1、建筑结构-钢结构,哈尔滨工业大学 建筑学院孙世钧 2008.09,表1 建筑结构的分类,第六章 钢结构第一节 钢结构的特点,用H型钢、工字钢、槽钢、角钢等热轧型钢和钢板组成的以及用冷弯薄壁型钢制成的承重构件或承重结构统称为钢结构，如钢梁、钢屋架、钢框架、钢网架、钢塔架等都是最常见的钢结构。 一、钢结构的特点 与应用最为广泛的混凝土结构相比，钢结构具有如下一些主要特点： (1)强度高，重量轻。由于钢材的强密比（强度与质量密度之比值)较钢筋混凝土大了近7倍，与此在相同承载力下，以钢构件的截面为小，重量为轻。例如，在跨度和荷载相同的条件下，钢屋架的重量约为钢筋混凝土屋架的1/31/4。由此带来的优点
2、是：便于构件的运输和吊装，基础和地基处理的费用与工程量也可大大减少。 (2)质地均匀，各向同性。钢材的这个性质符合结构计算时通常所作的假定，因而钢结构的计算结果与其实际情况最为相符，计算可靠；钢材的弹性模量较大，结构在荷载作用下的变形就较小；钢材有良好的塑性性能，可自动调节构件中可能出现的局部应力高峰，且结构在破坏前一般都会产生显著的变形，事故有预告，可及时防患；钢材还具有良好的韧性，对承受动力荷载适应性强。钢结构抗震性能好。,第六章 钢结构第一节 钢结构的特点,(3)施工质量好，且工期短。钢结构一般都在专业工厂由机械化生产制造，而后运至工地现场安装，工业化生产程度高，质量容易监控和保证。工地
3、占地面积少和环境污染少，适于都市市区建造。工期短，效益好。 (4)密闭性好。 (5)用螺栓连接的钢结构，可装拆，适用于移动性结构。 二、钢结构应用要点 (1)防腐。钢材的耐腐蚀性较差，因而需采取防腐措施，我国钢结构没计规范对钢结构的防护作了如下规定：“钢结构除必须采取防锈措施(除锈后涂以油漆或金属镀层等)外，尚应在构造上尽量避免出现难于检查、清刷和油漆之处以及能积留湿气和大量灰尘的死角或凹槽。闭口截面构件应沿全长和端部焊接封闭,第六章 钢结构第一节钢结构的特点,(2)防火。 钢结构有一定的耐热性但不防火，当其温度到达450650时，强度下降极快，在600时已不能承重，只有在200以下时钢材的性
4、质变化不大。因此钢结构当表面长期受辐射热150或在短期内可能受到火焰作用时，心采取有效的防护措施。我国钢结构设计规范中对钢结构的防火作了如下规定；“钢结构的防火应符合现行同家标准建筑设计防火规范(GBJ 16)和高层民用建筑设计防火规范(GB 50045)的要求，结构构件的防火保护层应根据建筑物的防火等级对各不同的构件所要求的耐火极限进行设计。 (3)防失稳。由于钢材强度大、构件截面小、厚度薄，因而在压力和弯矩等作用下带来了构件甚至整个结构的稳定问题。在设计中考虑如何防止结构或构件失稳，是钢结构设计的一个重要特点。 (4)防脆断。钢材具有良好的塑性性能，但要注意这只是一个方面。当钢材处于复杂受
5、力状态巳为承受二向或二向同号应力时，当钢材处于低温工作条件下或受有较大应力集中叫，钢材均会由塑性转变为脆性，产生突然的脆性破坏，这是很危险的。因此设计钢结构时如何防爪钢材的臆性破坏又垂一个必须重视的问题。,第六章 钢结构第二节 钢结构的材料及其性能,一、钢材的五个力学性能指标 为使所设计的钢结构满足承载能力和正常使用要求，我国新规范钢结构设计规范(GB50017-2003)(以下简称规范)提出了对承重结构钢材的质量要求，包括五个力学性能指标和碳硫、磷的含量要求。这五个力学性能指标是抗拉强度、伸长率、屈服强度、冷弯试验(性能)和冲击韧性。 抗拉强度fu，是钢材抵抗被拉断的性能指标，同时还能反映钢
