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第六章钢结构基础知识6.1钢结构的材料6.2钢结构的连接6.3轻钢屋盖钢结构是由钢板、型钢等钢材通过有效连接方式所形成的结构，广泛应用于工业建筑及高层建筑结构中。钢结构的优点是强度高、结构自重轻、材质均匀，可靠性好、施工简单、工期短、具有良好的抗震性能。缺点是易腐蚀、耐火性差、工程造价和维护费用高。6.1钢结构的材料一、钢材的钢种和钢号（一）结构用钢的种类1、按冶炼时脱氧程度分类（1）沸腾钢（2）镇静钢（3）半镇静钢（4）特殊镇静钢2、按化学成分分类（1）碳素钢①低碳钢②中碳钢③高碳钢（2）合金钢①低合金钢②中合金钢③高合金钢3、按有害杂质含量分类（1）普通钢（2）优质钢（3）高级优质钢（4）特级优质钢4、按用途分类（1）结构钢（2）工具钢（3）特殊钢二、结构用钢的牌号1、碳素结构钢（1）碳素结构钢表示方法：Q＋数字＋质量等级符号＋脱氧方法符号，字母Q表示钢材的屈服点，其后的数字表示屈服点的数值。（2）优质碳素结构钢用钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，如平均碳含量为0.45％的钢，钢号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45号钢。（3）碳素工具钢钢号冠以“T”，后面的数字表示碳含量，如“T8”表示平均碳含量为0.8％。2、低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢按脱氧方法分为镇静钢和特殊镇静钢，但在牌号中没有表示脱氧方法的符号。按国家标准《低合金高强度结构钢》GB/T159-2008生产的钢材共有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690等8种牌号。（1）通用低合金高强度结构钢的牌号（2）专用低合金高强度结构钢的牌号二、钢材的品种及规格钢结构所用钢材主要为热轧成型的钢板和型钢，以及冷加工成型的冷轧薄钢板和冷弯薄壁型钢等。（一）钢板钢结构施工图中，钢板的表示方法为在符号“－”后加“宽度×厚度”，如：－200×20等。（二）热轧型钢角钢分为不等边和等边两种，不等边角钢的表示方法是在符号“L”后加“长边宽×短边宽×厚度”，如L125×80×8，等边角钢是在符号“L”后加“边长×厚度”，如L125×8。普通工字钢的型号用符号“I”后加截面高度的厘米数和腹板厚度等级“a、b、c”来表示，如I20a表示高度为200mm，腹板厚度为a类的工字钢。H型钢和T型钢的型号分别为代号后加“高度H×宽度B×腹板厚度t1×翼缘厚度t2”。槽钢的型号用符号“［”后加截面高度的厘米数来表示，如［32a表示截面高度320mm的槽钢。钢管分为无缝钢管和焊接钢管两种，型号用代号“D”后加“直径×壁厚”表示，如D180×8等。6.2钢结构的连接铆钉连接螺栓连接焊接连接一、钢结构的连接方法钢结构的连接方法有焊接连接、螺栓连接和铆钉连接三种。铆钉连接铆钉连接是将一端带有预制钉头的铆钉，经加热后插入连接构件的钉孔中，用铆钉枪或压铆机将另一端压成封闭钉头而成。优点：传力可靠，塑性、韧性均较好，质量易于检查和保证，可用于重型和直接承受动力荷载的结构。缺点：铆接工艺复杂、费工费料，且劳动强度高，已基本被焊接和高强度螺栓连接所取代。二、焊接连接（一）焊接连接的特点通过电弧产生的热量使焊条和焊件局部熔化，经冷却凝结成焊缝，从而将焊件连接成为一体。优点：构造简单，节约钢材，操作方便，不削弱截面，易于采用自动化作业等。缺点：焊缝附近因焊接高温作用形成的热影响区的材质变脆，对裂纹敏感，在加热和冷却过程中产生的残余应力和残余变形，对结构有不利影响。焊接方法钢结构中常用的焊接方法是电弧焊，包括手工电弧焊、自动或半自动电弧焊以及气体保护焊等。手工电弧焊是钢结构中最常用的焊接方法，其设备简单，操作灵活方便。但劳动条件差，生产效率比自动或半自动焊低，焊缝质量的变异性大，在一定程度上取决于焊工的技术水平。手工电弧焊常用的焊条有碳钢焊条和低合金钢焊条，牌号有E43型、E50型和E55型。