钢结构基本原理(IV).ppt
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1、9.钢结构的基本构件与结构体系,9.1 钢结构的特点与发展趋势9.2 钢结构的材料性能 9.3 常见的钢结构形式 9.4 钢结构的受力特点与设计要点 9.5 钢结构的连接问题9.6 钢结构的施工问题,9.1 钢结构的特点与发展趋势,轻质高强、质地均匀 与混凝土相比,质量密度较大,但其屈服点高得多,其质量密度与屈服点的比值相对较低。在承载力相同的条件下,钢结构构件较小,重量较轻,便于运输和安装。钢材质地均匀,各向同性,弹性模量大,有良好的塑性和韧性,为理想的弹塑性体,完全符合目前所采用的计算方法和基本理论。生产、安装工业化程度高,施工周期短 可以采用工厂制作、工地安装的施工方法,作业面多,缩短施
2、工周期,降低造价、提高效益。密闭性能好 焊接结构可以做到完全密封,一些要求气密性和水密性好的结构都采用钢结构。,9.1 钢结构的优势与发展趋势,抗震及抗动力荷载性能好 钢结构具有较好的延性,因而抗震及抗动力荷载性能好。具有一定的耐热性 温度在250以内,钢的性质变化很小,温度达到300以上,强度逐渐下降,达到450650时,强度降为零。因此,钢结构可用于温度不高于250的场合。在自身有特殊防火要求的建筑中,钢结构必须用耐火材料予以维护。当防火设计不当或者当防火层处于破坏的状况下,有可能将产生灾难性的后果。钢结构抗腐蚀性较差 钢结构的最大缺点是易于锈蚀,维护费用较高;目前国内外正在发展不易锈蚀的
3、耐候钢,但还未能广泛采用。,9.1 钢结构的优势与发展趋势,早期钢结构钢结构是由生铁结构逐步发展起来的,中国是最早用铁制造承重结构的国家;远在秦时,就有了用铁建造的桥墩,以及后来的铁链悬桥、铁塔等;这些表明我国古代建筑和冶金技术方面的高度水平。中国金属结构方面发展较为缓慢1927年建成的沈阳黄姑屯机车厂钢结构厂房;19281931年建成的广州中心纪念堂圆屋顶;19341937年建成的杭州钱塘江大桥等。,9.1 钢结构的优势与发展趋势,20世纪50年代后,我国钢结构的设计、制造、安装水平有了很大提高在规模上和技术上已达到世界先进水平大跨度网架结构首都体育馆、上海体育馆、深圳体育馆大跨度三角拱形式
4、的西安秦始皇陵兵马俑陈列馆悬索结构的北京工人体育馆、浙江体育馆高耸结构中的200m高广州广播电视塔、210m高上海广播电视塔、194m高南京跨江线路塔、325m高北京气象桅杆等板壳结构中有效容积达54000m3的湿式储气柜等。随着钢结构技术的发展,建成了大量的钢结构建筑金贸大厦,上海浦东、420.5m高、88层、总建筑面积达28.7万m2上海浦东国际机场,总建筑面积达20万m2;上海体育场,主体建筑东西跨度288.4m、南北跨度274.7m;横跨黄浦江的南浦大桥、杨浦大桥等等。,9.1 钢结构的优势与发展趋势,钢结构的应用范围重型工业厂房的承重骨架和吊车梁高度和跨度较大,震动荷载大;大跨度屋盖
5、结构体育馆、大会堂、影剧院等、飞机装配车间、飞机库等。大跨度桥梁跨度较大的公路和铁路桥梁等多用钢结构。多层和高层建筑塔桅、输电线路塔架等高耸结构容器.管道等壳体结构装配式活动的房屋、移动式结构、轻型结构、简易结构 抗震要求较高的工程结构,9.1 钢结构的优势与发展趋势,新的结构形式与发展趋势网架与悬索等空间结构体现了大跨度钢结构的发展方向索膜结构的出现使钢结构进入到新的领域装配式钢结构住宅的出现使钢结构由大型建筑物进入到普通建筑的领域钢混凝土组合结构方兴未艾钢结构施工技术发展迅速,9.2 钢结构的材料性能,强度设计值钢材的强度承载力极限为屈服点fy,称为钢材抗拉(压、弯)强度标准值,除以材料分
