钢结构材料PPT课件

郭小农2015年同济大学建筑工程系 第1讲钢结构材料和结构体系不回短信 65980531土木楼A730Guo xiao nong Tj 3d3s 2008 密码123456 主要知识点 1 钢材的本构关系复习 钢结构基本原理 2 钢材性能的主要影响因素陈绍蕃 钢结构设计原理 第1章3 钢结构的主要结构体系随便吹吹牛 精品课件 4 第1节本构关系 1 本构关系 1 1单向拉伸试验曲线 弹性阶段 线弹性段 应力应变成线性关系 卸载后变形消失 非线弹性段 应力应变为非线性关系 卸载后变形消失 总体而言 弹性阶段变形很小 屈服阶段 应力应变进入非线性的弹塑性阶段 有明显的水平状的屈服平台 应力基本保持不变应变不断发展 暂时丧失加载能力 卸载后弹性变形消失 但仍残留变形 塑性变形 强化阶段 钢材内部晶粒重新排列 恢复承载能力 颈缩阶段 超过顶点后 试件出现横向收缩 称 颈缩 随后断裂 1 本构关系 比例极限弹性模量屈服点流幅抗拉强度延伸率 1 2结构钢的重要力学性能指标 Q235 1 本构关系 1 3结构钢的几个重要特性 屈服强度fy用作为钢结构设计可达到的最大应力 原因 1 fe fp fy非常接近 三者合一 可认为弹性与塑性的分界点 2 fy以后 塑性变形很大 一旦超载 易被发现加固补救 3 fy发展到fu 有很大一段区域 可作为强度储备 称fu fy为强屈比 要求大于1 2为计算方便 通常将实际的应力应变曲线简化 视作理想弹塑性模型 1 本构关系 算例01 某简支钢梁 梁端承受端弯矩 长度6m 截面为工字形 截面高度400mm 已知钢材的弹性模量为E 200GPa 屈服强度为235Mpa 屈服平台的最大流幅2 5 为试分别估算 1 钢材边缘纤维刚刚屈服时 钢梁的跨中挠度 2 边缘纤维应变达2 5 时 钢梁的跨中挠度 3 思考屈服段的重要性 1 本构关系 算例02 开孔受拉钢板 厚度10mm 端部承受均匀拉力 已知钢材的弹性模量为E 200GPa 屈服强度为235Mpa 假定净截面上的纵向应变分布形状不随荷载增加而变化 且假定钢材的纵向应变达到限值时材料开裂 试分别估算下图3种本构关系下 钢板的抗拉承载力 1 本构关系 高强钢不锈钢铝合金 1 本构关系 1 4无屈服平台的拉伸曲线 Ramburg Osgood模型 特别的 对于铝合金 算例03 试采用xls编制R O模型的本构关系曲线 并研究指数n对于曲线形状的影响 1 本构关系 1 5屈服 算例04 一块Q235薄钢板 厚度为10mm 承受如右图所示的两种荷载 1 qy等比例增加 直观判断2块钢板谁先屈服 2 若已知qy 250kN m 计算两块钢板的折算应力 3 若将下图中的横向拉力改为压力 重新计算两块钢板的折算应力 b 两向应力状态 折算应力 a 三向应力状态 第四强度理论 c 一般梁中 d 纯剪状态 1 本构关系 算例05 一个Q235制作的钢球 将其扔到10万米深的海底 假设海水的密度为1Ton m3 1 试判断钢材是否会屈服 2 计算钢球的主应力 3 计算钢球的折算应力 算例05续 拓展 若该钢球表面承受1000MPa的负压 钢球是否会破坏 1 本构关系 Mises屈服条件 算例05 试在主应力坐标系中画出Mises屈服面 算例05 试在主应力坐标系中画出最大拉应力理论的屈服面 双向和三向应力作用下钢材的性能变化 三向拉应力作用下钢材会变脆 1 本构关系 1 本构关系 1 6强化 算例01续 某简支钢梁 梁端承受端弯矩 长度6m 截面为工字形 截面高度400mm 已知钢材的弹性模量为E 200GPa 屈服强度为235Mpa 屈服平台的最大流幅2 5 抗拉强度为350Mpa 抗拉强度对应的应变为20 试思考 强化段对于该钢梁的承载力有没有影响 相对于流幅结束段 有多少安全储备 在实际工程中 对于钢梁有没有必要考虑强化段 1 本构关系 1 6强化 思考06 假设钢材仍然满足第4强度理论 试在主应力坐标系中分别画图下图两种单向应力应变曲线所对应的屈服面 1 本构关系 1 6强化 单调加载 时效 单向往复加载 鲍辛格效应随动强化 等向强化 1 本构关系 1 7滞回 思考07 1 滞回环所围面积代表什么 2 通常进行钢材的滞回曲线 应变通常到2 为什么 对于工程结构而言是否足够了 3 有好事者将应变做到5 本构关系达到了强化段 试画出其滞回曲线图 思考08 对比超弹性材料 如SMA 的滞回曲线 思考其优缺点 