钢结构设计：绪论、钢结构的材料

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第三节钢结构的发展1、发展低合金高强度钢材和型钢品种2、结构和构件设计计算方法的深入研究3、结构形式的革新4、结构优化设计连接钢材性能及规格基本构件第四节课程主要内容、特点和学习方法结构体系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设计原则

焊接螺栓连接第一节结构钢材的破坏形式第二节钢结构对钢材性能的要求第三节影响钢材性能的因素第四节结构钢材的种类及选用第二章钢结构的材料较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等的性能。容易生产，价格便宜。《钢结构设计规范》(GB50017—2002)推荐的普通碳素结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420是符合上述要求的。选用GB50017规范还未推荐的钢材时，需有可靠依据。以确保钢结构的质量。1、塑性破坏：破坏前有明显的变形，破坏历时时间长，可以采取补救措施。第一节钢材的破坏形式2、脆性破坏：破坏前没有明显的变形，破坏发生突然，没有机会补救。※

脆性破坏的原因?

注意：应尽量发挥材料的塑性避免一切脆性破坏的可能性

（一）、强度1、单向均匀拉伸试验试验条件：标准试件在常温（20℃）下缓慢加载，一次完成第二节钢材的机械性能钢材在单向均匀受拉时工作性能表现为四个阶段：

A弹性阶段:应力最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）钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体1.计算简便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点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质断面收缩率：指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率

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，材料吸收能量的能力衡量冲击韧性的指标：冲击功韧性是钢材强度和塑性的综合指标

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的影响四、冷弯性能：

指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标五、可焊性可焊性指采用一般焊接工艺就可完成合格的焊缝的性能可焊性受化学成分C的影响比较大碳当量：

衡量低合金钢的可焊性的计算<0.38焊接性能一般=0.38~0.45焊接性能较难>0.45焊接性能难另：钢材物理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材性能的主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）：钢材强度的主要来源，但是随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般控制在0.12％～0.2%，在0.2％以下时，可焊性良好硫（S）是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。磷(P)

既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。氧(O)、氮(N)也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。锰（Mn）是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为1.0%-1.7%硅（Si）是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)

都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。二、冶炼、浇铸、轧制常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹等。偏析——化学成分分布的不均匀程度。冶炼过程控制钢材的化学成分。平炉钢顶吹氧气转炉炼钢法碱性侧吹转炉炼钢法浇铸过程控制脱氧程度。①沸腾钢用锰脱氧，脱氧不彻底，成本低，以前土木工程常用，但现在提高要求了，许多结构限用：疲劳、低温下非焊接结构，焊接结构；②镇静钢用硅脱氧，脱氧彻底，成本高，质量好；③半镇静钢介于前两者之间；④特殊镇静钢在锰硅脱氧后再用铝或钛补充脱氧。三、加荷速度1．材性试验要求缓慢加载

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，呈脆性。因此，四、钢材硬化冷作硬化—当加载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称“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，使材料硬化的现象。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，总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大；

250℃左右 抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增加——蓝脆现象。该温度区段称为“蓝脆区”；250～350℃

在应力不变的情况下，钢材以很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增加。T1～T2

之间温度转变脆性区，冲击功急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。使用温度必须高于T1

，但不一定高于T2六、复杂应力作用下钢材的屈服条件假定：1.材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；

2.当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。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：三个主应力同号且差值很小时，很难进入塑性，呈现脆性破坏纯剪应力状态所以：《规范》中钢材的抗剪强度设计值取七、应力集中的影响构造缺陷：构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变等应力集中：由于构造缺陷，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力。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锐角的情况☆破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂☆断口分为三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区☆对缺陷（包括缺口、裂纹及组织缺陷等）十分敏感

有拉应力裂缝张开无拉应力裂缝闭合产生疲劳的原因：（1）连续反复荷载（2）材料局部缺陷（工艺微裂纹、焊缝夹渣）九、重复荷载的影响一、影响疲劳强度的主要因素：

1、应力比ρ

按绝对值计算的最小应力和最大应力之比（拉应力取正值，压应力取负值）ρ＝-1完全对称循环ρ＝0脉冲循环ρ＝-1～0不完全对称循环

2、应力幅常幅疲劳——常幅交变荷载引起——常幅循环应力（简称循环应力）变幅疲劳——变幅交变荷载——变幅循环应力（简称变幅应力）3、应力集中的影响缺口效应附表3二、疲劳曲线4、应力循环次数的影响

