第二十一章-钢结构简介PPT课件

1 钢结构简介 建筑力学与结构 2 第二十一章钢结构简介 3 一 材料选用1 钢材的种类按用途分 结构钢 工具钢 特殊钢 结构钢分为 建筑用钢和机械用钢 按治炼方法分 转炉钢 氧气顶吹转炉钢 平炉钢 按脱氧方法分 沸腾钢 F 半镇静钢 b 镇静钢 Z 特殊镇静钢 TZ 按成型方法分 轧制钢 冷轧 热轧 锻钢 铸钢 按化学成分分 碳素钢 合金钢 建筑上采用的是碳素结构钢 低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢 第一节钢结构材料 4 碳素结构钢碳素钢按屈服点数值分为五个牌号 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275 碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q 屈服点值 N mm2 质量等级符和脱氧方法符号等四个部分序组成Q 脱氧方法 F 沸腾钢b 半镇静钢Z 镇静钢TZ 特殊镇静钢质量等级 Q235分A B C DQ345分A B C D E屈服点数值 5 例如 Q235 AF表示屈服强度为235N mm2的A级沸腾钢 Q235 Bb表示屈服强度为235N mm2的B级半镇静钢 Q235 C表示屈服强度为235N mm2的C级镇静钢 低合金高强度结构钢低合金钢是在冶炼过程中添加一种或几种少量合金元素 其总量低于5 的钢材 低合金高强度结构钢有Q295 Q345 Q390 Q420 Q460 常用的低合金钢有Q345 Q390 Q420等 低合金钢的牌号与碳素结构钢牌号的表示方法相同 低合金钢的脱氧方法为镇静钢或特殊镇静钢 6 碳素结构钢和低合金钢都可以采取适当的热处理 如调质处理 进一步提高其强度 例如用于制造高强度螺栓的45号优质碳素钢以及40硼 40B 20锰钛硼 20MnTiB 就是通过调质处理提高强度的 注 碳素结构钢分 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 7 2 钢材的规格钢结构所用钢材主要为热轧成型的钢板 型钢 以及冷弯成型的薄壁型钢等 钢板薄钢板 厚度0 35 4mm 宽度为500 1500mm 长0 5 4m厚钢板 厚度4 5 60mm 宽度为600 3000mm 长4 12m 特厚板 板厚 60mm 扁钢 厚度4 60mm 宽度为12 200mm 长3 9m 钢板用 宽 厚 长 或 宽 厚 表示 单位为mm 如 450 8 3100 450 8 8 型钢钢结构常用的型钢是角钢 工字型钢 槽钢和H型钢 钢管等 除H型钢和钢管有热轧和焊接成型外 其余型钢均为热轧成型 角钢等边角钢L 肢宽 肢厚不等边角钢L 长肢 短肢 肢厚如 L100 10 L100 80 8 角钢 9 工字钢包括普通工字钢 轻型工字钢 H型钢 工字钢 用号数表示 号数即为其截面高度的厘米数 20号以上的工字钢 同一号数有三种不同的腹板厚度分别为a b c三类 长度为5 19m 10 H型钢 HW 宽 HM 中 HN 窄 T表示方法 高度H 宽度B 腹板厚度t1 翼缘厚度t2例 HM340 250 9 14TM170 250 9 14 H型钢 11 槽钢 普通槽钢 轻型槽钢a b c表示腹板厚 从 14a b 以14cm起有不同腹板厚 用其截面高度的cm数表示 长度为5 19m 槽钢 12 钢管 无缝钢管 焊接钢管表示方法 用 后面加 外径 厚度 例 300 6无缝钢管 外径32 351mm 壁厚2 5 