6、材内部组织的优劣，并与钢材的疲劳强度大小密切相关。 伸长率(5或10)，是衡量钢材塑性性能的一个指标，钢材的塑性性能能使应力集中处的应力高峰平缓，使该截面处的应力分布趋向均匀，能减少钢材脆性断裂的危险和易于冷加工。5或10分别是由短试件和长试件求得的伸长率，对同一钢材由短试件求得的5应大于长试件求得的10。 屈服强度fy，是确定钢材强度设计值的主要指标。 冷弯试验(性能)合格，是衡量钢材塑性的指标，同时也是衡量钢材质量的一个综合性指标。,第六章 钢结构第二节 钢结构的材料及其性能,一、钢材的五个力学性能指标 冲击韧性Akv，也叫做缺口韧性，是衡量钢材突然断裂时所吸收的功的指标，其值随金属组织和
7、结晶状态的改变而急剧地变化。钢中的非金属夹杂物、带状组织、脱氧不良等都影响钢材的冲击韧性。必须注意的是：钢材的冲击韧性随温度而不同，低温时冲击韧性将明显降低。冲击韧性是钢材在冲击荷载或三轴向应力下具有可靠性的保证。 二、影响钢材性能的主要因素 钢的种类极多，依照用途不同而有不同的性能。用以建造钢结构的称为结构钢，它必须同时具有较高的强度、塑性和韧性，还必须具有良好的加工性能，对焊接结构还应保证具可焊性(即在一定的焊接工艺条件下焊接后，焊缝金属和近焊缝区的钢材不产生裂纹，施焊后焊缝的力学性能不低于焊接母材的力学性能)。强度高，可减小结构的截面积而节省钢材。塑性、韧性好可保证结构的安全，减少结构产
8、生脆断的危险性。结构钢主要有两类，一是碳素结构钢中的低碳钢，另一是低合金高强度结构钢(合金成分低于5时称为低合金钢)。两类钢的现行同家标准分别是碳素结构钢(GBT 700)和低合金高强度结构钢(GBT1591)。,第六章 钢结构第二节 钢结构的材料及其性能,二、影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的因素较多，主要是钢的化学成分的影响和生产过程不同的影响。 1化学成分的影响 (1)碳素钢主要是铁和碳的合金。钢因含碳量不同而区分为低碳钢(C0.25)、中碳钢(C=0.250.60)和高碳钢(C=0.601.7)碳的含量愈高，钢的强度也愈高，但其塑性、韧性和可焊性却显著降低，因而用作建造钢结构材料的只
9、能是低碳钢，要求C0.22。对焊接结构，为了使其有良好的可焊性，通常须限制C0.20。用于钢结构时，我国钢结构设计规范推荐采用国家标准碳素结构钢中的Q235钢(字母Q为屈服点的屈字汉语拼音的第一个字母，Q后面的数宁表示屈服点N/mm2)，此钢的平均含碳量小于等于0.18%，屈服点fy=235N/ mm2，符合同时具有较大的强度、塑性和韧性的要求，可焊性也良好。,第六章 钢结构第二节 钢结构的材料及其性能,二、影响钢材性能的主要因素 1化学成分的影响 (2)为了得到较Q235钢更高的强度，可在低碳钢的基础上冶炼时加入为提高钢材强度的合金元素如锰、钒等，得到低合金钢。加入适量的合金成分后，可提高强
