建筑第一二三章钢结 构课件

第一章 绪 论 第一节 我国钢结构的概况 第二节 钢结构的特点和应用 第三节 钢结构的发展 第四节 课程的内容、特点和学习方法 第一节 我国钢结构概况 从建国以来分三阶段： 5060年代（初盛时期）：借助苏联的经济和技术支援，有百十个项目，都是重型工业厂房； 60年代中后期70年代（低潮期）：冷弯薄壁型钢结构、轻钢屋盖； 80年代以后至今（发展时期）：向高、大、重方向发展。 一、钢结构的特点 1、钢结构材料的质量轻、强度高 2、材质均匀，和力学计算的假定比较符合 3、钢结构制造简便，施工周期短 4、塑性和韧性好 5、钢材耐腐蚀性差 6、钢材耐热但不耐火 钢拉杆和压杆性能比较 第二节 钢结构的特点及应用 C30混凝土 密度：2450kg/m3 强度：14.3N/mm2 Q235钢 密度：7850kg/m3 强度：235N/mm2 二、钢结构的应用 1、大跨度钢结构 2、重型厂房钢结构 3、受动力荷载影响的结构 4、可拆卸的结构 5、高耸结构和高层建筑 6、容器和其他构筑物 7、轻型钢结构 第三节 钢结构的发展 1、发展低合金高强度钢材和型钢品种 2、结构和构件设计计算方法的深入研究 3、结构形式的革新 4、结构优化设计 连接 钢材性能及规格 基本构件 第四节 课程主要内容、特点和学习方法 结构体系设计 形式 计算 构造 轴拉构件 受弯构件 压弯构件 轴压构件 拉弯构件 稳定验算 承载力 刚度 钢结构结构基本设计原则 焊接 螺栓连接 第一节 结构钢材的破坏形式 第二节 钢结构对钢材性能的要求 第三节 影响钢材性能的因素 第四节 结构钢材的种类及选用 第二章 钢结构的材料 1、塑性破坏：破坏前有明显的变形，破坏历时时 间长，可以采取补救措施。 第一节 钢材的破坏形式 2、脆性破坏：破坏前没有明显的变形，破坏发生 突然，没有机会补救。 脆性破坏的原因? 注意：应尽量发挥材料的塑性 避免一切脆性破坏的可能性 （一）、强度 1、单向均匀拉伸试验 试验条件：标准试件在常温（20）下缓慢加载，一次完成 第二节 钢材的机械性能 钢材在单向均匀受拉时工作性能表现为四个阶段： A 弹性阶段: 应力最高点对应比例极限 弹性模量 应力 B 弹塑性阶段: 应力介于 和 之间 弹塑性模量 是变数 C 塑性阶段: 应力达到屈服强度 D 强化颈缩阶段: 应力最高点对应抗拉极限 （二）钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体 1. 计算简便 2. 与 相差不大 3. 虽然 ，但 对应 的应变非常大（不满足正 常使用极限状态） 4. 以 作为设计强度的依据，具有较大的强度储备， 若出现偶然因素，使人们有机会补救 l 屈强比 ：Q235钢为0.57，Q345钢为0.67 2、简化计算, 采用理想弹塑性模型 1、 作为钢结构设计的最大应力 3、 作为钢材实际破坏强度 （三）注意 二、塑性 当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质 断面收缩率：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 的百分率 衡量塑性性能的指标：伸长率 三、冲击韧性 冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力 衡量冲击韧性的指标：冲击功 韧性是钢材强度和塑性的综合指标 梅氏U型缺口试件: 冲击试验的标准试件型式： 夏比V型缺口试件: 我国采用夏比V型缺口试件 冲击韧性受温度的影响 四、冷弯性能： 指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对 产生裂缝的抵抗能力 鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综 合指标 五、 可焊性 可焊性指采用一般焊接工艺就可完成合格的焊缝的性能 可焊性受化学成分C的影响比较大 碳当量： 衡量低合金钢的可焊性的计算 0.45焊接性能难 另：钢材物理性能指标 l弹性模量 l质量密度 l剪变模量 l线膨胀系数 l泊松比 一、化学成分 第三节 影响钢材性能的主要因素 普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1% 普通低合金钢中有5%的合金元素 碳（C）：钢材强度的主要来源，但是随其含量增加，强度增 加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般 控制在0.120.2%，在0.2以下时，可焊性良好 硫（S）：热脆性，不得超过0.05% 磷（P）：冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。 不得超过0.045% 二、冶金缺陷 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹等。 偏析化学成分分布的不均匀程度。 三、加荷速度 1材性试验要求缓慢加载 2要考虑动荷载对结构的不利影响 加荷速度高，钢材屈服点提高，呈脆性。