第1、2章緒論-材料2016-9

衢州學院鋼結構設計原理衢州學院建筑工程學院3.掌握各種連接（焊接、螺栓連接）和各類構件(梁、桿、柱)的工作性能、破壞特征及其設計的基本方法。2.掌握鋼結構材料的主要性能及其主要影響因素，并能正確地選擇鋼材；1.了解鋼結構的應用和發(fā)展概況,掌握鋼結構的特點；鋼結構原理的基本要求4.熟悉與土木工程相關的鋼結構設計規(guī)范。第一章緒論重點：1.掌握鋼結構的特點。2．了解鋼結構的應用范圍。3．了解鋼結構在我國的發(fā)展趨勢。

1.1鋼結構的特點

結構用鋼材強度高，塑性韌性好結構重量輕。材性好，可靠性高。工業(yè)化程度高，工期短。密封性好。耐銹蝕性差。耐熱性較好，耐火性差。

澳大利亞啤酒中心結構用鋼材強度高，塑性、韌性好強度——構件或連接在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力.強度高，適用于大跨、高層、重載結構。強度高，構件截面小，受壓時易失穩(wěn)。塑性——承受靜力荷載時，材料吸收變形能的能力。塑性好，結構不會由于偶然超載而突然斷裂，給人以安全保證。韌性——承受動力荷載時，材料吸收能量的能力。韌性好，適宜承受動力荷載，結構的抗震性能好。但低溫和某些條件下，可能發(fā)生脆性破壞。鋼結構的特點之一：

鋼與混凝土、木材相比，雖然密度較大，但其強度較混凝土和木材要高得多，因此在同樣受力的情況下，鋼結構與鋼筋混凝土結構和木結構相比，構件較小，重量較輕。鋼結構的特點之二：結構重量輕定義參數：a=容重/強度

a越小，結構相對越輕。不同材料鋼屋架自重比較荷載相同，對于24米跨度的屋架預應力鋼筋混凝土結構1鋼結構1/3--1/4，冷彎薄壁型鋼結構1/10重量輕，可減輕基礎的負荷，降低地基、基礎部分的造價，同時還方便運輸和吊裝。材性好，可靠性高鋼材由鋼廠生產，質量控制嚴格，材質均勻性好，且有良好的塑性和韌性，比較符合理想的各向同性彈塑性材料，因此目前采用的計算理論能夠較好地反映鋼結構的實際工作性能，可靠性高。鋼結構的特點之三：工業(yè)化程度高，工期短鋼結構都為工廠制作，具備成批大件生產和成品精度高等特點；采用工廠制造、工地安裝的施工方法，有效地縮短工期，為降低造價、發(fā)揮投資的經濟效益創(chuàng)造條件。鋼結構的特點之四：超高層建筑技術經濟指標比較施工中的鋼結構車間密封性好鋼結構采用焊接連接后可以做到安全密封，能夠滿足一些要求氣密性和水密性好的高壓容器、大型油庫、氣柜油罐和管道等的要求。鋼結構的特點之五：耐銹蝕性差全世界因銹蝕每年損失的鋼材大約為當年鋼產量的10%新建造的鋼結構一般隔一定時間都要重新刷涂料，維護費用較高。目前國內外正在發(fā)展各種高性能的涂料和不易銹蝕的耐候鋼，鋼結構耐銹蝕性差的問題有望得到解決。鋼結構的特點之六：云南宣威發(fā)電廠擴建工程干煤棚(2X300MW)干煤棚因銹蝕倒塌因銹蝕引起鋼結構的事故節(jié)點銹蝕情況耐熱性較好，耐火性差溫度在200℃以內，鋼材的主要性能變化很小，溫度超過200℃后，材質變化較大，強度降低并出現蘭脆和徐變現象。600℃時，強度幾乎為零。在火災中，未加防護的鋼結構一般只能維持20分鐘左右。因此，設計規(guī)定鋼材表面溫度超過150℃后即需加以隔熱防護，對有防火要求者，更需按相應規(guī)定采取隔熱保護措施。鋼結構的特點之七：遭受恐怖襲擊1.2鋼結構的應用范圍

單層輕、中型廠房及倉庫、單層重型廠房、大跨度公共建筑、高層及超高層建筑、低多層工業(yè)廠房、辦公樓及住宅、鐵路橋梁、大跨度公路及城市橋梁、城市高架路、塔桅結構、海洋平臺、礦井、各種容器及管道、移動式結構、需拆卸及搬移的結構等等。

