注冊結(jié)構(gòu)基礎講義——鋼結(jié)構(gòu)

1、第七講 鋼結(jié)構(gòu)【內(nèi)容提要】1鋼結(jié)構(gòu)的材料：鋼材的基本性能；影響鋼材性能的因素；結(jié)構(gòu)用鋼的種類、鋼號及選材。2鋼結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件：軸心受拉構(gòu)件、軸心受壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件、拉彎構(gòu)件、壓彎構(gòu)件的計算和構(gòu)造。3鋼結(jié)構(gòu)的連接：對接焊縫和角焊縫的構(gòu)造和計算；普通螺栓和高強螺栓的構(gòu)造和計算；構(gòu)件間連接的構(gòu)造和計算。【重點、難點】鋼結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件和鋼結(jié)構(gòu)的連接一、鋼材性能(一)基本性能鋼材的主要機械性能(也稱力學性能)，是指鋼材在標準條件下均勻拉伸、冷彎和沖擊試驗所顯示出來的性能，包括抗拉強度、屈服強度、伸長率、指標。前三項指標由抗拉試驗確定，后兩項指標分別由沖擊試驗、冷彎試驗確定。抗拉強度是鋼材斷裂前能夠承受的

2、最大應力，它表示鋼材應力達到屈服強度后安全儲備的大小。屈服強度是確定鋼材強度設計值的主要指標。伸長率是表示鋼材塑性性能的指標。沖擊韌性為將標準試件在擺錘式?jīng)_擊試驗機上沖斷時所消耗的沖擊功，它反映鋼材在沖擊荷載和三軸應力作用下抵抗脆性破壞的能力。冷彎性能是指鋼材在冷加工產(chǎn)生塑性變形時，對出現(xiàn)裂紋的抵抗能力，是判別鋼材塑性變形能力和顯示鋼材內(nèi)部缺陷的綜合指標。鋼材的破壞形式有塑性破壞和脆性破壞兩種。塑性破壞是指構(gòu)件的應力超過屈服點，并達到極限強度后，構(gòu)件產(chǎn)生很大的變形和明顯的“頸縮”現(xiàn)象。破壞后的斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗；其特點為破壞前有明顯的預兆，破壞常可以預防和避免；破壞前有很大塑性變形，導致內(nèi)

3、力重分布，對構(gòu)件有利。脆性破壞是指構(gòu)件破壞前構(gòu)件變形很小，平均應力亦小(一般都小于屈服點)，破壞前沒有任何征兆，破壞是突然發(fā)生的，斷口平直或呈有光澤的晶粒狀。其特點為在構(gòu)件的缺口、裂縫處應力集中而引起破壞，后果嚴重，損失較大，應努力防止脆性破壞。(二)結(jié)構(gòu)鋼的種類甲類鋼保證機械性能鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼材僅為普通碳素鋼和普通低合金鋼二類。(三)選用鋼材的原則鋼材選用的原則應該是：既能使結(jié)構(gòu)安全可靠地滿足使用要求，又要盡最大可能節(jié)約鋼材、降低造價。不同的使用條件，應當有不同的質(zhì)量要求，在一般結(jié)構(gòu)中當然不宜輕易地選用優(yōu)質(zhì)鋼材，而在重要的結(jié)構(gòu)中更不能盲目地選用質(zhì)量很差的鋼材。就鋼結(jié)構(gòu)的力學性能指標來說，屈服

4、點、抗拉強度、伸長率、冷彎性能、沖擊韌性和低溫沖擊韌性等各項指標，是從各個不同的方面來衡量鋼材質(zhì)量的指標，當然，沒有必要在各種不同的使用條件下，都要完全符合這些質(zhì)量指標。所以在設計鋼結(jié)構(gòu)時，應該根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點，選用適宜的鋼材。鋼材選擇是否合適，不僅是一個經(jīng)濟問題，而且關系到結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命。3格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件根據(jù)所用綴材不同，格構(gòu)式構(gòu)件可分為綴板式和綴條式兩種。格構(gòu)式構(gòu)件與實腹式構(gòu)件在設計計算上的主要區(qū)別在于格構(gòu)式構(gòu)件繞虛軸的整體穩(wěn)定性必須考慮剪切變形的影響；除整體穩(wěn)定性外，對格構(gòu)式構(gòu)件尚須驗算分肢穩(wěn)定性；格構(gòu)式構(gòu)件的綴材應進行計算。(二)受彎構(gòu)件(梁)設計梁時應滿足下列要求：安全適用、

