第四章 钢结构设计原理-受拉构件和索
钢结构原理与设计
钢结构原理与设计
钢结构是一种广泛应用于建筑工程和其他工业领域的结构形式。
它由钢材构成，具有高强度、耐久性和灵活性等优点。
钢结构的设计原理基于力学和结构力学的知识，以确保结构的稳定性和安全性。
在钢结构的设计过程中，首先需要进行荷载计算，包括静力荷载和动力荷载。
静力荷载可以分为永久荷载和可变荷载，永久荷载包括自重、设备重量等，可变荷载包括使用荷载、风荷载等。
动力荷载包括地震荷载、振动荷载等。
设计师根据荷载计算结果进行结构的初步设计，确定结构的形式和尺寸。
常见的钢结构形式包括桁架结构、悬挑结构、刚架结构等。
结构的尺寸设计需要考虑受力情况、材料的强度和刚度等因素。
在结构的详细设计过程中，需要进行核心部件的强度计算和连接件的设计。
核心部件包括梁、柱、板等，设计师需要根据受力情况和荷载计算结果，确定核心部件的截面尺寸和钢材的型号。
连接件的设计包括螺栓、焊接等方式，设计师需要考虑连接件的强度和刚度，确保连接的可靠性。
此外，钢结构的设计还需要考虑施工和防火等因素。
在施工中，设计师需要提供施工图纸和施工工艺，确保施工的安全和顺利进行。
防火设计包括结构的耐火性能和防火涂料的选择，以提高结构的防火性能。
总之，钢结构的设计需要综合考虑力学、结构力学、荷载计算、材料强度、连接件设计、施工工艺等方面的知识，以确保结构的安全和可靠性。
设计师在设计过程中需要进行详细的计算和分析，以制定合理的设计方案。
同时，设计师还需要密切与建筑师、工程师和施工人员等其他相关人员合作，确保设计的实施与要求相一致。
钢结构设计原理 第四章-轴心受力构件
因此，失稳时杆件的整个截面都处于加载的过 程中，应力-应变关系假定遵循同一个切线模量 Et，此时轴心受压杆件的屈曲临界力为：
N cr ,t
2 Et I
2 二、实际的轴心受压构件的受力性能
在钢结构中，实际的轴压杆与理想的直杆受力性能之间差别很大，实 际上，轴心受压杆的屈曲性能受许多因素影响，主要的影响因素有：
一、理想轴压构件的受力性能 理想轴压构件是指满足下列4个条件： o杆件本身绝对直杆； o材料均质且各向同性； o无荷载偏心且在荷载作用之前无初始应力； o杆端为两端铰接。 在轴心压力作用下，理想的压杆可能发生三种形式的屈曲： 弯曲屈曲、扭转屈曲、弯扭屈曲——见教科书P97图4–6 轴心受压构件具体以何种形式失稳，主要取决于截面的形式 和尺寸、杆的长度以及杆端的支撑条件。
l N 2 EI 对一无残余应力仅存在初弯曲的轴压杆，杆件中点截面边缘开始 式中 N l2 NE 屈服的条件为：
0
1
经过简化为：
N N vm v0 v0 fy v m v0 v 1 1 N NE A W N N v0 N E fy A W NE N
An—构件的净截面面积_
N fy r f R An
P94式4-2
（1）当轴力构件采用普通螺栓连接时 螺栓为并列布置：
n1 n2 n3
按最危险的截面Ⅰ-Ⅰ 计算，3个截面净截面面积 相同，但 Ⅰ-Ⅰ截面受力最大。
N n
Ⅰ-Ⅰ：N Ⅱ-Ⅱ：N-Nn1/n Ⅲ-Ⅲ：N-N(n1+n2)/n
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
2 2
从上面两式我们可以看出，绕不同轴屈曲时，不仅临界力不同，且残余 应力对临界应力的影响程度也不同。因为k1，所以残余应力对弱轴的 影响比对强轴的影响严重的多。
钢结构原理-第4章轴心受力构件
存在，且都是变量，再 加上材料的弹塑性，轴 压构件属于极值点失稳， 其极限承载力Nu很难用 解析法计算，只能借助 计算机采用数值法求解。
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
缺陷通常只考虑影响最大的残余应力和初弯曲（l/1000）。 采用数值法可以计算出轴压构件在某个方向（绕 x 或 y 轴）的 柱子曲线，如下图，纵坐标为截面平均应力与屈服强度的比值， 横坐标为正则化长细比。
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.1 概述
4.1.1 定义：构件只承受轴心力的作用。 承受轴心压力时称为轴心受压构件。 承受轴心拉力时称为轴心受拉构件。
N
N
N
N
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.1.2 轴心受力构件的应用 平面及空间桁架（钢屋架、管桁架、塔桅、网架等）； 工业及民用建筑结构中的一些柱； 支撑系统；等等。
(a) N
(b) N
Hale Waihona Puke (c) NNN
N
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.4.3 理想轴心受压构件的弯曲屈曲 4.4.3.1 弹性弯曲屈曲
取隔离体，建立平衡微分方程
EyIN y0
用数学方法解得：N 的最 小值即分岔屈曲荷载 Ncr，又称 为欧拉荷载 NE 。
Ncr2EI/l2
对应的临界应力为：
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.4 轴心受压构件的整体稳定
