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钢结构_西安建筑科技大学.pdf

钢结构_西安建筑科技大学

路阳
2018-01-19 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《钢结构_西安建筑科技大学pdf》,可适用于领域

钢结构普通高等学校土建学科专业ldquo十五rdquo规划教材陈绍蕃顾强主编中国建筑工业出版社年月第一章概述第章概述钢结构的特点和应用钢结构的建造过程和内在缺陷钢结构的组成原理钢结构的发展主要内容:重点:钢结构的特点和应用第一章概述钢结构的特点和应用材料的强度高塑性和韧性好材质均匀和力学计算的假定比较符合钢结构制造简便施工周期短钢结构的质量轻钢材耐腐蚀性差钢材耐热但不耐火钢结构的特点钢拉杆和压杆性能比较第一章概述大跨度钢结构重型厂房钢结构受动力荷载影响的结构可拆卸的结构高耸结构和高层建筑容器和其他构筑物轻型钢结构钢结构的应用范围高层钢结构建筑杂交结构第一章概述钢结构的建造过程和内在缺陷工厂制造:验收、放样、加工、装配、矫正、除锈和涂漆工地安装:扩大拼装、吊装就位、临时固定、最后固定钢结构的建造过程钢结构的初始缺陷几何缺陷:初弯曲初倾斜杆件长度误差材料缺陷:钢材并非理想的匀质体和各向同性体第一章概述钢结构的组成原理平面体系加支撑如:穿式桁架桥、空间屋盖结构跨越结构穿式桁架桥空间屋盖结构第一章概述水平荷载可能居于主导地位。如:高层房屋结构、塔架、桅杆高耸结构高层房屋结构塔架结构桅杆结构第一章概述钢结构的发展发展低合金高强度钢材和型钢品种结构和构件设计计算方法的深入研究结构形式的革新结构优化设计第章钢结构的材料第章钢结构的材料对钢结构用材的要求钢材的主要性能及其鉴定影响钢材性能的因素钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加载建筑钢材的类别及钢材的选用主要内容:重点:对钢结构用材的要求建筑钢材的类别及钢材的选用第章钢结构的材料对钢结构用材的要求较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。良好的加工性能。即适合冷、热加工良好的可焊性。适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等的性能。容易生产价格便宜。《钢结构设计规范》(GBmdash)推荐的普通碳素结构钢Q钢和低合金高强度结构钢Q、Q及Q是符合上述要求的。选用GB规范还未推荐的钢材时需有可靠依据。以确保钢结构的质量。第章钢结构的材料钢材的主要性能及其鉴定图钢材的一次拉伸应力-应变曲线单向拉伸时的工作性能条件:常温、静载条件下一次拉伸第章钢结构的材料比例极限sigmaP这是应力应变图中直线段的最大应力值。严格地说比sigmaP略高处还有弹性极限但弹性极限与sigmaP极其接近所以通常略去弹性极限的点把sigmaP看做是弹性极限。屈服点sigmay应变epsilon在sigmaP之后不再与应力成正比而是渐渐加大应力应变间成曲线关系一直到屈服点。抗拉强度sigmau屈服平台之后应变增长时又需有应力的增长但相对地说middot应变增加得快呈现曲线关系直到最高点。第章钢结构的材料伸长率delta和delta伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度其相应的伸长率用delta和delta表示伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。结构制造时这种能力使材料经受剪切、冲压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。屈服点、抗拉强度和伸长率是钢材的三个重要力学性能指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。第章钢结构的材料屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性其意义是:.作为结构计算中材料强度标准或材料抗力标准。应力达到sigmay时的应变与sigmaP时的应变较接近可以认为应力达到sigmay时为弹性变形的终点。同时达到sigmay后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力故此以sigmay作为弹性计算时强度的标准。.形成理想弹塑性体的模型为发展钢结构计算理论提供基础。sigmay之前钢材近于理想弹性体sigmay之后塑性应变范围很大而应力保持不增长所以接近理想塑性体。因此可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的应力应变模型。钢结构设计规范对塑性设计的规定就以材料是理想弹塑性体的假设为依据忽略了应变硬化的有利作用。第章钢结构的材料图钢材的冷弯试验冷弯性能根据试样厚度按规定的弯心直径将试样弯曲度其表面及侧无裂纹或分层则为ldquo冷弯试验合格rdquo。ldquo冷弯试验合格rdquo一方面同伸长率符合规定一样表示材料塑性变形能力符合要求另一方面表示钢材的冶金质量(颗粒结晶及非金属夹杂分布甚至在一定程度上包括可焊性)符合要求因此冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。重要结构中需要有良好的冷热加工的工艺性能时应有冷弯试验合格保证。第章钢结构的材料冲击韧性与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度。吸收较多能量才断裂的钢材是韧性好的钢材。钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量用单位体积吸收的能量来表示其值等于应力应变曲线下的面积。塑性好的钢材其应力应变曲线下的面积大所以韧性值大。然而实际工作中不用上述方法来衡量钢材的韧性而用冲击韧性衡量钢材抗脆断的性能因为实际结构中脆性断裂并不发生在单向受拉的地方而总是发生在有缺口高峰应力的地方在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。第章钢结构的材料图钢材的冲击试验缺口韧性值受温度影响温度低于某值时将急剧降低。设计处于不同环境温度的重要结构尤其是受动载作用的结构时要根据相应的环境温度对应提出冲击韧性的保证要求。第章钢结构的材料可焊性与可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂纹的)焊缝的性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在%~%范围内的碳素钢可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。第章钢结构的材料钢材性能的鉴定与根据《钢结构工程施工质量验收规范》(GB)的规定对进入钢结构工程实施现场的主要材料需进行进场验收即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报告确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求。第章钢结构的材料影响钢材性能的因素钢是含碳量小于%的铁碳合金碳大于%时则为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成其中纯铁约占%碳及杂质元素约占%。低合金结构钢中除上述元素外还加入合金元素后者总量通常不超过%。碳及其他元素虽然所占比重不大但对钢材性能却有重要影响。化学成分的影响第章钢结构的材料碳(C)碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素是影响钢材强度的主要因素随着含碳量的增加钢材强度提高而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过对焊接结构应低于。锰(Mn)锰是一种弱脱氧剂适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度又能消除硫、氧对钢材的热脆影响而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为在低合金钢中一般为。第章钢结构的材料硅(Si)硅是一种强脱氧剂适量的硅可提高钢材的强度而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响但硅含量过大时会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素作为锰以外的合金元素既可提高钢材强度又保持良好的塑性、韧性。第章钢结构的材料铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)铝是强脱氧剂用铝进行补充脱氧不仅进一步减少钢中的有害氧化物而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素用于Q钢和Q钢。硫(S)硫是一种有害元素降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等在高温时使钢材变脆即热脆。因此钢材中硫的含量不得超过在焊接结构中不超过。第章钢结构的材料磷(P)磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质它在低温下使钢变脆这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。氧(O)、氮(N)氧和氮也是有害杂质在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆其作用比硫剧烈氮能使钢冷脆与磷相似。第章钢结构的材料成材过程的影响.冶炼钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢。在建筑钢结构中主要使用氧气顶吹转炉生产的钢材。目前氧气顶吹转炉钢的质量由于生产技术的提高已不低于平炉钢的质量。冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量、钢的金相组织结构不可避免地存在冶金缺陷从而确定不同的钢种、钢号及其相应的力学性能。第章钢结构的材料成材过程的影响.浇铸把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯有两种方法一种是浇入铸模做成钢锭另一种是浇入连续浇铸机做成钢坯。铸锭过程中因脱氧程度不同最终成为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。钢在冶炼及浇铸过程中会不可避免地产生冶金缺陷。常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等等。这些缺陷都将影响钢的力学性能。第章钢结构的材料成材过程的影响.轧制钢材的轧制能使金属的晶粒变细也能使气泡、裂纹等焊合因而改善了钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多其强度比厚板略高、浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层所以分层是钢材(尤其是厚板)的一种缺。