高等鋼結構理論第一講

1、鋼結構設計原理1. 鋼結構基本性能及特點1.1 鋼材生產(chǎn)對材性的影響1.2 鋼材加工(施工) 對構件性能的影響1.3 外界作用對鋼結構性能的影響2. 鋼結構的幾個特殊問題2.1 殘余應力及其影響2.2 鋼結構的穩(wěn)定問題2.3 鋼結構的斷裂問題2.4 鋼結構的疲勞問題3. 鋼結構基本構件3.1 拉桿3.2 軸心壓桿3.3 受彎構件3.4 壓彎構件4. 鋼框架理論4.1 失穩(wěn)形式4.2 分析方法第一講第二講第三講目錄5. 鋼結構的連接5.1 焊接5.2 螺栓連接5.3 混合連接6. 鋼結構構造設計7. 冷彎薄壁型鋼結構的特點8. 其他一些關心的問題8.1 塑性設計8.2 抗震鋼結構8.3 箱形梁8

2、.4 受扭構件8.5 設計中的試驗工作8.6 鋼結構加固設計第四講目錄（續(xù)）第五講第六講第七講1. 鋼結構基本性能及特點1.1 鋼材生產(chǎn)對材性的影響冶煉：化學成分、爐種、脫氧方式軋制：冷軋、熱軋、校直、熱處理鋼材的勻質及等向性1.2 鋼材加工（施工）對構件性能的影響加工：冷加工、焊接、切割施工誤差：安裝及制造誤差1.3 外界作用對鋼結構性能的影響多軸應力狀態(tài)加荷速率循環(huán)荷載低溫和腐蝕性介質2. 鋼結構設計中特殊問題2.1 殘余應力及其影響殘余應力產(chǎn)生焊接殘余應力的測量焊接殘余應力的分布殘余應力的影響2.2 鋼結構的穩(wěn)定問題鋼結構的承載力極限狀態(tài)失穩(wěn)破壞及類型鋼結構穩(wěn)定問題的特點穩(wěn)定分析的整體觀

3、點穩(wěn)定設計的幾項原則2. 鋼結構設計中特殊問題（續(xù)）2.3 鋼結構的斷裂問題脆性斷裂破壞及原因斷裂力學的觀點防止脆性斷裂應力腐蝕斷裂2.4 鋼結構的疲勞問題影響疲勞破損的因素疲勞設計準則疲勞試驗及檢驗提高疲勞性能的工藝措施鋼的冶煉：根據(jù)鋼號決定冶煉鋼材的化學成分:氫:使焊體金屬產(chǎn)生微觀裂紋鋼的冶煉：冶煉的爐種不同，鋼材性能有所差異(平爐鋼和氧氣轉爐鋼為主)鋼的冶煉：脫氧方式含硅量:沸騰鋼:Si=0.07%, 一般 = 0.03%0.07%鎮(zhèn)靜鋼:0.12%=Si= 0.15%0.17%半沸騰鋼: 介于二者之間，一般Si= 0.10%0.12%規(guī)范規(guī)定: 炭素鋼A、B級可以是 沸騰鋼、半沸騰鋼或

4、鎮(zhèn)靜鋼; C級必須是鎮(zhèn)靜鋼、D級是特殊鎮(zhèn)靜鋼(含酸溶鋁=0.015%，或全鋁=0.020%)。對（低溫）沖擊韌性要求高時，宜用硅脫后鋁補脫的特殊鎮(zhèn)靜鋼。低合金鋼有類似D級炭素鋼的要求；高強低合金鋼一般都是鎮(zhèn)靜鋼。1. 10mm厚鋼板,為鋁補充脫氧后的鎮(zhèn)靜鋼2. 18mm厚鋼板,為沸騰鋼鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼的沖擊韌性比較鋼的軋制：冷軋、熱軋冷軋只用于生產(chǎn)小號型鋼和薄板。導致沿軋制方向的不各向同性殘余應力鋼的軋制：熱軋總體上可破壞鋼錠鑄造組織、細化鋼材晶粒、消除顯微組織缺陷。分層現(xiàn)象，導致Z向性能大大惡化: 焊接收縮時的層狀撕裂不同厚度鋼材強度、塑性、特別是沖擊韌性不同。導致沿軋制方向的不各向同性: 對

