论钢结构设计原理

摘要：钢材具有较高的强度、较好的延性及加工性能而被广泛用于建筑领域，相对传统结构即混凝土结构、砌体结构、木结构而言，钢结构是一个新兴事物，在其应用过程中存在着许多需要研究和探讨的地方。本文主要阐述了钢结构设计原理，从钢结构的材料、连接和构件这三方面对钢结构的设计进行分析。

关键词：钢结构、材料、连接、构件

Abstract: Steel with high strength, good ductility and processing performance are widely used in the construction sector, compared to the traditional structure of concrete structures, masonry structures, wooden structures, steel is a new thing, in its applicationprocess there is a need to study and explore. This article focuses on the steel structure design principles, the face from these three materials, connections and components of the steel structure steel structure design analysis.

Keywords: steel structure, material, connection, component.

中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：

一、前言

钢结构主要是以钢材制作的结构，在现代建筑结构中，钢材已经被广泛应用并得到了很好的发展。钢结构的特点主要有：材料强度高、重量轻、材质均匀、可靠性高、钢材的塑性和韧性好、工业化程度高。钢材具有较好的可焊性、密封性好、耐热性好。但是钢结构的耐火性和耐腐蚀性却较差，所以我们要全面掌握钢结构的设计原来才能很好的应用钢结构。

根据钢结构设计规范，我们可知钢结构是采用以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法，极限状态设计法又分为两种即：承载能力极限状态和正常使用的极限状态。功能函数为 Z = R － S，( R 为结构抗力，S 为作用效应) 当 Z ＞ 0 时，结构或者构件处于可靠状态; 当 Z =0 时，结构或者构件处于极限状态; 当 Z ＜0 时，结构或者构件处于失效状态。钢结构设计原理主要涉及的内容有材料、连接(包括构件之间的连接)构件设计等。

二、材料方面进行分析

材料在要求上应该具有较高的强度、足够的变形力、优良的加工性能。承重结构的钢材在要求上必须具有抗拉强度、伸长率、屈服点以及碳、硫、磷的含量必须保证合格。同时焊接结构必须具有冷弯试验的合格保证，要求承受动力荷载的结构及重要的受拉或者受弯的焊接结构必须具有常温或者负温度下冲击韧性的合格保证。以往的实践经验告诉我们，Q235B、Q345B、Q390B、Q420B均满足要求。

在负载作用的下钢材能够表现的各种特性，如：强度、塑性、韧性以及冷弯性。表现钢材强度性能指标的主要有：弹性模量、屈服强度、抗拉强度、比例极限等等。其中设计者认为屈服强度是钢材能够达到的最大应力，当应力超过屈服点后会产生明显的塑性变形而不立即断裂，这就是钢材的塑性。所以屈服强度是最能表现钢材强度的指标。而钢材塑性的衡量指标主要由伸长率决定的，伸长率是由均匀变形和集中变形的和决定的，伸长率越大，那么钢材在破断前吸收的能量和产生的永久塑性变形能力也就会越强。而冲击韧性则是钢材的一种动力性的指标，可以衡量钢材抵抗脆性断裂的能力，也是钢材强度和塑性的综合指标。

冷弯性能主要是衡量裂缝抵抗能力的指标，冷弯性能是考察钢材在负载应力状态下发展塑性变形能力的一项指标。

钢结构在钢材的选择方面需要考虑结构和构件，根据安全等级来进行选择，同时荷载也要考虑进去，其中，直接承受动力荷载、间接承受动力荷载、静载它们挑选钢材都是不同的。同时还有钢材的厚薄影响钢材内部组织的致密程度，所以钢材的厚度也是钢材选用的考虑

因素; 环境条件也是考虑因素。

三、连接方面进行分析

钢结构的连接方式分为焊接、螺栓、铆钉。焊接在钢材材料选择上要考虑的是工厂焊接还是工地焊接。焊接方法是连续焊接、断续焊接、还是局部焊接这些因素。其中焊接材料应该与焊接钢材的强度和材质要求相适应。焊接后的焊接强度不能低于主体金属强度。结构中的焊缝连接有很多优点，构造简单、用料经济、制作加工方便、连接的密封性好、结构刚度大、整体性好。焊缝连接分为对接焊缝、角焊缝、对接焊缝分焊透、部分焊透，角焊缝分正面角焊缝、侧面角焊缝、斜焊缝。部分焊透的对接焊缝受力时应力状态复杂，会产生明显的应力集中，仅用于次要构件或者受力较小部位的连接，部分焊透的对接焊缝实际上可视为在坡口内的角焊缝，一般按角焊缝的方式处理; 焊透的对接焊缝已成为板件或者构件的一部分，受力时应力集中现象不严重，认为其与母材有相同的应力状态。对接焊缝的强度与焊缝的质量等级有关，一、二级焊缝强度可认为与母材强度相等，三级焊缝强度除抗拉强度外也可以认为与母材相等。角焊缝受力时产生的应力状态要复杂的多，且容易引起应力集中现象，经过试验表明，侧面角焊缝主要是承受剪应力，塑性也比较好，但是它的弹性比较低，弹性模量也比较低，而正面角焊缝的静力破坏强度是高于侧面角焊缝的，但是它的塑性变形能力较差。斜焊缝的受力性则是介于侧面角焊缝和正面角焊缝之间的。

普通的螺栓最小间距的取值主要考虑以下几方面：一方面，应使构件毛截面屈服先于净截面破坏，这样可以使构件在连接处破坏之前就产生较大的变形，提前预兆，达到安全的目的。第二，构件端部不被挤压或者剪力破坏，三是，构件受力时避免孔洞周围产生过度的应力集中现象; 因此从受力角度以构造的形式规定了最大和最小的螺栓间距。第三，构件受力时避免孔洞周围产生过度的应力集中现象; 因此从受力角度以构造的形式规定了最大和最小的螺栓间距。

普通螺栓的受力情况可以分为三种，螺栓只承受拉力、螺栓只承受剪力、螺栓既承受拉力又承受剪力。高强度螺栓连接受力也分几种情况： 一是，摩擦型高强度螺栓抗剪连接，通过螺栓拧紧时螺杆产生的很大预拉力，连接板之间很大的摩擦力来抗剪；二是，承压型高强度螺栓抗剪连接，接触面的摩擦力只起到延缓滑动的作用，因此承压型的连接计算方法与普通螺栓连接相同；三是，高强度螺栓抗拉连接;

四、构件方面进行分析

在钢结构受力中轴心受力构件时非常常见的，轴心受力构件是指只受通过构件截面重心的纵向力作用的构件，它主要分为两方面即：轴心受拉构件和轴心受压构件。其中，轴心受拉构件的承载力极限状态是以屈服强度为 ，正常使用极限状态用限制构件的长细比来控制，轴心受压构件的承载能力极限状态以强度承载力和稳定承载力为极限，稳定承载力包括整体稳定和局部稳定，正常使用极限状态是要验算构件的刚度。

五、结语

钢结构是早期工程结构中最先使用的结构类型之一，由于具有强度高、自重轻、施工速度快、抗震性能好等优点，一直被广泛应用，为了减小结构占地面积，降低基础费用，缩短工期，钢结构一直是工程结构中优先被考虑的机构类型。从材料、连接、构件这三个方面对钢结构进行分析计算，从而比较熟练的掌握和运用钢结构。

参考文献：

[1]王志骞，钢结构设计[M]，科学出版社，2009.05

[2]陈绍蕃，钢结构设计原理[M]，科学出版社，2005

[3]谭素群，钢结构设计中的若干问题探讨[J]，山西建筑，2010.06