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钢结构设计原理,2022/12/21,2,第1章 绪 论,本章问答： 钢结构？ 哪里用？ 如何用？重点：掌握钢结构的特点及应用范围，理解钢结构的计算方法。 难点：理解钢结构的计算方法。,2022/12/21,3,本章提纲,1.1 钢结构发展简史1.2 钢结构的特点及应用1.3 钢结构的设计方法1.4有关钢结构的规范、规程及标准简介1.5 钢结构的新发展,2022/12/21,4,1.1钢结构发展简史(了解),钢结构？钢结构是钢材制成的工程结构，通常由型钢和钢板等制成的梁、桁架、柱、板等构件组成，各部分之间用焊缝、螺栓或铆钉连接有些钢结构还部分采用钢丝绳或钢丝束。含碳量小于2的铁碳合金称作钢，含碳量大于2时称作铁。,2022/12/21,5,1.1钢结构发展简史,钢是一种铁碳合金，人类采用钢结构的历史和炼铁、炼钢技术的发展是密不可分的。最早在公元前2000年左右，在伊拉克两河流域就出现了早期的炼铁术。我国也是较早发明炼铁技术的国家之一，早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行了。公元65年（汉明帝时代），已成功地用锻铁为环，相扣成链，建成了世界上最早的铁链悬桥兰津桥。此后，为了便利交通，跨越深谷，曾陆续建造了数十座铁链桥。其中跨度最大的为1705年（清康熙）建成的四川泸定大渡河桥，桥宽2.8m，跨长100m。除铁链悬桥外，我国古代还建有许多铁建筑物，如铁塔等，目前依然存在。所有这些都表明，我们中华民族对铁结构的应用，曾经居于世界领先地位。,2022/12/21,6,1.1钢结构发展简史,欧美等国家中最早将铁做为建筑材料的当属英国，但直到1840年以前，还只采用铸铁来建造拱桥。1840年以后，随着铆钉连接和锻铁技术的发展，铸铁结构逐渐被锻铁结构取代，随着1855年英国人发明贝氏转炉炼钢法和1865年法国人发明平炉炼钢法，以及1870年成功轧制出工字钢之后，形成了工业化大批量生产钢材的能力，强度高且韧性好的钢材才开始在建筑领域逐渐取代锻铁材料，自1890年以后成为金属结构的主要材料。20世纪初焊接技术的出现，以及1934年高强度螺栓连接的出现，极大地促进了钢结构的发展。除西欧、北美之外，钢结构在前苏联和日本等国家也获得了广泛的应用，逐渐发展成为全世界所接受的重要结构体系。,2022/12/21,7,1.1钢结构发展简史,全国重点保护文物泸定铁索桥，建于17051706年，桥身共由13根铁链组成；每根（铁链）由862977节铁环相扣，每根铁链重13001800kg。,2022/12/21,8,1.1钢结构发展简史,公元1061年（宋代）湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔，目前依然存在。铁塔高17.9米，八角十三级，重53.3吨，为我国现存最高、最重、最大的铁塔。已有900多年的历史。,2022/12/21,9,1.1钢结构发展简史,甘露寺铁塔位于天王殿东北，实际上是唐宝历元年(八二五年)卫公李德裕建，故又称卫公塔。宋代重铸为铁塔，原塔为七级。十九世纪末又因大风疾雷，倾倒四层。,2022/12/21,10,1.1钢结构发展简史,鸦片战争后，中国沦为半殖民地半封建社会，经济停滞不前，钢结构的发展也比较缓慢。这期间建造的桥梁大多为国外修筑。值得一提的是，1937年建成的钱塘江大桥是由我国著名桥梁专家茅以升负责设计和监督施工的。解放后，生产力得到大的发展，建成了大量的钢结构工程，其中不少在规模上和技术上已经达到世界先进水平。桥梁方面：1957年的武汉长江大桥；1968年的南京长江大桥；1992年的九江长江大桥；1993年的上海杨浦大桥；1996年的西陵长江大桥等。公用与民用建筑：首都体育馆（跨度99m平板网架结构）；上海体育馆（直径110m平板网架结构）；秦俑陈列馆（跨度70m的三铰拱钢结构）塔桅结构：北京环境气象桅杆（1977，325m）；上海东方明珠电视塔（1995，468m）。,2022/12/21,11,1.1钢结构发展简史,由茅以升先生主持兴建的杭州钱塘江大桥。该桥由他带领一批留学生自行设计和监造(实际施工由丹麦康益洋行承包下部结构和沉箱基础工程，上部结构钢梁则由英商道门朗公司承包制造和安装)。,2022/12/21,12,1.1钢结构发展简史,广州中山纪念堂是为了纪念孙中山先生建造的，于1931年10月竣工。厅内容积为33300立方米，容量为5000人。建国后，广州市的标志性建筑，为国家一级文物。,2022/12/21,13,1.1钢结构发展简史,2022/12/21,14,1.1钢结构发展简史,2022/12/21,15,1.1钢结构发展简史,2022/12/21,16,1.1钢结构发展简史,2022/12/21,17,1.2 钢结构的特点及应用(掌握)哪里用？