5、用料節(jié)約、制造省工、安裝方便。其中安全適用要求必須確保，其他要求則根據(jù)情況靈活處理，盡可能達到降低造價、縮短工期，取得較好的經(jīng)濟效益。一般梁的設計步驟為：1確定結(jié)構(gòu)方案根據(jù)使用要求，確定結(jié)構(gòu)的平面圖形狀、尺寸、使用荷載、層高和凈空要求等。選擇幾種不同的梁格布置形式，進行初步設計和技術經(jīng)濟比較。選定最佳或較好的梁格結(jié)構(gòu)布置形式，確定各梁(主梁和次梁)的荷載、跨度、間距、最大容許高度等。2確定梁的高度根據(jù)經(jīng)濟條件求得梁的經(jīng)濟高度，再根據(jù)梁的剛度條件求得梁的最小高度，并考慮生產(chǎn)工藝和使用上的最大容許高度，經(jīng)綜合考慮，初步?jīng)Q定梁的設計高度。3梁的截面選擇在梁的設計高度(截面高度)確定后，根據(jù)梁的荷載和

6、跨度，求得梁的最大彎矩。根據(jù)梁的正應力強度能夠充分發(fā)揮的條件(應力接近而不超過強度設計值)，選定梁的腹板厚度、翼緣寬度、翼緣厚度。4驗算梁的強度必須驗算梁中下列各個部位：有最大彎矩處、截面有削弱處(凈截面)、截面改變處、有集中荷載而又無橫向加勁肋處，剪力最大處、剪力和彎矩都較大處。各處的正應力、剪應力、一折算應力都不能超過強度設計值。此外還要驗算翼緣和腹板間焊縫的強度，以及接頭處的連接焊縫或高強度螺栓等的強度。5驗算梁的整體穩(wěn)定性有些梁在荷載作用下，雖然截面最大的正應力、剪應力、折算應力等都低于鋼材的強度設計值，但梁的變形會突然偏離原來的彎曲變形平面，同時發(fā)生側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)，這就稱為梁的整體失

7、穩(wěn)。必須充分重視梁的整體失穩(wěn)的嚴重性。突然失穩(wěn)破壞，與鋼材脆性破壞具有同樣的后果。它事先是沒有預兆的，在確定結(jié)構(gòu)方案和選擇梁的截面時要防止梁可能出現(xiàn)整體失穩(wěn)問題。等到驗算時才發(fā)現(xiàn)有問題而加大梁的截面則已較遲了，也很不經(jīng)濟。6驗算梁的剛度梁的撓度過大常會使人感到不舒適，甚至感到不安全，或者影響設備的正常使用。吊車梁的撓度過大會使吊車運行時就像一會兒上坡，一會兒下坡，運行困難，吊車耗能增加。根據(jù)工藝條件或使用要求，梁的撓度與其跨度的比值應有一定的限制。規(guī)范對各種用途的梁都規(guī)定了最大的容許比值。7驗算梁的局部穩(wěn)定如果梁受壓翼緣的寬度與厚度之比太大，或腹板的高度與厚度之比太大，則在受力過程中它們都會出

8、現(xiàn)波狀的局部屈曲。這種現(xiàn)象就叫局部失穩(wěn)。為了保證受壓翼緣不會局部失穩(wěn)，應使翼緣的寬度與厚度的比值符合規(guī)定的要求。在選擇截面時就應滿足這一規(guī)定。對于腹板則常用加勁肋將它分隔成較小的區(qū)格來保證腹板不會失去局部穩(wěn)定。此外還應設計和驗算加勁肋的截面尺寸和剛度。8構(gòu)造設計梁的截面改變，拼接接頭和安裝接頭的設置，梁與梁的連接，梁的支座構(gòu)造和錨固連接等，也應經(jīng)過周密考慮、仔細設計和逐項驗算。(三)拉彎和壓彎構(gòu)件這里僅討論拉彎或壓彎構(gòu)件。當彎矩較小時，拉(壓)彎構(gòu)件的截面形式與軸心拉(壓)構(gòu)件相同；當彎矩很大，則與梁的截面形式接近。拉彎(壓彎)構(gòu)件的截面主要根據(jù)經(jīng)驗和以往設計資料來選擇。1拉彎構(gòu)件的強度、剛度

