第六章 鋼結構

1、第六章 鋼結構緒論(xln)第一節(jié) 鋼結構的材料和選用原則 第二節(jié) 鋼結構的連接 第三節(jié) 鋼構件的穩(wěn)定問題 第四節(jié) 受彎構件 第五節(jié) 受壓構件 共八十二頁緒論(xln)鋼結構的特點強度高、重量輕;材質均勻、可靠性高;塑性、韌性好;工業(yè)化程度高;安裝方便、施工期短;密閉性好;耐熱但不耐火;耐腐蝕性差;抗震及抗動力荷載性能好;鋼結構在低溫條件下容易(rngy)發(fā)生脆性斷裂。共八十二頁緒論(xln) 2.鋼結構的結構形式(xngsh)（1）剛架和框架 共八十二頁緒論(xln)(2)桁架 空間(kngjin)桁架平面桁架 拉、壓桿件 ？哪些桿件受拉（或受壓） ？若改用混凝土材料， 如何應布置共八十二頁

2、緒論(xln)(3) 索共八十二頁緒論(xln)（4）拱共八十二頁緒論(xln)（5）殼體共八十二頁第一節(jié) 鋼結構的材料和選用(xunyng)原則 鋼結構材料(cilio)包括鋼材和連接材料(cilio)1. 鋼材 共八十二頁第一節(jié) 鋼結構的材料和選用(xunyng)原則1.1 鋼材的分類（1）按冶煉方式分：平爐鋼堿性平爐煉鋼法、頂吹氧氣轉爐煉鋼法、堿性(jin xn)側吹轉爐煉鋼法。（2）按煉鋼脫氧程度分：沸騰鋼F、半鎮(zhèn)靜鋼b、鎮(zhèn)靜鋼Z及特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ （3）按鋼的牌號和化學成分分：A、B、C、D四級，四個等級與鋼化學成分、力學性能及沖擊試驗性能有關。 共八十二頁第一節(jié) 鋼結構的材料(cil

3、io)和選用原則 普通碳素鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值、質量等級符號、脫氧方法等四個部分(b fen)組成。 例如：Q235-BF符號含義如下： Q鋼材屈服強度； 235屈服點（不小于）235N/mm2； A、B、C、D質量等級，從次到優(yōu)排列； F、b、Z、TZ沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼，牌號表示中“Z”和“TZ”符號可忽略。 ？鋼筋HRB335 共八十二頁第一節(jié) 鋼結構的材料和選用(xunyng)原則1.2 鋼材的破壞(phui)形式 塑性破壞破壞前有明顯的變形，破壞歷時時間長，斷口發(fā)暗，可以采取補救措施。 脆性破壞破壞前沒有明顯的變形和征兆，破壞時產生的變形遠比材料應有

4、的變形能力小，破壞發(fā)生突然，斷口平齊、發(fā)亮，無機會補救。 原則：盡量發(fā)揮材料的塑性，避免脆性破壞。 1.3 鋼材的機械性能 （1）屈服強度fy：是彈性極限對應的應力值，為設計時鋼材允許達到的最大應力。 （2）抗拉強度fu：鋼材破壞前承受的最大應力。 （3）伸長率：是衡量鋼材塑性性能的指標。 共八十二頁第一節(jié) 鋼結構的材料(cilio)和選用原則 （4）冷彎性能：衡量鋼材塑性性能的指標之一。是指鋼材在冷加工產生塑性變形時，對產生裂縫的抵抗能力。 （5）沖擊韌性：是鋼材在塑性變形和斷裂的過程中吸收能量的能力，也是表示鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它是強度與塑性的綜合表現(xiàn)。 （6）可焊性：是指在一定工藝和

5、結構條件下，鋼材經過焊接能夠獲得良好的焊接接頭(ji tu)的性能。 （7）耐久性需要考慮的有：耐腐蝕性、“時效”現(xiàn)象、疲勞現(xiàn)象等。 時效：隨著時間的增長，鋼材的力學性能有所改變。 疲勞：反復荷載作用下，鋼材低于屈服點fy發(fā)生的破壞。 共八十二頁第一節(jié) 鋼結構的材料(cilio)和選用原則1.4 鋼材的選用 選用鋼材的原則: 既能使結構安全可靠地滿足使用上的要求，防止脆斷，又要盡最大可能(knng)節(jié)約材，降低造價。 選用鋼材時需要考慮的結構特點是： 1）結構的類型及重要性 2）荷載的性質 3）結構形式 4）連接方法 5）結構的工作溫度 6）構件的受力性質 共八十二頁第一節(jié) 鋼結構的材料和選用

