钢结构-辛益德

钢结构

辛益德制作1、什么是钢结构？一些典型的钢结构建筑钢结构是钢材（热轧型钢、钢板、钢管或冷加工的薄壁型钢）经过设计、加工，形成各种基本构件，如拉杆（有时还包括钢索）、压杆、梁、柱及桁架等，然后将这些基本构件按一定的方式通过焊接和螺栓连接组成的工程结构形式。五大结构形式：钢筋混凝土结构砌体结构木结构钢结构组合结构第1章绪论3钢结构应用种类繁多，造型新颖，规模宏大。按功能分主要应用有：会展场馆体育建筑机场剧院高层建筑塔桅结构厂房仓储住宅桥梁储罐其他构筑物会展场馆体育建筑机场剧院高层建筑塔桅结构厂房仓储住宅桥梁储罐其他构筑物上海新国际博览中心湖南国际会展中心广州会展中心会展场馆体育建筑机场剧院高层建筑塔桅结构厂房仓储住宅桥梁储罐其他构筑物2008奥运会国家体育场上海虹口足球场上海八万人体育场会展场馆体育建筑机场剧院高层建筑塔桅结构厂房仓储住宅桥梁储罐其他构筑物浦东国际机场首都机场会展场馆体育建筑

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88层420m混凝土核心筒，钢巨型外伸桁架,钢骨混凝土巨型柱上海环球金融中心原方案（97年打桩），浦东陆家嘴，460m，97层停工5年后，于2003年推出新方案，高492m，101层，37万多m2。会展场馆体育建筑

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建筑钢材的基本要求较高的强度较好的塑性及韧性良好的加工性能良好的可焊性较好的抗锈蚀能力现行《钢结构设计规范》（GBJ50017）推荐承重结构的钢材宜采用碳素结构钢中的Q235，及低合金高强度结构钢中的Q345、Q390及Q420钢。建筑钢材合格保证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。

焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。承重钢结构用钢材的保证项目三项保证五项保证六项保证3、建筑钢材的规格（1）钢板(plate)（1）热轧钢板和带钢（2）冷轧钢板和带钢（3）花纹涂板(用作走道板和梯子踏板)，（4）高层建筑结构用钢板；

薄板<6mm,厚板>40mm；常用热轧板6～25mm，

冷轧板0.6～2mm。钢板的表示方法为“-宽度×厚度×长度”，如：“-400×12×800”。单位为mm。（2）

热轧型钢(hot-rolledsection)

工字钢，H型钢，T型钢，槽钢，角钢，圆管，方管，圆钢。（3）

焊接型钢(weldedsection)I形，H形，T形，箱形，十字型。角钢（anglesteel）分等边角钢和不等边角钢。不等边角钢的表示方法为，“∟长边宽×短边宽×厚度”，如“∟100×80×8”，等边角钢表示为“∟边宽×厚度”，如∟100×8。单位为㎜。钢管分无缝钢管（seamlesssteeltube）和焊接钢管（weldedsteelpipe）两种，表示方法为“Ф外径×壁厚”，如Ф180×4。单位为㎜。槽钢（channelsteel）有普通槽钢和轻型槽钢，用截面符号“[”和截面高度（cm）表示，高度在20以上的槽钢，还用字母a、b、c表示不同的腹板厚度。如[30a，称“30号”槽钢。角钢槽钢钢管型钢及规格工字钢。用截面符号“I”和截面高度（cm）表示，高度在20以上的普通工字钢，用字母a、b、c表示不同的腹板厚度。如I20c，称“20号”工字钢。H型钢是目前广泛使用的热轧型钢，与普通工字钢相比，其特点是：翼缘较宽，故两个主轴方向的惯性矩相差较小；另外翼缘内外两侧平行，便于与其它构件相连。为满足不同需要，H型钢有宽翼缘H型钢、中翼缘H型钢和窄翼缘H型钢，分别用标记HW、HM和HN表示。表示方法是：标记符号、高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度。例如，HM244×175×7×11，单位为mm。工字钢H型钢型钢及规格（4）

冷弯薄壁型钢(cold-formedsection)L型钢，C型钢，Z型钢，S型钢等。（5）

压型钢板（二）连接材料1、焊条及焊丝2、螺栓3、铆钉二、钢结构的特点一、优点材质均匀，和力学计算的假定比较符合。强度高，重量轻。塑性和韧性好，具有良好的抗震性能。工业化程度高，工期短。密封性好。二、缺点造价相对较贵耐锈蚀性差耐火性差第二节钢结构的构件类型轴心受力构件受弯构件拉弯构件和压弯构件钢结构可能的破坏形式结构的脆性断裂结构的塑性破坏结构的疲劳破坏结构的损伤累积破坏结构的整体失稳结构和构件的局部失稳结构的损伤累积破坏土木工程结构在施工过程和使用期间，总会受到各种不利因素（如施工过程中的损伤，材料老化、锈蚀等）或灾害因素（如地震、强风等）的作用，使结构某一部分发生损伤。如果该结构继续使用，随着时间增长，结构的损伤不断积累而导致破坏，称为损伤累积破坏。

