同济大学钢结构基本原理PPT课件

.,1,钢结构基本原理,张其林同济大学建筑工程系2012年9月,.,2,一、绪论,1、结构体系钢结构2、钢结构课程基本原理、设计3、钢结构的组成构件+连接4、钢结构特点5、钢结构应用6、钢结构的设计要求7、钢结构的发展8、钢结构的设计依据,.,3,混凝土水泥+石料钢材结构钢(低碳钢、低合金钢)玻璃钢化、半钢化、浮法木材原木、轻木膜材玻璃纤维、聚脂纤维等铝材结构铝,结构体系,建筑材料,混凝土结构钢结构玻璃结构(幕墙结构)木结构膜结构铝合金结构,钢结构受力构件采用结构钢材的建筑结构、桥梁结构和构筑物建筑结构：供人类工作或居住的建筑物构筑物：用于完成特定功能的结构体系(输电塔、储油罐等)桥梁结构：用于跨越障碍物(河、江、海等)的结构,1、结构体系钢结构,.,4,.,5,.,6,绪论钢结构材料受拉构件和索轴心受压构件受弯构件压弯构件钢结构的连接,钢结构基本原理,建筑钢结构设计,绪论平台钢结构门式刚架结构重型厂房结构排架系统吊车梁系统多高层框架,基本构件的设计计算理论,结构体系的布置与设计,基本构件：构成结构体系的基本受力单元，含索、柱、梁、拱、板、壳等结构体系和用途不同，但其基本构件的设计理论是一致的。,2、钢结构课程基本原理、设计,.,7,钢构件形式,连接形式,结构体系,钢板焊接截面热轧型钢截面冷弯薄壁截面铸钢节点域轴心受力柱受弯梁压弯构件,铆接连接普通螺栓连接高强螺栓连接焊接连接,多高层框架结构大跨度空间结构厂房刚架排架结构高耸结构桥梁结构特种结构,+,=,钢结构基本原理建筑钢结构设计,3、钢结构组成构件+连接,.,8,.,9,1)预制拼装产品化、工业化、干作业施工速度快2)材质均匀理想稳定计算模型确定、精度高安全性好3)材料强度高板件薄、构件细长轻型、稳定性问题4)塑性韧性好抗震性能好、动力承载性能好5)耐腐蚀性能差防腐措施6)耐热性能好、耐火性能差防火措施,4、钢结构特点,.,10,综合效益：适合大型公共和商业建筑（高层、大跨）、自重轻基础造价小、施工快资金周转快、安全性能好标准化、工厂化、装配式带动产业链发展、绿色建材符合国家发展战略(removable/reuse/recycle)、,.,11,工业厂房轻型门式刚架、屋盖、重工业排架,5、钢结构应用,.,12,多层及高层建筑,框架体系、双重抗侧力体系、筒体体系,.,13,大跨度结构飞机库、候机楼、体育场馆、会展中心等公共建筑结构体系：网架网壳（螺栓球节点、焊接球节点）,.,14,结构体系：钢管桁架（直接汇交焊接节点、铸钢件节点）,组焊完成的构件,.,15,结构体系：预张力结构,.,16,高耸塔桅电视、无线发射、观光等,.,17,其他结构幕墙支承、压力容器、折板结构、桥塔、桥面梁板、水箱、船舶、车厢、基坑维护、地下管线、脚手架,.,18,国家技术经济政策：安全性、经济性、先进性、高质量运输、安装和使用中的安全性正常使用极限状态和承载能力极限状态极端情况下的人员安全性*火、爆、恐怖袭击合理的结构方案、选材和构造标准化构件、工厂化制作可行的结构制作、运输和安装高强材料、高效构件或结构体系组合构件和体系,6、钢结构的设计要求,.,19,世界各国大兴土木建设高潮的时期:美国:30年代；欧洲:60年代；日本:60年代；中国:90年代土木工程学科领域重大土木工程建设世界六十年代创造规模和速度令人惊叹的材料工艺和体系桥梁、建筑、地下工程,学习模仿跟踪性研究局部改进和创新,7、钢结构的发展,.,20,我国：钢产量全球第一建筑钢结构用量比例极少,.,21,应用拓展住宅产业化、土木设施城镇化快速发展：2001年37%2020年60%2