钢结构设计基本原理.ppt

《钢结构设计基本原理.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢结构设计基本原理.ppt（478页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第一章 绪论,1.1钢结构的特点,不同材料形成的结构有各自的特点。钢结构(steel structure)是由钢板或型钢制造而成的结构，其主要特点如下：,1.强度(strength)高,与其他材料诸如木材、砖石、混凝土相比，钢材的容重虽然大，但强度高很多。现举例说明，钢结构设计规范（GB50017-2003）中，强度最低的钢材为Q235，其抗拉、抗压强度设计值为215N/mm2，混凝土设计规范（GB50010-2002）中标号最高的为C80，其抗拉、抗压强度设计值分别为 2.22N/mm2、35.9N/mm2,由此可见，前者抗拉强度为后者的 97倍，而抗压强度为6倍。因此，在相同的荷载和条件下

2、，钢结构的重量轻。,2.塑性(plasticity)、韧性(toughness)好,由于钢材的塑性好，一 般情况下，钢结构不会因偶然或局部超载而发生突然断裂，而是以事先有较大变形为先兆。钢材的韧性好，则使钢结构能很好地承受动力荷载，这些性能均对钢结构的安全提供了可靠保证。,钢材的内部组织均匀，非常接近于各向同性体，在使用应力阶段，钢材为理想弹性工作，符合工程力学的基本假定。因此，钢结构实际受力情况与力学计算结果吻合好，可根据力学原理建立钢结构的计算方法。,3.材质均匀,可焊性是钢结构的独特优点。由于钢材的可焊性解决了钢结构的制作问题，致使钢结构连接大为简化，可制造各种复杂形状的结构。当然焊接也

3、将产生残余应力、残余变形以及热影响区脆性等问题。,5.工业化程度高,钢结构采用的型钢和钢板，经专业厂家制作为钢构件，然后运至工地安装。型钢的大量采用再加上专业化的生产，故精度高、制作周期短。工地安装广泛采用螺栓连接，良好的装配性使工期大为缩短。此外，已建钢结构也易于拆卸。,4.可焊性(weldability)好,6.密闭性好,钢材本身组织致密，焊接的钢结构可以做到完全密闭，甚至铆接或螺栓连接都可以做到。因此，可用于建造气密性和水密性要求高的气罐、油罐和高压容器。,7.耐腐蚀性差,钢材在湿度大和有腐蚀性介质的环境中容易锈蚀。因此，为确保钢结构的耐久性，必须采用油漆、镀锌等防护措施，故维护费用较高

4、。,钢材当辐射热温度低于150时，钢材的主要性能变化很小。因此，其耐热性能较好。当温度超过150时，材质性能有所变化，需采取隔热措施，当温度达到600左右，钢结构会瞬间崩溃，完全丧失承载力。因此，耐火性能差，必须采取一定的防火措施。美国世贸大楼的坍塌充分说明了钢结构耐火性能差是一致命缺憾。,8.耐热不耐火,1.2钢结构的应用范围,站在现代建筑结构技术的发展前沿，可以说世界上没有不能实现的结构，只有不合理的结构。根据钢结构本身的特点，结合我国国民经济的发展，钢结构在土木工程领域合理的应用范围大致如下：,1.工业厂房(industrial factory building),工业厂房可分为轻型、中

5、型和重型工业厂房，主要根据是否设置吊车以及吊车吨位的大小和运行频繁程度而定。例如，炼钢车间、锻压车间等。近年来，轻型门式刚架结构在工业厂房中的应用十分普遍。,2.大跨结构(large span structure),大跨结构可以充分发挥钢结构强度高、自重轻的优点。比如，体育馆、会展中心、飞机库、剧场等。尤其在悬索桥、斜拉桥等桥梁工程中的应用。,3.高层结构(high-rise structure),高层结构，尤其是超高层结构能充分发挥钢结构强度高，塑性、韧性好，抗震性能优越等优点。例如，办公楼、宾馆、住宅等。近年来，随着我国钢产量的逐年增加，钢结构在多层、高层、超高层建筑中的应用将会更加广泛。

