鋼結構設計：緒論、鋼結構的材料

第一章緒論第一節(jié)我國鋼結構的概況第二節(jié)鋼結構的特點和應用第三節(jié)鋼結構的發(fā)展第四節(jié)課程的內容、特點和學習方法第一節(jié)我國鋼結構概況

從建國以來分三階段：50~60年代（初盛時期）：借助蘇聯(lián)的經(jīng)濟和技術支援，有百十個項目，都是重型工業(yè)廠房；60年代中后期~70年代（低潮期）：冷彎薄壁型鋼結構、輕鋼屋蓋；80年代以后~至今（發(fā)展時期）：向高、大、重方向發(fā)展。一、鋼結構的特點1、鋼結構材料的質量輕、強度高2、材質均勻，和力學計算的假定比較符合3、鋼結構制造簡便，施工周期短，可拆卸4、塑性和韌性好5、密閉性好5、鋼材耐腐蝕性差6、鋼材耐熱但不耐火鋼拉桿和壓桿性能比較第二節(jié)鋼結構的特點及應用C30混凝土

密度：2450kg/m3

強度：14.3N/mm2

Q235鋼

密度：7850kg/m3

強度：235N/mm2二、鋼結構的應用1、大跨度鋼結構2、重型廠房鋼結構3、受動力荷載影響的結構4、可拆卸的結構5、高聳結構和高層建筑6、容器和其他構筑物7、輕型鋼結構會展場館體育建筑機場劇院高層建筑塔桅結構廠房倉儲住宅橋梁儲罐其他構筑物上海新國際博覽中心湖南國際會展中心廣州會展中心會展場館體育建筑機場劇院高層建筑塔桅結構廠房倉儲住宅橋梁儲罐其他構筑物2008奧運會國家體育場上海虹口足球場上海八萬人體育場會展場館體育建筑機場劇院高層建筑塔桅結構廠房倉儲住宅橋梁儲罐其他構筑物浦東國際機場首都機場會展場館體育建筑

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劇院高層建筑塔桅結構廠房倉儲住宅橋梁儲罐其他構筑物第三節(jié)鋼結構的發(fā)展1、發(fā)展低合金高強度鋼材和型鋼品種2、結構和構件設計計算方法的深入研究3、結構形式的革新4、結構優(yōu)化設計連接鋼材性能及規(guī)格基本構件第四節(jié)課程主要內容、特點和學習方法結構體系設計形式計算構造軸拉構件受彎構件壓彎構件軸壓構件拉彎構件穩(wěn)定驗算承載力剛度鋼結構結構基本設計原則

焊接螺栓連接第一節(jié)結構鋼材的破壞形式第二節(jié)鋼結構對鋼材性能的要求第三節(jié)影響鋼材性能的因素第四節(jié)結構鋼材的種類及選用第二章鋼結構的材料較高的強度。即抗拉強度fu和屈服點fy比較高。足夠的變形能力。即塑性和韌性性能好。良好的加工性能。即適合冷、熱加工，良好的可焊性。適應低溫、有害介質侵蝕(包括大氣銹蝕)以及重復荷載作用等的性能。容易生產(chǎn)，價格便宜?！朵摻Y構設計規(guī)范》(GB50017—2002)推薦的普通碳素結構鋼Q235鋼和低合金高強度結構鋼Q345、Q390及Q420是符合上述要求的。選用GB50017規(guī)范還未推薦的鋼材時，需有可靠依據(jù)。以確保鋼結構的質量。1、塑性破壞：破壞前有明顯的變形，破壞歷時時間長，可以采取補救措施。第一節(jié)鋼材的破壞形式2、脆性破壞：破壞前沒有明顯的變形，破壞發(fā)生突然，沒有機會補救?！?/p>

脆性破壞的原因?

注意：應盡量發(fā)揮材料的塑性避免一切脆性破壞的可能性

（一）、強度1、單向均勻拉伸試驗試驗條件：標準試件在常溫（20℃）下緩慢加載，一次完成第二節(jié)鋼材的機械性能鋼材在單向均勻受拉時工作性能表現(xiàn)為四個階段：

A彈性階段:應力最高點對應比例極限彈性模量應力B彈塑性階段:應力介于和之間彈塑性模量是變數(shù)C塑性階段:應力達到屈服強度D強化頸縮階段:應力最高點對應抗拉極限（二）鋼材的工作性能可以看作理想彈性塑性體1.計算簡便2.與相差不大3.雖然＞，但對應的應變非常大（不滿足正常使用極限狀態(tài)）4.以作為設計強度的依據(jù)，具有較大的強度儲備，若出現(xiàn)偶然因素，使人們有機會補救

