《钢结构》教学课件

1、钢结构第 一 章概述1.1钢结构的发展历史公元前200年，秦始皇时代，铁造桥墩；公元60年，汉明帝时代，铁链悬桥（兰津桥） 济宁寺甘露寺大渡河铁索桥广州中山纪念堂圆屋顶 钱塘江大桥南京长江大桥首都体育馆 上海体育馆 大型企业厂房300多年前上世纪30年代上世纪5060年代中国国际贸易中心 京广中心大厦深圳发展中心 地王大厦黑龙江电视塔1990年北京亚运会场馆现在，金茂大厦421m，环球金融中心460m 帝国大厦381m新加坡双塔大厦450msears tower 443m世界贸易中心402m结论：材料： 连接：上世纪80年代后国外结构形式：桥 塔 工业与民用建筑铸铁 锻铁 钢销钉 铆钉 焊接

2、螺栓金 茂 大 厦台 北 101大 厦 448/508最最高高使屋用顶楼高层度438448mm环 球 金 融 中 心新 加 坡 双 塔 大 厦 95层- = 画 一l.-l-,摹二谓五m- ， -I名秪台101上海氓球金融中心瑞合腰塌七期Lott e World 2 TowerPetronas Towers城市台北上海香港華山吉隆坡匝别中囡中回中囡南韓，再来西空现况完工停工施工中尚未阴工完工竣工20032007200720101998凄磨10110110210788商度508 m492 m474 m464.5 m451.9 m廿”1I痰州中囮I1上海 中四完工1 998884 2 0 . 5m

3、大逋 中施工中200778420m舌港 中 囮完工2003904 1 3 . 8m完工I1 99780391.1 m诏圳中囮 纽约美囮 香港中即香港中囮 禹雄中国 完工完工完工完工完工1996 1931 19921990 1997 69384 m 102381 m 78374 m72 85347.5 m 地王大皮帝国大厦中氓痰塌中银大度Tuntex 85 Sky Tower世 贸 中 心英国伦敦千年穹顶D320m02年世界杯韩国大邱体育场国家大剧院上海八万人体育场上海八万人体育场施工现场组合钢管悬挑空间桁架70m多澳门东亚运动会体育馆澳门东亚运动会体育馆 亚洲跨度最大的桁架上海南站钢结构圆屋顶

4、D265m长31km东海大桥钢结构工程海上段28km桥宽31.5m336m320m建设中的迪拜塔建筑高度是绝密，现已建成629m迪拜塔效果图鸟 巢水立方水立方中国工程院院士 董石麟：“(水立方)结构形式我们现在 叫它多面体空间钢架结构。这一种结构在过去，不单单 在我们国家，在世界上还是没有的”。济南奥体中心效果图（十一届全运会 ）济南奥体中心1.2钢结构的特点和应用 一.钢结构的特点自重轻、承载力高；为同跨度、同荷载钢筋混凝土屋架的（1/31/4） 重。特别是地质条件差的地区，降低地基、基础的造价。钢材的塑性和韧性好；（后面介绍）接近于匀质等向体；内部组织均匀，各方向物理性能基本相同，在使用阶

5、 段，变形较小。此特点与力学假定吻合较好。焊接性能；指钢材在焊接过程中和焊后，保持焊接部分不开裂的 完整性的性质。不渗漏；便于做成密闭容器。7.耐腐蚀性差；涂防腐漆 混凝土包裹8.耐热好，防火差。t 150，性能变化大t 600，强度为0涂防火涂料混凝土包裹二. 钢结构的应用1. 工业厂房跨度、柱距较大，有100t以上重级或中级工作制吊车 的厂房，有热辐射的厂房。现什么厂房都可采用。2. 大跨结构解决办法解决办法网架、网壳、悬索周围温度超过150， 采取防护措施厂房 钢屋架 体育馆、会馆高耸结构和高层结构自重轻、截面小，减小风荷载。受动力荷载作用的结构钢材的韧性好，动力性能高。容器与管道可拆卸

6、和移动的结构如流动式展览馆、活动房。其它。如海洋平台、码头、输煤栈桥等。总之，采用钢结构，工期短、造价高，应从综合经 济效益来考虑。1.3钢结构的设计方法钢结构设计时，必须满足一定的设计准则，即在满足功能要求的前提下，做到安全可靠、技术先进、确保 质量和经济合理。一.安全系数法（容许应力设计法）Kyo S A f构件中应力容许应力S：全部荷载引起的结构构件中的内力； A：几何特性，即截面面积或截面抵抗矩等； fy ：材料的标准强度，针对钢材为屈服点； K：安全系数。安全系数凭经验而定，因而不同构件的安全度不可 能相同，故不合理。注意：疲劳计算还采用此法。 二.极限状态设计法极限状态：当结构或其

7、组成部分超过某一特定状态，就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态就 称为该功能的极限状态。承载力极限状态 正常使用极限状态如倾覆。 结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包 括疲劳强度），或因过度变形而不适于继续 承载； 结构转变为机动体系； 结构或结构构件丧失稳定； 地基丧失承载能力而破坏。分为具体为承载力极限状态：指结构或构件达到最大承载能力或是出现不适于继续承载的变形。包括静力强度、动力强度、稳定、倾覆等。 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡；正常使用极限状态：指结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值。 影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用或耐久性的局部损坏（包括 裂

8、缝）； 影响正常使用的振动； 影响正常使用的其它特定状态。具体为1.极限状态设计法是以概率理论为基础，把有变异性的设计参数通过 概率分析引入结构设计中。根据应用概率分析的程度分为三种水准：半概率极限状态设计法； 近似概率极限状态设计法； 全概率极限状态设计法。作用：是使结构产生内力和变形的所有原因。 又称荷载效应，以S表示。如荷载、温度变化、地震力等。抗力：结构或构件的承载力，以R表示。它取决于材料的强度和构件的几何因素。可靠性：指结构在规定的时间内、规定的条件（正常设 计、正常施工、正常使用、正常维护）下，完成 预定功能的能力。预定功能：就是对于规定的某种功能来说，结构不失效。可靠性是结构安

