钢结构概述与钢结构的材料

第三篇钢结构 第1章概述第2章钢结构的材料第3章构件的截面承载能力 强度第4章单个构件的承载能力 稳定性第5章钢结构的连接和节点构造 优点建筑钢材强度高 塑性韧性好强度高 大跨 高层 高负荷结构塑性好 防止脆性破坏 应力重分配韧性好 承受动力荷载 抗震性能好材质均匀 性能好 结构可靠性高钢材接近于各向同性的理想弹 塑性体 实际受力同工程力学计算理论比较符合 因此钢结构的可靠性高 1 1 1钢结构的特点 1 1钢结构的特点和应用 第1章概述 钢结构施工简便 工期短 易于改造和加固钢材可加工性能好 工业化机械化程度高 构件轻 连接简单 安装方便钢结构的重量轻 质强比小材料的质量密度 与强度f的比值 质强比 小建筑钢材质强比 1 7 3 7 104木材质强比 5 4 104钢筋混凝土质强比 18 104 几种类型结构比较 缺点耐腐蚀性差使用环境 钢材极易锈蚀 需注意保护 特殊环境下不易使用钢结构耐火性差耐热性较好 200 以下钢材性质变化很小 高于200 后钢材强度下降很快 600 时钢材进入塑性状态 强度几乎降为零丧失承载力 需采取隔热防火措施钢材价格相对较高 工业厂房吊车起重量较大或者其工作较繁重的车间的主要承重骨架多采用钢结构 结构形式多为由钢屋架和阶形柱组成的门式刚架或排架 也有采用网架做屋盖的结构形式 随着压型钢板等轻型屋面材料的采用 轻钢结构工业厂房得到了迅速的发展 其结构形式主要为实腹式变截面门式刚架受动力荷载影响的结构由于钢材具有良好的韧性 设有较大锻锤或产生动力作用的其他设备的厂房 即使屋架跨度不大 也往往由钢制成 对于抗震能力要求高的结构 采用钢结构也是比较适宜的 1 1 2钢结构的应用范围 高耸结构高耸结构包括塔架和桅杆结构 如高压输电线路的塔架 广播 通信和电视发射用的塔架和桅杆 火箭 卫星 发射塔架等可拆卸的结构钢结构不仅重量轻 还可以用螺栓或其他便于拆装的手段来连接 因此非常适用于需要搬迁的结构容器和其他特种结构冶金 石油 化工企业中大量采用钢板做成的容器结构 包括油罐 煤气罐 高炉 热风炉等 此外 经常使用的还有皮带通廊栈桥 管道支架 锅炉支架等其他钢构筑物 海上采油平台也大都采用钢结构 组合结构 钢构件和板件受压时必须满足稳定性要求 往往不能充分发挥它的强度高的作用 而混凝土则最宜于受压不适于受拉 将钢材和混凝土并用 使两种材料都充分发挥它的长处 是一种很合理的结构主要构件形式有钢与混凝土组合梁和钢管混凝土柱等 常用钢 混凝土组合截面 大跨结构结构跨度越大 自重在荷载中所占的比例就越大 减轻结构的自重会带来明显的经济效益 钢材强度高结构重量轻的优势正好适合于大跨结构 因此钢结构在大跨空间结构和大跨桥梁结构中得到了广泛的应用 所采用的结构形式有空间桁架 网架 网壳 悬索 包括斜拉体系 张弦梁 实腹或格构式拱架和框架等 南通体育会展中心 开合结构 网架体系 北京奥运会主会场 鸟巢 门式钢架组合体系 南京火车站 南京火车站 多高层建筑钢结构的综合效益指标优良 在多 高层民用建筑中也得到了广泛的应用 其结构形式主要有多层框架 框架 支撑结构 框筒 悬挂 巨型框架等 香港汇丰银行 框支悬挂体系 轻钢结构当屋面活荷载特别轻时 小跨结构的自重也成为一个重要因素 冷弯薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可比钢筋混凝土屋架的用钢量还少 轻钢结构的结构形式有实腹变截面门式刚架 冷弯薄壁型钢结构 包括金属拱形波纹屋盖 以及钢管结构等 轻钢结构住宅 轻钢结构住宅 轻钢结构住宅 同混凝土结构设计第三章 1 2钢结构的极限状态和概率极限状态法 2 1钢结构对材料的要求 较高的抗拉强度fu和屈服点fy较高的塑性和韧性良好的工艺性能在一定特殊情况下 适应低温 高温和腐蚀行环境的能力 分别涉及钢材材性 