第一章 钢结构材料和选用原则.ppt

大连大学建筑工程学院 钢结构的特点 应用范围与发展钢结构材料钢材的机械性能钢种钢号及钢材的选用钢结构的连接方法 本章主要内容 大连大学建筑工程学院 钢结构是以钢板 型钢 薄壁型钢制成的构件 通过焊接 铆接 螺栓连接等方式而组成的结构 与其他材料的结构相比 具有如下的特点 1 钢材强度高 结构自重轻 2 塑性 韧性好 3 材质均匀 4 工业化程度高 5 可焊性 6 耐腐蚀性差 7 耐火性差 8 钢结构在低温和其他条件下 可能发生脆性断裂 这应引起设计者的特别注意 钢结构的特点 应用范围与发展 大连大学建筑工程学院 钢结构的特点 应用范围与发展 钢结构的应用范围 1 大跨度结构 2 重型厂房结构 3 受动力荷载作用的厂房结构 4 多层 高层和超高层建筑 5 高耸结构 6 板壳结构 7 可拆卸结构 钢结构的发展 1 高强度低合金钢 2 轧制新品种的型钢 3 计算方法的完善 4 结构形式 5 优化原理的应用 大连大学建筑工程学院 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 285m 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 钢结构的特点 应用范围与发展 大连大学建筑工程学院 由日本森大厦株式会社的全额子公司森海外株式会社及日本具有代表性的银行 保险公司 商社等36家企业 偕同政府系统机构日本海外经济协力基金 OECF 联合投资的上海环球金融中心 总投资逾750亿日元 位于陆家嘴金融贸易区 建筑总面积335420平方米 地下3层 地上94层 建成后的高度达460米 总用钢量26000t 钢筋混凝土核心筒 外框钢骨混凝土及钢柱 2008年竣工 钢结构的特点 应用范围与发展 上海环球金融中心 大连大学建筑工程学院 钢结构的特点 应用范围与发展 大连大学建筑工程学院 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 钢结构的特点 应用范围与发展 大连大学建筑工程学院 1 1钢结构材料 按冶炼方法分类1 平炉钢 生产周期长 成本高 质量好 2 转炉钢 氧气转炉钢 生产周期短 成本低 质量与平炉钢接近空气转炉钢 质量较差 只能用于次要构件 钢材的分类 按化学成分分类1 碳素结构钢 标号 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275Q235 AF 表示屈服强度为235N mm2A级沸腾钢2 低合金钢 16Mn 表示平均含碳量0 16 含锰的钢 大连大学建筑工程学院 1 1钢结构材料 按脱氧程度分类1 沸腾钢F 脱氧剂为锰铁 脱氧不完全 质量较差 成本低 2 半镇静钢b 介于两者之间 3 镇静钢Z 脱氧剂为锰铁加硅铝 脱氧较完全 质量好 成本高4 特殊镇静钢TZ 小贴士 沸腾钢为脱氧不完全的钢 冶炼后期不加脱氧剂 如硅 铝等 浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象 气体逸出 镇静钢为完全脱氧的钢 通常注成上大下小带保温帽的锭型 浇注时钢液镇静不沸腾 组织致密 偏析小 质量均匀 优质钢和合金一般都是镇静钢 半镇静钢为脱氧较完全的钢 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 浇注时有沸腾现象 但较沸腾钢弱 这类钢具有沸腾钢和镇静钢的某些优点 碳素钢中此类钢是值得提倡和发展的 大连大学建筑工程学院 1 2钢材的机械性能 屈服强度fy与抗拉强度fu 大连大学建筑工程学院 1 2钢材的机械性能 塑性 伸长率 冷弯性能 静力拉伸标准试件 冷弯试验示意图 大连大学建筑工程学院 1 2钢材的机械性能 冲击韧性 冲击韧性试验及试件缺口形式 a 试验示意图 b 梅氏U形缺口 c 夏比氏V形缺口 大连大学建筑工程学院 1 2钢材的机械性能 耐久性 影响钢结构寿命的因素有 1 钢材的腐蚀 通过油漆和定期维护措施 控制硅和锰的含量 2 防止过大的实效硬化 3 必要时测定高温和长荷载下的持久强度 4 防止长期连续重复荷载或交变荷载下的疲劳断裂 大连大学建筑工程学院 碳素钢 按质量等级将钢分为A B C D四级A级钢最差 只保证抗拉强度 屈服点 伸长率 必要时也可附加冷弯试验的要求 B C D级钢均保证抗拉强度 屈服点 伸长率 冷弯和冲击韧性 分别为 20 0 20 等力学性能 钢结构中常用普通低碳钢和普通低合金钢 钢的牌号由屈服点中屈字汉语拼音的字首Q 屈服点数值 N mm2 脱氧方法代号 F b Z TZ 沸腾 F 半镇静 b 镇静 Z 特殊镇静钢 TZ 镇静钢 Z 特殊镇静钢 TZ 代号Z TZ可以省略 C级为镇静钢 D级为特殊镇静钢 如 Q235A F表示屈服强度为235N mm2的A级沸腾碳素结构钢 Q235D表示屈服强度为235N mm2的D级特殊镇静碳素结构钢 1 3钢种钢号及钢材的选用 大连大学建筑工程学院 1 3钢种钢号及钢材的选用 A B C D