项目六、钢结构知识解析

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1、建筑结构 青岛港湾大学堂 建筑结构 项目六：钢结构知识 建筑结构 青岛港湾大学堂 1 钢结钢结 构的材料 一、钢结构是以钢板、型钢、薄壁型钢制成的构件，通过焊接、铆 接、螺栓连接等方式而组成的结构，其特点： （1） 钢材强度高，结构自重轻 （2） 塑性、韧性好 （3） 材质均匀 （4） 工业化程度高 （5） 可焊性 （6） 耐腐蚀性差 （7） 耐火性差 （8） 低温和其他条件下，可能发生脆性断裂。 建筑结构 青岛港湾大学堂 二、钢材的主要性能 1.塑性破坏与脆性破坏 （1）.钢材随时间的增长，其强度提高而塑性、韧性下降的现 象叫时 效硬化。 （2）.钢在250左右时，抗拉强度有所提高而塑性、韧

2、性下降 ，这种现象叫蓝脆（因表面氧化膜呈蓝色）。应避免在蓝脆 温度范围内进行热加工，否则易出现裂纹。 2.钢材的机器性能 （1）强度 ( 2) 塑性 （3）冷弯性能 （4）冲击韧性 建筑结构 青岛港湾大学堂 三、影响钢钢材性能的因素 冶炼炼和轧轧制过过程 钢钢材的硬化 温度的影响 应应力集中的影响 重复荷载载作用的影响 建筑结构 青岛港湾大学堂 建筑结构 青岛港湾大学堂 四、钢钢材的品种与选选用 按化学成分分为碳素钢和合金钢，在建筑工程中常用碳素结 构钢、低合金钢和优质碳素结构钢。 （1） 碳素结构钢 该标准中钢材牌号表示方法由字母Q、屈服点数值（ N/mm 2）、质量等级代号（A、B、C、D

3、）及脱氧方法代号 （F、b、Z、TZ）四个部分组成。 碳素结构钢（GB 700 88）将碳素结构钢按屈服点数值分为5个牌号：Q195、Q215 、Q235、Q255和Q275。 （2） 低合金结构钢 采用与碳素结构钢相同的表示方法，即用钢材厚度（直径） 16mm时的屈服点大小表示，共分为5个牌号：Q295、Q345、 Q390、Q420及Q460。 建筑结构 青岛港湾大学堂 钢材的选用 （1） 承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420 钢。 （2）承重结构和构件不应采用Q235沸腾钢： （3） 承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度 和硫、磷含量的合格保证，

4、对焊接结构尚应具有碳含量的合格 保证。 （4） 对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧 性的合格保证。 （5） 吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击 韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。 建筑结构 青岛港湾大学堂 钢钢材规规格 钢结构所用钢材主要为热轧钢 板、型钢、冷弯薄壁型钢和压 型钢板。 （1） 钢板 钢板分为薄钢板、厚钢板和扁钢，其规格用符号“”加“宽 度厚度”的毫米数来表示。如60012表示宽度为600mm、 厚度为12mm的钢板。 （2） 热轧型钢 钢结构常用的型钢是角钢、槽钢、工字钢和H型钢。 工字钢也分普通和轻型两种，分别用符号“I”和“QI”表示。

5、 H型钢分宽翼缘H型钢（HK）、窄翼缘H型钢（HZ）和H型 钢桩（HU）。 建筑结构 青岛港湾大学堂 （3） 冷弯薄壁型钢和压型钢板 薄壁型钢是用1.55mm的薄钢板经模压或冷弯成型。 压型钢板是用0.42mm厚的钢板、镀锌钢 板、彩色涂层钢 板经冷轧而成的波形板，我国已有26种压型钢板型号。 建筑结构 青岛港湾大学堂 2 钢结构连接 连接 方法 优 点缺 点 焊 接 对几何形体适应性强，构 造简单，不削弱截面，省 材省工，易于自动化，工 效高 焊接残余应力大且不易控制， 焊接变形大对材质要求高，焊 接程序严格，质量检验工作量 大 铆 接 传力可靠，韧性和塑性好，质 量易于检查，抗动力荷载好

