鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理(甲)

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理（甲）主講人：李忠學(xué)副教授時 間： 周四上午第35節(jié)地 點： 紫金港東B1-214(多)第一章第一章 緒論緒論 v鋼結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用 鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)的定義：用H型鋼、工字鋼、槽鋼、角鋼等熱軋型鋼和鋼板組成的以及用冷彎薄壁型鋼制成的承重構(gòu)件或承重結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為鋼結(jié)構(gòu)，如鋼梁、鋼屋架、鋼框架、鋼塔架等都是最常見的鋼結(jié)構(gòu)。 與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有的一些主要特點 強度高，重量輕 質(zhì)地均勻，各向同性 施工質(zhì)量好，且工期短 密閉性好 用螺栓連接的鋼結(jié)構(gòu)，可裝拆，適用于移動性結(jié)構(gòu) 在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用 重型工業(yè)廠房 高層房屋鋼結(jié)構(gòu) 大跨度結(jié)構(gòu) 高聳結(jié)構(gòu) 因運輸條件不利

2、，或施工工期要求盡量短，或施工現(xiàn)場場地受到限制等原因也常采用鋼結(jié)構(gòu)，如電力工業(yè)中的高壓輸電塔等 密閉性要求較高的板殼結(jié)構(gòu)，如高壓容器、煤氣柜、儲油罐、高爐和高壓輸水管等 需經(jīng)常裝拆和移動的各類起重運輸設(shè)備和鉆探設(shè)備，如塔式起重機和采油井架等 此外，如交通運輸業(yè)中的大跨橋梁結(jié)構(gòu)、水工結(jié)構(gòu)中的閘門、各種工業(yè)設(shè)備的支架如鍋爐支架等，也都需要采用鋼結(jié)構(gòu)。輕鋼結(jié)構(gòu)是一種新型結(jié)構(gòu)，它主要是指使用輕質(zhì)屋面和輕質(zhì)墻體、采用新的結(jié)構(gòu)形式和高效鋼材，導(dǎo)致單位面積用鋼量相對較輕、施工建造期短的鋼結(jié)構(gòu)。它主要用于荷載不是很大的單層和多層房屋。輕質(zhì)屋面常采用冷彎C型鋼或Z型鋼檁條、壓型鋼板或輕質(zhì)復(fù)合板材屋面；輕質(zhì)墻體采

3、用冷彎薄壁型鋼做墻梁以彩色鋼板等薄板做墻面。 選用鋼結(jié)構(gòu)后要注意的幾個方面 鋼材的耐腐蝕性較差，因而需采用防腐措施，在有腐蝕性環(huán)境中使用的鋼結(jié)構(gòu)還必須對其作定期檢查，維護費用大于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對鋼結(jié)構(gòu)的防護作了專門規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)有一定的耐熱性但不防火，當(dāng)其溫度達到450650度時，強度下降極快，在600度時已不能承重，只有在200度以下時鋼材的性質(zhì)變化不大。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對鋼結(jié)構(gòu)的防火也作了專門規(guī)定 由于鋼材強度大、構(gòu)件截面小、厚度薄，因而在壓力和彎矩等作用下，可能會出現(xiàn)構(gòu)件甚至整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題。在設(shè)計中考慮如何防止結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個重要內(nèi)容鋼材具有良好的塑性性

4、能，但當(dāng)鋼材處于復(fù)雜受力狀態(tài)且承受三向或雙向同號應(yīng)力時、當(dāng)鋼材處于低溫工作條件下或受有較大應(yīng)力集中時，鋼材均會由塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?，產(chǎn)生突然的脆性破壞，這是很危險的。因此，設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)時如何防止鋼材的脆性破壞是一個必須重視的問題v鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和設(shè)計規(guī)范 一個具體的鋼結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)安全地承受結(jié)構(gòu)所承受的各種荷載，并把所受荷載以明確和直接的傳遞路線傳給結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，最后傳至支承基礎(chǔ)的地基，同時應(yīng)滿足建成后的各種使用要求鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計是在建筑物的方案設(shè)計之后進行的。方案設(shè)計中根據(jù)建筑物的使用要求和具體條件確定建筑物的形狀、平面尺寸、層次、高度、建筑面積、室內(nèi)交通運輸設(shè)備（如車間內(nèi)吊車、民用房屋中的樓梯和電梯