强度 塑性 韧性 可焊性 冷弯性 耐久性等方面 第2章钢结构材料 2 2 1单向拉伸时的工作性能试验条件 常温 静载 标准试件 一次拉伸钢材在常温 静载条件下一次拉伸所表现的性能最具有代表性 钢材的主要强度指标和变形性能都是根据标准试件一次拉伸试验确定的 2 2钢材的主要性能及其鉴定 单向均匀拉伸试验 比例极限应力 应变图中直线段的最大应力值 屈服点应变在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 抗拉强度最高点应力为抗拉强度 伸长率伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力 屈服点 抗拉强度和伸长率 是钢材的三个重要力学性能指标 指钢材在冷加工 常温下加工 产生塑性变形时 对产生裂缝的抵抗能力鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标 2 2 2冷弯性能 钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力 表示钢材抵抗冲击荷载的能力钢材强度与塑性的综合表现 2 2 3冲击韧性 2 2 4可焊性可焊性 指采用一般焊接工艺就可完成合格的 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 12 0 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 Q235B的碳含量就定在这一适宜范围 Q235A的碳含量略高于B级 且不作为交货条件 除非把碳含量作为附加保证 这一钢号通常不能用于焊接构件 2 2 5钢材性能的鉴定对属于下列情况之一的钢材 应根据国家标准 进行抽样复检 1 国外进口钢材 2 钢材混批 3 厚度 40 且有Z向性能要求的厚板 4 一级建筑 大跨度建筑中的主要受力构件 5 设计有复检要求 6 对钢材质量有异议 钢材质量的抽样检验 应由相应资质的单位进行 2 3 1化学成分的影响 2 3影响钢材性能的因素 铁 钢的基本元素 普通碳素钢中占99 碳 碳含量增加 提高钢材强度 降低塑性 韧性 耐腐蚀性 疲劳强度和冷弯性能 恶化钢材可焊性硅 锰 脱氧剂 提高钢材强度钒 钛 提高钢的强度和抗腐蚀性硫 磷 降低钢材的塑性 韧性 可焊性和疲劳强度 分别加剧热脆和冷脆 磷能提高强度和抗锈性氧 氮 分别加剧热脆和冷脆铜 降低可焊性 提高钢的强度和抗腐蚀性 2 3 2成材过程的影响1 冶炼钢材的冶炼方法平炉炼钢 质量好 但效率低 已停产 氧气顶吹转炉炼钢 质量好 效率高 碱性侧吹转炉炼钢 质量差 禁用 电炉炼钢 质量好 但成本高 不用 冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量 钢的金相组织结构 以及不可避免的冶金缺陷 从而确定不同的钢种 钢号及其相应的力学性能 2 浇铸浇铸方法 浇入铸模做成钢锭 传统的方法 浇入连续浇铸机做成钢坯 现代工艺 沸腾钢 加弱脱氧剂 锰 脱氧不充分 浇铸时有大量气体逸出 引起钢液剧烈沸腾 冷却速度快 晶粒粗 偏析 气泡等缺陷较严重 镇静钢 加强脱氧剂 硅 有时还加铝或钛 保温时间得以加长 氧气杂质少且晶粒较细 偏析等缺陷不严重 所以钢材性能比沸腾钢好 冶金缺陷 偏析 指金属结晶后化学成分分布不匀 非金属夹杂 指钢中含有如硫化物等杂质 气泡 指浇铸时由FeO与C作用所生成的CO气不能充分逸出而留在钢锭内形成的微小空洞 这些缺陷都将影响钢的力学性能 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 2 3 3影响钢材性能的其他因素 1 冷加工硬化 应变硬化 2 温度影响3 应力集中 2 