同济大学钢结构基本原理课件

钢结构基本原理张其林同济大学建筑工程系2012年9月1、结构体系——钢结构2、钢结构课程——基本原理、设计3、钢结构的组成——构件+连接4、钢结构特点5、钢结构应用6、钢结构的设计要求7、钢结构的发展8、钢结构的设计依据混凝土——水泥+石料钢材——结构钢(低碳钢、低合金钢)玻璃——钢化、半钢化、浮法木材——原木、轻木膜材——玻璃纤维、聚脂纤维等铝材——结构铝结构体系建筑材料混凝土结构钢结构玻璃结构(幕墙结构)木结构膜结构铝合金结构钢结构——受力构件采用结构钢材的建筑结构、桥梁结构和构筑物建筑结构：供人类工作或居住的建筑物构筑物：用于完成特定功能的结构体系(输电塔、储油罐等)桥梁结构：用于跨越障碍物(河、江、海等)的结构1、结构体系——钢结构材料力学性能强度(MPa)/弹性模量(MPa)/密度（kN/m3）塑性和韧性制作安装方面密封性能耐火/耐腐蚀混凝土抗压性能好、抗拉性能差3-40/14000-36000/25拉力下脆性现浇一般好钢材均匀、各向同性234-420)/206000/78.5理想弹塑性材料，好预制、工业化程度高好耐热好耐火差耐腐蚀差玻璃缺陷对抗拉强度影响拉、抗压性能好拉45、压800//70000/25拉力下脆性预制、工业化程度高好耐火差耐腐蚀一般膜材各向异性、只拉柔性材料60-200(1mm厚)/500-1000/7-15预制、工业化程度高一般耐火差耐腐蚀差铝合金均匀、各向同性80—200658000/27理想弹塑性材料预制、工业化程度高好耐火差耐腐蚀好木材纤维纵向受拉强度大、纤维横向受拉强度低纤维受压及横向差预制、工业化程度一般耐火差耐腐蚀较差——绪论——钢结构材料——受拉构件和索——轴心受压构件——受弯构件——压弯构件——钢结构的连接——……钢结构基本原理建筑钢结构设计——绪论——平台钢结构——门式刚架结构——重型厂房结构排架系统吊车梁系统——多高层框架——……基本构件的设计计算理论结构体系的布置与设计基本构件：构成结构体系的基本受力单元，含索、柱、梁、拱、板、壳等结构体系和用途不同，但其基本构件的设计理论是一致的。2、钢结构课程——基本原理、设计钢构件形式连接形式结构体系钢板焊接截面热轧型钢截面冷弯薄壁截面铸钢节点域轴心受力柱受弯梁压弯构件铆接连接普通螺栓连接高强螺栓连接焊接连接多高层框架结构大跨度空间结构厂房刚架排架结构高耸结构桥梁结构特种结构……+=钢结构基本原理建筑钢结构设计3、钢结构组成——构件+连接1)预制拼装——产品化、工业化、干作业施工速度快2)材质均匀理想稳定——计算模型确定、精度高安全性好3)材料强度高——板件薄、构件细长轻型、稳定性问题4)塑性韧性好——抗震性能好、动力承载性能好5)耐腐蚀性能差——防腐措施6)耐热性能好、耐火性能差——防火措施4、钢结构特点综合效益：适合大型公共和商业建筑（高层、大跨）、自重轻基础造价小、施工快资金周转快、安全性能好标准化、工厂化、装配式带动产业链发展、绿色建材符合国家发展战略(removable/reuse/recycle)、工业厂房——轻型门式刚架、屋盖、重工业排架5、钢结构应用多层及高层建筑框架体系、双重抗侧力体系、筒体体系大跨度结构——飞机库、候机楼、体育场馆、会展中心等公共建筑结构体系：网架网壳（螺栓球节点、焊接球节点）结构体系：钢管桁架（直接汇交焊接节点、铸钢件节点）组焊完成的构件结构体系：预张力结构高耸塔桅——电视、无线发射、观光等其他结构幕墙支承、压力容器、折板结构、桥塔、桥面梁板、水箱、船舶、车厢、基坑维护、地下管线、脚手架国家技术经济政策：安全性、经济性、先进性、高质量运输、安装和使用中的安全性——正常使用极限状态和承载能力极限状态极端情况下的人员安全性**——火、爆、恐怖袭击合理的结构方案、选材和构造标准化构件、工厂化制作可行的结构制作、运