结构设计原理

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1、第十八章 钢结构的基本概念钢结构的优缺点：1.材质均匀，可靠度高；2.强度高，质量轻3塑性和韧性好4.制造、安装方便5.可焊性和密封性好6耐热性较好7耐腐蚀和耐火性差桥梁常用的钢结构形式：1 实腹板梁式结构2 桁架式结构3 拱或钢架式结构4 拱与梁或桁架的组合结构5 斜拉结构钢结构设计的基本要求1 必须有足够的承载能力、刚度和稳定性，结构安全可靠2 符合桥梁的使用要求，具有良好的耐久性3 节约钢材，减轻结构重要4缩短制造安装时间5便于运输、检查和养护第十九章 钢结构的材料钢结构对材料的要求 1）较高的强度：抗拉强度和屈服强度较高。屈服强度高：减小构件的截面，节约钢材，降低造价抗拉强度高：增加结

2、构的安全储备。 2）良好的塑性：避免结构发生脆性破坏，提高结构的抗震能力。3）韧性好：提高结构抗动荷载的能力，避免发生裂纹断裂和脆性断裂 4）良好的工艺性能：冷加工、热加工好，保证钢材不发生脆断和裂纹。5）可焊性好：保证钢材不出现裂纹6）耐久性好：保证钢结构的使用寿命。钢材工作特性的四个阶段： 1 弹性阶段 2 屈服阶段 3 强化阶段 4 颈缩阶段工作特性： 1 弹性工作阶段以屈服点为上限。设计时取屈服点为钢材可以达到的最大应力。2屈服点之前的性质接近理想的弹性体，之后的流幅现象接近理想的塑性体3 钢材破坏前的塑性变形很大4 抗拉强度是钢材破坏前能够承受的最大应力（屈强比越低，钢材的强度储备越

3、大）韧性：钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。（衡量钢材冲击性能的指标（是强度和塑性的综合表现）冷弯性能：钢材加工产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。（衡量钢材力学性能的综合指标）可焊性好是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝、焊缝的冲击性和力学性能不低于母材抗腐蚀性。防止钢材的主要措施是依靠涂料的来加以保护破坏形式：塑性破坏：由于变形过大，超过了钢材的变形能力，仅在钢材的应力超过了屈服强度并达到了极限抗拉强度后发生。（有较大的塑性变形发生且变形持续时间较长，容易即使发现而采取措施给予补救，对结构安全影响小）脆性破坏：塑性变形很小，平均应力低于屈服强度，破坏从应力集中处开始。（没有明显的预

4、兆，无法及时察觉和采取补救措施，一旦发生则可能导致整个结构发生破坏，与塑性破坏相比较，其后果严重，危险性较大。）脆性断裂：钢材在静力或加载次数不多的动荷载作用下发生的脆性破坏 原因:由裂纹引起，在荷载作用下，裂纹扩展到明显尺寸时发生。防止钢材的脆性断裂的措施：1加强施焊工艺管理。避免施焊过程中长生裂纹、气泡。2 焊缝不宜集中，避免产生过大残余应力。3 合理细部构造，避免应力集中。避免采用厚钢板。（厚钢板比薄钢板更宜脆断）4 合理选材，选择抗低温冲韧性好的钢材。脆性破坏的主要影响因素: 1裂纹尺寸 2材料韧性 3工作温度 4作用应力 5反复荷载疲劳破坏：钢材在连续反复荷载作用下，其应力虽然没有达

5、到抗拉强度，甚至还低于屈服强度，也可能发生突然破坏。（脆性破坏）影响钢材疲劳强度的因素：1应力集中的程度；2应力循环特征值；3应力循环次数n4应力种类5残余应力防止措施：（1）严格控制钢材的缺陷，选择优质钢材；（2）减少截面突变，避免焊缝集中，使钢结构构造合理化；（3）减小缺陷、残余应力等到最低程度；（4）避免附加应力集中的影响；（5）避免对结构的局部损害，如划痕、开孔、撞击等；（6）修补焊缝。影响钢材性能的一般因素： 1 化学成分的影响 有益元素：碳、硅、锰、钒 有害元素：硫、磷、氧、氮 a、碳：提高钢材的屈服点、抗拉强度，降低钢材的塑性、韧性。 b、硅：提高强度，对塑性、冲击性、冷弯性能无