6、(xunyng)原則2. 連接材料：焊接和螺栓連接2.1 焊接(weldedconnection)選用原則：焊條應與焊件鋼材（或稱主體金屬）相適應。（1）對Q235鋼采用E43型焊條（E4300E4328）；（2）對Q345鋼采用E50型焊條（E5000E5048）；（3）對390鋼和Q420鋼采用E55型焊條（E5500E5518）。 焊條型號中字母(zm)E表示焊條。 電弧焊是利用電弧熱融化焊件及焊條形成焊縫。 常用的電弧焊方法有：手工焊、自動焊和半自動焊。手工焊靈活，易于操作，但質量低于自動焊。共八十二頁第一節(jié) 鋼結構的材料(cilio)和選用原則2.2 螺栓連接(linji) 螺栓連接

7、分普通螺栓連接和高強度螺栓連接（1）普通螺栓連接 普通螺栓分為A、B、C三級。A級與B級為精制螺栓。C級為粗制螺栓。 A級與B級抗拉強度不低于800N/mm2，屈強比為0.8，故性能等級分為8.8級。 C級的抗拉強度不低于400N/mm2，屈強比為0.6和0.8，故性能等級分為4.6級和4.8級。共八十二頁第一節(jié) 鋼結構的材料和選用(xunyng)原則（2）高強度螺栓連接 高強螺栓一般采用45號鋼、40B和20MnTiB鋼加工支座，經熱處理后抗拉強度不低于800和1000 N/mm2，其對應的屈強比分別為0.8和0.9而成。故性能等級分為8.8級和10.9級。 高強螺栓通過擰緊鏍帽，使螺桿受到

8、拉伸作用，產生預拉力(ll)P，而被連接板件則產生壓緊力。3. 鋼材、焊縫及螺栓的強度設計值見書P207210，表6-1、6-2、6-3共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji) 鋼結構的連接方法(fngf)焊縫連接、螺栓連接、鉚釘連接共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)2. 焊縫連接2.1 焊縫連接方法和主要(zhyo)形式焊接方法焊 條焊 劑操作方式適應范圍質量狀況電 弧 焊手工焊短焊條(350400mm)附于焊條之藥皮全手動工位復雜，形狀復雜之焊縫比自動焊略差自動焊連續(xù)焊絲焊劑全自動長而簡單焊縫質量均勻、塑性、韌性好，抗腐蝕性強半自動焊連續(xù)焊絲CO2氣體保護人工操作任意焊縫質量

9、均勻、塑性、韌性好，抗腐蝕性強電 阻 焊無無通電、加壓、機械薄板點焊一般用作構造焊縫氣 焊短、光焊條無（乙炔 還原）手工薄板、小型、不同材質結構中一般用作構造焊縫共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)（2）焊縫(hn fn)連接形式 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)2.2 角焊縫的計算（1）角焊縫的形式： 直角(zhjio)角焊縫： （a）普通焊縫； （b）平坡焊縫； （c）深熔焊縫 一般采用（a），在承受動力荷載時采用（b）、（c）。 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)斜角角焊縫(hn fn)：（d）斜銳角焊縫；（e）斜鈍角焊縫；（f）斜凹面角焊縫 主要用于鋼管連

10、接中 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)（2）角焊縫的計算(j sun) 1）端縫、側縫在軸向力作用下的計算 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)端縫 ：式中：f垂直于焊縫長度方向的應力； he角焊縫有效(yuxio)厚度； lw角焊縫計算長度，每條角焊縫取實際長度減2hf； 角焊縫強度設計值，查表得； f系數(shù)，對承受靜力荷載和間接承受動力荷載的結構，f =1.22，直接承受動力荷載f =1.0。 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)側縫 ： 式中：f沿焊縫長度(chngd)方向的剪應力。 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)2）角鋼桿件與節(jié)點(ji din)

11、板連接，承受軸向力N 3）彎矩、剪力、軸力共同作用下的頂接連接角焊縫 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)4）牛腿在彎矩、剪力共同作用(zuyng)下的角焊縫連接計算 5）扭矩、剪力、軸力共同作用下的搭接連接角焊縫 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)（3）角焊縫的構造要求 1）最大焊腳尺寸 為了避免(bmin)燒穿較薄的焊件，減少焊接應力和焊接變形，角焊縫的焊腳尺寸不宜太大。2）最小焊腳尺寸 焊腳尺寸不宜太小，以保證焊縫的最小承載能力，并防止焊縫因冷卻過快而產生裂縫。共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)3）側面角焊縫的最大計算長度 因為側焊縫應力沿長度分布不均勻，兩端

