21 钢结构简介

《建筑力学与结构》1第二十一章钢结构简介《建筑力学与结构》2一、材料选用1、钢材的种类按用途分：结构钢、工具钢、特殊钢；结构钢分为：建筑用钢和机械用钢；按治炼方法分：转炉钢（氧气顶吹转炉钢）、平炉钢；按脱氧方法分：沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）；按成型方法分：轧制钢（冷轧、热轧）锻钢、铸钢；按化学成分分：碳素钢、合金钢；建筑上采用的是碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。第一节钢结构材料《建筑力学与结构》3碳素结构钢碳素钢按屈服点数值分为五个牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点值（N/mm2）、质量等级符和脱氧方法符号等四个部分序组成Q-.脱氧方法：F─沸腾钢b─半镇静钢Z－镇静钢TZ－特殊镇静钢质量等级：Q235分A、B、C、DQ345分A、B、C、D、E屈服点数值《建筑力学与结构》4例如:Q235－AF表示屈服强度为235N／mm2的A级沸腾钢；Q235-Bb表示屈服强度为235N／mm2的B级半镇静钢；Q235-C表示屈服强度为235N／mm2的C级镇静钢。低合金高强度结构钢低合金钢是在冶炼过程中添加一种或几种少量合金元素，其总量低于5％的钢材。低合金高强度结构钢有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460；常用的低合金钢有Q345、Q390、Q420等。低合金钢的牌号与碳素结构钢牌号的表示方法相同。低合金钢的脱氧方法为镇静钢或特殊镇静钢。《建筑力学与结构》5碳素结构钢和低合金钢都可以采取适当的热处理(如调质处理)进一步提高其强度。例如用于制造高强度螺栓的45号优质碳素钢以及40硼（40B）、20锰钛硼（20MnTiB）就是通过调质处理提高强度的。注：碳素结构钢分：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。《建筑力学与结构》62、钢材的规格钢结构所用钢材主要为热轧成型的钢板、型钢，以及冷弯成型的薄壁型钢等。钢板薄钢板：厚度0.35～4mm,宽度为500～1500mm,长0.5～4m厚钢板：厚度4.5～60mm；宽度为600～3000mm，长4～12m。特厚板：板厚＞60mm；扁钢：厚度4～60mm，宽度为12～200mm，长3～9m；钢板用“—宽×厚×长”或“—宽×厚”表示，单位为mm；如：—450×8×3100、—450×8。《建筑力学与结构》7型钢钢结构常用的型钢是角钢、工字型钢、槽钢和H型钢、钢管等。除H型钢和钢管有热轧和焊接成型外，其余型钢均为热轧成型。角钢等边角钢L+肢宽×肢厚不等边角钢L+长肢×短肢×肢厚如:L100×10;L100×80×8角钢《建筑力学与结构》8工字钢包括普通工字钢、轻型工字钢、H型钢。工字钢：用号数表示，号数即为其截面高度的厘米数，20号以上的工字钢，同一号数有三种不同的腹板厚度分别为a、b、c三类，长度为5～19m。《建筑力学与结构》9H型钢：HW（宽）、HM（中）、HN（窄）→T表示方法：高度H×宽度B×腹板厚度t1×翼缘厚度t2例：HM340×250×9×14TM170×250×9×14H型钢《建筑力学与结构》10槽钢：普通槽钢、轻型槽钢a、b、c表示腹板厚，从[14a、（b）以14cm起有不同腹板厚，用其截面高度的cm数表示，长度为5～19m。槽钢《建筑力学与结构》11钢管：无缝钢管、焊接钢管表示方法：用“φ”后面加“外径×厚度”；例：φ300×6无缝钢管：外径32～351mm，壁厚2.5～16mm；有缝钢管：外径32～352mm，壁厚25.5mm。《建筑力学与结构》12冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢采用薄钢板冷轧制成。其壁厚一般为1.5-12mm，但承重结构受力构件的壁厚不宜小于2mm。薄壁型钢能充分利用钢材的强度以节约钢材，在轻钢结构中得到广泛应用。