注册结构基础讲义——钢结构

1、第七讲  钢结构【内容提要】1钢结构的材料：钢材的基本性能；影响钢材性能的因素；结构用钢的种类、钢号及选材。2钢结构的基本构件：轴心受拉构件、轴心受压构件、受弯构件、拉弯构件、压弯构件的计算和构造。3钢结构的连接：对接焊缝和角焊缝的构造和计算；普通螺栓和高强螺栓的构造和计算；构件间连接的构造和计算。【重点、难点】钢结构的基本构件和钢结构的连接一、钢材性能(一)基本性能钢材的主要机械性能(也称力学性能)，是指钢材在标准条件下均匀拉伸、冷弯和冲击试验所显示出来的性能，包括抗拉强度、屈服强度、伸长率、指标。前三项指标由抗拉试验确定，后两项指标分别由冲击试验、冷弯试验确定。抗拉强度是钢材断裂

2、前能够承受的最大应力，它表示钢材应力达到屈服强度后安全储备的大小。屈服强度是确定钢材强度设计值的主要指标。伸长率是表示钢材塑性性能的指标。冲击韧性为将标准试件在摆锤式冲击试验机上冲断时所消耗的冲击功，它反映钢材在冲击荷载和三轴应力作用下抵抗脆性破坏的能力。冷弯性能是指钢材在冷加工产生塑性变形时，对出现裂纹的抵抗能力，是判别钢材塑性变形能力和显示钢材内部缺陷的综合指标。钢材的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏两种。塑性破坏是指构件的应力超过屈服点，并达到极限强度后，构件产生很大的变形和明显的“颈缩”现象。破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗；其特点为破坏前有明显的预兆，破坏常可以预防和避免；破坏前有很大塑性

3、变形，导致内力重分布，对构件有利。脆性破坏是指构件破坏前构件变形很小，平均应力亦小(一般都小于屈服点)，破坏前没有任何征兆，破坏是突然发生的，断口平直或呈有光泽的晶粒状。其特点为在构件的缺口、裂缝处应力集中而引起破坏，后果严重，损失较大，应努力防止脆性破坏。(二)结构钢的种类甲类钢保证机械性能钢结构所用的钢材仅为普通碳素钢和普通低合金钢二类。(三)选用钢材的原则钢材选用的原则应该是：既能使结构安全可靠地满足使用要求，又要尽最大可能节约钢材、降低造价。不同的使用条件，应当有不同的质量要求，在一般结构中当然不宜轻易地选用优质钢材，而在重要的结构中更不能盲目地选用质量很差的钢材。就钢结构的力学性能指

4、标来说，屈服点、抗拉强度、伸长率、冷弯性能、冲击韧性和低温冲击韧性等各项指标，是从各个不同的方面来衡量钢材质量的指标，当然，没有必要在各种不同的使用条件下，都要完全符合这些质量指标。所以在设计钢结构时，应该根据结构的特点，选用适宜的钢材。钢材选择是否合适，不仅是一个经济问题，而且关系到结构的安全和使用寿命。3格构式轴心受压构件根据所用缀材不同，格构式构件可分为缀板式和缀条式两种。格构式构件与实腹式构件在设计计算上的主要区别在于格构式构件绕虚轴的整体稳定性必须考虑剪切变形的影响；除整体稳定性外，对格构式构件尚须验算分肢稳定性；格构式构件的缀材应进行计算。(二)受弯构件(梁)设计梁时应满足下列要求

5、：安全适用、用料节约、制造省工、安装方便。其中安全适用要求必须确保，其他要求则根据情况灵活处理，尽可能达到降低造价、缩短工期，取得较好的经济效益。一般梁的设计步骤为：1确定结构方案根据使用要求，确定结构的平面图形状、尺寸、使用荷载、层高和净空要求等。选择几种不同的梁格布置形式，进行初步设计和技术经济比较。选定最佳或较好的梁格结构布置形式，确定各梁(主梁和次梁)的荷载、跨度、间距、最大容许高度等。2确定梁的高度根据经济条件求得梁的经济高度，再根据梁的刚度条件求得梁的最小高度，并考虑生产工艺和使用上的最大容许高度，经综合考虑，初步决定梁的设计高度。3梁的截面选择在梁的设计高度(截面高度)确定后，根