结构的整体失稳结构所承受的外荷载尚未达到按强度计算得到的结构破坏荷载时，结构已不能承担荷载，并产生较大变形，整个结构偏离原来的平衡位置而倒塌。

结构和构件的局部失稳结构或构件在保持整体稳定的条件下，结构中的局部构件或结构中的板件已不能承受外荷载的作用而失去稳定。构件：受压柱、受弯梁板件：受压翼缘、受压腹板铆钉连接螺栓连接焊缝连接钢结构的基本连接方式1.焊接连接（冶金式）使金属高温融化后形成整体采用焊接材料：电弧焊、气焊、电渣焊不采用焊接材料：电阻焊2.紧固件连接（机械式）3.其他（化学式）螺栓：普通螺栓：精制螺栓(A、B级)

粗制螺栓(C级)高强度螺栓：铆钉：钉连接：(射钉、自攻螺钉、焊钉)强力胶：直接粘合零件化学浆锚螺栓：通过结构胶将锚栓与锚固基础结合成一个整体，用于钢构件与混凝土构件的连接

钢结构的基本连接方式材质易变脆产生残余应力、残余变形、焊接缺陷对钢结构疲劳、稳定有不利影响较多地依赖焊工的技能水平质量检验要求较高时检验工作量较大缺点现代钢结构最基本的连接方式，应用最广泛优点构造简单—任何形状的构件可直接连接，无需辅助零配件省工省料—加工方便，不需打孔钻眼，不削弱截面施工快速—可自动化操作连接的密闭性好，刚度大，整体性好

焊接的特点工厂构件焊接、工地节点螺栓连接钢结构发展方向优点施工简单，装拆方便，对安装工的要求高摩擦型高强度螺栓连接动力性能好耐疲劳，易阻止裂纹扩展缺点费料、开孔截面削弱螺栓孔加工精度要求高

螺栓连接的特点优点塑性、韧性好，动力性能好缺点费料、加热铆合过程极其费工目前承重钢结构连接中已很少应用

铆钉连接的特点栓钉将钢板与混凝土板连接起来栓钉承受剪力

栓（焊）钉连接的特点射钉枪用于薄壁构件（压型钢板屋面板、墙板与梁、柱）的连接可采用射枪、铆枪等专用工具安装

射钉、自攻螺钉的特点连接方法优点缺点焊接对焊件几何形体适应性强，构造简单，省材省工，工效高，连接连续性强,可达到气密和水密要求，节点刚度大对材质要求高，焊接程序严格，质量检验工作量大,要求高;存在有焊接缺陷的可能，产生焊接应力和焊接变形，导致材料脆化，对构件的疲劳强度和稳定性产生影响;一旦开裂则裂缝开展较快,对焊工技术等级要求较高铆接传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力性能好费钢、费工，开孔对构件截面有一定削弱普通螺栓连接装拆便利，设备简单粗制螺栓不宜受剪，精制螺栓加工和安装难度较大，开孔对构件截面有一定削弱高强螺栓连接加工方便，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好摩擦面处理及安装工艺略为复杂，造价略高，对构件截面削弱相对较小，质量检验要求高射钉、自攻螺栓连接灵活，安装方便，构件无须预先处理，适用于轻钢、薄板结构不能承受较大集中力

基本连接方式对比根据焊件相对位置根据焊缝构造根据焊缝连续性根据施焊位置平接搭接顶接（T形）角接对接焊缝（直缝和斜缝）角焊缝（侧缝和端缝）组合形式连续焊间断焊俯焊立焊横焊仰焊平接（对接焊缝）搭接（角焊缝）顶接（T型连接）对接焊缝角焊缝角接对接焊缝角焊缝焊缝形式－－焊缝的不同分类用料经济，传力平稳，动力性能好较厚的板需开剖口，费工施工简便传力不均，应力集中严重，搭接时费料对接焊缝直焊缝斜焊缝角焊缝侧焊缝（与力平行）端焊缝（与力垂直）焊缝形式－－对接焊缝与角焊缝间断焊缝连续焊缝不重要或受力小的构件，可采用间断焊缝连接焊缝形式－－连续焊缝与间断焊缝俯焊横焊立焊仰焊质量好质量一般质量差