5、設(shè)備）、采光和通風(fēng)措施以及選用的結(jié)構(gòu)型式等。 鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容 根據(jù)建筑物的使用要求、具體條件和方案設(shè)計中已確定的內(nèi)容，進行結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)布置確定選用的鋼材牌號建立結(jié)構(gòu)的計算簡圖，確定其所受的各類荷載按不同荷載分別進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，進行內(nèi)力組合，確定各構(gòu)件在最不利組合下產(chǎn)生的最大內(nèi)力進行各構(gòu)件的截面設(shè)計進行構(gòu)件相互間的連接設(shè)計繪制施工詳圖，編制材料表設(shè)計規(guī)范 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017-2003：適用于采用熱軋鋼材建造的鋼結(jié)構(gòu)，對鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則、采用的鋼材要求、各種設(shè)計指標(biāo)、三大基本構(gòu)件的計算內(nèi)容和要求、連接計算方法、構(gòu)造要求以及疲勞計算等都作了明確的規(guī)定，供設(shè)計人員遵照執(zhí)行冷彎薄壁型

6、鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范GB50018-2002，適用于冷成型的薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程高層建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程其它還有如適用于設(shè)計鐵路、公路、橋梁、水工閘門、輸電塔架的專門規(guī)范或規(guī)程。各個國家都有自己的設(shè)計規(guī)范。v鋼結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容和要求鋼結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用范圍結(jié)構(gòu)鋼材的基本性能及影響性能的主要因素，鋼材發(fā)生脆性破壞的原因及預(yù)防措施，鋼材牌號的正確選用鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則，我國采用的概率設(shè)計法及其優(yōu)點，與容許應(yīng)力設(shè)計法的比較各種連接方法及其計算規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)各類基本構(gòu)件的截面型式、破壞特征、工作性能、構(gòu)造要求及計算方法等鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件間的連接構(gòu)

7、造及計算，包括柱頭、柱腳、梁與梁的連接、梁與柱的連接等鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計算鋼屋架的設(shè)計實腹式吊車梁的設(shè)計門式剛架的塑性設(shè)計本書前8章著重介紹鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理，后3章通過桁架及屋蓋、實腹式吊車梁和門式剛架三個具體而又較簡單的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件介紹鋼結(jié)構(gòu)的一般設(shè)計步驟和設(shè)計方法，包括鋼結(jié)構(gòu)中荷載的傳遞路線、結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)布置、荷載的計算、構(gòu)件及連接的計算和構(gòu)造等。 第2章 鋼結(jié)構(gòu)的材料及其性能v鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材的力學(xué)性能鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材的力學(xué)性能應(yīng)由下列試驗得到，試件的制作和試驗方法等都必須按照各個試驗有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行。 拉伸試驗拉伸試驗是試件在常溫下受到一次單向均勻拉伸，在拉力試驗機或萬能試驗機上進行，由

8、零開始緩慢加載直到試件被拉斷。由試驗讀數(shù)可繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 比例極限 屈服點 頸縮現(xiàn)象 拉斷 抗拉強度或強度極限 彈性極限階段1 為彈性變形階段 階段2 為彈塑性變形階段 殘余應(yīng)變 上屈服點 下屈服點 階段3塑性變形階段 4應(yīng)變硬化階段 5頸縮階段 一般結(jié)構(gòu)鋼比例極限處的應(yīng)變約為0.1%，開始屈服時的應(yīng)變約為0.15%，二者極為相近，而開始應(yīng)變硬化時的應(yīng)變約為2.5%，約為屈服點處應(yīng)變的17倍，因而可把鋼材應(yīng)變硬化階段以前的曲線簡化，簡化曲線由兩段折線組成。這樣就把鋼材看成了理想的彈塑性體，在屈服點前為彈性體，在到達屈服點后立即轉(zhuǎn)為理想的塑性體。 開始硬化時的應(yīng)變與屈服點處的應(yīng)變的比值稱為