6、影响（过大则降低。） c、锰：提高强度，改善钢材的热加工性和冷脆倾向。不显著降低塑性和韧性（消除硫、氧的影响） d、钒：提高淬硬性、强度和抗腐蚀性，不显著降低塑性。 e、硫：严重降低钢材的塑性、韧性、疲劳强度、和抗锈蚀性 f、磷：严重降低钢材的塑性、韧性、冷弯性（易冷脆） g、氧、氮：易使钢材发生冷脆。2 钢材生产过程中的影响：a冶炼b浇铸：按脱氧程度不同：沸腾钢、半沸腾钢、镇静钢、特殊镇静钢沸腾钢：塑性、韧性和可焊性较差，容易发生时效和冷脆 镇静钢：屈服点高于沸腾钢，韧性较高、冷弯性能、可焊性、抗锈蚀性较好。特殊镇静钢：各种力学性能好，可焊性好。c轧制：改善力学性能。（钢材愈薄，强度愈高，塑

7、性和韧性愈好）3时效的影响：提高钢材的强度、塑性降低、韧性降低、钢材变脆4冷作硬化的影响： 在重复荷载作用下，钢材弹性极限有所提高的现象称为硬化 在冷加工过程中引起的钢材硬化现象，称为冷作硬化 提高强度，降低钢材的塑性、韧性，使钢材变得冷脆。5温度的影响：温度在250，钢材抗拉强度提高，韧性下降。（蓝脆）温度在300，屈服点和极限强度显著降低温度下降，塑性和韧性降低。（在某一温度，钢材韧性急剧下降，发生脆性破坏，叫做低温冷脆）6应力集中的影响：塑性降低，钢材变脆钢材的品种： 1 碳素结构钢 2 低合金钢 3 优质碳素结构钢 4 优质钢丝绳 5 耐候耐火钢选择钢材时应考虑的结构特点： 1 结构的

8、类型和重要性 2 荷载的性质 3 连接方法 4 结构的工作温度 5 结构的受力性质 6 结构的形式和钢材厚度钢结构可能的破坏形式： 1 结构整体性破坏 2 结构和构件的局部失稳 3 结构的塑性破坏 4 结构的脆性断裂 5 结构的疲劳破坏 6 结构的损伤积累和破坏失稳破坏的类别： 1 欧拉屈服（第一类失稳）：平衡转移，平衡状态出现分岔。 2 极值型失稳（第二类失稳）：随着荷载增加，变形增加，直到结构不能承载 3 屈服后极值型失稳：平衡分岔即结构屈服后不立即破坏，还能承压直到出现极值型失稳。 4 有干扰型屈服：结构屈服后，承载力急剧下降 5 跳跃性失稳结构稳定性分析的原则： 1必须考虑几何非线性的

9、影响 2 必须考虑材料非线性影响 3 必须考虑结构和构件的初始缺陷整体性失稳因截面形式和受力状态不同而不同： 1轴心受压构件：弯曲失稳、扭转失稳、弯扭失稳 2受弯构件：弯扭失稳 3截面对称的压弯构件：弯矩作用平面内：弯曲失稳 弯矩作用平面外：弯扭失稳 4截面双轴压弯构件：弯扭失稳局部失稳结构和构件局部失稳：结构和构件在保持整体稳定性的条件下，架构中的局部构件或构件中的板件已不能承受外荷载作用而失去稳定。（结构不会因局部失稳而失去承载力，但整体稳定性会降低）强度破坏：结构在不发生整体失稳和局部失稳的条件下，内力随荷载的增加而增加，当截面内力达到其承载力时，结构就丧失承载力而破坏。提高疲劳寿命的方