概念：在压力作用下，构件的外力必须和内力相平衡。 平衡有稳定、不稳定之分。当为不稳定平衡时，轻微的扰 动就会使构件产生很大的变形而最后丧失承载能力，这种 现象称为丧失稳定性，简称失稳，也称屈曲。 特点：与强度破坏不同，构件整体失稳时会导致完全 丧失承载能力，甚至整体结构倒塌。失稳属于承载能力极 限状态。与混凝土构件相比，钢构件截面尺寸小、构件细 长，稳定问题非常突出。只有受压才有稳定问题。
【中南大学 钢结构 基本原理】第4章 受拉构件和索——打印版
钢结构基本原理 Design Principles of Steel Structure
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4.2.3 双向拉弯构件的强度
设计时考虑截面削弱和强度设计值fd，上式可写成：
边缘纤维屈服准则：
N An
+ Mx Wxn
+ My Wyn
≤
fd
全截面屈服准则：
N An
+ Mx Wpnx
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6
4.2.1 拉弯构件的强度计算准则
1. 边缘纤维屈服准则
受力最大截面边缘的最大应力达到屈服时即认为 拉弯构件达到了强度的计算值，拉弯构件处于弹 性工作阶段。
2. 全截面屈服准则
构件最大受力截面的全部受拉和受压区的应力都 达到屈服，该截面在拉力和弯矩共同作用下形成 塑性铰，拉弯构件进入塑性工作阶段。
于强度设计值fd，上式写成：
当
N An fd
≤ 0.13时 ， Mx Mpnx
≤
fd
当
N An fd
> 0.13 时 ， N An
+1 1.15
Mx Mpnx
≤
fd
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4.2.2 单向拉弯构件的强度
同理可得，当中和轴在翼缘内，绕强轴弯曲时：
N+
2+α +β
Mx = 1
Np α[2(1 + α ) + (1 + 2β )] Mpx
钢结构基本原理 Design Principles of Steel Structure
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钢结构设计原理复习思考题
第1章 绪论1. 钢结构具有哪些特点？（材料、结构形式、施工、工艺性、耐久性等）（P1）2. 钢结构的典型结构形式？分别利用了钢结构的什么特点？（P2~P5）3. 可靠度指标β的数学表达和物理意义分别是什么？（重点理解极限状态法的设计表达式）。
为什么脆性破坏结构的可靠度指标要求比延性破坏结构更高？构的可靠度指标要求比延性破坏结构更高？（（PPT58）4. 结构设计为什么要引入概率论与统计学理论。
结构设计为什么要引入概率论与统计学理论。
（（P7）5. 结构功能函数和设计组合控制方程的关系是什么？结构功能函数和设计组合控制方程的关系是什么？（（P7~P8）6. 正常使用极限状态、承载力极限状态两者的荷载组合存在什么差异？（P8）7. 设计基准期和结构设计使用年限的区别和关系是什么？设计基准期和结构设计使用年限的区别和关系是什么？（（PPT65）8. 荷载标准值、设计值、组合值、准永久值、频遇值的关系是什么？荷载标准值、设计值、组合值、准永久值、频遇值的关系是什么？（（PPT67~69）9. 钢结构连接的极限状态属于哪一种？其可靠性指标与构件相比谁高谁低？（P8）10. 正确区分工程结构遭遇的特定状态属于哪一种极限状态（P7、P9）第2章 钢结构材料1. 钢材拉伸试件的应力和强度这两个概念是否同一？2. 伸长率是如何定义的？3. 为什么对钢材有塑性的要求？（P13）4. 钢材的“三脆”分别指什么？（P25\P26）5. 钢材强度和塑性的评价指标主要有哪些？6. 如何理解“钢材的塑性指标比钢材的强度指标更重要”？ （P13、P21）7. 钢材的塑性和韧性有何差别？（P20~21）8. 若某一批钢材牌号为Q235时，是否钢材的屈服点就是235MPa ？（P36）9. 检验钢材质量可以采取哪些手段？其中有哪些基本试验方法？检验钢材质量可以采取哪些手段？其中有哪些基本试验方法？（第三节）（第三节）10. 钢材“怕冷”“怕热”的大致范围？高温和低温下可否使用钢结构？钢材“怕冷”“怕热”的大致范围？高温和低温下可否使用钢结构？（（P2、P28）11. 一块平板，经过冷加工成为圆管，再用一条焊缝将其焊起来，在焊接之前钢材经历了什么变化？在焊接之后钢材又经历了什么变化？（P27、39）12. 哪些因素对钢材性能有影响？分别有哪些影响？哪些因素对钢材性能有影响？分别有哪些影响？（（P24~P29）13. 你认为对钢材进行疲劳计算时，材料的抗力应采用什么指标？（P32~P34）14. 应力幅方法和应力比方法的适用范围及特点是什么？两者的荷载组合方式有什么特点？应力幅方法和应力比方法的适用范围及特点是什么？两者的荷载组合方式有什么特点？（（P32~P34） 15. 用应力幅方法进行疲劳设计时，焊接结构和非焊接结构有什么区别？用应力幅方法进行疲劳设计时，焊接结构和非焊接结构有什么区别？