《建筑工程钢结构》资料课件.ppt
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1、钢结构课程的学习方法钢结构课程的学习方法v本课程的特点是:大家对钢结构的感性本课程的特点是:大家对钢结构的感性认识少,结构构造复杂,理论性强(特认识少,结构构造复杂,理论性强(特别是稳定理论)别是稳定理论),学习难度大;学习难度大;v受课时限制,不能过多的讲理论、讲公受课时限制,不能过多的讲理论、讲公式产生、详解例题;式产生、详解例题;v加强课前预习与课后复习加强课前预习与课后复习;v认真听好课,认真听好课,要记好笔记;要记好笔记;v多作习题与思考题,避免眼高手低。多作习题与思考题,避免眼高手低。第1章 绪论3v第一节第一节 我国钢结构的概况我国钢结构的概况1、古代钢结构、古代钢结构 我国是最
2、早应用钢结构的国家,但是历史的原因我国是最早应用钢结构的国家,但是历史的原因致使现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比,致使现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比,已有相当大的差距,最大的差距在于建筑钢结构。已有相当大的差距,最大的差距在于建筑钢结构。铁链桥铁链桥兰津桥(西南地区)兰津桥(西南地区)四川泸定大渡河桥四川泸定大渡河桥第1章 绪论42 2、现代钢结构、现代钢结构什么是钢结构?什么是钢结构?钢结构是钢结构是钢材(钢板和型钢)钢材(钢板和型钢)经过经过设计设计、加工,加工,形成形成各种基本构件,如拉杆(有时还包括钢索)、压杆、各种基本构件,如拉杆(有时还包括钢索)、压杆、梁、柱及桁
3、架等,然后将这些基本构件按一定的方式梁、柱及桁架等,然后将这些基本构件按一定的方式通过焊接和螺栓等方式连接组成的通过焊接和螺栓等方式连接组成的工程结构形式工程结构形式。五大结构形式之一五大结构形式之一:钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构 砌体结构砌体结构 木木结构结构 钢结构钢结构 组合结构。组合结构。随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术的迅猛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、发展,各地建成了大量的高层钢结构建筑、轻钢结构、高耸结构、市政设施等。高耸结构、市政设施等。钢结构的主要形式及应用钢结构的主要形式及应用(1 1)桁架)桁架 平面
4、桁架平面桁架 空间桁架空间桁架(网架网架)(2 2)框架)框架(3 3)拱架)拱架(4 4)索)索(5 5)壳体)壳体轻质高强轻质高强钢与混凝土、木材相比,虽然质量密度较大,但其钢与混凝土、木材相比,虽然质量密度较大,但其屈服点强度较混凝土和木材要高得多,其质量密度屈服点强度较混凝土和木材要高得多,其质量密度与屈服点强度的比值相对较低。在承载力相同的条与屈服点强度的比值相对较低。在承载力相同的条件下,钢结构与钢筋混凝土结构、木结构相比,构件下,钢结构与钢筋混凝土结构、木结构相比,构件较小,重量较轻,便于运输和安装。件较小,重量较轻,便于运输和安装。1、特点、特点容量:容量:kN/mkN/m3
5、3设计强度设计强度/MPaMPa拉拉压压钢材钢材76.976.9220220360360220220360360混凝土混凝土22.6 22.6 1.051.052.652.658.508.5032.532.5 钢和混凝土容重比:钢和混凝土容重比:3.4 强度比:强度比:210136所以重量轻。所以重量轻。钢材质地均匀,各向同性,弹性模量大,有钢材质地均匀,各向同性,弹性模量大,有良好的塑性和韧性,为理想的弹塑性体,完良好的塑性和韧性,为理想的弹塑性体,完全符合目前所采用的计算方法和基本理论。全符合目前所采用的计算方法和基本理论。材质性能好可靠性高由于焊接结构可以做到完全密封,一些要求气密性由于
6、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及大型油库、气柜、管道等和水密性好的高压容器及大型油库、气柜、管道等板壳结构都采用钢结构。板壳结构都采用钢结构。密封性好钢结构因自重轻、质地均匀,具有较好的延性,因钢结构因自重轻、质地均匀,具有较好的延性,因而抗震及抗动力荷载性能好而抗震及抗动力荷载性能好。抗震性能好生产、安装工业化程度高,施工周期短。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,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
