7钢结构基本知识

第七章 钢结构基本知识 国家体育场 国家体育场建 筑体形上像鸟 巢。可容纳 8万 人。平面为椭 圆形 ,长轴 340m短轴 292m。屋盖中 间有一个 146m76m的 开口，这部分 将设计成开合 屋盖。采用加 肋薄壁箱形截 面 ，总用钢量 达 16万 t 。 天津奥林匹克体育场俯瞰效果图 “绿色奥运 ”、 “科技奥运 ”、 “人文奥运 ” 建筑底面面积为 80,000m2，屋顶面积 76,719m2，地上层数 6层，最 高点高度 53.00m，可容纳观众数 60,000。 屋顶结构采用钢桁架悬挑结构 。屋面桁架落地，形似露珠 。 国家大剧院 位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近 12公顷，总 建筑面积近 15万平方米，总投资 26.88亿元，目前已进行过网壳部分设计与 施工验收审查会议。 该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴 212.2m ，南北短轴 143.64m，总高度 46.285。内设歌剧院（ 2416席）、音乐厅（ 2017席）及戏剧院（ 1040席）及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网 壳外环绕人工湖（ 35500m2） ,各种通道及入口均设在水下 。 设计为法国巴 黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计 ，整体结 构用钢量达 6750t， 195kg/m。 一、钢结构的连接方法 构件由型钢、钢板等通过连接构成 构件通过安装连接构成整个结构 安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便、节约钢材 连接方法分为焊接连接、铆钉连接、螺栓连接等 第一节第一节 钢结构的连接钢结构的连接 钢结构的连接方法（ a）焊缝连接（ b）铆钉连接； （ c）螺栓连接（ d）紧固件连接 3-1 钢结构的连接钢结构的连接 （一）焊接方法（一）焊接方法 目前应用最多的是手工电弧焊和自动 (或半自动 )埋弧焊，还 有气体保护焊等 1. 手工电弧焊手工电弧焊 最常用的一种焊接方法。通电后，在涂有药皮的焊条和焊 件间产生电弧。 a） 电 路； b）施 焊过 程； 1 电焊 机； 2 导线 ； 3 焊 件； 4 电 弧； 5 药 皮； 6 起保 护 作用的气体； 7 熔渣； 8 焊缝 金属； 9 主体金属； 10 焊丝 ； 11 熔池 二、焊缝连接二、焊缝连接 优点 ：设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接 ，特别适于焊接短焊缝。 缺点 ：生产效率低，劳动强度大，焊接质量与焊工的技术水 平和精神状态有很大的关系。 对 Q235钢采用 E43型焊条 对 Q345钢采用 E50型 对 Q390钢和 Q420钢采用 E55型 E代表焊条 E后面的两个数字如 43表示焊条钢丝抗拉强度为： 43kgf mm2(420N mm2)。 数字后的两个 ，表示焊条药皮类型、适用的施焊位置 以及适用的焊接电源 埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的电弧焊方法 焊丝送进和焊接方向的移动有专门机构控制的 称埋弧自动电弧焊 焊丝送进有专门机构控制，焊接方向移动靠工人操作的 称为埋弧半自动电弧焊 自动或半自动化操作，焊接工艺稳定，焊缝化学成分均 匀，焊缝质量好，焊件变形小。 2. 埋弧焊（自动或半自动）埋弧焊（自动或半自动） 不同强度钢材焊接，采用与较低强度钢材适应焊接材料 用与较低强度钢材相适应焊条施焊，焊缝塑性性能与冲 击韧性好。 