钢结构的材料与计算方法PPT学习教案

1、会计学1钢结构的材料与计算方法钢结构的材料与计算方法本本 章章 内内 容容16.1 钢结构的特点、应用范围与发钢结构的特点、应用范围与发展展16.2 钢材的机械性能与化学成分钢材的机械性能与化学成分16.3 其他因素对钢材性能的影响其他因素对钢材性能的影响16.4 钢材的品种与选用钢材的品种与选用16.5 钢结构的设计方法与设计指标钢结构的设计方法与设计指标第1页/共54页n（4） 工业化程度高 16.1.1 钢结构的特点钢结构的特点第2页/共54页（5） 可焊性 （6） 耐腐蚀性差 （7） 耐火性差 （8） 钢结构在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂，这应引起设计者的特别注意。 第3页/共5

2、4页（1） 大跨度结构 （2） 重型厂房结构 （3） 受动力荷载作用的厂房结构（4） 多层、高层和超高层建筑（5） 高耸结构（6） 板壳结构 （7） 可拆卸结构16.1.2 钢结构的应用范围钢结构的应用范围第4页/共54页（1） 高强度低合金钢（2）轧制新品种的型钢 （3）计算方法的完善 （4）结构形式 （5） 优化原理的应用 16.1.3 钢结构的发展钢结构的发展第5页/共54页线（即曲线）。n如图16.1所示，为低碳钢的应力应变曲线。16.2.1 钢材的机械性能钢材的机械性能第6页/共54页当应力超过fp后，应变比应力增加得快，到达b点后，应变急剧增加，而应力基本不变，此阶段称为屈服阶段，

3、应力应变曲线呈水平段，钢筋产生相当大的塑性变形，c点对应的应力fy称为屈服强度。 没有明显屈服点和塑性平台的钢材，则以卸荷后残余变形为0.2%时所对应的应力为屈服点，称为名义屈服点f0.2。 屈服阶段后，钢材内部组织经重新调整进入强化阶段，直至曲线最高点即抗拉强度fu，出现颈缩，此时变形剧增，应力下降，最后试件断裂。 第7页/共54页抗拉强度是钢材破坏前所能承受的最大应力，但是巨大的塑性变形，使之无实用意义，只作为强度贮备。fy/fu叫做屈强比，其值愈大，说明钢材被充分利用；愈小则安全储备愈大。 第8页/共54页（2） 塑性钢材的塑性是指应力超过屈服点后，能产生显著的塑性变形，而不立即断裂的性

4、质，可用试件静力拉伸时的伸长率来衡量。伸长率为图16.2所示试件拉断后，原标距的伸长值与原标距比值的百分数，即 100100%lll第9页/共54页（3） 冷弯性能冷弯性能是指钢材在冷加工时（即常温下加工），对产生裂缝的抵抗能力。冷弯试验方法是在材料试验机上，通过冷弯冲头加压，将厚度为a、宽度为b的板材按规定的弯心直径d弯曲180，以弯曲处无裂纹、不起层为合格。同时又可检查钢材的内部缺陷（颗粒组织、结晶情况、杂质分布等），鉴定钢材的可焊性，因此冷弯性能是衡量钢材质量的综合性指标（图16.3）。 第10页/共54页（4） 冲击韧性钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，也是钢材在动

5、力荷载作用下，抵抗脆性破坏的能力。冲击韧性指标由冲击试验获得，叫做冲击值。在冲击试验时，采用截面为10mm10mm，长度为55mm，中间开有小槽的长方形试件（图16.5），放在摆锤式冲击试验机上冲断（图16.4），可从试验机刻度盘上读出冲击功Ak(单位J)。钢结构用钢机械性能指标规定见表16.1和表16.2 第11页/共54页图16.1低碳钢单向拉伸应力应变图 第12页/共54页图16.2静力拉伸标准试件 第13页/共54页图16.3冷弯试验示意图 第14页/共54页图16.4冲击韧性试验及试件缺口形式 （a） 试验示意图；(b) 梅氏U形缺口；(c) 夏比氏V形缺口 第15页/共54页图16

