钢结构设计原理 第一-第二章钢结构(原).ppt

钢结构,合肥工业大学出版社,第一章 绪论,1-1钢结构的发展状况 1-2钢结构的特点和应用 1-3钢结构的计算方法,主要内容,古代钢结构是由生铁结构逐步发展起来的，中国是最早用铁建造承重结构的国家，如著名的四川泸定大渡河铁索桥（建于康熙四十四年）；明代的云南沅江桥；清代的贵州盘江桥等等。古代金属结构中还有众多的铁塔，如江苏镇江甘露寺铁塔等。,1-1钢结构的发展状况,13根铁索和12164个扣环连结的中国四川泸定大渡河铁索桥,解放前- 虽然中国古代在金属结构方面有着辉煌历史和卓越 成就，但近百年来受帝国主义侵略，钢结构发展比较缓慢， 解放前我国的一些为数不多的钢结构，几乎全是外商承担设 计和施工的。,1927年_沈阳皇姑屯机车厂钢结构厂房 1928-1937年_广州中山纪念堂圆屋顶 1934-1937年_杭州钱塘江大桥,自己设计和施工：,桥梁方面：武汉长江大桥-1956， 南京长江大桥-1968。 工业建筑：鞍钢、武钢、包钢、宝钢等冶金联合企业的许多车间都采用了规模巨大的钢结构厂房。 民用建筑：数不胜数，体育馆、电视塔、高层建筑中的钢结构应用很多（北京、上海、深圳等城市）,解放后-我国钢结构的设计、制造、安装水平有了很大的提高。,钢材产量、品种规格：,1997年我国钢产量达到1亿吨，成为世界第一产钢国。 2004年达到2.728亿吨。 2007年达到4.9亿吨。 1998年开始生产h型钢，热轧h型钢从零开始到2002年 底达到100多万吨到2005年的317.3万吨 。 其他钢结构用的中厚板、型钢、钢管、冷弯型钢及涂镀 层钢板等都有明显增长，产品质量有较大提高。耐火、 耐候钢、超薄热轧h型钢等一批新型钢材研制成功并开 始在工程中应用。,目前每年建筑用钢材(钢筋)在一亿多吨。建筑钢结构用钢材 约占全部建筑钢材的8%，约占全部钢材的4%。钢结构迅速发 展表明，采用的钢材数量和品种将会迅速增加。,当时的桥梁结构一般采用比较简单的简支梁，而江汉一桥为三跨 连续梁，即一梁跨四墩，中间孔跨度达88米。另外，其正桥钢梁 为连续钣梁和拱式桁架的联合结构，当时在国内尚属创新,武汉长江大桥,图文：江汉一桥“钢筋铁骨”49年后重见天日,2005年03月09日，江汉一桥封闭大修进入第8天，正桥两 侧钢结构上的预制板拆除完毕，露出“钢筋铁骨”。这是 自1956年1月通车以来，江汉一桥正桥钢结构于49年后首 次重见天日。据介绍，未来两三周内，工人将更换破损的 部分金属构件，对钢结构表面进行除锈、防腐处理。,位于南京市西北面长江上，连通市区与浦口区，是一座我国自己 设计建造的双层双线公路、铁路两用桥，1968年12月29日竣工。 当时被誉为”钢铁巨龙”,南京长江大桥,上海金茂大厦主楼地面以上的总高度为420.5m，是20世纪末建造的世界上最高、最大的建筑之一。其主楼的结构采用了核心筒加外围复合巨型柱的方案，核心筒为现浇钢筋混凝土结构，8根复合巨型柱是由h型钢、钢筋以及高强混凝土复合而成，结构体系为框架-筒体结构体系。为钢-混凝土组合结构。,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。 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。,浙江大学新校区风雨操场，采用半开放式的膜结构，借鉴了闻名世界的悉尼歌剧院的扇形贝壳似外形，感觉非常现代，由浙江大学建筑设计研究院设计，上海立众公司施工安装。,膜结构简介,膜结构（membrane structures）是20世纪中期发展起来的 一种新型建筑结构形式，是由多种高强薄膜材料(如pvc)及加 强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的 预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定 的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构 和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断充气，使室内 外产生一定压力差（一般在10mm30mm水柱之间），室内外 的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力，从而实现较大的 跨度。张拉膜结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型，其造 型非常优美灵活。,2002年，上海的一家公司投资约人民币8000万从德国引进了全套 膜材生产线，2003年底已经安装完毕。