钢结构设计基本原理.ppt

凌 云安徽理工大学土木建筑学院钢结构基本原理钢结构基本原理The Fundamental Theory of Steel Structures钢结构课程的学习方法根据教学大纲要求，本课程主要讲授钢结构的基本原理以及构件设计计算内容；本课程的特点是大家对钢结构的感性认识还较少，结构构造复杂，理论性强（特别是稳定理论）；受课时限制，不能过多地详细讲解例题，一定要从受力概念上理解问题，加强课前预习与课后复习；多做习题与思考题。本 课 程 的 内 容第一章第一章 绪绪 论论第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第三章第三章 钢结构的连接钢结构的连接第四章第四章 轴心受力构件轴心受力构件第五章第五章 受弯构件设计受弯构件设计第六章第六章 拉弯和压弯构件拉弯和压弯构件学习参考书学习参考书钢结构设计规范钢结构设计规范,GB50017-2003.北京北京:中国计划出版社中国计划出版社,2003陈绍蕃等编著陈绍蕃等编著.钢结构（上下册）钢结构（上下册）.北京北京:中国建筑工业中国建筑工业出版社出版社,2003沈祖炎，陈以一编著沈祖炎，陈以一编著.钢结构基本原理钢结构基本原理(第二版第二版).北京北京:中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社,2005张耀春等张耀春等.钢结构设计原理钢结构设计原理.北京北京:高等教育出版社高等教育出版社,2006钢结构设计手册钢结构设计手册（第三版（第三版 上下册）上下册）.北京北京:中国建筑中国建筑工业出版社工业出版社,2003,2004邱鹤年邱鹤年.新编钢结构设计手册新编钢结构设计手册.北京北京:中国电力出版社中国电力出版社,2005钢结构设计计算示例钢结构设计计算示例.北京北京:中国计划出版社中国计划出版社,2007夏志斌，姚谏夏志斌，姚谏 编著编著.钢结构钢结构原理与设计原理与设计.北京北京:中国中国建筑工业出版社建筑工业出版社,2004第第 一一 章章 绪绪 论论第一节第一节 钢结构的特点钢结构的特点第二节第二节 钢结构的钢结构的应用应用第三节第三节 钢结构的设计方法钢结构的设计方法第四节第四节 钢结构的发展方向钢结构的发展方向1.1钢结构的特点钢结构的特点 不同材料形成的结构有各自的特点。钢结构(steel structure)是由钢板或型钢制造而成的结构，其主要特点如下：1.强度(strength)高 与其他材料诸如木材、砖石、混凝土相比，钢材的容重虽然大，但强度高很多。现举例说明，钢结构设计规范（GB50017-2003）中，强度最低的钢材为Q235，其抗拉、抗压强度设计值为215N/mm2，混凝土设计规范（GB50010-2002）中标号最高的为C80，其抗拉、抗压强度设计值分别为 2.22N/mm2、35.9N/mm2,由此可见，前者抗拉强度为后者的 97倍，而抗压强度为6倍。因此，在相同的荷载和条件下，钢结构的重量轻。2.塑性(plasticity)、韧性(toughness)好 由于钢材的塑性好，一 般情况下，钢结构不会因偶然或局部超载而发生突然断裂，而是以事先有较大变形为先兆。钢材的韧性好，则使钢结构能很好地承受动力荷载，这些性能均对钢结构的安全提供了可靠保证。钢材的内部组织均匀，非常接近于各向同性体，在使用应力阶段，钢材为理想弹性工作，符合工程力学的基本假定。因此，钢结构实际受力情况与力学计算结果吻合好，可根据力学原理建立钢结构的计算方法。3.材质均匀 可焊性是钢结构的独特优点。由于钢材的可焊性解决了钢结构的制作问题，致使钢结构连接大为简化，可制造各种复杂形状的结构。当然焊接也将产生残余应力、残余变形以及热影响区脆性等问题。5.工业化程度高 钢结构采用的型钢和钢板，经专业厂家制作为钢构件，然后运至工地安装。型钢的大量采用再加上专业化的生产，故精度高、制作周期短。工地安装广泛采用螺栓连接，良好的装配性使工期大为缩短。此外，已建钢结构也易于拆卸。4.可焊性(weldability)好6.密闭性好 钢材本身组织致密，焊接的钢结构可以做到完全密闭，甚至铆接或螺栓连接都可以做到。因此，可用于建造气密性和水密性要求高的气罐、油罐和高压容器。7.耐腐蚀性差 钢材在湿度大和有腐蚀性介质的环境中容易锈蚀。因此，为确保钢结构的耐久性，必须采用油漆、镀锌等防护措施，故维护费用较高。钢材当辐射热温度低于150时，钢材的主要性能变化很小。因此，其耐热性能较好。当温度超过150时，材质性能有所变化，需采取隔热措施，当温度达到600左右，钢结构会瞬间崩溃，完全丧失承载力。因此，耐火性能差，必须采取一定的防火措施。美国世贸大楼的坍塌充分说明了钢结构耐火性能差是一致命缺憾。