（（P34）16. 钢材的应力应变关系为什么可以简化为理想弹塑性？其关系曲线如何表达？若要考虑材料的强化特征，其关系曲线又该如何处理？曲线又该如何处理？（（P34）17. 请比较同种试件在单轴应力状态、复合异号应力、复合同号应力状态下的屈服强度大小，并给出证明（P30+PPT16） 18. 钢材质量等级的划分标准主要考虑什么因素影响？具体怎么划分？钢材质量等级的划分标准主要考虑什么因素影响？具体怎么划分？（（P36）19. 钢材硬化有哪些方式，其利弊如何？钢材硬化有哪些方式，其利弊如何？（（P27）20. 构件受压区的母材或者焊缝是否有必要进行疲劳验算？为什么？（P32）21. 焊条的牌号怎么解读？选用时有什么注意事项？焊条的牌号怎么解读？选用时有什么注意事项？（（P43）22. 什么是应力集中系数？比较下面几种开孔板件，在孔边附近哪一种的应力集中程度最大？应力集中和什么因素相关？相关？（（P28）23. 什么条件下设计计算需要考虑应力集中？什么条件下可不考虑?（P29）24. 钢材的疲劳破坏与哪些因素有关?（P32）第3章 钢结构连接1. 对接焊缝和角焊缝相比，在施工上各自有何特点？（3点）2. 焊缝中可能存在哪些缺陷？各自的影响体现在什么地方？焊缝中可能存在哪些缺陷？各自的影响体现在什么地方？（（P50）3. 弯剪作用下H 型钢梁柱连接时假定剪力由腹板承受的原因是什么？型钢梁柱连接时假定剪力由腹板承受的原因是什么？（（P57 图3.13）4. 异种钢焊接的焊条选用方法是什么，原因是什么？异种钢焊接的焊条选用方法是什么，原因是什么？（（P48）5. 引弧板对焊接及焊缝计算的影响分别是什么？（P55）6. 对接焊缝什么条件下不需要进行强度验算？Ⅰ级对接焊缝的强度指标与Ⅱ级、Ⅲ级有什么差异。
钢结构设计原理课本
钢结构设计原理课本钢结构设计原理是指钢结构在设计时遵循的一系列原则和方法。
钢结构是一种常用的建筑结构形式，具有刚性大、承载力强、质量轻、施工方便等优点。
因此，钢结构在建筑、桥梁、机械设备等领域得到了广泛应用。
在钢结构设计过程中，需要考虑钢结构的结构类型、材料选择、计算方法、设计原则、组件设计、施工及检验、维护保养等问题。
其中，钢结构的结构类型有框架结构、剪力墙结构、桁架结构、斜撑结构等。
材料选择则要考虑钢材的型号、规格、强度等因素。
计算方法则有载荷计算、构件计算、支座计算等。
设计原则则包括结构的安全性、经济性、合理性等。
组件设计则包1. 钢结构的基本概念1. 钢结构的基本概念钢结构是由钢材制成的建筑结构。
钢材是一种强度较大、质量较轻的金属材料，具有良好的可塑性和韧性，能够承受较大的拉应力和压应力。
因此，钢材在建筑工程中得到了广泛应用。
钢结构的主要优点有：刚性大、承载力强、质量轻、施工方便、维护保养方便等。
钢结构的主要缺点有：初始成本较高、抗震能力较差、抗腐蚀能力较差等。
钢结构的设计原则包括：安全性、经济性、合理性、可行性。
在设计过程中，需要考虑钢结构的结构类型、材料选择、计算方法、设计原则、组件设计、施工及检验、维护保养等问题。
2. 钢结构的类型及适用范围2. 钢结构的类型及适用范围钢结构的类型主要有框架结构、剪力墙结构、桁架结构、网架结构、屋盖结构等。
框架结构是指由横向构件和竖向构件组成的结构，其中横向构件起承重作用，竖向构件起支撑作用。
框架结构的特点是承载力强，刚度大，适用于高层建筑。
剪力墙结构是指由横向构件和竖向构件组成的结构，其中竖向构件起承重作用，横向构件起剪力作用。
剪力墙结构的特点是承载力强，刚度大，适用于中高层建筑。
桁架结构是指由桁架和横梁组成的结构，其中桁架起承重作用，横梁起分担桁架的承载力作用。
桁架结构的特点是刚度大，承载力强，适用于中高层建筑。
3. 钢结构的材料选择3. 钢结构的材料选择在钢结构设计中，材料的选择是十分重要的。
《钢结构基本原理》PPT课件
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第三节 钢结构课程的学习方法
根据教学大纲要求，课程只讲钢结构的基本构件、基 本原理部分，即前面六章内容；
本课程的特点是：大家对钢结构的感性认识少，结构 构造复杂，理论性强（特别是稳定理论）；
受课时限制，不能过多的详解例题，一定要记好笔记， 从机理理解一些理论问题，加强课前预习与课后复习；
第一章第一章绪论绪论第二章第二章钢结构材料钢结构材料第三章第三章钢结构连接钢结构连接第四章第四章轴心受力构件轴心受力构件第五章第五章受弯构件受弯构件第六章第六章拉弯与压弯构件拉弯与压弯构件22第一章第一章第一节第一节钢结构的特点与应用范围钢结构的特点与应用范围第二节第二节钢结构的设计计算方法钢结构的设计计算方法第三节第三节钢结构课程的学习方法钢结构课程的学习方法33第一节第一节钢结构的特点及应用范围钢结构的特点及应用范围一钢结构的特点一钢结构的特点11强度高强重比大强度高强重比大重量轻基础费用减少抗震性重量轻基础费用减少抗震性能好
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索穹顶结构
汉城奥运会体操馆
亚特兰大佐治亚穹顶 用编辑钢ppt量不到30 kg /m2
