法 ： 虑结构 的实际变形 ， ２ 考 并在此
第 二步预估 截 面 ， 两者本 质是 有 差别 的。 传统 方 法需要 丰富 的设 计 经验 ， ： 如 钢梁 截面 ｈ ＝ （ ／０ ～ １２ １４ ） ／０ 跨度 ， 柱截 面通 常按 照长细 比 Ａ预估 ， 一般选择 Ａ＝８ 等 。 ０ 这样可减少后期截面验算 的循环次数 ， 可能
按强 度控 制直接设计 构件一 图纸编制 。
（ ） 两 者 的差别 ： ３ 传统 方法 是在 结构线 弹性 假 定 的基础 上 ， 构件级别 上 的反 复验算 。重复过 程较 在
关于分析理论的研 究文献 很多 ， 而关 于具 体设计 步骤
的研究文献 较少 。文 中结合 钢结 构 分析 设计 理论 的 最新 进展 ， 以钢结 构设计 规 范为 基础 ， 总结 出采 用高 等分析理论 的钢结 构设计 步骤 ， 比对 分析 了不 同条件
高等钢结构理论_第一讲
低温与腐蚀性介质：
低温使韧性降低，最终导致脆断。 腐蚀性介质会促成脆断并影响疲劳强度。 涂层防腐 耐候钢： ¾ 焊接结构用耐候钢（控制含铜、铬量）：焊接性能及力学性能良好 ¾ 高耐候性结构钢（含磷高）：耐候性好，但用于焊接结构时< 16mm
钢材的加工：
¾ 钢结构基本建造过程 工厂制造：
钢材的验收、整理和保管，包括必要的矫正。 按施工图放样，做出样板、样杆，并据此划线和下料。 对划线后的钢材进行剪切（焰割）、冲（钻）孔、刨边等加工；非平 直的零件需要通过煨弯和辊圆等工序来成型。 对加工过程中造成变形的零件进行整平（辊平、顶平）。 把零件按图装配成构件，并加以焊接（铆接）。 对焊接造成的变形加以矫正，甚至采取措施以减小或消除焊接残余 应力。 除锈和涂漆
钢材的加工：
¾ 焊接
焊缝金属具有铸造组织，不同于轧制钢材： ¾ 枝状组织 ¾ 化学元素的含量：含碳量稍低，氮、氧、氢高 9 应降低氧的含量（短弧焊、埋弧焊、气体保护焊）：热脆 9 含氢量高：大气和焊皮（低氢焊条、预热、后热）：微观裂纹 焊弧的高温使临近焊缝的钢材发生组织变化：热影响区 焊接变形及残余应力
非破坏性方法 ：利用X射线的衍射和声音的双折射 ¾ 光弹性方法 ¾ 声弹性方法 半破坏性方法 ： ¾ 钻盲孔法：测定带状板在应力梯度较小时的表面残余应力 ¾ 环孔法：由盲孔法发展而来，比盲孔法精确 ¾ 双平行槽法：在单向应力下，环孔可以用平行槽代替 破坏性方法 ： ¾ 逐次去层法：通过试件壁厚一侧的逐次去层，达到试件内部应力逐步释 放，并在另一侧贴上应变片测出逐次释放的应变，再算出残余应力分 布。 ¾ 切割法：先在试件中部划好线，并钻孔定标距；然后依次切割，测量每 一块小条上两标距点之间距离的改变，由该改变算出的应变即是残余应
高等钢结构理论-第二章
（a）压杆控制设计 （b）拉杆控制设计 网架荷载-挠度曲线
第二章 钢结构稳定问题概述
2.2 失稳的类别
第二章 钢结构稳定问题概述 早期钢结构稳定问题的分类
1. 平衡分岔（分支点）失稳（第一类稳定问题）
2.2 失稳的类别
二
对于理想的轴心压杆，在临界状态时，构件（结构）从初始的平衡位形 突变到与其邻近的另一平衡位形，表现出平衡位形的分岔现象。
第二章 钢结构稳定问题概述
2.5 稳定设计的几项原则
二
结构的整体布置须考虑整体和部分的稳定性要求
1
计算假定应与设计对象一致
2
细部构造应与稳定计算相互配合
3
The END
THANKS
二
稳定分岔屈曲
第二章 钢结构稳定问题概述 弹性稳定的分类
2. 不稳定分岔屈曲（有限干扰屈曲）
2.2 失稳的类别
二
超越临界状态后，只能在比临界荷载低的荷载下维持平衡位形。
承受轴向荷载的圆柱壳、承受均匀外压的圆球壳、缀条柱、薄壁型钢 方管等。
不稳定分岔屈曲
第二章 钢结构稳定问题概述 弹性稳定的分类
3. 跃越屈曲
平衡分岔（分支点）失稳
第二章 钢结构稳定问题概述 早期钢结构稳定问题的分类
2. 极值点失稳（第二类稳定问题）ຫໍສະໝຸດ 2.2 失稳的类别二
