第六章-钢结构构件ppt课件

钢结构构件 第一节钢结构的特点及应用 一 钢结构的特点 1 材料强度高 强重比大 塑性 韧性好 2 材质均匀 符合力学假定 安全可靠度高 3 工厂化生产 工业化程度高 施工速度快 4 钢结构耐热不耐火 易锈蚀 耐腐性差 二 钢结构的应用 1 重型结构及大跨度建筑结构 二 钢结构的应用 2 多层 高层及超高层建筑结构 二 钢结构的应用 3 塔桅等高耸结构 二 钢结构的应用 4 钢 混凝土组合结构 第二节钢结构的设计方法 极限状态设计法 承载能力极限状态 正常使用极限状态 经济 安全 适用 耐久 强度破坏 疲劳破坏 丧失稳定 变为可变体系 第二章钢结构的材料 第一节钢结构对钢材性能的要求 钢材性能要求 较高的强度 足够的变形能力 较好的塑性和韧性 良好的加工性能 钢材的主要力学性能 强度 塑性 冲击韧性 冷弯性能 可焊性 Z向收缩率 屈服强度fy为设计依据抗拉强度fu为安全储备 伸长率 断面收缩率 衡量 钢材承受动力荷载的能力 是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标 第三节钢材的主要力学性能 一 强度 强度体现了材料的承载能力 主要指标有屈服点fy和抗拉强度fu 通过静力拉伸试验得到 屈服点 为设计时钢材可达到的最大应力 抗拉强度fu是钢材破坏前能够承受的最大应力 钢材达到fu时 已产生很大塑性变形而失去使用性能 但fu高则可以增加结构的安全保障 故fu fy的值可看作钢材强度储备系数 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 A B C O D 二 塑性 钢材的塑性为当应力超过屈服点后 能产生显著的残余变形 塑性变形 而不立即断裂的性质 塑性好坏可用伸长率 和断面收缩率 表示 通过静力拉伸试验得到 伸长率 伸长率 为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百分率 L1 为试件拉断后标距间长度 断面收缩率 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率 A0 试件原来的断面面积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积 结构或构件在受力时 尤其承受动力荷载时 材料塑性好坏往往决定了结构是否安全可靠 因此钢材塑性指标比强度指标更为重要 三 冲击韧性 钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力 也是表示钢材抵抗因冲击荷载 应力集中等而致脆性断裂能力的一项机械性能 它是强度与塑性的综合表现 用材料在断裂时所吸收的总能量来量度 其值为图中应力应变曲线与横坐标所包围的总面积 面积越大韧性越高 四 可焊性 钢材的可焊性是指在一定工艺和结构条件下 钢材经过焊接能够获得良好的焊接接头的性能 可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性 施工上的可焊性指对产生裂纹的敏感性 使用性能上的可焊性是指焊接构件在焊接后的力学性能是否低于母材 五 冷弯性能 冷弯性能是指钢材在冷加工 常温下加工 产生塑性变形时 对产生裂缝的抵抗能力 冷弯性能用试验方法来检验钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能 检查试件弯曲部分的外面 里面和侧面是否有裂纹 裂断和分层 六 耐久性 耐久性需要考虑的有 耐腐蚀性 时效 现象 疲劳现象等 时效 随着时间的增长 钢材的力学性能有所改变 疲劳 多次反复荷载作用下 钢材低于屈服点fy发生的破坏 七 钢材Z向收缩率 当钢材较厚时 或承受沿厚度方向的拉力时 要求钢材具有板厚方向的收缩率要求 以防厚度方向的分层 撕裂 第四节复杂应力作用下结构钢材的屈服条件 只有正应力 只有剪应力 既有正应力又有剪应力 第五节钢材的破坏形式 