屈強比：Q235鋼為0.57，Q345鋼為0.672、簡化計算,采用理想彈塑性模型1、作為鋼結構設計的最大應力3、作為鋼材實際破壞強度（三）注意二、塑性當應力超過屈服點后，能產(chǎn)生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即斷裂的性質斷面收縮率：指試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分率

衡量塑性性能的指標：伸長率三、沖擊韌性沖擊韌性：在動力荷載作用下，材料吸收能量的能力衡量沖擊韌性的指標：沖擊功韌性是鋼材強度和塑性的綜合指標

梅氏U型缺口試件:沖擊試驗的標準試件型式：夏比V型缺口試件:我國采用夏比V型缺口試件沖擊韌性受溫度的影響四、冷彎性能：

指鋼材在冷加工（常溫下加工）產(chǎn)生塑性變形時，對產(chǎn)生裂縫的抵抗能力鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下的塑性應變能力和鋼材質量的綜合指標五、可焊性可焊性指采用一般焊接工藝就可完成合格的焊縫的性能可焊性受化學成分C的影響比較大碳當量：

衡量低合金鋼的可焊性的計算<0.38焊接性能一般=0.38~0.45焊接性能較難>0.45焊接性能難另：鋼材物理性能指標彈性模量質量密度剪變模量線膨脹系數(shù)泊松比一、化學成分第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素普通碳素鋼中Fe占99%，其他雜質元素占1%普通低合金鋼中有＜5%的合金元素碳（C）：鋼材強度的主要來源，但是隨其含量增加，強度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蝕性降低。一般控制在0.12％～0.2%，在0.2％以下時，可焊性良好硫（S）是一種有害元素，降低鋼材的塑性、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%，在焊接結構中不超過0.045%。磷(P)

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，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。但磷能提高鋼的強度和抗銹蝕能力。氧(O)、氮(N)也是有害雜質，在金屬熔化的狀態(tài)下可以從空氣中進入。氧能使鋼熱脆，其作用比硫劇烈，氮能使鋼冷脆，與磷相似。錳（Mn）是一種弱脫氧劑，適量的錳含量可以有效地提高鋼材的強度，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。錳在碳素結構鋼中的含量為0.3%-0.8%，在低合金鋼中一般為1.0%-1.7%硅（Si）是一種強脫氧劑，適量的硅可提高鋼材的強度，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。釩(V)、鈮(Nb)、鈦(Ti)

都能使鋼材晶粒細化。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，既可提高鋼材強度，又保持良好的塑性、韌性。二、冶煉、澆鑄、軋制常見的冶金缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋等。偏析——化學成分分布的不均勻程度。冶煉過程控制鋼材的化學成分。平爐鋼頂吹氧氣轉爐煉鋼法堿性側吹轉爐煉鋼法澆鑄過程控制脫氧程度。①沸騰鋼用錳脫氧，脫氧不徹底，成本低，以前土木工程常用，但現(xiàn)在提高要求了，許多結構限用：疲勞、低溫下非焊接結構，焊接結構；②鎮(zhèn)靜鋼用硅脫氧，脫氧徹底，成本高，質量好；③半鎮(zhèn)靜鋼介于前兩者之間；④特殊鎮(zhèn)靜鋼在錳硅脫氧后再用鋁或鈦補充脫氧。三、加荷速度1．材性試驗要求緩慢加載

2．要考慮動荷載對結構的不利影響加荷速度高，鋼材屈服點提高，呈脆性。因此，四、鋼材硬化冷作硬化—當加載超過材料比例極限卸載后，出現(xiàn)殘余變形，再次加載則屈服點提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象，也稱“應變硬化”時效硬化——隨時間的增長，碳和氮的化合物從晶體中析出，使材料硬化的現(xiàn)象。五、溫度的影響1.正溫范圍

