钢结构设计原理第一,二章张建平.doc

本文由fancyfancying贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第一章 绪论 1.1 我国钢结构概况 1.古 代：铁链桥：大渡河桥 长100m,宽2.8m 最早的铁链桥是兰津桥 铁 塔：玉泉寺铁塔：1061年宋代建 现在湖北 高13层 17.5m 甘露寺铁塔：1078年建 现在江苏镇江 原为9层现存4层 高5m 2.解放前：上海体育馆：1934年建成 三铰拱 跨度42.6m 钱塘江大桥：1937年建成 3.解放后：桥梁：武汉长江大桥：1957年建成 长1155.5m 南京长江大桥：1968年建成 杨浦大桥、南浦大桥、南京长江二桥都是斜拉桥 九江长江大桥：铁路、公路两用 最大跨度216m 武汉长江大桥 武汉长江大桥是一座公路铁路两用桥，全长1670米，正桥部分 为1156术，两岸引桥共514米。上层公路路面宽达18米，可以 并行行使六辆汽车、两侧设有人行道，下层为双线铁路桥。 南京长江大桥 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。 上层的公路桥长4589米，车行道宽15米，可容4辆大型汽车 并行，两侧还各有2米多宽的人行道；下层的铁路桥长6772米， 宽14米，铺有双轨，两列火车可同时对开。其中江面上的正桥 长1577米，其余为引桥，公路引桥采用富有中国特色的双孔双 曲拱桥形式。公路正桥两边的栏杆上嵌着200幅铸铁浮雕，人 行道旁还有150对白玉兰花形的路灯，南北两端各有两座高70 米的桥头堡，堡内有电梯可通铁路桥、公路桥及桥头堡上的了 望台。堡前还各有一座高10余米的工农兵雕塑。 九江长江大桥 九江长江大桥 九江长江大桥 于1991年底建成，是京九（龙）铁路和合（肥） 九（江）铁路的“天堑通途”，为双层双线铁路、公路两用桥， 铁路桥长7675米，公路桥长4460米，其中江上正桥长1806米， 10个桥墩，11孔钢梁，不论长度和跨度为160米的普通钢桁梁外， 主航道为三孔刚性桁、柔性拱，桁高16m，跨度为 180m，中间一孔最大跨度达216m，最大矢高32m。采 用十五锰钡钒氮高强度低合金钢种制造，钢板最大厚 度为56mm，并用直径27mm的高强度螺栓铆接钢梁杆件。 目前九江大桥不仅是中国，而且是世界最长的铁路、 公路两用的钢桁梁大桥，既是我国南北交通的大动脉， 又是九江最引人注目的新旅游景点。 高 耸：上海东方明珠电视塔：球壳 广州电视塔：高205m 大庆电视塔：高260m 上海东方明珠电视塔 广州电视塔 高 层：深圳发展中心：1987年建成 高154m 赛格广场：1999年建成 京广中心：高208m 京城大厦：182.8m 美国西尔斯大厦：442m 帝王大厦：1996年建成 金贸大厦：420m 美国石油大厦：452m 上海浦东环球金融中心：95层 460m 383.9m 高353.8m 赛格广场 京广中心 帝王大厦 金贸大厦 1.2 钢结构的特点 一、特点 1、强度高、塑韧性好 强度： 2、重量轻 3、材质均匀，各向同性，比较符合力学计算的假定 4、制作简便，施工工期短 5、密闭性能好 6、耐腐蚀性差 7、耐热但不耐火 8、低温和其他条件下，可能发生脆断 N A 重量： r 1.3 钢结构的设计方法 正常施工可能出现的各种作用 一、功能要求 正常使用良好的工作性能 正常维护足够的耐久性能 偶然事件必须的稳定性 二、钢结构的计算方法 1.建国初，采用单一安全系数容许应力法 -容许应力 f k y = k 由标准荷载与构件截面公称尺寸所计算的应力 = fk f k材料的标准强度，钢材为屈服点 k大于1的安全系数，凭工程经验取 例如：Q235 f k = 2400 kg cm 2 f k 2400 = = 1600 kg cm 2 k 1.5 k = 1.5 = 2.1957年后，采用多系数极限状态设计法 超载系数 多系数 材料匀质系数 工作条件系数 3.1974年后，钢结构设计规范（TJ17-74）设计方法都是半概率法， 但设计表达式仍采用容许应力法的设计式 f yk k1k2 k3 = f yk k = k = k1k2 k3 f yk 钢材屈服点的标准值 k1 荷载系数 k2 材料系数 k3 调整系数 例如：Q235 K=1.41 2400 = 1700kg cm 2 = 1.41 4.1988年后，规范（GBJ17-88）采用近似概率极限状态设计法 （一）可靠性 结构在规定的时间内,在规定的条件下，完成预定功能的 能力。包括安全性、适用性、耐久性。 （1）.极限状态 承载能力极限状态 ： 强度 正常使用极限状态 ： 刚度 （2）.影响可靠度的因素： 作用荷载、材料性能、施工质量、计算方法 （二）用结构的功能函数来描述结构的工作性能，结构设计时 考虑影响可靠性的随机变量 可建立函数关系： 即为结构的功能函数。 