9、全性、适用性、耐久性的概称。 可靠度：用来衡量结构可靠性的指标。指结构在规定的时间内、规定的条件下完成预定功能的概率。当结构或构件的抗力等于荷载效应时，此结构或 构件达极限状态。极限状态方程Z g(R.S) R - S 0RS时，可靠 R0)失效概率用pf 表示，pfg(R-S 0) pf + ps = 1.0结构可靠就是指失效概率小到人们可以接受的程度。 可接受的失效概率为万分之几。设计中，荷载、材料强度等指标大都是随机变量，多呈正态分布，一些非正态分布的随机变量（如风载） 可以通过数学变换成当量的正态分布。故此认为R、S为正态分布。所以，极限状态函数Z=R-S也是正态分布的随机变量。Z的概

10、率分布曲线 Z0失效概率R、S 表示R、S的标准差Zf (Z)ZZ即 R-S 1640205120406020011560100190110无屈服点的钢材，如热处理低合金钢，如何确定屈服点？以卸载后残余应变为0.2时所对应的应力为屈服点。以0.2 表示， 又称为条件屈服点。冷弯性能：更严格的衡量塑性变形能力的指标，通过冷弯试验确定。冷弯试验是按材料的原有厚度经表面加工成板状，作180冷弯，以弯曲处的 外面、侧面不起层、不开裂为合格。不同厚度的钢材，d不同。注意：焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的 钢材必须具有冷弯性能的合格保证。0.20.2%d+2.1ada3厚度方向断面收缩率（又称Z

11、向收缩率）：量大，质量好，不易出现层状撕裂，故无此要求。Z 向收缩率用Z 表示A0：原横截面面积 A1：拉断时，断口处横截面面积Z15 相应的Z15 Z25 相应的Z25 Z35 相应的Z35Z15钢 Z25钢 Z35钢MA0A1 100% = A0z-厚 板 厚 度1. 5d0d0 =10厚度40mm以上钢板，受力时可 能会发生层状撕裂，故应满足 Z 向收缩率要求。 薄钢板轧制时，压缩分为三个质量等级钢材受动荷时的韧性指标：衡量钢材承受动荷作用时抵抗脆性破坏的指标就是 冲击韧性。韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，吸收能量多，韧性好。确定冲击韧性的 方法就是冲击试验， 试验采用夏

12、比V 型 缺口试件。Q235钢 Q345钢 Q390钢AKV27J (20、0、-20) AKV34J (20、0、-20) AKV27J (- 40)实际结构中，脆断总是发生在缺陷应力集中处， 因为该处存在同号拉应力场，使塑性变形受到限制。4055450R=0.25102862.2建筑钢材在多轴应力下的工作性能双向、三向受力时，不能以单向受力时的 fy为屈服 点，采用第四强度理论较为合适。单向拉伸达塑性状态时，积聚 于单位体积中的形状改变能为：三向主应力作用下，单位体积形状改变能为：式中： 泊桑比f2y3E1 U U231223312221o - 1 3Exxyyzzxyzxxz231yxz

13、y能量理论认为：U= U时，多向应力状态下的钢 材进入塑性。即由弹性转为塑性状态的工作条件为：当折算应力eq fy 时，弹性； 当折算应力eq fy 时，塑性。多向应力下，以折算应力eq作为强度计算的标准， 将折算应力eq变形为：fy311223232221+- (+) =)+o =+o o 31232223122eq1+- (+12233112=oo222eq)(- )(- )(-令：分析： 有异号应力，且同号应力差较大，就易进入 塑性，说明异号应力场下易发生塑性破坏。 三个主应力同号且接近， eq小，不易进入塑 性，直至破坏，也不进入塑性；三向等值压缩时，不会破坏；说明同号拉应力场下易脆性

14、破坏。 用正应力和剪应力表示折算应力：钢结构中，构件厚度小，厚度方向应力小，忽略， 形成平面应力状态，)+=o 2zx2yz2xy2zxyyzzx2y2xeq- (+) + 3(2xy2yxy2xeq+ 3+=o - 即：纯剪时：=3 o eq3 f y3 = 0.58f y达到屈服时：即： =f y因此时屈服， 用 fyv 代替 ，即有： fyv 0.58fy2.3各种因素对钢材性能的影响19381950年，在-14左右的冬季条件下，比利时共 有14座大桥断裂。1954年11月，英国制造的32000 t 油船世界协和号， 在海浪4.56m 高的大海中航行时，船底断裂。事故原因？化学成分C：铁

15、以外最重要的元素，C0.3%或C0.1%时，钢材 无明显屈服点。C强度、 塑性、 冲击韧性、 焊接性 能、脆性、低温脆断危险。钢结构采用低碳钢，C0.25% ，焊接结构 C0.2%S： 有害元素，8001000时，硫化铁熔化使钢材变 脆，因此热加工或焊接时，有可能引起热裂纹，称为“热脆”。S冲击韧性、焊接性能、疲劳强度， 所以， S0.045% (Q235以上钢材）S0.05%(Q235钢材）Mn：有益元素，弱脱氧剂。提高强度，不过多降低塑 性和韧性，消除热脆，改善冷脆；Mn过多，降低焊接性能。Si： 强脱氧剂。Si0.2%时，提高强度，而不显著影 响塑性、韧性、冷弯性能、焊接性能；Si 含量

16、达1时，则不然。P： 提高强度和抗锈蚀能力，严重降低塑性、韧性、 焊接性能。所以， P0.04%(Q235以上钢材) P0.045% (Q235钢材)V： 提高强度、抗锈蚀能力，不显著降低塑性。N、O：有害元素，O热脆，N冷脆。式中化学符号表示该化学元素含量的百分数。 CE0.38时，焊接性能好，可直接施焊； 0.38CE0.45%时，施焊前预热，控制焊接工艺； CE0.45时，严格控制焊接工艺和预热温度。通常采用可焊性试验的方法来检验钢材的焊接性能， 从而制定重要结构和构件的焊接制度和工艺。6515二钢材的焊接性能钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响。 碳素钢：当0.12C0.20%时