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重型厂房结构
西安变压器厂（400t吊车）
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21
容器和其他构筑物
大连西太平洋石化有限公司 1500立方米CF-62钢球罐
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陕西铜川天然气公司 1000立方米天然气球罐
东方明珠电视塔
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12
鸟巢
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13
鸟巢
容纳8万人，平面 为椭圆形,长轴 340m,短轴292m。 屋盖中间有一个 146m×76m的开口
钢结构 受拉构件及索课件
（4-20）
Wxn——绕截面主轴X轴的净截面模量； ——截面塑性发展系数，Wxn＜Wpnx
（4-12）为按边缘纤维屈服准则， 是直线；
N M 1 Af y W x f y
（4-14）为按全截面屈服准则， 是实际计算的曲线； （4-15）为按全截面屈服准则， 将曲线用直线代替；
N≤min（Np，Nu）= min（Afy，Anfu） （4-6）
工程设计中关于fy， fu：
屈服强度 fy，和极限强度 fu分别以其设计值fd，fud代替， 设计值的具体数值可以查规范。 fd = fy / R，fud=fu/uR， 其中： R和uR称为抗力分项系数，其含义见《钢结构 设计规范〉中的有关规定。
1） 避免自重下的挠曲；
目 的
2）避免动载作用下振动过大；
3）防止运输、安装过程中偶然碰撞引起杆件变形。
max
l0 [ ] i max
(4-11)
max 拉杆的最大长细比
l 0 计算拉杆长细比时的计 算长度；
i I 截面的回转半径； A
[ ] 构件的容许长细比，其取值详见规范或教材。
（1）拉弯构件绕强轴x轴受弯： ①中和轴在腹板内：
Mx (1 ) 2 N 2 ( ) 1 M px [2(1 ) a ] N p
(4-14a)
②中和轴在翼缘内，同理有： Mx N 2 1 (4-14b) N p 21 1 2 M px
4.2.3
双向拉弯构件的强度
1、边缘纤维屈服准则
N Mx My fy A Wex Wey
(4-21a) （4-21b）
N Mx My 1 N p M ex M ey
钢结构设计与原理
钢结构设计与原理钢结构设计原理是指在建筑或工程项目中，使用钢材构建承重系统的过程。
钢结构设计的主要原理包括静力学原理、疲劳强度原理、稳定性原理和刚柔结合原理等。
首先，静力学原理是钢结构设计的基础原理。
钢结构的荷载分析和力学计算必须符合静力平衡的原理，即荷载作用下构件受力平衡。
利用静力学原理进行荷载分析和合理受力设计，可以保证钢结构在使用过程中不产生过大的变形和应力，使其具有较好的稳定性和安全性。
其次，疲劳强度原理是钢结构设计的重要原理之一。
钢结构在使用过程中会承受反复的荷载作用，如果荷载幅值过大或荷载频率过高，可能会导致钢结构出现疲劳破坏，甚至发生局部或全局的崩塌。
因此，在钢结构设计中必须考虑到结构的疲劳寿命和设计寿命，通过疲劳强度原理来评估和设计结构的疲劳寿命，从而确保结构在设计寿命内不会发生疲劳破坏。
稳定性原理是指钢结构在受外力作用下保持稳定的原理。
在设计过程中，需要对结构进行稳定性分析，以确定结构的稳定性，并采取适当的措施来提高结构的稳定性。
稳定性分析包括考虑结构整体的稳定性和构件的局部稳定性，确保在荷载作用下结构不会产生失稳现象。
刚柔结合原理是指钢结构利用刚性构件和柔性构件相结合的原理。
刚性构件主要用于承担荷载，提供结构的刚度和强度，而柔性构件则用于吸收和分散荷载，起到减震和减小结构响应的作用。
刚柔结合的设计原则旨在提高结构的整体性能，如减小结构的动态响应、提高结构的抗震性能等。
除了上述原理之外，钢结构设计还需要考虑其他因素，如材料的力学性能、制造和施工工艺以及安全系数等。
钢材作为一种高强度材料，具有较好的力学性能，可以满足各种工程的要求。
同时，制造和施工工艺对于钢结构的设计也具有重要影响，需要确保结构的精度和质量。
此外，安全系数是钢结构设计中的重要参数，用于考虑结构的可靠性和安全性，确保结构在设计寿命内满足使用要求。
总之，钢结构设计的原理包括静力学原理、疲劳强度原理、稳定性原理和刚柔结合原理等，通过合理应用这些原理来设计钢结构，可以确保其具有较好的稳定性、安全性和可靠性。
钢结构设计原理
钢结构设计原理
钢结构设计原理是指在建筑工程中，根据建筑设计需求和使用要求，针对钢材的特性和力学性能进行设计，以确保结构的稳定性、安全性和耐久性。
钢结构设计原理的目标是通过最佳的结构形式和合理的钢材配置，使建筑物能够承受外部荷载并传递到地基，同时尽量减小结构的中心偏移和挠度。
钢结构设计原理主要包括以下几个方面：
1. 荷载计算：根据建筑物所处位置和用途，确定设计荷载，包括自重、活载、风载、地震力等。
