钢结构概述与钢结构的材料.ppt

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1、第三篇第三篇 钢结构钢结构第第1 1章章 概述概述 第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料第第3 3章章 构件的截面承载能力构件的截面承载能力强度强度 第第4 4章章 单个构件的承载能力单个构件的承载能力稳定性稳定性 第第5 5章章 钢结构的连接和节点构造钢结构的连接和节点构造 优点建筑钢材强度高，塑性韧性好 强度高大跨、高层、高负荷结构 塑性好防止脆性破坏，应力重分配 韧性好承受动力荷载，抗震性能好材质均匀、性能好，结构可靠性高 钢材接近于各向同性的理想弹塑性体，实际受力同工程力学计算理论比较符合，因此钢结构的可靠性高1.1.1 1.1.1 1.1.1 1.1.1 钢结构的特点钢结构的特点

2、钢结构的特点钢结构的特点1.1 1.1 1.1 1.1 钢结构的特点和应用钢结构的特点和应用钢结构的特点和应用钢结构的特点和应用第第1 1章章 概述概述钢结构施工简便，工期短，易于改造和加固 钢材可加工性能好，工业化机械化程度高，构件轻，连接简单，安装方便钢结构的重量轻，质强比小 材料的质量密度与强度f的比值（质强比）小 建筑钢材质强比：1.73.7104 木材质强比：5.4104 钢筋混凝土质强比：18104 钢结构钢混结构钢筋混凝土结构自重11.221.72结构自身面积0.280.371施工周期11.331.6用钢量1.451.231平均施工进度4.5天/层7天/层几种类型结构比较几种类型

3、结构比较缺点耐腐蚀性差 使用环境，钢材极易锈蚀，需注意保护，特殊环境下不易使用钢结构耐火性差 耐热性较好（200以下钢材性质变化很小），高于200 后钢材强度下降很快，600 时钢材进入塑性状态，强度几乎降为零丧失承载力，需采取隔热防火措施钢材价格相对较高 工业厂房工业厂房工业厂房工业厂房 吊车起重量较大或者其工作较繁重的车间的主要承重骨架多采用钢结构，结构形式多为由钢屋架和阶形柱组成的门式刚架或排架，也有采用网架做屋盖的结构形式，随着压型钢板等轻型屋面材料的采用，轻钢结构工业厂房得到了迅速的发展。其结构形式主要为实腹式变截面门式刚架 受动力荷载影响的结构受动力荷载影响的结构受动力荷载影响的结

4、构受动力荷载影响的结构 由于钢材具有良好的韧性，设有较大锻锤或产生动力作用的其他设备的厂房，即使屋架跨度不大，也往往由钢制成。对于抗震能力要求高的结构，采用钢结构也是比较适宜的1.1.2 1.1.2 1.1.2 1.1.2 钢结构的应用范围钢结构的应用范围钢结构的应用范围钢结构的应用范围 高耸结构高耸结构高耸结构高耸结构 高耸结构包括塔架和桅杆结构，如高压输电线路的塔架、广播、通信和电视发射用的塔架和桅杆、火箭（卫星）发射塔架等 可拆卸的结构可拆卸的结构可拆卸的结构可拆卸的结构 钢结构不仅重量轻，还可以用螺栓或其他便于拆装的手段来连接，因此非常适用于需要搬迁的结构 容器和其他特种结构容器和其他

5、特种结构容器和其他特种结构容器和其他特种结构 冶金、石油、化工企业中大量采用钢板做成的容器结构，包括油罐、煤气罐、高炉、热风炉等。此外，经常使用的还有皮带通廊栈桥、管道支架、锅炉支架等其他钢构筑物，海上采油平台也大都采用钢结构 组合结构组合结构组合结构组合结构 钢构件和板件受压时必须满足稳定性要求，往往不能充分发挥它的强度高的作用，而混凝土则最宜于受压不适于受拉，将钢材和混凝土并用，使两种材料都充分发挥它的长处，是一种很合理的结构 主要构件形式有钢与混凝土组合梁和钢管混凝土柱等 常用钢混凝土组合截面常用钢混凝土组合截面常用钢混凝土组合截面常用钢混凝土组合截面 大跨结构大跨结构大跨结构大跨结构

