钢结构设计基本原理PPT课件.ppt

第一章绪论 1 1钢结构的特点 不同材料形成的结构有各自的特点 钢结构 steelstructure 是由钢板或型钢制造而成的结构 其主要特点如下 1 强度 strength 高 与其他材料诸如木材 砖石 混凝土相比 钢材的容重虽然大 但强度高很多 现举例说明 钢结构设计规范 GB50017 2003 中 强度最低的钢材为Q235 其抗拉 抗压强度设计值为215N mm2 混凝土设计规范 GB50010 2002 中标号最高的为C80 其抗拉 抗压强度设计值分别为2 22N mm2 35 9N mm2 由此可见 前者抗拉强度为后者的97倍 而抗压强度为6倍 因此 在相同的荷载和条件下 钢结构的重量轻 2 2 塑性 plasticity 韧性 toughness 好 由于钢材的塑性好 一般情况下 钢结构不会因偶然或局部超载而发生突然断裂 而是以事先有较大变形为先兆 钢材的韧性好 则使钢结构能很好地承受动力荷载 这些性能均对钢结构的安全提供了可靠保证 钢材的内部组织均匀 非常接近于各向同性体 在使用应力阶段 钢材为理想弹性工作 符合工程力学的基本假定 因此 钢结构实际受力情况与力学计算结果吻合好 可根据力学原理建立钢结构的计算方法 3 材质均匀 3 可焊性是钢结构的独特优点 由于钢材的可焊性解决了钢结构的制作问题 致使钢结构连接大为简化 可制造各种复杂形状的结构 当然焊接也将产生残余应力 残余变形以及热影响区脆性等问题 5 工业化程度高 钢结构采用的型钢和钢板 经专业厂家制作为钢构件 然后运至工地安装 型钢的大量采用再加上专业化的生产 故精度高 制作周期短 工地安装广泛采用螺栓连接 良好的装配性使工期大为缩短 此外 已建钢结构也易于拆卸 4 可焊性 weldability 好 4 6 密闭性好 钢材本身组织致密 焊接的钢结构可以做到完全密闭 甚至铆接或螺栓连接都可以做到 因此 可用于建造气密性和水密性要求高的气罐 油罐和高压容器 7 耐腐蚀性差 钢材在湿度大和有腐蚀性介质的环境中容易锈蚀 因此 为确保钢结构的耐久性 必须采用油漆 镀锌等防护措施 故维护费用较高 5 钢材当辐射热温度低于150 时 钢材的主要性能变化很小 因此 其耐热性能较好 当温度超过150 时 材质性能有所变化 需采取隔热措施 当温度达到600 左右 钢结构会瞬间崩溃 完全丧失承载力 因此 耐火性能差 必须采取一定的防火措施 美国世贸大楼的坍塌充分说明了钢结构耐火性能差是一致命缺憾 8 耐热不耐火 1 2钢结构的应用范围 站在现代建筑结构技术的发展前沿 可以说世界上没有不能实现的结构 只有不合理的结构 根据钢结构本身的特点 结合我国国民经济的发展 钢结构在土木工程领域合理的应用范围大致如下 1 工业厂房 industrialfactorybuilding 工业厂房可分为轻型 中型和重型工业厂房 主要根据是否设置吊车以及吊车吨位的大小和运行频繁程度而定 例如 炼钢车间 锻压车间等 近年来 轻型门式刚架结构在工业厂房中的应用十分普遍 2 大跨结构 largespanstructure 大跨结构可以充分发挥钢结构强度高 自重轻的优点 比如 体育馆 会展中心 飞机库 剧场等 尤其在悬索桥 斜拉桥等桥梁工程中的应用 8 3 高层结构 high risestructure 高层结构 尤其是超高层结构能充分发挥钢结构强度高 塑性 韧性好 抗震性能优越等优点 例如 办公楼 宾馆 住宅等 近年来 随着我国钢产量的逐年增加 钢结构在多层 高层 超高层建筑中的应用将会更加广泛 4 高耸结构 toweringstructure 高耸结构主要包括塔架和桅杆结构 如电视塔 输电线塔 钻井塔 环境大气监测塔 广播发射桅杆等 9 5 容器 贮罐 管道 如大型油库 油罐 气罐 煤气库 输油管等 6 可拆卸或移动的结构 如建筑工地的活动房 临时的商业或旅游业建筑 塔式起重机 龙门吊等 此类结构多为轻钢结构并采用螺栓或扣件连接 7 其他构筑物 如高炉 运输通廊 栈桥 管道支架等 10 1 3钢结构的设计方法 钢结构设计应遵循的一般原则是 技术先进 经济合理 安全适用 确保质量 钢结构的设计方法可分为容许应力法和极限状态设计法两种 分述如下 一容许应力法 allowablestressmethod 容许应力法 也称为 安全系数法 或 定值法 即将影响结构设计的诸因素取为定值 采用一个凭经验选定的安全系数来考虑设计诸因素变异的影响 以衡量结构的安全度 其表达式为 1 1 容许应力法 作为一种传统的设计方法计算简便 目前许多国家在不同的规范中仍在采用 但此设计方法采用定值的安全系数考虑不确定诸因素的影响不科学 不能定量度量结构的可靠度 而且给人一种误导 只要有安全系数结构就百分之百可靠 目前 我国 钢结构设计规范 GB50017 2003 中 只有结构构件或连接的疲劳强度计算采用此方法 式中 由标准荷载与构件截面尺寸所计算的应力 容许应力 材料的标准强度 对于钢材为屈服点 安全系数 13 二极限状态设计法 limit statedesignmethod 极限状态设计法问世于20世纪50年代 它将变异性的设计参数采用概率分析引入结构设计中 根据应用概率分析的程度分为三种水准 即半概率极限状态设计法 近似概率极限状态设计法和全概率极限状态设计法 目前 钢结构设计方法采用的是近似概率极限状态设计法 有时也称为概率极限状态设计法 1 可靠性 reliability 定义 按照概率极限状态设计法 结构可靠度定义为 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 是结构安全性 适用性和耐久性的总称 14 2 极限状态 limitstate 定义及分类 当结构或其组成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时 