钢结构基本原理(戴国欣版)(完整版)PPT资料.ppt

1、7：建筑钢结构设计，王肇民主编，同济大学出版社，2001。8：钢结构设计规范理解与应用，崔佳等编著，中国建筑工业出版 社，2003。9：钢结构设计规范GB500172003。10：冷弯薄壁型钢结构技术规程GB500182002。,钢结构设计原理,3,主要内容,1：绪论2：钢结构的材料3：钢结构的连接4：轴心受力构件5：受弯构件6：拉弯和压弯构件,钢结构设计原理,4,第一章 绪 论,1.1 钢结构的特点1.2 钢结构的设计方法1.3 钢结构的应用和发展,钢结构设计原理,5,第一章 绪论,1.1 钢结构的特点,1.1 钢结构的特点,1.轻质高强,2.塑性、韧性好,3.材质均匀、性能稳定,4.制作简

2、便，施工工期短,5.密闭性好,6.耐腐蚀性差,7.耐热不耐火,6,第一章 绪论,1.2 钢结构的设计方法,1.2 钢结构的设计方法,设计方法：以概率理论为基础的极限状态设计方法,计算疲劳仍采用容许应力幅法,计算强度、稳定、连接用荷载设计值,计算疲劳、变形用荷载标准值,对于直接承受动力荷载的结构：在计算强度和稳定时，动力荷载设计值应乘动力系数 在计算疲劳和变形时，动力荷载标准值不应乘动力系数,7,第一章 绪论,1.3 钢结构的应用与发展,1.3 钢结构的应用与发展,1.钢结构的应用,（1）重：重工业厂房,（2）大：大跨度结构,（3）高：高层建筑、高耸结构,（4）动：受动荷载作用的厂房,（5）轻：

3、荷载较小的轻钢结构,（6）小：小型、可拆装的结构,8,第一章 绪论,1.3 钢结构的应用与发展,2.钢结构的发展,（1）高性能钢材的研究与应用,（2）设计方法的改进,（3）稳定理论的进一步发展,（4）预应力钢结构的研究与应用,（5）空间钢结构与高层钢结构的研究与应用,（6）组合结构的研究与应用,9,轻质材料的质量密度与强度的比值 小Q235钢C30混凝土,附1：轻质高强,Q235钢 密度：7850kg/m3 强度：235N/mm2,C30混凝土 密度：2450kg/m3 强度：20N/mm2,10,钢结构设计原理,第二章.钢结构的材料,2.1 钢结构对材料的要求2.2 钢材的破坏形式2.3 钢

4、材的主要性能2.4 各种因素对钢材主要性能的影响2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件2.6 钢材的疲劳2.7 钢的种类和钢材规格,11,第二章 钢结构的材料,2.1 钢结构对材料的要求,较高的强度,2.1 钢结构对材料的要求,足够的变形能力。即塑性、韧性好。,良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）,钢结构设计规范GB50017-2003规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。对需

5、要验算疲劳的非焊接结构的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。,12,第二章 钢结构的材料,2.2 钢材的破坏形式,塑性破坏：破坏前有明显的变形，破坏历时时 间长，可以采取补救措施。,2.2 钢材的破坏形式,脆性破坏：破坏前没有明显的变形，破坏发生 突然，没有机会补救。,脆性破坏的原因：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造 不合理、使用不当等。,应尽量发挥材料的塑性 避免一切脆性破坏的可能性,13,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,一、强度,2.3 钢材的主要性能,强度指标是由钢材的单向均匀受拉试验测得的,强度指标：比例极限；屈服强度；极限强度,试验条件：标准试件在常温（20）下缓慢加载，一次

6、完成,14,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,钢材在单向均匀受拉时工作性能表现为四个阶段,弹性阶段:应力最高点对应比例极限 弹性模量 应力,2.弹塑性阶段:应力介于 和 之间 弹塑性模量 是变数,3.塑性阶段:应力达到屈服强度,4.强化颈缩阶段:应力最高点对应抗拉极限,15,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体,1.计算简便,2.与 相差不大,3.虽然，但 对应 的应变非常大（不满足正 常使用极限状态）,4.以 作为设计强度的依据，具有较大的强度储备，若出现偶然因素，使人们有机会补救,屈强比：Q235钢为0.57，Q345钢为0.67,

7、16,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,简化计算,采用理想弹塑性模型,作为钢结构设计的最大应力,作为钢材实际破坏强度,17,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,二、塑性性能,塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力,衡量塑性性能的指标：伸长率,18,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,三、冲击韧性,冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力,衡量冲击韧性的指标：冲击功,韧性是钢材强度和塑性的综合指标,冲击韧性受温度的影响,冲击韧性由冲击韧性试验获得,19,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,四、冷弯性能,冷弯性能是检验钢材适应冷加工（常温下加工