6、项系数R之后,即得强度设计值 f=fy/R。,屈服点 f y 结构钢材静力强度承载力极限的依据 它是钢材开始塑性工作的特征点;抗拉强度和屈服点之比fu/fy,是钢结构极大的后备强度;在高层钢结构中,为了保证结构具有良好的抗震性能,要求钢材的强屈比不得低于1.5。,9.2 钢结构的材料性能,伸长率和面缩率 伸长率=(l1-l0)/l0,为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百分率,是钢材沿长度的均匀变形和颈缩区的集中变形的总和,所以它不能代表钢材的最大塑性变形能力。l0:试件标距长度,l1:试件标距试验后的间距断面收缩率=(A0-A1)/A0,是指试件拉断后,颈缩区的断面面积缩小值与原断面
7、面积比值的百分率,是衡量钢材塑性的一个比较真实和稳定的指标,但是在测量时容易产生较大的误差。因而钢材标准中往往只采用伸长率为塑性保证要求。A0:试件原来的断面面积;A1:试件拉断后颈缩区的断面面积;结构或构件在受力时(尤其承受动力荷载时)材料塑性好坏往往决定了结构是否安全可靠,因此钢材塑性指标比强度指标更为重要。,9.2 钢结构的材料性能,钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力,也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力,它是强度与塑性的综合表现;钢材韧性通过冲击试验,测定冲击功来表示。ak=Ak/An 冲击韧性值;Ak冲击功;An试件缺口处的净截面积。钢结构设计规范对钢材的冲击韧性ak有
8、常温和负温要求的规定。选用钢材时,根据结构的使用情况和要求提出相应温度的冲击韧性指标要求。,9.2 钢结构的材料性能,钢材的可焊性是指在一定工艺和结构条件下,钢材经过焊接能够获得良好的焊接接头的性能;可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性;施工上的可焊性指对产生裂纹的敏感性,使用性能上的可焊性是指焊接构件在焊接后的力学性能是否低于母材。冷弯性能是指钢材在冷加工(常温下加工)产生塑性变形时,对产生裂缝的抵抗能力。冷弯性能用试验方法来检验钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能,检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面是否有裂纹、裂断和分层。耐久性:耐腐蚀性、“时效”现象、疲劳现象等。时效:随着时间的增
9、长,钢材的力学性能有所改变。疲劳:多次反复荷载作用下,钢材低于屈服点fy 发生的破坏。Z向伸缩率 当钢材较厚时,或承受沿厚度方向的拉力时,要求钢材具有板厚方向的收缩率要求,以防厚度方向的分层、撕裂。,9.2 钢结构的材料性能,影响钢材力学性能的因素化学成分 钢的基本元素为铁(Fe),普通碳素钢中占99%,此外还有碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)等杂质元素;硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)等有害元素,这些总含量约1%,但对钢材力学性能却有很大影响。碳:除铁以外最主要的元素。碳含量增加,使钢材强度提高,塑性、韧性,特别是低温冲击韧性下降,同时耐腐蚀性、疲劳强度和冷弯性能也显著下降,恶化钢材可
10、焊性,增加低温脆断的危险性。一般建筑用钢要求含碳量在0.22%以下,焊接结构中应限制在0.20%以下。硅:作为脱氧剂加入普通碳素钢。适量硅可提高钢材的强度,而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性无显著的不良影响,含量过高(达1%),会降低钢材塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。,9.2 钢结构的材料性能,锰:适量的锰可有效提高钢材强度,改善钢材热加工性能,并改善钢材的冷脆倾向,同时不显著降低钢材的塑性、冲击韧性,含量过高使钢材变脆变硬,并降低钢材的抗锈性和可焊性。硫:有害元素,引起钢材热脆,降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。磷:有害元素,虽可提高强度、抗锈性,但严重降低塑性、冲击韧性、冷