设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况以防止层间撕裂。第章钢结构的材料成材过程的影响.热处理热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。正火属于最简单的热处理:把钢材加热至~oC并保持一段时间后在空气中自然冷却即为正火。如果钢材在终止轧制时温度正好控制在上述温度范围可得到正火的效果称为控轧。回火是将钢材重新加热至oC并保温一段时间然后在空气中自然冷却。淬火加回火也称调质处理淬火是把钢材加热至oC以上保温一段时间然后放入水或油中快速冷却。强度很高的钢材包括高强度螺栓的材料都要经过调质处理。第章钢结构的材料影响钢材性能的其它因素冷加工硬化(应变硬化)在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等加工使钢材产生很大塑性变形由于减小了塑性和韧性性能普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度。重要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去。用作冷弯薄壁型钢结构的冷弯型钢是由钢板或钢带经冷轧成型的也有的是经压力机模压成型或在弯板机上弯曲成型的。由于这个原因薄壁型钢结构设计中允许利用因局部冷加工而提高的强度。第章钢结构的材料此外还有性质类似的时效硬化与应变时效。时效硬化指钢材仅随时间的增长而转脆应变时效指应变硬化又加时效硬化由于这些是使钢材转脆的性质所以有些重要结构要求对钢材进行人工时效然后测定其冲击韧性以保证结构具有长期的抗脆性破坏能力。图钢材的硬化第章钢结构的材料温度的影响钢材对温度相当敏感温度升高与降低都使钢材性能发生变化。相比之下低温性能更重要。正温范围总的趋势是随着温度的升高钢材强度降低变形增大。约在oC以内钢材性能没有很大变化oC之间则强度(fy与fu)急剧下降到oC时强度很低不能承担荷载。此外oC附近有兰脆现象约oC时有徐变现象。兰脆现象指温度在oC左右的区间内fu有局部性提高fy也有回升现象同时塑性有所降低材料有转脆倾向。在兰脆区进行热加工可能引起裂纹。徐变现象指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现象。设计时以规定oC为适宜超过之后结构表面即需加设隔热保护层。第章钢结构的材料图高温对钢材性能的影响第章钢结构的材料负温范围fy与fu都增高但塑性变形能力减小因而材料转脆对冲击韧性的影响十分突出。材料由韧性破坏转到脆性破坏叫该种钢材的转变温度在结构设计中要求避免完全脆性破坏所以结构所处温度应大于脆性转变温度。图Cv值随温度T的变化第章钢结构的材料应力集中当截面完整性遭到破坏如有裂纹(内部的或表面的)、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突然改变时构件中的应力分布将变得很不均匀。在缺陷或截面变化处附近应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力。这是因为材料的某一点在x方向伸长的同时在y方向(横向)将要收缩当板厚较大时还将引起z方向收缩。第章钢结构的材料由力学知识知道三向同号应力且各应力数值接近时材料不易屈服。当为数值相等三向拉应力时直到材料断裂也不屈服。没有塑性变形的断裂是脆性断裂。所以三向应力的应力状态使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束材料容易脆性破坏。因此对于厚钢材应该要求更高的韧性。图孔洞、缺口处的应力集中第章钢结构的材料钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加载的效应有屈服现象的钢材或者虽然没有明显屈服现象而能发生较大塑性变形的钢材一般属于塑性材料。没有屈服现象或塑性变形能力很小的钢材则属于脆性材料。塑性材料是指由于材料原始性能以及在常温、静载并一次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料。然而一种钢材具有塑性变形能力的大小不仅取决于钢材原始的化学成分熔炼与轧制条件也取决于后来所处的工作条件。即使原来塑性表现极好的钢材改变了工作条件如在很低的温度之下受冲击作用也完全可能呈现脆性破坏。所以严格地说不宜把钢材划分为塑性和脆性材料而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。延性破坏和非延性破坏第章钢结构的材料.疲劳断裂的概念疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。断口可能贯穿于母材可能贯穿于连接焊缝也可能贯穿于母材及焊缝。出现疲劳断裂时截面上的应力低于材料的抗拉强度甚至低于屈服强度。同时疲劳破坏属于脆性破坏塑性变形极小因此是一种没有明显变形的突然破坏危险性较大。循环荷载的效应第章钢结构的材料疲劳破坏的构件断口上面一部分呈现半椭圆形光滑区其余部分则为粗糙区(如图)。循环荷载的效应图断口示意-光滑区-粗糙区第章钢结构的材料应力循环特性常用应力比值来表示以拉应力为正值。连续重复荷载之下应力往复变化一周叫做一个循环。完全对称循环(rho=)静荷载作用(rho=)脉冲循环(rho=)一般应力循环(rho)为应力幅表示应力变化的幅度。总为正值。第章钢结构的材料图sigman曲线.△sigman曲线根据试验数据可以画出构件或连接的应力幅△sigma。与相应的致损循环次数n的关系曲线(图a)。这种曲线是疲劳验算的基础。致损循环次数也叫做疲劳寿命。