,1.2.1钢结构特点（1）钢材强度高，结构质量轻钢与砖石和混凝土相比，虽然密度较大，但强度更高，故其密度 与强度的比值较小，承受同样荷载时，钢结构要比其他结构轻。例如，当跨度和荷载均相同时，钢屋架的质量仅为钢混凝土屋架的1/31/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10，为运输和吊装提供了方便。由于钢结构常较柔软细，因此稳定问题比较突出，应给予充分注意。,2022/12/21,18,1.2 钢结构的特点及应用(掌握)哪里用？,钢材 比重：7850Kg/m3, 抗拉设计强度（200 ）N/mm2 重量/强度40 混凝土 比重：2500Kg/m3, 抗拉设计强度（1 ）N/mm2 重量/强度2500 木材 比重：500Kg/m3, 顺纹抗拉强度（10 ）N/mm2 重量/强度50 强度高，适用于建造跨度大、承载重的结构。,2022/12/21,19,（2）材质均匀，且塑性韧性好 钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性体，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合，计算结果比较可靠，安全可靠度高。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以严格控制，材质波动的范围小。塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量 塑性承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而突然断裂，给人以安全保证 。 韧性承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能，适宜在动力荷载下工作。适用于建造重要结构、对抗震要求较高的结构,1.2 钢结构的特点及应用,2022/12/21,20,1.2 钢结构的特点及应用,（3）良好的加工性能和焊接性能 钢材具有良好的冷热加工性能和焊接性能，便于在专业化的金属结构厂大批量生产出精度较高的构件，然后运至现场，进行工地拼接和吊装，既可保证质量，又可缩短施工周期。（4）密封性好 采用焊接连接的钢板结构，具有较好的水密性和气密性，可用来制作压力容器、管道，甚至载人太空结构。（5）钢材的可重复使用性 钢结构加工制造过程中产生的余料和碎屑，以及废弃和破坏了的钢材或构件，均可回炉重新冶炼成钢材重复使用。因此，钢材被称为绿色建筑材料或可持续发展的材料。,2022/12/21,21,1.2 钢结构的特点及应用,（6）钢材耐热但不耐火100以内，强度无影响；150以上，必须进行遮挡处理600左右，钢材进入塑性，无承载能力 温度在200以内时，钢材主要力学性能降低不多。温度超过200后，不仅强度逐步降低，还会发生蓝脆和徐变现象。温度达600时，钢材进入塑性状态不能继续承载裸钢的耐火极限通常只有1530分钟，根据我国有关建筑防火设计规范的要求，建筑的主要承重构件，如柱、梁、墙、楼板的耐火极限的要求，分别为0.53.0小时。我们国家已经明文规定必须在钢结构上采取防火措施，而且要达到相应的国家标准才能通过验收。措施：防火涂料、防火漆、外包混凝土,2022/12/21,22,1.2 钢结构的特点及应用,（7）耐腐蚀性差 钢材耐腐蚀的性能比较差，必须对结构注意防护。尤其是暴露在大气中的结构如桥梁，更应特别注意。这使维护费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆，锈蚀问题并不严重。近年来出现的耐候钢具有较好的抗锈性能，已经逐步推广应用。容易腐蚀，处于较强腐蚀性介质内的建筑物不宜采用钢结构。 （8）钢结构的低温冷脆倾向 在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂。,2022/12/21,23,1.2 钢结构的特点及应用,1.2.2钢结构的应用（1）大跨结构 钢材强度高结构重量轻的优势正好适合于大跨构，因此钢结构在大跨空间 结构和大跨桥梁结构中得到了广泛的应用如飞机库，体育馆，展览厅，影剧院，大型交易市场等屋盖结构。,国家体育场建筑体形上像鸟巢。可容纳8万人。平面为椭圆形,长轴340m短轴292m。屋盖中间有一个146m76m的开口，这部分将设计成开合屋盖。采用加肋薄壁箱形截面 ，总用钢量达16万t 。,2022/12/21,24,1.2.2钢结构的应用,位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近12公顷，总建筑面积近15万平方米，总投资26.88亿元。 