《钢结构基本原理》教学过程中《材料力学》基本概念的过渡.pdf

/长春工程学院学报(社会科学版)年 第 卷 第 期.(.)./:./.钢结构基本原理教学过程中材料力学基本概念的过渡收稿日期:基金项目:吉林省高等教育教学改革研究课题:新工科背景下应用型本科院校土木工程专业改造升级的改革与实践(项目编号:)长春工程学院 年“校企合作课程”立项建设课程(课程名称:钢结构设计)作者简介:唐佳军()男(汉)黑龙江佳木斯硕士助教主要研究结构工程唐佳军温 泳王玉英赵庆明李九阳(长春工程学院 土木工程学院长春)摘 要:材料力学课程是钢结构基本原理课程的先修课程之一二者联系紧密钢结构基本原理教学过程中应注重材料力学基本概念的过渡 从全部焊缝有效截面对中和轴的抗弯截面模量、双角钢组合 形截面对 轴的回转半径、双肢格构式构件对虚轴的惯性矩三个方面介绍了材料力学截面几何性质的过渡从轴心受力构件的强度条件、梁的强度条件介绍了强度计算公式的过渡从梁的刚度介绍了刚度计算公式的过渡从轴心受压构件的整体稳定介绍了稳定计算公式的过渡从复杂应力作用下钢材的屈服条件、梁在复杂应力作用下的折算应力强度介绍了材料力学第四强度理论的过渡 使学生厘清钢结构课程与力学课程基本概念的脉络关系以期提高钢结构基本原理课程的教学效果与教学质量关键词:钢结构基本原理材料力学过渡中图分类号:.文献标识码:文章编号:()一、引言钢结构基本原理与材料力学是土木工程专业学生必修的两门专业基础类课程 是土木工程专业重要的主干课程是国内诸多高校结构工程专业、土木水利专业硕士研究生入学考试的初试科目或复试科目 钢结构基本原理课程难度大理论性强计算公式繁杂与力学课联系密切 如果学生的力学基础比较薄弱或力学课程内容有所遗忘那么学习钢结构课程就会较为吃力钢结构基本原理教学过程中要注重力学概念的过渡尤其是三大力学中的材料力学 以长春工程学院土木工程学院土木工程专业 版人才培养方案为例材料力学 开设在第三学期 学时.学分其先行(修)课程是高等数学工程数学大学物理理论力学而钢结构基本原理开设在第五学期 学时.学分其先行课程包括材料力学结构力学荷载与结构设计方法 材料力学课程作为钢结构基本原理课程的先修课程之一在教师教学与学生学习过程中二者紧密联系若在后者的教学过程中引入前者的基本概念对学生加以引导和启迪这样可以提高钢结构基本原理课程的教学效果与教学质量 延边大学崔文一在讲解“钢梁整体稳定计算”与“压弯钢柱平面内稳定计算”这两个钢结构基本原理教学过程中的难点问题时采用最终结果公式运用材料力学原理进行讲解得到了较好的效果获得了学生的赞同材料力学课程主要讲述材料力学的基本假设、四种基本变形(轴向拉伸与压缩、剪切、扭转和弯曲)、截面的几何性质、应力状态和强度理论、组合变形和压杆稳定等通过材料力学课程的学习使得学生掌握构件(杆件)的强度、刚度和稳定等方面的基本概念和基本知识具备一定的计算能力、分析问题和解决问题的能力能够对常见的工程问题进行定性和定量的分析 钢结构基本原理课程主要讲述钢结构的特点与设计方法、钢结构的材料、钢结构连接的方法与计算、基本构件的受力性能与设计计算、节点设计与构造等通过钢结构基本原理课程的学习使得学生掌握钢结构的特点、典型破坏形式、钢材的力学性能以及钢结构基本构件及连接节点的基本理论、设计分析、验算判定等具备对钢结构复杂工程问题进行分析判断、分解、设计的能力 本文拟从截面几何性质、强度计算、刚度计算、稳定计算和强度理论五个方面介绍钢结构基本原理教学过程中材料力学基本概念的过渡二、截面几何性质的过渡(一)全部焊缝有效截面对中和轴的抗弯截面模量图 阴影区域所示为直角角焊缝的有效截面或计算截面可以看出角焊缝有效截面为一 的矩形截面是角焊缝的有效厚度是角焊缝的计算长度 钢板(牛腿板)和钢柱的翼缘可以采用双面角焊缝进行连接当双面角焊缝承受弯矩、剪力和轴力的共同作用时焊缝有效截面上同时存在着正应力和剪应力 弯矩在焊缝有效截面边缘处产生的正应力 等于弯矩 与全部焊缝有效截面对中和轴的抗弯截面模量 之比即 /材料力学课程里面讲过矩形截面对中和轴 