钢结构基本知识

关于钢结构基本知识第一章概述一、钢结构的特点1、强度高，塑性和韧性好2、材质均匀，符合力学假定3、钢结构制造简便，施工周期短4、钢结构的质量轻强度与密度之比远大于混凝土5、耐腐蚀性差6、耐热不耐火≮250℃，500～600℃强度为零 防火处理：蛭石板、蛭石喷涂、石膏板等7、钢结构的密封性好容器等8、低温冷脆第2页,共83页，星期六，2024年，5月第一章概述二、钢结构的应用范围1、重型厂房结构2、大跨结构3、高层建筑4、塔桅结构5、板壳结构容器、储液库、煤气库、管道等6、可移动式结构活动房屋、水工闸门、起重运输机等7、桥梁结构8、轻型钢结构9、承受振动荷载和地震作用的结构第3页,共83页，星期六，2024年，5月第一章概述三、钢结构设计的基本要求1、安全可靠。在运输、安装和使用中，具有足够的强度、刚度和稳定性2、合理选用材料、结构方案和构造措施，满足使用要求3、节约钢材，减轻自重4、钢结构要便于运输和维护5、尽量注意美观第4页,共83页，星期六，2024年，5月第一章概述四、现代钢结构的发展1、高强度钢材的应用Q235、Q345、Q420、45号钢等2、钢结构设计计算理论的研究与改进3、新型结构形式的应用4、钢—混凝土组合结构的应用5、钢结构优化原理及其应用6、生产制造工业化、产业化第5页,共83页，星期六，2024年，5月第二章钢结构的材料一、钢的种类碳素钢和合金钢1、碳素钢●分结构钢（低碳钢）和工具钢（高碳钢）；●碳素结构钢—《GB700－88》质量等级：A、B、C、D四级；●A—只保证抗拉强度、屈服点和伸长率；

B、C、D—保证抗拉强度、屈服点和伸长率、冷弯性能和冲击韧性（分别为＋20℃、0℃和－20℃），同时严格控制C、S、P的极限含量；●钢号：Q235-A、Q235-B、Q235-C、Q235-D等第6页,共83页，星期六，2024年，5月第二章钢结构的材料2、合金钢●分为结构钢、工具钢和特殊钢●结构钢（低合金钢）—《GB/1591－94》质量等级：

A、B、C、D、E五级；●A、

B、C、D的规定同碳素结构钢，E级要求－40℃

的冲击韧性；●钢号：Q345-A、Q390-B、Q420-C、Q235-D等第7页,共83页，星期六，2024年，5月第二章钢结构的材料二、炼钢的种类●转炉钢——质量较差，杂质含量较多。●空气底吹转炉钢——质量甚差，国内已不生产。●空气侧吹转炉钢——质量略差，各项性能不如氧气顶吹转炉钢。●氧气顶吹转炉钢——有害元素少、杂质少、纯洁度高；质量和加工性能都接近平炉钢；生产效率高，成本低，投资省，建厂快。●平炉钢——原料广泛，容积大，广量高，冶炼工艺较简单，钢材质量优良，化学成分稳定（偏析度小），机械性能可靠，能冶炼各种用途的钢。缺点为生产成本高，建厂规模大，工期长，投资大。●电炉钢——质量最好，成本最高，土建少用。第8页,共83页，星期六，2024年，5月三、炼钢的脱氧方法●脱氧剂——Mn、Si等●沸腾钢——用Mn脱氧，不充分，质量不好，成本低。●镇静钢——除锰外，还用硅和铝为脱氧剂，脱氧完全，质量好，成本高。●半镇静钢——介于沸腾钢和镇静钢之间。第二章钢结构的材料第9页,共83页，星期六，2024年，5月四、钢材的力学性能1、钢材均匀受拉时的力学性能●б—ε曲线五个阶段：①弹性阶段；②弹塑性阶段；③屈服阶段；④强化阶段；⑤颈缩阶段。●强度指标：①屈服强度fy；②抗拉强度fu●理想的弹塑性体●塑性性能：①伸长率δ10和δ5；②断面收缩率ψ第二章钢结构的材料第10页,共83页，星期六，2024年，5月第11页,共83页，星期六，2024年，5月●钢材的物理性能指标：①弹性模量E＝206×10³（N/mm²）②剪切模量G＝79×10³（N/mm²）；③线膨胀系数α＝12×10-6