9、延性系數(shù)，用以表示鋼材延性的大小，其值隨不同鋼材而變，約為1025.含碳量較高的鋼材，拉伸試驗時常不出現(xiàn)圖2.1所示的塑性流動，即沒有明顯的屈服點。此時常取產(chǎn)生殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時的應(yīng)力作為名義上的屈服點，記作 。為了與 相區(qū)別，稱 為屈服強度。為簡化，二者常不加區(qū)別。 2 . 0fyf2 . 0f從鋼材的拉伸試驗還可以得到下面的一些重要的力學(xué)性能指標(biāo) 屈服點fy 這是表示鋼材強度的一個重要指標(biāo)。在彈性設(shè)計時，常以纖維應(yīng)力到達屈服點作為強度計算時的限值。屈服點的數(shù)值由試件開始屈服時的荷載N除以未變形前的截面積A0得到。 抗拉強度fu 這是表示鋼材強度的另一個指標(biāo)，是曲線上的最高點的應(yīng)力，即由試

10、件拉伸時的最大荷載除以試件未變形前的截面積A0得到。當(dāng)以纖維應(yīng)力達到屈服點作為強度計算的限值時，fu與fy的差值可作為構(gòu)件的強度儲備。fu的大小能直接反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣。 彈性模量E 是彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變的比值。對鋼材而言，E值變化不大，計算時不論鋼種，通常均取 。在鋼材強化階段的切線模量稱為應(yīng)變硬化模量，記作 。 2310206mmNEstE拉伸率 由下列公式求取 %10000lll伸長率是表示鋼材塑性性能的一個指標(biāo)，用以表示鋼材斷裂前發(fā)展塑性變形的能力。 必須注意：拉伸構(gòu)件有長短之分，國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的長試件是 dl100或 00410Al 短試件是 dl50或 0045Al 其伸長率分

11、別記為 和 105拉伸試件在達到抗拉強度之前，試件沿標(biāo)距產(chǎn)生均勻拉伸變形。在頸縮階段，均勻拉伸變形停止而代之以頸縮變形。頸縮變形在長試件和短試件中是相同的，因而同一鋼材由短試件求得的 將大于長試件的 。 510斷面收縮率是鋼材塑性性能的另一個指標(biāo)，是指試件橫斷面面積在試驗前后的相對減縮，即 %10000AAA因已有伸長率這個指標(biāo)表示鋼材的塑性性能，通常不再要求給出 。 鋼材壓縮試驗所得的曲線常與拉伸試驗時的 相同，因而壓縮時采用相同的參數(shù)。 冷彎試驗 冷彎試驗用以試驗鋼材的彎曲變形性能和抗分層的性能。試驗時將厚度為a的試件置于圖2.3（a）所示的支座上，在常溫下加壓使其彎曲180度，即試件繞著

12、彎心彎到兩表面平行。試驗在壓力機或萬能試驗機上進行。彎曲后檢查試件彎曲處的外面及側(cè)面，如無裂縫、斷裂或起層，即認(rèn)為試件合格。彎心直徑d隨試驗的鋼種及其厚度不同而異，如取d為1.5a、2a和3a等，應(yīng)按有關(guān)技術(shù)條件的規(guī)定采用。 冷彎試驗合格是評估鋼材質(zhì)量優(yōu)劣的一個綜合指標(biāo)，它不僅要求鋼材具有必要的塑性，同時還要求鋼材中沒有或極少有冶煉過程中產(chǎn)生的缺陷，如非金屬夾雜、裂紋、分層和偏析等。因此，我國設(shè)計規(guī)范第3.3.3條中規(guī)定，對焊接承重結(jié)構(gòu)及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材還應(yīng)具有冷彎試驗合格的保證。此外，結(jié)構(gòu)在制作中和安裝過程中常需進行冷加工，特別是焊接結(jié)構(gòu)的焊后變形需要進行調(diào)直和調(diào)平等，都要求鋼

13、材有較好的冷彎性能。 沖擊韌性 沖擊韌性也叫缺口韌性，表示帶缺口的鋼材標(biāo)準(zhǔn)試件在沖擊試驗機上被擺錘擊斷時所能吸收的機械能。對直接承受動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)，其鋼材需作沖擊韌性試驗。根據(jù)試件上缺口形狀的不同，沖擊韌性試驗的試件有梅氏試件和夏比試件兩種。前者缺口為U形，后者缺口為V形。由于試件上有缺口，因此受力后在缺口處有應(yīng)力集中，使該處出現(xiàn)三向同號應(yīng)力，材質(zhì)變脆。擊斷有缺口試件所需的機械功大小實際上就是表示了試件抵抗脆性破壞的能力。 由于V形缺口處的應(yīng)力集中較U形缺口嚴(yán)重，因此V形缺口試件更能反映鋼材的韌性。目前我國只用夏比（V形缺口）試件。夏比（V形缺口）試件所的沖擊韌性（沖擊吸收功）記作 ，單位為