6、结构跨度越大，自重在荷载中所占的比例就越大，减轻结构的自重会带来明显的经济效益。钢材强度高结构重量轻的优势正好适合于大跨结构，因此钢结构在大跨空间结构和大跨桥梁结构中得到了广泛的应用。所采用的结构形式有空间桁架、网架、网壳、悬索（包括斜拉体系）、张弦梁、实腹或格构式拱架和框架等 南通体育会展中心南通体育会展中心南通体育会展中心南通体育会展中心-开合结构（网架体系）开合结构（网架体系）开合结构（网架体系）开合结构（网架体系）北京奥运会主会场北京奥运会主会场北京奥运会主会场北京奥运会主会场-鸟巢（门式钢架组合体系）鸟巢（门式钢架组合体系）鸟巢（门式钢架组合体系）鸟巢（门式钢架组合体系）南京火车站南

7、京火车站南京火车站南京火车站南京火车站南京火车站南京火车站南京火车站 多高层建筑多高层建筑多高层建筑多高层建筑 钢结构的综合效益指标优良，在多、高层民用建筑中也得到了广泛的应用。其结构形式主要有多层框架、框架支撑结构、框筒、悬挂、巨型框架等香港汇丰银行（框支悬挂体系）香港汇丰银行（框支悬挂体系）香港汇丰银行（框支悬挂体系）香港汇丰银行（框支悬挂体系）轻钢结构轻钢结构轻钢结构轻钢结构 当屋面活荷载特别轻时，小跨结构的自重也成为一个重要因素。冷弯薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可比钢筋混凝土屋架的用钢量还少。轻钢结构的结构形式有实腹变截面门式刚架、冷弯薄壁型钢结构（包括金属拱形波纹屋盖）以及钢管结

8、构等。轻钢结构住宅轻钢结构住宅轻钢结构住宅轻钢结构住宅轻钢结构住宅轻钢结构住宅轻钢结构住宅轻钢结构住宅轻钢结构住宅轻钢结构住宅轻钢结构住宅轻钢结构住宅同混凝土结构设计第三章同混凝土结构设计第三章同混凝土结构设计第三章同混凝土结构设计第三章1.2 1.2 钢结构的极限状态和概率极限状态法钢结构的极限状态和概率极限状态法2.1 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求较高的抗拉强度fu和屈服点fy较高的塑性和韧性良好的工艺性能在一定特殊情况下，适应低温、高温和腐蚀行环境的能力分别涉及钢材材性：强度、塑性、韧性、可焊性、冷弯性、耐久性等方面第第2 2章章 钢结构材料钢结构材料2.2.1 2.2.

9、1 2.2.1 2.2.1 单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能试验条件试验条件常温、静载、标准试件、一次拉伸常温、静载、标准试件、一次拉伸 钢钢材材在在常常温温、静静载载条条件件下下一一次次拉拉伸伸所所表表现现的的性性能能最最具具有有代代表表性性，钢钢材材的的主主要要强强度度指指标标和和变变形形性性能能都都是是根根据据标标准准试试件件一次拉伸试验确定的。一次拉伸试验确定的。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单向均匀拉伸试验单向均匀拉伸试验单向均匀拉伸试验单向均匀拉伸试验比例极限比例极限 应力应力-应变图中直线段的最大应力值

10、。应变图中直线段的最大应力值。屈屈服服点点 应应变变在在之之后后不不再再与与应应力力成成正正比比，而而是是渐渐渐渐加加大大，应应 力力-应变间成曲线关系，一直到屈服点。应变间成曲线关系，一直到屈服点。抗拉强度抗拉强度 最高点应力为抗拉强度最高点应力为抗拉强度 。伸长率伸长率 伸长率代表材料断裂前具有的伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形塑性变形的能力。的能力。屈服点、抗拉强度和伸长率屈服点、抗拉强度和伸长率屈服点、抗拉强度和伸长率屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。，是钢材的三个重要力学性能指标。，是钢材的三个重要力学性能指标。，是钢材的三个重要力学性能指标。指钢材在冷加工（

