钢结构基础知识教程

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1、钢 结 构,第一章 概述 第二章 建筑钢材 第三章 钢结构的连接 第四章 轴心受力构件 第五章 梁（受弯构件） 第六章 拉弯与压弯构件,第一章 绪 论,第一节 钢结构的特点与应用 第二节 钢结构的设计原理与方法 第三节 钢结构的发展,第一节 钢结构的特点及应用,一、钢结构的特点 1、强度高、强重比大；塑性、韧性好； 2、材质均匀，符合力学假定，安全可靠度高； 3、工厂化生产，工业化程度高，施工速度快； 4、钢结构耐热不耐火；易锈蚀，耐腐性差。 二、钢结构的应用 1、重型结构及大跨度建筑结构； 2、多层、高层及超高层建筑结构； 3、轻钢结构； 4、塔桅等高耸结构； 5、钢混凝土组合结构。,第二节

2、 钢结构的设计原理与方法,结构设计首层规范建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068）规定：结构的可靠度应采用以概率论为基础的极限状态设计方法分析确定。 钢结构和其他建筑结构一样，遵循“统一标准”要求，采用的也是以概率论为基础，用分项系数表达的极限状态设j计方法。 极限状态设计方法，在前序课程（如钢混结构、地基与基础等），对此以作详细介绍，此课就不再讲述，认真进行复习。 通过复习应掌握以下概念：结构的极限状态；结构的基本功能要求；结构的可靠度；失效概率；荷载及强度的标准值与设计值。,第三节 钢结构的发展,我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的原因致使现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比，已

3、有相当大的差距，最大的差距在于建筑钢结构。 97年新发布的中国建筑技术政策中强调要重点发展建筑钢结构，国家相关部门也多次发布文件，要求扩大钢结构住宅的市场占有率。 96年我国钢产量已开始超亿吨，居世界首位，为钢结构发展奠定物质基础，对钢材的使用已由“节约使用”变为“合理用钢”、“加大建筑用钢”。 当今我国建筑业中发展最快的就是钢结构，最缺的人才也是钢结构专业，发展钢结构以带动其它相关产业的发展，已成为建筑业发展的重要任务。,第二章 建筑钢材,第一节 建筑结构用钢的基本要求 第二节 钢材的主要机械性能 第三节 影响钢材性能的主要因素 第四节 建筑结构用钢的种类及选择,第一节 建筑结构用钢的基本要

4、求, 钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。 1、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻； 2、较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载； 3、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能； 据上要求,钢结构设计规范GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。,第二节 钢材的主要机械性能,一、单向拉伸试验曲线 根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用中，钢材的性能按理想弹塑性体考虑，fy定为钢材拉、压强度标准值。,二、钢

5、材的主要机械性能 强度：fy 强度设计标准值，设计依据；fu钢材的最大承载强度，安全储备。 塑性5（10），钢材产生塑变时而不发生脆性断裂的能力，便于内力重分布，吸收能量，重要指标。 冷弯性能90o、180o，在冷加工过程中产生塑性变形时，对产生裂纹的敏感性，是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标。 韧性冲击韧性k，钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的能力（动力指标），按常温（20o）、零温（0o） 、负温（-20o、-40o）区分 。 可焊性表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能力不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求。,第三节 影响钢材性能的主要因素,1、

6、化学成份 2、冶金及轧制 3、冷作硬化与时效硬化 4、复杂应力与应力集中 5、残余应力 6、温度,1、化学成份的影响 基本成份为Fe，炭钢中含量占99，C、Si、Mn为杂质元素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。 C：含C使强度塑性、韧性、可焊性，应控制在0.22%，焊接结构应控制在0.20%。 Si：含Si适量使强度 其它影响不大，有益，应控制0.10.3% Mn：含Si适量使强度 降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益。 S：含量使强度塑性、韧性、性能冷弯、可焊性； 高温时使钢材变脆热脆现象。 P：低温时使钢材变脆冷脆现象；其它同S O、N：O同S；N同

7、P，控制含量0.008%,2、冶金与轧制的影响 冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用Si为脱氧剂，时间慢，价格高，质量好。 反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。 3、冷作硬化与时效硬化 由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象称之为硬化现象。 冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化。 钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化

8、”现象称之为时效硬化。,4、复杂应力与应力集中的影响 钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反。 钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部应力增大并多为同号应力场。 5、残余应力的影响 钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内部自相平衡的内力（P26,图2.10）,残余应力虽对构件的强度无影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不利影响（后续章节中将详细介绍）。,6、温度的影响 温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。 正温影响（P27，图2.11） 总体影响

9、规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这一现象称之为热塑现象，温度达600o左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为热煅温度。 需要说明：钢材在300o左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象。钢材在300o以上时应采取隔热措施。 负温影响（P27，图2.12） 随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度。,第四节 建筑结构用钢的种类与选择 一、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类,钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等级、

10、脱氧方法”四部分组成。 Q：表示“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度”； 质量等级：分AE五级（字序越高质量越好）； 脱氧方法：F沸腾钢；Z镇静钢（一般省略）； b半镇静钢；TZ特殊镇静钢。 注：炭素结构钢分：A、B、C、D 四级，含所有脱氧方法；低合金结构钢分：A、B、C、D、E五级，只有镇静钢和特殊镇静钢。 如前所述建筑结构用钢，宜选炭素结构钢中的Q235及低合金钢中的Q345、Q390、Q420四种钢材。,二、建筑结构用钢的选择,钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强度fu、屈服强度fy、伸长率5（10）、冷弯180o及冲击韧性k，化学成分C、S、P等的极限含量，以及冶炼脱氧方法来衡

