钢结构设计控制要点-文档资料

1,钢结构设计控制要点,2,总的原则,整体把控，注重细部现实联系理想强度，刚度，稳定都重要强节点，弱构件,3,主要章节,1、钢结构的应用范围2、钢结构常见的破坏形态3、钢结构的材料性能4、钢结构的连接5、钢结构的有限元分析及实验研究6、钢结构的力学模型7、钢结构常用的计算软件8、钢结构的防腐及防火,4,1.钢结构的应用范围,1）大跨度结构2）重型厂房结构3）受动力荷载影响的结构4）可拆卸的结构5）高耸结构和高层结构6）容器和其它构筑物7）轻型钢结构8）海洋平台结构,5,（1）大跨度结构,体育馆、展览馆、影剧院、会议中心、机库等,6,（2）重型厂房结构,钢铁、化工、机械、发电等行业的厂房,7,（3）受动力荷载影响的结构：,公路，铁路，跨江，跨海,8,（4）可拆卸、移动的结构,舞台、展棚、军用设施、温室等,9,（5）高耸结构和高层结构,金茂、环球金融中心、迪拜塔,10,（5）高耸结构和高层结构,电视塔、天线、发射架、管道支架,11,（6）容器和其它构筑物油罐、储气罐,密封性好、耐高压,12,（7）轻型结构,厂房、住宅、公共建筑,轻便、安装迅速,13,（8）海洋平台,14,2、钢结构常见的破坏形态,钢结构的承载能力极限状态可以出现于下列六种情况：（1）整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（如倾覆）；（2）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏；（强度破坏）（3）结构转变为机动体系（倒塌）；（4）结构或构件丧失稳定（屈曲等），网架倒塌；（5）结构出现过度的塑性变形，而不适用于继续承载；（6）在重复荷载作用下构件疲劳断裂。在这些极限状态中，稳定性、抗脆断对钢结构设计有重要的意义。,15,整体把控,定结构方案，选结构类型柱网的布置，抗侧移构件的布置，支撑或剪力墙，力争使结构平面布置规则。软件计算，整体参数，周期比，整体侧移，层间侧移；构件的应力比，位移。应力比：主要传力构件0.7-0.8，二级构件0.8-0.9，次要构件0.95以下。可用的软件有SAP2000，MIDAS，PKPM等软件,16,青岛邮轮母港客运中心钢屋盖考虑行波效应的地震反应分析,17,注重细部,18,3钢结构的材料,3.1对钢结构用材的要求,钢材铁（Fe）、碳（C）及其它元素的合金。化学成分碳素钢，低合金钢，不锈钢，耐候钢。结构钢材钢板，型钢。,供货钢材,钢板,型钢,热轧,冷成型,19,结构用钢：碳素钢、合金钢中少数几种。钢材的选用：Q235B，Q345B，Q345C等牌号（简称钢号）：,半镇静钢,质量分级,屈服强度，大小为235N/mm2,屈服强度，基本反映含碳量高低。质量分级AD，表示质量低高（根据冲击韧性和冷弯性能划分）,3钢结构的材料,20,结构钢须具备性能：较高的强度，塑性好，韧性好，良好的加工性能，适合冷、热加工，良好的可焊性。一、单向拉伸时的工作性能,3钢结构的材料,拉伸试验,钢材在常温、静载条件下一次拉伸所表现的性能,强度指标,变形性能,21,弹性阶段弹塑性阶段塑性阶段应变硬化阶段颈缩阶段,主要力学性能指标：弹性模量比例极限屈服点抗拉强度伸长率,3钢结构的材料,22,二、冷弯性能判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。,根据试样厚度，按规定弯心直径将试样弯曲180，其表面及侧面无裂纹或分层则为冷弯试验合格。,3钢结构的材料,23,三、冲击韧性韧性是钢材断裂时吸收机械能力的量度。实际中用冲击韧性衡量钢材抗断裂的性能。测量方法：梅氏方法夏比法缺口韧性值受温度影响：常温（205）0负温（-20或-40）,3钢结构的材料,24,碳素结构钢质量分级,改进韧性，保证可焊性,注：表中冲击韧性采用夏比V形缺口试验。