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钢结构基本知识讲授 江苏科技大学钢结构2017年2月 第一章概述 一 钢结构的特点1 强度高 塑性和韧性好2 材质均匀 符合力学假定3 钢结构制造简便 施工周期短4 钢结构的质量轻强度与密度之比远大于混凝土5 耐腐蚀性差6 耐热不耐火 250 500 600 强度为零防火处理 蛭石板 蛭石喷涂 石膏板等7 钢结构的密封性好容器等8 低温冷脆 第一章概述 二 钢结构的应用范围1 重型厂房结构2 大跨结构3 高层建筑4 塔桅结构5 板壳结构容器 储液库 煤气库 管道等6 可移动式结构活动房屋 水工闸门 起重运输机等7 桥梁结构8 轻型钢结构9 承受振动荷载和地震作用的结构 第一章概述 三 钢结构设计的基本要求1 安全可靠 在运输 安装和使用中 具有足够的强度 刚度和稳定性2 合理选用材料 结构方案和构造措施 满足使用要求3 节约钢材 减轻自重4 钢结构要便于运输和维护5 尽量注意美观 第一章概述 四 现代钢结构的发展1 高强度钢材的应用Q235 Q345 Q420 45号钢等2 钢结构设计计算理论的研究与改进3 新型结构形式的应用4 钢 混凝土组合结构的应用5 钢结构优化原理及其应用6 生产制造工业化 产业化 第二章钢结构的材料 一 钢的种类碳素钢和合金钢1 碳素钢 分结构钢 低碳钢 和工具钢 高碳钢 碳素结构钢 GB700 88 质量等级 A B C D四级 A 只保证抗拉强度 屈服点和伸长率 B C D 保证抗拉强度 屈服点和伸长率 冷弯性能和冲击韧性 分别为 20 0 和 20 同时严格控制C S P的极限含量 钢号 Q235 A Q235 B Q235 C Q235 D等 第二章钢结构的材料 2 合金钢 分为结构钢 工具钢和特殊钢 结构钢 低合金钢 GB 1591 94 质量等级 A B C D E五级 A B C D的规定同碳素结构钢 E级要求 40 的冲击韧性 钢号 Q345 A Q390 B Q420 C Q235 D等 第二章钢结构的材料 二 炼钢的种类 转炉钢 质量较差 杂质含量较多 空气底吹转炉钢 质量甚差 国内已不生产 空气侧吹转炉钢 质量略差 各项性能不如氧气顶吹转炉钢 氧气顶吹转炉钢 有害元素少 杂质少 纯洁度高 质量和加工性能都接近平炉钢 生产效率高 成本低 投资省 建厂快 平炉钢 原料广泛 容积大 广量高 冶炼工艺较简单 钢材质量优良 化学成分稳定 偏析度小 机械性能可靠 能冶炼各种用途的钢 缺点为生产成本高 建厂规模大 工期长 投资大 电炉钢 质量最好 成本最高 土建少用 三 炼钢的脱氧方法 脱氧剂 Mn Si等 沸腾钢 用Mn脱氧 不充分 质量不好 成本低 镇静钢 除锰外 还用硅和铝为脱氧剂 脱氧完全 质量好 成本高 半镇静钢 介于沸腾钢和镇静钢之间 第二章钢结构的材料 四 钢材的力学性能1 钢材均匀受拉时的力学性能 曲线五个阶段 弹性阶段 弹塑性阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩阶段 强度指标 屈服强度fy 抗拉强度fu 理想的弹塑性体 塑性性能 伸长率 10和 5 断面收缩率 第二章钢结构的材料 钢材的物理性能指标 弹性模量E 206 10 N mm 剪切模量G 79 10 N mm 线膨胀系数 12 10 6 质量密度 7850kg m3 2 冷弯性能不分层 不裂纹3 冲击韧性 k断裂工程中吸收能量的能力 k Ak A J cm2 第二章钢结构的材料 五 