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钢结构,华南理工大学土木工程系 结构教研室 陈兰 2011年,教学内容安排,绪论 钢结构材料 钢结构的连接 轴心受压构件 梁的计算和设计 拉弯和压弯构件,第一章 绪论,公元65年兰津桥 限制使用 96年积极推广使用 材料 + 力学 + 构造 一 、 钢结构的特点和应用范围 1重量轻 因其强度高，承受相同荷载时杆件截面小。 每榀24m屋架：钢结构2.12.7 t ，预应力砼6.411.3 t；是1/31/4 2塑性、韧性好 塑性承受静力荷载时，材料吸收变形的能力。塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而突然断裂，给人以安全.,韧性承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。 韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能，对 动力荷载的适应性较强。这些性能对钢结构的安全 性提供了保证。,3. 材料接近各向同性体。 实际工作性能与力学假定相符， 计算结果可靠. 4制作简便，易于工业化生产，周期短。 由各种型材组成，在专业化的厂房生产，现场 安装(焊接、螺栓联结)，便于拆卸、加固、改造。 密封性好 气密性、水密性好，用在高压容器，油库，气库 6. 绿色材料 重新冶炼、重复使用、节能减排 7. 耐热性好,防火性差 t300 强度下降 t500 强度为0,.易锈蚀,8 . 易锈蚀 刷涂料、 镀锌， 维护费用高 二.应用范围 大跨度结构 : 大会堂、体育馆、影剧院、桥 重 型 厂房 :冶金厂、重型机器厂、炼钢厂 高 层 建筑 :北京京广中心、香格里拉、 金茂大 厦（88层，420m) 广州西塔432m，广州新电视塔610m 塔桅结构 : 电视塔、发射塔 板壳结构 ：容器 可拆卸结构 ：临时房屋、周转用具,轻型钢结构：较小的屋面活荷载 钢与砼组合结构,金茂大厦,广州西塔,锈蚀图,鸟巢图片,广州会展中心,2003年北京小汤山医院简介：,总建筑面积：2.5万 ，1000张病床，占地122亩； 质量医疗设施标准：一级传染病院； 施工周期：7天7夜； 施工人员：7000名，6家企业； 耗资：2亿； 共救治680名患者，医护人员、武警：1383名； 一般500张床位的标准医院，施工周期为2年。,我国钢产量持续发展,1996年 1 亿吨 年 2 亿吨 2003年 2.2 亿吨 年 2.75亿吨 2006年 4.8 亿吨,钢结构的计算方法,二、钢结构的计算方法 原则：技术先进，安全实用，经济合理 概率极限状态设计法以分项系数表达，以概率 理论为基础。 即用最经济的方法，使结构以适当的可靠度满足 下列功能： (1) 安全性：承受正常情况下各种作用和偶然事件中 保持必 需的稳定。 (2) 适用性：有良好的工作性能 (3) 耐久性 极限状态分二类: 承载能力极限状态 ：强度、疲劳破坏、失稳 正常使用极限状态 ：影响使用的变形、振动,结构功能函数,结构功能函数 Z=g（S，R）=R-S S作用效应，荷载地震引起的内力和变形 （M、V、N、位移），随机变量 R结构抗力，能够承受内力和变形的能力 （承载力、刚度） Z 0 可靠状态 ; Z 0 失效状态 ; Z = 0 极限状态 结构可靠度：结构在规定时间规定条件下完成预定功能的概率 用可靠指标衡量，=3.2 (p13),第二章 钢结构材料,2.1 对钢材的要求 高强度 fy屈服强度 yield fu极限强度 ultimate 塑性、韧性好 良好的加工性能、可焊性,2.2 钢材的主要性能,一、 单向拉伸 (1)弹性阶段 ：OP直线，fP比例极限 PE曲线,卸载无残余应变， fe弹性极限 （2）弹塑性阶段：ES曲线,卸载有残余应变 (3)屈服阶段 ：SC水平段，应力稍增，应变剧 增，有残余应变。