下面介紹幾種鋼結構的主要結構形式單層工業(yè)廠房結構形式單層工業(yè)廠房的結構形式是由一系列的平面承重結構用支撐構件聯成空間整體。鉛垂荷載主要由平面承重結構承擔，縱向水平荷載由支撐承受和傳遞。平面承重結構又可有多種形式。最常見的為橫梁與柱剛接的門式剛架和橫梁(桁架)與柱鉸接的排架。

單層輕型鋼結構房屋的組成1.3.1.概率極限狀態(tài)設計方法(1)極限狀態(tài)：當結構或其組成部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求時，此特定狀態(tài)稱為結構的極限狀態(tài)。(2)

極限狀態(tài)分為兩類：

a.承載能力極限狀態(tài):

包括：強度破壞、疲勞破壞、不適于繼續(xù)承載的變形、失穩(wěn)、傾覆、變?yōu)闄C動體系等狀態(tài)。

b.正常使用極限狀態(tài):

包括：影響正常使用或外觀的變形、影響正常使用的振動、影響正常使用的或耐久性的局部破壞等狀態(tài)?！?.3鋼結構設計原則

1.3.2設計表達式

a.采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法(疲勞問題除外)，用分項系數的表達式進行計算；b.結構的可靠度用可靠度指標來度量，并以分項系數的形式考慮。

（一）按承載能力極限狀態(tài)設計

應考慮荷載效應的基本組合或偶然組合進行荷載（效應）組合，采用下列表達式設計：

式中：γo--結構重要性系數；S--荷載效應（組合）的設計值；R--鋼結構構件或連接材料抗力的設計值。

鋼結構構件承載能力極限狀態(tài)設計表達式

對于鋼結構這種單一材料，可以將荷載效應表達式用應力形式表示?？勺兒奢d起控制作用時：永久荷載起控制作用時：式中：（1）永久荷載分項系數

當其效應對結構不利時--對可變荷載效應控制的組合，應取1.2;--對永久荷載效應控制的組合，應取1.35;

當其效應對結構有利時

--一般情況下應取1.0；--對結構的傾覆、滑移或漂浮驗算，應取0.9。（2）可變荷載的分項系數--一般情況下應取1.4；--對標準值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結構的

活荷載標準值應取1.3。(二)正常使用極限狀態(tài)1.

對于正常使用極限狀態(tài)，要求分別采用荷載的標準組合、頻遇組合和準永久組合，并使變形等不超過相應的規(guī)定限值。νGk--永久荷載標準值在結構或結構構件中產生的變形值；νQ1k--第1個可變荷載的標準值在結構或結構構件中

產生的變形值（該值使計算結果為最大）；

νQik--其他第i個可變荷載標準值在結構或構件中產生的變形值。[ν]--結構或結構構件的容許變形值。

2.對于受壓、受拉構件，規(guī)范規(guī)定應限制其長細比，即:

λ≤[λ](1-24）式中：λ--受壓、受拉構件的計算長細比；[λ]--規(guī)范規(guī)定的受拉、受壓構件容許長細比，按規(guī)范采用。

一、材料方面

發(fā)展高強度鋼材和新品種型鋼，如強度更高的鋼材、耐候鋼（抗腐蝕）以及提高厚板材的質量（抗層狀撕裂）。二、結構設計計算方法的研究三、新結構的推廣應用四、高層建筑

五、結構優(yōu)化原理的研究和應用六、國產化1.4鋼結構的發(fā)展中國現代鋼結構的成就(1)大型廠房方面的應用：鞍鋼、包鋼、武鋼的煉鋼、軋鋼、連鑄車間等富拉爾基重型機器廠哈爾濱鍋爐廠、電機廠、汽輪機廠長春汽車制造廠沈陽、哈爾濱飛機廠大連造船廠洛陽拖拉機廠各種現代鋼結構廠房中國現代鋼結構的成就(2)大跨公共建筑：北京人民大會堂重慶人民大禮堂各類體育館會展中心中國現代鋼結構的成就(3)鐵路、公路橋梁：上海長江大橋南京長江大橋上海長江大橋東海大橋（32.5Km）中國現代鋼結構的成就(4)廣播電視塔微波塔環(huán)境氣象塔1978年以后高層和超高層房屋多層房屋單層輕型房屋體育場館大跨度會展中心大型客機檢修庫城市橋梁和大跨度公路鐵路橋梁海上采油平臺央視新臺址第二章鋼結構的材料重點：1.掌握鋼材的機械性能指標。2．理解鋼材的疲勞3．了解鋼材的種類和規(guī)格第2章鋼結構的材料§2.1鋼材的破壞形式一、塑性破壞