9、和局部穩(wěn)定性(1)強度驗算強度按下列兩式驗算：連接件沿梁跨度方向的間距不宜超過混凝土翼板厚度和板托高度之和的4倍。(4)圓柱頭焊釘連接件的長度不應小于4d(d為焊釘直徑)。在施焊時應采用專門的焊接機具和工藝方法牢固地焊于鋼梁翼緣上，其沿梁跨度方向的間距不宜小于6d，垂直于梁跨度方向的間距不宜小于4d。(5)槽鋼連接件的翼緣肢尖方向應與混凝土翼板對鋼梁的水平剪應力方向一致，其與鋼梁上翼緣的連接焊縫應按有關規(guī)定計算。(6)彎起鋼筋宜采用直徑d不小于12mm的I級鋼筋成對稱布置，用兩條長度不小于4d的側(cè)焊縫焊接于鋼梁翼緣上，其彎起角度一般為45度，彎折方向應與混凝土翼板對鋼梁的水平應力方向一致。在梁

10、跨中可能產(chǎn)生剪應力變號處，必須在兩個方向均有彎起鋼筋。每個彎起鋼筋從彎起點算起的總長度不宜小于25d(工級鋼筋另加彎鉤)，其中水平段長度不宜小于10d。(7)圓柱頭焊釘釘頭下表面或槽鋼連接件上翼緣下表面應比混凝土翼板底部鋼筋高出30mm以上。連接件頂面的混凝土保護層厚度不應小于15mm。圓柱頭焊釘釘桿的外表面或槽鋼連接件的端面：至鋼梁上翼緣側(cè)邊的距離不應小于20mm；至混凝土板托側(cè)邊的距離不應小于40mm；至混凝土翼板側(cè)邊的距離不應小于100mm。(8)鋼梁頂面不得涂刷油漆，在灌澆(或安裝)混凝土翼板以前應清除鐵銹、焊渣、冰層、積雪、泥土和其他雜物。三、鋼結(jié)構(gòu)的連接連接方法有焊接、鉚接和螺栓連

11、接。(一)焊接連接焊接方法有電弧焊、電阻焊和氣焊。連接形式有平接、搭接和頂接。焊縫的形式有對接直縫、對接斜縫、角焊縫(端縫)和角焊縫(側(cè)縫)。這里僅介紹對接焊縫和角接焊縫的計算。1對接焊縫的計算原則無外觀缺陷和內(nèi)部缺陷的對接焊縫的應力分布，可認為與相鄰母材的受力情況相同。軸心受力的對接焊接應按下式計算焊縫中的最大應力，并控制此應力不超過焊縫強度設計值。(二)普通螺栓和高強螺栓連接1普通螺栓連接計算普通螺栓連接按螺栓傳力方式，可分為受拉螺栓，受剪螺栓和受拉兼受剪螺栓三種。 (1)受剪螺栓連接精制螺栓受剪力作用后，螺桿與孔壁接觸產(chǎn)生擠壓力，同時螺桿本身承受剪切力。(2)受拉螺栓連接在受拉螺栓連接中

12、，螺栓承受沿螺桿長度方向的拉力，螺栓受力的薄弱處是螺紋部分，破壞產(chǎn)生在螺紋部分。(3)受剪兼受拉的螺栓連接這種螺栓兼有受剪和受拉兩種螺栓的受力情況。工作性能比較復雜。通常分別考慮螺栓受剪和受拉性能后，用相關公式考慮受剪和受拉同時作用的綜合效果(見設計規(guī)范)。2摩擦型高強度螺栓連接摩擦型高強度螺栓連接靠摩擦力傳力，完全不靠孔壁承壓和栓桿受剪。(三)構(gòu)件間的連接1梁與柱的連接梁支承于柱頂?shù)倪B接：梁的反力通過柱的頂板傳給柱子；頂板一般取1620mm厚，與柱用焊接相連；梁與頂板用普通螺栓相連。梁支承于柱側(cè)的鉸接連接；多用于多層框架中的橫梁與柱子的連接。2柱與基礎的連接柱與基礎鉸接主要用于軸心受壓的情況