11、弯性能和可焊性,尤其低温时发生冷脆,含量需严格控制;氧:有害元素。引起热脆;氮:能使钢材强化,但显著降低钢材塑性、韧性、可焊性和冷弯性能,增加时效倾向和冷脆性;为改善钢材力学性能,可适量增加锰、硅含量,还可掺入一定数量的铬、镍、铜、钒、钛、铌等合金元素,炼成合金钢。钢结构常用合金钢中合金元素含量较少,称为普通低合金钢。,9.2 钢结构的材料性能,影响钢材力学性能的因素冶炼方式 我国结构用钢按炉种分主要有三种冶炼方法:碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法、碱性侧吹转炉炼钢法。平炉钢和顶吹转炉钢的力学性能指标较接近,而碱性侧吹转炉钢的冲击韧性、可焊性、时效性、冷脆性、抗锈性能等都较差,故这种炼钢法已
12、逐步淘汰。按脱氧程度分:沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。沸腾钢脱氧程度低,氧、氮和一氧化碳气体从钢液中逸出,形成钢液的沸腾。沸腾钢的时效、韧性、可焊性较差,容易发生时效和变脆,但产量较高、成本较低;半镇静钢脱氧程度较高些,上述性能都略好;而镇静钢的脱氧程度最高,性能最好,但产量较低,成本较高。,9.2 钢结构的材料性能,钢材的选用选用钢材的原则是:既能使结构安全可靠地满足使用上的要求,又要尽最大可能节约材料,降低造价。选用钢材时需要考虑的结构特点是:结构的类型及重要性、荷载的性质、连接方法、结构的工作温度、构件的受力性质。钢结构中采用的钢材,仅碳素结构钢和普通低合金钢中的几种。,9.2 钢结构的材料
13、性能,普通碳素钢 甲或A类:按力学性能供应,保证强度、塑性,硫、磷含量符合相同钢号乙类钢的规定。乙或B类:按化学成分供应。特或C类:同时按力学性能和化学性能供应。结构用钢主要为甲类;乙类无力学性能的保证,不能用;特类钢价格较高,应少用。普通碳素钢有17共七个钢号。钢号越高,其含碳量越高,强度越高,塑性越低。其中3号钢在结构中广泛应用 A3钢。普通低合金钢 在普通碳素钢中添加少量合金元素,以提高其强度、耐腐蚀性、冲击韧性等。钢结构所用的钢材主要有:圆钢、角钢、槽钢、工字钢、钢管、“H”型钢和一些冷弯薄壁型钢。,9.2 钢结构的材料性能,钢材的疲劳问题钢材在连续反复荷载作用下,虽然应力还低于极限强
14、度,甚至应力还低于屈服点,而发生的断裂;钢材在疲劳破坏之前,并不出现明显的变形和局部收缩,它和脆性破坏一样,是一种突然发生的断裂,过程可分为裂纹的形成,裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。疲劳强度与反复荷载引起的应力种类(拉应力、压应力、剪应力和复杂应力等)、应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度和残余应力等有关。,9.2 钢结构的材料性能,对钢结构进行疲劳计算时有如下规定:承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接,当应力变化循环次数n等于或大于105次时,应进行疲劳计算;在应力循环中不出现拉应力的部位,可不计算疲劳;计算疲劳时,应采用荷载的标准值;对于直接承受动力荷载的结构,计算疲劳时,动
15、力荷载标准值不应乘以动力系数;计算吊车梁或吊车桁架及其制动结构的疲劳时,吊车荷载应按作用在跨间内起重量最大的一台吊车确定。,9.3 常见的钢结构形式,在实际工程中,常见的钢结构形式有:平面与空间桁架:最常见的钢结构形式,充分利用钢材的优点,自重轻而承载力大,空间桁架已经拓展为各种空间网架结构。网架跨度可以满足较大的要求,可满足不同建筑外形的需要,丰富了建筑装饰领域的新天地,网架结构广泛的应用于体育场馆、火车站、飞机场航站楼及大型厂房及酒店、雨蓬等多种装饰结构。,9.3 常见的钢结构形式,悬索结构:较为多见钢结构形式,充分利用钢材的优点,以受拉为主要受力形式。常见的悬索结构形式:以落地式支撑体系
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