塑性破坏 脆性破坏 疲劳破坏 破坏时有很大的塑性变形 破坏突然 几乎不出现塑性变形 没有明显变形的突然破坏 原因 1 钢材质量差2 结构 构件的构造不当3 制造安装质量差4 结构受较大动力荷载 第六节结构钢材的种类及其选用 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 钢结构所用的钢材主要有 圆钢 角钢 槽钢 工字钢 钢管 H 型钢和一些冷弯薄壁型钢 二 结构钢材选材原则 2 荷载性质 1 结构或构件的重要性 4 应力特征 3 连接方法 5 结构的工作温度 6 钢材厚度 第三章钢结构的连接 第一节连接分类及特点 一 连接概述 连接 焊缝连接 紧固件连接 二 焊缝连接 焊接优点 用料经济 不削弱截面 连接密封性好 整体性好 焊接缺点 焊接部位附近材质变脆 产生残余应力及残余应变 焊缝连接形式和种类 按被连接钢材的相对位置分 按施焊的方位分 对接 搭接 T行连接 角接 平焊 立焊 横焊 仰焊 角焊缝 对接焊缝 对接焊缝 在两焊件连接面的间隙内 用溶化的焊条金属填设 并与焊件溶化部分相结合 形成的焊缝 角焊缝 焊缝金属填充在被连接件形成的直 斜 角区域内的焊缝 焊接质量检验 焊缝质量检验方法分 外观检查 超声波探伤检验 X射线检验 焊缝质量分三级 一级焊缝需经外观检查 超声波探伤 x射线检验都合格 二级焊缝需外观检查 超声波探伤合格 三级焊缝需外观检查合格 三 铆钉 螺栓连接 铆钉连接 普通螺栓连接 高强度螺栓连接 承压型 摩擦型 通过摩擦力抗剪 通过孔壁与螺栓杆相互挤压抗剪 第二节对接焊缝连接设计 一 对接焊缝的构造 焊接材料与构件钢材匹配 Q235用E43Q345用E50 对接焊缝的坡口形式 厚度不等的两钢板的对接 关于用引弧板焊接的问题 a 直边缝 适合板厚t 10mmb 单边V形 适合板厚t 10 20mmc 双边V形 适合板厚t 10 20mmd U形 适合板厚t 20mme K形 适合板厚t 20mmf X形 适合板厚t 20mm 对接焊缝的形式 对接焊缝的构造 在对接焊缝的拼接处 当焊件的宽度不同或厚度相差4mm以上时 应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1 2 5的斜角 以使截面过渡和缓 减小应力集中 二 对接焊缝的计算 对接焊缝的强度与所用钢材的牌号 焊条型号及焊缝质量的检验标准等因素有关 如果焊缝中不存在任何缺陷 焊缝金属的强度是高于母材的 全由于焊接技术问题 焊缝中可能有气孔 夹渣 咬边 未焊透等缺陷 实验证明 焊接缺陷对受压 受剪的对接焊缝影响不大 故可认为受压 受剪的对接焊缝与母材强度相等 但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感 当缺陷面积与焊件截面积之比超过5 时 对接焊缝的抗拉强度将明显下降 由于三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多 故其抗拉强度为母材强度的85 而一 二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等 对接焊缝的应力分布认为与焊件原来的应力分布基本相同 计算时 焊缝中最大应力 或折算应力 不能超过焊缝的强度设计值 轴心拉力或压力 焊缝计算长度 无引弧板时 焊缝长度取实长减去2t 有引弧板时 取实长 平接时为焊件的较小厚度 顶接时取腹板厚 对接焊缝的抗拉 抗压强度设计值 或fcw 1 轴心受力的对接焊缝 在一般加引弧板施焊的情况下 所有受压 受剪的对接焊缝以及受拉的一 二级焊缝 均与母材等强 不用计算 只有受拉的三级焊缝才需要进行计算 当直焊缝不能满足强度要求时 可采用斜对接焊缝 当斜焊缝倾角 56 3 即tg 1 5时 可认为与母材等强 不用计算 fvw 对接焊缝抗剪强度设计值 斜对接焊缝的计算 2 承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝 