哈工大钢结构基本原理课件

,土木工程学院,主讲：邵永松教授,钢结构基本原理及设计,钢结构基本原理及设计,shaoyongsong,使用教材:钢结构设计原理张耀春高等教育出版社参考用书:钢结构魏明钟主编武汉理工大学出版社钢结构钟善桐中国建筑工业出版社,钢结构基本原理及设计,课程内容体系介绍,结构,轴心构件受弯构件偏心构件,材料,发展,构件,厂房,高层建筑,桥梁结构,大跨度建筑,塔桅结构,焊接铆接螺栓,焊接铆接螺栓,计算方法设计原理,钢结构基本原理及设计,1-1钢结构发展简史,1-2钢结构特点及应用,1-3钢结构的设计方法,1-4钢结构的新发展,第1章绪论,第1章绪论,1-1钢结构发展简史,全国重点保护文物泸定铁索桥，建于17051706年，桥身共由13根铁链组成；每根（铁链）由862977节铁环相扣，每根铁链重13001800kg。,1.古代发展,1-1钢结构发展简史,根据文献记载，中国早在公元前五十年就建成了跨度达百米的铁索桥，而欧美直到十七世纪尚未出现铁索桥。,泸定铁索桥,防腐问题,1-1钢结构发展简史,公元1061年（宋代）在湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔，目前依然存在。铁塔高17.9米，八角十三级，重53.3吨，为我国现存最高、最重、最大的铁塔。已有900多年的历史。,我国古代金属结构建筑在世界上处于领先地位。镇江甘露寺铁塔、荆州玉泉寺铁塔等等。,1-1钢结构发展简史,甘露寺铁塔位于天王殿东北，实际上是唐宝历元年(八二五年)卫公李德裕建，故又称卫公塔。宋代重铸为铁塔，原塔为七级。十九世纪末又因大风疾雷，倾倒四层。,1-1钢结构发展简史,建国前,2.现代,19271937年是我国土木工程及金属结构建设的黄金时代，代表作品有：,沈阳皇姑屯机车厂钢结构厂房（1927）,广州中山纪念堂圆屋顶（19281931）,钱塘江大桥（1937）,1-1钢结构发展简史,广州中山纪念堂是为了纪念孙中山先生建造的，于1931年10月竣工。厅内容积为33300立方米，容量为5000人。建国后，广州市的标志性建筑，为国家一级文物。,1-1钢结构发展简史,由茅以升先生主持兴建的杭州钱塘江大桥。该桥由他带领一批留学生自行设计和监造(实际施工由丹麦康益洋行承包下部结构和沉箱基础工程，上部结构钢梁则由英商道门朗公司承包制造和安装)。,1-1钢结构发展简史,建国后,第一个五年计划：以工业厂房（156个大型项目）、交通工程为主。,第一重型机械厂,第一汽车制造厂,1-1钢结构发展简史,人民大会堂,第二第四个五年计划：以公共建筑为主。,钢屋架,跨度61米高度7米,1-1钢结构发展简史,第五个五年计划：,以工业厂房、公共建筑、交通工程为主,宝钢厂区,1-1钢结构发展简史,芜湖长江大桥,九江长江大桥,(钢材15MnVN),1-1钢结构发展简史,瑞金饭店27层107米金沙江大酒店14层41.4米锦江宾馆43层153.21米静安希尔顿宾馆,京广中心53层208米京城大厦52层国贸中心40层长富宫25层,1-1钢结构发展简史,1-1钢结构发展简史,1997年，我国钢产量达1亿吨,1998年投产的轧制H型钢系列1991年2月4日马鞍山钢铁公司轧制我国第一根H型钢1996年建成的深圳地王大厦高度325米1998年建成的大连远洋大厦，钢结构高层建筑（高度201米，51层），全部由我国自己完成,1-1钢结构发展简史,上海金茂大厦,上海证券大厦,1-1钢结构发展简史,主跨602米的结合梁斜拉桥在1994年建成时居世界斜拉桥跨度之首，现名列第三。,上海杨浦大桥,1-1钢结构发展简史,自1996年超过1亿吨以来，一直位列世界钢产量的首位，2006年更达到创纪录的3.8亿吨。我国新的钢结构设计规范GB50017和冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018也已发布实施。所有这些，为钢结构在我国的快速发展创造了条件。,1-1钢结构发展简史,于1777-1781年，世界上第一座铸铁桥。它的建造者是钢铁大王亚伯拉罕达比。由建筑师TF普里查德协助设计。这座桥横跨塞文河，跨度为30.5米。,3.钢结构在国外的发展史简介,1-1钢结构发展简史,框架结构最初在美国得到发展，其主要特点是以生铁框架代替承重墙。1858-1868年建造的巴黎圣日内维夫图书馆，是初期生铁框架形式的代表。,1-1钢结构发展简史,英国利兹货币交易所,伦敦老火车站,美国1850-1880年间“生铁时代”建造的大量商店、仓库和政府大厦多应用生铁构件门面或框架。,1-1钢结构发展简史,第一座依照现代钢框架结构原理建造起来的高层建筑是芝加哥家庭保险公司大厦。（1883-1885，WilliamLeBaronJenney）,共十层外形仍然保持着古典的比例,1-1钢结构发展简史,巴黎的埃菲尔铁塔，在1889年为纪念法国大革命一百周年而建造，落成之日，设计者埃菲尔骄傲地向世人宣称，世界上只有法国的国旗具有300米高的旗杆。,1-1钢结构发展简史,英国福斯桥,建于1889年，是世界上第一座现代化钢桥。,计算简图,1-1钢结构发展简史,钢拱桥是二十世纪早期常见的桥梁形式。,1-1钢结构发展简史,美国旧金山的金门大桥，建于20世纪30年代用了二万多根钢丝缆绳组成,1-1钢结构发展简史,纽约帝国大厦,马来西亚石油大厦,1-1钢结构发展简史,纽约帝国大厦1931年102层381米芝加哥汉考克大厦1970年100层337米纽约世界贸易中心1973年110层411米芝加哥西尔斯大厦1974年109层442米马来西亚石油大厦1996年88层450米金茂大厦88层421米,1-1钢结构发展简史,1-1钢结构发展简史,芝加哥西尔斯大厦,柳京饭店，它有一百零五层，高三百八十米，约有三千个房间，朝鲜最高的建筑，朝鲜建筑史上的奇迹。