；④质量密度ρ＝7850kg/m3

。2、冷弯性能

不分层、不裂纹3、冲击韧性αk

断裂工程中吸收能量的能力αk

＝Ak/A（J/cm2）第二章钢结构的材料第12页,共83页，星期六，2024年，5月第13页,共83页，星期六，2024年，5月五、钢结构对材料的要求●较高的抗拉强度fu和屈服点fy●较高的塑性和韧性●良好的工艺性能（冷、热加工性能和可焊性）六、钢材的破坏形式塑性破坏和脆性破坏●塑性破坏：б＝fu发生，变形超过材料的变形能力。破坏前发生较大的塑性变形，断口呈纤维状,色泽发暗。●脆性破坏：б＜fu

甚至б＜fy，没有明显的塑性变形，破坏突然，没有预兆。断口平直呈晶粒状,色泽发亮。●在设计、施工和使用钢结构时，应当注意防止出现脆性破坏第二章钢结构的材料第14页,共83页，星期六，2024年，5月七、影响钢材力学性能的因素

●化学成分的影响：含C量增加，强度增高，塑性降低；

S、P、O、N为有害元素，必须严格控制；Mn和Si为有益元素，要适量。●冶金缺陷的影响：镇静钢的屈服点高于沸腾钢（约40N/mm2

）；非金属夹杂、裂纹、分层等。●时效的影响：钢材随时间的增长，强度增加、塑性降低而脆性增加。●冷作硬化的影响：钢材在冷加工（拉、剪、冲、压、拔等）的条件下，强度增加、塑性降低而脆性增加。

第二章钢结构的材料第15页,共83页，星期六，2024年，5月●温度的影响：低温冷脆；冷脆转变温度（冷脆临界温度)●应力集中的影响：在空洞、槽口、凹角、裂缝、截面变化处，产生局部高峰应力—应力集中现象。 应力集中：产生同号平面或立体应力场，钢材变脆。●时效的影响：钢材随时间的增长，强度增加、塑性降低而脆性增加。●疲劳的影响：钢材在连续反复或循环荷载作用下，当应力循环次数n达到某个大数时，发生突然的脆断。此时，应力б＜fu

甚至б＜fy—疲劳破坏。

第二章钢结构的材料第16页,共83页，星期六，2024年，5月八、钢材的规格和选用

1、钢材的规格●热轧钢板：①厚钢板（厚4.5～60mm）；②薄钢板（厚0.35～4mm）；③扁钢（厚4~60mm，宽30～200mm）。●普通热轧型钢：①角钢：等边和不等边；②槽钢：热轧普通槽钢和低合金热轧轻型槽钢；③工字钢：同槽钢；④钢管：有无缝和焊接两种；⑤H型钢：宽翼缘工字钢。●薄壁型钢：用薄钢板（1.5～5.0mm)经模压和冷弯而成，一般为Q235或Q345钢。●各种彩钢板和压型钢板。第二章钢结构的材料第17页,共83页，星期六，2024年，5月第18页,共83页，星期六，2024年，5月

2、钢材的选用

●结构的重要性：一级（重要的）、二级（一般的）和三级（次要的）。●荷载情况：分静态荷载和动态荷载。直接承受动力荷载和强烈地震区的结构，选用性能好的钢材。●连接方法：焊接结构和非焊接结构。焊接结构由于受焊接应力和焊接变形等的影响，选用Q235-B等可焊性好的钢材。●结构所处的温度和环境：例低温冷脆、露天时效、腐蚀、疲劳断裂等。

●钢材厚度。厚度大的焊接结构应采用材质好的钢材。第二章钢结构的材料第19页,共83页，星期六，2024年，5月第三章钢结构的连接一、钢结构的连接方法焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接

第20页,共83页，星期六，2024年，5月1、焊缝连接的特点●构造简单，连接方便；●用料经济，不削弱截面；●加工方便，可实现自动化操作；●密闭性好，结构刚度大；●缺点：焊接应力和焊接变形；热影响区材质变脆；对裂纹比较敏感；低温冷脆；对动力荷载比较敏感，等。第三章钢结构的连接第21页,共83页，星期六，2024年，5月2、铆钉连接的特点●塑性和韧性较好；●连接紧密，传力方便；●用于直接承受动力荷载的结构中（如桥梁）；●缺点：构造复杂，费工费料。很少使用。

