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钢结构,华南理工大学土木工程系结构教研室 陈兰2011年,教学内容安排,绪论钢结构材料钢结构的连接轴心受压构件梁的计算和设计拉弯和压弯构件,第一章 绪论,公元65年兰津桥 限制使用 96年积极推广使用 材料+力学+构造一、钢结构的特点和应用范围1重量轻 因其强度高，承受相同荷载时杆件截面小。每榀24m屋架：钢结构2.12.7 t，预应力砼6.411.3 t；是1/31/42塑性、韧性好 塑性承受静力荷载时，材料吸收变形的能力。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.,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，对 动力荷载的适应性较强。这些性能对钢结构的安全 性提供了保证。,3.材料接近各向同性体。实际工作性能与力学假定相符，计算结果可靠.4制作简便，易于工业化生产，周期短。由各种型材组成，在专业化的厂房生产，现场 安装(焊接、螺栓联结)，便于拆卸、加固、改造。密封性好 气密性、水密性好，用在高压容器，油库，气库6.绿色材料 重新冶炼、重复使用、节能减排7.耐热性好,防火性差 t300 强度下降 t500 强度为0,.易锈蚀,8.易锈蚀 刷涂料、镀锌，维护费用高二.应用范围大跨度结构:大会堂、体育馆、影剧院、桥重 型 厂房:冶金厂、重型机器厂、炼钢厂高 层 建筑:北京京广中心、香格里拉、金茂大 厦（88层，420m)广州西塔432m，广州新电视塔610m塔桅结构:电视塔、发射塔板壳结构：容器可拆卸结构：临时房屋、周转用具,轻型钢结构：较小的屋面活荷载钢与砼组合结构,金茂大厦,广州西塔,锈蚀图,鸟巢图片,广州会展中心,2003年北京小汤山医院简介：,总建筑面积：2.5万，1000张病床，占地122亩；质量医疗设施标准：一级传染病院；施工周期：7天7夜；施工人员：7000名，6家企业；耗资：2亿；共救治680名患者，医护人员、武警：1383名；一般500张床位的标准医院，施工周期为2年。,我国钢产量持续发展,1996年 1 亿吨年 2 亿吨2003年 2.2 亿吨年 2.75亿吨2006年 4.8 亿吨,钢结构的计算方法,二、钢结构的计算方法 原则：技术先进，安全实用，经济合理 概率极限状态设计法以分项系数表达，以概率 理论为基础。即用最经济的方法，使结构以适当的可靠度满足 下列功能：(1)安全性：承受正常情况下各种作用和偶然事件中 保持必 需的稳定。(2)适用性：有良好的工作性能(3)耐久性 极限状态分二类:承载能力极限状态：强度、疲劳破坏、失稳 正常使用极限状态：影响使用的变形、振动,结构功能函数,结构功能函数 Z=g（S，R）=R-SS作用效应，荷载地震引起的内力和变形（M、V、N、位移），随机变量R结构抗力，能够承受内力和变形的能力（承载力、刚度）Z 0 可靠状态;Z 0 失效状态;Z=0 极限状态结构可靠度：结构在规定时间规定条件下完成预定功能的概率 用可靠指标衡量，=3.2(p13),第二章 钢结构材料,2.1 对钢材的要求高强度 fy屈服强度 yield fu极限强度 ultimate塑性、韧性好良好的加工性能、可焊性,2.2 钢材的主要性能,一、单向拉伸(1)弹性阶段：OP直线，fP比例极限 PE曲线,卸载无残余应变，fe弹性极限（2）弹塑性阶段：ES曲线,卸载有残余应变(3)屈服阶段：SC水平段，应力稍增，应变剧 增，有残余应变。内部组织有变化 晶粒与晶粒之间产生滑移。重要指标 fy屈服强度 流幅大 塑性越好；(4)强化阶段：CB-曲线，fu-极限强度,单向拉伸试验应力应变图,理想弹塑性应力应变曲线,二、破坏形式,两种不同性质的破坏:,三、钢材的主要性能,冲击韧性试验图,冷弯试验图,检查表面有无分层、裂纹，,四、复杂应力状态下的屈服条件,剪切屈服强度,2.3 影响钢材性能的因素,一.