,膜结构在我国也不乏工程实例，其中规模最大、最具影响力的膜 结构要数1997年竣工的上海八万人体育场看台罩棚张拉膜结构工 程。但该膜结构为美国weidlinger公司设计制作，由此也可以看出 我国在该领域与国外先进国家的差距很大。目前影响我国膜结构广 泛应用的主要因素有（1）国产膜材料性能差，目前国内的膜结构 所使用的膜材全部依赖进口，虽然国内的pvc涂层织物工厂较多， 但能够生产防火、防渗透、防紫外线、抗老化、具有自洁性、有足 够的抗拉强度、足够的撕裂强度pvc膜结构材料的厂家几乎没有， 而进口膜材料价格高；（2）尚无商业性的膜结构计算机辅助设计 系统；（3）人们对膜结构缺乏足够的认识等。,上海为迎接八运会于1997年建成的体育场其看台挑篷采用钢骨架支承的膜结构，其钢结构悬臂桁架跨度最大达73.5米，伞状膜结构的挑蓬覆盖面积达36100平米，是我国首次在大型建筑上采用膜结构；但所用膜材是美国weidlinger公司设计制作的，施工安装也由外国公司进行，价格较昂贵。,上海八万人体育场,深圳大梅沙海滨广场张拉膜 大梅沙海滨公园，该公园总面积为18万平方米。6组张拉膜似 片片白帆轻盈地点缀于金色的沙滩上。,大连影视模特艺术中心位于金石滩国家旅游度假区，于2001年 9月正式启用。中心占地万平方米，建筑面积万平 方米，为亚洲当时最大的拉膜式结构建筑。它采用了钢结构张拉膜的现代结构技术和新颖、活泼的外观造型设计。,清华综合体育馆，总建筑面积12600平方米，总观众席位5000个， 其中包括贵宾席、残疾人专用席和记者席，主体建筑由两根108米 跨度的变截面钢筋混凝土大拱悬吊珩架，铝镁合金屋面，造型新颖，体现体育馆建筑的精神和力量。,安庆综合体育馆，总建筑面积11660平方米，采用椭圆双曲 面螺栓球节点网架结构，镀锌聚酯彩钢弧形瓦屋面，造型新 颖，线条流畅，色彩艳丽。,芜湖长江大桥是国家“九五”期间重点交通项目，工程规模居中 国长江大桥之首。大桥采用低塔斜拉桥桥型，主跨米， 荣获2001年度中国建筑工程最高荣誉鲁班奖。,青岛广播电视塔，是 青岛广播电视局适应 新时代发展而兴建的 一座集广播电视发射 和旅游观光于一体的 多功能钢架结构电视 塔，由上海同济大学 设计。,总建筑面积10.08万平米，东西方向长242.8米，物檐最高处39米。屋面桁架设计呈巨龙腾飞的形态。钢结构用钢量1.8万吨，每平米用钢量188公斤,其中热轧h型钢用量4000多吨.是当时国内单体民用建筑钢结构用钢量最大的建筑.,湖南会展中心,上海花旗银行大厦，系美国花旗 集团在上海投资建造的第一家集 银行俱乐部、金融贸易、商务、 会议中心于一体的智能化甲级办 公大楼，位于上海浦东陆家嘴金 融贸易区， 主建筑高度180米，裙楼高度15米 ，共45层，其中地上42层，地下 3层。 建筑整体呈方形，采用框筒结构体 系设计，外围采用口字型钢筋混凝 土框架结构，配以全玻璃幕墙围护 铁骨柔情之美。,上海花旗银行大厦,侧面s正面o的特异造型结构是由许多不规则 菱形金属框架构成的。经过精密计算的框架结 构成为给建筑调节受力的工具，受力大的部位 ，将用较多的网纹构成很多小块菱形以分解受 力；受力小的部位就刚好相反，用较少的网纹 构成大块的菱形。 。,2008年北京奥运会主体育场中国国家体育场的设计方案由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计公司与中国建筑设计研究院联合设计，这个被称为“鸟巢”的方案，经过5个国家13名建筑大师和专家组成的评委会的认真评审和投票，最终以压倒多数票的结果中选。瑞士赫尔佐格和德梅隆公司曾获得建筑学界的诺贝尔奖普里兹克奖，是当今世界上最著名的建筑商之一。 “鸟巢”方案展现了一个新颖、独特、庞大的异型钢结构建筑物，该方案预计消耗8万吨各类钢材，最长的一条钢梁达300米，平均钢梁长度将在50至180米之间，巨型体育场的形象完美纯真，外观即结构，犹如树枝织成的鸟巢，其灰色矿质般的钢网以透明的膜材料覆盖，其中包含着一个土红色的碗状体育场看台。国家体育场在奥运会比赛时将容纳10万名观众，建成后将有望成为世界上最大的可开启屋顶的体育场。,从国家大剧院到“鸟巢”，再到央视新大楼，国外设计师屡屡以“怪异”的设计方案中标北京的重点工程项目，国内一些评论家、设计师提出了“北京将成为外国建筑师的试验场”的质疑。,轻型钢结构,容器和其他构筑物,陕西铜川天然气公司 1000立方米天然气球罐,大连西太平洋石化有限公司 1500立方米cf-62钢球罐,西班牙毕尔巴鄂市沃兰汀步行桥 桥的主体结构是一个高14.6m、由直径76cm的钢管弯成的拱，支 撑着宽4.75m、弯曲的桥面。桥面用玻璃板制成，由41片变截面工 字钢组成的镀锌钢支架，沿着玻璃桥面的外缘布置，上面是不锈 钢的栏杆。