14、“J”，即直接擊斷標(biāo)準(zhǔn)試件所需做的功。擺錘擊斷試件所做的功可由試驗機度盤直接讀取，也可按下式計算：kvA)cos(cos plCv必須注意：鋼材的沖擊韌性隨溫度而不同，低溫時沖擊韌性將明顯降低。圖2.5表示沖擊韌性與溫度之間的關(guān)系，此曲線由試驗得出。 v影響鋼材性能的主要因素 用以建造鋼結(jié)構(gòu)的稱為結(jié)構(gòu)鋼，它必須同時具有較高的強度、塑性和韌性，還必須具有良好的加工性能，對焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)保證其可焊性。結(jié)構(gòu)鋼主要有兩類，一是碳素結(jié)構(gòu)鋼中的低碳鋼，另一是低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。影響鋼材性能的因素較多，主要是鋼的化學(xué)成分的影響和生產(chǎn)過程不同的影響。 化學(xué)成分的影響 碳素鋼主要是鐵和碳的合金。因含碳量不同可以將

15、其分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。碳的含量愈高，鋼的強度也愈高，但其塑性、韌性和可焊性卻顯著降低，因而用作建造鋼結(jié)構(gòu)材料的只能是低碳鋼，要求 。對焊接結(jié)構(gòu)，為了使其有良好的可焊性，通常限制 。 %22. 0C%20. 0C國家標(biāo)準(zhǔn)碳素結(jié)構(gòu)鋼中對碳素鋼根據(jù)其屈服點的不同分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五種牌號。用于鋼結(jié)構(gòu)時，我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范推薦采用Q235，其平均含碳量 ，符合同時具有較高的強度、塑性和韌性的要求，可焊性也良好。其它牌號的鋼材均不適于用以建造鋼結(jié)構(gòu)。 %18. 0C為了得到較Q235鋼更高的強度，可在低碳鋼的基礎(chǔ)上冶煉時加入為提高鋼材強度的合金元素如錳、釩等，得

16、到低合金鋼。加入適量的合金成分后，可使鋼水在冷卻時得到細(xì)而均勻的晶粒，從而提高了強度又不損害塑性和韌性。我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范推薦采用的低合金鋼是國家標(biāo)準(zhǔn)中的Q345、Q390和Q420鋼三種。鋼中除鐵和碳及有意加入的合金元素外，尚含有少量的其它元素如錳、硅、硫及磷等，此外，也還可能存在鋼冶煉過程中不易除盡的氧、氮和氫等o 錳對鋼是有益元素，是鋼液的弱脫氧劑。錳能消除鋼液中所含的氧，又能與硫化合，消除硫?qū)︿摰臒岽啵ǜ邷貢r使鋼產(chǎn)生裂紋）影響。含適量的錳，可提高鋼的強度同時又不影響鋼的塑性和沖擊韌性。但含量過高，則有可能降低鋼的可焊性o 硅對鋼也是一種有益的元素，是鋼液的強脫氧劑。硅還能使鐵中的晶粒變

17、細(xì)而均勻，改善鋼的質(zhì)量。鋼中含適量的硅，可提高鋼的強度而不影響其塑性、韌性和可焊性。但含量過高，對鋼的塑性、韌性、可焊性和抗銹性也將有影響。o 硫和磷都是鋼中的有害雜質(zhì)，硫與鐵能生成易于熔化的硫化鐵。含硫量增大，會降低鋼的塑性、沖擊韌性、疲勞強度和抗銹性等。硫化鐵的熔化溫度為11701185度，比鋼的熔點低得多，其與鐵形成的共晶體，熔點更低，約為985度。當(dāng)對鋼材進行軋制等熱加工或電焊時，硫化鐵及行熔化使鋼內(nèi)形成微小裂紋，稱為“熱脆”。磷的存在雖可提高鋼的強度和抗銹性，但會降低鋼的塑性、沖擊韌性、冷彎性能和可焊性等。特別是磷能使鋼材在低溫時變脆，稱為“冷脆”。因此，設(shè)計規(guī)范中規(guī)定承重結(jié)構(gòu)的鋼材

