钢结构原理与设计-1

3钢结构设计原理——土木工程2010（2012.11讲稿）第一章绪论§1.1钢结构的特点一、钢结构的特点（一）.优点1．强度高，钢材的屈服强度容重比值高例：等矩形截面简支梁221188MqlAl22331381212AlyMylbhyIbhbh取max,2yhyf得243ylhf或234yflh说明：①l不变，yf↑所需的梁高h↓，经济性好②yf高的材料适用于大跨/高耸结构。2．弹性模量E大，刚度大，结构变形小206~210,30~36[30~60]scEMPaEMPaCC例：对于均布荷载q作用的结构，最大挠度：4qlfkEI说明：E↑f↓，E大的材料适用于大跨/高耸的结构。3．钢材均质，各向同性，为理想弹塑性材料——计算假定符合钢结构实际受力4.塑性与韧性好——塑性好，屈服台阶长，受力变形时吸收能量大，适用于动荷载结构和抗震结构5.可焊性好——易于制造复杂结构体系，如复杂节点、完全密封容器等6.适于标准化设计和工业化制造，安装速度快，施工不受季节与气候限制7．通过螺栓和节点构造，便于拆缷和拼装，易于修复和更换——适用于可修复结构、环保结构、临时结构（施工支架，施工挂篮等）8．环保材料——可完全拆除，回收，利用（二）缺点1.易腐蚀——需定期检查及涂漆，养护与维修费用高。2.耐火性差——t≥300°C时，强度急剧下降t＜250°C时，材料性能才相对稳定当温度作用可能＞150°C时，结构需采用防火措施。3.低温条件下，在复杂应力状态下易发生脆性破坏4.钢桥噪音大，不适于城区5.相对其它建筑材料，价格偏高二、钢结构适用范围1．在桥梁结构中（横向）①．跨度40Lm，一般不用。②．40250mLm，与混凝土桥方案比选后选用。例：a）1968年用国产16Mn低合金钢建成南京长江大桥：128316031603160mmmmb）1994年通车的九江长江大桥：180216180mmm（主跨系杆拱）③．跨度L800m的大跨悬索桥加劲梁，常采用钢桁梁、钢板④．钢—混结合梁中钢板梁或钢桁梁，钢管砼桁架桥等。⑤．拆装式军用桥，钢引桥，钢立交桥2．工业与民用建筑中（竖向）①．高层房屋钢结构②．重型工业厂房③．大型场馆，购物中心（如WallMark等）④．海洋平台，起重运输等⑤．高耸结构3．各种临时性结构如：万能杆件，钢塔架，钢拱架，挂篮，钢模板，膺架等。§1.2钢结构设计和设计规范自学§1.3钢结构课程内容和要求自学第二章钢结构的材料及性能§2.1.钢材的工作性能∆钢结构采用的钢材称为结构钢（structuralsteel）一、强度•以低碳钢标准试件在常温下静载单向拉伸试验来讨论工作阶段：OAABBCCDDE弹性阶段弹塑性阶段屈服阶段－强化阶段－颈缩阶段BC段：上屈服点下屈服点（鲍辛格效应）∆定义：AAA--AApf比例极限（点），上附近弹性极限（认为与相同）yf屈服点uDf强度极限，抗拉强度（对应最高点）sOAE=AsAEtg－段内的切线模量：说明：00A-uuuPfAPD名义应力，工程应力（-对应点拉应力，原始截面积）ubuuPfAA实际应力（考虑颈缩的实际截面积）ubff，uf工程应用中取•屈强比：yuff∆表明设计强度的一种储备,,yuyuffff强度储备，不够安全（易发生脆性破坏）强度储备，安全性大（塑性破坏）•钢结构设计中，常把yf定义为应力极限（或叫设计强度），作为承载能力极限状态的标志。∆以16mMnq钢为例：200,240,380~420pyufMPafMPafMPa二、塑性•钢结构破坏的两种形式：塑性破坏和脆性破坏•塑性破坏前：有显著的变形，有明显的屈服台阶•衡量塑性的两个指标：伸长率和断面收缩率ѱ1．伸长率100=100%LLL式中：0L——原标距1L——新标距•大，钢材破坏前产生的永久塑性变形和吸收能量的能力愈强，延伸性和塑性愈好。