通过计算和分析，确定不同荷载作用下结构的内力和变形。
2. 结构形式选择：根据建筑物的功能、承载条件和空间要求，确定最适合的结构形式，如框架结构、桁架结构、空间网架等。
同时，结合建筑风格和美学要求，进行结构的布局和连通方式的选择。
3. 钢材选择和配置：根据结构荷载和内力计算结果，选择合适的钢材材质和规格。
同时，根据结构的受力特点和形式，进行钢材的布置和连接方式的设计，确保各构件之间的力学连续性和协调性。
4. 钢结构的稳定性和抗震设计：钢结构在受力情况下，需要具备足够的稳定性和抗震能力。
因此，在设计中需要考虑结构的整体稳定性和构件的局部稳定性，并进行必要的抗震措施设计，包括设置抗震支撑、刚性连接等。
5. 钢结构的验算和构造设计：通过力学计算和静力计算，对结构进行强度和刚度验证，并进行优化设计。
同时，进行构造设计，确保结构的施工、连接和拆卸方便可行。
6. 钢结构的防腐防火设计：钢结构需要进行防腐蚀和防火处理，以提高结构的使用寿命和安全性。
因此，在设计中需要考虑防腐防火材料的选择和处理方式。
通过以上钢结构设计原理的考虑和分析，可以最终得到满足建筑要求的安全、经济和美观的钢结构设计方案。
钢结构设计原理
钢结构设计原理钢结构作为现代建筑中广泛应用的一种结构形式，具有强度高、自重轻、施工速度快等诸多优点。
要实现钢结构的安全、可靠和经济，就必须深入理解钢结构设计的原理。
钢结构设计的首要任务是确保结构的安全性。
这意味着在设计过程中，需要充分考虑各种可能的荷载情况，包括静荷载（如结构自身的重量）、活荷载（如人员、设备、家具等的重量）、风荷载、雪荷载以及地震作用等。
通过精确的计算和分析，确定钢结构构件在不同荷载组合下的内力和变形，从而选择合适的截面尺寸和材料强度，以保证结构在使用过程中不会发生破坏或失稳。
在进行荷载计算时，需要遵循相关的设计规范和标准。
例如，我国的《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）就对各类荷载的取值和组合方法做出了详细的规定。
设计师必须熟练掌握这些规范，并根据具体的工程情况进行合理的选用。
除了考虑荷载，钢结构的稳定性也是设计中至关重要的一个方面。
钢结构构件在受压时，可能会因为失稳而导致结构破坏，这种破坏往往具有突然性，事先没有明显的征兆。
因此，在设计中需要通过计算构件的长细比、计算长度等参数，来评估其稳定性，并采取相应的加强措施，如增加支撑、设置加劲肋等。
钢结构的连接设计同样不容忽视。
连接节点的可靠性直接关系到整个结构的整体性和安全性。
常见的连接方式有焊接、螺栓连接和铆钉连接。
焊接连接具有强度高、整体性好的优点，但焊接质量容易受到焊接工艺和焊工技术水平的影响；螺栓连接施工方便，便于拆卸和更换，但在承受动力荷载时，可能会出现松动；铆钉连接则在一些特定的场合中使用。
在设计连接节点时，需要根据受力情况、施工条件等因素，选择合适的连接方式，并确定连接的尺寸和强度。
材料的选择也是钢结构设计中的关键环节。
钢结构常用的材料有碳素结构钢和低合金高强度结构钢。
碳素结构钢价格相对较低，但强度和韧性较差；低合金高强度结构钢具有较高的强度和良好的韧性，但价格相对较高。
设计师需要根据结构的受力特点、使用环境以及经济因素等，综合考虑选择合适的钢材品种和牌号。
第4章-钢结构基本原理受拉构件
受拉钢构件刚度控制的方式：限制长细比
[ ] ——最大长细比限值，由设计规范规定
普通钢结构为250~350
§2 索
一、轴心受力刚性构件与柔性构件
参阅§4.3
刚性构件的力——变形关系 （弹性范围） N N k u k Const
柔性构件的力——变形关系
N k ( N ) u k Variable
2
1
1-1
2-2
3-3
钢索示例
钢索示例
钢索示例
f y —— 屈服点
工程计算公式
N An f d ,
N fd An
fd f y / R 或 fd f y / K
§1 轴心受拉构件
一、截面强度
参阅§4.1.2
为防止构件过大塑性变形，应满足 N A f y
(1)
截面局部削弱处塑性变形总量不大，可采用
轴心受拉构件应同时满足以上两式。
受拉构件
Tension Member
第一节 轴心受拉构件 第二节 索
结构系统中的构件
结构系统中的“拉杆”
结构系统中的“拉杆”
§1 轴心受拉构件
轴心受拉构件的截面选择
轴心受拉构件的截面形式 p.77 图
§1 轴心受拉构件
一、截面强度
截面承载力（强度问题）
参阅§4.1
N u An f y An —— 净截面；（最小受力截面）
N An f u (2)
fd f y / R , f ud f u / uR 工程设计中采用强度设计值，
因拉断破坏考虑较大安全度，一般规范中 则工程设计中式(2)应为
R / uR 0.8
N An f ud
钢结构第四章