有缺陷的轴心受压构件和偏心受压构件发生的弹塑性失稳。
极值点失稳
第二章 钢结构稳定问题概述 弹性稳定的分类
1. 稳定分岔屈曲
超越临界状态后，荷载还能进一步增加。
2.2 失稳的类别
增大
临界力增大
第二章 钢结构稳定问题概述
2.4 稳定计算中的整体观点
桥梁高等钢结构理论
钢结构的研究、设计、施工甚至维护都是围绕上述三个方面的问题展开。 本科阶段：强度问题，部分简单的稳定问题；方法成熟、计算准确。
研究生阶段：稳定和疲劳问题。超百年研究史，稍复杂的问题仍难以从 理论上解决，特别是局部稳定和构造的疲劳问题，主要以 数值模拟和试验研究为主。
1.1 钢结构的强度问题
1.1.1 强度问题破坏形式
（1-12）
微分方程（1-12）的通解： y Acoskx B sin kx Q x 2k 2 EI
（1-13）
当Q=0时，图1-5为理想的轴心受压杆件，式（1-13）变为：
y Acoskx Bsin kx
（1-14）
位移边界条件：x=0,y=0; x=L, y=0; 解得：
（3）强度破坏（除个别受剪脆断及低温脆断外）大都为塑性破坏，即 破坏之前会出现明显的变形，容易被觉察并采取措施防止破坏。
钢结构设计的目的：
在于使结构的可靠与经济之间选择一种合理的平衡，力求以最经济 的途径与适当的可靠度满足各种预定的功能（安全性、耐久性）的要求。 就是说，结构设计的准则应为：由各种作用所产生的作用效应（内力和 变形）不大于结构和连接的抗力或限值（由几何参数、材料性能甚至荷 载性质决定）。
如果采用容许应力来描述式（1-4），设
R f
K
y
f 为钢材的屈服强度，a为构件截面几何特征 y
则式（1-4）可写成：
f
f
S y y [ ]
K KKK
K
123
（1-5）
对于原A3钢： K 1.231.143 1.41 对于原16Mn钢： K 1.231.175 1.45
[ ] 2400 1700 1.41
1.1.2 基于强度的钢结构设计方法发展概述
高等钢结构
总势能为极大值，平衡 状态是不稳定的；
不稳定平衡
（3）总势能保持不变，则为中性平衡
d 2 d 2 0
还要看总势能的高阶导 数是大于零、小于零还 是等于零才能判断
随遇平衡 (中性平衡）
弹性应变能U是外力作用下储藏在体系内 的能量，意味着外力去除后回复到原来状态的 能力。变形后应变能增加，因而始终为正值；
因此该折线平衡状态不稳定。
屈曲后的荷载--位移曲线：
0, P kl cos ;
, P 0;
2
二、不对称分枝现象（稳定性）
变形时杆上端荷 载点从A移到B， 弹簧压缩了 FB
斜向弹簧支撑刚性杆件
几何关系 :
EB l sin
FB l(sin cos 1) 2 OD l(sin cos ) 2 对O点弯矩平衡： P l sin kl2 (sin cos 1)(sin cos ) 2 0
解为两个：
（1） 0 （2） Pl 4k sin
可由能量和静力两个途径得到，如由静力
弹簧力矩： 2 k
轴力对C点力矩：
Pl 2
sin
平衡方程：
4k Pl sin 0
讨论两种平衡状态稳定性
（1）当 0 ，即杆系处于直线平衡状态时，
d 2
d 2
杆系的总势能为
U V 2k 2 P（l 1-cos）
总势能对角位移的导数为
d 4k Pl sin d
d 2
d 2
4k
Pl
cos
d 3
d 3
Pl
sin
由 d d 0
高等钢结构理论-4
