结构特点及钢结构材料性能培训讲义

第一章绪论第一节我国钢结构的概况第二节钢结构的特点和应用第三节钢结构的发展第四节课程的内容、特点和学习方法第一节我国钢结构概况

从建国以来分三阶段：50~60年代（初盛时期）：借助苏联的经济和技术支援，有百十个项目，都是重型工业厂房；60年代中后期~70年代（低潮期）：冷弯薄壁型钢结构、轻钢屋盖；80年代以后~至今（发展时期）：向高、大、重方向发展。一、钢结构的特点1、钢结构材料的质量轻、强度高2、材质均匀，和力学计算的假定比较符合3、钢结构制造简便，施工周期短，可拆卸4、塑性和韧性好5、密闭性好5、钢材耐腐蚀性差6、钢材耐热但不耐火钢拉杆和压杆性能比较第二节钢结构的特点及应用C30混凝土

密度：2450kg/m3

强度：14.3N/mm2

Q235钢

密度：7850kg/m3

强度：235N/mm2二、钢结构的应用1、大跨度钢结构2、重型厂房钢结构3、受动力荷载影响的结构4、可拆卸的结构5、高耸结构和高层建筑6、容器和其他构筑物7、轻型钢结构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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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金茂大厦1998年建成88层420m混凝土核心筒，钢巨型外伸桁架,钢骨混凝土巨型柱会展场馆体育建筑

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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输电塔电视塔通讯塔会展场馆体体育建筑筑机场剧院高层建筑塔塔桅结构构厂房仓储住宅宅桥梁储罐罐其他轻钢厂房大众汽车三三期工程山东省日照照市双禾家家纺轻钢车车间会展场馆体体育建筑筑机场剧院高层建筑塔塔桅结构构厂房仓储住宅桥梁储罐罐其他构构筑物大连北良国国储粮库净净跨60m嘉兴电厂干干煤棚会展场馆体体育建筑筑机场剧院高层建筑塔塔桅结构构厂房仓仓储住宅桥梁储罐罐其他构构筑物会展场馆体体育建筑筑机场剧院高层建筑塔塔桅结构构厂房仓仓储住住宅桥梁储罐其他他构筑物杨浦大桥卢浦大桥会展场馆体体育建筑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高层建筑塔桅结构厂房仓储住宅桥梁储罐其他构筑物第三节钢钢结构的的发展1、发展低低合金高强强度钢材和和型钢品种种2、结构和和构件设计计计算方法法的深入研研究3、结构形形式的革新新4、结构优优化设计连接钢材性能及及规格基本构件第四节课课程主主要内容、、特点和学学习方法结构体系设设计形式计算构造轴拉构件受弯构件压弯构件轴压构件拉弯构件稳定验算承载力刚度钢结构结构基本本设计原则焊接螺栓连接第一节结结构钢材的破坏坏形式第二节钢钢结构对钢材性性能的要求第三节影影响钢材性能的的因素第四节结结构钢材的种类类及选用第二章钢结构构的材料1、塑性破坏：破坏前有明显的变形，破坏历时时间间长，可可以采取补救措措施。第一节钢材的的破坏形式2、脆性破坏：破坏前没有明显的变形，破坏发生突突然，，没有机会补救救。※脆性破坏的原因因?注意：应尽量发发挥材料的塑性性避免一切脆性破破坏的可能性（一）、强度1、单向均匀拉拉伸试验试验条件：标准试件在常温（20℃℃）下缓慢加载载，一次完成第二节钢材的的机械性能钢材在单向均匀匀受拉时工作性性能表现为四个个阶段：A弹性阶段:应力最高高点对应比例极限弹性模量应力B弹塑性阶段:应力介于和之间弹塑性模量是变数C塑性阶段:应力达到屈服强度D强化颈缩阶段:应力最高点对应抗拉极限（二）钢材的工工作性能可以看看作理想弹性塑塑性体1.计算简便便2.与相差不大3.虽然＞，但对应的应变非常大（不满足正常使用极限状态）4.以作为设计强度的依据，具有较大的强度储备，若出现偶然因素，使人们有机会补救