目前国内外都常用双对数坐标轴的方法使曲线改为直线以便于分析(图b)。在双对数坐标图中疲劳方程就是直线式(图中实直线)第章钢结构的材料.疲劳验算及容许应力幅直接受到重复荷载作用的构件如吊车梁、桥梁、输送栈桥和某些工作平台梁等以及它们的连接当应力循环次数n时应进行疲劳验算。永久荷载所产生的应力为不变值没有应力幅。应力幅只由重复作用的可变荷载产生所以疲劳验算按可变荷载标准值进行。荷载计算中不乘以吊车动力系数常幅疲劳按下式进行验算。式中△sigmamdashmdash对焊接结构为应力幅△sigma=sigmamaxsigmamin对非焊接部位为计算应力幅△sigma=sigmamaxsigmamin应力以拉为正压为负△sigmamdashmdash常幅疲劳的容许应力幅。式中Cbetamdashmdash系数。焊接结构中根据各种不同的构造细部使疲劳强度不同程度地降低详见第章。第章钢结构的材料快速加荷效应快速加荷使钢材的屈服点和抗拉强度提高而钢厂在做钢材拉伸试验时往往加荷比较快致使所得fy、fu偏高。快速加荷的不利效应在于影响能量吸收的能力图给出三条不同加荷速率下的断裂能量一温度关系曲线。从图可以看出随着加荷速率的减小曲线向温度较低的方向移动。有些结构的钢材在工作温度下冲击韧性值很低但仍然保持完好就可以由加荷速率很慢来说明。对于同一冲击韧性的材料当设计承受动力荷载时允许最低的使用温度要比承受静力荷载高的多。第章钢结构的材料快速加荷效应图断裂吸收能量随温度的变化图加荷速度对断裂韧性的影响第章钢结构的材料建筑钢材的类别及钢材的选用建筑钢材的类别.碳素结构钢碳素结构钢的牌号(简称钢号)有Q、QA、B、C及D,Q。其中的Q是屈服强度中屈字汉语拼音的字首后接的阿拉伯字表示以Nmm为单位屈服强度的大小A、B、C或D等表示按质量划分的级别。最后还有一个表示脱氧方法的符号如F,Z或b。从Q到Q是按强度由低到高排列的钢材强度主要由其中碳元素含量的多少来决定但与其他一些元素的含量也有关系。所以钢号的由低到高在较大程度上代表了含碳量的由低到高。第章钢结构的材料.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素使钢的强度明显提高故称低合金高强度结构钢。Q、QO和Q是钢结构设计规范规定采用的钢种。其符号的含义和碳素结构钢牌号的含义相同。这三种钢都包括A、B、C、D、E五种质量等级和碳素结构钢一样不同质量等级是按对冲击韧性(夏比V型缺口试验)的要求区分的。A级无冲击功要求B级要求提供℃冲击功AKvgeJ(纵向)C级要求提供℃冲击功AKVgeJ(纵向)D级要求提供一℃冲击功AKvgeJ(纵向)E级要求提供一℃冲击功AKvgeJ(纵向)。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢C、D、E级属于特殊镇静钢。第章钢结构的材料.高强钢丝和钢索材料悬索结构和斜张拉结构的钢索、桅杆结构的钢丝绳等通常都采用由高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳。高强钢丝是由优质碳素钢经过多次冷拔而成分为光面钢丝和镀锌钢丝两种类型。钢丝强度的主要指标是抗拉强度其值在Nmm范围内而屈服强度通常不作要求。高强钢丝的伸长率较小最低为但高强钢丝(和钢索)却有一个不同于一般结构钢材的特点mdashmdash松弛即在保持长度不变的情况下所承拉力随时间延长而略有降低。第章钢结构的材料平行钢丝束由根、根、根或根钢丝组成其截面见图示。钢丝束内各钢丝受力均匀弹性模量接近一般受力钢材。用来组成钢丝束的钢丝除圆形截面外还有梯形和异形截面的钢丝。钢绞线亦称单股钢丝绳由多根钢丝捻成。钢丝绳多由股钢绞线捻成以一股钢绞线为核心外层的股钢绞线沿同一方向缠绕。图平行钢丝束的截面第章钢结构的材料图钢丝绳的捻法及截面第章钢结构的材料钢材的选择选择钢材的目的是要做到结构安全可靠同时用材经济合理。为此在选择钢材时应考虑下列各因素:结构或构件的重要性荷载性质(静载或动载)连接方法(焊接、铆接或螺栓连接)工作条件(温度及腐蚀介质)。对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构应选用质量较高的钢材。第章钢结构的材料QA钢的保证项目中碳含量、冷弯试验合格和冲击韧性值并未作为必要的保证条件所以只宜用于不直接承受动力作用的结构中。当用于焊接结构时其质量证明书中应注明碳含量不超过。当选用QA、B级钢时还需要选定钢材的脱氧方法。连接所用钢材如焊条、自动或半自动焊的焊丝及螺栓的钢材应与主体金属的强度相适应。第章钢结构的材料型钢的规格钢结构构件一般宜直接选用型钢这样可减少制造工作量降低造价。型钢尺寸不够合适或构件很大时则用钢板制作。型钢有热轧及冷成型两种。.热轧钢板热轧钢板分厚板及薄板两种厚板的厚度为mm(广泛用来组成焊接构件和连接钢板)薄板厚度为mm(冷弯薄壁型钢的原料)。在图纸中钢板用ldquo厚x宽x长(单位为毫米)rdquo前面附加钢板横断面的方法表示如:xx等。第章钢结构的材料.热轧型钢角钢mdashmdash有等边和不等边两种。等边角钢以边宽和厚度表示如Lx为肢宽mm、厚mm的等边角钢。不等边角钢则以两边宽度和厚度表示如Lxx等。槽钢mdashmdash我国槽钢有两种尺寸系列即热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。前者的表示法如[a指槽钢外廓高度为cm且腹板厚度为最薄的一种后者的表示法例如[Q表示外廓高度为cm,Q是汉语拼音ldquo轻rdquo的拼音字首。同样号数时轻型者由于腹板薄及翼缘宽而薄因而截面积小但回转半径大能节约钢材减少自重。不过轻型系列的实际产品较少。第章钢结构的材料工字钢mdashmdash与槽钢相同也分成上述的两个尺寸系列:普通型和轻型。