钢结构设计原理

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本课程的基本要求

1.了解钢结构的应用和发展概况,掌握钢结构的特点； 1.了解钢结构的应用和发展概况,掌握钢结构的特点； 了解钢结构的应用和发展概况 2.理解“钢结构”的计算方法； 2.理解“钢结构”的计算方法； 理解 3.掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素， 3.掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素，并 掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素 能正确地选择钢材； 能正确地选择钢材； 4.了解杆件和板件稳定的基本理论， 4.了解杆件和板件稳定的基本理论，理解影响稳定性 了解杆件和板件稳定的基本理论 的主要因素及提高稳定性的措施； 的主要因素及提高稳定性的措施； 掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件( 5. 掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件(梁、 柱和屋架)的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。 柱和屋架)的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。

6.理解构件间的连接方法、 6.理解构件间的连接方法、力的传递方式和过程以及 理解构件间的连接方法 构造原则； 构造原则； 7.熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。 7.熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。 熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范

教学参考书及规范: 教学参考书及规范

1.钢结构 1.钢结构 魏明钟 主编 武汉工业大学出版社

GB500172.钢结构设计规范 （GB50017-2003) 2.钢结构设计规范 3.钢结构工程施工质量验收规范 3.钢结构工程施工质量验收规范 （GB50205-2001) GB50205-

第一章 绪 论

大纲要求

掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围。 1. 掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围。 2．理解钢结构按极限状态的设计方法，掌握其设 理解钢结构按极限状态的设计方法， 计表达式的应用。 计表达式的应用。 了解钢结构在我国的发展趋势。 3．了解钢结构在我国的发展趋势。

§1.1 钢结构的特点和应用范围

一、钢结构的特点

1.轻质高强; 1.轻质高强; 轻质高强 由于钢材强度高， 由于钢材强度高，结构需要 的构件截面小,结构自重轻。 的构件截面小,结构自重轻。 a=容重/强度, a越小 越小， a=容重/强度, a越小，结构 容重 相对越轻。 相对越轻。 钢材：a=1.7～3.7× 钢材：a=1.7～3.7×10-4/m； 木材：a=5.4× 木材：a=5.4×10-4/m； 钢砼： 18× 钢砼：a= 18×10-4/m；

澳大利亚啤酒中心

2.钢材的塑性 韧性好 2.钢材的塑性和韧性好； 钢材的塑性和 塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量。 塑性和韧性是概念上完全不同

的两个物理量。 是概念上完全不同的两个物理量

塑性——承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。 承受静力荷载时，

塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而 塑性好， 突然断裂，给人以安全保证； 突然断裂，给人以安全保证；

韧性——承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。 承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。

韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。 韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。

3.材质均匀、各向同性，接近理想的弹塑性体， 3.材质均匀、各向同性，接近理想的弹塑性体，与力 材质均匀 学假定符合较好; 学假定符合较好; 钢材屈服前看作弹性材料, 钢材屈服前看作弹性材料,屈服以后看作塑性 或弹塑性材料 4.制作、安装简便，工期短，符合工业化要求; 制作、安装简便，工期短，符合工业化要求;

国 家 大 剧 院 屋 架 安 装 钢结构住宅

5、密闭性好，不渗漏; 密闭性好，不渗漏; 6、钢材耐热性好，耐火性差; 钢材耐热性好，耐火性差; ℃以上或在 当结构表面长期受辐射热达 150 ℃以上或在 短时间内可能受到火焰作用时， 短时间内可能受到火焰作用时，须采用隔热和防 火措施。 火措施。 7、钢材耐腐蚀性差。 钢材耐腐蚀性差。

二、钢结构的应用范围 1.大跨度结构 1.大跨度结构

拱 结 构

网架结构

桥梁

天津体育场

千 年 穹 顶

2. 工业厂房

金陵石化总厂

多 层 工 业 厂 房

单层厂房

单击图片播放

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3. 承受动力荷载及 地震作用的结构

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4.高层建筑与高耸结构 高层建筑与高耸结构

北 京 财 富 中 心

金 茂 大 厦 88 层 420 米

帝 王 大 厦

东京千年塔

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5.道路、桥梁结构 道路、

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6.水利、水工结构 水利、

海上石油平台

7. 轻型房屋钢结构 (1).波纹拱壳结构

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(2) 门式刚架结构

（3）多层轻型房屋建筑

8.可拆卸、 8.可拆卸、移动房屋及 可拆卸 移动结构

活动车库

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9.构筑物 9.构筑物

单击图片播放

10.建筑小品 10.建筑小品

§1.2 钢结构的设计方法

一、钢结构设计方法的演变

1.容许应力方法 1.容许应力方法

20世纪初到20世纪 年代， 世纪初到20世纪5 从20世纪初到20世纪5O年代，钢结构采用安 全系数法设计，即: 全系数法设计，

N f ≤ = [σ ] A k

(1 ? 1)

N--构件截面的内力；A--构件截面几何特征； --构件截面的内力； --构件截面几何特征； --构件截面几何特

征 --构件截面的内力 F--钢材的最大强度；K--大于1的安全系数； --钢材的最大强度 大于1 --钢材的最大强度； --大于 的安全系数； [σ]--钢材的容许应力。 --钢材的容许应力 [σ]--钢材的容许应力。

2.概率极限状态设计方法

(1) 极限状态：当结构或其组成部分超过某一特定状 极限状态： 态就不能满足设计规定的某一功能要求时， 态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定 状态称为结构的极限状态。 状态称为结构的极限状态。 (2) 极限状态分为两类： 极限状态分为两类： 承载能力极限状态 极限状态: a.承载能力极限状态: 包括： 强度破坏、 疲劳破坏、 包括 ： 强度破坏 、 疲劳破坏 、 不适于继续承载 的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。 的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。 极限状态: b.正常使用极限状态: 正常使用极限状态 包括： 影响正常使用或外观的变形、 包括 ： 影响正常使用或外观的变形 、 影响正常 使用的振动、 使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏 等状态。 等状态。

(3) 根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准： 根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准： 半概率极限状态设计方法; 半概率极限状态设计方法; 近似概率极限状态设计方法; 近似概率极限状态设计方法; 全概率设计方法。 全概率设计方法。 半概率极限状态设计方法; a. 半概率极限状态设计方法; 1).三系数法（当时称为计算极限状态法） : 1).三系数法（ 三系数法 1957年至1973年我国钢结构设计采用半概率的 年至1973 1957年至1973年我国钢结构设计采用半概率的 分项系数法,结构设计中引入三个分项系数， 分项系数法,结构设计中引入三个分项系数，即: 荷载分项系数--考虑荷载的不定性; --考虑荷载的不定性 荷载分项系数--考虑荷载的不定性; 材料分项系数--考虑材料的不均性; --考虑材料的不均性 材料分项系数--考虑材料的不均性; 工作条件系数考虑结构及构件的工作特点以及某 工作条件系数--考虑结构及构件的工作特点以及某 些假定的计算简图与实际情况不完全相符等因素。 些假定的计算简图与实际情况不完全相符等因素。

半经验半概率极限状态设计法(容许应力法） 2) 半经验半概率极限状态设计法(容许应力法）

f yk f yk N ≤ = ＝ [σ ] A K1K 2K 3 K

N--构件截面的内力； --构件截面的内力； 构件截面的内力 --构件截面几何特征 构件截面几何特征； A--构件截面几何特征； --荷载系数 荷载系数； K1--荷载系数； --材料系数 材料系数; K2--材料系数; --调整系数 调整系数； K3--调整系数； --钢材的屈服强度标

