高等钢结构理论_第一讲

1、钢结构设计原理1. 钢结构基本性能及特点1.1 钢材生产对材性的影响1.2 钢材加工(施工) 对构件性能的影响1.3 外界作用对钢结构性能的影响2. 钢结构的几个特殊问题2.1 残余应力及其影响2.2 钢结构的稳定问题2.3 钢结构的断裂问题2.4 钢结构的疲劳问题3. 钢结构基本构件3.1 拉杆3.2 轴心压杆3.3 受弯构件3.4 压弯构件4. 钢框架理论4.1 失稳形式4.2 分析方法第一讲第二讲第三讲目录5. 钢结构的连接5.1 焊接5.2 螺栓连接5.3 混合连接6. 钢结构构造设计7. 冷弯薄壁型钢结构的特点8. 其他一些关心的问题8.1 塑性设计8.2 抗震钢结构8.3 箱形梁8

2、.4 受扭构件8.5 设计中的试验工作8.6 钢结构加固设计第四讲目录（续）第五讲第六讲第七讲1. 钢结构基本性能及特点1.1 钢材生产对材性的影响冶炼：化学成分、炉种、脱氧方式轧制：冷轧、热轧、校直、热处理钢材的匀质及等向性1.2 钢材加工（施工）对构件性能的影响加工：冷加工、焊接、切割施工误差：安装及制造误差1.3 外界作用对钢结构性能的影响多轴应力状态加荷速率循环荷载低温和腐蚀性介质2. 钢结构设计中特殊问题2.1 残余应力及其影响残余应力产生焊接残余应力的测量焊接残余应力的分布残余应力的影响2.2 钢结构的稳定问题钢结构的承载力极限状态失稳破坏及类型钢结构稳定问题的特点稳定分析的整体观

3、点稳定设计的几项原则2. 钢结构设计中特殊问题（续）2.3 钢结构的断裂问题脆性断裂破坏及原因断裂力学的观点防止脆性断裂应力腐蚀断裂2.4 钢结构的疲劳问题影响疲劳破损的因素疲劳设计准则疲劳试验及检验提高疲劳性能的工艺措施钢的冶炼：根据钢号决定冶炼钢材的化学成分:氢:使焊体金属产生微观裂纹钢的冶炼：冶炼的炉种不同，钢材性能有所差异(平炉钢和氧气转炉钢为主)钢的冶炼：脱氧方式含硅量:沸腾钢:Si=0.07%, 一般 = 0.03%0.07%镇静钢:0.12%=Si= 0.15%0.17%半沸腾钢: 介于二者之间，一般Si= 0.10%0.12%规范规定: 炭素钢A、B级可以是 沸腾钢、半沸腾钢或

4、镇静钢; C级必须是镇静钢、D级是特殊镇静钢(含酸溶铝=0.015%，或全铝=0.020%)。对（低温）冲击韧性要求高时，宜用硅脱后铝补脱的特殊镇静钢。低合金钢有类似D级炭素钢的要求；高强低合金钢一般都是镇静钢。1. 10mm厚钢板,为铝补充脱氧后的镇静钢2. 18mm厚钢板,为沸腾钢镇静钢和沸腾钢的冲击韧性比较钢的轧制：冷轧、热轧冷轧只用于生产小号型钢和薄板。导致沿轧制方向的不各向同性残余应力钢的轧制：热轧总体上可破坏钢锭铸造组织、细化钢材晶粒、消除显微组织缺陷。分层现象，导致Z向性能大大恶化: 焊接收缩时的层状撕裂不同厚度钢材强度、塑性、特别是冲击韧性不同。导致沿轧制方向的不各向同性: 对

5、型钢和扁钢影响小，对钢板较大。同一热轧型钢的不同部份的机械性能也会有差别。不均匀冷却造成的残余应力。钢的轧制：钢的轧制：1.2.3.中国规范对冲击韧性试样偏于不安全两个水平辊腹板性能优于翼缘 1.实际中翼缘主受力2.英国标准两个水平辊, 两个竖向辊情况好, 影响小钢的轧制：钢的轧制：校直钢材在热轧成型后往往需要校直 (矫正原有弯曲)必然出现塑性变形: 使得残余应力重新分配, 降低峰值.方法:辊床调直:使整个杆件原始残余应力重新分配.顶直: 仅局部发生残余应力重新钢的轧制：热处理是改善钢材性能的重要手段之一。建筑结构用钢,一般以热轧状态交货。屈服点超过400N/mm2的低合金钢需进行热处理。方法

