钢结构原理与设计部分1(共计390).pptx
《钢结构原理与设计部分1(共计390).pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《钢结构原理与设计部分1(共计390).pptx(184页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第一章 概述1.1 1.1 钢结构的特点和应用钢结构的特点和应用材料的强度高,塑性和韧性好材质均匀,和力学计算的假定比较符合钢结构制造简便,施工周期短钢结构的质量轻钢材耐腐蚀性差钢材耐热但不耐火钢结构的特点钢结构的特点钢拉杆和压杆性能比较钢拉杆和压杆性能比较第1页/共184页第一章 概述大跨度钢结构重型厂房钢结构受动力荷载影响的结构可拆卸的结构高耸结构和高层建筑容器和其他构筑物轻型钢结构钢结构的应用范围钢结构的应用范围高层钢结构建筑高层钢结构建筑杂交结构杂交结构第2页/共184页第一章 概述1.2 1.2 钢结构的建造过程和内在缺陷钢结构的建造过程和内在缺陷工厂制造工厂制造:验收、放样、加工、
2、装配、矫正、除锈和涂漆工地安装工地安装:扩大拼装、吊装就位、临时固定、最后固定钢结构的建造过程钢结构的建造过程钢结构的初始缺陷钢结构的初始缺陷几何缺陷几何缺陷:初弯曲 初倾斜 杆件长度误差材料缺陷材料缺陷:钢材并非理想的匀质体和各向同性体第3页/共184页第一章 概述1.3 1.3 钢结构的组成原理钢结构的组成原理平面体系加支撑如:穿式桁架桥、空间屋盖结构跨越结构跨越结构穿式桁架桥穿式桁架桥空间屋盖结构空间屋盖结构第4页/共184页第一章 概述水平荷载可能居于主导地位。如:高层房屋结构、塔架、桅杆高耸结构高耸结构高层房屋结构高层房屋结构塔架结构塔架结构桅杆结构桅杆结构第5页/共184页第一章
3、概述1.5 1.5 钢结构的发展钢结构的发展发展低合金高强度钢材和型钢品种结构和构件设计计算方法的深入研究结构形式的革新结构优化设计第6页/共184页第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料对钢结构用材的要求对钢结构用材的要求钢材的主要性能及其鉴定钢材的主要性能及其鉴定影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加载载建筑钢材的类别及钢材的选用建筑钢材的类别及钢材的选用第2章 钢结构的材料主要内容:主要内容:主要内容:主要内容:重点:重点:重点:重点:钢材的主要性能指标及其影响因素钢材的主要性能指标及其影响因素建筑钢材的
4、类别及钢材的选用建筑钢材的类别及钢材的选用第7页/共184页2.1 2.1 对钢结构用材的要求对钢结构用材的要求较高的强度。即抗拉强度较高的强度。即抗拉强度f fu u和屈服点和屈服点f fy y比比较高。较高。足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。良好的加工性能。即适合冷、热加工,良好的加工性能。即适合冷、热加工,良好的可焊性。良好的可焊性。适应低温、有害介质侵蚀适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等的性能。以及重复荷载作用等的性能。容易生产,价格便宜。容易生产,价格便宜。第2章 钢结构的材料第8页/共184页第2章 钢结构的材
5、料钢结构设计规范钢结构设计规范(GB50017GB5001720032003)推荐的普通碳素结构钢推荐的普通碳素结构钢Q235Q235钢钢和低合金和低合金高强度结构钢高强度结构钢Q345Q345、Q390Q390及及Q420Q420是是符合上述要求的。符合上述要求的。选用选用GB50017GB50017规范还未推荐的钢材时,规范还未推荐的钢材时,需有需有可靠依据可靠依据。以确保钢结构的质量。以确保钢结构的质量。第9页/共184页2.2 2.2 钢材的主要性能及其鉴定钢材的主要性能及其鉴定图2.1 钢材的一次拉伸应力应变曲线第2章 钢结构的材料单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能 条件:常温
6、、静载条件下一次拉伸第10页/共184页1.比例极限P 这是应力-应变图中直线段的最大应力值。严格地说,比 P略高处还有弹性极限,但弹性极限与 P极其接近,所以通常略去弹性极限的点,把 P看做是弹性极限。2.屈服点y 应变在P之后不再与应力成正比,而是渐渐加大,应力-应变间成曲线关系,一直到屈服点。3.抗拉强度u 屈服平台之后,应变增长时又需有应力的增长,但相对地说应变增加得快,呈现曲线关系直到最高点。第2章 钢结构的材料第11页/共184页4.伸长率5和10 伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度,其相应的伸长率用5和10表示,伸长率代表材料