此特定状态就称为该功能的极限状态 结构的极限状态可分为两类 1 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 它包括强度 稳定和疲劳等计算 15 结构或构件达到正常使用的某项规定极限值时的极限状态 包括静载下的过大变形 动载下的剧烈振动及耐久性问题 结构的工作性能可用结构的功能函数来描述 若结构设计时需考虑影响结构可靠性的随机变量有n个 即x1 x2 xn 则在n个随机变量间通常可建立函数关系 若仅考虑R S两个参数 则结构的功能函数为 Z R S R S 1 2 3 结构的功能函数 2 正常使用极限状态 16 式中 R 结构的抗力 S 荷载效应 实际工程中 随着条件的不同 Z有三种可能性 当Z 0结构处于可靠状态 当Z 0结构达到临界状态 即极限状态 当Z 0结构处于失效状态 结构的可靠度及失效概率为 结构的可靠度 Ps P Z 0 1 3 结构的失效概率 Pf P Z 0 1 4 两者关系 Ps Pf 1 1 5 17 4 设计方法表达式 现行 钢结构设计规范 GB50017 2003 中除疲劳计算外 都采用广大设计人员熟悉的分项系数设计表达式表示以概率理论为基础的极限状态设计方法 1 对于承载能力极限状态 应按荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载组合 基本组合按下列设计表达式中最不利值确定 18 i 由可变荷载效应控制的组合 式中 结构重要性系数 永久荷载的分项系数 第个可变荷载的分项系数 其中为可变荷载的分项系数 按永久荷载标准值计算的荷载效应值 按可变荷载标准值计算的荷载效应值 其中为诸可变荷载效应中起 ii 由永久荷载效应控制的组合 1 6 1 7 19 控制作用者 可变荷载的组合值系数 参与组合的可变荷载数 钢材的强度设计值 为钢材屈服点 为抗力分项系数 对于Q235钢 1 087 对于Q345 Q390和Q420钢 1 111 但对于端面承压和连接 则 其中为极限强度 1 538 2 对于正常使用极限状态 应据不同的设计要求 采用荷载的标准组合 频遇组合或准永久组合 钢结构通常只考虑荷载的标准组合 其设计式为 1 9 20 式中 永久荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值 超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 其他第个可变荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值 结构或结构构件中的容许应力值 21 1 4钢结构的发展 钢结构的发展经历了一个漫长的历程 从古至今 炼铁 炼钢以及每一项新技术的问世都极大地推动了钢结构的发展 我国的历史最为悠久 是最早用铁建造结构的国家 其中以铁链桥及铁塔为典型代表 建于公元58 75年的兰津桥 图1 1 是最早的一座铁链桥 比欧洲最早的铁链桥早70余年 建于1706年的四川沪定大渡河桥 图1 2 净跨100m 宽2 8m 由13根铁链组成 每根约1 6t 铁链锚固于直径20cm 长4m的铸铁锚桩上 该座桥比英国用铸铁建造的欧洲第一座跨度31m的拱桥早83年 比美洲第一座跨度为21 3m的铁链桥早105年 铁塔作为古代的一种宗教建筑 如建于967年的广州光孝寺东铁塔 共7层 塔身高6 35m 建于1061年的湖北荆州玉泉寺铁塔 图1 3 共17层 塔身高17 9m 山东济宁铁塔寺铁塔 江苏镇江甘露寺铁塔等 均以独特的建筑造型和超凡的冶金技术 展示了我国劳动人民的聪明智慧和我国古代金属结构的辉煌成就 图1 1兰津桥 图1 2沪定大渡河桥 图1 3玉泉寺铁塔 24 18世纪末工业革命在欧洲兴起 冶金技术的发展使钢结构在欧美的应用快速增长 18世纪80年代熟铁型材问世 19世纪30年代采用轧制方法制造铁轨 19世纪20 30年代铆钉连接技术导致铆接熟铁结构的诞生 如1889年采用熟铁建成的高度321m的巴黎埃菲尔 Eiffel 铁塔 图1 4 1856年和1867年相继发明转炉和平炉冶炼工艺 软钢时代到来 从19世纪60年代和70年代起才有了全钢制造的桥梁 如建于1847年的跨越美国密西西比河的圣路易斯拱桥 中间跨158 5m 两边跨各为153m 19世纪后半叶焊缝连接出现 20世纪20年代起在工程结构中广泛应用 20世纪30年代末到50年代初 高强螺栓连接开始应用于钢结构工程 促进了钢结构的发展 图1 4埃菲尔铁塔 图1 5西尔斯大厦 27 自20世纪70年代起国外钢结构发展的高峰期到来 代表性建筑有1974年建成的110层 高443m的美国芝加哥西尔斯 Sears 大厦 图1 5 1974年建成的5层纤绳 高645m的波兰华沙长波用桅杆 1973年建成的高392m的苏联基辅自立式电视塔 1975年建成的直径207m的美国新奥尔良超级穹顶 80年代初建成的跨度218m的新加波章宜机场飞机库 1981年建成的主跨1410m的英国亨伯 Humber 吊桥 1998年4月建成通车的中央跨长1991m的日本明石海峡吊桥 图1 6 实现了超大跨度的飞跃 1996年建成的地上88层 450m高的马来西亚吉隆坡石油大厦 图1 7 于1998年动工 2004年12月正式开放的地下5层 地上101层508m高的台北101大厦 图1 8 被视为世界新 地标 在高度方面向极限冲刺 钢结构技术进入目前最高境界 图1 6日本明石海峡吊桥 30 图1 7石油大厦阿联酋七星级酒店 31 图1 8台北101大厦 32 图1 9伦敦子弹头 图1 10瑞典190米陀螺型奇异建筑 33 中国钢结构的发展虽有辉煌的历史 但在半封建半殖民地的百年历史中落后了 1949年新中国成立后 由于钢产量的限制 钢结构虽有发展 