鋼結構基本知識

單元7鋼結構基本知識7.1鋼結構材料7.2鋼結構的連接7.3鋼結構構件7.4鋼屋蓋7.5識讀鋼結構施工圖單元小結同步訓練單元7學習目標知識目標：1.掌握鋼結構的基本材料及其性能；2.熟悉鋼結構的連接方法；3.了解鋼結構的基本構件及構造要求；4.了解鋼屋蓋的基本組成及構造要求；5.掌握鋼結構施工圖的識讀方法。能力目標：1.懂得鋼結構基本知識；2.能讀懂鋼結構施工圖。工作任務1.認識鋼結構材料；2.了解鋼結構基本構件的連接方法；3.熟悉鋼結構的基本構件；4.了解鋼屋蓋的基本組成；5.識讀鋼結構房屋施工圖。鋼結構基本知識單元7學習指南鋼結構是土木工程的主要結構形式之一。目前，鋼結構在房屋建筑、地下建筑、橋梁、塔桅和海洋平臺中都得到廣泛采用。鋼結構是首先由鋼板、型鋼通過必要的連接組成基本構件，如梁、柱、桁架等；然后再通過一定的安裝連結裝配成的空間整體結構，如屋蓋、廠房、鋼閘門、鋼橋等。圖8.1簡單演示了基本構件與連接之間的關系。本單元主要講述連接與基本構件知識,為鋼結構施工圖的識讀奠定基礎。

圖8.1基本構件與連接本單元基于識讀鋼結構房屋施工圖的工作過程，分為五個學習任務，目的讓學生在學習相關內(nèi)容的基礎上，進一步提高識讀結構施工圖的能力，因此每個學生應沿著如下流程進行學習：認識鋼結構材料→了解鋼結構基本構件的連接方法→熟悉鋼結構的基本構件→了解鋼屋蓋的基本組成→識讀鋼結構房屋施工圖鋼結構基本知識7.1認識鋼結構材料7.1.1鋼結構對用鋼材的要求7.1.2建筑鋼材的種類和選用7.1.1鋼結構對用鋼材的要求

用作鋼結構的鋼材須具有以下性能：(1)較高的強度，即抗拉強度和屈服點都比較高。(2)足夠的變形性能，即塑性性能好。(3較好的韌性，即韌性性能好。(4)良好的加工性能，即適合冷、熱加工，還要有良好的可焊性。(5)耐久性能好，能適應低溫、有害介質(zhì)侵蝕(包括大氣銹蝕)以及重復荷載作用等性能。為了使所設計的鋼結構滿足承載力和正常使用要求，《鋼結構設計規(guī)范》提出了承重結構鋼材的質(zhì)量要求，包括五個力學指標和碳、硫、磷的含量要求，五個性能指標是：抗拉強度、屈服強度、伸長率、冷彎性能和沖擊韌性。在鋼材選用時要根據(jù)具體情況滿足以上質(zhì)量要求。7.1.2建筑鋼材的種類和選用建筑工程中所用的建筑鋼材基本上是碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼。1.建筑鋼材的類別1)碳素結構鋼碳素結構鋼按含碳量的多少，可分成低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。通常把含碳量在0.03%~0.25%之間的的鋼材稱為低碳鋼，含碳量在0.26%~0.60%之間的稱為中碳鋼，含碳量在0.60%~2.0%之間的稱為高碳鋼。建筑鋼結構主要使用低碳鋼。碳素結構鋼的牌號由字母Q、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級代號、脫氧方法代號四個部分組成。Q是代表鋼材屈服點的字母；屈服點數(shù)值有195、215、235、255和275，以N/mm2為單位；質(zhì)量等級代號有Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ，按沖擊韌性試驗要求的不同，表示質(zhì)量由低到高；脫氧方法代號有F、b、Z、TZ，分別表示沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼，其中代號Z、TZ可以省略不寫。鋼結構所采用的Q235鋼，分為A、B、C、D四級，A、B兩級的脫氧方法可以是Z、b或F，C級只能為Z，D級只能為TZ。如Q235A·F表示屈服強度為235N/mm2，A級，沸騰鋼。

