高等鋼結(jié)構(gòu)理論-第一章

1、鋼結(jié)構(gòu)西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院馬尤蘇夫 (M:Q: 27174460)2016鋼結(jié)構(gòu)目錄1第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能2第二章 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題概述3第三章 桿件和框架的穩(wěn)定4第四章 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞和斷裂5第五章 連接6第六章 構(gòu)造設(shè)計第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能鋼結(jié)構(gòu)一鋼結(jié)構(gòu)的特性可以利用鋼材的塑性性能1穩(wěn)定問題在設(shè)計中的考慮2荷載多次重復(fù)時的疲勞問題3韌性？脆性？4第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一鋼結(jié)構(gòu)用材的要求較高的強(qiáng)度。即抗拉強(qiáng)度 fu 和屈服點 fy 比較高。1足夠的變形能力。即塑性和韌性性能好。2良好的加工性能。即適合冷、熱加工，良好的可焊性。3適應(yīng)低溫、有害介質(zhì)侵

2、蝕以及重復(fù)荷載作用等的性能。4第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能容易生產(chǎn)，價格便宜。5第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能n 力學(xué)性能n 工藝性能n 化學(xué)成分對性能的影響第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.0.1 鋼材的力學(xué)性能單向拉伸時的工作性能 條件：常溫、靜載條件下一次拉伸第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.0.1 鋼材的力學(xué)性能鋼材的一次拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線單向拉伸時的工作性能條件：常溫、靜載條件下一次拉伸第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.0.1 鋼材的力學(xué)性能單向拉伸時的力學(xué)性能指標(biāo)1.比例極限P2.屈服點y3.抗拉強(qiáng)度u4.伸長率5和10第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.0.1 鋼材的力學(xué)性能單向拉伸時的力學(xué)性能指標(biāo)比例極限比

3、例極限 pa極限強(qiáng)度極限強(qiáng)度 ubc條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度0.2pu0.750.2u0.850.2%O名義屈服點名義屈服點0.5%第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.0.1 鋼材的力學(xué)性能屈服點是建筑鋼材的一個重要力學(xué)特性，其意義是：1.作為結(jié)構(gòu)計算中材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，或材料抗力標(biāo)準(zhǔn)。y與P較接近，可以認(rèn)為應(yīng)力達(dá)到y(tǒng)時為彈性變形的終點。達(dá)到y(tǒng)后在一個較大的應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)力不會繼續(xù)增加，表示結(jié)構(gòu)一時喪失繼續(xù)承擔(dān)更大荷載的能力。2.形成理想彈塑性體的模型，方便理論分析與設(shè)計。y之前，鋼材近于理想彈性體；y之后，塑性應(yīng)變范圍很大而應(yīng)力不增長。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.0.1 鋼材的力學(xué)性能沖擊韌性鋼材斷裂

4、時吸收機(jī)械能的能力。Oufyf鋼材一次拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.0.1 鋼材的力學(xué)性能實際結(jié)構(gòu)中脆性斷裂并不發(fā)生在單向受拉的地方，而總是發(fā)生在有缺口高峰應(yīng)力的地方，在缺口高峰應(yīng)力的地方常呈三向受拉的應(yīng)力狀態(tài)。沖 擊 韌 性鋼材斷裂時吸收機(jī)械能的能力。梅氏試驗夏比試驗第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.0.2 鋼材的工藝性能冷 彎 性 能根據(jù)試樣厚度，按規(guī)定的彎心直徑將試樣彎曲180度，其表面及側(cè)無裂紋或分層則為“冷彎試驗合格”。“冷彎試驗合格”一方面表示材料塑性變形能力符合要求，另一方面表示鋼材的冶金質(zhì)量符合要求，因此，冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力及冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)。重要結(jié)構(gòu)

5、中需要有良好的冷熱加工的工藝性能時，應(yīng)有冷彎試驗合格保證。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.0.2 鋼材的工藝性能可 焊 性可焊性是指采用一般焊接工藝就可完成合格的(無裂紋的)焊縫的性能。鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影響。碳含量在0.120.20范圍內(nèi)的碳素鋼，可焊性最好。碳含量再高可使焊縫和熱影響區(qū)變脆。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.0.3 化學(xué)成分對性能的影響鋼是含碳量小于2的鐵碳合金，碳大于2時則為鑄鐵。制造鋼結(jié)構(gòu)所用的材料有碳素結(jié)構(gòu)鋼中的低碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼由鈍鐵、碳及雜質(zhì)元素組成，其中純鐵約占99，碳及雜質(zhì)元素約占1。低合金結(jié)構(gòu)鋼中，除上述元素外還加入合金元素，后者總

