第十一章_鋼結(jié)構(gòu).ppt

鋼結(jié)構(gòu),梁連接于柱的側(cè)面,第十一章鋼結(jié)構(gòu),鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍1.大跨度結(jié)構(gòu)2.重型廠房結(jié)構(gòu)3.受動(dòng)力荷載影響的結(jié)構(gòu)4.可拆卸的結(jié)構(gòu)5.高聳結(jié)構(gòu)和高層建筑6.容器和其他構(gòu)筑物7.輕型鋼結(jié)構(gòu),第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的材料和鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)一、鋼結(jié)構(gòu)的材料（一）鋼材低碳鋼、低合金高強(qiáng)度鋼。,(1)鋼材的種類和牌號(hào)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)的數(shù)值（N/mm2）、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)和脫氧方法符號(hào)等四個(gè)部分按順序組成。如Q235AF表示屈服強(qiáng)度為235Nmm2的A級(jí)沸騰鋼；Q235-Bb表示屈服強(qiáng)度為235Nmm2的B級(jí)半鎮(zhèn)靜鋼；Q235-C表示屈服強(qiáng)度為235Nmm2的C級(jí)鎮(zhèn)靜鋼。,低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金鋼是在冶煉過程中添加一種或幾種少量合金元素，其總量低于5的鋼材。其牌號(hào)與碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)的表示方法相同，常用的低合金鋼有Q345、Q390、Q420等。低合金鋼的脫氧方法為鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼。Q345-B表示屈服強(qiáng)度為345Nmm2的B級(jí)鎮(zhèn)靜鋼；Q390D表示屈服強(qiáng)度為390Nmm2的D級(jí)特殊鎮(zhèn)靜鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼都可以采取適當(dāng)?shù)臒崽幚?如調(diào)質(zhì)處理)進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。例如用于制造高強(qiáng)度螺栓的45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼以及40硼（40B）、20錳鈦硼（20MnTiB）就是通過調(diào)質(zhì)處理提高強(qiáng)度的。,（2）鋼材的規(guī)格鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材主要為熱軋成型的鋼板、型鋼，以及冷彎成型的薄壁型鋼等。鋼板鋼板有薄鋼板（厚度0.354mm）、厚鋼板（厚度4.560mm）、特厚板（板厚60mm）和扁鋼(厚度460mm，寬度為12200mm)等。鋼板用“寬厚長”或“寬厚”表示，單位為mm，如45083100，4508。型鋼鋼結(jié)構(gòu)常用的型鋼是角鋼、工字型鋼、槽鋼和H型鋼、鋼管等。除H型鋼和鋼管有熱軋和焊接成型外，其余型鋼均為熱軋成型。,冷彎薄壁型鋼冷彎薄壁型鋼采用薄鋼板冷軋制成。其壁厚一般為1.512mm，但承重結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的壁厚不宜小于2mm。薄壁型鋼能充分利用鋼材的強(qiáng)度以節(jié)約鋼材，在輕鋼結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。常用冷彎薄壁型鋼截面型式有等邊角鋼、卷邊等邊角鋼、Z型鋼、卷邊Z型鋼、槽鋼、卷邊槽鋼（C型鋼）、鋼管等。,(3)鋼材的選用原則鋼材選用的原則是既要使結(jié)構(gòu)安全可靠和滿足使用要求，又要最大可能節(jié)約鋼材和降低造價(jià)。為保證承重結(jié)構(gòu)的承載力和防止在一定條件下可能出現(xiàn)的脆性破壞，應(yīng)綜合考慮下列因素：結(jié)構(gòu)的重要性、荷載的性質(zhì)、連接方法、結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境、鋼材厚度,（二）連接材料：焊條、焊絲、螺栓、螺釘二、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1.材料的強(qiáng)度高,塑性和韌性好2.材質(zhì)均勻,和力學(xué)計(jì)算的假定比較符合3.鋼結(jié)構(gòu)制造簡便,施工周期短4.鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕5.鋼材耐腐蝕性差6.