6、,4.高耸结构(towering structure),高耸结构主要包括塔架和桅杆结构。如电视塔、输电线塔、钻井塔、环境大气监测塔、广播发射桅杆等。,5.容器、贮罐、管道,如大型油库、油罐、气罐、煤气库、输油管等。,6.可拆卸或移动的结构,如建筑工地的活动房，临时的商业或旅游业建筑，塔式起重机，龙门吊等。此类结构多为轻钢结构并采用螺栓或扣件连接。,7.其他构筑物,如高炉、运输通廊、栈桥、管道支架等。,1.3钢结构的设计方法,钢结构设计应遵循的一般原则是“技术先进、经济合理、安全适用、确保质量”。钢结构的设计方法可分为容许应力法和极限状态设计法两种。分述如下：,一 容许应力法(allowable

7、 stress method),“容许应力法”也称为“安全系数法”或“定值法”。即将影响结构设计的诸因素取为定值，采用一个凭经验选定的安全系数来考虑设计诸因素变异的影响，以衡量结构的安全度。其表达式为：(1-1),容许应力法，作为一种传统的设计方法计算简便，目前许多国家在不同的规范中仍在采用。但此设计方法采用定值的安全系数考虑不确定诸因素的影响不科学，不能定量度量结构的可靠度，而且给人一种误导，只要有安全系数结构就百分之百可靠。目前，我国钢结构设计规范（GB50017-2003）中，只有结构构件或连接的疲劳强度计算采用此方法。,式中：,由标准荷载与构件截面尺寸所计算的应力；,容许应力,=,材料

8、的标准强度，对于钢材为屈服点；,安全系数。,二 极限状态设计法(limit-state design method),极限状态设计法问世于20世纪50年代。它将变异性的设计参数采用概率分析引入结构设计中。根据应用概率分析的程度分为三种水准。即半概率极限状态设计法、近似概率极限状态设计法和全概率极限状态设计法。目前，钢结构设计方法采用的是近似概率极限状态设计法，有时也称为概率极限状态设计法。,1.可靠性(reliability)定义,按照概率极限状态设计法，结构可靠度定义为：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。是结构安全性、适用性和耐久性的总称。,2.极限状态(limit s

9、tate)定义及分类,当结构或其组成部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态就称为该功能的极限状态。结构的极限状态可分为两类：,(1)承载能力极限状态,结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态，它包括强度、稳定和疲劳等计算。,结构或构件达到正常使用的某项规定极限值时的极限状态。包括静载下的过大变形、动载下的剧烈振动及耐久性问题。,结构的工作性能可用结构的功能函数来描述，若结构设计时需考虑影响结构可靠性的随机变量有n个，即x1,x2,xn,则在n个随机变量间通常可建立函数关系，若仅考虑R,S两个参数，则结构的功能函数为：Z=(R,S)=R-S(1

10、-2),3.结构的功能函数,(2)正常使用极限状态,式中：R结构的抗力；S荷载效应。实际工程中，随着条件的不同，Z有三种可能性：当Z0 结构处于可靠状态；当Z=0 结构达到临界状态，即极限状态；当Z0 结构处于失效状态。结构的可靠度及失效概率为：结构的可靠度：Ps=P(Z0)(1-3)结构的失效概率：Pf=P(Z0)(1-4)两者关系：Ps+Pf=1(1-5),4.设计方法表达式,现行钢结构设计规范（GB50017-2003）中除疲劳计算外，都采用广大设计人员熟悉的分项系数设计表达式表示以概率理论为基础的极限状态设计方法。(1)对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载组合

11、，基本组合按下列设计表达式中最不利值确定,(i)由可变荷载效应控制的组合：,式中：结构重要性系数；永久荷载的分项系数；第个可变荷载的分项系数，其中为可变荷载的分项系数；按永久荷载标准值计算的荷载效应值；按可变荷载标准值计算的荷载效应值，其中为诸可变荷载效应中起,(ii)由永久荷载效应控制的组合：,(1-6),(1-7),控制作用者；可变荷载的组合值系数；参与组合的可变荷载数；钢材的强度设计值。，为钢材屈服点，为抗力分项系数，对于Q235钢：1.087；对于Q345、Q390和Q420钢：=1.111。但对于端面承压和连接，则，其中为极限强度，=1.538,(2)对于正常使用极限状态，应据不同的