5、型鋼和扁鋼影響小，對鋼板較大。同一熱軋型鋼的不同部份的機械性能也會有差別。不均勻冷卻造成的殘余應力。鋼的軋制：鋼的軋制：1.2.3.中國規(guī)范對沖擊韌性試樣偏于不安全兩個水平輥腹板性能優(yōu)于翼緣 1.實際中翼緣主受力2.英國標準兩個水平輥, 兩個豎向輥情況好, 影響小鋼的軋制：鋼的軋制：校直鋼材在熱軋成型后往往需要校直 (矯正原有彎曲)必然出現(xiàn)塑性變形: 使得殘余應力重新分配, 降低峰值.方法:輥床調直:使整個桿件原始殘余應力重新分配.頂直: 僅局部發(fā)生殘余應力重新鋼的軋制：熱處理是改善鋼材性能的重要手段之一。建筑結構用鋼,一般以熱軋狀態(tài)交貨。屈服點超過400N/mm2的低合金鋼需進行熱處理。方法

6、:調質:淬火(9000C水中冷卻水中冷卻)，及高溫回火(5006500C)正火(9000C) : 改善鋼材組織和細化晶粒以熱軋狀態(tài)交貨, 基本在正火狀態(tài)。鋼材的勻質及等向性：一般認為：鋼材內部組織接近勻質和各向同性，故實際受力與力學分析較符合但是，對其不勻性應有所認識：內部化學元素分布的非勻質：鋼錠四周部分含碳較少硫、磷等雜質聚集在冷卻較慢部分形成偏析（沸騰鋼嚴重）型鋼截面上不同部分的屈服點有差別：力學性質的非勻質殘余應力的分布：受力上的非勻質鋼板的各向異性（沿軋制方向 橫向 沿厚度方向（Z向）鋼材的勻質及等向性：鋼材的勻質及等向性：人工時效:給以20%拉伸變形后均勻地加熱到250C并在這一溫

7、度下保溫一小時.降低沖擊韌性脆性轉變溫度無大變化鋼材的加工：鋼結構基本建造過程工廠制造：鋼材的驗收、整理和保管，包括必要的矯正。按施工圖放樣，做出樣板、樣桿，并據(jù)此劃線和下料。對劃線后的鋼材進行剪切（焰割）、沖（鉆）孔、刨邊等加工；非平直的零件需要通過煨彎和輥圓等工序來成型。對加工過程中造成變形的零件進行整平（輥平、頂平）。把零件按圖裝配成構件，并加以焊接（鉚接）。對焊接造成的變形加以矯正，甚至采取措施以減小或消除焊接殘余應力。除銹和涂漆鋼材的加工： （續(xù)）鋼結構基本建造過程現(xiàn)場安裝：現(xiàn)場的擴大拼裝。構件就位、連接固定，并加以臨時支撐。調整各部分位置，滿足施工精度、最后固定因此，主要加工為：常

8、溫下加工的塑性變形：冷作硬化及其時效影響。局部高溫影響：焊接、氣割等。鋼材的加工：冷加工冷作硬化：應變硬化對沖擊韌性的影響（冷彎、時效）規(guī)范：對冷彎半徑的最小值加以限定剪切和沖孔：邊緣嚴重硬化，甚至出現(xiàn)微細裂紋：刨邊，或沖孔后擴鉆，以除掉硬化部分若剪斷后需焊接，則不必刨邊。冷彎型鋼：力學非均質性 + 殘余應力型鋼截面上屈服點的差別：冷作硬化冷彎型鋼鋼材的加工：焊接焊縫金屬具有鑄造組織，不同于軋制鋼材：施焊時堆積的金屬通常具有枝狀組織?；瘜W元素的含量：含碳量稍低，氮、氧、氫高應降低氧的含量（短弧焊、埋弧焊、氣體保護焊）：熱脆含氫量高：大氣和焊皮（低氫焊條、預熱、后熱）：微觀裂紋焊弧的高溫使臨近焊