因此， 四、钢材硬化 冷作硬化当加载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低的现象， 也称“应变硬化” 时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。 五、温度的影响 1. 正温范围 100以内 对钢材性能无影响； 100以上 随温度升高，总的趋势是强度、弹性模量降低， 塑性增大； 250左右 抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增 加蓝脆现象。该温度区段称为“蓝脆区”； 250350 在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续 变形徐变现象。 600左右 弹性模量趋于零 ，承载能力几乎完全丧失。 2. 负温范围 当温度低于常温时，钢材的脆 性倾向随温度降低而增加。 T1 T2 之间温度转变脆性区，冲击功急剧下降。而且不同的钢材其 脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。使用温度必须高于T1 ，但 不一定高于T2 六、 复杂应力作用下钢材的屈服条件 假定：1. 材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积 中积聚的能量来表达； 2. 当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能 时，钢材即由弹性转入塑性。 弹性状态 塑性状态 平面应力状态 梁的应力状态 三向主应力表示为： 三个主应力同号且差值很小时，很难进入塑性，呈现脆性破坏 纯剪应力状态 所以：规范中钢材的抗剪强度设计值 取 七、应力集中的影响 构造缺陷：构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变等 应力集中：由于构造缺陷，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处 有高峰应力。 应力集中的危害：塑性降低，脆性增加 构造设计时应避免截面突变和尖锐角的情况 八、厚度的影响 随着厚度的增加，钢材的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度均下降 九、重复荷载的影响 钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能会发生重要变化 疲劳（fatigue）：钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，以至断裂的现象 强度低于极限强度fu甚至低于屈服强度fy，脆性断裂 1、较高的强度 2、足够的变形能力，塑性、韧性好具有 3、良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性） 一、钢结构对材料的要求： 第四节 结构钢材的种类和钢材规格 二、结构用钢的种类 1. 化学成分 普通碳素钢 Q235 普通低合金钢 Q345、Q390、Q420 平炉 成本高，质量好（6小时100t左右） 氧气顶吹转炉 成本低，质量也可（15分钟150t） 2. 炉种 3. 脱氧程度 沸腾钢（F） 脱氧较差 镇静钢（Z） 脱氧充分 半镇静钢（b） 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 特殊镇静钢（TZ） 4. 质量等级 A级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量 B、C、D级：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击 韧性（分别为20、0 、-20）及碳、硅、 锰、硫、磷含量 E级： 除满足D级的要求外，还要求-40时的冲击韧性 5. 钢材编号 碳素钢： Q质量等级（AD）脱氧程度（F，b） 低合金钢： Q质量等级（AE） 如Q235-AF、Q345-C 6. 钢材的选择 （1）结构或构件的重要性； （2）荷载的种类（静荷载或动荷载）； （3）连接方法（焊接或非焊接）； （4）工作条件（温度，腐蚀等） 钢结构设计规范（GB50017-2003）规定： 承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊 接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有 常温或负温冲击韧性的合格保证。对需要验算疲劳的非焊接结构的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。 三、钢材的规格 1. 热轧钢板 （1）工字钢 普通工字钢 20a H型钢 HW3003001015 T型钢 TW1503001015 （2）槽钢 32b （3）角钢 L12510 L1258010 （4）钢管 4006 2. 热轧型钢（附录 型钢表） 3. 