准值 钢材的屈服强度标准值； fyk--钢材的屈服强度标准值； [σ]--钢材容许应力 [σ]--钢材容许应力 --

(1 ? 2 )

b、近似概率极限状态设计法 现行钢结构设计规范(GB50017 2003)） (GB50017－ （现行钢结构设计规范(GB50017－2003)） 结构的工作性能可用结构的“功能函数”来描述： 结构的工作性能可用结构的“功能函数”来描述： …， Z＝g（X1，X2，…，Xn）

式中： 式中： 结构的功能函数； g（·）--结构的功能函数； ）--结构的功能函数 (i＝ 2,…,n)--影响结构可靠性的各物理量 ,n)--影响结构可靠性的各物理量。 Xi(i＝1，2, ,n)--影响结构可靠性的各物理量。

（ 1－ 3）

将各因素概括为两个综合随机变量--结构的抗力R 将各因素概括为两个综合随机变量--结构的抗力R、 --结构的抗力 作用效应S 则公式（ 可以写成： 作用效应S，则公式（1-3）可以写成：

Z ＝ g （ R， S） ＝ R－ S

表示结构处于可靠状态； 可靠状态 Z＞0表示结构处于可靠状态； Z＝0表示结构处于极限状态 表示结构处于极限 极限状态 表示结构处于失效状态； 失效状态 Z＜0表示结构处于失效状态；

（ 1-4）

在实际工程结构中，可能出现下列三种情况： 在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：

判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态， 判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态， 为此，通常将下式： 为此，通常将下式： g(R，S)＝ Z＝g(R，S)＝R－S＝0 称为极限状态方程。 称为极限状态方程。 极限状态方程 (1-5)

结构能完成预定功能的概率(可靠度) 表示， 结构能完成预定功能的概率(可靠度)用Ps表示，则： Ps＝P{Z≥0} （ 1-6）

结构不能完成预定功能的概率(失效概率) 表示， 结构不能完成预定功能的概率(失效概率)用Pf表示， 则： Pf＝P{Z

由于事件｛Z≥0｝与事件{Z {Z＜ 是对立事件， 由于事件｛Z≥0｝与事件{Z＜0｝是对立事件，所以结 构的可靠度与结构的失效概率满足: 构的可靠度与结构的失效概率满足: 或 P s＋ P f＝ 1 P s＝ 1 - P f （ 1-8）

因为R 都是随机变量，且假定都服从正态分布， 因为R和S都是随机变量，且假定都服从正态分布，由 Z=R- 也服从正态分布, 概率论原理知功能函数 Z=R-S 也服从正态分布,则: f(z)

Pf = P(Z

∞ 0

(1 ? 9)

βσ Z

令：Z、R、S的平均值分别为 μz、μR、μs，标准差分 别为σ 别为σz、σR、σs，则:

Pf μz

Z=RZ=R-S

μZ = μR ? μS

2 2 σ Z = σR +σS

(1 ? 10) (1 ? 11)

Z 的概率密度曲线

因 σ z＞ 0 ， 故：

μZ Pf {Z

： = 则： f {Z

Z

Z ? μZ

Z ? μZ

(1 ? 12)

(1 ? 13)

因 σ Z

服从标准正态分布，故上式又可写成： 服从标准正态分布，故上式又可写成：

β = φ ?1 (1 ? Pf )

Pf = φ(?β ) (1 ? 14) (1 ? 15)

f(z) βσ Z

Pf μz

Z 的概率密度曲线

Z=RZ=R-S

式中: 式中: φ(·)--标准正态函数 标准正态函数； φ( )--标准正态函数； φ-1(·)--标准正态函数 )--标准正态函数 的反函数。 的反函数。

从图中可以看出β与失效概率Pf 间存在着一一对应 从图中可以看出β与失效概率P 关系, 关系,即: f(z) 1).β减小时，阴影部分 1).β减小时 的面积增大， 的面积增大，即失效概 率Pf增大； 增大； 2).β增大时 2).β增大时，阴影部分 的面积减少， 的面积减少，亦即失效 概率P 减小。 概率Pf减小。 ? 说明β可以作为衡量结 可靠度的一个数量指 构可靠度的一个数量指 标。β—可靠度指标 可靠度指标 单击图片播放 Pf μz

Z 的概率密度曲线

Z=R-S Z=R-

βσ Z

标准正态分布时 β 与 p f 的对应值

β Pf

4.0

3.17X10-5 17X

3.7

1.08X10-4 08X

3.2

6.87X10-4 87X

3.0

1.35X10-3 35X

β的计算: 的计算: 将式(1-10)、(1-11)代入 的定义式得： 代入β的定义式得： 将式(1-10)、(1-11)代入 的定义式得 (1

μ β＝ σ

Z R

=

μ －μ σ＋ σ

R s 2 2 R S

(1 ? 16)

c.全概率设计法 . 对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机 过程来描述，对结构进行精确的概率分析， 过程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结 构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。 构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。 三、钢结构设计表达式 采用以概率理论为基础的极限状态设计方法( a. 采用以概率理论为基础的极限状态设计方法(疲 劳问题除外) 用分项系本文由伤_or_殇_贡献

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钢结构设计原理

主 讲:goldever Email:[email protected] 电 话:

教学目标

本课程是土木工程专业的主要专业课之一, 本课程主要向学生介绍钢结构的基本理论及 基本设计方法,学生通过本课程的学习应全 面掌握钢结构的材料特性,钢结构的连接, 钢结构基本构件的设计计算基础知识,熟悉 一些常用钢结构的设计分析原理,为进一步 钻研钢结构设计打下基础.

教学内容

理论教学 42学时

第一章 绪论 第二章 钢结构材料 第三章 钢结构连接 第四章 轴心受力构件 第五章 受弯构件 第六章 拉弯和压弯构 第七章 单层厂房结构 2学时 2学时 10学时 8学时 10学时 6学时 4学时

上机实

验 6学时 课程设计 一周

课程体系图示

钢结构结构基本设计原则 钢材性能及规格 连接 形式 构造 计算

焊接 螺栓连接

稳 定 验 算

轴拉构件 轴压构件 受弯构件 压弯构件 拉弯构件

承载力 刚度

基本构件

结构体系设计

考核方法

平时成绩(作业,上机实验) 考试成绩 课程设计

参考资料

《钢结构基本原理》 沈祖炎 ,陈扬骥 ,陈以一编著 中国建筑工业出版社 《钢结构试题解答与分析》 王用纯,张连一编著 武汉大学出版社 2001 《工程结构设计原理》 曹双寅编著 东南大学出版社,2003 《钢结构设计新规范讲评》 魏明钟编著 中国建筑工业出版社 《钢结构设计规范GB50017-2003》 中国计划出版社

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钢结构设计原理

钢结构课程有：钢结构设计原理，钢结构设计；大跨空间 结构，高层钢结构 钢结构设计原理课程特点：连接、稳定构造。材料力学是 本课程学习的重要基础，强度、稳定、几何特性（面积矩、 惯性矩、回转半径、剪切中心等） 学习注意：⑴掌握基本理论、学好基本概念。 ⑵善于归纳分析，不断加深理解。 ⑶联系工程实践，吸取感性知识 参考文献：⑴同济大学沈祖炎，陈扬骥，陈以一. 钢结构基 本原理. 中国建筑工业出版社. ⑵陈绍藩.钢结构设计原理（第二版）. 科学出版社 ⑶苏明周. 钢结构.中国建筑工业出版社. 2003年 ⑷钢结构设计规范（GB50017－2003）

