钢结构课件

钢结构第一章概述第二章建筑钢材第三章钢结构的连接第四章轴心受力构件第五章梁（受弯构件）第六章拉弯与压弯构件第一章概述第一节钢结构的特点及应用第二节钢结构的设计方法第三节钢结构的设计要求第四节钢结构的发展方向第五节本课程的主要内容、特点和学习方法第一节钢结构的特点及应用一、钢结构的特点1、材料强度高、强重比大；塑性、韧性好。2、材质均匀，符合力学假定，安全可靠度高。3、工厂化生产，工业化程度高，施工速度快。4、钢结构耐热不耐火；易锈蚀，耐腐性差。二、钢结构的应用1、重型结构及大跨度建筑结构。二、钢结构的应用2、多层、高层及超高层建筑结构。二、钢结构的应用3、塔桅等高耸结构。二、钢结构的应用4、钢－混凝土组合结构。第二节钢结构的设计方法极限状态设计法承载能力极限状态正常使用极限状态经济、安全、适用、耐久颠覆强度破坏疲劳破坏丧失稳定变为可变体系第二章钢结构的材料第一节钢结构对钢材性能的要求第二节结构钢材的主要力学性能第三节影响结构钢材力学性能的主要因素第四节复杂应力作用下结构钢材的屈服条件第五节钢材的破坏形式第六节结构钢材的种类、规格及其应用第七节钢结构的连接材料第一节钢结构对钢材性能的要求钢材性能要求较高的强度足够的变形能力（较好的塑性和韧性）良好的加工性能钢材的主要力学性能强度塑性冲击韧性冷弯性能可焊性Z向收缩率屈服强度fy为设计依据抗拉强度fu为安全储备伸长率δ、断面收缩率Ψ衡量钢材承受动力荷载的能力是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标第三节钢材的主要力学性能一、钢结构的特点1、材料强度高、强重比大；塑性、韧性好。2、材质均匀，符合力学假定，安全可靠度高。3、工厂化生产，工业化程度高，施工速度快。4、钢结构耐热不耐火；易锈蚀，耐腐性差。三、钢结构的设计方法（极限状态设计法）1、承载能力极限状态设计法2、正常使用极限状态设计法四、钢材的主要力学性能强度、塑性、冲击韧性、冷弯性能、可焊性、Z向性能二、钢结构的应用重型工业厂房、大跨度建筑的屋盖、多层及超高层建筑、高耸结构、组合结构第五节复杂应力作用下结构钢材的屈服条件f3ff223只有正应力只有剪应力既有正应力又有剪应力第六节钢材的破坏形式塑性破坏脆性破坏疲劳破坏破坏时有很大的塑性变形破坏突然、几乎不出现塑性变形没有明显变形的突然破坏原因：1、钢材质量差2、结构、构件的构造不当3、制造安装质量差4、结构受较大动力荷载一、f只有正应力3ff只有剪应力f223有正应力和剪应力二、钢材的破坏形式塑性破坏脆性破坏三、发生脆性破坏的原因1、钢材质量差2、结构、构件的构造不当3、制造安装质量差4、结构受较大动力荷载钢材疲劳破坏的影响因素应力循环形式应力循环次数应力集中程度及残余应力反复荷载引起的应力种类（拉、压应力、剪应力等）应力幅（即最大应力和最小应力的差值）疲劳计算的条件直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，且当应力变化循环次数超过5万次。疲劳计算1、常幅疲劳计算例题：某承受轴心拉力的钢板（两侧为半自动切割）钢板承受重复荷载作用，预期循环次数n=5×105，其容许应力幅为多少？1nC常幅疲劳容许应力幅2、变幅疲劳计算第七节结构钢材的种类、规格及其选用一、结构钢材的种类Q235A.b1、Q：表示“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度”；2、质量等级：分A~E五级（字序越高质量越好）；3、脱氧方法：F－沸腾钢；b－半镇静钢；Z－镇静钢（一般省略）；TZ－特殊镇静钢。注：1、炭素结构钢（Q235)分：A、B、C、D四级，含所有脱氧方法；2、低合金结构钢(Q345\Q390\Q420)分：A、B、C、D、E五级，只有镇静钢和特殊镇静钢。