第十三章 钢结构01

1、第1章 绪论2v13.1.1 钢结构的类型及组成1、什么是钢结构？、什么是钢结构？一些典型的钢结构建筑一些典型的钢结构建筑钢结构是钢结构是钢材（钢板和型钢）钢材（钢板和型钢）经过经过设计设计、加工，加工，形成形成各种基本构件，如拉杆（有时还包括钢索）、压杆、各种基本构件，如拉杆（有时还包括钢索）、压杆、梁、柱及桁架等，然后将这些基本构件按一定的方式梁、柱及桁架等，然后将这些基本构件按一定的方式通过焊接和螺栓连接组成的通过焊接和螺栓连接组成的工程结构形式工程结构形式。五大结构形式五大结构形式：钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构 砌体结构砌体结构 木结构木结构 钢结构钢结构 组合结构组合结构1、什么是钢

2、结构什么是钢结构南浦大桥夜景南浦大桥夜景大跨度钢结构屋盖大跨度钢结构屋盖钢结构高层建筑钢结构高层建筑2 2、结构形式及应用、结构形式及应用（1 1）桁架）桁架 平面桁架平面桁架 空间桁架空间桁架 （2 2）框架）框架 （3 3）拱架）拱架 （4 4）索）索 （5 5）壳体）壳体1、特点、特点 强度高，重量轻强度高，重量轻 塑性塑性、韧性好韧性好 材质均匀，材质均匀，工作工作可靠性高可靠性高 适于适于于机械化于机械化加工加工，工业化工业化生产程度高生产程度高 减少减少砂、石、灰用量，减轻对不壳再生资源的破坏砂、石、灰用量，减轻对不壳再生资源的破坏 环保环保、可回收再利用，建筑造型美观可回收再利用

3、，建筑造型美观 密闭性能好密闭性能好,能制成不渗漏的密闭容器能制成不渗漏的密闭容器 耐热性能好，耐火性能差。耐热性能好，耐火性能差。 耐腐蚀性差耐腐蚀性差钢和混凝土容重比：钢和混凝土容重比：3.4 强度比：强度比：210136所以重量轻所以重量轻 好处好处: (1): (1)便于运输和安装便于运输和安装 (2) (2)可跨越更大的跨度可跨越更大的跨度容量容量/ kN/mkN/m3 3设计强度设计强度/MPaMPa拉拉压压钢材钢材76.976.9220220360360220220360360混凝土混凝土22.6 22.6 1.051.052.652.658.508.5032.532.52、应用

4、范围、应用范围 承受承受荷载大的结构（荷载大的结构（ 工业厂房工业厂房 ） 大跨度建筑物大跨度建筑物体育馆、展览馆、影剧院、会议中心、机库体育馆、展览馆、影剧院、会议中心、机库 高层高层建筑建筑 轻轻型钢结构型钢结构轻型钢结构是一个很模糊的概念，没有严格的定义。以下结构都可称为轻型钢结构：轻型钢结构是一个很模糊的概念，没有严格的定义。以下结构都可称为轻型钢结构：由冷弯薄壁型钢组成的结构；由热轧轻型型钢（工字钢、槽钢、由冷弯薄壁型钢组成的结构；由热轧轻型型钢（工字钢、槽钢、 H型钢、型钢、L型型钢、钢、T型钢等）组成的结构；由焊接轻型型钢（工字钢、槽钢、型钢等）组成的结构；由焊接轻型型钢（工字钢

5、、槽钢、 H型钢、型钢、L型钢、型钢、T型钢等）组成的结构；由圆管、方管、矩形管组成的结构；由薄钢板焊成的型钢等）组成的结构；由圆管、方管、矩形管组成的结构；由薄钢板焊成的构件组成的结构；由以上各种构件组成的结构。构件组成的结构；由以上各种构件组成的结构。 塔塔桅结构桅结构电视塔、天线、发射架电视塔、天线、发射架、海洋平台海洋平台 可拆卸和搬迁的结构可拆卸和搬迁的结构 流动流动展览馆、展览馆、舞台、舞台、施工施工时的临时房屋、温室时的临时房屋、温室大棚等大棚等 挡水结构、容器、大直径管道挡水结构、容器、大直径管道储油库、煤气库、高炉等各种容器储油库、煤气库、高炉等各种容器 大跨度桥梁大跨度桥梁