18、應(yīng)具有硫和磷含量的合格證。o 氧、氮和氫也都是有害雜質(zhì)。氧在煉鋼過程中可能以氧化鐵殘留于鋼液中，氮和氫則可能從空氣中進入高溫的鐵液中。氧和氮都會使鋼的晶粒粗細(xì)不均，氧和硫一樣還會使鋼熱脆，氮與磷相似，會使鋼冷脆。氫能使鋼產(chǎn)生裂紋。因此，對這些有害雜質(zhì)都必須使其在煉鋼過程中析出或防止其從空氣中進入鋼液。生產(chǎn)過程對鋼材性能的影響 生產(chǎn)過程的影響包括冶煉時的爐種、澆注前的脫氧和熱軋等的影響。 煉鋼主要是將生鐵或鐵水中的碳和其它有害雜質(zhì)如錳、硅、硫、磷等元素氧化成爐氣和爐渣后而得到的鋼液的過程。煉鋼時采用的爐種有電爐、平爐和轉(zhuǎn)爐等。鋼的脫氧 o鋼液中殘留氧，將使鋼材晶粒粗細(xì)不均并發(fā)生熱脆。因此澆注鋼錠

19、時在爐中或盛鋼桶中加入脫氧劑以消除氧，可大大改善鋼材的質(zhì)量。因脫氧程度的不同，鋼可分成沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼四類。o如采用錳作為脫氧劑，由于錳是弱脫氧劑，脫氧不完全，澆注后鋼液中仍殘留較多的氧化鐵，它與鋼液中的碳相互作用而成一氧化碳?xì)怏w，氣體從鋼液中逸出時使鋼液在鋼錠模中產(chǎn)生“沸騰”，故名沸騰鋼。其沖擊韌性較低，脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，抵抗冷脆性能差，抗疲勞性能也較鎮(zhèn)靜鋼差。 o 除用錳外，如另增加一定數(shù)量的硅作為脫氧劑，由于硅是較強的脫氧劑，脫氧充分。硅與氧化鐵反應(yīng)，產(chǎn)生較多的熱量，因而在鋼錠模中的鋼液冷卻較慢，大部分氣體可以析出。鋼液是在平靜狀態(tài)下凝固，故名鎮(zhèn)靜鋼。鎮(zhèn)靜鋼的化學(xué)成分

20、較均勻，晶粒細(xì)而均勻，組織密實，因而沖擊韌性較高，特別是低溫時的韌性大大高于沸騰鋼，抗低溫冷脆能力和抗疲勞性能都較強。o 半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。如用硅脫氧后再用更強的脫氧劑鋁補充脫氧，則可得特殊鎮(zhèn)靜鋼，其沖擊韌性，特別是低溫沖擊韌性都較高。鋼的軋制 o 我國的鋼材大都是熱軋型鋼和熱軋鋼板. o 熱軋：將鋼錠加熱至塑性狀態(tài)，通過軋鋼機將其軋成鋼胚，然后再令其通過一系列不同形狀和孔徑的軋機，最后軋成所需形狀和尺寸的鋼材。o 調(diào)質(zhì)鋼：對軋制后的鋼材再經(jīng)過熱處理，可得到調(diào)質(zhì)鋼。熱處理的方式是先淬火，后高溫回火。淬火可提高鋼的強度，但降低了鋼的韌性，再回火可恢復(fù)鋼的韌性。它包括調(diào)質(zhì)合

21、金鋼和調(diào)質(zhì)碳素鋼等，目前僅用于制作高強度螺栓。o 鋼材出廠后，在制造和使用過程中還會有許多因素影響鋼的力學(xué)性能。如冷加工時發(fā)生的應(yīng)變硬化和時效硬化。o圖2.7給出了拉伸試驗時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。當(dāng)加荷不超過彈性階段，在此范圍內(nèi)重復(fù)卸荷和加荷，不會產(chǎn)生殘余應(yīng)變，應(yīng)力-應(yīng)變曲線始終保持原來的曲線。如加荷超過了彈性階段，則卸荷后將產(chǎn)生殘余變形。重新加荷，則鋼材的塑性變形能力降低，如加荷到強化階段后再卸載，則再加載時，可使鋼材的屈服點提高，但其塑性和韌性卻大大降低，這種現(xiàn)象稱為冷加工硬化或應(yīng)變硬化。在鋼結(jié)構(gòu)中由于對鋼材的塑性和韌性要求都較高，一般不采用這種方式提高鋼材的屈服點。 o鋼材的時效硬化：即加荷

