第十一章钢结构.pptx
第1页/共81页第2页/共81页第3页/共81页第4页/共81页第十一章钢结构钢结构的应用范围1.1.大跨度结构2.2.重型厂房结构3.3.受动力荷载影响的结构4.4.可拆卸的结构5.5.高耸结构和高层建筑6.6.容器和其他构筑物7.7.轻型钢结构第5页/共81页第6页/共81页第一节钢结构的材料和钢结构的特点一、钢结构的材料（一）钢材低碳钢、低合金高强度钢。(1)钢材的种类和牌号 碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点的数值（N/mm2）、质量等级符号和脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。如Q235AF表示屈服强度为235Nmm2的A级沸腾钢；Q235-Bb表示屈服强度为235Nmm2的B级半镇静钢；Q235-C表示屈服强度为235Nmm2的C级镇静钢。第7页/共81页低合金高强度结构钢低合金钢是在冶炼过程中添加一种或几种少量合金元素，其总量低于5的钢材。其牌号与碳素结构钢牌号的表示方法相同，常用的低合金钢有Q345、Q390、Q420等。低合金钢的脱氧方法为镇静钢或特殊镇静钢。Q345-B表示屈服强度为345Nmm2的B级镇静钢；Q390D表示屈服强度为390Nmm2的D级特殊镇静钢。碳素结构钢和低合金钢都可以采取适当的热处理(如调质处理)进一步提高其强度。例如用于制造高强度螺栓的45号优质碳素钢以及40硼（40B）、20锰钛硼（20MnTiB）就是通过调质处理提高强度的。第8页/共81页（2）钢材的规格 钢结构所用钢材主要为热轧成型的钢板、型钢，以及冷弯成型的薄壁型钢等。钢板 钢板有薄钢板（厚度0.354mm）、厚钢板（厚度4.560mm）、特厚板（板厚60mm）和 扁 钢(厚 度 460mm，宽 度 为12200mm)等。钢板用“宽厚长”或“宽 厚”表 示，单 位 为 mm，如 45083100，4508。型钢 钢结构常用的型钢是角钢、工字型钢、槽钢和H型钢、钢管等。除H型钢和钢管有热轧和焊接成型外，其余型钢均为热轧成型。第9页/共81页冷弯薄壁型钢 冷弯薄壁型钢采用薄钢板冷轧制成。其壁厚一般为1.512mm，但承重结构受力构件的壁厚不宜小于2mm。薄壁型钢能充分利用钢材的强度以节约钢材，在轻钢结构中得到广泛应用。常用冷弯薄壁型钢截面型式有等边角钢、卷边等边角钢、Z型钢、卷边Z型钢、槽钢、卷边槽钢（C型钢）、钢管等。第10页/共81页第11页/共81页(3)钢材的选用原则 钢材选用的原则是既要使结构安全可靠和满足使用要求，又要最大可能节约钢材和降低造价。为保证承重结构的承载力和防止在一定条件下可能出现的脆性破坏，应综合考虑下列因素：结构的重要性、荷载的性质、连接方法、结构的工作环境、钢材厚度第12页/共81页（二）连接材料：焊条、焊丝、螺栓、螺钉二、钢结构的特点1.1.材料的强度高,塑性和韧性好2.2.材质均匀,和力学计算的假定比较符合3.3.钢结构制造简便,施工周期短4.4.钢结构的质量轻5.5.钢材耐腐蚀性差6.6.钢材耐热但不耐火第13页/共81页三、钢材及连接的强度设计值（一）钢材的强度设计值抗拉、抗压、抗弯强度设计值f抗剪强度设计值fv端面承压强度设计值fce（二）连接的强度设计值1焊缝的强度设计值焊缝的抗拉、抗压、抗剪强度fcw、ftwfvw角焊缝的抗拉、抗压、抗剪 强度ffw2 螺栓连接的强度设计值 抗拉、抗剪、承压强度ftb、fvb、fcb第14页/共81页（三）强度折减系数某些结构构件或连接，强度设计值乘以相应的折减系数。（见195页）。第15页/共81页第二节钢结构的构件类型一、轴心受力构件概念：在例如桁架、刚架、排架、塔架及网壳等杆件体系结构中，通常假设其节点为铰接连接，当无节点间荷载作用时，只有轴向拉力和压力的作用，分别称为轴心受拉构件和轴心受压构件。