《钢结构设计原理》读书报告.docx

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《钢结构设计原理》读书报告

研究生考试试卷

考试科目：

《钢结构设计原理》

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1、考前研究生将上述项目填写清楚；

2、字迹要清晰；

3、教师将试卷、答案一起送学院归档。

年月日

《钢结构设计原理》

读书报告

通过赵院长讲解的《钢结构设计原理》这门课程的学习，我对陈绍蕃教授编著的《钢结构设计原理》第三版这本书、钢结构的发展前景、性能以及从事钢结构设计的步骤，有了大致的了解。

本书的内容是在钢结构初步知识的基础上加深提高。

前四章属于钢结构性能的总论。

对于钢结构承载能力的极限状态，除了强度和过度变形不能继续承载外，丧失稳定、疲劳破损和脆性断裂都占重要位置。

本书第二至四章分别对后三个问题集中地做了一般性的论述。

第五至八章是构件的分论，分别论述拉杆、压杆、受弯钩件和压弯构件的承载能力，其中稳定问题占较大分量。

对于钢结构的发展前景、性能，包括以钢结构为主体的建筑是现代空间结构发展的主流，各种钢材的材料性质和特点、制造和安装的各种工序，构件制造过程和结构所处环境对构件产生的影响，各类荷载作用效应对结构稳定性产生的后果等；也使我对钢结构设计工作有了简单的设计思路和概念。

下面就钢结构建筑的发展历史以及未来前景，钢结构的基本性能，各类荷载作用效应对结构稳定性产生的后果等做以下几点分析。

1．钢结构发展历史及前景

1.1钢结构建筑的发展历史

世界建筑发展的轨迹进入了21世纪，我们注意到了这样一个变化——钢结构建筑正在建筑领域扮演着越来越重要的角色，“石头写成的历史”已成为过去，而钢结构被人们越来越多地用来记录时代的文明和成就，承载社会生活的内涵。

钢结构的应用在我国有悠久的历史。

钢结构建筑发展大体可分为三个阶段：

一是初盛时期（50年代～60年代初），二是低潮时期（60年代中后期～70年代），三是发展时期（80年代至今）。

50年代以苏联156个援建项目为契机，取得了卓越的建设成就。

60年代国家提出在建筑业节约钢材的政策，执行过程中又出现了一些误区，限制了钢结构建筑的合理使用与发展。

80年代沿海地区引进轻钢建筑，国内各种钢结构的厂房、奥运会的一大批钢结构体育馆的建设，以及多栋高层钢结构建筑的建成是中国钢结构发展的第一次高潮。

但我国每年的建筑用钢量仅1%被用于预制钢结构，与发达国家80%以上的用量比较，差距巨大。

1.2钢结构建筑在我国的发展前景

根据我国现阶段情况，大力推广钢结构技术、发展钢结构建筑将是大势所趋，面临着极好的历史机遇：

钢结构行业“十二五”发展目标

“十二五”时期，我国经济社会发展呈现新的阶段性特征。

综合判断国际国内形势，钢结构行业发展仍处于可以大有作为的重要战略机遇期，既面临难得的历史机遇，也面对诸多可以预见和难以预见的风险挑战。

经过“十一五”的发展，我国经济社会发展的物质技术基础更加雄厚，有效缓解了我国经济增长中的一些瓶颈制约，为“十二五”时期加快发展创造了有利条件。

特别要指出的是，我国仍处于经济社会发展的重大战略机遇期，钢结构行业未来五年的发展还有巨大的空间，这应该是“十二五”时期我国发展环境的最大优势。

“十二五”期间，我国建筑钢结构发展的指导方针是：

深入贯彻科学发展观，以建筑节能减排为重点，通过技术引领、优化设计，大力推广钢结构新型住宅，逐步实现年建筑钢结构用材占到全国钢材总产量的10%左右，钢结构住宅建设占到房屋总建筑面积15%左右。