,3钢结构的材料,25,对钢材力学性能影响的因素,一）、化学成分的影响二）、成材过程的影响1、生产过程冶炼，浇筑，轧制（钢板厚薄），热处理2、加工过程冷加工硬化（应变硬化），热加工，使用过程，应力情况,26,（3）应力残余应力：降低实际承载力；应力集中：复杂应力状态：多向应力，降低延性。避免焊缝交叉,应力状态,27,4钢结构的连接,一、钢结构的连接方法焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接,28,1、焊缝连接的特点构造简单，连接方便；用料经济，不削弱截面；加工方便，可实现自动化操作；密闭性好，结构刚度大；缺点：焊接应力和焊接变形；热影响区材质变脆；对裂纹比较敏感；低温冷脆；对动力荷载比较敏感，等。,4钢结构的连接,29,2、铆钉连接的特点塑性和韧性较好；连接紧密，传力方便；用于直接承受动力荷载的结构中（如桥梁）；缺点：构造复杂，费工费料。很少使用。3、螺栓连接的特点分普通螺栓连接和高强螺栓连接（1）普通螺栓连接A、B、C三级：A和B为精制螺栓，C级为粗制螺栓；材料等级：A和B为8.8级，C级为4.6级或4.8；加工：A、B级由毛坯在车床上精确加工而成精制；C级为由未经加工的圆钢压制而成粗制；,4钢结构的连接,30,螺孔：A、B级需要钻模钻成（类孔），孔径比螺杆大0.3mm左右；C级为一次冲成或不用钻模钻成（类孔）孔径比螺杆大1.53.0mm。受力：A、B级受力性能好，连接变形小，可以既受拉又受剪，用于重要的连接；C级螺栓连接性能不如A、B级好，主要受拉，用于承受静力荷载和间接承受动力荷载的次要连接。费用：A、B级成本昂贵，C级螺栓价格便宜，能用C级螺栓的地方不用A、B级螺栓。（2）高强螺栓连接高强螺栓分为摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓,4钢结构的连接,31,摩擦型高强螺栓：只依靠构件接触面之间的摩擦力来传递剪力，以剪力等于接触面摩擦力为设计极限状态。承压型高强螺栓：允许接触面滑移（剪力超过摩擦力），以螺杆与构件之间的挤压而发生的连接破坏作为承载力极限状态。受力：摩擦型高强螺栓剪切变形小，弹性性能好，耐疲劳，特别适用动力荷载；承压型高强螺栓的承载力高于摩擦型，剪切变形大，不得用于承受动力荷载的结构。材料等级：采用45号钢、40B和20MnTiB钢（热处理），材料等级为8.8级或10.9级。孔径：摩擦型高强螺栓孔径比螺栓大1.52.0mm；承压型高强螺栓孔径比螺栓大1.01.5mm。,4钢结构的连接,32,二、焊接方法和焊缝连接形式1、钢结构常用的焊接方法介绍手工电弧焊。焊条选择：Q235选择E43型；Q345采用E50型焊条；Q390和Q420采用E55型焊条；不同钢种之间（例Q235与Q345)宜选用低组配方案（E43型）自动或半自动埋弧焊。气体保护焊。2、焊缝缺陷及焊接质量检验焊缝缺陷：裂纹、焊瘤、烧穿、气孔、未焊透、夹渣、咬边、未熔合等,4钢结构的连接,33,34,焊缝质量检验：外部检验外部（外部尺寸和缺陷）和内部检验（内部缺陷）。内部检验方法：超声波（主要)；磁粉（辅助）；荧光检验（辅助）；x射线、射线等（x射线应用广）。焊缝质量等级：钢结构工程施工质量验收规范对焊缝分为一级、二级和三级。三级焊缝只要求进行外观检验并符合标准；一级、二级除了外观检查外，还必须进行一定量的超声波检验并符合相应的标准。焊缝等级的选用：疲劳验算的构件：垂至于作用力方向的横向对接焊缝受拉时为一级，受压时为二级；,4钢结构的连接,35,不进行疲劳计算的构件：对接焊缝要求等强时受拉焊缝不低于二级，受压时宜为二级；重级工作制吊车和Q50T的中级工作制的吊车，吊车梁腹板与上翼缘之间的T形焊透的对接与角接组合焊缝，不低于二级；角焊缝一般为三级，只有直接承受动力荷载的焊缝应为二级。