平壤古代又名柳京。,介绍一座混凝土建筑：,1-1钢结构发展简史,框架结构体系框架支撑结构体系框架剪力墙体系框架-筒体结构体系悬挂结构体系成束筒结构,4.高层钢结构结构体系,构件,连接,1-1钢结构发展简史,一、钢结构的特点,2.塑性、韧性好，各向同性、力学性能与力学假定符合程度好，抗震性能好；,1.强度/重量比大；稳定性,3.具可焊性、易加工制造、具良好的装配性；,4.密封性好；,5.可以重复利用；,6.有一定的耐热性，但是耐火性较差；,7.易锈蚀、有焊接残余应力；,8.低温冷脆。,1-2钢结构特点及应用,1-2钢结构特点及应用,工业化程度高（具可焊性、易加工制造、具良好的装配性）,1-2钢结构特点及应用,密封性能好,1-2钢结构特点及应用,耐火性不好，易锈蚀,钢结构通常在450650温度中就会失去承载能力发生很大的变形，导致钢柱、钢梁弯曲，因过大变形不能使用一般不加保护的钢结构的耐火极限为15分钟左右。,1-2钢结构特点及应用,A.外包层在钢结构外表添加外包层，可以现浇成型，可以采用喷涂法。,B.充水(水套)空心型钢结构内充水是抵御火灾最有效的防护措施。,提高钢结构耐火性的措施,1-2钢结构特点及应用,屏蔽钢结构设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内，或将构件包藏在两片墙之间的空隙里增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的一种经济的防火方法。,D.膨胀材料采用钢结构防火涂料保护构件具有防火隔热性能好、施工不受钢结构几何形体限制等优点一般不需要添加辅助设施，涂层质量轻，美观先进防火技术措施。,1-2钢结构特点及应用,1.大跨度结构,有空间桁架、网架、网壳、悬索、张弦梁、拱架和框架等,二.钢结构的应用,国家大剧院,1-2钢结构特点及应用,北京中华世纪坛,1-2钢结构特点及应用,2.工业厂房,鞍钢1700连铸主厂房工程,鞍钢大连镀锌线主厂房工程,1-2钢结构特点及应用,3.受动力荷载作用的结构（桥梁、吊车梁）,1-2钢结构特点及应用,深圳地王大厦,4.多层与高层结构,香港中银,汇丰银行,1-2钢结构特点及应用,上海环球金融中心根据设计方案，大厦高492米、101层，建成后其高度将超过目前居世界第一的马来西亚大厦（高452米）。,1-2钢结构特点及应用,青岛电视塔,5.高耸结构,神州飞船发射塔,1-2钢结构特点及应用,多伦多电视塔,多伦多电视塔,东方明珠,1-2钢结构特点及应用,6.可拆卸移动结构,应用于建筑、铁路、公路、水利、商业、旅游和军事等领域的办公室、指挥部、宿舍、会议室、仓库、商店及各种临时用房。,1-2钢结构特点及应用,7.容器和管道,1-2钢结构特点及应用,各种筒仓,南京扬子石化化工厂,1-2钢结构特点及应用,配以零件、扣件、门窗等形成比较完善的建筑体系，即轻钢结构体系。体系由工厂制作，现场按要求拼装形成。具有自重轻，建设周期短，适应性强，外表美观，造价低，易维护等特点。由于自重轻，也降低了基础的造价。,8.轻型钢结构,彩钢板作屋面和墙面薄壁型钢作檩条和圈梁H型截面做柱与梁现场用螺栓或焊接门式钢架为主要结构的一种建筑,1-2钢结构特点及应用,厂房、库房、体育馆展览馆机场机库,已建和在建的浦东国际机场、首都国际机场、萧山国际机场、成都双流国际机场等重要工程。,1-2钢结构特点及应用,全钢结构无吊车,砼柱+钢屋盖排架结构,1-2钢结构特点及应用,多层循环类停车设备,1-2钢结构特点及应用,9.钢与混凝土组合结构,黑龙江省联通大厦,1-2钢结构特点及应用,1.传统的容许应力法和最大荷载法（统称单系数法）20世纪初五十年代,前言、钢结构设计方法的发展演变,最大荷载法也称极限荷载法SK是容许荷载产生的荷载效应；Rb是结构构件的破坏抗力。,1-3钢结构的设计方法,1-3钢结构的设计方法,2.三系数极限状态设计法五十年代七十年代,将一个安全系数分解为三个系数：,超载系数材料均质系数工作条件系数,特点-提出两种极限状态：（1）承载力极限；（2）正常使用极限状态。,1-3钢结构的设计方法,3.半概率极限状态设计法八十年代,SK是荷载效应标准值；Rk是结构构件抗力标准值。,K1荷载系数（1.23)K2材料系数(3号钢K2为1.143，16Mn钢为1.175)K3调整系数(一般等于1),令,是构件截面的几何特征,1-3钢结构的设计方法,公式形为容许应力法表达式，实为半概率半经验的极限状态设计法。缺点：系数大小并不反映可靠度，例如3号钢K=1.41，16Mn钢K=1.45，并不说明用16Mn的结构比3号钢安全。,1-3钢结构的设计方法,1.3.1概率极限状态设计法,将影响结构功能的诸因素作为随机变量，认为任何设计都不能保证绝对安全，而是存在一定风险，只要失效概率小到可接受的程度，可认为结构是安全的。,思想：,半概率法近似概率法全概率法,1-3钢结构的设计方法,结构的功能要求结构在规定的设计使用年限内应满足的功能有：(1)正常施工和正常使用时，能承受可能出现各种作用；(2)正常使用时具有良好的工作性能；(3)正常维护下具有足够的耐久性；(4)在设计规定的偶然事件（如地震、火灾、爆炸、撞击等）发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性。,1-3钢结构的设计方法,二.结构的可靠度结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的概率。一般建筑物的设计基准期为50年。三.结构的极限状态极限状态-整个结构或结构的一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。