7、断裂前具有的塑性变形的能力。屈服点、抗拉强度和伸长率,是钢材的三个重要力学性能指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。第2章 钢结构的材料第12页/共184页屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性,屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性,其意义是其意义是:1作为结构计算中材料强度标准,或材料抗力标准。应力达到y时的应变与P时的应变较接近,可以认为应力达到y时为弹性变形的终点。同时,达到y 后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加,表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力,故此以y作为弹性计算时强度的标准。第2章 钢结构的材料第13页/共184页第2章 钢结构的材料2形
8、成理想弹塑性体的模型,为发展钢结构计算理论提供基础。y之前,钢材近于理想弹性体,y之后,塑性应变范围很大而应力保持不增长,所以接近理想塑性体。因此,可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的应力-应变模型。钢结构设计规范对塑性设计的规定,就以材料是理想弹塑性体的假设为依据,忽略了应变硬化的有利作用。第14页/共184页图2.2 钢材的冷弯试验第2章 钢结构的材料冷弯性能冷弯性能 根据试样厚度,按规定的根据试样厚度,按规定的弯心直径弯心直径将试样弯曲将试样弯曲180180度,其度,其表面及侧无裂纹或分层则为表面及侧无裂纹或分层则为“冷弯试验合格冷弯试验合格”。“冷弯试验冷弯试验合格合格”一方面表示材
9、料塑性变一方面表示材料塑性变形能力符合要求,另一方面表形能力符合要求,另一方面表示钢材的冶金质量符合要求,示钢材的冶金质量符合要求,因此,冷弯性能是判别钢材质因此,冷弯性能是判别钢材质量的量的综合指标综合指标。重要结构中需。重要结构中需要有良好的要有良好的冷热加工冷热加工的工艺性的工艺性能时,应有此项保证。能时,应有此项保证。第15页/共184页第2章 钢结构的材料冲击韧性冲击韧性 与抵抗与抵抗冲击冲击作用有关的钢材的性能是韧性。作用有关的钢材的性能是韧性。韧性是韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度钢材断裂时吸收机械能能力的量度。钢材。钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量,用在一次拉伸静
10、载作用下断裂时所吸收的能量,用单位体积吸收的能量来表示,其值等于应力单位体积吸收的能量来表示,其值等于应力-应变应变曲线下的面积。实际工作中,用曲线下的面积。实际工作中,用冲击韧性冲击韧性衡量钢衡量钢材抗脆断的性能,因为结构中脆性断裂总是发生材抗脆断的性能,因为结构中脆性断裂总是发生在有在有缺口高峰应力缺口高峰应力的地方,在缺口高峰应力的地的地方,在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。方常呈三向受拉的应力状态。第16页/共184页图2.4 钢材的冲击试验第2章 钢结构的材料缺口韧性值受缺口韧性值受温度温度影响,温度低于某值时将急剧降影响,温度低于某值时将急剧降低。设计处于不同环境温度的重
11、要结构,尤其是受低。设计处于不同环境温度的重要结构,尤其是受动载作用的结构时,要根据相应的动载作用的结构时,要根据相应的环境温度环境温度对应提对应提出冲击韧性的保证要求。出冲击韧性的保证要求。第17页/共184页第2章 钢结构的材料可焊性可焊性 可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格合格(无裂纹无裂纹)焊缝的性能。焊缝的性能。钢材的可焊性受钢材的可焊性受碳含量和合金元素碳含量和合金元素含量的影含量的影响。碳含量在响。碳含量在0.120.120.200.20范围内的碳素钢,范围内的碳素钢,可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影
