钢结构原理与设计

1、3钢结构设计原理土木工程2010（2012.11讲稿）第一章 绪论1.1 钢结构的特点一、钢结构的特点（一）.优点1强度高，钢材的 比值高 例： 等矩形截面简支梁 取 得 或说明： 不变，所需的梁高，经济性好高的材料适用于大跨/高耸结构。2弹性模量E大，刚度大，结构变形小例：对于均布荷载q作用的结构，最大挠度： 说明：，大的材料适用于大跨/高耸的结构。3钢材均质，各向同性，为理想弹塑性材料计算假定符合钢结构实际受力4. 塑性与韧性好塑性好，屈服台阶长，受力变形时吸收能量大，适用于动荷载结构和抗震结构5. 可焊性好 易于制造复杂结构体系，如复杂节点、完全密封容器等6. 适于标准化设计和工业化制造

2、，安装速度快，施工不受季节与气候限制7通过螺栓和节点构造，便于拆缷和拼装，易于修复和更换 适用于可修复结构、环保结构、临时结构（施工支架，施工挂篮等）8环保材料可完全拆除，回收，利用（二）缺点1. 易腐蚀需定期检查及涂漆，养护与维修费用高。2. 耐火性差t300C时，强度急剧下降 t250C时，材料性能才相对稳定 当温度作用可能150C时，结构需采用防火措施。3. 低温条件下，在复杂应力状态下易发生脆性破坏4. 钢桥噪音大，不适于城区5. 相对其它建筑材料，价格偏高二、钢结构适用范围1在桥梁结构中（横向）跨度，一般不用。，与混凝土桥方案比选后选用。例：a）1968年用国产16Mn低合金钢建成南

3、京长江大桥：b）1994年通车的九江长江大桥：（主跨系杆拱）跨度800m的大跨悬索桥加劲梁，常采用钢桁梁、钢板钢混结合梁中钢板梁或钢桁梁，钢管砼桁架桥等。拆装式军用桥，钢引桥，钢立交桥2工业与民用建筑中（竖向）高层房屋钢结构重型工业厂房大型场馆，购物中心（如Wall Mark等）海洋平台，起重运输等高耸结构3各种临时性结构如：万能杆件，钢塔架，钢拱架，挂篮，钢模板，膺架等。1.2 钢结构设计和设计规范自学1.3 钢结构课程内容和要求自学第二章 钢结构的材料及性能2.1. 钢材的工作性能 钢结构采用的钢材称为结构钢（structural steel）一、强度 以低碳钢标准试件在常温下静载单向拉伸

4、试验来讨论工作阶段： 段：上屈服点 下屈服点（鲍辛格效应） 定义： 说明： ， 屈强比： 表明设计强度的一种储备 钢结构设计中，常把定义为应力极限（或叫设计强度），作为承载能力极限状态的标志。 以16mMnq钢为例：二、塑性 钢结构破坏的两种形式：塑性破坏和脆性破坏 塑性破坏前：有显著的变形，有明显的屈服台阶 衡量塑性的两个指标：伸长率和断面收缩率1伸长率式中：原标距新标距 大，钢材破坏前产生的永久塑性变形和吸收能量的能力愈强，延伸性和塑性愈好。 大，对调整结构中局部超高应力、结构中塑性内力重分布的进行和减少结构脆性破坏的倾向性都有重要意义（一般）。2断面收缩率式中：原截面面积断口截面面积 表

5、示钢材颈缩区可能产生的最大塑性变形能力，是衡量在力作用下产生永久塑性变形而不致断裂的性质的一项重要指标。 ，塑性性质愈好。三、韧性表征钢材因塑性破坏而断裂的过程中吸收能量的能力，表示钢材抵抗冲击荷载的能力。 塑性指标由静载试验获得 韧性由动载试验获得 实验方法：梅氏试件（我国）：开有U形槽口 夏比试件（西方）：开有V形槽口 旧规范采用梅氏试件，新规范采用夏比试件（P11）式中：冲击功（击断标准试件需要的功）试件破坏所需要的功缺口处最小截面积，韧性越好。四、可焊性 指某种钢材在合理的设计与一定的工艺的条件下，经过焊接后能获得良好的连接性能。1焊接会引起：某些裂缝和局部区域内钢材变脆；残余应力；焊