承载力极限状态强度破坏、疲劳破坏、结构和构件丧失稳定。(2)正常使用极限状态影响结构、构件和非结构构件正常使用或耐久性能的局部损坏。,1-3钢结构的设计方法,R、S受许多随机因素影响而不具确定性。,结构可靠度定义：结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的概率。,四.概率极限状态设计原理,1-3钢结构的设计方法,结构可靠度失效概率,归并R、S两个基本变量，设二者都服从正态分布，这样Z也是正态随机变量。,平均值,标准差,2.失效概率可靠指标,1-3钢结构的设计方法,可靠指标,表示平均值，确定曲线位置；表示离散程度，确定形状。只要二者确定，正态分布f(z)就确定令：,f(z),Z,指标确定了f(z)的分布，由其可确定失效概率Pf,1-3钢结构的设计方法,半概率法是分别考虑荷载效应与抗力的变异性，概率法是用可靠指标将荷载与抗力的变异性对结构的影响联合考虑。,五.设计表达式,按照概率表达式不符合人们习惯将公式转化为设计人员熟悉的分项系数设计式：,Z=RS,1.承载力极限状态表达式,1-3钢结构的设计方法,根据结构功能要求，进行承载能力极限状态设计时，应考虑作用效应的基本组合，必要时应考虑作用效应的偶然性（如火灾、爆炸、撞击、地震等偶然事件的组合）,(1)基本组合可变荷载效应控制的组合：,结构重要性系数,荷载效应值,分项系数,组合值系数,1-3钢结构的设计方法,构件本身的承载能力（抗力）R是材料性能和构件几何因素的函数：,材料强度的标准值,抗力分项系数,几何因素（截面积或截面抵抗矩）,材料或连接设计强度,1-3钢结构的设计方法,永久荷载效应控制的组合：对于一般排架、框架结构，可采用简化式计算：由可变荷载效应控制的组合：,由永久荷载效应控制的组合，仍按上式进行计算,1-3钢结构的设计方法,(2)偶然组合极限状态设计表达式宜按下列原则确定：偶然作用的代表值不乘分项系数；与偶然作用同时出现的可变荷载，应根据观测资料和工程经验采用适当的代表值具体的设计表达式及各种系数，应符合专门规范的规定。,2.正常使用极限状态表达式结构只考虑荷载的标准组合，其设计式为：,1-3钢结构的设计方法,1-4钢结构的新发展,1.4.1结构用钢的新发展,高强度高性能钢、低屈服点钢和耐火钢的开发和应用Q420钢，该钢材(15MnVN)已应用在九江长江大桥建设压型钢板薄壁型钢应用,网架和网壳结构张弦桁架悬挂结构变截面轻钢门式刚架金属拱型波纹屋盖钢-混凝土组合结构和混合结构,1.4.2新型结构体系的应用和发展,1-4钢结构的新发展,1.4.3设计方法的新发展设计方法还有待发展开展整个框架结构体系为对象的二阶非弹性分析,预应力钢结构计算机应用结构优化,1-4钢结构的新发展,第2章钢结构材料,2-1概述,2-2钢材的生产,2-3钢材的主要性能,第2章钢结构材料,2-4各种因素对钢材性能的影响,2-5钢材的疲劳,2-6建筑用钢的种类、规格和选用,1）有较高的强度，屈强比满足要求，保证安全储备,2）有足够的变形能力,塑性-破坏前有预兆，能内力重分布,韧性-在动载下破坏能吸收较大能量,2-1概述,4）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载,5）易生产、价格便宜,3）有良好的加工性能，适应冷热加工，有良好的可焊性,钢结构设计规范（GB50017-2002)推荐的普通碳素结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420符合要求,2-1概述,2-2钢材的生产,2.2.1钢材的冶炼,一.炼铁,二.炼钢碳素钢低合金高强度结构钢常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。电炉炼钢炼成的钢质量好。耗电量大，成本高。转炉炼钢是利用高压空气或氧气氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，生产周期短，效率高、质量好、成本低。,钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制,2-2钢材的生产,2-2钢材的生产,2-2钢材的生产,平炉炼钢，平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。平炉钢周期长，效率低成本高,三.钢材的浇注和脱氧按脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4类。,沸腾钢采用脱氧能力较弱锰作脱氧剂，脱氧不完全。钢中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧化铁过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不出现沸腾现象。质量好，成本高。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，脱氧程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。,2-2钢材的生产,以“Q”代表屈服点屈服点数值共分195、215、235、255和275(MPa)5种质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别由A、B、C、D符号表示脱氧方法以F表示沸腾钢，b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢。Z和TZ在钢的牌号中予以省略C级只能是Z，D级只能是TZ。