钢结构基本知识

钢结构基本知识第一章概述一、钢结构的特点1、强度高，塑性和韧性好2、材质均匀，符合力学假定3、钢结构制造简便，施工周期短4、钢结构的质量轻强度与密度之比远大于混凝土5、耐腐蚀性差6、耐热不耐火≮250℃，500～600℃强度为零防火处理：蛭石板、蛭石喷涂、石膏板等7、钢结构的密封性好容器等8、低温冷脆二、钢结构的应用范围1、重型厂房结构2、大跨结构3、高层建筑4、塔桅结构5、板壳结构容器、储液库、煤气库、管道等6、可移动式结构活动房屋、水工闸门、起重运输机等7、桥梁结构8、轻型钢结构9、承受振动荷载和地震作用的结构三、钢结构设计的基本要求1、安全可靠。在运输、安装和使用中，具有足够的强度、刚度和稳定性2、合理选用材料、结构方案和构造措施，满足使用要求3、节约钢材，减轻自重4、钢结构要便于运输和维护5、尽量注意美观四、现代钢结构的发展1、高强度钢材的应用Q235、Q345、Q420、45号钢等2、钢结构设计计算理论的研究与改进3、新型结构形式的应用4、钢—混凝土组合结构的应用5、钢结构优化原理及其应用6、生产制造工业化、产业化第二章钢结构的材料一、钢的种类碳素钢和合金钢1、碳素钢●分结构钢（低碳钢）和工具钢（高碳钢）；●碳素结构钢—《GB700－88》质量等级：A、B、C、D四级；●A—只保证抗拉强度、屈服点和伸长率；B、C、D—保证抗拉强度、屈服点和伸长率、冷弯性能和冲击韧性（分别为＋20℃、0℃和－20℃），同时严格控制C、S、P的极限含量；●钢号：Q235-A、Q235-B、Q235-C、Q235-D等2、合金钢●分为结构钢、工具钢和特殊钢●结构钢（低合金钢）—《GB/1591－94》质量等级：A、B、C、D、E五级；●A、B、C、D的规定同碳素结构钢，E级要求－40℃的冲击韧性；●钢号：Q345-A、Q390-B、Q420-C、Q235-D等二、炼钢的种类●转炉钢——质量较差，杂质含量较多。●空气底吹转炉钢——质量甚差，国内已不生产。●空气侧吹转炉钢——质量略差，各项性能不如氧气顶吹转炉钢。●氧气顶吹转炉钢——有害元素少、杂质少、纯洁度高；质量和加工性能都接近平炉钢；生产效率高，成本低，投资省，建厂快。●平炉钢——原料广泛，容积大，广量高，冶炼工艺较简单，钢材质量优良，化学成分稳定（偏析度小），机械性能可靠，能冶炼各种用途的钢。缺点为生产成本高，建厂规模大，工期长，投资大。●电炉钢——质量最好，成本最高，土建少用。三、炼钢的脱氧方法●脱氧剂——Mn、Si等●沸腾钢——用Mn脱氧，不充分，质量不好，成本低。●镇静钢——除锰外，还用硅和铝为脱氧剂，脱氧完全，质量好，成本高。●半镇静钢——介于沸腾钢和镇静钢之间。四、钢材的力学性能1、钢材均匀受拉时的力学性能●б—ε曲线五个阶段：①弹性阶段；②弹塑性阶段；③屈服阶段；④强化阶段；⑤颈缩阶段。●强度指标：①屈服强度fy；②抗拉强度fu●理想的弹塑性体●塑性性能：①伸长率δ10和δ5；②断面收缩率ψfufyfefpC完全弹性体理想弹塑性体00.10.152.522低碳钢应力—应变曲线应力—应变曲线l0d0l1l静力拉伸试验构件理想弹塑性体模型●钢材的物理性能指标：①弹性模量E＝206×103（N/mm2）②剪切模量G＝79×103（N/mm2）；③线膨胀系数α＝12×10-6；④质量密度ρ＝7850kg/m3。2、冷弯性能不分层、不裂纹3、冲击韧性αk断裂工程中吸收能量的能力αk＝Ak/A（J/cm2）pdL=5a+150aPPd+2.1a冷弯实验示意图31P55R=2.5R=1R=2.540冲击试验示意图五、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●良好的工艺性能（冷、热加工性能和可焊性）六、钢材的破坏形式塑性破坏和脆性破坏●塑性破坏：б＝fu发生，变形超过材料的变形能力。破坏前发生较大的塑性变形，断口呈纤维状,色泽发暗。●脆性破坏：б＜fu甚至б＜fy，没有明显的塑性变形，破坏突然，没有预兆。断口平直呈晶粒状,色泽发亮。●在设计、施工和使用钢结构时，应当注意防止出现脆性破坏七、影响钢材力学性能的因素●化学成分的影响：含C量增加，强度增高，塑性降低；S、P、O、N为有害元素，必须严格控制；Mn和Si为有益元素，要适量。●冶金缺陷的影响：镇静钢的屈服点高于沸腾钢（约40N/mm2）；非金属夹杂、裂纹、分层等。●时效的影响：钢材随时间的增长，强度增加、塑性降低而脆性增加。●冷作硬化的影响：钢材在冷加工（拉、剪、冲、压、拔等）的条件下，强度增加、塑性降低而脆性增加。●温度的影响：低温冷脆；冷脆转变温度（冷脆临界温度)●应力集中的影响：在空洞、槽口、凹角、裂缝、截面变化处，产生局部高峰应力—应力集中现象。应力集中：产生同号平面或立体应力场，钢材变脆。