5×106公式3.12中八类构件和连接形式的[Δσ]－N曲线参数β、C的确定三、常幅疲劳验算公式对焊接结构焊接部位的常幅疲劳验算：（3-12）

当应力变化循环次数n等于或大于5×104次时，应进行疲劳计算对焊接结构非焊接部位及非焊接结构的疲劳验算：[Δσ]取σ0下限值k由试验数据统计取0.7吊车梁疲劳验算以常幅疲劳方式验算：四、变幅疲劳验算

------Miner线性累积损伤准则（3.14）αf

－变幅荷载的欠载效应系数规范给出了2×106循环次数的αf

重级工作制硬钩吊车αf

＝1.0重级工作制吊车αf

＝0.8中级工作制吊车αf

＝0.5承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化循环次数n等于或大于5×104次时，应进行疲劳计算疲劳验算用容许应力设计方法，疲劳强度按容许应力幅计算，荷载采用标准值按弹性工作计算，不考虑动力系数，不考虑永久荷载五、疲劳强度计算注意事项在应力循环中不出现拉应力的部位可不必疲劳验算疲劳容许应力幅与钢种无关应力规范中提出的疲劳强度是以试验为依据的，当遇到规范规定的8种以外的连接构造时，应进行专门的研究，套用相近的连接类别或通过相应的疲劳试验确定疲劳强度1、较高的强度2、足够的变形能力，塑性、韧性好具有3、良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）一、钢结构对材料的要求：第四节结构钢材的种类和钢材规格二、结构用钢的种类1.化学成分普通碳素钢Q235普通低合金钢Q345、Q390、Q420平炉成本高，质量好（6小时100t左右）氧气顶吹转炉成本低，质量也可（15分钟150t）2.炉种3.脱氧程度沸腾钢（F）脱氧较差镇静钢（Z）脱氧充分半镇静钢（b）脱氧程度介于沸腾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：保证抗拉强度、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，还要求-40℃时的冲击韧性5.钢材编号碳素钢：Q×××质量等级（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（1）结构或构件的重要性；（2）荷载的种类（静荷载或动荷载）；（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》（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。需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Ⅰ20a（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φ400×62.热轧型钢（附录型钢表）单位cm3.冷弯薄壁型钢壁厚1.5～5mm结构设计准则：结构由各种作用所产生的效应（内力和变形）不大于结构（包括连接）由材料性能和几何因素等所确定的抗力或规定限值。问题及矛盾：荷载大小、材料强度、截面尺寸、计算模式、施工质量等因素均为随机变量（或随机过程）不确定第三章钢结构的设计原理一、概述第一节钢结构的设计方法1、容许应力法（建国初～1957年）

把钢材可以使用的最大强度，除以一个笼统的安全系数作为结构设计计算时构件容许达到的最大应力，即允许应力法2、半概率法（1957年～1988年）3、一次二阶矩极限状态设计法（1988年～发展中）1、极限状态：实质上是结构可靠与不可靠的界限；对结构的各种极限状态，均应规定明确的标志或限值。2、两类极限状态：（1）承载能力极限状态

包括：构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆（2）正常使用极限状态

包括：影响结构、构件和非结构构件正常使用或耐久性能的局部损坏（包括组合结构中混凝土裂缝）二、概率极限设计方法3、功能函数作用效应S：取决于各种荷载（恒载、活载、风、地震作用、温度变化等）

结构或构件的承载力或抗力R：取决于材料、构件的几何特性等

由于R和S都是随机变量，函数Z也是一个随机变量。功能函数Z存在三种可能状态：

4、结构可靠度：结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率

若以ps表示结构的可靠度则：

若以pf表示结构的失效概率则：

β——可靠指标或安全指标

β与pf存在一一对应关系，β与pf变化相反β与pf对应表格不同结构构件承载能力极限状态的可靠指标β三、设计表达式《建筑结构可靠度设计统一标准》规定结构构件的极限状态设计表达式，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值及各种分项系数等表达。1、简单荷载分项系数设计式：RK

——抗力标准值SGK——按标准值计算的永久荷载（G）效应值SQK——按标准值计算的可变荷载（Q）效应值γ——分项系数式中：

分项系数γ

以可靠指标β为基础用概率设计法求出可变荷载效应控制的组合：（3.7）

永久荷载效应控制的组合：（3.8）

2、承载能力极限状态荷载效应的基本组合3、正常使用极限状态荷载效应的标准组合（3.10）

vGK

——永久荷载标准值产生的变形值vQ1K——起控制作用的第一个可变荷载标准值产生的变形值vQiK——其他第i个可变荷载标准值产生的变形值[v]

——结构或结构构件的容许变形值式中：

★注意：

设计方法：以概率理论为基础的极限状态设计方法

计算疲劳仍采用容许应力幅法

计算强度、稳定、连接用荷载设计值

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☆破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂☆断口分为三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断