《建筑工程钢结构》.ppt

钢 结 构 翟爱良8241865，,钢结构课程的学习方法,本课程的特点是：大家对钢结构的感性认识少，结构构造复杂，理论性强（特别是稳定理论）,学习难度大； 受课时限制，不能过多的讲理论、讲公式产生、详解例题； 加强课前预习与课后复习; 认真听好课，要记好笔记； 多作习题与思考题，避免眼高手低。,第1章 绪论,3,第 1章 绪 论,第一节 我国钢结构的概况,1、古代钢结构 我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的原因致使现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比， 已有相当大的差距，最大的差距在于建筑钢结构。,铁链桥 兰津桥（西南地区） 四川泸定大渡河桥,第1章 绪论,4,2、现代钢结构,什么是钢结构？,钢结构是钢材（钢板和型钢）经过设计、加工，形成各种基本构件，如拉杆（有时还包括钢索）、压杆、梁、柱及桁架等，然后将这些基本构件按一定的方式通过焊接和螺栓等方式连接组成的工程结构形式。,五大结构形式之一：钢筋混凝土结构 砌体结构 木结构 钢结构 组合结构。,随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术的迅猛发展，各地建成了大量的高层钢结构建筑、轻钢结构、高耸结构、市政设施等。,钢结构的主要形式及应用,（1）桁架,平面桁架 空间桁架 (网架),（2）框架,（3）拱架,（4）索,（5）壳体,轻质高强,钢与混凝土、木材相比，虽然质量密度较大，但其屈服点强度较混凝土和木材要高得多，其质量密度与屈服点强度的比值相对较低。在承载力相同的条件下，钢结构与钢筋混凝土结构、木结构相比，构件较小，重量较轻，便于运输和安装。,第二节 钢结构的特点和应用范围,1、特点,钢和混凝土容重比：3.4 强度比：210136 所以重量轻。,钢材质地均匀，各向同性，弹性模量大，有良好的塑性和韧性，为理想的弹塑性体，完全符合目前所采用的计算方法和基本理论。,材质性能好 可靠性高,由于焊接结构可以做到完全密封，一些要求气密性和水密性好的高压容器及大型油库、气柜、管道等板壳结构都采用钢结构。,密封性好,钢结构因自重轻、质地均匀，具有较好的延性，因而抗震及抗动力荷载性能好。,抗震性能好,生产、安装工业化程度高，施工周期短。 钢结构生产具备成批大件生产和高度准确性的特点，可以采用工厂制作、工地安装的施工方法，所以其生产作业面多，可缩短施工周期，进而为降低造价、提高效益创造条件。,工业化程度高、工期短,耐热但不耐火,抗腐蚀性较差,造价稍高,抗腐蚀性较差,钢结构的最大缺点是易于锈蚀。新建造的钢结构一般都需仔细除锈、镀锌或刷涂料。以后隔一定时间又要重新刷涂料，维护费用较高。目前国内外正在发展不易锈蚀的耐候钢，可大量节省维护费用，但还未能广泛采用。,往往会影响业主选择，工程造价略有增加，但与基础、工期等因素综合考虑后，造价并不一定比混凝土结构真正地高。,温度在250以内，钢的性质变化很小； 温度达到300以上，强度逐渐下降； 达到450650时，强度降为零。 因此，钢结构可用于温度不高于250的场合。,2、应用范围, 重型厂房、受振动荷载作用的厂房结构, 大跨度建筑物 体育馆、展览馆、影剧院、会议中心、机库, 多层、高层和超高层建筑, 轻型钢结构,没有严格的定义。由冷弯薄壁型钢组成的结构；由热轧轻型型钢（工字钢、槽钢、 H型钢、L型钢、T型钢等）组成的结构；由焊接轻型型钢（工字钢、槽钢、 H型钢、L型钢、T型钢等）组成的结构；由圆管、方管、矩形管组成的结构；由薄钢板焊成的构件组成的结构。,塔桅结构 电视塔、天线、发射架、海洋平台,可拆卸和搬迁的结构 流动展览馆、舞台、施工时的临时房屋、温室大棚等,板壳结构 储油库、煤气库、高炉等各种容器, 大跨度桥梁, 特种结构,海洋平台、水工闸门、锅炉骨架、起重机、栈桥、管道支架井架,1.070,1.280,1.510,1.820,2.201,2.720,3.300,中国钢产量,第三节钢结构的发展方向,一、研制高强度、特种钢材 高强度Q420: 高强度,高韧性,焊接性能,加工性能,并有高超的耐磨损 和腐蚀性 耐候钢:耐候性是耐大气腐蚀性能,为普通钢材的28倍 耐火钢，600度时屈服点不低于2/3 Z向钢,抗层状撕裂能力强,二、推广应用新型钢材成品,（1）H型钢、T型钢 （2）彩（色）涂（层）钢板、热镀锌或镀铝锌钢板 （3）冷弯（薄壁）型钢,三、改进设计方法 建筑科学研究院PKPM（STS）、冶金部建筑研究总院PS2000等 四、新型结构体系的应用和发展 1、大跨空间结构网架和网壳结构，悬挂结构 2、钢-混凝土组合结构和混合结构 3、索膜结构：膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。 4、预应力钢结构,第四节 钢结构设计和设计规范,一、 钢结构设计内容 1、结构选型和结构布置； 2、确定选用的钢材牌号 ； 3、建立计算简图，确定其所受的各类荷载 ； 4、结构内力分析，确定各构件在最不利组合下的最大内力 ； 5、构件的截面设计； 6、构件相互间的连接设计； 7、绘制施工详图，编制材料表。,第四节 钢结构设计和设计规范,二、 钢结构设计规范 1、钢结构设计规范GB500l72003是我国进行房屋建筑和一般构筑物钢结构设计必须遵循的国家标准。 2、冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002 ； 3、钢结构工程施工及验收规范GB50205 ；,三、本课程基本内容 （1）钢结构的特点和应用范围。 （2）结构钢材的基本性能及影响性能的主要因素，钢 材牌号的正确选用。 （3）钢结构的设计原则。 （4）钢结构的连接方法及其计算。 （5）基本构件的截面形式、破坏特征、工作性能、构 造要求及计算方法等。 （6）构件间的连接构造及计算，包括柱头、柱脚、梁与梁的连接、梁与柱的连接等。 （7）钢屋架设计。 （8）钢结构疲劳计算、吊车梁设计等。,第5节 钢结构的设计方法,一、 结构设计的目的,在经济合理的前提下使所设计的结构满足各种预定的功能。 建筑结构的功能： 结构应能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用；在偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性。 在正常使用荷载情况下，结构具有良好的工作性能，满足正常的使用要求，例如不发生影响正常使用的过大变形等。 在正常维护下，结构应具有足够的耐久性能，如不发生严重的锈蚀而影响结构的使用寿命等。,二、结构的设计方法 容许应力应力法: 设计应力必须小于或等于容许应力，表达式为：,结构概率极限状态设计法： 承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态。 正常使用极限状态结构或构件达到正常使用的某项规定的限值时的极限状态。 (1)结构的极限状态 (2)结构的可靠度,功能函数Z=R-S的正态分布图,(3)可靠指标,表 正态分布随机函数的可靠 指标与失效概率pf的对应值,三、钢结构设计采用的方法,建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068）规定采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，要保证结构具有必要的可靠度，以一定的概率保证所设计的结构不超过极限状态。 实用设计表达式为,对于承载能力极限状态 （1）由可变荷载效应控制的组合 （2）由永久荷载效应控制的组合,对于承载能力极限状态 对于一般排架、框架结构，可采用简化规则，并应从下列组合值中取最不利值确定：,（2）由永久荷载效应控制的组合仍相同式采用。,（1）由可变荷载效应控制的组合,基本组合的荷载分项系数，应按下列规定采用： 永久荷载的分项系数 1）当其效应对结构不利时： 对由可变荷载效应控制的组合，取1.2； 对由永久荷载效应控制的组合，取1.35； 2）当其效应对结构有利时： 一般情况下取1.0； 对结构的倾覆、滑移和漂浮验算，取0.9。 可变荷载的分项系数 1）一般情况下取1.4； 2）对标准值大于4KN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3。,对于正常使用极限状态 根据不同的设计要求，采用荷载效应的标准组合、准永久组合，并按下列设计表达式进行设计： SC 正常使用极限状态的设计表达式与下式相同，但取结构重要性系数=1.0，各种荷载的分项系数等也一律取为1.0。,第2章 钢结构的材料,对钢结构用材的要求 钢材的主要性能 影响钢材性能的因素 钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加载 建筑钢材的类别及钢材的选用,主要内容：,重点：,对钢结构用材的要求 建筑钢材的类别及钢材的选用,2.1 对钢结构用材的要求,较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。 足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。 良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。 适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)使用环境,具有承受重复荷载作用的性能。 容易生产，价格便宜。 钢结构设计规范(GB500172002)推荐: 普通碳素结构钢Q235钢 低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420 符合上述要求的。,2.2 钢材的主要性能,图2.1 钢材的一次拉伸应力应变曲线,2.2.1 单向拉伸时的工作性能 条件：常温、静载条件下一次拉伸,1.比例极限P 这是应力-应变图中直线段的最大应力值。严格地说，比 P略高处还有弹性极限，但弹性极限与 P极其接近，所以通常略去弹性极限的点，把 P看做是弹性极限。 2.屈服点y 应变在P之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应力-应变间成曲线关系，一直到屈服点。 3.抗拉强度(极限强度)u 屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，但相对地说应变增加得快，呈现曲线关系直到最高点。,4.伸长率5和10 伸长率是断裂后试件的永久变形与原标定长度的百分比。 取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度，其相应的伸长率用5和10表示，伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。 屈服点、极限强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。 钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。,屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，其意义是： 1作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。可以认为应力达到y时为弹性变形的终点。