钢结构课件全套-1-4章.ppt

1 了解钢结构的特点和应用 2 掌握钢结构的设计方法和设计要求 3 了解钢结构的发展概况 1 1钢结构的特点1 2钢结构的设计方法1 3钢结构的设计规范1 4钢结构的应用和发展1 5本课程的主要内容和特点 本章目录 基本要求 第1 1节钢结构的特点 1 钢结构的定义2 钢结构的特点 了解钢结构的定义和特点 本节目录 基本要求 1 1 1钢结构的定义 定义 由钢板 热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢等钢材为主建造的工程结构 称为钢结构 如高层建筑 大跨桥梁 高耸的塔等 钢结构是土木工程的主要结构形式之一 钢结构与混凝土结构 砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不同分支 1 1 2钢结构的特点 1 强度高 结构重量轻 由于钢材强度高 结构需要的构件截面小 结构自重轻 a 容重 强度 a越小 结构相对越轻 钢材 a 1 7 3 7 10 4 m木材 a 5 4 10 4 m钢砼 a 18 10 4 m 1 1 2钢结构的特点 2 材质均匀 塑性和韧性好 主要表现在 1 钢材在使用阶段接近理想弹塑性体 这使得理论计算与实际情况相吻合 2 钢材具有良好的塑性和韧性 不会因偶然的超载而破坏 对动力荷载适应性强 钢结构的抗震性能优于其它结构 1 1 2钢结构的特点 3 便于工业化生产 施工周期短 钢结构构件一般可以在专业化工厂由专门机具加工 生产效率高 且不受气候影响 1 1 2钢结构的特点 4 密闭性好 不渗漏 钢材本身组织致密 因而具有良好的气密性和水密性 5 良好的加工性能和焊接性能 6 可重复使用性 1 1 2钢结构的特点 7 耐热性较好 耐火性差 钢材在表面温度不超过200 时 其性能变化很小 因而适合于热车间 温度超过200 以后 强度和弹性模量显著下降 达600 时 钢材进入塑性状态已不能承载 1 1 2钢结构的特点 新建钢结构 一般都需要采用油漆 喷铝 镀锌等进行防锈涂装 在涂装前需认真除锈 以后定期涂装 所以维修费用较高 这是钢结构的主要缺点 8 耐腐蚀性差 1 1 2钢结构的特点 在动荷载作用下 钢结构容易因震动而产生噪声 在对环境有要求的场所需采用必要的消声措施 9 低温冷脆倾向 10 容易发生噪声 第1 2节钢结构的设计方法 1 概述2 概率极限状态设计法3 规范设计表达式 1 了解钢结构的设计准则和设计方法 本节目录 基本要求 2 掌握现行规范设计方法和设计表达式 1 2 1概述 1 设计目的结构设计的目的是要使设计的结构和结构构件在施工和工作过程中均能满足各种预定功能的要求 建筑结构功能包括 1 安全性 2 适用性 3 耐久性 2 设计准则 结构由各种荷载所产生的效应 内力和变形 不大于结构 包括连接 由材料性能和几何因素等所决定的抗力或规定限值 3 设计方法 1 容许应力方法 式中 由标准荷载与构件截面公称尺寸所计算的应力 fk 构件截面几何特征 K 大于1的安全系数 钢材的容许应力 2 概率极限状态设计方法 根据应用概率分析程度的不同 可分为三种水准 半概率极限状态设计方法 近似概率极限状态设计方法 全概率设计方法 3 设计方法 1 2 2概率极限状态设计方法 1 半经验半概率极限状态设计法 式中K1 荷载系数 K2 材料系数 K3 调整系数 fyk 钢材的屈服强度标准值 钢材容许应力 2 近似概率极限状态设计法 极限状态 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 此特定状态称为该功能的极限状态 现行钢结构设计规范 GB50017 2003 采用该法 1 极限状态的概念 2 极限状态分为两类 b 正常使用极限状态 包括 影响正常使用或外观的变形 影响正常使用的振动 影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态 a 承载能力极限状态 包括 强度破坏 疲劳破坏 不适于继续承载的变形 失稳 倾覆 变为机动体系等状态 结构的工作性能可用结构的 功能函数 来描述 一般情况 Z g x1 x2 xn 1 3 3 功能函数和极限状态方程 式中g 结构的功能函数 xi i 1 2 n 影响结构可靠性的各物理量 为简化 将各因素概括为两个综合随机变量 结构抗力R和作用效应S 则式 1 3 可写成 Z g R S R S 1 4 在实际工程结构中 可能出现下列三种情况 Z 0表示结构处于可靠状态Z 0表示结构处于极限状态Z 0表示结构处于失效状态 判断结构是否可靠 要看结构是否达到极限状态 为此 通常将下式 Z g R S R S 0 1 5 称为极限状态方程 4 结构可靠度和失效概率 可靠度是指结构在规定的时间内 规定的条件下 完成预定功能的概率 结构能完成预定功能的概率 可靠度 用Ps表示 则 结构不能完成预定功能的概率 失效概率 用Pf表示 则 由于事件 Z 0 与事件 Z 0 是对立事件 所以结构的可靠度与结构的失效概率满足 Ps P Z 0 1 6 Pf P Z 0 1 7 Ps Pf 1或Ps 1 Pf 1 8 已知Z的概率密度曲线fz z 如图1 2 1 则失效概率可用积分求得 5 可靠指标 因Z的分布很难得到 因此式 1 9 实际上很难求出 这使概率设计法一直不能付诸实用 20世纪60年代末期 美国学者康奈尔提出系统的一次二阶矩设计方法 才使得概率设计法进入实用阶段 一次二阶矩法不直接计算Pf 通过可靠指标 度量 Z服从标准正态分布时 与Pf的关系为 式中 标准正态函数 1 标准正态函数的反函数 从图1 2 1中可以看出 与失效概率Pf间存在着一一对应关系 即 1 减小时 阴影部分的面积增大 即失效概率Pf增大 说明 可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标 