14.1轴心受力构件的截面形式4.2轴心受力构件的强度和刚度计算4.2.1 轴心受力构件的强度计算4.2.2 轴心受力构件的刚度计算4.3 轴心受压构件的整体稳定4.3.1 轴心受压构件的弹性弯曲屈曲4.3.2 轴心受压构件的弹塑性弯曲屈曲4.3.3初始缺陷对压杆稳定承载力的影响4.3.4 轴心受压构件的整体稳定计算24.4 实腹式轴心受压构件的局部稳定4.4.1 薄板屈曲(1) 薄板的弹性屈曲(2) 薄板的弹塑性屈曲4.4.2 受压构件局部稳定计算4.4.2.1 确定板件宽厚比(高厚比)限值的准则4.4.2.2 板件宽厚比(高厚比)限值4.4.2.3受压构件的腹板不满足高厚比限值时的处理例题－格构柱例题－轴压柱，截面削弱34.5.2 格构式轴压构件的整体稳定计算(1) 格构式构件绕实轴的整体稳定计算(2) 格构式构件绕虚轴的整体稳定计算①换算长细比②格构式构件绕虚轴的整体稳定计算4.5.3 格构式轴心受压构件分肢的稳定(1) 缀条柱(2) 缀板柱4.5.1 格构式轴心受压构件的截面形式与组成4.5 格构式轴压构件44.5.4 格构式轴心受压构件缀材计算(1) 缀材面承担的剪力①单缀条强度设计值的调整②斜缀条承受的轴向力(2) 缀条设计(3) 缀板设计③斜缀条整体稳定计算④缀条与分肢连接焊缝计算⑤缀条与分肢连接形式(4) 横隔设置①缀板受力②缀板与分肢连接③缀板线刚度54.6 轴心受压构件截面设计4.6.1 实腹式轴心受压构件截面设计4.6.2 格构式轴心受压构件截面设计(3) 截面验算(1) 确定截面所需的面积、回转半径、截面高度、截面宽度等(2) 确定型钢号或组合截面各板件尺寸(1) 根据绕实轴的稳定性确定分肢截面尺寸(2) 根据虚轴和实轴的等稳性确定分肢的间距(3) 截面验算(4)缀材设计7轴心受力构件：承受通过构件截面形心轴线的轴向力作用的构件。
(轴心受拉构件和轴心受压构件)截面形式型钢截面组合截面热轧型钢截面冷弯薄壁型钢截面实腹式组合截面格构式组合截面4.1轴心受力构件的截面形式应用：屋架、托架、塔架和网架、工作平台和其它结构的支柱等8实腹式构件：格构式构件：优点：构造简单、制造方便，整体受力和抗剪性能好缺点：截面尺寸大时钢材用量较多。
钢结构 第四章11
4.5
柱头和柱脚
一、梁与柱的连接 方位： 1. 顶部连接 2. 侧面连接 支撑方式 1. 铰接 2. 刚接
柱的顶部与梁（桁架）连接的部分称为柱头。 作用是通过柱头将上部结构的荷载传到柱身。
柱的顶部与梁（桁架）连接的部分称为柱头。 作用是通过柱头将上部结构的荷载传到柱身。 设计的原则：传力明确、 安全可靠、 经济合理， 便于制造和安装。
式中： A — 两个柱肢的毛截面面积之和； A1x — 斜缀条的毛截面面积之和； λ — 整个柱对虚轴的长细比。
x
2
2、绕虚轴（x-x轴） 需要先计算，换算长细比，再以此查稳定系数， 查出稳定系数后的计算公式，为
N x f A
双肢缀板柱
λ 0x
λ 1 l 01 i1
λ λ
第4 章
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
轴心受力构件
概述 轴心受拉构件 实腹式轴心受压构件 格构式轴心受压构件 柱头和柱脚的设计
４.１ 概述 一、定义：
指只承受通过构件截面形心线的轴向力作用 的构件。
轴心受力构件广泛应用于各种钢 结构之中，如网架与桁架的杆件、 钢塔的主体结构构件、双跨轻钢厂 房的铰接中柱、带支撑体系的钢平 台柱等等。
4.3.1 轴心受压构件的强度和刚度
一、强度
N σ f An
λy l 0y iy λ
二、刚度要求
l 0x λx λ ix
４.３.2 轴心受压构件的稳定问题
一、稳定问题的概念 • 稳定平衡状态是指结构或构件或板件没有
突然发生与原受力状态不符的较大变形而起头承 载能力的状态。 • 突然发生与原受力状态不符的较大变形而丧失承 载能力叫丧失稳定(简称失稳)。 • 失稳之前的最大力则称为稳定承载力或临界力 —— 相应的应力称为临界应力
钢结构设计原理
钢结构设计原理钢结构是一种广泛应用于建筑领域的结构形式，具有高强度、轻质、可靠性强等优点。
钢结构设计的原理是在满足强度和稳定性等基本要求的前提下，通过合理的结构形式和优化设计，使结构具备较好的承载能力和抗震性能。
本文将从结构选择、荷载计算、构件设计和连接设计等方面介绍钢结构设计的基本原理。
一、结构选择钢结构的结构形式多样，常见的有钢框架结构、钢柱-钢梁结构和钢筋混凝土-钢结构混合结构等。
在选择结构形式时，应根据建筑功能和使用要求、工程条件、经济性等因素进行综合考虑，确保结构设计满足使用需求并具备经济性。
二、荷载计算钢结构的荷载计算是确定结构受力状态和设计荷载的过程。
主要包括自重、活荷载、风荷载和地震荷载等。
荷载计算应按照国家规范和相关标准进行，考虑荷载的组合效应，确保结构具备足够的承载能力和稳定性。
三、构件设计钢结构构件的设计是确定构件尺寸、截面形状和钢材的选择等。
构件设计应满足结构受力平衡和强度要求，通过优化计算和设计，确保构件具备足够的抗弯、抗剪和承载能力，提高结构的整体性能。
1. 钢柱设计：钢柱是钢结构的承重构件，通常采用H型钢柱。
钢柱的设计应考虑轴压、弯矩和剪力等作用下的稳定性，选择合适的截面尺寸和钢材规格，确保柱子不发生屈曲和翻转等失稳破坏。
2. 钢梁设计：钢梁是承载荷载并将其传递到支座或柱子上的构件，通常采用H型钢梁。
钢梁的设计应考虑弯矩、剪力和挠度等要求，选择合适的截面尺寸和钢材规格，确保梁的强度和刚度满足设计要求。
四、连接设计钢结构连接的设计是确定构件之间的连接方式和连接件的选择。