输和安装高强材料、高效构件或结构体系组合构件和体系6、钢结构的设计要求世界各国大兴土木建设高潮的时期:美国:30年代；欧洲:60年代；日本:60年代；中国:90年代土木工程学科领域重大土木工程建设世界六十年代创造规模和速度令人惊叹的材料工艺和体系桥梁、建筑、地下工程学习＋模仿＋跟踪性研究＋局部改进和创新7、钢结构的发展我国：钢产量全球第一建筑钢结构用量比例极少应用拓展——住宅产业化、土木设施城镇化快速发展：2001年37%2020年60%2050年75%以上2005至2020年转移农村人口3亿以上，2050年累计6-7亿改变：粘土为主要材料、自建自住的不可持续住宅发展模式带动：材料—设备—制作—设计—安装—维修的整个产业链发展应用趋势——更轻更高更大Lighter,tallerandlarger材料、构件和体系的发展与创新高性能材料、大回转半径截面、组合或杂交截面与结构体系Q235、Q345，Q420(水立方)、Q460(CCTV、鸟巢)，Q700-1100耐侯钢、耐火钢、……研究方向——极端灾害破坏机理、精细化数值模拟、信息化模型、全寿命优化(sustainablestructures)、•建筑结构设计统一标准•建筑结构荷载规范•建筑抗震设计规范•钢结构设计规范GB50017•冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018•高耸结构设计规范•高层民用建筑钢结构技术规程•网架结构设计与施工规程•网壳结构技术规程•玻璃幕墙工程设计规范GB系列JGJ系列8、钢结构的设计依据门式刚架结构设计规程索膜结构设计技术规程钢管混凝土结构设计与施工规程点支式玻璃幕墙技术规程轻型钢结构设计规程膜结构技术规程建筑结构用索技术规程CECS系列DBJ系列第一章结束1、均匀受拉时的工作性能A:fp≈200MPa,ep≈0.1%C:fy≈235MPa,ey≈0.15%2.5%B:fu≈370-460MPa,eu≈21%钢材是理想的弹塑性材料钢材的屈强比fy/fp是结构的安全储备钢材的塑性：伸长率d与收缩率y,原尺寸与拉断后尺寸相对比100100100%100%llAAlAdy2、单轴反复应力下的工作性能钢材反复加载曲线：冷作硬化、时效、疲劳、滞回曲线3、复杂应力下的工作性能塑性弹性yzsyzszxyzxyxzzyyxzyxzsff2222223yyyzszsxyyxyxzsfff58.031,3333222222纯剪：受弯梁：平面应力：双拉：屈服点高、伸长率低，拉压：屈服点低、伸长率高，yxyxzsyxyxzsyxfff58.03,，，时4、抗冲击性能和冷弯性能强度和塑性指标——承受静力荷载性能：静力拉伸试验钢材抗冲击性能——承受动力荷载性能：冲击韧性akV型、U型缺口,ak=Ak/An——强度和韧性的综合指标Ak——冲击功[N.m](J),Ak=W(h1-h2),W=摆锤重，h1/h2=冲断前后摆锤高度An——试件缺口处净截面面积钢材的冷弯性能：钢材常温下冷加工产生塑性变形时对发生裂缝的抵抗能力衡量钢材力学性能的综合指标——冷弯试验检验钢材内部缺陷（晶粒、结晶、杂物）拉伸试验和冲击试验的补充焊接焊接热影响区和焊接热影响效应焊接应力、塑性韧性等力学指标退化可焊性好：焊缝处及热影响区力学性能不低于母材、无焊接裂缝、安全可靠可焊性取决于钢材化学成分含量：低碳钢：碳0.27%、锰0.7%、硅0.4%、硫磷0.05%低合金钢：碳当量EC%=C+Mn+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15可焊性试验：施工中试验、使用中试验、冲击韧性、裂纹5、可焊性干腐蚀：金属和非金属元素直接结合湿腐蚀：水分多的环境下与非金属元素结合形成腐蚀物提高抗腐蚀性能：涂料底层处理(抛丸除锈等)+底漆+面漆耐侯钢材Cu-P-Ti-Re:09CuPCrNi,16CuCr,12MnCuCrCu-P-Ni-Cr:SMA400AW,AP,SMA490AW6、抗腐蚀性能延性破坏：塑性破坏，应力fyfu，径缩变形断裂，变形时间长剪应力超过晶粒抗剪能力脆性破坏：脆性断裂，应力fy，无明显变形、无预兆，端口平直拉应力超过晶粒抗拉能力。