第1、2章绪论-材料2016-9

衢州学院钢结构设计原理衢州学院建筑工程学院3.掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件(梁、杆、柱)的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。2.掌握钢结构材料的主要性能及其主要影响因素，并能正确地选择钢材；1.了解钢结构的应用和发展概况,掌握钢结构的特点；钢结构原理的基本要求4.熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。第一章绪论重点：1.掌握钢结构的特点。2．了解钢结构的应用范围。3．了解钢结构在我国的发展趋势。

1.1钢结构的特点

结构用钢材强度高，塑性韧性好结构重量轻。材性好，可靠性高。工业化程度高，工期短。密封性好。耐锈蚀性差。耐热性较好，耐火性差。

澳大利亚啤酒中心结构用钢材强度高，塑性、韧性好强度——构件或连接在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力.强度高，适用于大跨、高层、重载结构。强度高，构件截面小，受压时易失稳。塑性——承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。塑性好，结构不会由于偶然超载而突然断裂，给人以安全保证。韧性——承受动力荷载时，材料吸收能量的能力。韧性好，适宜承受动力荷载，结构的抗震性能好。但低温和某些条件下，可能发生脆性破坏。钢结构的特点之一：

钢与混凝土、木材相比，虽然密度较大，但其强度较混凝土和木材要高得多，因此在同样受力的情况下，钢结构与钢筋混凝土结构和木结构相比，构件较小，重量较轻。钢结构的特点之二：结构重量轻定义参数：a=容重/强度

a越小，结构相对越轻。不同材料钢屋架自重比较荷载相同，对于24米跨度的屋架预应力钢筋混凝土结构1钢结构1/3--1/4，冷弯薄壁型钢结构1/10重量轻，可减轻基础的负荷，降低地基、基础部分的造价，同时还方便运输和吊装。材性好，可靠性高钢材由钢厂生产，质量控制严格，材质均匀性好，且有良好的塑性和韧性，比较符合理想的各向同性弹塑性材料，因此目前采用的计算理论能够较好地反映钢结构的实际工作性能，可靠性高。钢结构的特点之三：工业化程度高，工期短钢结构都为工厂制作，具备成批大件生产和成品精度高等特点；采用工厂制造、工地安装的施工方法，有效地缩短工期，为降低造价、发挥投资的经济效益创造条件。钢结构的特点之四：超高层建筑技术经济指标比较施工中的钢结构车间密封性好钢结构采用焊接连接后可以做到安全密封，能够满足一些要求气密性和水密性好的高压容器、大型油库、气柜油罐和管道等的要求。钢结构的特点之五：耐锈蚀性差全世界因锈蚀每年损失的钢材大约为当年钢产量的10%新建造的钢结构一般隔一定时间都要重新刷涂料，维护费用较高。目前国内外正在发展各种高性能的涂料和不易锈蚀的耐候钢，钢结构耐锈蚀性差的问题有望得到解决。钢结构的特点之六：云南宣威发电厂扩建工程干煤棚(2X300MW)干煤棚因锈蚀倒塌因锈蚀引起钢结构的事故节点锈蚀情况耐热性较好，耐火性差温度在200℃以内，钢材的主要性能变化很小，温度超过200℃后，材质变化较大，强度降低并出现兰脆和徐变现象。600℃时，强度几乎为零。在火灾中，未加防护的钢结构一般只能维持20分钟左右。因此，设计规定钢材表面温度超过150℃后即需加以隔热防护，对有防火要求者，更需按相应规定采取隔热保护措施。钢结构的特点之七：遭受恐怖袭击1.2钢结构的应用范围

单层轻、中型厂房及仓库、单层重型厂房、大跨度公共建筑、高层及超高层建筑、低多层工业厂房、办公楼及住宅、铁路桥梁、大跨度公路及城市桥梁、城市高架路、塔桅结构、海洋平台、矿井、各种容器及管道、移动式结构、需拆卸及搬移的结构等等。

下面介绍几种钢结构的主要结构形式单层工业厂房结构形式单层工业厂房的结构形式是由一系列的平面承重结构用支撑构件联成空间整体。铅垂荷载主要由平面承重结构承担，纵向水平荷载由支撑承受和传递。平面承重结构又可有多种形式。最常见的为横梁与柱刚接的门式刚架和横梁(桁架)与柱铰接的排架。

单层轻型钢结构房屋的组成1.3.1.概率极限状态设计方法(1)极限状态：当结构或其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，此特定状态称为结构的极限状态。(2)

极限状态分为两类：

a.承载能力极限状态:

包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。

b.正常使用极限状态:

包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。§1.3钢结构设计原则

1.3.2设计表达式

a.采用以概率理论为基础的极限状态设计方法(疲劳问题除外)，用分项系数的表达式进行计算；b.结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式考虑。