冷弯薄壁型钢 壁厚1.55mm 结构设计准则：结构由各种作用所产生的效应（内力和变形）不大于结构（包括连接）由材料性能和几何因素等所确定的抗 力或规定限值。 问题及矛盾：荷载大小、材料强度、截面尺寸、计算模式、施工质量等因素均为随机变量（或随机过程）不确定，导致结构 效应与抗力均为随机变量，不可能保证百分之百保证结构效应小于抗力或规定限值，只能作一定的概率保证 第三章 钢结构的设计方法 一、概 述 1、容许应力法（建国初1957年） 把钢材可以使用的最大强度，除以一个笼统的安全系数作为结构设计计算时构件容许达到的最大应力，即允许应力法 2、半概率法（1957年1988年） 概率论为基础 概率极限状态设计方法 结构可靠度研究由经验为基础的定性分析阶段推进以概率论和数理统计为基础的定量分析阶段 近似的概率设计法 （分析中忽略和简化了基本变量随时间变化的关系，所以确定基本变量分布时有相当程度的近似性 ，且进行了线性化简化计算 ） 3、一次二阶矩极限状态设计法（1988年发展中） 1、极限状态：实质上是结构可靠与不可靠的界限，故也可称为“界限状态”；对于结构的各种极限状态，均应规定明确的 标志或限值 2、两类极限状态： （1）承载能力极限状态 包括：构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失 稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆 （2）正常使用极限状态 包括：影响结构、构件和非结构构件正常使用或耐久性能的局部损坏（包括组合结构中混凝 土裂缝） 二、概率极限设计方法 3、功能函数 式中 Z=g() 结构的功能函数； xi(i=1,2,n) 影响结构或构件可靠度的基本变量 仅有作用效应S和结构抗力R两个基本变量时结构的功能函数可表为： （3.3） 荷载效应S：取决于各种荷载（恒载、活载、风、地震作用、 温度变化等） 结构或构件的承载力或抗力R：取决于材料、构件的几何特性等 （3.2） 由于R和S都是随机变量，其函数Z也是一个随机变量。功能函数Z存在三种可能状态： 4、结构可靠度：结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率 若以ps表示结构的可靠度 则： 若以pf表示结构的失效概率 则： （3.4） Z的概率密度fZ（Z）曲线： 正态分布概率密度曲线中Z的平均值和标准差存在下述关系： 可靠指标或安全指标 与pf存在一一对应关系， 与pf变化相反 若Z为正态分布： 由： 有： 由于的计算只采用分布的特征值，即一阶原点矩（均值）Z和 二阶中心矩（方差）Z2，对非线性函数只取线性项，而不考虑Z 的全分布，故称此法为一次二阶矩法 与pf对应表格 不同结构构件承载能力极限状态的可靠指标 三、设计表达式 建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068)规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有 关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。 1、简单荷载分项系数设计式： RK 抗力标准值 SGK按标准值计算的永久荷载（G）效应值 SQK按标准值计算的可变荷载（Q）效应值 分项系数 式中： 一般情况下荷载分项系数： G1.2 ； Q1.4 永久荷载效应与可变荷载效应异号时： G1.0 ； Q1.4 抗力分项系数： Q235钢： R1.087； Q345、Q390；Q420钢： R1.111 其中：钢材强度设计值f钢材强度除以抗力分项系数 分项系数 以可靠指标为基础用概率设计法求出 可变荷载效应控制的组合： （3.7） 可变荷载效应控制的组合： （3.8） 2、承载能力极限状态荷载效应的 基本组合 3、正常使用极限状态荷载效应的 标准组合 （3.10） vGK 永久荷载标准值产生的变形值 vQ1K 起控制作用的第一个可变荷载标准值产生的变形值 vQiK 其他第i个可变荷载标准值产生的变形值 v 结构或结构构件的容许变形值 式中： 钢结构的设计方法 u 设计方法：以概率理论为基础的极限状态设计方法 u 计算疲劳仍采用容许应力幅法 u 计算强度、稳定、连接用荷载设计值 u 计算疲劳、变形用荷载标准值 u 对于直接承受动力荷载的结构： 在计算强度和稳定时，动力荷载设计值应乘动力系数 在计算疲劳和变形时，动力荷载标准值不应乘动力系数 疲劳破坏特征 突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂 断口与一般脆性断口不同，可分为三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区 对缺陷（包括缺口、裂纹及组织缺陷等）十分敏感 第三节 钢材的疲劳 疲劳的两种类型： 常幅疲劳常幅交变荷载引起常幅循环应力（简称循环应力） 变幅疲劳变幅交变荷载变幅循环应力（简称变幅应力） 1、应力循环特征（应力比） 按绝对值计算的最小应力和最大应力之比（拉应力取正值，压应力取负值） -1 完全对称循环 0 脉冲循环 -10 不完