16mm 有缝钢管 外径32 352mm 壁厚25 5mm 13 冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢采用薄钢板冷轧制成 其壁厚一般为1 5 12mm 但承重结构受力构件的壁厚不宜小于2mm 薄壁型钢能充分利用钢材的强度以节约钢材 在轻钢结构中得到广泛应用 常用冷弯薄壁型钢截面型式有等边角钢 卷边等边角钢 Z型钢 卷边Z型钢 槽钢 卷边槽钢 C型钢 钢管等 14 3 钢材的选用 选用钢材的原则是 既能使结构安全可靠地满足使用上的要求 又要尽最大可能节约材料 降低造价 选用钢材时需要考虑的如下因素 结构的类型及重要性荷载的性质连接方法结构的工作温度构件的受力性质 15 选用要求承重结构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含碳量的合格保证 即不得使用Q235A 主要焊接结构不能使用Q235 A级钢 因为Q235 A级钢的碳含量不作为交货条件 即不作为保证 即使生产厂提供碳含量 也只能视为参考 不能排除离散性大 质量不稳定等 因此如发生事故 生产厂在法律上不负任何责任 二 设计指标 16 一 钢结构的连接方法钢结构的连接通常有焊接 铆接和螺栓连接三种方式 图3 1钢结构的连接方式 a 焊接连接 b 铆钉连接 c 螺栓连接 第二节钢结构的连接 17 钢结构的连接方法 18 二 钢结构的焊接1 焊接方法钢结构常用的焊接方法有 电弧焊 电渣焊 气体保护焊 电阻焊 19 2 焊缝连接形式焊缝连接形式按构件的相对位置分 平接 搭接 T形连接和角接 对接焊缝按受力与焊缝方向分 直缝 斜缝 角焊缝按受力与焊缝方向分 端缝 侧缝 按焊缝连续性分 连续焊缝 断续焊缝 按施工位置 俯焊 立焊 横焊 仰焊 20 a 对接焊缝的平接连接 b 用拼接板和角焊缝的平接连接 c 用顶板和角焊缝的平接连接 d 用角焊缝的搭接连接 21 e 用角焊缝的T形连接 f 焊透的T形连接 g 用角焊缝的角接连接 h 用对接焊缝的角接连接 22 1 焊缝缺陷焊缝中可能存在裂纹 气孔 烧穿 夹渣 未焊透 咬边 焊瘤等缺陷 3 焊缝缺陷和焊缝等级 a 热裂纹 b 冷裂纹 23 i 咬边 j 焊瘤 c 气孔 d 烧穿 e 夹渣 f 根部未焊透 g 边缘未熔合 h 层间未熔合 24 2 焊缝等级 钢结构工程施工质量验收规范 GB50205 规定 焊缝依其质量检查标准分为三级 三级焊缝只要求通过外观检查 即检查焊缝实际尺寸是否符合设计要求和有无看得见的裂纹 咬边等缺陷 对于重要结构或要求焊缝金属强度等于被焊金属强度的对接焊缝 必须进行一级或二级质量检验 即在外观检查的基础上再做无损检验 二级要求用超声波检验每条焊缝的20 长度 且不小于200mm 一级要求用超声波检验每条焊缝全部长度 以便揭示焊缝内部缺陷 4 焊缝代号焊缝符号主要由图形符号 辅助符号和引出线等部分组成 25 5 对接焊缝的构造1 对接焊缝按坡口形式分为以下几种 a I形缝 b 带钝边单边V形缝 c Y形缝 d 带钝边U形缝 e 带钝边双单边V形缝 f 双Y形缝 26 直边缝 适合板厚t 10mm单边V形 适合板厚t 10 20mm双边V形 适合板厚t 10 20mmU形 适合板厚t 20mmK形 适合板厚t 20mmX形 适合板厚t 20mm g h i 加垫板的I形缝 带钝边单边V形缝和Y形缝 27 2 对接焊缝的构造处理起落弧处易有焊接缺陷 所以用引弧板 但采用引弧板施工复杂 除承受动力荷载外 一般不用 计算时将焊缝长度两端各减去5mm 