（一）按承载能力极限状态设计

应考虑荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载（效应）组合，采用下列表达式设计：

式中：γo--结构重要性系数；S--荷载效应（组合）的设计值；R--钢结构构件或连接材料抗力的设计值。

钢结构构件承载能力极限状态设计表达式

对于钢结构这种单一材料，可以将荷载效应表达式用应力形式表示。可变荷载起控制作用时：永久荷载起控制作用时：式中：（1）永久荷载分项系数

当其效应对结构不利时--对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;--对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;

当其效应对结构有利时

--一般情况下应取1.0；--对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。（2）可变荷载的分项系数--一般情况下应取1.4；--对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的

活荷载标准值应取1.3。(二)正常使用极限状态1.

对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合，并使变形等不超过相应的规定限值。νGk--永久荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值；νQ1k--第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中

产生的变形值（该值使计算结果为最大）；

νQik--其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。[ν]--结构或结构构件的容许变形值。

2.对于受压、受拉构件，规范规定应限制其长细比，即:

λ≤[λ](1-24）式中：λ--受压、受拉构件的计算长细比；[λ]--规范规定的受拉、受压构件容许长细比，按规范采用。

一、材料方面

发展高强度钢材和新品种型钢，如强度更高的钢材、耐候钢（抗腐蚀）以及提高厚板材的质量（抗层状撕裂）。二、结构设计计算方法的研究三、新结构的推广应用四、高层建筑

五、结构优化原理的研究和应用六、国产化1.4钢结构的发展中国现代钢结构的成就(1)大型厂房方面的应用：鞍钢、包钢、武钢的炼钢、轧钢、连铸车间等富拉尔基重型机器厂哈尔滨锅炉厂、电机厂、汽轮机厂长春汽车制造厂沈阳、哈尔滨飞机厂大连造船厂洛阳拖拉机厂各种现代钢结构厂房中国现代钢结构的成就(2)大跨公共建筑：北京人民大会堂重庆人民大礼堂各类体育馆会展中心中国现代钢结构的成就(3)铁路、公路桥梁：上海长江大桥南京长江大桥上海长江大桥东海大桥（32.5Km）中国现代钢结构的成就(4)广播电视塔微波塔环境气象塔1978年以后高层和超高层房屋多层房屋单层轻型房屋体育场馆大跨度会展中心大型客机检修库城市桥梁和大跨度公路铁路桥梁海上采油平台央视新台址第二章钢结构的材料重点：1.掌握钢材的机械性能指标。2．理解钢材的疲劳3．了解钢材的种类和规格第2章钢结构的材料§2.1钢材的破坏形式一、塑性破坏

破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，断口发暗，可以采取补救措施。二、脆性破坏

坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变形远比材料应有的变形能力小，破坏突然，断口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。§2.2钢材的强度和变形性能1.受拉、受压、受弯及受剪时的性能一次拉伸时的性能

条件：标准试件（GB228—63），常温（20℃）下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%－0.3%。标准试件：lo/d=5、10；lo-标距；d--直径d2.阶段划分A.有屈服点钢材σ--ε曲线可以分为五个阶段：(1)弹性阶段(OB段)OA段材料处于纯弹性，即:AB段有一定的塑性变形,但整个OB段卸载时，ε=0；E=206×103N/mm2OBCDAE（2）弹塑性阶段（BC)

该段很短,表现出钢材的非弹性性质;

σB—屈服上限;σC—屈服下限(屈服点)（3）塑性阶段（CD)该段σ基本保持不变（水平),ε急剧增大,称为屈服台阶或流幅段,变形模量E=0OBCDAE（4）强化阶段(DE段)随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快（5）颈缩阶段(EF段)极限抗拉强度fuOBCDAEB.对无明显屈服点的钢材

该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变

形小，破坏突然。设计时取相当于残余变形为0.2%时所对应的应力作为屈服点—‘条件屈服点’fy=f0.20.2%fuεp3.应力应变曲线的简化（1）钢材可以简化为理想弹塑性体1)fy与fb相差很小；2)超过fy到屈服台阶终止的变形约为2.5%--3%，足以满足考虑结构的塑性变形发展的要求。

ε2.5%--3%fy

ε00.15%ε

（2）钢材在静载作用下：

强度计算以fy为依据;fu为结构的安全储备。（3）断裂时变形约为弹性变形的200倍，在破坏前

产生明显可见的塑性

变形，可及时补救，

故几乎不可能发生。O0.15%22%fu-fyfyfu4.单向拉伸时钢材的机械性能指标

（1）屈服点fy--应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。（2）抗拉强度fu--应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材最大的抗拉强度。（3）伸长率当l0/d=5时，用δ5表示，当l0/d=10时，用δ10表示。它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。断面收缩率A0A1§2.3冷弯性能