同时，达到y 后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加，表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力，故此以y作为弹性计算时强度的标准。 2y之前，钢材近于理想弹性体， y之后，塑性应变范围很大而应力保持不增长，所以接近理想塑性体。因此，可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的应力-应变模型。 钢结构设计规范对塑性设计的规定，就以材料是理想弹塑性体的假设为依据，忽略了应变硬化的有利作用。,3.钢材的塑性为当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用伸长率和断面收缩率表示。通过静力拉伸试验得到。 伸长率根据试件原标距长度 l0与试件中间部分的直径d0 的比值为10或5而分为10或5，为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百分率。 式中 ： l1 为试件拉断后标距间长度。,断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率。 式中： A0 试件原来的断面面积； A1 试件拉断后颈缩区的断面面积； 结构或构件在受力时（尤其承受动力荷载时）材料塑性好坏往往决定了结构是否安全可靠，因此钢材塑性指标比强度指标更为重要。,图2.2 钢材的冷弯试验,2.2.2 冷弯性能,根据试样厚度，按规定的弯心直径将试样弯曲180度，其表面及侧面无裂纹或分层则为“冷弯试验合格”。 “冷弯试验合格”一方面同伸长率一样，表示材料塑性变形能力符合要求，另一方面表示钢材的冶金质量(颗粒结晶及非金属夹杂分布，甚至在一定程度上包括可焊性)符合要求，因此，冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。 重要结构中需要有良好的冷热加工工艺性能，应有冷弯试验合格保证,2.2.3 冲击韧性,韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度。是与抵抗冲击作用有关的性能。吸收较多能量才断裂的钢材，是韧性好的钢材。 钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量，等于应力-应变曲线下的面积。塑性好的钢材，其应力-应变曲线下的面积大，所以韧性值大。 实际工作中，而用冲击韧性衡量钢材抗冲击性能。因为实际结构中脆性断裂并不发生在单向受拉的地方，而总是发生在有缺口高峰应力的地方，在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。,AkV冲击功。,夏比V形 缺口，单位J,图 钢材的冲击试验,缺口韧性值受温度影响，温度低于某值时将急剧降低。设计处于不同环境温度的重要结构，尤其是受动载作用的结构时，要根据相应的环境温度对应提出冲击韧性的保证要求。,2.2.4 可焊性,可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格(无裂纹的)焊缝的性能。 钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.120.20范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。,2.3 影响钢材性能的因素,钢是含碳量小于2的铁碳合金，碳大于2时则为铸铁。 钢结构:碳素钢及低合金钢。 碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99，碳及杂质元素约占1。 低合金结构钢中，除上述元素外还加入合金元素，后者总量通常不超过3。碳及其他元素虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响。,2.3.1 化学成分的影响,碳（C） 碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢材强度的主要因素。随着含碳量的增加，钢材强度提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于0.2%。 锰（Mn） 锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为1.0%-1.7%。,硅（Si） 硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响。 但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。 钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti) 我国的低合金钢都含有这三种元素。钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。,铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni) 铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。 铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。 硫（S） 硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等。在高温时使钢材变脆，即热脆。 钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。