埋弧自动电弧焊 1 焊丝转盘； 2 转动焊丝的电动机； 3 焊剂漏斗； 4 电源； 5 熔化的焊剂； 6 焊缝金属； 7 焊件； 8 焊剂； 9 移动方向 现场用自动行走埋弧焊机焊接重型 H型钢 3. 气体保护焊气体保护焊 气体保护焊采用裸焊丝用从焊枪中喷出的气体保护施焊过程 中的电弧、熔池和高温焊缝金属，用保护气体代替了焊剂 二氧化碳作为保护气体，称为二氧化碳保护焊 二氧化碳保护焊的焊接效率高，金属熔化深度大，焊缝质量好 ，是一种良好的焊接方法， 施焊时周围的风速要小，以免气体被吹散。 4. 电阻焊电阻焊 电阻焊利用电流通过焊件接触点表面电阻所产生的热来熔化金 属，再通过加压使其焊合。 适用于板叠厚度不大于 12mm的焊接。对冷弯薄壁型钢构件，电 阻焊可用来缀合壁厚不超过 3.5mm的构件。 c)焊缝沿长度方向的布置分为连续角焊缝和间断角焊缝 连续角焊缝和间断角焊缝 d)焊缝按施焊位置分为平焊、横焊、立焊及仰焊 （二）（二） 焊缝焊缝 形式形式 a) 对 接 焊缝 ：正 对 接 焊缝 、斜 对 接 焊缝 。 b) 角 焊缝 ： 正面角 焊缝 、 侧 面角 焊缝 、斜 焊缝 。 施焊时焊缝在焊件之 间的相对空间位置、焊缝 连接可分为 平焊、横焊、 立焊和仰焊 等。 平焊有时称作俯焊， 施焊方便，质量易保证； 仰焊困难。设计和制 造时应尽量考虑使多数焊 缝能在平焊或较方便的位 置焊接避免仰焊。 （三）焊缝形式（三）焊缝形式 1. 焊缝连接形式焊缝连接形式 分为对接、搭接、 T型连接和角部连 接 对接连接 主要用于厚度相同或接近相同的两构件相互连接。采 用对接焊缝的对接连接，由于相互连接的两构件在同 一平面内，因而传力均匀平缓，没有明显的应力集中，且用 料经济，但是焊件边缘需要加工，被连接两板的间隙和坡口 尺寸有严格的要求。 a)对接接头； (b)搭接接头；（ c） T形接头； (d)角接接头。 双层盖板和角焊缝对接连接，传力不均匀、费料，但施工简 便，连接两板间隙无需严格控制。 角焊缝的搭接连接，适用不同厚度构件连接。传力不均匀， 材料较费，但构造简单，施工方便。 T型连接省工省料，用于制作组合截面。当采用角焊缝连接 时，焊件间存在缝隙，截面突变，应力集中现象严重，疲劳强度 较低，可用于不直接承受动力荷载结构连接。 对于直接承受动荷载的结构？ 三三 . 螺栓连接螺栓连接 螺栓连接分 普通螺栓连接 和 高强度螺栓连接 1. 普通螺栓连接普通螺栓连接 分为 A、 B、 C三级。 A级与 B级为精制螺栓， C级为粗制螺栓 C级螺栓材料性能等级为 4.6级或 4.8级 A级和 B级螺栓材料性能等级则为 5.6级或 8.8级 8.8级其抗拉强度不小于 800N/mm2， 屈强比为 0.8 C级螺栓由未经加工的圆钢压制而成 螺栓孔的直径比螺栓杆的直径大 1.53mm A、 B级螺栓由毛坯在车床上经过切削加工精制而成 2. 高强度螺栓连接高强度螺栓连接 45号钢， 40B钢和 20MnTiB钢加工制作 经热处理后，螺栓抗拉强度应分别不低于 800N/mm2和 1000N/mm2 屈强比分别为 0.8和 0.9 等级分别称为 8.8级和 10.9级 大六角头型和扭剪型 安装时通过特别的板手，以较大的扭矩上紧螺帽，使螺杆产生 很大的预拉力 使接触面间产生摩擦力，传递外力 这种连接 称为高强度螺栓摩擦型连接 优点：施工方便，对构件削弱小，可拆换，承受动力荷载，耐 疲劳，韧性和塑性好 高强度螺栓也可同普通螺栓一样，允许接触面滑移，依靠螺栓 杆和螺栓孔之间的承压来传力。这种连接称为 高强度螺栓承压型连 接。 摩擦型连接的栓孔直径比螺杆的公称直径 d大 1.52.0mm； 承压 型连接的栓孔直径比螺杆的公称直径 d大 1.01.5mm。 3.