●时效的影响：钢材随时间的增长，强度增加、塑性降低而脆性增加。●疲劳的影响：钢材在连续反复或循环荷载作用下，当应力循环次数n达到某个大数时，发生突然的脆断。此时，应力б＜fu甚至б＜fy—疲劳破坏。八、钢材的规格和选用1、钢材的规格●热轧钢板：①厚钢板（厚4.5～60mm）；②薄钢板（厚0.35～4mm）；③扁钢（厚4~60mm，宽30～200mm）。●普通热轧型钢：①角钢：等边和不等边；②槽钢：热轧普通槽钢和低合金热轧轻型槽钢；③工字钢：同槽钢；④钢管：有无缝和焊接两种；⑤H型钢：宽翼缘工字钢。●薄壁型钢：用薄钢板（1.5～5.0mm)经模压和冷弯而成，一般为Q235或Q345钢。●各种彩钢板和压型钢板。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)型钢(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)薄壁型钢（a)方钢管；（b)等肢角钢；（C）槽钢；（d)卷边槽钢（e)卷边Z型钢；（f)卷边等直角钢；（g)焊接薄壁钢管2、钢材的选用●结构的重要性：一级（重要的）、二级（一般的）和三级（次要的）。●荷载情况：分静态荷载和动态荷载。直接承受动力荷载和强烈地震区的结构，选用性能好的钢材。●连接方法：焊接结构和非焊接结构。焊接结构由于受焊接应力和焊接变形等的影响，选用Q235-B等可焊性好的钢材。●结构所处的温度和环境：例低温冷脆、露天时效、腐蚀、疲劳断裂等。●钢材厚度。厚度大的焊接结构应采用材质好的钢材。第三章钢结构的连接一、钢结构的连接方法焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接(a)(b)(c)连接方法(a)焊缝连接(b)铆钉连接(c)螺栓连接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。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；●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●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。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3224536614175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48电阻焊1电源2导线3夹头4焊件5压力6焊逢9321210657111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●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；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(a)(b)(c)焊逢的连接形式(a)接(b)接(c)接平搭顶(a)(b)顶接中的焊逢形式(a)对接焊逢(b)角焊逢●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：(a)(b)(c)(d)焊逢的形式(a)对接焊逢（直缝）(b)对接焊逢（斜缝）(c)角焊逢（端缝）(d)角焊逢（恻缝）(a)(b)连续焊逢和间断焊逢(a)连续焊逢(b)间断焊逢(a)(b)(c)(d)焊逢的施焊位置(a)俯焊(b)立焊(c)横焊(d)仰焊三、角焊缝1、角焊缝的形式●正面角焊缝、侧面角焊缝、斜焊缝；●直角角焊缝和斜角角焊缝。2、角焊缝的构造要求●最大焊角尺寸：hf≤1.2tmin；对于构件边缘焊缝，当板h件厚度h＞6mm时，一般取hf≤t-(1~2)mm；当h≤6mm时，取hf≤t；●最小焊角尺寸：hf≥1.5tmaxmm；对于T形拉紧的单面角焊缝，应增加1mm；当板件厚度t≤4mm时，取hf＝t；●侧面焊缝的最大计算长度：lw≤60hf，当实际长度对于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑；●角焊缝的最小计算长度：lw≥8hf，而且不得小于40mm。(a)(b)(c)hf1.5hfhf直角角焊逢的截面形式(a)普通焊逢(b)平坡焊逢(c)深熔焊逢(a)(b)顶接连接中的斜角角焊逢(a)(b)端缝与侧缝hfhehfhehfhehfhfhfhfhehfhehehf0.5hfhfhf(a)角焊逢的有效厚度3、搭接连接的构造要求●当搭接仅有两条侧面角焊缝时，连接的承载力与b/lw有关，当b/lw＞1时，