,磷(P) 磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。 但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。 氧(O)、氮(N) 氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。 氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈。氮能使钢冷脆，与磷相似。,2.3.2 成材过程的影响,1冶炼 钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢及电炉炼钢。 电炉钢质量最佳，但耗电量很大，费用较贵； 平炉钢的冶炼工艺容易控制，钢产量高，质量均匀，用于各种重要的结构。 氧气转炉钢所含有害元素及夹杂物少，钢材的质量较好，且生产效率高、成本低。 在建筑钢结构中，主要使用氧气顶吹转炉钢的质量，由于生产技术的提高，已不低于平炉钢的质量。,2.3.2 成材过程的影响,2浇铸 把熔炼好的钢水浇入铸模做成钢锭。铸锭过程中因脱氧程度不同，最终成为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。 锰为弱脱氧剂，脱氧不完全，浇注后钢液中残留的氧化铁与钢液中的碳相互作用生成一氧化碳气体，从钢液中逸出时使钢液在钢锭模中产生“沸腾”，故名沸腾钢。 沸腾钢价格便宜。但组织不够细密，并有较多的氧化铁夹杂，化学成分不够均匀。这些缺陷可使钢的冲击韧性较低，抵抗冷脆性能差，抗疲劳性能也较镇静钢为差。,硅为强脱氧剂。脱氧充分，硅与氧化铁起作用时，产生较多热量。在钢锭模中的钢液冷却较慢，大部分气体可以析出。钢液在平静状态下凝固，故名镇静钢。 镇静钢的化学成分较均匀，晶粒细而均匀，组织密实，含气泡和有害氧化物等夹杂少，因而冲击韧性较高，特别是低温时的韧性大大高于沸腾钢，抗低温冷脆能力和抗疲劳性能都较强。,半镇静钢的脱氧程度介乎沸腾钢与镇静钢之间，钢材的质量比沸腾钢好，价格则较镇静钢便宜。 特殊镇静钢用硅脱氧后再用更强的脱氧剂铝补充脱氧。其冲击韧性持别是低温冲击韧性都较高。桥梁用16Mnq钢和15Mnvq钢属于特殊镇静钢而普通低合金钢则大多为镇静钢。,2.3.2 成材过程的影响,2.3.2 成材过程的影响,3轧制 钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合，因而改善了钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高。 但浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，所以分层是钢材(尤其是厚板)的一种缺陷。设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止层间撕裂。,4热处理 热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。 正火属于最简单的热处理：把钢材加热至850900 oC并保持一段时间后在空气中自然冷却即为正火； 回火是将钢材重新加热至650 oC并保温一段时间，然后在空气中自然冷却； 淬火也称调质处理。淬火是把钢材加热至900 oC以上，保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却。强度很高的钢材，包括高强度螺栓的材料都要经过调质处理。,2.3.3 影响钢材性能的其它因素,1.冷加工硬化(应变硬化) 在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等。减小了塑性和韧性性能，但强度有所提高。 普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度。重要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去。 用作冷弯薄壁型钢结构的冷弯型钢，是由钢板或钢带经冷轧成型的，薄壁型钢结构设计中允许利用因局部冷加工而提高的强度。,此外，还有性质类似的时效硬化。时效硬化指钢材仅随时间的增长而转脆，为不利因素。 所以有些重要结构要求对钢材进行人工时效。 时效过程可长达几年。但加热到2003000C，可使时效在几小时完成。然后测定其冲击韧性，以保证结构具有长期的抗脆性破坏能力。,2.温度的影响 钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能发生变化。相比之下，低温性能更重要。 正温范围：总趋势是随着温度升高，钢材强度降低，变形增大。约在200oC以内钢材性能没有很大变化，430-540oC之间则强度(fy与fu)急剧下降；到600oC时强度很低不能承担荷载。此外，250oC附近有兰脆现象，约260-320oC时有徐变现象。 兰脆现象指温度在250oC左右的区间内，fu有局部性提高，fy也有回升现象，同时塑性有所降低，材料有转脆倾向。 徐变现象指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现象。 设计时以规定150oC内为适宜，超过之后结构表面即需加设隔热保护层。,负温范围： fy与fu都增高，但塑性变形能力减小，材料转脆（冷脆），对冲击韧性不利影响也十分突出。 材料由韧性破坏转到脆性破坏时的温度叫该种钢材的转变温度。 在结构设计中要求避免完全脆性破坏，所以结构所处温度应大于脆性转变温度。,3.应力集中 当截面完整性遭到破坏，在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。 孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力。