高等钢结构理论-4高等结钢构理论(结钢硕构――士程课)济同大建学筑工系程1.钢构基本性能结特点及1.钢1生材对产材性影的响 .21钢加材工(施)工对件构能性的响1.3影外作界用对结钢性构的影能响2 .结钢构几个的特问殊题目录.12残余应力及其影2.2响钢构结稳定问的题2 3.结钢的构裂问断2题.4结构钢疲劳问题的第一3讲.钢结构本构件3基. 1拉杆3.轴2压心3.3杆受弯件构3.4弯构件压.4钢架框理论41 .失稳式形4 2.析分法方4 3.实际应用第二讲第三讲5.结构钢连接的5.焊1接.5螺2栓接连四第讲目录续)5.(混合3连接6 .钢结构构造设计7 .弯冷薄壁型结构的钢点8.特他其一些心关问题8的. 1塑性计设8 . 2抗钢结震8构3箱.形梁 .84受构件扭8.设计5中试的工作8.6验钢结构固设加计第讲五第六讲第七讲.5钢结构的连接.15接连形式：焊接铆、、普接通栓连螺接高、螺强连栓5.2接角缝焊连接角焊缝性的能：试验研究角缝焊的算计：计公式算有效厚和度度长理论究研缝群的计焊算5 3高强.螺栓接连抗螺栓连接剪：承受轴心剪力螺的连接：栓承受偏心剪的力栓连螺接：放孔和大加长孔剪拉合破联坏.5钢结构连的接(续).5高3螺栓连强(接)续抗螺拉栓接连高螺栓连强抗接拉能：性连接柔性的影板响螺栓和：板时计同的方算法：兼剪力承拉力和的栓连螺接承受重荷复的载栓螺连接抗剪接连：抗拉接连：54混合连.接6.钢结的构构造设计构设造计意义的处结构理的细部解：构件或决零件间的衔之问接重要题：性造构处往形成应往集中或局部力应、力时有不易精确算(数计值分、试验析究)、研避局免破坏而部影响构结性的能发挥影、施工响造(、质价等量) 构件拼接：的等截面拉、压杆变面柱截梁端板接中连的板厚度梁、梁接连:简连接支续和半连连连接续梁、柱连接. 6钢构的构造结计(设)续柔连性接半刚连性接刚性连接：柱脚柱的脚成构脚的计算柱架节桁点节的点侧刚向度节点受板力分析相关范规造构节点上偏心的抵抗疲的劳构造抵抗性断裂的脆构造连接形式焊:接现代钢结最构主的连接方要式9适用广构造简、单、省料省工、自动可、效率化。
钢结构稳定理论
❖ 与上一章讲的初弯曲、初偏心的影响相类似，δ0相当 于初弯曲和初偏心的影响。
钢结构稳定理论
❖ 弹性分析时，当δ→∞时，P=PE，即压弯杆件的弹性承
载力为PE。 下面给出证明：
0
1
1 P/
PE
P
PE
(1
0
)
(a)
dP
d
0
PE0 (1) 2
0
代入(a)式中，得：
P PE
❖ 本节为简支的压弯构件，其它边界条件时，求解方法 类似，结论类似。
y
i
d
dx
y
y
dx
y点处伸长 ❖ 中和轴以外为
量为y dθ
拉，以内为压
钢结构稳定理论
3）数值积分法（压杆挠曲线法）
❖ 具有初弯曲的压弯构件，假设条件最少，可适用于任 意情况。
❖ 截面上内弯矩：
M内＝－A EyIyj'd' Aj
弹性阶段 弹塑性阶段
有正负 拉＋，压－
钢结构稳定理论
❖ 具体求解过程如下： 1. 将压杆沿长度分成n段；
§4-1 有横向荷载作用的压杆的弹性弯 曲变形和稳定临界力
❖ 横向荷载 集中荷载 均布荷载
钢结构稳定理论
1）横向集中荷载作用的压弯构件
❖ 当0＜x≤l/2时，平衡方 程为：
M Py Q x
即：
2
EIy''Py Qx / 2
y''k 2 y Qx /(2EI )
❖ 所以方程的通解为：
其中：k 2 P / EI
✓ 当横向荷载不同时，弯矩的放大系数也有所不同。
钢结构稳定理论
2）弹性压弯构件平面内弯曲承载力验算
《高等钢结构理论》课件
钢结构的连接与构造
拼接方式和连接材料
详细说明几种典型的钢结构拼 接方式和各种连接材料的特点 以及使用方法。
节点构造和细节设计
讲解钢结构的节点构造和细节 设计，包括节点类型、强度验 算和防腐措施等。
构造验收和质量控制
结束语
本课程旨在帮助工程师更深入地了解钢结构的理论和实践，为未来钢结构领域的发展提供参考和支持。
谢谢观看！
钢材的分类和性能
概述常见的钢材分类和性 能参数，以及每种钢材在 钢结构中的应用。
钢结构设计的基本原理
讲解钢结构设计的基本原 理，包括力学分析、结构 优化和验算等。
钢结构载荷分析
1
荷载的分类和作用原理
2
详细说明荷载的分类和作用原理，包 括静态荷载、动态荷载和温度荷载等。
3
受力特点
介绍钢结构受力的基本特点，包括受 力形式、受力方向和受力损伤等。
《高等钢结构理论》PPT课件
一个实用性强的高等钢结构理论课件，包含钢结构基础、载荷分析、连接与 构造、设计和施工等多个部分，可为钢结构工程师提供参考。
