钢结构基础知识教程

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绪论第一节钢结构的特点与应用第二节钢结构的设计原理与方法第三节钢结构的发展第一节钢结构的特点及应用一、钢结构的特点1、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；2、多层、高层及超高层建筑结构；3、轻钢结构；4、塔桅等高耸结构；5、钢－混凝土组合结构。第二节钢结构的设计原理与方法结构设计首层规范《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068）规定：结构的可靠度应采用以概率论为基础的极限状态设计方法分析确定。钢结构和其他建筑结构一样，遵循“统一标准”要求，采用的也是以概率论为基础，用分项系数表达的极限状态设j计方法。极限状态设计方法，在前序课程（如钢混结构、地基与基础等），对此以作详细介绍，此课就不再讲述，认真进行复习。通过复习应掌握以下概念：结构的极限状态；结构的基本功能要求；结构的可靠度；失效概率；荷载及强度的标准值与设计值。第三节钢结构的发展我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的原因致使现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比，已有相当大的差距，最大的差距在于建筑钢结构。97年新发布的《中国建筑技术政策》中强调要重点发展建筑钢结构，国家相关部门也多次发布文件，要求扩大钢结构住宅的市场占有率。96年我国钢产量已开始超亿吨，居世界首位，为钢结构发展奠定物质基础，对钢材的使用已由“节约使用”变为“合理用钢”、“加大建筑用钢”。当今我国建筑业中发展最快的就是钢结构，最缺的人才也是钢结构专业，发展钢结构以带动其它相关产业的发展，已成为建筑业发展的重要任务。第二章建筑钢材第一节建筑结构用钢的基本要求第二节钢材的主要机械性能第三节影响钢材性能的主要因素第四节建筑结构用钢的种类及选择第一节建筑结构用钢的基本要求●钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。1、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻；2、较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载；3、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能；●据上要求,《钢结构设计规范》GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。第二节钢材的主要机械性能一、单向拉伸试验曲线根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用中，钢材的性能按理想弹塑性体考虑，fy定为钢材拉、压强度标准值。二、钢材的主要机械性能1.强度：fy强度设计标准值，设计依据；fu钢材的最大承载强度，安全储备。2.塑性－δ5（δ10），钢材产生塑变时而不发生脆性断裂的能力，便于内力重分布，吸收能量，重要指标。3.冷弯性能－90o、180o，在冷加工过程中产生塑性变形时，对产生裂纹的敏感性，是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标。4.韧性－冲击韧性αk，钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的能力（动力指标），按常温（20o）、零温（0o）、负温（-20o、-40o）区分。5.可焊性－表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能力－不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求。第三节影响钢材性能的主要因素1、化学成份2、冶金及轧制3、冷作硬化与时效硬化4、复杂应力与应力集中5、残余应力6、温度1、化学成份的影响基本成份为Fe，炭钢中含量占99％，C、Si、Mn为杂质元素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。•C：含C↑使强度↑塑性、韧性、可焊性↓，应控制在≤0.22%，焊接结构应控制在≤0.20%。•Si：含Si适量使强度↑其它影响不大，有益，应控制≤0.1~0.3%•Mn：含Si适量使强度↑降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益。•S：含量↑使强度↑塑性、韧性、性能冷弯、可焊性↓；高温时使钢材变脆－热脆现象。•P：低温时使钢材变脆－冷脆现象；其它同S•O、N：O同S；N同P，控制含量≤0.008%2、冶金与轧制的影响•冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用Si为脱氧剂，时间慢，价格高，质量好。•反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。3、冷作硬化与时效硬化•由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象称之为硬化现象。•冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化。•钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化”现象称之为时效硬化。4、复杂应力与应力集中的影响•钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反。•钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部应力增大并多为同号应力场。5、残余应力的影响•钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内部自相平衡的内力（P26,图2.10）,残余应力虽对构件的强度无影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不利影响（后续章节中将详细介绍）。