12、响区变脆。区变脆。第18页/共184页第2章 钢结构的材料钢材性能的鉴定钢材性能的鉴定 根据根据钢结构工程施工质量验收规范钢结构工程施工质量验收规范 (GB50205-2001)(GB50205-2001)的规定,对进入钢结构工程的规定,对进入钢结构工程实施现场的主要材料需进行进场验收,即检实施现场的主要材料需进行进场验收,即检查钢材的查钢材的质量合格质量合格证明文件证明文件、中文标识及检、中文标识及检验报告,确认钢材的品种、规格、性能是否验报告,确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求符合现行国家标准和设计要求。第19页/共184页2.3 2.3 影响钢材性能的因素影响钢材性
13、能的因素 钢是含碳量小于2的铁碳合金,碳大于2时则为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成,其中纯铁约占99,碳及杂质元素约占1。低合金结构钢中还加入合金元素,后者总量通常不超过3。碳及其他元素虽然所占比重不大,但对钢材性能却有重要影响。第2章 钢结构的材料化学成分的影响化学成分的影响第20页/共184页碳(碳(C C)碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素,是影响钢材强度的主要因素,随着含碳量增加,钢材强度提高,塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降,同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%,对焊接
14、结构应低于0.2%。锰(锰(MnMn)适量的锰含量可以有效提高钢材的强度,又能消除硫、氧对钢材的热脆影响,而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%-0.8%,在低合金钢中一般为1.0%-1.7%。第2章 钢结构的材料第21页/共184页硅(硅(Si Si)适量的硅可提高钢材的强度,而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响,但硅含量过大时,会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。钒钒(V)(V)、铌、铌(Nb)(Nb)、钛、钛(Ti)(Ti)钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素,作为锰以外的合金元素,既可提高钢材强度,又保持良好的塑性、韧性。
15、第2章 钢结构的材料第22页/共184页铝铝(Al)(Al)、铬、铬(Cr)(Cr)、镍、镍(Ni)(Ni)铝是强脱氧剂,用铝进行补充脱氧,不仅进一步减少钢中的有害氧化物,而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素,用于Q390钢和Q420钢。硫(硫(S S)硫是一种有害元素,降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等,在高温时使钢材变脆,即热脆。因此,钢材中硫的含量不得超过0.05%,在焊接结构中不超过0.045%。第2章 钢结构的材料第23页/共184页磷磷(P)(P)磷既有害也有利用。磷是碳素钢中的杂质,它在低温下使钢变脆,这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强
16、度和抗锈蚀能力。氧氧(O)(O)、氮、氮(N)(N)氧和氮也是有害杂质,在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆,其作用比硫剧烈,氮能使钢冷脆,与磷相似。第2章 钢结构的材料第24页/共184页第2章 钢结构的材料成材过程的影响成材过程的影响 1冶炼 钢材的冶炼方法主要有平炉、氧气顶吹转炉、碱性侧吹转炉及电炉炼钢四种。建筑钢结构中主要使用氧气顶吹转炉生产的钢材。冶炼过程形成钢的化学成分与含量、钢的金相组织结构,不可避免地存在冶金缺陷,从而确定不同的钢种、钢号及其相应的力学性能。第25页/共184页第2章 钢结构的材料2浇铸 熔炼好的钢水可浇铸成钢锭或钢坯。铸锭过程中因脱氧程度不同,最终
17、成为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。钢在冶炼及浇铸过程中会产生冶金缺陷。常见缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等等。这些缺陷都将影响钢的力学性能。成材过程的影响成材过程的影响 第26页/共184页第2章 钢结构的材料3 3轧制轧制 钢材的轧制能使金属的晶粒变细,也能使气泡、裂纹等焊合,因而改善了钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多,其强度比厚板略高、浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层,所以分层是钢材(尤其是厚板)的一种缺陷。设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况,以防止层间撕裂。成材过程的影响成材过程的影响 第27页/共184页第2章 钢结构的材料4 4热处理热处理 目的在于取得高强度同时保持良