前言
本课程将深入介绍钢结构的基础知识和设计流程，旨在为钢结构工程师提供 帮助和指导。
钢结构基础
定义和特点
介绍钢结构的定义、特点 以及与其他建筑结构的比 较。
介绍钢结构的构造验收标准和 质量控制要点，确保钢结构工 程施工质量。
钢结构的设计与施工
1 设计的步骤和流程
详细讲解钢结构设计的 步骤和流程，帮助工程 师高效完成设计工作。
2 施工的注意事项和
方法
讲解钢结构施工的注意 事项和方法，包括施工 流程、安全防范和质量 控制等。
3 安全管理和维护措施
高等钢结构理论-第四讲
第五
5.1 连接形式：焊接、铆接、普通螺栓连接、高强螺栓连接 5.2 角焊缝连接 角焊缝的性能：试验研究 角焊缝的计算： 计算公式 有效厚度和长度 理论研究 焊缝群的计算 5.3 高强螺栓连接 抗剪螺栓连接： 承受轴心剪力的螺栓连接： 承受偏心剪力的螺栓连接： 放大孔和加长孔 剪拉联合破坏
梁、柱连接
6. 钢结构的构造设计（续）
柔性连接 半刚性连接 刚性连接： 柱脚 柱脚的构成 柱脚的计算 桁架节点 节点的侧向刚度 节点板受力分析 相关规范构造 节点上的偏心 抵抗疲劳的构造 抵抗脆性断裂的构造
连接形式
焊接：现代钢结构最主要的连接方式 适用广、构造简单、省料省工、可自动化、效率高。 焊缝质量易受材料、操作影响，材性要求、焊接工艺、质量检查等 铆接：热铆、常温铆接。采用较少 传力可靠、韧性和塑性好、质量易检查，对常承受动力荷载作用、荷载 较大、跨度较大的结构仍采用。 费钢费工、需较大的铆合力 普通螺栓连接：A、B、C级（孔径差1.0~1.5mm） 装卸便利、设备简单。 连接不紧密、不宜受剪。 高强螺栓连接：摩擦型、承压型 摩擦型加工方便、对构件的削弱较小、可拆换，包含普通螺栓和铆接的 优点，目前成为替代铆接的优良连接； 制作、施工费用高。 射钉（薄钢板）、自攻螺钉（薄钢板） 、焊钉（钢、混）
3 (s in 2 β + 1 6 c o s 2 β ) 1 6 (1 + c o s 2 β )
进一步的理论研究： N
考虑变形能力
t g β = c1t g α
u
c1 = 2 ~ 4
极限承载力 分析基础
∆ m ax = ε t h f
高等钢结构
按构件受力方式可分为：单剪连接、弯矩连接、扭矩连接，及其与轴向力的组合连接，支撑连接(包括水平支撑、垂直支撑、斜支撑)。
按构件的连接方式可分为：单板连接、双板连接、单角钢连接、双角钢连接、端板连接。
按构件与构件间的连接可分为：梁-梁连接，梁-柱连接及其分别带有水平支撑和垂直支撑的连接，柱拼接(包括大小柱的拼接)。
定义 ·高层钢结构一般是指六层以上（或30ｍ以上），主要采用型钢、钢板连接或焊接成构件，再经连接、焊接而成的结构体系。
高层钢结构常用钢框架结构、钢框架――混凝土核心筒结构形式。
后者在现代高层、超高层钢结构中应用较为广泛，事实上，它属于钢――混凝土混合结构。
·特性 ·与混凝土高层相比：自重轻，截面小，可降低基础造价，室内有效面积大，与玻璃幕墙结合，建成现代感很强的建筑外形。
施工速度快、工业化程度高，可降低人工费用，增加建筑的投资回报率抗震性能较好，利于向高层、超高层发展。
绿色环保、可持续发展１２－１８层的高层钢结构造价可达到与混凝土持平，综合造价可望超过混凝土。
·应用范围 ·现代高层、超高层公共建筑，标志性建筑，商业中心，如：北京国贸中心、环球金融大厦。
星级饭店，旅馆，如：北京香格里拉饭店、长富宫饭店商用写字楼，综合楼，办公楼如：长春光大银行、上海国际航运大厦。
民用住宅，高层公寓。
民用住宅的开发与试点正在进行。
如：天津市梨园小区等。
·主要材料·型材：包括截面形式为：“Ｈ”型钢，“十”字形钢、“口”字型钢。
目前我国莱钢、马钢、鞍钢一厂自行生产的100mm—700mm的热轧“Ｈ”型钢，上海大通生产的高频焊接轻型H型钢均已投放市场。
钢承板：或是压型钢板，我国已能生产各种型号的压型钢板。