2 增大时 阴影部分的面积减少 亦即失效概率Pf减小 正态分布时可靠指标和失效概率的对应关系 计算避开了Z的全分布的推求 而只需要分布特征值 即一阶原点矩和二阶中心矩 故此得名 3 全概率极限状态设计法 对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来描述 对结构进行精确的概率分析 求得结构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量 1 2 3规范设计表达式 为了便于应用并符合人们长期以来的习惯 规范并不直接使用 进行设计 而是采用以概率理论为基础的极限状态设计方法 疲劳问题除外 用分项系数的表达式进行计算 结构的可靠度用可靠度指标来度量 并以分项系数的形式考虑 我国规范分别按承载能力和正常使用极限状态设计给出表达式 1 承载能力极限状态分项系数表达式 可变荷载效应起控制作用时 永久荷载效应起控制作用时 对于一般排架和框架结构 1 永久荷载分项系数gG 当其效应对结构不利时 对可变荷载效应控制的组合 应取1 2 对永久荷载效应控制的组合 应取1 35 当其效应对结构有利时 一般情况下应取1 0 对结构的倾覆 滑移或漂浮验算 应取0 9 2 可变荷载的分项系数gQ 一般情况下应取1 4 对标准值大于4kN m2的工业房屋楼面结构的活荷载 标准值应取1 3 f 钢材或连接材料强度设计值 fk 钢材或连接材料强度标准值 R 钢材或连接材料抗力分项系数 对于Q235钢 R 1 087 对于Q345 Q390 Q420钢 R 1 111 钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值 其中 式中 2 正常使用极限状态 对于正常使用极限状态 要求分别采用荷载的标准组合 频遇组合和准永久组合进行设计 并使变形等设计值不超过相应的规定限值 对于钢结构只考虑荷载的标准组合 式中 Gk 永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值 Q1k 起控制作用的第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值 该值使计算结果为最大 Qik 其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值 结构或结构构件的变形容许值 第1 3节钢结构的设计规范 1 概述2 主要设计规范 1 了解与钢结构有关的主要设计规范 本节目录 基本要求 1 3 1概述 1 什么是设计规范设计规范是国家颁布的关于设计计算和构造要求的技术规定和标准 是带有一定约束性和立法性的文件 2 颁布设计规范的目的 1 贯彻国家技术经济政策 保证设计的质量 达到方法上必要的统一化和标准化 2 设计 校核 审批工程结构的依据 1 3 2主要设计规范 与钢结构设计有关的一些规范 GB50017 2003钢结构设计规范TB10002 2 2005 铁路桥梁钢结构设计规范 GB50009 2001建筑结构荷载规范GB50018 2002冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50205 2001钢结构工程施工质量验收规范JTJ025 86公路桥涵钢结构及木结构设计规范 GB50017 2003是我国进行房屋建筑和一般构筑物钢结构设计必须遵循的现行国家标准 适用于热轧钢材建筑的钢结构 规范中对钢结构的设计原则 采用的钢材要求 各种设计指标 三大基本构件的计算内容和要求 连接计算方法 构造要求以及疲劳计算等都做了明确的规定 供设计人员遵照执行 第1 4节钢结构的应用和发展 1 钢结构的应用概况2 钢结构的发展3 钢结构应用示例 1 了解钢结构的应用和发展 本节目录 基本要求 1 4 1钢结构的应用概况 根据钢结构的特点 它主要适用于下列结构 1 承受荷载很大或跨度大 高度大的结构 2 承受动力荷载作用或经常移动的结构 3 经常拆装的拼装式结构 4 对密闭性要求高的结构 5 高温车间或需承受一定高温的结构 6 轻型结构 属于上述性质的主要有下列结构 1 工业与民用建筑结构高层建筑框架 车站 会堂 体育馆 车库等大跨度屋盖结构 大厂房 车间的承重柱 屋盖 吊车梁 2 桥梁结构中等跨度或大跨度的铁路桥 公路桥 栈桥等各种桥的桥跨结构 3 塔桅结构电视塔 发射塔 气象塔 无线电桅杆等 4 移动式结构各种起重运输机械 和大型建筑机械的承重骨架 升船机 水工闸门等 5 板壳结构管道 气柜 高炉结构 高压容器等 6 轻型和临时结构钢模板 钢拱架 万能杆件 拆装梁 如六四梁 等 1 4 2钢结构的发展 18世纪欧洲工业革命后 钢结构在欧洲各国的应用逐渐增多 而我国钢结构的发展非常缓慢 新中国成立后 由于受到钢产量的制约 钢结构仅在重型厂房 大跨度公共建筑 铁路桥梁以及塔桅结构中采用 改革开放以来 钢结构产量开始逐渐增加 1996年我国的钢产量超过一亿吨 2003年达到创记录的2 2亿吨 2005年上升到3 5亿吨 伴随钢结构产量的增加 钢结构政策从限制使用改为积极合理的推广应用 钢结构在现代应用的领域更加多元化 包括大跨结构 工业厂房 受动力荷载影响的结构 多层和高层建筑 高耸结构 可拆卸结构 容器构筑物以及钢和混凝土的组合结构等 钢结构的主要发展方向 1 高性能钢材的研制 高强 耐腐蚀 耐火钢 2 计算理论和设计方法的改进 3 结构体系的革新和新型连接形式的研究 4 结构优化理论的应用和设计计算手段的改变 5 机械化制造与安装的现代化水平的提高 6 型钢品种的丰富 1 4 3钢结构应用示例 1 建筑结构 图1 4 1国家大剧院 网壳结构 图1 4 2国家体育馆 鸟巢 图1 4 3苏州乐园宇宙大战馆球体屋面 穹顶 图1 4 