6、:调质:淬火(9000C水中冷却水中冷却)，及高温回火(5006500C)正火(9000C) : 改善钢材组织和细化晶粒以热轧状态交货, 基本在正火状态。钢材的匀质及等向性：一般认为：钢材内部组织接近匀质和各向同性，故实际受力与力学分析较符合但是，对其不匀性应有所认识：内部化学元素分布的非匀质：钢锭四周部分含碳较少硫、磷等杂质聚集在冷却较慢部分形成偏析（沸腾钢严重）型钢截面上不同部分的屈服点有差别：力学性质的非匀质残余应力的分布：受力上的非匀质钢板的各向异性（沿轧制方向 横向 沿厚度方向（Z向）钢材的匀质及等向性：钢材的匀质及等向性：人工时效:给以20%拉伸变形后均匀地加热到250C并在这一温

7、度下保温一小时.降低冲击韧性脆性转变温度无大变化钢材的加工：钢结构基本建造过程工厂制造：钢材的验收、整理和保管，包括必要的矫正。按施工图放样，做出样板、样杆，并据此划线和下料。对划线后的钢材进行剪切（焰割）、冲（钻）孔、刨边等加工；非平直的零件需要通过煨弯和辊圆等工序来成型。对加工过程中造成变形的零件进行整平（辊平、顶平）。把零件按图装配成构件，并加以焊接（铆接）。对焊接造成的变形加以矫正，甚至采取措施以减小或消除焊接残余应力。除锈和涂漆钢材的加工： （续）钢结构基本建造过程现场安装：现场的扩大拼装。构件就位、连接固定，并加以临时支撑。调整各部分位置，满足施工精度、最后固定因此，主要加工为：常

8、温下加工的塑性变形：冷作硬化及其时效影响。局部高温影响：焊接、气割等。钢材的加工：冷加工冷作硬化：应变硬化对冲击韧性的影响（冷弯、时效）规范：对冷弯半径的最小值加以限定剪切和冲孔：边缘严重硬化，甚至出现微细裂纹：刨边，或冲孔后扩钻，以除掉硬化部分若剪断后需焊接，则不必刨边。冷弯型钢：力学非均质性 + 残余应力型钢截面上屈服点的差别：冷作硬化冷弯型钢钢材的加工：焊接焊缝金属具有铸造组织，不同于轧制钢材：施焊时堆积的金属通常具有枝状组织。化学元素的含量：含碳量稍低，氮、氧、氢高应降低氧的含量（短弧焊、埋弧焊、气体保护焊）：热脆含氢量高：大气和焊皮（低氢焊条、预热、后热）：微观裂纹焊弧的高温使临近焊

9、缝的钢材发生组织变化：热影响区焊接变形及残余应力火焰切割火焰切割残余应力热影响区1、相当于淬火. 提高强度和硬度，降低塑性和韧性2、正火3、力学性能不均匀焊接残余应力火焰切割残余应力残余应力的产生 ：可能原因热轧后的温度分布不均匀。冷加工、桥正。焊接和（火焰）切割强迫安装（LOF）。同一热轧型钢的不同部份的机械性能也会有差别。不均匀冷却造成的残余应力。等等切割法（ b ）试块（ c ）试块（ d ）条（ a ）试件焊接残余应力的分布：xyxy+-+-+-+-+-+-+-（a ）轧制H型钢（b）焊接H型钢，板边焰割（c ）焊接H型钢，板边轧制+（d）轧制H型钢，加焊翼缘板例一：H型钢的残余应力分

10、布h/t =405小焊缝h/t =202大焊缝h/t =203小焊缝h/t =404大焊缝h焊接残余应力的分布：例二： 焊接箱形截面的残余应力+1-0.6+1-0.82+1-0.29+1-0.29+1-0.13h/t =10残余应力的影响：残余应力对构件的强度承载力并无影响，因它本身相平衡。对变形有影响对稳定承载力有不利的影响，因为残余应力的压应力部分将使该部分截面提早发展塑性。xybb /4b/4xy图4.5.3残余应力的不利作用钢材的施工误差：制造、安装偏差的影响超静定结构静定结构变形、稳定多轴应力状态 ：双向拉力作用下，屈服应力和抗拉强度提高，延伸率降低。异号双向应力作用下，屈服应力和抗

11、拉强度降低，延伸率增大。三向受拉时，塑性比双向拉力作用下进一步降低、破坏将是脆性的。加荷速率（如地震等动力作用）：室温环境下，钢材的屈服点及抗拉强度随应变速率的增大而提高，且塑性变形能力并未下降。建筑结构用钢在冲击性的快速加载作用下能保持良好的强度及塑性变形能力（历史灾害可以证明）。不利一面：脆性转变温度随应变速率的增大而提高。循环荷载：包辛格（Bauschinger）效应：退化现象（先拉后压 先压后拉）。滞回环在循环荷载下的饱满、稳定趋势：对耗能有利，但受压模量退化低温与腐蚀性介质：低温使韧性降低，最终导致脆断。腐蚀性介质会促成脆断并影响疲劳强度。涂层防腐耐候钢：焊接结构用耐候钢（控制含铜、

