钢结构基本知识

单元7钢结构基本知识7.1钢结构材料7.2钢结构的连接7.3钢结构构件7.4钢屋盖7.5识读钢结构施工图单元小结同步训练单元7学习目标知识目标：1.掌握钢结构的基本材料及其性能；2.熟悉钢结构的连接方法；3.了解钢结构的基本构件及构造要求；4.了解钢屋盖的基本组成及构造要求；5.掌握钢结构施工图的识读方法。能力目标：1.懂得钢结构基本知识；2.能读懂钢结构施工图。工作任务1.认识钢结构材料；2.了解钢结构基本构件的连接方法；3.熟悉钢结构的基本构件；4.了解钢屋盖的基本组成；5.识读钢结构房屋施工图。钢结构基本知识单元7学习指南钢结构是土木工程的主要结构形式之一。目前，钢结构在房屋建筑、地下建筑、桥梁、塔桅和海洋平台中都得到广泛采用。钢结构是首先由钢板、型钢通过必要的连接组成基本构件，如梁、柱、桁架等；然后再通过一定的安装连结装配成的空间整体结构，如屋盖、厂房、钢闸门、钢桥等。图8.1简单演示了基本构件与连接之间的关系。本单元主要讲述连接与基本构件知识,为钢结构施工图的识读奠定基础。

图8.1基本构件与连接本单元基于识读钢结构房屋施工图的工作过程，分为五个学习任务，目的让学生在学习相关内容的基础上，进一步提高识读结构施工图的能力，因此每个学生应沿着如下流程进行学习：认识钢结构材料→了解钢结构基本构件的连接方法→熟悉钢结构的基本构件→了解钢屋盖的基本组成→识读钢结构房屋施工图钢结构基本知识7.1认识钢结构材料7.1.1钢结构对用钢材的要求7.1.2建筑钢材的种类和选用7.1.1钢结构对用钢材的要求

用作钢结构的钢材须具有以下性能：(1)较高的强度，即抗拉强度和屈服点都比较高。(2)足够的变形性能，即塑性性能好。(3较好的韧性，即韧性性能好。(4)良好的加工性能，即适合冷、热加工，还要有良好的可焊性。(5)耐久性能好，能适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等性能。为了使所设计的钢结构满足承载力和正常使用要求，《钢结构设计规范》提出了承重结构钢材的质量要求，包括五个力学指标和碳、硫、磷的含量要求，五个性能指标是：抗拉强度、屈服强度、伸长率、冷弯性能和冲击韧性。在钢材选用时要根据具体情况满足以上质量要求。7.1.2建筑钢材的种类和选用建筑工程中所用的建筑钢材基本上是碳素结构钢和低合金高强度结构钢。1.建筑钢材的类别1)碳素结构钢碳素结构钢按含碳量的多少，可分成低碳钢、中碳钢和高碳钢。通常把含碳量在0.03%~0.25%之间的的钢材称为低碳钢，含碳量在0.26%~0.60%之间的称为中碳钢，含碳量在0.60%~2.0%之间的称为高碳钢。建筑钢结构主要使用低碳钢。碳素结构钢的牌号由字母Q、屈服点数值、质量等级代号、脱氧方法代号四个部分组成。Q是代表钢材屈服点的字母；屈服点数值有195、215、235、255和275，以N/mm2为单位；质量等级代号有Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ，按冲击韧性试验要求的不同，表示质量由低到高；脱氧方法代号有F、b、Z、TZ，分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢，其中代号Z、TZ可以省略不写。钢结构所采用的Q235钢，分为A、B、C、D四级，A、B两级的脱氧方法可以是Z、b或F，C级只能为Z，D级只能为TZ。如Q235A·F表示屈服强度为235N/mm2，A级，沸腾钢。

7.1.2建筑钢材的种类和选用

2）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是指在冶炼过程中添加一些合金元素，其总量不超过5%的钢材。加入合金元素后，钢材强度明显提高，钢结构构件的强度、刚度、稳定三个主要控制指标能充分发挥，尤其在大跨度或重负载结构中优点更为突出。低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号三个部分按顺序排列表示。钢的牌号有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五种，质量等级有A、B、C、D、E五个等级。A级无冲击功要求，B、C、D、E级均有冲击功要求。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢，C、D、E级属于特殊镇静钢。7.1.2建筑钢材的种类和选用2.建筑钢材的规格各类钢种供应的钢材规格分为型材、板材、管材及金属制品四大类，其中建筑钢结构中使用最多的是型材和板材。型材钢有热轧成型的钢板、型钢及冷弯(或冷压)成型的薄壁型材。