,英国千年穹顶,弯项直径320m，周圈大于1000m，有12根穿出屋面高达100m的桅 杆，屋盖采用圆球形的张力膜结构。膜面支承在72根幅射状的钢 索上，其截面为232，这些钢索则通过间距25m的斜拉吊索与 系索为桅杆所支撑，吊索与系索同时对桅杆起稳定作用。另外还 设有四圈索行架将钢索联成网状。,被美国有影响的经济、商业性刊物福布斯评为 世界十大最丑建筑耗资巨大但外形丑陋,悉尼国际射击中心,每一根25米长的屋面钢梁分为二段用 螺栓连接而成。钢梁端部悬挑8.5米， 不但能承受屋面恒载，也能抵抗任何 风吸荷载。,法国蓬皮杜艺术与文化中心包括图书馆、美术馆、工业美术中心等项内容。英国建筑师罗杰斯与意大利建筑师皮亚诺打破常规，将这座艺术与文化建筑做成化工厂房的模样。6层楼的钢结构、电梯、电缆、上下水管、通风管道都悬挂在立面上，并涂上大红大绿的色彩。,结构类型:钢管桁架+斜拉索 屋面:膜材（ptfe）,韩国汉城世界杯足球赛体育场,随着我国工农业、国防和科学技术现代化的发展，我国钢结构的应用前途会更加广阔，可以从以下几方面来看： 一、高效钢材的研制和应用 相对于普通钢材的统称，品种主要包括： 1、低合金钢材钢材中加少量合金元素，改善钢材性能 2、热强化钢材热处理钢材，强度、韧性提高 3、经济截面钢材包括h型钢、t型钢、压型钢板 4、镀层、涂层、复合等表面处理钢材镀锌钢板（金属镀层保护）、涂油漆（涂非金属保护层 ） 5、冷加工钢材冷拉、冷拔钢材，提高钢材强度 二、新型结构的采用 1、轻型钢结构圆钢、小角钢组成外，还有冷弯薄壁型钢和压型钢板组成的结构。 2、空间结构悬索结构、钢网架结构和膜结构等等。 3、预应力钢结构对结构中存在少量高强度钢材的构件施加预应力。 4、组合结构钢与混凝土组合共同受力，充分发挥各自长处。,工字刚与型钢的区别,1、工字型钢不论是普通型还是轻型的，由于截面尺寸均相对 较高、较窄，故对截面两个主袖的惯性矩相差较大，因此， 一般仅能直接用于在其腹板平面内受弯的构件或将其组成格 构式受力构件。对轴心受压构件或在垂直于腹板平面还有弯 曲的构件均不宜采用，这就使其在应用范围上有着很大的局限。,2、h型钢属于高效经济裁面型材(其它还有冷弯薄壁型钢、压型 钢板等)，由于截面形状合理，它们能使钢材更高地发挥效能， 提高承裁能力。不同于普通工字型的是h型钢的翼缘进行了加宽， 且内、外表面通常是平行的，这样可便于用高强度螺栓和其他构 件连接。其尺寸构成合理系列，型号齐全，便于设计选用,、我国目前轧制的h型钢最大高度为800mm，我国国标 热轧h型钢和部分t型钢(gb/t1l2631998)代替 gb/t11263-89将h型钢分为宽翼缘、中翼缘和窄翼缘三类， 其代号分别为hw、hm和hn。窄翼缘h型钢适用于梁或 压弯构件，宽、中翼缘h型钢适用于轴压或压弯构件，工 字钢与型钢相比，等重量前提下，w、 ix、 iy都不如h 型钢。,三、构件和结构计算的研究与改进,50年代初参照苏联1946年钢结构设计标准，编写的第一本钢结 构设计规范是钢结构设计规范试行草案（规结4-54），此规 范采用容许应力设计方法。,1974年编制的钢结构设计规范tj17-74采用的计算方法是 半概率、半经验的极限状态设计法； 1988年制定的钢结构设计规范gbj17-88采用的计算 方法是近似概率极限状态设计法，比原规范进步了很多；,现代计算技术和测试技术的发展，为深入了解构件和结构的实际性能提供了有利条件,新国家标准钢结构设计规范gb50017-2003已经取代gbj17-88，新的钢结构规范注重钢结构安全度，相关钢材用量将有所增加。同时新的规范对钢结构用材的性能等也有新 的要求。 新的钢结构设计规范gb50017-2003是由北京钢铁设计研究总院主编，组织国内有关部门的多名钢结构资深专家，历时四年研究制定的。由于钢结构安全度要求的提高，相应的钢材用量将增加。钢结构的钢材用量将在现有基础上增加10%左右。,其他的标准、规范和规程还有冷弯薄壁型钢钢结构技术范钢结构工程施工质量验收规范等等，近年来也在不 断改进和修订。,1-2钢结构特点和应用 钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的结构。 一、钢结构的特点 1、材料的强度高，塑性、韧性好。 强度方面钢材的设计强度比混凝土、木材、砖砌体的强度都要高。 q235-f=215n/mm(抗拉、压、弯）， 混凝土c60- fc=26.5n/mm( 轴心抗压强度）， 混凝土c80-fc=35.9n/mm,所以钢结构特别适用承受很大荷载的结构，但是强度高往往 也带来不利的一方面，由于做成的构件截面小，受压时不容易 满足稳定要求，易失稳，要满足稳定要求，就需扩大截面，这 样，强度就不能充分发挥。