12、设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合。钢结构通常只考虑荷载的标准组合，其设计式为：,（1-9）,式中：永久荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值；超控制作用的第一个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值；其他第个可变荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值；结构或结构构件中的容许应力值。,1.4钢结构的发展,钢结构的发展经历了一个漫长的历程。从古至今，炼铁、炼钢以及每一项新技术的问世都极大地推动了钢结构的发展。我国的历史最为悠久，是最早用铁建造结构的国家。其中以铁链桥及铁塔为典型代表。建于公元5875年的兰津桥（图1.1）是最早的一座铁链桥，比欧洲最早的铁链桥早70余年

13、；建于1706年的四川沪定大渡河桥（图1.2），净跨100m，宽2.8m，由13根铁链组成，每根约1.6t，铁链锚固于直径20cm,长4m的铸铁锚桩上，该座桥比英国用铸铁建造的欧洲第一座跨度31m的拱桥早83年，比美洲第一座跨度为21.3m的铁链桥早105年。,铁塔作为古代的一种宗教建筑，如建于967年的广州光孝寺东铁塔，共7层，塔身高6.35m；建于1061年的湖北荆州玉泉寺铁塔（图1.3），共17层，塔身高17.9m；山东济宁铁塔寺铁塔；江苏镇江甘露寺铁塔等，均以独特的建筑造型和超凡的冶金技术，展示了我国劳动人民的聪明智慧和我国古代金属结构的辉煌成就！,图1.1 兰津桥,图1.2 沪定大渡

14、河桥,图1.3 玉泉寺铁塔,18世纪末工业革命在欧洲兴起，冶金技术的发展使钢结构在欧美的应用快速增长。18世纪80年代熟铁型材问世，19世纪30年代采用轧制方法制造铁轨，19世纪2030年代铆钉连接技术导致铆接熟铁结构的诞生。如1889年采用熟铁建成的高度321m的巴黎埃菲尔（Eiffel）铁塔（图1.4）。,1856年和1867年相继发明转炉和平炉冶炼工艺，软钢时代到来。从19世纪60年代和70年代起才有了全钢制造的桥梁，如建于1847年的跨越美国密西西比河的圣路易斯拱桥，中间跨158.5m，两边跨各为153m。19世纪后半叶焊缝连接出现，20世纪20年代起在工程结构中广泛应用。20世纪30

15、年代末到50年代初，高强螺栓连接开始应用于钢结构工程，促进了钢结构的发展。,图1.4 埃菲尔铁塔,图1.5 西尔斯大厦,自20世纪70年代起国外钢结构发展的高峰期到来。代表性建筑有1974年建成的110层，高443m的美国芝加哥西尔斯（Sears）大厦（图1.5）；1974年建成的5层纤绳，高645m的波兰华沙长波用桅杆；1973年建成的高392m的苏联基辅自立式电视塔；1975年建成的直径207m的美国新奥尔良超级穹顶；80年代初建成的跨度218m的新加波章宜机场飞机库；1981年建成的主跨1410m的英国亨伯（Humber）吊桥；,1998年4月建成通车的中央跨长1991m的日本明石海峡吊

16、桥（图1.6），实现了超大跨度的飞跃。1996年建成的地上88层、450m高的马来西亚吉隆坡石油大厦（图1.7）；于1998年动工、2004年12月正式开放的地下5层，地上101层508m高的台北101大厦（图1.8），被视为世界新“地标”，在高度方面向极限冲刺。钢结构技术进入目前最高境界！,图1.6 日本明石海峡吊桥,图1.7 石油大厦 阿联酋七星级酒店,图1.8 台北101大厦,图1.9 伦敦子弹头,图1.10 瑞典190米陀螺型奇异建筑,中国钢结构的发展虽有辉煌的历史，但在半封建半殖民地的百年历史中落后了。1949年新中国成立后，由于钢产量的限制，钢结构虽有发展，但数量少、规模小，仅在重