•大，对调整结构中局部超高应力、结构中塑性内力重分布的进行和减少结构脆性破坏的倾向性都有重要意义（一般25%）。2．断面收缩率ѱ010100%AAA式中：0A——原截面面积1A——断口截面面积•表示钢材颈缩区可能产生的最大塑性变形能力，是衡量在力作用下产生永久塑性变形而不致断裂的性质的一项重要指标。•↑，塑性性质愈好。三、韧性表征钢材因塑性破坏而断裂的过程中吸收能量的能力，表示钢材抵抗冲击荷载的能力。•塑性指标——由静载试验获得•韧性——由动载试验获得•实验方法：梅氏试件（我国）：开有U形槽口夏比试件（西方）：开有V形槽口∆旧规范采用梅氏试件，新规范采用夏比试件（P11）kvVAA式中：kvA——冲击功（击断标准试件需要的功）V——试件破坏所需要的功A——缺口处最小截面积kvA↑，韧性越好。四、可焊性•指某种钢材在合理的设计与一定的工艺的条件下，经过焊接后能获得良好的连接性能。1．焊接会引起：某些裂缝和局部区域内钢材变脆；残余应力；焊缝中可能还有气孔、根部未焊透等。2．可焊性试验：A）抗裂性试验：按规定条件将试件焊成后有多少裂缝立即出现。B）使用性能可焊性试验：是指焊接区域材料的塑性；要求焊接后其工作性能不低于母材。•方法：焊接模型一段时效和若干加载截取小试件冲击韧性试验五、冷弯性•在常温下冷加工结构的抗弯曲变形和抗分层能力•冷弯试验：钢试件弯成180，检查其内、外及侧面有无裂缝、裂断或剥落。•它是常规静力拉伸及冲击韧性试验的补充，可检验钢材内部缺陷（如：夹杂分布、结晶排列等），检查钢材的塑性和可焊性。§2.2钢材种类，牌号及规格一、钢材的种类1．按冶炼方法：电炉钢：质量最佳，贵，建筑中不用平炉钢：质量好，价低，转炉钢：顶吹氧气转炉钢结构钢酸性侧吹转炉钢质量相对差，碱性侧吹转炉钢在淘汰中2．按脱氧方法（钢锭浇注方法）•钢液中残留氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。•强脱氧剂：硅——镇定钢：质量最好，浇注时平静凝固，晶粒密实，均匀。半镇定钢弱脱氧剂：锰——沸腾钢：质量较差，脱氧不充分，产生“一氧化碳”溢出浇注时在沸腾状态下凝固3．按化学成份：普通碳素钢优质碳素钢普通低合金钢优质低合金钢铸钢锻钢∆钢结构只采用碳素结构钢和低合金钢的几种（1）碳素钢•据含碳量多少分为：低碳钢[C:0.25%]——多用于钢结构中碳钢[C:0.25%≤C0.60%]——机械零件或支座高碳钢[C:0.60%C1.60%]——切削工具、弹簧、轴承等。•C↑强度↑韧性、塑性↓•优质碳素钢：由普通碳素钢经过热处理（如调质处理）后得到，含S、P低，用于高强螺栓等。（2）低合金钢•在普通碳素钢中添加一种或几种合金元素得到•常用合金元素（alloyingelement）有：锰（Mn）、硅（Si）、铜（Cu）、硼（B）、铬（Cr）、镍（Ni）、钒（V）、铌（Nb）等。∆其合金元素总含量不超过3%。∆其含碳量≤0.2%∆桥梁上常用：16Mn、16Mnq、16MnVNq、16MnNbq、15MnV表示万分之几的含碳量•优质低合金钢普通合金钢经过调质处理而得，强度较高，塑性韧性不变。如：40B钢（用于高强螺栓）二、钢牌号•Q——质量等级符号·脱氧方法符号。厚度16mm时钢材的屈服点值。如：Q235-A·F（沸腾钢F，半沸腾钢b，镇定钢Z）•常用结构钢235Q：碳素钢（原规范3号钢）345Q（16Mn）390Q（15MnV）低合金钢420Q（15MnVN）•钢牌号的选用1）承重结构：抗拉强度、伸长率、屈服强度、磷含量指标等2）焊接结构：碳含量十冷弯性能3）需检算疲劳的结构：冲击韧性4）对抗腐蚀有特殊要求结构：耐候钢三、钢材规格•钢结构由钢厂以热轧钢材、热轧型钢供应。1．