12、較中間大，且焊縫越長差別越大。4）角焊縫的最小計算長度 焊腳尺寸大而長度較小時(xiosh)，焊件的局部加熱嚴重，焊縫起滅弧所引起的缺陷相距太近，以及焊縫中可能產生的其他缺陷，使焊縫不夠可靠。對搭接連接的側面角焊縫而言，如果焊縫長度過小，由于力線彎折大，也會造成嚴重應力集中。共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)2.3 對接(du ji)焊縫的計算1）對接焊縫的形式a直邊縫：板厚t 10mm b單邊V形：t 1020mm c雙邊V形：t 1020mm dX形：t 20mm eU形：t 20mm fK形：t 20mm共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)2）對接焊縫的計算 焊縫中最大

13、應力不能超過焊縫的強度(qingd)設計值。 a軸心受力的對接焊縫 式中：t平接時為焊件的較小厚度，頂接時取腹板厚; 對接焊縫的抗拉、抗壓強度設計值，查表得。 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)b斜向受力的對接(du ji)焊縫c鋼梁的對接焊縫d牛腿與翼緣的對接焊縫共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)3）對接焊縫的構造 a起落弧處易有焊接缺陷，所以用引弧板。但采用引弧板施工復雜，除承受動力荷載外，一般不用，計算時將焊縫長度(chngd)兩端各減去5mm。 b變厚度板對接，在板的一面或兩面切成坡度不大于1:4的斜面，避免應力集中。共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji) c

14、變寬度板對接，在板的一側或兩側(lin c)切成坡度不大于1:4的斜邊，避免應力集中。共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)2.4 焊接應力和變形（1）焊接應力 產生原因(yunyn)：焊接過程是一個不均勻的加熱和冷卻過程，不均勻的溫度場將產生不均勻的變形（膨脹或收縮）和應力。 焊接應力是一種無荷載作用下的內應力，在焊件內部會自相平衡。 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)（2）焊接變形 包括：縱橫(znghng)向收縮、彎曲變形、角變形、波浪變形和扭曲變形 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)焊接應力和變形對結構性能的不利(bl)影響： 1）降低結構剛度； 2）增加鋼材

15、的低溫冷脆傾向； 3）降低鋼材的疲勞強度。 但對結構靜力強度的影響不大。 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)（3）減少(jinsho)焊接應力和變形的措施設計措施： 1）安排合理的焊縫位置； 2）焊縫尺寸適當，不得隨意加大； 3）盡量減少焊縫過分集中； 4）應盡量避免兩條或三條焊縫垂直相交。 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)工藝上措施： 1）采取合理的施焊次序 2）采用反變形； 3）對于(duy)小尺寸構件，采用于預加熱。 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)3. 螺栓(lushun)連接3.1 普通螺栓連接類別加工精度

16、抗剪性能成本使用范圍精制(A、B)級高，栓徑與孔徑之差為0.50.8mm，I類孔高高1）構件精度很高的結構，機械結構；2）連接點僅用一個螺栓或有模具套鉆的多個螺栓連接的可調節(jié)桿件（柔性桿）粗制(C級)較低，栓徑與孔徑之差為11.5mm較低低1）抗拉連接；2）靜力荷載下抗剪連接；3）加防松措施后受風振作用抗剪；4）可拆卸連接；5）安裝螺栓；6）與抗剪支托配合抗拉剪聯(lián)合作用共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)（2）普通(ptng)螺栓的排列和構造要求 1）受力要求 a）端距限制防止孔端鋼板剪斷，2d0； b）螺孔中距限制：下限：防止孔間板破裂，3d0； 上限：防止板間翹屈。 2）構造要求：

17、防止板翹曲后浸入潮氣而腐蝕，限制螺孔中矩最大值； 3）施工要求：為便于擰緊螺栓，留適當間距（不同的工具有不同要求）。 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)（3）普通螺栓排列方式（4）普通螺栓的工作性能 按受力性能分為：剪力螺栓和拉力螺栓。 剪力螺栓靠孔壁承壓、螺桿(lu n)抗剪傳力， 拉力螺栓靠螺栓受拉，有時普通螺栓同時受剪、受拉。 共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)（5）普通螺栓破壞形式(xngsh) 1）剪力螺栓 a）螺栓剪斷 b）鋼板孔壁擠壓破壞 c）鋼板由于螺孔削弱而凈截面拉斷 d）鋼板因螺孔端距或螺孔中距太小而剪壞 e）

