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钢结构基本知识讲授钢结构基本知识讲授 江苏科技大学钢结构 2017年2月.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 250，500600 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GB70088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/159194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。.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.四、钢材的力学性能1、钢材均匀受拉时的力学性能 曲线五个阶段：弹性阶段；弹塑性阶段；屈服阶段；强化阶段；颈缩阶段。强度指标：屈服强度fy；抗拉强度fu 理想的弹塑性体 塑性性能：伸长率10和5；断面收缩率第二章 钢结构的材料.钢材的物理性能指标：弹性模量E20610（N/mm）剪切模量G79 10（N/mm）；线膨胀系数12 10-6；质量密度7850kg/m3。2、冷弯性能不分层、不裂纹3、冲击韧性k 断裂工程中吸收能量 的能力k A k/A（J/cm2）第二章 钢结构的材料.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：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：fu 甚至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.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.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fu 甚至fy 疲劳破坏。第二章 钢结构的材料.八、钢材的规格和选用 1、钢材的规格 热轧钢板：厚钢板（厚4.560mm）；薄钢板（厚0.354mm）；扁钢（厚460mm，宽30200mm）。普通热轧型钢：角钢：等边和不等边；槽钢：热轧普通槽钢和低合金热轧轻型槽钢；工字钢：同槽钢；钢管：有无缝和焊接两种；H型钢：宽翼缘工字钢。薄壁型钢：用薄钢板（1.55.0mm)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.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.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.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.螺孔：A、B级需要钻模钻成（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（类孔）孔径比螺杆大1.53.0mm。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.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1.52.0mm；承压型高强螺栓孔径比螺栓大1.01.5mm。第三章 钢结构的连接.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.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：超声波（主要)；磁粉（辅助）；荧光检验（辅助）；x射线、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：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.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；重级工作制吊车和Q50T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；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.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l15t（受压）和l30t（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.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：hf1.2 tmin ；对于构件边缘焊缝，当板件厚度h6mm时，一般取 hf t-(12)mm；当h6mm时，取hf t；最小焊角尺寸：hf1.5 mm；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.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.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.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（t10mm）；单边V形、双边V形：t1020mm；U形、K形、X形：t20mm。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.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.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.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.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.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.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.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 P0.6Aefu (KN)第三章 钢结构的连接.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.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.受均布荷载的简支梁的hmin/l值（4）梁截面高度的选择。hmaxhhmin,同时hhe；梁腹板的高度hwh2t，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=(1/21/5)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.（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.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.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；（a7.0h0)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.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.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.第四章 钢结构的构件 刚度计算。.第四章 钢结构的构件 受拉构件的容许长细比.2、偏心拉杆 轴力N和弯矩M 截面形式。当拉力较大弯矩较小时，与轴心受压杆的截面相同；当拉力较小而弯矩较大时，采用加强受压翼缘的单轴对称截面（与偏压柱相同）。强度计算。刚度计算。或第四章 钢结构的构件.整体稳定。一般情况没有整体稳定的问题；当拉力较小而弯矩很大时，接近于梁，需要验算。三、轴心受压实腹柱 1、截面形式 工字形、箱形和圆钢形截面（双轴对称）截面面积应当尽量向外扩散（远离形心），增加回转半径I和惯性矩I，从而提高抗弯和抗扭能力。两个主轴尽可能达到等稳定，即 便于和其它构件连接。制造方便，确保质量，减少初始缺陷。第四章 钢结构的构件.2、截面选择 假定压杆的长细比。当N小于1500KN，l056m时，可假定 =80100；当N在30003500KN时，可假定 6070；N小时，长细比可假定大点，N大时，可假定小些。查出稳定系数 ，计算出回转半径il0/。计算截面面积。估算出截面的高度h和宽度b。根据面积A、h、b，初选出截面翼缘和腹板的尺寸。第四章 钢结构的构件.3、截面验算 强度验算。一般不作验算。整体稳定验算。刚度验算。局部稳定验算。翼缘 腹板第四章 钢结构的构件.第四章 钢结构的构件 四、轴心受压格构柱 1、截面类型 截面组成：肢件槽钢、工字钢、角钢或圆管（双肢三肢或四肢）；缀材缀条和缀板两种。实轴和虚轴。减少柱子平面外计算长度的构造措施 .轴心受压格构柱的截面形式.第四章 钢结构的构件2、截面选择（1）根据经验 假定 ，查表得 。（2）求所需要的面积。（3）求相应的截面高度。（4）根据截面面积A和高度h选择型钢规格。（5）重新验算对y轴的稳定性。查表求出准确的 和A。，.第四章 钢结构的构件（6）重新上面计算，直到合适为止。（7）求柱肢件之间的距离a。计算对虚轴的稳定性可确定肢件之间的距离。缀条柱 缀板柱 求出 ，得.