E四个等级A级无需冲击韧性试验B级20 的冲击韧性C级0 的冲击韧性D级 20 的冲击韧性E级 40 的冲击韧性 低合金钢分为Q295 Q345 Q390 Q420 Q460 Q345B 屈服强度为345N mm2 B级镇静钢 Q390D 屈服强度为390N mm2 D级特殊镇静钢 大连大学建筑工程学院 1 3钢种钢号及钢材的选用 承重结构的钢材 宜选用Q235 16Mn 16Mnq等 不宜使用Q235 AF的结构 焊接结构中重级工作制结构 冬季温度低于 20 的轻 中级工作制结构 非焊接结构中冬季温度低于 20 的重级工作制结构 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 对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证 对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材 应具有常温冲击韧性的合格保证 对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证 大连大学建筑工程学院 1 4钢结构的连接方法 铆钉连接是将一端带有预制钉头的铆钉 插入被连接件的钉孔中 用铆钉枪或压铆机将另一端压成封闭钉头而成 焊接是钢结构最主要的连接方式 优点是任何形状的结构都可以用焊缝连接 构造简单 省工省料 而且能实现自动化操作 生产效率高 a 焊接 b 铆接 大连大学建筑工程学院 1 4钢结构的连接方法 螺栓连接分普通螺栓连接和高强螺栓连接 普通螺栓是用A3F Q235 A F 钢制造的 按加工精度分为A B C三级 高强螺栓系用高强钢材制成 可对栓杆施加很大的紧固预拉力 使板叠压得很紧 利用板间的摩擦阻力传递剪力 这就是摩擦型高强螺栓连接 栓接 大连大学建筑工程学院 1 4钢结构的连接方法 焊接连接 焊接方法有电弧焊 接触焊 汽焊等 电弧焊又分为手工焊 自动焊和半自动焊三种 目前 钢结构中常用的是手工电弧焊 手工电弧焊 手工电弧焊电路由焊条 焊钳 焊件 电焊机与导线组成 通电引弧后 在涂有焊药的焊条端与焊件间产生电弧 使焊条熔化 熔滴滴入被电弧吹成的焊接溶池中 焊药燃烧在熔池周围形成保护气体 稍冷后在焊缝熔化金属表面形成熔渣 以隔绝熔池中液体金属与氧 氮等气体的接触 避免形成脆性易裂化合物 焊缝金属冷却后与焊件熔成一体 焊接连接是通过电弧产生热量 使焊条和焊件局部熔化 经冷却凝结成焊缝 从而将焊件连接成一体 大连大学建筑工程学院 1 4钢结构的连接方法 自动或半自动埋弧焊主要设备是自动电焊机 沿轨道按设定速度移动 通电引弧后 使埋于焊剂下的焊丝和附近的焊剂熔化 熔渣浮在熔化的焊缝金属上面 使融化金属不与空气接触 并供给焊缝金属以必要的合金元素 随焊机的移动 颗粒状焊剂不断从料斗漏下 电弧完全被埋在焊剂之内 同时焊丝自动地边熔化边下降 称为自动埋弧焊 沿轨道推移过程由人工控制时 称为半自动埋弧焊 手工电弧直流 直流脉冲氩弧焊两用机 自动埋弧电弧焊 大连大学建筑工程学院 1 4钢结构的连接方法 设备来自上海怡宾机电 气体保护焊是利用惰性气体或二氧化碳气体作为保护介质的一种电弧熔焊方法 直接依靠保护气体在电弧周围形成局部的保护层 以防止有害气体侵入 从而保持焊接过程的稳定 气体保护焊又称气电焊 最常用的惰性气体是氩气 二氧化碳气体保护焊 大连大学建筑工程学院 1 4钢结构的连接方法 螺栓连接 普通螺栓 的构造与计算 优点 施工工艺简单 安装方便 特别适用于工地安装连接 工程进度和质量易得到保证 缺点 因开孔对构件截面有一定的削弱 且被连接的板件需要相互搭接或另加拼接板或角钢等连接件 因而比焊接连接用材较多 构造也较繁 大连大学建筑工程学院 1 4钢结构的连接方法 螺栓有不同的性能等级 如 4 6级 8 8级 10 9级 等 是由螺栓材料而区分的 小数点前的数字表示螺栓材料的最低抗拉强度fu 4即为400N mm2 小数点及后面的数字 0 6 0 8等 则表示材料的屈强比 普通螺栓用Q235A F钢制成 属于4 6级 A B级螺栓 旧称精制螺栓 C级螺栓 旧称粗制螺栓 钢结构采用的普通螺栓形式为大六角头型 粗牙普通螺栓 其代号用字母M和公称直径的毫米数表示 建筑工程中常用M16 M20 M22 M24等 A B级螺栓配 类孔适用于受剪连接 在钢结构中已很少采用 C级螺栓由圆钢压制成 表面粗糙 要求 类孔 孔径比螺栓杆径大1 5 3mm 传递剪力时 变形大 传递拉力时性能尚好 且成本低 多用于承受拉力的安装螺栓连接 次要结构中 大连大学建筑工程学院 1 4钢结构的连接方法 普通螺栓连接按受力性质分为抗剪螺栓连接 受拉螺栓连接和拉剪螺栓连接 抗剪螺栓连接靠栓杆受剪和孔壁承压传力 受拉螺栓连接沿栓杆轴线方向受拉 拉剪螺栓连接则两者兼而有之 大连大学建筑工程学院 1 4钢结构的连接方法 抗剪螺栓连接 包括铆接和承压型高强螺栓连接 可能有五种破坏形式 当螺栓杆较细 板件较厚时 螺栓杆被剪断 当螺栓杆较粗 板件较薄时 孔壁挤压破坏 当螺孔对板削弱过多时 板件被拉断 当