钢结构材料 强度 钢结构知识课件.ppt
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1、,第三篇 钢结构,第1章 概述(1学时)第2章 钢结构的材料(1学时)第3章 构件的截面承载能力强度(1学时)第4章 单个构件的承载能力稳定性(1学时)第7章 钢结构的连接和节点构造(4学时)钢结构识图(1学时)复习(1学时),优点建筑钢材强度高,塑性韧性好 强度高大跨、高层、高负荷结构 塑性好防止超载引起的脆性破坏 韧性好承受动力荷载,抗震性能好钢结构的重量轻,质强比小 质强比:材料的质量密度与强度的比值 建筑钢材质强比:1.73.7104 木材质强比:5.4104 钢筋混凝土质强比:18104,1.1.1 钢结构的特点,1.1 钢结构的特点和应用,第1章 概述,材质均匀、性能好,结构可靠性
2、高 钢材接近于各向同性的理想弹塑性体,实际受力同工程力学计算理论比较符合,因此钢结构的可靠性高钢结构施工简便,工期短,易于改造和加固 钢材可加工性能好,工业化机械化程度高,构件轻,连接简单,安装方便,几种类型结构比较,缺点耐腐蚀性差 使用环境,钢材极易锈蚀,需注意保护,特殊环境下不易使用钢结构耐火性差 耐热性较好(200以下钢材性质变化很小),高于200 后钢材强度下降很快,600 时钢材进入塑性状态,强度几乎降为零丧失承载力,需采取隔热防火措施钢材价格相对较高,1.1.2 钢结构的应用范围,大跨结构 结构跨度越大,自重在荷载中所占的比例就越大。因此钢结构在大跨结构中得到了广泛的应用。有空间桁
3、架、网架、网壳、悬索(包括斜拉体系)、实腹或格构式拱架和框架等。,南通体育会展中心-开合结构(网架体系),北京奥运会主会场-鸟巢(门式钢架组合体系),南京火车站,重型工业厂房 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。随着门式刚架或排架、网架屋盖,压型钢板屋面板的应用,轻钢结构厂房得到了迅速的发展。受动力荷载影响的结构 由于钢材韧性良好,有动力作用的厂房、对抗震要求高的结构,采用钢结构也是比较适宜的。,东方明珠电视塔,巴黎铁塔,高耸结构,大连西太平洋石化有限公司1500立方米CF-62钢球罐,海上石油平台,容器和其他特种结构 由于密封性好、耐高压,用于油罐、煤气罐、高炉、
4、热风炉等。此外,支架等构筑物和海上采油平台也大都采用钢结构。,可拆卸、活动结构,活动车库,活动桥,多高层建筑 钢结构的综合效益指标优良,在多、高层民用建筑中也得到了广泛的应用。其结构形式主要有多层框架、框架支撑结构、框筒、悬挂、巨型框架等,上海环球金融大厦492米,香港汇丰银行(框支悬挂体系),轻钢结构 当屋面活荷载特别轻时,小跨结构的自重也成为一个重要因素。轻钢结构有实腹变截面门式刚架、冷弯薄壁型钢结构(包括金属拱形波纹屋盖)以及钢管结构等。冷弯薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可比钢筋混凝土屋架的用钢量还少。,门式刚架结构,轻钢结构住宅,组合结构,主要构件形式有钢与混凝土组合梁和钢管混凝土柱
5、等。,常用钢混凝土组合截面,同混凝土结构设计第三章,1.2 钢结构的极限状态和概率极限状态法,区别:钢结构的材料分项系数 取值:Q235钢:s1.087 Q345、Q390、Q420钢:s 1.111,2.1 钢结构对材料的要求,较高的抗拉强度fu和屈服点fy较高的塑性和韧性良好的加工性能在一定特殊情况下,适应低温、高温和腐蚀行环境的能力,涉及:强度、塑性、韧性、可焊性、冷弯性、耐久性等。,第2章 钢结构材料,2.2.1 单向拉伸时的工作性能试验条件常温、静载、标准试件、一次拉伸 钢材的主要强度指标和变形性能都是根据标准试件一次拉伸试验确定的。,2.2 钢材的主要性能及其鉴定,单向均匀拉伸试验
6、,比例极限 应力-应变图中直线段的最大应力值。屈服点 应力不变而应变持续发展。抗拉强度 最高点应力为抗拉强度。伸长率 代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。屈服点、抗拉强度和伸长率,是钢材的三个重要力学性能指标。,指钢材在冷弯产生塑性变形时,对产生裂纹和分层的抵抗能力。是判定钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。,2.2.2 冷弯性能,冲击韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力,是衡量钢材抗脆断的性能指标。钢材强度与塑性的综合表现。,2.2.3 冲击韧性,小结 钢材的五项主要机械性能指标,抗拉强度 fu,衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的指标,钢材的强度极限,仅作为安全储备。,伸长