鋼材耐熱但不耐火,三、鋼材及連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,（一）鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv端面承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fce（二）連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值焊縫的抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度fcw、ftwfvw,角焊縫的抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度ffw,2螺栓連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值抗拉、抗剪、承壓強(qiáng)度ftb、fvb、fcb,（三）強(qiáng)度折減系數(shù),某些結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以相應(yīng)的折減系數(shù)。（見195頁）。,第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件類型,一、軸心受力構(gòu)件,概念：在例如桁架、剛架、排架、塔架及網(wǎng)殼等桿件體系結(jié)構(gòu)中，通常假設(shè)其節(jié)點(diǎn)為鉸接連接，當(dāng)無節(jié)點(diǎn)間荷載作用時(shí)，只有軸向拉力和壓力的作用，分別稱為軸心受拉構(gòu)件和軸心受壓構(gòu)件。截面形式：一般分為兩類，第一類是熱軋型鋼截面；第二類是型鋼組合截面或格構(gòu)式組合截面,對(duì)軸心受力構(gòu)件截面形式的要求：能提供強(qiáng)度所需要的截面面積；制作簡便；便于和相鄰構(gòu)件連接；截面寬大而壁厚較薄，以滿足剛度要求。,軸心受力構(gòu)件截面形式,格構(gòu)式構(gòu)件,二、受彎構(gòu)件,熱軋型鋼梁、冷彎薄壁型鋼梁、組合梁。,梁的截面形式,三、拉彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件實(shí)腹式和格構(gòu)式,第三節(jié)受彎構(gòu)件的計(jì)算,一、受彎構(gòu)件的強(qiáng)度（一）抗彎強(qiáng)度計(jì)算1鋼梁的彎曲正應(yīng)力,梁的彎曲正應(yīng)力,鋼梁的彎曲正應(yīng)力沿截面高度的分布隨彎矩不同而不同。彈性階段：應(yīng)力呈三角形分布。完全塑性：應(yīng)力為矩形分布。部分塑性：中間狀態(tài)。2截面塑性發(fā)展系數(shù)x、y3抗彎強(qiáng)度計(jì)算,（二）抗剪強(qiáng)度計(jì)算,V-計(jì)算截面沿腹板平面作用的剪力S-計(jì)算剪應(yīng)力處以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩I-毛截面慣性矩Tw-腹板厚度fv鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,（三）局部承壓強(qiáng)度計(jì)算,F-集中荷載-集中荷載增大系數(shù)Lz集中荷載在腹板計(jì)算高度上邊緣的假定分布長度f-鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,二、鋼梁的整體穩(wěn)定性,鋼梁的截面高而窄，承受荷載后在彎矩作用平面內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形，側(cè)向保持平直。當(dāng)荷載達(dá)某一數(shù)值后，梁在擾力作用下突然發(fā)生側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)，由于變形很快增加，導(dǎo)致梁不能繼續(xù)承載，梁的側(cè)向失穩(wěn)。,鋼梁喪失整體穩(wěn)定,影響因素：側(cè)向支撐點(diǎn)間距、截面尺寸、荷載類型和作用位置。梁的整體失穩(wěn)公式,Mx繞強(qiáng)軸作用的最大彎矩Wx按受壓截面確定的梁截面模量b梁的整體穩(wěn)定系數(shù),三、鋼梁局部穩(wěn)定,由翼緣和腹板等板件組成的鋼梁，在壓應(yīng)力作用下可能發(fā)生局部失穩(wěn)，板件向向其平面外發(fā)生波狀鼓曲。,避免梁的局部失穩(wěn)有兩個(gè)途徑：限制板件的寬厚比或高厚比；設(shè)置加勁肋。,縱向加勁肋斷開,橫向加勁肋保持連續(xù),加勁肋設(shè)置,加勁肋設(shè)置,第四節(jié)軸心受力構(gòu)件的計(jì)算一、軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度,軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度承載能力極限狀態(tài)是截面的平均應(yīng)力達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度fy軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度按下式計(jì)算式中N構(gòu)件的軸心拉力或壓力設(shè)計(jì)值；An構(gòu)件的凈截面面積；f鋼材的抗拉或抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,二、軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性,（一）實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件,1整體穩(wěn)定,2局部穩(wěn)定,（2）腹板高厚比,三、允許長細(xì)比規(guī)范規(guī)定，桁架受拉桿件承受靜力荷載，容許長細(xì)比=350,其他拉桿、支撐、系桿=400。