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1、 钢结构基本原理 张其林同济大学建筑工程系2012年9月 一 绪论 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
2、跨越障碍物 河 江 海等 的结构 1 结构体系 钢结构 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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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 二 钢结构材料 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 2 单轴反复应力
8、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 双拉 屈服点高 伸长率低 拉压 屈服点低 伸长率高 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ak V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
9、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 SM
10、A400AW AP SMA490AW 6 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s0 裂纹失稳扩展时应力断裂韧性KIC 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 稳定不稳定 位移临界值 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
11、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 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 smin smax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Ds smax smin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 损伤累积破坏 损伤 荷载 环境 温度 化学 缺陷塑性损伤 疲
12、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 化学成分的影响Fe 99 C Si Mn V 1 5 Cr Ni Cu Ti NbS P O N 0 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 0
13、5 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 S
14、i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 改善内部组织 力学性能轧制钢板薄 力学性能好 强度 塑性 韧性好轧制方向材性由于垂直方向 试件沿垂直方向下料较厚钢板中杂质 薄片 分层 Z向性能差 层状撕裂 需进行Z向材性试验时效的影响碳 氮固熔物质随时间增加析出表面散步在晶粒滑移面上 约束塑性变形 提高强度 降低冲击韧性 时效时间从数天到数年 塑性变形后再加热 200 300OC 使时效的发生仅需几小时 冷作硬化的影响 常温下 塑性阶段反复加载会提高钢材的弹性极限 成为冷作硬化效应温度的影响 冷脆 温度下降至T1时 钢材由塑性破坏转化为脆性破
15、坏热脆 蓝脆 250OC时冲击韧性下降避免蓝脆范围内热加工300 600OC 屈服 抗拉极限 弹性模量下降 600OC时接近零 应力集中的影响 杂质 槽口 裂缝 形状突变会产生局部应力高峰 应力高峰处一般存在同号平面或立体应力使材质变脆 低温 应力集中 脆性断裂破坏常温静力作用下 应力增大 应力重分布 设计时可不考虑动力荷载作用下 易疲劳破坏 采取措施减小应力集中 品种牌号 普通碳素钢 低合金结构钢普通碳素钢 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275 N mm2 力学性能质保书 fy fu 化学成分质保书 C Mn Si S P质量等级 A B C DA 无冲击功要求 B 20OC时A
16、k 27J C 0OC时Ak 27J D 20OC时Ak 27J脱氧方式 Z 可不标注 b F TZ 可不标注 A B Z b F C Z D TZQ235A Q235AF Q235Bb Q235D Q235C老标准 甲类钢 A 按力学性能供应 乙类钢 B 按化学成分供应 特类钢 C 按力学性能和化学成分供应 1 2 3 4 5 6 7号钢 3号钢 Q235 顶吹 YA3 甲类3号镇静钢 CY3F 特类顶吹3号沸腾钢 9 钢材分类 低合金钢 Q295 Q345 Q390 Q420 Q460提供力学性能质保书 fy fu 冷弯试验 化学成分质保书 C Mn Si S P V Nb Ti Q345A Q345B Q345C Q345D Q345EQ390A Q390B Q390C Q390D Q390EA B C D E表示质量由低到高A 无冲击功要求 B 20OC时Ak 34J C 0OC时Ak 34J D 20OC时Ak 34J E 40OC时Ak 27J脱氧方式分为镇静钢 A B 特殊镇静钢 C D E Q345B B级镇静钢 Q390D D级特殊镇静钢 Q345C C级特殊镇静钢老