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 冷 热加工性能和可焊性 六 钢材的破坏形式塑性破坏和脆性破坏 塑性破坏 fu发生 变形超过材料的变形能力 破坏前发生较大的塑性变形 断口呈纤维状 色泽发暗 脆性破坏 fu甚至 fy 没有明显的塑性变形 破坏突然 没有预兆 断口平直呈晶粒状 色泽发亮 在设计 施工和使用钢结构时 应当注意防止出现脆性破坏 第二章钢结构的材料 七 影响钢材力学性能的因素 化学成分的影响 含C量增加 强度增高 塑性降低 S P O N为有害元素 必须严格控制 Mn和Si为有益元素 要适量 冶金缺陷的影响 镇静钢的屈服点高于沸腾钢 约40N mm2 非金属夹杂 裂纹 分层等 时效的影响 钢材随时间的增长 强度增加 塑性降低而脆性增加 冷作硬化的影响 钢材在冷加工 拉 剪 冲 压 拔等 的条件下 强度增加 塑性降低而脆性增加 第二章钢结构的材料 温度的影响 低温冷脆 冷脆转变温度 冷脆临界温度 应力集中的影响 在空洞 槽口 凹角 裂缝 截面变化处 产生局部高峰应力 应力集中现象 应力集中 产生同号平面或立体应力场 钢材变脆 时效的影响 钢材随时间的增长 强度增加 塑性降低而脆性增加 疲劳的影响 钢材在连续反复或循环荷载作用下 当应力循环次数n达到某个大数时 发生突然的脆断 此时 应力 fu甚至 fy 疲劳破坏 第二章钢结构的材料 八 钢材的规格和选用1 钢材的规格 热轧钢板 厚钢板 厚4 5 60mm 薄钢板 厚0 35 4mm 扁钢 厚4 60mm 宽30 200mm 普通热轧型钢 角钢 等边和不等边 槽钢 热轧普通槽钢和低合金热轧轻型槽钢 工字钢 同槽钢 钢管 有无缝和焊接两种 H型钢 宽翼缘工字钢 薄壁型钢 用薄钢板 1 5 5 0mm 经模压和冷弯而成 一般为Q235或Q345钢 各种彩钢板和压型钢板 第二章钢结构的材料 2 钢材的选用 结构的重要性 一级 重要的 二级 一般的 和三级 次要的 荷载情况 分静态荷载和动态荷载 直接承受动力荷载和强烈地震区的结构 选用性能好的钢材 连接方法 焊接结构和非焊接结构 焊接结构由于受焊接应力和焊接变形等的影响 选用Q235 B等可焊性好的钢材 结构所处的温度和环境 例低温冷脆 露天时效 腐蚀 疲劳断裂等 钢材厚度 厚度大的焊接结构应采用材质好的钢材 第二章钢结构的材料 第三章钢结构的连接 一 钢结构的连接方法焊缝连接 铆钉连接和螺栓连接 1 焊缝连接的特点 构造简单 连接方便 用料经济 不削弱截面 加工方便 可实现自动化操作 密闭性好 结构刚度大 缺点 焊接应力和焊接变形 热影响区材质变脆 对裂纹比较敏感 低温冷脆 对动力荷载比较敏感 等 第三章钢结构的连接 2 铆钉连接的特点 塑性和韧性较好 连接紧密 传力方便 用于直接承受动力荷载的结构中 如桥梁 缺点 构造复杂 费工费料 很少使用 3 螺栓连接的特点分普通螺栓连接和高强螺栓连接 1 普通螺栓连接 A B C三级 A和B为精制螺栓 C级为粗制螺栓 材料等级 A和B为8 8级 C级为4 6级或4 8 加工 A B级由毛坯在车床上精确加工而成 精制 C级为由未经加工的圆钢压制而成 粗制 第三章钢结构的连接 螺孔 A B级需要钻模钻成 类孔 孔径比螺杆大0 3mm左右 C级为一次冲成或不用钻模钻成 类孔 孔径比螺杆大1 5 3 0mm 受力 A B级受力性能好 连接变形小 可以既受拉又受剪 用于重要的连接 C级螺栓连接性能不如A B级好 主要受拉 用于承受静力荷载和间接承受动力荷载的次要连接 费用 A