例如：Q235AF表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢Q215B，表示屈服点为215MPa的B级镇静钢Q215Bb表示屈服点为215MPa的B级半镇静钢,2-2钢材的生产,一.钢材的组织构造碳素结构钢是在纯铁中加适量的碳来提高强度铁素体强度、硬度较低，而塑性、韧性良好渗碳体铁碳化合物熔点高，硬度大，几乎没有塑性与铁素体晶粒形成珠光体，在铁素体晶粒空隙中，形成网状间层。珠光体强度很高，坚硬富有弹性低合金结构钢是在低碳钢中加入少量的合金元素合金元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中，使强度提高，塑性、韧性和焊接性能不降低,2.2.2钢材的组织构造和缺陷,2-2钢材的生产,二.钢材的铸造缺陷冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等,热加工、冷加工和热处理三种。将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状,产生出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工在常温下对钢材进行加工称为冷加工通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，称为热处理,2.2.3钢材的加工,2-2钢材的生产,一.热加工开轧和锻压温度控制在11501300钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，压合钢坯中的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，钢材的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢钢材强度按板厚分组,2-2钢材的生产,钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，经轧制之后被压成薄片会出现分层现象。使钢板沿厚度方向受拉的性能恶化,钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横向）的性能，使各向异性增大。钢板部件应沿其横向切取试件进行拉伸和冷弯试验。,2-2钢材的生产,二.冷加工冷轧卷板和冷轧钢板冷弯薄壁型钢和压型钢板高强钢丝,2-2钢材的生产,2-2钢材的生产,三.热处理包括退火、正火、淬火和回火退火和正火改善组织以提高钢的机械性能其操作方法为：在炉中钢材加热保温一段时间后，随炉温冷却至500以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全退火若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。正火的冷却速度比退火快，强度和硬度有所提高低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件和冷加工件中的残余应力,2-2钢材的生产,淬火工艺是将钢件加热到900以上，保温后快速在水中或油中冷却增加了钢材强度和硬度，使塑性和韧性降低回火工艺将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，而后在空气中冷却消除残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加塑性和韧性，形成较稳定的组织。通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强度较高的钢材，如Q420中的C、D、E级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处理。,2-2钢材的生产,钢材有两种完全不同的破坏形式：塑性破坏脆性破坏塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。,2-3钢材的主要性能,2.3.1钢材的破坏形式,2-3钢材的主要性能,钢材的多项性能指标通过单向拉伸试验获得给出相应钢材的单调拉伸应力应变曲线。由试验曲线看出，在比例极限p以前钢材的工作是弹性的；比例极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点fy后，塑性平台；出现强化阶段，产生颈缩而破坏。,2.3.2钢材在单向一次拉伸下工作性能,2-3钢材的主要性能,一.四个工作阶段：,1）弹性阶段：,2）弹塑性阶段：,应力由0比例极限fp,应力由fp屈服点fy,3）塑性阶段：,应力保持fy不变，应变由(0.10.2)%(23)%;,4）强化阶段：,应力由fy抗拉强度fu,设计以钢材的屈服点fy作为静力强度承载力极限,2-3钢材的主要性能,fy,如果没有残余应力，比例极限与屈服应力合为一点，弹塑性阶段消失，为简化计算，将应力应变关系简化为如图,二.理想弹塑性体,理想弹塑性体应力应变关系,1强度设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度u是钢材破坏前所承受最大应力，此时结构因塑性变形很大而失去使用性能，uy值的大小，作为钢材强度储备的参数,三.钢材的机械性能,2-3钢材的主要性能,衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率和断面收缩率。,2塑性,原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。一般以l0d0=5为标准试件。