17、，焊接性能好，含碳量超过上述范围，焊缝和热影响区容易变脆。低合金钢：焊接性能用碳当量 CE 来衡量，C = C+ Mn + Cr + Mo+ V + Ni+ CuE三冶金缺陷缺陷有：偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、起层等。 气孔：CO气体没有逸出形成。非金属夹杂：钢材中含有氧化物、硫化物，使钢材 变脆。偏析：化学杂质元素分布的不均匀性，主要的偏析是S 、P的偏析，偏析 塑性、韧性、焊接性能、 疲劳强度。四应力集中当试件表面不平整，有缺口存在时，在轴心荷载作用下，截面上应力分布不均匀，缺口附近的应力特别 高，称应力集中。缺口尖端max净截面平均应力：o N /A0nAn：净截面面积 应力集中系数：

18、k =max / 0缺口处，方向与轴向 不一致，力线倾斜，因而产生 横向剪力y 。在孔边缘形成双向拉应力场（若考虑厚度，三向拉应力场），这就是 脆断的原因。带槽口试件的曲线，也证明了此点。 无明显屈服点，塑性降低，脆性增大。N标准试件 1-11212 3 3 2-2 max 3-3o y应力集中现象产生的原因：构件的不正确造型（设计时避免） 残余应力（研究不够）非金属夹杂五钢材的硬化钢材中，C、N的固溶物存在于存铁体的结晶体中，随时间增长， 它们析出，存在于晶粒之间的间层 中，对纯铁体的塑性变形起到抑制 作用，使钢材的强度上升，塑性降低，此种现象称“时效硬化”。又称“应变硬化”。 加热使此过程

19、迅速完成，称“人工时效”。弹性阶段：不影响钢材性能加卸荷 弹塑性阶段：强度提高，即弹性变形区域扩大，塑性降低现象，称“冷作硬化”。 钢材经冷作硬化后又发生时效硬化，称“应变时冷作硬化后 的塑性区o 时效硬化应变时效、时效硬化和人工时效与冷作硬化的区别：相同点：扩大了弹性工作范围，减少了塑性。的同时，还提高了抗 拉强度，而后者没有 提高抗拉强度。冷作硬化通常是在经过冷加工后产生的，冷加工区域的边缘会产 生冷作硬化，成为产生裂缝的根源。冷加工：在常温或低于再结晶温度的情况下，通过机 械的力量使钢材产生所需要的永久塑性变形，获得需要的 薄板或型钢的工艺。 如冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等。 所以，要消

20、除冷作硬化区域（受动荷的重要构件，冷作硬化区域必须除去）。冷作硬化后的塑性区应变时效不同点：前者在扩大弹性范围时效硬化六加荷速度快速拉伸，沿0B线变化，此时试件的温度有所降低，持荷保称“弹性后效”。若突然快速卸荷，沿AC线变化，试件温度上升，随后放热后 冷却，回到 0 点。加荷速度提高，钢材的屈服强度提高，呈脆性，故 试验时按规定的速度加荷。通常作法：加载后持荷5分钟后读数，得到准确的试 验值。持不变，试件吸收热量，产生BA， B AC七温度影响温度从常温下降fy稍有、 脆性、塑性、韧性。当温度降到某一数值时，冲击 韧性AKV突然显著下降，钢材易产生 脆性断裂，称“低温冷脆”。所以，应针对结构

21、所处的温度对钢材提出AKV要 求。温度从常温上升，200以下，强度、塑性，250左右，强度、塑性、AKV，钢材变脆，称为 “蓝脆现象”。所以，经常受高温时，应采取隔热措施。以上介绍影响钢材性能因素的目的是了解钢材在什t (温度)AKV温度脆性区为了防止脆性破坏的发生，需注意以下三点：合理的设计：构造应合理，应能均匀、连续地传递应力， 避免构件截面剧烈变化，合理的选用材料。正确的制造：应严格按照设计要求进行制作，如避免材料 出现硬化，要通过扩孔或刨边除掉硬化区，选择合理 的焊接工艺，对制作和安装过程中所造成的缺陷应进 行清理和修复。正确的使用：不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结 构，不在主要

22、结构上焊接附加的零件、悬挂重物，避 免在运输和安装过程中对结构造成撞击。本节开始时所述事故原因：前者：应力集中、残余应力、低温AKV值太小。 后者：大部分板件不满足冲击韧性要求。2.4建筑钢材的动力工作性能 一 钢材疲劳破坏的特征循环荷载：随时间而变化的荷载， 如吊车梁和支承振动的平台梁maxminmintmax每一个循环中 max-min 称为应力幅若为常数，即1 2n 称为常幅应力循环。若为变数，即1 2 n称为变幅应力循环。应力循环特征用应力比值 min /max表示-1，完全对称循环0，脉冲循环1，静力荷载作用-11疲劳破坏：钢材在循环荷载作用下，当应力还低于钢材的 抗拉强度，甚至低于

23、屈服点时，就发生断裂破坏。疲劳破坏的原因：钢材中存在一些局部缺陷，如不均匀的 杂质，轧制时形成的微裂纹或加工时造成的刻槽、孔 洞、裂纹等，在荷载作用下，缺陷处的截面上应力分 布不均，形成应力集中现象，在应力高峰附近出现微 观裂纹，而在循环荷载作用下，微观裂纹不断扩展， 逐渐形成宏观裂纹，这时截面被削弱，裂纹处的应力 集中现象更严重，在应力高峰附近形成双向或三向同 号拉应力场，使钢材的塑性变形受到限制，荷载循环 到一定次数时，削弱处的截面就会发生脆性断裂破坏。疲劳破坏过程一般经历三个阶段，即裂纹的萌生、裂 纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。破坏前无明显的宏观塑性变形，属于脆性破坏。 断口特征：具有光滑