变厚度板对接 在板的一面或两面切成坡度不大于1 4的斜面 避免应力集中 变宽度板对接 在板的一侧或两侧切成坡度不大于1 4的斜边 避免应力集中 28 6 角焊缝的截面角焊缝两边夹角一般为900 直角角焊缝 夹角大于1350或小于600的斜角交焊缝 除钢管结构外 一般不宜用作受力焊缝 角焊缝的有效截面为平分角焊缝夹角 的截面 破坏往往从这个截面发生 有效截面的高度 不考虑焊缝余高 称为角焊缝的有效厚度he 当 90o时 he 0 7hf 当 90o时 he hfcos 2 29 a b c d 直角角焊缝 e f g 斜角角焊缝角焊缝截面图 30 2 角焊缝的尺寸限制焊脚尺寸hfhf应与焊件的厚度相适应 不宜过大或过小 对手工焊 hf应不小于 t为较厚焊件的厚度 mm 对自动焊 可减小1mm hf应不大于较薄焊件厚度的1 2倍 对于板件边缘的焊缝 当t 6mm时 hf t 当t 6mm时 hft 1 2 mm 焊缝长度lwlw也不应太长或太短 其计算长度不宜小于8hf或40mm 且不宜大于60hf 31 图角焊缝最大焊脚尺寸 32 三 普通螺栓连接1 螺栓的规格与表示 钢结构一般选用C级 粗制 六角螺母螺栓 标识用M和工程直径 mm 表示 例如M16 M20等 建筑工程中常采用M16 M20和M24等 螺栓的制图符号见教材 33 螺栓的排列 2 螺栓的排列螺栓的排列有并列和错列两种基本形式 并列较简单 但对栓孔有削弱 图a 错列较紧凑 可减少截面削弱 但排列较繁杂 图b 34 螺栓在构件上的排列时应考虑下列要求 1 受力要求 对于受拉构件 螺栓的栓距和线距不应过小 否则对钢板截面削弱太多 构件有可能沿直线或折线发生净截面破坏 对于受压构件 沿作用力方向螺栓间距不应过大 否则被连接的板件间容易发生凸曲现象 因此 从受力角度应规定螺栓的最大和最小容许间距 2 构造要求 若栓距和线距过大 则构件接触面不够紧密 潮气易于侵入缝隙而产生腐蚀 所以 构造上要规定螺栓的最大容许间距 3 施工要求 为便于转动螺栓扳手 就要保证一定的作业空间 所以 施工上要规定螺栓的最小容许间距 根据以上要求 规范规定螺栓的最大和最小容许间距 35 四 高强度螺栓连接1 按受力特性分 摩擦型高强螺栓与承压型螺栓 摩擦型螺栓 抗剪连接时摩擦型以板件间最大摩擦力为承载力极限状态 承压型螺栓 允许克服最大摩擦力后 以螺杆抗剪与孔壁承压破坏为承载力极限状态 同普通螺栓 受拉时两者无区别 高强螺栓采用 级孔 便于施工 受传力机理的要求 构造上除连接板的边 端距 1 5d0外其它同普通螺栓 2 高强螺栓的材料与强度等级由高强材料经热处理制成 按强度等级分10 9与8 8级 10 9级一般为20MnTiB 40Cr等材料 fu 1000N mm2 fu fy 0 9 8 8级一般为45号钢制成 fu 800N mm2 fu fy 0 8 36 一 轴心受力构件轴心受力构件 只有轴向力的作用 称为轴心受力构件 轴心受拉构件 只有轴向拉力的作用 轴心受压构件 只有轴向压力的作用 应用实例 桁架 刚架 排架 塔架及网壳等杆件体系结构等 通常假设其节点为铰接连接 无节间荷载作用 可视为轴心受拉构件和轴心受压构件 第三节钢构件计算 37 图轴心受力构件在工程中的应用 a 桁架 b 塔架 c 网架 38 1 轴心受力构件的截面形式一般分为两类 第一类是热轧型钢截面 a 第二类是型钢组合截面 图b 或格构式组合截面 c 图 a 热轧型钢截面 图 b 型钢组合截面 图 c 格构式组合截面 39 图 a 热轧型钢截面 一般用于受力较小的杆件 其中圆钢回转半径最小 