钢结构设计原理（陈绍蕃）

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《钢结构设计原理》是由我国著名钢结构专家陈绍蕃教授编著的一部经典教材，广泛应用于土木工程、建筑结构及相关专业的教学与科研。该书系统地阐述了钢结构的基本理论、设计方法和应用技术，是学习和掌握钢结构设计的重要参考书籍。

陈绍蕃教授以其深厚的学术功底和丰富的工程经验，将复杂的钢结构设计原理清晰地呈现给读者。他注重理论与实践相结合，强调科学性、实用性和创新性的统一，使本书成为钢结构领域不可多得的经典之作。此外，书中还涉及了一些前沿问题和研究方向，为读者进一步探索钢结构技术提供了思路。

本书适合高等院校土木工程专业师生使用，也适用于从事钢结构设计、施工和研究的技术人员。通过学习本书，读者能够全面掌握钢结构设计的基本原理，并具备解决复杂工程问题的能力。

域，这一区内晶粒粗细不匀，因此力学性能不太好。采用电弧焊时，热影响区的宽度并不 大，总共不过几个毫米，一般手工焊时约为6mm，面自动焊时只有2.5～3mm。 虽然热影响区是焊接结构中韧性较低的部分，但实际上结构从这里开始断裂的并不 很多。结构的脆性断裂往往是多种因素共同作用的结果（参看3.3节），而热影响区通常没 有宏观缺陷，而且焊接形成的残余应力在这一范围内比较低。如果热影响区正好遇到分 层，则情况即有所不同。 焊接残余应力的产生，可用以下的简单模型来说明1]：三根同样长度的杆变电站10kv线路工程施工组织设计，端部由 刚性构件连在一起（图1.20)，中央杆2的温度T远远高于两边的杆1和3。在冷却过程 中，中杆趋于缩短，但收缩倾向在很大程度上受到两根边杆的约束而不能实现，从而使它 受到拉力。同时，中杆的收缩作用使边杆受到压力。显然，对整个体系来说，拉力和压力相 互平衡。在两板之间焊一条纵向焊缝（图1.21)，情况要比上述简单模型复杂得多。这里， 不仅焊缝及其近旁母材温度远远高于较远部分，而且存在热态塑性压缩问题。图1.21的 两块板在施焊时处于600C以上的部分呈完全塑性。这部分在加热时受到两旁：处在弹性 状态的材料的制约，得不到应有的伸长，也就是受到了热态塑性压缩。在焊后冷却过程中， 高温的塑性压缩部分趋向于缩得比原长度要短一些。由于温度梯度很大，而且存在局部性 的塑性压缩，冷却后焊缝及其近旁的母材残余拉应力很高，经常达到材料的屈服：点，甚至 因热效应对材料性能的影响而比母材原有屈服点还高一些。焊接构件的残余应了和热轧 构件一样·在整个截面上拉压两部分应力自相平衡，不同的是焊接构件在焊缝及其近旁的 残余拉应力特别高

图1.21有纵向焊缝板的残余应力

由于有热态塑性压缩，焊接构件除了残余应力外还存在残余变形，如图1.21所示的 原长为/的板在温度降低到室温后缩短。在制造厂对焊接结构的零件下料时，要考虑这 种收缩而把材料适当放长。如果这两块板受到相连的刚性部分牵制而不能收缩，则整个构 牛将产生拉应力，这是另一种焊接残余应力，叫做反作用残余应力。在两块互相垂直板的 一侧夹角焊上角焊缝（图1.22），则焊缝的收缩促使夹角减小。如果这种减小受到约束而

不能实现，则焊缝的纵截面内将出现反作用残余拉应力，这种应力有可能使焊缝出现裂 纹。 钢板时常用氧气切割成需要的宽度，火焰切割的高温和焊缝一样造成残余应力和变 形。两纵边用氧气切割的钢板，具有如图1.23所示的残余应力图形。这种板用作焊接工 形梁的翼缘时，加焊角焊缝后，残余应力转变为图1.24所示的形式[1.1]。如果用作工形梁 的腹板，残余应力和图1.23相比变化不大

图1.23火焰切割残余应力

3制造和安装的偏差对钢结构性能的影啦

钢结构的制造和安装都允许有一点偏差，偏差的最大限度应不超过施工及验收规范 的规定。例如，单层钢柱出厂时及安装就位后，柱身弯曲的矢高不超过构件长度的1/1000， 且不超过12mm，多节钢柱的柱身弯曲矢高则不超过该节长度的1/1500和5mm。柱子安 装就位后轴线和竖直线之间在柱顶的偏差（初始倾斜）对高10米以内的单层柱不超过 10mm，对更高的柱不超过H/1000及25mm（图1.25）。其他如构件的长度，就位后的标高 等也都有所规定[1.15]

图1.25 单层柱安装偏差限值

图1.27杆长度偏差的影响

图1.26初始弯曲的影响

分杆的初始内力为杆所能承受的力的7~12%，初始内力和节点偏心、螺栓连接处的滑移 等因素合在一起，使网架承载能力比理论计算值低13～37%。超静定次数越高，差距越 大1.16。这和传统的概念“超静定次数越多安全储备越大"正好相反，由此可见施汇和构造 细节对结构性能影响之大。 鉴于制造和安装过程能够改变钢材原有性能和影响结构的承载能力，钢结均设计工 作者应该熟悉制造和安装的各个环节，了解它们可能产生的影响以及如何保证结构的质 量，并对制造和安装工作提出必要的合理要求。

