高等钢结构理论-第一章

1、钢结构西安科技大学 建筑与土木工程学院马尤苏夫 (M:Q: 27174460)2016钢结构目录1第一章 钢结构的基本性能2第二章 钢结构稳定问题概述3第三章 杆件和框架的稳定4第四章 钢结构的疲劳和断裂5第五章 连接6第六章 构造设计第一章 钢结构的基本性能钢结构一钢结构的特性可以利用钢材的塑性性能1稳定问题在设计中的考虑2荷载多次重复时的疲劳问题3韧性？脆性？4第一章 钢结构的基本性能一钢结构用材的要求较高的强度。即抗拉强度 fu 和屈服点 fy 比较高。1足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。2良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。3适应低温、有害介质侵

2、蚀以及重复荷载作用等的性能。4第一章 钢结构的基本性能容易生产，价格便宜。5第一章 钢结构的基本性能n 力学性能n 工艺性能n 化学成分对性能的影响第一章 钢结构的基本性能一1.0.1 钢材的力学性能单向拉伸时的工作性能 条件：常温、静载条件下一次拉伸第一章 钢结构的基本性能一1.0.1 钢材的力学性能钢材的一次拉伸应力应变曲线单向拉伸时的工作性能条件：常温、静载条件下一次拉伸第一章 钢结构的基本性能一1.0.1 钢材的力学性能单向拉伸时的力学性能指标1.比例极限P2.屈服点y3.抗拉强度u4.伸长率5和10第一章 钢结构的基本性能一1.0.1 钢材的力学性能单向拉伸时的力学性能指标比例极限比

3、例极限 pa极限强度极限强度 ubc条件屈服强度条件屈服强度0.2pu0.750.2u0.850.2%O名义屈服点名义屈服点0.5%第一章 钢结构的基本性能一1.0.1 钢材的力学性能屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，其意义是：1.作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。y与P较接近，可以认为应力达到y时为弹性变形的终点。达到y后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加，表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力。2.形成理想弹塑性体的模型，方便理论分析与设计。y之前，钢材近于理想弹性体；y之后，塑性应变范围很大而应力不增长。第一章 钢结构的基本性能一1.0.1 钢材的力学性能冲击韧性钢材断裂

4、时吸收机械能的能力。Oufyf钢材一次拉伸应力应变曲线第一章 钢结构的基本性能一1.0.1 钢材的力学性能实际结构中脆性断裂并不发生在单向受拉的地方，而总是发生在有缺口高峰应力的地方，在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。冲 击 韧 性钢材断裂时吸收机械能的能力。梅氏试验夏比试验第一章 钢结构的基本性能一1.0.2 钢材的工艺性能冷 弯 性 能根据试样厚度，按规定的弯心直径将试样弯曲180度，其表面及侧无裂纹或分层则为“冷弯试验合格”。“冷弯试验合格”一方面表示材料塑性变形能力符合要求，另一方面表示钢材的冶金质量符合要求，因此，冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。重要结构

5、中需要有良好的冷热加工的工艺性能时，应有冷弯试验合格保证。第一章 钢结构的基本性能一1.0.2 钢材的工艺性能可 焊 性可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂纹的)焊缝的性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.120.20范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。第一章 钢结构的基本性能一1.0.3 化学成分对性能的影响钢是含碳量小于2的铁碳合金，碳大于2时则为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99，碳及杂质元素约占1。低合金结构钢中，除上述元素外还加入合金元素，后者总

6、量通常不超过3。第一章 钢结构的基本性能一1.0.3 化学成分对性能的影响1.碳（C）碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢材强度的主要因素，随着含碳量的增加，钢材强度提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于0.2%。2.锰（Mn）锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为1.0%-1.7%。第一章 钢结构的基本性能一1.0.3 化学成分对性能的影响

7、3.硅（Si）硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。4.钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti）钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。第一章 钢结构的基本性能一1.0.3 化学成分对性能的影响5.铝（Al）、铬（Cr）、镍（Ni）铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。6.硫（S）硫是一种有害元素，降低钢材

8、的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。第一章 钢结构的基本性能一1.0.3 化学成分对性能的影响7.磷（P）磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。8.氧（O）、氮（N）氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。第一章 钢结构的基本性能第一章 钢结构的基本性能一钢材的生产过程熔炼熔炼铁矿石铁矿石辊轧辊轧钢锭钢锭钢坯钢坯钢