1）热轧钢板热轧钢板分厚板和薄板两种，厚板的厚度为4.5~60mm，薄板厚度为0.35~4mm。在图纸中钢板用“—宽×厚×长”或“—宽×厚”表示，单位为mm。如—800×12×2100、—800×12。

2）热轧型钢热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢、H型钢、剖分T型钢、钢管(图8.1)。

图8.1热轧型钢截面7.1.2建筑钢材的种类和选用

3）冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢由厚度为1.5～6mm的钢板或带钢，经冷加工（冷弯、冷压或冷拔）成型，同一截面部分的厚度都相同，截面各角顶处呈圆弧形，如图8.2a~i。在工业民用和农业建筑中，可用薄壁型钢制作各种屋架、刚架、网架、檩条、墙梁、墙柱等结构和构件。

图8.2冷弯薄壁型材的截面形式（a）~(i)冷弯薄壁型钢；（j）压型钢板压型钢板是冷弯薄壁型材的另一种形式(图8.2j)，常用0.4～2mm厚的镀锌钢板和彩色涂塑镀锌钢板冷加工成型，可广泛用作屋面板、墙面板和隔墙。7.1.2建筑钢材的种类和选用

3.建筑钢材的选择建筑钢材选用的原则是，既能使结构安全可靠，满足使用要求，又要最大可能节约钢材，降低造价。根据上述要求，我国现行《钢结构设计规范》，推荐承重结构的钢材宜采用用碳素结构钢中的Q235钢和低合金高强度结构钢中的Q345钢、Q390钢及Q420钢。在具体选择钢材时应考虑以下各因素：结构或构件的重要性、荷载情况、连接方法、结构所处的温度与湿度、钢材的厚度等。单元7钢结构基本知识7.1钢结构材料7.2钢结构的连接7.3钢结构构件7.4钢屋盖7.5识读钢结构施工图单元小结同步训练单元7学习目标知识目标：1.掌握钢结构的基本材料及其性能；2.熟悉钢结构的连接方法；3.了解钢结构的基本构件及构造要求；4.了解钢屋盖的基本组成及构造要求；5.掌握钢结构施工图的识读方法。能力目标：1.懂得钢结构基本知识；2.能读懂钢结构施工图。工作任务1.认识钢结构材料；2.了解钢结构基本构件的连接方法；3.熟悉钢结构的基本构件；4.了解钢屋盖的基本组成；5.识读钢结构房屋施工图。钢结构基本知识单元7学习指南钢结构是土木工程的主要结构形式之一。目前，钢结构在房屋建筑、地下建筑、桥梁、塔桅和海洋平台中都得到广泛采用。钢结构是首先由钢板、型钢通过必要的连接组成基本构件，如梁、柱、桁架等；然后再通过一定的安装连结装配成的空间整体结构，如屋盖、厂房、钢闸门、钢桥等。图7.1简单演示了基本构件与连接之间的关系。本单元主要讲述连接与基本构件知识,为钢结构施工图的识读奠定基础。

图7.1基本构件与连接本单元基于识读钢结构房屋施工图的工作过程，分为五个学习任务，目的让学生在学习相关内容的基础上，进一步提高识读结构施工图的能力，因此每个学生应沿着如下流程进行学习：认识钢结构材料→了解钢结构基本构件的连接方法→熟悉钢结构的基本构件→了解钢屋盖的基本组成→识读钢结构房屋施工图钢结构基本知识7.3钢结构构件7.3.1轴心受力构件7.3.2受弯构件7.3.3拉压弯构件7.3.1轴心受力构件

1、轴心受力构件的种类及截面形式轴心受力构件是指承受通过构件截面形心轴线的轴向力作用的构件，当这种轴向力为拉力时，称为轴心受拉构件，简称轴心拉杆；当这种轴向力为压力时，称为轴心受压构件，简称轴心压杆。轴心受力构件广泛地应用于承重钢结构，支承屋盖、楼盖或工作平台的竖向受压构件通常称为柱，包括轴心受压柱。柱通常由柱头、柱身和柱脚三部分组成，柱头支承上部结构并将其荷载传给柱身，柱脚则把荷载由柱身传给基础。（a）实腹式柱（b）格构缀板柱（c）格构缀条柱图8.23柱的形式7.3.1轴心受力构件

圆钢无缝钢管单角钢T型钢槽钢工字钢H型钢

工字形截面箱形截面H形截面十字形截面T形截面图8.24轴心受压构件的常用截面形式7.3.1轴心受力构件

2、轴心受力构件受力特点轴心受拉构件进行界面设计是要考虑强度和刚度的要求；轴心受压构件截面设计除了要考虑强度和刚度的要求，还要考虑整体稳定性和局部稳定性的问题，下面做简要介绍：（1）强度计算（2）刚度计算（3）轴心受压构件的整体稳定（4）轴心受压构件的局部稳定图8.25轴心受压构件的局部屈曲7.3.1轴心受力构件