24、和粗糙的两个区域光滑部分是裂缝两边的材料时而相互挤压、时而分离而形成的，而粗糙部分是截面的残存部分不足以承受外 力，最终一瞬间突然被拉断而形成的。提问：只承受变化压应力，而不出现变化拉应 力时，是否会产生疲劳破坏？钢材的疲劳强度由试验确定。影响疲劳强度的最主要因素是构造状况（应力集中 程度、残余应力），作用的应力幅 ，及循环荷载的循环次数。实验证明疲劳强度与静力强度无明显关系。二常幅疲劳破坏大量疲劳试验证明，应力幅与疲劳寿命n 之间呈右图所示关系当应力幅为1 时，循环荷载达n1次时，试件破坏 ； 当应力幅为2 时，循环荷载达n2次时，试件破坏 ，考虑安全系数后，得对应于n次循环的容许应力幅为：

25、nnn1212即： 循环荷载循环n1次时，极限应力幅为1 ； 循环荷载循环n2次时，极限应力幅为2 。规范规定：当应力循环次数n5104时，应进行 疲劳计算。根据试验数据，按统计理论得到的回归方程为：lg lgn - lgC 0n1lg 1 (lgC- lgn) lg ( C )n1 ( C ) 变形式中：C、是系数，可按不同的连接形式和类别 按规范查表，C、考虑了安全系数。 疲劳计算的构件和连接分类（部分P407）参数C、（P38）项次简图说明类别211:41横向对接焊缝附近的主体金属符合 GB50205-2001钢结构工程 施工质量验收规范的一级焊缝经加工、磨平的级焊缝3211:41不同厚

26、度（或宽度）横向对接焊缝附近31的主体金属，焊缝加工成平滑过渡并符2合一级焊缝标准1构件和连接类别12345678C(1012 )19408613.262.181.470.960.650.4144333333从式中看出，知道循环荷载的循环次数，就可求得容许应力幅焊接结构 非焊接结构max minmax 0.7min计算max 、min 时，按荷载标准值计算，不考 虑动力系数，同时不考虑恒载。注意：以上计算，只适用于常温下，且无强烈腐蚀性环 境中，否则，应按有关规定执行。三变幅疲劳计算实际结构中作用的交变荷载一般都是变幅循环荷 载，而不是常幅循环荷载，如吊车梁、振动台等，就是受变幅循环荷载作用。

27、若不发生疲劳破坏，应满足 ：计算部位的设计应力幅。n1 ( C ) 按常幅疲劳计算如何？变幅疲劳折算成常幅疲劳计算。 统计出应力幅为i 的循环次数，按循环次数的多少 取循环次数多的前10种，如1、 2 、 3 101、 2 、10 对应的循环次数分 别为n1 、 n2 、 n1 0 ，1、 2 、10 对应的常幅疲劳破 坏循环次数分别为N1 、 N2 、N1 0 ，据线性累积损伤法则，认为满足下式时，受变幅 荷载的结构发生疲劳破坏。2取变幅荷载的最大应力幅，按常幅疲劳计算，但太保守。1.已知变幅荷载循环规律按线性累积损伤法则，将 i1t 1A)n (n1010 1i1ii1 Niii(2)10

28、N ni1i( e )( e )N- i 1 n i（3）推出：A nNNNN n n n1021 . 110i 1i1210i次后使受变幅荷载的（1）常幅疲劳强度与循环次数间的关系为：N = A () A为任意常数i将 N代入（1）式得：另设想有一常幅的应力幅 e (需求之)，在作用结构发生常幅疲劳破坏，有：N = A（e）-10将（3）代入（2）得：101 e n) n( i 1i10i 1o ii则有：Ni A ( i )- ，e 称为等效应力幅若变幅荷载作用下不发生疲劳破坏，应满足：e ：按常幅循环预期寿命次的容许应力幅。2 .吊车梁疲劳计算 (未知变幅荷载循环规律)受变幅循环荷载作用

29、，若没有测到或无法预测荷载 循环规律，按常幅疲劳计算，f 2106：在计算部位的设计应力幅（最大应力幅）；2106：循环次数n=2106 次的容许应力幅； f ：欠载效应的等效系数（查表）；考虑实际变幅荷载有时出现低于设计应力幅的情况。说明： 此计算适合于重级工作制吊车梁，重级、中级工 作制吊车桁架的疲劳计算。对于轻级工作制吊车梁和吊车桁架、大多数中级 工作制吊车梁，据经验，可不作疲劳计算。注意： 疲劳极限状态的概念还不清楚，只能沿用容许 应力设计法。 以上讲的疲劳为高周疲劳，此类疲劳的断裂寿 命长，应力循环次数5104，断裂应力水平 低， fy ，故又称低应力疲劳。另有低周疲劳，其特点是寿命

30、短，循环次数 少，应力水平高，低周疲劳的内容忽略。 不出现循环拉应力的部位，不计算疲劳。2.5 建筑钢材的种类、规格和选用 碳素结构钢碳素结构钢的牌号是按屈服点的字母、屈服点数 值、质量等级符号、脱氧方法符号的顺序排列。 如 Q235 AF屈服点的字母：Q屈服点数值：195 、 215 、 235 、 255 、 275强度低塑性、韧性差 质量等级符号：A： 供方保证 fy 、fu 、5及Si 、S 、P含量，C 、Mn含量不作为交货条件，C0.2% 。B： 供方保证 fy 、fu 、5 、 C： 冷弯性能及C 、S 、Mn 、 D： Si 、P含量， C0.20%另+20的AKV另 0的AK

31、V另-20的AKV不同质量等级的同一类钢材，力学性能指标基本相 同，化学成分和 AKV 不同，A级钢不保证冷弯性能。 脱氧方法：沸腾钢（F）：Mn为脱氧剂，脱氧不完全，质量差，镇静钢（Z）：Mn、Si为脱氧剂，脱氧完全，质量好， 半镇静钢（b）：脱氧程度及质量介于以上两者之间， 特殊镇静钢（TZ）：外加铝脱氧，质量更好。A 、B级钢：脱氧方法有 F 、Z 、b C 级钢：脱氧方法只有 ZD 级钢：脱氧方法只有 TZ Z 、TZ 可省略。二 低合金高强度结构钢在碳素结构钢中加入少量几种合金元素形成，合金 元素的总量低于5，C0.2%，质量好。牌号编制与碳素结构钢相同如 Q295 、Q345 、Q