二、结构钢材选材原则2、荷载性质1、结构或构件的重要性4、应力特征3、连接方法5、结构的工作温度6、钢材厚度1、为什么要求结构用钢有较高的屈服强度和抗拉强度？2、结构用钢的力学性能有哪些？3、什么是承载能力极限状态？什么是正常使用极限状态？4、塑性破坏和脆性破坏的特点是什么？什么时候容易发生脆性破坏？5、导致构件发生脆性破坏的原因有哪些？6、影响疲劳破坏的因素有哪些？7、什么情况下构件需要验算其疲劳强度？8、钢材中碳的含量与钢材的各项力学性能之间有什么关系？9、什么情况下会发生应力集中现象？它对构件有什么影响？第三章钢结构的连接第一节连接分类及特点第二节对接焊缝连接设计第三节角焊缝连接设计第四节焊接残余应力和焊接残余应变第五节普通螺栓连接设计第六节高强度螺栓连接设计第一节连接分类及特点一、连接概述连接焊缝连接紧固件连接二、焊缝连接焊接优点用料经济不削弱截面连接密封性好、整体性好焊接缺点焊接部位附近材质变脆产生残余应力及残余应变焊缝连接形式和种类按被连接钢材的相对位置分按施焊的方位分按受力特点分角焊缝对接焊缝三、铆钉、螺栓连接铆钉连接普通螺栓连接高强度螺栓连接承压型摩擦型通过摩擦力抗剪通过孔壁与螺栓杆相互挤压抗剪第二节对接焊缝连接设计一、对接焊缝的构造焊接材料与构件钢材匹配Q235用E43Q345用E50对接焊缝的坡口形式见P54图3.9厚度不等的两钢板的对接关于用引弧板焊接的问题二、对接焊缝的计算1、轴向受力的对接焊缝wcwtwfftlN或例题：试验算左图所示钢板的对接焊缝的强度。图中a=540mm，t=22mm，轴心拉力的设计值N=2150KN。钢材为Q235BF，手工焊，焊条为E43型，三级焊缝，施焊时使用引弧板。不验验算焊缝强度可56.3即1.5tg当可时2、对接焊缝承受弯矩和剪力共同作用wtwvxxwcwtxfftIVSffIMy1.1322maxmaxmax或一、焊缝连接的优缺点优点：用料经济、不削弱截面、连接密封性好、整体性好。缺点：焊接部位附近材质变脆，产生残余应力及残余应变。二、焊缝连接形式和种类1、按被连接钢材的相对位置分：对接、搭接、T行连接、角接2、按施焊的方位分：平焊、立焊、横焊、仰焊3、按受力特点分：对接焊缝、角焊缝三、高强度螺栓连接（摩擦型、承压型）四、对接焊缝的计算1、轴向受力的对接焊缝wcwtwfftlN或2、对接焊缝承受弯矩和剪力共同作用wtwvxxwcwtxfftIVSffIMy1.1332122maxmaxmax、、或、第三节角焊缝连接设计一、角焊缝形式正面角焊缝侧面角焊缝斜角焊缝二、角焊缝截面形状直角角焊缝斜角角焊缝三、角焊缝的尺寸要求最小焊角尺寸最大焊角尺寸侧面角焊缝的最小计算长度max5.1thfmm408且且ffhlffhl60侧面角焊缝的最大计算长度min2.1thf四、直角角焊缝的强度验算feehhh7.0焊角有效高度四、直角角焊缝的强度验算正面角焊缝的验算wffwefflhN同时作用和ff22fff侧面角焊缝的验算wfwefflhNrwffwewfflhfNwewflhfN1、承受轴心力作用时角焊缝连接计算例题1：两钢板A、B通过上下两块拼接板连接在一起。已知l1=500mm，l2=300mm，角焊缝采用E43型的手工焊（采用引弧板），焊角高度hf=7mm，求该角焊缝所能承担的最大拉力N。例题2：钢板A通过两条角焊缝固定在H型钢柱上，已知作用在钢板A上的拉力N=500KN，L=600mm，焊条采用E43手工焊（采用引弧板），焊角高hf=8mm，θ等于30度。试验算焊缝的强度。