4台北101大楼 508m高 2004年建成 图1 4 5金茂大厦88层420 5米高1999年建成 图1 4 6深圳地王大厦69层384m高1999年建成 图1 4 7单层工业厂房 图1 4 8多层工业厂房 2 桥梁结构 图1 4 9卢浦大桥 主跨550m 2003年 图1 4 10润扬长江大桥 2005年 图1 4 11苏通长江大桥 图1 4 12芜湖长江大桥 主跨312m 2000年 图1 4 13自锚式悬索桥 图1 4 14巴黎艾菲尔铁塔 3 塔结构 4 可拆卸和移动结构 图1 4 16活动桥 图1 4 17活动车库 图1 4 18架桥机 图1 4 19挂篮 第1 5节本课程的主要内容和特点 1 钢结构课程特点及与其它前续课程的联系2 本课程的学习方法 1 了解本课程的特点和重要性 本节目录 基本要求 1 5 1钢结构课程特点及与其它前续课程的联系 1 本课程特点 上篇是土木工程专业的一门专业基础课程 下篇是建筑工程方向的专业课程 本课程具有如下特点 1 内容庞杂 理论性和实践性强 2 与设计规范关系紧密 3 题型多 包括设计 复核和确定承载力 2 与前续课程联系 钢结构 和 材料力学 的联系最为紧密 但材料力学更侧重理论探讨 而 钢结构 需要站在设计的角度来考虑 因此必须符合相应的规范要求 同时 由于钢材本身接近理想弹塑性体 所以钢结构课程的理论性强 许多内容要用到弹塑性力学的知识 1 5 2本课程的学习方法 1 注重加强对基本理论和基本概念的理解 2 采用归纳 分析和比较 3 注重习题和课程设计训练 4 联系工程实践 1 了解钢材的破坏形式和主要性能 2 了解影响钢材性能的主要因素 3 了解钢材疲劳破坏及计算方法 4 了解钢材的种类及选用原则要求 2 1钢结构对材料的要求2 2钢材的破坏形式2 3钢材的主要性能2 4各种因素对钢材主要性能的影响2 5复杂应力作用下钢材的屈服条件2 6钢材的疲劳2 7钢的种类和钢材的规格 本章目录 基本要求 第2 1节钢结构对材料的要求 1 概述2 钢结构对材料的基本要求 了解钢结构对材料性能的基本要求 本节目录 基本要求 2 1 1概述 含碳量小于2 的铁碳合金称作钢 含碳量大于2 时称作铁 钢材种类繁多 性能差别很大 适用于钢结构只是其中一小部分 1 较高的抗拉强度fu和屈服点fy 2 较好的塑性 韧性 3 良好的工艺性能 冷 热加工 可焊性 4 对环境的良好适应性 2 1 2钢结构对材料的基本要求 第2 2节钢材的破坏形式 钢材的两种破坏形式 了解钢材的破坏形式和特点 本节目录 基本要求 2 2 1钢材的两种破坏形式 第2 3节钢材的主要性能 1 受拉 受压及受剪时的性能2 冷弯性能3 冲击韧性 掌握钢材的主要力学性能要求及含义 本节目录 基本要求 2 3 1受拉 受压及受剪时的性能 1 钢材在单向一次拉伸下的工作性能 试验条件 标准试件 GB T228 常温 20 5 下缓慢加载 一次完成 含碳量为0 1 0 3 标准试件 Lo d 5或10 Lo 标距 d 直径 图2 3 1 2 有明显屈服点钢材的 曲线 2 有明显屈服点钢材的 曲线 图2 3 3 可划分为以下五个阶段 1 弹性阶段 OB段 OA段材料处于纯弹性 即 AB段有一定的塑性变形 但整个OB段卸载时 0 弹性模量 E 206 103N mm2 其中 A点应力fp称为比例极限 2 弹塑性阶段 BC段 该段很短 表现出钢材的非弹性性质 即卸荷留下永久的残余变形 3 塑性阶段 CD段 该段 基本保持不变 水平 急剧增大 称为屈服台阶 变形模量E 0 该段应力最高点和最低点分别称为上屈服点和下屈服点 下屈服点比较稳定 设计中则以下屈服点为依据 4 强化阶段 DG段 当应力达到G点时 出现颈缩现象 至H点而断裂 随荷载的增加 缓慢增大 但 增加较快 曲线最高点处G点的应力fu称为抗拉强度或极限强度 5 颈缩破坏阶段 GH段 3 对无明显屈服点的钢材 高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶 塑性变形小 设计中不宜利用它的塑性 设计时取相当于残余变形为0 2 时所对应的应力作为屈服点 称为条件屈服点或名义屈服点 4 应力应变曲线的简化 设计时将钢材简化为理想弹塑性体 钢材在静载作用下 强度计算以fy为依据 fu为结构的安全储备 5 单向拉伸时钢材的机械性能指标 1 屈服点fy 应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力 它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标 2 抗拉强度fu 应力应变曲线最高点对应的应力 它是钢材最大的抗拉强度 3 伸长率 当lo d 5时 用 5表示当l0 d 10时 用 10表示 5 10 实际工程中以伸长率 代表材料断裂前具有的塑性变形能力 钢材的塑性是指 当应力超过屈服点后 钢材能产生显著的残余变形 塑性变形 而不立即断裂的性质 试件断裂时的绝对变形值与原标距长度的百分比 用 表示 4 断面收缩率 是指试件拉断后 颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比 用 表示 式中 A0 试件原来的断面面积A1 试件拉断后颈缩区的断面面积 图2 3 6 采用短试件l0 d 3 屈服点同单向拉伸时的屈服点 6 受压时的性能 7 受剪时的性能 抗剪强度可由折算应力计算公式得到 2 3 2冷弯性能 冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标 鉴定合格指标 通过冷弯冲头加压 当试件弯曲至180 时 检察试件弯曲部分的外面 里面和侧面 如果没有裂纹 断裂或分层 即认为试件冷弯性能合格 图2 3 7 2 3 3冲击韧性 冲击韧性 钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力 用断裂时吸收的总能量 弹性和非弹性能 来表示 韧性指标用冲击韧性值表示 冲击韧性也叫冲击功 用符号Wkv或Cv表示 单位为J 冲击韧性由冲击韧性试验确定 图2 3 8 图2 3 9冲击韧性演示 影响冲击韧性的因素 冲击韧性与试件刻槽有关 常用缺口形式为夏氏V型和梅氏U型 近年来 我国冲击试验已用夏氏V型代替梅氏U型 冲击韧性还与试验的温度有关 根据温度不同 我国钢材标准中将试验分为四档 即 20 0 20 和 40 时的冲击韧性 温度越低 冲击韧性越低 钢材的机械性能指标 屈服点fy伸长率 抗拉强度fu冷弯试验冲击韧性Cv 小结 第2 4节各种因素对钢材主要性能的影响 1 化学成分2 冶金缺陷3 钢材硬化 1 了解影响钢材性能的主要因素 本节目录 基本要求 2 了解防止脆性断裂破坏的方法 4 温度影响5 应力集中6 荷载的影响 2 4 1化学成分 普通碳素钢中Fe占99 C和其他元素仅占1 但对钢材力学性能有着决定性的影响 普通低合金钢中合金元素小于5 1 碳 C 钢材强度的主要来源 随其含量增加 强度增加 塑性 韧性和疲劳强度降低 同时恶化钢的焊接性能和抗腐蚀性 钢结构用钢中 碳含量一般控制在0 22 以下 当其含量在0 2 以下时 可焊性良好 2 硫 S 有害元素 热脆性 不得超过0 05 3 磷 P 有害元素 冷脆性 抗腐蚀能力略有提高 可焊性降低 不得超过0 045 4 锰 Mn 合金元素 弱脱氧剂 与S形成MnS 熔点1600 可以消除一部分S的有害作用 5 硅 Si 合金元素 强脱氧剂 6 钒 V 合金元素 细化晶粒 提高强度 其碳化物具有高温稳定性 适用于受荷较大的焊接结构 7 氧 O 有害杂质 与S相似 热脆 8 氮 N 有害杂质 与P相似 冷脆 9 铜 Cu 提高抗锈蚀性 提高强度 对可焊性有影响 2 4 2冶金缺陷 常见的冶金缺陷有 偏析 钢中化学成分不一致和不均匀性称为偏析 主要是硫和磷的偏析 使钢材的塑性 韧性及可焊性变坏 非金属夹杂 常见的夹杂物为硫化物和氧化物 硫化物使钢材在800 1200 高温下变脆 氧化物会降低钢材的力学性能和工艺性能 气孔 浇注时由FeO与C作用所生成的CO气体不能充分逸出而留在钢锭内形成的 裂纹 钢材中已出现的局部破坏分层 指沿厚度方向形成层间并不相互脱离的分层 分层处易被锈蚀 且分层使钢材性能变差 2 4 3钢材硬化 冷作硬化在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下 卸载后再重新加载 钢材的屈服点提高 塑性和韧性降低的现象 时效硬化随着时间的增加 纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出 使钢材的屈服点和抗拉强度提高 塑性和韧性下降的现象 应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后 铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出 从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象 图2 4 3 注意 不管哪一种硬化 都要降低钢材的塑性和韧性 对钢材不利 因此钢结构设计中一般不利用硬化后提高的强度 而且对于直接承受动荷载的结构还应设法消除硬化的影响 例如 经过剪切机剪切的钢板 为了消除剪切边缘的冷作硬化 可采用火焰烧烤使之 退火 或将边缘刨去3 5mm 2 4 4温度影响 1 正温范围 200 以内对钢材性能无大影响 该范围内随温度升高总的趋势是强度 弹性模量降低 塑性增大 250 左右抗拉强度略有提高 塑性降低 脆性增加 蓝脆现象 该温度区段称为 蓝脆区 260 320 产生徐变现象 600 左右弹性模量趋于零 承载能力几乎完全丧失 当温度低于常温时 钢材的脆性倾向随温度降低而增加 材料强度略有提高 但其塑性和韧性降低 该现象称为低温冷脆 2 负温范围 2 4 5应力集中 1 应力集中的概念在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞 槽口 凹角 裂缝 厚度变化 形状变化和内部缺陷等 此时截面中的应力分布不再保持均匀 而是在一些区域产生局部高峰应力 形成所谓应力集中现象 2 应力集中的影响 可以看出截面槽口改变愈急剧 应力集中现象愈厉害 其抗拉强度愈高 但塑性愈差 脆性破坏的倾向愈大 3 减小应力集中现象的措施 由于钢材具有良好的塑性性能 当承受静力荷载且在常温下工作时 只要符合规范规定的设计要求 可以不考虑应力集中的影响 2 4 6荷载的影响 1 加荷速度的影响加荷速度过快 构件来不及变形 得到的屈服点也高 且呈脆性 特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多 因此 试验时需规定加载速度 2 循环荷载的影响钢材在直接的连续反复的动力荷载作用下 损伤会逐渐累积 缺陷会发展成微观裂纹 继而发展到宏观裂纹 截面削弱到一定程度而突然破坏 这种现象叫疲劳破坏 本节讨论 防止脆性断裂的方法 1 合理选择钢材温度 冷脆转变温度低厚度 薄 2 合理设计合理的设计应该在考虑材料的断裂韧性水平 最低工作温度 荷载特征 应力集中等因素后 再选择合理的结构型式 尤其是合理的构造细节十分重要 设计时应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限度 尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性 3 合理制作和安装冷加工 栓孔钻 扩焊接 合理工艺 参数 减小焊接残余应力 如厚钢板 焊前预热 焊后保温安装 减小装配残余应力 4 