9、縫的鋼材發(fā)生組織變化：熱影響區(qū)焊接變形及殘余應力火焰切割火焰切割殘余應力熱影響區(qū)1、相當于淬火. 提高強度和硬度，降低塑性和韌性2、正火3、力學性能不均勻焊接殘余應力火焰切割殘余應力殘余應力的產(chǎn)生 ：可能原因熱軋后的溫度分布不均勻。冷加工、橋正。焊接和（火焰）切割強迫安裝（LOF）。同一熱軋型鋼的不同部份的機械性能也會有差別。不均勻冷卻造成的殘余應力。等等切割法（ b ）試塊（ c ）試塊（ d ）條（ a ）試件焊接殘余應力的分布：xyxy+-+-+-+-+-+-+-（a ）軋制H型鋼（b）焊接H型鋼，板邊焰割（c ）焊接H型鋼，板邊軋制+（d）軋制H型鋼，加焊翼緣板例一：H型鋼的殘余應力分

10、布h/t =405小焊縫h/t =202大焊縫h/t =203小焊縫h/t =404大焊縫h焊接殘余應力的分布：例二： 焊接箱形截面的殘余應力+1-0.6+1-0.82+1-0.29+1-0.29+1-0.13h/t =10殘余應力的影響：殘余應力對構件的強度承載力并無影響，因它本身相平衡。對變形有影響對穩(wěn)定承載力有不利的影響，因為殘余應力的壓應力部分將使該部分截面提早發(fā)展塑性。xybb /4b/4xy圖4.5.3殘余應力的不利作用鋼材的施工誤差：制造、安裝偏差的影響超靜定結構靜定結構變形、穩(wěn)定多軸應力狀態(tài) ：雙向拉力作用下，屈服應力和抗拉強度提高，延伸率降低。異號雙向應力作用下，屈服應力和抗

11、拉強度降低，延伸率增大。三向受拉時，塑性比雙向拉力作用下進一步降低、破壞將是脆性的。加荷速率（如地震等動力作用）：室溫環(huán)境下，鋼材的屈服點及抗拉強度隨應變速率的增大而提高，且塑性變形能力并未下降。建筑結構用鋼在沖擊性的快速加載作用下能保持良好的強度及塑性變形能力（歷史災害可以證明）。不利一面：脆性轉變溫度隨應變速率的增大而提高。循環(huán)荷載：包辛格（Bauschinger）效應：退化現(xiàn)象（先拉后壓 先壓后拉）。滯回環(huán)在循環(huán)荷載下的飽滿、穩(wěn)定趨勢：對耗能有利，但受壓模量退化低溫與腐蝕性介質：低溫使韌性降低，最終導致脆斷。腐蝕性介質會促成脆斷并影響疲勞強度。涂層防腐耐候鋼：焊接結構用耐候鋼（控制含銅、

12、鉻量）：焊接性能及力學性能良好高耐候性結構鋼（含磷高）：耐候性好，但用于焊接結構時 0 C應有常溫沖擊韌性合格保證o o 20 C T 0 CoQ235、Q345應有0 C沖擊韌性合格保證oQ390、Q420應有-20 C沖擊韌性合格保證oT 20 CoQ235、Q345應有-20 C沖擊韌性合格保證oQ390、Q420應有-40 C沖擊韌性合格保證非焊接結構工作溫度oT 20 C應有常溫沖擊韌性合格保證oT 20 CoQ235、Q345應有0 C沖擊韌性合格保證oQ390、Q420應有-20 C沖擊韌性合格保證鋼材選用（續(xù)）（2）選用要求 (續(xù))（2）選用要求 (續(xù))吊車起重量50t的中級工