B级成本昂贵 C级螺栓价格便宜 能用C级螺栓的地方不用A B级螺栓 2 高强螺栓连接高强螺栓分为摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓 第三章钢结构的连接 摩擦型高强螺栓 只依靠构件接触面之间的摩擦力来传递剪力 以剪力等于接触面摩擦力为设计极限状态 承压型高强螺栓 允许接触面滑移 剪力超过摩擦力 以螺杆与构件之间的挤压而发生的连接破坏作为承载力极限状态 受力 摩擦型高强螺栓剪切变形小 弹性性能好 耐疲劳 特别适用动力荷载 承压型高强螺栓的承载力高于摩擦型 剪切变形大 不得用于承受动力荷载的结构 材料等级 采用45号钢 40B和20MnTiB钢 热处理 材料等级为8 8级或10 9级 孔径 摩擦型高强螺栓孔径比螺栓大1 5 2 0mm 承压型高强螺栓孔径比螺栓大1 0 1 5mm 第三章钢结构的连接 二 焊接方法和焊缝连接形式1 钢结构常用的焊接方法介绍 手工电弧焊 焊条选择 Q235选择E43型 Q345采用E50型焊条 Q390和Q420采用E55型焊条 不同钢种之间 例Q235与Q345 宜选用低组配方案 E43型 自动或半自动埋弧焊 气体保护焊 2 焊缝缺陷及焊接质量检验 焊缝缺陷 裂纹 焊瘤 烧穿 气孔 未焊透 夹渣 咬边 未熔合等 第三章钢结构的连接 焊缝质量检验 外部检验外部 外部尺寸和缺陷 和内部检验 内部缺陷 内部检验方法 超声波 主要 磁粉 辅助 荧光检验 辅助 x射线 射线等 x射线应用广 焊缝质量等级 钢结构工程施工质量验收规范 对焊缝分为一级 二级和三级 三级焊缝只要求进行外观检验并符合标准 一级 二级除了外观检查外 还必须进行一定量的超声波检验并符合相应的标准 焊缝等级的选用 疲劳验算的构件 垂至于作用力方向的横向对接焊缝受拉时为一级 受压时为二级 第三章钢结构的连接 不进行疲劳计算的构件 对接焊缝要求等强时受拉焊缝不低于二级 受压时宜为二级 重级工作制吊车和Q 50T的中级工作制的吊车 吊车梁腹板与上翼缘之间的T形焊透的对接与角接组合焊缝 不低于二级 角焊缝一般为三级 只有直接承受动力荷载的焊缝应为二级 3 焊缝连接形式和焊缝形式 焊缝连接形式 按照被连接构件的相对位置来分为对接 直接对接和盖板对接 搭接 T形连接和角部连接等 第三章钢结构的连接 焊缝形式 对接焊缝和角焊缝 对接焊缝 正对接焊缝和斜对接焊缝 角焊缝 正面角焊缝 端缝 侧面角焊缝 侧缝 和斜角焊缝 斜缝 连续角焊缝 重要构件 和间断角焊 次要构件 间断角焊缝间断距离l 15t 受压 和l 30t 受拉 t为较薄件的厚度 按照施焊位置分 平焊 俯焊 横焊 立焊和仰焊四种 焊接质量影响较大 4 焊缝代号 螺栓及其孔眼图例 焊缝代号 螺栓及其孔眼 第三章钢结构的连接 三 角焊缝1 角焊缝的形式 正面角焊缝 侧面角焊缝 斜焊缝 直角角焊缝和斜角角焊缝 2 角焊缝的构造要求 最大焊角尺寸 hf 1 2tmin 对于构件边缘焊缝 当板件厚度h 6mm时 一般取hf t 1 2 mm 当h 6mm时 取hf t 最小焊角尺寸 hf 1 5mm 对于T形拉紧的单面角焊缝 应增加1mm 当板件厚度t 4mm时 取hf t 侧面焊缝的最大计算长度 lw 60hf 当实际长度对于上述数值时 其超过部分在计算中不予考虑 角焊缝的最小计算长度 lw 8hf 而且不得小于40mm 第三章钢结构的连接 3 搭接连接的构造要求 当搭接仅有两条侧面角焊缝时 连接的承载力与b lw有关 当b lw 1时 连接的承载力随b lw比值的增大而明显降低 因此 