该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口均设在水下 。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计 ，整体结构用钢量达6750t，195kg/m。,国家大剧院,2022/12/21,25,1.2.2钢结构的应用,深圳会展中心,膜结构,2022/12/21,26,1.2.2钢结构的应用,（2）工业厂房 吊车起重量较大或者其工作较繁重的车间的主要承重骨架多采用钢结构。另外，有强烈辐射热的车间，也经常采用钢结构。结构形式多为由钢屋架和阶形柱组成的门式刚架或排架，也有采用网架做屋盖的结构形式。如冶金工厂的平炉车间、初轧车间、混铁炉车间等；重型机器厂的铸钢车间，水压机车间、锻压车间等；造船厂的船台车间飞机制造厂的装配车间等。这些车间的主要承重骨架往往全部或部分采用钢结构。,2022/12/21,27,1.2.2钢结构的应用,西安变压器厂（400t吊车）,2022/12/21,28,1.2.2钢结构的应用,（3）受动力荷载影响的结构 由于钢材具有良好的韧性，设有较大锻锤或产生动力作用的其他设备的厂房，即使屋架跨度不大，也往往由钢制成。对于抗震能力要求高的结构，采用钢结构也是比较宜的。 （4）高耸和高层建筑 高耸结构也包塔架和桅杆结构。如高压输电线路的塔架、广播和电视发射用的塔架和桅杆等。上海的东方明珠电视塔高度达到468m， 高层建筑的骨架，也是钢结构应用范围的一个方面，目前国内最高的是上海环球金融中心，高度为492m。,2022/12/21,29,1.2.2钢结构的应用,金茂大厦是由中国上海对外贸易中心股份有限公司独家投资5.6亿美元建设的一座88层的超高层大厦，建筑高度420.5米，建筑面积28.9万平方米，于1998年8月28日竣工。 总用钢量14000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。,央视新台址建设工程位于北京朝阳区东三环中路、北京商务中心区的核心地段，占地面积18.7万平方米，总建筑面积55万平方米, 230m。,2022/12/21,30,1.2.2钢结构的应用,2022/12/21,31,1.2.2钢结构的应用,（5）可拆卸的结构钢结构不仅重量轻，还可以用螺栓或其他便于拆装的手段来连接，因此非常适用于需要搬迁的结构。用于装配式活动房屋、临时性展览馆、舞台、施工时的临时房屋、温室大棚等,活动车库,活动桥,2022/12/21,32,1.2.2钢结构的应用,（6）容器和其他构筑物 冶金、石油、化工企业中大量采用钢板做成的容器结构，包括油罐、煤气罐、高炉、热风炉等。此外，经常使用的还有皮带通廊栈桥、管道支架、锅炉支架等其他钢构筑物，海上采油平台也大都采用钢结构。,大连西太平洋石化有限公司CF-62钢球罐,陕西铜川天然气公司1000立方米天然气球罐,2022/12/21,33,1.2.2钢结构的应用,（7）轻型钢结构 轻型钢结构是一个很模糊的概念，没有严格的定义。以下结构都可称为轻型钢结构：由冷弯薄壁型钢组成的结构；由热轧轻型型钢（工字钢、槽钢、 H型钢、L型钢、T型钢等）组成的结构；由焊接轻型型钢（工字钢、槽钢、 H型钢、L型钢、T型钢等）组成的结构；由圆管、方管、矩形管组成的结构由薄钢板焊成的构件组成的结构由以上各种构件组成的结构。,门式刚架结构,2022/12/21,34,1.2.2钢结构的应用,（8） 钢和混凝土的组合结构 钢构件和板件受压时必须满足稳定性要 求，往往不能充分发挥它的强度高的作用，而混凝土则最宜于受压不适于受拉，将钢材和混凝土并用，使两种材料都充分发挥它的长处，是一种很合理的结构。近年 来这种结构在我国获得了长足的发展，广泛应用于高层建筑(如深圳的赛格广场)、大跨桥梁、工业厂房和地铁站台柱等。主要构件形式有钢与混凝土组合梁和钢管 混凝土柱等。,2022/12/21,35,1.3钢结构的设计方法（难点）,1.3.1概率极限状态设计法（掌握）1.结构的功能要求可靠性指结构在规定的使用期限内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。建筑结构应该满足的功能要求可概括为：（1）安全性 建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载和变形。（2）适用性 结构在正常使用过程中应具有良好的工作性。例如，不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等；（3）耐久性 结构在正常维护条件下应有足够的耐久性，完好使用到设计规定的年限（即设计使用年限例如一般建筑结构可以规定为50年）。例如混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。