11、常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标 2.2.2 2.2.2 冷弯性能冷弯性能钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，表示钢材抵抗冲击荷载的能力 钢材强度与塑性的综合表现 2.2.3 2.2.3 冲击韧性冲击韧性2.2.4 2.2.4 可焊性可焊性可可焊焊性性 指指采采用用一一般般焊焊接接工工艺艺就就可可完完成成合合格格的的（无无裂裂纹纹的）焊缝的性能。的）焊缝的性能。钢钢材材的的可可焊焊性性受受碳碳含含量量和和合合金金元元素素含含量量的的影影响响。碳碳含含量量在在0.120.120.20%0.20%范范围围内内的的碳碳素素

12、钢钢，可可焊焊性性最最好好。碳碳含含量量再再高高可可使使焊焊缝缝和和热热影影响响区区变变脆脆。Q235BQ235B的的碳碳含含量量就就定定在在这这一一适适宜宜范范围围。Q235AQ235A的的碳碳含含量量略略高高于于B B级级，且且不不作作为为交交货货条条件件，除除非非把把碳碳含含量作为附加保证，这一钢号通常不能用于焊接构件。量作为附加保证，这一钢号通常不能用于焊接构件。2.2.5 2.2.5 钢材性能的鉴定钢材性能的鉴定 对对属属于于下下列列情情况况之之一一的的钢钢材材，应应根根据据国国家家标标准准，进进行行抽抽样复检。样复检。1 1）国外进口钢材；）国外进口钢材；2 2）钢材混批；）钢材混

13、批；3 3）厚度）厚度4040，且有，且有Z Z向性能要求的厚板；向性能要求的厚板；4 4）一级建筑，大跨度建筑中的主要受力构件；）一级建筑，大跨度建筑中的主要受力构件；5 5）设计有复检要求；）设计有复检要求；6 6）对钢材质量有异议。）对钢材质量有异议。钢材质量的抽样检验，应由相应资质的单位进行。钢材质量的抽样检验，应由相应资质的单位进行。2.3.1 2.3.1 2.3.1 2.3.1 化学成分的影响化学成分的影响化学成分的影响化学成分的影响2.3 2.3 影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素铁：钢的基本元素，普通碳素钢中占99%碳：碳含量增加，提高钢材强度，降低塑性、韧性、耐腐蚀性、疲劳

14、强度和冷弯性能，恶化钢材可焊性硅、锰：脱氧剂，提高钢材强度钒、钛：提高钢的强度和抗腐蚀性 硫、磷：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，分别加剧热脆和冷脆，磷能提高强度和抗锈性氧、氮：分别加剧热脆和冷脆铜：降低可焊性，提高钢的强度和抗腐蚀性成材过程的影响成材过程的影响成材过程的影响成材过程的影响1 1、冶炼、冶炼钢材的钢材的冶炼方法冶炼方法 平炉炼钢平炉炼钢质量好，但效率低（已停产）；质量好，但效率低（已停产）；氧气顶吹转炉炼钢氧气顶吹转炉炼钢质量好，效率高；质量好，效率高；碱性侧吹转炉炼钢碱性侧吹转炉炼钢质量差（禁用）质量差（禁用）；电炉炼钢电炉炼钢质量好，但成本高（不用）；质量好，但成本

15、高（不用）；冶冶炼炼这这一一冶冶金金过过程程形形成成钢钢的的化化学学成成分分与与含含量量、钢钢的的金金相相组组织织结结构构，以以及及不不可可避避免免的的冶冶金金缺缺陷陷，从从而而确确定定不不同同的的钢钢种种、钢钢号及其相应的力学性能。号及其相应的力学性能。2 2、浇铸、浇铸浇铸方法：浇铸方法：、浇入铸模做成钢锭；（传统的方法）、浇入铸模做成钢锭；（传统的方法）、浇入连续浇铸机做成钢坯浇入连续浇铸机做成钢坯；（现代工艺）；（现代工艺）沸沸腾腾钢钢加加弱弱脱脱氧氧剂剂（锰锰），脱脱氧氧不不充充分分，浇浇铸铸时时有有大大量量气气体体逸逸出出，引引起起钢钢液液剧剧烈烈沸沸腾腾，冷冷却却速速度度快快，晶