一般使b lw 1 而且b不宜大于12t t 12mm 或200mm t 12mm t为较薄构件 当搭接仅有正面角焊缝时 搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍 而且不得小于25mm 当搭接采用三面围焊时 在转角处截面突变 会产生应力集中 如在此处起灭弧 可能出现弧坑或咬肉等缺陷 从而加大应力集中的影响 故所有围焊的转角处必须连续施焊 对于非围焊情况 当脚焊缝的端部在构件转角处时 可连续地作长度为2hf的绕角焊 第三章钢结构的连接 4 角钢与节点板的侧焊缝连接角钢焊缝内力分配系数 k1 肢背 k2 肢尖 等肢角钢 0 7 0 3 不等肢角钢短肢相并 0 75 0 25 不等肢角钢长肢相并 0 65 0 35 5 角焊缝的计算 略 第三章钢结构的连接 四 对接焊缝1 对接焊缝的形式 对接焊缝又叫坡口焊缝 直边缝 t 10mm 单边V形 双边V形 t 10 20mm U形 K形 X形 t 20mm 2 对接焊缝的构造要求 当拼接处的宽度不同或厚度相差4mm以上时 应做成不大于1 2 5的斜角过渡区 引弧板 当不采用引弧板时 焊缝的计算长度等于实际长度减去2t t为较薄构件厚度 当采用不焊透的对接焊缝时 应在设计图中注明坡口的形式和尺寸 其有效厚度he不得小于1 5 t为坡口所在焊件的较大厚度 在承受动力荷载的结构中 垂至于受力方向的焊缝不宜采用不焊透的对接焊缝 第三章钢结构的连接 五 焊接应力和焊接变形1 焊接应力 焊接应力产生的原因 焊接应力的类型 纵向焊接应力 横向焊接应力 厚度方向的焊接应力 焊接应力对结构性能的影响 不影响结构的静力强度 降低结构的刚度 降低结构的稳定承载力 增加了结构在低温下的脆断倾向 对结构的疲劳强度有明显的不利影响 2 焊接变形 焊接变形 局部鼓曲 弯曲 歪曲和扭转等 影响构件在正常使用条件下的承载能力 第三章钢结构的连接 3 减少焊接应力和焊接变形的措施设计上 焊件位置的安排要合理 尽量使焊缝对称于构件截面的中心轴 焊缝尺寸要适当 不得随意增大焊缝的厚度 焊缝的数量宜少 且不宜过分集中 应尽量避免两条或三条焊缝垂直交叉 尽量避免在母材厚度方向的收缩应力 第三章钢结构的连接 工艺上 采取合理的施焊次序 例如分段退焊 分层焊和工字形截面的对角跳焊等 采用反变形法 对于小尺寸焊件 采取焊前预热 焊后回火加热至600度左右 然后慢慢冷却 可以消除焊接应力和焊接变形 采取刚性固定法来控制焊接变形 但增加了焊接应力 第三章钢结构的连接 六 普通螺栓连接与构造1 螺栓的排列 螺栓排列要求 受力要求 构造要求 施工要求 螺栓排列方式 并列和错列两种 螺栓排列的最大和最小容许距离 2 螺栓的构造要求 每一构件在节点上以及拼接接头的一端 永久螺栓的数目不少于2个 对直接承受动力荷载的普通螺栓连接 应当采用双螺帽或其它防止螺帽松动的有效措施 由于C级螺栓与孔壁有较大间隙 一般只受拉力 不宜受剪 承受静力荷载结构的次要连接 可拆卸结构和临时结构 可采用C级螺栓受剪 重要结构中 优先采用高强螺栓 第三章钢结构的连接 3 普通螺栓的受力 螺栓受剪 螺栓受拉 螺栓既受剪有受拉 第三章钢结构的连接 七 高强螺栓连接与构造 当型钢构件的拼接采用高强度螺栓连接时 由于型钢的抗弯刚度较大 不能保证摩擦面紧密贴和 故不能用型钢作为拼接件 而应采用钢板 在高强度螺栓连接范围内 构件接触面的处理方法应在施工图中说明 第三章钢结构的连接 1 高强螺栓的预拉力 预拉力的控制方法 力矩法 转角法 预拉力的确定P 0 6Aefu