精品课件 20 第2节主要影响因素 2 影响因素 2 1钢的脱氧 采用锰脱氧沸腾钢 采用硅脱氧镇静钢 主要影响 冲击韧性 2 影响因素 2 2钢的轧制 轧制钢板 纵向 横向 热轧工字钢腹板 翼缘 宽翼缘H型钢腹板 翼缘H型钢 工字钢 2 影响因素 2 2钢的轧制 热轧引起的残余应力 后冷却的地方为残余拉应力 思考09 图示残余应力对轴压杆件的稳定性有何影响 2 影响因素 2 3钢的热处理 普通建筑结构钢 一般是以热轧状态交货 无需热处理 高强钢调质处理 正火处理 调质处理的两道工序1 淬火 强度提高 塑性和韧性降低2 回火 恢复塑性和韧性 2 影响因素 2 4钢的矫直 矫直会在构件中产生残余应力 思考10 1 分析某热轧H型钢 进行平面外矫直之后的残余应力分布图 2 若将此H型钢作为钢梁 残余应力对其承载性能有何影响 3 若将此H型钢作为钢柱 残余应力对其承载性能有何影响 2 影响因素 2 5钢的各向异性 钢板沿厚度方向的性能最差 防止层间撕裂的方法 采用Z向钢 思考11 如图所示的梁柱节点 柱翼缘较厚 和梁焊接的下翼缘处出现了层状撕裂 根据图片判断 此破坏是出现在地震作用下还是恒荷载作用下 2 影响因素 2 6冷加工 剪切 剪断边严重硬化 刨边 或焊接融化 冲孔 孔壁严重硬化 甚至出现微裂纹 扩孔 冷弯 弯角处屈服点提高 2 影响因素 2 7热加工 焊接热影响区 过热区 晶粒粗大 强度硬度高 塑性韧性低 正火区 强度 塑性 韧性都较高 部分重结晶区 晶粒粗细不均匀 力学性能较差 热影响区范围很小 对构件的总体力学性能影响不大 2 影响因素 2 7热加工 焊接和火焰切割残余应力 思考11 1 对比焰切边和剪切边的焊接H型钢截面的残余应力图 2 若将此H型钢作为轴心受压构件 残余应力对其承载性能有何影响 2 影响因素 2 8多轴应力 单轴应力 多轴同号应力 多轴异号应力 三向拉应力作用下钢材会变脆 2 影响因素 2 9加载速率 加载速率增大 强度和塑性均有所提高 动本构 2 影响因素 2 10温度 低温 冷脆 高温 强度降低 变软 拓展知识 铝合金低温下增强增韧 精品课件 33 第3节钢结构体系简介 桁架结构Truss 杆系 框架结构Frame 杆系 网格结构SpaceGridStructure 杆系 拱与拱架结构Arch 曲杆 板式结构结构Plate 板 张拉结构TensionStructure 3 结构体系 3 1桁架结构 平面桁架 3 结构体系 空间桁架 3 结构体系 3 1桁架结构 主要特点 梁式结构 杆件以受轴力为主 主要荷载 垂直于桁架方向传力体系 弦杆传递弯矩 腹杆传递剪力 3 结构体系 3 1桁架结构 案例01 某屋架采用平面桁架结构体系 跨度24m 柱距6m 已知恒载为2 0kN m2 活载为1 5kN m2 材料采用Q235钢 1 试对该桁架进行合理的选型 2 试估算弦杆的轴力 估算腹杆的轴力 3 画出计算简图 分析计算简图的不同对于计算结果的影响 3 2框架结构 3 结构体系 主要特点 梁受弯矩为主 柱压弯为主 主要荷载 竖向力 水平力传力体系 根据水平力的传递分为带支撑框架和无支撑纯框架 3 结构体系 3 2框架结构 案例02 比较框架 排架 带支撑框架的抗侧刚度 已知某三层框架 钢柱截面采用HW200 钢梁截面假定比钢柱大很多 支撑截面为D25圆钢 试比较右图3种结构的抗侧刚度 3 结构体系 3 3网格结构 空间结构 案例03 某网架的分块安装 3 结构体系 主要特点 杆件以受轴力为主 主要荷载 竖向力 水平力传力体系 依靠结构的体型来达到传递荷载的最高效率 3 结构体系 3 3网格结构 空间结构 案例04 某复杂空间结构的传力路径分析 3 结构体系 3 4拱结构 主要特点 合理拱轴的构件以受轴力为主 弯矩较小主要荷载 竖向力 水平力 3 结构体系 3 4拱结构 案例05 某偏心拱桥的振动问题 3 6板式结构 3 结构体系 主要特点 依靠板件承受荷载 应尽量使板件面内受力重要注意 需保证板件的边缘刚度 3 结构体系 案例06 分析某破坏的污水槽结构破坏的原因 3 6板式结构 3 结构体系 平面索桁架体系 承重索 形状 下凹作用 承受外荷载稳定索 形状 上凸作用 稳定结构体系施加预应力后结构成形 3 7张拉结构 3 结构体系 矩形平面中置平面索桁架平行布 3 结构体系 圆形平面中平面索桁架径向布置 3 结构体系 单层预应力索网由两组相互正交且曲率相反的索组成 形成一种