内部组织有变化 晶粒与晶粒之间产生滑移。 重要指标 fy屈服强度 流幅大 塑性越好； (4 ) 强化阶段 ：CB-曲线，fu-极限强度,单向拉伸试验应力应变图,理想弹塑性应力应变曲线,二、破坏形式,两种不同性质的破坏:,三、钢材的主要性能,冲击韧性试验图,冷弯试验图,检查表面有无 分层、裂纹，,四、复杂应力状态下的屈服条件,剪切屈服强度,2.3 影响钢材性能的因素,一. 化学成分的影响 Fe 99% C Si Mn 1% 决定作用 S P O N C 提高强度，降低塑性韧性 含碳量 0.22% (非焊接结构） 0.2% （焊接结构） Si脱氧剂 Mn弱脱氧剂，有效的合金成分 S 、O热脆 P、N冷脆 铁中加入铬、镍、钒、铜 、钛合金钢 所含含量小 ，低合金钢,二.成材过程的影响(p2324),冶炼、浇注 钢材缺陷的影响 1. 偏析 ：化学成分不一致不均匀 2. 非金属夹杂：硫化物、氧化物，性能变坏 3. 裂纹：可见、不可见 4.分层：沿厚度方向形成不相互脱离的层间层间易锈蚀 轧制：1300C，钢锭钢胚 型钢，将小气泡裂纹焊 合， 使金属组织更致密，压缩比越大，材料 越薄，性能越好。p20 应变硬化：冷加工时，强度提高，塑性、韧性下降 时效硬化：随着时间的增长,析出的化和物 应变时效：应力集中,三.应力集中的影响,定义：在孔洞、槽口、截面突然改变处,产生 应力高峰,甚至产生横向应力。 用应力集中系数k表示 k=最大应力/平均应力 k越大,同号三向拉应力值越接近,钢材越脆。 设计时,构造形状要合理,避免截面突然改变。,四.荷载类型的影响,荷载分类: 动力冲击荷载:一次快速加载 加载速度: 屈服点、抗拉强度随速率增加提高 循环荷载:累积损伤,五.温度影响,温度对钢材性能影响很大。 t300c，强度、E显著下降,塑性上升 t=600c，强度=0，热塑性状态 t常温，强度提高,塑性韧性下降,称为低温冷脆现 象尤其是冲击韧性对温度十分敏感,2.4 钢材的疲劳,定义:在反复连续荷载下,钢材从累积损伤产生裂纹 裂纹开展破坏,疲劳破坏特征: 突然性,破坏前无明显塑性变形,脆性破坏 与瞬间断裂不同,是延时断裂。 断口与一般脆性断口不同,分三个区域。 对缺口、裂纹等缺陷很敏感,常幅循环应力图,常幅疲劳验算,采用容许应力法,荷载的标准值,2.5 钢材类别和选用,二大类：碳素结构钢、低合金高强度结构钢 1.碳素结构钢 Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 推 荐 用 钢 : Q235 钢号由4部分组成: Q、屈服点值 、等级、脱氧方法 等级: A 、B 、C 、D 按化学成分和冲击试验划分 脱氧方法: F、b或Z (省略) 、TZ(省略) 如 Q235AF屈服点为235N/mm2的A级沸腾钢 Q235B,2.