KN 第三章钢结构的连接 2 高强螺栓摩擦面的抗滑移系数 接触面的处理方法 喷砂 喷砂后涂无机富锌漆 喷砂后生赤锈 钢丝刷除锈或未经处理的干净轧制面 抗滑移系数 第三章钢结构的连接 八 混合连接1 栓 焊混合力矩 摩擦型高强螺栓与侧面角焊缝的混合连接 普通螺栓 承压型高强螺栓一般不能2 高强螺栓与铆钉的混合连接 第三章钢结构的连接 第四章钢结构的构件 一 受弯构件 梁1 钢梁地类型 实腹梁和格构式梁 桁架 型钢梁 普通型钢和冷弯型钢 和组合梁 蜂窝梁 第四章钢结构的构件 钢 混凝土组合梁 受力特点 单向弯曲梁和双向弯曲梁 简支梁和连续梁 等2 梁格的布置 简式梁格 平台式梁格 复式梁格 第四章钢结构的构件 3 梁的设计步骤 1 确定结构方案 2 确定梁的高度 梁的最大高度hmax 最小高度hmin 经济高度he 3 梁的截面选择 4 验算梁的强度 最大弯矩处 截面削弱处 截面改变处 有集中荷载处 无横向加劲肋 剪力最大处 剪力合弯矩都较大处 正应力强度 剪应力强度 折算应力强度 局部压应力强度和接头处的焊缝或高强螺栓强度等 5 验算梁的整体稳定性 梁的整体失稳 发生侧向的弯曲和扭转 影响因素 侧向刚度 抗扭刚度 受压翼缘的自由长度 侧向支承点之间的距离 荷载位置等 第四章钢结构的构件 6 验算梁的刚度 挠度 7 验算梁的局部稳定 局部失稳 腹板或翼缘在整体失稳之前发生的局部屈曲 8 构造设计 第四章钢结构的构件 4 焊接组合梁的截面选择 1 梁的最大高度hmax 由建筑上的工艺设计和使用要求决定 2 梁的经济高度he 梁截面的用钢量最省 即梁截面的面积最小 单位为cm 3 梁的最小高度hmin 由刚度条件决定 具体见下表 受均布荷载的简支梁的hmin l值 4 梁截面高度的选择 hmax h hmin 同时h he 梁腹板的高度hw h 2t 一般取腹板为10mm的倍数 5 腹板厚度的选择 腹板厚度满足抗剪 局部稳定和构造的要求 第四章钢结构的构件 经验公式 单位为cm 一般不小于6mm 为2mm的倍数 6 翼缘尺寸选择 先计算翼缘的面积 确定翼缘的宽度 b 1 2 1 5 h 取10mm的倍数 确定翼缘的厚度 t Af b 取2mm的倍数 局部稳定要求 受压翼缘的的外伸宽度与厚度之比必须符合 弹性 第四章钢结构的构件 5 梁的截面验算 1 强度验算 正压力强度单向受弯梁 双向受弯梁 剪应力强度 局部压应力强度 局部压应力强度 2 刚度验算 3 整体稳定验算 当有刚性铺板密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固连接 能够阻止梁受压翼缘的侧向位移时 不必进行计算 工字形截面简支梁受压翼缘的自由长度l1与其宽度b1之比 不超过下表所规定的数值时 不必进行计算 第四章钢结构的构件 工字形截面简支梁不需进行整体稳定性计算的最大l1 b1值 第四章钢结构的构件 6 梁腹板的加劲肋布置 1 加劲肋的类型 横向加劲肋 纵向加劲肋 短加劲肋 2 加劲肋的布置 当时 应按构造配置横向加劲肋 a 7 0h0 当时 应按计算配置横向加劲肋 当 受压翼缘受到约束 或 第四章钢结构的构件 当时 其它情况 应在弯矩较大区格的受压区增加配置纵向加劲肋 有较大局部压应力时 必要时尚宜在受压区配置短加劲肋 任何情况下 均不应超过 梁的支座处和上翼缘有较大固定集中荷载处 宜设支承加劲肋 焊接吊车梁宜尽量避免设置纵向加劲肋 尤其是短加劲肋 当吊车压应力很大时 要设置 第四章钢结构的构件 二 拉杆 压杆和柱1 轴心拉杆 截面形式 具有对称性的实腹式