钢结构设计基础知识

《钢结构》课程教案首页（表格式）班级科目课的类型学时数40教学内容一、概述、连接、钢梁、钢柱及压杆、钢桁架重点钢结构焊接连接计算钢梁的稳定钢柱的整体及局部稳定难点焊接应力及变形钢梁失稳的原因及防止失稳的措施，格构柱的局部稳定教学目的使学生了解基本构件的设计理论及计算方法，同时，清楚构件的连接计算，及稳定计算方法。教学方法引导学生将结构力学、材料力学等力学概念用于工程结构，且要将工程结构之间的共同点及不同点进行比较。教具钢结构梁、柱（格构柱）模型教学进程概述2学时钢材4学时连接14学时钢梁10学时钢柱10学时课后总结课程结束后，总结各章、节学生掌握情况，对各章难点的理解情况，以便调整后续课的进程。作业连接10题钢梁3题另设计大题一题；钢柱4题绪论钢结构在各项工程中的应用极为广泛，如我们平时所遇到的钢厂房、钢桥、塔架、桅杆、钢闸门、储液库等，钢结构是由单独的构件，例如梁、桁架、柱和板等组成，亦即由钢制成的杆件和薄板组成。这些杆件和薄板用焊缝和螺栓等彼此连接成符合建筑物用途的结构综合体，如上所提到钢桥等。从工程结构角度来看，钢结构是工程结构的一个分枝。这些结构的不同之点就是材料不同，钢结构对应的材料是钢材、木结构对应的材料是木材等等，由于材料不同，使其它们各有自己的特点。一、钢结构的特点1、结构自重轻这里指的是钢结构轻。在同样的跨度，同样的载荷下，钢结构比钢筋混凝土结构轻得多。主要是因为钢的强度高，故所需要的截面小。通常取材料的容重和容许应力的比值]/[C作为衡量结构工作的重量指标；钢材的米/1100.54sC，4100.6wC，41040cC所以钢结构与其它结构相比是自重较轻的结构，因而也便于运输和安装。2、可靠性较高（相对于其它结构）因为钢有下列特点，塑性好，韧性好，比较符合各项同性，是一种理想的弹塑性体。塑性好的意思是钢结构在破坏前有很大的变形。如果脆性材料（如粉笔）破坏前就无预兆，（胶皮变形很大）。理想的弹塑性体。假如设计施工没问题，则钢结构就比较可靠，比较符合各项同性（宏观看）。钢的抗拉、压的强度是相等的，而混凝土的c和t是不同的，木材也有横纹和顺纹之分，各项强度也不相同。韧性好指的是指成承受动载的性能好3、制造容易、安装方便钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并且能使用机械操作，因此大量的钢结构一般是在专业化的金属结构件做成构件，精确度较高，用钢筋混凝土时则需要立模，扎筋等。钢结构的连接采用焊接和螺栓连接，在短期内使用的工程。4、施工周期短由于钢结构构件制造的机械化，自动化程度高，且装配速度快，因此它的施工速度快，周期短，不象钢筋混凝土，需要养护，一个工厂，如果早建好一年就比晚建好一年的经济效益大，一个旅店也是如此。比采用钢筋混凝土结构可提前工程结构钢筋混凝土结构钢结构木结构砖石结构竣工，提交。5、抗震性好对同样没有考虑抗震措施时，钢结构比混凝土结构和砖石结构抗震性好。钢结构也有下列缺点：耐腐蚀性和耐火性能差，钢结构容易生锈→油漆→带来维护的问题，对高塔的维护要高空作业。现在日本有种涂料，一次能用10年，当温度高于500~600℃时，钢的弹性模量会下降，强度减小，使钢结构失去工作能力，因而接近高温的结构需要增加隔热措施。二、钢结构的应用1、大跨度：如武汉长江大桥50年代建代，正桥钢桁架为9孔，每孔跨度128m，正桥全长1155.5m。又如北京人民大会堂，很多重要结构都采用了钢结构，其中万人会议厅跨度达61m，重庆北碚朝阳桥，嘉陵江大桥（88米一跨）都是钢结构的桥。61年北京工人体育馆采用94m的屋盖结构，能容纳1.5万人；67年首都体育馆采用跨度99m的平板网架结构，1.5万人；73年上海体育馆采用平板网架结构110m。