10、法： 1 减小初始缺陷（初始裂缝尺寸） 2 减小应力集中。 具体的措施：1 合理的细部构造，减小应力集中2 控制施工质量，减小初始裂缝尺寸3 必要的工艺措施，减小应力集中 第二十章 钢结构的链接钢结构的连接方式：焊接连接、铆钉连接和螺栓连接焊接连接：不削弱截面，刚性好，构造简单，施工方便，可采用自动化操作，但有残余应力；铆钉连接：费料费工，但塑韧性比较好，工作可靠；普通螺栓连接：接拆装方便，施工简单，一般用于临时结构；高强螺栓链接：强度高，工作可靠，安装方便，用于永久性结构。焊接残余变形危害：1降低结构的疲劳强度和刚度2改变焊接零部件的尺寸，使整个构件丧失稳定而不能承载3导致焊接结构中产生裂纹

11、，使结构早期失效。防止措施：1构造措施：1）减小焊缝数量和厚度和长度；2）连接过渡应尽量平缓；3）焊缝布置在便于施焊的位置，尽量比便仰焊；以此避免应力集中；2焊接工艺措施：1）采取适当的焊接顺序和方向；2）施加反向变形；3）焊接前预热；4）焊接后高温回火；5）锤击。高强螺栓和普通螺栓普通螺栓传力机理：靠螺杆的承压和抗剪、受拉来传力。计算方面：螺杆的抗剪能力、承压能力、抗拉能力、板材强度验算高强螺栓传力机理：摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓1)摩擦型高强螺栓:靠被连接构件接触面之间摩擦力传力2)承压型高强螺栓:靠摩擦力传力以及杆身的承压和抗剪传计算方面：单个螺栓的承载能力计算、螺栓数量的计算。高强

12、螺栓计算方法：次要构件按最大内力法；主要构件按等强度法。第二十一章 钢桁架构件钢桁架桥：主桁架、联结系、桥面系主桁架：上下弦杆和腹杆。节点板桥面系：纵梁、横梁、桥面板、纵梁之间的联结系联结系：上下水平的桁架，纵向联结系，横向联结系1纵向联结系承受各种横向荷载，由主桁架的弦杆及其间的水平腹杆组成；形式：三角形体系、菱形体系，交叉式体系K式体系、上、下部纵向水平联结系2、横向联结系设在桥跨结构的横向平面内端横联，桥门架，中横联交叉式、三角式、菱形体系一、构件的种类及使用场合1.分类 基本构件受力特点：轴心受拉构件，轴心受压构件，偏心受拉构件、偏心受压构件连接方法：焊接构件、铆接构件和螺栓连接构件结

13、构型式：实腹式构件和空格式组合构件主桁架杆件的截面：1单壁式2双壁式：荷载较大，杆件截面较大，一般采有双肢截面，即双壁截面。a、H形截面：优点：构造简单，自动焊，校正焊接变形较容易缺点：刚度较小，作为压杆时不经济b、箱形截面： 优点：受压性能较好，通常用于内力较大，长度较大的压杆。 缺点：焊接、安装复杂按截面组成：1实腹式：具有整体连通的截面，如H形截面、型钢和钢板的组合截面 优点：构造简单、制作方便、整体受力和抗剪性好 缺点：用钢较多 2 格构式：由两个或多个分肢用缀件连接而成 优点：刚度较大、抗扭性较好，用料较省轴心受拉构件刚度计算轴心受拉构件的刚度用长细比来衡量，长细比越小，刚度越大。刚

