土木工程用钢结构讲课.pptx

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1、2 2、生产、安装工业化程度高，施工周期短钢结构单层工业厂房装配动画钢框架结构的装配动画第1页/共160页生产、安装工业化程度高，施工周期短 钢结构生产具备成批大件生产和高度准确性的特点，可以采用工厂制作、工地安装的施工方法，所以其生产作业面多，可缩短施工周期，进而为降低造价、提高效益创造条件。3、密闭性能好 由于焊接结构可以做到完全密封，一些要求气密性和水密性好的高压容器、大型油库、气柜、管道等板壳结构都采用钢结构。第2页/共160页4 4、抗震及抗动力荷载性能好钢结构因自重轻、质地均匀，具有较好的延性，因而抗震及抗动力荷载性能好。第3页/共160页5 5、具有一定的耐热性 温度在250以内

2、，钢的性质变化很小，温度达到300以上，强度逐渐下降，达到450650时，强度降为零。因此，钢结构可用于温度不高于250的场合。在自身有特殊防火要求的建筑中，钢结构必须用耐火材料予以维护。当防火设计不当或者当防火层处于破坏的状况下，有可能将产生灾难性的后果。第4页/共160页6 6、钢结构抗腐蚀性较差钢结构的最大缺点是易于锈蚀。新建造的钢结构一般都需仔细除锈、镀锌或刷涂料。以后隔一定时间又要重新刷涂料，维护费用较高。目前国内外正在发展不易锈蚀的耐候钢，可大量节省维护费用，但还未能广泛采用。第5页/共160页二、结 构 形 式 及 应 用 1.框架 单层单跨框架 单层多跨框架 多层单跨框架 多层

3、多跨框架 2.桁架 平面桁架 空间桁架 3.拱架 4.索 5.壳体 第6页/共160页三、我国钢结构发展的历史、现状和趋势 钢结构是由生铁结构逐步发展起来的，中国是最早用铁制造承重结构的国家。远在秦始皇时代（公元前二百多年），就有了用铁建造的桥墩。以后在深山峡谷上建造铁链悬桥、铁塔等，这些表明我国古代建筑和冶金技术方面的高度水平。第7页/共160页中国古代在金属结构方面虽有卓越的成就，但由于受到内部的束缚和外部的侵略，相当一段时间内发展较为缓慢。即使这样，我国工程师和工人仍有不少优秀设计和创造，如1927年建成的沈阳黄姑屯机车厂钢结构厂房，19281931年建成的广州中心纪念堂圆屋顶，1934

4、1937年建成的杭州钱塘江大桥等。第8页/共160页20世纪50年代后，钢结构的设计、制造、安装水平有了很大提高，建成了大量钢结构工程，有些在规模上和技术上已达到世界先进水平。如采用大跨度网架结构的首都体育馆、上海体育馆、深圳体育馆，大跨度三角拱形式的西安秦始皇陵兵马俑陈列馆，悬索结构的北京工人体育馆、浙江体育馆，高耸结构中的200m高广州广播电视塔、210m高上海广播电视塔、194m高南京跨江线路塔、325m高北京气象桅杆等，板壳结构中有效容积达54000m3的湿式储气柜等。第9页/共160页近期，随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术的迅猛发展，各地建成了大量的高层钢结构建筑、轻钢结构、

5、高耸结构、市政设施等。如：位于上海浦东、420.5m高、88层、总建筑面积达28.7万m2的 金贸大厦；总建筑面积达20万m2的上海浦东国际机场；主体建筑东西跨度288.4m、南北跨度274.7m、建筑高度70.6m、可容纳8万名观众的上海体育场；336m高、建于哈尔滨的黑龙江广播电视塔以及横跨黄浦江的南浦大桥、杨浦大桥等等。第10页/共160页四、钢结构的研究、设计、制造、安装、使用的相互关系四、钢结构的研究、设计、制造、安装、使用的相互关系 钢结构的研究、设计、制造、安装及使用是一个有机的体系，各方面之间存在相辅相成的关系。第11页/共160页1.使用的需求是钢结构发展的内在动力。钢结构具