9、材冶炼、脱氧、辊轧等环节都对钢材的性能有较大的影响第一章 钢结构的基本性能一建筑结构所用钢材的分类热轧成型 型钢 钢板冷成型 薄壁型钢 压型钢板第一章 钢结构的基本性能一1.1.1 钢的熔炼平炉钢转炉钢空气吹炼优氧气吹炼氧气纯度提高综合性能提高有害杂质多第一章 钢结构的基本性能一1.1.2 钢的脱氧含杂质铁水氧化脱去脱去C、S、PFeOMnSi沸腾钢镇静钢脱氧脱氧不充分脱氧充分脱氧第一章 钢结构的基本性能一1.1.2 钢的脱氧杂质多，质量较差；冲击韧性较好屈服点高生产周期短、成品率高、成本低廉不得用于：需验算疲劳、-30低温、 -20低温且直接收动力荷载等情况。Al补脱氧补脱氧特殊镇静钢：更好

10、的（低温）冲击韧性第一章 钢结构的基本性能一鉴别沸腾钢和镇静钢0.07%Si含量沸腾钢半镇静钢0.07%0.12%镇静钢0.12%0.30%A、B级C级D级特殊镇静钢Q235钢的分级连铸技术的出现，避免了镇定钢切头的损失。因此沸腾钢正逐渐从市场消失。第一章 钢结构的基本性能一镇静钢和沸腾钢的冲击韧性含碳量：0.20%。1. 镇静钢（10mm）；2. 沸腾钢（18mm）。第一章 钢结构的基本性能一1.1.3 钢的轧制钢的轧制使晶粒细化，力学性能得到改善；第一章 钢结构的基本性能一1.1.3 钢的轧制钢的轧制使晶粒细化，力学性能得到改善；非金属杂物被压成薄片，出现分层，使钢材厚度方向的受拉能力恶化

11、热轧钢材厚度小者强度、机械性能优于厚度大者。第一章 钢结构的基本性能一材性实验试样的选取钢板：垂直于轧制方向；扁钢：平行于轧制方向第一章 钢结构的基本性能一材性实验试样的选取压轧条件导致同一根构件不同部位的机械性能不同。翼缘压力较小腹板与翼缘厚度不同导致压力不同第一章 钢结构的基本性能一材性实验试样的选取第一章 钢结构的基本性能一热轧残余应力钢板两边冷却快，中部冷却慢；普通工字钢翼缘厚而窄，冷却慢；H型钢翼缘与腹板交接处最厚，冷却最慢，翼缘残余应力与钢板相似，腹板与钢板相反。由于受热后不均匀冷却，导致钢材在没有外力作用下，内部自相平衡的应力。对构件变形、稳定性、抗疲劳等方面有不利影响。第一章

12、钢结构的基本性能一1.1.4 矫直和热处理1. H型钢绕弱轴有初始弯曲，施加反弯矩，应力图为ABCDE；2. 卸载时，应力应变均按线性变化，减去MCN；3. 截面残余应力RSCTU。（当同时考虑热轧残余应力时，矫直使热轧残余压应力减小）热轧钢材的不均匀冷却同时导致板件发生弯曲，必须反弯至出现塑性变形才能矫正。第一章 钢结构的基本性能一热处理调质处理低合金钢fy400MPa淬火1. 加热至900后保温；2. 放入水或油快速冷却；3. 提高强度，降低塑形、韧性。第一章 钢结构的基本性能一热处理调质处理低合金钢fy400MPa淬火高温回火1. 500600高温回火；2. 保持一段时间后在空气中冷却；

13、3. 减小脆性和淬火后的内应力，改善钢材力学性能。正火正火处理1. 加热至高于900后保温；2. 在空气中自然冷却；3. 改善钢材组织和细化晶粒。第一章 钢结构的基本性能一热处理调质处理低合金钢fy400MPa淬火高温回火正火正火处理fy450MPa的高强度低合金钢都可以热轧状态交货。控温热轧技术既控制加热和轧制温度，又控制冷却速度，可生产出延性和韧性都较好的细晶粒高性能钢。第一章 钢结构的基本性能一1.1.5 钢材的匀质和等向性相较于钢筋混凝土，钢材质地均匀、各向同性，因此钢结构受力与工程力学计算比较符合。但在进行钢结构设计和研究中，还必须了解钢材在匀质和等向性方面的不足。（1）硫的偏析（a