绪论 §1.1 钢结构的特点

钢结构是由钢板、型钢、冷弯薄壁型钢等通过焊接或螺栓连 接所组成的结构。优势：

1．轻质高强

轻质——材料的质量密度与强度比（ρ/f）小。 钢筋混凝土：约18×10-4/m 木材：5.4×10-4/m 钢： (1.7～3.7)×10-4/m 截面面积小、增加适用面积、重量轻、节省基础费用。地震 作用小

绪论 §1.1 钢结构的特点

2．塑性、韧性好，抗震性能佳

塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量 塑性——承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。塑性好， 会使结构一般情况下不会由于偶然超载而突然断裂，给人以安全 保证； 韧性——承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。韧性好，说 明材料具有良好的动力工作性能。 近年来许多震后的调查结果证明了钢结构在地震中的良好表现， 如1995年初日本7.2级地震中钢结构建筑倒塌的数目很小，仅占钢 结构的9.1％，且都是年代久的旧房；1999年9月在台湾里氏7.6级 强烈地震中钢结构建筑破坏率很小，仅0.6％，而钢筋混凝土和砖 结构的破坏率占75％；1999年8月土耳

其7.4级大地震中受损房屋 绝大多数为多层钢筋混凝土框架，仅少数单层轻钢结构发生破坏， 而大型现代钢结构工业厂房和轻钢框架填充墙住宅保持完好 。

绪论

§1.1 钢结构的特点

3．材质均匀，各向同性，性能稳定

可以直接应用力学中给出的结论，计算方法、基本概念等，实 际情况与工程力学计算结果吻合较好。

4．可焊性

可焊性使连接简化，使结构应用范围增大，容易做成复杂形 状。 后果：存在残余应力。

5．密闭性好

不易渗漏：各种容器。

绪论

§1.1 钢结构的特点

6．制造简便，施工周期短

施工时不需要支模，受气候的影响小，不需要大的施工场 地。

7. 工业化程度高

钢结构构件在工厂制造，现场拼装，更适于系列化、标准 化、和工厂化规模生产，易于实现工业化和产业化，有利于 降低建筑成本。

8.符合环保和可持续发展的要求

钢材是节约土地、能源和资源的持久性建筑材料。拆除建 筑物时，大部分材料可回收利用、再生或降解，不会造成很 多垃圾。施工现场湿作业少，尘埃少，施工噪音低，对周围 环境污染小。

绪论

§1.1 钢结构的特点

劣势： 1．耐腐蚀性差

易生锈、维护费用高

2．耐热但不耐火

100℃以内 强度无影响 150℃以上 必须进行遮挡处理 600℃左右 E→0 结构倒塌 措施： 防火涂料，防火漆，外包混凝土等

3．脆性破坏与疲劳破坏 4．存在稳定问题——设计时考虑

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绪论 §1.2 钢结构的设计方法

1.概率极限状态设计方法

承载能力极限状态——强度破坏、疲劳破坏、失稳、机动体系 和倾覆等； 正常使用极限状态——影响正常使用的变形、裂缝、振动等； 结构功能函数：Z=g(R,S)=R-S R：结构抗力的随机变量；S：荷载效应的随机变量 R-S>0:结构处于可靠状态； R-S=0:结构达到临界状态； R-S

可靠度——结构在规定的时间内和规定的条件下，完成预定功

能的概率。Ps＝P（Z≥0）

失效概率 Pf＝P（Z

绪论

§1.2 钢结构的设计方法

可靠指标或安全指标β β＝μz/σz β增大，失效概率Pf减少；β减少，失效概率Pf增大。 一次二阶矩法：不考虑Z的全分布，只考虑至二阶矩。 校准法：对现有的结构构件进行反演计算和综合分析，求得 其平均可靠指标来确定设计时应采用的目标可靠指标。

2.设计表达式

建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001） 建筑结构荷载规范（GB50009-2001）

绪论

§1.2 钢结构的设计方法

承载能力极限状态应考虑荷载效应的基本组合，必要时还 要考虑荷载

效应的偶然组合。 对于基本组合，应按下列极限状态设计表达式中最不利值 确定 由可变荷载效应控制的组合： n

γ 0 (γ G S G + γ Q S Q + ∑ γ Q ψ ci S Q ) ≤ R

k 1 1k

由永久荷载效应控制的组合： n

k

i =2 =2

i

ik

γ 0 (γ G S G + ∑ γ Q ψ ci S Q ) ≤ R

i =1

i ik

式中 γ 0 ——结构重要性系数，应按下列规定采用：对安全等 级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不 应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结 构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限 为5年的结构构件，不应小于0.9；

绪论

1 i

§1.2 钢结构的设计方法

γ Q , γ Q ——永久荷载分项系数，应按下列规定采用：当 永久荷载效应对结构构件的承载能力不利时，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；当永久荷载效应对结构构件的承载能力有利时， 一般情况下取1.0； γ Q , γ Q ——第1个和第i个可变荷载分项系数，应按下列规 定采用：当可变荷载效应对结构构件的承载能力不利时， 在一般情况下应取1.4，对标准值大于4.0kN/m2的工业房屋 楼面结构的活荷载取1.3；当可变荷载效应对结构构件的承 载能力有利时，应取为0； S G ——永久荷载标准值的效应； SQ ——在基本组合中起控制作用第1个可变荷载标准值的 效应；

1 i

k

1k

绪论

§1.2 钢结构的设计方法

SQik ——第i个可变荷载标准值得效应；

ψci——第i个可变荷载的组合值系数，其值不应大于1； R ——结构构件的抗力设计值，R =Rk/γR，Rk为结构构件抗力 标准值，γR为抗力分项系数，对于Q235钢，γR=1.087；对 于Q345、Q390和Q420钢，γR=1.111。

对于一般排架、框架结构，可以采用简化设计表达式： 由可变荷载效应控制的组合： n γ 0 (γ G S G + ψ ∑ γ Q S Q ) ≤ R

k

ψ——简化设计表达式中采用的荷载组合系数；一般情况下 可取ψ=0.9，当只有一个可变荷载时，取ψ=1.0；

由永久荷载效应控制的组合仍按前面采用。

i =1

i

ik

绪论

§1.2 钢结构的设计方法

对于偶然组合，极限状态设计表达式宜按下列原则确定：偶 然作用的代表值不乘以分项系数；与偶然作用同时出现的可 变荷载，应根据观测资料和工作经验采用适当的代表值。 对于正常使用极限状态，钢结构，变形、裂缝等荷载效应的 设计值仅须考虑标准组合：

S d = S Gk + S Q1k + ∑ψ ci S Qik ≤ C

i =2

n

式中 Sd——变形、裂缝等荷载效应的设计值； C——设计对变形、裂缝等规定的相应限值。

绪论

§1.3 钢结

构的应用

1.大——大跨度建筑和桥梁

大跨结构有飞机制造厂的装配车间（跨度一般在60m以上）、 飞机库、体育馆、火车站、展览馆、影剧院、大会堂等的屋盖 体系。人民大会堂，西安兵马俑展厅，石景山体育馆，朝阳体 育馆等。金门桥（Gordon Gate Bridge），西陵长江大桥，徐浦 大桥，汕头海湾大桥等。

国家奥林匹克游泳馆

哈尔滨康乐宫

哈尔滨康乐宫

鸟巢形国家体育场

290×340m空间跨度，主体由一系列辐射式钢结构旋转 而成，纵横剖面为门架似的网架结构，400kg/m2多的用钢 量，自重占整个荷重的60%。优化方案主要有：一是去掉 开启式屋顶，二是将口子开得更大一些 。2004年7月31日 停工，2004年12月28日“鸟巢”复工。用钢量达到4.2万吨。