2．钢结构基本性能

建筑工程中，钢结构所用的钢材都是塑性比较好的材料，在拉力作用下，应力-应变曲线在超过弹性后有明显的屈服点和一段屈服平台，然后进入强化阶段。

钢材和其他建筑结构材料相比，强度要高得多。

在同样的荷载条件下，钢结构构件截面小，截面组成部分的厚度也小。

建筑结构钢材有较好的韧性，但是钢材的韧性也不是一成不变的，材质、板厚、受力状态、温度等都会对它产生影响。

2.1钢材的生产及其对材料性能的影响

建筑结构所用的钢材包括两大类：

一类是热轧型钢和钢板；另一类是冷成型（冷弯、冷冲、冷轧）的薄壁型钢和压型钢板。

2.1.1钢的熔炼

冶炼按需要生产的钢号进行，它决定钢材的主要化学成分。

炼钢的原料为99%钢水+废钢+合金元素。

平炉炼钢的质量优于转炉炼钢的质量。

目前，我国采用转炉炼钢，转炉钢具有投资少、建厂快、生产效率高、原料适应性强等优点。

2.1.2钢的脱氧

脱氧的手段是在钢液中加入和氧的亲和力比铁高的锰、硅和铝。

脱氧的程度对钢材的质量颇有影响。

镇静钢的质量好于沸腾钢。

镇静钢成本高。

镇静钢偏析小。

镇静钢的性能优于沸腾钢，主要表现在容易保证必要的冲击韧性，包括低温冲击和时效冲击，冲击韧性好可以承受动荷载和处于低温的结构。

2.1.3钢的轧制

辊轧是型钢和钢板成型的工序，是二次熔炼的过程，可以改善钢材的性能。

辊轧分热轧和冷轧，以前者为主。

经过热轧后，钢材组织密实，力学性能得到改善。

这种改善主要表现在沿轧制方向上，从而使钢材在一定程度上不再是各向同性体。

经过轧制之后，钢材内部的非金属夹杂物被压成薄片，出现分层现象。

分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。

焊缝收缩诱发的局部应变是屈服点应变的数倍。

轧制影响钢材的塑性和韧性，产生残余应力，同时加工、切割、焊接也产生残余应力。

热轧钢材厚度小的强度高于厚度大的，而且塑性及冲击韧性也比较好。

因此钢材的机械性能要按厚度分级。

热轧是不均匀冷却造成的残余应力。

在没有外力作用下内部自相平衡的应力叫做残余应力。

板的尺寸越大，冷却后的应力也越大。

各种截面的热轧型钢都有这类残余应力，不过随截面形式和尺寸不同，残余应力的分布有所区别。

一般地说，截面尺寸越大，残余应力也越大。

残余应力虽然是自相平衡的，对钢构件在外力作用下的性能有一定影响。

残余应力影响变形、稳定性、疲劳、低温脆断等。

判断钢结构事故应考虑以下几个方面，化学成分不均匀；C、S、P偏析，含量外多、内少；厚钢板要抽查检验是否有层间撕裂，利用超声波或X射线探伤。

2.1.4矫直和热处理

钢材热轧冷却后存在残余应力，因此矫直后的残余应力应是对原始残余应力进行重新分布。

重分布使翼缘原始残余应力峰值有所降低，将减轻用作压杆时的不利作用。

热处理可以改变钢材性能，建筑钢材一般以热轧状态交货，不进行热处理。

热处理包括调质热处理和正火。

调质热处理包括淬火和高温回火两道工序。

2.1.5钢材的匀质和等向性

钢材内部化学元素的分布不是完全均匀的。

钢锭的四周部分含碳减少，从周边到中心碳逐渐增多，硫、磷等杂质也聚集在冷却较慢的部分，形成偏析。

型钢截面上不同部分的屈服点有差别，是力学性质上的一种非匀质现象。

钢材内部存在残余应力，从力学角度来说也是一种不均匀性。

钢板的各向异性，表现在三个方向的受力性能。

沿轧制方向力学性能最好，横向稍差。

钢板如有分层，则沿厚度方向性能最差。

是否分层，需用超声波等手段探伤。

对于比较重要的结构，一是对钢材进行探伤检查，并限制局部分层的面积，二是在设计时注意避免垂直于板面受拉和焊缝收缩造成层间撕裂。

2.2加工对钢构件性能的影响

钢结构的建造过程分为热加工、冷加工和冷作硬化。

热加工，如钻孔切割，影响残余应力。

冷加工使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。

2.2.1冷加工的影响

冷加工考虑的因素有屈服强度、抗拉强度、冷弯性能。

冷加工后，钢材的强度有所提高，但塑性和冲击韧性降低。

韧性降低的原因包括冷加工和时效两种因素。

冷弯成型后弯角部分屈服点大幅度提高，同时抗拉强度也有所提高，但塑性降低。

2.2.2热加工的影响

热加工包括火焰切割、乙炔切割和焊接。

焊接和焰割对钢材焊接造成以下后果，焊缝金属具有铸造组织，不同于轧制钢材，焊缝性能不如母材好，但强度高；焊弧的高温使邻近焊缝的钢材发生组织变化，焊缝附近性能不好，形成热影响区，热影响区包括过热区、正火区和部分重结晶区，在疲劳情况下，热影响区容易破坏；局部性的高温使钢材发生塑性变形，冷却后存在残余应力，残余应力产生的原因是熔化铁水膨胀，未熔化部分对其产生的应力。