x0 , x1 , x2 xn 稳定性 疲劳 ,则这n个随机变量间 Z = g ( x1 , x2 ,xn ) 为简化，以结构构件的荷载效应S和抗力R两个基本随变量来表达 结构的功能函数，则有： R?S 0 结构处于可靠状态 Z = g ( R, S ) = R ? S （三）设计表达式 R ? S = 0 结构达到极限状态 R ? S 0 结构处于失效状态 1.承载能力极限状态下设计式： n ? ? 可变荷载效应控制的组合： 0 ? G GK + Q1 Q1K + Qi ci QiK ? f i =2 ? ? n ? ? 0 ? G GK + Qi ci QiK ? f 永久荷载效应控制的组合： i =1 ? ? 0 结构重要性系数，取1.1，1.0，0.9 GK 永久荷载标准值在结构构件界面或连接中产生的应力 永久荷载分项系数 第i个可变荷载的组合值系数，可按荷载规范的规定采用 G ci f 结构构件或连接的设计强度 2.正常使用极限状态下设计式： v GK + v Q 1 K + i=2 n ci v QiK v vGK永久荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值 vQ1K起控制作用的第一个可变荷载的标准值在结构或结构构 件中产生的变形值 v 结构或结构构件的容许变形值 （四）钢结构的基本规定 1. 承重结构均应考虑承载能力和正常使用两种极限状态； 2. 结构设计时根据产生后果不同采用不同安全等级； 3.计算强度、稳定采用设计值，计算疲劳、变形采用标准值； 4. 根据受载不同考虑动力系数，某些构件考虑强度折减系数； 1.4 钢结构的应用和发展 一、钢结构的应用 1.大跨结构：钢产量2007年达4亿吨，位居首位 北京工人体育馆：94m悬索屋盖 鸟巢用钢4万吨,高40米 长春一汽高尔夫轿车总装车间：覆盖面积80000平 方米 上海大剧院 国家大剧院 2.重型厂房结构 3.高层、高耸结构：北京环境气象塔：桅杆结构325m 4.容器结构 5.可拆卸及轻型结构 二、钢结构的发展 1.研制高强度钢材：除Q235钢、Q345钢、Q390钢外，又增加了 Q420钢，但后者应用于钢结构尚有待进一步研究。钢的品种 也有所增加。 2.轧制新品种型钢 H型钢、T型钢 压型钢板 薄壁型钢 3.采用新型结构形式 网架、网壳、张拉整体、 悬索结构、超高层结构、组合结构 第二章 钢结构材料 2.1 钢结构对材料的要求 1.较高的抗拉强度 f u 和屈服点 f y ，y 是衡量结构承载能 f 力的指标， 是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力。 fu 2.较高的塑性和韧性。 3.良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和可焊性能)。 2.2 钢材的两种破坏形式 1. 塑性破坏：断口呈纤维状，色泽发暗 2.脆性破坏：断口平直并呈有光泽的晶粒状 2.3 钢材的主要性能 一、单向均匀拉伸时的机械性能 弹性阶段 OP 屈服阶段 PESC 强化阶段 CB 颈缩阶段 BD P点应力 f p为比例极限 E点的应力 f e称为弹性极限 S点的应力人称为屈服点 B点的应力人称为抗拉强度或极限强度 碳素结构钢材的应力应变曲线 理想的弹塑性体的应力应变曲线 二、塑性性能 试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数， 称为伸长率 ；伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性 应变 的能力。 l1 ? l 0 = 100 % l0 三、冲击韧性:钢材受冲击荷载后吸收能量的能力 拉力试验所表现的钢材性能，如强度和塑性，是静力性 能，而韧性试验则可获得钢材的一种动力性能。 k = Ak A 四、冷弯性能 冷弯性能由冷弯试验来确定(图24)。试验时按照 规定的弯心直径在试验机上用冲头加压，使试件弯成 180度，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。 图2.4 钢材冷弯试验示意图 2.4 各种因素对钢材主要性能的影响 一、化学成分 C Si S P 强度 塑、韧性 含量0.22% 强脱氧剂，定量可提高强度、塑韧性0.3% 高温热脆，降低塑韧性0.05% 低温冷脆，降低塑韧性0.045% 有害杂质 Mn 弱脱氧剂 0.8% O，N 二、冶金和轧制过程 1.冶炼方法 平炉 顶吹氧气转炉 侧吹空气转炉 电炉 2.脱氧程度 沸腾钢 镇定钢 3.轧制缺陷 偏析：化学成分不均匀 非金属夹杂：硫化物，氮化物 裂纹：降低冷弯、韧性、疲劳及抗脆断性能 分层：降低冷弯、引起锈蚀，产生层状撕裂 三、硬化 1.