6、据梁的荷载和跨度，求得梁的最大弯矩。根据梁的正应力强度能够充分发挥的条件(应力接近而不超过强度设计值)，选定梁的腹板厚度、翼缘宽度、翼缘厚度。4验算梁的强度必须验算梁中下列各个部位：有最大弯矩处、截面有削弱处(净截面)、截面改变处、有集中荷载而又无横向加劲肋处，剪力最大处、剪力和弯矩都较大处。各处的正应力、剪应力、一折算应力都不能超过强度设计值。此外还要验算翼缘和腹板间焊缝的强度，以及接头处的连接焊缝或高强度螺栓等的强度。5验算梁的整体稳定性有些梁在荷载作用下，虽然截面最大的正应力、剪应力、折算应力等都低于钢材的强度设计值，但梁的变形会突然偏离原来的弯曲变形平面，同时发生侧向弯曲和扭转，这就称

7、为梁的整体失稳。必须充分重视梁的整体失稳的严重性。突然失稳破坏，与钢材脆性破坏具有同样的后果。它事先是没有预兆的，在确定结构方案和选择梁的截面时要防止梁可能出现整体失稳问题。等到验算时才发现有问题而加大梁的截面则已较迟了，也很不经济。6验算梁的刚度梁的挠度过大常会使人感到不舒适，甚至感到不安全，或者影响设备的正常使用。吊车梁的挠度过大会使吊车运行时就像一会儿上坡，一会儿下坡，运行困难，吊车耗能增加。根据工艺条件或使用要求，梁的挠度与其跨度的比值应有一定的限制。规范对各种用途的梁都规定了最大的容许比值。7验算梁的局部稳定如果梁受压翼缘的宽度与厚度之比太大，或腹板的高度与厚度之比太大，则在受力过程

8、中它们都会出现波状的局部屈曲。这种现象就叫局部失稳。为了保证受压翼缘不会局部失稳，应使翼缘的宽度与厚度的比值符合规定的要求。在选择截面时就应满足这一规定。对于腹板则常用加劲肋将它分隔成较小的区格来保证腹板不会失去局部稳定。此外还应设计和验算加劲肋的截面尺寸和刚度。8构造设计梁的截面改变，拼接接头和安装接头的设置，梁与梁的连接，梁的支座构造和锚固连接等，也应经过周密考虑、仔细设计和逐项验算。(三)拉弯和压弯构件这里仅讨论拉弯或压弯构件。当弯矩较小时，拉(压)弯构件的截面形式与轴心拉(压)构件相同；当弯矩很大，则与梁的截面形式接近。拉弯(压弯)构件的截面主要根据经验和以往设计资料来选择。1拉弯构件

9、的强度、刚度和局部稳定性(1)强度验算强度按下列两式验算：连接件沿梁跨度方向的间距不宜超过混凝土翼板厚度和板托高度之和的4倍。(4)圆柱头焊钉连接件的长度不应小于4d(d为焊钉直径)。在施焊时应采用专门的焊接机具和工艺方法牢固地焊于钢梁翼缘上，其沿梁跨度方向的间距不宜小于6d，垂直于梁跨度方向的间距不宜小于4d。(5)槽钢连接件的翼缘肢尖方向应与混凝土翼板对钢梁的水平剪应力方向一致，其与钢梁上翼缘的连接焊缝应按有关规定计算。(6)弯起钢筋宜采用直径d不小于12mm的I级钢筋成对称布置，用两条长度不小于4d的侧焊缝焊接于钢梁翼缘上，其弯起角度一般为45度，弯折方向应与混凝土翼板对钢梁的水平应力方

10、向一致。在梁跨中可能产生剪应力变号处，必须在两个方向均有弯起钢筋。每个弯起钢筋从弯起点算起的总长度不宜小于25d(工级钢筋另加弯钩)，其中水平段长度不宜小于10d。(7)圆柱头焊钉钉头下表面或槽钢连接件上翼缘下表面应比混凝土翼板底部钢筋高出30mm以上。连接件顶面的混凝土保护层厚度不应小于15mm。圆柱头焊钉钉杆的外表面或槽钢连接件的端面：至钢梁上翼缘侧边的距离不应小于20mm；至混凝土板托侧边的距离不应小于40mm；至混凝土翼板侧边的距离不应小于100mm。(8)钢梁顶面不得涂刷油漆，在灌浇(或安装)混凝土翼板以前应清除铁锈、焊渣、冰层、积雪、泥土和其他杂物。三、钢结构的连接连接方法有焊接、

11、铆接和螺栓连接。(一)焊接连接焊接方法有电弧焊、电阻焊和气焊。连接形式有平接、搭接和顶接。焊缝的形式有对接直缝、对接斜缝、角焊缝(端缝)和角焊缝(侧缝)。这里仅介绍对接焊缝和角接焊缝的计算。1对接焊缝的计算原则无外观缺陷和内部缺陷的对接焊缝的应力分布，可认为与相邻母材的受力情况相同。轴心受力的对接焊接应按下式计算焊缝中的最大应力，并控制此应力不超过焊缝强度设计值。(二)普通螺栓和高强螺栓连接1普通螺栓连接计算普通螺栓连接按螺栓传力方式，可分为受拉螺栓，受剪螺栓和受拉兼受剪螺栓三种。 (1)受剪螺栓连接精制螺栓受剪力作用后，螺杆与孔壁接触产生挤压力，同时螺杆本身承受剪切力。(2)受拉螺栓连接在受

