《钢结构设计规范》理解与应.ppt

钢结构设计规范 理解与应用,重庆大学土木工程学院 崔 佳,第1章 概 述,1.1钢结构设计规范的历史,解放初期：1-461955年：121-551974年：TJ 17-741988年：GBJ 17-882003年:GB50017,1.2 设计文件中对材料质量的要求 规范规定：设计文件中应注明“采用的钢材牌号，连接材料的型号(或钢号)和对钢材所要求的力学性能、化学成分及其它的附加保证项目。此外，还应注明所要求的焊缝形式、焊缝质量等级、端面刨平顶紧部位及对施工的其它要求。”钢结构设计文件中应注明的这些内容与保证工程质量密切相关，因此将本条确定为强制性条文。,第2章 材 料,2.1 钢结构对材料的要求,1.较高的抗拉强度及屈服点；2.较高的塑性和韧性；3.良好的工艺性能（冷加工、热加工、可焊性）。,2.2 钢材的种类和牌号 1.规范推荐的钢材牌号 普通碳素钢：Q235(相当于旧标准的3号钢)普通低合金钢：Q345(相当于旧标准的16Mn、12MnV、14MnNb 16MnRE、18Nb)Q390(相当于旧标准的15MnV、15MnTi、16MnNb)Q420(旧标准的15MnVN、14MnVTiRE),钢材的质量等级 分A、B、C、D、E级（E级仅用于Q345、Q390、Q420等低合金钢）。钢材的基本保证项目：（1）抗拉强度、屈服点、伸长率；（2）化学成分：硫、磷、锰、碳（Q235-A不作交货条件）；（3）冷弯试验、冲击韧性（+20、0、-20）。第（3）项A级钢不保证，必要时可附加冷弯试验的要求。,规范对用于承重结构的钢材应具有的强度、塑性、韧性等力学性能和化学成分等合格保证项目作出了规定。“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承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。”,2.其他可选用或代用的钢材（1）“高层建筑结构用钢板”YB4104 特点：a.降低硫、磷含量和焊接碳当量；b.提高屈服点、缩小其波动范围；c.提高冲击功、增加弯曲试验；d.保证厚度方向性能到Z35（数字为厚度方向截面收缩率%）。,（2）“Z向钢”GB/T 5313 厚板容易出现层状撕裂，这对沿厚度方向受拉的接头来说是很不利的，因而需要采用厚度方向性能钢材。特点：a.降低含硫量（仅为一般钢材的1/5或以下）；b.提高截面收缩率（Z15、Z25、Z35）我国建筑抗震设计规范和建筑钢结构焊接技术规程中均规定厚度大于40mm时应采用厚度方向性能钢材。,（3）“优质碳素结构钢”GB699（4）“桥梁用结构钢”GB/T714（5）“锅炉用碳素钢和低合金钢”GB713（6）”船体用结构钢”GB712（7）“压力容器用钢板”GB6654（8）“耐侯钢”高耐侯性结构钢GB/T4171 焊接结构用耐侯钢GB/T4171（9）“钢铸件用钢”GB11352 符号：ZG-200-400、ZG-270-570,屈服点,抗拉强度,2.4 钢结构的连接材料,1.手工焊焊条 E43适用于Q235；E50适用于Q345；E55适用于Q390、Q420。表示焊接电源种类及药皮类型，见表2.11、2.12。,2.自动（半自动）埋弧焊的焊丝与焊剂 焊丝：H08A Q235 H08MnA H08MnA Q345 焊剂：431型 H10MnSi H10MnSi Q390、Q420 H08Mn2Si 选用原则：焊缝金属的力学性能不低于母材。,3.普通螺栓 精制螺栓 A、B级 普通螺栓的A、B级，根据现行国家标准GB5782-86，其材料不是3号钢，而是5.6级、8.8级和10.9级等。A、B 级螺栓都是以前的“精制螺栓”，质量标准要求相同。A级螺栓用于d 24mm和L（螺栓公称长度）10d或L150mm（按较小值）；d 或L较大者为B 级螺栓。粗制螺栓 C级 分4.6级和4.8级。,4.高强度螺栓 高强度螺栓的性能等级：8.8级、10.9级。,大六角头螺栓,扭剪型高强度螺栓（10.9级）,第3章 基本设计规定,3.1 设计原则,1.设计方法 承载能力极限状态和正常使用极限状态是结构或构件设计及计算的依据，钢结构设计一般采用概率极限状态设计方法。但由于现阶段对疲劳计算的可靠度理论问题尚未解决，所以钢结构的疲劳强度计算只能沿用传统的按弹性状态计算的“容许应力幅”的设计方法，容许应力幅是根据试验结果得到，故应采用荷载标准值进行计算。