·政策指向 ·高层钢构的行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》已颁布，抗震规范已修订完。
高层建筑结构用钢国产化也已定了标准，并逐步实施。
L4 高等钢结构课件
▪4.1抗震性能评估4.1抗震分析方法性能参数我国规范规定的抗震分析方法4.2▪静力弹塑性分析的基本思想底部剪力法的计算过程：静力弹塑性分析的基本思想静力弹塑性分析方法的基本步骤侧向荷载分布模式▪均匀分布：静力弹塑性分析方法的具体方法能力谱方法是Freeman在1975年最先提出的，后能力谱曲线－结构将力－位移形式的需求谱曲线－地震作用将弹性反应谱曲线由加速度－周期形式转化为谱需求谱曲线将结构的能力谱和需求谱曲线绘制在一起，并将通过原结构等效线性体系的迭代分析得到需求位移－迭目标位移3.确定等效线性体系基本周期：4.确定等效线性体系阻尼比改进的能力谱法弹性反应谱到弹塑性反应谱的转换方法有很多，但静力弹塑性分析有待研究之处4.2.2时程分析法的实质就是对结构的动力方程采用数值积分按假定的加速度变化规律时程分析法可分为：时程分析－－运动方程离散结构的运动方程为：Newmark-Newmark-对上式积分可获得速度和位移表达式：将速度和加速度写成位移的表达式：Newmark-增量形式的运动方程：将速度增量、加速度增量写成位移增量的表达式：推导过程小结▪加速度的基本假定（全量、增量）4.3.1▪可以考虑各种影响因素复杂节点分析复杂节点分析复杂节点分析层间剪切模型层间弯剪模型对于高层框架、框架－剪力墙、框筒以及强柱弱梁型框架结▪分布塑性模型分布塑性模型分布塑性模型虽然一般可得到比较精确的计算结果，但是由于BEAM188/189集中塑性模型▪单分量模型不考虑轴向变形和剪切变形对刚度矩阵的影响弹性刚度矩阵－弯剪不考虑轴向变形和剪切变形对刚度矩阵的影响不考虑轴向变形和剪切变形对刚度矩阵的影响弹性刚度矩阵－弯剪不考虑轴向变形和剪切变形对刚度矩阵的影响不考虑轴向变形和剪切变形对刚度矩阵的影响弹性刚度矩阵－轴力弯剪理想弹塑性模型（1）单元的塑性变形集中发生在单元两端；不考虑轴向变形和剪切变形对刚度矩阵的影响理想弹塑性模型单元A梁端形成塑性铰条件梁截面的屈服柱截面的屈服FEMA273▪梁、柱、板域等构件具有统一的表达式多分量模型Clough最早提出了并联模型的概念，该模型假定杆件单元并联模型并联模型▪Aoyama对并联模型进行了改进，采用三个并联组件来模Giberson正式引入串联模型的概念，Otani又对串连模型串联模型－－纯弯串联模型－－弯剪在弹塑性刚度矩阵中虚拟弹簧刚度系数的确定是关键，虚拟弹参考资料。
高等钢结构理论专题4
高等钢结构理论专题不同边界条件和不同荷载形式下板的稳定对于四边简支的均匀受压薄板，由于假设的挠曲线的特点，可以很方便的采用力的平衡法求解出极限屈曲荷载，但是当板的边界条件不是四边简支时，由于假设的挠曲线表达式使得从微分方程方程中明了的分离出屈曲条件很困难，求解很不方便，因此以下对其他边界条件和荷载作用下的板的屈曲荷载采用能量法进行求解。
（一）用能量法求解板的屈曲荷载能量法中，需要建立板在微弯状态时的总势能。
总势能是板的应变能和外力势能的和。
对于如图所示的矩形薄板，作用有均匀的单位长度的压力p x ，p y 和剪力p xy 。
板的应变能U 和外力势能V 的表达式如下：dxdy y x w M y w M x w M U a b xy y x ⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂∂+∂∂+∂∂=0022222221 dxdy y w x w p y w p x w p V a b xy y x ⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂⨯∂∂+∂∂+∂∂-=00222)()(21 （式1） 采用瑞利－里兹法建立一个标量泛函Π，这里即是板的总势能，对于基本未知量挠曲面函数，假定为符合板的几何边界条件的试探函数：∑∑∞=∞==11),(m m mn y x f A w （式2）将此式代入泛函表达式V U +=∏中，积分后，根据势能驻值原理，建立一组0=∂∏∂ijA 的线性方程组，它们有非零解的条件是此方程组的系数行列式为零，即得到板的屈曲方程。
