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钢结构基本知识讲授江苏科技大学钢结构2017年2月第一章概述一、钢结构的特点1、强度高，塑性和韧性好2、材质均匀，符合力学假定3、钢结构制造简便，施工周期短4、钢结构的质量轻强度与密度之比远大于混凝土5、耐腐蚀性差6、耐热不耐火≮250℃，500～600℃强度为零防火处理：蛭石板、蛭石喷涂、石膏板等7、钢结构的密封性好容器等8、低温冷脆第一章概述二、钢结构的应用范围1、重型厂房结构2、大跨结构3、高层建筑4、塔桅结构5、板壳结构容器、储液库、煤气库、管道等6、可移动式结构活动房屋、水工闸门、起重运输机等7、桥梁结构8、轻型钢结构9、承受振动荷载和地震作用的结构第一章概述三、钢结构设计的基本要求1、安全可靠。在运输、安装和使用中，具有足够的强度、刚度和稳定性2、合理选用材料、结构方案和构造措施，满足使用要求3、节约钢材，减轻自重4、钢结构要便于运输和维护5、尽量注意美观第一章概述四、现代钢结构的发展1、高强度钢材的应用Q235、Q345、Q420、45号钢等2、钢结构设计计算理论的研究与改进3、新型结构形式的应用4、钢—混凝土组合结构的应用5、钢结构优化原理及其应用6、生产制造工业化、产业化第二章钢结构的材料一、钢的种类碳素钢和合金钢1、碳素钢●分结构钢（低碳钢）和工具钢（高碳钢）；●碳素结构钢—《GB700－88》质量等级：A、B、C、D四级；●A—只保证抗拉强度、屈服点和伸长率；B、C、D—保证抗拉强度、屈服点和伸长率、冷弯性能和冲击韧性（分别为＋20℃、0℃和－20℃），同时严格控制C、S、P的极限含量；●钢号：Q235-A、Q235-B、Q235-C、Q235-D等第二章钢结构的材料2、合金钢●分为结构钢、工具钢和特殊钢●结构钢（低合金钢）—《GB/1591－94》质量等级：A、B、C、D、E五级；●A、B、C、D的规定同碳素结构钢，E级要求－40℃的冲击韧性；●钢号：Q345-A、Q390-B、Q420-C、Q235-D等第二章钢结构的材料二、炼钢的种类●转炉钢——质量较差，杂质含量较多。●空气底吹转炉钢——质量甚差，国内已不生产。●空气侧吹转炉钢——质量略差，各项性能不如氧气顶吹转炉钢。●氧气顶吹转炉钢——有害元素少、杂质少、纯洁度高；质量和加工性能都接近平炉钢；生产效率高，成本低，投资省，建厂快。●平炉钢——原料广泛，容积大，广量高，冶炼工艺较简单，钢材质量优良，化学成分稳定（偏析度小），机械性能可靠，能冶炼各种用途的钢。缺点为生产成本高，建厂规模大，工期长，投资大。●电炉钢——质量最好，成本最高，土建少用。三、炼钢的脱氧方法●脱氧剂——Mn、Si等●沸腾钢——用Mn脱氧，不充分，质量不好，成本低。●镇静钢——除锰外，还用硅和铝为脱氧剂，脱氧完全，质量好，成本高。●半镇静钢——介于沸腾钢和镇静钢之间。第二章钢结构的材料四、钢材的力学性能1、钢材均匀受拉时的力学性能●б—ε曲线五个阶段：①弹性阶段；②弹塑性阶段；③屈服阶段；④强化阶段；⑤颈缩阶段。●强度指标：①屈服强度fy；②抗拉强度fu●理想的弹塑性体●塑性性能：①伸长率δ10和δ5；②断面收缩率ψ第二章钢结构的材料ld0l1l0静力拉伸试验构件理想弹塑性体模型fufpfy00.10.152.522Cfe低碳钢应力—应变曲线应变曲线应力—理想弹塑性体完全弹性体●钢材的物理性能指标：①弹性模量E＝206×10³（N/mm²）②剪切模量G＝79×10³（N/mm²）；③线膨胀系数α＝12×10-6；④质量密度ρ＝7850kg/m3。2、冷弯性能不分层、不裂纹3、冲击韧性αk断裂工程中吸收能量的能力αk＝Ak/A（J/cm2）第二章钢结构的材料R=2.54055R=131PR=2.5冲击试验示意图ad+2.1aL=5a+150pd冷弯实验示意图PP五、钢结构对材料的要求●较高的抗拉强度fu和屈服点fy●较高的塑性和韧性●良好的工艺性能（冷、热加工性能和可焊性）六、钢材的破坏形式塑性破坏和脆性破坏●塑性破坏：б＝fu发生，变形超过材料的变形能力。