与槽钢一样工字钢外轮廓高度的厘米数即为型号普通型者当型号较大时腹板厚度分a、b及c三种。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。两种工字钢表示法如:Ic,IQ等。H型钢和剖分T型钢mdashmdash热轧H型钢分为三类:宽翼缘H型钢(HW)、中翼缘H型钢(HM)和窄翼缘H型钢(HN)。H型钢型号的表示方法是先用符号HW、HM和HN表示H型钢的类别后面加ldquo高度(毫米)x宽度(毫米)rdquo,例如HWx即为截面高度为mm翼缘宽度为mm的宽翼缘H型钢。剖分T型钢也分为三类即:宽翼缘剖分T型钢(TW)、中翼缘剖分T型钢(TM)和窄翼缘剖分T型钢(TN)。剖分T型钢系由对应的H型钢沿腹板中部对等剖分而成。其表示方法与H型钢类同。第章钢结构的材料图热轧型材的截面第章钢结构的材料.冷弯薄壁型钢是用mm厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的(如图示)。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材所用钢板厚度为mm用做轻型屋面等构件。图冷弯型钢的截面形式第章钢结构的材料热轧型钢的型号及截面几何特性见书后附表~附表。薄壁型钢的常用型号及截面几何特性见《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB一的附录。第章构件的截面承载力-强度第章构件的截面承载力mdashmdash强度轴心受力构件的强度梁的强度拉弯、压弯构件的强度主要内容:重点:按强度条件设计构件截面第章构件的截面承载力-强度轴心受力构件的强度应用:主要承重结构、平台、支柱、支撑等截面形式热轧型钢截面轴心受力构件的应用和截面选择热轧型钢截面第章构件的截面承载力-强度冷弯薄壁型钢截面冷弯薄壁型钢截面第章构件的截面承载力-强度型钢和钢板的组合截面实腹式组合截面格构式组合截面第章构件的截面承载力-强度对截面形式的要求能提供强度所需要的截面积制作比较简便便于和相邻的构件连接截面开展而壁厚较薄第章构件的截面承载力-强度承载极限:截面平均应力达到fu但缺少安全储备毛截面平均应力达fy结构变形过大轴心受拉构件的强度钢材的应力应变关系计算准则:毛截面平均应力不超过fy第章构件的截面承载力-强度应力集中现象孔洞处截面应力分布(a)弹性状态应力(b)极限状态应力第章构件的截面承载力-强度设计准则:净截面平均应力不超过fy设计公式:nNfAsigma=leyRffgamma=mdashmdash钢材的抗拉强度设计值!对高强螺栓摩擦型连接净截面强度验算要考虑孔前传力的影响。轴心受压构件的强度强度计算与轴心受拉一样一般其承载力由稳定控制第章构件的截面承载力-强度梁的类型和强度分类:梁的类型按制作方式分:型钢梁和组合梁钢梁类型第章构件的截面承载力-强度楔形梁按梁截面沿长度有无变化分:等截面梁和变截面梁蜂窝梁第章构件的截面承载力-强度双向弯曲梁按受力情况分:单向弯曲梁和双向弯曲梁(a)屋面檩条(b)吊车梁第章构件的截面承载力-强度预应力梁基本原理:受拉侧设置高预拉力的钢筋使梁受荷前反弯曲。制作、施工过程复杂。预应力梁第章构件的截面承载力-强度梁的极限承载能力包括:截面的强度:弯、剪、扭及综合效应。构件的整体稳定板件的局部稳定直接受重复荷载时疲劳梁的应用范围:房屋建筑和桥梁工程。如楼盖梁、平台梁、吊车梁、檩条及大跨斜拉桥、悬索桥中的桥面梁等。第章构件的截面承载力-强度梁的正应力:梁的弯曲、剪切强度梁的Momega曲线应力应变关系简图第章构件的截面承载力-强度正应力发展的四个阶段:梁的正应力分布(a)弹性工作阶段:疲劳计算、冷弯薄壁型钢(b)弹塑性工作阶段:一般受弯构件(c)塑性工作阶段:塑性铰(d)应变硬化阶段:一般不利用第章构件的截面承载力-强度弹性工作阶段Me=Wnfy塑性工作阶段Mp=WpnfyWpn=SnSn弹塑性阶段F=WpW各阶段最大弯矩:!对矩形截面F=圆形截面F=圆管截面F=工字形截面对轴在和之间第章构件的截面承载力-强度!截面塑性发展系数:gammax和gammay取值~之间。如工字形截面gammax=gammay=箱形截面gammax=gammay=截面简图第章构件的截面承载力-强度GB计算公式:单向弯曲时xxnxMfWsigmagamma=le双向弯曲时yxxnxynyMMfWWsigmagammagamma=le!对于gammax和gammay:()疲劳计算取()取。yyfbtflele第章构件的截面承载力-强度塑性设计时:xpnMWflexenxMfWsigma=leGB计算公式:yxenxenyMMfWWsigma=le单向弯曲时双向弯曲时第章构件的截面承载力-强度梁的剪应力:弯曲剪应力分布vwVSfIttau=lemdashmdash钢材的抗剪强度设计值vfSmdashmdash计算剪应力处以上毛截面对中和轴的的面积矩第章构件的截面承载力-强度梁的扭转扭转形式:自由扭转和约束扭转梁的扭转第章构件的截面承载力-强度自由扭转stMGItheta=maxstMtItau=tIbtasymp对于矩形截面杆件当bt时Itmdashmdash扭转常数或扭转惯性矩矩形截面杆件的扭转剪应力第章构件的截面承载力-强度对于矩形组合开口薄壁截面tniiiIbt=asympsum薄板组合截面扭转剪力和扭矩第章构件的截面承载力-强度对于热轧型钢开口截面考虑圆角影响tniiiIkbt=asympsum系数k第章构件的截面承载力-强度对于闭口截面Itasymp:,tauasymp:截面面积相同的两种截面闭合截面的循环剪力流int=tdsAIt第章构件的截面承载力-强度约束扭转:翘曲变形受到约束的扭转悬臂工字梁的约束扭转第章构件的截面承载力-强度TsMMMomega=sttMGIGIthetaϕprime==fMVhEIomegaomegaϕprimeprimeprime==minusTtMGIEIomegaϕϕprimeprimeprimeprime=minus扭矩平衡方程其中扭转剪应力分布上翼缘的内力第章构件的截面承载力-强度约束扭转正应力ffyMhxxEIomegasigmaϕprimeprime==minusBWomegaomegasigma=Bmdashmdash双弯矩(双力矩)对工形截面梁对冷弯槽钢等非双轴对称梁第章构件的截面承载力-强度局部压应力梁的局部压应力和组合应力局部压应力作用第章构件的截面承载力-强度cwzFftlpsisigma=le式中psimdashmdash集中荷载增大系数对重级工作制吊车梁取psi=其他取psi=zyRlahh=zylah=lzmdashmdash压应力分布长度第章构件的截面承载力-强度多种应力的组合效应一个截面上弯矩和剪力都较大时需要考虑组合效应梁的弯剪应力组合第章构件的截面承载力-强度ccfsigmasigmasigmasigmataubetaminusle式中betamdashmdashsigma与sigmac异号时取同号时取enxMBfWWomegasigma=le当横向荷载不通过剪心时:fsigmataule验算公式:第章构件的截面承载力-强度初选截面按强度条件选择梁截面型钢梁xnxxMWfgamma=HWtimestimestimesWx=cmg=kgmHMtimestimestimesWx=cmg=kgmHNtimestimestimesWx=cmg=kgm第章构件的截面承载力-强度焊接组合截面梁截面高度容许最大高度hmax容许最小高度hminhmin=nl经济高度heex(cm)hW=minushminlehlehmaxhasymphe焊接梁截面第章构件的截面承载力-强度均布荷载作用下简支梁的最小高度hmin第章构件的截面承载力-强度腹板高度hw腹板高度hw比h略小。腹板厚度tw抗剪wwvVthfalpha=alpha可取~局部稳定ww(cm)ht=焊接梁截面第章构件的截面承载力-强度翼缘尺寸b和t所需截面模量为:xwxwIhhWtbthhh==初选时取hasymphasymphwxwwwWthbthasympminus考虑局部稳定通常取b=t且hbh。焊接梁截面第章构件的截面承载力-强度截面验算验算时要包含自重产生的效应强度弯曲正应力单向弯曲时xxnxMfWsigmagamma=le双向弯曲时yxxnxynyMMfWWsigmagammagamma=le第章构件的截面承载力-强度剪应力vwVSfIttau=le局部压应力cwzFftlpsisigma=le折算应力fsigmatauleccfsigmasigmasigmasigmataubetaminusle第章构件的截面承载力-强度梁截面沿长度的变化弯矩剪力加工因素不考虑整体稳定变截面梁变梁截面考虑的因素:两种变化方式变截面高度变翼缘面积第章构件的截面承载力-强度变翼缘面积变翼缘宽度变翼缘厚度变宽度梁变高度梁第章构件的截面承载力-强度端部有正面角焊缝时:hfget,lgebhft,lgeb端部无正面角焊缝时:lgeb变翼缘厚度切断外层翼缘板的梁第章构件的截面承载力-强度拉弯、压弯构件的应用拉弯、压弯构件的应用和强度计算拉弯构件应用:屋架受节间力下弦杆承载能力极限状态截面出现塑性铰(格构式或冷弯薄壁型钢为截面边缘纤维屈服)、整体失稳、局部失稳正常使用极限状态刚度:限值长细比拉弯构件第章构件的截面承载力-强度截面形式热轧型钢截面冷弯薄壁型钢截面组合截面第章构件的截面承载力-强度压弯构件应用:厂房框架柱、多高层建筑框架柱、屋架上弦截面形式双轴对称截面:同拉弯构件单轴对称截面:受弯矩较大时采用压弯构件第章构件的截面承载力-强度压弯构件的单轴对称截面第章构件的截面承载力-强度变截面压弯构件(a)阶形柱(b)楔形柱变截面柱:高大厂房常用第章构件的截面承载力-强度压弯构件极限状态承载能力极限状态强度:端弯矩很大或截面有较大削弱平面内弯曲失稳平面外弯扭失稳局部稳定正常使用极限状态刚度:限制长细比压弯构件整体破坏形式强度破坏、弯曲失稳、弯扭失稳第章构件的截面承载力-强度拉弯、压弯构件的强度计算强度极限状态:(静载、实腹式构件)受力最不利截面出现塑性铰时压弯构件截面的受力状态第章构件的截面承载力-强度PdyyAyyNAybfbhfNhhsigma====intPdyyAhhbhyyMyAbyyffMhhsigma⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎛⎞==minus=minus=minus⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠⎝⎠int截面出现塑性铰时的应力分布强度计算公式推导:以矩形截面为例第章构件的截面承载力-强度PPNMNM⎛⎞=⎜⎟⎝⎠引入:偏于安全且计算简便以直线关系表示PPNMNM=压弯构件强度计算相关曲线yyPbhfAfN==全截面屈服压力yyPPfbhfWM==全截面的塑性铰弯矩则有第章构件的截面承载力-强度强度计算准则:边缘屈服准则:GB规范采用全截面屈服准则:塑性设计部分发展塑性准则:GB规范采用nxnxNMfAWgammaleyxnxnxynyMNMfAWWgammagammaplusmnplusmnle双向压弯(拉弯)构件单向压弯(拉弯)构件GB规范规定:第章构件的截面承载力-强度截面塑性发展系数gammax、gammay值第章构件的截面承载力-强度续前表第章构件的截面承载力-强度轴心受力构件的强度准则:净截面的平均应力不超过屈服强度规范公式梁的强度弯曲正应力剪应力扭转局部压应力组合应力本章内容复习第章构件的截面承载力-强度弯曲正应力四个工作阶段设计准则bull边缘纤维屈服准则bull全截面塑性准则bull部分塑性发展准则GB公式梁的剪应力第章构件的截面承载力-强度梁的扭转自由扭转约束扭转梁的局部应力折算应力按强度选择梁截面的过程拉弯、压弯构件的强度准则:受力最不利的截面出现塑性铰规范:考虑部分塑性发展第四章单个构件的承载能力mdash稳定性第章单个构件的承载能力mdashmdash稳定性主要内容:稳定问题的一般特点轴心受力构件的整体稳定性实腹式和格构式柱的截面选择计算受弯构件的弯扭失稳压弯构件的面内和面外稳定性及截面选择计算板件的稳定和屈曲后强度的利用重点:轴心受力构件、梁及拉弯、压弯构件的整体稳定计算。