这里关键的步骤是假定合适的挠曲面函数。
（二）不同边界条件的单向均匀受压板的弹性屈曲荷载求解1． 三边简支薄板板的两个加载边是简支的，非加载边一边简支一边自由，p y ＝0，p xy ＝0，假定板的挠曲面函数为a xm fy w πsin = （式3） 此函数符合几何边界条件，当x ＝0和x ＝a 时，ω＝0；当y ＝0时，ω＝0；当y ＝b 时，ω≠0。
代入求得总势能Π，并根据势能驻值原理有：0)1(322222222=⎭⎬⎫⎩⎨⎧-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=∂∏∂a b m p a b m a b Dm f f x πυππ （式4） 又f ≠0，故求得当m ＝1时存在p x 的最小值，取钢材的υ＝0.3，得到板的屈曲荷载：222222)425.0(bDkb Da b p cr ππ=+= （式5）这里屈曲系数k ＝0.425＋b 2/a 2，当a>>b 时，k ＝0.425。
钢结构设计原理(张耀春 周绪红)高等教育出版社课后习题答案
《钢结构设计原理》复习题参考答案
一、填空题
1.承载能力极限状态、正常使用极限状态
2.轻质高强、材质均匀，韧性和塑性良好、装配程序高，施工周期短、密闭性好、耐热不耐火、易锈蚀。
3.塑性破坏、脆性破坏。
4.化学成分、钢材缺陷、冶炼，浇注，轧制、钢材硬化、温度、应力集中、残余应力、重复荷载作用。
5.应力集中、应力幅(对焊接结构)或应力比(对非焊接结构)、应力循环次数。
6.屈服点、抗拉强度、伸长率、冲击韧性、冷弯性能。
7.焊接连接、铆钉连接、螺栓连接
8.8hf、40mm 60hf
9.螺栓剪坏、孔壁挤压坏、构件被拉断、端部钢板被剪坏、螺栓弯曲破坏。
高等钢结构理论教学大纲
《高等钢结构理论》教学大纲
课程编号：
英文名称：Advanced Steel Structure Theory
课程类别：选修课学时：40 学分：2
适用专业：结构工程
预修课程：钢结构设计原理、结构力学、材料力学、弹性力学
课程内容：
本课程开设目的是为了加深学生钢结构理论知识，为今后钢结构方向的研究打下坚实基础。
具体内容为：钢材的两种破坏方式；脆性破坏的特点；常幅疲劳、变幅疲劳的概念、区别、验算方法。
焊接应力、焊接变形的产生原因；焊接应力对结构性能的影响；减少焊接应力、焊接变形的措施。
高强度螺栓抗拉连接的工作性能。
屈曲的分类；轴心压杆的弹性弯曲屈曲；初始几何缺陷、残余应力对轴心压杆极限承载力的影响；轴心压杆的非弹性弯曲屈曲。
受弯构件的弹性弯扭屈曲；受弯构件的弹塑性弯扭屈曲；压弯构件平面内的稳定承载力；稳定计算的能量法、瑞利——里兹法、伽辽金法；稳定计算的有限单元法。
教材：
王国周，瞿履谦. 钢结构原理与设计. 北京：清华大学出版社，1993
参考书目：
1. 陈绍藩. 钢结构设计原理. 北京：科学出版社，1998
2. 陈骥. 钢结构稳定理论与设计. 北京：科学出版社，2001
考核方式与要求：
读书报告或论文
19。
高等钢结构复习整理题答案
《高等钢结构》复习题（1） 按承载力极限状态和正常极限状态设计钢结构时，应考虑荷载效应的哪种组合？承载力极限状态：基本组合；正常使用状态：标准组合。
（2）钢材的设计强度是根据钢材的什么确定的？钢材的屈服强度y f 除以抗力分项系数R r 。
钢结构的塑性好、韧性好指的是什么？各用什么指标表示？塑性好，结构在静载和动载作用下具有足够的应变能力，可减轻结构脆性破坏的倾向，同时可通过较大的塑性变形调整局部压力。