050年75%以上2005至2020年转移农村人口3亿以上，2050年累计6-7亿,改变：粘土为主要材料、自建自住的不可持续住宅发展模式带动：材料设备制作设计安装维修的整个产业链发展,.,22,.,23,应用趋势更轻更高更大Lighter,tallerandlarger,材料、构件和体系的发展与创新,.,24,高性能材料、大回转半径截面、组合或杂交截面与结构体系,Q235、Q345，Q420(水立方)、Q460(CCTV、鸟巢)，Q700-1100耐侯钢、耐火钢、,.,25,研究方向极端灾害破坏机理、精细化数值模拟、信息化模型、全寿命优化(sustainablestructures)、,.,26,建筑结构设计统一标准建筑结构荷载规范建筑抗震设计规范钢结构设计规范GB50017冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018高耸结构设计规范高层民用建筑钢结构技术规程网架结构设计与施工规程网壳结构技术规程玻璃幕墙工程设计规范,GB系列,JGJ系列,8、钢结构的设计依据,.,27,门式刚架结构设计规程索膜结构设计技术规程钢管混凝土结构设计与施工规程点支式玻璃幕墙技术规程轻型钢结构设计规程膜结构技术规程建筑结构用索技术规程,CECS系列,DBJ系列,.,28,第一章结束,.,29,二、钢结构材料,.,30,1、均匀受拉时的工作性能,A:fp200MPa,ep0.1%C:fy235MPa,ey0.15%2.5%B:fu370-460MPa,eu21%,.,31,钢材是理想的弹塑性材料钢材的屈强比fy/fp是结构的安全储备钢材的塑性：伸长率d与收缩率y,原尺寸与拉断后尺寸相对比,.,32,2、单轴反复应力下的工作性能,钢材反复加载曲线：冷作硬化、时效、疲劳、滞回曲线,.,33,3、复杂应力下的工作性能,双拉：屈服点高、伸长率低，拉压：屈服点低、伸长率高，,.,34,4、抗冲击性能和冷弯性能,强度和塑性指标承受静力荷载性能：静力拉伸试验钢材抗冲击性能承受动力荷载性能：冲击韧性ak,V型、U型缺口,ak=Ak/An强度和韧性的综合指标Ak冲击功N.m(J),Ak=W(h1-h2),W=摆锤重，h1/h2=冲断前后摆锤高度An试件缺口处净截面面积,.,35,钢材的冷弯性能：钢材常温下冷加工产生塑性变形时对发生裂缝的抵抗能力,衡量钢材力学性能的综合指标冷弯试验检验钢材内部缺陷（晶粒、结晶、杂物）拉伸试验和冲击试验的补充,.,36,焊接焊接热影响区和焊接热影响效应焊接应力、塑性韧性等力学指标退化可焊性好：焊缝处及热影响区力学性能不低于母材、无焊接裂缝、安全可靠可焊性取决于钢材化学成分含量：低碳钢：碳0.27%、锰0.7%、硅0.4%、硫磷0.05%低合金钢：碳当量EC%=C+Mn+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15可焊性试验：施工中试验、使用中试验、冲击韧性、裂纹,5、可焊性,.,37,干腐蚀：金属和非金属元素直接结合湿腐蚀：水分多的环境下与非金属元素结合形成腐蚀物提高抗腐蚀性能：涂料底层处理(抛丸除锈等)+底漆+面漆耐侯钢材Cu-P-Ti-Re:09CuPCrNi,16CuCr,12MnCuCrCu-P-Ni-Cr:SMA400AW,AP,SMA490AW,6、抗腐蚀性能,.,38,延性破坏：塑性破坏，应力fyfu，径缩变形断裂，变形时间长剪应力超过晶粒抗剪能力脆性破坏：脆性断裂，应力fy破坏？不适用于脆性断裂断裂力学理论！