钢结构设计控制要点20151211

钢结构设计控制要点总的原则•整体把控，注重细部•现实联系理想•强度，刚度，稳定都重要•强节点，弱构件主要章节1、钢结构的应用范围2、钢结构常见的破坏形态3、钢结构的材料性能4、钢结构的连接5、钢结构的有限元分析及实验研究6、钢结构的力学模型7、钢结构常用的计算软件8、钢结构的防腐及防火1.钢结构的应用范围1）大跨度结构2）重型厂房结构3）受动力荷载影响的结构4）可拆卸的结构5）高耸结构和高层结构6）容器和其它构筑物7）轻型钢结构8）海洋平台结构（1）大跨度结构体育馆、展览馆、影剧院、会议中心、机库等（2）重型厂房结构钢铁、化工、机械、发电等行业的厂房（3）受动力荷载影响的结构：公路，铁路，跨江，跨海（4）可拆卸、移动的结构舞台、展棚、军用设施、温室等（5）高耸结构和高层结构金茂、环球金融中心、迪拜塔（5）高耸结构和高层结构电视塔、天线、发射架、管道支架（6）容器和其它构筑物油罐、储气罐密封性好、耐高压（7）轻型结构厂房、住宅、公共建筑轻便、安装迅速（8）海洋平台2、钢结构常见的破坏形态•钢结构的承载能力极限状态可以出现于下列六种情况：•（1）整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（如倾覆）；•（2）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏；（强度破坏）•（3）结构转变为机动体系（倒塌）；•（4）结构或构件丧失稳定（屈曲等），网架倒塌；•（5）结构出现过度的塑性变形，而不适用于继续承载；•（6）在重复荷载作用下构件疲劳断裂。•在这些极限状态中，稳定性、抗脆断对钢结构设计有重要的意义。整体把控定结构方案，选结构类型柱网的布置，抗侧移构件的布置，支撑或剪力墙，力争使结构平面布置规则。软件计算，整体参数，周期比，整体侧移，层间侧移；构件的应力比，位移。应力比：主要传力构件0.7-0.8，二级构件0.8-0.9，次要构件0.95以下。可用的软件有SAP2000，MIDAS，PKPM等软件青岛邮轮母港客运中心钢屋盖考虑行波效应的地震反应分析•注重细部3钢结构的材料3.1对钢结构用材的要求钢材——铁（Fe）、碳（C）及其它元素的合金。化学成分——碳素钢，低合金钢，不锈钢，耐候钢。结构钢材——钢板，型钢。供货钢材钢板型钢热轧冷成型结构用钢：碳素钢、合金钢中少数几种。钢材的选用：Q235B，Q345B，Q345C等牌号（简称钢号）：AbQ235半镇静钢质量分级屈服强度，大小为235N/mm2☆屈服强度，基本反映含碳量高低。☆质量分级AD，表示质量低高（根据冲击韧性和冷弯性能划分）3钢结构的材料结构钢须具备性能：较高的强度，塑性好，韧性好，良好的加工性能，适合冷、热加工，良好的可焊性。一、单向拉伸时的工作性能3钢结构的材料拉伸试验钢材在常温、静载条件下一次拉伸所表现的性能强度指标变形性能ⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅡⅢⅣⅤⅠ弹性阶段Ⅱ弹塑性阶段Ⅲ塑性阶段Ⅳ应变硬化阶段Ⅴ颈缩阶段主要力学性能指标：弹性模量比例极限屈服点抗拉强度伸长率3钢结构的材料二、冷弯性能判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。根据试样厚度，按规定弯心直径将试样弯曲180°，其表面及侧面无裂纹或分层则为冷弯试验合格。3钢结构的材料三、冲击韧性韧性是钢材断裂时吸收机械能力的量度。实际中用冲击韧性衡量钢材抗断裂的性能。测量方法：梅氏方法夏比法缺口韧性值受温度影响：常温（20±5℃）0℃负温（-20℃或-40℃）3钢结构的材料碳素结构钢质量分级质量分级冲击韧性冷弯性能A不要求需要则进行BAKV≥27J（常温）合格CAKV≥27J（0℃）合格DAKV≥27J（-20℃）合格改进韧性，保证可焊性注：表中冲击韧性采用夏比V形缺口试验。3钢结构的材料对钢材力学性能影响的因素一）、化学成分的影响二）、成材过程的影响1、生产过程冶炼，浇筑，轧制（钢板厚薄），热处理2、加工过程冷加工硬化（应变硬化），热加工，使用过程，应力情况（3）应力①残余应力：降低实际承载力；②应力集中：③复杂应力状态：多向应力，降低延性。