17、型厂房、大跨度公共建筑以及塔桅结构中采用。鞍山、武汉、包头等钢厂的炼钢、轧钢及连铸车间均采用了钢结构，,在公共建筑方面代表作有1962年建成的北京工人体育馆采用圆形双层辐射式悬索结构，直径94m；1967年建成的浙江体育馆采用双曲抛物面正交索网的悬索结构，椭圆平面，8060m；1975年建成的上海体育馆，跨度110m的三向平板网架；1977年建成的北京环境气象塔为高达 325m的5层纤绳三角形杆身的钢桅杆结构。,在桥梁方面代表作有：1957年建成的武汉长江大桥；1968年建成的南京长江大桥等。1978年以后，我国改革开放政策实施，钢结构得到了前所未有的发展，应用领域得以拓展。比如，1994年建

18、成的天津新体育馆，采用圆形平面球面双层网壳，直径108m；1996年建成的嘉兴电厂干煤栅，采用矩形平面三心圆柱面双层网壳，跨度为103.5m；1997年建成的上海体育馆马鞍山环形大悬挑空间钢结构屋盖，最大悬挑长度78m；,2000年建成的上海浦东国际机场航站楼张弦梁屋盖钢结构，张弦梁屋架最大跨度为80m。正建的中国国家大剧院（图1.9）的钢结构东西跨度212.24m，南北跨度143.64m，高度46.285m，蛋壳面积3.5万米2;正建的2008奥运会主场馆鸟巢（图1.10）等。这些建筑的建成标志我国大跨度空间钢结构已迅速接近国际先进水平。,图1.12 中国国家大剧院,图1.11 2008奥运

19、会主场馆鸟巢,另外，高层及超高层钢结构建筑在北京、上海、深圳等地拔地而起，以地下3层，地上88层，420.5m的上海金贸大厦（图1.11）为代表，标志着我国超高层钢结构已进入世界前列！,图1.13上海金贸大厦,综上所述，钢结构作为一种综合性能优良的结构，既有辉煌的历史，更有美好的未来。我国自1996年钢产量首次突破1亿吨大关居世界第一至今，以1997年建设部颁发的中国建筑技术政策（19962010）为代表，国家推出一系列政策推动钢结构的应用。可以预言:21世纪是钢结构的世纪！中国钢结构飞速发展的时代已经到来！,图1.14 东京千年塔,日本东京千年塔(Millennium Tower)高约840

20、米，外观呈现圆锥形，约170层楼，可用于商业和居住。千年塔可以容纳6万人。,终极塔楼高(Ultima Tower)2英里，约合3218.7m。其基座直径约1830米，大约500层楼,容纳约100万人口。超群大厦(Bionic Tower)约合1200米、有300层楼，容纳约10万人造价是150亿美元。福斯特建筑事务所的水晶岛(Crystal Island)项目高1500英尺(约合457米)，可供3万人居住。东京清水TRY 2004巨城金字塔的高度是埃及吉萨大金字塔的12倍。埃及吉萨大金字塔高6574英尺(约合2003米)，可容纳75万人。X-Seed 4000摩天巨塔楼高13,123英尺(约合

21、4000米)，造价1万亿美元，形似帐篷由巨柱支撑，每根柱子都可以住人。X-Seed 4000摩天巨塔共有800个楼层，可以让50万至100万人在此安居乐业。空中之城1000(Sky City 1000)是一座约1000米高的城市，可容纳常驻居民3.6万，工人10万。,图1.15 旧金山终极塔楼,图1.16 超群大厦,图1.17 莫斯科水晶岛,图1.18 东京清水TRY 2004巨城金字塔,图1.19 东京X-Seed 4000,图1.20 东京空中之城1000,图1.21 世界超高层建筑图谱,图1.22 世界超高层建筑图谱,图1.23 中国超高层建筑图谱,第二章 钢结构的材料,第一节 建筑结构

22、用钢的基本要求第二节 钢材的破坏形式第三节 钢材的主要机械性能第四节 影响钢材性能的主要因素第五节 复杂应力作用下的屈服条件第六节 钢材的疲劳和疲劳计算第七节 建筑结构用钢的种类及选择,第一节 建筑结构用钢的基本要求,钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。1、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻；2、较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载；3、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能；据上要求,钢结构设计规范GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构