18、螺桿太長而產生彎、剪破壞。2）拉力螺栓 ：一般表現(xiàn)為拉斷。（6）普通螺栓的計算：略 計算保證構造保證共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)共八十二頁第二節(jié) 鋼結構的連接(linji)3.2 高強螺栓 高強度螺栓安裝時將螺帽擰緊，使螺桿產生(chnshng)預拉力而壓緊構件接觸面，靠接觸面的摩擦來阻止連接板相互滑移，以達到傳遞外力的目的。 按傳力機理分摩擦型高強螺栓和承壓型高強螺栓。 摩擦型高強螺栓靠摩擦力傳遞荷載。 承壓型高強螺栓傳力是保證在正常使用情況下，剪力不超過摩擦力，與摩擦型高強螺栓相同。當荷載再增大時，連接板間將發(fā)生相對滑移，連接靠螺桿抗剪和孔壁承壓來傳力。 共八十二頁第二節(jié)

19、鋼結構的連接(linji)對比： 摩擦型高強螺栓的連接較承壓型高強螺栓的變形小，承載力低，耐疲勞、抗動力荷載性能(xngnng)好，用于承受動力荷載結構中的連接。 而承壓型高強螺栓連接承載力高，但抗剪變形大，所以一般僅用于承受靜力荷載和間接承受動力荷載結構中的連接。 共八十二頁第三節(jié) 鋼構件(gujin)的穩(wěn)定問題 失穩(wěn)破壞是鋼結構中最為常見的一類破壞形態(tài)，鋼構件(gujin)發(fā)生失穩(wěn)破壞時，其材料強度遠遠沒有充分發(fā)揮出來，而且破壞過程帶有突然性，是典型的脆性破壞，設計中應予以避免。 兩類穩(wěn)定問題：分支點穩(wěn)定 極值點穩(wěn)定 共八十二頁第三節(jié) 鋼構件(gujin)的穩(wěn)定問題1.1 分支點穩(wěn)定(wn

20、dng) 如圖示桿件是理想的直線（沒有初曲率），荷載P是理想的中心受壓荷載（無偏心）。 破壞中出現(xiàn)分支現(xiàn)象。 共八十二頁第三節(jié) 鋼構件(gujin)的穩(wěn)定問題1.2 極值點穩(wěn)定 如圖示桿件存在初曲率(ql)或者荷載P為偏心荷載。 破壞中不出現(xiàn)分支現(xiàn)象。極值點失穩(wěn)是工程中最為常見的失穩(wěn)破壞。 共八十二頁第三節(jié) 鋼構件的穩(wěn)定(wndng)問題共八十二頁第三節(jié) 鋼構件的穩(wěn)定(wndng)問題2.1軸壓構件(gujin)失穩(wěn)破壞形態(tài) （1）彎曲屈曲：只發(fā)生彎曲變形，桿件的截面只繞一個主軸旋轉，桿的縱軸由直線變?yōu)榍€，這是雙軸對稱截面（如工字形截面）最常見的屈曲形式。 （2）扭轉屈曲：失穩(wěn)時桿件除支承端

21、外的各截面均繞縱軸扭轉，這是某些雙軸對稱截面（如十字形截面）壓桿可能發(fā)生的屈曲形式。 （3）彎扭屈曲：單軸對稱截面繞對稱軸屈曲時，桿件在發(fā)生彎曲變形同時必然伴隨著扭轉。T字形截面的彎扭屈曲情況。 共八十二頁第三節(jié) 鋼構件(gujin)的穩(wěn)定問題2.2 受彎構件(gujin)的失穩(wěn)破壞形態(tài)整體失穩(wěn)破壞、局部失穩(wěn)破壞 共八十二頁第三節(jié) 鋼構件(gujin)的穩(wěn)定問題共八十二頁共八十二頁第三節(jié) 鋼構件的穩(wěn)定(wndng)問題2.3 偏壓構件失穩(wěn)破壞形態(tài)(xngti)平面內整體失穩(wěn)破壞 （同受彎構件彎曲失穩(wěn)）局部失穩(wěn)破壞 （同軸壓、受彎構件）平面外整體失穩(wěn)破壞 （同受彎構件整體失穩(wěn)）共八十二頁第四節(jié)