22、到應(yīng)變硬化階段卸載后隔一定時間，再重新加載，鋼材的強度將繼續(xù)有所提高，屈服點將比卸載點的高。在鋼材產(chǎn)生塑性變形后對鋼材進行加熱到200300度，可使鋼材的時效在幾小時內(nèi)完成，這稱為人工時效。 v復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下鋼材的屈服條件 鋼材在單向拉應(yīng)力或壓應(yīng)力狀態(tài)下，可借助于試驗得到屈服條件。在復(fù)雜應(yīng)力條件下，鋼材的屈服條件就不能由試驗得出其普遍適用的表達式，一般只能借助于材料力學(xué)中的強度理論得出。對鋼材最適用并已被試驗證實的強度理論是第四強度理論，也叫畸變能量理論。該理論認(rèn)為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時單位體積的單元體發(fā)生畸變的應(yīng)變能與單向拉伸時單位體積的單元體屈服時的畸變能量相等，則該復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的單元體達到了屈服

23、。復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下單位體積的單元體畸變應(yīng)變能為： 22222232131zxyzxyxzzyyxEU單向受力時單位體積的單元體畸變應(yīng)變能為 ：231xEU單向受力下達到屈服時的單元體畸變應(yīng)變能為 231yfEU則可得到折算應(yīng)力： yzxyzxyxzzyyxf2222220321上式就是根據(jù)畸變能量理論得出的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下鋼的屈服準(zhǔn)則。 如改用主應(yīng)力表示復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，則屈服條件為： yf213232221021當(dāng)鋼材處于三向同號主應(yīng)力下，不論主應(yīng)力有多大，只要三主應(yīng)力的相互差值甚小，鋼材就不易屈服而處于彈性狀態(tài)，剛才呈脆性。反之，若存在異號應(yīng)力，則鋼材易屈服而進入塑性狀態(tài)，將呈塑性破壞。若 0yz

24、zxz則為平面應(yīng)力狀態(tài)，其屈服條件為 yxyyxyxf22203當(dāng)為平面純剪切時， 0yxxy則得到的剪切屈服條件為 yf203vyyyfff58. 03當(dāng)為平面純剪切時， 0yxxy則得到的剪切屈服條件為 yf203vyyyfff58. 03注意：在以上公式中，所有應(yīng)力分量都必須是在鋼材同一點由同一種荷載產(chǎn)生的應(yīng)力。 v鋼材的脆性斷裂（冷脆） 鋼材在一般情況下是彈塑性材料，但在特殊情況下可以轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧?，因而鋼材的破壞可區(qū)分為塑性破壞和脆性破壞兩種方式，脆性破壞只發(fā)生在承受拉力時。 鋼材拉伸時的破壞特征(塑性破壞) 破壞前有較大的塑性變形，有明顯的頸縮現(xiàn)象，因而易于及時發(fā)現(xiàn)，危險性小。構(gòu)件

25、斷裂發(fā)生在應(yīng)力達到鋼材的抗拉強度時。 脆性破壞的特征 破壞前的變形很小，破壞系突然發(fā)生，事先無警告，因而危險性大。 破壞時的應(yīng)力常小于鋼材的屈服點。 斷口平直，呈有光澤的晶粒狀。 影響鋼材脆斷的因素主要 鋼材的質(zhì)量 鋼板的厚度 加荷的速度 應(yīng)力的性質(zhì)（拉、彎等）和大小 最低使用溫度 連接的方法（焊接） 應(yīng)力集中程度等 v鋼材的層狀撕裂 鋼材的層狀撕裂是一種脆性破壞，主要發(fā)生在厚板中。 v鋼材的牌號和選用 關(guān)于應(yīng)用較廣的碳素結(jié)構(gòu)鋼，我國的現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 700-88，主要是參照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)ISO 630種的有關(guān)規(guī)定。 牌號的表示方法（以Q235為例），完整表示方法為： Q2