6、费钢、费工,逐渐被高强螺栓 取代 普通 螺栓 连接 装卸便利，设备简单 螺栓精度低时不宜受剪，螺栓 精度高时加工和安装难度较大 高强 螺栓 连接 加工方便，对结构削弱少，可 拆换，能承受动力荷载，耐疲 劳，塑性、韧性好 摩擦面处理，安装工艺略为复 杂，造价略高 建筑结构 青岛港湾大学堂 1、钢结构常用焊接方法 （1）.手工电弧焊 A、焊条的选择： 焊条应与焊件钢 材相适应。 原理：利用电弧产生热量 熔化焊条和母材形 成焊缝。 一、焊接方法和焊接连接形式 焊机 导线 熔池 焊条 焊钳 保护气体 焊件 电弧 建筑结构 青岛港湾大学堂 Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500-5518) Q

7、345钢选择E50型焊条(E5000-5048) B、焊条的表示方法： E焊条(Electrode) 第1、2位数字为熔融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2) 第3、4适用焊接位置、电流及药皮的类型。 不同钢种的钢材焊接，宜采用与之强度钢材相适应的焊条。 缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。 优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接； Q235钢选择E43型焊条（E4300-E4328) C、优、缺点 建筑结构 青岛港湾大学堂 （2）埋弧焊（自动或半自动） 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 焊丝转盘 送丝器焊剂漏斗 焊剂 熔渣 焊件 埋弧自动焊

8、 建筑结构 青岛港湾大学堂 A、焊丝的选择应与焊件等强度。 B、优、缺点：优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接 质量好。 缺点：设备投资大，施工位置受限等。 送 丝丝 器 机 器 建筑结构 青岛港湾大学堂 3.气体保护焊 优、缺点： 优点：焊接速度快，焊接质量好。 缺点：施工条件受限制等。 建筑结构 青岛港湾大学堂 4、焊接连接形式和焊缝形式 （1）.焊接连接形式 搭接 角部连接 T形连接 对接 建筑结构 青岛港湾大学堂 （2）.焊缝形式 （1）对接焊缝 正对接焊缝 （2）角焊缝 T型对接焊缝斜对接焊缝 建筑结构 青岛港湾大学堂 5.焊缝代号 建筑结构 青岛港湾大学堂 （1）对接焊

9、缝的坡口形式: 1、对接焊缝的构造 二、对接焊缝的构造 对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和施工条件有关 。 t-焊件厚度 (1)当:t135o 或6mm时，hf,maxt-(12)mm； hf t1 t 建筑结构 青岛港湾大学堂 (2).最小焊脚尺寸hf,min 为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织 ，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求: 式中: t2-较厚焊件厚度 另:对于埋弧自动焊hf,min可减去1mm; 对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm; 当t24mm时, hf,min=t2 建筑结构 青岛港湾大学堂 (3).侧面角焊缝的最大计算长度 侧面角焊缝在

10、弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而 中间小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。如果焊缝长度不是 太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀； 当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端， 故： 注： 1、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑； 2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。 建筑结构 青岛港湾大学堂 (4).侧面角焊缝的最小计算长度 对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧 坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具 有一定的承载力，规范规定： 建筑结构 青岛港湾大学堂 (5). 搭接连连接的构造要求 当板件端部仅采用两

11、条侧面角焊缝连接时： A、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力 不均，规范规定： B、为了避免焊缝横向收 缩时引起板件的拱曲 太大，规范规定 t1 t2 b 建筑结构 青岛港湾大学堂 D. 在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度 的5倍，且不得小于25mm。 C. 当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2hf的绕 角焊，且转角处必须连续施焊。 b 2hf 建筑结构 青岛港湾大学堂 四、 焊接应力和焊接变形 1、焊接残余应力的分类及其产生的原因 （1）焊接残余应力的分类 a、纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向; b、横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向; c、沿厚度方向的焊接残余应力。 (2)焊