化学成分的影响 Fe 99%C Si Mn 1%决定作用 S P O N C 提高强度，降低塑性韧性 含碳量 0.22%(非焊接结构）0.2%（焊接结构）Si脱氧剂 Mn弱脱氧剂，有效的合金成分 S、O热脆 P、N冷脆铁中加入铬、镍、钒、铜、钛合金钢 所含含量小，低合金钢,二.成材过程的影响(p2324),冶炼、浇注钢材缺陷的影响 1.偏析：化学成分不一致不均匀 2.非金属夹杂：硫化物、氧化物，性能变坏 3.裂纹：可见、不可见 4.分层：沿厚度方向形成不相互脱离的层间层间易锈蚀 轧制：1300C，钢锭钢胚 型钢，将小气泡裂纹焊 合，使金属组织更致密，压缩比越大，材料 越薄，性能越好。p20 应变硬化：冷加工时，强度提高，塑性、韧性下降 时效硬化：随着时间的增长,析出的化和物应变时效：应力集中,三.应力集中的影响,定义：在孔洞、槽口、截面突然改变处,产生 应力高峰,甚至产生横向应力。用应力集中系数k表示 k=最大应力/平均应力 k越大,同号三向拉应力值越接近,钢材越脆。设计时,构造形状要合理,避免截面突然改变。,四.荷载类型的影响,荷载分类:动力冲击荷载:一次快速加载加载速度:屈服点、抗拉强度随速率增加提高循环荷载:累积损伤,五.温度影响,温度对钢材性能影响很大。t300c，强度、E显著下降,塑性上升 t=600c，强度=0，热塑性状态 t常温，强度提高,塑性韧性下降,称为低温冷脆现 象尤其是冲击韧性对温度十分敏感,2.4 钢材的疲劳,定义:在反复连续荷载下,钢材从累积损伤产生裂纹 裂纹开展破坏,疲劳破坏特征:突然性,破坏前无明显塑性变形,脆性破坏 与瞬间断裂不同,是延时断裂。断口与一般脆性断口不同,分三个区域。对缺口、裂纹等缺陷很敏感,常幅循环应力图,常幅疲劳验算,采用容许应力法,荷载的标准值,2.5 钢材类别和选用,二大类：碳素结构钢、低合金高强度结构钢1.碳素结构钢 Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 推 荐 用 钢:Q235 钢号由4部分组成:Q、屈服点值、等级、脱氧方法 等级:A、B、C、D 按化学成分和冲击试验划分 脱氧方法:F、b或Z(省略)、TZ(省略)如 Q235AF屈服点为235N/mm2的A级沸腾钢 Q235B,2.低合金高强度结构钢 添加少量合金元素,合金含量低于5%国家标准：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460 规范推荐:Q345、Q390、Q420 划分5个等级:A、B、C、D、E 全为镇静钢 牌号表示与碳素钢类似,无脱氧方法 F 如Q345B,Q235表示方法,0C,-20C,2.6 钢材的规格,钢板 热轧型钢 薄壁型钢 1、钢板 分厚板、薄板、扁钢 厚度宽度长度(mm)400 12 3000 2、角钢 等边 L 肢宽厚度 L 90 8 不等边 L 长肢短肢厚度 L100 80 6 3、槽钢 以高度的cm数表示 40a 高度400mm腹板较薄、40b 腹板中等 40c 腹板较厚 4、工字钢 I以高度的cm数表示 I32a,5、H型钢 与工字钢相比,翼缘宽度大，表面平整，IX、IY 大，分3种:宽翼缘HW、中翼缘HM、窄翼缘HN 高度宽度 HW4004006、钢管 分2种:热轧无缝钢管、焊接钢管 外径厚度 11447、园钢 外径 148、冷弯薄壁型钢 1.56mm厚的钢板冷弯和锟压成型,0.41.6mm厚的压型钢板,型钢规格图,2.7 钢材的选择,考虑因素:1.结构或构件的重要性;2.荷载性质(静载或动载);3.连接方法(焊接、螺栓);4.工作条件(温度及腐蚀介质);重要结构、承受动载、低温条件、焊接结构 应选用质量较高的钢材。