钢结构.docx

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钢结构

钢结构

1.可靠性高2.材料的强度高，钢结构自重轻。

3.钢材的塑性和韧性好4.钢结构制造简便，施工工期短5.钢结构密闭性好6.钢材的耐锈蚀性差7.钢结构耐热但不耐火8.钢材在低温时脆性增大

结构的安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性。

（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的极限状态。

（2）正常使用极限状态：

　结构或构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态。

结构可靠度:

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（Pr）。

　　　Pf=P（z<0）

Pr=P（z≥0）=1-Pf

1.塑性破坏（plasticityfailure）：

钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破坏，也称为延性破坏。

2.脆性破坏（brittlefailure）：

钢材在变形很小的情况下突然发生断裂破坏。

（1）弹性阶段σ≤fp，σ与ε呈线性关系，称该直线的斜率E为钢材的弹性模量。

在钢结构设计中，对所有钢材统一取E=2.06×105N/mm2。

（2）弹塑性阶段σ与ε呈非线性关系，切线模量Et＝dσ/dε,Et随应力增大而减小，当σ=fy时Et=0。

（3）塑性阶段　也称屈服阶段，σ=fy后钢材暂时不能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，因此钢结构设计取fy作为强度极限承载力的标志。

（4）强化阶段试件能承受的最大拉应力fu为钢材的抗拉强度。

取fy作为强度极限承载力的标志，fu就成为材料的强度储备。

（5）颈缩破坏阶段

（6）可把钢材视为理想弹塑性体。

（7）伸长率δ=（l1-l0）/l0*100%,反映钢材的塑性变形能力。

将试件弯成180o，若试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。

综合反映钢材的塑性性能和冶金质量。

重要结构中需要有良好的冷热加工性能时，应有冷弯合格保证。

碳（C）、锰（Mn）、钒（V）是有利元素，但也要注意对含量的限制。

硫（S）、磷（P）氧（O）、氮（N）会降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。

应严格限制含量。

1.应变硬化钢材在常温下加工称为冷加工。

冷轧、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形，从而使fy提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种现象称为冷加工硬化。

2.时效硬化钢材经过一定时间后强度提高但塑性降低，这种现象称为时效硬化。

不同种类钢材的时效硬化过程可从几小时到数十年。

3.人工时效使钢材产生10%的塑性变形，再加热到200～300oC，然后冷却到室温进行试验。

这样可使时效在几小时内完成。

钢构件在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部位应力较低，称为应力集中。

在应力高峰区域存在着同号的双向或三向应力。

这种同号的双向或三向应力场有使钢材变脆的趋势。

应力集中系数越大，变脆的倾向亦愈严重。

钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强度甚至低于屈服点时突然断裂，称为钢材的疲劳或疲劳破坏。

裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。

1.碳素结构钢钢号由代表屈服点的字母Q、屈服强度数值（t≤16mm时的fy，单位是N/mm2）、质量等级符号（分为A、B、C、D四级，质量依次提高）、脱氧方法符号（沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢的代号分别为F、b、Z和TZ，其中Z和TZ在钢号中省略不写）等四个部分按顺序组成。

例如Q235-B·F,表示屈服强度为235N/mm2的B级沸腾钢。

钢材的质量等级中，A、B级钢按脱氧方法可为沸腾钢、半镇静钢或镇静钢，C级为镇静钢，D级为特殊镇静钢。

2.低合金结构钢低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入一种或几种适量的合金元素而成的钢。

其钢材牌号的表示方法与碳素结构钢相似，但质量等级分为A、B、C、D、E五级，且无脱氧方法符号。

例如Q345-B，Q390-D，Q420-E。

3.专用结构钢

（1）特殊用途的钢结构常采用专用结构钢。

专用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途代号（压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材的专业用途代号分别为R、q、C和g）来表示。

三、钢材的选择

钢材的选择既要确定所用钢材的钢号，又要提出应有的机械性能和化学成分保证项目，是钢结构设计的首要环节。

选材的基本原则是既保证安全可靠，又经济合理。

钢材的质量等级愈高，其价格也愈高。

因此应根据结构的不同特点，来选择适宜的钢材。

1.热轧钢板钢板的标注符号是“－（截面代号）宽度×厚度×长度”，单位为mm，亦可用“－宽度×厚度”或“－厚度”来表示。

如－360×12×3600，亦可表示如－360×12或－12。

2.热轧型钢

（1）角钢分为等边和不等边角钢两种。

角钢标注符号是“∟边宽×厚度（等边角钢）或∟长边宽×短边宽×厚度（不等边角钢），单位为mm”。

如∟100×8和∟100×80×8。

1、焊缝连接20世纪初开始在工程结构上较广泛应用。

焊接是现代钢结构最主要的连接方法之一。

优点：

不削弱构件截面，构造简单，节约钢材，加工方便，可采用自动化操作，生产效率高。

刚度较大、密封性能好。

缺点：

焊缝附近存在热影响区，由高温快速降到常温，使钢材脆性加大；存在焊接残余应力及残余变形；焊接结构低温冷脆问题也比较突出。

2、铆钉连接优点：

塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查和保证，可用于承受动载的重型结构。

缺点：

工艺复杂、噪音大、劳动条件差，用钢量大，现已很少采用。

3、螺栓连接

1）普通螺栓连接

（1）C级螺栓连接：

用圆钢制成，杆身粗糙，尺寸不很准确。

主要用于受拉连接和安装螺栓。

（2）A、B级螺栓连接：

螺杆机加工制成，尺寸准确，孔加工精度高。

制造安装费工。

A级：

d≤24mm，l≤150mm和10d，B级：

d>24mm，l>150mm和10d。

1．焊缝缺陷主要有外观缺陷：

①焊缝尺寸偏差；②咬边；③弧坑，起弧或落弧处焊缝所形成的凹坑；内部缺陷：

④未熔合；⑤母材被烧穿；⑥气孔；⑦非金属夹渣；⑧裂纹等缺陷，均会引起应力集中削弱焊缝有效截面，降低承载能力。

若发现焊缝有裂纹，应彻底铲除后补焊。

2．焊缝质量检验和焊缝级别焊缝质量检验分为三级。

III级只对全部焊缝做外观检查；Ⅱ级除对全部焊缝做外观检查外，还要用超声波抽查焊缝长度的50％；I级除全部做外观检查外，还须按要求用超声波检查，并用X射线抽查焊缝长度的2％，且部分拍片。