7.1.2建筑鋼材的種類和選用

2）低合金高強度結構鋼低合金高強度結構鋼是指在冶煉過程中添加一些合金元素，其總量不超過5%的鋼材。加入合金元素后，鋼材強度明顯提高，鋼結構構件的強度、剛度、穩(wěn)定三個主要控制指標能充分發(fā)揮，尤其在大跨度或重負載結構中優(yōu)點更為突出。低合金高強度結構鋼的牌號由代表屈服點的字母Q、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號三個部分按順序排列表示。鋼的牌號有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五種，質(zhì)量等級有A、B、C、D、E五個等級。A級無沖擊功要求，B、C、D、E級均有沖擊功要求。不同質(zhì)量等級對碳、硫、磷、鋁等含量的要求也有區(qū)別。低合金高強度結構鋼的A、B級屬于鎮(zhèn)靜鋼，C、D、E級屬于特殊鎮(zhèn)靜鋼。7.1.2建筑鋼材的種類和選用2.建筑鋼材的規(guī)格各類鋼種供應的鋼材規(guī)格分為型材、板材、管材及金屬制品四大類，其中建筑鋼結構中使用最多的是型材和板材。型材鋼有熱軋成型的鋼板、型鋼及冷彎(或冷壓)成型的薄壁型材。

1）熱軋鋼板熱軋鋼板分厚板和薄板兩種，厚板的厚度為4.5~60mm，薄板厚度為0.35~4mm。在圖紙中鋼板用“—寬×厚×長”或“—寬×厚”表示，單位為mm。如—800×12×2100、—800×12。

2）熱軋型鋼熱軋型鋼有角鋼、工字鋼、槽鋼、H型鋼、剖分T型鋼、鋼管(圖8.1)。

圖8.1熱軋型鋼截面7.1.2建筑鋼材的種類和選用

3）冷彎薄壁型鋼冷彎薄壁型鋼由厚度為1.5～6mm的鋼板或帶鋼，經(jīng)冷加工（冷彎、冷壓或冷拔）成型，同一截面部分的厚度都相同，截面各角頂處呈圓弧形，如圖8.2a~i。在工業(yè)民用和農(nóng)業(yè)建筑中，可用薄壁型鋼制作各種屋架、剛架、網(wǎng)架、檁條、墻梁、墻柱等結構和構件。

圖8.2冷彎薄壁型材的截面形式（a）~(i)冷彎薄壁型鋼；（j）壓型鋼板壓型鋼板是冷彎薄壁型材的另一種形式(圖8.2j)，常用0.4～2mm厚的鍍鋅鋼板和彩色涂塑鍍鋅鋼板冷加工成型，可廣泛用作屋面板、墻面板和隔墻。7.1.2建筑鋼材的種類和選用

3.建筑鋼材的選擇建筑鋼材選用的原則是，既能使結構安全可靠，滿足使用要求，又要最大可能節(jié)約鋼材，降低造價。根據(jù)上述要求，我國現(xiàn)行《鋼結構設計規(guī)范》，推薦承重結構的鋼材宜采用用碳素結構鋼中的Q235鋼和低合金高強度結構鋼中的Q345鋼、Q390鋼及Q420鋼。在具體選擇鋼材時應考慮以下各因素：結構或構件的重要性、荷載情況、連接方法、結構所處的溫度與濕度、鋼材的厚度等。單元7鋼結構基本知識7.1鋼結構材料7.2鋼結構的連接7.3鋼結構構件7.4鋼屋蓋7.5識讀鋼結構施工圖單元小結同步訓練單元7學習目標知識目標：1.掌握鋼結構的基本材料及其性能；2.熟悉鋼結構的連接方法；3.了解鋼結構的基本構件及構造要求；4.了解鋼屋蓋的基本組成及構造要求；5.掌握鋼結構施工圖的識讀方法。能力目標：1.懂得鋼結構基本知識；2.能讀懂鋼結構施工圖。工作任務1.認識鋼結構材料；2.了解鋼結構基本構件的連接方法；3.熟悉鋼結構的基本構件；4.了解鋼屋蓋的基本組成；5.識讀鋼結構房屋施工圖。鋼結構基本知識單元7學習指南鋼結構是土木工程的主要結構形式之一。目前，鋼結構在房屋建筑、地下建筑、橋梁、塔桅和海洋平臺中都得到廣泛采用。鋼結構是首先由鋼板、型鋼通過必要的連接組成基本構件，如梁、柱、桁架等；然后再通過一定的安裝連結裝配成的空間整體結構，如屋蓋、廠房、鋼閘門、鋼橋等。圖7.1簡單演示了基本構件與連接之間的關系。本單元主要講述連接與基本構件知識,為鋼結構施工圖的識讀奠定基礎。