6、.5冲击试件取样方法 第16页/共54页表表16.1Q235钢的机械性能钢的机械性能 第17页/共54页表表16.2Q345及及Q390钢的机械性能钢的机械性能 第18页/共54页钢材的化学成分直接影响钢的组织构造和机械性能。钢的基本元素是铁（Fe），它在碳素结构钢中含量约占99%，其余是碳（C）、锰（Mn）、硅（Si）以及冶炼中不易除净的有害元素硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等。 在低合金结构钢中，适当增加锰、硅含量，可改善钢材的机械性能。若增加少量的钒、钛、铌、铜等元素，则对某些性能的改善更显著。钢结构所用各类钢材的化学成分见表16.3和表16.4 16.2.2 钢材料的化学成分钢

7、材料的化学成分第19页/共54页表表16.3Q235钢的化学成分（熔炼分析）（钢的化学成分（熔炼分析）（%） 第20页/共54页表表16.4Q345和和Q390钢的化学成分（熔炼分析）（钢的化学成分（熔炼分析）（%） 第21页/共54页第22页/共54页温下，经多次热轧而成材的。热轧改善钢锭的铸造组织，使结晶致密，消除部分缺陷，提高了力学性能。钢锭厚度与型钢厚度之比称为压缩比，压缩比愈大，质量愈好。16.3.1 冶炼和轧制过程冶炼和轧制过程第23页/共54页钢材随时间的增长，其强度提高而塑性、韧性下降的现象叫时效硬化。所谓人工时效是使钢材先发生10%左右的塑性变形，再加热至250保持1h，然后

8、在空气中冷却，则时效可在几小时内完成。 钢材在弹塑性或塑性阶段卸荷后再重新加荷，其屈服点将提高，弹性工作范围加大，而塑性和韧性却降低，这种现象叫做冷作硬化。 16.3.2 钢材的硬化钢材的硬化第24页/共54页钢在250左右时，抗拉强度有所提高而塑性、韧性下降，这种现象叫蓝脆（因表面氧化膜呈蓝色）。应避免在蓝脆温度范围内进行热加工，否则易出现裂纹。 当温度从常温下降时，强度略有提高，但塑性和韧性则降低而变脆，当温度下降到某一区间时，冲击韧性急剧下降，破坏特征明显地转变为脆性破坏，这就是低温冷脆。 16.3.3 温度的影响温度的影响第25页/共54页16.3.4 复杂应力作用下的工作复杂应力作用

9、下的工作图16.6复杂应力状态 第26页/共54页由于截面几何形状的突变，造成应力线密集曲折，从而在孔洞边缘、缺口尖端出现局部高峰应力，而其他部位应力降低，形成所谓的应力集中现象。由图16.7可以看到，应力集中的程度取决于构件形状的变化，变化剧烈，高峰应力则大。图16.8为不同槽口试件拉伸时的应力应变图，表明形状变化愈剧烈的试件，应力集中愈严重，抗拉强度愈高，而脆性破坏的危险也愈大。承受静力荷载的构件，应遵照规范的有关要求，避免截面形状的突变，设计时可不考虑应力集中问题。 16.3.5 应力集中的影响应力集中的影响第27页/共54页图16.7应力集中 第28页/共54页图16.8应力集中对钢材

10、性能的影响 第29页/共54页钢材在连续的重复荷载作用下，虽然应力低于抗拉强度，甚至低于屈服点时，也会发生破坏，这种现象称为钢的疲劳。疲劳破坏之前，并无明显的塑性变形和局部收缩，是一种突然性的脆性断裂。疲劳是因为钢材质地不均匀以及应力分布不均匀而引起的。 16.3.6 重复荷载作用的影响重复荷载作用的影响第30页/共54页钢(Z)和特殊镇静钢(TZ)，镇静钢和特殊镇静钢的代号在钢的牌号中可省略，镇静钢脱氧充分，沸腾钢脱氧较差，一般采用镇静钢；16.4.1 结构用钢的品种与牌号结构用钢的品种与牌号第31页/共54页按成型方法分为轧制钢、锻钢和铸钢；按化学成分分为碳素钢和合金钢，在建筑工程中常用碳