7、施工周期,进而为降低造价、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。提高效益创造条件。工业化程度高、工期短耐热但不耐火抗腐蚀性较差造价稍高抗腐蚀性较差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。费用,但还未能广泛采用。往往会影响业主选择,工程造价略有
8、增加,但往往会影响业主选择,工程造价略有增加,但与基础、工期等因素综合考虑后,造价并不一与基础、工期等因素综合考虑后,造价并不一定比混凝土结构真正地高。定比混凝土结构真正地高。温度在温度在250250以内,钢的性质变化很小;以内,钢的性质变化很小;温度达到温度达到300300以上,强度逐渐下降;以上,强度逐渐下降;达到达到450450650650时,强度降为零。时,强度降为零。因此,钢结构可用于温度不高于因此,钢结构可用于温度不高于250250的场合的场合。2、应用范围、应用范围 重型厂房、受振动荷载作用的厂房结构重型厂房、受振动荷载作用的厂房结构 大跨度建筑物大跨度建筑物体育馆、展览馆、影剧
9、院、会议中心、机库体育馆、展览馆、影剧院、会议中心、机库 多层、高层和超高层建筑多层、高层和超高层建筑 轻型钢结构轻型钢结构没有严格的定义。没有严格的定义。由冷弯薄壁型钢组成的结构;由冷弯薄壁型钢组成的结构;由热轧轻型型钢(工由热轧轻型型钢(工字钢、槽钢、字钢、槽钢、H型钢、型钢、L型钢、型钢、T型钢等)组成的结构;型钢等)组成的结构;由焊接轻型型钢由焊接轻型型钢(工字钢、槽钢、(工字钢、槽钢、H型钢、型钢、L型钢、型钢、T型钢等)组成的结构;型钢等)组成的结构;由圆管、方由圆管、方管、矩形管组成的结构;管、矩形管组成的结构;由薄钢板焊成的构件组成的结构。由薄钢板焊成的构件组成的结构。塔桅结构
10、塔桅结构电视塔、天线、发射架、海洋平台电视塔、天线、发射架、海洋平台 可拆卸和搬迁的结构可拆卸和搬迁的结构 流动展览馆、舞台、施工时的临时房屋、温室流动展览馆、舞台、施工时的临时房屋、温室大棚等大棚等 板壳结构板壳结构储油库、煤气库、高炉等各种容器储油库、煤气库、高炉等各种容器 大跨度桥梁大跨度桥梁 特种结构特种结构海洋平台、水工闸门、锅炉骨架、起重海洋平台、水工闸门、锅炉骨架、起重机、栈桥、管道支架井架机、栈桥、管道支架井架1.0701.2801.5101.8202.2012.7203.300中国钢产量第三节钢结构的发展方向第三节钢结构的发展方向一、研制高强度、特种钢材一、研制高强度、特种钢
11、材高强度Q420:高强度,高韧性,焊接性能,加工性能,并有高超的耐磨损 和腐蚀性 耐候钢:耐候性是耐大气腐蚀性能,为普通钢材的28倍耐火钢,600度时屈服点不低于2/3Z向钢,抗层状撕裂能力强二、推广应用新型钢材成品二、推广应用新型钢材成品(1)H型钢、T型钢(2)彩(色)涂(层)钢板、热镀锌或镀铝锌钢板(3)冷弯(薄壁)型钢三、改进设计方法 建筑科学研究院PKPM(STS)、冶金部建筑研究总院PS2000等四、新型结构体系的应用和发展新型结构体系的应用和发展 1、大跨空间结构网架和网壳结构,悬挂结构 2、钢-混凝土组合结构和混合结构 3、索膜结构:膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式,它
12、以性能优良的织物为材料,或是向膜内充气,由空气压力支撑膜面,或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧,从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。4、预应力钢结构 第四节第四节 钢结构设计和设计规范钢结构设计和设计规范一、钢结构设计内容1、结构选型和结构布置;2、确定选用的钢材牌号;3、建立计算简图,确定其所受的各类荷载;4、结构内力分析,确定各构件在最不利组合下的最大内力;5、构件的截面设计;6、构件相互间的连接设计;7、绘制施工详图,编制材料表。第四节第四节 钢结构设计和设计规范钢结构设计和设计规范二、钢结构设计规范1、钢结构设计规范GB500l72003是我国进行房屋建筑和一般构筑
13、物钢结构设计必须遵循的国家标准。2、冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002;3、钢结构工程施工及验收规范GB50205;三、本课程基本内容三、本课程基本内容(1 1)钢结构的特点和应用范围。)钢结构的特点和应用范围。(2 2)结构钢材的基本性能及影响性能的主要因素,钢)结构钢材的基本性能及影响性能的主要因素,钢 材牌号的正确选用。材牌号的正确选用。(3 3)钢结构的设计原则。)钢结构的设计原则。(4 4)钢结构的连接方法及其计算。钢结构的连接方法及其计算。(5 5)基本构件的截面形式、破坏特征、工作性能、构基本构件的截面形式、破坏特征、工作性能、构造要求及计算方法等。造要求及计算方法