6、缝中可能还有气孔、根部未焊透等。2可焊性试验：A）抗裂性试验：按规定条件将试件焊成后有多少裂缝立即出现。B）使用性能可焊性试验：是指焊接区域材料的塑性；要求焊接后其工作性能不低于母材。 方法：焊接模型 一段时效和若干加载 截取小试件 冲击韧性试验五、冷弯性 在常温下冷加工结构的抗弯曲变形和抗分层能力 冷弯试验：钢试件弯成，检查其内、外及侧面有无裂缝、裂断或剥落。 它是常规静力拉伸及冲击韧性试验的补充，可检验钢材内部缺陷（如：夹杂分布、结晶排列等），检查钢材的塑性和可焊性。2.2 钢材种类，牌号及规格一、钢材的种类1按冶炼方法：电炉钢：质量最佳，贵，建筑中不用 平炉钢： 质量好，价低， 转炉钢：

7、顶吹氧气转炉钢 结构钢 酸性侧吹转炉钢 质量相对差， 碱性侧吹转炉钢 在淘汰中2按脱氧方法（钢锭浇注方法） 钢液中残留氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。 强脱氧剂：硅 镇定钢：质量最好，浇注时平静凝固，晶粒密实，均匀。 半镇定钢 弱脱氧剂：锰 沸腾钢：质量较差，脱氧不充分，产生“一氧化碳” 溢出 浇注时在沸腾状态下凝固3按化学成份： 普通碳素钢 优质碳素钢 普通低合金钢 优质低合金钢 铸钢 锻钢 钢结构只采用碳素结构钢和低合金钢的几种（1）碳素钢 据含碳量多少分为： 低碳钢C:0.25%多用于钢结构 中碳钢C:0.25%C0.60%机械零件或支座 高碳钢C:0.60%C1.60%切削工具、弹

8、簧、轴承等。 C 强度 韧性、塑性 优质碳素钢：由普通碳素钢经过热处理（如调质处理）后得到，含S、P低，用于高强螺栓等。（2）低合金钢 在普通碳素钢中添加一种或几种合金元素得到 常用合金元素（alloying element）有：锰（Mn）、硅（Si）、铜（Cu）、硼（B）、铬（Cr）、镍（Ni）、钒（V）、铌（Nb）等。 其合金元素总含量不超过3%。 其含碳量0.2% 桥梁上常用：16Mn、16Mnq、 16MnVNq、16MnNbq、15MnV 表示万分之几的含碳量 优质低合金钢 普通合金钢经过调质处理而得，强度较高，塑性韧性不变。如：40B钢（用于高强螺栓）二、钢牌号 质量等级符号脱氧方

9、法符号。 厚度16mm时钢材的屈服点值。如：Q235-AF （沸腾钢F，半沸腾钢b，镇定钢Z） 常用结构钢 ： 碳素钢（原规范3号钢） （16Mn） （15MnV） 低合金钢 （15MnVN） 钢牌号的选用1）承重结构：抗拉强度、伸长率、屈服强度、磷含量指标等2）焊接结构：碳含量十冷弯性能3）需检算疲劳的结构：冲击韧性4）对抗腐蚀有特殊要求结构：耐候钢三、钢材规格 钢结构由钢厂以热轧钢材、热轧型钢供应。1钢材规格符号（P25P27） 钢板： 槽钢： 角钢： I字钢： （长边短边厚度：等边角钢边长写一个） H型钢：Habcd （翼板内，外侧平行，I字钢内侧有坡度） 钢管：ab （a钢管外径，b钢

10、管壁厚）2热轧钢板厚钢板：460mm（结构钢）薄钢板：0.354mm（主要用于制作冷弯薄壁型钢）扁钢板：450mm（桥梁中，板梁，箱梁板件，拼接板等）3热轧型钢 等边L，不等边L，普通，普通I，H型钢和部分T型钢4冷弯薄壁型钢（P27） 采用冷弯型钢机，压力机模压，弯曲机上弯曲，由钢板经冷加工而成。 常用厚度：26mm 主要用于轻型建筑结构 2.3钢材的脆性断裂1焊接结构（比铆接结构更）易发生脆性断裂，其原因有：（1）焊接后往往残留有缺陷，如气孔、尖碴、裂纹或未焊透（2）焊接后内部存在残余应力（3）焊接接头往往刚性较大，材料的塑性降低（4）焊接将结构连成整体，裂缝一旦发展，范围很大2发生脆性破

11、坏的原因（1）化学成份：碳，塑性下降易脆断 碳，高温（8001000C）时“热脆” 硫化铁熔化使钢内形成微小裂纹 磷，低温（-5C）时变脆“冷脆”（2）冶炼方法和轧钢工艺冶炼方法：不同冶炼方法得到的钢中碳、硫、磷含量不同； 钢液中残留氧（脱氧不充分），将使钢材晶粒粗细不匀，发生“热脆”轧制过程：改善钢材的内部组织和工作性能。 薄钢板比厚钢板工作性能好 厚钢板易发生脆性断裂 厚钢板沿厚度方向可能发生层状撕裂（焊接点处，P22）（3）冷加工硬化 常温下冷加工过程中，产生塑性变形和时效硬化 局部屈服点提高，但塑性、韧性 点处发生塑性变形，卸载后到，再加载到点屈服：（原）（4）复杂应力状态缺陷（裂纹、

