高等钢结构理论-4
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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。
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。
▪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》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
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 。