钢板AH型钢柱一、角焊缝的形式正面角焊缝侧面角焊缝斜角焊缝（焊缝长度方向∥受力方向）（焊缝长度方向⊥受力方向）wffwefflhN22fffwfwefflhNwff一、角焊缝的尺寸要求1、最小焊角尺寸2、最大焊角尺寸3、侧面角焊缝的最小计算长度4、侧面角焊缝的最大计算长度021NNN02211eNeNNkNeeeNNkNeeeN2211212121例题3：如下图所示，两等边角钢2∟125×10通过角焊缝与一厚度为8mm的节点板连接，不采用引弧板，已知N=300KN，焊角高度hf=8mm，求焊缝的最小长度l1和l2.2、弯矩、轴力和剪力共同作用时角焊缝连接计算例题1：钢板A通过两条角焊缝固定在H型钢柱上，已知作用在钢板A上的拉力N=500KN，L=600mm，偏心距e=100mm焊条采用E43手工焊（采用引弧板），θ等于30度，焊角高hf=8mm，试验算焊缝的强度。钢板AH型钢柱例题2：试验算图3.43（a）所示牛腿与钢柱连接角焊缝的强度。钢材为Q235，焊条为E43型，手工焊。荷载设计值N=365KN，偏心距e=350mm，焊角尺寸hf1=8mm，hf2=6mm。图3.43（b）为焊缝有效截面。第四节焊接残余应力和焊接残余变形一、焊接残余应力产生的原因二、焊接残余应力对结构性能的影响1、当构件具有良好的塑性时，残余应力不影响构件的强度。2、残余应力降低了构件的刚度及构件的稳定承载能力。3、残余应力降低了构件的疲劳强度并且容易使构件发生脆性破坏。第五节普通螺栓连接设计一、普通螺栓的连接构造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和螺栓直径（mm）表示，例如M16、M20等。主要用于受拉连接及次要构件和临时固定构件的受剪连接。2、螺栓的排列应考虑以下因素受力要求构造要求施工要求二、普通螺栓的抗剪连接计算普通螺栓连接按受力分类受剪受拉剪拉共同作用1、受剪连接的破坏形式破坏形式螺栓受剪破坏孔壁挤压破坏连接板净截面破坏螺栓受弯破坏连接板冲剪破坏连接计算保证验算钢板的强度保证构造要求保证dt5de22、抗剪连接的工作性能0-1摩擦传力的弹性阶段1-2滑移阶段2-3栓杆直接传力的弹性阶段3-4栓杆直接传力的弹塑性阶段3、单个普通螺栓的抗剪承载力计算螺栓受剪破坏孔壁挤压破坏bV2VbV4fπdnN螺栓抗剪：bCbCftdN孔壁承压：bCbVbminv,;minNNN例题1：两截面为-14×400mm的钢板，采用双盖板（厚度为7mm）和C级普通螺栓拼接，螺栓M20，钢板为Q235，求每个螺栓所能承担的最大剪力。4、普通螺栓群的轴心抗剪承载力计算nNNdlvbmin,0115时：当nNNdlvbmin,0115时：当例题2：两截面为-14×400mm的钢板，采用双盖板(厚度为7mm）和C级普通螺栓拼接，螺栓M20，钢材Q235，试计算该连接所能承担的最大拉力N。普通螺栓连接按受力分类受剪受拉剪拉共同作用1、受剪连接的五种破坏形式螺栓杆受剪破坏孔壁挤压破坏bV2VbV4fπdnNbCbCftdNbCbVbminv,;minNNN2、普通螺栓群的轴心抗剪承载力计算nNNdlvbmin,0115时：当nNNdlvbmin,0115时：当5、普通螺栓群偏心受剪承载力计算nFNFi2iiTirrTN22iiiTixyxyTN22iiiTiyyxxTNbvTiyFiTixiNNNNNmin,22)()(例题3、一厚度为12mm的钢板与H型钢柱的翼缘板（厚14mm）通过8个C级普通螺栓连接，钢板均为Q345，螺栓直径为20mm，孔径为21.5mm，F=200KN，e=100mm，螺栓水平间距为120mm，竖向间距为80mm，验算螺栓强度。三、普通螺栓的抗拉连接计算普通螺栓抗拉强度设计值取螺栓钢材抗拉强度设计值的0.8倍用以考虑撬力的不利影响。btbtfANe单个螺栓抗拉承载力：1、普通螺栓群的轴心受拉承载力计算例题3：一H型钢柱与一T型板通过10个M22的普通C级螺栓连接，已知轴向拉力设计值N为250KN，验算该连接的强度。2、普通螺栓群的偏心受拉承载力计算=++=2iiMiyyMNnNNi21(max)1iyMynNN025(min)5iyMynNN小偏心受拉btNN1例题4：一H型钢柱与一T型板通过10个