13、。剛接柱角不但要傳遞軸力，也要傳遞彎矩和剪力，在彎矩作用下，倘在底板范圍內(nèi)產(chǎn)生拉力，就需由錨栓來承受，錨栓須經(jīng)計算，為了保證柱腳與基礎能形成剛性連接，錨栓不宜固定在底板上，而應在靴梁兩側(cè)焊接兩塊較小的肋板，錨栓固定在肋板上面的水平板上。為便于安裝，錨栓不宜穿過底板?！纠}1】鋼結(jié)構(gòu)一般不會因偶然超載或局部超載而突然斷裂破壞，這是由于鋼材具有( )。(A)良好的塑性 (B)良好的韌性(C)均勻的內(nèi)部組織 (D)良好的彈性答案：(A)解析：由于鋼材具有良好的塑性，在偶然超載或局部超載一般不會超過材料的極限強度，因此不會突然斷裂破壞?！纠}2】把鋼材視為理想彈塑性，是根據(jù)( )。(A) fy以前視為

14、彈性，fy以后視為彈塑性(B) fy以前視為彈性，fy以后為塑性(C) fy之前近于理想彈性，fy之后視為塑性(D) fy之前鋼材近于理想彈性，fy之后，塑性應變范圍大而應力保持不變近于理想塑性答案：(D)解析：fy之前鋼材為彈性變形階段，fy之后進入塑性變形階段，由于鋼材的塑性應變范圍大而應力保持不變，故可把鋼材視為理想塑性?！纠}3】應力集中現(xiàn)象，對構(gòu)件有何影響?( )。(A)使構(gòu)件承載力降低 (B)使構(gòu)件承載力提高(C)使構(gòu)件塑性降低；脆性增加 (D)使構(gòu)件截面面積減少答案：(C)解析：應力集中部位構(gòu)件的塑性降低；脆性增加?！纠}4】下面關于鋼材的說法，哪種是正確?( )(1)在常溫下，

15、鋼材隨著溫度的升高，鋼材的強度降低，變形增大，但在250 左右區(qū)間，鋼材強度提高，塑性降低。(2)鋼材在負溫度范圍，隨著溫度的下降，鋼材的強度增加，塑性降低。在中間的某一范圍，沖擊韌度很低，材料由塑性破壞轉(zhuǎn)為脆性破壞。此溫度區(qū)為脆性轉(zhuǎn)變溫度。(3)鋼材隨著溫度的升高，鋼材的強度降低，變形增大。(4)鋼材在負溫度范圍，鋼材由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?A)(1)、(3) (B)(2)、(1) (C)(4)、(1) (D)(2)、(3)答案：(B)解析：依據(jù)鋼材在常溫下和負溫度下所表現(xiàn)出來的材料的性質(zhì)?！纠}5】軸心受壓構(gòu)件應進行哪種計算?( )(A)強度計算(B)強度和剛度計算(C)強度、整體穩(wěn)定和剛度計算(D)強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和剛度計算答案：(D)解析：軸心受壓構(gòu)件應進行強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和剛度計算?！纠}6】軸心受壓工字形截面柱翼緣的寬厚比和腹板的高厚比是根據(jù)下列哪項原則確定的?( )(A)板件的臨界應力小于屈服強度fy(B)板件的臨界應力不小于屈服強度fy(C)板件的臨界應力小于構(gòu)件臨界應力(D)板件的臨界應力不小于構(gòu)件臨界應力答案：(D)解析：軸心受壓工字形截面柱翼緣的寬厚比和腹板的高厚比是根據(jù)板件的臨界應力不小于構(gòu)件臨界應力原則確定的?！纠}7】焊接工字形等截面簡支梁在何種情況下，整體穩(wěn)定系數(shù)最高?( )(A)跨度