破坏前发生较大的塑性变形，断口呈纤维状,色泽发暗。●脆性破坏：б＜fu甚至б＜fy，没有明显的塑性变形，破坏突然，没有预兆。断口平直呈晶粒状,色泽发亮。●在设计、施工和使用钢结构时，应当注意防止出现脆性破坏第二章钢结构的材料七、影响钢材力学性能的因素●化学成分的影响：含C量增加，强度增高，塑性降低；S、P、O、N为有害元素，必须严格控制；Mn和Si为有益元素，要适量。●冶金缺陷的影响：镇静钢的屈服点高于沸腾钢（约40N/mm2）；非金属夹杂、裂纹、分层等。●时效的影响：钢材随时间的增长，强度增加、塑性降低而脆性增加。●冷作硬化的影响：钢材在冷加工（拉、剪、冲、压、拔等）的条件下，强度增加、塑性降低而脆性增加。第二章钢结构的材料●温度的影响：低温冷脆；冷脆转变温度（冷脆临界温度)●应力集中的影响：在空洞、槽口、凹角、裂缝、截面变化处，产生局部高峰应力—应力集中现象。应力集中：产生同号平面或立体应力场，钢材变脆。●时效的影响：钢材随时间的增长，强度增加、塑性降低而脆性增加。●疲劳的影响：钢材在连续反复或循环荷载作用下，当应力循环次数n达到某个大数时，发生突然的脆断。此时，应力б＜fu甚至б＜fy—疲劳破坏。第二章钢结构的材料八、钢材的规格和选用1、钢材的规格●热轧钢板：①厚钢板（厚4.5～60mm）；②薄钢板（厚0.35～4mm）；③扁钢（厚4~60mm，宽30～200mm）。●普通热轧型钢：①角钢：等边和不等边；②槽钢：热轧普通槽钢和低合金热轧轻型槽钢；③工字钢：同槽钢；④钢管：有无缝和焊接两种；⑤H型钢：宽翼缘工字钢。●薄壁型钢：用薄钢板（1.5～5.0mm)经模压和冷弯而成，一般为Q235或Q345钢。●各种彩钢板和压型钢板。第二章钢结构的材料)g()f()e()d()c()b()a(型钢)g()f()e()d()c()b()a(薄壁型钢（a)方钢管；（b)等肢角钢；（C）槽钢；（d)卷边槽钢（e)卷边Z型钢；（f)卷边等直角钢；（g)焊接薄壁钢管2、钢材的选用●结构的重要性：一级（重要的）、二级（一般的）和三级（次要的）。●荷载情况：分静态荷载和动态荷载。直接承受动力荷载和强烈地震区的结构，选用性能好的钢材。●连接方法：焊接结构和非焊接结构。焊接结构由于受焊接应力和焊接变形等的影响，选用Q235-B等可焊性好的钢材。●结构所处的温度和环境：例低温冷脆、露天时效、腐蚀、疲劳断裂等。●钢材厚度。厚度大的焊接结构应采用材质好的钢材。第二章钢结构的材料第三章钢结构的连接一、钢结构的连接方法焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接接连栓螺接连钉铆接连缝焊法方接连(a)(b)(c)(a)(b)(c)1、焊缝连接的特点●构造简单，连接方便；●用料经济，不削弱截面；●加工方便，可实现自动化操作；●密闭性好，结构刚度大；●缺点：焊接应力和焊接变形；热影响区材质变脆；对裂纹比较敏感；低温冷脆；对动力荷载比较敏感，等。第三章钢结构的连接2、铆钉连接的特点●塑性和韧性较好；●连接紧密，传力方便；●用于直接承受动力荷载的结构中（如桥梁）；●缺点：构造复杂，费工费料。很少使用。3、螺栓连接的特点分普通螺栓连接和高强螺栓连接（1）普通螺栓连接●A、B、C三级：A和B为精制螺栓，C级为粗制螺栓；●材料等级：A和B为8.8级，C级为4.6级或4.8；●加工：A、B级由毛坯在车床上精确加工而成——精制；C级为由未经加工的圆钢压制而成——粗制；第三章钢结构的连接●螺孔：A、B级需要钻模钻成（Ⅰ类孔），孔径比螺杆大0.3mm左右；C级为一次冲成或不用钻模钻成（Ⅱ类孔）孔径比螺杆大1.5~3.0mm。●受力：A、B级受力性能好，连接变形小，可以既受拉又受剪，用于重要的连接；C级螺栓连接性能不如A、B级好，主要受拉，用于承受静力荷载和间接承受动力荷载的次要连接。●费用：A、B级成本昂贵，C级螺栓价格便宜，能用C级螺栓的地方不用A、B级螺栓。（2）高强螺栓连接高强螺栓分为摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓第三章钢结构的连接●摩擦型高强螺栓：只依靠构件接触面之间的摩擦力来传递剪力，以剪力等于接触面摩擦力为设计极限状态。