截面形式：一般分为两类，第一类是热轧型钢截面；第二类是型钢组合截面或格构式组合截面对轴心受力构件截面形式的要求：能提供强度所需要的截面面积；制作简便；便于和相邻构件连接；截面宽大而壁厚较薄，以满足刚度要求。第16页/共81页轴心受力构件截面形式第17页/共81页格构式构件第18页/共81页第19页/共81页二、受弯构件热轧型钢梁、冷弯薄壁型钢梁、组合梁。梁的截面形式第20页/共81页三、拉弯构件和压弯构件实腹式和格构式第21页/共81页第三节受弯构件的计算一、受弯构件的强度（一）抗弯强度计算1钢梁的弯曲正应力梁的弯曲正应力第22页/共81页钢梁的弯曲正应力沿截面高度的分布随弯矩不同而不同。弹性阶段：应力呈三角形分布。完全塑性：应力为矩形分布。部分塑性：中间状态。2截面塑性发展系数x x 、y y3 3 抗弯强度计算第23页/共81页（二）抗剪强度计算V-计算截面沿腹板平面作用的剪力S-计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩I-毛截面惯性矩Tw-腹板厚度fv钢材抗剪强度设计值第24页/共81页（三）局部承压强度计算F-集中荷载-集中荷载增大系数Lz集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度f-钢材的强度设计值第25页/共81页二、钢梁的整体稳定性钢梁的截面高而窄，承受荷载后在弯矩作用平面内产生弯曲变形，侧向保持平直。当荷载达某一数值后，梁在扰力作用下突然发生侧向弯曲和扭转，由于变形很快增加，导致梁不能继续承载，梁的侧向失稳。钢梁丧失整体稳定第26页/共81页影响因素：侧向支撑点间距、截面尺寸、荷载类型和作用位置。梁的整体失稳公式Mx绕强轴作用的最大弯矩Wx按受压截面确定的梁截面模量b梁的整体稳定系数第27页/共81页三、钢梁局部稳定由翼缘和腹板等板件组成的钢梁，在压应力作用下可能发生局部失稳，板件向向其平面外发生波状鼓曲。第28页/共81页避免梁的局部失稳有两个途径：限制板件的宽厚比或高厚比；设置加劲肋。纵向加劲肋断开横向加劲肋保持连续第29页/共81页加劲肋设置第30页/共81页加劲肋设置第31页/共81页第四节轴心受力构件的计算一、轴心受力构件的强度轴心受力构件的强度承载能力极限状态是截面的平均应力达到钢材的屈服强度fy轴心受力构件的强度按下式计算式中N构件的轴心拉力或压力设计值；An构件的净截面面积；f钢材的抗拉或抗压强度设计值第32页/共81页二、轴心受压构件的稳定性第33页/共81页（一）实腹式轴心受压构件1 整体稳定2 局部稳定第34页/共81页（2）腹板高厚比三、允许长细比规范规定，桁架受拉杆件承受静力荷载，容许长细比=350,其他拉杆、支撑、系杆=400。四、实腹式轴心受压构件截面设计设计原则设计步骤1 初步选择截面2 进行截面验算3 满足构造规定第35页/共81页第五节拉弯构件和压弯构件的计算 拉弯构件 压弯构件第36页/共81页一、强度计算二、构件的刚度控制允许长细比三、压弯构件的稳定性第37页/共81页第六节钢结构的连接钢结构的连接方法有焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种第38页/共81页一、焊缝连接优点：构造简单，加工方便，节约钢材，连接的刚度大，密封性能好，易于采用自动化作业。缺点：但焊缝连接会产生残余应力和残余变形，且连接的塑性和韧性较差。第39页/共81页（一）焊缝连接（一）焊缝连接1.1.焊接原理钢结构常用的焊接方法有电弧焊，包括手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊及气体保护焊等。