6、有工业化程度高、施工速度快等优点，因而更适合于运行节奏快、劳动力价格不断提高的现代社会。钢结构自重轻，因而特别适合于大跨度建筑或活载占比例较小的建筑结构，在这种条件下应用钢结构能充分体现其在经济方面的优越性。钢结构自重轻，有较好的柔性，因而在软土地基或地震区使用钢结构就显得更为合理。也就是说，钢结构的发展有其内在的社会和经济原因。从我国建筑业的现状来看，目前正处在钢结构快速发展的前期，钢结构的使用促进了钢结构的研究、设计、制造和安装技术的发展。第12页/共160页2.2.钢结构的研究课题源于工程实践，其目的是要在一定概率意义上确保工程的安全并求得最佳的经济效益。A A：钢结构的研究 目前钢结构

7、的研究主要在以下几个方面进行：第13页/共160页（1 1）新型钢结构建筑体系的研究：如轻钢结构体系的研究、网架结构体系的研究等。这是一类综合性的研究，涉及主体结构、节点、配套材料及施工工艺。这些研究成果可直接转换为社会生产力。第14页/共160页（2 2）结构计算理论的研究：目前对于一般的钢结构计算问题已有成熟的计算方法。但对于某些特殊结构形态及荷载条件下的结构体系、构件、节点则还要进行深入的分析，这主要是动力问题、非线性问题、稳定问题和疲劳问题的研究。研究的成果用于指导设计规范的编制。第15页/共160页目前钢结构理论研究的一个主要特点是往往同时伴随着计算软件的研究和开发。这使得研究成果可

8、以直接为设计人员使用。第16页/共160页（3 3）结构构件或节点的试验研究：试验研究的作用一是可以验证理论研究结果的正确性，二是可以发现并进一步阐明某些复杂结构的特殊受力现象，从而为理论研究和规范编制提供依据。这对于形态和受力较为复杂的节点研究特别有效，是理论研究不能替代的。第17页/共160页（4 4）制造工艺和安装方法的研究：钢结构的建造离不开良好的制造和安装技术。随着钢结构使用条件的变化，新的设计、材料、构造形式层出不穷。为此要进行大量理论和实践的研究工作，从研制新的设备、制定制造和安装工艺标准、直到培训施工技术人员。第18页/共160页B：钢结构的设计 包括选择结构类型和材料：计算结

9、构的强度、刚度和稳定；确定合理的构造形式和具体参数。钢结构的设计依据大量的理论研究和试验研究工作；钢结构的设计还必须密切配合制造和安装工艺。第19页/共160页按国际惯例，钢结构的设计具体可分为技术设计和施工大样图设计两个阶段。技术设计要确定结构的形式和材料、结构各部分截面参数及连接方式。技术设计由专门的设计单位完成。施工大样图设计是在技术设计的指导下，根据加工及安装要求将钢结构分解成单个构件，分别画出其大样图，并注明其加工步骤和工艺要求。这一工作一般由钢结构制造厂的技术人员完成。第20页/共160页C C：钢结构的制造必须遵循设计和相应的规范及技术标准 钢结构制造的前期准备包括材料准备和技术

10、准备。制造的工序有校正、放样、下料、切割、钻孔、组装、焊接、整形、表面处理、包装等。每一道工序均有一定的检测方法，并要求达到规定的标准，从而确保钢结构组装的最终质量。第21页/共160页D D：钢结构施工（制造、吊装、安装)钢结构的制造除了满足设计要求外，还须满足运输和安装条件。要根据运输条件和安装起吊能力来限定构件的大小和重量；要根据安装方法及防腐蚀处理方法确定节点连接的方式，构造要求及实施步骤。第22页/共160页钢结构的安装包括安装方案的确定、安装实施过程及安装质量的检验。安装方案的确立既要考虑结构特征和现有的设备状况，也要考虑安全性。凡是利用结构本身作为安装支托的一定要经设计审核，并要