26、35-質(zhì)量等級符號-脫氧方法符號 質(zhì)量等級分A、B、C、D四級。依次A級質(zhì)量最差，D級質(zhì)量最高。脫氧方法的符號為：F、b、Z、TZ. 但在牌號的表示方法中，Z和TZ的符號可以省略。 鋼材的質(zhì)量等級不同，其化學(xué)成分、脫氧要求和沖擊韌性要求將有所不同，但由拉伸試驗確定的力學(xué)性能 則 與 等 級 無 關(guān) 。A級和B級鋼各有F、b、Z三種脫氧方法，C級鋼只有鎮(zhèn)靜鋼，D級鋼只有特殊鎮(zhèn)靜鋼。 沖擊韌性要求 Q235A 不作沖擊韌性試驗要求 Q235B 作常溫下（20度）沖擊韌性試驗 Q235C 作0度沖擊韌性試驗 Q235D 作-20度沖擊韌性試驗 我國國家標(biāo)準(zhǔn)低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼也是參照ISO的標(biāo)準(zhǔn)制定的

27、，其牌號表示方法與上述碳素結(jié)構(gòu)鋼的相同，只是質(zhì)量等級分為AE共5級。由于低合金鋼一般都是鎮(zhèn)靜鋼，因而其牌號后面無脫氧方法的符號。 對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中推薦采用的三個牌號（Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼）的沖擊韌性要求對A級都不做沖擊韌性試驗 對其B、C和D級鋼規(guī)定依次各做+20度、0度和-20度時的沖擊韌性試驗，其合格標(biāo)準(zhǔn)均為 對三個牌號的E級鋼都要求做-40度的沖擊韌性試驗，其合格標(biāo)準(zhǔn)為 JAkv34JAkv27鋼材的選用需注意以下幾點 所有的承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。 焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)的鋼

28、材尚應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證。 對需驗算疲勞的結(jié)構(gòu)，不論其為焊接或非焊接，其鋼材都應(yīng)具有常溫的沖擊韌性的合格保證。 吊車起重量等于或大于50噸的中級工作制吊車梁，對鋼材沖擊韌性的要求應(yīng)與需要驗算疲勞的構(gòu)件相同。 正確選用鋼材，是保證結(jié)構(gòu)的安全使用和降低造價所必須做到的。鋼材質(zhì)量等級愈高，鋼材的價格也愈高。因此應(yīng)根據(jù)實際需要來選用合適的鋼材質(zhì)量等級。一般情況下，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力狀態(tài)、連接方法、板件厚度和工作環(huán)境等因素綜合考慮，選用合適的鋼材牌號和材性要求。 v型鋼及鋼板 鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材通常由鋼廠以熱軋鋼板和熱軋型鋼供應(yīng)，由鋼結(jié)構(gòu)制造廠按設(shè)計圖紙制成結(jié)構(gòu)或擴大件，然后運

29、到工地現(xiàn)場拼裝和吊裝。熱軋鋼板 鋼結(jié)構(gòu)中常用的熱軋厚板，厚度由4.5到60毫米。 鋼板的符號是“-厚度寬度長度”，也有把寬度放在厚度前面的表示方法。 熱軋型鋼 我國生產(chǎn)的熱軋型鋼有等邊角鋼、不等邊角鋼、普通槽鋼、普通工字鋼、H型鋼和部分T型鋼。 角鋼的符號：邊長厚度（等邊角鋼） 長邊短邊厚度 槽鋼的符號：型號 普通工字鋼的符號：I型號 H熱軋型鋼的符號：“H高度寬度腹板厚度翼緣厚度”。 T型鋼的符號：標(biāo)注方法與H熱軋型鋼相同。 鋼管的符號：外徑厚度 冷彎薄壁型鋼 冷彎薄壁型鋼是由鋼板經(jīng)冷加工而成的型材，采用冷彎型鋼機成型、壓力機上模壓成型或在彎曲機上彎曲成型。截面較多，有角鋼、槽鋼、Z型鋼、帽

30、型鋼、鋼管等，其中前三種可帶卷邊或不帶卷邊。 我國目前常用的冷彎薄壁型鋼厚度在26毫米之間。 由于薄壁型鋼有其特殊性，如型材厚度較薄，受壓時易失去局部穩(wěn)定而需按有效截面計算，且整個構(gòu)件易扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)等，因此有關(guān)冷彎薄壁型鋼的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計需按專門的設(shè)計規(guī)范執(zhí)行。冷彎薄壁型鋼目前在我國的輕型建筑鋼結(jié)構(gòu)中常有應(yīng)用。 第第3 3章章 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法 v結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的: :在經(jīng)濟合理的前提下使所設(shè)計的結(jié)構(gòu)滿足各種預(yù)定的功能，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的。 建筑結(jié)構(gòu)的功能有下列三項 (也總稱為可靠性 )結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受在正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種作用（作用是指各種荷載和如基礎(chǔ)沉降、