四、實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件截面設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)步驟1初步選擇截面2進(jìn)行截面驗(yàn)算3滿足構(gòu)造規(guī)定,第五節(jié)拉彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件的計(jì)算,拉彎構(gòu)件壓彎構(gòu)件,一、強(qiáng)度計(jì)算,二、構(gòu)件的剛度控制允許長細(xì)比三、壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定性,第六節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的連接,鋼結(jié)構(gòu)的連接方法有焊縫連接、螺栓連接和鉚釘連接三種,一、焊縫連接,優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡單，加工方便，節(jié)約鋼材，連接的剛度大，密封性能好，易于采用自動(dòng)化作業(yè)。缺點(diǎn)：但焊縫連接會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余變形，且連接的塑性和韌性較差。,（一）焊縫連接,1.焊接原理鋼結(jié)構(gòu)常用的焊接方法有電弧焊，包括手工電弧焊、自動(dòng)或半自動(dòng)埋弧焊及氣體保護(hù)焊等。（1）手工電弧焊1）原理,其電路由焊條、焊鉗、焊件、電焊機(jī)和導(dǎo)線等組成。,特點(diǎn)手工焊具有設(shè)備簡單，適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，特別是短焊縫或曲折焊縫的焊接時(shí)，或在施工現(xiàn)場進(jìn)行高空焊接時(shí)，只能采用手工焊接，所以它是鋼結(jié)構(gòu)中最常用的焊接方法。但其生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，保證焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵是焊工的技術(shù)水平，焊縫質(zhì)量的波動(dòng)較大,（2）自動(dòng)或半自動(dòng)埋弧焊1）原理,2）特點(diǎn)及應(yīng)用自動(dòng)埋弧焊焊縫質(zhì)量穩(wěn)定，焊縫內(nèi)部缺陷少，塑性和韌性好，因此其質(zhì)量比手工電弧焊好。半自動(dòng)埋弧焊質(zhì)量介于自動(dòng)焊和手工焊之間。3）應(yīng)用自動(dòng)埋弧焊只適合焊接較長的直線焊縫。半自動(dòng)埋弧焊適合于焊接曲線或任意形狀的焊縫。動(dòng)焊或半自動(dòng)焊應(yīng)采用與焊件金屬強(qiáng)度相匹配的焊絲和焊劑。焊絲應(yīng)符合焊接用鋼絲GB1300-77的規(guī)定，焊劑種類根據(jù)焊接工藝要求確定。,（二）焊縫的型式與構(gòu)造焊縫連接可分為:對(duì)接搭接T形連接角接,截面型式I型、單邊V型、V型、J型、U型、K型和X型等。,引弧板：對(duì)接焊縫施焊時(shí)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，常因起弧和滅弧出現(xiàn)弧坑等缺陷，此處極易產(chǎn)生裂紋和應(yīng)力集中，為避免焊口缺陷，可在焊縫兩端設(shè)引弧板。,在對(duì)接焊縫的拼接處，當(dāng)焊件的寬度不同或厚度相差4mm以上時(shí)，應(yīng)分別在寬度方向或厚度方向從一側(cè)或兩側(cè)做成坡度不大于1/4（對(duì)承受動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)）或1/2.5（對(duì)承受靜荷載的結(jié)構(gòu)）斜角。當(dāng)厚度不同時(shí)，坡口型式應(yīng)根據(jù)較薄焊件厚度來取用，焊縫的計(jì)算厚度等于較薄焊件的厚度。,（三）焊縫的計(jì)算（1）對(duì)接焊縫1）軸心受力對(duì)接焊縫的計(jì)算,或,彎矩、剪力共同作用時(shí)對(duì)接焊縫的計(jì)算,或,=,2）直角角焊縫的計(jì)算公式在通過焊縫形心的拉力、壓力或剪力作用下當(dāng)力垂直于焊縫長度方向時(shí)當(dāng)力平行于焊縫長度方向時(shí),二、螺栓連接,1.普通螺栓連接的計(jì)算和構(gòu)造螺栓的規(guī)格鋼結(jié)構(gòu)采用的普通螺栓形式為六角頭型，其代號(hào)用字母M和公稱直徑的毫米數(shù)表示。螺栓直徑d應(yīng)根據(jù)整個(gè)結(jié)構(gòu)及其主要連接的尺寸和受力情況選定，受力螺栓一般采用M16、M20、M24等。,2.螺栓連接螺栓連接可分為普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓連接兩種。,螺栓的排列有：并列和錯(cuò)列。,并列,錯(cuò)列,受剪螺栓,受拉螺栓,擠壓破壞,剪切破壞,拉壓破壞,沖剪破壞,受彎破壞,受拉螺栓連接,受力特點(diǎn),受拉螺栓連接受軸心力作用時(shí)的計(jì)算方法由于受拉螺栓的最不利截面在螺栓削弱處，因此，計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)螺紋削弱處的有效直徑de或有效面積Ae來確定其承載力。一個(gè)受拉螺栓的承載力設(shè)計(jì)值為式中：de、Ae分別為螺栓螺紋處的有效直徑和有效面積；ftb螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。