避免焊缝交叉应力状态4钢结构的连接一、钢结构的连接方法焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接接连栓螺接连钉铆接连缝焊法方接连(a)(b)(c)(a)(b)(c)1、焊缝连接的特点●构造简单，连接方便；●用料经济，不削弱截面；●加工方便，可实现自动化操作；●密闭性好，结构刚度大；●缺点：焊接应力和焊接变形；热影响区材质变脆；对裂纹比较敏感；低温冷脆；对动力荷载比较敏感，等。4钢结构的连接2、铆钉连接的特点●塑性和韧性较好；●连接紧密，传力方便；●用于直接承受动力荷载的结构中（如桥梁）；●缺点：构造复杂，费工费料。很少使用。3、螺栓连接的特点分普通螺栓连接和高强螺栓连接（1）普通螺栓连接●A、B、C三级：A和B为精制螺栓，C级为粗制螺栓；●材料等级：A和B为8.8级，C级为4.6级或4.8；●加工：A、B级由毛坯在车床上精确加工而成——精制；C级为由未经加工的圆钢压制而成——粗制；4钢结构的连接●螺孔：A、B级需要钻模钻成（Ⅰ类孔），孔径比螺杆大0.3mm左右；C级为一次冲成或不用钻模钻成（Ⅱ类孔）孔径比螺杆大1.5~3.0mm。●受力：A、B级受力性能好，连接变形小，可以既受拉又受剪，用于重要的连接；C级螺栓连接性能不如A、B级好，主要受拉，用于承受静力荷载和间接承受动力荷载的次要连接。●费用：A、B级成本昂贵，C级螺栓价格便宜，能用C级螺栓的地方不用A、B级螺栓。（2）高强螺栓连接高强螺栓分为摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓4钢结构的连接●摩擦型高强螺栓：只依靠构件接触面之间的摩擦力来传递剪力，以剪力等于接触面摩擦力为设计极限状态。●承压型高强螺栓：允许接触面滑移（剪力超过摩擦力），以螺杆与构件之间的挤压而发生的连接破坏作为承载力极限状态。●受力：摩擦型高强螺栓剪切变形小，弹性性能好，耐疲劳，特别适用动力荷载；承压型高强螺栓的承载力高于摩擦型，剪切变形大，不得用于承受动力荷载的结构。●材料等级：采用45号钢、40B和20MnTiB钢（热处理），材料等级为8.8级或10.9级。●孔径：摩擦型高强螺栓孔径比螺栓大1.5~2.0mm；承压型高强螺栓孔径比螺栓大1.0~1.5mm。4钢结构的连接二、焊接方法和焊缝连接形式1、钢结构常用的焊接方法介绍●手工电弧焊。焊条选择：Q235选择E43型；Q345采用E50型焊条；Q390和Q420采用E55型焊条；不同钢种之间（例Q235与Q345)宜选用低组配方案（E43型）●自动或半自动埋弧焊。●气体保护焊。2、焊缝缺陷及焊接质量检验●焊缝缺陷：裂纹、焊瘤、烧穿、气孔、未焊透、夹渣、咬边、未熔合等4钢结构的连接1234567手工电弧焊1-电源2-导线3-夹具4-焊条5-电弧6-焊件7-焊逢123849101265711自动埋弧电弧焊1电源2导线3夹具4焊丝5电弧6焊件7焊逢8转盘9漏斗10溶剂11熔化的溶剂12移动方向123456电阻焊1电源2导线3夹头4焊件5压力6焊逢●焊缝质量检验：外部检验外部（外部尺寸和缺陷）和内部检验（内部缺陷）。内部检验方法：①超声波（主要)；②磁粉（辅助）；③荧光检验（辅助）；④x射线、γ射线等（x射线应用广）。●焊缝质量等级：《钢结构工程施工质量验收规范》对焊缝分为一级、二级和三级。三级焊缝只要求进行外观检验并符合标准；一级、二级除了外观检查外，还必须进行一定量的超声波检验并符合相应的标准。●焊缝等级的选用：①疲劳验算的构件：垂至于作用力方向的横向对接焊缝受拉时为一级，受压时为二级；4钢结构的连接②不进行疲劳计算的构件：对接焊缝要求等强时受拉焊缝不低于二级，受压时宜为二级；③重级工作制吊车和Q≥50T的中级工作制的吊车，吊车梁腹板与上翼缘之间的T形焊透的对接与角接组合焊缝，不低于二级；④角焊缝一般为三级，只有直接承受动力荷载的焊缝应为二级。