8.耐热不耐火1.21.2钢结构的应用钢结构的应用 站在现代建筑结构技术的发展前沿，可以说世界上没有不能实现的结构，只有不合理的结构。根据钢结构本身的特点，结合我国国民经济的发展，钢结构在土木工程领域合理的应用范围大致如下：1.工业厂房(industrial factory building)工业厂房可分为轻型、中型和重型工业厂房，主要根据是否设置吊车以及吊车吨位的大小和运行频繁程度而定。例如，炼钢车间、锻压车间等。近年来，轻型门式刚架结构在工业厂房中的应用十分普遍。2.大跨结构(large span structure)大跨结构可以充分发挥钢结构强度高、自重轻的优点。比如，体育馆、会展中心、飞机库、剧场等。尤其在悬索桥、斜拉桥等桥梁工程中的应用。3.高层结构(high-rise structure)高层结构，尤其是超高层结构能充分发挥钢结构强度高，塑性、韧性好，抗震性能优越等优点。例如，办公楼、宾馆、住宅等。近年来，随着我国钢产量的逐年增加，钢结构在多层、高层、超高层建筑中的应用将会更加广泛。4.高耸结构(towering structure)高耸结构主要包括塔架和桅杆结构。如电视塔、输电线塔、钻井塔、环境大气监测塔、广播发射桅杆等。5.容器、贮罐、管道 如大型油库、油罐、气罐、煤气库、输油管等。6.可拆卸或移动的结构 如建筑工地的活动房，临时的商业或旅游业建筑，塔式起重机，龙门吊等。此类结构多为轻钢结构并采用螺栓或扣件连接。7.其他构筑物如高炉、运输通廊、栈桥、管道支架等。重型厂房结构重型厂房结构 西安变压器厂（西安变压器厂（400t吊车）吊车）厂厂 房房 结结 构构大大跨跨建建筑筑上上海海体体育育场场 位于北京人民大会堂西位于北京人民大会堂西侧侧，西，西长长安街以南，安街以南，总总占地面占地面积积近近12公公顷顷，总总建建筑面筑面积积近近15万平方米，万平方米，总总投投资资26.88亿亿元。元。该该工程外部工程外部围护结围护结构构为钢结为钢结构网壳，是半构网壳，是半椭圆椭圆球形，球形，东东西西长轴长轴212.2m，南北短南北短轴轴143.64m，总总高度高度46.285m。内内设设歌歌剧剧院（院（2416席）、音席）、音乐厅乐厅（2017席）及席）及戏剧戏剧院（院（1040席）及公共大席）及公共大厅厅等。屋面采用等。屋面采用钛钛金属板，整个金属板，整个网壳外网壳外环绕环绕人工湖（人工湖（35500m2）,各种通道及入口均各种通道及入口均设设在水下在水下。由。由设计设计法国法国巴黎机巴黎机场场航站楼的安德航站楼的安德鲁鲁建筑建筑师设计师设计，北京市建筑，北京市建筑设计设计研究院参与主体研究院参与主体设计设计，整体，整体结结构用构用钢钢量达量达6750t，195kg/m2。大跨结构大跨结构-国家大剧院国家大剧院 国家体育国家体育场场建筑体形上像建筑体形上像鸟鸟巢。可容巢。可容纳纳8万人。平面万人。平面为椭圆为椭圆形形,长轴长轴340m，短短轴轴292m。屋盖中屋盖中间间有一个有一个146m 76m 的开口，的开口，这这部分将部分将设计设计成开合屋盖。采用加肋薄壁箱形截成开合屋盖。采用加肋薄壁箱形截面面，总总用用钢钢量达量达16万万t。大跨结构大跨结构-国家体育场国家体育场国家游泳中心国家游泳中心水立方水立方建筑面积建筑面积 79532；投资：大约为投资：大约为10.2亿亿RMB钢骨架结构效果钢骨架结构效果 多层房屋多层房屋多层房屋多层房屋上海上海环环球金融中心球金融中心 由日本森大株式会社的由日本森大株式会社的全全额额子公司森海外株式会子公司森海外株式会社及日本具有代表性的社及日本具有代表性的银银行、保行、保险险公司、商社等公司、商社等36家企家企业业，偕同政府系，偕同政府系统统机机构日本海外构日本海外经济协经济协力基金力基金(OECF)联联合投合投资资的上海的上海环环球金融中心，球金融中心，总总投投资资逾逾750亿亿日元。位于日元。位于陆陆家嘴金融家嘴金融贸贸易区，建筑易区，建筑总总面面积积335,420平方米，地下平方米，地下3层层，地上地上94层层。建成后的高度。建成后的高度达达492米米。总总用用钢钢量量26000t，钢钢筋混凝土核心筋混凝土核心筒，外框筒，外框钢钢骨混凝土及骨混凝土及钢钢柱。柱。高高层层建建筑筑上海金茂大厦上海金茂大厦 金茂大厦是由中国上海金茂大厦是由中国上海对对外外贸贸易中心股份有限公司易中心股份有限公司独家投独家投资资5.6亿亿美元建美元建设设的一座的一座88层层的超高的超高层层大厦，大厦，建筑高度建筑高度420.5米，建筑米，建筑面面积积28.9万平方米，于万平方米，于1998年年8月月28日竣工。日竣工。总总用用钢钢量量14000t，钢钢筋混凝筋混凝土核心筒，外框土核心筒，外框钢钢骨混凝骨混凝土及土及钢钢柱。柱。