14、）镇定钢锭 （b）沸腾钢锭钢液含硫0.032%； 钢液含硫0.04%偏析严重，头部比底部严重，重要的焊接结构不宜采用。偏析较轻。第一章 钢结构的基本性能一硫的偏析轧制成型材后硫的偏析第一章 钢结构的基本性能一屈服强度的非匀质性 型钢截面上不同部分的屈服点不同翼缘与腹板不同；翼缘上各部位不同。 热轧残余应力导致外力作用下截面上的应力分布不均匀第一章 钢结构的基本性能一钢板的各向异性钢板三个方向的受力性能轧制方向优于横方向优于厚度方向钢板冲击韧性的非等向性（1.纵向试样 2.横向试样 3.人工时效后时横向试样）第一章 钢结构的基本性能一钢板厚度方向的性能1. 钢板如有分层，则不可使用。可通过超声波

15、等探伤手段揭示。2. 设计时避免垂直于板面受拉和焊缝收缩造成的层间裂缝。可采用抗层间撕裂的节点。3. 采用抗层间撕裂的钢材Z向钢。沿厚度方向受拉时塑性铰好。适用于荷载大而有动力作用和气象环境恶劣的结构。4. 提倡规范文明施工，不在构件上随意起弧和施焊，严禁在结构上随意加焊零部件、随意悬挂重物。认识钢材的性能不是一个简单的问题，而正确的认识材料性能对于一个钢结构设计工作者是至关重要的。缺乏正确的认识，有可能导致失败的设计。加拿大一座仓库的屋盖塌落，原因之一是设计时材料强度取了出厂证书上的屈服点，比标准高25%，而拉力试样取自工字钢腹板。小 结1.1第一章 钢结构的基本性能一1.2.1 钢结构的建

16、造过程第一章 钢结构的基本性能钢材的验收、矫正按施工图放样、下料车间加工成型变形零件整平零件通过焊接装配矫正焊接变形除锈和涂漆扩大拼装加工厂工地吊装，连接，临时固定调整位置，做最后固定一1.2.2 加工对钢构件性能的影响第一章 钢结构的基本性能1. 冷加工的影响 辊床上微弯杆的矫直人工时效n 人工时效一1.2.2 加工对钢构件性能的影响第一章 钢结构的基本性能1. 冷加工的影响边缘硬化剪切刨边冲孔扩孔n 钢材的剪切和冲孔孔壁硬化一1.2.2 加工对钢构件性能的影响第一章 钢结构的基本性能1. 冷加工的影响n 冷弯型钢（冷轧、模压和无模压弯）圆角屈服点一1.2.2 加工对钢构件性能的影响第一章

17、钢结构的基本性能1. 冷加工的影响n 冷弯型钢（冷轧、模压和无模压弯）截面平均屈服点冷弯薄壁型钢结构技术规范中的强度设计值：一1.2.2 加工对钢构件性能的影响第一章 钢结构的基本性能2. 焊接和焰割的影响n 焊缝金属元素含量C含量低，N、O、H（药皮、大气）稍高。冷却快时，H使焊缝金属内部出现微观裂纹。减少O、H的方法：预热。一1.2.2 加工对钢构件性能的影响第一章 钢结构的基本性能2. 焊接和焰割的影响n 焊缝热影响区(1) 过热区：晶粒粗大，强度和硬度高，塑性韧性低；(2) 正火区：强度、塑性、韧性均较好；(3) 部分重结晶区：晶粒粗细不均匀，力学性能较差。n 热影响区宽度手工焊：约6

18、mm；自动焊：2.53mm。一1.2.2 加工对钢构件性能的影响第一章 钢结构的基本性能2. 焊接和焰割的影响n 焊接残余应力n 反作用残余应力一1.2.2 加工对钢构件性能的影响第一章 钢结构的基本性能2. 焊接和焰割的影响n 焰切割产生的残余应力残余应力图形变化较小用作腹板用作翼缘一1.2.3 制造安装的偏差对钢结构性能的影响第一章 钢结构的基本性能单层柱安装偏差的影响一1.2.3 制造安装的偏差对钢结构性能的影响第一章 钢结构的基本性能初始弯曲的影响一1.2.3 制造安装的偏差对钢结构性能的影响第一章 钢结构的基本性能杆件长度偏差的影响静定结构超静定结构一1.2.3 制造安装的偏差对钢结构性能的影响第一章 钢结构的基本性能杆件长度偏差的影响平板网架试验研究：初始内力： 7%12%