10、度又不损害塑性与韧性。这与碳素钢依靠增加碳的含量而提高强度完全不同。我国钢结构设计规范中推荐采用的低合金钢是国家标准中的Q345钢、Q390钢和Q420钢三种。(3)钢中除铁与碳及有意加入的合金元紊之外，尚含有少量的其他元素如锰，硅硫及磷等，此外，也还可能存在钢冶炼过程中不易除尽的氧、氮和氢等。 锰对钢是有益元素，是钢液的弱脱氧剂。含适量的锰，可提高钢的强度同时不影响钢的塑性和冲击韧性。在碳京钢中其适宜的含量约在0.30.8之间。在低台金钢中，锰作为合金成分，其含量为1.21.6。 硅对钢也星一种有益元素，是钢液的强脱氧剂。钢中含适量的硅,可提高钢的强度而不影响其塑性、韧性和可焊性。在低碳钢中
11、其含量应为Si0.30，在低合金钢中应为Si0.200.55。,第六章 钢结构第二节 钢结构的材料及其性能,二、影响钢材性能的主要因素 1化学成分的影响 硫和磷都是钢中的有害杂质。含硫量增大，会降低钢的塑性，冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等；当对钢材进行轧制等热加工或电焊时，会使钢内形成微小裂纹，称为“热脆”。磷的存在虽可提高钢的强度和抗锈性，但会降低钢的塑性冲击韧性、冷弯性能和可焊性等。特别是磷能使钢材在低温时变脆，称为“冷脆”。因此，规范中规定承重结构的钢材应具有硫和磷含量的合格保证。 氧、氮和氢也都是有害杂质。氧与硫一样会使钢热脆，氯则与磷相似会使钢冷脆，能使钢产生裂纹。,第六章 钢结构第二
12、节 钢结构的材料及其性能,二、影响钢材性能的主要因素 1化学成分的影响 2生产过程对钢材性能的影响 生产过程的影响包括冶炼时的炉种、浇注前的脱氧和热轧等的影响。 (1)冶炼炉种。我同日前钢结构用的钢材，主要是由平炉和氧气转炉冶炼而成，这两种冶炼方法炼制的钢的质量大致相当，可以同样看待。 (2)钢的脱氧。钢液中残留氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆,因此浇注钢锭时在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧，可大大改善钢材的质量。因脱氧程度不同，钢可分成沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢四类。沸腾钢采用锰作为脱氧剂，脱氧不完全，其冲击韧性较低和脆性转坐温度较高，抵抗冷脆性能差，抗疲劳性能也较镇静钢为差，
13、但沸腾钢的强度和塑性(例如屈服点和伸K率)并不比镇静钢低多少(特别星薄钢板)。 镇静钢除采用锰外另增加一定数量的硅作为脱氧剂，脱氧充分，因而材质好，但成本高于沸腾钢。 半镇静钢的脱氧程度介于沸腾钢与镇静钢之间，故名半镇静钢。钢材的质量比沸腾钢好，价格则较镇静钢便宜，但我国目前生产不是最多。,第六章 钢结构第二节 钢结构的材料及其性能,二、影响钢材性能的主要因素 1化学成分的影响 2生产过程对钢材性能的影响特殊镇静钢采用硅脱氧后再用更强的脱氧剂铝补允脱氧，因而脱瓴彻底，质量最好，其冲击韧性特别是低温冲击韧性都较高。 目前出轧制钢材的钢坯推广采用连续铸锭法生产，钢材必然为镇静钢。因而镇静钢的应用已
