項目9-鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

道路橋梁工程技術(shù)專業(yè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算CalculationofReinforcedConcreteStructures鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計2項目任務(wù)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展；鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求及主要性能；鋼結(jié)構(gòu)的連接方式。目標(biāo)１能夠了解鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)能夠認(rèn)識鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向及主要性能目標(biāo)２能夠掌握鋼結(jié)構(gòu)的連接方法及各自的特點(diǎn)目標(biāo)３3能力目標(biāo)重點(diǎn)和難點(diǎn)識別鋼結(jié)構(gòu)與砼結(jié)構(gòu)異同下圖是什么？鋼結(jié)構(gòu)是將鋼板、圓鋼、鋼管、鋼索、各種型鋼等鋼材，經(jīng)加工、連接、安裝而組成的工程結(jié)構(gòu)。4思考圖9.12008北京奧運(yùn)會國家體育場“鳥巢”１.鋼結(jié)構(gòu)有哪些特點(diǎn)？２.鋼結(jié)構(gòu)與砼結(jié)構(gòu)有何區(qū)別？5任務(wù)一：認(rèn)識鋼結(jié)構(gòu)鋼材的強(qiáng)度高于砼67制造簡單，施工方便，裝配性好8鋼橋9埃菲爾鐵塔位于香港九龍綜合開發(fā)區(qū)，建筑面積51.09萬平方米，101層，高度490米，鋼結(jié)構(gòu)總重3.2萬噸。中國香港第一高樓。10香港環(huán)球貿(mào)易廣場中央電視臺新臺址建設(shè)工程CCTV主樓建筑高度234m，地上52層，總建筑面積50萬㎡。主樓由兩座整體向內(nèi)雙向傾斜的塔樓通過底部裙樓和頂部的L型懸臂連成一體，構(gòu)成一個折角門式建筑，塔樓從底部到頂部傾斜距離達(dá)36.955m。外框筒由雙向傾斜6°的重型鋼柱、邊梁和支撐形成的以蝶形節(jié)點(diǎn)為主的三角形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體系。11鋼材特點(diǎn)鋼材強(qiáng)度高塑性好、韌性高材料勻質(zhì)各向同性，計算可靠焊接性能好制造簡單，施工方便，宜于裝配密閉不滲漏易于銹蝕，應(yīng)采取防護(hù)耐熱性好，防火性差。答案解析12２.砼特點(diǎn)：就地取材造價低耐久性好耐火性好可模性好整體性好自重大抗裂性差１.鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢有哪些？２.能否舉例說出幾種代表建筑？13任務(wù)二：了解鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢鋼結(jié)構(gòu)的特發(fā)展趨勢高效能鋼材的研究和應(yīng)用結(jié)構(gòu)和構(gòu)件計算的研究和改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式的革新預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用高層鋼結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用優(yōu)化原理的應(yīng)用新型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用高效能鋼材的研究和應(yīng)用南京大勝關(guān)長江大橋是世界首座六線鐵路大橋，鋼結(jié)構(gòu)總量高達(dá)三十六萬噸，首次采用了Q420qE級高強(qiáng)度、高韌性與良好焊接性能的新型鋼材，主橋鋼梁首次采用了三片主桁承重結(jié)構(gòu)、正交異性鋼橋面板，研制使用了四百噸全回轉(zhuǎn)浮吊、大扭矩鉆機(jī)、七十噸變坡爬行架梁吊機(jī)和高七十余米、重兩千余噸的三層吊索塔架等大量新材料、新結(jié)構(gòu)、新設(shè)備、新工藝。15結(jié)構(gòu)和構(gòu)件計算的研究和改進(jìn)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，用可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)的可靠度，以分項系數(shù)的設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行計算。運(yùn)用各種工程計算軟件。