,第3章 钢结构连接,紧固件连接,连接方法,3.2 焊接方法、连接形式、焊缝类别,焊接方法:手工焊、埋弧焊(自动)气体保护焊、电阻焊,焊条：E43（T42）Q235（A3）E50（T50）Q345E55（T55）15MnV，15MnVq 其中43，50，55 最小抗拉强度，电流种类，药皮及不同焊接位置 原则：焊缝和母材等强度。,手工焊,埋弧焊,焊缝连接形式,焊缝类别：对接焊缝正对接焊缝、斜对接焊缝 角焊缝 正面角焊缝，焊缝垂直外力 侧面角焊缝，焊缝平行外力,焊缝方位,焊工与焊件的相对位置分为3种平焊：质量易保证立焊、横焊：比平焊难仰焊：难操作，质量难保证 设计人员详细考虑每条焊缝方位，尽量平焊，避免仰焊,焊缝方位,焊缝代号,由指引线、图形符号、辅助符号等组成,3.3 对接焊缝,构造：板边要处理开坡口，坡口与厚度有关 t 20mm 开U、K、X型坡口 c-间隙 p-钝边,变宽度、厚度时,做成不大于1:2.5的斜坡,起弧、落弧出现弧坑(焊口)，产生应力集中、类裂纹 一个焊口=板厚t，为消除焊口,采用引弧板，见p56,3.4 对接焊缝的计算,特点：不附加板材，传力直接平顺，受力良好，质量精度要求高。应力分布与焊件情况相同，用材力计算焊件 的方法计算。Butt welds 质量等级分为三级：一级、二级、三级 一级、二级、三级：fvw、fcw=母材的强度 一级、二级：除了外观检测，用特殊的仪器手段探 测焊缝内部缺陷，质量保证。ftw=母材的强度 tension 三级：仅外观检测，质量稍差。ftw=0.85母材的强度,1.轴心受力,一、二级质量焊缝与构件等强，不必计算；只有受拉的三级焊缝低于焊件的强度，需要计算。当直缝不满足时采用斜缝对接。具体计算见p57,斜焊缝耗材,施工不便,较少用,以二级焊缝取代,2.受弯、受剪计算,工字形截面,A,B,C,3.5 角焊缝的计算,1.角焊缝的构造和强度 fillet welds 焊缝厚度hf，焊缝长度 lw,斜角角焊缝,焊缝厚度图,最大、最小焊缝长度,40mm,角焊缝其它构造要求,端部转角处绕角焊,基本假定,1 所有角焊缝只承受剪应力,只区分侧焊缝和端焊缝；2焊缝计算截面为45截面，面积为:0.7,角焊缝的公式,3,例3.2,5,b,5,角钢焊缝属偏心受力，且由于角钢形状及拼接方式不同，肢尖与肢背承受的荷载也不同。令其分配系数分别为 等肢角钢 0.7 0.3不等肢角钢长肢相拼 0.65 0.35不等肢角钢短肢相拼 0.75 0.25,例3-3,6.顶接角焊缝的计算,图,7.工字形梁截面与柱连接,通常假定：M由全部焊缝承受，V仅由腹板焊缝承受。,例3.4,10,JIp,11,3.6 焊接应力和焊接变形,由于施焊的高温作用引起的内应力和内部变形施焊时：近缝区温度高膨胀大，受到二侧温度低 膨胀小的钢材所限，产生压应力；冷却时：经过塑形压缩的近缝区的收缩受到 两侧钢材所限，产生拉应力原因：(1)焊接时，形成了一 个温度分布不均匀的 温度场。(2)各组成纤维自由变形受到阻碍。种类：纵向焊接应力-平行焊缝长度方向 横向焊接应力-垂直焊缝长度方向 沿厚度方向焊接应力,焊接变形图,二、焊接应力的影响 1.常温静载下，不影响静力强度。2.使刚度变小；3.使稳定性降低 4.降低疲劳强度易产生冷脆破坏三、减少焊接应力和变形的措施1.合理的焊缝设计：合适的hf、lw，宜用细长焊缝不用粗短焊缝 焊缝不宜过分集中 避免三向焊缝相交 三向同号拉应力场，钢材变脆。,主要焊缝连续，次要焊缝断开 对接焊缝，当宽度不等或厚度相差超过4mm时 应做成1:2.5的坡度2.合理的工艺措施 焊件预热法：焊接前预热至200300，减少 焊缝不均匀收 缩和冷却速度；锤去法 焊接后，轻击焊缝，减少焊缝约束；退火法：焊接后加热至 600C，适当的施焊程序：对称焊，分段退焊，跳焊；反变形法：施焊前，先给一个与残余变形相反 的变形。