,四、制造水平的提高 也为钢结构的发展和应用提供了广阔的前景。,在钢结构中，稳定问题显得特别突出，有压力的地方就有稳定问题需要解决。 对于同样截面的钢结构拉、压杆来说，压杆的承载力低于拉杆的承载力，这就是由压杆的失稳造成的。 压杆由稳定承载力控制 拉杆由强度承载力控制,轴压构件,强度=n/anf 稳定=n/af 刚度 ,轴拉构件,强度=n/anf 刚度 ,塑性方面塑性：钢材的塑性是指应力达到屈服点后，能够产生显著的塑性变形而不立即断裂的性质。结构用钢材的塑性比较好，这样可以保证结构在正常情况下不会因突然超载而发生脆性破坏，因为塑性好，能使结构在破坏前有一定的塑性变形，这样可以及时发现破坏前的征兆，加以防止。 韧性方面韧性：是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力。结构用钢材的韧性也较好，这样，结构对动力荷载的适应性就特别强。 2、材质均匀，和力学计算的假定符合 钢材的内部组织均匀，非常接近于各向同性体，且在一定的应力范围内，属于理想的弹塑性工作（力与变形符合虎克定律），所以钢结构最符合材料力学中的基本假定学过材力，我们知道，材力中，有这样的规定：对于可变形固体材料做成的构件进行强度、刚度、稳定计算是，作出如下两点假定（1）连续性假定,（2）均匀性假定，材力中所得出的计算公式、结论都是以上述两个假定为前提的，越符合两个假定，计算就越精确，结论就越正确。 3、钢结构的重量轻 钢材的容重比木材、混凝土都要大，但由于钢材的强度较混凝土、木材高的多，容强比较低，做成的构件尺寸小，重量轻，运输、安装、拆迁方便。 4、钢结构制造、安装简单，施工周期短。 5、钢结构具有一定的耐热性，但不耐火。 6、钢结构耐腐蚀性差，容易锈蚀。,在钢结构建筑中，存在两大问题：钢的腐蚀和火灾时钢构件的软化。在自然气候下，钢材受蚀减薄5年可达0.1-1mm以上，时间长或在特殊及人为的恶劣环境下，减薄更为严重。采用涂装可以减缓腐蚀，但费用较高。如桥梁涂装费10年内可为钢结构费用的2.5倍。钢材的防腐蚀处理成本高，且不易维护，这给钢结构的推广应用带来了一定的制约。 当钢的温度达到350摄氏度及其以上时，钢的屈服强度下降至规定的室温屈服强度的2/3或更低，低于钢结构要求的屈服强度，为使钢构件的温度在火灾期间不超过350摄氏度，钢构件必须喷涂防火材料。但是喷涂防火材料的作业对工人的健康有着极大的损害且非常费时，此外，建筑的有效空间也因防火包覆而减少。因此，钢结构对减少防火包覆的要求越来越强烈。,耐火耐候钢简介,二、钢结构的应用范围,1、大跨度结构,2、重型工业厂房,3、受动力荷载影响的结构,4、可拆卸的结构,5、高耸结构和高层建筑,6、容器和其他构筑物,7、轻型钢结构,8、钢-混凝土组合结构,1-3钢结构的计算方法 一、概述几个概念 1、结构的功能及可靠度 结构的功能：安全性、适用性、耐久性，统称为结构的可靠性。 可靠度：结构的可靠性是以可靠度来衡量，可靠度是指结构在规定的时间内、在规定的条件下完成预定功能的概率。结构可靠度是对结构可靠性的概率度量。 这也是建筑结构可靠度设计统一标准gb50068-2001规定的计算方法-概率极限状态设计法的核心所在，此方法采用了结构可靠度理论，摆脱了传统的定值设计方法-容许应力设计法。,结构设计应满足预定的功能要求（在规定的时间内、正常的条件下）,安全性、适用性、耐久性 （结构的可靠性）,外来作用,本身具有的承载力,荷载效应、温度、基础沉降,材料强度、截面尺寸,具有不确定性,概率极限状态设计法,可靠度理论,概率极限状态设计法是将影响结构安全的各种参数作为随机变量，用概率理论和数理统计方法分析，采用可靠度理论求出结构在使用期间满足预定功能、不超过所规定的极限状态的概率。,2 结构的极限状态 定义：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态为该功能的极限状态。 （1）承载能力极限状态为结构或构件达到最大承载力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态。 它包括倾覆、强度破坏、疲劳破坏、丧失稳定、结构变为机动体系、或出现过度的塑性变形等。 （2）正常使用极限状态为结构或构件达到正常使用的某项限值时的极限状态。 它包括影响正常使用的变形、局部损坏（包括裂缝）、振动、其他特定状态。,二、概率极限状态设计法 1、结构的极限状态方程 结构工作性能可以用功能函数来描述 z=g(x1，x2xixn) xi影响结构或构件可靠性的各物理量，且都是独立 的随机变量 。 例：材料抗力、截面几何尺寸参数以及各种作用产生 的效应（内力）。 