其中E表示焊条，后两位数字表示焊条熔敷金属的最低抗拉强度。自动焊的焊缝质量稳定，焊缝内部缺陷较少，塑性及冲击韧性较好，适合于焊接较长的直线焊缝。半自动焊因人工操作，适用于焊曲线或任意形状的焊缝。自动和半自动焊应采用与主体金属相适应的焊丝和焊剂，焊丝应符合国家标准的规定，焊剂应根据焊接工艺要求确定。（二）焊缝连接形式及焊缝形式1、焊缝连接形式焊缝连接根据被连接构件的相对位置可分为平接、搭接、T形连接和角接四种形式。对接连接用拼接盖板的对接连接搭接连接T形连接T形连接角部连接角部连接2、焊缝形式对接焊缝按所受力的方向分为正对接焊缝、斜对接焊缝和角焊缝。其中角焊缝又可分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝。正对接焊缝斜对接焊缝角焊缝焊缝根据焊工的施焊位置分为俯焊（平焊）、立焊、横焊和仰焊四种。平焊的施焊方便，质量容易保证，效率高；立焊和横焊对焊工的操作水平要求较高，生产效率和焊接质量比俯焊差；仰焊的操作条件最差，焊缝质量不易保证，应尽量避免采用。俯焊横焊立焊仰焊角焊缝的形式角焊缝按其长度方向与外力作用方向的不同，可分为平行于外力作用方向的侧面角焊缝；垂直于外力作用方向的正面角焊缝；斜交于外力作用方向的斜向角焊缝。角焊缝按截面形式的不同分为普通式、平坡式和深熔式，截面中的直角边长度hf称为焊脚尺寸，he称为焊缝的有效厚度。普通式平坡式深熔式（三）焊缝代号焊缝的表示方法（四）焊缝连接构造要求1、对接焊缝的构造要求对接焊缝在施焊前常需将被连接件加工成坡口，故又称坡口焊缝。坡口的形式和尺寸应根据焊件厚度和施焊条件来确定，以确保焊条运转的必要空间以及焊缝内部有足够的熔透深度。坡口基本形式可分为I形、单边V形、V形、X形、U形和K形等。直边缝单边V形坡口V形坡口U形坡口K形坡口X形坡口当对接焊缝拼接处的焊件宽度不同或厚度相差4mm以上时，为了减小应力集中的不利影响，应将较宽或较厚的板件加工成坡度不大于1:2.5的斜坡。≤1:2.5≤1:2.5≤1:2.5（a）改变宽度（b）改变厚度钢板拼接4）侧面角焊缝的最大计算长度侧面角焊缝沿长度方向的剪应力分布很不均匀，两端大中间小，且差值随焊缝长度与其焊脚尺寸比值的增大而增大。因此，规定侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf。当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。若内力沿侧面角焊缝全长分布时，其计算长度不受此限制。5）搭接长度在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，并不得小于25mm。6）转角处连续施焊当角焊缝的端部在构件转角处做长度为2hf的绕角焊时，以及所有围焊缝的转角处必须连续施焊，不能断弧。三、螺栓连接螺栓连接是通过螺栓把连接件连接成为一体，分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接。优点：施工工艺简单、安装方便，便于拆卸。缺点：对制造的精度要求较高，螺栓孔使构件截面削弱，被连接件需相互搭接或增设辅助连接板等，构造较复杂且增加用钢量。（一）普通螺栓1、螺栓的基本知识普通螺栓按加工精度，分为A、B、C三级。螺栓的代号用字母M和公称直径的毫米数表示，如M16、M18等。A、B级螺栓（精制螺栓）A、B级螺栓加工精度高，与孔壁接触紧密，其连接变形小，受力性能好，可用于承受较大剪力和拉力的连接。但因制造和安装费用较高，在钢结构中已很少采用。C级螺栓（粗制螺栓）加工粗糙，尺寸不够准确，只要求Ⅱ类孔（螺栓孔在单个零件上一次冲成或不用钻模钻成。一般孔径比螺栓杆径大1~2mm）。2、普通螺栓连接（1）承受剪力的螺栓连接（a）单剪（b）双剪abcde受剪螺栓可能出现五种破坏形式a、栓杆直径较小、钢板较厚时，可能发生栓杆受剪破坏。b、栓杆直径较大、钢板较薄时，可能发生孔壁挤压破坏。c、构件截面被螺栓孔削弱过多时，可能发生净截面受拉破坏。d、螺栓孔的端距过小时，可能发生构件冲剪破坏。e、当栓杆过于细长时，可能发生栓杆弯曲变形破坏。