各级焊缝的应用见规范要求。

俯焊（平焊）、立焊、横焊和仰焊。

侧焊缝--长度方向与作用力方向平行的角焊缝称为侧焊缝。

端焊缝--长度方向与作用力方向垂直的角焊缝称为端焊缝。

1）焊脚尺寸：

如图3-14，称角焊缝截面直角边的尺寸hf为角焊缝的焊脚尺寸。

若hf过小，热量小，易被周围金属快速吸收，从而冷却过快而产生淬硬组织，使金属变脆，容易形成裂纹。

hf过大，易使焊件过烧，改变金相组织，且易烧穿较薄焊件。

所以hf不能过大或过小，一般应满足，当焊缝位于板边时，应hf≤t。

焊接残余应力的1、纵向残余应力（应力方向‖焊缝长度方向）⑴构件上存在不均匀的温度场；⑵构件进入了热塑性状态；⑶组成构件的各个（假想）纵向纤维不能自由纵向变形。

2．横向残余应力焊后焊缝纵向收缩，两块钢板趋向于弯成弓形，但由于焊缝将两块钢板连成整体，于是在焊缝中部和两端分别产生横向拉应力和横向压应力如图

施焊时先焊的焊缝先冷却凝固，具有一定的强度，会阻止后焊焊缝在横向的自由变形，产生横向应力。

3．沿焊缝厚度方向的残余应力外边先冷却而受压，中间冷却慢而受拉。

这三种应力可能形成比较严重的同号三轴应力；会大大降低结构连接的塑性。

这就是焊接结

构易发生脆性破坏的原因之一

1．焊接残余应力对结构性能的影响

（1）强度残余应力是自平衡力系，不影响结构的强度。

（2）刚度残余应力与荷载应力相加以后，部分材料将提前进入屈服阶段，继续增加的外力将仅由弹性区承担，因此构件变形将加快，刚度降低。

（3）构件的稳定性荷载引起的压应力与截面残余压应力叠加时，会使部分截面屈服，降低抗弯刚度EI，将降低构件的整体稳定性。

（4）疲劳和低温冷脆残余应力为三向同号应力状态时，材料易转向脆性，使裂纹容易产生和开展，导致疲劳强度降低，易导致低温脆性断裂。

2．焊接残余变形对结构的影响影响结构的尺寸，使装配困难，影响使用质量;

过大的变形将显著降低结构的承载能力，甚至使结构不能使用。

1.合理设计：

焊脚尺寸要适当不易过大焊缝不宜过分集中2.合理制造：

合理的焊接工艺钢板采用焊前预热。

3.矫正对焊件尺寸收缩，在下料时预加收缩余量局部加热进行矫正。

1）受力性能：

靠栓杆受剪和孔壁承压传力。

（2）破坏形式:

a.栓杆剪断；b.孔壁挤压坏；c.钢板拉断；d.端部钢板剪断；e.栓杆受弯破坏。

防止措施通过构造措施保证.如板厚,孔距,端板厚,螺栓杆直径控制等

摩擦型连接和承压型连接。

摩擦型连接承受剪切时，以剪力达到板件间的最大摩擦阻力为极限状态；承压型连接在受剪时，允许剪力超过摩擦力，以螺杆剪切或孔壁承压的最终破坏为极限状态。

两种形式螺栓在受拉时没有区别。

定义受压构件所受压力超过某一值后，构件突然产生很大的变形而丧失承载能力，称这种现象为轴心受压构件丧失整体稳定性（instability）或屈曲（buckling）。

屈曲分类对于理想的（完善的perfect）的轴心受压构件，屈曲时由直线受压状态向非直线变形状态转变的趋势，依构件的变形可分为弯曲屈曲、扭转屈曲、弯扭屈曲，即为轴心受压构件的屈曲（失稳）形式。

1.初弯曲的影响2荷载初偏心对整体稳定性的影响3残余应力对构件整体稳定性的影响4支座约束对整体稳定性的影响

1、加劲肋的种类和作用

设计时常用设加劲肋来提高腹板的稳定性。

横向加劲肋用于防止由剪应力和局部压应力作用引起的腹板失稳，纵向加劲肋用于防止由弯曲应力引起的腹板失稳，短加劲肋防止由局部压应力引起的腹板失稳。

当集中荷载作用处设有支承加劲肋时，该加劲肋既要起加强腹板局部稳定性的一般横向加劲肋的作用，又要承受集中荷载并把它传给梁腹板，称该加劲肋为支承加劲肋。

减少

楼板自重又

相应

减少梁、柱和基础

尺寸

提高了结构

整体性能并降低了工程造价

减小受压翼缘的自由长度l，或者适当加大受压翼缘宽度b，即适当减小l/b，乃是提高临界荷载，保证钢梁整体稳定性的有效措施。