14、等。(6 6)构件间的连接构造及计算,包括柱头、柱脚、梁与梁)构件间的连接构造及计算,包括柱头、柱脚、梁与梁的连接、梁与柱的连接等。的连接、梁与柱的连接等。(7 7)钢屋架设计。)钢屋架设计。(8 8)钢结构疲劳计算、吊车梁设计等。)钢结构疲劳计算、吊车梁设计等。第5节 钢结构的设计方法一、一、结构设计的目的结构设计的目的 在经济合理的前提下使所设计的结构满足各种预定的功能。建筑结构的功能:结构应能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用;在偶然事件发生时及发生后,结构仍能保持必需的整体稳定性。在正常使用荷载情况下,结构具有良好的工作性能,满足正常的使用要求,例如不发生影响正常使用的过大变
15、形等。在正常维护下,结构应具有足够的耐久性能,如不发生严重的锈蚀而影响结构的使用寿命等。二、结构的设计方法v容许应力应力法:v设计应力必须小于或等于容许应力,表达式为:v结构概率极限状态设计法:承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态。正常使用极限状态结构或构件达到正常使用的某项规定的限值时的极限状态。v(1)结构的极限状态v(2)结构的可靠度功能函数Z=R-S的正态分布图表 正态分布随机函数的可靠指标与失效概率pf的对应值三、钢结构设计采用的方法三、钢结构设计采用的方法 规定采用以概率理论为基础的极限状态设计方法,要保证结构具有必要的可靠度,以一定的概
16、率保证所设计的结构不超过极限状态。实用设计表达式为对于承载能力极限状态对于承载能力极限状态(1)由可变荷载效应控制的组合(2)由永久荷载效应控制的组合 对于承载能力极限状态对于承载能力极限状态 对于一般排架、框架结构,可采用简化规则,并应从下列组合值中取最不利值确定:(2)由永久荷载效应控制的组合仍相同式采用。(1)由可变荷载效应控制的组合基本组合的荷载分项系数,应按下列规定采用:基本组合的荷载分项系数,应按下列规定采用:v永久荷载的分项系数永久荷载的分项系数 1)当其效应对结构不利时:)当其效应对结构不利时:对由可变荷载效应控制的组合,取对由可变荷载效应控制的组合,取1.2;对由永久荷载效应
17、控制的组合,取对由永久荷载效应控制的组合,取1.35;2)当其效应对结构有利时:)当其效应对结构有利时:一般情况下取一般情况下取1.0;对结构的倾覆、滑移和漂浮验算,取对结构的倾覆、滑移和漂浮验算,取0.9。v可变荷载的分项系数可变荷载的分项系数 1)一般情况下取)一般情况下取1.4;2)对标准值大于)对标准值大于4KN/m2的工业房屋楼面结构的活荷的工业房屋楼面结构的活荷载取载取1.3。对于正常使用极限状态对于正常使用极限状态 根据不同的设计要求,采用荷载效应的标准组合、准永久组合,并按下列设计表达式进行设计:SC 正常使用极限状态的设计表达式与下式相同,但取结构重要性系数=1.0,各种荷载
18、的分项系数等也一律取为1.0。第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料v对钢结构用材的要求v钢材的主要性能v影响钢材性能的因素v钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加载v建筑钢材的类别及钢材的选用v对钢结构用材的要求v建筑钢材的类别及钢材的选用2.1 2.1 对钢结构用材的要求对钢结构用材的要求v较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。v足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。v良好的加工性能。即适合冷、热加工,良好的可焊性。v适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)使用环境,具有承受重复荷载作用的性能。v容易生产,价格便宜。钢结构设计规范(GB500172002)推荐:普通碳素结构钢Q2
19、35钢 低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420 符合上述要求的。2.2 2.2 钢材的主要性能钢材的主要性能图图2.1 钢材的一次拉伸应力应变曲线钢材的一次拉伸应力应变曲线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 条件:常温、静载条件下一次拉伸1.比例极限比例极限 P 这是应力这是应力-应变图中直线段的最大应力值。应变图中直线段的最大应力值。严格地说,比严格地说,比 P略高处还有弹性极限,但弹性略高处还有弹性极限,但弹性极限与极限与 P极其接近,所以通常略去弹性极限的极其接近,所以通常略去弹性极限的点,把点,把 P看做是弹性极限。看做是弹性极限。2.屈服点屈服点