3、焊缝连接形式和焊缝形式●焊缝连接形式：按照被连接构件的相对位置来分为对接（直接对接和盖板对接）、搭接、T形连接和角部连接等4钢结构的连接焊逢的连接形式接顶接搭接平(a)(b)(c)(a)(b)(c)顶接中的焊逢形式对接焊逢角焊逢(a)(b)(a)(b)●焊缝形式：对接焊缝和角焊缝●对接焊缝：正对接焊缝和斜对接焊缝●角焊缝：正面角焊缝（端缝）、侧面角焊缝（侧缝）和斜角焊缝（斜缝）连续角焊缝（重要构件）和间断角焊（次要构件）：间断角焊缝间断距离l≤15t（受压）和l≤30t（受拉），t为较薄件的厚度●按照施焊位置分：平焊（俯焊）、横焊、立焊和仰焊四种。焊接质量影响较大。4、焊缝代号、螺栓及其孔眼图例●焊缝代号：●螺栓及其孔眼：4钢结构的连接焊逢的施焊位置俯焊立焊横焊仰焊(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)mm3~5.0mm4~3mm3~2mm3~2mm4~3mm4~3对接焊逢的构造直边缝单边V型缝双边V型缝U型缝K型缝X型缝(a)(b)(c)(d)(e)(f)(a)(b)(c)(d)(e)(f)不同厚度或宽度钢板的拼接改变厚度改变宽度(a)(b)(a)(b)三、焊接应力和焊接变形1、焊接应力●焊接应力产生的原因。●焊接应力的类型：纵向焊接应力；横向焊接应力；厚度方向的焊接应力。●焊接应力对结构性能的影响：不影响结构的静力强度；降低结构的刚度；降低结构的稳定承载力；增加了结构在低温下的脆断倾向；对结构的疲劳强度有明显的不利影响。2、焊接变形●焊接变形：局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转等，影响构件在正常使用条件下的承载能力。t3、减少焊接应力和焊接变形的措施设计上：●焊件位置的安排要合理。尽量使焊缝对称于构件截面的中心轴。●焊缝尺寸要适当。不得随意增大焊缝的厚度。●焊缝的数量宜少，且不宜过分集中。●应尽量避免两条或三条焊缝垂直交叉。●尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。工艺上：●采取合理的施焊次序。例如分段退焊、分层焊和工字形截面的对角跳焊等。●采用反变形法。●对于小尺寸焊件，采取焊前预热，焊后回火加热至600度左右，然后慢慢冷却，可以消除焊接应力和焊接变形。●采取刚性固定法来控制焊接变形，但增加了焊接应力。四、普通螺栓连接与构造1、螺栓的排列●螺栓排列要求：受力要求；构造要求；施工要求。●螺栓排列方式：并列和错列两种。●螺栓排列的最大和最小容许距离。2、螺栓的构造要求●每一构件在节点上以及拼接接头的一端，永久螺栓的数目不少于2个。●对直接承受动力荷载的普通螺栓连接，应当采用双螺帽或其它防止螺帽松动的有效措施。●由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，一般只受拉力，不宜受剪，承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构和临时结构，可采用C级螺栓受剪。重要结构中，优先采用高强螺栓。3d03d03d02d02d04d08d08d08d08d08t12t12t12t12t16do或24t（受拉）12do或18t（受压）钢板上的螺栓排列螺栓排列的最小距离螺栓排列的最大距离(b)(c)(a)(b)(c)五、高强螺栓连接与构造●当型钢构件的拼接采用高强度螺栓连接时，由于型钢的抗弯刚度较大，不能保证摩擦面紧密贴和，故不能用型钢作为拼接件，而应采用钢板。●在高强度螺栓连接范围内，构件接触面的处理方法应在施工图中说明。防止脆性断裂影响钢材脆断的因素：钢材的质量，钢板的厚度，加荷速度，应力性质和大小，最低使用温度，连接的方法，应力集中程度等。防止脆断的措施有：1）对低温地区的焊接结构要注意选择钢材的材质；2）对焊接结构特别是低温地区，设计时要注意焊缝的正确布置和施焊时注意焊缝的质量；3）力求避免应力集中；4）结构在使用时应避免使其突然受力，要使加荷的速度不致过大。5）设置多道防线两个重要细节：避免焊缝交叉；集中荷载处设加劲肋。钢材脆断•两个重要细节：•避免焊缝交叉：避免三向受拉，防止断裂。•集中荷载处设加劲肋：防止局部屈曲。•细部的设计方法：有限元计算或者试验青岛邮轮母港客运中心钢屋盖的特殊节点的有限元分析6.有限元分析及试验研究6.有限元分析及试验研究梁柱弱轴连接翼缘削弱型节点受力性能研究新型梁柱装配式刚性节点的抗