常用冷弯薄壁型钢截面型式有等边角钢、卷边等边角钢、Z型钢、卷边Z型钢、槽钢、卷边槽钢（C型钢）、钢管等。《建筑力学与结构》133、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如下因素：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《建筑力学与结构》14选用要求承重结构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，对焊接结构尚应具有含碳量的合格保证（即不得使用Q235A）;主要焊接结构不能使用Q235－A级钢，因为Q235－A级钢的碳含量不作为交货条件，即不作为保证，即使生产厂提供碳含量，也只能视为参考，不能排除离散性大，质量不稳定等，因此如发生事故，生产厂在法律上不负任何责任;二、设计指标《建筑力学与结构》15一、钢结构的连接方法钢结构的连接通常有焊接、铆接和螺栓连接三种方式。图3-1钢结构的连接方式（a）焊接连接；（b）铆钉连接；（c）螺栓连接第二节钢结构的连接《建筑力学与结构》16钢结构的连接方法连接方法优点缺点焊接构造简单，用料经济，制作方便，密闭性好焊缝附近热影响区内，易导致材质变脆；焊接残余应力和残余变形会使构件的刚度降低；对裂纹敏感，一旦出现裂纹易延伸到整体。对材质要求高，焊接程序严格，质量检验工作量大。铆接传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好构造复杂，既费材料又费工普通螺栓连接装卸便利，设备简单螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大高强螺栓连接加工方便，对结构削弱少，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高《建筑力学与结构》17二、钢结构的焊接1、焊接方法钢结构常用的焊接方法有:电弧焊、电渣焊、气体保护焊、电阻焊焊接方法操作方式适应范围质量状况电弧焊手工焊全手动工位复杂，形状复杂之焊缝比自动焊略差自动焊全自动长而简单的焊缝质量均匀、塑性、韧性好，抗腐蚀性强半自动焊人工操作前进任意焊缝质量均匀、塑性、韧性好，抗腐蚀性强电阻焊通电、加压、机械薄板点焊一般用作构造焊缝气焊手工薄板、小型、不同材质结构中一般用作构造焊缝《建筑力学与结构》182、焊缝连接形式焊缝连接形式按构件的相对位置分:平接、搭接、T形连接和角接。对接焊缝按受力与焊缝方向分：直缝、斜缝；角焊缝按受力与焊缝方向分：端缝、侧缝；按焊缝连续性分：连续焊缝、断续焊缝；按施工位置：俯焊、立焊、横焊、仰焊；《建筑力学与结构》19（a）对接焊缝的平接连接（b）用拼接板和角焊缝的平接连接（c）用顶板和角焊缝的平接连接（d）用角焊缝的搭接连接《建筑力学与结构》20（e）用角焊缝的T形连接（f）焊透的T形连接（g）用角焊缝的角接连接（h）用对接焊缝的角接连接《建筑力学与结构》21三、普通螺栓连接1.螺栓的规格与表示:钢结构一般选用C级（粗制）六角螺母螺栓，标识用M和工程直径（mm）表示，例如M16、M20等;建筑工程中常采用M16、M20和M24等。螺栓的制图符号见教材。《建筑力学与结构》22螺栓的排列2）螺栓的排列螺栓的排列有并列和错列两种基本形式。并列较简单，但对栓孔有削弱（图a）；错列较紧凑，可减少截面削弱，但排列较繁杂（图b）。《建筑力学与结构》23螺栓在构件上的排列时应考虑下列要求:1．受力要求：对于受拉构件，螺栓的栓距和线距不应过小，否则对钢板截面削弱太多，构件有可能沿直线或折线发生净截面破坏。对于受压构件，沿作用力方向螺栓间距不应过大，否则被连接的板件间容易发生凸曲现象。因此，从受力角度应规定螺栓的最大和最小容许间距。2．构造要求：若栓距和线距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易于侵入缝隙而产生腐蚀，所以，构造上要规定螺栓的最大容许间距。3．施工要求：为便于转动螺栓扳手，就要保证一定的作业空间。所以，施工上要规定螺栓的最小容许间距。