32、390 、Q420 、Q460分为A、B 、C 、D 、E五个质量等级，每一级的质量保证项目类似碳素结构钢，A级钢应进行冷弯试验，E级质量保证项目同 B 、C 、D ，另外 还要保证 -40的AKV 。C 、D 、E 级为特殊镇静钢， A、B级为镇静钢， 不标注脱氧方法。三优质碳素结构钢与碳素结构钢相比，杂质少，S、P含量小于0.035 钢号：如 45 或 45Mn ，前面两位数表示含C量的万分数，前者表示含Mn量 较少，后者表示含Mn量较多。钢结构中较少应用优质碳素结构钢。四 钢材的规格钢板： 厚钢板 4.560mm，薄钢板 0.354mm， 表示方法：宽厚长（长度可不标）。如1008100

33、0角钢： 分为等边角钢和不等边角钢，长度419m， 表示方法：长边宽短边宽厚度边宽厚度 如20012514 。工字钢：它的编号以截面高度（cm）表示，长519 m，如I36a根据腹板厚度分为a 、b 、c三类，a 类腹板较薄，用于受弯经济，c 类腹板较厚，不经济，生产较少。槽钢：编号规则同工字钢，如28b 。钢管：表示方法：D外径壁厚，长度312m，无缝钢管：壁厚，经济性差，最大可达 D219， 焊接卷管：经济性好。分为H型钢：表示方法：代号+高度H宽度B腹板厚翼缘厚H W ：表示宽翼缘H型钢 代号 H M ：表示中翼缘H型钢 H N：表示窄翼缘H型钢特点：翼缘板的内外表面平行。如H W400

34、4001321H型钢可剖分为T型钢，代号为TW、TM 、TN五钢材的选用应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素综合考 虑，既要满足结构安全可靠，又要尽可能节约钢材、降 低造价。承重结构钢材应具有 fu、fy、和S、P的合格保证； 焊接结构应具有C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钢材应具有冷弯性能的合格保证。主要焊接结构不能采用Q235A级钢。因含碳量不作为交货条件，无法保证含碳量。Q235-BF钢，厚度不宜大于25mm， 因厚度大，质量不易保证。4. 需验算疲劳的结构钢材，应具有常温AKV的保证。-20的AKV(Q390、Q42

35、0)-20的AKV(Q235、Q345)-40的AKV(Q390、Q420) 直接受动荷，且需验算疲劳； 直接受动荷，不需验算疲劳，但工作温 度-20；及受静载的受弯和受拉的重 要承重结构； 工作温度-30的所有承重结构。非焊接结构：工作温度-20的直接受动载，且需验 算疲劳的结构。0的AKV(Q235、Q345)-20工作温度0工作温度-20焊接结构非焊接结构、工作温度-20 0的AKV(Q235、Q345)-20的AKV(Q390、Q420)5.下列情况不能采用Q235沸腾钢，焊接结构6.吊车起重量不小于50 t 的中级工作制吊车梁，对AKV 的要求与需验算疲劳的结构相同。（结合前面吊车

36、梁疲劳验算）。总结：针对结构选材来说：受拉构件的材性要较受压构件为高； 焊接结构的材性要较非焊接结构为高；受动荷结构的材性要较受静载结构为高； 低温地区结构的材性要较高温地区为高。“结构工作温度” 解释不详，建议采用 采暖通风 与空气调节设计规范GBJ19-87(2001版)中的“最低日平均温度”。在钢结构设计文件中，应注明建筑结构的设计使 用年限、钢材牌号、连接材料的型号（或钢号）和对 钢材所要求的附加保证项目。此外，还应注明所要求 的焊缝型式、焊缝质量等级、端面刨平顶紧部位及对 施工的要求。设计使用年限：设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时间。15年， 临时性结构2

37、5年， 易于替换的结构构件50年， 普通房屋和构筑物100年， 纪念性建筑和特别重要的建 筑结构设计使用 年限分为小结如疲劳破坏yfy 取决于？钢材为什么分组？同号？ 异号？第二章1.破坏形式 脆性破坏塑性破坏钢材种类 碳素结构钢低合金高强度结构钢关系编号及不同质量 等级的保证项目有屈服点的钢材 无屈服点的钢材受压f取值？ 受弯受剪同受拉yvf=0.58fy多向 应力下1222eq =2 (1-2) + (2-3) + (3-1) 构造缺陷：应力集中； 钢材硬化：时效硬化等； 加荷速度；温度影响：蓝脆、低温冷脆。6.钢材的选用。fu ：衡量经巨量变形后的抗拉能力；fy ：衡量钢材承载能力的指标

38、；4.性能 伸长率：衡量钢材塑性变形能力的指标；指标 冷弯性能：更严格衡量塑性变形能力的指标； Z向收缩率：衡量钢材抗层状撕裂能力的指标； 冲击韧性：衡量钢材抵抗动荷能力的指标。化学元素；钢材的焊接性能； 冶金缺陷：偏析等；5.影响钢材性能的因素思考题为什么钢材在同号拉应力场易发生脆性破坏？ 在异号 应力场下易发生塑性破坏？为什么不同厚度的钢材（厚差达到一定数值）强度取值不同？为什么厚钢板要满足Z向收缩率的要求？无屈服点的钢材，如何确定其屈服点？在选用钢材时应注意哪些问题？第三章钢结构的连接23456鸟巢节点73.1连接的种类和特点钢结构中连接占用重要地位，因为： 构件、结构通过连接来实现；