I型裂纹：张开型II型裂纹：滑移型III型裂纹：撕开型,7、延性破坏、累积损伤、脆性破坏、疲劳破坏,.,39,系数裂纹宽度一半应力应力强度因子：临界应力s0：裂纹失稳扩展时应力断裂韧性KIC：,KIKIC失稳，裂纹扩展,弹性断裂力学公式：,弹性断裂力学公式(张开位移理论)：,稳定不稳定,位移临界值,.,40,影响脆性断裂的因素：裂纹尺寸、作用应力、材料韧性提高抗脆断措施：焊接施工管理，避免焊接裂纹、杂质避免焊缝集中、采取措施避免或消除焊接残余应力优化细部构造措施、避免应力集中选择合理钢材，低温动力下工作时选用高等级钢应力腐蚀断裂：,.,41,疲劳破坏：反复荷载下低应力状态突然破坏反复荷载下的脆性破坏疲劳破坏过程：裂纹形成裂纹缓慢扩展裂纹失稳扩展(焊缝)内部缺陷应力集中影响因素：应力循环形式和次数、应力集中、残余应力、缺陷应力比：r=smin/smax绝对值较小绝对值较大拉(+)压(-)应力幅：由于存在残余应力，r不能代表实际应力变化情况Ds=smax-smin最大拉应力最小拉应力或压应力拉(+)压(-)疲劳强度曲线：,.,42,匀质材料疲劳强度与应力比的关系：应力幅与应力循环次数关系：,.,43,损伤累积破坏：损伤：荷载+环境+温度+化学缺陷塑性损伤、疲劳损伤、材质变化、蠕变损伤损伤不断积累导致的破坏损伤累积破坏损伤变量D：无损伤0、破坏1，D=(0,1)单调递增、不可逆,.,44,化学成分的影响Fe-99%,C、Si、Mn、V1.5%，Cr、Ni、Cu、Ti、NbS、P、O、N0.1%C:屈服点和抗拉强度，塑性/韧性/可焊性/耐腐蚀性/疲劳/冷弯适量Si(0.1%-0.3%):强度，过量降低塑性/韧性/可焊性/抗锈性适量Mn(0.3%-0.8%)：强度,消除热冷脆,过量降低塑性/韧性/可焊性/抗锈性S硫化铁:降低塑性/韧性/疲劳/可焊性/抗锈性，产生热脆，0.045%P：强度/抗绣性,严重降低塑性/韧性/冷弯，产生冷脆，0.045%O/N：O产生热脆,0.05%；N产生冷脆,6mm时);圆孔或槽孔内hf圆孔直径或槽孔短径的1/3。,.,78,焊缝长度lw（实际长度减去起终点各5mm）不宜太小，避免杆件局部加热严重。侧端缝lw8hf或40mm。不宜太大，因受力不均匀，避免受力大处先破坏，侧缝lw60hf(静)或40hf(动)，超过部分在计算中不考虑。内力均匀分布的梁翼缘腹板焊缝长度无限制。两边侧缝以间距d连接时，侧缝长度lwd。d16t(t12mm时)或d200mm(t12mm时)，t为较薄板件厚度。杆件与节点可采用两侧焊、三面围焊或L形围焊(角钢节点)。,.,79,角焊缝破坏面角焊缝的有效截面假定破坏面为焊缝的对称面，破坏面有效高度he,角焊缝的受力特点和强度：,角焊缝破坏面上的应力垂直于焊缝长度方向应力sf、平行于焊缝长度方向应力tfsf又分解为s和s。tf=t。,.,80,角焊缝的强度计算垂直于焊缝的力Ny，平行于焊缝的力Nz。,fwf为角焊缝强度设计值；bf为段焊缝强度增大系数，bf=1.22(静)，bf=1.0(动)。,.,81,轴力作用下角焊缝的计算,.,82,轴力作用下角钢连接角焊缝的计算,.,83,.,84,轴剪弯扭共同作用下角焊缝的计算,焊缝应力：垂直于焊缝sf，平行于焊缝tf。作用力：轴力N，剪力V，弯矩M，扭矩T。sf=sfN+sfV+sfM+sfT,tf=tfN+tfV+tfM+tfT,.,85,点1：翼缘。N产生t,V产生s，T产生tx和sy。点2：腹板。N产生s，V产生t，T产生sx和ty。,.,86,不焊透对接焊缝的计算按角焊缝计算：bf取1.0；有效厚度V形：he=s(a60o)，he=0.75s(a60o)U/J形：he=ss为焊缝根部至焊件表面最短距离。