伸长率5：,式中：l0试件原标距长度；d0试件标距长度内的直径；l1试件拉断后标距间的长度。,2-3钢材的主要性能,断面的颈缩率：,式中：A0试件标准断面的面积A1试件拉断后颈缩区的断面积,钢材单调拉伸应力应变曲线提供了三个重要的力学性能指标：抗拉强度fu、伸长率和屈服点fy。抗拉强度fu是钢材一项重要强度指标，反映钢材受拉时能承受的极限应力伸长率是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标，其相应伸长率分别用5或10表示屈服点fy是钢结构设计中应力允许达到的最大限值,2-3钢材的主要性能,一.冷弯性能钢材的冷弯性能由冷弯试验确定试验时，根据钢材的牌号和不同的板厚，按国家相关标准规定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲180以试件表面和侧面不出现裂纹和分层为合格冷弯试验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力大小，还能显示其内部的冶金缺陷判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标,2.3.3钢材的其它性能,2-3钢材的主要性能,冷弯性能试验方法具有一定弯心直径d的冲头对标准试件中部施加荷载使之弯曲不出现裂纹或分层，判断钢材的冷弯性能,冷弯性能试验,2-3钢材的主要性能,二.冲击韧性单调拉伸试验比较不同钢材在正常情况下韧性好坏冲击韧性是评定带有缺口钢材冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标，通常用带有夏比V型缺口的标准试件,冲击韧性值随温度的降低而降低相当温度下的冲击韧性指标：在寒冷地区承受动力作用重要承重结构，应根据工作温度和所用钢材牌号，提出相当温度下的冲击韧性指标要求,2-3钢材的主要性能,钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂过程中吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击荷裁作用我国以前曾采用过梅氏试件(U形缺口)作冲击韧性试验。,2-3钢材的主要性能,多轴应力下，材料的综合强度指标要用变形时单位体积中积聚的能量来衡量,形状改变比能理论：,三向应力下，形状改变比能等于单向拉伸下积聚的比能时，钢材由弹性转入塑性状态,2.3.4钢材在复杂应力状态下的屈服条件,时，为塑性状态；时，为弹性状态,2-3钢材的主要性能,对塑性材料，同号应力状态易发生脆断，钢材在异号应力状态时容易发生塑性破坏。,正应力与剪应力表示：,2-3钢材的主要性能,当1、2、3为同号应力且数值接近时，即使它们各自都远大于fy，折算应力zs仍小于fy说明钢材很难进入塑性状态破坏表现为脆性,2-3钢材的主要性能,在实腹梁的腹板中：,当纯剪时：,钢材的抗剪设计强度为：,平面应力状态下,2-3钢材的主要性能,碳含碳量低，钢的强度不高但塑性大伸长率和冲击韧性高，钢质柔软，易于冷加工、切削和焊接含碳量较高，钢的强度高，但塑性小，硬度大，性脆，不易加工,2.4.1化学成分的影响,2-4各种因素对钢材性能的影响,2-4各种因素对钢材性能的影响,锰元素(Mn)是一种弱脱氧剂锰提高钢材的屈服强度和抗拉强度，改善钢材的冷脆倾向，降低硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，不显著降低塑性和冲击韧性。普通碳素钢中，锰含量在0.30.8，低合金钢中，在1.21.6之间，过多会使钢材变硬变脆降低钢材耐腐蚀和可焊性。,硅元素(Si)是一种较强的脱氧剂。适量的硅可提高钢材强度而对其塑性、冷弯性能、冲击性能、可焊性能无明显不良影响。在碳素钢中含量不超过0.3，低合金钢中限制在0.6以内。过高硅含量降低钢材的塑性、韧性、抗锈性和可焊性。,2-4各种因素对钢材性能的影响,钒元素(V)是低合金钢中合金元素。可以细化钢材晶粒结构而提高钢材屈服强度和抗拉强度。钒的化合物稳定，使钢的高温硬度提高，15MnV钢是在16Mn钢基础上加入适量的钒(0.040.12)熔炼成强度较高低合金钢。,硫元素(S)是一种有害元素。硫与铁化合成硫化铁(FeS)散布在纯铁体层间中，当温度在8001200时熔化而使钢材出现热裂纹，且易脆断。称为热脆现象。使钢材焊接性能和热加工性能变坏，降低钢材塑性和冲击韧性。,2-4各种因素对钢材性能的影响,氧、氮是有害元素，容易从铁液中逸出，故含量甚少。氧的作用与硫类似，增大钢的热脆性。氮的作用同磷类似，能显著降低钢材的塑性和冲击韧性，冷弯性能和焊接性能，特别是增大钢材的冷脆性,2-4各种因素对钢材性能的影响,磷元素(P)也是一种有害元素。磷的存在可提高钢材的强度和抗锈蚀性，但严重降低钢材的塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性。在低温下，钢材易产生低温脆断,称为冷脆现象。,钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响含碳量超过时，焊缝及热影响区容易变脆一般Q235A的含碳量较高，因此这一牌号通常不能用于焊接构件。而Q235B、C、D的含碳量控制在上述的适宜范围之内，适合焊接使用在高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响，建筑钢结构焊接技术规程使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性，其的计算公式如下：,2.4.2钢材的焊接性能,2-4各种因素对钢材性能的影响,其中C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu分别为分别为碳、锰、铬、钼、钒、镍和铜的百分含量。