39、连接方式影响结构的构造、工艺、造价； 连接质量影响结构的安全、使用寿命。焊接连接螺栓连接 铆钉连接 对接连接 搭接连接 垂直连接焊接连接焊接连接是钢结构最主要的连接方法连接型式连接方法 不削弱截面、经济； 构件间可直接焊接、构造简单、制造省工； 连接的密封性好、刚度大。 焊缝热影响区材料变脆； 产生焊接残余应力和焊接残余变形； 对裂缝敏感，局部裂纹发生易扩展到整体。1.钢结构常用的焊接方法 手工电弧焊采用焊条，操作灵活方便，特别适于短焊缝。Q235E43 Q345E50Q390、Q420E55不同钢种的钢材相焊接时，宜采用低组配方案，8即宜采用与低强度钢材相适应的焊条。优 点缺 点焊条型号应与

40、主体 金属的强度相适应9焊条型号 E前两位数字表示熔敷金属的抗拉强度；kgf/mm2 第三位数字表示适用的施焊方位0、1 全方位施焊；2平焊；4立焊。第四位数字表示药皮种类和电流，药皮的作用：在焊接过程中产生气体，保护电弧和熔 化金属，并形成熔渣覆盖着焊缝，防止 空气中的氧气、氮气与熔化金属接触形 成易脆的化合物。 埋弧焊埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法，电 弧完全被埋在焊剂之内。自动埋弧电弧焊半自动埋弧电弧焊分为自动埋弧电弧焊：焊丝送进和电弧移动由专门机构控制。 半自动埋弧电弧焊：焊丝送进由专门机构控制，而电弧 的移动由人工操作。焊接时，要采用与被焊钢材强度相应的焊丝、焊剂。 气体

41、保护焊气体保护焊是利用二氧化碳或其它惰性气体作为保护 介质的一种电弧熔焊方法。气体代替焊剂，是由焊枪中喷出的，在电弧周围形成 局部的保护层，防止有害气体的侵入。电弧加热集中，焊 接速度快，熔化深度大，结果是焊缝强度高，塑性好。气体保护焊即可手工操作，也可进行自动焊接。适用10全方位施焊，施焊时应采取避风措施。112.焊缝形式和焊接连接的型式 焊缝的形式对接焊缝 角焊缝承受动载。板厚时开坡口 焊接连接的型式 对接连接：传力平顺、厚板时开坡口、费工。 搭接连接：省工、费料、力线弯折、应力集中较严 重。垂直连接：省工、省料、截面有突变、应力集中较严重，用在不承受动力荷 载结构中。开K形坡口，减小应力

42、集中，可12 焊缝的施焊方位根据所持焊条与焊件间的相互位置，施焊方位 分为平焊(俯焊)、立焊、横焊、仰焊四种，按照文字所述顺序操作渐难，质量保证渐难。3. 焊缝的缺陷 裂纹：最危险缺陷，出现在焊缝内部或热影响区内，导致裂纹尖端 应力集中现象严重，易脆断。13钢材化学成分不当，含C量过高； 焊接工艺不合适，电流、速度等； 所用焊条不符合要求及施焊次序不恰当。 气孔：气体在焊缝金属冷却前没有逸出而形成。 降低塑性、密实性。 夹渣：是在焊缝金属内部或与母材熔合处形成的非金属 夹杂物。危害同气孔。焊接工艺不当；焊接材料不符合要求。 未熔合：指母材与熔化金属之间局部未熔合的现象。 削弱连接强度，产生应力

43、集中，易脆断。产生原因产生原因 咬肉：是在焊缝一侧或两侧与母材交界处形成的凹坑。 减少母材有效面积，造成应力集中。 未焊透削弱连接强度，产生应力集中4.焊缝质量检验焊缝质量检验分为三级：三级：只要求做外观检查，即检查焊缝尺寸、有无裂 纹、咬肉等现象。通过此检查的焊缝称三级质量焊缝。 二级：三级基础上 + 超声波检查，通过此检查的焊缝称二级质量焊缝。 一级：二级基础上 + X射线检查，14通过此检查的焊缝称一级质量焊缝。二螺栓连接粗制螺栓连接 精制螺栓连接高强螺栓摩擦型连接 高强螺栓承压型连接 15hff hfhf5.焊缝的表示方法单面角焊缝hf双面角焊缝三面围焊缝围焊缝 h现场安装焊缝普通螺栓

44、连接高强螺栓连接螺栓连接对接焊缝a （坡口角度）ph （对接间隔）（P：钝边高度）16糙，螺杆直径比螺孔小31.5 mm，要 求类孔，栓孔间隙大，受剪时易产生 滑移，导致螺栓群中各个螺栓受力不 均，故宜用于受拉，不宜用于受剪。紧，使部件的接触面间产生很大的摩擦力。粗制普通螺栓： 由未经加工的圆钢压制而成，螺栓粗（C级螺栓）类孔： 采用冲孔或不用钻模钻成的孔。 类孔： 采用钻模钻孔或冲孔后扩孔，孔壁平滑，质量高。精制普通螺栓：切削加工而成，孔径等于杆径，类（A、B级螺栓）孔，抗剪性能好，但成本高，现较少采用。高强螺栓安装时使用特别的扳手，以较大的扭矩拧紧 螺帽，使螺杆产生很大的预拉力。预拉力把连

45、接的部件夹摩擦型连 传力机理靠板件间的摩擦阻力传力，以摩擦 接：阻力被克服为承载力的极限状态。类孔，受力好，耐疲劳，用于承受动力荷 载结构，孔径大于螺栓公称直径1.5承2压.0型mm连。接：靠摩擦阻力和栓杆共同传力，以栓杆被剪断 或板件被挤压破坏为承载力的极限状态。 承载力较前者高。类孔，孔径大于螺栓公称直径1.01.5mm受剪变形大，只适用于承受静载。螺栓的性能统一用螺栓的性能等级表示，如4.6级、8.8级、 10.9级。小数点前的数字表示螺栓材料的抗拉强度，小数点1及7 后面的数字表示屈强比4.6级、8.8级、 10.9级螺栓强度分别属于400N/mm2 、800N/mm2 、1000N/