焊缝形式－－施焊方位确定计算截面上的内力（荷载效应）－－

注意点：防止内力漏项2.确定焊缝质量检验等级－－

根据结构重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等－－对接焊缝一般均有全熔透要求，等级为二级或一级

3.确定焊缝强度设计值

抗拉强度抗压强度抗剪强度

4.计算焊缝截面特性

截面面积A、惯性矩I、截面模量W、面积矩S等5.应力计算6.强度校核

计算步骤直焊缝引弧板N—轴心拉力或压力tw—焊缝厚度（不同板连接时为较小板厚）lw—焊缝计算长度，有引弧板lw＝L，无引弧板lw＝L－2t（较小板厚）

—对接焊缝抗拉或抗压设计强度强度焊缝应力验算式中：

典型节点（1）－－焊缝轴心受力－－直缝直缝普通型深熔型平坡型适宜动力荷载，但施焊不便施焊方便，最常用（2）按焊缝截面形式划分在直接承受动力荷载的结构中，正面角焊缝宜采用平坦型，且长边沿内力方向；（1）角焊缝焊脚尺寸

hf

角焊缝截面尺寸hft1t2tt1hf焊脚尺寸是指角焊缝根角至焊缝截面外边缘（焊趾）的尺寸

（2）最大焊脚尺寸hf,max

角焊缝截面尺寸

hf,max≤1.2t1式中:t1---较薄焊件厚度。对于板件边缘的角焊缝：当t≤6mm时，hf,max≤t；当t>6mm时，hf,max

≤t-(1~2)mm；钢管构件除外对圆孔或槽孔内的角焊缝，焊脚尺寸尚不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1/3（3）最小焊脚尺寸hf,min

角焊缝截面尺寸式中:t2---较厚焊件厚度。当t2≤4mm时,hf,min=t2(较厚焊件厚度）另:对于自动埋弧焊hf,min可减去1mm;对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm;

（4）侧缝的最大计算长度

角焊缝截面尺寸当实际长度大于以上值时，计算时不考虑超过部分的强度；但当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。（5）角焊缝的最小计算长度当焊件的焊接长度不受限制时，在满足最大焊缝长度的要求下，小而长的焊缝比大而短的焊缝好！（6）搭接连接的构造要求

角焊缝截面尺寸板件与节点板的连接仅用两侧缝焊接时：A、为避免应力传递过分弯折导致应力不均：B、为避免焊缝横向收缩引起的板件拱曲太大：不满足此条件时，应加塞焊或采用三面围焊！bt1t2普通螺栓的分类A级B级区别：仅尺寸不同，A级d≤24，L≤150mm；B级d＞24，L＞150mm分类钢材强度等级孔径d0与栓径d之差(mm)加工受力特点安装应用C级粗制螺栓普通碳素钢Q2354.64.81.0~1.5粗糙尺寸不准成本低抗剪差抗拉好方便承拉应用多临时固定A级B级精制螺栓优质碳素钢45号钢35号钢8.80.3~0.5精度高尺寸准确成本高抗剪抗拉均好精度要求高目前应用减少I类孔：孔壁粗糙度小，孔径偏差允许+0.25mm，对应A、B级螺栓II类孔：孔壁粗糙度大，孔径偏差允许+1mm，对应C级螺栓普通螺栓的分类受力要求——

螺距过小：钢板剪坏。螺距过大：受压时钢板张开。构造要求——

螺距过大：连接不紧密，潮气侵入腐蚀。施工要求——

螺距过小：施工时转动扳手困难。螺栓间距布置要求螺栓群的排列螺栓最大和最小容许间距

螺栓群的排列剪力螺栓

——受力垂直螺杆，螺杆承剪、孔壁承压。连接件有错动趋势拉力螺栓

——

受力平行螺杆，螺杆承拉。连接件有脱开趋势。依据受力方式剪力螺栓拉力螺栓

普通螺栓的受力（1）螺栓剪断（板较厚，螺栓较细）（2）钢板孔壁挤压破坏（板较薄，螺栓较粗）

普通受剪螺栓的传力机理

螺栓安装拧紧后，在工作荷载的作用下，被夹紧的板件相对滑动，在相反的方向螺杆靠紧孔壁，导致螺杆受剪切作用，孔壁受压力作用，直至螺杆剪断或孔壁受压破坏（1）螺栓剪断（板较厚，螺栓较细）（2）钢板孔壁挤压破坏（板较薄，螺栓较粗）（3）钢板拉断（板开孔，截面削弱）（4）钢板剪坏（螺栓端距过小）（5）螺栓弯曲破坏（板过厚，螺栓细长）防止螺栓破坏措施(1)(2)(3)通过计算解决(4)(5)通过构造解决端距≥2d。螺杆长度≤5d

普通受剪螺栓的破坏模式