韧性好，结构具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。
塑性：伸长率。
韧性：材料断裂时所吸收的总能量（包括弹性和非弹性）来度量。
钢结构的两种主要破坏形式是什么？各有什么特点？塑性破坏：破坏前构件产生较大的塑性变形，断裂后的端口呈纤维状，色泽发暗。
脆性破坏：破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，端口平直并呈有光泽的晶粒状。
（1） 钢材牌号是根据材料的什么命名的？同一牌号钢材为什么设计强度不同？钢的牌号由代表屈服点的的字母Q 、屈服点数值、质量等级符号（A 、B 、C 、D ）、脱氧方法符号四部分按顺序组成。
钢的牌号仍有质量等级符号，分为A 、B 、C 、D 、E 五个等级。
E 级主要是要求-40 C 的冲击韧性。
（2） 沸腾钢与镇静钢冶炼浇注方法的主要不同之处是什么？镇静钢脱氧充分，沸腾钢脱氧较差。
（3） Q235钢材A 、B 、C 、D 四个等级主要什么指标不同？A 级钢只保证抗拉强度、屈服点和伸长率，B 、C 、D 级钢均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、抗弯性和冲击韧性。
（4） 工字钢的翼缘和腹板性能是否相同？（9）如果钢材具有 较好的塑性和韧性 性能，那么钢结构在一般情况下就不会因偶然或局部超载而发生突然断裂。
（10）对于焊接结构，除应限制钢材中的硫、磷的极限含量外，还应限制碳 的含量不超过规定值。
（11）钢材的硬化，提高了钢材的 屈服点 ，降低了钢材的 塑性和韧性 。
（12）随着时间的增长，钢材强度提高，塑性和韧性下降的现象称为 时效硬化，俗称老化 。
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理论
（钢结构硕士——课程）
同济大学建筑工程系
1. 钢结构基本性能及特点
1.1 钢材生产对材性的影响
1.2 钢材加工(施工) 对构件性能的影响
1.3 外界作用对钢结构性能的影响
2. 钢结构的几个特殊问题
2.1 残余应力及其影响
2.2 钢结构的稳定问题
目
2.3 钢结构的断裂问题
2.4 钢结构的疲劳问题
5. 钢结构的连接（续）
5.3 高强螺栓连接 （续） 抗拉螺栓连接 ¾ 高强螺栓连接抗拉性能： ¾ 连接板柔性的影响： ¾ 螺栓和板同时计算的方法： 兼承剪力和拉力的螺栓连接 承受重复荷载的螺栓连接 ¾ 抗剪连接： ¾ 抗拉连接：
5.4 混合连接
6. 钢结构的构造设计
构造设计的意义 ¾ 处理结构的细部：解决构件或零件之间的衔接问题 ¾ 重要性：构造处往往形成应力集中或局部应力、有时不易精确计算（数 值分析、试验研究）、避免局部破坏而影响结构性能的发挥、影响施工 （造价、质量等）
试验表明：角焊缝变形能力随外力角度变化。
角焊缝的计算 (计算公式)
计算公式：
相关方程的演变:
σ2 ⊥
+
τ2 &
=1
f2 u ,w
(0 .7 5 f u ,w ) 2
σ2 ⊥
+
τ2 ⊥
+τ2 &源自=1f2 u ,w
(0 .7 5 f u ,w ) 2
(0 .7 5 f u ,w ) 2
σ
2 ⊥
构件的拼接： ¾ 等截面拉、压杆 ¾ 变截面柱 ¾梁 ¾ 端板连接中板的厚度
梁、梁连接： ¾ 简支连接 ¾ 连续和半连续连接
6. 钢结构的构造设计（续）
梁、柱连接 ¾ 柔性连接 ¾ 半刚性连接 ¾ 刚性连接：
柱脚 ¾ 柱脚的构成 ¾ 柱脚的计算
桁架节点 ¾ 节点的侧向刚度 ¾ 节点板受力分析 ¾ 相关规范构造 ¾ 节点上的偏心
偏心影响： 偏心力偶的作用 ¾ 长焊缝：可以忽略 ¾ 短焊缝：可能破坏或引起应力集中而破坏。 ¾ 中国规范最小长度：8 h f
美国规范AISC l w ≥ b
角焊缝的计算 (理论研究)
理论研究：基于塑性力学，对斜向角焊缝
N=
fu h f lw
6 − 3 sin 2 β
因此，对端焊缝