6、量通常不超過3。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.0.3 化學(xué)成分對性能的影響1.碳（C）碳是碳素結(jié)構(gòu)鋼中僅次于鐵的主要元素，是影響鋼材強(qiáng)度的主要因素，隨著含碳量的增加，鋼材強(qiáng)度提高，而塑性和韌性、尤其是低溫沖擊韌性下降，同時可焊性、抗腐蝕性、冷彎性能明顯降低。因此結(jié)構(gòu)用鋼的含碳量一般不應(yīng)超過0.22%，對焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)低于0.2%。2.錳（Mn）錳是一種弱脫氧劑，適量的錳含量可以有效地提高鋼材的強(qiáng)度，又能消除硫、氧對鋼材的熱脆影響，而不顯著降低鋼材的塑性和韌性。錳在碳素結(jié)構(gòu)鋼中的含量為0.3%-0.8%，在低合金鋼中一般為1.0%-1.7%。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.0.3 化學(xué)成分對性能的影響

7、3.硅（Si）硅是一種強(qiáng)脫氧劑，適量的硅可提高鋼材的強(qiáng)度，而對塑性、韌性、冷彎性能和可焊性無明顯不良影響，但硅含量過大時，會降低鋼材的塑性、韌性、抗銹蝕性和可焊性。4.釩（V）、鈮（Nb）、鈦（Ti）釩、鈮、鈦都能使鋼材晶粒細(xì)化。我國的低合金鋼都含有這三種元素，作為錳以外的合金元素，既可提高鋼材強(qiáng)度，又保持良好的塑性、韌性。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.0.3 化學(xué)成分對性能的影響5.鋁（Al）、鉻（Cr）、鎳（Ni）鋁是強(qiáng)脫氧劑，用鋁進(jìn)行補(bǔ)充脫氧，不僅進(jìn)一步減少鋼中的有害氧化物，而且能細(xì)化晶粒。鉻和鎳是提高鋼材強(qiáng)度的合金元素，用于Q390鋼和Q420鋼。6.硫（S）硫是一種有害元素，降低鋼材

8、的塑性、韌性、可焊性、抗銹蝕性等，在高溫時使鋼材變脆，即熱脆。因此，鋼材中硫的含量不得超過0.05%，在焊接結(jié)構(gòu)中不超過0.045%。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.0.3 化學(xué)成分對性能的影響7.磷（P）磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素鋼中的雜質(zhì)，它在低溫下使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆。在高溫時磷也能使鋼減少塑性。但磷能提高鋼的強(qiáng)度和抗銹蝕能力。8.氧（O）、氮（N）氧和氮也是有害雜質(zhì)，在金屬熔化的狀態(tài)下可以從空氣中進(jìn)入。氧能使鋼熱脆，其作用比硫劇烈，氮能使鋼冷脆，與磷相似。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一鋼材的生產(chǎn)過程熔煉熔煉鐵礦石鐵礦石輥軋輥軋鋼錠鋼錠鋼坯鋼坯鋼

9、材冶煉、脫氧、輥軋等環(huán)節(jié)都對鋼材的性能有較大的影響第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一建筑結(jié)構(gòu)所用鋼材的分類熱軋成型 型鋼 鋼板冷成型 薄壁型鋼 壓型鋼板第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.1.1 鋼的熔煉平爐鋼轉(zhuǎn)爐鋼空氣吹煉優(yōu)氧氣吹煉氧氣純度提高綜合性能提高有害雜質(zhì)多第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.1.2 鋼的脫氧含雜質(zhì)鐵水氧化脫去脫去C、S、PFeOMnSi沸騰鋼鎮(zhèn)靜鋼脫氧脫氧不充分脫氧充分脫氧第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.1.2 鋼的脫氧雜質(zhì)多，質(zhì)量較差；沖擊韌性較好屈服點高生產(chǎn)周期短、成品率高、成本低廉不得用于：需驗算疲勞、-30低溫、 -20低溫且直接收動力荷載等情況。Al補(bǔ)脫氧補(bǔ)脫氧特殊鎮(zhèn)靜鋼：更好