46、mm2级。C级螺栓为4.6级或4.8级，由Q235钢制造。A、B级螺栓为5.6级或8.8级，采用低合金钢或再经热 处理后制成。高强螺栓为8.8级或10.9级，材料为45号钢、 40B钢、20MnTiB钢制成。螺栓表示方法：三铆钉连接铆钉通常采用BL2和BL3钢制成。铆钉孔的质量影响连接的质量和受力性能，重要结1构8永久螺栓高强度螺栓安装螺栓19铆钉连接分为热铆和冷铆两种，热铆由烧红的钉坯插 入构件的孔中，用铆钉枪或压铆机铆合而成，冷铆是在常 温下铆合而成。在建筑结构中一般都采用热铆。铆钉打好后，钉杆由高温逐渐冷却而发生收缩，但被顶头之间的钢板阻止，故钉杆中产生了收缩拉紧力，拉紧 力使连接十分紧

47、密。当构件受剪力作用时，钢板接触面上 产生很大的摩擦力，可大大提高连接性能。铆钉连接制造工艺复杂，费工费料，现已很少采用。3.2角焊缝的构造、工作和计算角焊缝的构造角焊缝分为直角角焊缝和斜角角焊缝。直角角焊缝：hf ：焊脚尺寸he：有效厚度， he0.7 hfhfhfhe20斜角角焊缝：主要用于钢管，非钢管中，135 ，不宜用于受力。 直角角焊缝的截面型式：普通焊缝不易焊透hf1.5hfhfhf传力平顺，改善应 力集中，可受动荷。平坡焊缝深熔焊缝二 角焊缝的焊脚尺寸与计算长度fh 小 热量小，冷却快，焊缝易产生裂纹力线弯折，应力集中。21热影响区大，容易脆裂hf max 1.2 tt ：薄焊件

48、厚 贴边角焊缝还应满足：hf maxt(t6mm)hf maxt (12)mm(t 6mm)hf min1.5t 4mmt ：较厚焊件厚 对埋弧自动焊，hf min减小1mm，对T 形连接的单面角焊缝， hf min增加1 mm。f薄焊件易烧穿，冷却后，焊接变形大h 大故： hf min hf hf max角焊缝的计算长度(并非几何长度)lw l 2 h flw过短 起落弧太近，影响焊缝的可靠性 局部过热，材质变脆lwmin 8 h f 40mm贴边22lw过长应力分布不均多余长度不计入lw ，但焊接 工字梁翼缘与腹板连接处的焊缝、 加劲肋与腹板的焊缝，不受此限。故：搭接：t：薄焊件厚度 目的

49、：减小附加弯矩引起的应力b 12mm)b 190 mm(t12mm)目的防止横向收缩、起拱。 5t 25mmb且：l wmax 60 h flwmin lw lwmax要求： lw b(减小力线弯折程度)lw23转角处构件应力集中，如在此处起弧、落弧，可能出现弧坑 和咬肉现象，加大应力集中程度，故 采用绕角焊，减小应力集中程度。或围起来。t： 薄件厚，但转角处不能断焊。 三 角焊缝连接的基本计算公式焊缝长度方向和受力方向平行的焊缝为侧面焊缝， 焊缝长度方向和受力方向垂直的焊缝为正面焊缝， 焊缝长度方向和受力方向既不平行又不垂直的焊缝为斜焊缝。2hf2hf间断角焊缝的间断距离绕角焊：l 15t

50、（受压）l 30t（受拉）24试验表明：侧面焊缝的破坏截面多在45截面； 正面焊缝的破坏截面多不在45截面；正面焊缝的破坏强度大，也认为在45截面 破坏。1.侧面焊缝的受力分析将N转化为剪力V和弯矩MNe， M 产生垂直于轴向方向的 ， 较小，忽略。V产生沿轴向的(f )， 沿轴向分布不均，规范规定在规定的计算长 度范围内是均匀分布的。NNNflffwew)N( hNNVMe25式中：he0.7 hff fw ：角焊缝的设计强度（实际为抗剪设计强度）2.正面焊缝的受力分析将N转化为V和MNe(小、忽略) V作用下，应力分布较复杂，计 算时按均布。将应力f 分解为：NN NNeV=N ffNew

51、 f w(h l )o（*）)Nsin ew (hlNcos (h e l w )2)2 (N f h e l w2o fNew2 (hl)NsinNcosf263.一般情况N 分解为 Nx 和Nz ，Nz产生f（） ，Nx产生f ，即 ，焊缝计算截面上产生剪应力f，正应力 ，剪应力 ，处于复杂应力状态。相当于角焊缝的抗拉强度设计值。采用上式，需求截面上的应力分量，繁琐。NzxNhef) Ncosew ( hlfewNsin f 2 ( hl)2 Nsin f 2 ( h e l w )2 3() o222ff3 f w折算应力 eq NxNzff fw3ff ：正面焊缝强度设计值增大系数分析

52、： 当0，即侧面焊缝，此时f 1.0 当 00 ，即两水平焊缝不能完全承担扭矩，则T2由竖直焊缝承担fw21.22()TAxVTAyAy2 ()fA点应力应满足：wfe2w2hlVf剪力V=N由竖直焊缝承受：wf362hlV1.22 h T 6(e2w2l 2e2w22)f2) (1e1w1f w hf扭矩的承担分两种情况：两水平焊缝承担的扭矩为：T hlxyANBaeh注：此种焊缝也可采用近似计算方法：将 N 移至竖直焊缝处，则扭矩为：T N(e a)五关于斜角角焊缝1.60135的T形接头，斜角角焊缝的计 算同直角角焊缝，取f =1.0 。要求bi5mm ，若bi 5mm ，改为图（b）形

53、式i2.当b 1.5mm时，当1.5 bi5mm时，efh hcos sin 2h1 (hb1)cos 1e1f 1372)cossin b2h222he2 (f 2 3.当135时，斜角角焊缝不用作受 力焊缝 （钢管除外）。4.对于斜T形接头的角焊缝，在设计图中应绘制 大样，详细标明斜角角焊缝的焊脚尺寸。3.3对接焊缝的构造、工作和计算 对接焊缝的构造对接焊缝往往设坡口，应根据焊件厚度按保证焊 缝质量，便于施焊及减小焊缝截面积的原则选用。cc55pc60p坡口形式： 直边缝：单边V形缝：双边V形缝：适用板厚10mm适用1020mm3839p 称为钝边，有拖住熔化金属的作用，p 取大了或角度取