设计设计者者为为美国美国S.O.M事事务务所。所。高高层层建建筑筑央央视视新台址新台址央央视视新台址建新台址建设设工程位工程位于北京朝阳区于北京朝阳区东东三三环环中中路、北京商路、北京商务务中心区的中心区的核心地段，占地面核心地段，占地面积积18.7万平方米，万平方米，总总建筑建筑面面积积55万平方米万平方米,高高230m。央央视视新台址建新台址建设设工程工程总总投投资约资约50亿亿元元人民人民币币，2003年年10月月开工建开工建设设，2008年正年正式运行式运行。高层建筑高层建筑大大连远连远洋大厦洋大厦 大大连远连远洋大厦由大洋大厦由大连远连远洋洋运运输输公司、中公司、中远远房地房地产产开开发发公司与美国公司与美国ESPIRIT公司公司联联合投合投资资14.8亿亿人民人民币币开开发发的集五星的集五星级级酒店和甲酒店和甲级级写字楼写字楼为为一体的智能大厦。一体的智能大厦。总总建筑面建筑面积积14.8万平方米。万平方米。其中：其中：A座座为为五星五星级级酒店，酒店，地上地上51层层，总总高高200.8m。钢钢筋混凝土核心筒，外框筋混凝土核心筒，外框钢钢框架。框架。设计设计、加工、安、加工、安装全部国装全部国产产化。化。高层建筑高层建筑高高层层建建筑筑高耸结构高耸结构电视塔、微波塔、通讯塔等电视塔、微波塔、通讯塔等东东方方明明珠珠电电视视塔塔东东方明珠广播方明珠广播电视电视塔座落在塔座落在上海浦上海浦东东新区黄浦江畔，以新区黄浦江畔，以其其468米的高度成米的高度成为亚为亚洲第洲第一高塔。于一高塔。于1991年年3月开始月开始建造，建造，1994年年11 月完工，月完工，总总重量达重量达12万吨，万吨，总总投投资资8.3亿亿元人民元人民币币。东东方明珠塔由三根直径方明珠塔由三根直径为为9米米的擎天立柱、太空的擎天立柱、太空舱舱、上球、上球体、下球体、五个小球、塔体、下球体、五个小球、塔座和广座和广场组场组成。成。236m高青岛广播电视塔高青岛广播电视塔塔塔桅桅结结构构陕西铜川天然气公司陕西铜川天然气公司1000立方米天然气球罐立方米天然气球罐大连西太平洋石化有限公司大连西太平洋石化有限公司1500立方米立方米CF-62钢球罐钢球罐壳体结构壳体结构壳体结构壳体结构桥 梁 结 构徐浦大桥徐浦大桥桥 梁 结 构卢浦大桥卢浦大桥其其 它它 钢钢 结结 构构1.3钢结构的构的设计方法方法 钢结构设计应遵循的一般原则是“技术先进、经济合理、安全适用、确保质量”。钢结构的设计方法可分为容许应力法和极限状态设计法两种。分述如下：一 容许应力法(allowable stress method)“容许应力法”也称为“安全系数法”或“定值法”。即将影响结构设计的诸因素取为定值，采用一个凭经验选定的安全系数来考虑设计诸因素变异的影响，以衡量结构的安全度。其表达式为：(1-1)容许应力法，作为一种传统的设计方法计算简便，目前许多国家在不同的规范中仍在采用。但此设计方法采用定值的安全系数考虑不确定诸因素的影响不科学，不能定量度量结构的可靠度，而且给人一种误导，只要有安全系数结构就百分之百可靠。目前，我国钢结构设计规范（GB50017-2003）中，只有结构构件或连接的疲劳强度计算采用此方法。式中：由标准荷载与构件截面尺寸所计算的应力；容许应力=材料的标准强度，对于钢材为屈服点 ；安全系数。二 极限状态设计法(limit-state design method)极限状态设计法问世于20世纪50年代。它将变异性的设计参数采用概率分析引入结构设计中。根据应用概率分析的程度分为三种水准。即半概率极限状态设计法、近似概率极限状态设计法和全概率极限状态设计法。目前，钢结构设计方法采用的是近似概率极限状态设计法，有时也称为概率极限状态设计法。1.可靠性(reliability)定义 按照概率极限状态设计法，结构可靠度定义为：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。是结构安全性、适用性和耐久性的总称。2.极限状态(limit state)定义及分类 当结构或其组成部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态就称为该功能的极限状态。结构的极限状态可分为两类：(1)承载能力极限状态 结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态，它包括强度、稳定和疲劳等计算。结构或构件达到正常使用的某项规定极限值时的极限状态。包括静载下的过大变形、动载下的剧烈振动及耐久性问题。结构的工作性能可用结构的功能函数来描述，若结构设计时需考虑影响结构可靠性的随机变量有n个，即x1,x2,xn,则在n个随机变量间通常可建立函数关系，若仅考虑R,S两个参数，则结构的功能函数为：Z=(R,S)=R-S (1-2)3.