钢材焊接性能的优劣除了与钢材的碳当量有直接关系之外，还与母材厚度、焊接方法、焊接工艺参数以及结构形式等条件有关。,当CE在0.380.45范围内时，钢材呈现淬硬倾向，施焊时需要控制焊接工艺、采用预热措施并使热影响区缓慢冷却，以免发生淬硬开裂；当CE大于0.45时，钢材的淬硬倾向更加明显，需严格控制焊接工艺和预热温度才能获得合格的焊缝。,2-4各种因素对钢材性能的影响,钢材的硬化有三种情况：时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化在冷加工使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象称为冷作硬化,2.4.3钢材的硬化,2-4各种因素对钢材性能的影响,应力应变曲线将沿图中EDHK进行，屈服点由D点提高到H点塑性区和应变硬化区的范围缩小。这也是一个对钢结构的不利因素。,2-4各种因素对钢材性能的影响,时效过程长在塑性变形后对钢材加热到200300C，使时效在几小时内完成，称为人工时效。重要结构常需进行人工时效，然后再测定其冲击韧性，以保证钢材长期具有较好的韧性。,当截面有裂纹(内部的或表面的)、孔洞、刻槽、凹角时以及截面厚度或宽度突然改变时构件中应力分布变得不均匀。在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。,当数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。三向拉应力状态容易脆性破坏,2.4.4应力集中的影响,2-4各种因素对钢材性能的影响,应力集中现象可能由内应力产生：在浇注、轧制和焊接加工过程中，不同部位钢材冷却速度不同产生。焊接残余应力：在焊缝附近残余拉应力常达到屈服点，在焊缝交叉处经常出现双向、甚至三向残余拉应力场，使钢材局部变脆。当外力引起的应力与内应力处于不利组合时，会引发脆性破坏。因此，在进行钢结构设计时，应尽量使构件和连接节点的形状和构造合理，防止截面的突然改变。钢结构焊接构造设计和施工时，尽量减少焊接残余应力。,2-4各种因素对钢材性能的影响,荷载可分为静力的和动力的两大类。快速加载动力荷载中的冲击荷载连续交变荷载，循环荷载吊车梁地震,2.4.5荷载类型的影响,一.加载速度的影响在冲击荷载作用下，加载速度很高，由于钢材的塑性滑移在加载瞬间跟不上应变速率，反映出屈服点提高的倾向试验研究表明，在室温环境下，虽然钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率增加而提高，塑性变形能力却没有下降，反而提高,2-4各种因素对钢材性能的影响,二.循环荷载的影响钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现象称为疲劳疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳两类当钢材承受拉力至产生塑性变形，卸载后，再使其受拉，其受拉的屈服强度将提高至卸载点（冷作硬化现象）；而当卸载后使其受压，其受压的屈服强度将低于一次受压时所获得的值。这种经预拉后抗拉强度提高，抗压强度降低的现象称为包辛格效应,2-4各种因素对钢材性能的影响,在150以内，钢材的强度、弹性模量和塑性均与常温相近。在250左右，抗拉强度有局部性提高，伸长率和断面收缩率均降至最低，出现蓝脆现象（钢材表面氧化膜呈蓝色）。显然钢材的热加工应避开这一温度区段。在300以后，强度和弹性模量均开始显著下降，塑性显著上升。达到600时，强度几乎为零，塑性急剧上升，钢材处于热塑性状态。,2.4.6温度的影响,2-4各种因素对钢材性能的影响,当温度低于常温时，随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。在直接承受动力作用的钢结构设计中，为了防止脆性破坏，冲击试验并进行统计分析才能得到。我国有关标准对不同牌号和等级的钢材，规定了在不同温度下的冲击韧性指标对Q235钢，除A级不要求外，其它各级钢均取CV=27J对低合金高强度钢，除A级不要求外，E级钢采用CV=27J,2-4各种因素对钢材性能的影响,影响因素：钢材的化学成分、组织构造和缺陷等；构造缺陷和焊接加工引起的应力集中、低温影响、动荷作用、冷作硬化和应变时效硬化等。防止脆性破坏的发生：(1)合理设计。(2)正确制造。(3)合理使用。,2.4.7防止脆性断裂的方法,2-4各种因素对钢材性能的影响,2-5钢材的疲劳2.5.1疲劳破坏的特征,1.疲劳的概念钢材料在循环荷载作用下，当循环数达到某一定值时，钢材发生破坏的现象叫做钢材的疲劳；疲劳属于脆性破坏。,内部缺陷-应力集中-产生微裂纹-微裂纹在循环荷载下扩展-截面削弱-宏观裂纹失稳扩展-断裂,引起疲劳破坏的交变荷载有两种类型常幅交变荷载常幅疲劳变幅交变荷载变幅疲劳转动的机械零件常幅疲劳破坏，吊车桥、钢桥变幅疲劳破坏。,2-5钢材的疲劳,1)低周疲劳高周疲劳,2)特征a突然性b疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。扩展区表面较光滑，可见放射和年轮状花纹，是疲劳断裂的主要断口特征。c疲劳对缺陷敏感。缺口裂纹组织缺陷,2-5钢材的疲劳,t,t,平均应力：,应力比：,应力辐：,循环应力和变幅应力,2-5钢材的疲劳,2影响疲劳的主要因素：,1）有无缺陷、缺陷的尺寸，有无残余应力。,2）应力水平,3）应力辐,4）应力比,对弹性材料，这一因素影响不象对弹塑性材料那样大。