《钢结构设计原理讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢结构设计原理讲义（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、本文格式为Word版，下载可任意编辑钢结构设计原理讲义 钢布局设计原理 第一章 钢布局的根本性能 建筑工程中，钢布局所用的钢材都是塑性对比好的材料，在拉力作用下，应力-应变曲线在超过弹性后有明显的屈服点和一段屈服平台，然后进入强化阶段。传统的钢布局设计，以屈服点作为钢材强度的极限，并把局部屈服作为承载才能的准那么。目前利用塑性的设计方法已经提上了日程。 钢材和其他建筑布局材料相比，强度要高得多。在同样的荷载条件下，钢布局构件截面小，截面组成片面的厚度也小。因此，稳定问题在钢布局设计中是一个突出的问题。 建筑布局钢材有较好的韧性。因此，钢布局是承受动荷载的重要布局。钢材的韧性也不是一成不变的。材
2、质、板厚、受力状态、温度等都会对它产生影响。 【钢材的生产及其对材性的影响】 建筑布局所用的钢材包括两大类：一类是热轧型钢和钢板；另一类是冷成型（冷弯、冷冲、冷轧）的薄壁型钢和压型钢板。 一、钢的熔炼 冶炼按需要生产的钢号举行，它抉择钢材的主要化学成分。炼钢的原料为99%钢水+废钢+合金元素。平炉炼钢的质量优于转炉炼钢的质量。目前，我国采用转炉炼钢，转炉钢具有投资少、建厂快、生产效率高、原料适应性强等优点。 二、钢的脱氧 脱氧的手段是在钢液中参与和氧的亲和力比铁高的锰、硅和铝。脱氧的程度对钢材的质量颇有影响。 锰是弱脱氧剂。硅是较强的脱氧剂。铝是强脱氧剂。 钢液中含有较多的FeO，浇注时FeO
3、和碳相互作用，形成CO气体逸出，引起钢液的强烈沸腾，这种钢称之为沸腾钢。它夹杂较多FeO，冷却后有大量气泡。硅在恢复氧化铁的过程中放出热量，使钢液冷却缓慢，气体大多可以逸出，所得钢锭称之为镇静钢。冷却后因体积收缩而在上部形成较大缩孔，缩孔的孔壁有些氧化，在辊轧时不能焊合，务必先把钢锭头部切去。切头后实得钢材仅为钢锭的80%85%。对冲击韧性（尤其是低温冲击韧性）要求高的重要布局，如寒冷地区的露天布局，钢材宜用硅脱氧后再用铝补充脱氧的特殊镇静钢。这种钢比一般镇静钢具有更高的室温冲击韧性和更低的冷脆倾向性和时效倾向性。 镇静钢的质量好于沸腾钢。镇静钢本金高。镇静钢偏析小。镇静钢的性能优于沸腾钢，主
4、要表现在轻易保证必要的冲击韧性，包括低温冲击和时效冲击，冲击韧性好可以承受动荷载和处于低温的布局。 GB50017-2022模范规定沸腾钢不能用于以下焊接布局：需要验算疲乏者；处于-30和更低温度者；工作温度低于-20并直接承受动力荷载（但不需验算疲乏）者。鉴定镇静钢和沸腾钢，可以通过硅的含量来举行。 GB700-88规定，Q235钢分为A、B、C、D四级。前两级可以是沸腾钢、半镇静钢或镇静钢，C级务必是镇静钢。 三、钢的轧制 辊轧是型钢和钢板成型的工序，是二次熔炼的过程，可以改善钢材的性能。辊轧分热轧和冷轧，以前者为主。冷轧只用于生产小号型钢和薄板。 经过热轧后，钢材组织密实，力学性能得到改
5、善。这种改善主要表现在沿轧制方向上，从而使钢材在确定程度上不再是各向同性体。经过轧制之后，钢材内部的非金属夹杂物被压 1 成薄片，展现分层现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时展现层间撕裂。焊缝收缩诱发的局部应变是屈服点应变的数倍。 型钢和扁钢总是沿辊轧方向受力，不存在非各向同性问题。钢板那么不同，垂直于辊轧方向受力，因此钢板拉力试验的试样应垂直与轧制方向切去。 轧制影响钢材的塑性和韧性，产生剩余应力，同时加工、切割、焊接也产生剩余应力。热轧钢材厚度小的强度高于厚度大的，而且塑性及冲击韧性也对比好。因此钢材的机械性能要按厚度分级。热轧是不平匀冷却造成的剩余应力。在
