高等钢结构理论

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。

研究生课程论文高等钢结构理论1 引言作为结构工程专业博士研究生的一门学位课程,《高等钢结构理论》所涉及到的内容包罗甚广。

总的来说,应当主要包括以下内容:钢结构的材料性质,钢结构的连接,钢结构的断裂与疲劳破损,钢结构的稳定理论,钢结构的设计与制造,厂房钢结构,大跨屋盖钢结构,多高层房屋钢结构,塔桅钢结构,大跨度结构的极限承载力分析理论和方法,钢结构的动力分析及冷弯薄壁型钢结构等。

《钢结构》在土木工程专业的本科阶段和结构工程专业的硕士研究生阶段都曾经学习过,其基本内容和上述内容没有什么差别,所不同的只是,现阶段的学习在广度和深度上都应当比以往更加深入,尤其应当在稳定理论方面掌握深厚的知识。

这是因为对于钢结构而言,稳定性能是决定其承载能力的一个特别重要的因素,同混凝土结构相比,强度已经退居到一个次要的地位,在钢结构的理论和设计方法上,钢结构的稳定性能都显得格外需要重视。

近几十年来,在研究发挥钢结构稳定性能的潜力和完善稳定计算的理论方面,国内外都取得了很大的进步。

钢结构基本构件的稳定理论,现在已经从弹性稳定发展到弹塑性稳定。

以往研究较多的完善杆件的稳定性问题,现在也已经发展到了研究带有几何缺陷和力学缺陷的实际杆件。

并且,随着高速电子计算机存储的海量增长和性能的飞速发展,对于各种构件的稳定性能的研究,也已经发展到了采用各种数值方法来计算其极限荷载,并分析其屈曲后性能从而得到P-Δ的全程曲线。

在作理论分析的同时,包括我国在内的许多国家同时还进行了大量的稳定性能的试验验证,以及将理论研究成果利用图表表示或演化为实用计算公式,从而将弹塑性稳定理论用于解决钢结构设计中的各种实际问题。

钢结构稳定理论的研究,归根结底还是为了实际上的应用。

而理论上的研究成果,也只有在正式形成规范并发布实施之后,对于实际的各种类型的钢结构工程的设计和制造才能起到指导性作用。

因此,钢结构稳定研究的最新成果,往往被各国的设计规范所吸收采纳。

高等钢结构理论专题横隔板设计在钢箱梁桥梁中，由于活载的偏心加载作用以及轮载直接作用在箱梁的顶板上，使得箱梁断面发生如图所示的变形，为了减少钢箱梁的这种变形，增加整体刚度，防止过大的局部应力，很有必要在箱梁的支点处和跨中设置横隔板。

钢桥中横隔板分为中间横隔板和支点横隔板，作用是限制钢箱梁的畸变和翘曲变形，保持一定的截面形状，对于支点横隔板还将承受支座处的局部荷载，起到分散支座反力的作用。

横隔板必须具备一定的刚度。

由于两种横隔板作用不同，其构造形式不同，采用的设计方法也不一样。

（一）中间横隔板中间横隔板按挖空比率可分为实腹式、框架式和桁架式，如图所示。

这里定义开口率BH bh A A =='ρ，当4.0≤ρ时，横隔板可视为实腹式，主要考虑剪应力，当8.0≥ρ，为桁架式，可简化为仅受轴力的杆件，在8.04.0<<ρ范围内，横隔板受力性质介于实腹式和桁架式之间，作为框架处理，考虑轴力和抗弯。

实腹式横隔板适用于尺寸较小的钢箱梁，制作简单，应用最广，桁架式适用于较大的箱子，受力简化为拉压杆，能以较小的自重提供较大的刚度。

中间横隔板的设计需要确定横隔板间距L D 和横隔板刚度K 。

1．横隔板间距L D 的确定对于横隔板间距L D 一般依据经验，各国规范及常规做法不一样。

日本偏安全，以下是日本的经验公式：⎩⎨⎧>≤-≤≤≤)50(20114.0)50(6u u Du D L L L L L 且 （式１） 其中L u 桥梁单跨长，单位m这个公式只适用于200m 以内跨径的钢箱梁桥，这个公式的来源见下图，根据偏心活载作用下，限制翘曲应力与容许应力的比值在0.02~0.06之间，得到横隔板间距与跨径的关系。

对于大于200m 的跨径，公式就不适用了，日本人多采用桁架式，间距一般取为6m ，中国也比较保守，上海的卢浦桥中隔板间距取为4m ，欧洲一般取为20m ，但是多为实腹式的厚钢板。

2．横隔板刚度K 的确定钢箱梁中间横隔板的刚度K 需要满足下面的公式：320DDW L EI K ≥ （式２）其中I Dw 是箱梁的断面抗扭惯矩，根据箱梁的截面尺寸形式由下式算得：⎭⎬⎫⎩⎨⎧+-++++=)(2)21()21(22212122222121ααααααFh Bl b Fl Bu b Fu I DW （式３） 其中Fu 是箱梁上顶板截面积，Fl 是箱梁下底版截面积，Fh 是一个腹板的截面积。

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。

《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
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高等钢结构理论专题板的稳定――基本理论板是工程中广泛使用的基本构件，是结构分析中的重要元素，如钢结构中的大型梁柱等构件通常都由板件焊接或拴接而成。

为了用料经济，板件用得宽而薄，这样薄板就有可能在面内压力作用下失稳，并导致构件承载力的降低。

结构设计中一般要保证这种局部失稳强度要高于结构整体的失稳强度，避免基本的板件先出现屈曲。

因此板的屈曲稳定问题是钢结构设计研究的一个重点。

板的基本几何尺寸为长a 、宽b 和厚t ，具有一个方向的尺度ｔ比其他两个方向ａ、ｂ小得多的特点，受力分析一般都要建立在一定的长宽比a/b 和厚宽比t/b 的前提下，按照t/b 可以将板分为厚板、薄板和薄膜。

在受力上，厚板和薄板不同，厚板受力后变形不完全满足平截面假定，需要考虑剪切变形的影响，在有限元分析中多通过采用减缩积分的方法或采用分层板单元分多层引入平截面假定来进行分析和计算。

薄板则为平截面假定，忽略剪切变形。

而薄膜受力只考虑拉力及即薄膜间的膜张力，而薄板和厚板的广义内力为中面轴力、弯矩和扭矩，忽略薄膜张力。

对于薄板的屈曲稳定问题的研究都是建立在小挠度弹性理论的基础上的，下面将建立小挠度理论薄板的平衡方程。

（一）小挠度理论计算薄板屈曲荷载的基本假定1．板很薄，z 向的正应变εz 和剪应变γzx 和γzy 忽略不计，板的受力为二维平面应力问题。

2．板屈曲时板的挠度远小于其厚度，而中面在板屈曲时产生的薄膜拉力是微不足道的，作理论分析时忽略不计。

3．因为0=∂∂z w，板的任何一点的挠度只是坐标x ，y 的函数ω(x,y)，也就是说板中面的挠度可以代表板沿厚度方向的任何一点的挠度。

4．板为各向同性的弹性体，应力应变关系服从虎克定律。

（二）板的计算图示及其力的平衡方程见图示的厚度为t 的薄板，承受着平行中面的均布轴向荷载p x 和p y ，以及面内剪切荷载p xy 和p yx 。

用平衡法求解薄板的屈曲荷载时，取出微小弯曲变形板中的微元体，存在中面力N x ，N y ，N xy 和N yx 以及弯曲产生的弯矩M x ，M y ，扭矩M xy ，M yx 和剪力Q x ，Q y ，这些内力都是以单位长度衡量的。