16結(jié)構(gòu)形式的革新薄壁型鋼結(jié)構(gòu)懸索結(jié)構(gòu)膜結(jié)構(gòu)樹狀結(jié)構(gòu)開合結(jié)構(gòu)折疊結(jié)構(gòu)懸掛結(jié)構(gòu)等17預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用張弦梁18弦支穹頂空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展19國家大劇院鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用20高層鋼結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用21優(yōu)化原理的應(yīng)用由于電子計算機(jī)的逐步普及，促使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計得到相應(yīng)的發(fā)展。我國編制的鋼吊車梁標(biāo)準(zhǔn)圖集，就是把耗鋼量最小的條件作為目標(biāo)函數(shù)，把強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等作為約束條件，用計算解得優(yōu)化的截面尺寸，比過去的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計節(jié)省鋼材5%～10%。目前優(yōu)化設(shè)計已逐步推廣到塔桅結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面。22新型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用23圖9.6新型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用(a)螺栓球節(jié)點(diǎn)(b)焊接球節(jié)點(diǎn)(c)鑄鋼節(jié)點(diǎn)(d)樹狀結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)(e)相貫節(jié)點(diǎn)１.鋼材的主要性能有哪些？２.鋼結(jié)構(gòu)連接方式有哪些，各有何特點(diǎn)？24任務(wù)三：了解鋼材的主要性能及掌握鋼結(jié)構(gòu)連接方式【鋼結(jié)構(gòu)材料的要求】強(qiáng)度要求塑性、韌度要求耐疲勞及適用性要求冷、熱加工性能及焊接要求生產(chǎn)與價格要求解析【鋼材破壞形式及主要性能】破壞形式塑性破壞脆性破壞主要性能力學(xué)性能焊接性能耐久性能鋼結(jié)構(gòu)的連接26(a)焊縫連接;(b)鉚釘連接;(c)螺栓連接圖9.7鋼結(jié)構(gòu)的連接方法焊縫連接優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡單，任何形式的構(gòu)件都可直接相連；用料經(jīng)濟(jì)，不削弱截面；制作加工方便，可實(shí)現(xiàn)自動化操作；連接的密閉性好，結(jié)構(gòu)剛度大。缺點(diǎn)：在焊縫附近的熱影響區(qū)內(nèi)，鋼材的金相組織發(fā)生改變，導(dǎo)致局部材質(zhì)變脆；焊接殘余應(yīng)力和殘余變形使受壓構(gòu)件承載力降低；焊接結(jié)構(gòu)對裂紋很敏感，局部裂紋一旦發(fā)生，就容易擴(kuò)展到整體，低溫冷脆問題較為突出。27鉚釘連接鉚釘連接由于構(gòu)造復(fù)雜、費(fèi)鋼費(fèi)工，現(xiàn)已很少采用。但是鉚釘連接的塑性較好、韌度較高，傳力可靠，質(zhì)量易于檢查，在一些重型和直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中，有時仍然采用。28螺栓連接（1）普通螺栓連接普通螺栓分為A、B、C三級：A級與B級為精制螺栓，C級為粗制螺栓4.6級：抗拉強(qiáng)度不小于400N/mm2，屈服點(diǎn)與抗拉強(qiáng)度之比為0.6。29螺桿公稱直徑/mm12162022242730螺栓孔公稱直徑/mm13.517.52224263033表9－1C級螺栓孔徑螺栓連接（2）高強(qiáng)螺栓連接類型：一種是只依靠摩擦阻力傳力，并以剪力不超過接觸面摩擦力作為設(shè)計準(zhǔn)則，稱為摩擦型連接；另一種是允許接觸面滑移，以連接達(dá)到破壞的極限承載力作為設(shè)計準(zhǔn)則，稱為承壓型連接。適用性摩擦型連接螺栓的剪切變形小，彈性性能好、施工較簡單、可拆卸、耐疲勞，特別適用于承受動力荷載的結(jié)構(gòu)。承壓型連接的承載力高于摩擦型的，連接緊湊，但剪切變形大，故不得用于承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中。30焊接方法和焊縫連接形式1.鋼結(jié)構(gòu)常用焊接法手工電弧焊埋弧焊氣體保護(hù)焊31焊縫連接形式及焊縫形式焊縫連接形式32(a)對接連接;(b)用拼裝蓋板的對接連接;(c)搭接連接;(d)、(e)T形連接；(f)、(g)角部連接圖9.10焊縫連接的形式焊縫連接形式及焊縫形式焊縫形式33(a)正對接焊縫(b)斜對接焊縫(c)角焊縫圖9.11焊縫形式焊縫連接形式及焊縫形式焊縫形式34圖9.12連續(xù)角焊縫和間斷角焊縫焊縫連接形式及焊縫形式焊縫形式35(a)平焊(b)橫焊(c)立焊(d)仰焊圖9.13焊縫施焊位置焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢驗

（1）焊縫缺陷常見的缺陷有裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透等36(a)裂紋(b)焊瘤(c)燒穿(d)弧坑(e)氣孔(f)夾渣(g)咬邊(h)未熔合(i)未焊透圖9.14焊縫缺陷焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢驗

（2）焊縫質(zhì)量檢驗焊縫質(zhì)量檢驗一般包括外觀檢查和內(nèi)部無損檢驗，前者檢驗外觀缺陷和幾何尺寸，后者檢查內(nèi)部缺陷。檢驗方法：內(nèi)部無損檢驗?zāi)壳皬V泛采用超聲波檢驗，其使用靈活、經(jīng)濟(jì)，對內(nèi)部缺陷反應(yīng)靈敏，但不易識別缺陷性質(zhì)。有時還采用磁粉檢驗、熒光檢驗等較簡單的方法作為輔助檢驗方法。此外還可采用X射線或

射線透照或拍片方法，其中X射線方法應(yīng)用較廣。37焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢驗

焊縫等級：一級、二級和三級。三級焊縫只要求對全部焊縫作外觀檢查且符合三級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；一級、二級焊縫則除外觀檢查外，還要求一定數(shù)量的超聲波檢驗并符合相應(yīng)級別的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。38焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢驗

（3）焊縫質(zhì)量等級的選用①需要進(jìn)行疲勞計算的構(gòu)件中，垂直于作用力方向的橫向?qū)雍缚p受拉時應(yīng)為一級，受壓時應(yīng)為二級。②在不需要進(jìn)行疲勞計算的構(gòu)件中，由于三級對接焊縫的抗拉強(qiáng)度有較大變異性，其設(shè)計值為主體鋼材的85%左右，所以，凡要求與母材等強(qiáng)度的受拉對接焊縫應(yīng)不低于二級；受壓時難免在其他因素影響下使焊縫中有拉應(yīng)力存在，故宜為二級。39焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢驗

（3）焊縫質(zhì)量等級的選用③重級工作制和起重量

的中級工作制吊車梁的腹板與上翼緣板之間，以及吊車桁架上弦桿與節(jié)點(diǎn)板之間的T形接頭焊透的對接與角接組合焊縫，不應(yīng)低于二級。④由于角焊縫的內(nèi)部質(zhì)量不易探測，故規(guī)定其質(zhì)量等級一般為三級，只對直接承受動力荷載且需要驗算疲勞和起重量

的中級工作制吊車梁才規(guī)定角焊縫的外觀質(zhì)量為二級。40角焊縫的構(gòu)造1.角焊縫的形式和強(qiáng)度41圖9.16直角角焊縫截面角焊縫的構(gòu)造角焊縫的形式和強(qiáng)度42圖9.17斜角角焊縫截面圖9.18側(cè)面角焊縫的應(yīng)力狀態(tài)角焊縫的構(gòu)造2.角焊縫的構(gòu)造要求（1）最大焊腳尺寸要求43角焊縫的構(gòu)造2.角焊縫的構(gòu)造要求（2）最小焊腳尺寸44（3）側(cè)面角焊縫的最大計算長度角焊縫的構(gòu)造2.角焊縫的構(gòu)造要求（4）角焊縫的最小計算長度不得小以