国家体育场“鸟巢”效果图

总投资额约为31.3亿元人民币，比最初35亿元的 预算造价减少了约4亿元

鸟巢形国家体育场主体钢结构屋顶 平面示意图

国家大剧院 National Grand Theater

平面投影为东西向长轴长度212.20米，南北向短轴长度为 143 .64米，建筑物总高度为46.285米。

国家大剧院屋面钢结构

巨型的椭圆形壳体为双层钢网壳。由148榀空腹桁架构成 的竖向主肋与53榀水平环肋组成 。

可开启网壳结构 Retractable reticular Shell

福冈穹顶 Fukuoka Dome, Japan (222m)

福冈穹顶 Fukuoka Dome, Japan (222m)

世界上最大 的球面网壳。 它同时是可 开启结构， 球形屋盖由 三块可旋转 的扇形网壳 组成。

上海8万人体育场看台挑篷

伞状薄膜结构由桅杆支撑于劲性的钢网架之上 ，总覆盖面积 36100m2，1997年竣工是我国首次在大型建筑上采用膜结构。

绪论

§1.3 钢结构的应用

2.重——重工业厂房，内有大吨位重级工作制吊车

大型钢铁企业的炼钢、轧钢、无缝钢管等车间，重型机 器厂的铸钢、锻压、水压机车间；造船厂的船体车间等。 如鞍钢，首钢，宝钢及一些电厂的主厂房等。

宝钢不锈钢工程

绪论

§1.3 钢结构的应用

3.高——高层建筑、高耸结构

采用全钢结构或钢－混凝土组合结构作为高层结构的承重 结构。例如，上海浦东88层的金茂大厦，其高度为420.5m， 采用钢框架－混凝土内筒结构，为我国第一高楼。上海锦江 饭店、北京京广大厦（53层） 、深圳发展中心大厦及深圳地 84 王大厦（84层）等均为高层钢结构建筑。塔桅结构，如高压 输电线塔架、广播和电视发射塔、环境气象监视塔、石油钻 井塔和火箭发射塔等，广州（上海，汕头）电视塔，北京气 象塔（325m）等。

深圳地王大厦

金茂大厦是由中国上海对 金茂大厦 外贸易

中心股份有限公司 独家投资5.6亿美元建设 的一座88层的超高层大厦 建筑高度420.5米，建筑 面积28.9万平方米，于 1998年8月28日竣工。 总 用钢量14000t，钢筋混凝 土核心筒，外框钢骨混凝 土及钢柱。设计者为美国 S.O.M事务所。

上海环球金融中心

由日本森大厦株式会社的全 额子公司森海外株式会社及 日本具有代表性的银行、保 险公司、商社等36家企业， 偕同政府系统机构日本海外 经济协力基金(OECF)联合投 资的上海环球金融中心，总 投资逾750亿日元。位于陆家 嘴金融贸易区，建筑总面积 335,420平方米，地下3层， 地上94层。建成后的高度达 460米 。总用钢量26000t， 钢筋混凝土核心筒，外框钢 骨混凝土及钢柱。

长宽各150m，总面积 30277m2，塔高508m，世 界第一高，26层以上以8层 为一单元。主要由巨柱、核 心系统及外伸桁架梁。巨柱 自地下5层至地上90层，最 大尺寸为2.4mx3m。

台北101 台北

直径5.5m，中670t的阻尼器 ， 直径 的阻尼器

东方明珠广播电视塔座落

在上海浦东新区黄浦江畔， 以其468米的高度成为亚洲 第一高 塔。她于1991年3月 开始建造，1994年11 月完工， 总重量达12万吨，总投资8.3 亿元人民币。 东方明珠塔由三根直径为九 米的擎天立柱、太空舱、上 球体、下球体、五个小球、 塔座和广场组成。

绪论

§1.3 钢结构的应用

4. 动——受动力荷载影响的结构

设有较大锻锤或有较大动力作用设备的厂房，因振动对 结构的影响较大，往往选用钢结构。抗震要求较高的结构 也宜采用钢结构。

5.轻——荷载较小的轻型结构，其用钢量可能低 于RC的用钢量。如门式刚架, 停车棚等。

中国南极长城站综合仓库

绪论

§1.3 钢结构的应用

6.小——小型、可拆装结构。

如建筑工地用房、临时展览馆等，以及需移动的结构， 如桥式起重机、塔式起重机、龙门起重机等。

7.密闭——板壳结构。

如油库、油罐、煤气罐、以及水塔。 近来用于多层轻型工业厂房、住宅； 除此还有栈桥、管道支架、钻井和石油塔架，以及海上 采油平台等。

日 本 水 户 艺 术 馆

天 津 保 税 区

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 陕西铜川天然气公司 1000立方米天然气球罐

绪论

§1.4 钢结构的发展

1.发展低合金高强度钢材、高性能钢材和新品种型钢。如 Q420钢 、H型钢，冷弯薄壁型钢，耐腐蚀钢等。 2.设计方法进一步完善。 3. 新结构和新技术的研究和推广。预应力钢结构；新型空间 结构的研究；组合结构的研究与应用，如组合梁、组合 柱、组合楼层等；高

层钢结构的研究与应用。 4.

稳定理论的进一步发展。如压弯构件的 弯扭屈曲，薄板的 屈曲后强度，各种体 系的稳定等 5. 结构优化设计。

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《钢结构设计原理》 钢结构设计原理》

第三章 钢结构的连接

3.1 钢结构的连接方法和特点

连接的作用将板材或型钢组合成构件，再将构件组合 成整体结构。 连接方式及其质量直接影响钢结构的工作性能。必须安 全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材。 连接方法：焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接三种。

3.1.1焊接连接

最主要的连接方法。 优点任何形式的构件都可直接相连，构造简单， 制作加工方便；不削弱截面，用料经济；连接 的密闭性好，结构刚度大；可实现自动化操作， 提高焊接结构质量。 缺点 在热影响区内，金相组织发生改变，局部 材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构 件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部 裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，低温冷脆 问题较为突出。

钢结构常用焊接方法

通常采用电弧焊（包括手工电弧焊）、埋弧 焊(自动或半自动焊)以及气体保护焊等。

1.手工电弧焊 最常用的一种焊 接方法。通电后 在涂有药皮的焊 条与焊件之间产 生电弧。

手工电弧焊所用焊条应与焊件钢材(或称主体金 属)相适应： Q235钢 E43型焊条(E4300~E4328)； Q345钢 E50型焊条(E5000~E5048)； Q390 Q420 E55 Q390钢Q420钢 E55型焊条(E5500~E5518)。 (E5500~E5518) E表示焊条、前两位数字为熔敷金属的最小抗拉 强度(以kgf／mm2 表示)，第三、四位数字表示 适用焊接位置、电流以及药皮类型等。 不同钢种的钢材相焊接时，宜采用与低强度钢 材相适应的焊条。

2 埋弧焊(自动或半自动) 电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。 自动电弧焊 焊丝送进和电弧按焊接方向的移动 有专门机构控制完成。 半自动电弧焊 焊丝送进有专门机构，而电弧按 焊接方向的移动靠人手工操作完成。 电弧热量集中，熔深大，适于厚板的焊接，生产 率高。工艺条件稳定，焊缝的化学成分均匀，焊 缝质量好、焊件变形小。同时，高焊速也减小了 热影响区的范围。但埋弧焊对焊件边缘的装配精 度(如间隙)要求比手工焊高。 埋弧焊所用焊丝和焊剂应与主体金属强度相适应， 即要求焊缝与主体金属等强度。