但数量少 规模小 仅在重型厂房 大跨度公共建筑以及塔桅结构中采用 鞍山 武汉 包头等钢厂的炼钢 轧钢及连铸车间均采用了钢结构 在公共建筑方面代表作有1962年建成的北京工人体育馆采用圆形双层辐射式悬索结构 直径94m 1967年建成的浙江体育馆采用双曲抛物面正交索网的悬索结构 椭圆平面 80 60m 1975年建成的上海体育馆 跨度110m的三向平板网架 1977年建成的北京环境气象塔为高达325m的5层纤绳三角形杆身的钢桅杆结构 在桥梁方面代表作有 1957年建成的武汉长江大桥 1968年建成的南京长江大桥等 1978年以后 我国改革开放政策实施 钢结构得到了前所未有的发展 应用领域得以拓展 比如 1994年建成的天津新体育馆 采用圆形平面球面双层网壳 直径108m 1996年建成的嘉兴电厂干煤栅 采用矩形平面三心圆柱面双层网壳 跨度为103 5m 1997年建成的上海体育馆马鞍山环形大悬挑空间钢结构屋盖 最大悬挑长度78m 2000年建成的上海浦东国际机场航站楼张弦梁屋盖钢结构 张弦梁屋架最大跨度为80m 正建的中国国家大剧院 图1 9 的钢结构东西跨度212 24m 南北跨度143 64m 高度46 285m 蛋壳面积3 5万米2 正建的2008奥运会主场馆鸟巢 图1 10 等 这些建筑的建成标志我国大跨度空间钢结构已迅速接近国际先进水平 图1 12中国国家大剧院 图1 112008奥运会主场馆鸟巢 38 另外 高层及超高层钢结构建筑在北京 上海 深圳等地拔地而起 以地下3层 地上88层 420 5m的上海金贸大厦 图1 11 为代表 标志着我国超高层钢结构已进入世界前列 图1 13上海金贸大厦 39 综上所述 钢结构作为一种综合性能优良的结构 既有辉煌的历史 更有美好的未来 我国自1996年钢产量首次突破1亿吨大关居世界第一至今 以1997年建设部颁发的 中国建筑技术政策 1996 2010 为代表 国家推出一系列政策推动钢结构的应用 可以预言 21世纪是钢结构的世纪 中国钢结构飞速发展的时代已经到来 图1 14东京千年塔 日本东京千年塔 MillenniumTower 高约840米 外观呈现圆锥形 约170层楼 可用于商业和居住 千年塔可以容纳6万人 终极塔楼高 UltimaTower 2英里 约合3218 7m 其基座直径约1830米 大约500层楼 容纳约100万人口 超群大厦 BionicTower 约合1200米 有300层楼 容纳约10万人造价是150亿美元 福斯特建筑事务所的水晶岛 CrystalIsland 项目高1500英尺 约合457米 可供3万人居住 东京清水TRY2004巨城金字塔的高度是埃及吉萨大金字塔的12倍 埃及吉萨大金字塔高6574英尺 约合2003米 可容纳75万人 X Seed4000摩天巨塔楼高13 123英尺 约合4000米 造价1万亿美元 形似帐篷由巨柱支撑 每根柱子都可以住人 X Seed4000摩天巨塔共有800个楼层 可以让50万至100万人在此安居乐业 空中之城1000 SkyCity1000 是一座约1000米高的城市 可容纳常驻居民3 6万 工人10万 图1 15旧金山终极塔楼 图1 16超群大厦 图1 17莫斯科水晶岛 图1 18东京清水TRY2004巨城金字塔 图1 19东京X Seed4000 图1 20东京空中之城1000 图1 21世界超高层建筑图谱 图1 22世界超高层建筑图谱 图1 23中国超高层建筑图谱 第二章钢结构的材料 第一节建筑结构用钢的基本要求第二节钢材的破坏形式第三节钢材的主要机械性能第四节影响钢材性能的主要因素第五节复杂应力作用下的屈服条件第六节钢材的疲劳和疲劳计算第七节建筑结构用钢的种类及选择 第一节建筑结构用钢的基本要求 钢材种类繁多 规格 用途也不相同 对建筑结构用钢来说 主要有三方面的要求 1 较高的强度 结构的承载力大 所需的截面小 结构的自重轻 2 较好的塑性及韧性 塑性好 不易发生脆性破坏 韧性好 利于承受动力荷载 3 良好的加工性能与耐久性 包括可焊性 冷弯性能以及耐腐性能 据上要求 钢结构设计规范 GB50017 2003推荐承重结构用钢宜采用 炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345 Q390和Q420钢四种钢材 54 第二节钢材的破坏形式 两种破坏形式 塑性破坏 由于变形过大 超过了材料或构件可能的应变能力而产生的 而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度fu后才发生的 2脆性破坏 脆性破坏前塑性变形很小 甚至没有塑性变形 计算应力可能小于钢材的屈服点fy 断裂从应力集中处开始 破坏前没有任何预兆 破坏是突然发生的 55 第三节钢材的主要机械性能 一 单向拉伸试验曲线根据钢材单向拉伸性能曲线 工程应用中 钢材的性能按理想弹塑性体考虑 fy定为钢材拉 压强度标准值 56 二 钢材的主要机械性能强度 fy强度设计标准值 设计依据 fu钢材的最大承载强度 安全储备 塑性 5 10 钢材产生塑变时而不发生脆性断裂的能力 便于内力重分布 吸收能量 重要指标 冷弯性能 90o 180o 在冷加工过程中产生塑性变形时 对产生裂纹的敏感性 是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标 韧性 冲击韧性 k 钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力 用于表征钢材承受动力荷载的能力 动力指标 按常温 20o 零温 0o 负温 20o 40o 区分 可焊性 表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能力 不产生裂纹 焊缝影响区材性满足有关要求 