另外，疲劳计算中采用的计算数据大部分是根据实测应力或疲劳试验所得，已包含了荷载的动力影响，亦不再乘动力系数。,钢结构设计规范对结构或构件承载能力的计算一般采用应力表达式。根据建筑结构荷载规范，当按承载能力极限状态设计钢结构时，对于基本组合，内力设计值应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合中取最不利值考虑。钢结构自重较小，一般是由可变荷载效应控制设计，只有当采用钢筋混凝土楼面（或屋面）板或有积灰的屋盖结构以及特殊情况才有可能由永久荷载控制设计。对荷载效应的偶然组合，本规范参照统一标准只作出了原则性的规定，具体的设计表达式及各项系数应符合专门规范的规定。,2.钢结构的安全等级 按照现行国家标准建筑结构可靠度设计统一标准的规定，对破坏后果很严重的重要的房屋，安全等级为一级；对破坏后果严重的一般的房屋，安全等级为二级。由于统一标准是对各设计规范的统一指导，不可能针对各种结构规范给出具体建议。本规范根据对我国已建成的建筑物采用概率统计方法分析的结果，一般工业与民用建筑钢结构，按照统一标准的分级标准，安全等级多为二级，故规定可取为二级。对于其它特殊的建筑钢结构，其安全等级应根据具体情况另行确定。如对于跨度等于或大于60m的大跨度结构则宜取为一级。,由于本规范定位为不抗震设计，故所有条文均是针对不考虑抗震的情况而制定。当按抗震要求设计时，不再分安全等级，而应按现行国家标准建筑抗震设防分类标准GB50223的规定来确定建筑物的抗震设防类别。,3.结构的重要性系数0 建筑结构可靠度设计统一标准条注“对设计工作寿命为25年的结构构件，各结构规范可根据各自情况确定0值”。钢结构设计规范根据工作寿命50年时取01.0，工作寿命5年时取00.9，故规定工作寿命25年时取00.95。,4.关于吊车荷载的最不利组合 88规范在计算吊车梁挠度时对吊车荷载取由两台吊车产生的最不利组合，新规范改为由一台吊车加自重进行计算（相应挠度容许值有所调整）。理由是：符合“正常使用极限状态”的要求；与多数国外规范相一致。,3.2 荷载和荷载效应计算,新修订的钢结构设计规范强调了对设计原则的指导。突出设计原则是目前各国规范的共同特点，早期的规范条文以试验或实践经验为主，故条文简单具体。随着结构形式越来越复杂，规范的任务不再仅限于提供计算公式和具体数据，而是应给予设计原则的指导。因此，规范补充了有关设计原则的有关条文。,1.屋面活荷载 新修订的建筑结构荷载规范将不上人的屋面均布活荷载标准值统一规定为0.5kN/m2（原规范分0.3、0.5、0.7kN/m2三级）。对不上人的屋面均布活荷载，较早的荷载规范取0.3kN/m2，后发现对重屋面偏低，74规范改为0.5kN/m2。采用概率极限状态设计法后发现对以恒载为主的结构（混凝土结构）可靠度下降，故又提高到0.7kN/m2。,新修订的荷载规范增加了以恒载为主的不利组合式，屋面活荷载中主要考虑的仅是施工荷载即偶然因素的不利影响，故又恢复到0.5kN/m2。但注明“对不同结构可按有关设计规范作0.2kN/m2的增减”。新修订的钢结构设计规范规定“对支承轻屋面的构件或结构，当仅有一个可变荷载且受荷面积超过60m2时，取0.3kN/m2”。这与原规定有所不同，应注意檩条的计算。对重屋面由于增加了以永久荷载为主的组合，不再提高屋面活荷载。,2.吊车的卡轨力 原规范参考苏联规范，对重级工作制吊车梁，将荷载规范规定的横向水平荷载乘以增大系数以考虑由吊车摆动引起的横向水平力（即卡轨力，荷载规范只规定了小车的制动力），现改为按下式计算：HK=Pkmax式中，Pkmax为吊车轮压标准值；系数0.1（一般软钩吊车），0.15(抓斗、磁盘吊车)和0.2（硬钩吊车）。卡轨力不与横向水平力同时考虑，此外，与吊车工作制及连接无关。,根据起重机设计规范（GB3811-83），按吊车利用等级（即循环次数，分为U0-U9等10级）和载荷状态（载荷谱系数Kp有轻、中、重、特重等4级）综合划分吊车工作级别为A1A8级。本规范一般所指轻级工作制即A1A3级；中级为A4A5级；重级为A6A8级（其中A8为特重级）。但对吊车工作制的界定不能死搬硬套吊车工作制与吊车工作级别的一般对应关系，而应根据吊车的具体操作情况确定。,3.框架结构的内力分析 新增有关内力分析的设计原则。一阶弹性分析（几何线形）：按结构变位前的轴线建立结构变形与荷载之间的平衡关系；二阶弹性分析（几何非线形）：按结构变位后的轴线建立结构变形与荷载之间的平衡关系。