12、孔洞、夹杂）外形突变 应力集中三向应力 钢材塑性 脆断危险 说明： 三向应力作用下，六面体单元发生 形状改变 体积改变（压缩） 即：外力功 = 形状改变应变能 + 体积改变应变能 研究证实：钢材适用形状能量强度理论第四强度理论可推导得到（教材P19）：折算应力 表明：，同号且值接近时，即使，很大，亦会，表明钢材不易屈服，常处于弹性工作状态此时，一旦、差值发生变化，当，发生屈服，由于处于高应力，高能量状态，瞬间将发生无明显变形征兆的脆性破坏。（5）温度 基本不变，材性稳定，塑性，韧性变化小 时，钢表面氧化膜呈蓝色，塑性韧性，出现“蓝脆现象”。 钢材脆断易在低温（尤其）下发生。 试验研究表明：钢材

13、存在冷脆转变温度，当时，钢的冲击韧性，易发生冷脆。 可见：缺口试件的冷脆转变温度比正常试件高。2.5 钢结构的疲劳 钢结构构件和其连接在很多次重复加载和卸载作用下，在其强度还低于钢材抗拉强度，甚至低于钢材屈服点的情况下突然断裂，称为疲劳破坏。 疲劳破坏基本特征：1）应力钢材抗拉强度下发生，具低应力类脆性断裂的特征2）破坏具局部性质，宏观上无明显塑性变形区域3）破坏前，要经历一个疲劳损伤的累积过程4）疲劳断口宏观上和微观上都有显著的特征5）疲劳寿命具极大的离散性应采用概率方法分析一、疲劳破坏影响因素 疲劳破坏影响因素： 缺陷：机械加工缺陷，变截面没有过渡段、焊接缺陷（如未焊透等）、冶炼工艺形成的

14、缺陷（如：夹杂，气泡，分层等） 荷载（应力）循环特征 荷载（应力）循环次数 应力谱：所研究结构部位的应力随时间变化的历程 应力循环特征： 应力幅： 应力比： 最大应力： 疲劳强度在一定的循环次数下，引起疲劳破坏的最大应力 疲劳极限（持久极限）在一定的循环特征下，材料可以承受无限次应力循环而不发生破坏的最大应力 对一定的钢材（图）： 荷载（应力）循环次数N， 当N时，即为疲劳极限，此是疲劳容许应力制定的依据。 对于焊接结构，研究表明，疲劳破坏主要与应力幅值有关。 说明： 焊接结构疲劳裂纹源多在焊接根部和端部已存在很高残余应力，往往其峰值已达； 设荷载在计算部位的应力循环特征：、； 由于残余应力已

15、达，此时，并不代表计算部位的实际应力状态（图a，b中的不同），但两者相同，因此，用应力幅值更能真实体现对疲劳破坏的影响。二疲劳验算 两种验算方法： - （方法一） -（方法二）1国家标准钢结构设计规范GB50017-2003 采用方法。（1）常幅疲劳验算 -对于焊接部位：对于非焊接部位： 其中常幅疲劳容许应力幅： -式中：n应力循环次数 参数，与构件和连接类型及受力情况有关（2）变幅疲劳验算（P447）式中：为对应于应力幅水平达时的循环次数2铁路桥梁钢结构设计规范（TB10002.2-2005） 同时采用两种验算方法 部件承受压压循环应力作用时，疲劳裂缝不扩展，不考虑疲劳（1）焊接构件及连接疲

16、劳验算A）疲劳应力为拉拉及拉为主的拉压构件（）（） -（方法一）式中：疲劳容许应力幅：万次时能承受的等幅应力（与构件及连接形式有关，分成12种疲劳应力幅类别）。 双线桥的双线系数（1.131.19） 损伤修正系数（1.01.4），跨度L20m，取=1.0板厚修正系数B）疲劳应力为压为主的拉-压构件（）： -（方法二）式中：应力修正系数，与有关，（2）非焊接构件及连接疲劳验算A）拉-拉构件（）：B）拉-压（）（包括拉为主和压为主） 关于的说明：（双线系数）：双线铁路桥主桁，主梁（不包括横梁及连接横梁）检算疲劳时，按一线偏心加载并以杠杆原理分配荷载效应，因此需以双线系数修正。（损伤修正系数）：原规