11、量。选材时应根据结构的重要性、荷载性质（静、动）、连接方法、工作温度等因素来综合考虑以选择适宜钢材。 一般承重结构应有fu、fy、5以及C（ 0.22%）、S、P的极限含量合格保证；焊接及重要的非焊接承重结构还应具备冷弯180o合格保证（C0.2%）；承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时,还应根据具体情况增加对k的不同要求。,第六节 普通螺栓的连接,一、普通螺栓的连接构造 螺栓的规格与表示 钢结构一般选用C级（粗制）六角螺母螺栓，标识用M和工程直径（mm）表示，例如M16、M20等 螺栓的排列 螺栓的各距应满足规定的要求（P7172，表3.58）,二、受力性能与计算 1、受力分类 螺栓根据作用不

12、同，按螺栓受力可以分为：受剪、受拉及剪拉共同作用,2、受剪连接 受力性能与破坏形式 五种破坏形式 螺栓受剪破坏 孔壁挤压破坏 连接板净截面破坏 螺栓受弯破坏 连接板冲剪破坏,单个受剪螺栓的承载力计算 螺栓抗剪： 孔壁承压： 最大承载力：,轴力作用受剪螺栓群的连接计算 受力特性：沿受力方向，受力分配不均，两端大中间小，在一定范围内，靠塑变可以均布内力，过大时，设计计算时仍按均布，但强度需乘折减系数，当l115d0时： 当l160d0时0.7 连接所需螺栓数量： 连接板净截面强度,扭矩、轴力及剪力共同作用受剪螺栓群计算 扭矩作用：,轴力及剪力作用 轴力扭矩共同作用下最大受力螺栓 受拉螺栓连接 受力

13、性能与承载力,受弯矩作用螺栓连接计算,M、N共同作用（偏心受拉）螺栓计算 小偏心： 大偏心:,拉剪共同作用螺栓连接计算 注：此类连接因无支托板，一般应考虑精制螺栓连接，以减少连接变形。,第七节 高强度螺栓连接 一、概述 按受力特性分：摩擦型与承压型 抗剪连接时摩擦型以板件间最大摩擦力为承载力极限状态；承压型允许克服最大摩擦力后，以螺杆抗剪与孔壁承压破坏为承载力极限状态（同普通螺栓）。受拉时两者无区别。 高强螺栓采用级孔，便于施工。 受传力机理的要求，构造上除连接板的边、端距1.5d0外其它同普通螺栓。 高强螺栓的材料与强度等级 由高强材料经热处理制成，按强度等级分10.9与8.8级。 10.9

14、级一般为20MnTiB、40Cr等材料，fu1000N/mm2，fu/fy0.9；8.8级一般为45钢制成， fu800N/mm2，fu/fy0.8。,高强螺栓的预拉力（P85表3.9） 二、摩擦型高强螺栓连接计算 受剪连接计算 一个螺栓抗剪承载力 连接所需螺栓数 净截面强度：考虑50孔前传力,受拉连接高强螺栓计算 由于高强螺栓的基本承载力为摩擦力，而摩擦力预正压力有关，为保证板件间保留一定的压紧力规范规定: 受弯连接结算（形心轴在中排） 拉、剪共同作用连接计算 三、承压型高强螺栓连接 受力性能同普通螺栓，拉剪作用时以栓杆抗剪及孔壁承压承力；受拉同摩擦型，计算公式总结如表3.11。,本章重点

15、1、角焊缝的构造与计算； 2、焊接残余应力与变形的产生机理与影响； 2、普通螺栓受剪连接的破坏形式与机理； 3、高强螺栓连接的构造与计算。,第四章轴心受力构件,第一节 概 述 第二节 轴心受力构件的强度与刚度 第三节 实腹式轴心受压构件的整体稳定 第四节 实腹式轴心受压构件的局部稳定 第五节 实腹式轴心受压构件的截面设计 第六节 格构式轴心受压构件,第一节 概 述 轴心受力构件分轴心受拉及受压两类构件，作为一种受力构件，就应满足承载能力与正常使用两种极限状态的要求。 正常使用极限状态的要求用构件的长细比来控制；承载能力极限状态包括强度、整体稳定、局部稳定三方面的要求。 稳定问题是钢构件的重点问

16、题，所有钢构件都涉及到稳定问题，是钢构件设计的重点与难点。本章将简单讲述钢结构的钢结构稳定理论的一般概念，为下序章节打基础。 轴心受力构件的截面分：实腹式与格构式两类（P97图4.2） 实腹式又分型钢截面（包括普通型钢与薄壁型钢），组合截面（钢板组合与型钢组合截面） 格构式截面又分缀条式截面与缀板式截面,第二节 轴心受力构件的强度与刚度 一、轴心受力构件的强度 以净截面的平均应力强度为准则：即 二、轴心受力构件的刚度 以构件的长细比来控制，即 第三节 实腹式轴心受压构件的整体稳定 一、稳定问题的概述 所谓的稳定是指结构或构件受载变形后，所处平衡状态的属性。如图4.4，稳定分稳定平衡、随遇平衡、不稳定平衡。结构或构件失稳实际上为从稳定平衡状态经过临界平衡状态，进入不稳定状态，临界状态的荷载即为结构或构件的稳定极限荷载，构件必须工作在临界荷载之前。,稳定问题为钢结构的重点问题，所有钢结构构件均件均存在稳定问题，稳定问题分