3、螺栓连接的特点

分普通螺栓连接和高强螺栓连接（1）普通螺栓连接●A、B、C三级：A和B为精制螺栓，C级为粗制螺栓；●材料等级：A和B为8.8级，C级为4.6级或4.8；●加工：A、B级由毛坯在车床上精确加工而成——精制；C级为由未经加工的圆钢压制而成——粗制；第三章钢结构的连接第22页,共83页，星期六，2024年，5月●螺孔：A、B级需要钻模钻成（Ⅰ类孔），孔径比螺杆大0.3mm左右；C级为一次冲成或不用钻模钻成（Ⅱ类孔）孔径比螺杆大1.5~3.0mm。●受力：A、B级受力性能好，连接变形小，可以既受拉又受剪，用于重要的连接；C级螺栓连接性能不如A、B级好，主要受拉，用于承受静力荷载和间接承受动力荷载的次要连接。●费用：A、B级成本昂贵，C级螺栓价格便宜，能用C级螺栓的地方不用A、B级螺栓。

（2）高强螺栓连接

高强螺栓分为摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓

第三章钢结构的连接第23页,共83页，星期六，2024年，5月●摩擦型高强螺栓：只依靠构件接触面之间的摩擦力来传递剪力，以剪力等于接触面摩擦力为设计极限状态。●承压型高强螺栓：允许接触面滑移（剪力超过摩擦力），以螺杆与构件之间的挤压而发生的连接破坏作为承载力极限状态。●受力：摩擦型高强螺栓剪切变形小，弹性性能好，耐疲劳，特别适用动力荷载；承压型高强螺栓的承载力高于摩擦型，剪切变形大，不得用于承受动力荷载的结构。

●材料等级：采用45号钢、40B和20MnTiB钢（热处理），材料等级为8.8级或10.9级。●孔径：摩擦型高强螺栓孔径比螺栓大1.5~2.0mm；承压型高强螺栓孔径比螺栓大1.0~1.5mm。第三章钢结构的连接第24页,共83页，星期六，2024年，5月

二、焊接方法和焊缝连接形式

1、钢结构常用的焊接方法介绍●手工电弧焊。焊条选择：Q235选择E43型；Q345采用E50型焊条；Q390和Q420采用E55型焊条；不同钢种之间（例Q235与Q345)宜选用低组配方案（E43型）●自动或半自动埋弧焊。●气体保护焊。

2、焊缝缺陷及焊接质量检验●焊缝缺陷：裂纹、焊瘤、烧穿、气孔、未焊透、夹渣、咬边、未熔合等第三章钢结构的连接第25页,共83页，星期六，2024年，5月第26页,共83页，星期六，2024年，5月●焊缝质量检验：外部检验外部（外部尺寸和缺陷）和内部检验（内部缺陷）。内部检验方法：①超声波（主要)；②磁粉（辅助）；

③荧光检验（辅助）；④x射线、γ射线等（x射线应用广）。

●焊缝质量等级：《钢结构工程施工质量验收规范》对焊缝分为一级、二级和三级。

三级焊缝只要求进行外观检验并符合标准；一级、二级除了外观检查外，还必须进行一定量的超声波检验并符合相应的标准。●焊缝等级的选用：

①疲劳验算的构件：垂至于作用力方向的横向对接焊缝受拉时为一级，受压时为二级；第三章钢结构的连接第27页,共83页，星期六，2024年，5月

②不进行疲劳计算的构件：对接焊缝要求等强时受拉焊缝不低于二级，受压时宜为二级；

③重级工作制吊车和Q≥50T的中级工作制的吊车，吊车梁腹板与上翼缘之间的T形焊透的对接与角接组合焊缝，不低于二级；

④角焊缝一般为三级，只有直接承受动力荷载的焊缝应为二级。

3、焊缝连接形式和焊缝形式●焊缝连接形式：按照被连接构件的相对位置来分为对接（直接对接和盖板对接）、搭接、T形连接和角部连接等第三章钢结构的连接第28页,共83页，星期六，2024年，5月第29页,共83页，星期六，2024年，5月●焊缝形式：对接焊缝和角焊缝●对接焊缝：正对接焊缝和斜对接焊缝●角焊缝：正面角焊缝（端缝）、侧面角焊缝（侧缝）和斜角焊缝（斜缝）