31、溫度變化及地震等對結(jié)構(gòu)的外加變形；以后將這些作用稱為荷載）；在偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，結(jié)構(gòu)仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。(安全性 ) 在正常使用荷載情況下，結(jié)構(gòu)具有良好的工作性能，滿足正常的使用要求，如不發(fā)生影響正常使用的過大變形等。(適用性 ) 在正常維護下，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的耐久性，如不發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕而影響結(jié)構(gòu)的使用壽命等。(耐久性 ) 經(jīng)濟合理是指所設(shè)計的結(jié)構(gòu)具有用料省、重量輕、易于制造、運輸和安裝，建造工期短，造價低和便于今后的維修與保養(yǎng)等。 可靠性與經(jīng)濟合理有時會出現(xiàn)矛盾，此時應(yīng)在綜合考慮各個情況下力求使兩個矛盾得到統(tǒng)一，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)分結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)物的具體設(shè)計兩步進行。 結(jié)構(gòu)的方

32、案設(shè)計主要包括結(jié)構(gòu)選型和材料選用，應(yīng)進行各種方案的比較后確定。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計在方案確定后進行，包括結(jié)構(gòu)布置、截面和連接設(shè)計等，最后畫出施工圖。 本章所指鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是指具體結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法。v容許應(yīng)力設(shè)計法容許應(yīng)力設(shè)計法 影響完成結(jié)構(gòu)功能的兩個基本因素是荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)的抗力。結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)使可能產(chǎn)生的荷載效應(yīng)小于或等于結(jié)構(gòu)能提供的抗力。 v概率設(shè)計法概率設(shè)計法一次二階矩法一次二階矩法 由于荷載效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力R的不確定性，兩者間的關(guān)系將出現(xiàn)三種可能，及SR，S=R，SR時，表明結(jié)構(gòu)存在破壞即失效的風(fēng)險。概率設(shè)計法主要是要使所設(shè)計的結(jié)構(gòu)SR的概率或出現(xiàn)破壞風(fēng)險的概率為很小，小到人們可以接受的程度的一

33、種設(shè)計方法。結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z=R-S 結(jié)構(gòu)不能完成某預(yù)定功能的概率稱為失效概率， 結(jié)構(gòu)能完成某預(yù)定功能的概率稱為可靠概率， 如99.93%。 0SRPpf0SRPpsv我國建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中目前采用的方法我國建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中目前采用的方法 1984年我國批準(zhǔn)和頒發(fā)了國家標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GBJ68-84，作為我國制定和修訂有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范必須共同遵守的準(zhǔn)則。2001年對上述統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進行修訂并更名為建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB50068-2001。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GBJ17-88及其修訂本GB50017-2003分別以上述統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)則，規(guī)范中規(guī)定除疲勞計算外，采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限

34、狀態(tài)設(shè)計方法，用分項系數(shù)設(shè)計表達式進行計算。 結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)具有足夠的可靠度。所謂設(shè)計使用年限是指結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進行大修即可按其預(yù)定目的使用的設(shè)計規(guī)定時間。5、25、50、100年四種。 可靠度是指在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計、正常施工、正常使用和正常維護），完成預(yù)定功能的概率。結(jié)構(gòu)可靠度是衡量結(jié)構(gòu)可靠性的一個概率指標(biāo)，即可靠概率。當(dāng)超過結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限而不大修，則其可靠度將有所降低。 我國設(shè)計規(guī)范中規(guī)定采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法，就是要保證結(jié)構(gòu)具有必要的可靠度，以一定的概率保證不使所設(shè)計的結(jié)構(gòu)超過極限狀態(tài)。 承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)考慮兩種極限狀態(tài) 承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或達到不適于繼續(xù)承載的變形時的極限狀態(tài)。它包括構(gòu)件或連接的強度破壞、疲勞破壞和因過度變形而不適合于繼續(xù)承載，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件喪失穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系和結(jié)構(gòu)傾覆等。 正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用的某項規(guī)定的限值時的極限狀態(tài)。如撓度限值和振動限制等