3.轴心受压柱的柱头与柱脚柱的顶部与梁（或桁架）连接的部分称为柱头，作用是通过柱头将上部结构的荷载传到柱身。柱下端与基础连接的部分称为柱脚，柱脚的作用是将柱身所受的力传递和分布到基础，并将柱固定于基础。（1）轴心受压柱的柱头梁与轴心受压柱的柱头连接有两类铰接，一类是梁支承于柱顶上，一类是梁连接于柱的侧面。1)梁支承于柱顶的构造设计梁支于柱顶时，柱顶焊有大于柱轮廓3cm左右的顶板，厚度为16～20mm，与柱焊接并与梁用普通螺栓相连。

7.3.1轴心受力构件

图（8.26（a））的构造方案，将梁的反力通过支承加劲肋直接传给柱的翼缘。两相邻梁之间留一空隙，以便于安装，最后用夹板和构造螺栓连接。这种连接方式构造简单，对梁长度尺寸的制作要求不高，缺点是当柱顶两侧梁的反力不等时将使柱偏心受压。图（8.26（b））

的构造方案，梁的反力通过端部加劲肋的突出部分传给柱的轴线附近，因此即使两相邻梁的反力不等，柱仍接近轴心受压。梁端加劲肋的底面应刨平顶紧于柱顶板。由于梁的反力大部分传给柱的腹板，因而腹板不能太薄且必须用加劲肋强。两相邻梁间可留一些空隙，安装时嵌入合适尺寸的填板并用普通螺栓连接。对于格构式，为了保证传力均匀并托住顶板，应在两柱肢之间设置竖向隔板。（a）(b）图8.26梁的支承于柱顶的铰接连接7.3.1轴心受力构件

2）梁支承于柱的两侧的构造设计在多层框架的中间梁柱连接中，横梁只能在柱侧相连。图8.27是梁连接于柱侧面的铰接构造。梁的反力由端加劲肋传给支托，支托可采用T形，也可用厚钢板做成，支托与柱翼缘间用角焊缝相连。用厚钢板做支托的方案适用于承受较大的压力，但制作与安装的精度要求较高。支托的端面必须刨平并与梁的端加劲肋顶紧以便直接传递压力。考虑到荷载偏心的不利影响，支托与柱的连接焊缝按梁支座反力的1.25倍计算。为方便安装，梁端与柱间应留空隙加填板并设置构造螺栓。当两侧梁的支座反力相差较大时，应考虑偏心，按压弯柱计算。

图7.27梁支承于柱侧的铰接连接7.3.1轴心受力构件（2）轴心受压柱的柱脚

轴心受压柱的柱脚一般是由底板、靴梁、隔板等组成，主要传递轴心压力，与基础的连接一般采用铰接。图8.28是几种常用的平板式铰接柱脚。由于基础混凝土强度远比钢材低，所以必须把柱的底部放大以增加其与基础顶部的接触面积。图8.28（a)

是一种最简单的柱脚构造形式，在柱下端仅焊一块底板，柱中压力由焊缝传至底板，再传给基础。这种柱脚只能用于小型柱，如果用于大型柱，底板太厚。一般的铰接柱脚在柱端部与底板之间增设一些中间传力零件，如靴梁、隔板和肋板等，以增加柱与底板的连接焊缝长度，并且将底板分隔成几个区格，使底板的弯矩减小，厚度减薄。图8.28(b)是格构式柱的柱脚构造。图8.28(c)中靴梁焊于柱的两侧，在靴梁之间用隔板加强，以减小底板的弯矩，并提高靴梁的稳定性。7.3.1轴心受力构件图7.28轴压柱柱脚(a)平板式(b)、(c)有靴梁平板式

7.3.2受弯构件1、梁的类型和应用只受弯矩作用或受弯矩与剪力共同作用的构件称为受弯构件，俗称梁。钢梁在建筑结构中应用广泛，主要用于楼盖、屋盖、车间的工作平台及墙梁、吊车梁等。钢梁按照制作方法的不同可以分为型钢梁和组合梁两大类。型钢梁又分为热轧型钢梁和冷弯薄壁型钢梁两种。目前常用的热轧型钢有普通工字钢、槽钢、热轧H型钢等（如图8.29(a)~(c)）。8.29梁的截面形式7.3.2受弯构件2.梁的受力特点（1）钢梁在设计是要考虑强度和刚度要求，在荷载作用下将产生弯曲应力、剪应力，在集中荷载作用处还有局部承压应力，故梁的强度验算应包括：抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度，在弯应力、剪应力及局部压应力共同作用处还应验算折算应力。7.3.2受弯构件