57 第四节影响钢材性能的主要因素 1 化学成份2 冶金及轧制3 冷作硬化与时效硬化4 复杂应力与应力集中5 残余应力6 温度 58 1 化学成份的影响基本成份为Fe 炭钢中含量占99 C Si Mn为杂质元素 S P N O为冶炼过程中不易除尽的有害元素 C 含C 使强度 塑性 韧性 可焊性 应控制在 0 22 焊接结构应控制在 0 20 Si 含Si适量使强度 其它影响不大 有益 应控制 0 1 0 3 Mn 含Si适量使强度 降低S O的热脆影响 改善热加工性能 对其它性能影响不大 有益 S 含量 使强度 塑性 韧性 性能冷弯 可焊性 高温时使钢材变脆 热脆现象 P 低温时使钢材变脆 冷脆现象 其它同SO N O同S N同P 控制含量 0 008 59 2 冶金与轧制的影响冶金的影响主要为脱氧方法 沸腾钢用Mn为脱氧剂 时间快 价格低 质量差 镇静钢用Si为脱氧剂 时间慢 价格高 质量好 反复的轧制可以改善钢材的塑性 同时可以使钢材中的气孔 裂纹 疏松等缺陷焊合 使金属晶体组织密实 晶粒细化 消除纤维组织缺陷 使钢材的力学性能提高 3 冷作硬化与时效硬化由于某种因素的影响而使钢材强度提高 塑性 韧性下降 增加脆性的现象称之为硬化现象 冷加工时 常温进行弯折 冲孔剪切等 钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化 钢材中的C N 随着时间的增长和温度的变化 而形成碳化物和氮化物 使钢材变脆的 老化 现象称之为时效硬化 60 4 复杂应力与应力集中的影响钢材在多向同号应力场作用下 一向的变形受到另一向的限制 而使钢材强度增加 塑性 韧性下降 异号应力场时则相反 钢构件由于截面的改变以及孔洞 凹槽 裂纹等原因而使构件内产生应力集中 应力集中实际为 局部应力增大并多为同号应力场 5 残余应力的影响钢材在轧制 焊接 切割等过程中会产生在构件内部自相平衡的内力 P26 图2 10 残余应力虽对构件的强度无影响 但对构件的变形 刚度 疲劳以及稳定承载力产生不利影响 后续章节中将详细介绍 61 6 温度的影响温度的影响 一般可分正温与负温影响两部分 正温影响总体影响规律为温度上升 钢材的强度降低 塑性 韧性提高 这一现象称之为热塑现象 温度达600o左右时 钢材的强度几乎降至为零 而塑性 韧性极大 易于进行热加工 此温度称之为热煅温度 需要说明 钢材在300o左右时 强度提高 塑性 韧性下降 钢材表面呈蓝色 这一反覆现象称之为蓝脆现象 钢材在300o以上时应采取隔热措施 负温影响 P27 图2 12 随着温度的降低钢材的强度提高 塑性 韧性降低 脆性增大 称之为低温冷脆 当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大 称此温度点为转脆温度 62 第五节复杂应力作用下的屈服条件 在单向拉力试验中 单向应力达到屈服点时 钢材即进入塑性状态 在复杂应力作用下 钢材由弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论计算的折算应力与单相应力下的屈服点相比较来判断 当时为弹性状态 时为塑性状态 如三向应力有一向应力很小 如厚度较小 厚度方向的应力可忽略不计 或为零时 则属于平面应力状态 上式成为 63 在一般的梁中 只存在正应力和剪应力 则 当只有剪应力时 则 由此得 因此 钢结构设计规范确定钢材抗剪强度为抗拉设计强度的0 58倍 当平面或立体应力皆为拉应力时 材料破坏时没有明显的塑性变形产生 即材料处于脆性状态 64 第六节钢材的疲劳和疲劳计算 1疲劳破坏 钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成 扩展以至断裂破坏的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏 疲劳破坏属于脆性破坏 2疲劳计算类别及参数取值 1 应力谱循环荷载在钢材内应起的反复循环应力随时间变化的曲线即为应力谱 2 应力幅试验与分析证明应力幅相同的情况下 最大最小应力无论是较高或较低 以及应力比是较大或较小 对疲劳强度基本不起作用 65 3 疲劳计算类别 不同类别钢构件或连接的疲劳强度各不相同 按其疲劳性能的高低归并为八个疲劳计算类别 并对每个类别规定了相应的参数取值 其中一类疲劳性能最好 八类最差 需要指出 疲劳破坏应力幅或疲劳允许应力幅主要取决于应力循环次数以及构件或连接的具体构造细节和应力集中程度 3疲劳曲线 对于不同的构件和连接用不同的应力幅在疲劳试验机上进行常幅循环应力试验可得试件发生疲劳破坏时的应力循环次数n 将足够多的试验点连接起来 便得到曲线 即疲劳曲线 4钢构件和连接的疲劳计算 规范规定当应力变化的循环次数大于等于十万次 n 时 应对应力循环中出现的拉应力的部位进行疲劳计算 对不出现拉应力的部位一般不计算疲劳 计算疲劳时 不乘分项系数 也不乘动力系数 按弹性方法计算其应力 66 5常幅疲劳的容许应力幅 实际上试验数据是分布在实线两侧有一定宽度的分布带 钢结构规范规定容许应力幅取分散带的下限 即平行于实线但偏左k倍的标准差的疲劳屈线 试验表明 常幅疲劳的容许应力幅与循环次数n的关系 采用对数坐标时 大体是一多为 1 的直线 式中c 系数 按疲劳计算类别查表n 应力循环系数 67 6常幅疲劳计算 焊接部位非焊接部位拉应力时取正号 压应力时取正号7变幅疲劳计算 当疲劳应力幅变化时 按照线性疲劳累积损伤原则 将随机变化的应力幅折算成等效常应力幅 然后按常应力幅疲劳计算 68 式中 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命 预期寿命内相应力幅的应力循环次数8吊车梁的变幅计算 吊车梁引起变幅的荷载主要是吊车荷载 