钢结构设计与计算原理探讨

时间:2022-10-14 09:03:01

钢结构设计与计算原理探讨

随着我国民经济的不断发展和科学技术的进步,钢结构在我国的应用范圈在不断扩大。相较传统结构形式具有:钢材强度高,结构重量轻;材质均匀,塑性韧性好;易于加工,密封性好;钢材可以重复使用午优点。本文将就铜结构设计与计算原理徼一个系统的介绍。

设计原则和设计计算中的系数

1. 设计原则

钢结构设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法,按分项系数的设计表达式进行计算;各种承重结构均按承载能力极限状态和正常使用极限状态的的原则进行设计;设计钢结构时,根据结构破坏可能产生的后果而采取不同的安全等级,并在荷载效应计算中分别采用不同的系数;结构构件或连接按承载能力极限状态设计时,一般应按使用条件采用荷载效应的基本组合,在使用中有可能发生事故等偶然性荷载作用时,尚应考虑荷载效应的偶然组合。

2. 设计计算中的系数

根据荷载的类别永即久荷载或可变荷载和荷载作用情况,分项系数采取不同的取值;对于直接承受动力荷载的结构,在计算强度和稳定性时,可将霞物和设备乘以动力系数后按静力进行计算进行;计算重级工作制品吊车粱及其制动结构的强度和稳定性以及连接的强度时,吊车的横向水平荷载应乘以相应的增大系数一当设计屋面板、刚檩条时,应考虑积灰、积雪不均匀分布的荷载增大系数,其荷载增大系数按相关规定选用。

钢结构的钢材选用

1. 按质量等级的选择

一般非焊接的钢结构可以选用A级钢,焊接钢结构,静载作用时选用B级钢,在作用时应根据结构所处环境温度选择C-E或特级钢,务必使钢材的脆性转换温度地域结构所处环境温度;对于有层状撕裂手里的结构部位的较厚钢板,应有抗层状撕裂的要求;对节点构造及受力状况复杂,工作环境恶劣的重型焊接钢结构,应提高对钢材质量标准的要求。

2. 按强度等级的选用

普通钢结构钢材的强度等级常常选为Q235或Q345;重型、超重型钢结构的强度等级可选为Q345、Q390、Q420或者更高强度等级的特种钢材。冷弯薄壁型钢结构,非焊接时可用A级,焊接时应用B级钢,一般可选用强度等级为Q235或Q345钢。轻型钢结构一般选用Q235。

地震作用

钢结构的震害主要有节点连接的破坏.构件的破坏以及结构的整体倒塌三种形式,因此在抗震设计中应应注意:建筑设计应符合抗震概念设计的要求,不应采用严重不规则的设计方案,钢结构房屋宜避免采用不规则建筑结构方案,不设防震缝,在进行结构设计时,应根据建筑的抗震设防类别、抗震设计烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施丁等因素,经技术、经济和使用条件综合比较,选择合适的结构体系;结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径,可考虑多道抗震防线。应避免因部分结构或者构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力;结构应具有必要的抗震承载力、良好的变形能力和消耗地震能量的能力。对可能出现的薄弱部位,应采取措施提高抗震能力,应体现人震不倒,小震不坏的抗震设计目标,采用多遇地震时按弹性设计、罕见地震时弹塑性进行变形验算的二阶段设计方法进行抗震设计。

节点设计

整个结构是由构件和节点构成的。单个构件必须通过节点相连接,协同工作才能形成结构整体。及时每个构件都能满足安全使用的需要,如果节点设计处理不恰当,连接节点的破坏,也常会引起整个结构的破坏。因此在节点设计时应遵循下列原则如下。

传力应均匀分散,尽可能减少应力集中现象。在节点设计过程总,一方面要根据节点构造的实际受理情况,选择合理的结构计算见图;另一方面节点构造要求与结构的计算简图相一致。避免因节点构造不恰当而改变结构或构件的受力状态,并尽可能的使节点计算简图接近于节点世界工作情况。

节点构造设计是否恰当,对制作和安装影响很大。节点设计便于施工,则施工效率高,成本降低;反之,则成本高,且工程质量不易保证。所以应尽鼍简化节点构造。

要对设计、制作和施工安装等方面综合考虑后,确定最合适的方案。在省时省料之间选择最佳平衡。尽可能减少节点类型,连接节点做到定型化、标准化。

连接构造

一般常用的焊接形式分为对接焊接和角焊接两种摹本形式如下。对接焊接的焊件常需做成坡口,故又叫坡门焊接。坡口形式与焊件厚度有关。当焊件厚度很小时,可用直边锋;厚度一般的焊件可采用具有斜坡口的单边V形或V形焊缝;对干厚度较厚的焊件,则采用采用U形、K形和X形坡口。对接焊缝坡口形式的选用,应根据板厚和施工条件按现行标准GB985-80《手工电弧焊焊接接头的基本形式与尺寸》和GB986-80Ⅸ埋弧焊焊接接头的基本形式与尺寸》的要求进行。在对接焊缝的拼接处,当焊件的宽度不同或厚度相差4mm以上时,应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度大于1:2.5的斜角。以使截面过度缓和,减小应力集中。

为了避免烧穿较薄的焊件,减少焊接应力和焊接变形,角焊缝的焊角尺寸不宜太大。规范规定:除了直接焊接钢管结构的焊角尺寸不宜大于支管肇厚的2倍之外,焊角尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍;焊角尺寸不宜太小,以保证焊缝的最小承载能力,并防止焊缝因冷却过快而产生裂纹;侧面角焊缝的计算长度不宜大于60倍的焊角尺寸,当大于上述值时,其超过部分在计算中不予考虑,这是因为侧焊缝应力延长度分布不均匀,两端较中间大,且焊缝越长差别越大,

疲劳计算

对于承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接,当应力变化的循环次数n>105次且出现拉应力时,应进行疲劳计算,疲劳应力计算采用容许应力幅法。

对常幅(所有应力循环的应力幅均为常量)疲劳,按下式进行疲劳计算:

式中为对焊接部位应力幅,对非焊接部位为这算应力幅。为计算部位每次应力循环最大拉应力(取正值);为计算部位每次应力循环最小拉应力或压应力(拉应力取正值,压应力取负值);为常幅疲劳的容许应力幅;n为应力循环次数;C、β为参数。

对变幅(应力循环内的应力幅随即变化)疲劳,可按下式进行疲劳计算:

式中为变幅疲劳的等效应力幅;为以应力循环次数表示的结构与其使用寿命;为预期寿命内应力幅水平达到的应力循环次数。

(作者单位:昆明理工大学建筑工程学院)

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