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-精品word文档 值得下载 值得拥有-一级注册结构工程师资格考试培训班钢结构复习讲稿第一节考试大纲及授课安排1.1 钢结构考试大纲1 掌握钢结构体系的布置原则和主要构造。2 掌握受弯构件的强度及其整体稳定和局部稳定计算；掌握轴心受力构件和拉弯、压弯构件的计算。3 掌握构件的连接计算、构造要求及其连接材料的选用。4 熟悉钢与混凝土组合梁、钢与混凝土组合结构的特点及其设计原理。5 掌握钢结构疲劳计算及其构造要求。6 熟悉塑性设计的适用范围和计算方法。7 熟悉钢结构的防锈、隔热和防火措施。8 了解对钢结构制作、焊接、运输和安装方面的要求。1.2 授课安排1考试大纲要求分三个层次要求最高的第一层次为掌握，包括钢结构体系的布置原则和主要构造、基本构件的计算、连接和疲劳构造和计算；要求次之的第二层次为熟悉，包括钢与混凝土组合梁的计算、塑性设计、钢结构的防锈、隔热和防火措施；要求最低的第三层次为了解，主要包括钢结构制作、焊接、运输和安装方面的要求。2授课安排在这一天半的时间里，着重讲解第一层次要求掌握的内容，其中主要是钢结构材料、基本构件的计算、连接和疲劳构造和计算的部分，钢结构体系的布置原则和主要构造则不专列介绍，而是融合到前述的内容里起介绍。第二层次的内容则作一般介绍，侧重于钢与混凝土组合梁的计算、塑性设计，简单介绍钢结构的防锈、隔热和防火措施。第三层次的钢结构制作、焊接、运输和安装方面的要求只作简单介绍。第二节钢材2.1 钢材的破坏形式所谓塑性材料是指由于材料原始性能以及在常温、静载并一次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料。但钢材的塑性变形能力不仅取决于钢材的化学成份，熔炼与轧制过程，也取决于所处的工作条件。即使原来塑性表现极好的钢材，在很低的温度之下受冲击作用等情况下，也完全可能呈现脆性破坏。所以，不宜把钢材划分为塑性和弹性材料，而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。1. 塑性破坏(也称为延性破坏)破坏前有很大的塑性变形和“缩颈”现象，破坏的断口常为杯形(有与受力方向成45和垂直的两部分组成)，45断面呈纤维状，破坏前有明显预兆。2. 脆性破坏没有塑性变形或只有很小塑性变形即发生的破坏，断口平直，断面呈晶粒状。由于变形极小易造成突然破坏。2.2 基本性能及指标1. 强度：钢材在外力作用下，抵抗过大(塑性)变形和断裂的能力。应力所能达到的某些最大值，也是材料本构关系曲线上的某些应力特征点。指标：屈服点fy(s) 极限强度fu(b)弹性：钢材在外力作用下产生变形，在外力取消后恢复原状的性能。指标：比例极限fp，弹性极限fe，弹性模量Efy理想的弹性体：变形小且可恢复，且有强度储备 fy理想的塑性体：变形大且不可恢复，也没有强度储备所以一般可将钢材视为理想的弹塑性材料。通常取屈服点作为强度标准值，而且取受拉和受压的屈服点相同。一则极限强度与屈服点之间的强度差作为储备，留有强度余地；二则屈服点对应的应变(宏观为变形)很小，可以满足正常使用的要求，而极限强度对应的应变(变形)很要大近20倍左右，无法满足正常使用的要求。2. 塑性：钢材受力断裂过程中发生不能恢复的残余变形的能力。指标：伸长率 说明：因标距不同，有5(l0=5d)和10(l0=10d)，但后一种已基本上不再采用，一则两者共存容易产生混淆，二则可节省试件钢材。