作用包括钢结构建成后的使用荷载和大气

包括钢结构建成后的使用荷载和大气作用等

1.3.1多轴应力的影响

钢材在双向拉力作用下屈服应力和抗拉强度提高，延伸率降低，反之，在异号双向应 力作用下，屈服应力和抗拉强度降低，而延伸率增大。图1.28给出单向拉伸和双向应力的 应力应变关系的对比[117]。如果是三向受拉，塑性比双向受拉进一步降低，破坏将是脆性 的。因此，三轴拉应力对钢结构来说十分不利

1.3.2加荷速率的影响

结构在动力作用下，加荷速率有时很高。例如，在强烈地震作用下，钢框架构牛的最大 14

同加荷速率下钢材的本机

f/f，=1.306+0.061log f/f、=1.124+0.0414log E/Ea=3.024+0.406log

代中左端带撤（）的符号属于动力加荷，不带撇者属于静力加荷。当应变速率为∈=10 时，以上公式给出

f/f，=1.249

/f=1.083E/e=2.618E/Ey=1.(073

./e, = 1. (073

建筑结构钢材在冲击性的快速加载作用下保持良好的强度和塑性变形能力，从一

图1.30钢材的包辛格效应

1.3.3循环加荷的影响

图1.31银材在循环荷载作用下的应力应变关系

环丰满而稳定（图1.31）。这是一种极好的性能，为钢结构在地震作用下耗能能力提供了 基础。不过在抗震设计中包辛格效应有明显影响。由图1.31可见，随着循环中拉力增大 受压切线模量E不断下降

1.3.4低温和腐蚀性介质的影响

表1.2 焊接用耐候钢的标准屈服点（N/mm2）

绿色施工达标工程管理实施细则（11p）第二章钢结构稳定问题概述

钢结构的承载能力极限状态可以出现于下列六种情况： （1）整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（如倾复）； （2）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏； （3）结构转变为机动体系（倒塌）； （4）结构或构件丧失稳定（屈曲等）： （5）结构出现过度的塑性变形，而不适于继续承载； （6）在重复荷载作用下构件疲劳断裂。 在这些极限状态中，稳定性、抗脆断和疲劳的能力都对钢结构设计有重要意义

稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳足问题。对这 个问题处理不好，将造成不应有的损失。现代工程史上不乏因失稳而造成的纲结构事故， 其中影响很大的是1907年加拿大魁北克一座大桥在施工中破坏，9000t钢结：购全部坠入 河中，桥上施工的人员有75人遇难。破坏是由悬臂的受压下弦失稳造成的。下弦是重型 格构式压杆，当时对这种构件还没有正确的设计方法。缀条用得过小是出现事教的主要原 因，其他形式的结构，如贮气柜立柱，运载桥的受压上弦和输电线路支架等，世.都出现过失 稳事故：2.1.2.2]。 设计经验不足、性能还不十分清楚的新结构形式，往往容易出现失稳破坏事故。大跨 度箱形截面钢梁桥就曾在1970年前后出现多次事故[23]。这些箱形梁设计上.存在的主要 问题之一是对有纵加劲的受压板件稳定计算没有考虑几何缺陷和残余应力的不利作用 （参看12.3.2小节）。认真总结失败的教训，结合进行必要的研究工作，就能得出规律性的 认识，以指导以后的设计。轴心压杆的扭转屈曲，是人们了解得还不多的一个可题。美国 哈特福特城的体育馆网架结构，平面尺寸为92m×110m，突然于1978年破：环而落到地 上[.，破坏起因虽然可以肯定是压杆屈曲，但究竞为何屈曲还是众说纷运。杆件的截面为 四个角钢组成的十字形。这种截面抗扭刚度低，有人认为扭转屈曲是起因2.也有人认为 起支撑作用的杆有偏心，未能起到预期的减少计算长度的作用才是起因25。文献[2.16] 经过深入分析，阐明这两个因素都起相当作用，并提出了偏心支撑对增强压杆稳定性的计 算方法。 建筑结构用的钢材具有很大的塑性变形能力。当结构因抗拉强度不足而破坏时，破坏 前呈现较大变形。但是当结构因受压稳定性不足而破坏时，可能在失稳前只有很小的变 形，即呈脆性破坏的特征。例如，由钢管组成的网架结构就有这种可能。图2.1为钢管受 压时荷载和压缩变形的关系曲线，表现出脆性型的受压屈曲6。用钢管做成的网架，当压 杆决定结构承载能力时，其荷载和跨度中央挠度的关系曲线也表现脆性特征，如图2.2

图2.1钢管受压变形由

多年来人们一直把钢结构的稳定问题分为两类： 1）第一类稳定问题或具有平衡分岔的稳定问题（也叫分支点失稳）。完善直杆轴心受 压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。 （2）第二类稳定问题或无平衡分岔的稳定问题（也叫极值点失稳）。由建筑钢材做成的 偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的承载能力，属于这一类。信某些结构 如坦拱，即使是完全弹性的，也没有平衡分岔（参看图2.5）。 随着稳定问题研究的逐步深入，上述分类看来已经不够了。设计为轴心受玉的构件， 实际上总不免有一点初弯曲，荷载的作用点也难免有偏心。因此，我们要真正掌握这种构 件的性能，就必须了解缺陷对它的影响，其他构件也都有个缺陷影响问题。这是一方面的 深入，还有一方面的深入是构件屈曲后性能的研究。并不是所有的构件都在屈由后立即丧

失承载能力。为了真正发挥各类构件的极限承载能力，就有必要研究构件的屈曲后性能预制砼排架结构厂房建筑工程施工组织设计， 弹性稳定可以分为以下三类[2.8]