16、晶粒粒粗粗，偏偏析析、气气泡等缺陷较严重；泡等缺陷较严重；镇镇静静钢钢加加强强脱脱氧氧剂剂（硅硅、有有时时还还加加铝铝或或钛钛），保保温温时时间间得得以以加加长长，氧氧气气杂杂质质少少且且晶晶粒粒较较细细，偏偏析析等等缺缺陷陷不不严严重重，所所以以钢钢材性能比沸腾钢好。材性能比沸腾钢好。冶金缺陷：冶金缺陷：偏析偏析指金属结晶后化学成分分布不匀；指金属结晶后化学成分分布不匀；非金属夹杂非金属夹杂指钢中含有如硫化物等杂质；指钢中含有如硫化物等杂质；气泡气泡指浇铸时由指浇铸时由FeO与与C作用所生成的作用所生成的CO气不能充分逸出气不能充分逸出 而留在钢锭内形成的微小空洞。而留在钢锭内形成的微小空洞

17、。这些缺陷都将影响钢的力学性能。这些缺陷都将影响钢的力学性能。3 3、轧制、轧制 钢钢材材的的轧轧制制能能使使金金属属的的晶晶粒粒变变细细，也也能能使使气气泡泡、裂裂纹纹等等焊焊合合，因因而而改改善善了了钢钢材材的的力力学学性性能能。薄薄板板因因辊辊轧轧次次数数多多，其其强度比厚板略高。强度比厚板略高。2.3.3 2.3.3 2.3.3 2.3.3 影响钢材性能的其他因素影响钢材性能的其他因素影响钢材性能的其他因素影响钢材性能的其他因素1 1 1 1、冷加工硬化、冷加工硬化、冷加工硬化、冷加工硬化(应变硬化应变硬化应变硬化应变硬化)2 2 2 2、温度影响、温度影响、温度影响、温度影响3 3

18、3 3、应力集中、应力集中、应力集中、应力集中2.4 2.4 2.4 2.4 钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载的效应钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载的效应钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载的效应钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载的效应 自学自学自学自学2.5 2.5 2.5 2.5 建筑钢材的类别和钢材的选用建筑钢材的类别和钢材的选用建筑钢材的类别和钢材的选用建筑钢材的类别和钢材的选用建筑钢材的类别建筑钢材的类别建筑钢材的类别建筑钢材的类别 钢钢结结构构用用的的钢钢材材主主要要有有两两个个种种类类，即即碳碳素素结结构构钢钢和和低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢。1 1 1 1、碳

19、素结构钢、碳素结构钢、碳素结构钢、碳素结构钢 碳碳素素结结构构钢钢的的牌牌号号(简简称称钢钢号号)有有Q195、Q215A及及B，Q235A、B、C及及D，Q255A及及B以及以及Q275。Q屈服强度中屈字汉语拼音的字首；屈服强度中屈字汉语拼音的字首；阿拉伯字阿拉伯字表示以表示以N/mm2为单位屈服强度的大小；为单位屈服强度的大小；A、B、C或或D表示按质量划分的级别。表示按质量划分的级别。脱脱氧氧方方法法的的符符号号如如“F”、“Z”、“TZ”、“b”等等。镇镇静钢和特殊镇静钢的符号可省略。静钢和特殊镇静钢的符号可省略。从从Q195到到Q275，是以强度的由低到高排列的。，是以强度的由低到高

20、排列的。建筑结构在碳素结构钢这一钢种中主要应用建筑结构在碳素结构钢这一钢种中主要应用Q235这一钢号。这一钢号。钢号中质量分级由钢号中质量分级由A到到D，表示质量的由低到高。，表示质量的由低到高。A级级钢钢冲冲击击韧韧性性不不作作为为要要求求条条件件，冷冷弯弯试试验验只只在在需需方方要要求求时时进行；进行；B级钢级钢要求常温（要求常温（205）冲击值）冲击值AKV 27J、冷弯合格；、冷弯合格；C级钢级钢要求常温（要求常温（0）冲击值）冲击值AKV 27J、冷弯合格；、冷弯合格；D级钢级钢要求常温（要求常温（20）冲击值）冲击值AKV 27J、冷弯合格；、冷弯合格；对对Q235钢来说，钢来说，