11、考虑设备安装、使用和拆卸全过程。在选择方案时，经济性和设备的先进性应该兼顾，要从安装工作的实际效率和安全性出发作出适当的选择。第23页/共160页钢结构的安装应该严格按规范和有关标准进行，逐个构件逐段地控制质量，一丝不苟地做好安全保障和设备保障。第24页/共160页钢结构安装质量检验主要是确保结构外形的准确和连接的可靠。外形的准确是指整体和局部的误差均应控制在规范许可范围之内。连接的可靠是指螺栓的穿孔率、紧固程度，设计贴合面的密合度，现场焊缝的质量等均应达到规范规定的标准。第25页/共160页第26页/共160页显然，Z是随机变量，有以下三种情况：Z0结构处于可靠状态；Z0结构达到极限状态；Z

12、0结构处于失效状态。可见，结构的极限状态是结构由可靠转变为失效的临界状态。由于R和S受到许多随机性因素影响而具有不确定性，Z0不是必然性的事件。因此科学的设计方法是以概率为基础来度量结构的可靠性。1.2 可靠度 按照概率极限状态设计法，结构的可靠度定义为结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的概率。“完成预定功能”指对某项规定功能而言结构不失效。结构在规定的设计使用年限内应满足的功能有：第27页/共160页(1)在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；(2)在正常使用时具有良好的工作性能；(3)在正常维护下具有足够的耐久性；(4)在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必

13、需的整体稳定性。规定的设计使用年限（设计基准期）是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目标使用的年限。我国规范规定建筑结构的设计基准期为50年。若以Pr表示结构的可靠度，则有Pr=P（Z0）（1-2）记Pf为结构的失效概率，则有Pf=P（Z90o时，he hf cos(/2)。(2)角焊缝的尺寸限制 焊脚尺寸hf应与焊件的厚度相适应，不宜过大或过小。对手工焊，hf应不小于，t为较厚焊件的厚度（mm），对自动焊，可减小1mm；第87页/共160页hf应不大于较薄焊件厚度的1.2倍。对于板件边缘的焊缝，当t 6mm时，hf t；当t 6mm时，hf t(12)mm。（图（图4-64-

14、6）焊缝长度 lw也不应太长或太短，其计算长度不宜小于8hf或40mm，且不宜大于60hf。(3)角焊缝计算的基本公式(4-5)式 中 f 正 面 角 焊 缝 的 强 度 设 计 值 增 大 系 数，；但对直接承受动力荷载结构中的角焊缝，由于正面角焊缝的刚度大，韧性差，应取f 1.0；x、y 按角焊缝有效截面计算，垂直于焊缝长度方向的正应力；z 按角焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力。第88页/共160页(4)常用连接方式的角焊缝计算受轴心力作用时（图（图4-74-7）焊缝长度与受力方向垂直（正面角焊缝）：(4-6)焊缝长度与受力方向平行（侧面角焊缝）：(4-7)式中lw为连接一侧所有焊

15、缝的计算长度之和，每条焊缝按实际长度减去2hf。三面围焊时，先按式（46）计算计算正面角焊缝受力N1，再由NN1按式（47）计算。第89页/共160页弯矩单独作用时（图（图4-84-8）(4-8)式中Ww角焊缝有效截面的截面模量。扭矩单独作用时（图（图4-94-9）(4-9)式中J角焊缝有效截面的极惯性矩，J=IxIy；rAA点至形心o点的距离。第90页/共160页将A分解到x和y方向，有弯矩、扭矩、轴心力共同作用时，分别计算受力最不利点的正应力和剪应力，按下式计算：(4-10)第91页/共160页第92页/共160页第93页/共160页4.5 螺栓连接的排列和构造要求螺 栓 在 构 件 上