11、素结构钢、低合金钢和优质碳素结构钢。（1） 碳素结构钢目前碳素结构钢采用的国家标准碳素结构钢（GB 70088）中按质量等级分为A、B、C、D四级，质量等级中以A级最差，D级最优。 该标准中钢材牌号表示方法由字母Q、屈服点数值（N/mm2）、质量等级代号（A、B、C、D）及脱氧方法代号（F、b、Z、TZ）四个部分组成。第32页/共54页碳素结构钢（GB 70088）将碳素结构钢按屈服点数值分为5个牌号：Q195、Q215、Q235、Q255和Q275。 （2） 低合金结构钢低合金结构钢的国家标准低合金高强度结构钢（GB/T 1591）中按质量等级分为A、B、C、D、E五级。 采用与碳素结构钢相

12、同的表示方法，即用钢材厚度（直径）16mm时的屈服点大小表示，共分为5个牌号：Q295、Q345、Q390、Q420及Q460。 第33页/共54页（1） 承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢。（2） 下列情况的承重结构和构件不应采用Q235沸腾钢：焊接结构 非焊接结构 （3） 承重结构采用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。 16.4.2 钢材的选用钢材的选用第34页/共54页（4） 对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证。 对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧

13、性的合格保证。 （5） 吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。 第35页/共54页钢结构所用钢材主要为热轧钢板、型钢、冷弯薄壁型钢和压型钢板。（1） 钢板钢板分为薄钢板、厚钢板和扁钢，其规格用符号“”加“宽度厚度”的毫米数来表示。如60012表示宽度为600mm、厚度为12mm的钢板。薄钢板：厚0.354.0mm，宽5001500mm，长0.54m；厚钢板：厚4.560mm，宽6003000mm，长412m；扁钢：厚460mm，宽12200mm，长39m。16.4.3 钢材规格钢材规格第36页/共54页（2） 热轧型钢钢结构常用的型钢是角钢、

14、槽钢、工字钢和H型钢（图16.9）。工字钢也分普通和轻型两种，分别用符号“I”和“QI”表示。H型钢分宽翼缘H型钢（HK）、窄翼缘H型钢（HZ）和H型钢桩（HU）。 第37页/共54页（3） 冷弯薄壁型钢和压型钢板薄壁型钢是用1.55mm的薄钢板经模压或冷弯成型，其截面形式如图16.10所示。压型钢板是用0.42mm厚的钢板、镀锌钢板、彩色涂层钢板经冷轧而成的波形板，我国已有26种压型钢板型号，图16.11为其中几种。 第38页/共54页图16.9热轧型钢 第39页/共54页图16.10冷弯薄壁型钢 第40页/共54页图16.11压型钢板 第41页/共54页002()nGGkQiQikQici

15、ikiSSSQR 16.5.1 钢结构的计算方法钢结构的计算方法002()nGGkQiciikiSSQR 第42页/共54页（2）正常使用极限状态的设计表达式按正常使用极限状态设计钢结构时，应考虑荷载效应的标准组合。对钢与混凝土组合梁，尚应考虑准永久组合。其中标准组合按下述表达式计算： 2) nGkQikciikiSSSQ第43页/共54页钢材和连接的强度设计值（材料强度的标准值除以抗力分项系数），应根据钢材的厚度或直径按表16.5表16.10采用。规范规定，计算下列情况的结构构件或连接时表16.5表16.10规定的强度设计值应乘以相应的折减系数：（1） 单面连接的单角钢 按轴心受力计算强度和连接乘以系数0.85； 按轴心受压计算稳定性 16.5.2 设计指标设计指标第44页/共54页（2） 无垫板的单面施焊对接焊缝乘以系数0.85；（3） 施工条件较差的高空安装焊缝和铆钉连接乘以系数0.90；（4） 沉头和半沉头铆钉连接乘以系数0.80。当以上几种情况同时存在时，其折减系数应连乘。计算钢结构变形时,可不考虑螺栓(或铆钉)孔引起的截面削弱。受弯构件的挠度不应超过表16.11所列的容许值。 第45页/共54页表表16.5钢材的强度设计值（钢材的强度设计值（N/mm2） 第46页/共54页表表16.6