he1.5t,t为较厚焊件厚度,.,87,4、焊接应力和焊接变形,焊接残余应力纵向残余应力：焊接部位高温熔化、自由膨胀，冷却时焊接部位收缩，两侧固体约束其收缩使焊接部位受拉、两侧固体受压,.,88,横向残余应力：纵向收缩横向弯曲横向应力后焊部位开始凝固、横向收缩先焊已凝固部位阻止其收缩,.,89,厚度方向残余应力：钢板厚度0)时，M/N较大时(Nmin弯曲）格构式截面绕强轴稳定的边缘纤维屈服准则、单肢稳定双向压弯的应力效应叠加弯矩不均匀系数：将不均匀弯矩等效为均匀受弯局部稳定：翼缘等强、腹板等稳,.,186,压弯构件：轴心受压和绕截面形心的弯矩作用，或偏心受压。单向压弯和双向压弯构件。压弯构件截面：型钢、钢板焊接组合、型钢与型钢（钢板）的组合；开口、闭口；单轴对称、双轴对称；实腹式、格构式；阶形柱、楔形柱。,1、压弯构件的类型和截面形式,.,187,强度破坏、整体失稳、局部失稳。强度破坏：整体稳定：,2、压弯构件的破坏形式,.,188,压弯构件的强度计算准则边缘纤维屈服准则全截面屈服准则塑性部分发展准则单向压弯构件的强度按边缘纤维屈服准则设计公式：,3、压弯构件的截面强度,.,189,按全截面屈服准则,.,190,偏于安全地以直线表达：,.,191,按截面部分塑性深入准则,引入截面塑性发展系数g，得到强度计算和设计公式分别为：,.,192,双向压弯构件的强度边缘纤维屈服准则全截面屈服准则截面部分塑性深入准则以强度设计值fd代替屈服强度fy得到设计公式。,.,193,单向压弯构件平面内的整体稳定性压弯构件的边缘屈服准则：,4、压弯构件的整体稳定,考虑非线性的弯矩放大系数,.,194,压弯构件的极限承载力：实验研究（可以考虑实际初始缺陷）、数值计算（可以进行各参数影响分析）,.,195,边缘纤维屈服时承载力表达式：考虑截面塑性深入的承载力表达式：,冷弯薄壁构件格构式截面绕虚轴,型钢或焊接截面构件格构式截面绕强轴,极限承载力设计公式：,.,196,不对称工字形、T形截面压弯构件，弯矩使较大翼缘受压，受拉侧计算公式：设计验算公式：,.,197,等效弯矩系数bmx:将非均匀分布的弯矩当量化为均匀分布的弯矩，当量化方法：考虑变形后的杆身最大弯矩相等。（1）弯矩作用平面内两端有相对水平位移的压弯构件(有侧移框架柱、悬臂柱等)：（2）弯矩作用平面内两端无相对水平位移的压弯构件(两端支承构件、无侧移框架柱等)1）无横向荷载作用：2）有端弯矩和横向荷载作用时端弯矩使构件产生同向曲率：，反向曲率：3）无端弯矩但有一个跨中集中荷载时，4）无端弯矩但有几个横向集中荷载或横向均布荷载作用时，M1、M2构件平面内端弯矩，同向曲率同号，反之异号。,.,198,单向压弯构件平面外的整体稳定性平面外弯扭屈曲临界力,影响因素：截面形式、弹塑性、初始缺陷数值分析,.,199,平面外稳定承载力的实用计算公式：绝大多数钢结构截面，取实用公式：,等效弯矩系数btx:计算平面外稳定时的弯矩等效系数，（1）弯矩作用平面外有支承的构件，1）有端弯矩无横向荷载时，2）有端弯矩和横向荷载时，同向曲率；反向曲率3）无端弯矩有横向荷载时（2）悬臂构件M1、M2构件平面内端弯矩，同向曲率同号，反之异号。,.,200,双向压弯构件的稳定承载力分析方法：数值方法实用计算公式：设计公式：fbx、fbyMy、Mx作用下的弯扭失稳稳定系数。,.,201,格构式压弯构件格构式构件的截面形式：一般采用双肢柱，弯矩较小使两肢受力相当时采用对称截面，弯矩较大使两肢受力差异大时采用不对称截面。稳定计算：1.整体稳定一般：截面受压+绕虚轴(x-x)弯曲绕虚