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1、 钢钢 结结 构构n n第一章第一章 概述概述n n第二章第二章 建筑钢材建筑钢材n n第三章第三章 钢结构的连接钢结构的连接n n第四章第四章 轴心受力构件轴心受力构件n n第五章第五章 梁（受弯构件）梁（受弯构件）n n第六章第六章 拉弯与压弯构件拉弯与压弯构件第一章第一章 绪绪 论论n n第一节第一节第一节第一节 钢结构的特点与应用钢结构的特点与应用钢结构的特点与应用钢结构的特点与应用n n第二节第二节第二节第二节 钢结构的设计原理与方法钢结构的设计原理与方法钢结构的设计原理与方法钢结构的设计原理与方法n n第三节第三节第三节第三节 钢结构的发展钢结构的发展钢结构的发展钢结构的发展n n
2、第四节第四节第四节第四节 钢结构课程的学习方法钢结构课程的学习方法钢结构课程的学习方法钢结构课程的学习方法第一节第一节 钢结构的特点及应用钢结构的特点及应用一、钢结构的特点一、钢结构的特点1 1 1 1、强度高、强重比大；塑性、韧性好；、强度高、强重比大；塑性、韧性好；、强度高、强重比大；塑性、韧性好；、强度高、强重比大；塑性、韧性好；2 2 2 2、材质均匀，符合力学假定，安全可靠度高；、材质均匀，符合力学假定，安全可靠度高；、材质均匀，符合力学假定，安全可靠度高；、材质均匀，符合力学假定，安全可靠度高；3 3 3 3、工厂化生产，工业化程度高，施工速度快；、工厂化生产，工业化程度高，施工速
3、度快；、工厂化生产，工业化程度高，施工速度快；、工厂化生产，工业化程度高，施工速度快；4 4 4 4、钢结构耐热不耐火；易锈蚀，耐腐性差。、钢结构耐热不耐火；易锈蚀，耐腐性差。、钢结构耐热不耐火；易锈蚀，耐腐性差。、钢结构耐热不耐火；易锈蚀，耐腐性差。二、二、二、二、钢结构的应用钢结构的应用钢结构的应用钢结构的应用1 1 1 1、重型结构及大跨度建筑结构；、重型结构及大跨度建筑结构；、重型结构及大跨度建筑结构；、重型结构及大跨度建筑结构；2 2 2 2、多层、高层及超高层建筑结构；、多层、高层及超高层建筑结构；、多层、高层及超高层建筑结构；、多层、高层及超高层建筑结构；3 3 3 3、轻钢结构
4、；、轻钢结构；、轻钢结构；、轻钢结构；4 4 4 4、塔桅等高耸结构；、塔桅等高耸结构；、塔桅等高耸结构；、塔桅等高耸结构；5 5 5 5、钢混凝土组合结构。、钢混凝土组合结构。、钢混凝土组合结构。、钢混凝土组合结构。第二节第二节 钢结构的设计原理与方法钢结构的设计原理与方法n n结构设计首层规范建筑结构可靠度设计统一标准结构设计首层规范建筑结构可靠度设计统一标准结构设计首层规范建筑结构可靠度设计统一标准结构设计首层规范建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068GB50068）规定：结构的可靠度应采用以概率论为基规定：结构的可靠度应采用以概率论为基规定：结构的可靠度应采用以概率论为基规定：结构
5、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。础的极限状态设计方法分析确定。础的极限状态设计方法分析确定。础的极限状态设计方法分析确定。n n钢结构和其他建筑结构一样，遵循钢结构和其他建筑结构一样，遵循钢结构和其他建筑结构一样，遵循钢结构和其他建筑结构一样，遵循“ “统一标准统一标准统一标准统一标准” ”要求，要求，要求，要求，采用的也是采用的也是采用的也是采用的也是以概率论为基础，用分项系数表达的极限以概率论为基础，用分项系数表达的极限以概率论为基础，用分项系数表达的极限以概率论为基础，用分项系数表达的极限状态设状态设状态设状态设j j计方法计方法计方法计方法。n n极限状态设计方
6、法，在前序课程（如钢混结构、地基极限状态设计方法，在前序课程（如钢混结构、地基极限状态设计方法，在前序课程（如钢混结构、地基极限状态设计方法，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，与基础等），对此以作详细介绍，此课就不再讲述，与基础等），对此以作详细介绍，此课就不再讲述，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。认真进行复习。认真进行复习。认真进行复习。n n通过复习应掌握以下概念：结构的极限状态；结构的通过复习应掌握以下概念：结构的极限状态；结构的通过复习应掌握以下概念：结构的极限状态；结构的通过复习应掌握以下概念：结构的极限状态；结构的
7、基本功能要求；结构的可靠度；失效概率；荷载及强基本功能要求；结构的可靠度；失效概率；荷载及强基本功能要求；结构的可靠度；失效概率；荷载及强基本功能要求；结构的可靠度；失效概率；荷载及强度的标准值与设计值。度的标准值与设计值。度的标准值与设计值。度的标准值与设计值。第三节第三节 钢结构的发展钢结构的发展n n我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的原因致使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，已有现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比，已有相当大的差距，最大的差距在于建筑钢结构。相当大的差距，最大的差距在于建筑钢结构。n n9797年新发布的中国