23、钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。,第二节 钢材的破坏形式,两种破坏形式：塑性破坏：由于变形过大，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fu后才发生的。2 脆性破坏:脆性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fy，断裂从应力集中处开始。破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的。,第三节 钢材的主要机械性能,一、单向拉伸试验曲线 根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用中，钢材的性能按理想弹塑性体考虑，fy定为钢材拉、压强度标准值。,二、钢材的主要机械性能强度：fy 强度设计标准值，设计依据；fu钢材的最大承载强度，安全储备。

24、塑性5（10），钢材产生塑变时而不发生脆性断裂的能力，便于内力重分布，吸收能量，重要指标。冷弯性能90o、180o，在冷加工过程中产生塑性变形时，对产生裂纹的敏感性，是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标。韧性冲击韧性k，钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的能力（动力指标），按常温（20o）、零温（0o）、负温（-20o、-40o）区分。可焊性表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能力不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求。,第四节 影响钢材性能的主要因素,1、化学成份2、冶金及轧制3、冷作硬化与时效硬化4、复杂应力与应力集中5、残余应力6、温度,1、化学成份的

25、影响 基本成份为Fe，炭钢中含量占99，C、Si、Mn为杂质元素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。C：含C使强度塑性、韧性、可焊性，应控制在0.22%，焊接结构应控制在0.20%。Si：含Si适量使强度 其它影响不大，有益，应控制0.10.3%Mn：含Si适量使强度 降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益。S：含量使强度塑性、韧性、性能冷弯、可焊性；高温时使钢材变脆热脆现象。P：低温时使钢材变脆冷脆现象；其它同SO、N：O同S；N同P，控制含量0.008%,2、冶金与轧制的影响冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用

26、Si为脱氧剂，时间慢，价格高，质量好。反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。3、冷作硬化与时效硬化由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象称之为硬化现象。冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化。钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化”现象称之为时效硬化。,4、复杂应力与应力集中的影响 钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性

27、下降，异号应力场时则相反。钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部应力增大并多为同号应力场。5、残余应力的影响 钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内部自相平衡的内力（P26,图2.10）,残余应力虽对构件的强度无影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不利影响（后续章节中将详细介绍）。,6、温度的影响 温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。正温影响 总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这一现象称之为热塑现象，温度达600o左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为热

28、煅温度。需要说明：钢材在300o左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象。钢材在300o以上时应采取隔热措施。负温影响（P27，图2.12）随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度。,第五节复杂应力作用下的屈服条件,在单向拉力试验中，单向应力达到屈服点时，钢材即进入塑性状态。在复杂应力作用下，钢材由弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论计算的折算应力 与单相应力下的屈服点相比较来判断：当 时为弹性状态；时为塑性状态。如三向应力有一向应力很小（如厚度较小，厚度方

29、向的应力可忽略不计）或为零时，则属于平面应力状态，上式成为,在一般的梁中，只存在正应力 和剪应力，则：当只有剪应力时，则：由此得：因此，钢结构设计规范确定钢材抗剪强度为 抗拉设计强度的0.58倍。当平面或立体应力皆为拉应力时，材料破坏时没有明显的塑性变形产生，即材料处于脆性状态。,第六节 钢材的疲劳和疲劳计算,1 疲劳破坏：钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成，扩展以至断裂破坏的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。疲劳破坏属于脆性破坏。2 疲劳计算类别及参数取值：1应力谱 循环荷载在钢材内应起的反复循环应力随时间变化的曲线即为应力谱 2应力幅 试验与分析证明应力幅相同的情况下，最大最小应力无论是较高