10、的（低溫）沖擊韌性第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一鑒別沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼0.07%Si含量沸騰鋼半鎮(zhèn)靜鋼0.07%0.12%鎮(zhèn)靜鋼0.12%0.30%A、B級C級D級特殊鎮(zhèn)靜鋼Q235鋼的分級連鑄技術(shù)的出現(xiàn)，避免了鎮(zhèn)定鋼切頭的損失。因此沸騰鋼正逐漸從市場消失。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼的沖擊韌性含碳量：0.20%。1. 鎮(zhèn)靜鋼（10mm）；2. 沸騰鋼（18mm）。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.1.3 鋼的軋制鋼的軋制使晶粒細(xì)化，力學(xué)性能得到改善；第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.1.3 鋼的軋制鋼的軋制使晶粒細(xì)化，力學(xué)性能得到改善；非金屬雜物被壓成薄片，出現(xiàn)分層，使鋼材厚度方向的受拉能力惡化

11、熱軋鋼材厚度小者強(qiáng)度、機(jī)械性能優(yōu)于厚度大者。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一材性實驗試樣的選取鋼板：垂直于軋制方向；扁鋼：平行于軋制方向第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一材性實驗試樣的選取壓軋條件導(dǎo)致同一根構(gòu)件不同部位的機(jī)械性能不同。翼緣壓力較小腹板與翼緣厚度不同導(dǎo)致壓力不同第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一材性實驗試樣的選取第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一熱軋殘余應(yīng)力鋼板兩邊冷卻快，中部冷卻慢；普通工字鋼翼緣厚而窄，冷卻慢；H型鋼翼緣與腹板交接處最厚，冷卻最慢，翼緣殘余應(yīng)力與鋼板相似，腹板與鋼板相反。由于受熱后不均勻冷卻，導(dǎo)致鋼材在沒有外力作用下，內(nèi)部自相平衡的應(yīng)力。對構(gòu)件變形、穩(wěn)定性、抗疲勞等方面有不利影響。第一章

12、鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.1.4 矯直和熱處理1. H型鋼繞弱軸有初始彎曲，施加反彎矩，應(yīng)力圖為ABCDE；2. 卸載時，應(yīng)力應(yīng)變均按線性變化，減去MCN；3. 截面殘余應(yīng)力RSCTU。（當(dāng)同時考慮熱軋殘余應(yīng)力時，矯直使熱軋殘余壓應(yīng)力減?。彳堜摬牡牟痪鶆蚶鋮s同時導(dǎo)致板件發(fā)生彎曲，必須反彎至出現(xiàn)塑性變形才能矯正。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一熱處理調(diào)質(zhì)處理低合金鋼fy400MPa淬火1. 加熱至900后保溫；2. 放入水或油快速冷卻；3. 提高強(qiáng)度，降低塑形、韌性。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一熱處理調(diào)質(zhì)處理低合金鋼fy400MPa淬火高溫回火1. 500600高溫回火；2. 保持一段時間后在空氣中冷卻；

13、3. 減小脆性和淬火后的內(nèi)應(yīng)力，改善鋼材力學(xué)性能。正火正火處理1. 加熱至高于900后保溫；2. 在空氣中自然冷卻；3. 改善鋼材組織和細(xì)化晶粒。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一熱處理調(diào)質(zhì)處理低合金鋼fy400MPa淬火高溫回火正火正火處理fy450MPa的高強(qiáng)度低合金鋼都可以熱軋狀態(tài)交貨。控溫?zé)彳埣夹g(shù)既控制加熱和軋制溫度，又控制冷卻速度，可生產(chǎn)出延性和韌性都較好的細(xì)晶粒高性能鋼。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.1.5 鋼材的勻質(zhì)和等向性相較于鋼筋混凝土，鋼材質(zhì)地均勻、各向同性，因此鋼結(jié)構(gòu)受力與工程力學(xué)計算比較符合。但在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究中，還必須了解鋼材在勻質(zhì)和等向性方面的不足。（1）硫的偏析（a

14、）鎮(zhèn)定鋼錠 （b）沸騰鋼錠鋼液含硫0.032%； 鋼液含硫0.04%偏析嚴(yán)重，頭部比底部嚴(yán)重，重要的焊接結(jié)構(gòu)不宜采用。偏析較輕。第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一硫的偏析軋制成型材后硫的偏析第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一屈服強(qiáng)度的非勻質(zhì)性 型鋼截面上不同部分的屈服點不同翼緣與腹板不同；翼緣上各部位不同。 熱軋殘余應(yīng)力導(dǎo)致外力作用下截面上的應(yīng)力分布不均勻第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一鋼板的各向異性鋼板三個方向的受力性能軋制方向優(yōu)于橫方向優(yōu)于厚度方向鋼板沖擊韌性的非等向性（1.縱向試樣 2.橫向試樣 3.人工時效后時橫向試樣）第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一鋼板厚度方向的性能1. 鋼板如有分層，則不可使用。可通過超聲波