●承压型高强螺栓：允许接触面滑移（剪力超过摩擦力），以螺杆与构件之间的挤压而发生的连接破坏作为承载力极限状态。●受力：摩擦型高强螺栓剪切变形小，弹性性能好，耐疲劳，特别适用动力荷载；承压型高强螺栓的承载力高于摩擦型，剪切变形大，不得用于承受动力荷载的结构。●材料等级：采用45号钢、40B和20MnTiB钢（热处理），材料等级为8.8级或10.9级。●孔径：摩擦型高强螺栓孔径比螺栓大1.5~2.0mm；承压型高强螺栓孔径比螺栓大1.0~1.5mm。第三章钢结构的连接二、焊接方法和焊缝连接形式1、钢结构常用的焊接方法介绍●手工电弧焊。焊条选择：Q235选择E43型；Q345采用E50型焊条；Q390和Q420采用E55型焊条；不同钢种之间（例Q235与Q345)宜选用低组配方案（E43型）●自动或半自动埋弧焊。●气体保护焊。2、焊缝缺陷及焊接质量检验●焊缝缺陷：裂纹、焊瘤、烧穿、气孔、未焊透、夹渣、咬边、未熔合等第三章钢结构的连接1234567手工电弧焊1-电源2-导线3-夹具4-焊条5-电弧6-焊件7-焊逢123849101265711自动埋弧电弧焊1电源2导线3夹具4焊丝5电弧6焊件7焊逢8转盘9漏斗10溶剂11熔化的溶剂12移动方向123456电阻焊1电源2导线3夹头4焊件5压力6焊逢●焊缝质量检验：外部检验外部（外部尺寸和缺陷）和内部检验（内部缺陷）。内部检验方法：①超声波（主要)；②磁粉（辅助）；③荧光检验（辅助）；④x射线、γ射线等（x射线应用广）。●焊缝质量等级：《钢结构工程施工质量验收规范》对焊缝分为一级、二级和三级。三级焊缝只要求进行外观检验并符合标准；一级、二级除了外观检查外，还必须进行一定量的超声波检验并符合相应的标准。●焊缝等级的选用：①疲劳验算的构件：垂至于作用力方向的横向对接焊缝受拉时为一级，受压时为二级；第三章钢结构的连接②不进行疲劳计算的构件：对接焊缝要求等强时受拉焊缝不低于二级，受压时宜为二级；③重级工作制吊车和Q≥50T的中级工作制的吊车，吊车梁腹板与上翼缘之间的T形焊透的对接与角接组合焊缝，不低于二级；④角焊缝一般为三级，只有直接承受动力荷载的焊缝应为二级。3、焊缝连接形式和焊缝形式●焊缝连接形式：按照被连接构件的相对位置来分为对接（直接对接和盖板对接）、搭接、T形连接和角部连接等第三章钢结构的连接焊逢的连接形式接顶接搭接平(a)(b)(c)(a)(b)(c)顶接中的焊逢形式对接焊逢角焊逢(a)(b)(a)(b)●焊缝形式：对接焊缝和角焊缝●对接焊缝：正对接焊缝和斜对接焊缝●角焊缝：正面角焊缝（端缝）、侧面角焊缝（侧缝）和斜角焊缝（斜缝）连续角焊缝（重要构件）和间断角焊（次要构件）：间断角焊缝间断距离l≤15t（受压）和l≤30t（受拉），t为较薄件的厚度●按照施焊位置分：平焊（俯焊）、横焊、立焊和仰焊四种。焊接质量影响较大。4、焊缝代号、螺栓及其孔眼图例●焊缝代号：●螺栓及其孔眼：第三章钢结构的连接焊逢的形式对接焊逢（直缝）对接焊逢（斜缝）角焊逢（端缝）角焊逢（恻缝）(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)逢焊断间和逢焊续连逢焊续连逢焊断间(a)(a)(b)(b)焊逢的施焊位置俯焊立焊横焊仰焊(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)三、角焊缝1、角焊缝的形式●正面角焊缝、侧面角焊缝、斜焊缝；●直角角焊缝和斜角角焊缝。2、角焊缝的构造要求●最大焊角尺寸：hf≤1.2tmin；对于构件边缘焊缝，当板件厚度h＞6mm时，一般取hf≤t-(1~2)mm；当h≤6mm时，取hf≤t；●最小焊角尺寸：hf≥1.5mm；对于T形拉紧的单面角焊缝，应增加1mm；当板件厚度t≤4mm时，取hf＝t；●侧面焊缝的最大计算长度：lw≤60hf，当实际长度对于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑；●角焊缝的最小计算长度：lw≥8