连接设计应满足结构刚度、强度和稳定性等要求，确保构件之间的传力与变形的有效传递。
常用的连接方式包括焊接连接、螺栓连接和高强度螺栓连接等。
1. 焊接连接：通过焊接件将构件连接在一起，形成整体结构。
焊接连接具有较好的刚性和抗震性能，适用于大跨度和复杂形状的结构。
焊接连接的设计应符合焊接工艺和规范的要求，确保焊缝的质量和强度满足设计要求。
钢结构受弯构件计算原理教学课件PPT
第四章 受弯构件的计算原理
腹板边缘处的局部承强度的计算公式为：
要保证局部承压处的局 部承压应力不超过材料 的抗压强度设计值。
c
F
tw lz
f
（4.2.7）
F—集中荷载，动力荷载作用时需考虑动力系数 ，重级工作 制吊车梁为1.1，其它梁为1.05；
—集中荷载放大系数（考虑吊车轮压分配不均匀），重级
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第四章 受弯构件的计算原理
（塑性发展系数）与截面形状有关，而与材料的性质无
关，所以又称截面形状系数。不同截面形式的塑性发展系数
见P110表4.2.1 。
梁的抗弯强度应满足：
（1）绕x轴单向弯曲时
Mx fy f xWx R
（2）绕x、y轴双向弯曲时
（4.2.2）
Mx My f xWnx yWny
（4.2.3）
Mx、My ——梁截面内绕x、y轴的最大弯矩设计值；
Wnx、Wny ——截面对x、y轴的净截面模量；
x、y ——截面对x、y轴的有限塑性发展系数，小于； f ——钢材抗弯设计强度 ；
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
3. 整体稳定指梁不会在刚度较差的侧向发生弯扭失稳，主 要通过对梁的受压翼缘设足够的侧向支承，或适当加大梁截 面以降低弯曲压应力至临界应力以下。
4. 局部稳定指梁的翼缘和腹板等板件不会发生局部凸曲失 稳，在梁中主要通过限制受压翼缘和腹板的宽厚比不超过规 定，对组合梁的腹板则常设置加劲肋以提高其局部稳定性。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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4.1.1 截面形式
热轧型钢和冷弯薄壁型钢－受力较小时 型钢或钢板组成的实腹式截面－受力较大时 型钢组成的格构式截面－构件较长且受力较大时
4.1.2 轴心受拉构件的强度
1. 截面无削弱时的强度
• 以截面的拉应力达到屈服点作为轴拉构件的强度准则。(强化阶段已无意义)
My Wpny
fd
N An
Mx
xWxn
My
yWyn
fd
4.2.4 拉弯构件的稳定问题
轴拉构件：不产生压应力，不存在稳定问题。
拉弯构件：
N M 0 AW N M 0 AW
应考虑稳定 不考虑稳定
拉弯构件稳定包括整体稳定和局部稳定。
N很小时，可仅考虑弯矩作用下的整体稳定； N较大时，应考虑N对受弯整体稳定的有利作用。
NP Af y
• 工程设计：
N Nd Afd 即 N A fd f y R Q235 : R 1.087 Q345 / 390 / 420 : R 1.111
2. 截面有削弱时的强度
• 屈服截面应力重分布，削弱截面 平均应力达到抗拉强度而破坏。
Nu An fu
• 构件不破坏的条件为：
• 净截面位置一般在构件的拼接处或 构件两端的节点处。
• 若工字型截面上、下翼缘和腹板都 有拼接板，力可通过腹板、翼缘直 接传力。
• 该连接构造净截面全部有效。
• 有些连接构造中，净截面不一定均能发挥作用，如仅上、下翼缘设有连 接件的工字型截面。
• 在力接近连接处时，截面应力从均匀转为不均匀分布，该截面未全部发
q2
H
2
q02 H02
需用迭代法求解拉力
4. 索的变形协调方程
• 引入折算刚度Ks，用只能受拉不能受压的直线拉杆代替索，通过反复 迭代确定计算精度。
l
uB
uA
l EA
H
H0
l2 24
q2 H2
q02
H
2 0
(t
0)
T
H
H
H0=
EA l
EAl 2
1+
1
q02 H
2
q
2
H
2 0
局部稳定一般用控制高厚比和设加劲肋来保证。
4.2.5 拉弯构件的刚度
max
l0 i
max
长细比控制
当M较大时，还应进行挠度计算，计算时可忽略轴向拉力对挠度的有利影响。
§ 4.3 索的力学特性和分析方法
4.3.1 截面型式 4.3.2 单索受力分析 4.3.3 单索的简化计算
4.3.1 截面型式
l
24
H
H0
H
2
H
2 0
T
f l 很小，取T H
Ks
T l
=
EA c c l
１
1+
EAl2 q02T 2 q2T02
24T T0 T 2T02
T l
l
Ks
=
EA l
c
q=q0
c
１
1+
EAl2q02 T T０
24T 2T02Biblioteka T≈T0c１
1+
EAl 2q02 12T03
• 关于截面强度
本章小结
净截面概念和算法 净截面效率系数 轴力和弯矩共同作用下的边缘屈服准则、全截面屈服准则和截面 部分塑性发展准则 屈服轴力、屈服弯矩和极限弯矩概念
• 关于受拉构件刚度
工程构件长细比的方向性