（1）手工电弧焊1）原理第40页/共81页其电路由焊条、焊钳、焊件、电焊机和导线等组成。第41页/共81页特点手工焊具有设备简单，适用性强的优点，特别是短焊缝或曲折焊缝的焊接时，或在施工现场进行高空焊接时，只能采用手工焊接，所以它是钢结构中最常用的焊接方法。但其生产效率低，劳动强度大，保证焊缝质量的关键是焊工的技术水平，焊缝质量的波动较大第42页/共81页（2）自动或半自动埋弧焊1）原理 第43页/共81页2）特点及应用自动埋弧焊焊缝质量稳定，焊缝内部缺陷少，塑性和韧性好，因此其质量比手工电弧焊好。半自动埋弧焊质量介于自动焊和手工焊之间。3）应用自动埋弧焊只适合焊接较长的直线焊缝。半自动埋弧焊适合于焊接曲线或任意形状的焊缝。动焊或半自动焊应采用与焊件金属强度相匹配的焊丝和焊剂。焊丝应符合焊接用钢丝GB1300-77的规定，焊剂种类根据焊接工艺要求确定。第44页/共81页（二）焊缝的型式与构造 焊缝连接可分为:对接 搭接 T形连接 角接第45页/共81页截面型式I型、单边V型、V型、J型、U型、K型和X型等。第46页/共81页引弧板：对接焊缝施焊时的起点和终点，常因起弧和灭弧出现弧坑等缺陷，此处极易产生裂纹和应力集中，为避免焊口缺陷，可在焊缝两端设引弧板。第47页/共81页 在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4 mm4 mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1/41/4（对承受动荷载的结构）或1/2.51/2.5（对承受静荷载的结构）斜角。当厚度不同时，坡口型式应根据较薄焊件厚度来取用，焊缝的计算厚度等于较薄焊件的厚度。第48页/共81页（三）焊缝的计算 （1 1）对接焊缝 1 1）轴心受力对接焊缝的计算或 第49页/共81页第50页/共81页弯矩、剪力共同作用时对接焊缝的计算或=第51页/共81页2 2）直角角焊缝的计算公式 在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下 当力垂直于焊缝长度方向时 当力平行于焊缝长度方向时第52页/共81页第53页/共81页二、螺栓连接二、螺栓连接1.1.普通螺栓连接的计算和构造螺栓的规格钢结构采用的普通螺栓形式为六角头型，其代号用字母M和公称直径的毫米数表示。螺栓直径d应根据整个结构及其主要连接的尺寸和受力情况选定，受力螺栓一般采用M16、M20、M24等。第54页/共81页2.2.螺栓连接螺栓连接可分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。螺栓的排列有：并列和错列。并列错列第55页/共81页受剪螺栓第56页/共81页受拉螺栓第57页/共81页挤压破坏剪切破坏第58页/共81页拉压破坏冲剪破坏受弯破坏第59页/共81页受拉螺栓连接受力特点第60页/共81页受拉螺栓连接受轴心力作用时的计算方法 由于受拉螺栓的最不利截面在螺栓削弱处，因此，计算时应根据螺纹削弱处的有效直径d de e或有效面积A Ae e来确定其承载力。一个受拉螺栓的承载力设计值为 式中：d de e、A Ae e分别为螺栓螺纹处的有效直径和有效面积；f ftbtb 螺栓抗拉强度设计值。第61页/共81页同时承受剪力和拉力的螺栓连接当螺栓同时承受剪力和拉力时，连接螺栓安全工作的强度条件是连接中最危险螺栓所承受的剪力和拉力应满足下面的相关公式：第62页/共81页3.3.高强度螺栓连接高强度螺栓连接(1)(1)受力性能与构造要求 高强螺栓连接主要是靠被连接板件间的强大摩阻力来抵抗外力。