圖7.1基本構件與連接本單元基于識讀鋼結構房屋施工圖的工作過程，分為五個學習任務，目的讓學生在學習相關內(nèi)容的基礎上，進一步提高識讀結構施工圖的能力，因此每個學生應沿著如下流程進行學習：認識鋼結構材料→了解鋼結構基本構件的連接方法→熟悉鋼結構的基本構件→了解鋼屋蓋的基本組成→識讀鋼結構房屋施工圖鋼結構基本知識7.3鋼結構構件7.3.1軸心受力構件7.3.2受彎構件7.3.3拉壓彎構件7.3.1軸心受力構件

1、軸心受力構件的種類及截面形式軸心受力構件是指承受通過構件截面形心軸線的軸向力作用的構件，當這種軸向力為拉力時，稱為軸心受拉構件，簡稱軸心拉桿；當這種軸向力為壓力時，稱為軸心受壓構件，簡稱軸心壓桿。軸心受力構件廣泛地應用于承重鋼結構，支承屋蓋、樓蓋或工作平臺的豎向受壓構件通常稱為柱，包括軸心受壓柱。柱通常由柱頭、柱身和柱腳三部分組成，柱頭支承上部結構并將其荷載傳給柱身，柱腳則把荷載由柱身傳給基礎。（a）實腹式柱（b）格構綴板柱（c）格構綴條柱圖8.23柱的形式7.3.1軸心受力構件

圓鋼無縫鋼管單角鋼T型鋼槽鋼工字鋼H型鋼

工字形截面箱形截面H形截面十字形截面T形截面圖8.24軸心受壓構件的常用截面形式7.3.1軸心受力構件

2、軸心受力構件受力特點軸心受拉構件進行界面設計是要考慮強度和剛度的要求；軸心受壓構件截面設計除了要考慮強度和剛度的要求，還要考慮整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的問題，下面做簡要介紹：（1）強度計算（2）剛度計算（3）軸心受壓構件的整體穩(wěn)定（4）軸心受壓構件的局部穩(wěn)定圖8.25軸心受壓構件的局部屈曲7.3.1軸心受力構件

3.軸心受壓柱的柱頭與柱腳柱的頂部與梁（或桁架）連接的部分稱為柱頭，作用是通過柱頭將上部結構的荷載傳到柱身。柱下端與基礎連接的部分稱為柱腳，柱腳的作用是將柱身所受的力傳遞和分布到基礎，并將柱固定于基礎。（1）軸心受壓柱的柱頭梁與軸心受壓柱的柱頭連接有兩類鉸接，一類是梁支承于柱頂上，一類是梁連接于柱的側(cè)面。1)梁支承于柱頂?shù)臉嬙煸O計梁支于柱頂時，柱頂焊有大于柱輪廓3cm左右的頂板，厚度為16～20mm，與柱焊接并與梁用普通螺栓相連。

7.3.1軸心受力構件

圖（8.26（a））的構造方案，將梁的反力通過支承加勁肋直接傳給柱的翼緣。兩相鄰梁之間留一空隙，以便于安裝，最后用夾板和構造螺栓連接。這種連接方式構造簡單，對梁長度尺寸的制作要求不高，缺點是當柱頂兩側(cè)梁的反力不等時將使柱偏心受壓。圖（8.26（b））

的構造方案，梁的反力通過端部加勁肋的突出部分傳給柱的軸線附近，因此即使兩相鄰梁的反力不等，柱仍接近軸心受壓。梁端加勁肋的底面應刨平頂緊于柱頂板。由于梁的反力大部分傳給柱的腹板，因而腹板不能太薄且必須用加勁肋強。兩相鄰梁間可留一些空隙，安裝時嵌入合適尺寸的填板并用普通螺栓連接。對于格構式，為了保證傳力均勻并托住頂板，應在兩柱肢之間設置豎向隔板。（a）(b）圖8.26梁的支承于柱頂?shù)你q接連接7.3.1軸心受力構件