22、受彎構件(gujin) 受彎構件廣泛應用于工業(yè)與民用建筑中，主要有鋼樓蓋梁，屋梁，吊車梁，公路橋，水工閘門，屋架，屋檀條等。其截面形式主要有兩大類： 實腹式受彎構件梁 格構式受彎構件桁架(hngji) 格構式構件：一般由兩個分肢或多個分肢用綴件（綴板或綴條）相連而成。共八十二頁共八十二頁1.實腹式受彎構件梁 1.1 兩大類型 型鋼梁：軋制 冷彎薄壁（用于檀條） 組合鋼梁：三鋼板通過焊接而成，截面比較靈活，材料(cilio)分布合理，省鋼。1.2 其它類型 （1）鋼和砼組合鋼梁；2）異種鋼組合梁 （3）蜂窩梁；（4） 楔形梁：門式鋼架 （5）預應力鋼梁； （6）雙向受彎梁第四節(jié) 受彎構件(guj

23、in)共八十二頁共八十二頁共八十二頁2. 格構式受彎構件桁架特點： 弦桿代替上、下翼緣，腹桿代替腹板。 彎矩作用時，表現(xiàn)為上弦受壓，下弦受拉。 剪力由各腹桿拉、壓力(yl)承擔。 較梁而言，經濟，能承受較大的荷載作用。 制造復雜，費工。 工程中屋架、托架、吊車桁架、橋梁桁架橋等許多領域。 第四節(jié) 受彎構件(gujin)共八十二頁3. 梁的設計3.1 極限承載力狀態(tài)設計（1）強度：彎曲正應力、剪應力、局部壓應力、折算應力。（2）整體穩(wěn)定：不發(fā)生側向彎曲和扭轉(nizhun)破壞。（3）局部穩(wěn)定：腹板和翼緣不出現(xiàn)波形屈曲。3.2 正常使用極限狀態(tài) 剛度： 計算撓度值第四節(jié) 受彎構件(gujin)共

24、八十二頁第四節(jié) 受彎構件(gujin)3.1梁的抗彎強度 兩個基本假定：理想彈塑性假定，平截面假定 梁的彎曲加載分成三個階段(jidun): 彈性、彈塑性、塑性工作階段 共八十二頁3.1梁的抗彎強度設計 ： 1） 既要考慮利用塑性發(fā)展以節(jié)省(jishng)材料； 2）避免塑性發(fā)展過大而過早失去局部穩(wěn)定。 因此：有限地利用塑性，取塑性發(fā)展深度a不宜大于0.15h（截面高度）。計算公式 ：第四節(jié) 受彎構件(gujin)共八十二頁第四節(jié) 受彎構件(gujin)3.2 梁的整體穩(wěn)定 為提高梁抗彎剛度，省材。鋼梁往往設計成高而窄。X方向(fngxing)抗彎剛度很強，而 Y向則很弱。 這將導致Mx增大到

25、某一值（Mxu ）時，鋼梁在向下彎曲的同時，將發(fā)生側向彎曲（y 向）和扭轉變形的破壞這一現(xiàn)象稱之為整體失穩(wěn)。 b繞強軸（x軸）彎曲整體穩(wěn)定系數(shù)；查表得。共八十二頁第四節(jié) 受彎構件(gujin)防止整體(zhngt)失穩(wěn)措施：設置側向支撐共八十二頁共八十二頁第四節(jié) 受彎構件(gujin) 4 梁的局部穩(wěn)定4.1 梁局部穩(wěn)定的概念(ginin) 組合梁由翼緣和腹板等板件組成。 若不適當?shù)丶訉挏p薄這些板件，板中壓應力或剪應力達到某一數(shù)值后，腹板或受壓翼緣有可能發(fā)生偏離其平衡位置，出現(xiàn)波形屈曲，這種現(xiàn)象稱之為局部失穩(wěn)。 梁翼緣：彎曲正應力、局部壓應力 腹 板：彎曲正應力、局壓應力及剪應力共八十二頁共八十二頁4.2 防止局部失穩(wěn)破壞(phui)的措施 （1）梁受壓翼緣板：限制寬厚比；（2）腹板：設置縱、橫向加勁肋來保證。 第四節(jié) 受彎構件(gujin)共八十二頁第四節(jié) 受彎構件(gujin)？：加勁(ji jn)肋的設置位置？為什么？共八十二頁第五節(jié) 受壓構件(gujin)受壓構件設計（1）強度驗算：（2）整體穩(wěn)定：不發(fā)生彎曲、扭轉和彎扭屈曲破壞 （3）局部穩(wěn)定驗算：限制板件寬厚(kunhu)比的辦法來局部穩(wěn)定； （4）剛度驗算：注：A、An的區(qū)別？共八十二頁第六節(jié) 拉彎和壓彎構件(gujin) 共八十二頁第六節(jié) 拉彎和壓彎構件(gujin)共八十二頁共八十二頁第六節(jié)