将各种因素 概括为两个综合的随机变量 r-结构或构件 的抗力 s-各种荷载效应 则功能函数变为：z=g(r,s)=r-s z也为一随机变量 显然，在实际工程中，可能出现三种情况：,z=r-s0 结构可靠 z=r-s=0 极限状态 z=r-s0 结构失效 所以，结构的极限状态也就是结构由可靠转变为失效的临界状态。 结构的极限状态方程可表达为；z=g(r,s)=r-s=0 2、结构的失效概率 结构在规定的时间内，在规定的条件下完成预定功能的概率，称为结构的可靠度，这里所说的完成预定功能就是对于规定的某种功能来说结构不失效，z0。 若以ps-表示结构的可靠度，则有： ps=pz 0 而结构处于失效状态的概率 z0的概率称为失效概率，以pf表示，则：pf=pz0 ps=1-pf,因此，结构可靠度的计算可以转化为结构失效概率的计算，用概率论的观点来看结构设计是否可靠，就是说结构可靠度是否足够大或其失效概率是否足够小小到人们可以接受的程度。 绝对可靠的结构ps=1即失效概率pf=0的结构是没有的 pf的计算引用前述结构功能函数：z=g(r,s)=r-s 设fr（r）抗力r的概率密度函数 fs（s）荷载效应s的概率密度函数 f（r，s)r和s的联合概率密度函数 则： f（r，s)= fr（r）. fs（s） 其失效概率pf=pz0=pr-s0 =,3、可靠指标的确定 设在结构功能函数z=r-s中，r和s为两个正态分布的随机变量，z,r,s的平均值为z， r， s，其标准差分别为 z， r， s 则由概率统计，根据平均值及标准差的性质 z= r -s 因为随机变量的标准差0，所以： 此时令 则,因为,所以与pf之间存在着一一对应关系 这说明完全可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标 如何求呢？,b 可靠指标 reliability index, b =3.7时，pf=1.110-4，按建筑物使用年限50年考虑，年失效概率为1.110-4/50=2.210-6 50年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌也不一定造成人员伤亡。 我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其目标可靠指标取b =3.2，对脆性破坏取b =3.7。 对于重要的工程结构，应提高可靠指标。,我国现行建筑结构目标可靠指标,4、设计表达式 现行钢结构设计规范除疲劳计算外，采用以概率理论 为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式 进行计算。,承载能力极限状态计算公式：（荷载效应的基本组合）,对于一般排架、框架结构，可采用简化公式,并从组合值中取最不利值确定。见教材p12公式(1-14) (1-13),可变荷载效应控制的组合：教材p12公式(1-12),永久荷载效应控制的组合：教材p12公式(1-13),正常使用极限状态计算公式：教材p13公式(1-17),第一章复习 要点：,基本要求 掌握钢结构的特点，正确理解钢结构的合理应用范围，了解近 似概率极限状态设计方法的概念，理解规范采用的基本设计表 达式。,重点 1、钢结构的特点和应用范围； 2、钢结构的计算方法,难点 钢结构的计算方法,单元测试 （1）名词解释 结构的极限状态及分类 结构的基本功能要求 结构的可靠性及可靠度 失效概率 荷载的标准值与设计值,（2）简答题 1、钢结构的合理应用范围是什么？各发挥了钢结构的那些特点？ 2、结构的可靠性与结构的安全性有何区别？,第二章钢结构的材料 主要内容,2-1建筑钢材的基本要求 2-2建筑钢材的主要性能 2-3影响钢材性能的主要因素 2-4复杂应力下钢材的屈服条件 2-5钢种、钢号、钢材的选用及钢材的规格,本章内容主要根据对建筑钢材的基本要求，讲述建筑钢主要机械性能以及影响钢材机械性能的各种因素，并介绍我国目前生产的建筑钢材常用品种及规格，目的是使同学们在设计时能合理选择和使用钢材，在施工中能按照设计要求严格进行钢材的验收管理，并按正确的方法进行加工和制造。 2-1建筑钢材的基本要求 1、较高的强度-fy,fu较高 2、足够的变形能力-良好的塑、韧性 3、良好的加工性能-冷、热加工及可焊性能好 另外，在低温下、高温下及腐蚀性环境中，要求钢材具有相当的适应能力,根据以上要求，我国钢结构设计规范gb50017-2003推荐承重结构钢材宜采用q235、 q345 、 q390、 q420钢,一、钢材的两种破坏形式-塑性破坏和脆性破坏,钢材是理想的弹塑性材料，塑性性能比较好，但在有些情 况下也存在脆性，或由塑性转化为脆性。