（4）在设计规定的偶然事件(如地震、爆炸)发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性所谓整体稳定性，系指在偶然事件发生时及发生后，建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。,2022/12/21,36,1.3.1概率极限状态设计法,2.结构的可靠度 结构的可靠度是：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。规定时间，通常采用结构的设计使用年限；规定条件是指正常设计，正常施工，正常使用和维护的条件，不考虑人为过失影响。3.结构的极限状态 设计时，结构的可靠性是用结构的极限状态来判断的。整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计指定的某一功能要求这个特定状态称为该功能的极限状态。结构的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。,2022/12/21,37,1.3.1概率极限状态设计法,(1)承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。当结构或构件由于材料强度不够而破坏，或因疲劳而破坏，或产生过大的塑性变形而不能继续承载，结构或构件丧失稳定；结构转变为机动体系时，结构或构件就超过了承载能力极限状态。超过承载能力极限状态后，结构或构件就不能满足安全性的要求。(2)正常使用极限状态结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。当结构或构件出现影响正常使用的过大变形、裂缝过宽、局部损坏和震动时可认为结构或构件超过了正常使用极限状态。超过了正常使用极限状态，结构或构件就不能保证适用性和耐久性的功能要求。结构或构件按承载能力极限状态进行设计后，还应该按正常使用极限状态进行验算。结构设计时应不超过承载能力极限状态和正常使用极限状态。把极限状态作为结构设计原则的设计方法，就是极限状态设计法。,2022/12/21,38,1.3.1概率极限状态设计法,4.概率极限状态设计原理 以概率理论为基础的极限状态设计方法则是以结构失效概率来定义结构可靠度，并以与结构失效概率相对应的可靠指标来度量结构可靠度，从而能较好地反映结构可靠度的实质，使设计概念更为科学和明确。结构的极限状态可以用极限状态函数来表达：Z R S S 荷载效应，它代表由各种荷载分别产生的荷载效应的总和； R 结构构件抗力当 Z RS 0 时，结构处于可靠状态； 当 Z RS =0 时，结构达到极限状态； 当 Z RS 0 时，结构处于失效 ( 破坏 ) 状态。,2022/12/21,39,1.3.1概率极限状态设计法,安全的概念是相对的，所谓“安全”只是失效概率相对较小而已，失效概率不可能为零，故不存在绝对安全的结构。应该通过设计把失效概率控制在某一个可以接受的限制以下就可以。,从结构安全的角度，提高结构构件的抗力R，减小抗力R和荷载效应S的离散程度，可以提高结构的可靠程度，即提高R S，减小R 、 S可使失效概率降低。,2022/12/21,40,1.3.1概率极限状态设计法,失效概率Pf来度量结构的可靠性具有明确的意义，但计算繁琐，可以利用可靠度指标代替失效概率来度量结构的可靠性。,()标准化正态分布函数,2022/12/21,41,1.3.1概率极限状态设计法,在随机变量 R、S 服从正态分布时，只要知道 就可以求出可靠指标 。把 称为可靠指标。可靠指标可以反映失效概率的大小，和Pf 之间有一一对应关系，用可靠指标计算更为简便。可以看出 大，则失效概率Pf小。,目标可靠指标 为使结构设计安全和经济合理，确定一个公众所能接受的建筑结构的失效概率或可靠指标，称为目标可靠指标(允许失效概率)相关因素：安全等级，破坏形式，极限状态,（1.3.1）,2022/12/21,42,1.3.1概率极限状态设计法,5.极限表达式 分项系数是按照目标可靠指标值，并考虑 工程经验优选 确定后，将其隐含在设计表达式中，分项系数已起着考虑目标可靠指标的等价作用。 实用设计表达式是多系数的极限状态表达式，包括承载力分项系数和荷载分项系数等，其来源与目标可靠指标有关，并都由值度量的，这样可保证结构的各个构件之间的可靠度水平或各种结构之间的可靠度水平基本上比较一致。 规范给出的实用设计表达式有承载能力极限状态设计表达式和正常使用极限状态表达式均由此原理确定。承载能力极限状态设计表达式 结构重要性系数 0 它是第一层次的分项系数，应按结构构件的安全等级、设计使用年限并考虑工程经验确定。