30、或较低，以及应力比是较大或较小，对疲劳强度基本不起作用。,3疲劳计算类别：不同类别钢构件或连接的疲劳 强度各不相同。按其疲劳性能的高低归并为八个疲劳计算类别，并对每个类别规定了相应的参数取值。其中一类疲劳性能最好，八类最差。需要指出，疲劳破坏应力幅或疲劳允许应力幅主要取决于 应力循环次数以及构件或连接的具体构造细节和应力集中程度.3 疲劳曲线：对于不同的构件和连接用不同的应力幅 在疲劳试验机上进行常幅循环应力试验可得试件发生疲劳破坏时的应力循环次数n，将足够多的试验点连接起来，便得到 曲线，即疲劳曲线。4 钢构件和连接的疲劳计算:规范规定当应力变化的循环次数大于等于十万次（n）时，应对应力循环

31、中出现的拉应力的部位进行疲劳计算，对不出现拉应力的部位一般不计算疲劳，计算疲劳时，不乘分项系数，也不乘动力系数，按弹性方法计算其应力。,5 常幅疲劳的容许应力幅：实际上试验数据是分布在实线两侧有一定宽度的分布带，钢结构规范规定容许应力幅取分散带的下限，即平行于实线但偏左k倍的标准差的疲劳屈线。试验表明，常幅疲劳的容许应力幅与循环次数n的关系，采用对数坐标时，大体是一多 为-1/的直线。式中c,-系数，按疲劳计算类别查表 n-应力循环系数,6 常幅疲劳计算:焊接部位 非焊接部位 拉应力时取正号，压应力时取正号 7 变幅疲劳计算：当疲劳应力幅变化时，按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的应力幅折算

32、成等效常应力幅，然后按常应力幅疲劳计算：,式中：-以应力循环次数表示的结构预期使用寿命-预期寿命内相应力幅的应力循环次数 8 吊车梁的变幅计算：吊车梁引起变幅的荷载主要是吊车荷载，疲劳计算时通常以经常发生的一台吊车标准值计算应力幅，规范规定的计算公式为：-次数效应系数。对重级工作制硬钩吊车;重级工作制软钩吊车；中级工作制吊车,第七节 建筑结构用钢的种类与选择 一、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类,钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法”四部分组成。Q：表示“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度”；质量等级：分AE五级（字序越高质量越好）；脱氧方法：F沸腾钢；Z镇静钢（一般省略）；b半镇

33、静钢；TZ特殊镇静钢。注：炭素结构钢分：A、B、C、D 四级，含所有脱氧方法；低合金结构钢分：A、B、C、D、E五级，只有镇静钢和特殊镇静钢。如前所述建筑结构用钢，宜选炭素结构钢中的Q235及低合金钢中的Q345、Q390、Q420四种钢材。,二、建筑结构用钢的选择,钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强度fu、屈服强度fy、伸长率5（10）、冷弯180o及冲击韧性k，化学成分C、S、P等的极限含量，以及冶炼脱氧方法来衡量。选材时应根据结构的重要性、荷载性质（静、动）、连接方法、结构所处的温度和环境、钢材的厚度等因素来综合考虑以选择适宜钢材。一般承重结构应有fu、fy、5以及C（0.22%

34、）、S、P的极限含量合格保证；焊接及重要的非焊接承重结构还应具备冷弯180o合格保证（C0.2%）；承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时,还应根据具体情况增加对k的不同要求。,3 钢材的规格 钢结构采用的钢材有钢板、型钢以及冷弯成型的薄壁型钢。（1）钢板有厚钢板（厚度460）和薄钢板（厚度为0.35 4）扁钢（厚度为4 60）（2）型钢 常用的型钢有角钢、工字钢、槽钢和钢管。普通型钢是由钢材热轧而成，型钢截面形式合理，材料在截面上分布对受力最为有利。由于其形状较为简单种类和尺寸分级较少，所以便于轧制，而且构件间相互连接也 比较方便，因此型钢是钢结构中采用的主要钢材。（3）薄壁型钢是用薄钢板，经模