,时，称常幅循环,2-5钢材的疲劳,2.5.2常幅疲劳一.非焊接结构的疲劳疲劳强度与主体金属连接类型有关与循环应力的应力比循环次数n有关。n2106次，TJ17-74曾根据试验得到的简化疲劳曲线，验算以拉应力为主的疲劳计算公式如下：,2-5钢材的疲劳,验算部位最大拉应力；以拉应力为主的疲劳容许强度；=0时的疲劳容许强度，试验定；构造形式有关的系数，试验定。,以应力为准则的疲劳验算方法不适用于焊接结构,2-5钢材的疲劳,二.焊接结构的疲劳,焊接结构疲劳寿命主要的因素构件和连接的构造类型和应力幅，而与应力比无关,焊接残余应力的影响,焊缝附近的真是循环应力,2-5钢材的疲劳,当名义循环应力为拉时，焊缝附近的残余拉应力已达屈服点不再增加，实际拉应力保持fy不变；当名义循环应力减小到最小时，焊缝附近的实际应力将降至显然，焊缝附近的真实应力比为只要应力幅为常数，不管循环荷载下的名义应力比为何值，焊缝附近的真实应力比也为常数。焊缝部位的疲劳寿命主要与有关。,2-5钢材的疲劳,应力幅与循环寿命的关系,2-5钢材的疲劳,可求得容许应力幅的表达式C、均为不同构件和连接类别的试验参数。,疲劳极限,新规范给出的疲劳曲线(n)图,2-5钢材的疲劳,三.常幅疲劳验算1.对不同的构件和连接类型归纳划分为8类2.对于非焊接结构，使用螺栓连接和构件，残余拉应力很小，疲劳寿命不仅与应力幅有关，也与名义应力比有关3.折算应力幅,采用荷载的标准值容许应力设计法内力计算中不乘动力系数试验包括动力作用,2-5钢材的疲劳,一.变幅疲劳的一般计算方法根据线性累积损伤准则等效应力幅e，计算公式为：各应力幅i对应循环次数为ni，相对的疲劳寿命为Ni，线性累积损伤准则为：应力幅i循环一次时，将引起1/Ni的损伤，ni次循环的损伤为ni/Ni；其它应力幅水平的常幅循环应力也有各自的损伤状况，当这些损伤份额之和等于1时，将发生疲劳破坏。或,2.5.3变幅疲劳,2-5钢材的疲劳,变幅疲劳的疲劳曲线,2-5钢材的疲劳,等效常幅疲劳应力幅e，循环次后：或将上述代入下式,有得则以应力循环次数表示的结构预期寿命；ni应力幅水平为i的应力循环次数。,2-5钢材的疲劳,二.吊车梁的疲劳,欠载效应的等效系数,最大应力幅,1变幅疲劳工作环境2获得一些有代表性的车间的重级工作制中级工作制吊车桁架的设计应力谱。3按2106循环次数4最大应力幅1；常幅设计应力幅,2-5钢材的疲劳,2.5.4疲劳验算中一些值得注意的问题(1)疲劳验算仍然采用容许应力设计方法，标准荷载用容许应力幅作为疲劳强度(2)规范中提出的疲劳强度以试验为依据规定8种以外连接构造，应进行专门的研究高温、海水腐蚀环境、焊后经热处理、低周高应变疲劳构件或连接的疲劳(3)在应力循环中不出现拉应力的部位不计算疲劳(4)静力强度对焊接构件和连接的疲劳强度无显著影响，故可以认为，疲劳容许应力幅与钢种无关,2-5钢材的疲劳,2-6建筑用钢的种类、规格和选用2.6.1建筑用钢的种类碳素结构钢和低合金高强度结构钢优质碳素结构钢在冷拔碳素钢丝和连接用紧固件中厚度方向性能钢板、焊接结构用耐候钢、铸钢,一.碳素结构钢按国家标准碳素结构钢GB/T700生产的钢材有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275种品牌，板材厚度不大于16mm屈服点分别为195、215、235、255、275N/mm2Q235含碳量在0.22以下，强度适中，塑性、韧性均较好,除A级外，其它三个级别的含碳量均在0.20以下。,2-6建筑用钢的种类、规格和选用,二.低合金高强度结构钢按国家标准低合金高强度结构钢GB/T1591生产的钢材共有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460板材厚度不大于16mm屈服点295、345、390、420和460N/mm2。含碳量均不大于0.20，合金元素的总量低于5，故称为低合金高强度钢。Q345、Q390和Q420均按化学成分和冲击韧性划分为A、B、C、D、E共5个质量等级，A、B级为镇静钢，C、D、E级为特种镇静钢，故可不加脱氧方法的符号。,三.优质碳素结构钢与碳素结构钢的区别在于钢中含杂质元素较少，磷、硫等害元素含量均不大于0.035，其它缺陷限制也较严格,2-6建筑用钢的种类、规格和选用,一类为普通含锰量的钢一类为较高含锰量的钢两类的钢号均用两位数字表示，它表示钢中的平均含碳量的万分数，前者数字后不加Mn，后者数字后加Mn，45号钢，表示平均含碳量为0.45的优质碳素钢；45Mn号钢，表示同样含碳量、但锰的含量也较高的优质碳素钢。,四.其他钢防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢，处于外露环境对耐腐蚀有特殊要求或在腐蚀性作用下的结构采用耐候钢,2-6建筑用钢的种类、规格和选用,2.6.2钢材规格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,一.钢板钢板有厚钢板、薄钢板、扁钢（或带钢）之分。钢板截面的表示方法为在符号“”后加“宽度厚度”，如20020等。钢板的供应规格如下：厚钢板：厚4.560mm，宽6003000mm，长412m；薄钢板：厚0.354mm，宽5001500mm，长0.54m扁钢：厚460mm，宽12200mm，长39m。花纹钢板,2-6建筑用钢的种类、规格和选用,常用的有角钢、工字钢、槽钢。角钢分为等边的和不等边两种，角钢型号的表示方法为在符号“L”后加“长边宽短边宽厚度”（对不等边角钢，如L125808），或加“边长厚度”（对等边角钢，如L1258）。我国生产的角钢最大边长为200mm，供应长度般为419m,二.