这是因为材料的某一点在x方向伸长的同时，在y方向(横向)将要收缩，当板厚较大时还将引起z方向收缩。,三向应力的应力状态，使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束，材料变脆。 当为数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。发生没有塑性变形的断裂，既脆性断裂。,4 .复杂应力状态下钢材的屈服条件,复杂应力状态下的屈服屈服条件（第四强度理论，折算应力）：,平面应力状态的屈服条件为： 平面纯剪切时的屈服条件为：,单向应力,3.4钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载,有屈服现象的钢材或者虽然没有明显屈服现象而能发生较大塑性变形的钢材，一般属于塑性材料。没有屈服现象或塑性变形能力很小的钢材，则属于脆性材料。 即使原来塑性表现极好的钢材，改变了工作条件，如在很低的温度之下受冲击作用，也完全可能呈现脆性破坏。所以，严格地说，不宜把钢材划分为塑性和脆性材料，而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。,3.4.1 延性破坏和非延性破坏,塑性破坏特征是： （1）破坏前有较大的塑性变形、有明显的颈缩现象，因而易及时发现，危险性小。 （2）构件断裂发生在应力到达钢材的抗拉强度时。 脆性破坏的特征是： （1）破坏前的变形很小，破坏系突然发生，事先无预兆，危险性大。 （2）破坏时的应力常小于钢材的屈服点fy。 （3）断口平直，呈有光泽的晶粒状。,钢材脆性断裂的机理: 钢材的断裂，来源于存在于钢材中的一些微小裂纹。在荷载作用下或在侵蚀性环境下，裂纹缓慢扩展，扩展到一定程度，钢材迅速突然断裂。,防止钢材脆性断裂的措施: 1）对低温地区的焊接结构要注意选用钢材的材质。 选用对冲击韧性有较高要求的镇静钢或特殊镇静钢； 对钢的成分特别是碳、琉、磷的含量要严格控制； 不应采用厚度大的钢材； 如果对钢材进行冷加工，应将有冷加工硬化部分的钢材刨去等。 2）对低温地区的焊接结构，设计时要注意焊缝的正确布置和施焊时注意焊缝的质量。布置不当可使残余应力增大，也可能在焊缝区产生三向同号应力而使该处材质变脆。焊接如不严格按焊接工艺进行，焊缝中易产生微裂纹。,3）力求避免应力集中。 4）结构在使用时应避免使其突然受力。,1疲劳断裂的概念 疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。 断口可能贯穿于母材，可能贯穿于连接焊缝，也可能贯穿于母材及焊缝。 出现疲劳断裂时，截面上的应力低于材料的抗拉强度，甚至低于屈服强度。 同时，疲劳破坏属于脆性破坏，塑性变形极小，因此是一种没有明显变形的突然破坏，危险性较大。,2.4.2 循环荷载的效应,应力循环特性：,完全对称循环( -1) 静荷载作用( +1),脉冲循环( 0) 一般应力循环(-1+1),为应力幅，表示应力变化的幅度。总为正值。,2 - n 曲线与疲劳寿命,图 - n 曲线,根据试验数据可以画出构件或连接的应力幅 与相应的致损循环次数 n 的关系曲线。 致损循环次数也叫做疲劳寿命。,3疲劳验算及容许应力幅 直接受到重复荷载作用的构件，如吊车梁、桥梁、输送栈桥和某些工作平台梁等以及它们的连接，当应力循环次数 n 105时应进行疲劳验算。 永久荷载所产生的应力为不变值，没有应力幅。应力幅只由重复作用的可变荷载产生，所以疲劳验算按可变荷载标准值进行。荷载计算中不乘以吊车动力系数，常幅疲劳按下式进行验算。,式中 为应力幅 max-min； 应力以拉为正，压为负； 常幅疲劳的容许应力幅。,2.5 建筑钢材的类别及钢材的选用,2.5.1 建筑钢材的类别,1 碳素结构钢 碳素结构钢的牌号（简称钢号）有 Q195 、Q235A 、 BF 、 C 及 D , Q275 。其中的 Q 是屈服强度中屈字汉语拼音的字首，后接的阿拉伯字表示以 N / mm2为单位屈服强度的大小。 A 、 B 、 C 或 D 等表示按质量级别符号（A差D好）。 最后还有一个表示脱氧方法的符号如 F ,Z或 b 。,2 低合金高强度结构钢 Q345 、 Q39O 和 Q420 是钢结构设计规范规定采用的钢种。 这三种钢都包括 A 、 B 、 C 、 D 、 E 五种质量等级，和碳素结构钢一样，不同质量等级是按对冲击韧性（夏比 V 型缺口试验）的要求区分的。 A 级无冲击功要求； B 级要求提供 20 冲击功 AKv 34J（纵向） ; C 级要求提供0 冲击功 AKV 34J（纵向） ; D 级要求提供一 20 冲击功 AKv34J（纵向） ; E 级要求提供一 40 冲击功 AKv 27J（纵向）。 低合金高强度结构钢的 A 、 B 级属于镇静钢， C 、 D 、 E 级属于特殊镇静钢。,3 高强钢丝和钢索材料 悬索结构和斜张拉结构的钢索、桅杆结构的钢丝绳等通常都采用由高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳。 高强钢丝是由优质碳素钢经过多次冷拔而成，分为光面钢丝和镀锌钢丝两种类型。 钢丝强度的主要指标是抗拉强度，其值在 1570-1700N / mm2范围内，而屈服强度通常不作要求。 高强钢丝的伸长率较小，最低为 4 % 。高强钢丝（和钢索）有一个不同于一般结构钢材的特点 松弛，即在保持长度不变的情况下所承拉力随时间延长而略有降低。,平行钢丝束由 7 根、 19 根、 37 根或 61 根钢丝组成，其截面见图示。钢丝束内各钢丝受力均匀，弹性模量接近一般受力钢材。 钢绞线亦称单股钢丝绳，由多根钢丝捻成。 钢丝绳多由 7 股钢绞线捻成，以一股钢绞线为核心，外层的 6 股钢绞线沿同一方向缠绕。