屈强比：Q235钢为0.57，Q345钢为0.672、简化计算,采用理想弹弹塑性模型1、作为钢结构设计的最大应力3、作为钢材实际破坏强度（三）注意二、塑性当应力超过屈服服点后，能产生生显著的残余变变形（塑性变形形）而不立即断断裂的性质断面收缩率：指试件拉断后，，颈缩区的断面面面积缩小值与与原断面面积比比值的百分率衡量塑性性能的指标：伸长率三、冲击韧性冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸吸收能量的能力衡量冲击韧性的的指标：冲击功韧性是钢材强度度和塑性的综合合指标梅氏U型缺口试件:冲击试验的标准试件型式：夏比V型缺口试件:我国采用夏比V型缺口试件冲击韧性受温度度的影响四、冷弯性能：：指钢材在冷加工工（常温下加工工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力鉴定钢材在弯曲曲状态下的塑性性应变能力和钢钢材质量的综合指标五、可焊性可焊性指采用一般焊接工工艺就可完成合合格的焊缝的性性能可焊性受化学成成分C的影响比较大碳当量：衡量低合金钢的的可焊性的计算<0.38焊接接性能一般=0.38~0.45焊接性性能较难>0.45焊接接性能难另：钢材物理性性能指标弹性模量质量密度剪变模量线膨胀系数泊松比一、化学成分第三节影响钢钢材性能的主要要因素普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%普通低合金钢中有＜5%的合金元素碳（C）：钢材材强度的主要来来源，但是随其其含量增加，强度增加，塑塑性降低，可焊焊性降低，抗腐腐蚀性降低。一般控制在0.12％～0.2%，在0.2％以以下时，可焊性性良好硫（S）是一种有害元素，降低钢材的塑塑性、韧性、可可焊性、抗锈蚀蚀性等，在高温温时使钢材变脆脆，即热脆。因此，钢材中中硫的含量不得得超过0.05%，在焊接结构中中不超过0.045%。磷(P)既是有害元素也是能利用的合合金元素。磷是是碳素钢中的杂杂质，它在低温温下使钢变脆，，这种现象称为为冷脆。在高温时磷也也能使钢减少塑塑性。但磷能提提高钢的强度和和抗锈蚀能力。。氧(O)、氮(N)也是有害杂质，在金属熔化的的状态下可以从从空气中进入。。氧能使钢热脆，其作用比硫剧剧烈，氮能使钢钢冷脆，与磷相似。锰（Mn）是一种弱脱氧剂剂，适量的锰含含量可以有效地地提高钢材的强强度，又能消除除硫、氧对钢材材的热脆影响，，而不显著降低低钢材的塑性和和韧性。锰在碳碳素结构钢中的的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中中一般为1.0%-1.7%硅（Si）是一种强脱氧剂剂，适量的硅可可提高钢材的强强度，而对塑性性、韧性、冷弯弯性能和可焊性性无明显不良影影响，但硅含量量过大时，会降降低钢材的塑性性、韧性、抗锈锈蚀性和可焊性性。钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)都能使钢材晶粒细细化。我国的低合合金钢都含有这三三种元素，作为锰锰以外的合金元素素，既可提高钢材材强度，又保持良良好的塑性、韧性性。二、冶炼、浇铸、轧制制常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹等。偏析——化学成分分布布的不均匀程度。。冶炼过程控制钢材材的化学成分。平炉钢顶吹氧气转炉炼钢钢法碱性侧吹转炉炼钢钢法浇铸过程控制脱氧氧程度。①沸腾钢用锰脱氧氧，脱氧不彻底，，成本低，以前土土木工程常用，但但现在提高要求了了，许多结构限用用：疲劳、低温下下非焊接结构，焊焊接结构；②镇静钢用硅脱氧氧，脱氧彻底，成成本高，质量好；；③半镇静钢介于于前两者之间；④特殊镇静钢在锰锰硅脱氧后再用铝铝或钛补充脱氧。。三、加荷速度1．材性试验要求求缓慢加载2．要考虑动荷载对结构的不利影响加荷速度高，钢材屈服点提高高，呈脆性。