100℃以內對鋼材性能無影響；100℃以上隨溫度升高，總的趨勢是強度、彈性模量降低，塑性增大；

250℃左右 抗拉強度略有提高，塑性和韌性降低，脆性增加——藍脆現(xiàn)象。該溫度區(qū)段稱為“藍脆區(qū)”；250～350℃

在應力不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形——徐變現(xiàn)象。

600℃左右

彈性模量趨于零，承載能力幾乎完全喪失。2.負溫范圍

當溫度低于常溫時，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而增加。T1～T2

之間溫度轉變脆性區(qū)，沖擊功急劇下降。而且不同的鋼材其脆性轉變區(qū)溫度不同，必須通過試驗確定。使用溫度必須高于T1

，但不一定高于T2六、復雜應力作用下鋼材的屈服條件假定：1.材料由彈性轉入塑性的強度指標用變形時單位體積中積聚的能量來表達；

2.當復雜應力狀態(tài)下變形能等于單軸受力時的變形能時，鋼材即由彈性轉入塑性。彈性狀態(tài)塑性狀態(tài)平面應力狀態(tài)梁的應力狀態(tài)三向主應力表示為：三個主應力同號且差值很小時，很難進入塑性，呈現(xiàn)脆性破壞純剪應力狀態(tài)所以：《規(guī)范》中鋼材的抗剪強度設計值取七、應力集中的影響構造缺陷：構件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突變等應力集中：由于構造缺陷，應力不均勻，力線變曲折，缺陷處有高峰應力。應力集中的危害：塑性降低，脆性增加

構造設計時應避免截面突變和尖銳角的情況☆破壞前沒有明顯的宏觀塑性變形，屬于脆性斷裂☆斷口分為三個區(qū)域：裂紋源、裂紋擴展區(qū)和斷裂區(qū)☆對缺陷（包括缺口、裂紋及組織缺陷等）十分敏感

有拉應力裂縫張開無拉應力裂縫閉合產(chǎn)生疲勞的原因：（1）連續(xù)反復荷載（2）材料局部缺陷（工藝微裂紋、焊縫夾渣）九、重復荷載的影響一、影響疲勞強度的主要因素：

1、應力比ρ

按絕對值計算的最小應力和最大應力之比（拉應力取正值，壓應力取負值）ρ＝-1完全對稱循環(huán)ρ＝0脈沖循環(huán)ρ＝-1～0不完全對稱循環(huán)

2、應力幅常幅疲勞——常幅交變荷載引起——常幅循環(huán)應力（簡稱循環(huán)應力）變幅疲勞——變幅交變荷載——變幅循環(huán)應力（簡稱變幅應力）3、應力集中的影響缺口效應附表3二、疲勞曲線4、應力循環(huán)次數(shù)的影響

5×106公式3.12中八類構件和連接形式的[Δσ]－N曲線參數(shù)β、C的確定三、常幅疲勞驗算公式對焊接結構焊接部位的常幅疲勞驗算：（3-12）

當應力變化循環(huán)次數(shù)n等于或大于5×104次時，應進行疲勞計算對焊接結構非焊接部位及非焊接結構的疲勞驗算：[Δσ]取σ0下限值k由試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計取0.7吊車梁疲勞驗算以常幅疲勞方式驗算：四、變幅疲勞驗算

------Miner線性累積損傷準則（3.14）αf

－變幅荷載的欠載效應系數(shù)規(guī)范給出了2×106循環(huán)次數(shù)的αf

重級工作制硬鉤吊車αf

＝1.0重級工作制吊車αf

＝0.8中級工作制吊車αf

＝0.5承受動力荷載重復作用的鋼結構構件及其連接，當應力變化循環(huán)次數(shù)n等于或大于5×104次時，應進行疲勞計算疲勞驗算用容許應力設計方法，疲勞強度按容許應力幅計算，荷載采用標準值按彈性工作計算，不考慮動力系數(shù)，不考慮永久荷載五、疲勞強度計算注意事項在應力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應力的部位可不必疲勞驗算疲勞容許應力幅與鋼種無關應力規(guī)范中提出的疲勞強度是以試驗為依據(jù)的，當遇到規(guī)范規(guī)定的8種以外的連接構造時，應進行專門的研究，套用相近的連接類別或通過相應的疲勞試驗確定疲勞強度1、較高的強度2、足夠的變形能力，塑性、韌性好具有3、良好的加工性能（包括冷加工、熱加工和可焊性）一、鋼結構對材料的要求：第四節(jié)結構鋼材的種類和鋼材規(guī)格二、結構用鋼的種類1.化學成分普通碳素鋼Q235普通低合金鋼Q345、Q390、Q420平爐成本高，質量好（6小時100t左右）氧氣頂吹轉爐成本低，質量也可（15分鐘150t）2.爐種3.脫氧程度沸騰鋼（F）脫氧較差鎮(zhèn)靜鋼（Z）脫氧充分半鎮(zhèn)靜鋼（b）脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ）4.質量等級A級：保證抗拉強度、屈服點和伸長率及硫、磷含量B、C、D級：保證抗拉強度、屈服點、伸長率、冷彎和沖擊韌性（分別為20℃、0℃、-20℃）及碳、硅、錳、硫、磷含量E級：除滿足D級的要求外，還要求-40℃時的沖擊韌性5.鋼材編號碳素鋼：Q×××質量等級（A～D）脫氧程度（F，b）低合金鋼：Q×××質量等級（A～E）如Q235-A·F、Q345-C6.鋼材的選擇（1）結構或構件的重要性；（2）荷載的種類（靜荷載或動荷載）；（3）連接方法（焊接或非焊接）；（4）工作條件（溫度，腐蝕等）《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-2003）規(guī)定：承重結構的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結構尚應具有碳含量的合格保證。焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構采用的鋼材還應具有冷彎試驗的合格保證。需要驗算疲勞的焊接結構的鋼材，應具有常溫或負溫沖擊韌性的合格保證。對需要驗算疲勞的非焊接結構的鋼材應具有常溫沖擊韌性的合格保證。三、鋼材的規(guī)格1.熱軋鋼板（1）工字鋼普通工字鋼Ⅰ20a（2）槽鋼[32b（3）H型鋼HW300×300×10×15T型鋼TW150×300×10×15（4）角鋼L125×10L125×80×10（5）鋼管φ400×62.熱軋型鋼（附錄型鋼表）單位cm3.冷彎薄壁型鋼壁厚1.5～5mm結構設計準則：結構由各種作用所產(chǎn)生的效應（內力和變形）不大于結構（包括連接）由材料性能和幾何因素等所確定的抗力或規(guī)定限值。問題及矛盾：荷載大小、材料強度、截面尺寸、計算模式、施工質量等因素均為隨機變量（或隨機過程）不確定第三章鋼結構的設計原理一、概述第一節(jié)鋼結構的設計方法1、容許應力法（建國初～1957年）