(2)梁的稳定

1）梁整体稳定受弯构件在最大刚度主平面内受弯，当弯矩不大时，梁的弯曲平衡状态是稳定的。即当有外界各种因素使梁产生微小的侧向弯曲和扭转变位，但是外界影响消失后，梁仍能恢复原来的状态。然而，当弯矩增大到某一数值后，梁会突然出现很大的侧向弯曲并伴随扭转（图7.30），失去继续承载能力，即只要外荷载稍微增加些，梁的变形就急剧增加并导致破坏．这种现象称为梁的侧向弯扭屈曲或梁整体失稳。整体失稳是受弯构件的主要破坏形式之一。图7.30梁丧失整体稳定性的情况7.3.2受弯构件影响受弯构件的整体稳定性的因素很多，理论分析和计算较为复杂。《钢结构设计规范》对梁的整体稳定计算作如下规定：当有符合下列情况之一时，可不验算梁的整体稳定：①有铺板密布在梁的受压翼缘并与其牢固连接。②工字形截面简支梁受压翼缘的自由长度与其宽度之比不超过下表规定数值表8-5H型钢或工字形截面简支梁不需计算整体稳定性的最大值钢号

跨中无侧向支承点的梁

跨中有侧向支承点的梁不论荷载作用在何处

荷载作用在上翼缘

荷载作用在下翼缘

Q235钢

132016Q345钢

10.516.513Q390钢

1015.512.5Q420钢9.515127.3.2受弯构件2）梁的局部稳定和加劲肋设置在梁的设计中，除了强度和整体稳定性问题外，为了保证梁的安全承载还必须考虑局部稳定问题。轧制型钢梁的规格和尺寸，都满足局部稳定要求，不需要进行验算。组合梁一般由翼缘和腹板等板件组成，如果设计不当，板中压应力或剪应力达到某一数值后，腹板或受压翼缘有可能偏离其平面位置，出现波形鼓曲(图8.31)，这种现象称为梁局部失稳。（a）翼缘b)腹板图7.31梁局部失稳7.3.2受弯构件

①受压翼缘的局部稳定《规范》规定对梁受压翼缘采用限制宽厚比的办法来保证梁受压翼缘板的局部稳定性。规定梁受压翼缘自由外伸宽度与其厚度之比，应符合下式要求：（梁翼缘板自由外伸宽度的取值为：对焊接构件，取腹板边至翼缘板（肢）边缘的距离；对轧制构件，取内圆弧的起点至翼缘板边缘的距离）。当计算梁的抗弯强度取时，值可放宽为。②腹板的局部稳定为保证腹板的局部稳定，可增设腹板厚度或设置加劲肋，实际工程中，为了提高梁的承载力，节省钢材，往往需要加大梁的高，而腹板厚度又较薄，因此需在腹板两侧设置合适的加劲肋，以加劲肋作为腹板的支承，将腹板分成几个尺寸较小的区段，以提高腹板的临界应力，满足局部稳定的要求，且较为经济。7.3.2受弯构件3.梁的拼接与连接在制造中，当材料的长度不能满足构件的长度要求时，必须进行接长拼接。梁的拼接有工厂拼接和工地拼接两种。（1）工厂拼接如果梁的长度、高度大于钢材的尺寸，常需要先将腹板和翼缘用几段钢材拼接起来，然后再焊接成梁，这种拼接一般在工厂中进行，称为工厂拼接。图7.33组合梁的工厂拼接7.3.2受弯构件

（2）工地拼接跨度大的梁，可能由于运输或安装条件的限制，需将梁分成几段运至工地或吊至高空就位后再拼接起来，由于这种拼接是在工地进行，因此称为工地拼接。

图7.34组合梁的工地拼接图7.35采用高强度螺栓的工地拼接7.3.2受弯构件4.主梁与次梁的连接（1）次梁为简支梁简支次梁与主梁的连接形式有平接和叠接两种，叠接是将次梁直接搁置在主梁上，如图8.37所示，用螺栓或焊缝固定，构造简单，但建筑高度大，现在很少采用。

图8.36简支次梁与主梁的叠接7.3.2受弯构件

次梁与主梁平接是将次梁通过连接材料在侧面与主梁连接。如图7.38所示，次梁端部上翼缘切去，端部下翼缘则切去一边，然后将次梁端部与主梁加劲肋用螺栓相连。如果次梁反力较大，螺栓承载力不够时，可用围焊缝（角焊缝）将次梁端部腹板与加劲肋连牢传递反力，这时螺栓只作安装定位用，实际设计时，