低合金高强度结构钢 添加少量合金元素, 合金含量低于5% 国家标准：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460 规范推荐: Q345、Q390、Q420 划分5个等级:A、B、C、D、E 全为镇静钢 牌号表示与碳素钢类似,无脱氧方法 F 如Q345B,Q235表示方法,0C,-20C,2.6 钢材的规格,钢板 热轧型钢 薄壁型钢 1、钢板 分厚板 、薄板、扁钢 厚度宽度长度(mm) 400 12 3000 2、角钢 等边 L 肢宽厚度 L 90 8 不等边 L 长肢短肢厚度 L100 80 6 3、槽钢 以高度的cm数表示 40a 高度400mm腹板较薄、 40b 腹板中等 40c 腹板较厚 4、工字钢 I以高度的cm数表示 I32a,5、H型钢 与工字钢相比,翼缘宽度大，表面平整，IX 、 IY 大， 分3种: 宽翼缘HW、中翼缘HM 、窄翼缘HN 高度宽度 HW400400 6、钢管 分2种: 热轧无缝钢管、焊接钢管 外径厚度 1144 7、园钢 外径 14 8、冷弯薄壁型钢 1.56mm厚的钢板冷弯和锟压成型, 0.41.6mm厚的压型钢板,型钢规格图,2.7 钢材的选择,考虑因素: 1.结构或构件的重要性; 2.荷载性质(静载或动载); 3.连接方法(焊接、螺栓); 4.工作条件(温度及腐蚀介质); 重要结构、承受动载、低温条件、焊接结构 应选用质量较高的钢材。,第3章 钢结构连接,紧固件连接,连接方法,3.2 焊接方法、连接形式、焊缝类别,焊接方法:手工焊、埋弧焊(自动) 气体保护焊、电阻焊,焊条： E43（T42）Q235（A3） E50（T50）Q345 E55（T55）15MnV，15MnVq 其中43，50，55 最小抗拉强度， 电流种类，药皮及不同焊接位置 原则：焊缝和母材等强度。,手工焊,埋弧焊,焊缝连接形式,焊缝类别： 对接焊缝正对接焊缝、斜对接焊缝 角焊缝 正面角焊缝，焊缝垂直外力 侧面角焊缝，焊缝平行外力,焊缝方位,焊工与焊件的相对位置分为3种 平焊 ：质量易保证 立焊、横焊 ：比平焊难 仰焊 ：难操作，质量难保证 设计人员详细考虑每条焊缝方位，尽量平焊，避免仰焊,焊缝方位,焊缝代号,由指引线、图形符号、辅助符号等组成,3.3 对接焊缝,构造：板边要处理开坡口，坡口与厚度有关 t 20mm 开U、K、X型坡口 c-间隙 p-钝边,变宽度、厚度时,做成不大于1:2.5的斜坡,起弧、落弧出现弧坑(焊口)，产生应力集中、类裂纹 一个焊口= 板厚t，为消除焊口,采用引弧板，见p56,3.4 对接焊缝的计算,特点：不附加板材，传力直接平顺，受力良好， 质量精度要求高。应力分布与焊件情况相同， 用材力计算焊件 的方法计算。Butt welds 质量等级分为三级：一级、二级、三级 一级、二级、三级：fvw 、 fcw= 母材的强度 一级、二级：除了外观检测，用特殊的仪器手段探 测焊缝内部缺陷，质量保证。 ftw= 母材的强度 tension 三级：仅外观检测，质量稍差。 ftw= 0.85母材的强度,1.轴心受力,一、二级质量焊缝与构件等强，不必计算； 只有受拉的三级焊缝低于焊件的强度，需要计算。 当直缝不满足时采用斜缝对接。具体计算见p57,斜焊缝耗材,施工不便,较少用,以二级焊缝取代,2.受弯、受剪计算,工字形截面,A,B,C,3.5 角焊缝的计算,1.角焊缝的构造和强度 fillet welds 焊缝厚度hf ，焊缝长度 lw,斜角角焊缝,焊缝厚度图,最大、最小焊缝长度,40mm,角焊缝其它构造要求,端部转角处绕角焊,基本假定,1 所有角焊缝只承受剪应力,只区分侧焊缝和端焊缝； 2焊缝计算截面为45截面，面积为: 0.7,角焊缝的公式,3,例3.2,5,b,5,角钢焊缝属偏心受力，且由于角钢形状及 拼接方式不同，肢尖与肢背承受的荷载也 不同。令其分配系数分别为 等肢角钢 0.7 0.3 不等肢角钢长肢相拼 0.65 0.35 不等肢角钢短肢相拼 0.75 0.25,例3-3,6. 顶接角焊缝的计算,图,7. 工字形梁截面与柱连接,通常假定：M由全部焊缝承受，V仅由腹板焊缝承受。