结构的功能函数(2)正常使用极限状态式中：R结构的抗力；S荷载效应。实际工程中，随着条件的不同，Z有三种可能性：当Z0 结构处于可靠状态；当Z=0 结构达到临界状态，即极限状态；当Z0 结构处于失效状态。结构的可靠度及失效概率为：结构的可靠度：Ps=P(Z0)(1-3)结构的失效概率：Pf=P(Z0)(1-4)两者关系：Ps+Pf=1 (1-5)4.设计方法表达式 现行钢结构设计规范（GB50017-2003）中除疲劳计算外，都采用广大设计人员熟悉的分项系数设计表达式表示以概率理论为基础的极限状态设计方法。(1)对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载组合，基本组合按下列设计表达式中最不利值确定(i)由可变荷载效应控制的组合：式中：结构重要性系数；永久荷载的分项系数；第个可变荷载的分项系数，其中为可变荷载的分项系数；按永久荷载标准值计算的荷载效应值；按可变荷载标准值计算的荷载效应值，其中为诸可变荷载效应中起 (ii)由永久荷载效应控制的组合：(1-6)(1-7)控制作用者；可变荷载的组合值系数；参与组合的可变荷载数；钢材的强度设计值。，为钢材屈服点，为抗力分项系数，对于Q235钢：1.087；对于Q345、Q390和Q420钢：=1.111。但对于端面承压和连接，则 ，其中为极限强度，=1.538(2)对于正常使用极限状态，应据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合。钢结构通常只考虑荷载的标准组合，其设计式为：（1-9）式中：永久荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值；超控制作用的第一个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值；其他第个可变荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值；结构或结构构件中的容许应力值。1.4钢结构的构的发展方向展方向 1高效能高效能钢材的研制和材的研制和应用用 2计算理算理论的研究和完善的研究和完善 3结构形式的构形式的创新和新和应用用 4最最优化原理的化原理的应用用钢结构的发展钢结构的发展 钢结构的发展经历了一个漫长的历程。从古至今，炼铁、炼钢以及每一项新技术的问世都极大地推动了钢结构的发展。我国的历史最为悠久，是最早用铁建造结构的国家。其中以铁链桥及铁塔为典型代表。建于公元5875年的兰津桥（图1.1）是最早的一座铁链桥，比欧洲最早的铁链桥早70余年；建于1706年的四川沪定大渡河桥（图1.2），净跨100m，宽2.8m，由13根铁链组成，每根约1.6t，铁链锚固于直径20cm,长4m的铸铁锚桩上，该座桥比英国用铸铁建造的欧洲第一座跨度31m的拱桥早83年，比美洲第一座跨度为21.3m的铁链桥早105年。铁塔作为古代的一种宗教建筑，如建于967年的广州光孝寺东铁塔，共7层，塔身高6.35m；建于1061年的湖北荆州玉泉寺铁塔（图1.3），共17层，塔身高17.9m；山东济宁铁塔寺铁塔；江苏镇江甘露寺铁塔等，均以独特的建筑造型和超凡的冶金技术，展示了我国劳动人民的聪明智慧和我国古代金属结构的辉煌成就！图1.1 兰津桥 图1.2 沪定大渡河桥 图1.3 玉泉寺铁塔 18世纪末工业革命在欧洲兴起，冶金技术的发展使钢结构在欧美的应用快速增长。18世纪80年代熟铁型材问世，19世纪30年代采用轧制方法制造铁轨，19世纪2030年代铆钉连接技术导致铆接熟铁结构的诞生。如1889年采用熟铁建成的高度321m的巴黎埃菲尔（Eiffel）铁塔（图1.4）。1856年和1867年相继发明转炉和平炉冶炼工艺，软钢时代到来。从19世纪60年代和70年代起才有了全钢制造的桥梁，如建于1847年的跨越美国密西西比河的圣路易斯拱桥，中间跨158.5m，两边跨各为153m。19世纪后半叶焊缝连接出现，20世纪20年代起在工程结构中广泛应用。20世纪30年代末到50年代初，高强螺栓连接开始应用于钢结构工程，促进了钢结构的发展。图1.4 埃菲尔铁塔 图1.5 西尔斯大厦 自20世纪70年代起国外钢结构发展的高峰期到来。代表性建筑有1974年建成的110层，高443m的美国芝加哥西尔斯（Sears）大厦（图1.5）；1974年建成的5层纤绳，高645m的波兰华沙长波用桅杆；1973年建成的高392m的苏联基辅自立式电视塔；1975年建成的直径207m的美国新奥尔良超级穹顶；80年代初建成的跨度218m的新加波章宜机场飞机库；1981年建成的主跨1410m的英国亨伯（Humber）吊桥；1998年4月建成通车的中央跨长1991m的日本明石海峡吊桥（图1.6），实现了超大跨度的飞跃。