17、范主要依据货车，年运量大于3000万吨的标准荷载比频谱制定。现年运量增加。（板厚修正系数）：总体反映板厚由于材质，焊接及制造工艺对疲劳下降的影响，（应力比修正系数）： 在（疲劳强度）N曲线中（SN），N一定时， 与有关 指时，N=200万次对应的疲劳强度 故：在用的模式中应考虑影响，相当于：第三章 钢结构的设计方法 设计的可靠性（或设计目标）：安全性，适用性，耐久性 安全性：荷载效应结构抗力-式中：结构重要性系数名义荷载安全系数名义荷载效应系数第i个荷载的分项系数第i个荷载对荷载效应的贡献第i种材料提供抗力分项系数（材料安全系数）第i种材料提供抗力名义抗力安全系数名义抗力 适用性：荷载效应S结

18、构正常作用限值C（如挠度，振动频率，应力等）3.1 容许应力法 经典定值设计方法，目前仍在使用 表达式：常用应力形式表示 由式有：式中：K为安全系数 写成应力形式有：式中；强度指标（可取为或）容许应力 对于需考虑稳定影响的结构：-式中：稳定系数，与构件长细比等有关。K值取法：1.41.8（对） 2.02.5（对） 铁路钢桥取法：正应力：基本容许应力剪应力： 弯曲容许应力： 与受力特征有关 端部承压容许应力： 容许应力还与荷载组合方式有关：式中：的取值见规范 容许应力法的优点：方法简单、直观 缺点：结构安全水平与荷载变异性有关（与比值有关）3.2 概率设计法 半概率（半经验）、近似概率设计法、全

19、概率（Z=S-R0）设计目标：基于某种保证率的功能函数式中：抗力函数 荷载效应 承载能力极限状态：式中：结构重要性系数 荷载效应 结构设计抗力 抗力分项系数（对于Q235取1.087，对于Q345，Q390，Q420取1.111） 强度设计值 正常使用极限状态：（为正常使用要求，如变形、裂缝、应力等限值）第四章 钢结构的焊接 钢结构的连接：铆接（仅在钢桥中应用，逐渐被高强螺栓代替）、焊接、栓接（普通螺栓、高强螺栓）4.1 焊接方法 最常用：手工焊（电弧焊），自动（半）埋弧焊，气体保护焊（气焊）1. 手工电弧焊 示意图见P44, Fig4.1、Fig4.2目前被广泛使用 电弧：焊条末端与焊件间由

20、于电子放射而形成高温，将焊件局部熔化成熔池，同时将焊条内金属熔化进熔池，冷却后形成焊缝金属。 焊条：内部为钢丝芯子作电极+形成焊缝金属外涂药皮使电弧外围产生“气体气+焊渣”，隔绝空气，以免氧、氮等有害气体使焊缝变脆；补充母材因高温和冶金反应而损失的有益成份。 焊条型号： E其中：E表示焊条（electrode），前两个数10表示焊丝抗拉强度（MPa）最小值，后两个字母表示药皮类型、适用的施焊位置等。 焊条型号应与焊件母材牌号相适应 Q235：E43 Q345：E50 Q390、Q420：E502. 自动（半自动）埋弧焊 见P45, Fig4.3 特点： 电弧埋在焊剂层内埋弧 焊丝：不涂药皮的裸

21、焊条 专门焊剂： a）部分焊后熔化为焊渣，使焊缝与空气隔绝。 b）对焊缝金属补充必要的合金成份 主要用于工厂，尤其是长而直的焊缝 优点：电流大，熔深大，效率高，焊缝均匀，塑性和韧性好3. 气体保护焊 见P45, Fig4.4 特点：裸焊丝在喷枪中，喷枪喷出气体，以保护电弧，熔和焊缝。 气体：常用（因要分解出，焊丝中加Mn、Si以除去，） 施焊周围风速要小（2m/s）4. 施焊位置（见P51, Fig4.15） 俯焊（平焊），横焊（水平焊），立焊（竖焊），仰焊（质量最难控制）4.2 焊缝接头形式和焊缝类型1、焊缝接头形式（P46，Fig4.5） 主要有：对接、搭接、角接、T形2 焊缝类型 主要有