断面收缩率 后者与标距无关，表征塑性较前者更好，但测量误差较大。塑性越好，越不容易发生脆性断裂，受力过程中，应力和内力重分布就越充分，设计就越安全，破坏前的预兆越明显。Z向(厚度方向性能)钢板就是采用厚度方向拉伸的断面收缩率作为性能级别的划分依据。3. 冷弯性能：常温下钢材承受弯曲加工变形的能力。将试件冷弯180o而不出现裂纹或分层。定性指标：合格或不合格。冷弯性能合格的钢材才具有良好的常温加工工艺性能。4. 韧性：钢材在冲击荷载作用下，变形和断裂过程中吸收机械能的能力。综合反映钢材的内在质量及力学性能，是强度和塑性的综合指标(曲线和坐标轴围成的面积)。是衡量钢材抵抗因低温、应力集中、冲击荷载等作用而脆性断裂的能力。指标：冲击功Akv原为梅氏(Mesnager)U形缺口试件，现采用夏比(Charpy) V形缺口试件。5. 可焊性：反映钢材焊接的可行性及焊缝的受力性能。包含施工工艺和受力性能两个方面的可焊性。指标：碳当量。建筑钢结构焊接技术规程JGJ 81-2002、J 218-2002的2.0.1：建筑钢结构工程焊接难度可分为一般、较难和难三种情况。施工单位在承担钢结构焊接工程时应具备与焊接难度相适应的技术条件。建筑钢结构工程的焊接难度可按下表区分 。表2.0.1 建筑钢结构工程的焊接难度区分原则焊接难度 影响因素焊接难度节点复杂程度和拘束度板厚(mm)受力状态钢材碳当量Ceq(%)一般简单对接、角接，焊缝能自由收缩t30一般静载拉、压0.38较难复杂节点或已施加限制收缩变形的措施30 t 80静载且板厚方向受拉或间接动载0.380.45难复杂节点或局部返修条件而使焊缝不能自由收缩t80直接动载、抗震设防烈度大于8度0.45注：按国际焊接学会(IIW)计算公式，(适用于非调质钢)6. 耐久性：钢材在长期使用后的力学性能。耐腐蚀性耐老化(时效硬化)耐长期高温耐疲劳普通钢材供应提供的材性保证：三项保证：屈服点fy(s)、极限强度fu(b)、伸长率 四项保证：屈服点fy(s)、极限强度fu(b)、伸长率、180冷弯五项保证：屈服点fy(s)、极限强度fu(b)、伸长率、180冷弯、冲击功提供保证的材性越多，钢材的价格也越贵。2.3 影响钢材力学性能的主要因素决定钢材机械和加工工艺等性能的主要因素是钢材的化学成分及其微观组织结构，与钢材的冶炼、浇注、轧制等生产工艺过程也有密切的关系。此外，钢结构的加工、构造、尺寸、受力状态、及其所处的环境温度等对其钢材的机械性能也有重要的影响。1. 化学成分钢的主要化学成分是铁(Fe，在普通碳素钢中约占99)和少量的碳(C)。此外有锰(Mn)、硅(Si)等有利元素，以及熔炼中很难除尽或混入的硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)、氢(H)等有害杂质元素。在合金钢中还有特意添加以改善钢材性能的某些合金元素，如锰、钒(V)等。碳、锰、硅和杂质元素以及合金元素的含量虽少，但对钢材性能有很大的影响。碳含量对钢的强度、塑性、韧性和焊接性有决定性的影响。随着碳含量的增加，钢材的抗拉强度和屈服强度提高；但其塑性、冷弯性能和冲击韧性、特别是低温冲击韧性降低，可焊接性也变坏。结构钢材的碳含量不能过高，通常不超过0.22%。锰在碳素钢中多是炼钢时作为脱氧剂加入钢液的元素，通常含量为0.30.8%；在低合金锰钢中是作为合金元素。钢的锰含量不太多时，能显著改善钢材的冷脆性能，并提高其屈服强度和抗拉强度，而又不过多地降低塑性和冲击韧性；锰对脱除钢中有害元素氧的含量有益；锰还能与钢中的硫在高温下化合成熔点很高(约1600)的硫化锰(MnS)，使钢材热加工时因硫而产生裂纹的“热脆”现象减少。