由于焊缝截面是矩形 正应力与剪应力图形分别为三角形与抛物线形 其最大值应分别满足下列强度条件 焊缝截面抵抗矩 焊缝截面上计算点处以上截面对中和轴的面积矩 对于腹板和翼缘的交界点 正应力 剪应力虽不是最大 但都比较大 所以需验算折算应力 即 1 1为腹板与翼缘交界点处的正应力和剪应力 1 1为考虑到最大折算应力只在部分截面的部分点出现 而将强度设计值适当提高 3 承受轴心力 弯矩和剪力联合作用的对接焊缝 当轴心力与弯矩 剪力联合作用时 轴心力和弯矩在焊缝中引起的正应力应进行叠加 剪应力仍按上面的式验算 折算应力仍按上面的式验算 例题1 试验算下图所示钢板的对接焊缝的强度 图中a 540mm t 22mm 轴心力的设计值为N 2500kN 钢材为Q235 B 手工焊 焊条为E43型 三级检验标准的焊缝 施焊时加引弧板 第三节角焊缝连接设计 一 角焊缝形式 正面角焊缝 侧面角焊缝 斜角焊缝 二 角焊缝截面形状 直角角焊缝 斜角角焊缝 三 角焊缝的尺寸要求 最小焊角尺寸 最大焊角尺寸 侧面角焊缝的最小计算长度 侧面角焊缝的最大计算长度 四 直角角焊缝的强度验算 四 直角角焊缝的强度验算 正面角焊缝的验算 侧面角焊缝的验算 r 垂直于焊缝长度方向的应力 f 沿焊缝长度方向的剪应力 he 角焊缝有效厚度 lw 角焊缝计算长度 每条角焊缝取实际长度2 ffw 角焊缝强度设计值 f 系数 对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构 f 1 22 直接承受动力荷载 f 1 0 例题 试确定图3 3 15所示承受静态轴心力的三面围焊连接的承载力及肢尖焊缝的长度 已知角钢2 125 10 与厚度为8mm的节点板连接 其搭接长度为300mm 焊脚尺寸hf 8mm 钢材为Q235 B 手工焊 焊条为E43型 第四节普通螺栓连接设计 一 普通螺栓的连接构造 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和螺栓直径 mm 表示 例如M16 M20等 主要用于受拉连接及次要构件和临时固定构件的受剪连接 2 螺栓的排列应考虑以下因素 受力要求 构造要求 施工要求 二 普通螺栓的抗剪连接计算 普通螺栓连接按受力分类 受剪 受拉 剪拉共同作用 1 受剪连接的破坏形式 破坏形式 螺栓受剪破坏 孔壁挤压破坏 连接板净截面破坏 螺栓受弯破坏 连接板冲剪破坏 连接计算保证 验算钢板的强度保证 构造要求保证 2 抗剪连接的工作性能 0 1摩擦传力的弹性阶段 1 2滑移阶段 2 3栓杆直接传力的弹性阶段 3 4栓杆直接传力的弹塑性阶段 3 单个普通螺栓的抗剪承载力计算 螺栓受剪破坏 孔壁挤压破坏 nv 受剪面数d 螺杆直径 同一方向承压构件较小总厚度 螺栓抗剪 抗压强度设计值 4 普通螺栓群的轴心抗剪承载力计算 三 普通螺栓的抗拉连接计算 普通螺栓抗拉强度设计值取螺栓钢材抗拉强度设计值的0 8倍用以考虑撬力的不利影响 2 普通螺栓群的偏心受拉承载力计算 小偏心受拉 3 普通螺栓受剪力和拉力联合作用的连接计算 螺栓杆受剪 拉破坏 孔壁承压破坏 破坏形式 第四章轴心受力构件 第一节概述第二节轴心受拉构件第三节实腹式轴心受压构件第四节格构式轴心受压构件第五节柱头和柱脚设计 第一节概述 1 轴心受力构件分轴心受拉及受压两类构件 作为一种受力构件 就应满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求 2 正常使用极限状态的要求构件有足够的刚度 承载能力极限状态包括强度 整体稳定 局部稳定三方面的要求 3 轴心受拉构件主要是由强度控制 轴心受压构件主要是由稳定控制 4 轴心受力构件截面 组合截面 型钢截面 格构式组合截面 实腹式组合截面 第二节轴心受拉构件 一 轴心受拉构件的强度 以净截面的平均应力强度为准则 即 二 轴心受拉构件的刚度 以构件的长细比来控制 即 承载能力极限状态 正常使用极限状态 强度 刚度 第三节实腹式轴心受压构件 