第六章 钢 结 构

第六章钢结构

钢结构的构成是用钢板、角钢、工字钢、槽钢、钢管和圆钢等钢材通过焊接等有效的连接方式，所形成的结构结构用钢量达6750t，195kg/m钢结构的特点强度高、重量轻延性好、抗震性好材质均匀、各向同性施工质量好、工期短密闭性好可装折，可移动耐腐蚀性差耐热但不耐火低温下会脆性断裂二.钢结构的应用工业厂房大跨结构高耸结构多层和高层建筑可折卸和移动的结构轻钢厂房三.钢结构的发展第一节钢结构材料和选用原则一.钢材1.材料分类按冶炼方法分类平炉钢：生产周期长，成本高，质量好转炉钢：氧气转炉钢：生产周期短，成本低，质量与平炉钢接近 空气转炉钢：质量较差，只能用于次要构件按脱氧程度分类沸腾钢F：脱氧剂为锰铁；脱氧不完全，质量较差，成本低半镇静钢b：介于两者之间镇静钢Z：脱氧剂为锰铁加硅铝；脱氧较完全，质量好成本高特殊镇静钢TZ按化学成分分类碳素结构钢：标号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275Q235-AF，表示屈服强度为235N/mm2

A级沸腾钢低合金钢：16Mn，表示平均含碳量0.16%含锰的钢等级：A、B、C、D含碳量与强度、塑性、韧性的关系有害元素：S、P等影响钢材性能的一般因素(1)化学成分

碳：提高强度；但塑性，可焊性、耐锈蚀性等劣化。

锰：提高强度，改善脆性；但对可焊性和耐锈力不利。

硅：提高强度，但含量过高，对塑性可焊性耐锈力不利。

硫：高温时变脆，降低塑性韧性抗疲劳能力和耐锈能力。

磷：提高强度和耐锈力，低温变脆，降低塑性可焊性等。(2)钢材缺陷

偏析:钢中化学成分的不一致性和不均匀性

裂纹：先天的裂纹，或是微观的或是宏观的

分层：在厚度方向分成多层，各层相互连接，并不脱离

夹杂物：尤其是硫化物和氧化物等2.钢材机械性能强度（屈服点、抗拉强度）、塑性（伸长率）、冷弯性能、

冲击韧性衡量。屈服强度：设计时钢材允许达到的最大应力有明显流幅的钢材：取屈服点的应力；无有明显流幅的钢材：取条件屈服强度。条件屈服强度：残余应变为0.2%对应的应力。极限强度：材料能承受的最大应力反映安全储备屈强比：屈服强度/极限强度钢材的塑性指标

伸长率：拉断后构件伸长率

截面收缩率：拉断后面积缩小率

冷弯性能：以冷弯的角度来衡量

反复荷载下钢材的疲劳疲劳破坏：在低于强度的应力反复作用下发生破坏。疲劳破坏特点：包括裂纹形成，缓慢发展和迅速断裂三个过程没有明显的变形，脆性破坏

应力集中

现象：当构件内部缺陷或截面形状等改变时，应力分布不均匀，出现局部高峰应力，促使钢材变脆。

影响因素：截面变化愈剧烈，应力集中现象愈明显。钢材的选择：

结构或构件的类型及重要性；

作用的性质（静力和动力作用）；

连接方式（焊接、铆接或螺栓连接）；

工作环境（温度和腐蚀等）。承重结构的钢材，宜选用Q235、16Mn等不宜使用Q235-AF的结构：焊接结构中重级工作制结构，冬季温度低于-20℃的轻、中级工作制结构；非焊接结构中冬季温度低于-20℃的重级工作制结构焊条：E43－Q235E50－Q3452.螺栓连接：普通螺栓连接、高强螺栓连接第二节钢结构基本构件计算采用以概率论为基础，用分项系数表达的极限状态。结构的极限状态：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，这一特定状态称为结构的极限状态。

两种极限状态承载能力极限状态（强度、整体稳定、局部稳定）正常使用极限状态（变形荷载采用标准值）一、受弯构件

钢梁在建筑结构中应用广泛，主要用以承受竖向荷载。如工作平台梁，楼盖梁，墙架梁、吊车梁、檩条等。常用截面形式：受弯构件的计算包括：强度、稳定和挠度强度：正应力、剪应力、局部应力稳定：整体稳定、局部稳定1.正应力计算F梁在弯矩作用下，假定钢材为理想弹塑性体，截面正应力的发展过程可以分为三个阶段：弹性阶段弹塑性阶段塑性阶段在Mx作用下在Mx、My作用下F2.剪应力计算I—毛截面惯性矩tw—计算剪应力处的截面宽度3.局部承压计算

当梁上翼缘受集中荷载且该荷载处又未设支承加劲肋时，应验算腹板边缘处局部承压强度。4.梁整体稳定梁的失稳机理梁受弯变形后，上翼缘受压，由于梁侧向刚度不够，就会发生梁的侧向弯曲失稳变形，梁截面从上至下弯曲量不等，就形成截面的扭转变形，同时还有弯矩作用平面那的弯曲变形，故梁的失稳为弯扭失稳形式，完整的说应为：侧向弯曲扭转失稳影响梁整体稳定的主要因素1）截面刚度