,2022/12/21,43,1.3.1概率极限状态设计法,结构构件的重要性系数，与安全等级对应： （1）对安全等级为一级或设计使用年限为 100 年及以上的结构构件不应小于 1.1 ；（2）二级或设计使用年限为 50 年的结构构件不应小于 1.0 ；（3）等级为三级或5 年及以下的结构构件不应小于 0.9 。（4）在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数 荷载效应分项系数： 它是第二层次的分项系数，根据给定的目标可靠指标和不同的可变荷载与永久荷载比值，对不同类型的构件进行反算后得出相应的分项系数，从中经过优选，确定最合适的数值。例如，永久荷载的分项系数，根据其效应对结构不利和有利分别取1.2和1.0，可变荷载的分项系数一般取1.4等。,2022/12/21,44,1.3.1概率极限状态设计法,实际上荷载效应中的荷载有永久荷载和可变荷载 ，为荷载组合，并且可变荷载不止一个，同时，可变荷载对结构的影响有大有小，多个可变荷载也不一定会同时发生，为此，考虑到两个或两个以上可变荷载同时出现的可能性较小，引入荷载组合值系数对其标准值折减。 作用效应有基本组合也有偶然组合。按承载能力极限状态设计时，一般考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的偶然组合。 建筑结构荷数规范规定：对于基本组合，荷载效应组合的设计值应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的两组组合中取最不利值确定。,结构抗力设计值R,R =R（ R ，f k，ak，.）= Rk / R,荷载效应组合设计值S,、基本组合,2022/12/21,45,1.3.1概率极限状态设计法,由可变荷载效应控制的组合,由永久荷载效应控制的组合,取最不利值,其中，G永久荷载分项系数;Q可变荷载分项系数;SGk永久荷载效应标准值 SQk 可变荷载效应标准值 ; ci第i个可变荷载的组合系数,承载能力极限状态设计表达式,（1.3.3）,（1.3.2）,2022/12/21,46,1.3.1概率极限状态设计法,G 永久荷载分项系数。当永久荷载效应对结构构件的承载能力不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35；当永久荷载效应对结构构件的承载能力有利时，一般情况下取1.0，验算倾覆、滑移或漂浮时取0.9；Q1, Qi第1个和第i个可变荷载分项系数。当可变荷载效应对结构构件的承 载能力不利时，在一般情况下应取1.4，对标准值大于4.0kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3；当可变荷载效应对结构构件的承载能力有利时，应取为0； S永久荷载标准值的效应； SQ1k在基本组合中起控制作用的第1个可变荷载标准值的效应； SQik第i个可变荷载标准值的效应； ci第i个可变荷载的组合值系数，其值不应大于1,2022/12/21,47,1.3.1概率极限状态设计法,对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则,由可变荷载效应控制的组合,由永久荷载效应控制的组合,取最不利值,简化设计表达式中采用的荷载组合系数，,一般情况下可取=0.90,当只有一个可变荷载时，取 =1.0,、偶然组合,2022/12/21,48,1.3.1概率极限状态设计法,偶然组合极限状态设计表达式确定的一般原则）只考虑一种偶然作用与其他荷载的组合）偶然作用的代表值不乘以分项系数）可变荷载可根据与偶然作用同时出现的可能性，采用适当的代表值，如准永久值等）荷载与抗力分项系数值,可根据结构可靠度分析或工程经验确定,正常使用极限状态设计表达式, 允许其出现的概率高于承载能力极限状态 采用荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合 S C C结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，例如变形f lim、 裂缝宽度w lim等,2022/12/21,49,1.3.2结构内力分析方法,钢结构的正常使用极限状态只涉及变形验算，仅需考虑荷载的标准组合：,针对未变形的结构来分析它的平衡；不考虑变形对外力的影响，叫做一阶分析；针对已变形的结构来分析它的平衡，叫做二阶分析。一阶分析所得变形与荷载关系是线性的，二阶分析所得变形与荷载关系是非线性的，叠加原理不可用。 应力问题一般只用一阶分析，只有少数特殊结构，如索结构、桅杆结构，因变形对内力影响很大，才需用二阶分析。,1.3.2结构内力分析方法,2022/12/21,50,1.4有关钢结构的规范、规程及标准简介（了解）,我国涉及钢结构的规范、规程、标准等从总体上可分为5个层次。