21、A、B两级的脱氧方法可以是两级的脱氧方法可以是Z、b或或F，C级只级只能是能是Z，D级只能是级只能是TZ。2 2 2 2、低合金高强度结构钢、低合金高强度结构钢、低合金高强度结构钢、低合金高强度结构钢 低低合合金金高高强强度度结结构构钢钢是是在在钢钢的的冶冶炼炼过过程程中中添添加加少少量量几几种种合合金金元元素素（合合金金元元素素的的总总量量低低于于5），使使钢钢的的强强度度明明显显提提高高，故故称称低低合合金金高高强强度度结结构构钢钢。Q345、Q390和和Q420是是钢钢结结构构设设计计规规范范规规定定采采用用的的钢钢种种。这这三三种种钢钢都都包包括括A、B、C、D、E五种质量等级。五种质

22、量等级。A级钢级钢冲击韧性不作为要求条件，冷弯试验只在需方要求时进行；冲击韧性不作为要求条件，冷弯试验只在需方要求时进行；B级钢级钢要求常温（要求常温（205）冲击值）冲击值AKV 34J、冷弯合格；、冷弯合格；C级钢级钢要求要求0 冲击值冲击值AKV 34J、冷弯合格；、冷弯合格；D级钢级钢要求负温（要求负温（20）冲击值）冲击值AKV 34J、冷弯合格；、冷弯合格；E级钢级钢要求负温（要求负温（40）冲击值）冲击值AKV 27J、冷弯合格。、冷弯合格。低合金高强度结构钢的低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢，级属于镇静钢，C、D、E级属于特级属于特殊镇静钢。殊镇静钢。2.5.2 2.5.

23、2 钢材的选择钢材的选择总的原则：总的原则：安全可靠、经济合理安全可靠、经济合理需考虑因素：需考虑因素：结构的重要性结构的重要性荷载情况荷载情况连接方法连接方法结构所处的温度和环境结构所处的温度和环境钢材厚度钢材厚度1 1 1 1、选用原则、选用原则、选用原则、选用原则承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证焊接结构应保证碳的极限含量焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材应具有冷弯试验的合格保证需要验算疲劳以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材应具有的冲击韧性合格保证2 2 2 2、选用建议、选用建议、选用建议、选用建议钢结构所用钢材主要有：热轧钢板、热轧

24、型钢、冷轧薄钢板、冷弯薄壁型钢热轧钢板 符号“”“宽度厚度长度”如128002100厚钢板：厚度4.560mm，宽度600 3000mm，长度4 12m 用做大型实腹式梁柱翼缘、腹板薄钢板：厚度0.35 4mm，宽度500 1500mm，长度0.5 4m 用于制作冷弯薄壁型钢扁钢：厚度4 60mm，宽度12 200mm，长度3 9m 焊接组合梁柱翼缘板，各种连接板、加劲肋等 2.5.3 2.5.3 钢材的规格钢材的规格热轧型钢角钢：等边角钢 不等边角钢等边（等肢）符号“L”“边长厚度”如L 10010不等边（不等肢）符号“L”“长边宽短边宽厚度”如L 100808主要用来制作桁架等格构式结构的

25、杆件和支撑等连接杆件工字钢：工字钢 H型钢及剖分T型钢工字钢符号“I”号数（截面高cm）类别（a、b、c腹板厚度）如 I32cH型钢符号“HW、HM、HN”“高H宽B腹板厚t1翼缘t2”如 H3003001015T型钢符号“W、TM、TN”“高H宽B腹板厚t1翼缘t2”如 T225200812槽钢：普通槽钢 轻型槽钢 表示方法符号“”号数（截面高cm）类别（a、b、c腹板厚度）如 30a,25Q(轻型)适于作檩条等双向受弯的构件，也可用其组成组合或格构式构件钢管 无缝钢管 焊接钢管表示方法符号“”“外径厚度”常用作桁架、网架、网壳等平面和空间格构式结构的杆件；在钢管混凝土柱中也有广泛的应用 冷扎薄钢板冷弯薄壁型钢：采用0.41.6mm的薄钢板经辊压成型的压型钢板和采用1.56mm厚的钢板经冷弯和辊压成型的型材，其截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度、节约钢材 钢压型钢板 冷弯薄壁型钢广泛地应用于国内外轻钢建筑结构中或用作轻型屋面及墙面等构件