合理使用及维修措施 避免突然荷载 第2 5节复杂应力作用下钢材的屈服条件 1 掌握复杂应力作用钢材屈服条件及应用 基本要求 基本假定 1 材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达 2 当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时 钢材即由弹性转入塑性 在三向应力作用下 钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件 可用按能量强度理论计算的折算应力 red和钢材在单向应力下的屈服点fy相比较来判断 即 1 以一般应力分量表示 2 以主应力表示 当时钢材处于弹性状态 时钢材处于塑性状态 2 2 2 1 对于薄板 厚度方向的应力很小 常可忽略不计 这时三向应力状态可简化为平面应力状态 式 2 1 成为 3 几种特殊情况 一般的梁 只存在正应力和剪应力 则 2 4 2 3 纯剪时 0 则有 2 5 即 钢材的剪切屈服点是单轴拉伸屈服点fy的0 58倍 因此 规范规定 钢材的抗剪设计强度为抗拉设计强度的0 58倍 2 6 第2 6节钢材的疲劳 1 疲劳破坏特征2 常幅疲劳3 变幅疲劳 1 了解钢材疲劳破坏的特征2 掌握疲劳破坏的计算方法 本节目录 基本要求 2 6 1疲劳破坏特征 1 概念钢材在连续反复荷载的作用 当应力低于抗拉强度 甚至低于屈服强度时发生突然断裂的现象 这种现象称为钢材的疲劳 2 疲劳破坏的机理疲劳破坏是积累损伤的结果 破坏过程 缺陷 微观裂纹 宏观裂纹 断裂 3 疲劳破坏与脆性破坏比较 相同点 突然断裂 断裂时名义应力都低于屈服点 不同点之一 疲劳破坏裂纹扩展稳定 缓慢 多次反复加载脆性破坏裂纹扩展不稳定 迅速 一次加载就可能破坏 不同点之二 疲劳破坏断口分为疲劳区和瞬断区 疲劳区记载了裂缝扩展和闭合的过程 颜色发暗 表面有较清楚的疲好纹理 呈沙滩状或波纹状 瞬断区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到一临界尺寸时脆性断裂的待点 瞬断区晶粒粗亮 脆性破坏闪光的晶粒状 4 影响疲劳破坏的主要因素 构造细节 应力集中程度和残余应力大小 荷载循环次数 5 104次 验算疲劳 荷载引起的循环应力特征应力幅 焊接结构 应力比 非焊接结构 注意 与钢材的静力强度和最大应力无明显关系不出现拉应力 不会发生疲劳破坏 5 几个概念 循环荷载 结构或构件承受的随时间变化的荷载 应力循环 构件截面应力随时间的变化 应力循环次数 结构或构件破坏时所经历的应力变化次数 应力比 循环应力中绝对值最小的峰值应力 min与绝对值最大的峰值应力 max之比 min max 拉应力取正号而压应力取负号 应力幅 在循环荷载作用下 应力从最大到最小重复一次为一次循环 最大应力与最小应力之差为应力幅 max min 此处 max为最大拉应力 取正值 min为最小拉应力或压应力 拉应力取正号而压应力取负号 循环应力谱 循环应力谱 2 6 2常幅疲劳当应力循环内的应力幅保持常量时 称为常幅疲劳 可以看出 由于焊接残余应力焊缝附近主体金属的最大应力已达fy 因此 有 应力增大时保持fy不变 应力减小时从 名义应力比 真实应力比 应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响 而与名义最大应力 max和应力比 无关 可见 只要 为常数 不管名义 为何值 真实 也为常数 因此 1 容许应力幅 根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅 与相应的致损循环次数N的关系曲线 按试验数据回归的 N曲线为平均曲线 图a 取对数坐标 图b 考虑试验数据的离散性 取平均值减去2倍lgN的标准差s作为疲劳强度下限 当lg 为正态分布时 保证率为97 7 则对应疲劳寿命n的容许应力幅可由直线斜截式方程求出 y kx b 取系数 lgC是延长直线与横坐标的交点 是直线的斜率 此时的 即为容许应力幅 式中 系数 C 为不同构件和连接类别的试验参数 称疲劳特征参数 2 常幅疲劳验算 式中 计算部位的应力幅对于焊接结构 max min对于非焊接结构 max 0 7 min 折算应力幅 max min 计算部位每次应力循环中的最大拉应力和最小拉应力或压应力 压应力取负值 常幅疲劳的容许应力幅 3 验算公式的几点补充说明 1 计算时用荷载的标准值 2 由于来源于试验 已考虑动力效应 计算时不再考虑动力系数 3 公式同样适用剪应力情况验算 4 针对不同构造和受力特点的钢结构和连接 应力集中和残余应力分布程度不同 GB50017 2003把各种不同的构造划分为8个类别 给出了8个类别的C 值 编号越大 其应力集中 残余应力情况越严重 其C值越小 容许应力幅 越小 5 钢材种类不同 静力强度差别较大 而公式中 无差别 试验表明 对目前常用的构件和连接 疲劳强度一般与所用钢材的屈服强度无关 所以 不能通过提高钢材屈服强度来提高抗疲劳能力 6 对非焊接结构 残余应力影响较小 疲劳寿命主要与最大应力 应力比有关 但为统一采用一种验算公式 引入了折算应力幅概念 7 完全压应力状态不验算疲劳 规范规定 在应力循环中不出现拉应力部位可不计算疲劳 2 6 3变幅疲劳 当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳 对于受随机荷载作用的变幅疲劳计算 通常近似按线性疲劳累积损伤原则将变化的应力幅折算成等效常应力幅 e 然后令 式中 ni 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命 ni 预期使用寿命内应力幅水平达到 i的应力循环次数 常幅疲劳的容许应力幅 对于吊车梁 按下式计算其疲劳强度 