疲劳计算时通常以经常发生的一台吊车标准值计算应力幅 规范规定的计算公式为 次数效应系数 对重级工作制硬钩吊车 重级工作制软钩吊车 中级工作制吊车 69 第七节建筑结构用钢的种类与选择一 钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类 钢材牌号由 Q 屈服点值 质量等级 脱氧方法 四部分组成 Q 表示 屈 字拼音首位字母 意为 屈服强度 质量等级 分A E五级 字序越高质量越好 脱氧方法 F 沸腾钢 Z 镇静钢 一般省略 b 半镇静钢 TZ 特殊镇静钢 注 炭素结构钢分 A B C D四级 含所有脱氧方法 低合金结构钢分 A B C D E五级 只有镇静钢和特殊镇静钢 如前所述建筑结构用钢 宜选炭素结构钢中的Q235及低合金钢中的Q345 Q390 Q420四种钢材 70 二 建筑结构用钢的选择 钢材的质量和性能 由钢材力学性能中的抗拉强度fu 屈服强度fy 伸长率 5 10 冷弯180o及冲击韧性 k 化学成分C S P等的极限含量 以及冶炼脱氧方法来衡量 选材时应根据结构的重要性 荷载性质 静 动 连接方法 结构所处的温度和环境 钢材的厚度等因素来综合考虑以选择适宜钢材 一般承重结构应有fu fy 5以及C 0 22 S P的极限含量合格保证 焊接及重要的非焊接承重结构还应具备冷弯180o合格保证 C 0 2 承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时 还应根据具体情况增加对 k的不同要求 71 3钢材的规格钢结构采用的钢材有钢板 型钢以及冷弯成型的薄壁型钢 1 钢板有厚钢板 厚度4 60 和薄钢板 厚度为0 35 4 扁钢 厚度为4 60 2 型钢常用的型钢有角钢 工字钢 槽钢和钢管 普通型钢是由钢材热轧而成 型钢截面形式合理 材料在截面上分布对受力最为有利 由于其形状较为简单种类和尺寸分级较少 所以便于轧制 而且构件间相互连接也比较方便 因此型钢是钢结构中采用的主要钢材 3 薄壁型钢是用薄钢板 经模压或弯曲而制成 其截面形式及尺寸可按合理方案设计 能充分利用钢材的强度节约钢材 所以已在我国逐步推管使用 72 第三章钢结构的连接 一 焊缝连接 3 1钢结构的连接方法及其特点 优点 不削弱截面 方便施工 连接刚度大 缺点 材质易脆 存在残余应力 对裂纹敏感 74 三 螺栓连接 优点 连接刚度大 传力可靠 分为 普通螺栓连接高强度螺栓连接 二 铆钉连接 缺点 对施工技术要求很高 劳动强度大 施工条件差 施工速度慢 75 一 钢结构常用焊接方法 1 手工电弧焊 A 焊条的选择 焊条应与焊件钢材相适应 原理 利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝 3 2焊接方法和焊缝连接形式 76 Q390 Q420钢选择E55型焊条 E5500 5518 Q345钢选择E50型焊条 E5000 5048 B 焊条的表示方法 E 焊条 Electrode 第1 2位数字为熔融金属的最小抗拉强度 kgf mm2 第3 4适用焊接位置 电流及药皮的类型 不同钢种的钢材焊接 宜采用与低强度钢材相适应的焊条 缺点 质量波动大 要求焊工等级高 劳动强度大 效率低 优点 方便 特别在高空和野外作业 小型焊接 Q235钢选择E43型焊条 E4300 E4328 C 优 缺点 77 2 埋弧焊 自动或半自动 78 A 焊丝的选择应与焊件等强度 B 优点 自动化程度高 焊接速度快 劳动强度低 焊接质量好 缺点 设备投资大 施工位置受限等 送丝器 机器 79 3 气体保护焊 优点 焊接速度快 焊接质量好 缺点 施工条件受限制等 80 4 电阻焊 优 缺点 优点 成本低 效率高 质量好 焊接变形小 适用于冷弯薄壁型钢的连接 缺点 不适于厚板 较大约束度及低温条件施焊 81 二 焊接连接形式和焊缝形式 1 焊接连接形式 对接 搭接 82 2 焊缝形式 1 对接焊缝 2 角焊缝 83 3 焊缝位置 84 三 焊缝缺陷及焊缝质量检查 1 焊缝缺陷 a 裂纹 b 焊瘤 c 烧穿 d 弧坑 e 气孔 f 夹渣 g 咬边 h 未熔合 i 未焊透 85 2 焊缝质量检查 外观检查 检查外观缺陷和几何尺寸 内部无损检验 检验内部缺陷 内部检验主要采用超声波 有时还用磁粉检验荧光检验等辅助检验方法 还可以采用X射线或 射线透照或拍片 86 钢结构工程施工及验收规范 规定 焊缝按其检验方法和质量要求分为一级 二级和三级 三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准 一 二级焊缝除外观检查外 尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准 87 钢结构设计规范 GB50017 2003 中 对焊缝质量等级的选用有如下规定 1 需要进行疲劳计算的构件中 垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级 受压时应为二级 3 焊缝质量等级及选用 2 在不需要进行疲劳计算的构件中 凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级 受压时宜为二级 88 重级工作制和起重量 的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的 形接头焊透的对接与角接组合焊缝 不应低于二级 角焊缝质量等级一般为三级 直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量 的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级 89 90 4 焊缝代号 91 5 