多用作拉杆 作压杆时用于格构式压杆的弦杆 钢管的回转半径较大 对称性好 材料利用率高 拉 压均可 大口径钢管一般用作压杆 型钢的回转半径存在各向异性 作压杆时有强轴和弱轴之分 材料利用率不高 但连接较为方便 单价低 图 b 型钢组合截面 改善了单型钢截面的稳定各向异性特征 受力较好 连接也较方便图 c 类为格构式截面 其回转半径大且各向均匀 用于较长 受力较大的轴心受力构件 特别是压杆 但其制作复杂 辅助材料用量多 40 H型钢的宽度与高度相同时对强轴的回转半径约为弱轴回转半径的2倍 对于在中点有侧向支撑的独立柱最适合 焊接工字形截面制造简单 其腹板按局部稳定的要求可作得很薄而节约钢材 应用十分广泛 为使翼缘与腹板便于焊接 截面的高度和宽度应大致相同 十字形截面在两个主轴方向的回转半径是相同的 对于重型中心受压柱 当两个方向的计算长度相同时 这种截面最为有利 方管或由钢板焊成的箱形截面 承载能力和刚度都较大 但连接构造复杂 常用作高大的承重支柱 41 确定轴心受力构件截面形式的原则 能提供强度所需要的截面面积 制作简便 便于和相邻构件连接 截面宽大而壁厚较薄 以满足刚度要求 42 2 轴心受力构件强度计算轴心受力构件的强度承载能力极限状态是截面的平均应力达到钢材的屈服强度 y 轴心受力构件的强度按下式验算 式中N 构件的轴心拉力或压力设计值 An 构件的净截面面积 钢材的抗拉或抗压强度设计值 43 3 刚度验算轴心受力构件的刚度是以其长细比来衡量的 轴心受力构件的刚度按下式验算 式中 构件最不利方向的长细比 I 相应方向的截面回转半径 构件的容许长细比 44 式中N 轴心受压构件的压力设计值 A 构件的毛截面面积 钢材的抗压强度设计值 轴心受压构件的整体稳定系数 4 整体稳定验算轴心受压构件的整体稳定性按下式验算 45 概念 如图所示的工字型截面轴心受压构件 若腹板及翼缘的板件太宽太薄 当轴压力达到某一数值时 板件就可能在构件丧失强度和整体稳定之前不能维持平面平衡状态而产生凹凸鼓出变形 这种现象称为板件失去稳定 或称板件屈曲 因板件是组成构件的一部分 故又把这种屈曲现象称为构件失去局部稳定或局部屈曲 5 局部稳定验算 46 1 横向加劲肋的设置为了提高构件的抗扭刚度 防止构件在施工和运输过程中发生变形 当h0 tw 80时 应在一定位置设置成对的横向加劲肋 图5 1 横向加劲肋的间距不得大于3h0 其外伸宽度bs不少于mm 厚度ts应不小于bs 15 6 轴心受力构件的构造 47 2 柱头柱头设计要求传力可靠 构造简单和便于安装 柱头的构造是与梁的端部构造密切相关的 轴心受压柱柱头的铰接构造方案 将梁设置于柱顶 图a b c 将梁连接于柱的侧面 图d e 48 3 柱脚轴心受压柱柱脚的作用是将柱身的压力均匀地传给基础 并和基础牢固连接 柱脚设计时应力求构造简单 并便于安装固定 轴心受压柱的柱脚分为 铰接柱脚和刚性柱脚 49 二 受弯构件概念 受弯构件主要是指承受横向荷载而受弯的实腹钢构件 即钢梁 1 分类 1 钢梁按支承情况的不同 可分为简支梁 悬臂梁和连续梁 钢梁一般采用简支梁 它不仅制造简单 安装方便 而且可以避免支座沉陷所产生的不利影响 2 根据受力情况的不同 还可分为单向受弯梁和双向受弯梁 斜弯曲梁 3 钢梁按截面构成方式的不同分为实腹式和格构式 实腹式又分为型钢梁和组合梁两大类 如图所示 50 51 此外 还可根据跨度和荷载大小的需要 采用如图所示的蜂窝梁 它是将工字钢或H形钢的腹板沿图所示折线切开后焊接而成的梁 52 2 梁强度计算梁在荷载作用下将产生弯应力 剪应力 在集中荷载作用处还有局部承压应力 