6、 钢与混凝土组合结构钢与混凝土组合结构建筑个可靠度设计统一标准（建筑个可靠度设计统一标准（GB50068）建筑结构设计通用符号、计量单位和基本术语（建筑结构设计通用符号、计量单位和基本术语（GBJ83-85）建筑结构制图标准（建筑结构制图标准（GBJ105-87）建筑结构荷载规范（建筑结构荷载规范（GB50009）钢结构钢结构设计规范设计规范(GB50017)冷弯薄壁型钢结构技术冷弯薄壁型钢结构技术规范规范 (GB50018-2002) 网架结构设计与施工规程（网架结构设计与施工规程（JGJ7-91）高层民用建筑钢结构技术规程高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）门式刚架轻型房屋钢结构

7、技术规程门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102:98）123钢结构工程钢结构工程施工施工质量验收质量验收规范规范 (GB50205) 钢结构工程质量检验评定标准钢结构工程质量检验评定标准(GB50221)建筑钢结构焊接技术规程建筑钢结构焊接技术规程(JGJ81-91)钢结构高强螺栓连接的设计施工及验收规程钢结构高强螺栓连接的设计施工及验收规程(JGJ82-91)网架结构工程质量检验评定标准网架结构工程质量检验评定标准(JGJ78-91)螺栓球节点网架螺栓球节点网架(JGJ75.1-91)焊接球节点网架焊接球节点网架(JGJ75.2-91)45与与上述设计和施工规范、规程配套的钢材、焊条

8、、型上述设计和施工规范、规程配套的钢材、焊条、型钢、钢板、紧固件等标准钢、钢板、紧固件等标准 钢结构是由生铁结构逐步发展起来的，中国是最早用钢结构是由生铁结构逐步发展起来的，中国是最早用铁制造承重结构的国家。远在秦始皇时代（公元前二百铁制造承重结构的国家。远在秦始皇时代（公元前二百多年），就有了用铁建造的桥墩。以后在深山峡谷上建多年），就有了用铁建造的桥墩。以后在深山峡谷上建造铁链悬桥、铁塔等，这些表明我国古代建筑和冶金技造铁链悬桥、铁塔等，这些表明我国古代建筑和冶金技术方面的高度水平。术方面的高度水平。 20 20世纪世纪5050年代后，钢结构的设计、制造、安装水平有年代后，钢结构的设计、制

9、造、安装水平有了很大提高，建成了大量钢结构工程，有些在规模上和了很大提高，建成了大量钢结构工程，有些在规模上和技术上已达到世界先进水平。如采用大跨度网架结构的技术上已达到世界先进水平。如采用大跨度网架结构的首都体育馆、上海体育馆首都体育馆、上海体育馆 、深圳体育馆，大跨度三角拱、深圳体育馆，大跨度三角拱形式的西安秦始皇陵兵马俑陈列馆，悬索结构的北京工形式的西安秦始皇陵兵马俑陈列馆，悬索结构的北京工人体育馆、浙江体育馆，高耸结构中的人体育馆、浙江体育馆，高耸结构中的200200m m高广州广播高广州广播电视塔、电视塔、210210m m高上海广播电视塔、高上海广播电视塔、325325m m高北京

10、气象桅杆高北京气象桅杆等，板壳结构中有效容积达等，板壳结构中有效容积达5400054000m m3 3的湿式储气柜等。的湿式储气柜等。 近期，随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术近期，随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术的迅猛发展，各地建成了大量的高层钢结构建筑、轻钢结的迅猛发展，各地建成了大量的高层钢结构建筑、轻钢结构、高耸结构、市政设施等。如：位于上海浦东、构、高耸结构、市政设施等。如：位于上海浦东、420.5420.5m m高、高、8888层、总建筑面积达层、总建筑面积达28.728.7万万m m2 2的的 金贸大厦金贸大厦 ； 总建筑总建筑面积达面积达2020万万m m2 2的

11、上海浦东国际机场；主体建筑东西跨度的上海浦东国际机场；主体建筑东西跨度288.4288.4m m、南北跨度南北跨度274.7274.7m m、建筑高度建筑高度70.670.6m m、可容纳可容纳8 8万名万名观众的观众的上海体育场上海体育场；336336m m高、建于哈尔滨的黑龙江广播电高、建于哈尔滨的黑龙江广播电视塔以及横跨黄浦江的南浦大桥、杨浦大桥、卢浦大桥等。视塔以及横跨黄浦江的南浦大桥、杨浦大桥、卢浦大桥等。v1、发展建筑钢材v2、发展建筑钢结构v3、发展钢结构施工工艺（1 1）我国钢产量）我国钢产量1 1亿亿多多吨，质量可靠吨，质量可靠；（2 2）扩大钢材）扩大钢材建筑建筑市场市场：