属于第一个层次的有：（1）GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准 ； 属于第二个层次的有：（1）GB2009-2001建筑结构荷载规范； 属于第三个层次的有：（1）GB50017钢结构设计规范； ,2022/12/21,51,1.5钢结构的新发展（了解）,1.5.1结构用钢的新发展,国内外在高性能钢材的应用方面取得不少新进展，其中包括高强度高性能钢、低屈服点钢和耐火钢的开发和应用等。高性能钢材是一个综合性的相对概念。钢材产品及标准中尚无明确的定义。按应用性能不同一般可分为以下几类：1）综合性能优异的钢材在强度、延性、冲击韧性、焊接性等各方面性能均优于通用性能的钢材。如建筑结构用钢板（GJ钢）、低合金钢中TMCP交货钢材等。2）专用性能优异的钢材满足某一功能要求而其专用性能优异的钢材。如“厚度方向钢板”、“耐候钢”、“耐火钢”等。3）截面特性优异的钢材因截面形状更合理而具有更优化截面特性的热轧（冷弯）型材。如宽翼缘工字钢、冷弯薄壁型钢、蜂窝梁等。 相对来说，我国钢材的种类和质量均不及工业发达国家的。如何研制开发新型高效钢材是摆在我国冶金战线科技工作者面前的一项重要任务。,2022/12/21,52,1.5钢结构的新发展,1.5.2新型结构体系的应用和发展,近年来，在全国各地修建了大量的大跨空间结构，网架和网壳结构形式已在全国普及，张弦桁架、悬挂结构也有很多应用实例；直接焊接钢管结构、变截面轻钢门式刚架、金属拱型波纹屋盖等轻钢结构也已遍地开花；钢结构的高层建筑也在不少城市拔地而起；适合我国国情的钢-混凝土组合结构和混合结构也有了广泛应用；目前好多地方都在建造索膜结构的罩棚和建筑小品可以毫不夸张地说，我国已成了各种钢结构体系的展览馆和试验场。,选择先进合理的结构体系，既能满足建筑艺术需要，又能做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量就显得非常重要。目前有一种为追求建筑造型新奇、怪异，而不惜浪费钢材采用最笨重的结构形式的倾向是值得警惕的。,2022/12/21,53,1.5钢结构的新发展,1.5.3设计方法的新发展 目前我国采用的概率极限状态设计法的特点是用根据各种不定性分析所得到的失效概率(或可靠指标)去度量结构的可靠性，并使所计算的结构构件的可靠度达到预期的一致性和可比性。但是该方法还有待发展，因为用它计算的可靠度还只是构件或某一截面的可靠度而不是结构体系的可靠度，该方法也不适用于构件或连接的疲劳验算。,2022/12/21,54,第2章钢结构的材料,教学要求： 了解钢材的生产及建筑钢材的种类、规格和选用原则， 掌握钢材的主要性能及影响其性能的各种要素，熟悉钢材的疲劳的概念及钢材疲劳的计算方法。,重点：钢材的主要性能及影响性能的各种要素难点：钢材疲劳破坏的特点及常幅疲劳、变幅疲劳的计算原理及方法,本章内容：2.1概述；2.2钢材的生产2.3钢材的主要性能；2.4各种因素对钢材性能的影响；2.5钢材的疲劳；2.6建筑用钢的种类、规格和选用,2022/12/21,55,2.1概述（熟悉）,国民经济各部门大多需要钢材，但由于各自用途不同，所需钢材性能各异。如有的机器零件需要钢材有较高的强度、耐麻性和中等的韧性；有的石油化工设备需要钢材具有耐高温性能；机械加工的切削工具需要钢材有很高的强度和硬度；等等。因此，虽然碳素钢有一百多种，合金钢有三百多种，但是符合钢结构性能要求的钢材只能碳素钢及合金钢中的少数几种。用作钢结构的钢材必须具备 如下性能：（1）较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。抗拉强度高，可以增加结构的安全保障。屈服点高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价。（2）足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。塑性好则结构破坏前变形比较明显，从而可减少脆性破坏的危险性，并且塑性变形还能调整局部高峰应力，使之趋于平缓。韧性好则在动荷载作用下破坏时可吸收较多的能量，同样也降低脆性破坏的危险程度。对采用塑性设计的结构和地震区的结构而言，钢材变形能力的大小 具有特别重要的意义。,2022/12/21,56,2.1概述（熟悉）,（3）良好的加工性能。即适合冷、热加工，同时具有良好的可焊性，不因这些加工而对强度、塑性及韧性带来较大的有害影响。 此外，根据结构的具体工作条件，在必要时还应该具有适应低温、有害介质侵蚀（包括大气锈蚀），以及重复荷载作用等的性能。在符合上述性能的条件下，同其他建筑材料一样，钢材也应该容易生产，价格便宜。,钢铁是怎样炼成的？,2022/12/21,57,2.2钢材的生产（了解）,炼钢的主要任务是按所炼钢种的质量要求，调整钢中碳和合金元素含量到规定范围之内，并使P、S、H、O、N等杂质的含量降至允许限量之下。