15、等探傷手段揭示。2. 設(shè)計時避免垂直于板面受拉和焊縫收縮造成的層間裂縫?？刹捎每箤娱g撕裂的節(jié)點。3. 采用抗層間撕裂的鋼材Z向鋼。沿厚度方向受拉時塑性鉸好。適用于荷載大而有動力作用和氣象環(huán)境惡劣的結(jié)構(gòu)。4. 提倡規(guī)范文明施工，不在構(gòu)件上隨意起弧和施焊，嚴(yán)禁在結(jié)構(gòu)上隨意加焊零部件、隨意懸掛重物。認(rèn)識鋼材的性能不是一個簡單的問題，而正確的認(rèn)識材料性能對于一個鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作者是至關(guān)重要的。缺乏正確的認(rèn)識，有可能導(dǎo)致失敗的設(shè)計。加拿大一座倉庫的屋蓋塌落，原因之一是設(shè)計時材料強(qiáng)度取了出廠證書上的屈服點，比標(biāo)準(zhǔn)高25%，而拉力試樣取自工字鋼腹板。小 結(jié)1.1第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能一1.2.1 鋼結(jié)構(gòu)的建

16、造過程第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能鋼材的驗收、矯正按施工圖放樣、下料車間加工成型變形零件整平零件通過焊接裝配矯正焊接變形除銹和涂漆擴(kuò)大拼裝加工廠工地吊裝，連接，臨時固定調(diào)整位置，做最后固定一1.2.2 加工對鋼構(gòu)件性能的影響第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能1. 冷加工的影響 輥床上微彎桿的矯直人工時效n 人工時效一1.2.2 加工對鋼構(gòu)件性能的影響第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能1. 冷加工的影響邊緣硬化剪切刨邊沖孔擴(kuò)孔n 鋼材的剪切和沖孔孔壁硬化一1.2.2 加工對鋼構(gòu)件性能的影響第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能1. 冷加工的影響n 冷彎型鋼（冷軋、模壓和無模壓彎）圓角屈服點一1.2.2 加工對鋼構(gòu)件性能的影響第一章

17、鋼結(jié)構(gòu)的基本性能1. 冷加工的影響n 冷彎型鋼（冷軋、模壓和無模壓彎）截面平均屈服點冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范中的強(qiáng)度設(shè)計值：一1.2.2 加工對鋼構(gòu)件性能的影響第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能2. 焊接和焰割的影響n 焊縫金屬元素含量C含量低，N、O、H（藥皮、大氣）稍高。冷卻快時，H使焊縫金屬內(nèi)部出現(xiàn)微觀裂紋。減少O、H的方法：預(yù)熱。一1.2.2 加工對鋼構(gòu)件性能的影響第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能2. 焊接和焰割的影響n 焊縫熱影響區(qū)(1) 過熱區(qū)：晶粒粗大，強(qiáng)度和硬度高，塑性韌性低；(2) 正火區(qū)：強(qiáng)度、塑性、韌性均較好；(3) 部分重結(jié)晶區(qū)：晶粒粗細(xì)不均勻，力學(xué)性能較差。n 熱影響區(qū)寬度手工焊：約6

18、mm；自動焊：2.53mm。一1.2.2 加工對鋼構(gòu)件性能的影響第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能2. 焊接和焰割的影響n 焊接殘余應(yīng)力n 反作用殘余應(yīng)力一1.2.2 加工對鋼構(gòu)件性能的影響第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能2. 焊接和焰割的影響n 焰切割產(chǎn)生的殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力圖形變化較小用作腹板用作翼緣一1.2.3 制造安裝的偏差對鋼結(jié)構(gòu)性能的影響第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能單層柱安裝偏差的影響一1.2.3 制造安裝的偏差對鋼結(jié)構(gòu)性能的影響第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能初始彎曲的影響一1.2.3 制造安裝的偏差對鋼結(jié)構(gòu)性能的影響第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能桿件長度偏差的影響靜定結(jié)構(gòu)超靜定結(jié)構(gòu)一1.2.3 制造安裝的偏差對鋼結(jié)構(gòu)性能的影響第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能桿件長度偏差的影響平板網(wǎng)架試驗研究：初始內(nèi)力： 7%12%