但是过量的锰含量会使钢材塑性降低。硅与钢液中的氧有较强的化合作用，且能使钢中纯铁体晶粒细小和散布均匀，是熔炼有较好性能的镇静钢的一种常用的脱氧剂(适量的硅可提高钢材的强度，而对其塑性、冷弯性能、冲击韧性和焊接性无显著的不良影响。过量的硅将降低钢材的塑性和冲击韧性，恶化其抗锈蚀能力和焊接性。结构钢中硅含量一段不超过0.3%(Q235钢)或0.6%(Q345钢)。钒是熔炼锰钒低合金钢时特意添加的一种合金元素，可提高钢材强度和细化钢的晶粒；钒的化合物具有高温稳定性，使钢的高温硬度提高。硫是钢中一种十分有害的元素。硫与铁化合生成硫化铁(FeS)，散布在纯铁体的间层中，当温度在8001200时熔化而使钢材出现裂纹，称为“热脆”现象，使钢的热轧性能和可焊性变坏；硫还将降低钢材的塑性和冲击韧性。因此，应严格限制结构尤其是焊接结构钢材的硫含量，一般要求不超过0.0350.050%。磷也是一种有害的元素，其有害作用主要是使钢在低温时韧性降低并容易产生脆性破坏，称为“冷脆”现象；在高温时也使塑性变差。因此，结构钢材中也应严格限制磷含量，一般要求不超过0.0350.045%。氧、氮、氢通常是在钢熔融时从空气或水分子分解等进入钢液，在冷却后余留下来的极其有害的元素。氧的有害作用同硫且更甚，增加钢的脆性；氮的作用类似于磷，能显著降低钢材的塑性、冲击韧性并增大其“冷脆”性；氢在低温时易使钢呈脆性破坏，产生所谓“氢脆”破坏现象。因此，较重要的钢结构，尤其是在低温下承受动力荷载的钢结构用钢的上述元素含量也常要求加以限制。2. 冶炼、浇注、轧制过程目前钢结构用钢主要是由氧气转炉冶炼而成的。电炉钢质量精良，但成本高、电耗大，钢结构中一般也不采用。钢冶炼后因浇注方法(脱氧程度或方法)的不同而分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢是在炉中和盛钢桶中的熔炼钢液中仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧。当钢液铸锭时，钢液中仍保留有相当多的氧化铁，与其中的碳等化合生成一氧化碳(CO)等气体大量逸出，致使钢液剧烈“沸腾”，故称沸腾钢。这种钢铸锭后冷却速度快，溶于钢液中的气体不能全部逸出，且易形成气泡包在钢锭内；还使硫、磷杂质分布不匀，出现其局部富集的所谓“偏析”现象。不但使钢材质量不均匀，而且常使轧制钢材产生分层，降低钢材、特别是厚钢板的抗层状撕裂(即钢板在厚度方向受拉而分层破坏)的能力。但是，沸腾钢生产工艺简单价格便宜，质量能满足一般次要承重钢结构的要求，因而还在继续应用。镇静钢是在熔炼钢液中加入适量的强脱氧剂硅(或铝)和锰等，进行较彻底脱氧，因而钢液铸锭时不再发生沸腾现象而在锭模内平静地逐渐冷却，故称镇静钢。由于钢液不沸腾、冷却速度较慢，残留气体较易逸出，因而质量优良且均匀，组织致密，杂质少，偏析小。与沸腾钢相比，其冲击韧性和焊接性较好。冷脆和时效敏感性较小，强度和塑性也略高。但镇静钢需要一定量的强脱氧剂，铸锭时需要适当保温，因而工艺过程较复杂，冷却后钢锭头部缩凹而需要切除的部分较多，致使收得率低(约80)，因而价格较高。半镇静钢是在熔炼钢液中加入少量强脱氧剂硅(或铝)，脱氧程度、质量和价格介于沸腾钢和镇静钢之间。特殊镇静钢的脱氧要求比镇静钢更高，一般并应含有足够的形成细晶粒结构的元素如铝等，通常是用硅脱氧后再用铝补充脱氧。我国碳素结构钢中的Q235D钢，以及桥梁用钢如 Q345q钢等属特殊镇静钢。