故梁的强度应包括 抗弯强度 抗剪强度 局部承压强度 在弯应力 剪应力及局部压应力共同作用处还应验算折算应力 1 抗弯强度钢梁在弯矩作用下 可分为三个工作阶段 即弹性 弹塑性及塑性阶段 弹性阶段 以边缘屈服为最大承载力弹塑性阶段 以塑性铰弯矩为最大承载力 53 梁的抗弯强度按下列公式计算 单向弯曲时 双向弯曲时 式中M 弯矩 截面塑性发展系数 对于工字形截面 x 1 05 y 1 2 对于箱形截面 x y 1 05 此处x为强轴 y为弱轴 54 2 抗剪强度规范以截面最大剪力达到所用钢材剪应力屈服点作为抗剪承载力极限状态 于是梁的抗剪强度计算公式为式中V 计算截面沿腹板平面作用的剪力 I 梁的毛截面惯性矩 S 中和轴以上或以下截面对中和轴的面积矩 按毛截面计算 tw 腹板厚度 fv 钢材抗剪强度设计值 对于轧制工字钢和槽钢因受轧制条件限制 腹板厚度tw相对较大 当无较大截面削弱时 可不必验算抗剪强度 55 3 腹板局部压应力当梁的上翼缘有沿腹板平面作用的固定集中荷载而未设支承加劲肋 或受有移动集中荷载 如吊车轮压 作用时 可认为集中荷载从作用处以45 角扩散 均匀分布于腹板边缘 腹板计算高度上边缘的局部承压强度按下式计算 56 F 集中荷载 对动力荷载应考虑动力系数 集中荷载增大系数 对重级工作制吊车梁 1 35 对其它梁 1 0 lz 集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度 按下式计算 lz a 2hya 集中荷载沿梁跨方向的支承长度 对吊车梁取50mm hy 自吊车梁轨顶或其它梁顶面至腹板计算高度上边缘的距离 在梁的支座处 当不设置加劲肋时 也应计算腹板计算高度下边缘的局部压应力 但 取1 0 支座反力的假定分布长度 应根据支座具体尺寸计算 57 4 折算应力在组合梁的腹板计算高度边缘处 若同时受有较大的正应力 剪应力和局部压应力 或同时受有较大的正应力和剪应力 应验算其折算应力 如图所示 折算应力验算公式为 两 同号取1 1 异号取1 2 图折算应力验算截面 58 3 梁的刚度控制梁的挠跨比小于规定的限制 为变形量的限制 梁的挠度v 按一般材料力学公式计算 或相对挠度v l应满足下式v v 或v l v l式中 v 梁的容许挠度 梁的刚度属正常使用极限状态 故计算时应采用荷载标准值 且不考虑螺栓孔引起的截面削弱 对动力荷载标准值也不乘动力系数 59 4 梁的梁的整体稳定梁受弯变形后 上翼缘受压 由于梁侧向刚度不够 就会发生梁的侧向弯曲失稳变形 梁截面从上至下弯曲量不等 就形成截面的扭转变形 同时还有弯矩作用平面那的弯曲变形 故梁的失稳为弯扭失稳形式 完整的说应为 侧向弯曲扭转失稳 从以上失稳机理来看 提高梁的整稳承载力的有效措施应为提高梁上翼缘的侧移刚度 减小梁上翼缘的侧向计算长度 60 1 梁的整体稳定保证措施提高梁的整体稳定承载力的关键是 增强梁受压翼缘的抗侧移及扭转刚度 在实际工程中 梁的整体稳定常由铺板或支撑来保证 梁常与其它构件相互连接 有利于阻止梁丧失整体稳定 规范规定 当符合下列情况之一时 都不必计算梁的整体稳定性 有铺板 各种钢筋混凝土板或钢板 密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连 能阻止梁的受压翼缘的侧向位移时 工字形截面简支梁受压翼缘自由长度l1与其宽度b1之比不超过规定的数值时 箱形截面梁 其截面尺寸满足h b0 6 且l1 b0不超过下列规定的数值时 不必计算梁的整体稳定性 61 62 2 整体稳定计算表达式单向