7、率5,冷弯性能,冲击韧性,衡量钢材塑性变形能力的重要指标。,衡量钢材塑性性能和冶金质量的综合指标。,衡量钢材在动荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标,屈服点 fy,2.2.4 可焊性可焊性 指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂纹的)焊缝的性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.120.20%范围内的碳素钢,可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。如:Q235B Q235A的碳含量略高于B级,通常不能用于焊接构件。,2.2.5 钢材性能的鉴定 对下列情况的钢材,应根据国家标准进行抽样复检。1)国家进口钢材;2)钢材混批;3)厚度40,且有Z向性能要求的厚板;4)一级建筑,
8、大跨度建筑中的主要受力构件;5)设计由复检要求;6)对钢材质量有异议。钢材质量的抽样检验,应由相应资质的单位进行。,2.3.1 化学成分的影响,2.3 影响钢材性能的因素,铁:钢的基本元素,普通碳素钢中占99%碳:碳含量增加,钢材强度提高,降低塑性、韧性、耐腐蚀性、疲劳强度、冷弯性能、可焊性硅、锰:脱氧剂,提高钢材强度钒、钛:提高钢的强度和抗腐蚀性 硫、磷:降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度,分别加剧热脆和冷脆,磷能提高强度和抗锈性氧、氮:分别加剧热脆和冷脆铜:降低可焊性,提高钢的强度和抗腐蚀性,2.3.2成材过程的影响(了解)1、冶炼 平炉炼钢质量好,但效率低(已停产);氧气顶吹转炉炼钢
9、质量好,效率高(主要的炼钢方法)碱性侧吹转炉炼钢质量差(禁用);电炉炼钢质量好,但成本高(不用);冶金过程形成不同化学成分、含量、组织结构、质量,从而确定不同的钢种、钢号及其相应的力学性能。,2、浇铸方法:、浇入铸模做成钢锭;(传统)、浇入连续浇铸机做成钢坯;(现代)沸腾钢加弱脱氧剂(锰),脱氧不充分,浇铸时有大量气体逸出,引起钢液剧烈沸腾,冷却快,晶粒粗,缺陷较严重;镇静钢加强脱氧剂(硅、铝或钛),保温时间长,氧气杂质少且晶粒较细,偏析等缺陷不严重,所以钢材性能比较好。,冶金缺陷:偏析指金属结晶后化学成分分布不匀;非金属夹杂指钢中含有如硫化物等杂质;气泡指浇铸时由FeO与C作用所生成的CO气
10、不能充分逸出 而留在钢锭内形成的微小空洞。,3、轧制 钢材的轧制能使金属的晶粒变细,也能使气泡、裂纹等焊合,因而改善了钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多,其强度比厚板略高。,4、热处理 目的:取得高强度的同时,保持良好的塑性好韧性。正火 回火 淬火加回火,2.3.3 影响钢材性能的其他因素(了解),1、冷加工硬化(应变硬化)2、温度影响3、应力集中,2.4 钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载的效应(不要求),2.5 建筑钢材的类别和钢材的选用2.5.1建筑钢材的类别 钢结构用的钢材主要有两个种类,即碳素结构钢和低合金高强度结构钢。,1、碳素结构钢 碳素结构钢的牌号(简称钢号)有Q195、Q21
11、5A及B,Q235A、B、C及D,Q255A及B以及Q275。A、B、C或D表示按质量划分的级别。脱氧方法的符号如“F”、“Z”、“TZ”、“b”等。镇静钢和特殊镇静钢的符号可省略。建筑结构在碳素结构钢这一钢种中主要应用Q235这一钢号。,钢号中质量分级由A到D,表示质量的由低到高。A级钢冲击韧性不作为要求条件,冷弯试验只在需方要求时进行;B级钢要求常温(205)冲击值AKV 27J、冷弯合格;C级钢要求常温(0)冲击值AKV 27J、冷弯合格;D级钢要求常温(20)冲击值AKV 27J、冷弯合格;对Q235钢来说,A、B两级的脱氧方法可以是Z、b或F,C级只能是Z,D级只能是TZ。,2、低合
12、金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在冶炼过程中添加少量合金元素(总量低于5),使钢的强度明显提高。Q345、Q390和Q420是钢结构设计规范规定采用的钢种。抗震结构只能用Q345。,质量等级:A级钢冲击韧性不是要求条件,冷弯试验在需方要求时进行;B级钢要求常温(205)冲击值AKV 34J、冷弯合格;C级钢要求0 冲击值AKV 34J、冷弯合格;D级钢要求负温(20)冲击值AKV 34J、冷弯合格;E级钢要求负温(40)冲击值AKV 27J、冷弯合格。其中A、B级属于镇静钢,C、D、E级属于特殊镇静钢。,2.5.2 钢材的选择,总的原则:安全可靠、经济合理需考虑因素:结构的重要性荷载情况连