¾ 规范：无规定 有效长度：
¾ 剪应力的不均匀分布:
9 变形能力：上限 9 构造：刚度分布 ¾ 偏心影响：不能太短 ¾ 规范： 8、40、60 h f
变形能力
最大长度分析： δ = l w f y
2E
lw
=
2
E fy
× 1 ~ 1.4 m m
≈ 1745mm
欧洲规范：对横向加劲肋的角焊缝 l w ≥ 1 .7 m 时，折减
抵抗疲劳的构造 抵抗脆性断裂的构造
连接形式
焊接：现代钢结构最主要的连接方式 9 适用广、构造简单、省料省工、可自动化、效率高。
9 焊缝质量易受材料、操作影响，材性要求、焊接工艺、质量检查等 铆接：热铆、常温铆接。采用较少
9 传力可靠、韧性和塑性好、质量易检查，对常承受动力荷载作用、荷载 较大、跨度较大的结构仍采用。
8.1 塑性设计 8.2 抗震钢结构 8.3 箱形梁 8.4 受扭构件 8.5 设计中的试验工作 8.6 钢结构加固设计
第四讲 第五讲 第六讲
第七讲
5. 钢结构的连接
5.1 连接形式：焊接、铆接、普通螺栓连接、高强螺栓连接 5.2 角焊缝连接
角焊缝的性能：试验研究 角焊缝的计算：
¾ 计算公式 ¾ 有效厚度和长度 ¾ 理论研究 ¾ 焊缝群的计算 5.3 高强螺栓连接 抗剪螺栓连接： ¾ 承受轴心剪力的螺栓连接： ¾ 承受偏心剪力的螺栓连接： ¾ 放大孔和加长孔 ¾ 剪拉联合破坏
3. 钢结构基本构件
录
3.1 拉杆 3.2 轴心压杆
3.3 受弯构件
3.4 压弯构件
4. 钢框架理论
4.1 失稳形式
4.2 分析方法
4.3 实际应用
第一讲
第二讲 第三讲
目 录
（续）
5. 钢结构的连接
5.1 焊接 5.2 螺栓连接 5.3 混合连接
6. 钢结构构造设计 7. 冷弯薄壁型钢结构的特点 8. 其他一些关心的问题
9 费钢费工、需较大的铆合力 普通螺栓连接：A、B、C级（孔径差1.0~1.5mm）
9 装卸便利、设备简单。 9 连接不紧密、不宜受剪。
高强螺栓连接：摩擦型、承压型 9 摩擦型加工方便、对构件的削弱较小、可拆换，包含普通螺栓和铆接的 优点，目前成为替代铆接的优良连接； 9 制作、施工费用高。
+
1
.8
(τ
2 ⊥
+
τ
2 &
)
≤
f u ,w =
f /β
欧洲规范：β
σ
2 ⊥
+
3 (τ
2 ⊥
+
τ
2 &
)
≤
f
中国规范：
σ
(
β
f f
)2
+τ
2 f
≤
fw f
β f
= 1.22
角焊缝的计算 (有效厚度和长度)
有效厚度： 一般情况，焊喉厚度
¾ 气体保护焊、埋弧焊，溶深较大。（取小值） he = 1.2 a he = a + 2 m m
β 2
= 1.1 − lw
/17
对搭接角焊缝，有效长度与焊缝有效厚度α有关 l w ≥ 1 5 0α 时，折减
β 1 = 1 .2 − 0 .2 l j / (1 5 0 a )
中国规范： 6 0 h f 4 0 h f
刚度分布
原因： 最大长度分析：
lw ≥ 2tw + ct f
角焊缝的计算 (偏心影响)
射钉（薄钢板）、自攻螺钉（薄钢板） 、焊钉（钢、混）
角焊缝的性能
受力复杂： 试验研究:
¾ 承载能力: 9 受拉: 9 受剪: 9 同时受拉 和受剪
¾ 变形能力:
角焊缝的性能
试验研究: 破坏面倾角变化100到800之间. ¾ 变形能力: 能够经受较大的塑性变形是连接应该具有的优良性能.
N 90 =
fu 3
h f lw
对侧焊缝
N 90 = 1 .4 1
N0 =
fu 6
h f lw
N0
进一步的理论研究： N u = 考虑变形能力
f
w u
h
f
lw
(1 +
0.75ε t )
3 (1 + c o s 2 β )
tg β = c1tgα c1 = 2 ~ 4
∆ max = ε t h f
3(sin 2 β + 16 cos2 β ) 1 6 (1 + c o s 2 β )
极限承载力 分析基础
带缺陷情况下的数值极限分析： （咬边、欠焊、焊瘤、表面裂纹等）