6、温度的影响温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。正温影响（P27，图2.11）•总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这一现象称之为热塑现象，温度达600o左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为热煅温度。•需要说明：钢材在300o左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象。钢材在300o以上时应采取隔热措施。负温影响（P27，图2.12）•随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度。第四节建筑结构用钢的种类与选择一、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法”四部分组成。Q：表示“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度”；质量等级：分A~E五级（字序越高质量越好）；脱氧方法：F－沸腾钢；Z－镇静钢（一般省略）；b－半镇静钢；TZ－特殊镇静钢。注：炭素结构钢分：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。如前所述建筑结构用钢，宜选炭素结构钢中的Q235及低合金钢中的Q345、Q390、Q420四种钢材。二、建筑结构用钢的选择1.钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强度fu、屈服强度fy、伸长率δ5（δ10）、冷弯180o及冲击韧性αk，化学成分C、S、P等的极限含量，以及冶炼脱氧方法来衡量。选材时应根据结构的重要性、荷载性质（静、动）、连接方法、工作温度等因素来综合考虑以选择适宜钢材。2.一般承重结构应有fu、fy、δ5以及C（≤0.22%）、S、P的极限含量合格保证；焊接及重要的非焊接承重结构还应具备冷弯180o合格保证（C≤0.2%）；承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时,还应根据具体情况增加对αk的不同要求。第六节普通螺栓的连接一、普通螺栓的连接构造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螺栓的排列螺栓的各距应满足规定的要求（P71~72，表3.5~8）二、受力性能与计算1、受力分类螺栓根据作用不同，按螺栓受力可以分为：受剪、受拉及剪拉共同作用2、受剪连接受力性能与破坏形式五种破坏形式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dt5dt5de2单个受剪螺栓的承载力计算螺栓抗剪：孔壁承压：最大承载力：bV2VbV4fπdnNbCbCftdNbCbVbminV;minNNNN轴力作用受剪螺栓群的连接计算受力特性：沿受力方向，受力分配不均，两端大中间小，在一定范围内，靠塑变可以均布内力，过大时，设计计算时仍按均布，但强度需乘折减系数β，当l1≥15d0时：当l1≥60d0时β＝0.7连接所需螺栓数量：连接板净截面强度7.01501.101dlβbminNNnfANσn＝扭矩、轴力及剪力共同作用受剪螺栓群计算扭矩作用：nTn2T21T1rNrNrNTnTrNrNrNTn221T12211iiTxyxxTN2211iiTxyxxTN轴力及剪力作用轴力扭矩共同作用下最大受力螺栓受拉螺栓连接受力性能与承载力bVyTyNxTxVNTNNNNNNmin2112111)()(nNNNx1nVNVx1bt2bt41fdNeπbtNnNNt受弯矩作用螺栓连接计算MnMMNNyNmM211nMnMMyNyNyN2211bt211NymyMNiMM、N共同作用（偏心受拉）螺栓计算•小偏心：•大偏心:nNNymyMNNiM525minnNNymyMNNiM525min)(2,,1211iiymFeyymFeynFN拉剪共同作用螺栓连接计算注：此类连接因无支托板，一般应考虑精制螺栓连接，以减少连接变形。12btt2bVNNNNVbCNnVNVnFNV21itymFeyN第七节高强度螺栓连接一、概述按受力特性分：摩擦型与承压型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。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＃钢制成，fu≥800N/mm2，fu/fy≥0.8。高强螺栓的预拉力（P85表3.9）二、摩擦型高强螺栓连接计算受剪连接计算一个螺栓抗剪承载力连接所需螺栓数净截面强度：考虑50％孔前传力eueuAfAfP6075.02.19.09.09.0PnNμ9.0fbVbVNNnfANnnANn1n,5.01）＝（σ＝受拉连接高强螺栓计算由于高强螺栓的基本承载力为摩擦力，而摩擦力预正压力有关，为保证板件间保留一定的压紧力《规范》规定:受弯连接结算（形心轴在中排）拉、剪共同作用连接计算三、承压型高强螺栓连接受力性能同普通螺栓，拉剪作用时以栓杆抗剪及孔壁承压承力；受拉同摩擦型，计算公式总结如表3.11。PN8.0btPNymyMNi8.0bt21Mt)25.1(9.0tfNPnVμPNN8.0btt本章重点1、角焊缝的构造与计算；2、焊接残余应力与变形的产生机理与影响；2、普通螺栓受剪连接的破坏形式与机理；3、高强螺栓连接的构造与计算。第四章轴心受力构件第一节概述第二节轴心受力构件的强度与刚度第三节实腹式轴心受压构件的整体稳定第四节实腹式轴心受压构件的局部稳定第五节实腹式轴心受压构件的截面设计第六节格构式轴心受压构件第一节概述轴心受力构件分轴心受拉及受压两类构件，作为一种受力构件，就应满足承载能力与正常使用两种极限状态的要求。正常使用极限状态的要求用构件的长细比来控制；承载能力极限状态包括强度、整体稳定、局部稳定三方面的要求。