3. 气体保护焊 气体保护焊是利用二氧化碳气体或其他惰性气体 作为保护介质的一种电弧熔焊方法。 直接依靠保护气体在电弧周围造成局部的保护层， 以防止有害气

体的侵入并保证了焊接过程中的稳 定性。 气体保护焊的焊缝熔化区没有熔渣，焊工能够清 楚地看到焊缝成型的过程；由于保护气体是喷射 的，有助于熔滴的过渡；又由于热量集中，焊接 速度快，焊件熔深大，故所形成的焊缝强度比手 工电弧焊高，塑性和抗腐蚀性好，适用于全位置 的焊接。但不适用于在风较大的地方施焊。

3.1.2 铆钉连接 制孔和打铆。 塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查， 对主体金属的材质质量要求低。 削弱截面，费钢费工，要求技工技术水平高， 劳动条件差。 很少采用，被焊接和螺栓连接所取代。

3.1.3 螺栓连接 普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。 1 普通螺栓连接 普通螺栓分为A、B、C三级。 A与B级为精制螺栓，C级为粗制螺栓。 A级和B级螺栓材料性能等级则为5.6级或8.8级。 C级螺栓材料性能等级为4.6级或4.8级。 小数点前面的数字表示螺栓成品的抗拉强度不 小于400N/mm2，小数点及小数点以后数字表示 其屈强比为0.6或0.8。

A、B级精制螺栓是由毛坯在车床上经过切削加 工精制而成。表面光滑，尺寸准确，对成孔质量 要求高。有较高的精度，因而受剪性能好。制作 和安装复杂，价格较高，已很少在钢结构中采用 C级螺栓由未经加工的圆钢压制而成。螺栓表面 粗糙，一般采用在单个零件上一次冲成或不用钻 模钻成设计孔径的孔(II类孔)。 螺栓孔的直径比螺栓杆的直径大1.5~2mm。螺栓 杆与螺栓孔之间有较大的间隙，受剪力作用时， 将会产生较大的剪切滑移，连接的变形大。安装 方便，且能有效地传递拉力，可用于沿螺栓杆轴 受拉的连接中，以及次要结构的抗剪连接或安装 时的临时固定。

2.高强度螺栓连接 两种类型 摩擦型连接：依靠摩擦阻力传力，并以剪力不超 过接触面摩擦力作为设计准则； 承压型连接：允许接触面滑移，以连接达到破坏 的极限承载力作为设计准则。 采用45号钢、40B钢和20MnTiB钢加工而成，经 热处理后，螺栓抗拉强度应分别不低于800N／ mm2和1000N／mm2，即前者的性能等级为8.8级 ，后者的性能等级为10.9级。 摩擦型连接螺栓的孔径比螺栓公称直径大1.52.0mm；承压型连接高强度螺栓的孔径比螺栓公 称直径大1.0-1.5mm。

摩擦型连接的剪切变形小，弹性性能好，施工 较简单，可拆卸，耐疲劳，特别适用于承受动 力荷载的结构。 承压型连接的承载力高于摩擦型，连接紧凑， 但剪切变形大，故不得用于承受动力荷载的结 构中。

3.2 焊缝和焊接连接的形式

3.2.1 焊缝的形式 角焊缝和坡口焊缝。 1.角焊缝 连接板件不必坡口，焊缝金属填充在连接板件形成的 直角或斜角区域内。

按截面形式可分为： 直角角焊缝 两焊脚边的夹角为90°，微凸的等腰直角 三角形，直角边边长hf 称为角焊缝的焊脚尺寸。he＝ 0.7hf为直角角焊缝的有效厚度。 斜角角焊缝 两焊脚边的夹角不等于90° 斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。 夹角大于l35°或小于60°的斜角角焊缝，除钢管结构 外，不宜用作受力焊缝。

2. 坡口焊缝 焊件常需做成坡口，焊缝金属填充在坡口内。 坡口形式与焊件厚度有关： 焊件厚度很小(小于等于10mm)：直边缝。 一般厚度(t=10~20mm) :具有斜坡口的单边V形或V形焊 缝。 斜坡口和离缝b共同组成一个焊条能够运转的施焊空间， 使焊缝易于焊透；钝边p有托住熔化金属的作用。 较厚的焊件(t＞20mm)，则采用U形、K形和X形坡口。 V形缝和U形缝需对焊缝根部进行补焊。 坡口形式的选用，应根据板厚和施工条件按现行标准 《建筑钢结构焊接规程》要求进行。

对接焊缝：两构件在同一平面内； 对接与角接组合焊缝：T形、十字形或角接 接头的坡口焊缝。

3.2焊缝和焊接连接形式

3.2.2 焊接连接的形式 1.焊接连接形式 被连接板件的相互位置：对接、搭接、T形连接和角部 连接四种。 连接所采用的焊缝主要有坡口焊缝和角焊缝。 对接连接：主要用于厚度相同或接近相同的两构件的 相互连接。 采用对接焊缝，两构件在同一平面内，传力均匀平缓， 没有明显的应力集中，用料经济，但是焊件边缘需要 加工，被连接两板的间隙和坡口尺寸有严格的要求。 采用双盖板和角焊缝，传力不均匀、费料，但施工简 便，所连接两板的间隙大小无需严格控制。 搭接连接：适用于不同厚度构件的连接。传力不均匀， 材料较费，构造简单，施工方便，广泛应用。

T形连接 省工省料，常用于制作组合截面。 采用角焊缝连接 焊件间存在缝隙，截面突变，应 力集中现象严重，疲劳强度较低，可用于不直接 承受动力荷载结构的连接中。 采用坡口焊缝 对于直接承受动力荷载的结构，如 重级工作制吊车梁，其上翼缘与腹板的连接。 角部连接 主要用于制作箱形截面。

2.焊缝的施焊位置 平焊、横焊、立焊及仰焊。 平焊(又称俯焊)施焊方便。 立焊和横焊要求焊工的操作水平比平焊高一些。 仰焊的操作条件最差，焊缝质量不易保证，因此 应尽量避免采用仰焊。

3.3 焊缝缺陷和质量检验 3.3.1焊缝缺陷 焊缝缺陷：焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响 区钢材表面或内部的缺陷。 常见的缺陷：裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、 咬边、未熔合、未焊透等；焊缝尺寸不符合要求、焊 缝成形不良等。 裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷。

3.3.2 焊缝质量检验 缺陷削弱焊缝受力面积，焊缝处应力集中，对连接的 强度、冲击韧性及冷弯性能等均有不利影响。焊缝质 量检验极为重要。 外观检查 检查外观缺陷和几何尺寸； 内部无损检验 检查内部缺陷。采用超声波检验，用磁 粉、荧光检验等较简单的方法作为辅助。此外还可采 用X射线或γ射线透照或拍片，X射线应用较广。 《钢结构工程施工质量验收规范》规定焊缝按其检验 方法和质量要求分为一、二、三级。三级焊缝只要求 对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；一级、 二级焊缝除外观检查外，还要求一定数量的超声波检 验并符合相应级别的质量标准。

3.3.3 焊缝代号图例 《焊缝符号表示法》规定：焊缝代号由引出线、图形 符号和辅助符号三部分组成。引出线由横线和带箭头 的斜线组成。箭头指到图形上的相应焊缝处，横线的 上面和下面用来标注图形符号和焊缝尺寸。当引出线 的箭头指向焊缝所在的一面时，应将图形符号和焊缝 尺寸等标注在水平横线的上面；当箭头指向对应焊缝 所在的另一面时，则应将图形符号和焊缝尺寸标注在 水平横线的下面。必要时，可在水平横线的末端加一 尾部作为其他说明之用。图形符号表示焊缝的基本型 式，如用 表示角焊缝，用V表示V型坡口的对接焊缝。 辅助符号表示焊缝的辅助要求，如用 表示现场安装焊 缝等。