16、的 排 列 可 以 是 并 列 或 错 列（图 4-11），排列时应考虑下列要求:1受力要求：对于受拉构件，螺栓的栓距和线距不应过小，否则对钢板截面削弱太多，构件有可能沿直线或折线发生净截面破坏。对于受压构件，沿作用力方向螺栓间距不应过大，否则被连接的板件间容易发生凸曲现象。因此，从受力角度应规定螺栓的最大和最小容许间距。2构造要求：若栓距和线距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易于侵入缝隙而产生腐蚀，所以，构造上要规定螺栓的最大容许间距。3施工要求：为便于转动螺栓扳手，就要保证一定的作业空间。所以，施工上要规定螺栓的最小容许间距。第94页/共160页图4-11钢板上螺栓的排列(a)并列；(b)

17、错列；(c)容许间距第95页/共160页根据以上要求，规范规定螺栓的最大和最小容许间距见表4-2。注:1.d0为螺栓孔径，t为外层薄板件厚度。2.钢板边缘与刚性构件(如角钢、槽钢)相连的螺栓最大间距，可按中间排数值采用。表4-2螺栓的最大和最小容许间距第96页/共160页4.6普通螺栓连接的性能和计算1.普通螺栓连接的性能 普通螺栓连接按螺栓传力方式，可分为抗剪螺栓连接和抗拉螺栓连接。抗剪螺栓连接有五种破坏形式，见图4-12。第97页/共160页第98页/共160页抗拉螺栓连接第99页/共160页2.螺栓群计算当螺栓连接处于弹性阶段时，螺栓群中各螺栓受力并不相等，两端大而中间小(图3-15a)

18、；当螺栓群连接长度l1不太大时，随着外力增加连接超过弹性变形而进入塑性阶段后，因内力重分布使各螺栓受力趋于均匀(图3-15b)。但当构件的节点处或拼接缝的一侧螺栓很多，且沿受力方向的连接长度l1过大时，端部的螺栓会因受力过大而首先发生破坏，随后依次向内逐排破坏（即所谓解钮扣现象）。因此规范规定当连接长度l1大于15d0时，应将螺栓的承载力乘以折减系数=1.1l1/150d0，当l1大于60d0时，折减系数取0.7。因此，当外力通过螺栓群中心时，可认为所有的螺栓受力相同。螺栓群在轴心力作用下的抗剪计算n=N/Nbmin(4-15)此时应验算板的净截面强度=N/Anf(4-16)第100页/共16

19、0页 螺栓群在扭矩作用下的抗剪计算图4-18螺栓群受扭矩作用第101页/共160页 螺栓群在扭矩、剪力、轴心力共同作用下的抗剪计算分别算出扭矩、剪力、轴心力作用下受力最大螺栓的受力，将其分解到x和y两个方向，按下式验算：螺栓群在轴心力作用下的抗拉计算n=N/Ntb(4-19)螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算 螺栓群在弯矩作用下上部螺栓受拉，因而有使连接上部分离的趋势，使螺栓群形心下移。通常假定中和轴在最下排螺栓处，则螺栓的最大拉力为：图4-19弯矩作用下的抗拉螺栓计算第102页/共160页 螺栓群同时承受剪力和拉力的计算图4-20螺栓群同时承受剪力和拉力此时连接传递的力有弯矩M=Ve和剪力V，Nt

20、按式(3-20)计算。第103页/共160页4.7高强螺栓连接的性能和计算1.高强螺栓连接的性能 高强螺栓连接按受力特征分为高强螺栓摩擦型连接、高强螺栓承压型连接和承受拉力的高强螺栓连接。高强螺栓连接的预拉力高强度螺栓预拉力设计值按材料强度和螺栓有效截面积确定，取值时考虑螺栓材料抗力的变异性，引入折减系数0.9；施加预应力时为补偿预拉力损失超张拉5%10%，引入折减系数0.9；在扭紧螺栓时，扭矩使螺栓产生的剪力将降低螺栓的抗拉承载力，引入折减系数1/1.2；钢材由于以抗拉强度为准，引入附加安全系数0.9。故高强度螺栓预拉力为第104页/共160页高强度螺栓连接的摩擦面抗滑移系数2.高强螺栓的抗