焊缝代号、螺栓图例焊缝代号、螺栓图例 焊缝符号表示法 规定：焊缝代号由引出线、图形符号和辅助 符号三部分组成。 螺栓图例 焊缝代号 当焊缝分布比较复杂或用上述标注方法不能表达清楚时，在 标注焊缝代号的同时，可在图形上加栅线表示。 第二节 钢结构构件 一、轴心受力构件 轴心受力构件承受通过构件截面形心轴线的轴向力作 用的构件 轴向力为拉力时，称为轴心受拉构件，简称轴心拉杆 轴向力为压力时，称为轴心受压构件，简称轴心压杆 （一）轴心受力构件的特点（一）轴心受力构件的特点 轴心受力构件的设计准则轴心受力构件的设计准则 应同时满足 第一极限状态（强度和稳定） 第二极限状态（变形）这两种极限状态的要求。 对前者通过计算实现，对后者通过限制长细比来保证。 1构件应用构件应用 屋架、托架、塔架、网架和网壳等体系以及支撑系统中。 支承屋盖、楼盖或工作平台的竖向受压构件通常称为柱， 包括轴心受压柱。 2柱组成柱组成 柱头、柱身和柱脚三部分， 柱头支承上部结构并将其荷载传给柱身， 柱脚则把荷载由柱身传给基础。 （二）轴心受压柱的构造（二）轴心受压柱的构造 柱的顶部与梁连接部分称为柱头，其作用是将梁上部结 构的荷载传到柱身，梁与柱为铰接连接。分为柱顶和柱侧连 接。 1、柱顶支承 梁置于柱项板上， 按梁的支承方式有下列两种 突缘支座 平板支座 1）柱头 实腹柱 格构柱 侧向连接通常是在柱的侧向焊以承托，以支承梁的支座反力， 将突缘支座梁的突缘刨平，置于承托上，承托可以用厚钢板或厚角 钢，承托厚度比突缘支承肋厚 510mm。粱端支承加劲肋，可用 c级螺 栓与柱翼相连。螺栓按构造要求布置。 2侧向连接 承托 刨平顶紧 承托 刨平 顶紧 柱下端与基础相连的部分称为柱脚。柱脚的作用将柱身 的力传到基础，将柱固定于基础。 柱脚应有一定的刚度，使柱身压力均匀地传到基础。基 底应力不应大于混凝土强度设计值。 设计柱脚时应做到传力明确、可靠，构造简单，节约用 材，施工方便，并符合计算简图。 轴心受压栓脚按铰接设计。实际上就是由底板，靴梁和 锚栓构成的。容许有微小的转动。 轴心受压构件柱脚型式与构造 2）柱脚 b1 b0 L a1 c c t t B b0/2 (a) (b) (c) (d) 图 8.6.1 铰接柱脚 铰接柱脚 3.按截面组成形式按截面组成形式 实腹式 实腹式 格构式格构式 冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢 1）实腹式有三种截面形式： 第一种是热轧型钢截面，如圆钢、圆管、方管、角钢、工字钢 、 T型钢、宽翼缘 H型钢和槽钢等； 第二种是冷弯型钢截面，如卷边和不卷边的角钢或槽钢与方管 ； 第三种是型钢或钢板连接而成的组合截面。 实腹轴心受压柱，弯曲失稳时柱中剪力很小， 故翼缘与腹板的连接焊缝，可按构造要求选用 hf 4 8mm。 当实腹轴压柱的腹板高厚比较大时 (h0/tw 80时 )，应采用横向加劲肋，其间距不得大于 3h0，这可 提高腹板的局部稳定性，通常在腹板两侧成对配置 。加劲肋尺寸应满足外伸宽度 bsh0 / tw 40mm，厚 度 tsbs/15mm。 如果柱截面高度较大，高厚比要求的腹板又 过厚，显然是不经济的。这时有两种方法处理 一种方法是设置纵向加劲肋，以加强腹板， 减小其截面计算高度。纵向加劲肋宜在腹板两侧 成对布置。其尺寸要求；外伸宽度 bs10twmm， 厚度 ts0.75tw mm； 另一种方法是，认为腹板中间局部屈曲，退出工作，在计 算强度时，仅考虑腹板高度边缘范围内两侧各 的部分为有效面积如图。在计算构件整体稳 定系数时，仍用全部面积。 此外，为了保证构件截面几何形状不变 ，提高构件抗扭刚度，对大型实腹式构件在 受有较大横向力作用处和每个运送单元的两 端，还应设置横隔板，其间距不得大于截面 最大宽度的 9倍或 8m。 