冷作(应变)硬化：冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材 产生很大塑性变形，提高了钢的屈服点，降低了钢的塑性和韧性。 2.时效硬化：高温时熔化于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐 渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氯化物，对纯铁体的塑性变 形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性下降。 3.应变时效：是冷作硬化后又加时效硬化。 四、温度 钢材性能随温度变动而变化。总的趋势是：温度升 高，钢材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材 强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆。 温度对钢材机械性能的影响 五、复杂应力的作用 六、应力集中 七、残余应力 八、重复荷载的作用 为防止脆性破坏发生，在设计、制造及使用中应注意： 1. 合理的设计 2. 正确的制适 术要求。 3. 正确的使用 构造应力求合理，使能均匀、连续 应严格遵守设计对制造所提出的技 地传递应力，避免构件截而剧烈变化。 2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件 复杂应力如平面或立体应力(图2.9)作用下，钢材 由弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论(或 第四强度理论)计算的折算应力与单向应力下的屈服点 相比较来判断： 2 2 2 2 red = x2 + y + z2 ? ( x y + y z + z x ) + 3( xy + yz + zx ) 图2.9 复杂应力 2 2 2 平面应力状态： red = x + y _ x y + 3 xy 一般梁中： red = 2 + 3 2 2 纯剪状态： red = 3 = 3 = f y 1 = f y = 0.58 f y 3 因此，钢结构设计规范确定钢材抗剪设计强度为抗拉设计强度 的0.58倍。 2.6 钢材的疲劳 一、概念 钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续重复荷裁作用下不断扩 展直至断裂的脆性破坏。钢材的疲劳强度取决于应力集中(或缺 口效应)和应力循环次数。 二、影响钢材疲劳强度的主要因素 1.应力集中 2.应力幅 ? ： = max ? min max为每次次应力循环中的最大拉应力(取正值)，min 为每次应力 循环中的最小拉应力(取正值)或压应力(取负值)。 应力循环形式： 图2.10 循环应力谱 3.应力比 4.应力循环次数n 三、疲劳计算 1.常幅疲劳 如果重复作用的荷载数值不随时间变化， 则在所有应力循环内的应力幅将保持常量，这谓之常 幅疲劳。 n 105 应进行疲劳计算 C ? ? ? = ? ? ?N ? 1 对焊接结构的焊接部位的常幅疲劳，应按下式计算： = max ? min 非焊接部位，应按下式计算： = max ? 0.7 min 2.吊车梁 f ? ? 210 6 ? 210 f 循环次数N 210 6 的容许应力幅 6 欠载效应的等效系数。对重级工作制硬钩吊车取1.0; 重级工作制软钩吊车取0.8；中级工作制吊车取0.5。 3.变幅疲劳 在实际上，结构(如厂房吊车梁)所受荷载，其值常小于计 算荷载即性质为变幅的，或称随机荷载。 变幅疲劳的应力谱： 变幅疲劳的应力谱 计算式： ? e ? ? n i (? i ) ? e = ? ? ni ? ? ? ? 1 e 等效应力幅 4.进行疲劳强度计算时，应注意： (1)按概率极限状态计算时，疲劳强度计算用容许应力 幅法，荷载应采用标准值，不考虑荷载分项系数和 动力系数，而且应力按弹性工作计算。 (2)根据应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应 力，只要应力幅超过容许值就会产生疲劳裂纹。但 由于裂纹形成的同时，残余应力自行释放，在完全 压应力(不出现拉应力)循环中，裂纹不会继续发 展，故规范规定此种情况可不予验算。 (3)根据试验，不同钢种的不同静力强度对焊接部位的 疲劳强度无显著影响。只是轧制钢材(因其残余应 力较小)和经焰切的钢材和经过加工的对接焊缝(因 其残余应力图加工而大为改善)，疲劳强度有随钢 材强度提高而稍有增加的趋势，但这些连接和主体 金后一般不在构件疲劳计算中起控制作用。故可认 为，疲劳容许应力幅与钢种无关。 2.7