2、活动式结构：如钢闸门，起重机等，对于这一类需要移动和转动的结构，可以充分发挥自重较轻的优点，从而能大大降低启闭设备的造价和运转所需要的动力，同时也发挥钢材抗振性能好的优点，因为活动或结构不可避免地要承受一定的动荷载。3、可拆卸的结构：由于钢结构不仅重量轻，还可以用螺栓和其它便于拆卸的手段来连接。因此需要搬迁和周转使用的结构，如建筑工地生产和生活用房的骨架，装配式的混凝土搅拌机等常用钢结构。4、密闭结构（如闸门、压力钢管、储液罐、储气罐等）用钢板制作这类结构不易漏水、气和油，密闭性好。三、设计要求安全、适用、经济、美观，这便是进行工程结构评价所用的指标。安全——主要指结构在承受工作荷载方面，对于各种破坏状态都具有必要的安全度。适用——满足使用要求，保养方便。经济——省材、省工、省时、造价低。美观——结构应和周围环境协调。要做到这几点，设计工作者应该重视采用先进的设计理论和计算方法，例如尽量使构件型式和规格标准化和统一化从而减轻设计制造和安装的工作量，以达到降低造价的目的。前面提到钢结构是由梁、柱、桁架、板等基本构件组成，所以本课的内容要学、梁、柱、桁架的设计，以及各种构件的连接（不能象搭积木那样），还要讲钢的材料，最后接水工专业课，学习水工钢闸门，这就是本课程的主要内容。一、钢材，二、连接，三、梁，四、压杆，五、桁架，六、水平面钢闸门。第一章钢结构的材料§1—1建筑钢的种类和性能一、种类钢结构的材料一般都采用建筑钢。建筑钢按其化学性能可分为：1）普通碳素钢，主要成份为铁与少量的碳。在钢结构中常采用含碳量低于0.22%的低碳钢，其中又以3号的钢为最常用。2）普通低合金钢，除主要含铁与C外，尚含有少量的合金素如锰，钛、硅等。其合金元素总量一般不超过3%，故称为低合金钢。其中以16Mn钢为最常用。二、主要性能1、钢结构对材料的要求①强度高→sbs,,值高可减轻结构的自重。②节约钢材、降低造价，b高可增加结构的安全保障。③较高的塑性，韧性及耐久性，较高的塑性和韧性使结构在荷载作用下有足够的应变能力，既可减轻结构脆性破坏倾向，又能通过较大的塑性变形，调整局部应力高峰。较高的耐疲劳性则使结构具有较好的抵抗重复荷载的能力。④良好的工艺性能)(加工后不要有什么影响冷热加工性强度不低于以前不出现裂纹可焊性工艺性能此外，还要根据具体情况要求钢材具有耐腐蚀的能力。二、建筑钢的主要机械能性钢材的工作大致可分为：弹性，塑性（屈服）、自强和破坏四个阶段，其中：kbbs、、、是用来衡量钢材强度，塑性，韧性的指标。强度bs，塑性b，韧性j①s——作为设计强度；②b——作为一种强度储备（因变形过大）；③b——塑性——表示钢材经受巨大的变形后尚不致破坏的能力；④钢兼有良好的弹性与塑性，当p时，与成直线关系，又sspE以前的应变都很小，故在计算钢结构的强度时，可近似地将钢的弹性工作阶段提高到s，同时由于低碳钢的流幅相当长，当应力达到屈服点而出现塑性流动时，钢由理想的弹性转为理想的塑性体。钢受压、受弯的性能→uEs、、与受拉图。钢受剪的性能→358.0s，25/101.8cmkgG。钢材的脆断，脆断发生条件、危害，脆断同韧性的关系，冲击韧性的测定。∵构件内能的增加=外力所作的功用k表示)()(净面积能AEk钢材的冷弯性能三、钢的可焊性、抗蚀性和防腐措施钢的可焊性、抗蚀性和防腐措施是钢经焊接后质量如何是否有裂缝，夹渣，强度是否低以焊接前。焊接结构的失事往往是由于钢材的可焊性不良，在低温或受动载时发生脆断，故对于重要的受动载结构，应对所用钢材进行可焊性的鉴定。钢材的锈蚀使承载力降低。影响因素：①环境；②结构型式（最好不要做成L）；③材料种类防锈措施：①刷漆；②镀锌、铬；③电化学保护。§1—2钢的组织和化学成分等对钢材性能的影响一、组织构造钢的内部组织构造是直接影响钢材性能的主要因素，低碳钢的组织构造主要是由铁素体和少量珠光体构成。钢的基本组织铁素体：碳溶解于Fe中所形成的固溶体（接近于纯铁）。