8、建筑技术政策中强调要重点发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。扩大钢结构住宅的市场占有率。n n9696年我国钢产量已开始超亿吨，居世界首位，为钢结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，对钢材的使用已由构发展奠定物质基础，对钢材的使用已由“ “节约使用节约使用” ”变为变为“ “合理用钢合理用钢” ”、“ “加大建筑用钢加大建筑用钢” ”。n n当今我国建筑业中发展最快的就是钢结构，最缺的人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
9、构专业，发展钢结构以带动其它相关产业才也是钢结构专业，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。的发展，已成为建筑业发展的重要任务。第四节第四节 钢结构课程的学习方法钢结构课程的学习方法n n根据教学大纲要求，课程只讲钢结构的基本根据教学大纲要求，课程只讲钢结构的基本根据教学大纲要求，课程只讲钢结构的基本根据教学大纲要求，课程只讲钢结构的基本构件部分；构件部分；构件部分；构件部分；n n本课程的特点是：大家对钢结构的感性认识本课程的特点是：大家对钢结构的感性认识本课程的特点是：大家对钢结构的感性认识本课程的特点是：大家对钢结构的感性认识少，结构构造复杂，理论性强（特别是稳
10、定少，结构构造复杂，理论性强（特别是稳定少，结构构造复杂，理论性强（特别是稳定少，结构构造复杂，理论性强（特别是稳定理论）；理论）；理论）；理论）；n n受课时限制，不能过多的详解例题，一定要受课时限制，不能过多的详解例题，一定要受课时限制，不能过多的详解例题，一定要受课时限制，不能过多的详解例题，一定要记好笔记，从机理理解一些理论问题，加强记好笔记，从机理理解一些理论问题，加强记好笔记，从机理理解一些理论问题，加强记好笔记，从机理理解一些理论问题，加强课前预习与课后复习；课前预习与课后复习；课前预习与课后复习；课前预习与课后复习；n n多作习题与思考题，避免眼高手低。多作习题与思考题，避免眼
11、高手低。多作习题与思考题，避免眼高手低。多作习题与思考题，避免眼高手低。第二章第二章 建筑钢材建筑钢材n n第一节第一节第一节第一节 建筑结构用钢的基本要求建筑结构用钢的基本要求建筑结构用钢的基本要求建筑结构用钢的基本要求n n第二节第二节第二节第二节 钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能n n第三节第三节第三节第三节 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素n n第四节第四节第四节第四节 建筑结构用钢的种类及选择建筑结构用钢的种类及选择建筑结构用钢的种类及选择建筑结构用钢的种类及选择第一节第一节 建筑结构用钢
12、的基本要求建筑结构用钢的基本要求 钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑钢材种类繁多，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。结构用钢来说，主要有三方面的要求。结构用钢来说，主要有三方面的要求。结构用钢来说，主要有三方面的要求。1 1 1 1、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻；结构的自重轻；结构的自重轻；结构的自重轻；2 2 2 2、较好的塑
13、性及韧性：塑性好，不易发生脆性破、较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破、较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破、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；坏；韧性好，利于承受动力荷载；坏；韧性好，利于承受动力荷载；坏；韧性好，利于承受动力荷载；3 3 3 3、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯、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；性能以及耐腐性能；性能以及耐腐性能；性能以及耐腐性能； 据上要求据上要求据上要求据上要求, , , ,钢结构设计规范钢结构
14、设计规范钢结构设计规范钢结构设计规范GB50017-2019GB50017-2019GB50017-2019GB50017-2019推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235Q235Q235Q235钢及低合金高强结构钢中的钢及低合金高强结构钢中的钢及低合金高强结构钢中的钢及低合金高强结构钢中的Q345Q345Q345Q345、Q390Q390Q390Q390和和和和Q420Q420Q420Q420钢四种钢材。钢四种钢材。钢四种钢材。钢四种钢材。第二节第二节 钢材的主要机械性能钢
15、材的主要机械性能一、单向拉伸试验曲线一、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，按理想弹塑性体考虑，fy y定为钢材拉、压强度标准值。定为钢材拉、压强度标准值。二、钢材的主要机械性能二、钢材的主要机械性能1.1.强度：强度：f fy y 强度设计标准值，设计依据；强度设计标准值，设计依据；f fu u钢材的最大钢材的最大承载强度，安全储备承载强度，安全储备。2.2.塑性塑性 5 5（ 1010），），钢材产生塑变时而不发生脆性断裂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