由铸锭轧制钢材，是把钢锭再加热至12001300的高温后进行的。这时钢具有较好的热塑性和可锻焊性。轧钢机压力的作用可使钢锭中的小气泡和质地较疏松部分锻焊密实起来，消除铸造显微组织缺陷和细化钢的晶粒。因此，轧制钢材比同种类铸钢质量好，而且压缩比(钢坯与轧成钢材厚度之比)愈大时其强度和冲击韧性等也愈高。规范对各钢种钢材按厚度或直径进行分组：厚度或直径越小的钢材，强度就越高。见表3.4.1-1。现在一般都采用连铸连轧生产工艺，为保证质量，镇静钢的生产比重已经越来越高。3. 残余应力热轧型钢中的热轧残余应力是因其热轧后不均匀冷却而产生的。型钢热轧终结时，其边缘、尖角及薄细部位因与空气接触表面多而冷固较快；先冷却部位要阻止后冷却部位的自由收缩，从而使后冷却部位受拉，在型钢中产生复杂的残余应力分布。此后钢材的调直和加工(剪切、气割、焊接等)还将改变这种分布。钢材或构件经退火或其它方法处理后，其残余应力可部分乃至全部消除。焊接过程则会在钢构件或钢结构中产生比轧制更严重的残余应力。残余应力的一般分布规律是未升温或先冷却的部位是残余压应力，后冷却的部位是残余拉应力。残余应力是一种自相平衡(每个截面的内力和力矩自相平衡)的应力。残余应力不影响构件强度，但是残余应力将降低构件的刚度，从而降低稳定性；此外，残余应力尤其是焊接残余应力与荷载应力叠加后，常使钢材处于二维或三维的复杂应力状态下受力，将降低其抗冲击断裂和抗疲劳破坏的能力。4. 温度的影响钢材的机械性能随温度的不同而有变化，当温度升高时，钢材的屈服强度fy、抗拉强度fu和弹性模量E的总趋势是降低的，但在150以下时变化不大。当温度在250左右时，钢材fu的反而有较大提高，但这时的相应伸长率较低、冲击韧性变差，钢材在此温度范围内破坏时常呈脆性破坏特征，称为“蓝脆”。如在“蓝脆”温度范围内进行钢材的机械加工，则易产生裂纹，故应力求避免。当温度超过300时，钢材的fy、fu和E开始显著下降，而开始显著增大，钢材产生徐变；当温度超过400时，强度和弹性模量都急剧降低；达600时其承载能力几乎完全丧失。钢材的温度由常温下降特别是在负温度范围内时，钢材的强度(fy、fu)等虽有提高，但塑性和韧性降低、脆性增加。钢结构设计中应防止脆性破坏，因而选用钢材时应使其脆性转变温度区的下限温度低于结构所处的工作环境温度，且钢材在工作环境温度下具有足够的冲击韧性值。5. 冷加工和时效硬化钢材应力超过弹性范围将引起其屈服强度提高，塑性和伸长率降低。钢材的这一性质称为冷作硬化或应变硬化。钢材在冷拉、冷折、冷弯、冲孔、剪切等冷加工时都有很大的塑性变形，因而产生冷作硬化。冷作硬化对钢结构特别是承受动力荷载的钢结构是不利的。因此，钢结构设计中一般不利用冷作硬化对钢材屈服强度的提高，而且对直接承受较大动力荷载的钢结构还应设法免除冷作硬化的影响，例如刨去钢板因剪切形成的冷作硬化边缘金属等。钢材随时间进展将使屈服强度和抗拉强度提高、伸长率和冲击韧性降低，称为时效硬化。这是由于钢在高温时溶于其纯铁体中极少量的氮等，随着时间的延长从纯铁体中析出，并形成自由氨化物而存在于纯铁体晶粒间的滑动面上，阻止了纯铁体晶粒间的滑移，因而约束了塑性发展的缘故。不同种类钢材的时效硬化过程的时间长短很不相同，可从几小时到数十年。为加快测定钢材时效后的机械性能，常先使钢材产生约10的塑性变形、再加热到一定的温度、然后冷却到室温进行试验，这样可大大缩短钢材的时效过程，这称为人工时效。6. 应力集中实际钢结构中常有孔洞、缺口等，致使构件截面突然改变。在荷载作用下，这些截面突变处的某些部位(孔洞边缘或缺口尖端等处)将产生局部高峰应力，其余部位应力较低且分布极不均匀，这种现象称应力集中。