把鋼材可以使用的最大強度，除以一個籠統(tǒng)的安全系數(shù)作為結構設計計算時構件容許達到的最大應力，即允許應力法2、半概率法（1957年～1988年）3、一次二階矩極限狀態(tài)設計法（1988年～發(fā)展中）1、極限狀態(tài)：實質上是結構可靠與不可靠的界限；對結構的各種極限狀態(tài)，均應規(guī)定明確的標志或限值。2、兩類極限狀態(tài)：（1）承載能力極限狀態(tài)

包括：構件和連接的強度破壞、疲勞破壞和因過度變形而不適于繼續(xù)承載，結構和構件喪失穩(wěn)定，結構轉變?yōu)闄C動體系和結構傾覆（2）正常使用極限狀態(tài)

包括：影響結構、構件和非結構構件正常使用或耐久性能的局部損壞（包括組合結構中混凝土裂縫）二、概率極限設計方法3、功能函數(shù)作用效應S：取決于各種荷載（恒載、活載、風、地震作用、溫度變化等）

結構或構件的承載力或抗力R：取決于材料、構件的幾何特性等

由于R和S都是隨機變量，函數(shù)Z也是一個隨機變量。功能函數(shù)Z存在三種可能狀態(tài)：

4、結構可靠度：結構在規(guī)定時間內，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率

若以ps表示結構的可靠度則：

若以pf表示結構的失效概率則：

β——可靠指標或安全指標

β與pf存在一一對應關系，β與pf變化相反β與pf對應表格不同結構構件承載能力極限狀態(tài)的可靠指標β三、設計表達式《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》規(guī)定結構構件的極限狀態(tài)設計表達式，采用有關的荷載代表值、材料性能標準值及各種分項系數(shù)等表達。1、簡單荷載分項系數(shù)設計式：RK

——抗力標準值SGK——按標準值計算的永久荷載（G）效應值SQK——按標準值計算的可變荷載（Q）效應值γ——分項系數(shù)式中：

分項系數(shù)γ

以可靠指標β為基礎用概率設計法求出可變荷載效應控制的組合：（3.7）

永久荷載效應控制的組合：（3.8）

2、承載能力極限狀態(tài)荷載效應的基本組合3、正常使用極限狀態(tài)荷載效應的標準組合（3.10）

vGK

——永久荷載標準值產(chǎn)生的變形值vQ1K——起控制作用的第一個可變荷載標準值產(chǎn)生的變形值vQiK——其他第i個可變荷載標準值產(chǎn)生的變形值[v]

——結構或結構構件的容許變形值式中：

★注意：

設計方法：以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法

計算疲勞仍采用容許應力幅法

計算強度、穩(wěn)定、連接用荷載設計值

計算疲勞、變形用荷載標準值

對于直接承受動力荷載的結構：在計算強度和穩(wěn)定時，動載設計值應乘動力系數(shù)在計算疲勞和變形時，動載標準值不應乘動力系數(shù)☆破壞前沒有明顯的宏觀塑性變形，屬于脆性斷裂☆斷口分為三個區(qū)域：裂紋源、裂紋擴展區(qū)和斷