13、接方法结构所处的温度和环境钢材厚度,1、选用原则,承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证焊接结构应保证碳的极限含量焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材应具有冷弯试验的合格保证需要验算疲劳以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材应具有的冲击韧性合格保证,2、选用建议,钢结构所用钢材主要有:热轧钢板、热轧型钢、冷轧薄钢板、冷弯薄壁型钢热轧钢板 符号“”“宽度厚度”厚钢板:厚度4.560mm,宽度6003000mm,长度412m 用做大型实腹式梁柱翼缘、腹板薄钢板:厚度0.354mm,宽度5001500mm,长度0.54m 用于制作冷弯薄壁型钢扁钢:厚度460
14、mm,宽度12200mm,长度39m 焊接组合梁柱翼缘板,各种连接板、加劲肋等,2.5.3 钢材的规格,热轧型钢角钢:等边角钢 不等边角钢等边(等肢)符号“L”“边长厚度”不等边(不等肢)符号“L”“长边宽短边宽厚度”主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件,工字钢:工字钢 H型钢及剖分T型钢工字钢符号“I”号数(截面高cm)类别(a、b、c腹板厚度)H型钢符号“HW、HM、HN”“高H宽B腹板厚t1翼缘t2”T型钢符号“TW、TM、TN”“高H宽B腹板厚t1翼缘t2”,槽钢:普通槽钢 轻型槽钢 表示方法符号“”号数(截面高cm)类别(a、b、c腹板厚度)适于作檩条等双向受弯的构件,
15、也可用其组成组合或格构式构件钢管 无缝钢管 焊接钢管表示方法符号“”“外径厚度”常用作桁架、网架、网壳等平面和空间格构式结构的杆件;在钢管混凝土柱中也有广泛的应用,冷扎薄钢板冷弯薄壁型钢:采用0.41.6mm的薄钢板经辊压成型的压型钢板和采用1.56mm厚的钢板经冷弯和辊压成型的型材,广泛地应用于国内外轻钢建筑结构中或用作轻型屋面及墙面等构件 钢压型钢板 冷弯薄壁型钢,3.1 轴心受力构件的强度及截面选择钢结构的承载能力分为:截面承载能力取决于材料强度、应力性质及其在截面上的 分布;构件承载能力稳定承载能力,和构件的整体刚度有关;结构承载能力也由结构的稳定承载力决定。,第3章 构件的截面承载力
16、强度,1、轴心受力构件的应用定义指力的作用线和杆的形心轴线相互重合的一类受力构件。应用轴心受力构件在实际工程中的应用非常普遍,例如各种支撑、桁架、塔架、网架和网壳中的杆件基本都是轴心受力构件。,柱通常由柱头、柱身和柱脚三部分组成,2、轴心受力构件的截面形式,截面形式可分为:实腹式 和 格构式 两大类。,1)实腹式截面,2)格构式截面,截面由两个或多个型钢肢件通过缀材连接而成。,3、轴心受力构件的设计内容,保证构件刚度通过限制其长细比,保证构件在运输、安 装、使用时不会产生过大变形。,轴心受力构件强度承载力以截面平均应力达到钢材屈服应力为极限对有削弱的截面,虽然存在应力集中现象,但应力高峰区会率
17、先屈服使应力塑性重分布,最终达到均匀分布,塔架,桁架,网架,梁主要是用作承受横向荷载的构件,主要内力为弯矩与剪力。,一、梁的类型,3.2 梁的类型和强度,3.2.1 梁的类型,按受力不同分为:单向弯曲梁和双向弯曲梁,按制作方法分:型钢梁 和 组合梁,热轧型钢梁焊接组合梁冷弯薄壁型钢梁蜂窝梁钢砼组合梁,二、梁的计算内容,正常使用极限状态刚度,3.2.2 梁的弯曲、剪切强度1、梁的正应力(抗弯强度),弹性阶段:正应力为直线分布,梁最外缘正应力不超过屈服点弹塑性阶段:梁边缘区域应力屈服,而中和轴附近仍处于弹性塑性阶段:梁全截面应力等于屈服点,形成塑性铰达到承载极限,2、梁的剪应力,1、拉弯、压弯构件
18、的应用拉弯构件同时承受轴线拉力和弯矩的构件;压弯构件同时承受轴线压力和弯矩的构件;应用框架柱、刚架柱、海洋平台的立柱、有非节间荷载下的桁架弦杆等。,3.6 拉弯和压弯构件,一般工业厂房和多层房屋的框架柱均为拉弯和压弯构件。,2、截面形式,多为单轴对称的实腹式截面或格构式截面。,3、计算内容拉弯构件:承载能力极限状态:强度 正常使用极限状态:刚度压弯构件(见下页),承载能力极限状态,正常使用极限状态,刚度,拉弯构件的容许长细比和轴心拉杆相同;压弯构件的容许长细比和轴心压杆相同。,一、失稳的类别(了解)1、分支点失稳(分岔屈曲)亦称为第一类稳定问题。在临界状态时,结构(构件)从初始的平衡状态突变到
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