炼钢过程实质上是一个氧化过程，炉料中过剩的碳被氧化，燃烧成CO气体逸出，其它Si、P、Mn 等氧化后进入炉渣中。S部份进入炼渣中，部分则生成SO2排出。当钢水成份和温度达到工艺要求后，即可出钢。为了除去钢中过剩的氧及调整化学成份，可以添加脱氧剂和铁合金或合金元素。 2.2.1钢材的冶炼 1 钢铁材料生产经过下列三个阶段获得，先由铁矿石冶炼成生铁，再由生铁冶炼成钢，并铸成钢锭，然后经压力加工轧制成成型的钢材。,2生铁冶炼,2022/12/21,58,2.2.1钢材的冶炼,生铁冶炼的原材料：铁矿石、燃料（焦炭）、熔剂（石灰石等）；设备：高炉；过程概述：原材料在高炉中，经过一系列物理、化学变化过程，从铁矿石中首先还原出固体的海绵状态；在高炉冶炼条件下，海绵状铁不断吸收焦炭中的碳，形成了含碳量高、熔点低的液态铁碳合金，称为生铁；高炉生铁可分为炼钢用生铁和铸造用生铁。3炼钢炼钢的任务，就是根据所炼钢种的要求，将生铁中的碳和硅、锰、磷、硫等元素含量降低到规定的范围；如果炼制合金钢，还需要加入所要求的合金元素，获得所需要的合金钢；炼钢过程：这主要是一个氧化过程。在1500-1700摄氏度的高温下，通过氧化使生铁中的杂质进入熔渣被排除，使过剩的碳氧化成CO2被排出。根据钢脱氧程度的不同，可以分为：镇静钢、半镇静钢、沸腾钢。炼钢的设备：主要有转炉、平炉和电炉三种。4钢的成材钢锭的一部分可以直接用于生产大型锻件；加工型钢的方法：轧制、挤压、拉拔、锻造等；,2022/12/21,59,2.2钢材的生产,冶炼：A、目的：除去有害元素，加入有利元素B、方法：平炉， 转炉（周期短、效率高、质量好、成本低）浇注：A、目的：排除FeO中OB、种类：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、特殊镇静钢轧制：使缺陷焊合，使金属组织更致密2.2.2钢材的组织构造和缺陷1、钢材的组织构造碳素结构钢是通过在强度较低而塑性较好的纯铁中加适量的碳来提高强度的，一般常用的低碳钢含碳量不超过0.25。低合金结构钢则是在碳素结构钢的基础上，适当添加总量不超过5的其它合金元素，来改善钢材的性能。固溶体（Fe中固溶着微量C）铁素体；化合物（Fe和C合成Fe3 C）渗碳体机械混合物（固溶体和化合物的混合物）珠光体,2022/12/21,60,2.2钢材的生产,铁素体:钢材中的铁素体系碳在-Fe中的固溶体，由于-Fe体心立方晶格的原子间空隙小，溶碳能力较差，故铁素体含碳量很少（小于0.02），由此决定其塑性、韧性好；但强度、硬度低。渗碳体:渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C，其含碳量高达6.67，晶体结构复杂，塑性差，性硬脆，抗拉强度低。珠光体:珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量较低(0.8%）层状结构，塑性较好，强度和硬度较高。 2、钢材的铸造缺陷钢在冶炼和浇注过程中还会产生其它的冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等。所谓偏析是指化学成分在钢内的分布不均匀，特别是有害元素如硫、磷等在钢锭中的富集现象；偏析影响钢材的力学性能和耐蚀性能。非金属夹杂是指钢中含有硫化物与氧化物等杂质；钢中含有与基体金属成分不同的非金属物质。它破坏了金属基体的连续性和各向同性性能。钢中非金属夹杂对钢材的强度、伸长率、韧性和疲劳强度有不同程度的影响。,2022/12/21,61,2.2钢材的生产,裂纹直接影响钢材力学性能和耐腐蚀性能，成品钢材不允许裂纹存在。,气孔是指由氧化铁与碳作用生成的一氧化碳气体，在浇注时不能充分逸出而留在钢锭中的微小孔洞；缩孔是因钢液在钢锭模中由外向内、自下而上凝固时体积收缩，因液面下降，最后凝固部位得不到钢液补充而形成；缩孔残余严重地破坏钢材的连续性，是钢材不允许存在的缺陷，轧制(锻造)时必然在钢坯上产生裂纹。,钢材的组织构造和缺陷，均会对钢材的力学性能产生重要的影响。,2.2.3 钢材的加工 钢材的加工分为热加工、冷加工和热处理三种。将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，产生出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工。在常温下对钢材进行加工称为冷加工。通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺称为热处理。