2）格构式构件 (1) 一般由两个或多个分肢用缀件联系组成 两肢、三肢、四肢 采用较多的是两分肢格构式构件。 (2) 分肢腹板的主轴叫做实轴， 通过分肢缀件的主轴叫做虚轴。 分肢通常采用轧制槽钢或工字钢，承受荷载较大时可采用焊接工 字形或槽形组合截面 。 (3) 缀件有缀条或缀板两种， a)缀条用斜杆组成或斜杆与横杆共同组成，缀条常采用单角钢 ，与分肢翼缘组成桁架体系，使承受横向剪力时有较大的刚度 。 b)缀板常采用钢板，与分肢翼缘组成刚架体系。 在构件产生绕虚轴弯曲而承受横向剪力时，刚度比缀条格 构式构件略低。 二、受弯构件 承受横向荷载和弯矩的构件叫受弯构件或梁 1. 按荷 载 作用： 在一个主平面内受弯，称 为单 向受弯构件 在两个主平面内同 时 受弯，称 为 双向受弯构件 2. 按功能分：楼盖梁、平台梁、 檩 条、吊 车 梁等 3. 按制作方法：型 钢 梁（薄壁型 钢 ）、 组 合梁、蜂 窝 梁 4. 按支承条件： 实 腹式、桁架 型钢梁加工简单 ，造价较廉，但截面 尺寸受规格的限制。 当荷载和跨度较大致 使型钢截面不能满足 要求时，则采用组合 粱。 型钢梁 现场焊接设备基础箱型钢梁 在原有大楼增设轻钢结构 (a)双轴对称焊接板粱； (b)加强受压翼缘的焊接板梁； (c)双层翼缘板焊接板梁； (d) 高强度螺接连接的工字形板梁； (e) 焊接箱形板梁 蜂窝梁 钢与混凝土组合梁 工字形焊接钢梁横向加劲肋 纵向加劲肋短加劲肋 （一）梁的整体稳定（一）梁的整体稳定 增大梁平面内刚度，做成高而窄的钢梁，承受较大的荷载，平 面内刚度较大的梁，一般会产生强度破坏。但对于平面内、外刚度 差较大的梁 (EIxEIy)在平面内竖向荷载作用下，梁会产生平面内 弯曲变形，当弯矩增大到某一临界值时，梁会突然产生侧向弯曲和 扭转，使粱未达到屈服强度而失去承载力的现象。 1. 梁的失稳梁的失稳 使梁达到丧失整体稳定的最大荷载和最大弯矩，分别称为梁的 临界荷载和临界弯矩 Mcr。 3. 临界应力临界应力 2. 临界弯矩临界弯矩 Mcr （二）压弯构件的局部稳定 如果组成构件的板件过薄，薄板可能会先于构件整体失稳，与轴 心受压构件和受弯构件相同，即限制翼缘和腹板的宽厚比及高厚 比。 受力情况与 受弯构件基 本相同 第三 节 钢 屋盖 钢屋盖结构主要由屋面、屋架和支撑三部 分组成，有的还设有托架和天窗架等构件。 (1) 屋面 ,主要由各种屋面板材组成，平铺于屋 架上，承受外荷载。 (2) 屋架，主要由各种钢构件组合连接而成。 (3) 支撑：根据支撑设置的部位和所起的作用不 同，支撑分为上弦横向支撑、下弦水平支撑、 垂直支撑和系杆四种。 装配式钢筋混凝土单层厂房结构 (4) 托架和天窗架 屋架的跨度和 间 距取决于柱网布置，而 柱网布置 则 根据建筑物工 艺 要求和 经济 合理 等各方面因素而定。 天窗的形式有 纵 向天窗、横向天窗和井 式天窗等三种，一般常采用 纵 向天窗。 纵 向天窗 则 需 单 独 设 置天窗架，常 见 的几种天窗架形式。 天窗架的形式 一、 钢 屋架 二、 钢 屋架支撑 (1) 上弦横向支撑 (2) 下弦横向水平支撑 (3) 下弦纵向水平支撑 (4) 垂直 (竖向 )支撑 (5) 系杆 无檩屋盖支撑布置示例 (a) 上弦横向水平支撑布置； (b) 下弦横向与纵向水平支撑布置； (c) 天窗架上弦横向水平支撑； (d) 屋架支座与跨中垂直支撑 ;(e) 天窗架侧竖杆垂直支撑 三、 钢 屋架的 节 点 设计 屋架各杆件的形心 线 与屋架的几何 轴线 重合，并会 交于 节 点中心，使 实际 受力与 计 算 简图 相一致，减少 附加偏心弯矩。 为节 省 节 点板材料，杆件要尽量 紧 凑，但考 虑 下 料和 焊缝质 量，上腹杆与弦杆之 间 以及腹杆与腹杆之 间 的 间 隙不宜小于 20mm。 考 虑焊缝质 量， 节 点板一般 应 伸出弦杆肢背