6、没有外力作用下内部自相平衡的应力叫做剩余应力。板的尺寸越大，冷却后的应力也越大。各种截面的热轧型钢都有这类剩余应力，不过随截面形式和尺寸不同，剩余应力的分布有所识别。一般地说，截面尺寸越大，剩余应力也越大。剩余应力虽然是自相平衡的，对钢构件在外力作用下的性能有确定影响。剩余应力影响变形、稳定性、疲乏、低温脆断等。 轧制普遍工字钢的轧机只有两个水平轧辊。滚轧成型时，腹板所受压力大于翼缘，翼缘所受压力和它内侧的斜度有关。腹板的性能优于翼缘。当工字钢作受弯构件时，翼缘的应力大于腹板，承载才能主要取决于翼缘的性能。我国规定，各类型钢拉力试验和冲击试验的样坯都从翼缘上切取，不过，槽钢和工字钢拉伸试件也可
7、以在腹板取样。 判断钢布局事故应考虑以下几个方面，化学成分不平匀；C、S、P偏析，含量外多、内少；厚钢板要抽查检验是否有层间撕裂，利用超声波或X射线探伤。 四、矫直和热处理 钢材热轧冷却后存在剩余应力，因此矫直后的剩余应力应是对原始剩余应力举行重新分布。重分布使翼缘原始剩余应力峰值有所降低，将减轻用作压杆时的不利作用。 矫直有两种方法，辊床调直和顶直。 热处理可以变更钢材性能，建筑钢材一般以热轧状态交货，不举行热处理。热处理包括调质热处理和正火。调质热处理包括淬火和高温回火两道工序。 五、钢材的匀质和等向性 钢材内部化学元素的分布不是完全平匀的。钢锭的四周片面含碳裁减，从周边到中心碳逐步增多，
8、硫、磷等杂质也聚集在冷却较慢的片面，形成偏析。型钢截面上不同片面的屈服点有区别，是力学性质上的一种非匀质现象。测试力学性能的方法是在翼缘上切取试样确定屈服点比在腹板上取样更能反映材料的实际性能。 钢材内部存在剩余应力，从力学角度来说也是一种不平匀性。钢板的各向异性，表现在三个方向的受力性能。沿轧制方向力学性能最好，横向稍差。钢板如有分层，那么沿厚度方向性能最差。是否分层，需用超声波等手段探伤。对于对比重要的布局，一是对钢材举行探伤检查，并限制局片面层的面积，二是在设计时留神制止垂直于板面受拉和焊缝收缩造成层间撕裂。 【加工对钢构件性能的影响】 一、加工对钢构件性能的影响 钢布局的建立过程分为热
9、加工、冷加工和冷作硬化。热加工，如钻孔切割，影响剩余应力。冷加工使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。 1、冷加工的影响 冷加工考虑的因素有屈服强度、抗拉强度、冷弯性能。冷加工后，钢材的强度有所提高，但塑性和冲击韧性降低。韧性降低的理由包括冷加工和时效两种因素。钢材的剪切和冲孔，使剪断的边缘和冲出的孔壁严重硬化，甚至展现微细裂纹。对于对比重要的布局，剪断处需要刨边；冲孔只能用较小的冲头，冲完再举行扩孔。目的都是把硬化片面除掉，以免裂纹在确定条件下扩展。 2 冷弯成型后弯角片面屈服点大幅度提高，同时抗拉强度也有所提高，但塑性降低。外侧沿圆弧方向为拉伸，沿半径方向为压缩，内侧沿弧线方向压缩，沿半径方向
10、拉伸。当材料弯成圆角时半径和板厚之比越小，塑性应变越大，屈服点提高幅度越大。 Q345-16Mn，在15以下不要冷加工，轻易产生脆性断裂。Q235-A3，在20以下不要冷加工，轻易产生脆性断裂。 2、热加工的影响 热加工包括火焰切割、乙炔切割和焊接。 焊接和焰割对钢材焊接造成以下后果，焊缝金属具有铸造组织，不同于轧制钢材，焊缝性能不如母材好，但强度高；焊弧的高温使邻近焊缝的钢材发生组织变化，焊缝邻近性能不好，形成热影响区，热影响区包括过热区、正火区和片面重结晶区，在疲乏处境下，热影响区轻易破坏；局部性的高温使钢材发生塑性变形，冷却后存在剩余应力，剩余应力产生的理由是熔化铁水膨胀，未熔化片面对其