,合理的焊缝设计,合理的焊缝设计,合理焊缝设计,3.7 普通螺栓,p65,一、螺栓排列 并列：简单整齐,截面削弱大 错列：减小截面削弱,不如并列紧凑 要满足受力、构造和施工要求,端距、中距、边距的规定 最大、最小容许距离 见表3-5,螺栓排列形式,螺栓分类,抗剪、抗拉螺栓图,螺栓图例,工程中常用：M16、M20、(M22用量较少)*和 M24、最大：M40,第5种较少出现,可删去,五种破坏形式图,二、单个螺栓的计算,e,de有效直径，查表,三、螺栓群的计算,2.螺栓群受扭矩(偏心受剪),螺栓群受扭受剪图,3.螺栓群轴心受拉,螺栓群受拉、受弯图,N,普通螺栓受弯矩,5.偏心受拉,小偏心受拉 e很小，端板与柱翼缘有脱开趋势，所有螺栓受拉,大偏心受拉 当e较大时，端板底部出现受压区 近似取中和轴位于最下排螺栓O处，,例3-11,螺栓群偏心受拉图,小偏心,大偏心,例3-12,3.8 高强螺栓,P与预拉力损失有关p97,P82,x,2 扭矩法：通过工艺试验，确定满足预 拉力要求所需扭矩，制做特殊扳手，如 机械的，光电的等等。,3 扭矩螺栓：一种特制螺栓，用特殊 扳手，拧断为止预拉力建立完成。,一、高强度螺栓摩擦型连接计算,高强度螺栓摩擦型连接图,3.高强度螺栓抗拉计算,4.同时承受剪力和拉力,二、高强度螺栓承压型连接计算,第四章 轴心受力构件,4.1 应用和截面形式 轴心拉杆和轴心压杆；广泛用于柱、屋架、塔架、网架、支撑等体系；,柱的形式,截面形式,格构式截面,4.2 强度和刚度,1.强度验算：以平均应力达到屈服点2.刚度要求，避免在运输安装中，有过大变形和晃动,4.3 轴心压杆的整体稳定,一、轴心压杆的弯曲屈曲 屈曲形式:弯曲屈曲 扭转屈曲 弯扭屈曲 具体屈曲形式与截面型式、l0、残余应力有关。每一种形式有相应的临界力，最小值起控制 二、理想轴心压杆的临界力 当N较小时，均匀压缩变形，处于稳定状态 当N某值时，经干扰后，突然弯曲，有很大弯 曲变形，丧失承载力,三种屈曲形态图 P96,三、理想压杆弹性弯曲屈曲,四、实际压杆的稳定承载力,令,分类曲线,五、轴心压杆的整体稳定验算,例题4-2 P123,六、稳定计算的长细比,3.角钢组成的单肢对称截面 可用简化公式，见教材；故轴心受压构件尽量采用双轴对称，无对称轴截面不宜采用（不等边角钢外）。,例题1 柱高4.2m,N=1000kN,翼缘轧制，Q235A,x,x,4.4 轴心受压板件的局部稳定,1.轴心受压构件由矩形板组成，当板件宽且薄时，,2.确定宽厚比限值准则：1）局部临界应力不低于屈服应力；2）局部临界应力不低于整体屈曲临界应力；规范采用后者。3.轧制型钢因腹板、翼缘厚度较大，局部稳定能 保证，不需验算。,局部屈曲图,1.工字形截面,T形、箱形截面见教材,2.当腹板不满足要求时，可采用的措施：,纵向加劲肋图,4.5 实腹式柱的截面选择和计算,设计步骤,常常需要调整板件尺寸，厚度宜取2mm的倍数例题6.1 P200，注意结论：1）热轧工字钢最费材，宜用H型钢或焊接工字形；2）钢材强度对稳定承载力有较大影响。,p354,4.3.2 格构式柱,Y实轴,X-虚轴,格构柱图,垂直肢件腹板实轴（y轴）垂直缀材面 虚轴（x轴）格构式柱只产生弯曲屈曲，不可能产生扭转屈曲和弯扭屈曲。绕实轴的稳定与实腹式相同。因此计算同实腹式；同样的，绕虚轴的稳定比实腹式小。原因：肢件每隔一段距离用缀材连接，绕虚轴失稳时，剪切变形大，故cr小。实腹式：剪切变形小，忽略。轴心压杆失稳时，有M、V，,一、对虚轴的换算长细比,1.缀条式:,2.缀板式,二、单肢稳定,2.缀板式,3,轴心压杆剪力图,缀板计算,4.设置横隔,横隔构造,角钢或钢板做横隔,例题 6.2 长细比，A，b，验算，缀材计算,第5章 梁,5.1 梁的类型和强度一、类型 受M作用 型钢梁 组合梁,二、梁的强度1.