,例3.4,10,JIp,11,3.6 焊接应力和焊接变形,由于施焊的高温作用引起的内应力和内部变形 施焊时：近缝区温度高膨胀大，受到二侧温度低 膨胀小的钢材所限，产生压应力； 冷却时：经过塑形压缩的近缝区的收缩受到 两侧钢材所限，产生拉应力 原因：(1) 焊接时，形成了一 个温度分布不均匀的 温度场。 (2) 各组成纤维自由变形受到阻碍。 种类：纵向焊接应力-平行焊缝长度方向 横向焊接应力-垂直焊缝长度方向 沿厚度方向焊接应力,焊接变形图,二、焊接应力的影响 1.常温静载下，不影响静力强度。 2.使刚度变小； 3.使稳定性降低 4.降低疲劳强度易产生冷脆破坏 三、减少焊接应力和变形的措施 1.合理的焊缝设计： 合适的hf 、lw ，宜用细长焊缝不用粗短焊缝 焊缝不宜过分集中 避免三向焊缝相交 三向同号拉应力场，钢材变脆。,主要焊缝连续，次要焊缝断开 对接焊缝，当宽度不等或厚度相差超过4mm时 应做成1:2.5的坡度 2. 合理的工艺措施 焊件预热法： 焊接前预热至200300，减少 焊缝不均匀收 缩和冷却速度； 锤去法 焊接后，轻击焊缝，减少焊缝约束； 退火法： 焊接后加热至 600C， 适当的施焊程序：对称焊，分段退焊，跳焊； 反变形法：施焊前，先给一个与残余变形相反 的变形 。,合理的焊缝设计,合理的焊缝设计,合理焊缝设计,3.7 普通螺栓,p65,一、螺栓排列 并列：简单整齐,截面削弱大 错列：减小截面削弱,不如并列紧凑 要满足受力、构造和施工要求, 端距、中距、边距的规定 最大、最小容许距离 见表3-5,螺栓排列形式,螺栓分类,抗剪、抗拉螺栓图,螺栓图例,工程中常用：M16、M20、(M22用量较少)*和 M24、 最大：M40,第5种较少出现,可删去,五种破坏形式图,二、单个螺栓的计算,e,de有效直径，查表,三、 螺栓群的计算,2.螺栓群受扭矩(偏心受剪),螺栓群受扭受剪图,3.螺栓群轴心受拉,螺栓群受拉、受弯图,N,普通螺栓受弯矩,5.偏心受拉,小偏心受拉 e很小，端板与柱翼缘有脱开趋势，所有螺栓受拉,大偏心受拉 当e较大时，端板底部出现受压区 近似取中和轴位于最下排螺栓O处，,例3-11,螺栓群偏心受拉图,小偏心,大偏心,例3-12,3.8 高强螺栓,P与预拉力损失有关p97,P82,x,2 扭矩法：通过工艺试验，确定满足预 拉力要求所需扭矩，制做特殊扳手，如 机械的，光电的等等。,3 扭矩螺栓：一种特制螺栓，用特殊 扳手，拧断为止预拉力建立完成。,一、 高强度螺栓摩擦型连接计算,高强度螺栓摩擦型连接图,3. 高强度螺栓抗拉计算,4.同时承受剪力和拉力,二、高强度螺栓承压型连接计算,第四章 轴心受力构件,4.1 应用和截面形式 轴心拉杆和轴心压杆； 广泛用于柱、屋架、塔架、网架、支撑等体系；,柱的形式,截面形式,格构式截面,4.2 强度和刚度,1. 强度验算：以平均应力达到屈服点 2.刚度要求，避免在运输安装中，有过大变形和晃动,4.3 轴心压杆的整体稳定,一、轴心压杆的弯曲屈曲 屈曲形式: 弯曲屈曲 扭转屈曲 弯扭屈曲 具体屈曲形式与截面型式、l0、残余应力有关。 每一种形式有相应的临界力，最小值起控制 二、理想轴心压杆的临界力 当N较小时，均匀压缩变形，处于稳定状态 当N某值时，经干扰后，突然弯曲，有很大弯 曲变形，丧失承载力,三种屈曲形态图 P96,三、理想压杆弹性弯曲屈曲,四、实际压杆的稳定承载力,令,分类曲线,五、轴心压杆的整体稳定验算,例题4-2 P123,六、稳定计算的长细比,3.角钢组成的单肢对称截面 可用简化公式，见教材； 故轴心受压构件尽量采用双轴对称， 无对称轴截面不宜采用（不等边角钢外）。