54、小了，导致焊不透，p 取小了或角度取大了，导致焊条和工时的浪费，p、c 常取2mm。也可由施工单位据 建筑钢结构焊接技术规程 并 结合实际情况确定。当间隙c较大时，可采用垫板， 施焊后，垫板可保留，也可除去。cpU形缝：K形缝：X形缝：适用20mmc55pc 60p40焊缝的起点和终点，不易焊透而出现凹陷的焊口，易引起裂纹和应力集中，故设引弧板，使 起弧、落弧在引弧板上发生。若设引弧板困难而没设，则计算长度(t：薄板厚度)厚差小于4mm时，由焊缝找坡，计算时，焊缝厚度 取薄板厚度。引弧板1:4 (动载)（且需计算疲劳）变截面钢板拼接：1:2.5(静载)改变宽度：改变厚度：1：2.5（静载）1：

55、4（动载 且需验算疲劳）为：l w l 2t41二对接焊缝的工作和计算焊透的对接焊缝部分焊透的对接焊缝焊透：是指焊缝金属充满整个连接截面并与母材 熔合成一体。（一） 焊透的对接焊缝的计算焊缝有缺陷， 规范规定：对接焊缝的抗压设计强 度与母材相同。受拉的对接焊缝对焊缝的缺陷敏感，降 低静力强度和疲劳强度， 规范规定：通过一、二级质量检验标准的焊缝，其抗拉设计强度与母材的抗拉设计 强度相同，质量属于三级的焊缝，焊缝的抗拉设计强度 等于母材抗拉设计强度的0.85倍。对接焊缝往往做成加高形式，取计算厚度时不计加高部分，承受动力荷载时需磨平。对接焊缝分1.受轴心拉力对接焊缝的计算（三级质量焊缝受拉）t：

56、两块对接板较小厚度， T形连接腹板厚度lw：焊缝的计算长度，用引弧板时，取实际长度， 不设引弧板时，取实际长度减2t 。f t：对接焊缝抗拉强度设计值。w当焊缝中应力大于焊缝的强度时，采用斜焊缝增加 焊缝长度，降低焊缝中应力，以提高连接承载力。NNlwltwto N f w焊缝中应力：NNcos NNsinbaltwtoNsin f wflw Vwt Ncosfvw ：抗剪 强度设计值4243以上公式是近似的，没有考虑共同作用。若取 tg=a/b1.5 ，焊缝强度不低 于母材强度，不必计算。2.对接焊缝在弯矩和剪力共同作用下的计算式中：f cw：对接焊缝抗压强度设计值； 三级质量焊缝 f c

57、f twwIw ：计算截面对中和轴的惯性矩；Wx ：计算截面最外边缘对中和轴的抵抗矩；SW ：计算截面某点以外处截面面积对中和轴 的面积矩。计算点处的折算应力VVMMtlw+w txWMofw c或 ffw VwtIVS ww t22zo1.1 fo 3NNcos NNsinba1.1：考虑最大折算应力只发生在焊缝的局部而将 设计强度提高的系数。注意工字形截面特点：3.对接焊缝在弯矩、剪力和轴力共同作用下的计算M作用下，产生M ，V作用下，产生。111 m ax危险点为1点tMN VVNMlwMNtNNl wo M NN作用下：t44MNz( )2 32 1.1 f w危险点折算应力：M+N

58、+危险点45S：坡口根部至焊缝表面（不考虑余高）的最短距离。 由于未焊透，连接处存在缝隙，应力集中现象严重，易脆裂。故计算时采用焊缝的有效厚度he ， 按角焊 缝计算，上节公式适用。V形坡口：当60，heS；当，当无残余应力时，全截面受拉： N1降低刚度如图，外拉力作用下2crEI( l ) 2压杆的临界力： N61 降低疲劳强度残余拉应力加快疲劳裂纹开展的速度。 加剧低温冷脆危险存在双向、三向同号拉应力场，不能发展塑性。2.焊接残余变形对结构的影响 影响构件尺寸 构件产生初弯曲和初偏心，受荷时产生附加弯 矩。三防止或减小焊接残余应力和焊接残余变形的措施1.设计方面 适宜的 hf 、lw ，应

59、细长，免短粗。 焊缝应尽可能对称布置，不宜过分集中。 避免三向焊缝相交，以免形成同号拉应力场。 要便于施焊，以保证质量。622.制造和焊接工艺方面 减小焊接残余应力的方法 焊件预热法 锤击法 退火法：将钢构件加热到一定温度，保温一段 时间，随后在炉中或埋入导热性较差 的介质中缓慢冷却。适用小构件。 减小焊接残余变形的方法反变形法合理施焊次序变形后校正热校正局部加热法 冷校正顶压焊前预热锤击， 减小 z1342 3214 221533633.5普通螺栓连接的构造和计算螺栓（高强螺栓、铆钉）的排列和构造要求中距不能过大，否则连接件接触不紧密，潮汽易侵入缝隙，造成锈蚀。端矩 中矩边矩 中矩 边矩端矩

60、边矩边矩中矩并列排列：简单整齐，连接板尺 寸小，栓孔对构件截面削弱大。错列排列：布置松散，连接板尺 寸大，栓孔对构件截面削弱小。螺栓的排列要求：受力要求：端矩2d0 ，否则顺力方向剪坏； 中矩过大，受压时起拱；中矩过 小，则截面削弱大。d0：孔径构造要求：64c. 施工要求：中距3d0 ，否则无转动扳手的空间。据a、b、c综合考虑，得出螺栓容许距离。表螺栓或铆钉的最大、最小距离注：t：为外层较薄板件的厚度名 称位置和方向最大容许距离（取两者的较小 值）最小容 许距离外排（垂直内力方向或顺内力方向）8d0 或 12t垂直内力方向016d 或 24t构件受压力顺内力方向构件受拉力中 间 排12d0