1996年建成的地上88层、450m高的马来西亚吉隆坡石油大厦（图1.7）；于1998年动工、2004年12月正式开放的地下5层，地上101层508m高的台北101大厦（图1.8），被视为世界新“地标”，在高度方面向极限冲刺。钢结构技术进入目前最高境界！图1.6 日本明石海峡吊桥 图1.7 石油大厦 阿联酋七星级酒店图1.8 台北101大厦图图1.9 1.9 伦敦子弹头伦敦子弹头图图1.10 1.10 瑞典瑞典190190米陀螺型奇异建筑米陀螺型奇异建筑 中国钢结构的发展虽有辉煌的历史，但在半封建半殖民地的百年历史中落后了。1949年新中国成立后，由于钢产量的限制，钢结构虽有发展，但数量少、规模小，仅在重型厂房、大跨度公共建筑以及塔桅结构中采用。鞍山、武汉、包头等钢厂的炼钢、轧钢及连铸车间均采用了钢结构，在公共建筑方面代表作有1962年建成的北京工人体育馆采用圆形双层辐射式悬索结构，直径94m；1967年建成的浙江体育馆采用双曲抛物面正交索网的悬索结构，椭圆平面，8060m；1975年建成的上海体育馆，跨度110m的三向平板网架；1977年建成的北京环境气象塔为高达 325m的5层纤绳三角形杆身的钢桅杆结构。在桥梁方面代表作有：1957年建成的武汉长江大桥；1968年建成的南京长江大桥等。1978年以后，我国改革开放政策实施，钢结构得到了前所未有的发展，应用领域得以拓展。比如，1994年建成的天津新体育馆，采用圆形平面球面双层网壳，直径108m；1996年建成的嘉兴电厂干煤栅，采用矩形平面三心圆柱面双层网壳，跨度为103.5m；1997年建成的上海体育馆马鞍山环形大悬挑空间钢结构屋盖，最大悬挑长度78m；2000年建成的上海浦东国际机场航站楼张弦梁屋盖钢结构，张弦梁屋架最大跨度为80m。正建的中国国家大剧院（图1.9）的钢结构东西跨度212.24m，南北跨度143.64m，高度46.285m，蛋壳面积3.5万米2 ;正建的2008奥运会主场馆鸟巢（图1.10）等。这些建筑的建成标志我国大跨度空间钢结构已迅速接近国际先进水平。图1.12 中国国家大剧院图1.11 2008奥运会主场馆鸟巢另外，高层及超高层钢结构建筑在北京、上海、深圳等地拔地而起，以地下3层，地上88层，420.5m的上海金贸大厦（图1.11）为代表，标志着我国超高层钢结构已进入世界前列！图1.13上海金贸大厦 综上所述，钢结构作为一种综合性能优良的结构，既有辉煌的历史，更有美好的未来。我国自1996年钢产量首次突破1亿吨大关居世界第一至今，以1997年建设部颁发的中国建筑技术政策（19962010）为代表，国家推出一系列政策推动钢结构的应用。可以预言:21世纪是钢结构的世纪！中国钢结构飞速发展的时代已经到来！图图1.14 1.14 东京千年塔东京千年塔日本东京千年塔(Millennium Tower)高约840米，外观呈现圆锥形，约170层楼，可用于商业和居住。千年塔可以容纳6万人。终极塔楼高(Ultima Tower)2英里，约合3218.7m。其基座直径约1830米，大约500层楼,容纳约100万人口。超群大厦(Bionic Tower)约合1200米、有300层楼，容纳约10万人造价是150亿美元。福斯特建筑事务所的水晶岛(Crystal Island)项目高1500英尺(约合457米)，可供3万人居住。东京清水TRY 2004巨城金字塔的高度是埃及吉萨大金字塔的12倍。埃及吉萨大金字塔高6574英尺(约合2003米)，可容纳75万人。X-Seed 4000摩天巨塔楼高13,123英尺(约合4000米)，造价1万亿美元，形似帐篷由巨柱支撑，每根柱子都可以住人。X-Seed 4000摩天巨塔共有800个楼层，可以让50万至100万人在此安居乐业。空中之城1000(Sky City 1000)是一座约1000米高的城市，可容纳常驻居民3.6万，工人10万。