14、度不足对构件的影响：构件会产生过大挠度，在动荷载作用下易产生振动，运输、安装时易产生弯曲。构件的容许长细比，由构件的受力性质、构件类别、截面性质确定。受压构件对于长细比的要求更严格： 受压构件因刚度不足而变形增加的附加弯矩影响远比受拉构件严重，长细比过大，会使稳定性降低很多。确定轴心受压构件整体稳定承载力的理论方法： 1 压区曲理论 2 边缘纤维屈服理论 3 压溃理论实腹式轴心受压构件的的局部稳定性保证局部稳定性的措施：限制板件宽厚比 确定板件宽厚比限值的原则：使构件整体屈服前板件不发生局部屈曲。 （即局部屈曲临界应力不低于整体去去临界应力）选择实腹式受压杆件截面时应考虑的因素： 1 等稳定性

15、。 2 宽肢薄壁 3 连接方便 4 制造省工构件的整体稳定性和刚度的要求：截面的外形轮廓尺寸要大，宜选用宽度较大厚度较小的钢板和型钢，以减小构件的长细比。局部稳定性要求：选用厚度大、宽度小的钢板，以减小构件宽厚比。1对压杆承载力起控制作用的是，整体稳定性。2局部稳定性用满足构件截面的宽厚比的构造措施保证。3先根据整体稳定性选择截面尺寸和形式，再验算局部稳定性和刚度。选择实腹式受压杆件截面设计步骤： 1 确定截面积 2 确定回转半径 3 确定截面各板件尺寸 4 截面验算第二十二章 钢板梁保证钢板梁腹板的局部稳定：在腹板两侧设置竖向加劲肋或水平加劲肋。保证腹板局部稳定并传递集中力：在支座和集中荷载

16、作用的位置设置支承加劲肋钢板梁的强度计算包括：抗弯强度和抗剪强度、局部应力和折剪应力计算。保证钢板梁有足够的刚度：最大挠度w与计算宽度l之比不超过容许值（w/l）侧扭屈曲洗漱K： 纯弯时k最小，集中荷载作用时k最大。 纯弯属于最不利的荷载情况，上翼缘压应力在梁的全长范围内不变均布荷载和集中力荷载下，压应力沿梁长变化，集中荷载作用，变化最大钢结构稳定性稳定问题为钢结构的重点问题，所有钢结构构件均件均存在稳定问题，稳定问题分构件的整体稳定和局部稳定。2、典型失稳形式 弯曲失稳只有弯曲变形； 扭转失稳只有扭转变形。 弯扭失稳弯曲变形的同时伴随有扭转变形。单对称截面绕对称轴（或不对称截面）弯曲失稳时，

17、由于截面的形心（内力作用点）与剪心（截面的扭转中心）不重合，截面内的内力分量相对于剪心产生偏心产生扭矩，从而产生扭转变形。失稳承载力低于弯曲失稳承载力。只有类似于十字型截面扭转失稳承载力小于弯曲失稳承载力，其他截面一般来说弯曲稳定承载力均大于扭转失稳承载力梁的侧向抗弯刚度EIy和抗扭刚度GIt愈大、梁受压翼缘的自由长度l1愈小，则梁的临界弯矩或临界荷载就愈大，梁的稳定性就愈有保证。提高梁整体稳定性的措施： 1梁的跨中设置受压翼缘的测向支承点，以缩短自由长度 2增加受压翼缘的宽度，以提高侧向抗弯刚度 3采用箱型截面、设置横隔、横联，以增加抗扭刚度梁的局部稳定和腹板加劲梁的设置原则（为提高钢板梁的抗弯强度、刚度和整体稳定性，翼缘和腹板宜选用宽而薄的钢板以增大截面的惯性矩。但翼缘和腹板的宽厚度过大，在梁达到强度破坏和整体失稳前，翼缘和腹板发生局部稳定失稳） 1 限制翼缘板和腹板的宽厚比 2 在垂直于钢板平面的方向设置一定刚度的加劲梁梁的翼缘板，限制翼缘板和腹板的宽厚比保证局部稳定。钢板梁的腹板，设置一定刚度的加劲梁11 / 11