14、大大增多。 (3)钢的轧制。我国的钢材大都是热轧型钢和热轧钢板。钢材热轧成型，同时也可细化钢的品粒使组织紧密，原存在于钢锭内的 些微观缺陷如小气泡和裂纹等经过多次辊轧而弥合，改进厂钢的质量，如图6l所示。因而薄型材和薄钢板的屈服点和仲长率等就大于厚材，即钢材的屈服点和伸长率随厚度不同而变化。 上面简单说明影响钢材力学性能的主要因素，只是涉及钢材在出钢厂以前的有关因素。钢材出钢厂以后，在制造和使用时还会有许多因素影响钢的力学性能，例如下面将介绍的钢在冷加上时发生的应变硬化和时效硬化。 3钢材的硬化 钢材的硬化包括冷加工硬化(应生硬化)和时效硬化。,第六章 钢结构第二节 钢结构的材料及其性能,二、
15、影响钢材性能的主要因素 1化学成分的影响 2生产过程对钢材性能的影响3钢材的硬化 钢材的硬化包括冷加工硬化(应生硬化)和时效硬化。 钢材经冷拉、冷弯等冷加上而产生塑性变形，卸荷后重新加荷，可使钢材的屈服点得到提高，但钢材的蛔性和韧性却大大降低，这种现象称为冷加工硬化或应变硬化。在钢结构中由于对钢材的塑性和韧性要求较高，因此一般不利用这现象以提高钢材的屈服点。对锅炉汽包、压力容器等重要结构，常需用热处理方法来消除冷加工硬化的不利影响。重级工作制吊车梁截面的钢板当用剪切边时，也常需将剪切边刨去35mm以去掉出现冷加工硬化部分的钢材。 时效硬化是指随时间的增长钢材强度提高而塑性和冲击韧性降低的现象。
16、这也是一个对钢结构的不利因素。时效过程町长达几年，但如在塑性变形后对钢材加热到200300，可使时效在几小时内完成，这称为人工时效。有些重要结构常需进行人工时效，然后再测定其冲击韧性，以保证钢材长期具有较好的韧性。 三、钢材的脆性断裂(冷脆) 钢材在一般情况下是弹塑性材料，但特殊条件下可以转变为脆性材料，因而钢材的破坏可区分为塑性破坏和脆性破坏两种方式，脆性断裂只发生在承受拉仲时。钢材拉仲时的塑性破坏特征是： (1)破坏前有较人的塑性变形，有明显的颈缩现象，因而易及时发现，危险性小。 (2)构件断裂发生在应力到达钢材的抗拉强度fu时。,第六章 钢结构第二节 钢结构的材料及其性能,三、钢材的脆性
17、断裂(冷脆)脆性破坏特征是：(1)破坏前的变形很小，破坏系突然发生，事先无警告，因而危险性大。(2)破坏时的应力常小于钢材的屈服点fu。(3)断口平直，呈有光泽的晶粒状。 影响钢材脆断的因素主要有下面几种：钢材的质量；钢板的厚度；加荷的速度，应力的性质(拉、弯等)和大小；最低使用温度；连接的方法(焊接)；应力集中程度等。 钢材的断裂，来源于早巳存在于钢材的一些微小裂纹。因此，要防止脆性断裂，就应尽量设法消除或减少钢材中的微裂纹。从事故的分析中，还可看到事故都是在低温时发生，温度愈低，愈易脆断，而且大多数是焊接结构。焊接裂纹是钢材中存在微裂纹的重要原因。因此对低温地区的焊接结构要特别注意。 下面
18、列举防止钢材脆断的一些措施： (1)对低温地区的焊接结构要注意选用质量等级较高的钢材。如选用对冲击韧性有较高要求的镇静钢或特殊镇静钢，对钢的成分特别是碳、硫、磷的含量要严格控制；不应采用厚度大的钢材。此外，如果对钢材进行冷加工，则应将有冷加工硬化部分的钢剃刨去等。,第六章 钢结构第二节 钢结构的材料及其性能,三、钢材的脆性断裂(冷脆) (2)对焊接结构特别是低温地区，设计时要注意焊缝的正确布置和施焊时注意焊缝的质量。 (3)力求避免应力集中。当构件的截面发生急剧改变，则该处将产生应力高峰，此现象称为应力集中，举例如下：图6-2(a)表示承受均匀拉力的一钢板当板中部有一圆孔时板内的应力分布情况。