,规范规定“对 0.1的框架结构（一般指无支撑纯框架结构），宜采用二阶弹性分析”。此处N为所计算楼层各柱轴压力之和；H为所计算楼层及以上各层水平力之和；h为所计算楼层的高度；u为所计算楼层按一阶分析的层间侧移。判断式中 可用层间侧移容许值代替。,（1）采用二阶分析时，应在每层柱顶附加考虑假想水平力（概念荷载）Hni：,式中，Qi为第i楼层的总重力荷载设计值；ns为框架总层数；y为钢材强度影响系数；Q235钢,y=1.0；Q345钢,y=1.1；Q390钢,y=1.2；Q420钢,y=1.25。等式右端的根号为折减系数，考虑当柱子较多时初始侧移有正有负，缺陷相互抵消。,（2）规范提出了采用二阶弹性分析时杆端弯矩的近似计算方法：M2M1b+2i M1s；式中 M1b、M1s 分别为框架无侧移或有侧移时按 一 阶弹性分析求得的杆端弯矩；2i 考虑二阶效应第i层杆件的侧移 弯矩增大系数。,框架结构的一阶弹性分析,3.3 设计指标,1.钢材的强度设计值（1）钢材抗拉、压、弯时的强度设计值为fy/R。R为抗力分项系数，新规范对Q235钢取R=1.087；对Q345、Q390和Q420钢，R1.111。这样对Q345钢来说，比原规范的16Mn（R1.087）强度设计值有所降低。原因：Q345钢包括旧标准的5种钢材，统计资料不足；近年来发现16Mn钢质量不理想，稍厚（当t 20mm）就容易分层。,（2）钢材的强度设计值与厚度有关，钢材越薄，辊轧的次数越多，强度越高。新规范将钢材厚度增加到100mm（原规范3号钢50mm，16Mn和15MnV钢36mm），这是因为厚板的应用越来越广。其实，厚板的统计资料尚不够充分。（3）钢材的抗剪强度设计值 按能量强度理论，取：,（4）端面承压强度设计值 由于端面承压强度是验算构件极小区域的压应力，其强度设计值允许超过材料的屈服点而接近其最低极限强度，因此钢材的端面承压强度远远高于一般抗压强度，但此强度设计值只有在构件之间的接触面为刨平顶紧时才能达到。因为现行国家标准规定的钢材的最低极限强度不随钢材厚度而变，所以端面承压强度设计值与厚度无关。,2.连接的强度设计值 连接的强度设计值主要根据过去采用容许应力法计算时的各种容许应力换算而得，其中角焊缝和承压型高强度螺栓有一定数量的试验数据，强度设计值是根据这些试验数据并参考国外规定确定的。经可靠度分析，所有连接的可靠度均大致等于或略高于构件的可靠度。,焊缝的分级与检验 焊缝的强度与质量等级有关，质量等级的划分与焊缝质量检验有关，是根据钢结构工程施工质量验收规范GB50205划分的，共分为一、二、三级。三级焊缝只作外观检查；二级焊缝除作外观检查外，加超声波探伤；一级焊缝除作外观检查外，加超声波探伤、X射线或射线。角焊缝探伤不准，只能为三级。,（1）焊缝的强度设计值中，对接焊缝只有抗拉和抗压的取值，抗弯强度分别按抗弯中的受压部分取抗压强度设计值，受拉部分取抗拉强度设计值采用。焊缝金属为焊条熔敷金属与钢材金属的混合体，其强度一般高于钢材的强度，但焊缝质量对强度有很大影响，规范规定：焊缝质量为一、二级时，对接焊缝的抗拉强度设计值与母材相等；焊缝的质量等级仅影响三级焊缝的抗拉强度，因此三级时取为母材抗拉强度的0.85倍。,对于质量等级为一、二级的对接焊缝，按照现行国家标准钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级GB11345-89的规定，仅适用于厚度不小于8mm的钢材。根据钢结构施工单位的经验，亦认为厚度小于8mm的钢材，其对接焊缝用超声波检验的结果不大可靠，而应采用X射线探伤。否则，对t8mm钢材的对接焊缝，其强度设计值只能按三级焊缝采用。,（2）普通螺栓中的A级和B级螺栓的强度等级分为5.6级和8.8级两种，其抗拉和抗剪强度设计值是参照前苏联81规范取用的，可用于一个或多个螺栓。C级螺栓的抗拉和抗剪强度设计值也是参照前苏联81规范取用的。（3）高强度螺栓连接有承压型和摩擦型之分，由于采用的设计准则不同，其承载力计算亦不相同。,8.8级普通螺栓与8.8级承压型高强度螺栓的性能等级相同，其区别在于：（1）承压型高强度螺栓要求施加预拉力；（2）承压型高强度螺栓的孔径要求低于普通螺栓，因此，其抗剪强度低于普通螺栓，但抗拉强度相同（见材料表中的强度设计值）。,3.强度设计值的折减系数 规范所规定的强度设计值是结构处于正常工作情况下求得的，对一些工作情况处于不利的结构构件或连接，其强度设计值有所降低。