的抗弯截面模量 /是截面宽度 是截面高度 对直角角焊缝此时截面宽度为截面高度为故全部焊缝有效截面对中和轴的抗弯截面模量 /式中 考虑的是双面角焊缝共两条MZIHM图 直角角焊缝的有效截面(二)双角钢组合 形截面对 轴的回转半径屋架中的杆件多采用双角钢组合而成的 形截面形式 在对钢屋架进行设计时需要用到双角钢组合 形截面对 轴的回转半径 表 是部分等边角钢的型钢表查表可直接得到:单角钢的重心距、截面面积、质量、惯性矩、截面模量与回转半径等双角钢组合 形截面对 轴的回转半径 而双角钢组合 形截面对 轴的回转半径型钢表的右侧未直接列出学生在查该截面几何量时常常感到疑惑这是因为学生对材料力学中回转半径的概念不明确 当已知截面面积 和惯性矩、时回转半径(或惯性半径)可由公式()求得 由此计算双角钢组合 形截面对 轴的回转半径时双角钢对 轴的惯性矩、截面面积均是单角钢的 倍约分之后可以得到:双角钢组合 形截面对 轴的回转半径与单角钢对 轴的回转半径相等 以角钢型号为 的双角钢组合 形截面为例进行说明当双角钢间距 为 时双角钢对 轴的回转半径 为.对 轴的回转半径 为 ()式中:、分别称为截面对 轴和 轴的回转半径或惯性半径表 部分等边角钢的型钢表 角钢型号 单角钢 双角钢圆角重心距截面积质量惯性矩截面模量回转半径当 为下列数值:/.长春工程学院学报(社会科学版)()(三)双肢格构式构件对虚轴的惯性矩图 是双肢格构式构件的横截面图中 轴穿过肢件腹板叫做实轴 轴穿过双肢之间的缀材叫做虚轴 双肢格构式构件的设计过程中需要计算格构式构件整个截面(即双肢)对虚轴(轴)的惯性矩 通过查询型钢表可以得到:单个槽钢肢件对 轴的惯性矩 和对 轴的惯性矩那么整个截面对实轴(轴)的惯性矩为 而对虚轴(轴)的惯性矩并非是 此时需要用到材料力学中惯性矩的平行移轴公式如公式()所示 根据平行移轴公式格构式构件整个截面对虚轴的惯性矩 ()()式中:为格构式构件整个截面对 轴的惯性矩为单个槽钢截面对 轴的惯性矩 为 轴与 轴的距离 为单个槽钢的截面面积图 双肢格构式构件的横截面三、强度计算公式的过渡(一)轴心受力构件的强度条件材料力学中保证等截面直杆在拉伸(压缩)时不致因强度不足而破坏的强度条件为杆件最大的工作应力 不超过材料的许用应力如公式()所示 钢结构基本原理中截面无削弱的轴心受力构件其强度计算的原则是这样描述的:以毛截面上的平均应力 达到屈服强度作为强度极限状态引入抗力分项系数后按公式()进行毛截面强度计算 虽然公式()、公式()形式上略有不同但本质上都是一样的 对塑性材料材料的许用应力为材料屈服强度 除以安全因数 安全因数 的确定并不单纯是力学问题同时还包括了工程上的考虑及复杂的经济问题在静荷载下 一般取.钢材的抗拉强度设计值 为钢材屈服强度 与抗力分项系数 的比值抗力分项系数 的 取 值 依 据 钢 结 构 设 计 标 准():对 钢取.对、钢取.对、钢厚度为 时取.厚度为 时取.()式中:为轴心拉力(或压力)最大值 为等截面直杆的横截面面积为材料的许用应力()式中:为构件计算截面处的轴心拉力(或压力)设计值 为构件计算截面处的毛截面面积为钢材的抗拉强度设计值(二)梁的强度条件材料力学课程中梁的强度条件包括梁的正应力强度条件与切应力强度条件两个方面而钢结构基本原理课程中梁的强度包括四个方面:抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度和在复杂应力作用下的折算应力强度 力学中梁的正应力强度条件与钢结构中梁的抗弯强度相对应不同的是前者正应力发展过程只考虑弹性阶段后者允许截面部分进入塑性而引入截面塑性发展系数 力学中梁的切应力强度条件与钢结构中梁的抗剪强度相对应许用切应力对应钢材抗剪强度设计值 局部承压强度和在复杂应力作用下的折算应力强度是钢结构教学中需要增加的全新内容四、刚度计算公式的过渡材料力学里面介绍在土建结构中通常对梁的挠度加以限制以满足刚度条件梁的刚度条件见公式()钢结构基本原理教学中梁的刚度同样由梁的挠度控制需要注意的是:对楼盖和工作平台梁应分别验算全部荷载产生的挠度和仅由可变荷载产生的挠度计算见公式()()式中:为梁的最大挠度值 