22、：对接焊缝、角焊缝、塞焊缝、点焊缝等（1） 对接焊缝（P49，Fig4.9） 钢材厚度t： I型 单边V型或V型 U、X、K型（做坡口目的：焊透） 不等厚或不等宽板连接 做坡度过渡，避免应力集中 TB：1：8（拉）或1：4（压）GB：一般结构1：2.5，直接承动荷载需疲劳检算：1：4（2） 角焊缝（又称贴角焊缝） 按位置分： 侧焊缝 端（正面）焊缝 将侧、端焊缝连起来焊：围焊 按形状分：a）直角焊缝b）斜角焊缝（3）焊缝代号：P51P54：自学（4）焊接结构优缺点及焊缝缺陷：P46P48：自学4.3 焊缝残余应力和残余变形 焊缝温度（1600）：焊缝膨胀 冷却 收缩 塑性 各部不均匀收缩残余应

23、力与变形1、残余应力 Q235、Q345焊接残余应力常可高达屈服点（1）对接钢板焊缝 施焊：区高温：塑性 区常温 区焊缝附近受压 膨胀 约束 发生塑性变形。 冷却 焊缝及区收缩 冷却 受区约束，焊缝及区受拉 焊缝应力为自应力 区受压（AA截面） BB截面应力分析：同上：焊缝中间附近部位受拉 两侧受压 为保截面内力平衡（2）H型钢或箱形焊接件（P95，Fig4.58） 结论： 沿焊缝方向：焊缝附近部位受拉，远侧受压 垂直焊缝方向：焊缝附近中心部位受拉，远侧受压2、残余变形（1）残余应力、残余应变对结构的影响 残余应力： 钢材具一定塑性，若无严重应力集中，残余应力不影响静力强度 降低刚度，增大变形

24、（残余应力使部分区域提前进入塑性，弹性区降低） 降低整体稳定和局部稳定（残余应力使部分区域提前进入塑性，刚度降低） 降低疲劳强度（残余应力通常是多向应力，致使塑性降低、脆性增加，疲劳强度降低） 残余应变： 影响结构的尺寸精度及外观 导致初弯曲，初扭曲、初偏心等，受力时产生附加弯矩、扭矩和变形，降低结构强度和稳定的承载能力4.4 对接焊缝的计算 焊缝质量要求分三级：一级、二级、三级 质量好、 中、 较差 一级、二级焊缝强度设计值与母材相同，不需进行强度计算 三级焊缝：抗拉、抗弯受拉的强度设计值：抗拉抗剪：（P19式2.8）1. 三级焊缝对接接头和T形接头中，垂直于轴心受拉（压）力的对接焊缝与角接

25、组合焊缝：或 .(1)焊缝长度。有引弧板和引出板时，焊件宽度b，无引弧板和引出板时，（GB中，t为连接板最小厚度，T接中为腹板厚度；TB中，tmm10mm）t对接接头中连接件的较小厚度，T形接头中为腹板厚度、焊缝抗拉、抗压强度设计值三级对接正焊缝强度不能满足轴心受拉要求，改用斜焊缝.(2).(3)、焊缝抗剪强度设计值 讨论:a) 由式（2）知，只要（），即（焊接母材截面选择时必须满足的条件），因此，时式（2）不需要验算。b) 式（3）可写成，而恒成立，因此，式（3）不需验算。 规范规定：当斜焊缝与作用力N的夹角小于（）时，式（2）、式（3）不需要验算。T形或I形接头同时承受M、V、N作用时式中

26、、皆为焊缝的参量4.5 角焊缝的计算1. 角焊缝有效计算高度 直角焊缝： 有效计算高度有效计算截面积（为焊缝长度） 两焊脚边夹角的T形接头（斜角焊缝，P90）： （根部间隙、或）（、或）2. 角焊缝的受力特性 侧焊缝：主要承受剪力 分布：沿焊缝方向两端大，中间小 特点：塑性好，进入弹塑性状态时，分布趋于均匀，破坏时可按全长受力考虑。 破坏位置：45（最小截面） 端焊缝（正面角焊缝） 焊缝受拉、弯、剪，受力复杂 特点：端焊缝刚度大，变形小，塑性差，破坏由正应力和剪应力综合引起。 应力分布：）沿着焊缝长度方向较均匀）应力集中严重，焊缝根部（B处）有很大的正应力）AB、BC、DC截面上应力变化剧烈 破坏位置：i）接近AB处，且平行AB的面 ii）接近BC处，且平行BC的面 iii）BD处 试验证明：端焊缝的破坏强度比侧焊缝高1/3。 T形接头正面角焊缝 受力特点：破坏位置等与类同。3. 角焊缝强度计算 基本假定： 沿45焊缝截面破坏 （N、V、M）荷载作用下，焊缝应力沿长度方向均匀分布（1） 传统方法 假定：焊缝强度与焊缝轴线和作用力之间的夹角