连续角焊缝（重要构件）和间断角焊（次要构件）：间断角焊缝间断距离l≤15t（受压）和l≤30t（受拉），t为较薄件的厚度●按照施焊位置分：平焊（俯焊）、横焊、立焊和仰焊四种。焊接质量影响较大。4、焊缝代号、螺栓及其孔眼图例●焊缝代号：●螺栓及其孔眼：第三章钢结构的连接第30页,共83页，星期六，2024年，5月第31页,共83页，星期六，2024年，5月第32页,共83页，星期六，2024年，5月

三、角焊缝

1、角焊缝的形式●正面角焊缝、侧面角焊缝、斜焊缝；●直角角焊缝和斜角角焊缝。

2、角焊缝的构造要求

●最大焊角尺寸：hf≤1.2tmin

；对于构件边缘焊缝，当板件厚度h＞6mm时，一般取hf≤t-(1~2)mm；当h≤6mm时，取hf

≤t；●最小焊角尺寸：hf≥1.5mm；对于T形拉紧的单面角焊缝，应增加1mm；当板件厚度t≤4mm时，取hf＝

t；●侧面焊缝的最大计算长度：lw

≤60

hf，当实际长度对于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑；●角焊缝的最小计算长度：lw≥8

hf，而且不得小于40mm。第三章钢结构的连接第33页,共83页，星期六，2024年，5月第34页,共83页，星期六，2024年，5月第35页,共83页，星期六，2024年，5月3、搭接连接的构造要求●当搭接仅有两条侧面角焊缝时，连接的承载力与b/lw有关，当b/lw＞1时，连接的承载力随b/lw比值的增大而明显降低。因此，一般使b/lw≤1

，而且b不宜大于12t（t＞12mm）或200mm（t≤12mm），t为较薄构件。●当搭接仅有正面角焊缝时，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，而且不得小于25mm。●当搭接采用三面围焊时，在转角处截面突变，会产生应力集中，如在此处起灭弧，可能出现弧坑或咬肉等缺陷，从而加大应力集中的影响。故所有围焊的转角处必须连续施焊。对于非围焊情况，当脚焊缝的端部在构件转角处时，可连续地作长度为2hf的绕角焊。第三章钢结构的连接第36页,共83页，星期六，2024年，5月第37页,共83页，星期六，2024年，5月4、角钢与节点板的侧焊缝连接

角钢焊缝内力分配系数：k1（肢背）、k2（肢尖）等肢角钢：0.7，0.3；不等肢角钢短肢相并：0.75，0.25；不等肢角钢长肢相并：0.65，0.35；

5、角焊缝的计算（略）

第三章钢结构的连接第38页,共83页，星期六，2024年，5月

四、对接焊缝

1、对接焊缝的形式●对接焊缝又叫坡口焊缝：直边缝（t≤10mm）；单边V形、双边V形：t＝10～20mm；U形、K形、X形：t＞20mm。

2、对接焊缝的构造要求●当拼接处的宽度不同或厚度相差4mm以上时，应做成不大于1：2.5的斜角过渡区。●引弧板。当不采用引弧板时，焊缝的计算长度等于实际长度减去2t（t为较薄构件厚度）。●当采用不焊透的对接焊缝时，应在设计图中注明坡口的形式和尺寸，其有效厚度he不得小于1.5,t为坡口所在焊件的较大厚度。在承受动力荷载的结构中，垂至于受力方向的焊缝不宜采用不焊透的对接焊缝。第三章钢结构的连接第39页,共83页，星期六，2024年，5月第40页,共83页，星期六，2024年，5月

五、焊接应力和焊接变形

1、焊接应力●焊接应力产生的原因。●焊接应力的类型：纵向焊接应力；横向焊接应力；厚度方向的焊接应力。●焊接应力对结构性能的影响：不影响结构的静力强度；降低结构的刚度；降低结构的稳定承载力；增加了结构在低温下的脆断倾向；对结构的疲劳强度有明显的不利影响。