2）梁支承于柱的兩側(cè)的構造設計在多層框架的中間梁柱連接中，橫梁只能在柱側(cè)相連。圖8.27是梁連接于柱側(cè)面的鉸接構造。梁的反力由端加勁肋傳給支托，支托可采用T形，也可用厚鋼板做成，支托與柱翼緣間用角焊縫相連。用厚鋼板做支托的方案適用于承受較大的壓力，但制作與安裝的精度要求較高。支托的端面必須刨平并與梁的端加勁肋頂緊以便直接傳遞壓力?？紤]到荷載偏心的不利影響，支托與柱的連接焊縫按梁支座反力的1.25倍計算。為方便安裝，梁端與柱間應留空隙加填板并設置構造螺栓。當兩側(cè)梁的支座反力相差較大時，應考慮偏心，按壓彎柱計算。

圖7.27梁支承于柱側(cè)的鉸接連接7.3.1軸心受力構件（2）軸心受壓柱的柱腳

軸心受壓柱的柱腳一般是由底板、靴梁、隔板等組成，主要傳遞軸心壓力，與基礎的連接一般采用鉸接。圖8.28是幾種常用的平板式鉸接柱腳。由于基礎混凝土強度遠比鋼材低，所以必須把柱的底部放大以增加其與基礎頂部的接觸面積。圖8.28（a)

是一種最簡單的柱腳構造形式，在柱下端僅焊一塊底板，柱中壓力由焊縫傳至底板，再傳給基礎。這種柱腳只能用于小型柱，如果用于大型柱，底板太厚。一般的鉸接柱腳在柱端部與底板之間增設一些中間傳力零件，如靴梁、隔板和肋板等，以增加柱與底板的連接焊縫長度，并且將底板分隔成幾個區(qū)格，使底板的彎矩減小，厚度減薄。圖8.28(b)是格構式柱的柱腳構造。圖8.28(c)中靴梁焊于柱的兩側(cè)，在靴梁之間用隔板加強，以減小底板的彎矩，并提高靴梁的穩(wěn)定性。7.3.1軸心受力構件圖7.28軸壓柱柱腳(a)平板式(b)、(c)有靴梁平板式

7.3.2受彎構件1、梁的類型和應用只受彎矩作用或受彎矩與剪力共同作用的構件稱為受彎構件，俗稱梁。鋼梁在建筑結構中應用廣泛，主要用于樓蓋、屋蓋、車間的工作平臺及墻梁、吊車梁等。鋼梁按照制作方法的不同可以分為型鋼梁和組合梁兩大類。型鋼梁又分為熱軋型鋼梁和冷彎薄壁型鋼梁兩種。目前常用的熱軋型鋼有普通工字鋼、槽鋼、熱軋H型鋼等（如圖8.29(a)~(c)）。8.29梁的截面形式7.3.2受彎構件2.梁的受力特點（1）鋼梁在設計是要考慮強度和剛度要求，在荷載作用下將產(chǎn)生彎曲應力、剪應力，在集中荷載作用處還有局部承壓應力，故梁的強度驗算應包括：抗彎強度、抗剪強度、局部承壓強度，在彎應力、剪應力及局部壓應力共同作用處還應驗算折算應力。7.3.2受彎構件

(2)梁的穩(wěn)定

1）梁整體穩(wěn)定受彎構件在最大剛度主平面內(nèi)受彎，當彎矩不大時，梁的彎曲平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。即當有外界各種因素使梁產(chǎn)生微小的側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)變位，但是外界影響消失后，梁仍能恢復原來的狀態(tài)。然而，當彎矩增大到某一數(shù)值后，梁會突然出現(xiàn)很大的側(cè)向彎曲并伴隨扭轉(zhuǎn)（圖7.30），失去繼續(xù)承載能力，即只要外荷載稍微增加些，梁的變形就急劇增加并導致破壞．這種現(xiàn)象稱為梁的側(cè)向彎扭屈曲或梁整體失穩(wěn)。整體失穩(wěn)是受彎構件的主要破壞形式之一。圖7.30梁喪失整體穩(wěn)定性的情況7.3.2受彎構件影響受彎構件的整體穩(wěn)定性的因素很多，理論分析和計算較為復雜?！朵摻Y構設計規(guī)范》對梁的整體穩(wěn)定計算作如下規(guī)定：當有符合下列情況之一時，可不驗算梁的整體穩(wěn)定：①有鋪板密布在梁的受壓翼緣并與其牢固連接。②工字形截面簡支梁受壓翼緣的自由長度與其寬度之比不超過下表規(guī)定數(shù)值表8-5H型鋼或工字形截面簡支梁不需計算整體穩(wěn)定性的最大值鋼號

