同济大学钢结构基本原理课件

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应力幅与应力循环次数关系:
max

p

0 1 Kr
DK KImax KImin aD



lg
da dN

lg
A

/
lg
DK ,
da ADK
dN
N 1 a2
A a1
da DK
1 A
a2 a1

da a D
3、复杂应力下的工作性能
zs

2 x


2 y


2 z

x y
y z
z x

3

2 xy

2 yz

2 zx
zs f y 弹性 zs f y 塑性
平面应力: zs

2 x

2 y

x
y

3
2 xy
受弯梁: zs 2 3 2
1) 预制拼装——产品化、工业化、干作业 施工速度快 2) 材质均匀理想稳定——计算模型确定、精度高 安全性好 3) 材料强度高——板件薄、构件细长 轻型、稳定性问题 4) 塑性韧性好——抗震性能好、动力承载性能好 5) 耐腐蚀性能差——防腐措施 6) 耐热性能好、耐火性能差——防火措施
KISCC (0.2 0.5)KI
疲劳破坏:
反复荷载下低应力状态突然破坏 反复荷载下的脆性破坏 疲劳破坏过程:裂纹形成裂纹缓慢扩展裂纹失稳扩展
(焊缝)内部缺陷
应力集中
影响因素:应力循环形式和次数、应力集中、残余应力、缺陷
应力比:rmin/max
绝对值较小 绝对值较大 拉(+)压(-)
预制、 工业化程度高
预制、 工业化程度高 预制、工业化
程度一般
密封 性能
耐火/ 耐腐蚀
一般

耐热好耐火


耐腐蚀差
耐火差 好 耐腐蚀一般
一般 耐火差 耐腐蚀差

耐火差
耐腐蚀好
耐火差 耐腐蚀较差
2、钢结构课程——基本原理、设计
钢 —— 绪论 结 —— 钢结构材料
构 —— 受拉构件和索 基 —— 轴心受压构件
6、钢结构的设计要求
国家技术经济政策:安全性、经济性、先进性、高质量 运输、安装和使用中的安全性
——正常使用极限状态和承载能力极限状态 极端情况下的人员安全性**
——火、爆、恐怖袭击 合理的结构方案、选材和构造 标准化构件、工厂化制作 可行的结构制作、运输和安装 高强材料、高效构件或结构体系 组合构件和体系
3、钢结构组成——构件+连接
钢构件形式 + 连接形式 =
结构体系
Leabharlann Baidu
钢板焊接截面 热轧型钢截面 冷弯薄壁截面 铸钢节点域
铆接连接 普通螺栓连接 高强螺栓连接
焊接连接
轴心受力柱 受弯梁 压弯构件
钢结构基本原理
多高层框架结构 大跨度空间结构 厂房刚架排架结构
高耸结构 桥梁结构 特种结构
……
建筑钢结构设计
4、钢结构特点
高性能材料、大回转半径截面、组合或杂交截面与结构体系
Q235、Q345,Q420(水立方)、Q460(CCTV、鸟巢),Q700-1100 耐侯钢、耐火钢、……
研究方向——极端灾害破坏机理、精细化数值模拟、 信息化模型、全寿命优化(sustainable structures)、
8、钢结构的设计依据
可焊性试验:施工中试验、使用中试验、冲击韧性、裂纹
6、抗腐蚀性能
干腐蚀:金属和非金属元素直接结合 湿腐蚀:水分多的环境下与非金属元素结合形成腐蚀物
提高抗腐蚀性能: 涂料 底层处理(抛丸除锈等) + 底漆 + 面漆 耐侯钢材 Cu-P-Ti-Re: 09CuPCrNi,16CuCr, 12MnCuCr Cu-P-Ni-Cr: SMA400AW, AP, SMA490AW
门式刚架结构设计规程 索膜结构设计技术规程 钢管混凝土结构设计与施工规程 点支式玻璃幕墙技术规程
DBJ系列
轻型钢结构设计规程 膜结构技术规程 建筑结构用索技术规程
第一章结束
1、均匀受拉时的工作性能
A: fp ≈200MPa, ep ≈0.1%
C: fy≈235MPa, ey≈0.15%2.5%
强度和塑性指标——承受静力荷载性能:静力拉伸试验 钢材抗冲击性能——承受动力荷载性能:冲击韧性ak
V型、U型缺口, ak=Ak/An ——强度和韧性的综合指标 Ak——冲击功[N.m](J), Ak=W(h1-h2), W=摆锤重,h1/h2=冲断前后摆锤高度 An——试件缺口处净截面面积
钢材的冷弯性能: 钢材常温下冷加工产生塑性变形时对发生裂缝的抵抗能力
B: fu ≈370-460MPa, eu ≈21%
钢材是理想的弹塑性材料
钢材的屈强比fy/fp 是结构的安全储备
钢材的塑性:伸长率d与收缩率y, 原尺寸与拉断后尺寸相对比
d l1 l0 100%
l0
y A0 A1 100%
A0
2、单轴反复应力下的工作性能
钢材反复加载曲线: 冷作硬化、时效、疲劳、滞回曲线
—— 受弯构件
本 —— 压弯构件 原 —— 钢结构的连接
理 —— ……
建 —— 绪论 筑 —— 平台钢结构
钢 —— 门式刚架结构
结 —— 重型厂房结构
排架系统