在冷弯试验中表现的性能，既能看出钢材塑性变形的能力，又可看出钢材的冶金质量。§2.4

冲击韧性钢材抵抗冲击作用的能力。用冲击韧性值ak表示：ak值大，韧性好。ak值的测定：通过试验：（1）梅式U型缺口：ak值（2）夏比V型缺口：CV§2.5影响钢材性能的因素2.5.1化学成分：C（碳）：形成钢材强度的主要成分。Mn（锰）：弱脱氧剂。Si（硅）：强脱氧剂V(钒）、Nb（铌）、Ti（钛）：合金元素Al（铝）、Cr（铬）、Ni（镍）：Al是强脱氧剂，用于补充脱氧。Cr、Ni为合金元素。有害元素：S（硫）：热脆;P（磷）：冷脆;O（氧）、N（氮）2.5.2冶金过程冶炼：平炉、转炉浇铸：钢水—钢锭—初轧—成材（传统工艺）钢水—连铸机—钢坯—成材（新工艺）轧制：改善内部组织结构热处理：显著提高强度2.5.3钢材硬化冷加工硬化：强度提高，塑性、韧性降低。自然时效、人工时效应变时效2.5.4温度正温在200℃以内钢材性能没有很大变化，

430～540℃强度急剧下降。负温钢材强度有一定提高，但塑性和韧性降低，称为低温冷脆2.5.5应力集中

钢结构构件中经常存在孔洞、槽口、凹角、截面突变以及裂纹等缺陷，此时，构件中的应力分布将变得很不均匀，在缺陷和截面改变处产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。二个钢构件，材质相同，长度相同：直径d0=10mmd0=10mm(刻槽处）破坏时，拉长较多；破坏时，无明显变形；屈服时：fy=251N/mm2fy=274N/mm2拉断时：fu=431N/mm2fu=431N/mm2可见：改变了工作条件，即使塑性材料也可能发生脆性破坏，在设计中应避免这种情况出现。§2.6

钢材的疲劳一、概念1、循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。PP11A1-1A应力循环--构件截面应力随时间的变化。2、应力幅

在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅:为常量常幅循环：为变量变幅循环：+σ-σt(a)完全对称循环(b)脉冲循环(c)不完全对称循环(d)不完全对称循环3、Δσ-N曲线应力循环次数N（疲劳寿命）

应力幅越低，作用循环次数越多，疲劳寿命越高；

应力幅相同，作用的循环次数越多，疲劳寿命越高。应力循环次数N<5×104，不需要进行疲劳计算。0NX105N1N2fy123456式中：β--直线对纵坐标的斜率；b1--直线在横轴坐标上的截距；

N--循环次数。Δσ-N曲线(a)0N(b)0N=5×104N=5X106............b1

考虑试验数据的离散性，取平均值减去2倍lgN的标准差s作为疲劳强度下限，当lgΔσ为正态分布时，保证率为97.7%。下限值的直线方程为：此时的Δσ即为容许应力幅：式中：系数β、c--根据钢结构设计规范“疲劳计算的构件和连接分类”查表得到。2S2S(b)0N=5×104N=5X106............b14.疲劳强度计算式中：Δσ--计算部位的应力幅；

对于焊接部位:Δσ=σmax-σmin；

对于其他部位：Δσ=σmax-0.7σmin(计算应力幅）。σmax、σmin--计算部位每次应力循环中的最大拉应力和

最小拉应力或压应力（取负值）。说明：1）计算时用荷载的标准值；2）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算

时不再考虑动力系数；2.6.2变幅疲劳和吊车欠载效应系数对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度：σσmaxσmin0t—欠载效应系数。重级工作制硬钩吊车1.0；重级工作制软钩吊车0.8；中级工作制吊车0.5。--循环次数N=2X106的容许应力幅。式中：§2.7

钢材的种类和规格一、钢的种类

1、碳素结构钢（GB/T700-88）---低碳钢牌号Q235--质量等级（A、B、C、D）

浇注方法（F、Z、Tz）A--保证fu、fy、δ，P、S含量B--保证fu,fy,δ,冷弯，常温时Cv，P，S，C含量；

C--保证fu,fy,δ,冷弯,0oC时Cv，P，S，C含量;D--保证fu,fy,δ,冷弯,-20oC时Cv，P，S，C含量;2.低合金钢(GB/T1591-94)GB/T1591-94Q295Q390Q345Q420相应的钢材品种（GB/T1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTiRE

低合金钢的质量等级分A、B、C、D、E，其中E主要是要求-400C的冲击韧性。二、钢材的选择（一）选择钢材的原则1．结构或构件的重要性；2．荷载情况（静力荷载，动力荷载）；

静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材。

动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。3．连接方法（焊接