跨中無側(cè)向支承點的梁

跨中有側(cè)向支承點的梁不論荷載作用在何處

荷載作用在上翼緣

荷載作用在下翼緣

Q235鋼

132016Q345鋼

10.516.513Q390鋼

1015.512.5Q420鋼9.515127.3.2受彎構件2）梁的局部穩(wěn)定和加勁肋設置在梁的設計中，除了強度和整體穩(wěn)定性問題外，為了保證梁的安全承載還必須考慮局部穩(wěn)定問題。軋制型鋼梁的規(guī)格和尺寸，都滿足局部穩(wěn)定要求，不需要進行驗算。組合梁一般由翼緣和腹板等板件組成，如果設計不當，板中壓應力或剪應力達到某一數(shù)值后，腹板或受壓翼緣有可能偏離其平面位置，出現(xiàn)波形鼓曲(圖8.31)，這種現(xiàn)象稱為梁局部失穩(wěn)。（a）翼緣b)腹板圖7.31梁局部失穩(wěn)7.3.2受彎構件

①受壓翼緣的局部穩(wěn)定《規(guī)范》規(guī)定對梁受壓翼緣采用限制寬厚比的辦法來保證梁受壓翼緣板的局部穩(wěn)定性。規(guī)定梁受壓翼緣自由外伸寬度與其厚度之比，應符合下式要求：（梁翼緣板自由外伸寬度的取值為：對焊接構件，取腹板邊至翼緣板（肢）邊緣的距離；對軋制構件，取內(nèi)圓弧的起點至翼緣板邊緣的距離）。當計算梁的抗彎強度取時，值可放寬為。②腹板的局部穩(wěn)定為保證腹板的局部穩(wěn)定，可增設腹板厚度或設置加勁肋，實際工程中，為了提高梁的承載力，節(jié)省鋼材，往往需要加大梁的高，而腹板厚度又較薄，因此需在腹板兩側(cè)設置合適的加勁肋，以加勁肋作為腹板的支承，將腹板分成幾個尺寸較小的區(qū)段，以提高腹板的臨界應力，滿足局部穩(wěn)定的要求，且較為經(jīng)濟。7.3.2受彎構件3.梁的拼接與連接在制造中，當材料的長度不能滿足構件的長度要求時，必須進行接長拼接。梁的拼接有工廠拼接和工地拼接兩種。（1）工廠拼接如果梁的長度、高度大于鋼材的尺寸，常需要先將腹板和翼緣用幾段鋼材拼接起來，然后再焊接成梁，這種拼接一般在工廠中進行，稱為工廠拼接。圖7.33組合梁的工廠拼接7.3.2受彎構件

（2）工地拼接跨度大的梁，可能由于運輸或安裝條件的限制，需將梁分成幾段運至工地或吊至高空就位后再拼接起來，由于這種拼接是在工地進行，因此稱為工地拼接。

圖7.34組合梁的工地拼接圖7.35采用高強度螺栓的工地拼接7.3.2受彎構件4.主梁與次梁的連接（1）次梁為簡支梁簡支次梁與主梁的連接形式有平接和疊接兩種，疊接是將次梁直接擱置在主梁上，如圖8.37所示，用螺栓或焊縫固定，構造簡單，但建筑高度大，現(xiàn)在很少采用。

圖8.36簡支次梁與主梁的疊接7.3.2受彎構件

次梁與主梁平接是將次梁通過連接材料在側(cè)面與主梁連接。如圖7.38所示，次梁端部上翼緣切去，端部下翼緣則切去一邊，然后將次梁端部與主梁加勁肋用螺栓相連。如果次梁反力較大，螺栓承載力不夠時，可用圍焊縫（角焊縫）將次梁端部腹板與加勁肋連牢傳遞反力，這時螺栓只作安裝定位用，實際設計時，