钢材有两种可能的 破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。,前者应符合国家标准碳素结构钢gb/t700的规定，后 三者应符合低合金高强度结构钢gb/t1590的要求，其 中q420钢是新推荐的。,2-2建筑钢材的主要性能,1、塑性破坏（延性破坏）： 1）现象：从钢材静力拉伸试验可以看出，构件应力大于屈 服点后，构件产生很大的变形和明显的“颈缩”现象并断 裂，塑性破坏断口为杯形，呈纤维状，色泽发暗。,2）特点：破坏前有明显的变形，有预兆，故可预防和避免， 且塑性变形后出现的应力重分布现象可使构件应力趋于均匀 ，可提高构件的承载力。,2、脆性破坏： 1）现象：在破坏前无明显变形，平均应力也小（一般小于屈服点），脆性破坏断口平直，呈有光泽的晶粒状。,2）特点：破坏是突然发生的，无任何预兆，后果严重。,3、防止钢材脆性断裂的措施：,由于脆性破坏无预兆，破坏是突然发生的，故工程上经常采取一些措施加以防止。,1）减少裂纹 a）通过焊接工艺来保证。b）防止裂缝冷却受阻。,2）应力 a）避免产生同号应力。 b）避免突变。 c）避免焊缝交叉或焊缝过于集中。 d）避免过分约束。,3）选择合理材料 为防止脆性裂断，应使钢材具有一定的韧性。测量韧性，大 多数采用冲击韧性试验，即要求钢材具有一定的冲击韧性。 根据冲击韧性的不同对钢材进行分类，分为a、b、c、d四 级，详细分级以后再讲。另外钢材还有低温冷脆现象，在低 温时冲击韧性大大降低，故在选材时应注意温度的影响。,4）改进结构形式 a）采用超静定结构。b）采用多层板。,二、单向均匀应力作用下的静力工作性能 单向拉伸试验：,弹性阶段,弹塑性阶段,屈服阶段,强化阶段,破坏阶段,（一）强度指标 比例极限fp-弹性阶段和塑性阶段分界点处的应力 屈服强度fy- 屈服阶段最低点处的应力 抗拉强度fu-也称极限强度，曲线最高点处的应力,碳素结构钢材的应力-应变曲线,弹塑性阶段,强化阶段,为了简化计算，通常假定屈服点之前材料为完全弹性的， 屈服点之后变为一塑性材料（如图所示）。因此钢结构 在按弹性设计时，以屈服点 作为强度计算的依据，并据 以确定钢材的强度设计值；在按塑性设计时，则有意识 地利用材料的塑性性质获得节约钢材的效果。,抗拉强度 fu是钢材破坏前能够承受的最大应力。钢材达到 fu 时，已产生很大塑性变形而失去使用性能，但fu 高则可以增加 结构的安全保障，故屈强比fy/fu 的值可看作钢材强度储备系数。,由应力应变图得到的几个结论：,1、在设计时取屈服点为钢材可以达到的最大应力，且作为 钢材静力强度的标准值。,2、钢材为理想的弹塑性体 钢材在屈服以前接近于理想弹性体，在屈服后接近于理想 塑性体。,3、塑性变形大 钢材破坏前的塑性变形差不多等于弹性变形的200倍，产生 破坏时容易发现和补救，不致引起严重后果。,4、安全储备大 屈强比的比值为衡量钢材强度储备的一个系数。,（二）塑性指标 塑性：钢材的塑性是指钢材受力时，在应力达到fy以后，能产生显著的塑性变形，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。 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。,韧性：是指钢材在塑性变性和断裂过程中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力。,钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功来表示 式中： ak冲击韧性值； ak冲击功； an试件缺口处的净截面积。,三、冲击荷载下的韧性指标-韧性试验得到,钢结构设计规范对钢材的冲击韧性ak有常温和负温要 求的规定。选用钢材时，根据结构的使用情况和要求 提出相应温度的冲击韧性指标要求。,四、1800冷弯性能-冷弯试验得到（定性指标） 冷弯性能：是指钢材常温下承受弯曲变形的能力，同时也能反映钢材质量。是一个综合指标。,冷弯试验见图2.4(p11),钢材的可焊性是指在一定工艺和结构条件下，钢材经过焊接 能够获得良好的焊接接头的性能。 可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。 施工上的可焊性指对产生裂纹的敏感性，使用性能上的可焊 指焊接构件在焊接后的力学性能是否低于母材。,五、钢材的可焊性,耐久性需要考虑的有：耐腐蚀性、“时效”现象、疲劳 现象等。 时效：随着时间的增长，钢材的力学性能有所改变。 疲劳：多次反复荷载作用下，钢材低于屈服点fy 发生 的破坏,六、钢材的耐久性,2-3影响钢材性能的主要因素,一、组织构造-主要针对低碳钢而言 纯铁体：已结晶形式存在，占99%，性质为强度低，塑、韧性好。 