# 钢结构设计跟焊接性分析## 一、钢材焊接性的定量评估，钢材的焊接性能够借助计算碳当量值（Ceq）来予以定量评估，碳当量值的计算公式如下：

对于钢材而言，当其中碳含量未超过百分之零点一二时，要是碳当量小于或等于百分之零点五零，那么就认定该钢材具备可焊性；当碳含量超过百分之零点一二时，倘若碳当量小于或等于百分之零点四五，钢材具有可焊性。由公式能够看出，合金元素的存在会使得钢材的焊接性降低。就不锈钢来说，它属于高合金钢，主要划分成三种类型，分别是：奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢以及铁素体不锈钢。它们具备这样的焊接特性，具体如下：对于奥氏体不锈钢，其焊接性是最好的，然而散热速度仅仅约为普通碳钢的三分之一，因而在焊接的时候需要留意防止出现热变形；马氏体不锈钢是可以焊接的，不过因为其淬透性高，所以容易产生裂纹，尤其是当碳含量高于0.10%的时候，一般是需要进行预热并且控制层间温度的；铁素体不锈钢在焊接之后，焊缝区域的延展性以及韧性有可能会降低，为了减少这些不好的影响，或许是需要进行预热以及焊后退火处理的。二、结构设计理念以及格式，###（一）设计理念针对结构设计而言，应当去满足强度、适用性以及经济性这三个标准：- **强度**：所指的是结构在极端荷载条件之下的整体完整性以及安全性，这就要求结构在其使用寿命期间能够承受偶尔出现的超载情况，进而不会发生严重的损坏现象。- **适用性**：涵盖了结构在正常使用荷载条件之下的外观、可维护性以及耐久性要求。在进行设计的时候，需要对结构的挠度、振动、永久变形、裂缝以及腐蚀等多方面的因素予以考量 。- **经济性**：留意结构设计以及制造、安装与维护过程里的总体材料、施工还有劳动力成本。### （二）设计格式当前，美国的钢结构设计主要运用以下三种格式：1. **容许应力设计（ASD）**- 此种方法在建筑与桥梁的钢结构设计里已运用了数十年，于从事钢结构建筑设计的工程师之中依旧颇受青睐。- 在容许应力设计当中，把构件在使用荷载下计算得出的应力跟预先规定的容许应力加以比较。将材料屈服应力（Fy）或者抗拉应力（Fu）除以安全系数所得到的函数，这通常被表示为容许应力。安全系数被用来考量超载情况、强度欠缺状况以及结构分析里的近似因素。其一般呈现的格式为：

对于\(\frac{R_n}{FS}\)，它要大于或等于，从\(i = 1\)到\(m\)进行累加的\(\sum_{i = 1}^{m。

之中，Rn为名目抗力也就是容许应力的结构构件，Qni是经第i种使用荷载算出的使用应力，FS是安全系数，i是荷载类型像恒载、活载、风载等，m是设计里考量的荷载类型数量。2. **塑性设计即 PD** - 借助了钢材截面于首次屈服后仍旧存在储备强度的特性。当截面受弯时刻，截面的屈服是渐进的，从离中性轴最远的纤维起始，到离中性轴最近的纤维告终。这种被称作塑性化的渐进屈服现象，意味着截面于首次屈服之际不会即刻破坏。为把这种储备能力予以量化，引入了形状系数这一概念，它被定义成塑性弯矩（致使整个截面屈服，进而形成塑性铰的弯矩）跟屈服弯矩（仅仅让最外层纤维屈服的弯矩）的比值。比如说，热轧I形截面围绕强轴弯曲时的形状系数大约是1.15，围绕弱轴弯曲时大约是1.50。对于超静定结构而言，形成塑性铰之后结构不会马上破坏。截面完全屈服之后，会出现内力（确切来讲是弯矩）重分布的情况，尚未屈服的那部分结构依旧能够承受额外施加的荷载。唯有当数量足够多的截面发生屈服，致使结构变得不稳定，进而形成塑性破坏机制的时候，结构才会遭到破坏。在塑性设计里，把安全系数运用到施加的荷载上从而获取设计荷载。要是运用这些设计荷载计算得出的荷载效应（像是力、剪力以及弯矩）没有超过结构构件的名义塑性强度，那么就认定设计符合强度标准。其格式为。