钢材规格符号（P25~P27）•钢板：abc•槽钢：Ab•角钢：abc•I字钢：IAb（长边×短边×厚度：等边角钢边长写一个）•H型钢：Ha×b×c×d（翼板内，外侧平行，I字钢内侧有坡度）•钢管：a×b（a——钢管外径，b——钢管壁厚）2．热轧钢板厚钢板：4~60mm（结构钢）薄钢板：0.35~4mm（主要用于制作冷弯薄壁型钢）扁钢板：4~50mm（桥梁中，板梁，箱梁板件，拼接板等）3．热轧型钢•等边L，不等边L，普通[，普通I，H型钢和部分T型钢4．冷弯薄壁型钢（P27）•采用冷弯型钢机，压力机模压，弯曲机上弯曲，由钢板经冷加工而成。•常用厚度：2~6mm•主要用于轻型建筑结构§2.3钢材的脆性断裂1．焊接结构（比铆接结构更）易发生脆性断裂，其原因有：（1）焊接后往往残留有缺陷，如气孔、尖碴、裂纹或未焊透（2）焊接后内部存在残余应力（3）焊接接头往往刚性较大，材料的塑性降低（4）焊接将结构连成整体，裂缝一旦发展，范围很大2．发生脆性破坏的原因（1）化学成份：•碳↑，塑性下降易脆断•碳↑，高温（800~1000°C）时“热脆”∆硫化铁熔化使钢内形成微小裂纹•磷↑，低温（-5°C）时变脆“冷脆”（2）冶炼方法和轧钢工艺•冶炼方法：不同冶炼方法得到的钢中碳、硫、磷含量不同；钢液中残留氧（脱氧不充分），将使钢材晶粒粗细不匀，发生——“热脆”•轧制过程：改善钢材的内部组织和工作性能。薄钢板比厚钢板工作性能好厚钢板易发生脆性断裂厚钢板沿厚度方向可能发生层状撕裂（焊接点处，P22）（3）冷加工硬化•常温下冷加工过程中，产生塑性变形和时效硬化局部屈服点提高，但塑性、韧性↓∆K点处发生塑性变形，卸载后到K，再加载到B点屈服：BByfff（原）（4）复杂应力状态缺陷（裂纹、孔洞、夹杂）外形突变应力集中三向应力钢材塑性↓脆断危险↑•说明：∆三向应力作用下，六面体单元发生形状改变体积改变（压缩）即：外力功=形状改变应变能+体积改变应变能∆研究证实：钢材适用形状能量强度理论——第四强度理论可推导得到（教材P19）：折算应力22201223311()()()()2yf∆表明：1，2，3同号且值接近时，即使1，2，3很大，亦会0yf，表明钢材不易屈服，常处于弹性工作状态——此时，一旦1、2、3差值发生变化，当0=yf，发生屈服，由于处于高应力，高能量状态，瞬间将发生无明显变形征兆的脆性破坏。（5）温度•0250,sCTCE基本不变，材性稳定，塑性，韧性变化小•300TC时，钢表面氧化膜呈蓝色，塑性韧性↓，出现“蓝脆现象”。•钢材脆断易在低温（尤其10TC）下发生。∆试验研究表明：钢材存在冷脆转变温度1T，当1TT时，钢的冲击韧性↓，易发生冷脆。∆可见：缺口试件的冷脆转变温度比正常试件高。§2.5钢结构的疲劳•钢结构构件和其连接在很多次重复加载和卸载作用下①，在其强度还低于钢材抗拉强度②，甚至低于钢材屈服点②的情况下突然断裂③，称为疲劳破坏。•疲劳破坏基本特征：1）应力＜钢材抗拉强度下发生，具低应力类脆性断裂的特征2）破坏具局部性质，宏观上无明显塑性变形区域3）破坏前，要经历一个疲劳损伤的累积过程4）疲劳断口宏观上和微观上都有显著的特征5）疲劳寿命具极大的离散性——应采用概率方法分析一、疲劳破坏影响因素•疲劳破坏影响因素：缺陷：机械加工缺陷，变截面没有过渡段、焊接缺陷（如未焊透等）、冶炼工艺形成的缺陷（如：夹杂，气泡，分层等）荷载（应力）循环特征荷载（应力）循环次数•应力谱：所研究结构部位的应力随时间变化的历程•应力循环特征：应力幅：maxmin应力比：minmax最大应力：max•疲劳强度——在一定的循环次数下，引起疲劳破坏的最大应力•疲劳极限（持久极限）——在一定的循环特征下，材料可以承受无限次应力循环而不发生破坏的最大应力ed∆对一定的钢材（图）：•荷载（应力）循环次数N，max•当N时，maxmin()即为疲劳极限，此是疲劳容许应力制定的依据。•对于焊接结构，研究表明，疲劳破坏主要与应力幅值maxmin有关