第四章单个构件的承载能力mdash稳定性稳定问题的一般特点一、传统的分类:)分枝点(分岔)失稳:特点是在临界状态时结构(构件)从初始的平衡位形突变到与其临近的另一个平衡位形表现出平衡位形的分岔现象。)极值点失稳:特点是没有平衡位形的分岔临界状态表现为结构(构件)不能继续承受荷载增量。失稳的类别第四章单个构件的承载能力mdash稳定性二、按屈曲后性能分类:)稳定分岔屈曲稳定分岔屈曲失稳的类别第四章单个构件的承载能力mdash稳定性)不稳定分岔屈曲不稳定分岔屈曲失稳的类别第四章单个构件的承载能力mdash稳定性)跃越屈曲跃越屈曲失稳的类别第四章单个构件的承载能力mdash稳定性二者的区别:一阶分析:认为结构(构件)的变形比起其几何尺寸来说很小在分析结构(构件)内力时忽略变形的影响。二阶分析:考虑结构(构件)变形对内力分析的影响。同时承受纵横荷载的构件一阶和二阶分析第四章单个构件的承载能力mdash稳定性有两种方法可以用来确定构件的稳定极限承载能力:一、简化方法:)切线模量理论)折算模量理论二、数值方法:)数值积分法)有限单元法稳定极限承载能力第四章单个构件的承载能力mdash稳定性)稳定问题的多样性)稳定问题的整体性)稳定问题的相关性稳定问题的多样性、整体性和相关性第四章单个构件的承载能力mdash稳定性轴心受压构件的整体稳定性残余应力的测量及其分布A、产生的原因①焊接时的不均匀加热和冷却②型钢热扎后的不均匀冷却③板边缘经火焰切割后的热塑性收缩④构件冷校正后产生的塑性变形。纵向残余应力对轴心受压构件整体稳定性的影响第四章单个构件的承载能力mdash稳定性B、残余应力的测量方法:锯割法锯割法测定残余应力的顺序纵向残余应力对轴心受压构件整体稳定性的影响第四章单个构件的承载能力mdash稳定性实测的残余应力分布较复杂而离散分析时常采用其简化分布图(计算简图):典型截面的残余应力纵向残余应力对轴心受压构件整体稳定性的影响第四章单个构件的承载能力mdash稳定性从短柱段看残余应力对压杆的影响以双轴对称工字型钢短柱为例:残余应力对短柱段的影响纵向残余应力对轴心受压构件整体稳定性的影响第四章单个构件的承载能力mdash稳定性显然,由于残余应力的存在导致比例极限降为:mdash截面中绝对值最大的残余应力。根据压杆屈曲理论当或时可采用欧拉公式计算临界应力rcypffsigmaminus=pfrcsigmarcypffANsigmasigmaminus=le=ppfEpilambdalambda=gelambdapisigmapipiElEIlEINcrE===纵向残余应力对轴心受压构件整体稳定性的影响第四章单个构件的承载能力mdash稳定性当或时截面出现塑性区由切线模量理论知柱屈曲时,截面不出现卸载区塑性区应力不变而变形增加,微弯时截面的弹性区抵抗弯矩因此,用截面弹性区的惯性矩Ie代替全截面惯性矩I即得柱的临界应力:rcypffANsigmasigmaminus==ppfEpilambdalambda=IIEIIlEIlEINecreecrsdot=sdot==lambdapisigmapipi纵向残余应力对轴心受压构件整体稳定性的影响第四章单个构件的承载能力mdash稳定性仍以忽略腹板的双轴对称工字钢柱为例推求临界应力:当sigmafp=fysigmarc时截面出现塑性区应力分布如图(d)。柱屈曲可能的弯曲形式有两种:沿强轴(x轴)和沿弱轴(y轴),因此临界应力为:)(sdot=sdot=sdot=minuskEtbhhkbtEIIExxxxxexxcrxlambdapilambdapilambdapisigma轴屈曲时:对纵向残余应力对轴心受压构件整体稳定性的影响第四章单个构件的承载能力mdash稳定性)(sdot=sdot=sdot=minuskEtbkbtEIIEyyyyyeyycrylambdapilambdapilambdapisigma轴屈曲时:对显然残余应力对弱轴的影响要大于对强轴的影响(k)。根据力的平衡条件再建立一个截面平均应力的计算公式:联立以上各式可以得到与长细比lambdax和lambday对应的屈曲应力sigmax和sigmay。yyycrfkbtkfkbtbtf)(minus=timestimesminus=sigma纵向残余应力对轴心受压构件整体稳定性的影响第四章单个构件的承载能力mdash稳定性可将其画成无量纲曲线如右(c):纵坐标是屈曲应力与屈服强度的比值横坐标是正则化长细比。轴心受压柱sigmacr-lambda无量纲曲线纵向残余应力对轴心受压构件整体稳定性的影响第四章单个构件的承载能力mdash稳定性构件初弯曲对轴心受压构件整体稳定性的影响假定:两端铰支压杆的初弯曲曲线为:式中:upsilonmdash长度中点最大挠度。令:N作用下的挠度的增加值为y由力矩平衡得:将式代入上式得:sinxyvlpi=具有初弯曲的轴心压杆()yyNyEI=primeprimeminussinxyvlpi=第四章单个构件的承载能力mdash稳定性sin=⎟⎠⎞⎜⎝⎛primeprimelxvyNyEIpi杆长中点总挠度为:根据上式可得理想无限弹性体的压力挠度曲线如右图所示。