3.4 角焊缝的构造要求和计算

角焊缝按其与作用力的关系可分为： 正面角焊缝 焊缝长度方向与作用力垂直； 侧面角焊缝 焊缝长度方向与作用力平行； 斜焊缝 焊缝长度方向与作用力方向成一角度； 围焊缝 正面、侧面、斜焊缝组成的混合焊缝。

侧面角焊缝 主要承受剪 应力，塑性较好，弹性模 量低，强度也较低。 传力线通过时产生弯折， 应力沿焊缝长度方向的分 布不均匀，呈两端大而中 间小的状态。 焊缝越长，应力分布不均 匀性越显著，但在届临塑 性工作阶段时，产生应力 重分布，可使应力分布的 不均匀现象渐趋缓和。

正面角焊缝 受力复杂，截面中的各面均存在正应力 和剪应力，焊根处存在着很严重的应力集中。 正面角焊缝的破坏强度高于侧面角焊缝，但塑性变形 能力差。 斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角 焊缝之间。

3.4.1 角焊缝的构造要求 1. 最小焊脚尺寸 焊脚尺寸过小，施焊时冷却速度过快，产生淬硬组织， 导致母材开裂。 焊脚尺寸

h f ≥ 1.5 t 2

t2为较厚焊件厚度(mm)，焊脚尺寸取整数。 自动焊熔深较大，最小焊脚尺寸可减小1mm；T形连接 的单面角焊缝，增加1mm；当焊件厚度小于或等于 4mm时，取与焊

件厚度相同。

3.4.1 角焊缝的构造要求 2 最大焊脚尺寸 避免焊缝收缩时产生较大的残余应力和残余变形，热影 响区扩大，产生热脆，较薄焊件烧穿，除钢管结构外 h f ≤ 1.2t1 焊脚尺寸 t1为较薄焊件厚度（mm）。 板件边缘的焊缝：板件厚度t＞6mm时，hf≤t-(1~2) mm t≤6mm时，取hf≤t。 不等角焊角尺寸。

3.4.1 角焊缝的构造要求 3 角焊缝的最小计算长度 焊脚尺寸大而长度较小时，焊件的局部加热严重，焊缝 起灭弧所引起的缺陷相距太近，以及焊缝中可能产生的 其他缺陷(气孔、非金属夹杂等)，使焊缝不够可靠。 搭接连接的侧面角焊缝，如果焊缝长度过小，由于力线 弯折大，会造成严重应力集中。 为了使焊缝能够具有一定的承载能力，侧面角焊缝或正 面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm。

3.4.1 角焊缝的构造要求 4 侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀，两端 大中间小。焊缝越长，应力集中越明显。 若焊缝长度适宜，两端点处的应力达到屈服强度后， 继续加载，应力会渐趋均匀。 若焊缝长度超过某一限值时，有可能首先在焊缝的两 端破坏，故一般规定侧面角焊缝的计算长度 lw≤60hf 当实际长度大于上述限值时，其超过部分在计算中不 予考虑。 若内力沿侧面角焊缝全长分布，比如焊接梁翼缘板与 腹板的连接焊缝，计算长度可不受上述限制。

3.4.1 角焊缝的构造要求 5 搭接连接的构造要求 当板件端部仅有2条侧面角焊缝时，连接的承载力与b/lw 有关，B为两侧焊缝的距离，lw为侧焊缝长度。当b/lw＞ 1时，连接的承载力随着b/lw比值的增大而明显下降。 为使连接强度不致过分降低，要求b/lw≤1。 避免焊缝横向收缩，引起板件向外发生较大拱曲， b不宜大于16t(t＞12mm)或190mm(t≤12mm)，t为较薄焊 件的厚度。 搭接连接中，仅采用正面角焊缝时，搭接长度不得小于 焊件较小厚度的5倍，也不得小于25mm。

7 减小角焊缝应力集中的措施 端部搭接采用三面围焊时，在转角处截面突变，会产 生应力集中，如在此处起灭弧，可能出现弧坑或咬肉 等缺陷，从而加大应力集中的影响。故所有围焊的转 角处必须连续施焊。 对于非围焊情况，当角焊缝的端部在构件转角处时， 可连续地作长度为2hf的绕角焊。

3.4.1 角焊缝的构造要求 6 断续角焊缝的构造要求 角焊缝沿长度方向：连续角焊缝、断续角焊缝。 连续角焊缝 受力性能较好，主要的形式。 断续角焊缝 起、灭弧处容易引起应力集中，只用于次 要构件的连接或受力很小的连接中。间断角焊缝的间 断距离l不宜过长，以免连接不紧密，潮气侵入引起构 件锈蚀。受

压构件中应满足l≤15t；受拉构件中l≤30t，t 为较薄焊件的厚度。

3.4.2 直角角焊缝的计算 1 直角角焊缝强度计算的基 本公式 试验表明，直角角焊缝的破 坏常发生在45°的最小截面， 此截面(有效厚度与焊缝计 算长度的乘积)称为焊缝的 有效截面或计算截面。

1. 直角角焊缝强度计算的基本公式 作用于焊缝有效截 面上的应力： 垂直于焊缝有效截 面的正应力 σ ⊥ 垂直于焊缝长度方 向的剪应力 τ ⊥ 沿焊缝长度方向的 剪应力 //

τ

1. 直角角焊缝强度计算的基本公式 根据多国试验结果，国际标准化组织(ISO)确定角焊缝 的极限强度：

σ

f

w u

2 ⊥

+ 1.8(τ ⊥ + τ // ) =

2 2

f

w u

为焊缝金属的抗拉强度。

上式是根据ST37(相当于Q235钢)提出的，对于其他钢 种，公式左边的系数不是1.8，而是在1.7~3.0之间变化。 为使公式能够适用于较多的钢材，同时也为了与母材 的能量强度理论的折算应力公式一致，欧洲钢结构协 会(ECCS)将式中的1.8改为3，即：

1. 直角角焊缝强度计算的基本公式

σ

2 ⊥

+ 3(τ ⊥ + τ // ) =

2 2

f

w u

应用上式进行设计时，较为繁难。不少国家均在此基础 上进行简化。 我国规范在简化计算时，假定焊缝在有效截面处破坏， 各应力分量满足折算应力公式。由于规范规定的角焊缝 w 强度设计值 f f 是根据抗剪条件确定的，而 3 f 相当于 角焊缝的抗拉强度设计值，则

w f

σ

2

⊥

+ 3(τ⊥ + τ// ) = 3

2 2

f

w f

1. 直角角焊缝强度计算的基本公式

角焊缝基本公式的推导。 Ny在有效截面上引起垂直于焊缝一个直角边的应力 σ f ， 该应力对有效截面既不是正应力，也不是剪应力，而是 σ ⊥ 和τ ⊥ 的合力。

1. 直角角焊缝强度计算的基本公式

N σ hl

f

=

y w

e

Ny—垂直于焊缝长度方向的轴向力； he—直角角焊缝的有效厚度，he =0.7hf ； lw —焊缝的计算长度，考虑起灭弧缺陷，按各条焊缝 的实际长度每端减去hf计算。

σ⊥ =τ⊥ =σ f / 2

Nx在焊缝有效截面上引起平行于焊缝长度方向的剪应力

Nx τ f = τ // = he l w

1. 直角角焊缝强度计算的基本公式 则得直角角焊缝在各种应力共同下的计算式

σ f ? w 4? ? + 3τ 2f ≤ 3 f f ? 2?

2

βf =

3 2

σ f ? ?β ? f

? + τ 2f ≤ f w f ? ?