强度低，塑性高，如果钢中铁素体的晶粒越细，珠光体网状层分布越密越均匀，则钢的质量愈好，强度与塑性，特别是冲击韧性都有所提高。渗碳体：碳与铁相互作用形成的化合物CFe3（含%67.6C）。珠光体：由铁素体与渗碳体组成的共析体。强度高，塑性低。可根据组织构造解释低碳钢的屈服现象。二、化学成份①主要成份，uiCSMnNOPSCFe,,,,,,,,，引起钢材热脆，降低热加工性能和焊接性能，并降低塑性冲击韧性和疲劳强度。C——强度↑塑性↓，低碳钢0.22%S——易引起钢的热脆（焊接时脆）0.05%P——易引起钢的冷脆（低温时脆）0.045%NO,——形成气孔气泡，使钢性能变脆，是杂质；NP,引起钢材冷脆降低塑性，和冲击韧性，使钢的可焊性和冷弯性能变差。inSM,——使钢强度↑，塑性影响不大，可影响可焊性，因此这些元素必须加以限制。uC——能提高强度和抗腐蚀性，但过多易使表面热脆开裂，应限制。inSM,——在钢中属于有利元素，在钢中加入适量的锰，除能消除OS,，使钢热脆的影响外还能较显著地提高bs,，并能保证较好的塑性和冲击韧性，在钢中的加入适量的硅，除用以脱氧外，还要以提高钢的bs,。三、（不讲）四、时效硬化（老化）1、定义：钢的性质随时间逐渐变脆的现象较为时效硬化。2、原因：钢素体内溶有少量的C、N，其溶解度随温度的降低而减小。当碳逐渐以固溶体析出时，形成渗碳体和氧化物，从而加强了晶界的间层，使钢变硬变脆。3、影响因素：①温度，②重复荷载§1—3影响钢材脆性断裂的因素一、低温①影响情况kt；塑性。②临界温度③要求：a.构件的工作温度高于冷脆区临界温度。b.对低温工作的构件保证k。二、复杂应力1、钢材的塑性条件：31332212322213212221max2zhzhs三向双向单向2、同号平面应力，主体应力作用下，强度提高，塑性变低，钢材变脆。即使s1，但szh仍，可将ss5.0,,2121代入来算。3、异号平面应力，强度降低，塑性增加exp：钢梁常用的工字形截面梁sxyzh2213三、应力集中的影响应力集中的影响是复杂应力状态的许多实例之一。在什么情况下要发生应力集中呢？当构件截面有突变时要发生应力集中，构件没有突变时力线均匀，断面应力也均匀，当构件有孔洞时，力线就会弯曲，孔边应力就会增加，不仅在x方向，y向也产生了应力。力线密的地方，应力↑如果取孔边附近一块单元来看。虽是平向受力，但由于应力集中产生了y向的力，强度虽然提高了，但塑性变坏了，局部地方就会变脆，y阻止了x方向的变形，要增加变形，就得加大x，所以强度提高了。但我们不能利用所增加的强度，我们害怕钢材变脆，应力集中是我们不希望的，应尽量避免，例如构件截面突变的应做成渐变的。四、间歇重复荷载的影响（冷作硬化）①定义，由于先前加荷载残余变形使钢的弹性范围极高和塑性降低的现象，如冷拉钢丝。②不利之处，钢材变脆。③对冲孔，切割等冷加工的措施。五、连续性重复荷载的影响——钢的疲劳1、一般概念，疲劳是一种常见的现象，在每次转变中都使它的法向应力由拉变压，容易开裂。皮带转动轴，钢在连续的重复荷载作用下，拉应力低于抗拉强度b的构件发生突变，如果b，材料就破坏了，这种现象叫疲劳破坏，引起疲劳破坏的应力叫疲劳应力p（疲劳强度小于抗拉强度）。2、影响疲劳强度的因素。强度与反复作用的荷载的性质拉或压应力循环特征，循坏次数n和应力集中程度等有直接关系。应力循环特性通常用应力比maxmin/来表示。当交变应力的种类和应力比值一定时，如max为拉应力，0时曲线如maxmax,,当n降低到曲线的水平渐近线时，即使荷载循环无限次，试件也不致破坏，与此相应的值即为0时的受拉疲劳强度p0。规范：200n万次的kp/作为0时的疲劳容许拉应力][0p。当n一定时，p同之间接近于直线的关系，确定p就是间接地根据上述的p0和p1所确定的两点划出一直线，根据这条直线可求得钢材在