钢结构材料及其连接

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,钢结构,华南理工大学土木工程系,结构教研室 陈兰,2008年,教学内容安排,绪论,钢结构材料,钢结构的连接,轴心受压构件,梁的计算和设计,拉弯和压弯构件,第一章 绪论,公元65年兰津桥 限制使用 96年积极推广使用,材料 + 力学 + 构造,一、 钢结构的特点和应用范围,1,重量轻,因其强度高，承受相同荷载时杆件截面小。,每榀24m屋架：钢结构2.12.7 t ，预应力砼6.411.3 t；是1/31/4,2,塑性、韧性好,塑性承受静力荷载时，材料吸收变形的能力。塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而突然断裂，给人以安全.,韧性承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。,韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能，对,动力荷载的适应性较强。这些性能对钢结构的安全,性提供了保证,。,3.,材料接近各向同性体。,实际工作性能与力学假定相符， 计算结果可靠.,4制作简便，易于工业化生产，周期短。,由各种型材组成，在专业化的厂房生产，现场,安装(焊接、螺栓联结)，便于拆卸、加固、改造。,密封性好,气密性、水密性好，用在高压容器，油库，气库,6.,绿色材料 重新冶炼、重复使用、节能减排,7.,耐热性好,防火性差,t300,强度下降,t500,强度为,0,.易锈蚀,8 . 易锈蚀,刷涂料、 镀锌， 维护费用高,二.应用范围,大跨度结构 : 大会堂、体育馆、影剧院、桥,重 型 厂房 :冶金厂、重型机器厂、炼钢厂,高 层 建筑 :北京京广中心、香格里拉、,金茂大 厦（88层，420m),广州西塔432m，广州新电视塔610m,塔桅结构 : 电视塔、发射塔,板壳结构 ：容器,可拆卸结构 ：临时房屋、周转用具,轻型钢结构：较小的屋面活荷载,钢与砼组合结构,金茂大厦,广州西塔,锈蚀图,鸟巢图片,广州会展中心,2003年北京小汤山医院简介,：,总建筑面积：,2.5万,，1000张病床，占地122亩；,质量医疗设施标准：一级传染病院；,施工周期：7天7夜；,施工人员：7000名，6家企业；,耗资：2亿；,共救治680名患者，医护人员、武警：1383名；,一般500张床位的标准医院，施工周期为2年。,我国钢产量持续发展,1996年 1 亿吨,年,2,亿吨,2003,年,2.2,亿吨,年,2.75,亿吨,2006,年,4.8,亿吨,钢结构的计算方法,二、钢结构的计算方法,原则：,技术先进，安全实用，经济合理,概率极限状态设计法以分项系数表达，以概率,理论为基础。,即用最经济的方法，使结构以适当的可靠度满足,下列功能：,(1),安全性：,承受正常情况下各种作用和偶然事件中,保持必 需的稳定。,(2),适用性：,有良好的工作性能,(3),耐久性,极限状态分二类:, 承载能力极限状态 ：强度、疲劳破坏、失稳, 正常使用极限状态 ：影响使用的变形、振动,结构功能函数,结构功能函数,Z=g（S，R）=R-S,S作用效应，荷载地震引起的内力和变形,（M、V、N、位移），随机变量,R结构抗力，能够承受内力和变形的能力,（承载力、刚度）,Z 0 可靠状态 ;,Z 0 失效状态 ;,Z = 0 极限状态,结构可靠度：结构在规定时间规定条件下完成预定功能的概率,用可靠指标衡量，=3.2 (p13),第二章 钢结构材料,2.1 对钢材的要求,高强度,f,y,屈服强度 yield,f,u,极限强度 ultimate,塑性、韧性好,良好的加工性能、可焊性,2.2 钢材的主要性能,一、 单向拉伸,(1)弹性阶段,：OP直线，,f,P,比例极限,PE曲线,卸载无残余应变，,f,e,弹性极限,（2）弹塑性阶段,：ES曲线,卸载有残余应变,(3)屈服阶段,：SC水平段，应力稍增，应变剧,增，有残余应变。内部组织有变化,晶粒与晶粒之间产生滑移。,重要指标,f,y,屈服强度,流幅大 塑性越好；,(4 ) 强化阶段,：CB-曲线，,f,u,-极限强度,通过对曲线的分析，假定钢材为理想的弹性塑性,体。因为 ：,1）计算简便；,2） 与 相差不大,3） 虽然 ，但对应的应变非常大,4） 以 作为设计强度的依据，具有较大的,强度储备。,屈强比；,Q235为0.57，Q345为0.67,单向拉伸试验应力应变图,理想弹塑性应力应变曲线,二、破坏形式,两种不同性质的破坏:,三、钢材的主要性能,冲击韧性试验图,低温下，冲击韧性急剧下降故应测,其负温冲击韧性,GB70065给出了钢材常温及负温冲击韧,性指标。