,2022/12/21,62,2.2钢材的生产,1、热加工 可破坏钢锭的铸造组织，使金属的晶粒变细，还可在高温和压力下压合钢坯中的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，轧制的压缩比大，钢材的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢。钢材的强度按板厚分组就是这个缘故。可联想一下擀面，和的次数越多，擀的遍数越多，面是不是越精斗？钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，经轧制之后被压成薄片，对轧制压缩比较小的厚钢板来说，该薄片无法被焊合，会出现分层现象。分层使钢板沿厚度方向受拉的性能恶化，在焊接连接处沿板厚方向有拉力作用（包括焊接产生的约束拉应力作用）时，可能出现层状撕裂现象（图2.1），应引起重视。,图2.1层状撕裂示意图,2022/12/21,63,2.2钢材的生产,2、冷加工 一般盘圆钢筋都要调直，调直的过程就是冷拉。例如：一般直径为6.5mm的盘圆冷拉后一般都变为6mm直径，但是在计算钢筋时，按图纸设计计算钢筋工程量 在常温或低于再结晶温度情况下，通过机械的力量，使钢材产生所需要的永久塑性变形，获得需要的薄板或型钢的工艺称为冷加工。冷加工包括冷轧、冷弯、冷拔等延伸性加工，也包括剪、冲、钻、刨等切削性加工。冷轧卷板和冷轧钢板就是将热轧卷板或热轧薄板经带钢冷轧机进一步加工得到的产品。 对于比较重要的结构，要尽量避免局部冷加工硬化的发生。,3、热处理,钢的热处理是将钢在固态范围内，施以不同的加热、保温和冷却措施，籍改变其内部组织构造，达到改善钢材性能的一种加工工艺。钢材的普通热处理包括退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。,2022/12/21,64,2.2钢材的生产,退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。 “四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺 。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。（1）退火：将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺。 （2）正火：将工件加热到一定温度，保温一定时间后，从炉中取出在空气中冷却的一种热处理工艺。（3）淬火：将钢加热到临界点以上，保温后以大于临界冷却速度冷却，以得到马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。（4）回火：将淬火钢加热至某一温度保温一定时间后，以适当方式冷到室温的热处理工艺。是紧接淬火的下道热处理工序，同时决定了钢在使用状态下的组织和性能，关系着工件的使用寿命，故是关键工序。,2022/12/21,65,2.3钢材的主要性能,2.3.1钢材的破坏形式塑性破坏：变形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后才发生。塑性破坏前，由于总有较大的塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时发现而采取措施予以补救，不致引起严重后果。脆性破坏：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，断裂从应力集中处开始。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察和采取补救措施。由于脆性破坏前没有明显的征兆，不能及时觉察和补救，破坏后果严重。如1972年廊坊因一个杆脆断导致屋架倒塌，1999年四川綦江大桥倒塌等。因此，在钢结构的设计、施工和使用中，充分考虑各方面因素，避免一切发生脆性破坏的可能性。“泰坦尼克号”沉没：钢材的冷脆性，即在-400的温度下，钢材的力学行为由韧性变成脆性，从而导致灾难性的脆性断裂。而用现代技术炼的钢只有在70一60的温度下才会变脆。,2022/12/21,66,2.3钢材的主要性能,塑性材料 受单向拉伸时，在断裂之前会发生显著的塑性变形，这时构件往往就失去了正常工作的能力，所以在工程意义上，这类材料的构件发生整体的或大面积的塑性变形就算是一种破坏标志，而不必等到出现断裂。 脆性材料 受单向拉伸时，在断裂之前并不发生明显的塑性变形，所以对于这类材料断裂是破坏的标志。 注意：这并不等于说塑性材料不会出现脆性断裂(即断裂前不发生明显的塑性变形)，也不是说脆性材料不可能发生塑性变形。这是因为材料的破坏究竟采取何种形式，不但取决于材料的性质，而且与材料所处的应力状态有关。譬如，塑性材料处于三向拉伸应力状态下时，往往发生脆性断裂；而脆性材料如果处于三向受压的应力状态，有时也会出现明显的塑性变形,2022/12/21,67,2.