8、）的能力和显示钢材内部缺陷状况的一项指标,冷弯性能是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性 变形能力的指标,冷弯性能由冷弯试验确定,20,第二章 钢结构的材料,2.3 钢材的主要性能,钢材物理性能指标,弹性模量泊松比剪变模量线膨胀系数质量密度,21,附2：拉伸试件,22,附3：冲击韧性试验,23,附4：冷弯试验,24,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,一、化学成分,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%普通低合金钢中有5%的合金元素,碳（C）：钢材强度的主要来源，但是随其含量增加，强度增 加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一

9、般 控制在0.120.2%，在0.2以下时，可焊性良好,硫（S）：热脆性，不得超过0.05%,磷（P）：冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%,25,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点为 1600，可以消除一部分S的有害作用。,硅（Si）：强脱氧剂。,氧（O）：有害杂质，效果同S。,氮（N）：有害杂质，效果同P。,26,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,二、冶金缺陷,常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹等。偏析化学成分分布的不均匀程度。,三、加荷速度,1材性试验

10、要求缓慢加载 2要考虑动荷载对结构的不利影响,加荷速度高，钢材屈服点提高，呈脆性。因此，,27,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,四、钢材硬化,冷作硬化当加载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称“应变硬化”,应变时效钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。,时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。,28,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,五、温度的影响,1.正温范围,100以内 对钢材性能无影响；,100以上

11、 随温度升高，总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大,250左右 抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增 加蓝脆现象。该温度区段称为“蓝脆区”。,260320 在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续 变形徐变现象。,600左右 弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。,29,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,2.负温范围,当温度低于常温时，钢材的脆 性倾向随温度降低而增加。,T1 T2 之间温度转变脆性区，冲击功急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。使用温度必须高于T1，但不一定高于T2,30,第二章 钢结构的材料,2.4 各种因素对钢材

12、主要性能的影响,六、应力集中的影响,构造缺陷：构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变等,应力集中：由于构造缺陷，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处 有高峰应力。,应力集中的危害：塑性降低，脆性增加,构造设计时应避免截面突变和尖锐角的情况,七、厚度的影响,随着厚度的增加，钢材的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度均下降,31,第二章 钢结构的材料,2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件,2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件,假定：1.材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积 中积聚的能量来表达；2.当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能 时，钢材即由弹性转入塑性。,弹性状态,塑性状态,平面应力状态,梁

13、的应力状态,纯剪应力状态,32,第二章 钢结构的材料,2.6 钢材的疲劳,2.6 钢材的疲劳,一、钢材疲劳破坏的特征,1.概念,钢材的疲劳钢材在连续循环荷载作用下，当循环次数达 到某一值n时钢材的破坏,循环荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载,应力循环次数n结构或构件破坏时所经历的应力变化次数,应力幅 在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复 一次为一次循环，最大应力与最小应力之差 为应力幅。,直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n5104时，应进行疲劳计算。,33,第二章 钢结构的材料,2.6 钢材的疲劳,常幅疲劳荷载所有应力循环中，应力幅保持常量。,变幅疲劳荷载

14、在应力循环过程中，应力幅是变量。,34,第二章 钢结构的材料,2.6 钢材的疲劳,2.疲劳破坏的特点,（1）疲劳破坏时，应力小于材料静力强度；（2）疲劳破坏属于突然的脆性破坏。,3.疲劳破坏的过程,4.影响疲劳强度的主要因素,（1）应力幅,（2）应力循环次数 n,35,第二章 钢结构的材料,2.6 钢材的疲劳,二、常幅疲劳计算,36,第二章 钢结构的材料,2.6 钢材的疲劳,三、变幅疲劳计算,重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的疲劳可作为常幅疲劳，按下式计算：,吊车梁和吊车桁架欠载效应的等效系数,37,第二章 钢结构的材料,2.6 钢材的疲劳,疲劳计算时应注意的问题,1.直接承受动力荷

15、载重复作用的钢结构构件及其连接，当应 力变化的循环次数n5104时，应进行疲劳计算。,2.疲劳计算采用容许应力幅法，荷载采用标准值。,3.由于来源于试验，已考虑动力效应，计算时不再考虑动力系数。,4.在应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳。,38,第二章 钢结构的材料,2.7 钢的种类和钢材规格,2.7 钢的种类和钢材规格,一、钢的种类,1.化学成分,普通碳素钢 Q235普通低合金钢 Q345、Q390、Q420,平炉 成本高，质量好（6小时100t左右）氧气顶吹转炉 成本低，质量也可（15分钟150t）,2.炉种,3.脱氧程度,沸腾钢（F）脱氧较差镇静钢（Z）脱氧充分半镇静钢（b）脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间特殊镇静钢（TZ）,39,第二章 钢结构的材料,2.7 钢的种类和钢材规格,4.质量等级,A级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量B、C、D级：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击 韧性（分别为20、0、-20）及碳、硅、锰、硫、磷含量E级：除满足D级的要求外，还要求-40时的冲击韧性,5.钢材编号,碳素钢：Q质量等级（AD）脱氧程度（F，b）低合金钢：Q质量等级（AE）如Q235-AF、Q345-C,40,第二章 钢结构的材料,2.7 钢的种类和钢材规格,6.钢材的选择,（1）结构或构件的重要性；（2）荷载的种类（静荷载