孔 螺栓图例 92 1 对接焊缝的坡口形式 一 对接焊缝的构造要求 3 3对接焊缝的构造与计算 对接焊缝的焊件常做坡口 坡口形式与板厚和施工条件有关 t 焊件厚度 1 当 t 6mm 手工焊 t 10mm 埋弧焊 时可不做坡口 采用直边缝 2 t 6 20mm时 宜采用钝边P的单边V形和双边V形坡口 3 t 20mm时 宜采用U形 K形 X形坡口 93 94 2 V形 U形坡口焊缝单面施焊 但背面需进行清根补焊3 对接焊缝的起 灭弧点易出现缺陷 故一般用引弧板引出 焊完后将其切去 不能做引弧板时 每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1 t1 较薄焊件厚度4 当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时 应做坡度不大于1 2 5 静载 或1 4 动载 的斜角 以平缓过度 减小应力集中 95 对接焊缝分为 焊透和部分焊透两种 动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受力方向的连接焊缝 对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材相同 不予计算 三级焊缝需进行计算 对接焊缝可视作焊件的一部分 故其计算方法与构件强度计算相同 二 对接焊缝的计算 96 1 轴心力作用下的对接焊缝计算 式中 N 轴心拉力或压力 t 板件较小厚度 T形连接中为腹板厚度 ftw fcw 对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值 当不满足上式时 可采用斜对接焊缝连接如图B 另 当tan 1 5时 不用验算 97 2 M V共同作用下的对接焊缝计算 因焊缝截面为矩形 M V共同作用下应力图为 故其强度计算公式为 式中 Ww 焊缝截面模量 Sw 焊缝截面面积矩 Iw 焊缝截面惯性矩 1 板件间对接连接 98 2 工字形截面梁对接连接计算 A 对于焊缝的 max和 max应满足式3 2和3 3要求 B 对于翼缘与腹板交接点焊缝 1点 其折算应力尚应满足下式要求 1 1 考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数 99 3 N M V共同作用下的对接焊缝计算 1 矩形截面 中和轴处 100 2 工字形截面 工字形截面对接焊缝除满足上述三项计算外 尚应计算翼缘与腹板相交处的折算应力 即翼缘与腹板相交处 101 1 角焊缝的形式 一 角焊缝的形式和应力分布 3 4角焊缝的构造与计算 直角角焊缝 斜角角焊缝 1 直角角焊缝 102 2 斜角角焊缝 对于 135o或 60o斜角角焊缝 除钢管结构外 不宜用作受力焊缝 103 1 侧面角焊缝 侧焊缝 2 直角角焊缝的受力分析 侧面角焊缝的应力 试验表明侧面角焊缝主要承受剪力 强度相对较低 塑性性能较好 因外力通过焊缝时发生弯折 故剪应力沿焊缝长度分布不均匀 两端大中间小 lw hf越大剪应力分布越不均匀 104 2 正面角焊缝 正面角焊缝受力复杂 应力集中严重 塑性较差 但强度较高 与侧面角焊缝相比可高出35 55 以上 105 正面角焊缝的破坏形式 106 1 最小焊脚尺寸hf min 为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织 导致母材开裂 hf min应满足以下要求 式中 t2 较厚焊件厚度另 对于埋弧自动焊hf min可减去1mm 对于T型连接单面角焊缝hf min应加上1mm 当t2 4mm时 hf min t2 二 角焊缝的构造 107 2 最大焊脚尺寸hf max 为了避免焊缝处局部过热 减小焊件的焊接残余应力和残余变形 hf max应满足以下要求 hf max 1 2t1 钢管结构除外 式中 t1 较薄焊件厚度 对于板件边缘的角焊缝 尚应满足以下要求 当t 6mm时 hf max t 当t 6mm时 hf max t 1 2 mm 108 3 侧面角焊缝的最小计算长度 对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝 焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近 以及可能产生缺陷 使焊缝不可靠 故为了使焊缝具有一定的承载力 规范规定 109 4 侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均 两端大而中间小 焊缝长度越长 应力集中系数越大 如果焊缝长度不是太大 焊缝两端达到屈服强度后 继续加载 应力会渐趋均匀 当焊缝长度达到一定的长度后 可能破坏首先发生在焊缝两端 故 注 1 当实际长度大于以上值时 计算时不予考虑 2 当内力沿侧焊缝全长分布时 不受上式限制 110 5 搭接连接的构造要求 当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时 A 为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均 规范规定 111 D 在搭接连接中 搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍 且不得小于25mm C 当角焊缝的端部位于构件转角处时 应作2hf的绕角焊 且转角处必须连续施焊 112 三 角焊缝的计算 1 角焊缝强度计算的一般表达式试验表明 直角角焊缝的破坏常发生在45o截面 故通常将45o截面作为计算截面 作用在该截面上的应力如下图所示 113 在复杂应力状态下 其强度条件应满足 114 直角角焊缝的强度计算公式 115 