12、接残余应力产生的原因 a.纵向焊接残余应力 建筑结构 青岛港湾大学堂 焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上产生不均匀的温 度场，焊缝处可达1600oC，而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大，但 受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时 被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力。 对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到屈服强度。焊接残余 应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产 生压应力。 + - - 500oC 800oC 300oC 300oC 500oC 800oC 施 焊 方 向 8cm 6 4 2 0 2 4

13、6 8cm - - - - - + + 建筑结构 青岛港湾大学堂 六、 螺栓连接的构造 1、螺栓的种类 （1）普通螺栓 C级-粗制螺栓 A、B级-精制螺栓 按其加工的精细程度和强度分为:A、B、C三个级别。 建筑结构 青岛港湾大学堂 （2）高强度螺栓 由45号、40B和20MnTiB钢加工而成，并经过热处理 45号8.8级； 40B和20MnTiB10.9级 （a）大六角头螺栓 （b）扭剪型螺栓 建筑结构 青岛港湾大学堂 2、螺栓的排列 （1）并列简单、整齐、紧凑所用连接板尺寸小，但构 件截面削弱大； B 错列A 并列 中距 中距边距 边距 端距 （2）错列排列不紧凑，所用连接板尺寸大，但构件

14、截 面削弱小； 建筑结构 青岛港湾大学堂 （3）螺栓排列的要求 a.受力要求: 垂直受力方向：为了防止螺栓应力集中相互影响、截面削弱过多而 降低承载力，螺栓的边距和端距不能太小； 顺力作用方向：为了防止板件被拉断或剪坏，端距不能太小； 对于受压构件：为防止连接板件发生鼓曲，中距不能太大。 b.构造要求； 螺栓的边距和中距不宜太大，以免板件间贴合不密，潮气侵入 腐蚀钢材。 建筑结构 青岛港湾大学堂 3、螺栓连接的构造要求 为了保证连接的可靠性，每个杆件的节点或拼接接头一端不宜少于两个 永久螺栓，但组合构件的缀条除外； 直接承受动荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽，或其他措施以防螺帽松 动； C级螺栓

15、宜用于沿杆轴方向的受拉连接，以下情况可用于抗剪连接： (1)承受静载或间接动载的次要连接； (2)承受静载的可拆卸结构连接； (3)临时固定构件的安装连接。 型钢构件拼接采用高强螺栓连接时，为保证接触面紧密，应采用钢板而 不能采用型钢作为拼接件； 建筑结构 青岛港湾大学堂 一、受弯构件 1.实腹式受弯构件-梁 图1 梁的截面形式 3 钢结构构件 建筑结构 青岛港湾大学堂 图2 工作平台梁格布置示例 建筑结构 青岛港湾大学堂 图3 梁格形式 建筑结构 青岛港湾大学堂 2 格构式受弯构件-桁架 简支梁式、连续式、伸臂式、悬臂式刚架横梁式 图5.4 梁式杵架的形式 建筑结构 青岛港湾大学堂 （1）梁

16、的强度 a.梁的抗弯强度 b.弹性阶段 c.弹塑性阶段 d.塑性阶段 规范：塑性发展深度a0.125h 3 梁的强度和刚度 图5.5 梁受弯时各阶段正应力的分布情况 建筑结构 青岛港湾大学堂 在Mx作用下 在Mx和My作用下 Mx、My - 绕x轴和y轴的弯矩 Wnx、Wny - 对x轴和y轴的净截面模量 x、y - 截面塑性发展系数, 工字截面x=1.05,y=1.2 动力荷载作用 x=y=1.0 时，工字截面x=1.0 当 建筑结构 青岛港湾大学堂 截面塑性发展系数x、y值 建筑结构 青岛港湾大学堂 截面塑性发展系数x、y值 续表 建筑结构 青岛港湾大学堂 b.梁的抗剪强度 I毛截面惯性矩； S中和轴以上毛截面 对中和轴的面积矩； tw 腹板厚度； fv钢材的抗剪强度 设计值。 V计算截面沿腹板平面 作用的剪力； max b t w max h t bh V =1.5max h