35、压或弯曲而制成，其截面形式及尺寸可按合理方案设计，能充分利用钢材的强度节约钢材，所以已在我国逐步推管使用。,第三章 钢结构的连接,一、焊缝连接,3.1 钢结构的连接方法及其特点,优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大；,缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。,三、螺栓连接,优点：连接刚度大，传力可靠；,分为：普通螺栓连接 高强度螺栓连接,二、铆钉连接,缺点：对施工技术要求很高，劳动强度大，施工条件差，施工速度慢。,一、钢结构常用焊接方法,1.手工电弧焊,A、焊条的选择：焊条应与焊件钢材相适应。,原理：利用电弧产生热量 熔化焊条和母材形 成焊缝。,3.2 焊接方法和焊缝连接形式,Q390、Q

36、420钢选择E55型焊条(E5500-5518),Q345钢选择E50型焊条(E5000-5048),B、焊条的表示方法：,E焊条(Electrode),第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2),第3、4适用焊接位置、电流及药皮的类型。,不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。,缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。,优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；,Q235钢选择E43型焊条（E4300-E4328),C、优、缺点,2.埋弧焊（自动或半自动）,A、焊丝的选择应与焊件等强度。B、优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。缺点

37、：设备投资大，施工位置受限等。,送丝器,机器,3.气体保护焊,优点：焊接速度快，焊接质量好。缺点：施工条件受限制等。,4.电阻焊,优、缺点：优点：成本低，效率高，质量好，焊接变形小（适用于冷弯薄壁型钢的连接）缺点：不适于厚板、较大约束度及低温条件施焊,二、焊接连接形式和焊缝形式,1.焊接连接形式,对接,搭接,2.焊缝形式,（1）对接焊缝,（2）角焊缝,3.焊缝位置,三、焊缝缺陷及焊缝质量检查,1.焊缝缺陷,（a）裂纹；（b）焊瘤；（c）烧穿；（d）弧坑；（e）气孔；（f）夹渣；（g）咬边；（h）未熔合；（i）未焊透,2.焊缝质量检查,外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损检验：检验内部缺陷

38、。,内部检验主要采用超声 波，有时还用磁粉检验 荧光检验等辅助检验方法。还可以采用X射线或射线透照或拍片。,钢结构工程施工及验收规范规定：,焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。,三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；,一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。,钢结构设计规范（GB50017-2003）中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：,(1)需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。,3.焊缝质量等级及选用,(2)在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于

39、二级；受压时宜为二级。,（）重级工作制和起重量 的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级。,（）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。,4.焊缝代号,5.孔、螺栓图例,1、对接焊缝的坡口形式:,一、对接焊缝的构造要求,3.3 对接焊缝的构造与计算,对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和施工条件有关。,t-焊件厚度,(1)当:t6mm(手工焊),t10mm(埋弧焊)时可不做坡 口,采用直边缝;,(2)t=620mm时，宜采用钝边P的单边V形和双边V

40、形坡口;,(3)t20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。,2、V形、U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行清根补焊3、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1，t1较薄焊件厚度4、当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓过度，减小应力集中,对接焊缝分为：焊透和部分焊透两种；动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受力方向的连接焊缝；对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材相同，不予计算。三级焊缝需进行计算；对接焊缝可视作焊件的一部分，故其

41、计算方法与构件强度计算相同。,二、对接焊缝的计算,1、轴心力作用下的对接焊缝计算,式中：N轴心拉力或压力；t板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度；ftw、fcw 对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。,当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图B。,另:当tan1.5时,不用验算!,2、M、V共同作用下的对接焊缝计算,因焊缝截面为矩形，M、V共同作用下应力图为：,故其强度计算公式为：,式中：Ww焊缝截面模量；Sw-焊缝截面面积矩；Iw-焊缝截面惯性矩。,（1）板件间对接连接,（2）工字形截面梁对接连接计算,A、对于焊缝的max和max应满足式3-2和3-3要求；,B、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其

42、折算应 力尚应满足下式要求：,1.1考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。,3、N、M、V共同作用下的对接焊缝计算,（1）矩形截面,中和轴处：,（2）工字形截面,工字形截面对接焊缝除满足上述三项计算外，尚应计算翼缘与腹板相交处的折算应力，即翼缘与腹板相交处,1、角焊缝的形式:,一、角焊缝的形式和应力分布,3.4 角焊缝的构造与计算,直角角焊缝、斜角角焊缝,（1）直角角焊缝,（2）斜角角焊缝,对于135o或60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。,（1）侧面角焊缝（侧焊缝）,2.直角角焊缝的受力分析,侧面角焊缝的应力,试验表明侧面角焊缝主要承受剪力，强度相对较低，塑性性能较好。因