实际压杆并非无限弹性体当N达到某值时在N和Nmiddotv的共同作用下截面边缘开始屈服进入弹塑性阶段其压力mdash挠度曲线如虚线所示。EmNNvminus==upsilonupsilonupsilon具有初弯曲压杆的压力挠度曲线构件初弯曲对轴心受压构件整体稳定性的影响第四章单个构件的承载能力mdash稳定性微弯状态下建立微分方程:解微分方程即得:所以压杆长度中点(x=l)最大挠度upsilon:()=primeprimeeyNyEIekykyEINkminus=primeprime=得:引入⎟⎠⎞⎜⎝⎛minus=seckley具有初偏心的轴心压杆构件初偏心对轴心受压构件整体稳定性的影响第四章单个构件的承载能力mdash稳定性其压力mdash挠度曲线如图:曲线的特点与初弯曲压杆相同只不过曲线过圆点可以认为初偏心与初弯曲的影响类似但其影响程度不同初偏心的影响随杆长的增大而减小初弯曲对中等长细比杆件影响较大。有初偏心压杆的压力挠度曲线构件初偏心对轴心受压构件整体稳定性的影响⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡minus⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛sdot==secmaxENNeyvpi第四章单个构件的承载能力mdash稳定性实际压杆并非全部铰接对于任意支承情况的压杆其临界力为:式中:lomdash杆件计算长度mumdash计算长度系数取值见课本表-(p)。杆端约束对轴心受压构件整体稳定性的影响()==pimupilEIlEINcr第四章单个构件的承载能力mdash稳定性轴心受压构件的整体稳定计算(弯曲屈曲)轴心受压柱的实际承载力实际轴心受压柱不可避免地存在几何缺陷和残余应力同时柱的材料还可能不均匀。轴心受压柱的实际承载力取决于柱的长度和初弯曲柱的截面形状和尺寸以及残余应力的分布与峰值。压杆的压力挠度曲线第四章单个构件的承载能力mdash稳定性轴心受压构件的整体稳定计算(弯曲屈曲)轴心受压柱按下式计算整体稳定:式中N⎯轴心受压构件的压力设计值A⎯构件的毛截面面积ϕ⎯轴心受压构件的稳定系数f⎯钢材的抗压强度设计值。()fANleϕ第四章单个构件的承载能力mdash稳定性轴心受压构件的整体稳定计算(弯曲屈曲)列入规范的轴心受压构件稳定系数轴心受压构件稳定系数的表达式轴心受压构件稳定系数第四章单个构件的承载能力mdash稳定性轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲轴心受压构件的屈曲形态除弯曲屈曲外(下图a所示)亦可呈扭转屈曲和弯扭屈曲(下图bc所示)。轴心受压构件的屈曲形态第四章单个构件的承载能力mdash稳定性轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲扭转屈曲十字形截面第四章单个构件的承载能力mdash稳定性根据弹性稳定理论两端铰支且翘曲无约束的杆件其扭转屈曲临界力可由下式计算:imdash截面关于剪心的极回转半径。引进扭转屈曲换算长细比lambdaz:⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=lEIGIiNtzomegapi⎟⎠⎞⎜⎝⎛=lIIAitzomegalambda轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲第四章单个构件的承载能力mdash稳定性轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲弯扭屈曲单轴对称截面第四章单个构件的承载能力mdash稳定性开口截面的弯扭屈曲临界力Nxz可由下式计算:NEx为关于对称轴x的欧拉临界力。引进弯扭屈曲换算长细比lambdaxz:()()=minusminusminuseNNNNNixzxzzxzEx()()zxzxzxxzielambdalambdalambdalambdalambdalambdalambda⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛minusminus=轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲第四章单个构件的承载能力mdash稳定性实腹式柱和格构式柱的截面选择计算实腹式轴心压杆的截面形式实腹式轴心压杆的计算步骤()假定杆的长细比()确定截面各部分的尺寸()计算截面几何特性按验算杆的整体稳定()当截面有较大削弱时还应验算净截面的强度()刚度验算。()实腹式柱的截面选择计算fANleϕ第四章单个构件的承载能力mdash稳定性格构式柱的截面选择计算格构式轴心压杆的组成在构件的截面上与肢件的腹板相交的轴线称为实轴如图中前三个截面的y轴与缀材平面相垂直的轴线称为虚轴如图中前三个截面的的x轴。截面形式第四章单个构件的承载能力mdash稳定性格构式柱的截面选择计算肢件缀材格构柱组成第四章单个构件的承载能力mdash稳定性格构式柱的截面选择计算剪切变形对虚轴稳定性的影响双肢格构式构件对虚轴的换算长细比的计算公式:缀条构件缀板构件lambdax⎯整个构件对虚轴的长细比A⎯整个构件的横截面的毛面积Ax⎯构件截面中垂直于x轴各斜缀条的毛截面面积之和lambda⎯单肢对平行于虚轴的形心轴的长细比。xxxAA=lambdalambdalambdalambdalambda=xx第四章单个构件的承载能力mdash稳定性格构式柱的截面选择计算杆件的截面选择对实轴的稳定和实腹式压杆那样计算即可确定肢件截面的尺寸。肢

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