R_n大于或等于，γ乘以，从i = 1到m进行求和，Q_{ni}的和，。

构件的名义塑性强度是Rn，第i种荷载的名义荷载效应是Qni，荷载系数为γ，荷载类型是i，荷载类型数量为m。 钢结构建筑设计里，依据AISC规范，要是Qn仅由恒载跟活载构成，荷载系数是1.7 ；要是Qn由恒载、活载与风载或者地震荷载一同作用，那麽荷载系数为1.3。 荷载与抗力系数设计即LRFD，它是一种基于概率的极限状态设计方法。极限状态被定义成结构或者结构构件变得不安全这一情况（此情况违反强度极限状态），以及变得不适合其预定功能的状态（此状态违反适用性极限状态）。 在LRFD方法里，把荷载效应以及抗力都当作随机变量，它们自身的变异性与不确定性是用频率分布曲线来进行表示的。 要是抗力超过荷载效应一定的安全裕度，那么就会认为设计是满足强度标准的。在实际设计当中，因考虑到结构构件强度确定方面存在不确定性的缘故，故而把抗力系数φ施加于构件的名义抗力之上；鉴于考虑荷载实际大小确定之时出现的不确定性以及困难，所以将荷载系数γ运用到每种荷载类型。不同的荷载类型会采用不同的荷载系数，以此来体现荷载大小确定的不确定性程度。普遍来讲，可预测性相对较高的荷载会采用较低的荷载系数，可预测性比较低的荷载则运用较高的荷载系数。其呈现的数学格式为：

“\(\phi R_n\)”大于或等于 ，那些“\(\sum_{i = 1}^{m} \gamma_i Q_{ni}\)” ，其中“\(\sum_{i = 1}^{m。

其中呐，φRn指代的是设计（抑或是可用）强度，\(\sum \gamma_i Q_{ni}\)所表示的乃是给定荷载组合情形下的所需强度或者荷载效应。表1列举出了一些荷载组合示例（ASCE 2002）钢结构挠度计算，是用来用于公式右侧的计算哒。为了能够确保设计安全，就得要对所有荷载组合展开研究，还要依据最不利情况来进行设计。荷载组合的表达式如下钢结构挠度计算， 其中一种是，先将恒载与具有明确压力和最大高度的流体荷载相加，之后乘以1.4 ， 另一种是，先把恒载、具有明确压力和最大高度的流体荷载以及自应力加起来，乘以1.2 ，再把活载、土和水中土的重量及侧向压力荷载加起来乘以1.6 ，还要加上屋面活载或者雪载或者雨载中的任意一项乘以0.5 ， 还有一种是，恒载乘以1.2 ，再加上屋面活载或者雪载或者雨载中的一项乘以1.6 ，之后再把活载加上或者风载乘以0.8 ，只能选择活载该项或者与 0.8 倍风载二者中的一个相加加上去， 再一种是恒定荷载 D 乘以 1.2 ，加上风载荷 W 乘以 1.6 ，再加上活载 L，之后加上屋面活载或者雪载或者雨载中的任意一项乘以 0.5 ， 另外一种表达式为，恒载 D 乘以 1.2 ，加上地震荷载 E 乘以 1.0 ，加上活载 L，再加上雪荷载 S 乘以 0.2 ， 还有一种是，恒载 D1 乘以 0.9 ，加上风载荷 W 乘以 1.6 ，再加上土和水中土的重量及侧向压力荷载 H 乘以 1.6 ， 最后一种荷载组合表达式是，恒载 D 乘以 0.9 ，加上地震荷载 E 乘以 1.0 ，再加上土和水中土的重量及侧向压力荷载 H 乘以 1.6 。 注释中规定，D 代表恒载，E 代表地震荷载，F 代表具有明确压力和最大高度的流体荷载，H 代表土和水中土的重量及侧向压力荷载，L 代表活载，Lr 代表屋面活载，R 代表雨载，S 代表雪载，T 代表自应力，W 代表风载。分为三部分，先说受拉构件设计，其中又有受拉构件概述，受拉构件是用来承受拉力的构件，常见的这类构件有吊杆，还有桁架杆件，以及处于受拉状态的支撑构件。受拉构件常用的截面形式有实心圆杆，还有空心圆杆，有成束钢筋，以及电缆，有矩形板，有单角钢，还有双角钢，有槽钢，有WT截面，还有W形截面，以及各种组合截面。二、受拉构件进行设计时：要避免在正常荷载状况下出现如下这些有可能的破坏模式，其一，毛截面屈服；其二，有效净截面断裂；其三，块状剪切破坏；其四，沿紧固件平面的剪切断裂；其五，紧固件孔的承压破坏；其六，搭接或吊杆式接头的撬力破坏，另外要求紧固件的强度务必足够，以此来防止其破坏，除拉杆之外，受拉构件的长细比，也就是构件长度除以其最小回转半径这样一个计算结果，最好不要超过300 。### （三）设计方法|#### 1. 容许应力设计| - 受拉构件经计算得出的拉应力 ft 不可以超过容许拉应力 Ft|。对于毛截面屈服而言，Ft 是 0.60Fy|；对于有效净截面而言 。