19、在远离圆孔的截面1-1处，扳中应力线基本相互平行，截面上的应力均匀分布，如图62(b)所示在通过圆孔中心的截面2-2处，由于截面受到圆孔的削弱而突然改变，截面上的应力不再均匀分布如图62(c)所示，孔边缘处出现应力高峰。另外，从图62(a)中的应力线分布可知，在截面22附近，由于孔的存在，应力线必须“绕道”而过；在孔边缘处，应力线较密集因而应力值就较大，同时又因应力线弯曲，在y方向将产生分力即拉应力fy而使扎边缘附近形成同号平面应力或同号三向应力(厚度较大时)。同号平向应力或三向应力将使钢材变脆。因而设计时要注意不使截面有突然的改变，特别是在低温地区更应如此。在常温地区当承受静力荷载时，应力集
20、中并不显著影响构件的强度。当应力高峰处的max到达屈服点fy后，由于该处钢材的塑性变形，截面上的应力将产生重分布而使分布趋向均匀。但当各种不利因素集中在一起，如应力集中程度较高，地处低温地区及材质又较差时，应力集中就将是造成脆性断裂的因素之一。 (4)结构在使用时应避免使其突然受力，要使加荷的速度不致过大。加荷速度愈大，脆断的可能性电愈大。减小荷载的冲击和降低应力水平，也是防止钢材脆性断裂的一个措施。,2 钢材的选用,2 钢材的选用,2 钢材的选用,3 钢材的规格,3 钢材的规格,3 钢材的规格,（3）冷弯薄壁型钢,第三节 钢结构的连接,第三节 钢结构的连接,第三节 钢结构的连接,普通螺栓和高
21、强螺栓,第三节 钢结构的连接,普通精制螺栓、普通连接的高强度螺栓高强度螺栓（8.8、10.9两级）,第三节 钢结构的连接,第三节 钢结构的连接,第三节 钢结构的连接,高强螺栓的类型，承压型连接的特点,第三节 钢结构的连接,二 焊接连接的构造和计算,第三节 钢结构的连接,二 焊接连接的构造和计算角焊缝和对接焊缝,第三节 钢结构的连接,二 焊接连接的构造和计算,第三节 钢结构的连接,二 焊接连接的构造和计算,第三节 钢结构的连接,二 焊接连接的构造和计算,第三节 钢结构的连接,三 螺栓连接的构造和计算,第三节 钢结构的连接,三 螺栓连接的构造和计算 抗剪螺栓连接的五种破坏形式,第三节 钢结构的连接
22、,三 螺栓连接的构造和计算,第三节 钢结构的连接,三 螺栓连接的构造和计算,第三节 钢结构的连接,三 螺栓连接的构造和计算,第三节 钢结构的连接,四 钢结构基本构件的设计,第三节 钢结构的连接,四 钢结构基本构件的设计,第三节 钢结构的连接,四 钢结构基本构件的设计,第三节 钢结构的连接,四 钢结构基本构件的设计,第三节 钢结构的连接,四 钢结构基本构件的设计,第三节 钢结构的连接,四 钢结构基本构件的设计,第三节 钢结构的连接,四 钢结构基本构件的设计受弯构件,第三节 钢结构的连接,四 钢结构基本构件的设计,第三节 钢结构的连接,四 钢结构基本构件的设计,第三节 钢结构的连接,五 钢结构构件的连接构造： 铰接连接,第三节 钢结构的连接,五 钢结构构件的连接构造： 铰接连接,第三节 钢结构的连接,五 钢结构构件的连接构造：刚接连接,第三节 钢结构的连接,五 钢结构构件的连接构造：梁与柱的接连接,第三节 钢结构的连接,五 钢结构构件的连接构造：刚接连接,第三节 钢结构的连接,五 钢结构构件的连接构造：刚接连接,第三节 钢结构的连接,五 钢结构构件的连接构造：刚接连接,第三节 钢结构的连接,五 钢结构构件的连接构造：简支连接,第三节 钢结构的连接,五 钢结构构件的连接构造：刚接连接,