所以补充规定，在某些特殊情况下钢材的强度设计值应乘以相应的折减系数。例如单面连接的单角钢等。,3.5 结构或构件变形的规定,1.受弯构件的挠度 受弯构件的挠度容许值改为考虑两种情况：vT恒载活荷载作用下的挠度容许值，主要是观感要求；vQ活荷载作用下的挠度容许值，主要是 使用要求。（1）当有实践经验或有特殊要求时可作适当调整。（2）注意变形叠加现象。,2.框架结构在风荷载作用下的水平位移（1）新规范增加了对单层及多层框架柱柱顶位移的限制值，但经验积累不足，主要参考国外及相近规范。注意纯框架结构水平侧移的计算应考虑二阶效应。（2）控制厂房柱在吊车梁处的水平变形是为了保证桥式吊车的正常运行。有些单位认为88规范的规定偏严，因研究工作量大，新规范仅缩小为验算范围至冶金厂房和类似车间中有A7、A8级吊车的跨间。,第4章 受弯构件的计算,4.1 梁的强度 规范规定梁的强度设计应考虑以下几项：1.梁的抗弯强度计算 f,2.抗剪强度 fv 规范取 试验证明可达到（1.21.6）f，有些国家规范取至极限剪应力，如美国AISC取fv=0.667f。,3.局部承压强度 固定集中荷载处无支承加劲肋或有移动集中荷载，应验算局部压应力。规范假定集中荷载从作用点处以1:2.5和1:1扩散：承压强度 c f，,4.复杂应力作用下的强度：适用范围：组合梁腹板的计算高度h0处同时受有较大 或 时，应验算折算应力。计算公式：h0边缘同一点处应力，以拉为正，压为负。计算折算应力的强度设 计值增大系数。异号时，同号或，,4.2 梁的整体稳定,1.计算公式 梁的整体稳定性按下式计算：b 实质为临界应力与屈服点的比值。,Mcr为临界弯矩：影响Mcr的因素：EIy 梁的侧向抗弯刚度 GIt 梁的自由扭转刚度 l1 梁受压翼缘的自由长度，受压翼缘侧向 支承点之间的距离 与荷载形式、梁端支承方式、横向荷载 作用位置等有关 其他：初始缺陷、材料性能、截面塑性发展情况。,2.整体稳定系数的非弹性修正 当 时，梁已进入非弹性工作阶段，cr明显降低，在梁整体稳定计算中，此时应对整体稳定系数进 行弹塑性修正，即：,焊接H型钢的残余应力,3.增强梁整体稳定的措施 提高梁整体稳定承载力的关键是增强梁的抗侧移及扭转刚度，当满足一定条件时，就可以保证在梁强度破坏之前不会发生梁的整体失稳。（1）密铺刚性铺板，并与梁受压翼缘连牢 a.现浇钢筋混凝土板；b.预制钢筋混凝土板，需有四角预埋件与钢梁焊接；c.压型钢板有一定数量的抗剪件；d.钢板应采用间断焊缝或栓钉焊于钢梁翼缘。,（2）设置梁的侧向支撑 侧向支撑作用是为梁提供侧向支点，减小梁受压翼缘的自由长度l1，减小侧向计算长度，故要求侧向支撑应可靠，能有效地承受梁侧弯产生的侧向力（实际为弯曲剪力）。（3）夹支支座 梁为侧向弯曲扭转失稳，所以支座处应采取措施限制梁的扭转。,4.3 梁的局部稳定,同轴压构件一样，为提高梁的刚度与强度及整体稳定承载力，应遵循“肢宽壁薄”的设计原则，从而引发板件的局部稳定承载力问题。,1.受压翼缘板的局部稳定 可视为单向均匀受压板,根据弹性稳定理论，矩形弹性薄板在周边应力作用下的临界条件可用下式表达：式中 嵌固系数，其值取决于梁翼缘对腹板的 嵌固程度。当梁翼缘扭转受到约束时，翼缘对腹板的嵌固程度较强，可取=1.66；当梁翼缘扭转未受约束时，翼缘对腹板的嵌固程度较弱，可取=1.23。k板的屈曲系数，与板边的支承条件及板的受力情况（受压、受弯或受剪）有关。,采用限制宽厚比的方法（等强原则）（1）受压翼缘板的悬伸部分：,按弹性设计时可放宽，此时x=1.0,（2）箱形梁翼缘板在两腹板之间的部分：,2.梁腹板局部稳定的设计计算 新规范规定，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的组合梁宜考虑腹板屈曲后强度，计算腹板的抗弯和抗剪承载力。对直接承受动力荷载的吊车梁及类似构件或其它不考虑屈曲后强度的组合梁腹板的局部稳定，则通常采用设置加劲肋的办法来保证。88规范以薄板弹性稳定临界力为基础，推出了梁加劲肋间距的近似计算 公式。,梁腹板在各种应力单独作用下发生局部失稳时的临界应力统一用下式表达：,弯曲应力,剪应力,局部承压应力,（1）上式为完全弹性的计算式，各种应力单独作用下的单项临界应力cr、cr、c,cr 原88规范只有一个值，由以上弹性公式推出，为完全弹性的临界条件，实际应用时须进行弹塑性修正。