为梁的跨度/为梁挠度许可值与梁跨度长之比()式中:为全部荷载标准值产生的挠度为仅由可变荷载标准值产生的挠度 为梁的跨度、为梁的容许挠度值取值见钢结构设计标准()附录 五、稳定计算公式的过渡力学课中压杆的稳定条件可表达为 /()式中 为压杆承受的轴心压力 为压杆的稳定因数 为压杆的横截面面积为压杆材料 唐佳军等:钢结构基本原理教学过程中材料力学基本概念的过渡的许用压应力 钢结构设计标准()对轴心受压构件的整体稳定计算采用这一公式:/().式中 为构件轴心压力设计值 为轴心受压构件的整体稳定系数 为构件毛截面面积 为钢材强度设计值 二者形式上有所不同压杆材料的许用压应力对应着钢材强度设计值 材料力学中仅给出了 钢 类截面、类截面中心受压直杆的稳定因数 的查询方法而钢结构基本原理中轴心受压构件的整体稳定系数 的查取方法更加全面整体稳定系数 与截面分类(、四类)、钢材牌号(钢、钢、钢、钢、钢)、长细比三个因素是相关的六、强度理论的过渡(一)复杂应力作用下钢材的屈服条件在复杂应力作用下如平面应力状态或立体应力状态钢材由弹性状态转入塑性状态的条件是按材料力学第四强度理论计算的折算应力 见公式()等于单向应力下的屈服强度 在一般的梁中只存在正应力 和剪应力 折算应力得以简化如公式()纯剪状态下只有剪应力 折算应力 进一步简化如公式()此时令 可以得到:.即钢材抗剪设计强度为抗拉设计强度的.倍()()()()()()式中:、为构件危险点处的三个主应力(二)梁在复杂应力作用下的折算应力强度组合梁腹板计算高度边缘处同时受有较大的正应力、剪应力 和局部压应力 或同时受有较大的正应力 和剪应力 时应使按材料力学第四强度理论计算的折算应力 见公式()式中考虑到所验算部位是腹板边缘的局部区域几种应力皆以其较大值在同一点上出现的概率很小故将强度设计值 乘以 予以提高 ()式中:为验算折算应力的强度设计值增大系数 为钢材的强度设计值七、结语钢结构基本原理作为土木工程专业一门重要的专业基础课其课程难度大理论性强计算公式繁杂与力学课程联系紧密钢结构课程的教学工作任重而道远 从材料力学中截面几何性质过渡来讲解全部焊缝有效截面对中和轴的抗弯截面模量、双角钢组合 形截面对 轴的回转半径、双肢格构式构件对虚轴的惯性矩等钢结构知识从力学中强度计算过渡以讲解钢结构轴心受力构件的强度条件、梁的强度条件从力学中刚度计算、稳定计算过渡以讲解梁的刚度、轴心受压构件的整体稳定从材料力学第四强度理论过渡来讲解钢结构中复杂应力作用下钢材的屈服条件、梁在复杂应力作用下的折算应力强度 钢结构基本原理教学过程中通过引入材料力学基本概念对学生加以引导与启迪提高钢结构课程教学效果为我国钢结构人才的培养作出点滴贡献参考文献 窦立军王玉英.应用型本科钢结构设计原理课程内容改革.土木建筑教育改革理论与实践.武汉:武汉理工大学出版社:.裴长春.材料力学与专业课程衔接中提高学生创新能力.山西建筑():.赵荣飞何俊仕杨国范.材料力学在工科专业课程体系中的基础性地位.菏泽学院学报():.颜庆智.钢结构基本原理教学中的力学过渡.中国冶金教育():.崔文一.钢结构基本原理和材料力学原理教学的对比研究.高等建筑教育():.孙训方方孝淑关来泰.材料力学(第 版).北京:高等教育出版社.陈绍蕃郭成喜.钢结构(下册)房屋建筑钢结构设计(第四版).北京:中国建筑工业出版社.戴国欣.钢结构(第 版).武汉:武汉理工大学出版社.张晋元.土木工程荷载与结构设计方法.天津:天津大学出版社.(下转第 页)长春工程学院学报(社会科学版)()戴先中.工程师:工程教育专业认证标准中的“培养目标”.中国大学教学():.蒋宗礼.本科工程教育:聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养.中国大学教学():.林为伟张栋叶福玲.工程教育认证驱动下的软件工程