• 索的力学特点
N An fd
4.1.4 受拉构件的刚度
长细比控制
max
l0
i max
§ 4.2 拉弯构件
4.2.1 拉弯构件的强度计算准则 4.2.2 单向拉弯构件的强度 4.2.3 双向拉弯构件的强度 4.2.4 拉弯构件的稳定问题 4.2.5 拉弯构件的刚度
4.2.1 拉弯构件的强度计算准则
1. 边缘纤维屈服准则
•
索的曲线方程(悬链曲线)：
z
H q
cosh
cosh
2
l
x
• 跨中垂度f：
f H cosh 1
q
3. 索的长度计算
ds 1 (dz / dx)2 dx s AB ds 0l 1 (dz / dx)2 dx
幂级数展开
s
l
1
c2 2l 2
8f 2 3l 2
s
l
1
8f 2 3l 2
圆钢筋、钢绞线、钢丝绳、钢丝索
钢绞线：钢丝组成(b)—1+6 钢丝绳：7股钢绞线组成(c) 钢丝索：平行钢丝组成。
4.3.2 单索受力分析
1. 基本假定：
(1) 索为理想柔性，既不能受压， 也不能抗弯。
(2) 索材料符合虎克定律。 加预应力消除初始非弹性变形。
2. 索的平衡方程 (1) 受沿水平均布荷载作用的索
2. 按全截面屈服准则计算时的强度 N f y 1 2c Aw
2. 按全截面屈服准则计算时的强度
(绕强轴弯曲，中和轴在腹板内)
同理可得：
绕强轴弯曲，中和轴在翼缘内 绕弱轴弯曲，中和轴在腹板内 绕弱轴弯曲，中和轴在翼缘内
偏安全取N－M相关曲线为直线(图中虚线)
N M 1 或 N M 1
第 4 章 受拉构件及索
主要内容：
➢ 轴心受拉构件 ➢ 拉弯构件 ➢ 索的力学特性和分析方法
重点：
➢ 轴心受拉构件的强度计算 ➢ 单向拉弯构件的强度、刚度计算 ➢ 双向拉弯构件的强度、刚度计算
第 4 章 受拉构件及索
§4.1 轴心受拉构件 §4.2 拉弯构件 §4.3 索的力学特性和分析方法
§ 4.1 轴心受拉构件
受力最大截面边缘的最大应力达到屈服时即认为 拉弯构件达到了强度的计算值，拉弯构件处于弹 性工作阶段。
2. 全截面屈服准则
构件最大受力截面的全部受拉和受压区的应力都 达到屈服，该截面在拉力和弯矩共同作用下形成 塑性铰，拉弯构件进入塑性工作阶段。
3. 部分发展塑性准则
构件最大受力截面的部分受拉和受压区的应力达 到屈服，拉弯构件处于弹塑性工作阶段。
Af y Wx f y
γ----塑性发展系数。见145 表6-1
设计时考虑截面削弱和最大应力低于强 度设计值fd：
N An
Mx
Wn x
fd
Wnx Wpnx
(4-19)
4.2.3 双向拉弯构件的强度
边缘纤维屈服准则： N M x M y 1
N p M ex M ey
全截面屈服准则：
N Mx My 1 N p M px M py
部分发展塑性准则：
N Mx My 1
N p xMex y Mey
截面强度极限状态在内 力空间的外凸曲面
设计时考虑截面削弱和最大应力低于强度设计值fd，上式可写成：
N An
Mx Wxn
My Wyn
fd
N An
Mx Wpnx
Np Mp
Af y Wp f y
考虑截面削弱和最大应力低于强度设计值fd：
N An
M WPn
fd
对于工字形截面绕强轴弯曲的情况，可更近似采用两直线来代替：
设计时考虑截面削弱和最大应力低于强度设计值fd，上式写成：
3. 按部分发展塑性准则计算时的强度
应力分布介于弹性和全截面屈服之间。
N－M相关曲线也可采用直线： N Mx 1
（若c 0）
4. 索的变形协调方程
H
H0 EA
l
uB
uA
1 2
0l
dz dx
2
dz0 dx0
2
tl
• 当不考虑支座位移和温差变化，即c=0、Δt=0时：
1 2
0l
dz dx
2
dz0 dx0
2
s s0
8 3
f
2
l
f02
H
H0
8EA 3
f
2 l2
f02
EAl 2 24
•
挠度与水平张力的关系：
H ql2 8f
• 索的曲线方程(抛物曲线)： z 4 fx(l x) c x
l
l
• 索各点张力为： T H 1 (dz / dx)2 T H (若 f / l 0.1， (dz / dx)2 0)
(2) 受沿索长均布荷载作用的索
• 将q等效成沿水平分布的荷载qx : qx q 1 (dz / dx)2
挥作用，设计时应采用有效净截面面积Ae来计算。
• 有效净截面率： ＝Ae An 1 a l
有效净截面 Ae
• 有效净截面率： ＝Ae An 1 a l
影响因素：
(1) 连接长度l ； (2) 连接板至“连接”截面形心的距离a
有效净截面 Ae
• 受拉构件主要由强度控制，截面连接处为其危险截面，应采 用有效净截面验算：
N min Np, Nu min Afy , An fu
• 工程设计时：
N An fud An fd
fud fd
An fd
fu fy
R uR
0.8An
fd
fu fy
R uR
0.8
一般，fu/fy>1.25
N An fd 或
N An
fd
4.1.3 受拉构件的有效净截面
4.2.2 单向拉弯构件的强度
1. 按边缘纤维屈服准则计算时的强度
N A
Mx Wx
fy
或
N Mx 1 N p M ex
(N p =Af y ,M ex =Wx f y )