承载能力极限状态 正常使用极限状态 强度 整体稳定 局部稳定 刚度 控制长细比 一 轴心受压构件的强度 二 实腹式轴心受压构件的整体稳定 1 关于稳定的概述 N较小时 N增加到Ncr时 N大于Ncr时 欧拉临界力 微弯可恢复 微弯不可恢复 产生很大的弯曲变形随即破坏 一 轴心受拉构件的验算 承载能力极限状态 正常使用极限状态 强度验算 刚度验算 二 轴心受压构件的验算 承载能力极限状态 正常使用极限状态 强度 整体稳定 局部稳定验算 刚度验算 三 欧拉临界力 欧拉临界应力 影响临界应力的因素 截面残余应力 长细比 初始偏心 初始弯曲 2 轴心受压构件的整体稳定验算 稳定系数 三 实腹式轴心受压构件的局部稳定 板件越宽越薄 板件越容易失稳 局部失稳 促使构件整体破坏 保证局部失稳不先于整体失稳 控制板件局部失稳的方法 限制宽厚比b t 处理H 工字形腹板局部失稳的方法 1 增加板件厚度 2 增加纵 横向加劲肋 轧制的型钢构件一般都满足局部稳定要求 无需进行局部稳定验算 四 轴心受压构件的刚度 以构件的长细比来控制 即 轴心受压构件的验算 限制宽厚比b t 验算强度 验算整体稳定性 验算局部稳定性 验算刚度 五 实腹式轴心受压构件的截面设计 设计原则 肢宽壁薄 等稳定性 构造简单 第五章受弯构件 梁 第一节概述第二节梁的强度和刚度第三节梁的扭转第四节梁的整体稳定第五节梁的局部稳定和加劲肋设计第六节考虑腹板屈曲后强度梁的设计第七节钢梁的设计 第一节概述 1 梁主要是用作承受横向荷载的实腹式构件 主要内力为弯矩与剪力 2 梁的截面主要分型钢与钢板组合截面 3 梁格形式主要有 简式梁格 普通梁格及复式梁格 4 梁的正常使用极限状态为控制梁的挠曲变形 5 梁的承载能力极限状态包括 强度 整体稳定性及局部稳定性 梁的验算 正常使用极限状态 承载能力极限状态 强度 局部稳定 整体稳定 刚度 即最大挠度 第二节梁的强度与刚度 一 梁的抗弯强度 弹性阶段 以边缘屈服为最大承载力 塑性阶段 整个截面达到屈服 弹塑性阶段 部分截面屈服 截面形状系数 塑性发展系数 弹性最大弯矩 塑性铰弯矩 抗弯强度验算 二 梁的抗剪强度 三 梁的局部承压强度 四 梁的刚度 第四节梁的整体稳定 临界弯矩的影响因素 梁的截面形状和尺寸 荷载的种类和荷载作用位置 梁的受压翼缘自由长度 不进行梁的整体稳定验算的条件 P306 梁的整体稳定计算方法 1 简支组合工字型及轧制H型 2 简支轧制普通工字型 查表5 6 3 简支轧制槽钢 整体稳定系数 双向受弯的整体稳定验算 整体稳定系数的确定 第四节梁的局部稳定和加劲肋设计 一 概述 1 同轴压构件一样 为提高梁的刚度与强度及整体稳定承载力 应遵循 肢宽壁薄 的设计原则 从而引发板件的局部稳定承载力问题 2 翼缘板受力较为简单 仍按限制板件宽厚比的方法来保证局部稳定性 3 腹板受力复杂 而且为满足强度要求 截面高度较大 如仍采用限制梁的腹板高厚比的方法 会使腹板取值很大 不经济 一般采用加劲肋的方法来减小板件尺寸 从而提高局部稳定承载力 图中 1 横向加劲肋2 纵向加劲肋3 短加劲肋 二 梁受压翼缘板的局部稳定 三 梁腹板的局部稳定 按构造配横向加劲肋或不配加劲肋 根据计算值配横向加劲肋 根据计算值配横向和纵向加劲肋 第七节钢梁的设计 一 型钢梁的设计 1 根据实际情况计算梁的最大弯距设计值Mmax 2 根据抗弯强度 计算所需的净截面抵抗矩 3 查型钢表确定型钢截面 4 截面验算 1 强度验算 抗弯 抗剪 局部承压 一般不需验算折算应力强度 2 刚度验算 验算梁的挠跨比 3 整体稳定验算 型钢截面局部稳定一般不需验算 4 根据验算结果调整截面 再进行验算 直至满足 一 判断题 每小题2分 共30分 1 建筑结构设计 通常是按承裁力极限状态设计构件 必要时再按正常使用极限状态 2 混凝土的轴心抗压强度是确定混凝土强度等级的依据 3 钢筋的屈强比越大 强度储备越大 钢筋的利用程度越高 4 剪压破坏有预兆是塑性破坏 斜拉破坏与斜压破坏是脆性破坏 5 在梁内受拉区配筋量越多 梁的承裁力就