根据以上要求，规范规定螺栓的最大和最小容许间距。《建筑力学与结构》24四、高强度螺栓连接1）按受力特性分：摩擦型高强螺栓与承压型螺栓;摩擦型螺栓:抗剪连接时摩擦型以板件间最大摩擦力为承载力极限状态；承压型螺栓:允许克服最大摩擦力后，以螺杆抗剪与孔壁承压破坏为承载力极限状态（同普通螺栓）。受拉时两者无区别。高强螺栓采用Ⅱ级孔，便于施工。受传力机理的要求，构造上除连接板的边、端距≥1.5d0外其它同普通螺栓。2）高强螺栓的材料与强度等级由高强材料经热处理制成，按强度等级分10.9与8.8级。10.9级一般为20MnTiB、40Cr等材料，fu≥1000N/mm2，fu/fy≥0.9；8.8级一般为45号钢制成，fu≥800N/mm2，fu/fy≥0.8。《建筑力学与结构》25一、轴心受力构件轴心受力构件:只有轴向力的作用，称为轴心受力构件。轴心受拉构件：只有轴向拉力的作用。轴心受压构件：只有轴向压力的作用。应用实例：桁架、刚架、排架、塔架及网壳等杆件体系结构等，通常假设其节点为铰接连接，无节间荷载作用，可视为轴心受拉构件和轴心受压构件。第二节钢结构构件《建筑力学与结构》26图轴心受力构件在工程中的应用(a)桁架；(b)塔架；(c)网架《建筑力学与结构》271、轴心受力构件的截面形式一般分为两类，第一类是热轧型钢截面（a）；第二类是型钢组合截面（图b）或格构式组合截面（c）。图（a）热轧型钢截面图（b）型钢组合截面图（c）格构式组合截面《建筑力学与结构》28图（a）热轧型钢截面，一般用于受力较小的杆件。其中圆钢回转半径最小，多用作拉杆，作压杆时用于格构式压杆的弦杆。钢管的回转半径较大、对称性好、材料利用率高，拉、压均可。大口径钢管一般用作压杆。型钢的回转半径存在各向异性，作压杆时有强轴和弱轴之分，材料利用率不高，但连接较为方便，单价低。图（b)型钢组合截面，改善了单型钢截面的稳定各向异性特征，受力较好，连接也较方便图（c)类为格构式截面，其回转半径大且各向均匀，用于较长、受力较大的轴心受力构件，特别是压杆。但其制作复杂，辅助材料用量多。《建筑力学与结构》29H型钢的宽度与高度相同时对强轴的回转半径约为弱轴回转半径的2倍，对于在中点有侧向支撑的独立柱最适合。焊接工字形截面制造简单，其腹板按局部稳定的要求可作得很薄而节约钢材，应用十分广泛。为使翼缘与腹板便于焊接，截面的高度和宽度应大致相同。十字形截面在两个主轴方向的回转半径是相同的，对于重型中心受压柱，当两个方向的计算长度相同时，这种截面最为有利。方管或由钢板焊成的箱形截面，承载能力和刚度都较大，但连接构造复杂，常用作高大的承重支柱。《建筑力学与结构》30确定轴心受力构件截面形式的原则：能提供强度所需要的截面面积；制作简便；便于和相邻构件连接；截面宽大而壁厚较薄，以满足刚度要求。《建筑力学与结构》311）横向加劲肋的设置为了提高构件的抗扭刚度，防止构件在施工和运输过程中发生变形，当h0/tw80时，应在一定位置设置成对的横向加劲肋（图5.1）。横向加劲肋的间距不得大于3h0，其外伸宽度bs不少于mm，厚度ts应不小于bs/15。4030h6、轴心受力构件的构造《建筑力学与结构》322）、柱头柱头设计要求传力可靠，构造简单和便于安装，柱头的构造是与梁的端部构造密切相关的。轴心受压柱柱头的铰接构造方案：将梁设置于柱顶（图a、b、c）；将梁连接于柱的侧面（图d、e）。《建筑力学与结构》333）柱脚轴心受压柱柱脚的作用是将柱身的压力均匀地传给基础，并和基础牢固连接。柱脚设计时应力求构造简单，并便于安装固定。轴心受压柱的柱脚分为：铰接柱脚和刚性柱脚。《建筑力学与结构》34二、受弯构件概念：受弯构件主要是指承受横向荷载而受弯的实腹钢构件，即钢梁。1、分类：1）钢梁按支承情况的不同，可分为简支梁、悬臂梁和连续梁。钢梁一般采用简支梁，它不仅制造简单，安装方便，而且可以避免支座沉陷所产生的不利影响。2）根据受力情况的不同，还可分为单向受弯梁和双向受弯梁（斜弯曲梁）。3）钢梁按截面构成方式的不同分为实腹式和格构式，实腹式又分为型钢梁和组合梁两大类，如图所示。《建筑力学与结构》35《建筑力学与结构》36此外，还可根据跨度和荷载大小的需要，采用如图所