（2）承受拉力的螺栓连接受拉螺栓连接是指在外力作用下，被连接件的接触面有被拉开的趋势，从而使螺栓沿杆轴方向受拉。受拉螺栓的破坏通常是栓杆在螺纹削弱的截面处被拉断。（3）同时承受剪力和拉力的螺栓连接对重要连接一般在牛腿下设置支托，以承受剪力。对次要连接，若牛腿下不设支托，则连接螺栓同时承受剪力和沿杆轴方向拉力的作用。并列式错列式3、螺栓的排列螺栓的排列原则：简单、统一而紧凑、能满足受力要求、构造合理、便于安装。螺栓的基本排列形式有并列式和错列式两种，并列式较简单，错列式较紧凑。（1）受力要求从受力的角度考虑，螺栓的间距及螺栓至构件边缘的距离不宜过大或过小。（2）构造要求螺栓间距过大时，连接件表面不易紧密接触，潮气容易侵入缝隙引起钢板锈蚀。（3）施工要求螺栓间距过小时，不利于转动扳手，拧紧螺母。根据以上要求，《钢结构设计规范》规定了螺栓排列的最大、最小容许距离，排列螺栓时宜按最小容许距离取用，且宜取5mm的倍数，并按等距离布置，以缩小连接件的尺寸。螺栓的排列要求（二）高强度螺栓安装高强度螺栓时，通过使用特制的扳手拧紧螺帽，对连接件施加预定的压力，可使连接件的接触面产生较大的摩擦力。高强度螺栓连接按其受力状态分为摩擦型和承压型两种。摩擦型连接在承受剪力作用时，剪力超过板件之间可能产生的最大摩擦阻力，板件间发生相对滑移时，即认为连接已失效而破坏。承压型连接在承受剪力作用时，允许板件间摩擦力被克服并发生相对滑移，此后外力继续增加，以发生螺杆剪切破坏或孔壁挤压破坏为其极限状态。普通螺栓连接与高强度螺栓连接的比较普通螺栓连接中拧紧螺母对连接件产生的预压力很小，完全依靠螺杆承压和抗剪来传递剪力。高强度螺栓连接主要依靠拧紧螺母后，对连接件产生的预压力夹紧构件，由接触面产生的摩擦力来传递剪力。（三）螺栓图例补充钢结构构件一、轴心受力构件轴心受力构件是指承受通过截面形心的轴向作用力的构件，分为轴心受拉构件和轴心受压构件。广泛应用于柱、桁架、网架、塔架和支撑等结构中。1、轴心受拉构件强度要求：按承载力极限状态的要求，轴心受拉构件净截面的平均应力不应超过钢材的屈服强度；刚度要求：按正常使用极限状态的要求，构件应具有必要的刚度，否则在制造、运输和安装过程中容易弯扭变形，在自重的作用下会产生较大挠度，在承受动力荷载时会引起较大的振动等。轴心受拉构件的刚度是以它的长细比来控制的。2、轴心受压构件一般情况下，轴心受压构件的承载能力是由稳定性条件决定的。在设计时除满足强度和刚度的要求外，还应满足整体稳定性和局部稳定性的要求。二、受弯构件（一）受弯构件（梁）的类型承受横向荷载的实腹式受弯构件通常称为梁。如工业建筑中的楼盖梁、工作平台梁、吊车梁、檩条等。钢梁按截面的形式分为型钢梁和组合梁两大类。型钢梁的截面形式组合梁的截面形式（二）受弯构件（梁）的稳定性1、梁的整体稳定在工程结构中，由于荷载不可能准确作用于梁的垂直对称轴平面，当荷载增大到某一数值后，梁在向下弯曲的同时，会发生侧向弯曲和扭转变形破坏，这种现象称为梁的整体失稳。在设计钢梁时不仅要满足强度和刚度要求，还应保证梁的整体稳定性。2、梁的局部稳定组合梁一般由翼缘和腹板等板件组成，如果将这些板件不适当地减薄加宽，板中压应力或剪应力达到某一数值后，受压翼缘或腹板有可能偏离其平面位置出现波形鼓曲，这种现象称为失去局部稳定或局部失稳。6.3钢屋盖钢屋盖结构主要由屋面、屋架和支撑三部分组成，有的还设有托架和天窗架等构件。根据屋面材料和屋面结构布置情况可分为无檩屋盖结构体系和有檩屋盖结构体系。有檩屋盖结构体系在屋架上设置檩条，檩条上铺设压型钢板、石棉瓦、钢丝网水泥槽形板等轻型屋面材料，屋面荷载通过檩条传给屋架。有檩体系可供选用的材料种类较多，屋架间距和屋面布置较灵活，自重轻，用料省，运输和安装较轻便。但构件的种类和数量多，构造较复杂，安装效率低。无檩屋盖结构体系仅采用钢屋架和大型屋面板为承重构件，构件的种类和数量少，构造简单，安装方便，施工速度快，并且屋面刚度大，整体性好。但屋盖自重大，使屋架杆件及下部结构的截面增大。一、钢屋架普通钢屋架通常由两个角钢组成的T形或十字形截面的杆件，在交汇处用焊缝连接于节点板而成。钢屋架的大部分杆件属于轴心受力杆件。钢屋架受力分析的基本假定：①节点处所有杆件的轴线相交于一点；②荷载作用于节点；③所