12、拉螺栓连接中，螺栓承受沿螺杆长度方向的拉力，螺栓受力的薄弱处是螺纹部分，破坏产生在螺纹部分。(3)受剪兼受拉的螺栓连接这种螺栓兼有受剪和受拉两种螺栓的受力情况。工作性能比较复杂。通常分别考虑螺栓受剪和受拉性能后，用相关公式考虑受剪和受拉同时作用的综合效果(见设计规范)。2摩擦型高强度螺栓连接摩擦型高强度螺栓连接靠摩擦力传力，完全不靠孔壁承压和栓杆受剪。(三)构件间的连接1梁与柱的连接梁支承于柱顶的连接：梁的反力通过柱的顶板传给柱子；顶板一般取1620mm厚，与柱用焊接相连；梁与顶板用普通螺栓相连。梁支承于柱侧的铰接连接；多用于多层框架中的横梁与柱子的连接。2柱与基础的连接柱与基础铰接主要用于轴

13、心受压的情况。刚接柱角不但要传递轴力，也要传递弯矩和剪力，在弯矩作用下，倘在底板范围内产生拉力，就需由锚栓来承受，锚栓须经计算，为了保证柱脚与基础能形成刚性连接，锚栓不宜固定在底板上，而应在靴梁两侧焊接两块较小的肋板，锚栓固定在肋板上面的水平板上。为便于安装，锚栓不宜穿过底板。【例题1】钢结构一般不会因偶然超载或局部超载而突然断裂破坏，这是由于钢材具有(    )。(A)良好的塑性           (B)良好的韧性(C)均匀的内部组织  &#

14、160;    (D)良好的弹性答案：(A)解析：由于钢材具有良好的塑性，在偶然超载或局部超载一般不会超过材料的极限强度，因此不会突然断裂破坏。【例题2】把钢材视为理想弹塑性，是根据(    )。(A) fy以前视为弹性，fy以后视为弹塑性(B) fy以前视为弹性，fy以后为塑性(C) fy之前近于理想弹性，fy之后视为塑性(D) fy之前钢材近于理想弹性，fy之后，塑性应变范围大而应力保持不变近于理想塑性答案：(D)解析：fy之前钢材为弹性变形阶段，fy之后进入塑性变形阶段，由于钢材的塑性应变范围大而应力保持不变，故可把钢材视为理想

15、塑性。【例题3】应力集中现象，对构件有何影响?(    )。(A)使构件承载力降低        (B)使构件承载力提高(C)使构件塑性降低；脆性增加    (D)使构件截面面积减少答案：(C)解析：应力集中部位构件的塑性降低；脆性增加。【例题4】下面关于钢材的说法，哪种是正确?(    )(1)在常温下，钢材随着温度的升高，钢材的强度降低，变形增大，但在250 左右区间，钢材强度提高，塑性降低。(2)钢材在负温度范围，随着温度的下降，

16、钢材的强度增加，塑性降低。在中间的某一范围，冲击韧度很低，材料由塑性破坏转为脆性破坏。此温度区为脆性转变温度。(3)钢材随着温度的升高，钢材的强度降低，变形增大。(4)钢材在负温度范围，钢材由塑性破坏转变为脆性破坏(A)(1)、(3)    (B)(2)、(1)    (C)(4)、(1)      (D)(2)、(3)答案：(B)解析：依据钢材在常温下和负温度下所表现出来的材料的性质。【例题5】轴心受压构件应进行哪种计算?(    )(A)强度计算(B)

17、强度和刚度计算(C)强度、整体稳定和刚度计算(D)强度、整体稳定、局部稳定和刚度计算答案：(D)解析：轴心受压构件应进行强度、整体稳定、局部稳定和刚度计算。【例题6】轴心受压工字形截面柱翼缘的宽厚比和腹板的高厚比是根据下列哪项原则确定的?(    )(A)板件的临界应力小于屈服强度fy(B)板件的临界应力不小于屈服强度fy(C)板件的临界应力小于构件临界应力(D)板件的临界应力不小于构件临界应力答案：(D)解析：轴心受压工字形截面柱翼缘的宽厚比和腹板的高厚比是根据板件的临界应力不小于构件临界应力原则确定的。【例题7】焊接工字形等截面简支梁在何种情况下，整体稳定系数最高?(    )(A)跨度中央一个集中荷载作用时(B)跨间三分点处各有一个集中荷载作用时(C)