欠载效应系数 重级工作制硬钩吊车1 0 重级工作制软钩吊车0 8 中级工作制吊车0 5 循环次数N 2 106的容许应力幅 式中 第2 7节钢材的种类和规格 1 钢材的种类2 钢材的选择3 钢材的规格 1 了解钢材的种类 命名和选择 本节目录 基本要求 2 了解钢材的主要规格 2 7 1钢材的种类 按用途钢可分为 结构钢 工具钢和特殊钢 按冶炼方法 钢可分为转炉 平炉和电炉 按照脱氧方法和程度的不同 可分为沸腾钢 半镇静钢 镇静钢和特殊镇静钢 按化学成分 钢又可分为碳素钢和低合金钢 1 碳素结构钢 命名方式 由四部分组成 依次是屈服点的字母Q 屈服点数值 质量等级符号和脱氧方法符号 如Q235 A F 说明 1 质量等级符号A B C D是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同共化分为4个等级 Q235 质量等级 A B C D 脱氧方法 F Z b Tz A 保证fu fy P S含量B 保证fu fy 冷弯 常温时Cv P S C含量 C 保证fu fy 冷弯 0oC时Cv P S C含量 D 保证fu fy 冷弯 20oC时Cv P S C含量 2 脱氧方法符号也有四种 F代表沸腾钢 b代表半镇静钢 Z代表镇静钢 TZ代表特种镇静钢 在具体标注时Z和TZ可以省略 3 规范GB50017将Q235牌号的钢材选为承重结构用钢 其化学成分和脱氧方法 拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范GB T700 2006的要求 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适量添加几种合金元素 合金元素总量不超过5 使钢的强度明显提高 低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似 只是质量等级分为A B C D E五等 其中E主要是要求 40 的冲击韧性 低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢 故可不加脱氧方法的符号 根据钢材厚度 直径 16mm时的屈服点不同 分为Q295 Q345 Q390 Q420 Q460等 其中Q345 Q390和Q420钢材都有较高的强度和较好的塑性 韧性和焊接性能 是钢结构设计规范推荐采用的钢种 2 7 2钢材的选择 1 选择钢材的一般原则 1 结构或构件的重要性 2 荷载情况静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材 动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材 3 连接方法 焊接连接 螺栓连接 焊接结构对材质的要求严格 应严格控制C S P的极限含量 非焊接结构对C的要求可降低一些 4 结构所处的工作条件 环境温度 腐蚀等 低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢 5 钢材的厚度厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材 2 钢材选择的注意事项 1 承重结构的钢材宜采用Q235钢 Q345钢 Q390钢和Q420钢 其质量应分别符合国家标准 碳素结构钢 GB T700和 低合金高强度结构钢 GB T1591的规定 2 承重结构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 对焊接结构尚具有含碳量的合格保证 3 对于需要验算疲劳的焊接结构 应具有常温冲击韧性的合格保证 当结构工作温度等于或低于0 但高于 20 时 Q235钢和Q345钢应具有0 冲击韧性合格的保证 对于Q390钢和Q420钢应具有 20 冲击韧性的合格保证 当结构工作温度等于或低于 20 时 对Q235钢和Q345钢应具有 20 冲击韧性的合格保证 对Q390和Q420钢应具有 40 冲击韧性的合格保证 4 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 当结构工作温度等于或低于 20 时 对Q235钢和Q345钢应具有0 冲击韧性合格的保证 对Q390钢和Q420钢应具有 20 冲击韧性的合格保证 2 7 3钢材的规格 主要包括 热轧成型的钢板和型钢 以及冷加工成型的冷轧薄钢板和冷弯薄壁型钢 分为厚钢板 薄钢板和扁钢 1 热轧钢板 表示方法 宽 厚度 长度 2 热轧型钢 1 工字钢 普通工字钢的型号用符号 工 后面加截面高度的厘米数表示 20号以上的工字钢 又按腹板的厚度不同 分为a b或a b c等类别 轻型工字钢的表示方法同普通工字钢 类型 分为普通工字钢和轻型工字钢两种 表示方法 型号 普通工字钢为10 63号轻型工字钢为10 70号供应长度 5 19m 供应尺寸规格 图2 7 2 2 角钢 表示方法 不等边角钢 长边宽 短边宽 厚度等边角钢 边长 厚度 类型 分为等边和不等边两种 最大边长 200mm供应长度 4 19m 供应尺寸规格 3 槽钢 表示方法 和工字钢相似 类型 分为普通槽钢和轻型槽钢两种 最大型号为 40c供应长度为5 19m 供应尺寸规格 图2 7 6 图2 7 7 4 H型钢 分类 宽翼缘 HW 中翼缘 HM 和窄翼缘 HN 图2 7 9 图2 7 10 5 钢管 分类 无缝钢管和焊接钢管两种 供应规格 国产热轧无缝钢管的最大外径可达630mm 供应长度 3 12m 表示方法 外径 壁厚 图2 7 11 图2 7 13 6 冷弯薄壁型钢和压型钢板 图2 7 14压型钢板壁厚0 4 1 5mm 图2 7 15 1 了解钢结构连接的种类及特点 2 了解焊接的工作性能 