,例题1 柱高4.2m, N=1000kN,翼缘轧制，Q235A,x,x,4.4 轴心受压板件的局部稳定,1.轴心受压构件由矩形板组成，当板件宽且薄时，,2. 确定宽厚比限值准则： 1）局部临界应力不低于屈服应力； 2）局部临界应力不低于整体屈曲临界应力； 规范采用后者。 3. 轧制型钢因腹板、翼缘厚度较大，局部稳定能 保证，不需验算。,局部屈曲图,1.工字形截面,T形、箱形截面见教材,2.当腹板不满足要求时，可采用的措施：,纵向加劲肋图,4.5 实腹式柱的截面选择和计算,设计步骤,常常需要调整板件尺寸，厚度宜取2mm的倍数 例题6.1 P200，注意结论： 1）热轧工字钢最费材，宜用H型钢或焊接工字形； 2）钢材强度对稳定承载力有较大影响。,p354,4.3.2 格构式柱,Y实轴, X-虚轴,格构柱图,垂直肢件腹板实轴（ y轴） 垂直缀材面 虚轴（x轴 ） 格构式柱只产生弯曲屈曲，不可能产生扭转屈曲和弯扭屈曲。 绕实轴的稳定与实腹式相同。因此计算同实腹式； 同样的，绕虚轴的稳定比实腹式小。 原因：肢件每隔一段距离用缀材连接， 绕虚轴失稳时， 剪切变形大，故cr小。 实腹式：剪切变形小，忽略。 轴心压杆失稳时，有M、V，,一、对虚轴的换算长细比,1.缀条式:,2.缀板式,二、单肢稳定,2.缀板式,3,轴心压杆剪力图,缀板计算,4.设置横隔,横隔构造,角钢或钢板做横隔,例题 6.2 长细比，A，b，验算，缀材计算,第5章 梁,5.1 梁的类型和强度 一、类型 受M作用 型钢梁 组合梁,二、梁的强度 1. 弯曲强度 在M作用下，截面上发展经历3个阶段： 弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段,梁正应力分布图,其余见表5-1,2.,三、局部压应力和组合应力,局部压应力图,梁的弯剪应力组合图,四、多种应力组合效应,5.2 梁的扭转,一、截面的剪力中心（剪心、扭转中心，弯曲中心） 剪力通过该点，只有位移，无扭转。 当剪力作用其它位置，除有剪力还有扭矩。,二、自由扭转,定义：当一对大小相等反向扭矩作用，端部无约束， 截面各点纤维沿纵向自由收缩。 特点：各截面的翘曲变形相同，纵向纤维保持直线， 长度不变。截面只有剪应力，无纵向正应力。 自由扭距与扭转角、剪应力的关系：5.5,三、开口截面的约束扭转,悬臂构件：自由端自由翘曲，固定端不能 翘曲，中间截面受不同程度约束。 特 点： 纤维纵向收缩受约束，发生弯曲， 产生翘曲正应力，伴随翘曲剪应力。,5.3 梁的整体稳定,Z,一、整体失稳原因,三、整体稳定系数,四、整体稳定的验算,4.4.3,3. 箱形梁截面满足规范要求。,5.4 受弯构件的薄板局部稳定,梁局部屈曲图,梁腹板局部屈曲图,一、受压翼缘板的局部稳定,p197,二、腹板的局部稳定,分两种情况： 1）静力荷载、间接动力：宜考虑腹板屈曲后强度； 2）直接动力：不考虑腹板屈曲后强度，设加劲肋。 先考虑第二种情况。,三、腹板加劲肋设计,1. 种类,腹板加劲肋的种类图,2.加劲肋设置原则,3.,3. 腹板区格验算,1）仅横向加劲肋加强的腹板： 用相关方程 5-72 2）同时用横肋和纵肋加强的腹板： 分上板段，下板段 用相关方程 5-79、5-82,4. 腹板加劲肋的构造要求,加劲肋形式图,加劲肋构造,5. 支承加劲肋计算,),),四、梁腹板屈曲后强度,板件屈曲后的强度 当纵向压力达到临界力时，纵向板条屈曲 中部有位移 带动横向板条并产生拉力 牵制纵向变形的发展 提高了纵向承载力。 2. 宽厚比大的板，屈曲后强度的潜力越大。 这种现象称为薄膜效应。 3. 不能利用屈曲后的强度：动力荷载、塑性设计、 翼缘； 4. 利用屈曲后强度的梁，不设纵向