新规范将临界应力用三段式表示，其中c式为完全弹性的临界应力，与88规范的规定相当；a式的临界应力等于强度设计值f，即塑性阶段；b式则为弹性到屈服之间的过渡，即弹塑性阶段的临界应力计算式。,例如计算腹板抗剪临界应力cr为a、b、c三个公式，公式采用了国际通行的表达方式，采用通用高厚比 作为参数，即当(a)当(b)当 弹性范围，为钢材抗剪屈服强度，等于，用设计值表达：(c),根据弹性稳定求得的临界应力，可求得:当a/ho1.0时,当a/ho1.0时,弯曲正应力作用下的临界应力cr和局部压应力作用下的临界应力c,cr与cr类似。,（2）各种应力共同作用下的计算式，新旧规范有较大区别，例如仅设有横向加劲肋时：旧规范,新规范 旧规范计算式中，分母cr、c,cr、cr均可超过屈服强度，假定钢材是无限弹性，加劲肋的间距由构造要求控制，不适用于弹塑性修正后的临界应力。,4.4 组合梁腹板考虑屈曲后强度的设计,腹板在弹性屈曲后，尚有较大潜力，称为“屈曲后强度”。近数十年来国内外对腹板屈曲后强度进行了大量研究，很多国家在钢结构设计规范条文中也都建议可利用腹板屈曲后强度，即使在梁腹板的高厚比达到300左右时，也仅仅设置横向加劲肋。（1）条款不适用于吊车梁，因有关资料不充分。如果腹板反复屈曲，可能会促使疲劳裂纹的开展，缩短梁的疲劳寿命，而且动力作用会使薄腹板产生振动，所以不宜考虑腹板的屈曲后强度。,（2）梁腹板受剪屈曲后的强度计算利用了张力场概念，其基本假定是：腹板剪切屈曲后将因薄膜应力而形成拉力场，腹板中的剪力，一部分由小挠度理论算出的抗剪力承担，另一部分由斜张力场作用(薄膜效应)承担；翼缘的弯曲刚度小，假定不能承担腹板斜张力场产生的垂直分力的作用。,（3）利用腹板屈曲后强度，即使h0/tw很大，一般也不再考虑设置纵向加劲肋。而且只要腹板的抗剪承载力不低于梁的实际最大剪力，可只设支承加劲肋，而不设置中间横向加劲肋。（4）利用腹板屈曲后强度后，梁的抗弯承载力有所降低，但降低不多，对Q235钢的梁来说，当h0/tw=200（受压翼缘扭转受到约束）或h0/tw=175（受压翼缘扭转未受到约束），抗弯承载力只下降5%以内。,（5）规范提出的计算公式与欧洲规范EC3相同，即基本计算式：(a)当M/Mf 1.0时,VVu(b)当V/Vu0.5时,MMeu(c)式中 M、V所计算区格内同一截面处梁的弯矩 和剪力设计值。由于是强度计算，不 能像计算腹板稳定那样，取为区格内 的平均值；,Mf 梁两翼缘所承担的弯矩设计值，对双轴对称 截面梁Mf=Afh1f（Af为一个翼缘截面积；h1为 两翼缘轴线间距离），规范的Mf计算式是考 虑两翼缘截面不等的情况；Vu、Meu梁腹板屈曲后的抗剪和抗弯承载力设计值。腹板屈曲后的抗剪承载力Vu，应为屈曲剪力与张力场剪力之和，用下列公式计算：,当s0.8时 Vu=hotwfv(a)当0.81.2时：Vu=hotwfv/s1.2(c)式中 s用于抗剪计算的腹板通用高厚比。,腹板屈曲后的抗弯承载力Meu 腹板屈曲后考虑张力场的作用，抗剪承载力有所提高。但弯矩作用下腹板受压区屈曲后，梁的抗弯承载力有所下降，我国规范采用有效截面的概念来计算梁的抗弯承载力。,梁截面惯性矩为（忽略孔洞绕自身轴的惯性矩）：梁截面模量折减系数为：上式按双轴对称截面塑性发展系数x=1.0得出，是偏安全的近似公式，可用于x=1.05和单轴对称截面。因而，梁的抗弯承载力设计值为：,有效高度系数，与计算局部稳定中临界应力一样以通用高厚比 作为参数，也分为三个阶段，分界点也与计算 相同，即当 时，(a)当(b)当(c),考虑腹板屈曲后强度的加劲肋设计 梁腹板利用屈曲后强度，当有跨间集中荷载作用时，其中间加劲肋除承受集中荷载外，还承受张力场产生的压力。其加劲肋设计应注意：（1）只设横向加劲肋（支承加劲肋和剪力较大区的中间横向加劲肋），但不允许在腹板单侧设置。,张力场对横向加劲肋的作用有竖向和水平两个分力，对中间横向加劲肋所受轴心压力规定为：s=Vu-hotwcr+F 式中，Vu为腹板屈曲后的抗剪承载力；cr为临界剪应力；F为承受的集中荷载。上式比理论值偏大，以考虑张力场张力的水平分力的不利影响。（2）梁的支座加劲肋除承受支座反力外，还承受张力场斜拉力中的水平分力Ht，梁端构造有两个方案可供选择：,方案一：增加抗弯能力，在梁外端加设封头板。采用下列方法之一进行计算：将封头板与支座加劲肋之间视为竖向压弯构件，简支于梁上下翼缘，计算其强度和稳定；支座加劲肋按承受支座反力R 的轴心压杆计算，封头板截面积则不小于Ac=3h0Ht/(16ef)。