因此，四、钢材硬化冷作硬化—当加载超过材料料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则屈服点提高，塑性性和韧性降低的现象，也称“应应变硬化”时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使使材料硬化的现象象。五、温度的影响1.正温范围100℃以内对钢材性能无影响；100℃以上随温度升高，总的的趋势是强度、弹性模量降降低，塑性增大；250℃左右抗拉强度略有提高高，塑性和韧性降降低，脆性增加——蓝脆现象。该温度区段称为为“蓝脆区”；250～350℃℃在应力不变的情况况下，钢材以很缓缓慢的速度继续变形——徐变现象。600℃左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完完全丧失。2.负温范围当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而而增加。T1～T2之间温度转变脆性区，冲击功急剧下降降。而且不同的钢钢材其脆性转变区区温度不同，必须须通过试验确定。。使用温度必须高于T1，但不一定高于T2六、复杂应力作作用下钢材的屈服服条件假定：1.材料料由弹性转入塑性性的强度指标用变变形时单位体积中积聚的能量来表表达；2.当复杂应力力状态下变形能等等于单轴受力时的的变形能时，钢材即由弹性性转入塑性。弹性状态塑性状态平面应力状态梁的应力状态三向主应力表示为为：三个主应力同号且且差值很小时，很很难进入塑性，呈呈现脆性破坏纯剪应力状态所以：《规范》中中钢材的抗剪强度度设计值取取七、应力集中的影影响构造缺陷：构件表面不平整整，有刻槽、缺口口，厚度突变等应力集中：由于构造缺陷，，应力不均匀，力力线变曲折，缺陷处有有高峰应力。应力集中的危害：：塑性降低，脆性增加构造设计时应避免截面突变和尖尖锐角的情况九、重复荷载的影影响钢材在反复荷载作作用下，结构的抗抗力及性能会发生生重要变化疲劳（fatigue）：钢材在在连续交变荷载作作用下，会逐渐累累积损伤、产生裂裂纹及裂纹逐渐扩扩展，以至断裂的的现象——强度低于极限强度度fu甚至低于屈服强度度fy，脆性断裂1、较高的强度2、足够的变形能能力，塑性、韧性性好具有3、良好的加工性性能（包括冷加工工、热加工和可焊焊性）一、钢结构对材料的要求：第四节结构钢材材的种类和钢材规规格二、结构用钢的种种类1.化学成分普通碳素钢Q235普通低合金钢Q345、Q390、Q420平炉成成本高，质量好（（6小时100t左右）氧气顶吹转炉成成本低，质质量也可（15分分钟150t）2.炉种3.脱氧程度沸腾钢（F）脱脱氧较差镇静钢（Z）脱脱氧充分半镇静钢（b）脱脱氧氧程度介于沸腾钢钢和镇静钢之间特殊镇静钢（TZ）4.质量等级A级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量B、C、D级：保保证抗拉强度、屈屈服点、伸长率、、冷弯和冲击韧性（分别为20℃、0℃、-20℃）及碳、、硅、锰、硫、磷含量E级：除满足D级的要求外，还还要求-40℃时时的冲击韧性5.钢材编号碳素钢：Q×××质量量等级（A～D））脱氧程度（F，，b）低合金钢：Q××××质量等级（（A～E）如Q235-A··F、Q345-C6.钢材的选择择（1）结构或构件件的重要性；（2）荷载的种类类（静荷载或动荷荷载）；（3）连接方法（（焊接或非焊接））；（4）工作条件（（温度，腐蚀等））《钢结构设计规范范》（GB50017-2003）规定：承重结构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的合格保证。焊接承重结构以及及重要的非焊接承承重结构采用的钢钢材还应具有冷弯试验的合格保证。需要要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。对需需要验算疲劳的非焊接结构的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。