43、外力通过焊缝时发生弯折，故剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小，lw/hf越大剪应力分布越不均匀。,（2）正面角焊缝,正面角焊缝受力复杂，应力集中严重，塑性较差，但强度较高，与侧面角焊缝相比可高出35%-55%以上。,正面角焊缝的破坏形式,1、最小焊脚尺寸hf,min,为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求:,式中:t2-较厚焊件厚度 另:对于埋弧自动焊hf,min可减去1mm;对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm;当t24mm时,hf,min=t2,二、角焊缝的构造,2、最大焊脚尺寸hf,max,为了避免焊缝处局部过热，减小焊

44、件的焊接残余应力和残余变形，hf,max应满足以下要求:,hf,max1.2t1（钢管结构除外）式中:t1-较薄焊件厚度。,对于板件边缘的角焊缝,尚应满足以下要求：当 t6mm时，hf,maxt；当 t6mm时，hf,maxt-(12)mm；,3.侧面角焊缝的最小计算长度,对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：,4.侧面角焊缝的最大计算长度,侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐

45、趋均匀；当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：,注：1、当实际长度大于以上值时，计算时不予考虑；2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。,5.搭接连接的构造要求,当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：A、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力 不均，规范规定：,D.在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度 的5倍，且不得小于25mm。,C.当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2hf的绕 角焊，且转角处必须连续施焊。,三、角焊缝的计算,1、角焊缝强度计算的一般表达式 试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在45o截面，故通常将45o截面作为计算截面，作用在该截面上的应力如

46、下图所示：,在复杂应力状态下，其强度条件应满足：,直角角焊缝的强度计算公式：,将39、310式，代入311式得：,f正面角焊缝强度增大系数；静载时取1.22，动载时取1.0。,2、轴心力作用时盖板连接的角焊缝计算 对于正面角焊缝，f=0，由310式得：,对于侧面角焊缝，f=0，由35式得：,以上各式中：he=0.7hf；lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其 实际长度减去2hf。,对于三面围焊缝,正面角焊缝所承受的内力,侧面角焊缝所承受的内力,3、轴心力作用时角钢连接的角焊缝计算,A、仅采用侧面角焊缝连接,由力及力矩平衡得:,故:,强度计算：,B、采用三面围焊,由力及力矩平衡得:,

47、余下的问题同情况A，即:,C、采用L形围焊,令3-26中 得:,即可采用3-23、3-29计算L形焊缝,4、N、M、V共同作用下,在N、M、V、共同作用时，焊缝上端点处最危险，该点焊缝应满足：,其中,假定:A、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：T作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势；B、T作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与r成正比；C、在V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。,5、T、V共同作用下,将F向焊缝群形心简化得:V=F T=F(e1+e2),故：该连接的设计控制点 为A点和A点,T作用下A点应力:,将其沿x轴和y轴分解:,剪力V作用下,A点应力:,将3-3

48、5、3-36、3-37代入3-13得，A点应满足：,35 焊接应力和焊接变形,一、焊接残余应力的分类及其产生的原因 1、焊接残余应力的分类 A、纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向;B、横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向;C、沿厚度方向的焊接残余应力。2、焊接残余应力产生的原因（1）纵向焊接残余应力,焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达1600oC，而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到屈服强度。

49、焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。,（2）横向焊接残余应力,产生的原因:1、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形的趋势，导致两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；2、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关。以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力。,（3）沿厚度方向的焊接残余应力,在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压

50、缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力x,y 外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力z，这三种应力形成同号(受拉)三向应力，大大降低连接的塑性。,二、焊接残余应力对结构性能的影响,1、对结构静力强度的影响,因焊接残余应力自相平衡，故：,当板件全截面达到fy，即N=Ny时：,2、对结构刚度的影响,A、当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy，故该部分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为：,因为B-b 2。,结论：焊接残余应力的存在增大了结构的变形，即降低了结构