,方案二：缩小支座加劲肋和第一道中间加劲肋的距离a1，使a1范围内的，此种情况的支座加劲肋就不会受到Ht的作用。这种对端节间不利用腹板屈曲后强度的办法，为世界少数国家（如美国）所采用。规范条文中只有方案一。,第章 轴心受力构件和拉弯、压弯构件的计算,5.1 轴心受拉和轴心受压构件,1.轴心受力构件的强度 以截面的平均应力达到钢材的屈服应力为极限,2.轴心压杆的整体稳定 实腹式轴心受压构件的稳定性应按下式计算:f 式中 为整体稳定系数，实质是临界应力与屈服点的比值。柱的临界应力与截面形状、力作用方向等有关，原规范分为3条曲线，即a、b、c，将t 40mm的轴压构件稳定归入c曲线，没有考虑厚度方向残余应力的影响。,（1）新规范现对t 40mm的轴压构件作了专门规定。同时补充了d 类截面曲线的值（d曲线）。实际上t 40mm的轴压构件，视截面形式和屈曲方向，分别应归入b、c、d 三条曲线。（2）轴心受压构件的失稳有三种形式：弯曲失稳、弯扭失稳和扭转失稳。,单轴对称截面绕对称轴的失稳是弯扭失稳。原规范视为弯曲失稳归入b曲线或降低为c曲线。新规范对截面类别的划分只考虑截面形式和残余应力的影响，按弹性方法将弯扭屈曲用换算长细比换算为弯曲屈曲。根据弹性稳定理论，换算长细比为：式中 z扭转屈曲的长细比；,对剪心的极回转半径；eo剪心至形心距离。为简化计算，对钢桁架结构中常用的单角钢和双角钢形截面，规范建议了yz的近似计算式。,例:等边双角钢截面 当b/t0.58loy/b时，弯曲屈曲控制 yz=y(1+当b/t0.58loy/b时，扭转屈曲控制 yz=3.9(1+,3.格构式轴心压杆绕虚轴的整体稳定 由于剪力引起的附加变形较大，不能忽略。为简化计，绕虚轴的稳定计算采用换算长细比，以考虑剪切变形的影响。,缀条柱,缀板柱,缀条柱的剪切变形,缀板柱的剪切变形,换算长细比的推导按缀条柱与缀板柱的剪切变形分别考虑。,4.格构式轴心压杆的缀材设计 格构式轴心压杆的缀材承受截面的剪力，此剪力近似取为沿杆长均匀分布：5.用填板相连的组合压杆 桁架腹杆常用双角钢或双槽 钢，两肢间用填板连接，若按实 腹式计算，填板间距离须满足一定的要求。,6.减小受压构件自由长度的支撑力,用作减小轴心受压构件自由长度的支撑承受柱屈曲时产生的支撑力。,减小受压构件自由长度的支撑力原88规范取用压杆的偶然剪力，现改为：（1）单根柱柱高中点有一道支撑 Fb1=N/60支撑不在柱中央（距柱端 l）有m道支撑,（2）支撑多根柱时支撑力 式中，n为被撑柱根数。一般不宜多于8根。以上公式来源于轴心受力杆件的理论推导，当支撑同时承担其他作用时，其轴力不与支撑力叠加。同时以前对支撑一般按容许长细比控制截面，不计算承载力。现在对支承多根柱的支撑应注意计算其承载力。,5.2 拉弯构件和压弯构件,1.拉弯、压弯构件的强度计算 我国规范考虑构件截面部分进入塑性（塑性发展深度为截面高度的1/8）得到上式。新规范将塑性发展系数取x=y=1.0的条件由“直接承受动力荷载”改为“需要计算疲劳”的拉弯、压弯构件。,2.压弯构件弯矩作用平面内的稳定计算 我国钢结构设计规范采用CDC法计算出压弯构件在等端弯矩作用下的极限荷载（压溃荷载），此极限荷载曲线是P、M以及的函数，为简化计算，借用了弹性压弯构件相关公式的形式，拟合出设计计算式。其余荷载作用情况用等效弯矩系数m进行修正。,（1）NEx为欧拉临界力，NEx应除以抗力分项系数R，注明NEx为参数，其值为NEx/RNEx/1.1。（2）mx(或tx)为等效弯矩系数，实质为其他荷载作用时的临界弯矩与均匀弯矩作用临界弯矩的比值。,计算式：,3.弯矩作用平面外的稳定计算（1）为调整系数，箱形截面=0.7，其它截面=1.0，以避免取箱形截面 的概念不清现象。（4）规范规定上式中的“按条确定”，即表示弯矩作用于对称轴平面的单轴对称截面，应按考虑扭转效应的换算长细比 确定。,计算长度的概念来源于两端铰接柱的欧拉临界力公式：的实质为杆件失稳时弯矩为零点（即曲率为零的反弯点）之间的距离。实际上相当于相邻两反弯点处切出的脱离体（相当于欧拉柱）的长度，即一个正弦曲线的半波。,5.3 构件的计算长度和容许长细比,1.桁架杆件的计算长度 一般中间腹杆：桁架平面外 lo=l；桁架平面内 lo=0.8l（考虑上下弦杆的约束）上下弦杆 桁架平面内 lo=l 桁架平面外 支承点间距离 端斜杆、端竖杆 桁架平面内 lo=l 桁架平面外 lo=l,2.