通常把截面高峰应力与平均应力(当截面受轴心力作用时)的比值称为应力集中系数，其值可表明应力集中程度的高低，它取决于构件截面突然改变的急剧程度。一般平面问题的圆孔边应力集中系数为3，槽孔尖端处的应力集中程度比圆孔边缘要高得多,a和b分别为椭圆的长短半轴。在应力集中的高峰应力区内，通常存在着同号的平面或立体(三维)应力状态，这种应力状态常使钢材的变形发展困难而导致脆性状态破坏。截面改变越急剧，应力集中程度就越高，其抗拉强度越高，但塑性越差、脆性破坏的可能性就越大。应力集中引起孔槽边缘处局部的应力高峰；当结构所受静力荷载(轴心拉力为例)时，应力集中一般不影响截面的静力塑性承载力，但是较严重的应力集中、特别是在动力荷载作用下，加上残余应力和钢材加工的冷作硬化等不利因素的影响，常是结构、尤其在低温环境下工作的结构发生脆性破坏的重要原因。所以设计时应尽量减免构件截面的急剧改变，以减小应力集中，从构造上防止构件的脆性破坏。例如：快餐面的汤料包的锯齿形边、消闲果的包装袋的剪口、易拉罐的拉环开槽都是利用应力集中来轻易破坏包装的。又如汽车挡风玻璃有裂纹时，在裂纹尖端开圆孔以减小应力集中程度，以免裂纹继续发展，还有船舶和飞机等的开孔都是圆孔，即使开形孔，也在四角用圆孤过渡，并在四周加强。规范8.2.4 在对接焊缝的拼接处：当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5的斜角；当厚度不同时，焊缝坡口形式应根据较薄焊件厚度取用。但注：直接承受动力荷载且需要进行疲劳计算的结构，斜角坡度不应大于l:4(保留88规范规定)。7. 复杂应力状态钢材的屈服强度fy可视为钢材在单向拉伸(或压缩、弯曲)下弹性与塑性工作的分界标志：亦即当正应力。fy时钢材在弹性状态下工作；当 fy时则在塑性状态下工作。在实际钢结构中，钢材常是在双向或三向的复杂应力状态下工作，这时钢材的屈服与六个应力分量都有关。试验表明，第四强度理论即形状改变能密度理论给出的屈服条件能够较好地阐明接近于理想弹塑性体的钢材的弹-塑性工作状况。外荷载做功使单元体发生应变从而引起体积和形状改变，单元体内相应聚积体积改变和形状改变两种应变能。形状改变能量强度理论认为外荷载对单元体单位体积所做的形状改变功或单元体单位体积内所聚积的形状改变应变能达到一定数量时就会引起钢材的屈服。或eqfy 材料处于弹性工作状态eq fy 材料进入塑性工作状态eq为折算应力fy为钢材单向拉伸(压缩)的屈服点。由上式可见，钢材的屈服仅取决于三向主应力间差值平方和的大小，而不是三向主应力的自身值。如果三向主应力是彼此间相差很小的同号应力、即123时，则单元体的变形主要是各向均匀伸长或缩短引起的体积改变，而其形状基本保持不变，故其形状改变应变能密度很小，致使塑性变形遭到遏制。因而，即使各主应力值很高，材料也很难转入屈服和有明显的变形。但是，由于高应力的作用，聚积在材料内的体积改变应变能很大，因而材料一旦遭致破坏，便呈现出无明显变形征兆的突然剧烈的脆性破坏特征。讨论：(1) 如果在六个应力分量x、y、z、xy、yz、zx中有的不存在，则计算时取其0；(2) 当xy=yz=zx=0 x=y=z=10 fy 或x=y=z=10 fy eq=0 1.33 时，即，说明框架侧向刚度太小，二阶效应太大，宜增大框架结构的刚度。一阶弯矩：二阶弯矩： (常说的P-效应)二阶弯矩可等效为一假想水平力H产生一阶和二阶总弯矩： 二阶弯矩示意图3. 