,同時(shí)承受剪力和拉力的螺栓連接當(dāng)螺栓同時(shí)承受剪力和拉力時(shí)，連接螺栓安全工作的強(qiáng)度條件是連接中最危險(xiǎn)螺栓所承受的剪力和拉力應(yīng)滿足下面的相關(guān)公式：,3.高強(qiáng)度螺栓連接,(1)受力性能與構(gòu)造要求高強(qiáng)螺栓連接主要是靠被連接板件間的強(qiáng)大摩阻力來抵抗外力。,高強(qiáng)螺栓的摩擦型連接,nf傳力摩擦面數(shù)目摩擦面的抗滑移系數(shù)P_一個(gè)高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力,軸心受壓構(gòu)件的構(gòu)造（1）實(shí)腹式軸心受壓柱截面形式：,第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,一、軸心受力構(gòu)件平面桁架、空間桁架支撐系統(tǒng)實(shí)腹式截面、格構(gòu)式截面軸心受拉構(gòu)件：受拉承載力計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)長細(xì)比驗(yàn)算軸心受壓構(gòu)件：受壓承載力計(jì)算、長細(xì)比驗(yàn)算（保證剛度）、整體穩(wěn)定計(jì)算。NAfN-軸心壓力設(shè)計(jì)值A(chǔ)-構(gòu)件的毛截面積-軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)f-鋼材的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,二、受彎構(gòu)件,鋼梁（一）鋼梁的受彎、受剪和局部受壓構(gòu)件截面邊緣最大應(yīng)力不超過鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值彎曲最大剪應(yīng)力不超過鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（二）鋼梁的整體穩(wěn)定性計(jì)算鋼梁截面窄而高，承受載荷后在彎矩作用面內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形，側(cè)向保持平直，但當(dāng)荷載達(dá)到某一數(shù)值后，梁在擾力作用下可能突然發(fā)生側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)，變形增加很快，導(dǎo)致梁不能繼續(xù)承載-梁喪失整體穩(wěn)定性（梁的側(cè)向失穩(wěn)）,主要因素：梁側(cè)向支承點(diǎn)的間距；截面尺寸和慣性矩；梁端支承對(duì)截面的約束；荷載類型和作用位置。引入梁整體穩(wěn)定系數(shù)bMx/bWxfMx-最大剛度主平面內(nèi)最大彎矩Wx按受壓翼緣確定的毛截面抵抗矩.,(三)鋼梁的局部穩(wěn)定,在壓應(yīng)力作用下可能發(fā)生局部失穩(wěn),板件向其平面外發(fā)生波狀鼓曲.為保證梁受壓翼緣局部穩(wěn)定,限制翼緣的寬厚比;為保證梁腹板局部穩(wěn)定,可在腹板兩側(cè)成對(duì)設(shè)橫向加勁肋,在彎曲應(yīng)力大的區(qū)段受壓區(qū)設(shè)縱向加勁肋.,三、拉彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件偏心受拉或受壓構(gòu)件實(shí)腹式、格構(gòu)式雙軸對(duì)稱截面、單軸對(duì)稱截面,第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的連接,一、焊縫連接靈活方便，構(gòu)造簡單，易于采用自動(dòng)化操作，焊接不削弱截面，節(jié)省鋼材，密封性好，剛度大。施工質(zhì)量較難控制，對(duì)疲勞和脆斷敏感。（一）焊接方法電弧焊（二）焊縫連接形式及焊縫形式連接形式：平接、搭接、T形連接、角接焊縫形式：對(duì)接焊縫、角焊縫,（三）焊縫的計(jì)算和構(gòu)造1對(duì)接焊縫鋼板的拼接和T形連接，坡口、引弧板。2角焊縫用于搭接、T形連接、焊角尺寸hf、計(jì)算長度、焊縫有效厚度he,二、螺栓連接,（一）螺栓的布置和排列滿足受力、構(gòu)造、施工要求間距、邊距、端距（二）螺栓的傳力抗剪螺栓連接：螺桿剪切破壞、孔壁擠壓破壞、連接板凈截面破壞、連接板端部剪切破壞、螺桿彎曲破壞。,抗拉螺栓連接：螺栓沿桿軸方向受拉，高強(qiáng)度螺栓連接：安裝施加緊固預(yù)拉力，使連接板間產(chǎn)生摩擦力來傳遞剪力。,第四節(jié)軸心受力構(gòu)件,概念：在例如桁架、剛架、排架、塔架及網(wǎng)殼等桿件體系結(jié)構(gòu)中，通常假設(shè)其節(jié)點(diǎn)為鉸接連接，當(dāng)無節(jié)間荷載作用時(shí)，只有軸向拉力和壓力的作用，分別稱為軸心受拉構(gòu)件和軸心受壓構(gòu)件。截面形式：一般分為兩類，第一類是熱軋型鋼截面；第二類是型鋼組合截面或格構(gòu)式組合截面。,對(duì)軸心受力構(gòu)件截面形式的要求：,能提供強(qiáng)度所需要的截面面積；制作簡便；便于和相鄰構(gòu)件連接；截面寬大而壁厚較薄，以滿足剛度要求。,二、軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定性,穩(wěn)定性驗(yàn)算的重要性：若結(jié)構(gòu)或構(gòu)件處于不穩(wěn)