破壞前有明顯的塑性變形，破壞過程長，斷口發(fā)暗，可以采取補救措施。二、脆性破壞

壞前沒有明顯的變形和征兆，破壞時的變形遠比材料應有的變形能力小，破壞突然，斷口平直、發(fā)亮呈晶粒狀，無機會補救?！?.2鋼材的強度和變形性能1.受拉、受壓、受彎及受剪時的性能一次拉伸時的性能

條件：標準試件（GB228—63），常溫（20℃）下緩慢加載，一次完成。含碳量為0.1%－0.3%。標準試件：lo/d=5、10；lo-標距；d--直徑d2.階段劃分A.有屈服點鋼材σ--ε曲線可以分為五個階段：(1)彈性階段(OB段)OA段材料處于純彈性，即:AB段有一定的塑性變形,但整個OB段卸載時，ε=0；E=206×103N/mm2OBCDAE（2）彈塑性階段（BC)

該段很短,表現出鋼材的非彈性性質;

σB—屈服上限;σC—屈服下限(屈服點)（3）塑性階段（CD)該段σ基本保持不變（水平),ε急劇增大,稱為屈服臺階或流幅段,變形模量E=0OBCDAE（4）強化階段(DE段)隨荷載的增加σ緩慢增大,但ε增加較快（5）頸縮階段(EF段)極限抗拉強度fuOBCDAEB.對無明顯屈服點的鋼材

該種鋼材在拉伸過程中沒有屈服階段，塑性變

形小，破壞突然。設計時取相當于殘余變形為0.2%時所對應的應力作為屈服點—‘條件屈服點’fy=f0.20.2%fuεp3.應力應變曲線的簡化（1）鋼材可以簡化為理想彈塑性體1)fy與fb相差很??；2)超過fy到屈服臺階終止的變形約為2.5%--3%，足以滿足考慮結構的塑性變形發(fā)展的要求。

ε2.5%--3%fy

ε00.15%ε

（2）鋼材在靜載作用下：

強度計算以fy為依據;fu為結構的安全儲備。（3）斷裂時變形約為彈性變形的200倍，在破壞前

產生明顯可見的塑性

變形，可及時補救，

故幾乎不可能發(fā)生。O0.15%22%fu-fyfyfu4.單向拉伸時鋼材的機械性能指標

（1）屈服點fy--應力應變曲線開始產生塑性流動時對應的應力，它是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強度設計值的重要指標。（2）抗拉強度fu--應力應變曲線最高點對應的應力，它是鋼材最大的抗拉強度。（3）伸長率當l0/d=5時，用δ5表示，當l0/d=10時，用δ10表示。它是衡量鋼材塑性應變能力的重要指標。斷面收縮率A0A1§2.3冷彎性能

在冷彎試驗中表現的性能，既能看出鋼材塑性變形的能力，又可看出鋼材的冶金質量。§2.4

沖擊韌性鋼材抵抗沖擊作用的能力。用沖擊韌性值ak表示：ak值大，韌性好。ak值的測定：通過試驗：（1）梅式U型缺口：ak值（2）夏比V型缺口：CV§2.5影響鋼材性能的因素2.5.1化學成分：C（碳）：形成鋼材強度的主要成分。Mn（錳）：弱脫氧劑。Si（硅）：強脫氧劑V(釩）、Nb（鈮）、Ti（鈦）：合金元素Al（鋁）、Cr（鉻）、Ni（鎳）：Al是強脫氧劑，用于補充脫氧。Cr、Ni為合金元素。有害元素：S（硫）：熱脆;P（磷）：冷脆;O（氧）、N（氮）2.5.2冶金過程冶煉：平爐、轉爐澆鑄：鋼水—鋼錠—初軋—成材（傳統(tǒng)工藝）鋼水—連鑄機—鋼坯—成材（新工藝）軋制：改善內部組織結構熱處理：顯著提高強度2.5.3鋼材硬化冷加工硬化：強度提高，塑性、韌性降低。自然時效、人工時效應變時效2.5.4溫度正溫在200℃以內鋼材性能沒有很大變化，