20、 y 应变应变 在在 P之后不再与应力成正比,而是渐之后不再与应力成正比,而是渐渐加大,应力渐加大,应力-应变间成曲线关系,一直到屈服应变间成曲线关系,一直到屈服点。点。3.抗拉强度抗拉强度(极限强度极限强度)u 屈服平台之后,应变增长时又需有应力的屈服平台之后,应变增长时又需有应力的增长,但相对地说应变增加得快,呈现曲线关增长,但相对地说应变增加得快,呈现曲线关系直到最高点。系直到最高点。4.伸长率5和10 伸长率是断裂后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,伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。屈服点、极限强度和伸长率
21、,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。屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性,其意义屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性,其意义是是:1作为结构计算中材料强度标准,或材料抗力标准。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。2y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
22、理想弹塑性体的假设为依据,忽略了应变硬化的有利作用。3.钢材的塑性塑性为当应力超过屈服点后,能产生显著的残余变形(塑性变形)而不立即断裂的性质。塑性好坏可用伸长率伸长率 和断面断面收缩率收缩率 表示。通过静力拉伸试验得到。伸长率伸长率 根据试件原标距长度 l0与试件中间部分的直径d0 的比值为10或5而分为10或5,为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百分率。式中:l1 为试件拉断后标距间长度。断面收缩率是指试件拉断后,颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率。式中:A0 试件原来的断面面积;A1 试件拉断后颈缩区的断面面积;结构或构件在受力时(尤其承受动力荷载时)材料塑性好坏往
23、往决定了结构是否安全可靠,因此钢材塑性指标比强度指标更为重要。010AAA 图图2.2 钢材的冷弯试验钢材的冷弯试验2.2.2 2.2.2 冷弯性能冷弯性能 根据试样厚度,按规定的弯心直径根据试样厚度,按规定的弯心直径将试样弯曲将试样弯曲180度,其表面及侧面无裂度,其表面及侧面无裂纹或分层则为纹或分层则为“冷弯试验合格冷弯试验合格”。“冷弯试验合格冷弯试验合格”一方面同伸长率一方面同伸长率一样,表示材料塑性变形能力符合要求一样,表示材料塑性变形能力符合要求,另一方面表示钢材的冶金质量,另一方面表示钢材的冶金质量(颗粒颗粒结晶及非金属夹杂分布,甚至在一定程结晶及非金属夹杂分布,甚至在一定程度上
24、包括可焊性度上包括可焊性)符合要求,因此,冷符合要求,因此,冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。质量的综合指标。重要结构中需要有良好的冷热加工重要结构中需要有良好的冷热加工工艺性能,应有冷弯试验合格保证工艺性能,应有冷弯试验合格保证2.2.3 2.2.3 冲击韧性冲击韧性 韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度。是韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度。是与抵抗与抵抗冲击作用有关的性能。冲击作用有关的性能。吸收较多能量才断裂的钢材,是韧吸收较多能量才断裂的钢材,是韧性好的钢材。性好的钢材。钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量,等钢材在一次拉伸
25、静载作用下断裂时所吸收的能量,等于应力于应力-应变曲线下的面积。塑性好的钢材,其应力应变曲线下的面积。塑性好的钢材,其应力-应变应变曲线下的面积大,所以韧性值大。曲线下的面积大,所以韧性值大。实际工作中,而用冲击韧性衡量钢材抗实际工作中,而用冲击韧性衡量钢材抗冲击冲击性能。因性能。因为实际结构中脆性断裂并不发生在单向受拉的地方,而总为实际结构中脆性断裂并不发生在单向受拉的地方,而总是发生在有缺口高峰应力的地方,在缺口高峰应力的地方是发生在有缺口高峰应力的地方,在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。常呈三向受拉的应力状态。AkV冲击功。夏比V形 缺口,单位J图图 钢材的冲击试钢材的冲击试验
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