12、目前仅目前仅5%(5005%(500万吨左右万吨左右) )；（3 3）扩大应用范围）扩大应用范围：住宅、公共、商业住宅、公共、商业；（4 4）开发新材料：不锈钢，耐候钢，耐火钢，高强钢；开发新材料：不锈钢，耐候钢，耐火钢，高强钢；（5 5）新体系）新体系、新理论：、新理论：组合结构组合结构，预应力，索膜，预应力，索膜；（6 6）建筑结构一体化：新颖结构形式表现建筑）建筑结构一体化：新颖结构形式表现建筑。 本节讲述建筑钢材（本节讲述建筑钢材（Q235Q235、Q345Q345、Q390Q390及及Q420Q420）的主要机械性能及影响这些性能的主要因素；钢材受的主要机械性能及影响这些性能的主要因

13、素；钢材受力的两种破坏形式及防止脆性破坏的措施；介绍我国力的两种破坏形式及防止脆性破坏的措施；介绍我国目前生产的建筑钢材品种及规格。目前生产的建筑钢材品种及规格。v较高的强度较高的强度v较好的塑性及韧性较好的塑性及韧性v良好的加工性能良好的加工性能v良好的可焊性良好的可焊性v较好的抗锈蚀能力较好的抗锈蚀能力 现行钢结构设计规范（现行钢结构设计规范（GBJ50017GBJ50017）推荐承重推荐承重结构的钢材宜采用碳素结构钢中的结构的钢材宜采用碳素结构钢中的Q235Q235，及低合金高及低合金高强度结构钢中的强度结构钢中的Q345Q345、Q390Q390及及Q420Q420钢。钢。一、强度和塑

14、性一、强度和塑性单轴拉伸试验单轴拉伸试验 屈服强度屈服强度(yield strength) fy 抗拉强度抗拉强度(tensile strength) fu 伸长率伸长率(elongation) d d 弹性模量弹性模量EE为常量，低碳钢有明显屈服点，为常量，低碳钢有明显屈服点，fy作为破坏标志作为破坏标志，fu/fy为强度储备为强度储备，伸长率伸长率d d表示塑性变表示塑性变形形能力能力。图图2-1 2-1 单轴应力单轴应力 ffpfyfu0 fy图图 2-2 为了简化计算，将图为了简化计算，将图2-12-1所示应力所示应力- -应变关系简应变关系简化为图化为图2-22-2。 实际设计中对实

15、际设计中对曲线的简化曲线的简化 fy, 完全塑性完全塑性 f fu u 作作为为安全安全储备储备伸长率伸长率d d根据试件原标距长度根据试件原标距长度 l l0 0与试件中间部分的直径与试件中间部分的直径d d0 0 的比值为的比值为1010或或5 5而分为而分为d d1010或或d d5 5，为试件拉断时原标距间长，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。度伸长值与原标距比值的百分率。 式中式中 ： l l1 1 为试件拉断后标距间长度。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

16、率。与原断面面积比值的百分率。 式中：式中： A A0 0 试件原来的断面面积；试件原来的断面面积； A A1 1 试件拉断后颈缩区的断面面积；试件拉断后颈缩区的断面面积；二、二、 冷弯冷弯(cold bending)试验试验冷弯角冷弯角a加工性能加工性能，塑性变性能力，材质均匀性塑性变性能力，材质均匀性，a=180度合格。度合格。：将根据试件厚度按规定的弯曲直径将试件弯曲：将根据试件厚度按规定的弯曲直径将试件弯曲1801800 0，如表面无裂纹或分层则合格，如表面无裂纹或分层则合格. .三、三、 冲击冲击韧性韧性 钢材的钢材的是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收

17、能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载或振动收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载或振动荷载的能力，它是荷载的能力，它是强度与塑性强度与塑性的综合表现。的综合表现。 钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功( (冲击韧性值冲击韧性值Akvkv, ,单位单位J J或或a akvkv单位单位J J /cm/cm2 2) )来表示。来表示。 钢结构设计规范对钢材的冲击韧性钢结构设计规范对钢材的冲击韧性Akvkv有常温和负有常温和负温要求的规定。选用钢材时，根据结构的使用情况温要求的规定。选用钢材时，根据结构的使用情况和要求提出相应温度的冲击韧性指标要求。和要求提出相应温度的冲击