将3 9 3 10式 代入3 11式得 f 正面角焊缝强度增大系数 静载时取1 22 动载时取1 0 116 2 轴心力作用时盖板连接的角焊缝计算对于正面角焊缝 f 0 由3 10式得 对于侧面角焊缝 f 0 由3 5式得 117 以上各式中 he 0 7hf lw 角焊缝计算长度 考虑起灭弧缺陷时 每条焊缝取其实际长度减去2hf 对于三面围焊缝 正面角焊缝所承受的内力 侧面角焊缝所承受的内力 118 3 轴心力作用时角钢连接的角焊缝计算 A 仅采用侧面角焊缝连接 由力及力矩平衡得 故 119 强度计算 120 B 采用三面围焊 由力及力矩平衡得 余下的问题同情况 A 即 121 C 采用L形围焊 令3 26中得 即可采用3 23 3 29计算L形焊缝 122 4 N M V共同作用下 在N M V 共同作用时 焊缝上端点处最危险 该点焊缝应满足 其中 123 假定 A 被连接件绝对刚性 焊缝为弹性 即 T作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势 B T作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线 且大小与r成正比 C 在V作用下 焊缝群上的应力均匀分布 5 T V共同作用下 将F向焊缝群形心简化得 V FT F e1 e2 故 该连接的设计控制点为A点和A 点 124 T作用下A点应力 将其沿x轴和y轴分解 125 剪力V作用下 A点应力 将3 35 3 36 3 37代入3 13得 A点应满足 126 3 5焊接应力和焊接变形 一 焊接残余应力的分类及其产生的原因1 焊接残余应力的分类A 纵向焊接残余应力 沿焊缝长度方向 B 横向焊接残余应力 垂直于焊缝长度方向 C 沿厚度方向的焊接残余应力 2 焊接残余应力产生的原因 1 纵向焊接残余应力 127 焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程 焊件上产生不均匀的温度场 焊缝处可达1600oC 而邻近区域温度骤降 高温钢材膨胀大 但受到两侧温度低 膨胀小的钢材限制 产生热态塑性压缩 焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩 但受到两侧钢材的限制而产生拉应力 对于低碳钢和低合金钢 该拉应力可以使钢材达到屈服强度 焊接残余应力是无荷载的内应力 故在焊件内自相平衡 这必然在焊缝稍远区产生压应力 128 2 横向焊接残余应力 产生的原因 1 焊缝的纵向收缩 使焊件有反向弯曲变形的趋势 导致两焊件在焊缝处中部受拉 两端受压 2 焊接时已凝固的先焊焊缝 阻止后焊焊缝的横向膨胀 产生横向塑性压缩变形 焊缝冷却时 后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力 而先焊焊缝产生压应力 因应力自相平衡 更远处焊缝则产生拉应力 应力分布与施焊方向有关 以上两种应力的组合即为 横向焊接残余应力 129 130 3 沿厚度方向的焊接残余应力 在厚钢板的焊接连接中 焊缝需要多层施焊 焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝 阻止后焊焊缝的膨胀 产生塑性压缩变形 焊缝冷却时 后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力 而先焊焊缝产生压应力 因应力自相平衡 更远处焊缝则产生拉应力 因此 除了横向和纵向焊接残余应力 x y外 还存在沿厚度方向的焊接残余应力 z 这三种应力形成同号 受拉 三向应力 大大降低连接的塑性 131 二 焊接残余应力对结构性能的影响 1 对结构静力强度的影响 因焊接残余应力自相平衡 故 当板件全截面达到fy 即N Ny时 132 2 对结构刚度的影响 A 当焊接残余应力存在时 因截面的bt部分拉应力已经达到fy 故该部分刚度为零 屈服 这时在N作用下应变增量为 133 因为B b 2 结论 焊接残余应力的存在增大了结构的变形 即降低了结构的刚度 B 当截面上没有焊接残余应力时 在N作用下应变增量为 另外 对于轴心受压构件 焊接残余应力使其挠曲刚度减小 降低压杆的稳定承载力 详见第五章 134 对于厚板或交叉焊缝 将产生三向焊接残余拉应力 限制了其塑性的发展 增加了钢材低温脆断倾向 所以 降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施 3 对低温冷脆的影响 4 对疲劳强度的影响 在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度 此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域 因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响 135 三 焊接变形 焊接变形包括 纵向收缩 横向收缩 弯曲变形 角变形和扭曲变形等 通常是几种变形的组合 a 纵 横向收缩 b 弯曲变形 c 角变形 d 波浪变形 e 扭曲变形 136 四 减小焊接残余应力和焊接变形的措施 1 设计上的措施 1 焊接位置的合理安排 2 焊缝尺寸要适当 3 焊缝数量要少 且不宜过分集中 4 应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉 5 应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力2 加工工艺上的措施 1 采用合理的施焊顺序 2 采用反变形处理 3 小尺寸焊件 应焊前预热或焊后回火处理 137 3 6螺栓连接的构造 一 螺栓的种类 