,图 平行钢丝束的截面,图 钢丝绳的捻法及截面,钢 铰 线,钢 丝 绳,型钢及规格,2.5.2 钢材的选择,选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，同时用材经济合理。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素： 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、铆接或螺栓连接） ； 4.工作条件（温度及腐蚀介质）。 对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构，应选用质量较高的钢材。,规范对钢材材性的要求： 1）所有承重结构应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和 S、P含量的合格保证，对焊接结构还应有C含量的合格保 证。 2）焊接承重结构及重要的非焊接承重结构的钢材应具有 冷弯试验合格保证。 3）对直接承受动力作用的结构（需进行疲劳验算），不 论焊接或非焊接，应进行常温冲击韧性的保证。 4）大于50T的中级工作制吊车对冲击韧性的要求同3）。,Q235A 钢的保证项目中，碳含量、冷弯试验合格和冲击韧性值并未作为必要的保证条件，所以只宜用于不直接承受动力作用的结构中。当用于焊接结构时，其质量证明书中应注明碳含量不超过 0.2%。 当选用 Q235A 、 B 级钢时，还需要选定钢材的脱氧方法。,2.5.3 型钢的规格,钢结构构件一般宜直接选用型钢，这样可减少制造工作量，降低造价。型钢尺寸不够合适或构件很大时则用钢板制作。型钢有热轧及冷成型两种。 1 热轧钢板 热轧钢板分厚板及薄板两种，厚板的厚度为 4.5-60mm(广泛用来组成焊接构件和连接钢板)，薄板厚度为0.35-4mm(冷弯薄壁型钢的原料)。 在图纸中钢板用“-厚 x 宽 x 长（单位为毫米）”前面附加钢板横断面的方法表示，如：-12 x 800 x 2100等。,2 热轧型钢 角钢有等边和不等边两种。等边角钢，以边宽和厚度表示，如 L100 x 10为肢宽 100 mm 、厚 10mm 的等边角钢。不等边角钢，则以两边宽度和厚度表示，如 L100 x 80 x 10 等。 槽钢我国槽钢有两种尺寸系列，即热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。前者的表示法如 30a ，指槽钢外廓高度为 30cm 且腹板厚度为最薄的一种（a、b、c）； 后者的表示法例如 25Q ，表示外廓高度为 25cm , Q 是汉语拼音“轻”的拼音字首。,工字钢与槽钢相同，也分成两个尺寸系列：普通型和轻型。与槽钢一样，工字钢外轮廓高度的厘米数即为型号，普通型者当型号较大时腹板厚度分 a 、 b 及c三种。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。两种工字钢表示法如： I32c , I32Q 等。 H 型钢和剖分 T 型钢热轧 H 型钢分为三类：宽翼缘 H 型钢（ HW ）、中翼缘 H 型钢（ HM ）和窄翼缘 H 型钢（ HN ）。 H 型钢型号的表示方法是先用符号 HW 、 HM 和 HN 表示 H 型钢的类别，后面加“高度（毫米） x 宽度（毫米） ” , 例如HW300x300 ，即为截面高度为 300mm ，翼缘宽度为 300mm 的宽翼缘 H 型钢。 剖分 T 型钢系由对应的 H 型钢沿腹板中部对等剖分而成。其表示方法与 H 型钢类同。,3 冷弯薄壁型钢 是用 2-6mm 厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的（如图示）。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材，所用钢板厚度为 0.4-2mm ，用做轻型屋面等构件。,热轧型钢的型号及截面几何特性见书后附录6 。薄壁型钢的常用型号及截面几何特性见 冷弯薄壁型钢结构技术规范 GB 50018 一 2002 的附录。,角钢,槽钢,钢管,型钢及规格,工字钢,H型钢,型钢及规格,1钢材的抗剪强度设计值,与钢材抗拉强度设计值f的关系为（ ） A,B,C,D,2在三向应力状态下，钢材转入塑性状态的综合强度指标称为（ ） A设计应力 B计算应力 C容许应力 D折算应力 3钢材的标准应力-应变曲线是通过下列哪项试验得到的?（ ） A冷弯试验 B单向拉伸试验 C冲击韧性试验 D疲劳试验,4. 钢结构更适合于建造大跨结构，这是由于（ ）。 A.钢材具有良好的耐热性 B.钢材具有良好的焊接性 C.钢结构自重轻而承载力高 D.实际受力性能和力学计算结果最符合 5. 钢结构正常使用极限状态是指（ ）。 A.已达到五十年的使用年限 B.结构达到最大承载力产生破坏 C.结构和构件产生疲劳裂纹 D.结构变形已不能满足使用要求 6. 钢材的塑性性能受很多因素的影响，在下列结论中正确的是（ ）。 A.温度降低对钢材塑性性能影响不大 B.三向拉应力导致钢材塑性增加 C.加荷速度越快，钢材塑性越差 D.应力集中对塑性性能无显著影响 7. 钢结构发生脆性破坏是由于（ ）。 A.钢材是塑性较差的材料 B.钢材的强度较高 C.结构的构造不合理或工作条件差 D.材料的使用应力超过屈服点 8. 钢材的伸长率指标是通过下列哪项试验得到的？（ ）。 A.冷弯试验 B.冲击功试验 C.疲劳试验 D.单向拉伸试验,9.在下列各化学元素中，( )的存在可提高钢材的强度和抗锈蚀能力，但却会严重地降低钢材的塑性、韧性和可焊性，特别是在温度较低时促使钢材变脆(冷脆) A.硅 B.铝 C.硫 D.磷 10.根据钢材的一次拉伸试验，可得到如下四个力学性能指标，其中( )是钢结构的强度储备。 A.屈服点fy B.抗拉强度fu C.伸长率 D.