4钢材的延性破坏和非延性破坏 循环加载的效应自学 2 5建筑钢材的类别和钢材的选用2 5 1建筑钢材的类别钢结构用的钢材主要有两个种类 即碳素结构钢和低合金高强度结构钢 1 碳素结构钢碳素结构钢的牌号 简称钢号 有Q195 Q215A及B Q235A B C及D Q255A及B以及Q275 Q 屈服强度中屈字汉语拼音的字首 阿拉伯字 表示以N mm2为单位屈服强度的大小 A B C或D 表示按质量划分的级别 脱氧方法的符号 如 F Z TZ b 等 镇静钢和特殊镇静钢的符号可省略 从Q195到Q275 是以强度的由低到高排列的 建筑结构在碳素结构钢这一钢种中主要应用Q235这一钢号 钢号中质量分级由A到D 表示质量的由低到高 A级钢 冲击韧性不作为要求条件 冷弯试验只在需方要求时进行 B级钢 要求常温 20 5 冲击值AKV 27J 冷弯合格 C级钢 要求常温 0 冲击值AKV 27J 冷弯合格 D级钢 要求常温 20 冲击值AKV 27J 冷弯合格 对Q235钢来说 A B两级的脱氧方法可以是Z b或F C级只能是Z D级只能是TZ 2 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素 合金元素的总量低于5 使钢的强度明显提高 故称低合金高强度结构钢 Q345 Q390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 A级钢 冲击韧性不作为要求条件 冷弯试验只在需方要求时进行 B级钢 要求常温 20 5 冲击值AKV 34J 冷弯合格 C级钢 要求0 冲击值AKV 34J 冷弯合格 D级钢 要求负温 20 冲击值AKV 34J 冷弯合格 E级钢 要求负温 40 冲击值AKV 27J 冷弯合格 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 2 5 2钢材的选择 总的原则 安全可靠 经济合理需考虑因素 结构的重要性荷载情况连接方法结构所处的温度和环境钢材厚度 1 选用原则 承重结构采用的钢材应具有抗拉强度 伸长率 屈服强度和硫 磷含量的合格保证焊接结构应保证碳的极限含量焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材应具有冷弯试验的合格保证需要验算疲劳以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材应具有的冲击韧性合格保证 2 选用建议 钢结构所用钢材主要有 热轧钢板 热轧型钢 冷轧薄钢板 冷弯薄壁型钢热轧钢板符号 宽度 厚度 长度 如 12 800 2100厚钢板 厚度4 5 60mm 宽度600 3000mm 长度4 12m用做大型实腹式梁柱翼缘 腹板薄钢板 厚度0 35 4mm 宽度500 1500mm 长度0 5 4m用于制作冷弯薄壁型钢扁钢 厚度4 60mm 宽度12 200mm 长度3 9m焊接组合梁柱翼缘板 各种连接板 加劲肋等 2 5 3钢材的规格 热轧型钢角钢 等边角钢不等边角钢等边 等肢 符号 L 边长 厚度 如L100 10不等边 不等肢 符号 L 长边宽 短边宽 厚度 如L100 80 8主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件 工字钢 工字钢H型钢及剖分T型钢工字钢 符号 I 号数 截面高cm 类别 a b c腹板厚度 如I32cH型钢 符号 HW HM HN 高H 宽B 腹板厚t1 翼缘t2 如H300 300 10 15T型钢 符号 W TM TN 高H 宽B 腹板厚t1 翼缘t2 如T225 200 8 12 槽钢 普通槽钢轻型槽钢表示方法 符号 号数 截面高cm 类别 a b c腹板厚度 如 30a 25Q