钢结构基本原理(戴国欣版)

1钢结构设计原理TheoryofSteelStructure2参考资料1：《钢结构》，陈绍蕃主编，中国建筑工业出版社，2003。2：《钢结构》，刘声扬主编，武汉工业大学出版社，1992。3：《钢结构设计原理》，王肇民主编，同济大学出版社，1991。4：《钢结构》，周绥平主编，武汉工业大学出版社，1997。5：《钢结构疑难释义》，刘声扬主编，武汉工业大学出版社，1993。6：《钢结构构件的稳定》，孙绍文主编，冶金工业出版社，1993。7：《建筑钢结构设计》，王肇民主编，同济大学出版社，2001。8：《钢结构设计规范理解与应用》，崔佳等编著，中国建筑工业出版社，2003。9：《钢结构设计规范》GB50017—2003。10：《冷弯薄壁型钢结构技术规程》GB50018—2002。————————钢结构设计原理3主要内容1：绪论2：钢结构的材料3：钢结构的连接4：轴心受力构件5：受弯构件6：拉弯和压弯构件————————钢结构设计原理4第一章绪论1.1钢结构的特点1.2钢结构的设计方法1.3钢结构的应用和发展——————————钢结构设计原理5第一章绪论1.1钢结构的特点1.1钢结构的特点1.轻质高强★2.塑性、韧性好★3.材质均匀、性能稳定4.制作简便，施工工期短★5.密闭性好6.耐腐蚀性差7.耐热不耐火★6第一章绪论1.2钢结构的设计方法1.2钢结构的设计方法设计方法：以概率理论为基础的极限状态设计方法计算疲劳仍采用容许应力幅法计算强度、稳定、连接用荷载设计值计算疲劳、变形用荷载标准值对于直接承受动力荷载的结构：在计算强度和稳定时，动力荷载设计值应乘动力系数在计算疲劳和变形时，动力荷载标准值不应乘动力系数7第一章绪论1.3钢结构的应用与发展1.3钢结构的应用与发展1.钢结构的应用（1）重：重工业厂房★（2）大：大跨度结构★（3）高：高层建筑、高耸结构★（4）动：受动荷载作用的厂房（5）轻：荷载较小的轻钢结构★（6）小：小型、可拆装的结构8第一章绪论1.3钢结构的应用与发展2.钢结构的发展（1）高性能钢材的研究与应用（2）设计方法的改进（3）稳定理论的进一步发展（4）预应力钢结构的研究与应用（5）空间钢结构与高层钢结构的研究与应用（6）组合结构的研究与应用9轻质——材料的质量密度与强度的比值小Q235钢C30混凝土fmf/107.3~7.14mf/10184附1：轻质高强Q235钢密度：7850kg/m3强度：235N/mm2C30混凝土密度：2450kg/m3强度：20N/mm210钢结构设计原理第二章.钢结构的材料2.1钢结构对材料的要求2.2钢材的破坏形式2.3钢材的主要性能2.4各种因素对钢材主要性能的影响2.5复杂应力作用下钢材的屈服条件2.6钢材的疲劳2.7钢的种类和钢材规格11第二章钢结构的材料2.1钢结构对材料的要求较高的强度2.1钢结构对材料的要求足够的变形能力。即塑性、韧性好。良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）《钢结构设计规范》GB50017-2003规定：承重结构的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碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。对需要验算疲劳的非焊接结构的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。12第二章钢结构的材料2.2钢材的破坏形式塑性破坏：破坏前有明显的变形，破坏历时时间长，可以采取补救措施。2.2钢材的破坏形式脆性破坏：破坏前没有明显的变形，破坏发生突然，没有机会补救。脆性破坏的原因：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造不合理、使用不当等。应尽量发挥材料的塑性避免一切脆性破坏的可能性13第二章钢结构的材料2.3钢材的主要性能一、强度2.3钢材的主要性能强度指标是由钢材的单向均匀受拉试验测得的强度指标：比例极限；屈服强度；极限强度pfyfuf试验条件：标准试件在常温（20℃）下缓慢加载，一次完成14第二章钢结构的材料2.3钢材的主要性能钢材在单向均匀受拉时工作性能表现为四个阶段1.弹性阶段:应力最高点对应比例极限弹性模量应力pf251006.2mmNEE2.弹塑性阶段:应力介于和之间弹塑性模量是变数yfpftE3.塑性阶段:应力达到屈服强度yf%5.2%15.0:,0tEuf4.强化颈缩阶段:应力最高点对应抗拉极限15第二章钢结构的材料2.3钢材的主要性能钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体1.计算简便2.与相差不大yfpf3.虽然＞，但对应的应变非常大（不满足正常使用极限状态）yfufuf4.以作为设计强度的依据，具有较大的强度储备，若出现偶然因素，使人们有机会补救yf屈强比：Q235钢为0.57，Q345钢为0.67uyff/16第二章钢结构的材料2.3钢材的主要性能简化计算,采用理想弹塑性模型作为钢结构设计的最大应力yf作为钢材实际破坏强度uf17第二章钢结构的材料2.3钢材的主要性能二、塑性性能塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力衡量塑性性能的指标：伸长率表示以时表示以时5001000010001,5,10试件中间部分的直径试件拉断后的标距长度试件原标距长度%100dldldlllll18第二章钢结构的材料2.3钢材的主要性能三、冲击韧性冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力衡量冲击韧性的指标：冲击功韧性是钢材强度和塑性的综合指标梅氏U型缺口试件:冲击试验的标准试件型式：夏比V型缺口试件:我国采用夏比V型缺口试件2/cmJkJCV冲击韧性受温度的影响冲击韧性由冲击韧性试验获得19第二章钢结构的材料2.3钢材的主要性能四、冷弯性能冷弯性能是检验钢材适应冷加工（常温下加工）的能力和显示钢材内部缺陷状况的一项指标冷弯性能是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性变形能力的指标冷弯性能由冷弯试验确定20第二章钢结构的材料2.3钢材的主要性能钢材物理性能指标弹性模量泊松比剪变模量线膨胀系数质量密度2310206mmNE3.023107912mmNEGC06/101237850mkg21附2：拉伸试件22附3：冲击韧性试验23附4：冷弯试验24第二章钢结构的材料2.4各种因素对钢材主要性能的影响一、化学成分2.4各种因素对钢材主要性能的影响普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%普通低合金钢中有＜5%的合金元素碳（C）：钢材强度的主要来源，但是随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般控制在0.12％～0.2%，在0.2％以下时，可焊性良好硫（S）：热脆性，不得超过0.05%磷（P）：冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%25第二章钢结构的材料2.4各种因素对钢材主要性能的影响锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点为1600℃，可以消除一部分S的有害作用。硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。氧（O）：有害杂质，效果同S。氮（N）：有害杂质，效果同P。26第二章钢结构的材料2.4各种因素对钢材主要性能的影响二、冶金缺陷常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹等。偏析——化学成分分布的不均匀程度。三、加荷速度1．材性试验要求缓慢加载2．要考虑动荷载对结构的不利影响加荷速度高，钢材屈服点提高，呈脆性。因此，27第二章钢结构的材料2.4各种因素对钢材主要性能的影响四、钢材硬化时效硬化20yffpσ冷加工及时效冷加工及时效后的塑性区冷作硬化后的塑性区4ε％0冷作硬化13yfσε％冷作硬化—当加载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称“应变硬化”应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。28第二章钢结构的材料2.4各种因素对钢材主要性能的影响五、温度的影响1.正温范围100℃以内对钢材性能无影响；100℃以上随温度升高，总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大250℃左右抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增加——蓝脆现象。该温度区段称为“蓝脆区”。260～320℃在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形——徐变现象。600℃左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。29低温对钢材冲击韧性的影响1TCt/°TcT2（有兼坏破种两坏破性脆冲击功区度温变转）坏破性塑第二章钢结构的材料2.4各种因素对钢材主要性能的影响2.负温范围当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加。T1～T2之间温度转变脆性区，冲击功急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。使用温度必须高于T1，但不一定高于T230第二章钢结构的材料2.4各种因素对钢材主要性能的影响六、应力集中的影响构造缺陷：构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变等应力集中：由于构造缺陷，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力。应力集中的危害：塑性降低，脆性增加构造设计时应避免截面突变和尖锐角的情况七、厚度的影响随着厚度的增加，钢材的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度均下降31第二章钢结构的材料2.5复杂应力作用下钢材的屈服条件2.5复杂应力作用下钢材的屈服条件假定：1.材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；2.当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。)(3)(2zx2yz2xyxzzyyx2z2y2xredyredf弹性状态yredf塑性状态平面应力状态2xyyx2y2x3red梁的应力状态纯剪应力状态223red3red32第二章钢结构的材料2.6钢材的疲劳2.6钢材的疲劳一、钢材疲劳破坏的特征1.概念钢材的疲劳——钢材在连续循环荷载作用下，当循环次数达到某一值n时钢材的破坏循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载应力循环次数n——结构或构件破坏时所经历的应力变化次数应力幅——在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅。minmax直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n≥5×104时，应进行疲劳计算。33第二章钢结构的材料2.6钢材的疲劳同号应力循环:应力比应力循环的形式异号应力循环:应力比（拉应力取正号，压应力取负号）0maxmin0maxmin常幅疲劳荷载——所有应力循环中，应力幅保持常量。变幅疲劳荷载——在应力循环过程中，应力幅是变量。时，疲劳强度最小1时，为静荷载134第二章钢结构的材料2.6钢材的疲劳2.疲劳破坏的特点（1）疲劳破坏时，应力小于材料静力强度；（2）疲劳破坏属于突然的脆性破坏。3.疲劳破坏的过程缺陷微观裂纹宏观裂纹断裂4.影响疲劳强度的主要因素（1）应力幅（2）应力循环次数n材料内部缺陷（3）缺陷构造缺陷（应力集中）残余应力35第二章钢结构的材料2.6钢材的疲劳二、常幅疲劳计算][采用页，表类，按类别分为参数，根据构件和连接—，应力循环次数—＝，（常幅疲劳的容许应力幅—力取负值）（拉应力取正值，压应力中的最小拉应力或压应计算部位每次应力循环—值）中的最大拉应力（取正计算部位每次应力循环—＝，力＝对焊接部位为应力幅，—2.2188)/7.0幅对非焊接部位为折算应/12minmaxminmaxminmaxCnnCmmN36第二章钢结构的材料2.6钢材的疲劳三、变幅疲劳计算6102][f欠载效应的等效系数—力幅时的常幅疲劳的容许应循环次数—fn61021026