弹性模量E,11型钢代号L1008中，L表示 。 12Q235BF钢中的F表示 。 13动力荷载作用下钢材抵抗脆性破坏的性能指标为 。 14部分T型钢是半个 型钢。,第3章 钢结构的连接,钢结构对连接的要求及连接方法 第一部分 焊接连接 对接焊缝的构造和计算 角焊接连接的特性和计算 焊接残余应力和焊接残余变形 第二部分 螺栓连接 普通螺栓 高强螺栓,主要内容：,钢结构对连接的要求和连接方法,连接的要求：足够的强度、刚度和延性 连接方法：钢结构的构件制作和整体安装都离不开零部件和构件之间的连接（connection）。钢结构主要的连接方法是焊接连接和螺栓连接，有时也使用铆钉连接。,图4-1 钢结构的连接方法,第一部分 焊接连接,概念: 在被连接金属件之间的缝隙区域，通过高温使被连接金属与填充金属熔融结合，冷却后形成牢固连接的工艺过程称为焊接连接（welded connection），填充金属带称为焊缝。 特点: 焊接连接不削弱构件截面，接头紧凑，可以采用自动化操作，是现代钢结构最主要的连接方法。 但是，由于焊缝附近高温作用而形成的热影响区，使钢材的金相组织和力学性能发生变化，材质变脆，一旦局部发生裂纹很容易扩展，尤其在低温下易发生脆断；另外，焊接过程中会产生焊接应力和焊接变形，对结构的工作性能往往有不利影响。,电弧焊、埋弧焊,3.1.1 常用焊接方法,图4-3 手工电弧焊,图4-4 自动埋弧焊,手工电弧焊的焊条应与焊件钢材相匹配，如：Q235-E43；Q345-E50；Q390-E55 埋弧焊的焊条应与焊件钢材相匹配，如：Q235-H08、H08A、H08MnA; Q345、Q390-H08A、H08E、H08Mn,气体保护焊： 气体保护焊简称气电焊，是利用惰性气体或二氧化碳气体作为保护介质，在电弧周围造成局部的保护层，使被熔化的钢材不与空气接触，因而电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，焊缝强度高，塑性好。 电阻焊： 电阻焊是利用电流通过焊 件接触点表面的电阻所产生的热量 来熔化金属，再通过压力使其焊合。 冷弯薄壁型钢的焊接常用这种接触 点焊(如图)。电阻焊适用于板叠厚 度不超过12mm的焊接。,电阻焊,(1)焊缝缺陷 焊缝的常见缺陷：,裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷（defect）。按裂纹产生的时间，可分为热裂纹和冷裂纹。,3.1.2 焊接连接的特性及焊缝连接,1 焊缝缺陷和焊缝质量检验,焊缝等级：钢结构工程施工质量验收规范分三级 三级焊缝：外观检查； 二级焊缝：在外观检查的基础上再做无损检验，用超声波检验每条焊缝的20长度，且不小于200mm； 一级焊缝：在外观检查的基础上用超声波检验每条焊缝全部长度，以便揭示焊缝内部缺陷。 强度折减：高空安装焊缝，强度设计值乘以0.9,（2） 焊缝质量检验 焊缝检验就是检验焊缝及焊接热影响区域的有无各种缺陷，并作出相应的处理，评价焊接质量、性能是否达到设计要求，确保焊缝安全可靠。,焊缝接头型式：平接、搭接、T形连接和角接,2 焊缝连接型式及焊缝型式,图4-7 焊缝连接型式,除上述主要形式外，有时还采用焊钉和槽焊。 即在板件上加工出圆孔或槽孔，在孔内进行部分或全部焊接。焊钉和槽焊用于搭接连接可以传递剪力，或用于组装件的连接。,焊缝型式：对接焊缝和角焊缝,图 焊缝型式,施焊位置：按施焊时焊工所持焊条与焊件间的相对位置关系，焊缝还分为：俯焊（平焊）、立焊、横焊和仰焊,焊缝施焊位置,焊缝代号用于钢结构施工图上对焊缝进行标注，标明焊缝形式、尺寸和辅助要求。常用焊缝代号和标注方法如下：,表 焊缝代号及标注方法,3 焊缝代号,当焊缝分布比较复杂或用上述注标方法不能表达清楚时，可在标注焊缝代号的同时，在图上加栅线表示焊缝。,3.1.3 对接焊缝的构造和计算,对接焊缝常做成带坡口的形式，故又称为坡口焊缝。常用的坡口形式有直边形、单边V形、V形、U形、K形和X形(如下图)。做坡口是为了便于施焊，保证焊接质量，应根据焊件的厚度选用不同的坡口形式。,1 对接焊缝的构造要求,对接焊缝坡口形式,当焊件厚度t6mm(手工焊)或t10mm(埋弧焊)时，可采用直边形焊缝；对于一般厚度（t820mm），可采用单边V或V形焊缝，斜坡口和间隙c形成一个焊条能够施焊的空间，使焊缝易于焊透；对于厚度t20mm，应采用施焊空间更大的U形、K形或X形焊缝。 当间隙c过大时，为防止熔化金属溢出，可采用垫板，施焊成型后，垫板可除去，也可保留。,对接焊缝加引弧板,对接焊缝的两端，常因不能熔透而出现凹形的焊口，焊口处常产生裂纹和应力集中。所以，对接焊缝施焊时应采用引弧板消除此影响；在一些特殊情况下无法采用引弧板时（如T形接头的对接焊缝），每条焊缝的计算长度（有效长度）焊缝长度2t(t为较薄焊件的厚度)。,在对接焊缝的拼接处，当两块焊件的宽度 或厚度相差4mm以上时，应分别把较宽或较厚一 侧的板件做成不大于1：2.5的斜边与窄或薄的焊件焊接，使截面缓和过渡以减小应力集中。,2 对接焊缝的强度计算 焊缝的强度计算，就是计算焊缝在各种受力情况下，是否满足强度条件，保证连接的可靠性。 （1）对接焊缝受轴心力作用,对接焊缝与轴力垂直时，焊缝截面的应力均匀分布，强度计算公式为：,式中 N 轴心拉力或压力； lw 焊缝的计算长度。未使用引弧板时， lw l2t，采用引弧板时 lwl;,l 焊缝的几何长度； t 被连接件的较小厚度，在T形连接中为腹板厚度; ftw、 fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值（查附表）。,对于焊缝质量等级为一、二级的对接焊缝，其强度与钢材强度相等。三级缝抗拉强度为焊件钢材的0.85，其它同焊件钢材，查表。 因此，如果连接中使用了引弧板，则钢材强度满足焊缝强度就满足，可不验算。否则，计算。 