渗碳体：以fe3c的化合物形式出现，较硬脆，在钢材中一般不存在单独的渗碳体，它与纯铁体混合而成珠光体。 珠光体：前两者的混合物，性质为强度高，塑、韧性差。,二、影响钢材性能的主要因素 1、化学成分的影响 碳c:是除铁以外的最主要元素，c元素含量提高，钢材强度提高，塑、韧性下降，可焊性和抗腐蚀性能恶化。 规范推荐的建筑用钢材含碳量,一般结构0.22% 焊接结构 0.20%,si含量0.1-0.3% mn含量0.3-0.8%,si含量0.1-0.55% mn含量1.0-1.6%,硅si、锰mn：作为脱氧剂加入钢材中，是有益的元素， 适量si、mn使钢材的强度提高，但对钢材塑、韧性影 响不大。,碳素结构钢,低合金结构钢,磷p、硫s：有害的元素，使钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度降低。s元素使钢材产生“热脆”现象，p元素使钢材产生“冷脆”现象。 在钢材中含量,s0.045% p0.045%,时效硬化-随时间的增长钢材变脆 应变硬化-由于冷加工使钢材产生塑性变性而引起 钢材变脆的现象,2、冶金和轧制过程的影响 冶金缺陷：偏析、非金属夹杂、裂纹、分层等,这些缺 陷将直接影响钢材的性能，其中辊扎次数对强度的影响见教科书p3221.1。 3、钢材的硬化影响 硬化,其它元素的影响见教科书p20,两种硬化的结果都使钢材的强度提高，塑、韧性下降。 4、温度的影响 温度升高，强度下降，塑、韧性提高。（但当t=2500左右时，强度提高，塑、韧性下降-“兰脆”现象） 温度下降，强度提高，塑、韧性下降，特别是冲击韧性随温度变化较大-“低温冷脆”现象。 5、应力集中的影响 应力集中现象：实际的钢结构中，不可避免地存在着孔洞、槽口、凹角、厚度或形状改变，这时，在钢结构中的应力不再能保持均匀分布，某些点上产生局部高峰应力，另外点上相应应力降低，即形成所谓的应力集中。见书p23图2-8。,应力集中区常常形成同号应力场，甚至是三向同号应力场， 使钢材强度提高，塑、韧性下降，容易发生脆性破坏。,6、重复荷载的影响 在直接的连续反复荷载作用下，钢材强度下降。具体见教科书,三、对影响钢材性能的各种因素而采取的设计对策 化学成分和冶金缺陷-通过选择合适的材料来解决。 钢材硬化的影响-设计时采取下列措施： 普通钢结构不利用由于材料硬化所提高的强度。 除去由于冷加工因起的材料硬化部位（刨削或扩钻掉）。 温度影响-通过提出设计条件来解决。当温度t1500c时，应采取隔热措施，如：加挡板、加外包层或在构件周围设循环水套。对于处于低温承受动载的结构，应根据使用温度要求提出对冲击韧性值的要求，如要求-200c甚至-400c时的冲击韧性指标。 应力集中影响-应力集中是造成构件脆性破坏的主要原因之一，设计时，应采取构造措施，如避免截面突然变化来减少应力集中。,钢材屈服条件,单向受力构件：=fy 复杂应力构件：red=fy,red折算应力,则,red fy 塑性阶段,折算应力 可由材力能量强度理论或第四强度理论得到如下：,2-4 复杂应力下钢材的屈服条件,一般三向应力有一向较小，可以忽略,呈平面应力状态。则上述公式简化为：,而在普通的受弯构件-梁中，只存在和，则有：,纯剪时，则有：,所以规范依此为依据，取钢材的抗剪设计强度为抗拉设计强度 0.58倍，直接确定fv而不需再做材料的剪切试验。,2-5钢种、钢号、钢材的选用及钢材的规格,一、钢种、钢号,建筑钢结构所用钢材可分为,碳素结构钢 低合金结构 优质碳素结构钢,1、,1、碳素结构钢 国家标准（gb/t700-88)中，规定碳素结构钢的钢号表示方法是由四部分按顺序组成：,如：q235-a-f; q235-b,(1)钢材质量等级不同,其化学成分、脱氧方法和冲击韧性要 求也就不同对后两者的不同要求见下表：,不同质量级别的q235钢的不同要求,（）钢材质量级别不同，只要是q235钢，其由拉伸试验得 来的三个力学性能指标抗拉强度、伸长率和屈服点都相同。 但这三个指标中的屈服强度和伸长率随着钢材厚度分级降低， 抗拉强度则不随厚度变化。,（3）钢材的供应基本上要求同时保证力学性能和化学成分。 冶炼方法采用氧气转炉、平炉或电炉。除非需有特殊要求并 在合同中注明，冶炼方法一般有供方自行确定。（规范规定： 承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、 磷含量的合格保证,对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。),（4）a级钢除保证力学性能外，其含碳量和含锰量不作为 交货条件。a级钢的冷弯试验在需方有要求时才进行。