图图1.15 1.15 旧金山终极塔楼旧金山终极塔楼 图图1.16 1.16 超群大厦超群大厦 图图1.17 1.17 莫斯科水晶岛莫斯科水晶岛 图图1.18 1.18 东京清水东京清水TRY 2004TRY 2004巨城金字塔巨城金字塔 图图1.19 1.19 东京东京X-Seed 4000 X-Seed 4000 图图1.20 1.20 东京空中之城东京空中之城10001000 图图1.21 1.21 世界超高层建筑图谱世界超高层建筑图谱 图图1.22 1.22 世界超高层建筑图谱世界超高层建筑图谱 图图1.23 1.23 中国超高层建筑图谱中国超高层建筑图谱第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第一第一节 建筑建筑结构用构用钢的基本要求的基本要求第二第二节 钢材的破坏形式材的破坏形式第三第三节 钢材的主要机械性能材的主要机械性能第四第四节 影响影响钢材性能的主要因素材性能的主要因素第五第五节 复复杂应力作用下的屈服条件力作用下的屈服条件第六第六节 钢材的疲材的疲劳和疲和疲劳计算算第七第七节 建筑建筑结构用构用钢的种的种类及及选择第一节第一节 建筑结构用钢的基本要求建筑结构用钢的基本要求 钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。1、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻；2、较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载；3、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能；据上要求,钢结构设计规范GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。第二节第二节 钢材的破坏形式钢材的破坏形式 两种破坏形式：塑性破坏：由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度fu后才发生的。2 脆性破坏:脆性破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点fy，断裂从应力集中处开始。破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的。第三节第三节 钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能一、单向拉伸试验曲线 根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用中，钢材的性能按理想弹塑性体考虑，fy定为钢材拉、压强度标准值。二、钢材的主要机械性能1.强度：fy 强度设计标准值，设计依据；fu钢材的最大承载强度，安全储备。2.塑性5（10），钢材产生塑变时而不发生脆性断裂的能力，便于内力重分布，吸收能量，重要指标。3.冷弯性能90o、180o，在冷加工过程中产生塑性变形时，对产生裂纹的敏感性，是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标。4.韧性冲击韧性k，钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的能力（动力指标），按常温（20o）、零温（0o）、负温（-20o、-40o）区分。5.可焊性表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能力不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求。第四节第四节 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素1 1、化学成份、化学成份2 2、冶金及轧制、冶金及轧制3 3、冷作硬化与时效硬化、冷作硬化与时效硬化4 4、复杂应力与应力集中、复杂应力与应力集中5 5、残余应力、残余应力6 6、温度、温度1、化学成份的影响 基本成份为基本成份为F Fe e，炭钢中含量占炭钢中含量占9999，C C、S Si i、M Mn n为杂质元素，为杂质元素，S S、P P、N N、O O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。为冶炼过程中不易除尽的有害元素。C C：含：含CC使强度使强度塑性、韧性、可焊性塑性、韧性、可焊性，应控制在，应控制在0.22%0.22%，焊接，焊接结构应控制在结构应控制在0.20%0.20%。S Si i：含：含S Si i适量使强度适量使强度 其它影响不大，有益，应控制其它影响不大，有益，应控制0.10.3%0.10.3%M Mn n：含：含S Si i适量使强度适量使强度 降低降低S S、O O的热脆影响，改善热加工性能，对其的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，它性能影响不大，有益有益。S S：含量含量使强度使强度塑性、韧性、性能冷弯、可焊性塑性、韧性、性能冷弯、可焊性；高温时使钢材变脆高温时使钢材变脆热脆现象热脆现象。