焊接构件的残余应力和热轧构件的一样，在整个截面上拉压两部分应力自相平衡，不同的是焊接构件在焊缝及其近旁的残余拉应力特别高。

2.3制造和安装的偏差对钢结构性能的影响

存在初始弯曲的轴心压杆，受压能力降低，既受压又受弯。

存在初始弯曲的轴心拉杆，不降低承受拉力的能力。

杆长度的偏差会使体系内压力和拉力在体系内自相平衡。

由于出现在承受荷载之前，称为残余内力。

当残余内力和载荷引起的内力同号时，将使承载能力降低。

2.4外界作用对钢结构性能的影响

外界作用包括钢结构建成后的使用荷载和大气作用等。

2.4.1多轴应力的影响

钢材在双向拉力作用下屈服应力和抗拉强度提高，延伸率降低。

在异号双向应力作用下屈服应力和抗拉强度降低，延性率增大。

三向受拉塑性比双向受拉还低，破坏将是脆性的。

三轴拉应力对钢结构是十分不利的。

2.4.2加荷速率的影响

建筑结构钢材在冲击性的快速加载作用下保持良好的强度和塑性变形能力。

即在20℃左右的室温环境下，钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率的增大而提高，塑性变形能力也提高。

不利方面是脆性转变温度随加荷速率增加而提高。

2.4.3循环加载的影响

钢材在多次重复荷载的循环荷载作用下滞回环丰满而稳定，这种好的性能为钢结构在地震作用下耗能能力提供了基础。

2.4.4低温和腐蚀性介质的影响

低温使钢材韧性降低，温度降低到一定程度时钢材在冲击荷载作用下完全是脆性断裂，腐蚀性介质也会促成脆性断裂并影响疲劳强度。

2.4.5高温的影响

除了有热源的生产车间外，钢结构可能遭受的高温主要来自火灾。

如果应力较高，且温度接近600℃，则高温软化可以导致压杆屈曲和拉杆出现颈缩，需要修复、加固或更换。

如果火灾后构件没有新的变形，一般都可以继续安全承载。

3.钢结构稳定问题概述

与传统的钢筋混凝土结构相比，钢结构具有减少工程成本、提高抗震强度、节省空间等优点。

钢结构日益发展的同时钢结构设计存在的问题也日益增多，稳定性是一个突出问题。

钢结构中的稳定问题是钢结构设计中亟待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，所以我们在钢结构设计中，一定要把握好这一关。

3.1钢结构稳定设计特点

3.1.1失稳和整体刚度：

现行规范通用的轴心压杆的稳定计算法是临界压力求解法和折减系数法。

3.1.2稳定性整体分析：

杆件能否保持稳定牵涉到结构的整体。

稳定分析必须从整体着眼。

3.1.3稳定计算的其它特点：

在弹性稳定计算中，除了需要考虑结构的整体性外，还有一些其他特点需要引起重视，首先要做的就是二阶分析，这种分析对柔性构件尤为重要，这是因为柔性构件的大变形量对结构内力产生了不能忽视的影响，其次，普遍用于应力问题的迭加原理。

在弹性稳定计算中不能应用。

这是因为迭加原理的应用应以满足以下条件为前提：

①材料服从虎克定律变成正比；

②结构的变形很小。

而弹性稳定计算一般均不能满足第②个条件，非弹性稳定计算则两个前提都不符合。

了解了一些在钢结构设计中应该明确的一些基本概念，有助于我们在设计中更好地处理稳定方面的问题，随着新型钢结构体系地不断发展，我们对稳定问题的研究要求也不断地提高，之所以在设计中出现结构失稳问题，另一个重要原因就是我们对新型结构稳定知之甚少，也就是目前钢结构稳定研究中存在的问题。

3.2钢结构稳定性研究中存在的问题

钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展，但也存在一些不容忽视的问题。

3.2.1目前在网壳结构稳定性的研究中，梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。

但梁-柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁-柱单元进行过修正。

主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。

3.2.2在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。

3.2.3预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。

3.2.4钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。

所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。

以上都是钢结构稳定设计中存在的问题，只有我们进一步地深入研究这些稳定，钢结构稳定理论将会进一步完善，如对于钢结构稳定设计中涉及到随机因素的影响，国外已经引入了钢结构稳定的可靠度设计，这也表明了钢结构稳定设计理论也在不断的完善。

3.3结语

钢结构稳定问题是很复杂的,尤其当构件存在初始缺陷、残余应力以及非线性因素的影响时,就更增加了解决稳定问题的难度。

另外,在工程结构稳定性的研究领域中,还存在很多尚未解决的难题。

比如:

大跨度桥梁、大跨度薄壳、大跨度大空间网壳、高层与超高层建筑结构的双重非线性动力稳定性等问题。

只有深入研究并解决这些难题,钢结构稳定设计理论才会不断地完善。