强度设计值折减系数3.4.2单面连接的单角钢、无垫板的单面施焊对接焊缝、高空安装焊缝进行强度折减。4. 结构变形的规定第3.5节的3.5.13.5.3，总的是把变形规定放松，并给设计人员以更大的决定权。5. 一般构造规定第8.1节的8.1.18.1.4，规定钢板的最小厚度为4mm(原规定5mm)，钢管的最小厚度为3mm，角钢两边之和不宜小于90mm，最小厚度为4mm(焊接结构)和5mm(螺栓连接)。8.1.4是强制性条文。6. 温度区段的规定8.1.5单层房屋和露天结构的温度区段长度(伸缩缝的间距)，当不超过表8.1.5的数值时，一般情况可不考虑温度应力和温度变形的影响。第三节 钢材的疲劳和疲劳计算 3.1 影响钢材的疲劳强度的主要因素钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。疲劳破坏时，截面上的应力低于钢材的抗拉强度，甚至低于其屈服强度；破坏断口较整齐，其表面有较清楚的疲劳纹理，该纹理显示以某点为中心向外呈半椭圆状放射型的海滨沙滩痕迹般的现象；通常没有明显的变形，呈现出突然的脆性破坏特征。钢材的疲劳破坏除了与钢材质量、构件几何尺寸和缺陷等因素有关外，主要因素有：1. 应力集中程度(包括残余应力)2. 应力幅(焊接部位：=maxmin，非焊接部位为折算应力幅：=max0.7min，以拉为正)3. 应力比(非焊接部位，max和min分别为绝对值最大和最小应力，并常以max的应力为正)4. 应力循环次数n。钢材的疲劳试验表明，当钢材、试件、试验环境条件相同、并应力比为定值时，最大应力max随疲劳破坏时应力循环次数n的增加而降低，且曲线具有平行于n轴的渐近线。当n趋于很大时，max趋于常数，表示应力循环无穷多次试件不致发生疲劳破坏的循环应力max的极限值，称为钢材的疲劳强度极限或耐久疲劳强度。由于钢材在n5106时的疲劳强度变化已趋很小，实用上常取相应于n=5106次的疲劳强度作为钢材的耐久疲劳强度；相应于其它循环次数的疲劳强度max称条件疲劳强度。在钢材轧制和结构制造过程中，构件内将产生残余应力。尤其在焊接结构中，焊接部位常有数值很高的焊接残余应力，特别是残余拉应力的峰值常可接近或达到钢材的屈服强度fy。因此，结构承受荷载时，截面上实际应力将是荷载引起的应力与其残余应力的叠加。在残余拉应力为fy或接近fy的区域，实际应力的变化大致是由fy开始向下变动一个应力幅。考虑fy是常数，所以只有应力幅是变量。因此，对焊接结构采用应力幅来计算疲劳强度比采用名义应力比的应力和最大应力max更为合理，试验和分析研究都证实了这一点。3.2 疲劳计算1. 常幅循环应力 焊接部位为应力幅 =maxmin非焊接部位为折算应力幅 =max0.7minC和n与构件和连接的连接类别有关，根据规范附录E确定，再按表6.2.1采用说明： 是广义应力幅，不仅代表正应力幅，还代表剪应力幅，具体根据计算部位确定是正应力还是剪应力。 根据3.1.5的规定，计算疲劳时，应采用荷载的标准值，是因为实质上还在沿用容许应力设计法(容许应力幅，是现行钢结构设计规范的一大缺点)；3.1.6的规定，计算疲劳时，动力荷载标准值不乘动力系数，动力影响已经包含以试验为基础的疲劳计算公式和参数中；计算吊车梁或吊车桁架及其制动结构的疲劳和挠度时，吊车荷载应按作用在跨间内荷载效应最大的一台吊车确定。 根据6.1.1的规定，只有当应力循环次数n5104次以上时，才需要计算构件或连接的疲劳；当应力循环次数n5106次以后，一般不会再发生疲劳破坏，所以计算疲劳的最大循环次数可取5106。 容许应力幅与钢材品种和强度无关，所以