热轧型钢,工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和H型钢三种。普通工字钢的型号I20a表示高度为200mm，腹板厚度为a类的工字钢。轻型工字钢。,2-6建筑用钢的种类、规格和选用,普通工字钢的型号为1063号轻型工字钢为1070号H型钢可分为宽翼缘（HW）、中翼缘（HM）及窄翼缘（HN）三类。HW4004001321宽翼缘和中翼缘H型钢可用于钢柱等受压构件窄翼缘H型钢则适用于钢梁等受弯构件,槽钢有普通槽钢和轻型槽钢二种。32a指截面高度320mm，腹板较薄的槽钢。钢管有无缝钢管和焊接钢管两种。可用代号“D”后加“外径d壁厚t”表示，如D1808等。,2-6建筑用钢的种类、规格和选用,三.冷弯薄壁型钢采用1.56mm厚的钢板经冷弯和辊压成型的型材采用0.41.6mm的薄钢板经辊压成型的压型钢板截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度、节约钢材冷弯高频焊接圆管和方、矩形管,2-6建筑用钢的种类、规格和选用,2.6.3钢材的选择一.钢材选用原则和建议钢材选用既要确保结构物的安全可靠，又要经济合理保证承重结构的承载能力，防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、连接方法、工作环境、应力状态和钢材厚度等因素综合考虑，选用合适牌号和质量等级的钢材。二.国外防脆选材的有关建议三.国内外钢材的互换问题,2-6建筑用钢的种类、规格和选用,3-1钢结构的连接,3-2对接焊缝的构造和计算,3-3角焊缝的构造和计算,3-4焊接残余应力和焊接变形,3-5普通螺栓的构造和计算,3-6高强度螺栓连接的构造和计算,第3章连接,第3章连接,构件由型钢、钢板等通过连接构成构件通过安装连接构成整个结构安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便节约钢材,连接方法分为焊接连接、铆钉连接、螺栓连接等,3-1钢结构的连接,3-1钢结构的连接,钢结构的连接方法（a）焊缝连接（b）铆钉连接；（c）螺栓连接（d）紧固件连接,1.连接的重要地位1）型钢组成构件，构件组成结构2）连接方式直接影响结构构造、制造工艺、造价3）连接质量影响结构的安全和使用寿命4）传递连接件间力和弯矩,2.基本连接形式1）对接连接2）搭接连接3）垂直连接4）角形连接,3-1钢结构的连接,3.1.1焊缝连接,一.焊缝连接的特点,焊接连接是现代钢结构最主要的连接方法。优点：1.构造简单，任何形式的构件都可直接相连；2.用料经济，不削弱截面；3.制作加工方便，可自动化操作，质量好；4.连接的密闭性好，结构刚度大。,缺点：1.在焊缝附近的热影响区内，钢材组织发生改变，导致局部材质变脆；2.焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；3.焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体；4.低温冷脆。,3-1钢结构的连接,二.钢结构常用的焊接方法,目前应用最多的是手工电弧焊和自动(或半自动)埋弧焊，还有气体保护焊等,1.手工电弧焊,最常用的一种焊接方法。通电后，在涂有药皮的焊条和焊件间产生电弧。,3-1钢结构的连接,a）电路；b）施焊过程；1电焊机；2导线；3焊件；4电弧；5药皮；6起保护作用的气体；7熔渣；8焊缝金属；9主体金属；10焊丝；11熔池,优点：设备简单，操作灵活方便，适于任意空间位置的焊接，特别适于焊接短焊缝。缺点：生产效率低，劳动强度大，焊接质量与焊工的技术水平和精神状态有很大的关系。,对Q235钢采用E43型焊条对Q345钢采用E50型对Q390钢和Q420钢采用E55型,E代表焊条E后面的两个数字如43表示焊条钢丝抗拉强度为：43kgfmm2(420Nmm2)。数字后的两个，表示焊条药皮类型、适用的施焊位置以及适用的焊接电源,3-1钢结构的连接,埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的电弧焊方法焊丝送进和焊接方向的移动有专门机构控制的称埋弧自动电弧焊焊丝送进有专门机构控制，焊接方向移动靠工人操作的称为埋弧半自动电弧焊自动或半自动化操作，焊接工艺稳定，焊缝化学成分均匀，焊缝质量好，焊件变形小。,2.埋弧焊（自动或半自动）,不同强度钢材焊接，采用与较低强度钢材适应焊接材料用与较低强度钢材相适应焊条施焊，焊缝塑性性能与冲击韧性好。,3-1钢结构的连接,埋弧自动电弧焊1焊丝转盘；2转动焊丝的电动机；3焊剂漏斗；4电源；5熔化的焊剂；6焊缝金属；7焊件；8焊剂；9移动方向,3-1钢结构的连接,现场用自动行走埋弧焊机焊接重型H型钢,3-1钢结构的连接,3.气体保护焊,气体保护焊采用裸焊丝用从焊枪中喷出的气体保护施焊过程中的电弧、熔池和高温焊缝金属，用保护气体代替了焊剂二氧化碳作为保护气体，称为二氧化碳保护焊,3-1钢结构的连接,二氧化碳保护焊的焊接效率高，金属熔化深度大，焊缝质量好，是一种良好的焊接方法，施焊时周围的风速要小，以免气体被吹散。,3-1钢结构的连接,4.电阻焊电阻焊利用电流通过焊件接触点表面电阻所产生的热来熔化金属，再通过加压使其焊合。适用于板叠厚度不大于12mm的焊接。对冷弯薄壁型钢构件，电阻焊可用来缀合壁厚不超过3.5mm的构件。,三.焊接连接形式及焊缝形式1.焊缝连接形式分为对接、搭接、T型连接和角部连接对接连接主要用于厚度相同或接近相同的两构件相互连接。采用对接焊缝的对接连接，由于相互连接的两构件在同一平面内，因而传力均匀平缓，没有明显的应力集中，且用料经济，但是焊件边缘需要加工，被连接两板的间隙和坡口尺寸有严格的要求。,3-1钢结构的连接