16、。的能力，便于内力重分布，吸收能量，重要指标。3.3.冷弯性能冷弯性能9090o o、180180o o，在冷加工过程中产生塑性变形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。量的综合指标。4.4.韧性冲击韧性韧性冲击韧性 k k，钢材在一定温度下塑变及断裂过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（能力（动力指标），按常温（2020o o）、）、零温（零温（0 0o o） 、负负温（温（-20-20o
17、o、-40-40o o）区分区分 。5.5.可焊性表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能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。力不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求。第三节第三节 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素1 1、化学成份、化学成份2 2、冶金及轧制、冶金及轧制3 3、冷作硬化与时效硬化、冷作硬化与时效硬化4 4、复杂应力与应力集中、复杂应力与应力集中5 5、残余应力、残余应力6 6、温度、温度1、化学成份的影响 基本成份为基本成份为Fe，炭钢中含量占，炭钢中含量占99，C、Si、Mn为杂质元为杂质元素，素，S、P、N、O为冶
18、炼过程中不易除尽的有害元素。为冶炼过程中不易除尽的有害元素。C：含含C使强度使强度塑性、韧性、可焊性塑性、韧性、可焊性，应控制在，应控制在0.22%，焊，焊接结构应控制在接结构应控制在0.20%。Si：含含Si适量使强度适量使强度 其它影响不大，有益，应控制其它影响不大，有益，应控制0.10.3%Mn：含含Si适量使强度适量使强度 降低降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，对其它性能影响不大，有益有益。S：含量含量使强度使强度塑性、韧性、性能冷弯、可焊性塑性、韧性、性能冷弯、可焊性； 高温时使钢材变脆高温时使钢材变脆热脆现象热脆现象。P：低温时使
19、钢材变脆低温时使钢材变脆冷脆现象冷脆现象；其它同；其它同SO、N：O同同S；N同同P，控制含量控制含量0.008%2、冶金与轧制的影响冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用时间快，价格低，质量差；镇静钢用Si为脱氧剂，时为脱氧剂，时间慢，价格高，质量好。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，使钢材的力学性实，晶粒
20、细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。能提高。3、冷作硬化与时效硬化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下降，增加脆性的现象称之为硬化现象硬化现象。冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生冷加工时（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塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化冷作硬化。钢材中的钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化老化”现象称
21、之现象称之为为时效硬化时效硬化。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。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。大并多为同号应力场。5 5、残余应力的影响、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钢
22、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（相平衡的内力（P26,P26,图图2.102.10）, ,残余应力虽对构件的强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）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。温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。n正温影响（正温影响（P27P27，图图2.112.11）总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这