18、好塑性和韧性。正火:把钢材加热至850900 oC并保持一段时间后在空气中自然冷却。回火:将钢材重新加热至650 oC并保温一段时间,然后在空气中自然冷却。成材过程的影响成材过程的影响 第28页/共184页第2章 钢结构的材料影响钢材性能的其它因素影响钢材性能的其它因素 1.冷加工硬化(应变硬化)常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等加工使钢材产生很大塑性变形,由于减小了塑性和韧性性能,普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度。冷弯型钢,是由钢板或钢带经冷轧成型的,也有的是经压力机模压成型或在弯板机上弯曲成型的。由于这个原因,薄壁型钢结构设计中允许利用因局部冷加工而提高的强度。第29页
19、/共184页图2.5 钢材的硬化第2章 钢结构的材料时效硬化指钢材仅随时间的增长而转脆,应变时效指应变硬化又加时效硬化。由于这些使钢材转脆,所以有些重要结构要求对钢材进行人工时效,然后测定其冲击韧性,以保证结构有长期的抗脆性破坏能力。第30页/共184页第2章 钢结构的材料2.2.温度的影响温度的影响 正温范围:总的趋势是随着温度的升高,钢材强度降低,变形增大。约在200oC以内性能没有很大变化,430-540oC之间则强度急剧下降;到600oC时不能承担荷载。此外,250oC附近有兰脆现象,约260-320oC时有徐变现象。设计时以规定150oC为适宜,超过之后结构表面即需加设隔热保护层。第
20、31页/共184页第2章 钢结构的材料图2.6 高温对钢材性能的影响第32页/共184页第2章 钢结构的材料 负温范围负温范围 :fy与fu都增高但塑性减小,材料转脆,对冲击韧性的影响十分突出。材料由韧性破坏转到脆性破坏叫该种钢材的转变温度,在结构设计中要求避免完全脆性破坏,所以结构所处温度应大于脆性转变温度。图2.7 Cv值随温度T的变化第33页/共184页第2章 钢结构的材料3.3.应力集中应力集中 当截面完整性遭到破坏,如有裂纹、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突然改变时,构件中的应力分布将变得很不均匀。在缺陷或截面变化处附近,应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。孔边
21、应力高峰处将产生双向或三向的应力。这是因为材料的某一点在x方向伸长的同时,在y方向(横向)将要收缩,当板厚较大时还将引起z方向收缩。第34页/共184页第2章 钢结构的材料 三向同号应力且各应力数值接近时,材料不易屈服。当为数值相等三向拉应力时,直到材料断裂也不屈服。其破坏属于脆性断裂。所以,三向应力状态使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到约束,材料容易脆性破坏。因此,对于厚钢材应该要求更高的韧性。图2.8 孔洞、缺口处的应力集中第35页/共184页2.4 2.4 钢材的延性破坏和非延性破钢材的延性破坏和非延性破坏坏 循环加载和快速加载的效循环加载和快速加载的效应应 有屈服现象的钢材或者虽然没
22、有明显屈服现象而能发生较大塑性变形的钢材,一般属于塑性材料。没有屈服现象或塑性变形能力很小的钢材,则属于脆性材料脆性材料。第2章 钢结构的材料延性破坏和非延性破坏延性破坏和非延性破坏第36页/共184页第2章 钢结构的材料塑性材料塑性材料是指由于材料原始性能以及在常温、静载并一次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料。然而一种钢材具有塑性变形能力的大小,不仅取决于钢材原始的化学成分,熔炼与轧制条件,也和所处的工作条件相关。即使原来塑性好的钢材,改变了工作条件,如在很低的温度之下受冲击作用,也完全可能呈现脆性破坏。所以,严格地说,不宜把钢材划分为塑性不宜把钢材划分为塑性和脆性材料,而
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 钢结构 原理 设计 部分 共计 390
限制150内