如Q235(A3),常温：,负温下（-20）：,冷弯试验图,检查表面有无,分层、裂纹,，,假定：）材料由弹性转入塑性的强度指,标用变形时单位体积中积聚的,能量来表达；,）当复杂应力状态下变形能等于,单轴受力时达到塑性时的变形,能时，钢材即由弹性转入塑,性。,四、复杂应力状态下的屈服条件,剪切屈服强度,2.3 影响钢材性能的因素,一. 化学成分的影响,Fe 99%,C Si Mn 1% 决定作用,S P O N,C 提高强度，降低塑性韧性,含碳量 0.22% (非焊接结构）, 0.2% （焊接结构）,Si脱氧剂 Mn弱脱氧剂，有效的合金成分,S 、O热脆,P、N冷脆,铁中加入铬、镍、钒、铜 、钛合金钢 所含含量小(5%) ，低合金钢,二.成材过程的影响(p2324),冶炼、浇注,钢材缺陷的影响,1. 偏析 ：化学成分不一致不均匀,2. 非金属夹杂：硫化物、氧化物，性能变坏,3. 裂纹：可见、不可见,4.分层：沿厚度方向形成不相互脱离的层间层间易锈蚀,轧制：1300C，钢锭钢胚 型钢，将小气泡裂纹焊,合， 使金属组织更致密，压缩比越大，材料,越薄，性能越好。p20,应变硬化：冷加工时，强度提高，塑性、韧性下降,时效硬化：随着时间的增长,析出的化和物,应变时效：应力集中,三.应力集中的影响,定义：在孔洞、槽口、截面突然改变处,产生 应力高峰,甚至产生横向应力。,用应力集中系数k表示,k=最大应力/平均应力,k越大,同号三向拉应力值越接近,钢材越脆。,设计时,构造形状要合理,避免截面突然改变。,四.荷载类型的影响,荷载分类:,动力冲击荷载:一次快速加载,加载速度: 屈服点、抗拉强度随速率增加提高,循环荷载:累积损伤,五.温度影响,温度对钢材性能影响很大。,t300c，强度、E显著下降,塑性上升,t=600c，强度=0，热塑性状态,t常温，强度提高,塑性韧性下降,称为低温冷脆现,象尤其是冲击韧性对温度十分敏感,2.4 钢材的疲劳,定义:在反复连续荷载下,钢材从累积损伤产生裂纹,裂纹开展破坏,疲劳破坏特征:,突然性,破坏前无明显塑性变形,脆性破坏,与瞬间断裂不同,是延时断裂。,断口与一般脆性断口不同,分三个区域。,对缺口、裂纹等缺陷很敏感,常幅循环应力图,常幅疲劳验算,采用容许应力法,荷载的标准值,说明:,1）计算时用荷载的标准值；,2) 由于 来源于试验，已考虑动力效应,计算 时不再考虑动力系数；,3) 为最低疲劳寿命，GB50017-2003规定当 时，进行疲劳计算；,4) 在应力幅不出现拉应力的部位，不进行,疲 劳计算,5) 实际工程中，只有重级工作制吊车梁需,要计算，中、轻级工作制吊车梁不必验,算。,6)对于海水腐蚀、低周疲劳等情况不属于此计算范畴,2.5 钢材类别和选用,二大类：碳素结构钢、低合金高强度结构钢,1.碳素结构钢 Q195、Q215、Q235、Q255、Q275,推 荐 用 钢 : Q235,钢号由4部分组成: Q、屈服点值 、等级、脱氧方法,等级: A 、B 、C 、D 按化学成分和冲击试验划分,脱氧方法: F、b或Z (省略) 、TZ(省略),如 Q235AF屈服点为235N/mm,2,的A级沸腾钢,Q235B,2.低合金高强度结构钢,添加少量合金元素, 合金含量低于5%,国家标准：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460,规范推荐: Q345、Q390、Q420,划分5个等级:A、B、C、D、E,全为镇静钢,牌号表示与碳素钢类似,无脱氧方法 F,如Q345B,Q235表示方法,0C,-20C,2.6 钢材的规格,钢板 热轧型钢 薄壁型钢,1、钢板 分厚板 、薄板、扁钢,厚度宽度长度(mm) 400 12 3000,2、角钢 等边 L 肢宽厚度 L 90 8,不等边 L 长肢短肢厚度 L100 80 6,3、槽钢, 以高度的cm数表示 40a 高度400mm腹板较薄、,40b 腹板中等,40c 腹板较厚,4、工字钢,I,以高度的cm数表示,I,32a,5、H型钢,与工字钢相比,翼缘宽度大，表面平整，,I,X 、,I,Y,大,，,分3种: 宽翼缘HW、中翼缘HM 、窄翼缘HN,高度宽度 HW400400,6、钢管,分2种: 热轧无缝钢管、焊接钢管,外径厚度 1144,7、园钢 外径 14,8、冷弯薄壁型钢,1.56mm厚的钢板冷弯和锟压成型,0.41.6mm厚的压型钢板,型钢规格图,2.7 钢材的选择,考虑因素:,1.结构或构件的重要性;,2.荷载性质(静载或动载);,3.连接方法(焊接、螺栓);,4.工作条件(温度及腐蚀介质);,重要结构、承受动载、低温条件、焊接结构,应选用质量较高的钢材。,