2

β f —正面角焊缝的强度增大系数，直接承受动力荷载时

取1.0。 对正面角焊缝

σf =

τf =

N he ∑ lw

N he ∑ lw

≤ βf f

≤ f

w f

w f

对侧面角焊缝

角焊缝的基本计算公式。只要将焊缝应力分解为垂直于 焊

缝长度方向的应力和平行于焊缝长度方向的应力，基 本公式就可适用于任何受力状态。

2 轴心力作用的角焊缝连接 计算 （1) 盖板连接的角焊缝计算 轴心力通过焊缝中心时，认 为焊缝应力是均匀分布的。 只有侧面角焊缝时 τ = N ≤ f

f

w f

h e ∑ lw

只有正面角焊缝时 采用三面围焊时

σf =

N h e ∑ lw

≤ β f f fw

N1 = β f f fw ∑ he lw1

N ? N1 τf = ≤ f fw ∑ he l w

（2）承受斜向轴心力的角焊缝连接计算 ） 分力法：

N sin θ ? ? ∑ he lw ? N cos θ ? ? τf = ∑ helw ? ?

σf =

σ f ? ?β ? f

? + τ 2f ≤ f w f ? ?

2

直接法：

N sin θ ? ? N cosθ ? ≤ f fw ? ? +? β f ∑ he l w ? ? ∑ he l w ? ? ? ? ?

N ∑ helw

2 N sin 2 θ + cos 2 θ = 1 ? sin θ ≤ f fw 3 1.5 ∑ helw

2

2

β fθ =

1 sin 2 θ 1? 3

N ≤ β fθ f fw ∑ helw

（3）承受轴心力的角钢角焊缝连接计算 ）

一般采用两面侧焊或三面围焊，特殊情况采用L形围焊 。受轴心力作用，避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的 合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。 三面围焊 两面侧焊 N 3 = 2× 0.7h f 3bβ f f fw

N3 N (b ? e) N 3 N1 = ? = k1 N ? b 2 2

N1 = k1 N

N 2 = k2 N

l w1 =

N1 2 × 0.7 h f 1 f fw

N3 Ne N 3 N2 = ? = k2 N ? b 2 2

N2 lw 2 = 2 × 0.7 h f 2 f fw

（3）承受轴心力的角钢角焊缝连接计算 ）

两面侧焊

N1 = k1 N

l w1 N1 = 2 × 0.7 h f 1 f fw

N 2 = k2 N

lw2 ? N2 2 × 0.7 h f 2 f fw

L形围焊

N 3 = 2k 2 N

hf 3 = N3 2× 0.7l w3 β f f fw

N1 = N ? N 3

l w3 = b ? h f

3 弯矩、轴心力和剪力共同作用的角焊连连接计算 （1）弯矩作用的角焊连连接计算

M 6M σf = = ≤ β f f fw 2 Ww 2he lw

3 弯矩、轴心力和剪力共同作用的角焊连连接计算 （2） 弯矩、轴心力和剪力共同作用的角焊连连接计算

N N σ = = Ae 2he l w

N A

σ

M A

M 6M = = 2 We 2he lw

V V τ = = Ae 2helw

V A

N 6M σf = + 2 2he lw 2he lw

τ f =τ

V A

σ f ? ?β ? f

? + τ 2f ≤ f w f ? ?

2

工字梁(或牛腿)与钢柱翼缘的角焊缝连接，通常承受弯 矩和剪力的共同作用。计算时通常假设腹板焊缝承受全 部剪力，弯矩则由全部焊缝承受。

σ f1 =

M h ≤ β f f fw Iw 2

σ f2

M h2 = Iw 2

τf2 =

V ∑ (he 2lw 2 )

σ ? ? f2? + 2 ≤ ? β ? τ f2 ? f ?

2

f

w f

4 扭矩和剪力共同作用的角焊缝连接计算 （1）扭矩作用的环形角焊缝计算 焊缝的有效厚度比圆环直径小得多，可视为薄壁圆环的 受扭问题。有效截面任一点上所受的切线方向的剪应力

T ×r τf = ≤ f fw Ip

r—圆心至焊缝有效 截面中线的距

离； Ip—焊缝有效截面的 惯性矩，Ip=2πher3

4 扭矩和剪力共同作用的角焊缝连接计算 （2）扭矩作用的角焊缝计算 计算角焊缝在扭矩T作用下产生的应力时，假定： ①被连接件是绝对刚性的，有绕焊缝形心o旋转的趋势 ，而角焊缝本身是弹性； ②角焊缝群上任一点的应力方向垂直于该点与形心的连 线，且应力大小与连线长度r成正比。

T ×r T ×r τA = = Ip Ix + Iy

τ f =τ =

T A

T × ry Ip

2

σ f =σT = A

T × rx Ip

σ f ? ?β ? f

? + τ 2f ≤ f w f ? ?

（3）扭矩、剪力和轴心力共同作用的角焊缝连接计算

Tr Tr τA = = I p Ix + Iy

τ =

T A

Try Ip

T A

Trx σ = Ip

T A

σV = A

V N N τA = ∑ helw ∑ helw

2 w f

τ f = τ A +τ A

T

N

σ f =σ +σ

V A

σ f ? ? ? +τ 2 ≤ f ?β ? ? f?

f

3.4.3 斜角角焊缝的计算

采用与直角角焊缝相同的计算公式计算。 研究很少，计算公式也是根据直角角焊缝简化得出。 因此，一律取 β f = 1.0

焊缝有效厚度：假定在所成夹角的最小斜面上发生破坏 当根部间隙b、b1或b2≤1.5mm时

he = h f cos

α

2

当b、b1或b2>1.5mm时

b(或b1、b2 )? α ? he = ?h f ? ? cos 2 sin α ? ?

任何情况下b、b1或b2不得大于5mm。

3.5 坡口焊缝的构造要求和计算

3.5.1坡口焊缝的强度 焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。 三级焊缝对全部焊缝作外观检查；一级、二级焊缝除 外观检查外还要求一定数量的超声波检验。 如焊缝中不存在缺陷，焊缝金属的强度高于母材。 但焊缝中可能有气孔、夹渣、咬边、未焊透等缺陷。 焊接缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大，可认为 受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等，但受拉的坡 口焊缝对缺陷甚为敏感，由于三级检验的焊缝允许存 在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85％，而 一二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等 分为焊透的坡口焊缝和部分焊透的坡口焊缝。

3.5.2坡口焊缝的构造和计算 1、坡口焊缝的构造要求 对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度在一侧 相差4mm以上时，应在宽度方向或厚度方向从一侧或 两侧做成坡度不大于1:2.5(直接承受动力荷载时不大于 1:4)的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中。 焊缝起灭弧处弧坑等缺陷对承载力影响极大，焊接时 一般应设置引弧板和引出板，焊后将它割除。受静力 荷载设置引弧(出)板困难时，允许不设置，此时焊缝 计算长度等于实际长度减2t。t为连接件的较小厚度， 在T形接头中t为腹板的厚度。

钢板拼接可采用纵横两方向的对接焊缝，十字或T形

交 叉， T形交叉时距离不得小于200mm，且拼接料的长度 均不得小于300mm。 T形拼接的构造。

2.焊透的坡口焊缝的计算 坡口焊缝是焊件截面的组成部分，焊缝中应力分布基本 与焊件相同，故计算方法与构件的强度计算一样。 (1)轴心力作用的对接焊缝

N σ= ≤ f t w或f cw lwt

N—轴心拉力或压力设计值； lw—焊缝的计算长度。当未采用引弧板时，取实际长度减去2t； t—对接接头中为连接件的较小厚度；T形接头中为腹板厚度； f t w、f cw —对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。