18、韧性指标要求。常温常温(20)和低温和低温(0，-20，-40) 试验试验. . 用带缺口（用带缺口（V V型或型或U U型）的标准试件（下图）进行型）的标准试件（下图）进行冲击试验，试件破坏时截面单位面积吸收的能量，冲击试验，试件破坏时截面单位面积吸收的能量，称称冲击韧性。冲击韧性越好，表明钢材越不易脆断。冲击韧性。冲击韧性越好，表明钢材越不易脆断。(a)(b) 冲击韧性试件冲击韧性试件P四、四、可焊性可焊性 焊接接头和焊缝的冲击焊接接头和焊缝的冲击韧性及近缝区塑性不低于母材性韧性及近缝区塑性不低于母材性能。能。 ( (使用性能上的可焊性使用性能上的可焊性) ) （1 1）可焊性好意味着钢材

19、施焊后能获得良好的焊接接头性能。）可焊性好意味着钢材施焊后能获得良好的焊接接头性能。（2 2）评定可焊性好的标志）评定可焊性好的标志 在一定的焊接工艺条件下，焊缝和近缝区均在一定的焊接工艺条件下，焊缝和近缝区均不产生裂纹不产生裂纹( (施工上的可焊性施工上的可焊性 ) ) 破坏前有显著的变形，吸收很大的能量，破坏前有显著的变形，吸收很大的能量， 延续时间长，有明显的塑性变形，断裂时延续时间长，有明显的塑性变形，断裂时 断口呈纤维状，色泽发暗。断口呈纤维状，色泽发暗。 破坏前无明显变形，破坏突然发生，断破坏前无明显变形，破坏突然发生，断 裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆裂时断口平齐，呈有光泽的

20、晶粒状。脆 性破坏危险性大。性破坏危险性大。v 建筑用钢建筑用钢 普通碳素钢普通碳素钢 普通低合金钢。普通低合金钢。 按其屈服点高低，由高到低排列，分为按其屈服点高低，由高到低排列，分为1 1号、号、2 2号、号、3 3号、号、4 4号号7 7号等，号等，钢号越高，其含碳钢号越高，其含碳量越高，强度越高，塑性越低量越高，强度越高，塑性越低。建筑钢结构中。建筑钢结构中最常用的是最常用的是3 3号钢。号钢。 “Q QXXXXXX ”，例如例如Q235 Q235 A AF F、Q235 Q235 B Bb b、Q345 Q345 E EZ Z。 其中其中 Q Q ：屈服强度的第一个拼音字母。屈服强度

21、的第一个拼音字母。 XXXXXX ：屈服强度值，单位为屈服强度值，单位为N/mmN/mm2 2，结构用钢常有结构用钢常有235235、345345、390390。 ：质量等级，有：质量等级，有A A、B B、C C、D D、E E五等。其中五等。其中A A无冲击功规定；无冲击功规定； B B有有2020 C C时的冲击功要求；时的冲击功要求；C C有有0 0 C C时的冲击功要求；时的冲击功要求； D D有有2020 C C时的时的 冲击功要求；冲击功要求；E E 有有4040 C C时的冲击功要求，时的冲击功要求， 低合金钢才有低合金钢才有E E等。等。 ：脱氧方法，可分为：脱氧方法，可分为

22、F F、b b、Z Z和和TZTZ，F F表示沸腾钢，表示沸腾钢，b b表示表示 半镇静钢，半镇静钢，Z Z表示镇静钢，表示镇静钢，TZTZ表示特殊镇静钢，其中表示特殊镇静钢，其中Z Z和和TZTZ 可不写。可不写。普通低合金钢是在普通碳素钢中添加少量的一种普通低合金钢是在普通碳素钢中添加少量的一种或几种合金元素（总量或几种合金元素（总量55）以提高其强度、耐腐蚀）以提高其强度、耐腐蚀性、耐热性、低温冲击韧性。其含碳量性、耐热性、低温冲击韧性。其含碳量0.2%0.2%，以便，以便钢材的加工和焊接。按加入的合金元素有：钢材的加工和焊接。按加入的合金元素有：1616MnMn钢、钢、1616MnqMnq钢、钢、 15 15MnVMnV钢、钢、1515MnVqMnVq钢和钢和1515MnVNMnVN钢等。钢等。1515MnVMnV 15表示含碳量为万分之表示含碳量为万分之15，Mn，V后后无无阿拉伯数字，表示其含量均阿拉伯数字，表示其含量均1.5，若有数字，表示其含量的百分数。若有数字，表示其含量的百分数。如：如：36Mn2Si,其中其中Mn的的含量为含量为2。另外，在桥梁、造船、压力容器、锅炉等专业用钢材，分另外，在桥梁、造船、压力容器、锅炉等专业用钢材，分别在末尾加