430～540℃強度急劇下降。負溫鋼材強度有一定提高，但塑性和韌性降低，稱為低溫冷脆2.5.5應力集中

鋼結構構件中經常存在孔洞、槽口、凹角、截面突變以及裂紋等缺陷，此時，構件中的應力分布將變得很不均勻，在缺陷和截面改變處產生局部高峰應力，形成所謂應力集中現象。二個鋼構件，材質相同，長度相同：直徑d0=10mmd0=10mm(刻槽處）破壞時，拉長較多；破壞時，無明顯變形；屈服時：fy=251N/mm2fy=274N/mm2拉斷時：fu=431N/mm2fu=431N/mm2可見：改變了工作條件，即使塑性材料也可能發(fā)生脆性破壞，在設計中應避免這種情況出現?！?.6

鋼材的疲勞一、概念1、循環(huán)荷載——結構或構件承受的隨時間變化的荷載。PP11A1-1A應力循環(huán)--構件截面應力隨時間的變化。2、應力幅

在循環(huán)荷載作用下，應力從最大到最小重復一次為一次循環(huán)，最大應力與最小應力之差為應力幅:為常量常幅循環(huán)：為變量變幅循環(huán)：+σ-σt(a)完全對稱循環(huán)(b)脈沖循環(huán)(c)不完全對稱循環(huán)(d)不完全對稱循環(huán)3、Δσ-N曲線應力循環(huán)次數N（疲勞壽命）

應力幅越低，作用循環(huán)次數越多，疲勞壽命越高；

應力幅相同，作用的循環(huán)次數越多，疲勞壽命越高。應力循環(huán)次數N<5×104，不需要進行疲勞計算。0NX105N1N2fy123456式中：β--直線對縱坐標的斜率；b1--直線在橫軸坐標上的截距；

N--循環(huán)次數。Δσ-N曲線(a)0N(b)0N=5×104N=5X106............b1

考慮試驗數據的離散性，取平均值減去2倍lgN的標準差s作為疲勞強度下限，當lgΔσ為正態(tài)分布時，保證率為97.7%。下限值的直線方程為：此時的Δσ即為容許應力幅：式中：系數β、c--根據鋼結構設計規(guī)范“疲勞計算的構件和連接分類”查表得到。2S2S(b)0N=5×104N=5X106............b14.疲勞強度計算式中：Δσ--計算部位的應力幅；

對于焊接部位:Δσ=σmax-σmin；

對于其他部位：Δσ=σmax-0.7σmin(計算應力幅）。σmax、σmin--計算部位每次應力循環(huán)中的最大拉應力和

最小拉應力或壓應力（取負值）。說明：1）計算時用荷載的標準值；2）由于來源于試驗，已考慮動力效應，計算

時不再考慮動力系數；2.6.2變幅疲勞和吊車欠載效應系數對于吊車梁，按下式計算其疲勞強度：σσmaxσmin0t—欠載效應系數。重級工作制硬鉤吊車1.0；重級工作制軟鉤吊車0.8；中級工作制吊車0.5。--循環(huán)次數N=2X106的容許應力幅。式中：§2.7

鋼材的種類和規(guī)格一、鋼的種類

1、碳素結構鋼（GB/T700-88）---低碳鋼牌號Q235--質量等級（A、B、C、D）

澆注方法（F、Z、Tz）A--保證fu、fy、δ，P、S含量B--保證fu,fy,δ,冷彎，常溫時Cv，P，S，C含量；

C--保證fu,fy,δ,冷彎,0oC時Cv，P，S，C含量;D--保證fu,fy,δ,冷彎,-20oC時Cv，P，S，C含量;2.低合金鋼(GB/T1591-94)GB/T1591-94Q295Q390Q345Q420相應的鋼材品種（GB/T1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTiRE

低合金鋼的質量等級分A、B、C、D、E，其中E主要是要求-400C的沖擊韌性。二、鋼材的選擇（一）選擇鋼材的原則1．結構或構件的重要性；2．荷載情況（靜力荷載，動力荷載）；

靜力荷載作用下可選擇經濟性較好的Q235鋼材。

動力荷載作用下應選擇綜合性能較好鋼材。3．連接方法（焊接