12、铬量）：焊接性能及力学性能良好高耐候性结构钢（含磷高）：耐候性好，但用于焊接结构时 0 C应有常温冲击韧性合格保证o o 20 C T 0 CoQ235、Q345应有0 C冲击韧性合格保证oQ390、Q420应有-20 C冲击韧性合格保证oT 20 CoQ235、Q345应有-20 C冲击韧性合格保证oQ390、Q420应有-40 C冲击韧性合格保证非焊接结构工作温度oT 20 C应有常温冲击韧性合格保证oT 20 CoQ235、Q345应有0 C冲击韧性合格保证oQ390、Q420应有-20 C冲击韧性合格保证钢材选用（续）（2）选用要求 (续)（2）选用要求 (续)吊车起重量50t的中级工

13、作制吊车梁，对冲击韧性的要求与需验算疲劳构件相同；重要的受拉或受弯的焊接结构，厚度较大的钢材应有常温冲击韧性合格保证；当焊接承重结构采用Z向钢时应符号厚度方向性能钢板GB/T5313的规定；有人认为将硫、磷含量控制在不大于0.01就可以防止层状撕裂问题，也有人提出在上述要求下，再辅以对厚钢板作全面超声波探伤，排除内部缺陷，就可以代替Z向钢的要求，这是不正确的。以下情况不应采用Q235沸腾钢焊接结构：1）需要验算疲劳2）工作温度 -20oC的直接受动力荷载3）工作温度 -20oC的受弯及受拉4）工作温度-30oC非焊接结构：工作温度 -20oC的需要验算疲劳钢材选用（续）应力腐蚀断裂应力腐蚀开裂

14、: 滞后断裂或延迟断裂（应力低于断裂应力）腐蚀介质中的断裂韧性门槛值含碳量越高,韧性越低,抗应力腐蚀断裂的性能越差K Iscc = (1/ 2 1/ 5) K IC影响疲劳破损的因素：疲劳荷载：低周疲劳、高周疲劳疲劳破坏过程：裂纹的形成、裂缝的缓慢扩展、迅速断裂疲劳试验：不同应力水平的最大循环次数；比较离散，费时、具有局限性（概率方法）断裂力学分析：线弹性断裂力学：研究疲劳裂纹的扩展速率环境影响：腐蚀介质影响提高疲劳寿命：应力集中、细节构造、施工质量、工艺措施、防锈等疲劳破坏过程裂纹的形成：起点多在构件的表面，内部裂纹的作用相当于宽度一半的表面裂纹。(对钢结构而言，本身存在)疲劳裂缝的扩展（长

15、期的荷载循环），而脆性断裂不经长期的荷载循环，迅速断裂。（常幅）疲劳试验带槽应力集中导致疲劳强度降低细节构造设计准则门槛值断裂力学分析疲劳裂纹的扩展速率取决于应力强度因子的变化幅度，即dadN= f (K )dadN= C (K )n其中 K I = a断裂韧性门槛值环境影响腐蚀疲劳腐蚀介质中疲劳寿命大为降低；对长寿命疲劳，腐蚀的不利影响较短寿命疲劳严重得多；腐蚀对疲劳裂纹扩展速率的影响和疲劳荷载的频率有关；越低越大。X-65号钢3.5%盐水提高疲劳寿命构造保证减小初始裂纹尺寸降低构件所受应力采用韧性较好的材料95%保证率疲劳设计准则：基本原则：设计寿命：无限（应力水平很低）、有限。1、安全寿

16、命法：根据荷载特性，采用有一定安全系数的安全寿命，之后报废。2、破损安全法：在裂纹被发现之前其他部分还能够安全地承载。即局部性的破损不危及整个结构：多路径设计、周期性检查安全寿命法与破损安全法相结合。土建结构：使用寿命法：结构达到安全使用寿命时不立即报废;承认在使用期内可能出现疲劳裂纹;疲劳设计准则：应力比与应力幅准则：应力比准则： max = f ( R)应力幅准则： （原因：高额残余应力的存在 ）1。横向对接焊缝2。纵向角焊缝横向对接焊缝应力比准则原因：高额残余应力的存在对疲劳强度的影响：疲劳设计准则：规范：构造细节与容许应力幅：问题：疲劳极限：门槛值（两种办法考虑，见下图）压应力区如何考虑？：不作计算（残余应力的影响及释放）变幅疲劳：线形累积损伤准则（Miner规则）n1N1= 1疲劳试验及检验：疲劳试验：典型的连接细节的疲劳试验：目的：确定N曲线（每个点至少需10根试件，大型构件每种3-4个）细节分类中的归属。整个构件的疲劳试验：目的：具体设计的抗疲劳性能。或典型连接的疲劳性能应用试验结果时，特别