框架柱的计算长度 实际工程中的压弯杆件都是框架或排架结构中的一个单元，失稳时不可避免地会受到与其两端相连的其他构件的约束，同时还受到相邻构件刚度即受力的影响，计算其整体稳定承载力，必须对框架结构进行整体分析。88规范在确定框架柱在框架平面内的计算长度时将框架结构分为两种情况：（1）无侧移失稳 对称失稳；（2）有侧移失稳 反对称失稳。,新规范分为两大类：（1）无支撑纯框架；（2）有支撑框架。其中有支撑框架根据支撑结构（支撑桁架、剪力墙等）的侧移刚度又分为强支撑框架和弱支撑框架。（1）无支撑纯框架 当按一阶弹性分析计算内力时，计算长度系数，用有侧移框架柱的表查得；因为框架有侧移失稳是二阶效应中的竖向荷载 效应造成的，采用二阶弹性分析时，此效应已在内力分析中计入，故框架柱的计算长度系数取=1.0。,（2）有支撑框架 强支撑框架支撑结构的侧移刚度满足式中 Sb产生单位侧倾角的水平力；层间所有柱用无侧移框架柱 和有侧移框架柱计算长度算 得的轴压杆稳定承载力之和。,弱支撑框架（当Sb不满足上式时），此时柱的稳定系数为式中、按无侧移和有侧移框架柱算得的 稳定系数。,3.附有摇摆柱的框架 考虑有摇摆柱时，框架柱 值应乘以增大系数。=式中 各框架柱轴心压力设计值与 柱子高度比值之和；各摇摆柱轴心压力设计值与 柱子高度比值之和。摇摆柱的计算长度取为其几何长度。,4.有关框架柱计算长度的其他原则性条文（1）关于“同层或其它层柱承载力有富裕时，可考虑对所计算柱的支持作用，对其计算长度系数 进行折减，同时，提供支持作用的柱的计算长度系数则应相应增大”的原则性条文。（2）关于“梁与柱半刚性连接，确定柱的计算长度时，应考虑节点连接特性”的原则性条文。,轴心受压构件发生局部失稳,腹板失稳时的情况,翼缘失稳时的情况,.4 受压构件的局部稳定,规范采用限制翼缘及腹板宽厚比（高厚比）的方法以保证组成板件不会丧失局部稳定。轴心受压T形截面腹板的局部稳定原88规范规定同工字形截面翼缘的宽厚比，对剖分T 型钢来说太严，经试验研究，对T 型钢腹板的宽厚比限制改为：轴心受压构件和弯矩使自由边受拉的压弯构件热轧T型钢，焊接T型钢，,弯矩使腹板自由边受压的压弯构件当当 弯矩使腹板自由边受压的压弯构件，由于未作新的研究工作，仍保留原88规范的规定。,第6章 疲劳计算,6.1 最大应力法 最大应力法认为影响疲劳寿命的主要因素有最大最小应力、应力比=min/max 及应力循环次数等。疲劳设计采用容许应力法：maxp p根据试验得出，一般定两点，得到max与min的关系曲线。TJ17-74规范采用。,max,+min,-min,-1,0,fy,=1,疲劳容许应力,常幅疲劳所有应力循环中，应力幅保持常量（不随时间变化）。焊接结构采用后发现疲劳强度与名义应力比无关，而是与应力幅=max-min有关，现规范根据试验作出-N关系的回归曲线：,6.2 常幅疲劳的应力幅法,任意循环下的容许应力幅：（1）C、参数，按构件及连接的类型分8类，可查表得。,对焊接结构焊接部位的常幅疲劳：=max-min 对非焊接结构或部位：=max-0.7min,容许应力幅,试验值,6.3 变幅疲劳的等效应力幅 实际结构重复作用的荷载是变幅循环，如吊车梁的荷载即是随机荷载。常用方法预测结构使用期间的设计变幅应力谱。设另一等效的常幅疲劳应力幅为e，循环 ni次后也产生破坏，并近似认为变幅疲劳与同类常幅疲劳在对数坐标中有相同的直线关系，则变幅疲劳每一级应力幅水平均有：,可得变幅疲劳容许应力幅：,6.4 吊车梁和吊车桁架的疲劳计算 规范规定吊车梁按下式计算疲劳：,欠载效应系数,6.5 有关疲劳计算的讨论1附录F（原附录五）的疲劳分类表中“梁翼缘焊缝”原规定为二级，但根据“施工验收规范”，角焊缝因内部探伤不准确，不能达到二级。吊车梁受拉翼缘常用角焊缝，这就产生了矛盾。现增加规定了“三级焊缝，但外观检查符合二级”的疲劳类别。2.直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，原规定应力循环次数n等于或大于2105次时应进行疲劳计算，现修改为“当应力循环次数n等于或大于5104次时，应进行疲劳计算”。,3问题（1）不出现拉应力的部位可不计算疲劳。但对出现拉应力的部位，例如、和、两种应力循环，其应力幅都是150，疲劳强度相同，显然不合理。（2）螺栓受拉时螺纹处有大的应力集中，疲劳强度很低，常有疲劳破坏的实例，但规范没有规定，应予补充。,第7章 连接计算,7.1 焊缝连接,1.焊缝的质量等级 有关焊缝质量等级的选用，是设计规范的新增条文。