3、焊缝连接形式和焊缝形式焊缝连接形式：按照被连接构件的相对位置来分为对接（直接对接和盖板对接）、搭接、T形连接和角部连接等,4钢结构的连接,36,37,焊缝形式：对接焊缝和角焊缝对接焊缝：正对接焊缝和斜对接焊缝角焊缝：正面角焊缝（端缝）、侧面角焊缝（侧缝）和斜角焊缝（斜缝）连续角焊缝（重要构件）和间断角焊（次要构件）：间断角焊缝间断距离l15t（受压）和l30t（受拉），t为较薄件的厚度按照施焊位置分：平焊（俯焊）、横焊、立焊和仰焊四种。焊接质量影响较大。4、焊缝代号、螺栓及其孔眼图例焊缝代号：螺栓及其孔眼：,4钢结构的连接,38,39,40,三、焊接应力和焊接变形1、焊接应力焊接应力产生的原因。焊接应力的类型：纵向焊接应力；横向焊接应力；厚度方向的焊接应力。焊接应力对结构性能的影响：不影响结构的静力强度；降低结构的刚度；降低结构的稳定承载力；增加了结构在低温下的脆断倾向；对结构的疲劳强度有明显的不利影响。2、焊接变形焊接变形：局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转等，影响构件在正常使用条件下的承载能力。,41,3、减少焊接应力和焊接变形的措施设计上：焊件位置的安排要合理。尽量使焊缝对称于构件截面的中心轴。焊缝尺寸要适当。不得随意增大焊缝的厚度。焊缝的数量宜少，且不宜过分集中。应尽量避免两条或三条焊缝垂直交叉。尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。,42,工艺上：采取合理的施焊次序。例如分段退焊、分层焊和工字形截面的对角跳焊等。采用反变形法。对于小尺寸焊件，采取焊前预热，焊后回火加热至600度左右，然后慢慢冷却，可以消除焊接应力和焊接变形。采取刚性固定法来控制焊接变形，但增加了焊接应力。,43,四、普通螺栓连接与构造1、螺栓的排列螺栓排列要求：受力要求；构造要求；施工要求。螺栓排列方式：并列和错列两种。螺栓排列的最大和最小容许距离。2、螺栓的构造要求每一构件在节点上以及拼接接头的一端，永久螺栓的数目不少于2个。对直接承受动力荷载的普通螺栓连接，应当采用双螺帽或其它防止螺帽松动的有效措施。由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，一般只受拉力，不宜受剪，承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构和临时结构，可采用C级螺栓受剪。重要结构中，优先采用高强螺栓。,44,45,五、高强螺栓连接与构造当型钢构件的拼接采用高强度螺栓连接时，由于型钢的抗弯刚度较大，不能保证摩擦面紧密贴和，故不能用型钢作为拼接件，而应采用钢板。在高强度螺栓连接范围内，构件接触面的处理方法应在施工图中说明。,46,防止脆性断裂影响钢材脆断的因素：钢材的质量，钢板的厚度，加荷速度，应力性质和大小，最低使用温度，连接的方法，应力集中程度等。防止脆断的措施有：1）对低温地区的焊接结构要注意选择钢材的材质；2）对焊接结构特别是低温地区，设计时要注意焊缝的正确布置和施焊时注意焊缝的质量；3）力求避免应力集中；4）结构在使用时应避免使其突然受力，要使加荷的速度不致过大。5）设置多道防线两个重要细节：避免焊缝交叉；集中荷载处设加劲肋。,钢材脆断,47,两个重要细节：避免焊缝交叉：避免三向受拉，防止断裂。集中荷载处设加劲肋：防止局部屈曲。,48,细部的设计方法：有限元计算或者试验,49,青岛邮轮母港客运中心钢屋盖的特殊节点的有限元分析,6.有限元分析及试验研究,50,6.有限元分析及试验研究,梁柱弱轴连接翼缘削弱型节点受力性能研究,51,新型梁柱装配式刚性节点的抗震性能研究,6.有限元分析及试验研究,52,新型梁柱装配式刚性节点力学性能研究,53,新型梁柱装配式节点弱轴连接受力分析,6.有限元分析及试验研究,54,梁柱弱轴连接翼缘削弱型节点的试验研究,梁柱弱轴连接翼缘削弱型节点的试验研究,55,新型梁柱装配式节点试验研究,56,现实联系理想,57,5、钢结构的力学模型,门式刚架的计算简图,门式刚架的模型