21、剪承载力设计值高强度螺栓摩擦型连接第105页/共160页高强度螺栓承压型连接极限承载力由螺栓杆身抗剪和孔壁承压决定，摩擦力只起延缓滑动作用，计算方法与普通螺栓相同，见式(3-11)(3-11)和和(3-12)(3-12)。3.高强螺栓群的抗剪计算轴心力作用时螺栓数按式(3-15)(3-15)计算，其中Nbmin对摩擦型为式(3-23)(3-23)，对承压型用高强度螺栓的抗剪、承压承载力设计值。构件净截面强度对于承压型连接，与普通螺栓验算相同；对于摩擦型连接，要考虑摩擦力的作用，一部分剪力由孔前接触面传递(图3-21)。按规范规定，孔前传力占螺栓传力的50%，则截面11处净截面传力为有了N以后，

22、净截面验算按式(3-16)(3-16)进行。扭矩作用时，及扭矩、剪力、轴心力共同作用时的抗剪高强度螺栓所受剪力的计算，其方法与普通螺栓相同，单个螺栓所受剪力应不超过高强度螺栓的承载力设计值。图4-21摩擦型高强螺栓孔前传力第106页/共160页4.高强螺栓群的抗拉计算抗拉承载力设计值高强度螺栓连接由于螺栓中的预拉力作用，构件间在承受外力作用前已经有较大的挤压力，高强度螺栓受到外拉力作用时，首先要抵消这种挤压力。分析表明，当高强度螺栓达到规范规定的承载力0.8P时，螺栓杆的拉力仅增大7%左右，可以认为基本不变。规范规定一个高强度螺栓抗拉承载力设计值为 Nbt=0.8P(4-25)受轴心拉力作用时

23、，螺栓数为n=N/Nbt=N/(0.8P)(4-26)受弯矩作用，当板没有被拉开时，接触面保持紧密贴合，中和轴可以认为在螺栓群的形心轴线上(图422)，则受力最大的螺栓应满足N1M=My1/myi2(4-27)对于承受静力荷载的结构，板被拉开并不等于达到承载能力的极限，此时可按图(4-19)(4-19)所示的内力分布计算。图4-22高强螺栓受弯连接第107页/共160页5.同时承受剪力和拉力的高强螺栓群连接计算对于高强度螺栓摩擦型连接，按下式计算对于高强度螺栓承压型连接，按下式计算第108页/共160页第109页/共160页第110页/共160页第五章 轴心受力构件设计5.1轴心受力构件的应用

24、和截面形式 轴心受力构件的截面形式有三种：第一种是热轧型钢截面，如图5-1(a)中的工字钢、H型钢、槽钢、角钢、T型钢、圆钢、圆管、方管等；第二种是冷弯薄壁型钢截面，如图5-1(b)中冷弯角钢、槽钢和冷弯方管等；第三种是用型钢和钢板或钢板和钢板连接而成的组合截面，如图5-1(c)所示的实腹式组合截面和图5-1(d)所示的格构式组合截面等。第111页/共160页5.2轴心受力构件的强度和刚度强度轴心受力构件的强度应以净截面的平均应力不超过钢材的屈服强度为准则：对于高强螺栓的摩擦型连接，计算板件强度时要考虑孔前传力的影响（式（式4-244-24）。第112页/共160页 刚度刚度通过限制构件的长细

25、比 来实现。第113页/共160页4.3实腹式轴心受压构件的整体稳定计算 实际的压杆不可避免地存在着初弯曲、荷载作用点的初偏心和截面的残余应力，它们对压杆的承载力有不利的影响。同时，构件两端可能存在着不同程度的约束，使得构件的承载力有所提高。对于杆端约束，可以用计算长度l0代替构件的几何长度l，将其等效为两端简支的构件，即l0=l，称计算长度系数。典型约束的理论值和建议值见表43。对于初弯曲、初偏心和残余应力的影响，考虑到材料的弹塑性性能，用数值积分法求得构件的极限强度Nu，相应的稳定系数=Nu/(Afy)。按照概率统计理论，影响柱承载力的几个不利因素，其最大值同时出现的可能性是极小的。理论分