第63页/共81页高强螺栓的摩擦型连接nf传力摩擦面数目摩擦面的抗滑移系数P_一个高强度螺栓的预拉力第64页/共81页轴心受压构件的构造（1）实腹式轴心受压柱截面形式：第65页/共81页第66页/共81页第67页/共81页第二节钢结构构件一、轴心受力构件平面桁架、空间桁架支撑系统实腹式截面、格构式截面轴心受拉构件：受拉承载力计算和正常使用极限状态长细比验算轴心受压构件：受压承载力计算、长细比验算（保证刚度）、整体稳定计算。NAfN-轴心压力设计值A-构件的毛截面积-轴心受压构件的稳定系数f-钢材的抗压强度设计值第68页/共81页二、受弯构件钢梁（一）钢梁的受弯、受剪和局部受压构件截面边缘最大应力不超过钢材强度设计值弯曲最大剪应力不超过钢材抗剪强度设计值（二）钢梁的整体稳定性计算钢梁截面窄而高，承受载荷后在弯矩作用面内产生弯曲变形，侧向保持平直，但当荷载达到某一数值后，梁在扰力作用下可能突然发生侧向弯曲和扭转，变形增加很快，导致梁不能继续承载-梁丧失整体稳定性（梁的侧向失稳）第69页/共81页主要因素：梁侧向支承点的间距；截面尺寸和惯性矩；梁端支承对截面的约束；荷载类型和作用位置。引入梁整体稳定系数b Mx/bWxfMx-最大刚度主平面内最大弯矩Wx按受压翼缘确定的毛截面抵抗矩.第70页/共81页(三)钢梁的局部稳定在压应力作用下可能发生局部失稳,板件向其平面外发生波状鼓曲.为保证梁受压翼缘局部稳定,限制翼缘的宽厚比;为保证梁腹板局部稳定,可在腹板两侧成对设横向加劲肋,在弯曲应力大的区段受压区设纵向加劲肋.第71页/共81页三、拉弯构件和压弯构件偏心受拉或受压构件实腹式、格构式双轴对称截面、单轴对称截面第72页/共81页第三节钢结构的连接一、焊缝连接灵活方便，构造简单，易于采用自动化操作，焊接不削弱截面，节省钢材，密封性好，刚度大。施工质量较难控制，对疲劳和脆断敏感。（一）焊接方法电弧焊（二）焊缝连接形式及焊缝形式连接形式：平接、搭接、T形连接、角接焊缝形式：对接焊缝、角焊缝第73页/共81页（三）焊缝的计算和构造1对接焊缝钢板的拼接和T形连接，坡口、引弧板。2角焊缝用于搭接、T形连接、焊角尺寸hf、计算长度、焊缝有效厚度he第74页/共81页二、螺栓连接（一）螺栓的布置和排列满足受力、构造、施工要求间距、边距、端距（二）螺栓的传力抗剪螺栓连接：螺杆剪切破坏、孔壁挤压破坏、连接板净截面破坏、连接板端部剪切破坏、螺杆弯曲破坏。第75页/共81页抗拉螺栓连接：螺栓沿杆轴方向受拉，高强度螺栓连接：安装施加紧固预拉力，使连接板间产生摩擦力来传递剪力。第76页/共81页第四节轴心受力构件概念：在例如桁架、刚架、排架、塔架及网壳等杆件体系结构中，通常假设其节点为铰接连接，当无节间荷载作用时，只有轴向拉力和压力的作用，分别称为轴心受拉构件和轴心受压构件。截面形式：一般分为两类，第一类是热轧型钢截面；第二类是型钢组合截面或格构式组合截面。第77页/共81页对轴心受力构件截面形式的要求：能提供强度所需要的截面面积；制作简便；便于和相邻构件连接；截面宽大而壁厚较薄，以满足刚度要求。第78页/共81页二、轴心受压构件稳定性轴心受压构件稳定性稳定性验算的重要性：若结构或构件处于不稳定状态时，轻微扰动就将使结构或其组成构件产生很大的变形而最终丧失承载能力,这种现象称为失去稳定性。在轴心受力构件中，对于轴心受拉构件，由于在拉力作用下，构件总有拉直绷紧的倾向，其平衡状态总是稳定的，不必进行稳定性验算。对于轴心受压构件，截面若没有孔洞削弱，一般不会因强度不足而丧失承载能力；但当其长细比较大时，稳定性是导致其破坏的主要因素。第79页/共81页（一）实腹式轴心受压构件（一）实腹式轴心受压构件 整体稳定验算 轴心受压构件的整体稳定性按下式验算 式中 N轴心受压构件的压力设计值；A构件的毛截面面积；轴心受压构件的整体稳定系数，见附表17。f 钢材的抗压强度设计值；第80页/共81页感谢您的观看！第81页/共81页