焊缝质量等级是原钢结构工程施工及验收规范GBJ205-83首先提到的，但它只提到一、二、三级焊缝的质量标准，并未提到何种情况需要采用何级焊缝。原设计规范GBJ17-88也没有明确规定，导致一些设计人员对焊缝质量等级提出不恰当要求，影响工程质量或者给施工单位造成不必要的困难。,2.对接焊缝的计算 对接焊缝分焊透的和部分焊透的两种。轴心受力的对接焊缝按下式 lw 焊缝的计算长度，GBJ17-88规范规定角焊缝和不加引弧板的对接焊缝，每条焊缝的计算长度均采用实际长度减去10mm，此种不分焊缝大小取为定值的办法不合理，新规范参考国外标准改为：对接焊缝减去2t；角焊缝减去2hf。,3.直角角焊缝的计算 按受力方向不同，角焊缝分为两种：,侧面角焊缝,正面角焊缝,正面角焊缝,N,N,N,N,侧面角焊缝主要受剪，正面角焊缝受力复杂，同时受拉、剪和弯曲正应力，强度高于侧面角焊缝约 35%。,角焊缝的破坏形式,均假定在45面上破坏，即取焊缝的有效高度为：,hf,he,基本计算公式：,正面角焊缝的强度增大系数,斜角角焊缝计算时不考虑应力方向，任何情况都取f=1.0。这是因为以前对角焊缝的试验研究一般都是针对直角角焊缝进行的，对斜角角焊缝研究很少。我国采用的计算公式也是根据直角角焊缝简化而得。新规范规定锐角角焊缝两焊脚边夹角 600，而钝角角焊缝两焊脚边夹角 1350。这表示焊脚边夹角小于600或大于1350的焊缝不推荐用作受力焊缝。,4.斜角角焊缝的计算 两焊脚边夹角不等于900的角焊缝称为斜角角焊缝，这种焊缝一般用于T形接头中。,普通螺栓受剪时的破坏形式：,仅须计算板件承压和螺杆抗剪。板件的承压承载力设计值：N=d tf 螺杆的受剪承载力设计值：,7.2 普通螺栓连接,7.3 高强度螺栓连接,高强度螺栓连接按破坏准则的不同分为摩擦型连接和承压型连接。1.摩擦型连接高强度螺栓的计算 抗剪承载力：Nvb=0.9nfP（1）抗滑移系数 值新规范作了一些修正，原规范喷砂（丸）和喷砂后生赤锈时Q345、Q390和Q420钢的=0.55，实际上达不到此要求，降为0.50。,（2）高强度螺栓的预拉力P，原规范取为 式中考虑螺栓材质的不定性系数0.9；施工时的超张拉0.9；拧紧螺帽时螺杆所受扭转剪应力影响系数1.2。此式得出的8.8级螺栓的抗剪承载力有时（当0.4时）比同直径的普通螺栓还低，不合理，且与薄钢规范的规定不协调，现改为 由于高强度螺栓材料无明显的屈服点，用抗拉强度fu代替fy再补充一个系数0.9是适宜的。,同时受剪和受拉的摩擦型连接高强度螺栓 新规范将其计算改用相关公式表达，实质与原规范相同，由抗剪承载力Nvb=0.9nfP 和抗拉承载力Ntb=0.8P，代入后即得原规范计算式 Nv=0.9nf(P-1.25Nt)。,2.承压型连接高强度螺栓的计算 受力同普通螺栓，88规范规定“承压型连接高强度螺栓的抗剪承载力不得大于按摩擦型连接计算的1.3倍”。是鉴于当时使用经验不足，控制一下，使承压型在正常情况下（即荷载标准值作用下）不滑移。新规范已取消此规定，因承压型不一定施加与摩擦型相同的预拉力，因此矛盾较多，况且现在已有使用经验。此外，取消原规范承压型连接高强度螺栓的传力接触面要求与摩擦型连接相同的规定，只提出需清除浮锈及油污。,7.4 梁与柱的刚性连接,原规范没有本节内容，现参考国外标准和我国实践经验，增加了本节。1.不设置横向加劲肋时，对柱腹板和柱翼缘厚度的要求（1）在梁的受压翼缘处，柱腹板受有梁翼缘经过柱翼缘传给柱腹板的压力，柱腹板应满足强度要求和局部稳定要求。,柱腹板的强度应与梁受压翼缘等强，即 be tw fc Afc fb式中 be柱腹板计算宽度边缘处压应力的假定分布 长度。同梁的局部压应力计算式，取 be=a+5hy；按此公式计算腹板强度时，忽略了柱腹板所受竖向压力的影响。这是因为在框架内竖向压力主要由柱翼缘传递，腹板内所受竖向压应力一般较小。,为保证柱腹板在梁受压翼缘压力作用下的局部稳定，应控制柱腹板的宽厚比，规范参考国外规定，偏安全地规定柱腹板的宽厚比应满足下式规定：式中 hc柱腹板的计算宽度；fyc柱腹板钢材屈服点。,（2）在梁的受拉翼缘处，计算柱的翼缘和腹板仍用等强度准则，柱翼缘板所受拉力为：T=Aft fb 式中 Aft梁受拉翼缘 截面积；fb梁钢材抗拉 强度设计值。,拉力T由柱翼缘板三个部份共同承担，中间部份（分布长度m）直接传给柱腹板的力为fctbm（tb为梁翼缘厚度），余下部份由两侧各ABCD的板件承担。,根