26、析表明，考虑初弯曲和残余应力两个最主要的不利因素比较合理，初偏心不必另行考虑。初弯曲的矢高取构件长度的千分之一，残余应力根据截面的加工条件确定。轴心受压构件应按下式计算整体稳定：第114页/共160页第115页/共160页轴心受压构件的整体稳定系数E第116页/共160页图5-3GB50017的柱曲线第117页/共160页 为便于计算，规范根据构件的长细比、钢材屈服强度和截面分类编制了计算表格。另外，稳定系数值可以用Perry公式：第118页/共160页第119页/共160页第120页/共160页4.4实腹式轴心受压构件的局部稳定计算对于局部屈曲问题，通常有两种考虑方法：一是不允许板件屈曲先于

27、构件整体屈曲，目前一般钢结构的规定就是不允许局部屈曲先于整体屈曲来限制板件宽厚比。另一种做法是允许板件先于整体屈曲，采用有效截面的概念来考虑局部屈曲对构件承载力的不利影响，冷弯薄壁型钢结构，轻型门式刚架结构的腹板就是这样考虑的。这里板件宽厚比的规定是基于局部屈曲不先于整体屈曲考虑的，根据板件的临界应力和构件的临界应力相等的原则即可确定板件的宽厚比。经分析并简化可得到工形截面和H形截面的板件的宽厚比：第121页/共160页【例题5-1】某焊接工字形截面柱，截面几何尺寸如图5-4所示。柱的上、下端均为铰接，柱高4.2m，承受的轴心压力设计值为1000kN，钢材为Q235，翼缘为火焰切割边，焊条为E

28、43系列，手工焊。试验算该柱是否安全。第122页/共160页第123页/共160页第124页/共160页(2)格构式轴心受压构件绕虚轴失稳的换算长细比格构式轴心受压构件绕实轴的计算与实腹式构件相同，但绕虚轴的计算不同，绕虚轴屈曲时的稳定承载力比相同长细比的实腹式构件低。实腹式轴心受压构件在发生整体弯曲后，构件中产生的剪力很小，而其抗剪刚度很大，因此横向剪力产生的附加变形很微小，对构件临界荷载的降低不到1%，可以忽略不计。对于格构式轴心受压构件，绕虚轴失稳时的剪力要由较弱的缀材承担，剪切变形较大，产生较大的附加变形，对构件临界荷载的降低不能忽略。经理论分析，可以用换算长细比0 x代替对x轴的长细

29、比x来考虑剪切变形对临界荷载的影响。对于双肢格构式构件，换算长细比为第125页/共160页第126页/共160页第六章 受弯构件设计第127页/共160页第128页/共160页第129页/共160页第130页/共160页第131页/共160页第132页/共160页第133页/共160页第134页/共160页第135页/共160页第136页/共160页第137页/共160页第138页/共160页第139页/共160页第140页/共160页第141页/共160页第142页/共160页第143页/共160页第144页/共160页第七章 拉弯和压弯构件设计(a)(b)(a)(b)(c)图6-1拉弯构件图6-2压弯构件第145页/共160页第146页/共160页第147页/共160页第148页/共160页第149页/共160页第150页/共160页第151页/共160页第152页/共160页第153页/共160页（2）翼缘宽厚比压弯构件的受压翼缘板与梁的受压翼缘板受力情况基本相同，因此，其翼缘宽厚比限值与梁也相同，见式（5-235-23）、（）、（5-245-24）和（）和（5-255-25）。第154页/共160页第155页/共160页第156页/共160页第157页/共160页第158页/共160页第159页/共160页感谢您的观看。第160页/共160页