掌握焊接连接的构造要求和计算方法 3 掌握螺栓连接的构造要求和计算方法 4 掌握焊接残余应力和残余变形产生的原因及对结构工作性能的影响 3 1钢结构的连接方法3 2焊接方法和焊缝连接形式3 3角焊缝的构造与计算3 4对接焊缝的构造与计算3 5焊接应力和焊接变形3 6螺栓连接的构造3 7普通螺栓连接的工作性能和计算3 8高强度螺栓连接的工作性能和计算 本章目录 基本要求 第3 1节钢结构的连接方法 1 概述2 焊缝连接3 螺栓连接4 铆钉连接 了解钢结构的连接方法及特点 本节目录 基本要求 3 1 1概述 连接的作用是通过一定方式将板材或型钢组合成构件 或将若干构件组合成整体结构 以保证其共同工作 钢结构的连接方法可分为焊接连接 螺栓连接和铆钉连接三种 3 1 2焊缝连接 优点 构造简单 任何形式的构件都可直接相连 用料经济 不削弱截面 制作加工方便 可实现自动化操作 连接的密闭性好 结构刚度大 缺点 在焊缝附近的热影响区内 钢材局部材质变脆 焊接残余应力和残余变形降低受压构件承载力 对裂纹敏感 局部裂纹一旦发生 就容易扩展到整体 低温冷脆问题较为突出 3 1 3螺栓连接 铆钉连接是将铆钉插入铆孔后施压使铆钉端部铆合 常用加热铆合 也可在常温下铆合 铆钉连接的塑性 韧性较好 连接变形小 承受动力荷载时抗疲劳性能好 适合于重型和直接承受动力荷载的结构 但由于铆钉连接费材费工 噪音大 一般情况下很少采用 3 1 4铆钉连接 图3 1 3铆钉连接 第3 2节焊接方法和焊缝连接形式 1 钢结构常用焊接方法2 焊缝连接形式及焊缝形式3 焊缝缺陷及焊缝质量检验 了解焊缝连接类型 焊接方法及质量要求等 本节目录 基本要求 1 手工电弧焊 3 2 1钢结构常用焊接方法 1 原理 利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝 4 焊条的表示方法 E后面加4个数字 E 表示焊条 Electrode 前两位数字为熔融金属的最小抗拉强度 N mm2 后两位数字表示适用焊接位置 电流种类及药皮类型等 2 优点 设备简单 操作灵活方便 适于任意空间位置的焊接 持别适于焊接短焊缝 3 缺点 生产效率低 劳动强度大 焊接质量取决于焊工的精神状态与技术水平 质量波动大 5 焊条的选择 焊条应与焊件钢材相适应 不同钢种的钢材焊接 宜采用与低强度钢材相适应的焊条 如 Q390 Q420钢 E55型焊条 E5500 5518 Q345钢 E50型焊条 E5000 5048 Q235钢 E43型焊条 E4300 E4328 2 埋弧焊 自动或半自动 1 原理 埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法 2 优点 自动化程度高 焊接速度快 劳动强度低 电弧热量集中 熔深大 热影响区小 工艺条件稳定 焊缝的化学成分均匀 焊缝质量好 焊件变形小 3 缺点 装配精度要求高 设备投资大 施工位置受限等 4 焊丝的选择 埋弧焊的焊条应与焊件钢材相匹配 如 Q235 H08 H08A H08MnA Q345 Q390 H08A H08E H08Mn等 3 气体保护焊 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 在电弧周围造成局部的保护层 使被熔化的钢材不与空气接触 其优点 电弧加热集中 焊接速度快 熔化深度大 焊缝强度高 塑性好 1 焊缝连接形式 3 2 2焊缝连接形式及焊缝形式 按被连接钢材的相互位置 可分为 1 对接连接 2 焊缝形式 1 正交 平行 斜交 对接焊缝 角焊缝 正对接焊缝 斜对接焊缝 按受力方向 正面角焊缝 侧面角焊缝 斜焊缝 2 角焊缝沿长度方向的布置分为 连续角焊缝 受力性能较好 为主要的角焊缝形式 断续角焊缝 在起 灭弧处容易引起应力集中 用于次要构件或受力小的连接 长度b 10hf或50mm 受压时间断距离l 15t 受拉时l 30t 其中t为较薄焊件的厚度 3 角焊缝按施焊位置分为 1 焊缝缺陷 3 2 3焊缝缺陷及焊缝质量检验 焊缝缺陷是指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷 常见的缺陷有裂纹 焊瘤 烧穿 弧坑 气孔 夹渣 咬边 未熔合 未焊透等 以及焊缝尺寸不符合要求 焊缝成形不良等 2 焊缝质量检验 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 超声波检验 X射线或 射线透照或拍片 3 焊缝质量等级及选用 钢结构工程施工质量验收规范 GB50205 2001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 1 焊缝质量等级 一级 二级焊缝则除外观检查外 还要求一定数量的超声波探伤检验 超声波探伤不能对缺陷作出判断时 应采用射线探伤检验 并应符合国家相应质量标准的要求 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 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 平行于作用力方向的纵向对接焊缝应为二级 2 焊缝等级选用 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 重级工作制和起重量 500kN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 质量不应低于二级 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 500kN的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级 3 焊缝符号 第3 3节角焊缝的构造与计算 