13、作制吊車梁，對沖擊韌性的要求與需驗算疲勞構件相同；重要的受拉或受彎的焊接結構，厚度較大的鋼材應有常溫沖擊韌性合格保證；當焊接承重結構采用Z向鋼時應符號厚度方向性能鋼板GB/T5313的規(guī)定；有人認為將硫、磷含量控制在不大于0.01就可以防止層狀撕裂問題，也有人提出在上述要求下，再輔以對厚鋼板作全面超聲波探傷，排除內部缺陷，就可以代替Z向鋼的要求，這是不正確的。以下情況不應采用Q235沸騰鋼焊接結構：1）需要驗算疲勞2）工作溫度 -20oC的直接受動力荷載3）工作溫度 -20oC的受彎及受拉4）工作溫度-30oC非焊接結構：工作溫度 -20oC的需要驗算疲勞鋼材選用（續(xù)）應力腐蝕斷裂應力腐蝕開裂

14、: 滯后斷裂或延遲斷裂（應力低于斷裂應力）腐蝕介質中的斷裂韌性門檻值含碳量越高,韌性越低,抗應力腐蝕斷裂的性能越差K Iscc = (1/ 2 1/ 5) K IC影響疲勞破損的因素：疲勞荷載：低周疲勞、高周疲勞疲勞破壞過程：裂紋的形成、裂縫的緩慢擴展、迅速斷裂疲勞試驗：不同應力水平的最大循環(huán)次數(shù)；比較離散，費時、具有局限性（概率方法）斷裂力學分析：線彈性斷裂力學：研究疲勞裂紋的擴展速率環(huán)境影響：腐蝕介質影響提高疲勞壽命：應力集中、細節(jié)構造、施工質量、工藝措施、防銹等疲勞破壞過程裂紋的形成：起點多在構件的表面，內部裂紋的作用相當于寬度一半的表面裂紋。(對鋼結構而言，本身存在)疲勞裂縫的擴展（長

15、期的荷載循環(huán)），而脆性斷裂不經(jīng)長期的荷載循環(huán)，迅速斷裂。（常幅）疲勞試驗帶槽應力集中導致疲勞強度降低細節(jié)構造設計準則門檻值斷裂力學分析疲勞裂紋的擴展速率取決于應力強度因子的變化幅度，即dadN= f (K )dadN= C (K )n其中 K I = a斷裂韌性門檻值環(huán)境影響腐蝕疲勞腐蝕介質中疲勞壽命大為降低；對長壽命疲勞，腐蝕的不利影響較短壽命疲勞嚴重得多；腐蝕對疲勞裂紋擴展速率的影響和疲勞荷載的頻率有關；越低越大。X-65號鋼3.5%鹽水提高疲勞壽命構造保證減小初始裂紋尺寸降低構件所受應力采用韌性較好的材料95%保證率疲勞設計準則：基本原則：設計壽命：無限（應力水平很低）、有限。1、安全壽

16、命法：根據(jù)荷載特性，采用有一定安全系數(shù)的安全壽命，之后報廢。2、破損安全法：在裂紋被發(fā)現(xiàn)之前其他部分還能夠安全地承載。即局部性的破損不危及整個結構：多路徑設計、周期性檢查安全壽命法與破損安全法相結合。土建結構：使用壽命法：結構達到安全使用壽命時不立即報廢;承認在使用期內可能出現(xiàn)疲勞裂紋;疲勞設計準則：應力比與應力幅準則：應力比準則： max = f ( R)應力幅準則： （原因：高額殘余應力的存在 ）1。橫向對接焊縫2。縱向角焊縫橫向對接焊縫應力比準則原因：高額殘余應力的存在對疲勞強度的影響：疲勞設計準則：規(guī)范：構造細節(jié)與容許應力幅：問題：疲勞極限：門檻值（兩種辦法考慮，見下圖）壓應力區(qū)如何考慮？：不作計算（殘余應力的影響及釋放）變幅疲勞：線形累積損傷準則（Miner規(guī)則）n1N1= 1疲勞試驗及檢驗：疲勞試驗：典型的連接細節(jié)的疲勞試驗：目的：確定N曲線（每個點至少需10根試件，大型構件每種3-4個）細節(jié)分類中的歸屬。整個構件的疲勞試驗：目的：具體設計的抗疲勞性能?；虻湫瓦B接的疲勞性能應用試驗結果時，特別