,2、低合金结构钢 国家标准（gb/t1591-94)规定，不用钢的的品种表示钢的牌号，采用与碳素结构钢相同的表示方法。,新旧低合金高强度结钢,钢标准牌号对照表,其质等量级除有a、b、c、d外，另增加e类钢。主要是要求-400的冲击韧性保证。低合金钢一般为镇静钢，因此不注明脱氧方法。,3、优质碳素结构钢 如用于高强螺栓的45号钢,二、钢材的选用,选择目的：安全可靠，经济合理。,选择因素： 结构的重要性-建筑物安全等级不同，要求钢材质量不同。 荷载情况-承受动载的钢材质量要求比静载要高。 连接方法-焊接结构钢材的质量要求比非焊接结构要高。 结构所处的环境和温度-低温、有害介质下钢材质量要求高。,1）薄板：厚:0.354mm， 宽:5001800mm，长:0.46m,2）厚板：厚:4.560mm， 宽:7003000mm，长:412m,3）特厚板：厚:60mm， 宽:6003800mm，长:49m,4）扁钢：厚:460mm， 宽:12200mm，长:39m,图纸中钢板规格采用“宽厚长”或“宽厚”表示 例： 5001010000表示钢板宽500mm, 厚10mm，长10m。,三、建筑钢材的规格,1、钢板,2、热轧型钢,角钢 等肢和不等肢 工字钢 普通、轻型 槽钢 普通、轻型 h型钢 t型钢 钢管 无缝钢管、焊接钢管,2-6钢材的疲劳（自学）,思考题：,疲劳产生的原因？ 何谓常幅疲劳？何谓变幅疲劳？ 常幅疲劳和变幅疲劳的计算方法？ 疲劳计算方法与概率极限状态设计方法有何不同？,疲劳：钢材在连续反复荷载作用下，虽然应力还低于极 限强度，甚至应力还低于屈服点，而发生的断裂。 钢材在疲劳破坏之前，并不出现明显的变形和局部收 缩，它和脆性破坏一样，是一种突然发生的断裂。 钢材的疲劳过程可分为裂纹的形成，裂纹缓慢扩展和 最后迅速断裂三个阶段。 疲劳强度与反复荷载引起的应力种类（拉应力、压应 力、剪应力和复杂应力等）、应力循环形式、应力循环 次数、应力集中程度和残余应力等有关。,一、钢材的疲劳和疲劳强度,2-6钢材的疲劳,对钢结构进行疲劳计算时有如下规定： 1）承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接， 当应力变化循环次数n等于或大于105次时，应进行疲劳 计算； 2）在应力循环中不出现拉应力的部位，可不计算 疲劳； 3）计算疲劳时，应采用荷载的标准值； 4）对于直接承受动力荷载的结构，计算疲劳时，动 力荷载标准值不应乘以动力系数； 5）计算吊车梁或吊车桁架及其制动结构的疲劳时， 吊车荷载应按作用在跨间内起重量最大的一台吊车确定。,二、疲劳计算方法,1、常幅疲劳,当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。,常幅疲劳的验算公式为：,式中 ： 对焊接部位称为应力幅，其值为 ， 对非焊接部位称为折算应力幅，其值为 ， 每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）， 每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应 力取正值，压应力取负值）； 容许应力幅（ n/mm2），按构件和连接的类别及应力循 环次数n由下式确定：,式中参数c和 根据构件和连接的类别按下表采用,参数c 、 ,对我国规范推荐的q235、q345、q390三种钢材，c和 与钢号无关。,疲劳计算的构件和连接分类见相关知识，其中给出了19种 不同情况的构件或连接，分属于1到8的八个类别。类别数 字愈大，则其疲劳性能愈差。,2、变幅疲劳,当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。若能预 测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布 所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲 劳折合为等效常幅疲劳，按下式计算：,式中: 为变幅疲劳的等效应力幅，按下式计算：,以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； 预期寿命内应力幅水平达到 的应力循环次数。 对于没有设计应力谱的变幅疲劳钢结构可作为常幅疲劳 计算，计算时循环次数 n 应根据构件使用中满负荷的程 度予以折减。,3、吊车辆及吊车桁架疲劳计算,重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架（桁架式 吊车梁）的疲劳可按下式计算：,式中： 为所验算部位的应力幅或折算应力幅； 为欠载效应的等效系数； 为循环次数 次的容许应力幅。,吊车梁和吊车桁架欠