2、焊接变形●焊接变形：局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转等，影响构件在正常使用条件下的承载能力。第三章钢结构的连接第41页,共83页，星期六，2024年，5月3、减少焊接应力和焊接变形的措施设计上：●焊件位置的安排要合理。尽量使焊缝对称于构件截面的中心轴。●焊缝尺寸要适当。不得随意增大焊缝的厚度。●焊缝的数量宜少，且不宜过分集中。●应尽量避免两条或三条焊缝垂直交叉。●尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。第三章钢结构的连接第42页,共83页，星期六，2024年，5月工艺上：●采取合理的施焊次序。例如分段退焊、分层焊和工字形截面的对角跳焊等。●采用反变形法。●对于小尺寸焊件，采取焊前预热，焊后回火加热至600度左右，然后慢慢冷却，可以消除焊接应力和焊接变形。●采取刚性固定法来控制焊接变形，但增加了焊接应力。

第三章钢结构的连接第43页,共83页，星期六，2024年，5月

六、普通螺栓连接与构造

1、螺栓的排列●螺栓排列要求：受力要求；构造要求；施工要求。●螺栓排列方式：并列和错列两种。●螺栓排列的最大和最小容许距离。

2、螺栓的构造要求●每一构件在节点上以及拼接接头的一端，永久螺栓的数目不少于2个。●对直接承受动力荷载的普通螺栓连接，应当采用双螺帽或其它防止螺帽松动的有效措施。●由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，一般只受拉力，不宜受剪，承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构和临时结构，可采用C级螺栓受剪。重要结构中，优先采用高强螺栓。第三章钢结构的连接第44页,共83页，星期六，2024年，5月第45页,共83页，星期六，2024年，5月3、普通螺栓的受力●螺栓受剪●螺栓受拉●螺栓既受剪有受拉第三章钢结构的连接第46页,共83页，星期六，2024年，5月第47页,共83页，星期六，2024年，5月

七、高强螺栓连接与构造●当型钢构件的拼接采用高强度螺栓连接时，由于型钢的抗弯刚度较大，不能保证摩擦面紧密贴和，故不能用型钢作为拼接件，而应采用钢板。●在高强度螺栓连接范围内，构件接触面的处理方法应在施工图中说明。

第三章钢结构的连接第48页,共83页，星期六，2024年，5月第49页,共83页，星期六，2024年，5月1、高强螺栓的预拉力●预拉力的控制方法：力矩法；转角法。●预拉力的确定

P≈0.6Aefu(KN)第三章钢结构的连接第50页,共83页，星期六，2024年，5月2、高强螺栓摩擦面的抗滑移系数●接触面的处理方法：喷砂、喷砂后涂无机富锌漆、喷砂后生赤锈、钢丝刷除锈或未经处理的干净轧制面●抗滑移系数第三章钢结构的连接第51页,共83页，星期六，2024年，5月

八、混合连接

1、栓—焊混合力矩●摩擦型高强螺栓与侧面角焊缝的混合连接。●普通螺栓、承压型高强螺栓一般不能

2、高强螺栓与铆钉的混合连接

第三章钢结构的连接第52页,共83页，星期六，2024年，5月第四章钢结构的构件

一、受弯构件—梁

1、钢梁地类型

●实腹梁和格构式梁（桁架）。●型钢梁（普通型钢和冷弯型钢）和组合梁。●蜂窝梁。

第53页,共83页，星期六，2024年，5月第四章钢结构的构件●钢—混凝土组合梁。●受力特点：单向弯曲梁和双向弯曲梁；简支梁和连续梁；等

2、梁格的布置●简式梁格。●平台式梁格。●复式梁格。

第54页,共83页，星期六，2024年，5月第55页,共83页，星期六，2024年，5月第四章钢结构的构件

3、梁的设计步骤（1）确定结构方案。（2）确定梁的高度：梁的最大高度hmax、最小高度hmin、经济高度he

（3）梁的截面选择。（4）验算梁的强度。最大弯矩处、截面削弱处、截面改变处、有集中荷载处（无横向加劲肋）、剪力最大处、剪力合弯矩都较大处：正应力强度、剪应力强度、折算应力强度、局部压应力强度和接头处的焊缝或高强螺栓强度等。（5）验算梁的整体稳定性。梁的整体失稳：发生侧向的弯曲和扭转。 影响因素：侧向刚度、抗扭刚度、受压翼缘的自由长度（侧向支承点之间的距离）、荷载位置等。第56页,共83页，星期六，2024年，5月第57页,共83页，星期六，2024年，5月第四章钢结构的构件（6）验算梁的刚度（挠度）。（7）验算梁的局部稳定。