三、钢材的规格1.热轧钢板（1）工字钢普通工字钢ⅠⅠ20a（2）槽钢[32b（3）H型钢HW300×300×10×15T型钢TW150×300×10×15（4）角钢L125×10L125×80××10（5）钢管φφ400×62.热轧型钢（附录型钢表））单位cm3.冷弯薄壁型型钢壁厚1.5～5mm结构设计准则：结构由各种作用用所产生的效应（内力和变形）不大于结构（包括连接））由材料性能和几几何因素等所确定定的抗力或规定限值。。问题及矛盾：荷载大小、材料料强度、截面尺寸寸、计算模式、施施工质量等因素均均为随机变量（或或随机过程）不确确定第三章钢结构的的设计原理一、概述第一节钢结构的的设计方法1、容许应力法（建国初～1957年）把钢材可以使用的的最大强度，除以以一个笼统的安全全系数作为结构设设计计算时构件容容许达到的最大应应力，即允许应力力法2、半概率法（1957年～1988年）3、一次二阶矩极极限状态设计法（1988年～发发展中）1、极限状态：实质上是结构可靠靠与不可靠的界限限；对结构的各种种极限状态，均应应规定明确的标志志或限值。2、两类极限状态态：（1）承载能力极极限状态包括：构件和连接接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆（2）正常使用极极限状态包括：影响结构、、构件和非结构构构件正常使用或耐耐久性能的局部损损坏（包括组合结结构中混凝土裂缝缝）二、概率极限设计计方法3、功能函数作用效应S：取决于各种荷载（（恒载、活载、风风、地震作用、温温度变化等）结构或构件的承载载力或抗力R：取决于材料、构件件的几何特性等由于R和S都是随机变量，函函数Z也是一个随随机变量。功能函函数Z存在三种可可能状态：4、结构可靠度：结构在规定时间内内，在规定的条件件下，完成预定功功能的概率若以ps表示结构的可靠度度则：若以pf表示结构的失效概概率则：β——可靠指标或安安全指标β与pf存在一一对应关系系，β与pf变化相反β与pf对应表格不同结构构件承载载能力极限状态的的可靠指标β三、设计表达式《建筑结构可靠度度设计统一标准》》规定结构构件的的极限状态设计表表达式，采用有关关的荷载代表值、材料性能标准值及各种分项系数等表达。1、简单荷载分项项系数设计式：RK——抗力标准值SGK——按标准值计算算的永久荷载（G）效应值SQK——按标准值计算算的可变荷载（Q）效应值γ——分项系数式中：分项系数γ以可靠指标β为基础用概率设设计法求出可变荷载效应控制制的组合：（3.7）可变荷载效应控制制的组合：（3.8）2、承载能力极限限状态荷载效应的基本组合3、正常使用极限限状态荷载效应的标准组合（3.10）vGK——永久荷载标准准值产生的变形值值vQ1K——起控制作用的的第一个可变荷载载标准值产生的变变形值vQiK——其他第i个可变荷载标准值值产生的变形值[v]——结构或结构构构件的容许变形值值式中：★注意：设计方法：以概率理论为基础础的极限状态设计方法法计算疲劳仍采用容许应力幅法计算强度、稳定、连接接用荷载设计值计算疲劳、变形用荷载标准值对于直接承受动力荷载的结构：在计算强度和稳定时，动载设计值应乘动力系数在计算疲劳和变形时，动载标准值不应乘动力系数☆破坏前没有明显的的宏观塑性变形，，属于脆性断裂☆断口分为三个区域域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区☆对缺陷（包括缺口、裂纹纹及组织缺陷等））十分敏感第三节钢材的疲疲劳有拉应力裂缝张开无拉应力裂缝闭合产生疲劳的原因：：（1）连续反复荷荷载（2）材料局部缺缺陷（工艺微裂纹、焊焊缝夹渣）一、影响疲劳强度度的主要因素：1、应力比ρ按绝对值计算的最最小应力和最大应应力之比（拉应力力取正值，压应力力取负值）ρ＝-1完全对称循环ρ＝0脉冲循环ρ＝-1～0不完全对称称循环2、应力幅幅常幅疲劳——常幅交交变荷载引引起——常常幅循环应应力（简称称循环应力