11、产生的应力。 焊缝金属的碳含量稍低，而氮、氢、氧稍高。采用短弧焊、埋弧焊和气体养护焊使熔化金属和空气更好的隔离，可以不同程度地氮和氧的含量。焊缝金属含氢量高来源于大气和焊条药皮，包括药皮的有机物成分和吸收的水分。当冷却快时氢能使焊缝金属内部展现微观裂纹。因此，受潮的焊条务必烘干后才能使用，重要布局还要用低氢型焊条，以制止展现裂纹。 焊接构件的剩余应力和热轧构件的一样，在整个截面上拉压两片面应力自相平衡，不同的是焊接构件在焊缝及其近旁的剩余拉应力更加高。 三条焊缝处境要制止交错，如不能制止，将次要焊缝断开，不要贯串。 在制造厂对焊接布局的零件下料时，要考虑施焊后冷却的收缩而把材料适当放长。假设两
12、个构件受到相连的刚性片面牵制而不能收缩，那么整个构件将产生拉应力，这是另一种剩余应力，叫做反作用剩余应力。 3、热矫正和热成型 常用的矫正方法是举行局部加热，使其冷却后产生反向变形。为了防止淬火效应，加热温度不应超过900，钢布局模范规定，低合金钢在加热矫正后应自然冷却。 热加工成型的构件需要加热到9001000。 二、制造和安装的偏差对钢布局性能的影响 存在初始弯曲的轴心压杆，受压才能降低，既受压又受弯。存在初始弯曲的轴心拉杆，不降低承受拉力的才能。杆长度的偏差会使体系内压力和拉力在体系内自相平衡。由于展现在承受荷载之前，称为剩余内力。当剩余内力和载荷引起的内力同号时，将使承载才能降低。 【
13、外界作用对钢布局性能的影响】 外界作用包括钢布局建成后的使用荷载和大气作用等。 一、多轴应力的影响 钢材在双向拉力作用下屈服应力和抗拉强度提高，延迟率降低。在异号双向应力作用下屈服应力和抗拉强度降低，延性率增大。三向受拉塑性比双向受拉还低，破坏将是脆性的。三轴拉应力对钢布局是特别不利的。 二、加荷速率的影响 建筑布局钢材在冲击性的快速加载作用下保持良好的强度和塑性变形才能。即在20左右的室温环境下，钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率的增大而提高，塑性变形才能也提高。不利方面是脆性转变温度随加荷速率增加而提高。 三、循环加载的影响 钢材在屡屡重复荷载的循环荷载作用下滞回环充实而稳定，这种好的性能为
14、钢布局在地震作用下耗能才能供给了根基。 3 四、低温柔腐蚀性介质的影响 低温使钢材韧性降低，温度降低到确定程度时钢材在冲击荷载作用下完全是脆性断裂，腐蚀性介质也会促成脆性断裂并影响疲乏强度。 五、高温的影响 除了有热源的生产车间外，钢布局可能遭遇的高温主要来自火灾。假设应力较高，且温度接近600，那么高温软化可以导致压杆屈曲和拉杆展现颈缩，需要修复、加固或更换。假设火灾后构件没有新的变形，一般都可以持续安好承载。 防止钢布局火灾损伤的途径，一是用放火材料加以养护，二是应用耐火钢材。 其次章 钢布局稳定问题概述 钢布局承载才能极限状态可以展现于以下六种处境： 1、整个布局或其一片面作为刚体失去平
15、衡（如倾复）； 2、布局构件或连接因材料强度被超过而破坏； 3、布局转变为机动体系（倒塌）； 4、布局或构件流失稳定（屈曲等）； 5、布局展现过度的塑性变形，而不适于持续承载； 6、在重复荷载作用下构件疲乏断裂。 【钢布局的失稳破坏】 建筑布局用的钢材具有很大的塑性变形才能。当布局因抗拉强度缺乏而破坏时，破坏前呈现较大变形。但是当布局因受压稳定性缺乏而破坏时，可能在失稳前只有很小的变形，即呈脆性破坏的特征。脆性破坏具有突发性，不能由变形进展的征兆实时防止，所以比塑性破坏危害。按国家标准，脆性破坏的构件的稳当指标应比延性破坏者提高一级，即安好等级为二级的构件?值由3.2提高到3.7。 【失稳类别】 一、钢布局的稳定问题分为两类： 1、第一类稳定问题或具有平衡分岔的稳定问题（也叫分支点失稳）。完善直杆轴心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。 2、其次类稳定问题或无平衡分岔稳定的问题（也叫极值点失稳）。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性进展到确定程度时流失稳定的承载才能，属于这一类。但某些布局如坦拱，