P P：低温时使钢材变脆低温时使钢材变脆冷脆现象冷脆现象；其它同；其它同S SO O、N N：O O同同S S；N N同同P P，控制含量控制含量0.008%0.008%2 2、冶金与轧制的影响冶金与轧制的影响冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用M Mn n为脱氧剂，为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用时间快，价格低，质量差；镇静钢用S Si i为脱氧剂，时为脱氧剂，时间慢，价格高，质量好。间慢，价格高，质量好。反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。能提高。3 3、冷作硬化与时效硬化、冷作硬化与时效硬化由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象称之为下降，增加脆性的现象称之为硬化现象硬化现象。冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化冷作硬化。钢材中的钢材中的C C、N N，随着时间的增长和温度的变化，而形随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化老化”现象称之现象称之为为时效硬化时效硬化。4 4、复杂应力与应力集中的影响、复杂应力与应力集中的影响 钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反。号应力场时则相反。钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部应因而使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部应力增大并多为同号应力场。力增大并多为同号应力场。5 5、残余应力的影响、残余应力的影响 钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内部自相平衡的内力部自相平衡的内力,残余应力虽对构件的强度无影响，残余应力虽对构件的强度无影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不但对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不利影响（后续章节中将详细介绍）利影响（后续章节中将详细介绍）。6、温度的影响 温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。正温影响正温影响 总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这一现象称之为韧性提高，这一现象称之为热塑现象热塑现象，温度达，温度达600600o o左右时，左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为行热加工，此温度称之为热煅温度热煅温度。需要说明：钢材在需要说明：钢材在300300o o左右时，强度提高，塑性、韧性下左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象蓝脆现象。钢材在钢材在300300o o以上时应采取以上时应采取隔热措施隔热措施。负温影响负温影响 随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为脆性增大，称之为低温冷脆低温冷脆，当温度降至某一特定温度，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度转脆温度。第五节复杂应力作用下的屈服条件第五节复杂应力作用下的屈服条件 在单向拉力试验中，单向应力达到屈服点时，在单向拉力试验中，单向应力达到屈服点时，钢材即进入塑性状态。在复杂应力作用下，钢材由钢材即进入塑性状态。在复杂应力作用下，钢材由弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论计弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论计算的折算应力算的折算应力 与单相应力下的屈服点相比较与单相应力下的屈服点相比较来判断：来判断：当当 时为弹性状态；时为弹性状态；时为塑性状时为塑性状态。态。