而焊缝质量为三级的焊缝，其强度低于钢材强度，必须按公式计算。,如果直焊缝的强度不满足，可使用斜对接焊缝（如图），使焊缝的长度增加，应力减小。若取焊缝与与作用力之间的夹角56.3o（tan 1.5），斜焊缝的强度不会低于钢材，可以不验算。,（2）对接焊缝受弯矩、剪力共同作用,图示用对接焊缝连接的工字形截面梁，焊缝受弯矩和剪力共同作用。截面上正应力、剪应力分布如图示，在上、下翼缘边有最大正应力，在腹板中部有最大剪应力，且都属于单向应力状态，可分别验算这两点的抗弯强度和抗剪强度：,另外，在翼缘与腹板相交处，同时受较大正应力和剪应力，且属于双向应力状态，该点的应力按折算应力计算。考虑到折算应力只是在局部出现，焊缝的强度设计值可提高10，故得计算公式如下：,式中 Iw焊缝计算截面的惯性矩； Sw计算剪应力处以外的焊缝计算截面对中和轴的面 积矩； Ww焊缝计算截面的抵抗矩； tw腹板厚度； fvw对接焊缝的抗剪强度设计值。,式中 1腹板与翼缘交接处由弯矩引起的正应力； 1腹板与翼缘交接处的剪应力；,（3）对接焊缝受轴心力、弯矩和剪力共同作用,将轴心力作用产生的正应力与弯矩产生的正应力叠加。此时，最大正应力在翼缘边，单向受力；其余部分均受正应力和剪应力作用，属双向应力状态，其中翼缘与腹板相交处正应力和剪应力都较大。需对上述两点进行强度验算，计算公式如下：,3.1.4 角焊缝的构造和计算 1 角焊缝的截面形式和受力性能,角焊缝截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝两类： 其中直角角焊缝的直角边边长hf称为焊脚尺寸； he称为焊缝的有效厚度，是计算角焊缝破坏面面积的参数之一 。,直角角焊缝及截面形式,斜角角焊缝及截面形式,角焊缝按受力情况还分为正面角焊缝和侧面角焊缝。 焊缝长度方向垂直于力作用方向的角焊缝称为正面角焊缝(也称端焊缝)； 平行于力作用方向的角焊缝称为侧面角焊缝（简称侧焊缝）。,侧面角焊缝在外力作用下主要承受剪应力，塑性较好，强度较低。在弹性阶段，应力沿焊缝长度方向分布不均匀，两端大而中间小，破坏的起点常在焊缝两端，破坏面约为450斜面，如图所示。,正面角焊缝的应力状态比侧面角焊缝复杂，截面上受正应力及剪应力作用，如图所示。 正面角焊缝的强度比侧面角焊缝高，但塑性较差，焊缝根角处应力集中突出，常在此处首先出现裂纹而破坏。 在直接承受动态荷载的结构中，正面角焊缝的截面常用平坦式，侧面角焊缝的截面常用凹面式。,2 角焊缝的构造要求,为了避免因焊脚尺寸过大而引起“烧穿”、“变脆”或过小引起收缩裂纹等缺陷，以及焊缝长度太长或太短而出现焊缝受力不均匀等现象，对角焊缝的焊脚尺寸、焊缝长度还有限制。在计算角焊缝连接时，除满足焊缝的强度条件外，还必须满足以下构造要求：,1）最小焊脚尺寸 手工焊 ： 埋弧自动焊： T型连接的单面角焊缝： 式中tmax较厚焊件的厚度。 当焊件厚度小于或等于4mm时，最小焊脚尺寸与焊件厚度相同。,2）最大焊脚尺寸 式中t较薄焊件的厚度。,当两块钢板厚度相差悬殊大，用等腰直角角焊缝无法满足最大、最小焊脚尺寸要求时,可用不等焊脚尺寸，按满足右图要求采用（其中t1t2）。,当角焊缝贴着焊件板边缘施焊时，为避免产生“咬边”现象，角焊缝的最大焊脚尺寸应符合图示要求： 圆孔或槽孔内角焊缝 的最大焊脚尺寸为圆孔 直径或槽孔短径的13。,3）最小计算长度,此规定适合正面角焊缝和侧面角焊缝。,计算长度：,4）最大计算长度 对侧面角焊缝 承受静力荷载或间接承受动力荷载时, 直接承受动力荷载时, 在满足受力和构造要求的前提下,从减小焊接热影响的角度来说,应尽可能采用焊脚尺寸小而长度较长的焊缝。,小结 设计时，焊缝需满足： 焊脚尺寸：,5）其他构造要求 当板件的端部仅有两侧角焊缝连接时，为避免应力传递的过分曲折而使构件中应力过分不均，应使每条侧面角焊缝长度不小于两侧面角焊缝之间的距离b。,同时，为了避免因焊缝横向收缩，引起板件拱曲，应使侧面角焊缝之间的距离b不宜大于16t(当t12mm)或190mm(当t12mm)，t为较薄焊件厚度。若不能满足上述规定时，应加正面角焊缝或焊钉。,当角焊缝的端部在构件转角处时，为避免起、灭弧缺陷发生在应力集中较大的转角处，宜连续地绕过转角加焊2hf。 在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，且不小于25mm，以减小焊缝收缩应力和偏心产生的转动对连接的影响,对次要构件且焊缝受力很小时，可采用间断角焊缝连接。间断角焊缝长度l必须大于10hf，且不小于50mm；间断角焊缝的间距e不宜太长，以免因间断过大，使连接不紧密。 对受压构件：间距e 15t 受拉构件：间距e30t t较薄焊件的厚度。,3.1.5 角焊缝的构造和计算,基本假定: 1)采用沿450方向的焊缝截面为计算时的破坏截面; 2)角焊缝抗拉、抗压和抗剪强度设计值取相同值 3）在通过焊缝形心的拉力、压力和剪力作用下，沿焊缝长度的应力是均匀分布的。 4)不计焊缝熔入焊件的深度和焊 缝表面的弧线高度，偏安全地取 破坏面上等腰三角形的高为直角 角焊缝的有效厚度he，取 he 0.7hf。有效厚度he与焊缝 计算长度lw的乘积称为破坏面的 有效截面面积。,(1) 角焊缝计算的基本公式,角焊缝计算简图,角焊缝的强度条件 ：,式中垂直于焊缝有效截面的正应力； 有效截面上垂直焊缝长度方向的剪应力； 有效截面上平行于焊缝长度方向的剪应力； ffw角焊缝的强度设计值，由角焊缝的抗剪试验和可靠度分析确定（附表1.2）。 相当于焊缝单向抗拉强度设计值。,将 、 、 代人上式整理得：,写为：,lw角焊缝的计算长度。考虑起、落弧的影响，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2hf,1）当Nz=0,f=0，只有轴心力Nx作用，焊缝为正面角焊缝，其计算公式为：,2）当Nx=0,f0，只有轴心力Nz作用，焊缝