弯曲强度 在M作用下，截面上发展经历3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段,梁正应力分布图,其余见表5-1,2.,三、局部压应力和组合应力,局部压应力图,梁的弯剪应力组合图,四、多种应力组合效应,5.2 梁的扭转,一、截面的剪力中心（剪心、扭转中心，弯曲中心）剪力通过该点，只有位移，无扭转。当剪力作用其它位置，除有剪力还有扭矩。,二、自由扭转,定义：当一对大小相等反向扭矩作用，端部无约束，截面各点纤维沿纵向自由收缩。特点：各截面的翘曲变形相同，纵向纤维保持直线，长度不变。截面只有剪应力，无纵向正应力。自由扭距与扭转角、剪应力的关系：5.5,三、开口截面的约束扭转,悬臂构件：自由端自由翘曲，固定端不能 翘曲，中间截面受不同程度约束。特 点：纤维纵向收缩受约束，发生弯曲，产生翘曲正应力，伴随翘曲剪应力。,5.3 梁的整体稳定,Z,一、整体失稳原因,三、整体稳定系数,四、整体稳定的验算,3.箱形梁截面满足规范要求。,5.4 受弯构件的薄板局部稳定,梁局部屈曲图,梁腹板局部屈曲图,一、受压翼缘板的局部稳定,p197,二、腹板的局部稳定,分两种情况：1）静力荷载、间接动力：宜考虑腹板屈曲后强度；2）直接动力：不考虑腹板屈曲后强度，设加劲肋。先考虑第二种情况。,三、腹板加劲肋设计,1.种类,腹板加劲肋的种类图,2.加劲肋设置原则,3.,3.腹板区格验算,1）仅横向加劲肋加强的腹板：用相关方程 5-722）同时用横肋和纵肋加强的腹板：分上板段，下板段 用相关方程 5-79、5-82,4.腹板加劲肋的构造要求,加劲肋形式图,加劲肋构造,5.支承加劲肋计算,),),四、梁腹板屈曲后强度,板件屈曲后的强度 当纵向压力达到临界力时，纵向板条屈曲 中部有位移 带动横向板条并产生拉力 牵制纵向变形的发展 提高了纵向承载力。2.宽厚比大的板，屈曲后强度的潜力越大。这种现象称为薄膜效应。3.不能利用屈曲后的强度：动力荷载、塑性设计、翼缘；4.利用屈曲后强度的梁，不设纵向加劲肋，只设 横肋，只要翼缘加劲肋安全，即使腹板局部失 稳，仍可承载。,平面受压屈曲图,2.板件有效宽度,大挠度理论：板件到达极限承载力时，压力由侧 边部分有效宽度范围内的板承担。根据合力不 变的原则，be部分达到屈服点，中间部分无效，在计算中扣除。2 be称为截面的有效宽度。,3.梁腹板受剪屈曲后强度,梁腹板在剪力作用下，发生屈曲仍能承载，极限承载力Vu公式见5-94。受剪计算通用高厚比4.梁腹板受弯屈曲后强度 梁腹板受弯屈曲后的抗弯承载力Meu的公式见5-975.梁腹板同时受弯、受剪屈曲后强度 用相关公式 5-99 验算各区格。,5.5 梁的设计(p215),一、初选截面 先计算所需截面模量：,二、焊接梁截面尺寸,1.,2.经济高度,三、梁的验算,初选截面后,按实际荷载验算强度：、刚度、整体稳定、局部稳定。例题5-5、p215,四、翼缘与腹板焊缝设计,翼缘与腹板焊缝图,当采用对接焊缝时，与母体等强，不必计算。,五、梁截面改变,翼缘变截面,梁高度改变,六、梁的拼接,工厂拼接：规格所限，位置错开工地拼接：运输、安装所限，同一位置断开,工地拼接,工厂拼接,工地拼接,第六章 拉弯、压弯构件,由稳定性、强度决定承载力 破坏影响因素：受力情况、支撑、截面形式尺寸；一般M作用在弱轴平面，使截面绕强轴受弯 失稳 弯矩作用平面内失稳（弯曲屈曲）弯矩作用平面外失稳（弯扭屈曲）,一、实腹式压弯构件失稳形式,M作用在弱轴平面（yz),产生绕强轴（x)的弯曲。只有y轴位移v,1、弯矩作用平面内失稳弯曲屈曲,2、弯矩作用平面外失稳弯扭屈曲,Y轴位移：vX轴位移：u转角：,二、实腹式构件弯矩作用平面内稳定计算,三、实腹式构件弯矩作用平面外稳定计算,四、强度计算,边缘屈服准则：要验算疲劳、格构式、受压翼缘超限全截面屈服准则部分塑性准则：静力荷载、间接动载,五、局部稳定,六、格构式压弯构件,平面外失稳,结 束 谢 谢!,