强度理论应力fy破坏？不适用于脆性断裂断裂力学理论！I型裂纹：张开型II型裂纹：滑移型III型裂纹：撕开型7、延性破坏、累积损伤、脆性破坏、疲劳破坏系数裂纹宽度一半应力应力强度因子：临界应力0：裂纹失稳扩展时应力断裂韧性KIC：IKa0ICKaKIKIC稳定，裂纹不扩散KI=KIc临界KIKIC失稳，裂纹扩展弹性断裂力学公式：弹性断裂力学公式(张开位移理论)：2IICyIICaEfdddd稳定不稳定位移临界值ICyICEfKd影响脆性断裂的因素：裂纹尺寸、作用应力、材料韧性提高抗脆断措施：焊接施工管理，避免焊接裂纹、杂质避免焊缝集中、采取措施避免或消除焊接残余应力优化细部构造措施、避免应力集中选择合理钢材，低温动力下工作时选用高等级钢应力腐蚀断裂：S(0.20.5)ICCIKK疲劳破坏：反复荷载下低应力状态突然破坏反复荷载下的脆性破坏疲劳破坏过程：裂纹形成裂纹缓慢扩展裂纹失稳扩展(焊缝)内部缺陷应力集中影响因素：应力循环形式和次数、应力集中、残余应力、缺陷应力比：rmin/max绝对值较小绝对值较大拉(+)压(-)应力幅：由于存在残余应力，r不能代表实际应力变化情况Dmaxmin最大拉应力最小拉应力或压应力拉(+)压(-)疲劳强度曲线：匀质材料疲劳强度与应力比的关系：应力幅与应力循环次数关系：2211ImIm13221132211lglg/lg,1121(3,1)20axinaaaaKKKadadaAKAKdNdNdadaNAAKaaNaAaacaAacNDDDDDDDDDDDDrrKKKKp1,,,0maxmaxmax0minmax0110损伤累积破坏：损伤：荷载+环境+温度+化学缺陷塑性损伤、疲劳损伤、材质变化、蠕变损伤损伤不断积累导致的破坏损伤累积破坏损伤变量D：无损伤0、破坏1，D=(0,1)单调递增、不可逆Nip1nNmipp1nn1211,1piippiDDyyDDEDEfDfeeeeee化学成分的影响Fe-99%,C、Si、Mn、V1.5%，Cr、Ni、Cu、Ti、NbS、P、O、N0.1%C↑:屈服点和抗拉强度↑，塑性/韧性/可焊性/耐腐蚀性/疲劳/冷弯↓适量Si(0.1%-0.3%):强度↑，过量降低塑性/韧性/可焊性/抗锈性适量Mn(0.3%-0.8%)：强度↑,消除热冷脆,过量降低塑性/韧性/可焊性/抗锈性S硫化铁:降低塑性/韧性/疲劳/可焊性/抗锈性，产生热脆，0.045%P：强度/抗绣性↑,严重降低塑性/韧性/冷弯，产生冷脆，0.045%O/N：O产生热脆,0.05%；N产生冷脆,0.008%8、影响钢材性能的一般因素生产过程的影响冶炼浇铸轧制矫正冶炼：方法：碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法、碱性侧吹转炉炼钢法目的：控制化学成分碱性侧吹效果差，已淘汰。平炉/顶吹效果接近，顶吹效率高应用更多。浇铸：钢液钢罐脱氧剂氧化铁脱氧程度:沸腾钢/半镇静钢/镇静钢/特殊镇静钢沸腾钢：Mn为脱氧剂，脱氧程度差，浇铸时氧化铁+碳CO气体，冷却快、成品率高、成本低；材质不均匀、塑性韧性可焊性差。镇静钢：Si为脱氧剂，脱氧能力强，脱氧充分，冷却缓慢无沸腾现象冷却收缩上部缩孔大、切头大、成品率低、成本高，力学性能好半镇静钢：介于沸腾钢与镇静钢间特殊镇静钢：Mn/Si脱氧后，用铝钛补充脱氧，明显改善力学性能轧制：钢锭钢板/型钢高温加压(1200-1300OC)