局部失稳：腹板或翼缘在整体失稳之前发生的局部屈曲。（8）构造设计。

第58页,共83页，星期六，2024年，5月第四章钢结构的构件

4、焊接组合梁的截面选择（1）梁的最大高度hmax

。由建筑上的工艺设计和使用要求决定。（2）梁的经济高度he

。梁截面的用钢量最省，即梁截面的面积最小。

,单位为cm

（3）梁的最小高度hmin

。由刚度条件决定。 具体见下表

第59页,共83页，星期六，2024年，5月第60页,共83页，星期六，2024年，5月受均布荷载的简支梁的hmin/l值（4）梁截面高度的选择。hmax≤h≤hmin,同时h≈he；梁腹板的高度hw＝h－2t，一般取腹板为10mm的倍数。（5）腹板厚度的选择。腹板厚度满足抗剪、局部稳定和构造的要求。第61页,共83页，星期六，2024年，5月第四章钢结构的构件

经验公式：，单位为cm.

一般不小于6mm，为2mm的倍数。（6）翼缘尺寸选择。●先计算翼缘的面积。

●确定翼缘的宽度：b=(1/2~1/5)h,取10mm的倍数。●确定翼缘的厚度。t=Af/b，取2mm的倍数。●局部稳定要求。受压翼缘的的外伸宽度与厚度之比必须符合：（弹性）第62页,共83页，星期六，2024年，5月第63页,共83页，星期六，2024年，5月第四章钢结构的构件

5、梁的截面验算（1）强度验算。

●正压力强度单向受弯梁；双向受弯梁

●剪应力强度●局部压应力强度

●局部压应力强度

第64页,共83页，星期六，2024年，5月（2）刚度验算（3）

整体稳定验算

●当有刚性铺板密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固连接，能够阻止梁受压翼缘的侧向位移时，不必进行计算。●工字形截面简支梁受压翼缘的自由长度l1与其宽度b1之比，不超过下表所规定的数值时，不必进行计算。

第四章钢结构的构件第65页,共83页，星期六，2024年，5月

工字形截面简支梁不需进行整体稳定性计算的最大l1/b1值第四章钢结构的构件第66页,共83页，星期六，2024年，5月

6、梁腹板的加劲肋布置（1）加劲肋的类型

●横向加劲肋；

●纵向加劲肋；●短加劲肋；（2）加劲肋的布置●当时，应按构造配置横向加劲肋； （a≤7.0h0)●当时，应按计算配置横向加劲肋；

●当（受压翼缘受到约束）或第四章钢结构的构件第67页,共83页，星期六，2024年，5月第68页,共83页，星期六，2024年，5月

当时（其它情况），应在弯矩较大区格的受压区增加配置纵向加劲肋；有较大局部压应力时，必要时尚宜在受压区配置短加劲肋。 ●任何情况下，均不应超过●梁的支座处和上翼缘有较大固定集中荷载处，宜设支承加劲肋。

●焊接吊车梁宜尽量避免设置纵向加劲肋，尤其是短加劲肋（当吊车压应力很大时，要设置）。第四章钢结构的构件第69页,共83页，星期六，2024年，5月第70页,共83页，星期六，2024年，5月

二、拉杆、压杆和柱

1、轴心拉杆●截面形式。具有对称性的实腹式截面和格构式截面。

●强度计算。第四章钢结构的构件第71页,共83页，星期六，2024年，5月第四章钢结构的构件

●刚度计算。第72页,共83页，星期六，2024年，5月第四章钢结构的构件

受拉构件的容许长细比第73页,共83页，星期六，2024年，5月2、偏心