23、一现象称之为性提高，这一现象称之为热塑现象热塑现象，温度达，温度达600o左右时，左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进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，此温度称之为行热加工，此温度称之为热煅温度热煅温度。需要说明：钢材在需要说明：钢材在300o左右时，强度提高，塑性、韧性左右时，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下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象蓝脆现象。钢材在钢材在300o以上时应采取以上时应采取隔热措施隔热措施。n负温影响（负温影响（P27P27，图图2.122.12）随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧
24、性降低，脆随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为性增大，称之为低温冷脆低温冷脆，当温度降至某一特定温度时，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度转脆温度。第四节第四节 建筑结构用钢的种类与选择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一、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类一、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类一、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类n n钢材牌号由：钢材牌号由：钢材牌号由：钢材牌号由：“ “QQ、屈服点值、质量等级、脱氧方法屈服点值、质量等级、脱氧方法屈服点值、质量等级、脱氧方
25、法屈服点值、质量等级、脱氧方法” ”四部分组成。四部分组成。四部分组成。四部分组成。l lQQ：表示表示表示表示“ “屈屈屈屈” ”字拼音首位字母，意为字拼音首位字母，意为字拼音首位字母，意为字拼音首位字母，意为“ “屈服强度屈服强度屈服强度屈服强度” ”；l l质量等级：分质量等级：分质量等级：分质量等级：分AEAE五级（字序越高质量越好）；五级（字序越高质量越好）；五级（字序越高质量越好）；五级（字序越高质量越好）；l l脱氧方法：脱氧方法：脱氧方法：脱氧方法：F F沸腾钢；沸腾钢；沸腾钢；沸腾钢；Z Z镇静钢（一般省略）；镇静钢（一般省略）；镇静钢（一般省略）；镇静钢（一般省略）； b
26、b半镇静钢；半镇静钢；半镇静钢；半镇静钢；TZTZ特殊镇静钢。特殊镇静钢。特殊镇静钢。特殊镇静钢。注：炭素结构钢分：注：炭素结构钢分：注：炭素结构钢分：注：炭素结构钢分：A A、B B、C C、D D 四级，含所有脱氧方法；四级，含所有脱氧方法；四级，含所有脱氧方法；四级，含所有脱氧方法；低合金结构钢分：低合金结构钢分：低合金结构钢分：低合金结构钢分：A A、B B、C C、D D、E E五级，只有镇静钢五级，只有镇静钢五级，只有镇静钢五级，只有镇静钢和特殊镇静钢。和特殊镇静钢。和特殊镇静钢。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如前所述建筑结构用钢，宜选炭素结构钢中的如前所
27、述建筑结构用钢，宜选炭素结构钢中的如前所述建筑结构用钢，宜选炭素结构钢中的Q235Q235及及及及低合金钢中的低合金钢中的低合金钢中的低合金钢中的Q345Q345、Q390Q390、Q420Q420四种钢材。四种钢材。四种钢材。四种钢材。二、建筑结构用钢的选择二、建筑结构用钢的选择二、建筑结构用钢的选择二、建筑结构用钢的选择1.1.钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强度度度度f fu u、屈服强度屈服强度屈服强度屈服强度f fy y、伸长率伸长率伸长率伸长率 5
28、5（ 1010）、）、）、）、冷弯冷弯冷弯冷弯180180o o及冲击韧性及冲击韧性及冲击韧性及冲击韧性 k k，化学成分化学成分化学成分化学成分C C、S S、P P等等等等的极限含量，的极限含量，的极限含量，的极限含量，以及冶炼脱氧方法来衡量。选材时应根据结构的以及冶炼脱氧方法来衡量。选材时应根据结构的以及冶炼脱氧方法来衡量。选材时应根据结构的以及冶炼脱氧方法来衡量。选材时应根据结构的重要性重要性重要性重要性、荷载性质荷载性质荷载性质荷载性质（静、动）、（静、动）、（静、动）、（静、动）、连接方法连接方法连接方法连接方法、工作工作工作工作温度温度温度温度等因素来综合考虑以选择适宜钢材。等因
29、素来综合考虑以选择适宜钢材。等因素来综合考虑以选择适宜钢材。等因素来综合考虑以选择适宜钢材。2.2.一般承重结构应有一般承重结构应有一般承重结构应有一般承重结构应有f fu u、f fy y、 5 5以及以及以及以及C C（ 0.22%0.22%）、）、）、）、S S、P P的极限含量合格保证；焊接及重要的非焊接承的极限含量合格保证；焊接及重要的非焊接承的极限含量合格保证；焊接及重要的非焊接承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重结构还应具备冷弯重结构还应具备冷弯重结构还应具备冷弯180180o o合格保证合格保证合格保证合格保证（C0.2%C0.2%）；承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时, ,还应根据还应根据还应根据还应根据具体情况增加对具体情况增加对具体情况增加对具体情况增加对 k k的不同要求。的不同要求。的不同要求。的不同要求。