侧向抗弯刚度EIy，抗扭刚度EIt，抗翘曲刚度EIw越大，则Mcr越大；2）计算长度减少受压翼缘的自由长度l1，可提高Mcr；3）荷载性质梁受纯弯曲时，弯矩图为矩形，跨中截面M达Mcr，附近截面对它的约束减小，Mcr最小；当跨中点受集中荷载作用，梁弯矩变化大，约束作用大，Mcr最大。4）荷载位置

荷载作用于上翼缘，梁发生扭转，作用荷载会加剧扭转发展，而作用于下翼缘时，则有减缓截面扭转作用；5）加强上翼缘刚度，对梁的整体稳定有利6）支承情况梁支承对位移的约束程度越大，则临界弯矩越大。5.梁局部稳定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。在焊接梁的设计过程中，翼缘板的局部稳定常采用限制宽厚比的方法来保证，而腹板的局部稳定则常采用配置加劲肋的方法来解决。梁腹板常设计得高而薄，为提高其局部屈曲荷载，常采用加劲肋予以加强，6.梁的挠度（刚度）按荷载标准值引起的最大挠度w来衡量（按静力计算）二.轴心受力构件轴心受力构件分：轴心受拉及受压构件1)、轴拉构件：强度刚度2)、轴压构件：强度整体稳定局部稳定刚度常用截面形式（1）轴心受拉构件强度计算当轴心受拉杆与其他构件采用摩擦型高强螺栓连接时，应同时进行净截面和毛截面强度计算刚度计算（长细比）（2）轴心受压构件强度计算整体稳定计算强度计算局部稳定计算翼缘验算：腹板验算：刚度计算（长细比）小结：强度计算：整体稳定计算：局部稳定计算：刚度验算：三.偏心受力构件（压弯拉弯)强度计算例题1右图示轴心受压构件，Q235钢，截面无消弱，问：此柱的最大承载力设计值N？

解：1、整体稳定承载力计算对x轴：翼缘轧制边，对x轴为b类截面，查表有：对y轴：翼缘轧制边，对y轴为c类截面，查表有：由于无截面消弱，强度承载力高于稳定承载力，故构件的最大承载力为：2、局部稳定验算⑴、较大翼缘的局部稳定结论：满足要求⑵、腹板的局部稳定结论：满足要求作业：验算钢屋架的受压腹杆见图。N=148.5kN,计算长度Lox=2291mm,Loy=2864mm,A=1473.4mm2,ix=23.3mm,iy=33.7mm。钢材Q235。yyxxy8解：强度3.刚度2.整体稳定性连接方法优点缺点焊接对几何形体适应性强，构造简单，省材省工，易于自动化，工效高对材质要求高，焊接程序严格，质量检验工作量大铆接传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好费钢、费工普通螺栓连接装卸便利，设备简单螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大高强螺栓连接加工方便，对结构削弱少，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高射钉、自攻螺栓连接灵活，安装方便，构件无须予先处理，适用于轻钢、薄板结构不能受较大集中力四.连接计算焊接铆钉连接螺栓连接普通螺栓连接粗制（C级）精制（D级）高强螺栓连接摩擦型承压型1.焊接连接形式按构件的相对位置分对接搭接顶接

按焊缝的种类分对接焊缝直缝斜缝角焊缝端缝侧缝对接焊缝的形式和构造主要形式直边缝单边V形双边V形U形K形X形轴心受力的对接焊缝的计算承受弯、剪、轴力共同作用的对接焊缝角焊缝的构造

角焊缝的形式直角角焊缝普通型深熔直角焊缝平坡凸形斜角角焊缝斜锐焊缝斜钝焊缝斜凹角焊缝单焊缝的三种破坏形式单焊缝的三种破坏形式焊缝剪坏焊缝拉坏焊缝断裂

最小焊角尺寸2.螺栓连接的构造和计算螺栓的排列与间距排列方式：并列和错列两种原因1）最小间距要求端距过小，钢材有剪断的可能，边距和中距过小，构件可能沿折线或直线被拉断；施工也要求一定空间。2）最大间距要求a.对于受压构件，被连接件易发生张口或鼓曲现象b.螺距过大，接触面不密实，潮气易侵入二、普通螺栓连接计算抗剪螺栓----依靠螺杆抗剪和螺杆对孔壁的承压，传递垂直于螺栓的外力抗拉螺栓----依靠螺杆受拉传递平行于螺杆的外力抗剪普通螺栓连接计算破坏形式主要有螺栓剪断抗剪螺栓的承载力普通螺栓的受拉连接

一个螺栓抗拉承载力设计值

de：普通螺栓有效直径；Ae：普通螺栓有效截面面积。摩擦型高强度螺栓连接传力机理：靠钢板间的磨擦面传力1、受剪连接承载力2、受拉连接承载力3、拉剪联合作用3.满足制造、安装和运输要求·构造简单，杆件夹角30°～60°；·杆件与节点数量少；·