1 普通螺栓 C级 粗制螺栓 性能等级为4 6或4 8级 4表示fu 400N mm2 0 6或0 8表示fy fu 0 6或0 8 类孔 孔径 do 栓杆直径 d 1 0 1 5mm A B级 精制螺栓 性能等级为5 6或8 8级 5或8表示fu 500或800N mm2 0 6或0 8表示fy fu 0 6或0 8 类孔 孔径 do 栓杆直径 d 0 3 0 5mm 按其加工的精细程度和强度分为 A B C三个级别 138 2 高强度螺栓 由45号 40Cr和20MnTiB钢加工而成 并经过热处理 45号 8 8级 40Cr和20MnTiB 10 9级 a 大六角头螺栓 b 扭剪型螺栓 139 二 螺栓的排列和构造要求 1 并列 简单 整齐 紧凑所用连接板尺寸小 但构件截面削弱大 2 错列 排列不紧凑 所用连接板尺寸大 但构件截面削弱小 140 1 受力要求 垂直受力方向 为了防止螺栓应力集中相互影响 截面削弱过多而降低承载力 螺栓的边距和端距不能太小 顺力作用方向 为了防止板件被拉断或剪坏 端距不能太小 对于受压构件 为防止连接板件发生鼓曲 中距不能太大 2 构造要求 螺栓的边距和中距不宜太大 以免板件间贴合不密 潮气侵入腐蚀钢材 141 3 施工要求 为了便于扳手拧紧螺母 螺栓中距应不小于3do 根据以上要求 规范给定了螺栓的容许间距 注 1 d0为螺栓孔径 t为外层薄板件厚度 2 钢板边缘与刚性构件 如角钢 槽钢 相连的螺栓最大间距 可按中间排数值采用 142 三 螺栓连接的受力性能和计算 A只受剪力 B只受拉力 C剪力和拉力共同作用 143 1 普通螺栓抗剪连接 1 受力性能对图示螺栓连接做抗剪试验 即可得到板件上a b两点相对位移 和作用力N的关系曲线 该曲线清楚的揭示了抗剪螺栓受力的四个阶段 即 1 摩擦传力的弹性阶段 0 1段 直线段 连接处于弹性状态 该阶段较短 摩擦力较小 144 2 滑移阶段 1 2段 克服摩擦力后 板件间突然发生水平滑移 最大滑移量为栓孔和栓杆间的距离 表现在曲线上为水平段 3 栓杆传力的弹性阶段 2 3段 该阶段主要靠栓杆与孔壁的接触传力 栓杆受剪力 拉力 弯矩作用 孔壁受挤压 由于材料的弹性以及栓杆拉力增大所导致的板件间摩擦力的增大 N 关系以曲线状态上升 145 4 弹塑性阶段 3 4段 达到 3 后 即使给荷载以很小的增量 连接的剪切变形迅速增大 直到连接破坏 4 点 曲线的最高点 即为普通螺栓抗剪连接的极限承载力Nu 146 2 破坏形式 1 螺栓杆被剪坏栓杆较细而板件较厚时 2 孔壁的挤压破坏栓杆较粗而板件较薄时 3 板件被拉断截面削弱过多时以上破坏形式予以计算解决 147 4 板件端部被剪坏 拉豁 端距过小时 端距不应小于2dO 5 栓杆弯曲破坏螺栓杆过长 栓杆长度不应大于5d 148 3 计算 1 抗剪螺栓的单栓承载力设计值 由破坏形式知抗剪螺栓的承载力取决于螺栓杆受剪和孔壁承压两种情况 故单栓抗剪承载力由以下两式决定 nv 剪切面数目 d 螺栓杆直径 fvb fcb 螺栓抗剪和承压强度设计值 t 连接接头一侧承压构件总厚度的较小值 单栓抗剪承载力 抗剪承载力 承压承载力 149 剪切面数目nv 150 2 普通螺栓群抗剪连接计算 1 普通螺栓群轴心力作用下抗剪计算 试验证明 栓群在轴力作用下各个螺栓的内力沿栓群长度方向不均匀 两端大 中间小 当l1 15d0 d0为孔径 时 连接进入弹塑性工作状态后 内力重新分布 各个螺栓内力趋于相同 故设计时假定N有各螺栓均担 所以 连接所需螺栓数为 151 当l1 15d0 d0为孔径 时 连接进入弹塑性工作状态后 即使内力重新分布 各个螺栓内力也难以均匀 端部螺栓首先破坏 然后依次破坏 由试验可得连接的抗剪强度折减系数 与l1 d0的关系曲线 故 连接所需栓数 152 普通螺栓群轴心力作用下 为了防止板件被拉断尚应进行板件的净截面验算 拼接板的危险截面为2 2截面 A 螺栓采用并列排列时 主板的危险截面为1 1截面 153 B 螺栓采用错列排列时 主板的危险截面为1 1和1 1 截面 154 拼接板的危险截面为2 2和2 2 截面 155 2 普通螺栓群偏心力作用下抗剪计算 F作用下每个螺栓受力 T作用下连接按弹性设计 其假定为 1 连接板件绝对刚性 螺栓为弹性 2 T作用下连接板件绕栓群形心转动 各螺栓剪力与其至形心距离呈线形关系 方向与ri垂直 156 显然 T作用下 1 号螺栓所受剪力最大 r1最大 由假定 2 得 由式3 39得 由力的平衡条件得 157 将式3 40代入式3 38得 将N1T沿坐标轴分解得 158 由此可得螺栓1的强度验算公式为 另外 当螺栓布置比较狭长 如y1 3x1 时 可进行如下简化计算 令 xi 0 则N1Ty 0 159 1 普通螺栓抗拉连接的工作性能 2 普通螺栓的抗拉连接 抗拉螺栓连接在外力作用下 连接板件接触面有脱开趋势 螺栓杆受杆轴方向拉力作用 以栓杆被拉断为其破坏形式 2 计算 1 单个普通螺栓的抗拉承载力设计值 式中 Ae 螺栓的有效截面面积 de 螺栓的有效直径 ftb 螺栓的抗拉强度设计值 160 公式的两点说明 1 螺栓的有效截面面积因栓杆上的螺纹为斜方向的 所以公式取的是有效直径de而不是净直径dn 现行国家标准取 161 2 螺栓垂直连接件的刚度对螺栓抗拉承载力的影响 A 螺栓受拉时 一般是通过与螺杆垂直的板件传递 即螺杆并非轴心受拉 当连接板件发生变形时 螺栓有被撬开的趋势 杠杆作用 使螺杆中的拉力增加 撬力Q 并产生弯曲现象 连接件刚度越小撬力越大 试验证明影响撬力的因素较多 其大小难以确定 规范采取简化计算的方法 取ftb 0 8f f 螺栓钢材的抗拉强度设计值 来考虑其影响 162 B 在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法 来减小杠