如三向应力有一向应力很小（如厚度较小，厚度如三向应力有一向应力很小（如厚度较小，厚度方向的应力可忽略不计）或为零时，则属于平面应方向的应力可忽略不计）或为零时，则属于平面应力状态，上式成为力状态，上式成为 在一般的梁中，只存在正应力在一般的梁中，只存在正应力 和剪应力和剪应力 ，则：，则：当只有剪应力时，当只有剪应力时，则：则：由此得：由此得：因此，钢结构设计规范确定钢材抗剪强度为因此，钢结构设计规范确定钢材抗剪强度为 抗拉设计抗拉设计强度的强度的0.58倍。倍。当平面或立体应力皆为拉应力时，材料破坏时没有明当平面或立体应力皆为拉应力时，材料破坏时没有明显的塑性变形产生，即材料处于脆性状态。显的塑性变形产生，即材料处于脆性状态。第六节第六节 钢材的疲劳和疲劳计算钢材的疲劳和疲劳计算1 疲劳破坏：钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成，扩展以至断裂破坏的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。疲劳破坏属于脆性破坏。2 疲劳计算类别及参数取值：1应力谱 循环荷载在钢材内应起的反复循环应力随时间变化的曲线即为应力谱 2应力幅 试验与分析证明应力幅相同的情况下，最大最小应力无论是较高或较低，以及应力比是较大或较小，对疲劳强度基本不起作用。3疲劳计算类别：不同类别钢构件或连接的疲劳 强度各不相同。按其疲劳性能的高低归并为八个疲劳计算类别，并对每个类别规定了相应的参数取值。其中一类疲劳性能最好，八类最差。需要指出，疲劳破坏应力幅或疲劳允许应力幅主要取决于 应力循环次数以及构件或连接的具体构造细节和应力集中程度.3 疲劳曲线：对于不同的构件和连接用不同的应力幅 在疲劳试验机上进行常幅循环应力试验可得试件发生疲劳破坏时的应力循环次数n，将足够多的试验点连接起来，便得到 曲线，即疲劳曲线。4 钢构件和连接的疲劳计算:规范规定当应力变化的循环次数大于等于十万次（n ）时，应对应力循环中出现的拉应力的部位进行疲劳计算，对不出现拉应力的部位一般不计算疲劳，计算疲劳时，不乘分项系数，也不乘动力系数，按弹性方法计算其应力。5 常幅疲劳的容许应力幅：实际上试验数据是分布在实线两侧有一定宽度的分布带，钢结构规范规定容许应力幅取分散带的下限，即平行于实线但偏左k倍的标准差的疲劳屈线。试验表明，常幅疲劳的容许应力幅与循环次数n的关系，采用对数坐标时，大体是一多 为-1/的直线。式中c,-系数，按疲劳计算类别查表 n-应力循环系数6 常幅疲劳计算常幅疲劳计算:焊接部位焊接部位 非焊接部位非焊接部位 拉应力时取正号，压应力时取正号拉应力时取正号，压应力时取正号 7 变幅疲劳计算：变幅疲劳计算：当疲劳应力幅变化时，按照线性疲劳累积损伤原则，当疲劳应力幅变化时，按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的应力幅折算成等效常应力幅，然后按常应力将随机变化的应力幅折算成等效常应力幅，然后按常应力幅疲劳计算：幅疲劳计算：式中：式中：-以应力循环次数表示的结构预期使用寿命以应力循环次数表示的结构预期使用寿命 -预期寿命内相应力幅的应力循环次数预期寿命内相应力幅的应力循环次数 8 吊车梁的变幅计算：吊车梁的变幅计算：吊车梁引起变幅的荷载主要是吊车荷载，疲劳计算时通吊车梁引起变幅的荷载主要是吊车荷载，疲劳计算时通常以经常发生的一台吊车标准值计算应力幅，规范规定的常以经常发生的一台吊车标准值计算应力幅，规范规定的计算公式为：计算公式为：-次数效应系数。对重级工作制硬钩吊车次数效应系数。对重级工作制硬钩吊车 ;重级工作制软钩吊车重级工作制软钩吊车 ；中级工作制吊车；中级工作制吊车第七节第七节 建筑结构用钢的种类与选用建筑结构用钢的种类与选用 一、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类l钢材牌号由：钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法屈服点值、质量等级、脱氧方法”四部分组成。四部分组成。lQ：表示表示“屈屈”字拼音首位字母，意为字拼音首位字母，意为“屈服强度屈服强度”；l质量等级：质量等级：l碳素结构钢分碳素结构钢分AD四级；四级；l低合金钢分低合金钢分AE五级（次序越高质量越好）五级（次序越高质量越好）。l脱氧方法：脱氧方法：F沸腾钢；沸腾钢；Z镇静钢；镇静钢；b半镇静钢；半镇静钢；TZ特殊镇静钢。特殊镇静钢。Z 和和TZ一般可以省略。一般可以省略。注：注：结构用钢结构用钢结构用钢结构用钢主要有主要有主要有主要有：碳素结构钢碳素结构钢（低碳，（低碳，C 0.22）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢（低合金，合金元素（低合金，合金