只有三级检验的焊缝才需进行抗拉强度验算。如果采用 直缝不能满足强度要求时，可采用如图所示的斜对接焊 缝。焊缝与作用力间的夹角θ满足tanθ≤1.5时，斜焊缝的 强度不低于母材强度，可不再进行验算。

（2）弯矩和剪力共同作用的对接焊缝计算 对接接头受到弯矩和剪力的共同作用，正应力与剪应 力的最大值应分别满足

M 6M σ= = 2 ≤ ftw Ww lwt

VS w τ= ≤ f vw I wt

Ww、 Sw、 Iw—焊缝的截面模量、面积矩、惯性矩。 工字形或H型钢梁的对接焊缝接头，除分别验算最大正 应力和剪应力外，对于同时受有较大正应力和剪应力 处，如腹板与翼缘的交接点还验算折算应力：

σ + 3τ ≤ 1.1 f t

2 1 2 1

w

验算点处焊缝的 正应力和剪应力。

（3）轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝 焊缝的最大正应力应为轴心力和弯矩引起的应力之和 N M σ= + ≤ ftw Aw Ww 剪应力

VS w τ= ≤ f vw I wt

折算应力

σ + 3τ ≤ 1.1 f t

2 1 2 1

w

3.部分焊透的坡口焊缝的计算 受力很小，焊缝主要起联系作用或焊缝受力虽然较大， 但采用焊透的对接焊缝将使强度不能充分发挥时，可 采用部分焊透的对接焊缝。四块较厚的板焊成箱形截 面的轴心受压构件，用焊透对接焊缝是不必要的；如 采用角焊缝外形又不平整；采用部分焊透的对接与角 接组合焊缝可以省工省料，较为美观大方。 部分焊透的对接焊缝必须在设计图上注明坡口的形式 和尺寸。

坡口形式：V形、单边V形、U形、J形和K形。

部分焊透的坡口焊缝可视为在坡口内焊接的角焊缝。强 度计算方法与直角角焊缝相同，在垂直于焊缝长度方向 的压力作用下βf＝1.22，其他情况取βf＝1.0。 对U形、J形和坡口角α＞60 ° 的V形坡口 he= s α＜60°的V形坡口焊缝 he=0.75 s 对单边V形和K形坡口焊缝， α =45°±5°时

he=s-3mm

熔合线处焊缝截面边长等于或接近于最短距离S时,应验 算焊缝在熔合线上的抗剪强度，其强度设计值取0.9倍角 焊缝的强度设计值。 焊缝的最小有效厚度为1.5 t 2 ，t2为坡口所在焊件的较大 厚

度(单位取mm)。

3.5.3焊缝质量等级的选用 规范对焊缝质量等级的选用有如下规定： (1)需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横 向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。 (2)在不需要进行疲劳计算的构件中，要求与母材等强的 受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。 (3)重级工作制和起重量Q＞50t的中级工作制吊车梁的腹 板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的 T形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级。 (4)由于角焊缝的内部质量不易探测，故规定其质量等级 一般为三级，只对直接承受动力荷载且需要验算疲劳和 起重量Q＞50t的中级工作制吊车梁才规定角焊缝的外观 质量应符合二级。

3.6 焊接应力和焊接变形

3.6.1焊接应力的分类和产生的原因 热变形 焊件在焊接时产生的变形 焊接残余变形 焊件冷却后产生的变形，焊件中的应力 称为焊接残余应力 1 纵向焊接应力 沿焊缝长度方向 施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝及其附近温度可 达1600℃以上，而邻近区域温度急剧下降。不均匀的 温度场产生不均匀的膨胀。温度高的钢材膨胀大，但 受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力。这种拉应力经 常达到钢材的屈服强度。焊接应力是一种无荷载作用 下的应力，在焊件内部自平衡，必然在距焊缝稍远区 段内产生压应力。

2 横向焊接应力 垂直于焊缝长度方向 产生的原因有二： 焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲 变形，焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是两 块板的中间产生横向拉应力，而两端则产生压应力。 由于先焊的焊缝已经凝固，阻止后焊焊缝在横向自由 膨胀，使其发生横向的塑性压缩变形。当焊缝冷却时， 后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉 应力，而先焊部分则产生横向压应力，因应力自相平 衡，更远处的焊缝则受拉应力。

3 厚度方向的焊接应力 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。因此， 除有纵向和横向焊接应力σx、σy外，还存在着沿钢板厚 度方向的焊接应力σz 。这三种应力形成同号三向应力， 将大大降低连接的塑性。

3.5.2 焊接残余应力对结构性能的影响 1对结构静力强度的影响

常温工作并具 有一定塑性的 钢材，静荷作 用下，焊接应 力不影响结构 的静力强度 轴心受拉构件受荷前截面上存在纵向焊接应力，假设分布如图所 示，截面bt部分的焊接拉应力已达fy，轴心力N作用下，应力不 再增加，钢材具有一定的塑性，N仅由受压的弹性区承担。受压 区由原来受压逐渐变为受拉，最后应力也达到屈服点fy，此时全 截面应

力都达到fy。由于焊接应力自相平衡，(B ? b )tσ = btf y 全截面屈服

N = ( B ? b)t (σ + f y ) = (B ? b )tσ + Btf y ? btf y = Btf y

无焊接应力，全截面上的应力屈服时的外力为Btfy。

3.5.2 焊接残余应力对结构性能的影响 2 对结构刚度的影响 构件上存在焊接残余应力会降低结构的刚度。 截面bt部分的拉应力已达到fy，这部分刚度为零，因而 构件在拉力N作用下的应变增量为 N ε1 = (B ? b )tE 如构件上无焊接残余应力存在时，则构件在拉力作用 下的应变增量为 N ε2 = BtE B-b＜B，所以 ε1 > ε 2 ，即焊接残余应力的存在增大了 结构的变形，故降低了结构的刚度。

3.5.2 焊接残余应力对结构性能的影响 3 对受压构件承载力的影响 焊接残余应力使构件的有效面积和有效惯性矩减小， 从而必定降低其稳定承载力。 4 对低温冷脆的影响 厚板或具有交叉焊缝将产生三向焊接拉应力，阻碍了 塑性变形的发展，增加了钢材在低温下的脆断倾向。 5 对疲劳强度的影响 焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常 达到钢材的屈服点，此部位正是形成和 发展疲劳裂纹最为敏感的区域。焊接残余 应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。

3.5.3 焊接变形 焊接过程中，不均匀的加热和冷却，焊接区在纵向和横 向收缩时，导致构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转 等。焊接变形包括纵、横收缩、弯曲变形、角变形和扭 曲变形等，通常是几种变形的组合。 任一焊接变形 超过验收规范 的规定时，必 须进行校正， 以免影响构件 在正常使用条 件下的承载能 力。

3.5.4 减少焊接应力和焊接变形的措施 设计措施 (1)尽可能使焊缝对称于构件截面的中性轴，以减小焊 接变形。(2)采用适宜的焊脚尺寸和焊缝长度。(3)焊缝 不宜过分集中 。(4)应尽量避免两条或三条焊缝垂直交 叉 。(5)尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。

2工艺措施 (1)合理的施焊次序 采用分段退焊，厚焊缝采用分层焊，工字形 截面按对角跳焊。 (2)采用反变形 施焊前给构件一个与焊接变形反方向的预变形， 使之与焊接所引起的变形相抵消，从而达到减小焊接变形的目的 (3)小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火加热至600℃左右，然后 缓慢冷却，可以消除焊接应力和焊接变形。也可采用刚性固定法 将构件加以固定来限制焊接变形，但却增加了焊接残余应力。

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