1 角焊缝的形式和强度2 角焊缝的构造要求3 直角角焊缝强度计算的基本公式4 直角角焊缝计算 1 掌握角焊缝形式 受力特点及构造要求 本节目录 基本要求 2 掌握直角角焊缝的计算方法 3 3 1角焊缝的形式和强度 1 角焊缝的形式 角焊缝按截面形式 根据两焊脚边的夹角 可分为直角角焊缝和斜角角焊缝 应用情况如下 1 直角角焊缝 图中 hf称为焊脚尺寸 he称为焊缝的有效厚度 直角角焊缝通常焊成表面微凸的等腰直角三角形截面 对直接承受动力荷载的结构 正面角焊缝截面通常焊成平坡形式 侧面角焊缝截面则焊成凹面形式 2 斜角角焊缝 两焊边夹角 90 或 90 的焊缝称为斜角角焊缝 斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中 对于 135 或 60 斜角角焊缝 除钢管结构外 不宜用作受力焊缝 2 直角角焊缝的布置 按角焊缝与外力的关系可分为 1 正面角焊缝 作用力方向与焊缝长度方向垂直 2 侧面角焊缝 作用力方向与焊缝长度方向平行 3 斜焊缝 作用力方向与焊缝方向斜交 3 直角角焊缝的受力分析 1 侧面角焊缝 侧焊缝 试验表明侧面角焊缝主要承受剪力 强度相对较低 但塑性性能较好 因外力通过焊缝时发生弯折 故弹性阶段剪应力沿焊缝长度分布不均匀 呈两端大中间小 lw hf越大剪应力分布越不均匀 但在接近塑性工作阶段时 应力趋于均布 2 正面角焊缝 端焊缝 正面角焊缝受力后应力状态较复杂 应力集中严重 焊缝根部形成高峰应力 易于开裂 破坏强度要高一些 与侧面角焊缝相比可高出35 55 以上 但塑性较差 3 斜焊缝 斜焊缝的受力性能介于侧面角焊缝和正面角焊缝之间 4 破坏截面的提出 直角角焊缝破坏试验结果表明 侧焊缝破坏沿45 喉截面居多端焊缝破坏则多不在45 喉截面 而直角角焊缝中 侧焊缝破坏强度最低端焊缝破坏强度最高 是侧焊缝的1 35 1 55倍斜焊缝居中 故为简化计算 偏于安全地假定破坏发生于45 喉截面上 5 有效截面 图中 hf称为焊脚尺寸 he称为焊缝的有效厚度 he 0 7hf 略去余高 有效截面 计算截面 面积 45 方向截面上有效厚度与焊缝计算长度的乘积 3 3 2角焊缝的构造要求 1 焊角尺寸hf的构造要求 为了避免因焊脚尺寸过大或过小而引起 烧穿 变脆 等缺陷 以及焊缝长度太长或太短而出现焊缝受力不均匀等现象 对角焊缝的焊脚尺寸 焊缝长度还有限制 在计算角焊缝连接时 除满足焊缝的强度条件外 还必须满足以下构造要求 1 最大焊脚尺寸 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 除钢管结构除外 hf max应满足以下要求 若另一焊件厚度t1 t时 还应满足hf max 1 2t1 hf max 1 2t1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 1 2 mm当t 6mm时 hf max t 2 最小焊脚尺寸 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还应满足以下要求 式中 t 较厚焊件厚度另外 对埋弧自动焊hf min可减小1mm 对T形连接单面角焊缝hf min应增加1mm 当t 4mm时 hf min t 取整mm数 小数点以后只进不舍 3 设计焊角尺寸hf应满足 1 侧面角焊缝的最大计算长度 2 焊缝计算长度的构造要求 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 焊缝越长 应力集中越显著 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 但是当焊缝长度超过某一限值后 可能首先在焊缝两端发生破坏而逐渐向中间发展 最终导致焊缝破坏 当实际长度大于以上限值时 计算时超出部分不予考虑 但当内力沿侧焊缝全长分布时 lw不受此限制 故侧面焊缝计算长度 2 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灭弧坑相距太近 使焊缝不可靠 焊缝越短应力集中也越严重 故根据经验 规定 此规定适合正面角焊缝和侧面角焊缝 3 侧面角焊缝的计算长度 当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时 3 搭接连接的构造要求 试验结果表明 连接的承载力与b lw有关 当b lw 1时 连接承载力随比值增大明显下降 这是由于应力传递的过分弯折而使构件中应力不均所致 为防止连接强度过分降低 规范规定 b lw 1 为避免因焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大 要求 b 16t t 12mm 或190mm t 12mm 式中 b为两侧焊缝的距离 lw为侧焊缝计算长度 t为较薄焊件的厚度 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 当焊缝端部在焊件转角处时 应将焊缝延续绕过转角加焊2hf 避开起落弧发生在转角处的应力集中 3 3 3直角角焊缝强度计算的基本公式 分析计算直角角焊缝时 作如下假定和简化处理 假定角焊缝破坏面与直角边的夹角为45 不计焊缝熔入焊件的深度和焊缝表面的弧线高度 偏安全地取破坏面上等腰三角形的高为直角角焊缝的有效厚度he he 0 7hf 1 基本假定 有效厚度he与焊缝计算长度lw的乘积称为破坏面的有效截面面积 计算时假定有效截面上应力均匀分布 2 有效截面上的应力状态 在外力作用下 直角角焊缝有效截面上有三个应力 正应力垂直于焊缝有效截面 面外垂直 剪应力平行于焊缝长度方向 面内平行 剪应力垂直于焊缝长度方向 面内垂直 3 破坏时的极限条件 国际标准化组织 ISO 推荐用式 3 1 确