吊车梁系统
设 —— 多高层框架
计 —— ……
基本构件的设计计算理论
结构体系的布置与设计
基本构件:构成结构体系的基本受力单元,含索、柱、梁、拱、板、壳等 结构体系和用途不同,但其基本构件的设计理论是一致的。
fy
8、影响钢材性能的一般因素
化学成分的影响 Fe-99%, C、Si、Mn、V<1.5%,Cr、Ni、Cu、Ti、Nb S、P、O、N<0.1%
塑性损伤、疲劳损伤、材质变化、蠕变损伤 损伤不断积累导致的破坏损伤累积破坏 损伤变量D:无损伤0、破坏1,D=(0,1)
单调递增、不可逆
D
N i 1
i
e
p i
e
p n
D 1
e
p m

N
e
p i
e
p n
ep
i1 n
E D 1 1D E,
f
D y

1 2D
铝合金结构
混凝土——水泥+石料 钢 材——结构钢(低碳钢、低合金钢) 玻 璃——钢化、半钢化、浮法 木 材——原木、轻木 膜 材——玻璃纤维、聚脂纤维等 铝 材——结构铝
钢结构——受力构件采用结构钢材的建筑结构、桥梁结构和构筑物
建筑结构:供人类工作或居住的建筑物 构筑物:用于完成特定功能的结构体系(输电塔、储油罐等) 桥梁结构:用于跨越障碍物(河、江、海等)的结构
弹性断裂力学公式:
系数 裂纹宽度一半 应力
应力强度因子:KI a
临界应力0:裂纹失稳扩展时应力
断裂韧性KIC: KIC a0
KI<KIC 稳定,裂纹不扩散 KI=KIc 临界 KI>KIC 失稳,裂纹扩展
弹性断裂力学公式(张开位移理论):
dI

2a
Ef y
d IC
7、延性破坏、累积损伤、脆性破坏、疲劳破坏
延性破坏: 塑性破坏,应力fyfu,径缩变形断裂,变形时间长 剪应力超过晶粒抗剪能力
脆性破坏: 脆性断裂,应力<fy,无明显变形、无预兆,端口平直 拉应力超过晶粒抗拉能力。 强度理论 应力>fy破坏 ?不适用于脆性断裂 断裂力学理论 ! I型裂纹:张开型 II型裂纹:滑移型 III型裂纹:撕开型
25
234-420)/ 206000/
78.5
拉45、压800/ /70000/ 25
60-200 (1mm厚 )/
500-1000/ 7-15
80—200 658000/
27
塑性和韧性
拉力下脆性 理想弹塑性材
料,好 拉力下脆性
理想弹塑性材 料
纤维受压及 横向差
制作安装方面
现浇
预制、 工业化程度高
预制、 工业化程度高
综合效益:
适合大型公共和商业建筑(高层、大跨)、
自重轻基础造价小、施工快资金周转快、安全性能好
标准化、工厂化、装配式带动产业链发展、 绿色建材符合国家发展战略(removable/reuse/recycle)、
5、钢结构应用
工业厂房——轻型门式刚架、屋盖、重工业排架
多层及高层建筑
框架体系、双重抗侧力体系、筒体体系
大跨度结构
——飞机库、候机楼、体育场馆、会展中心等公共建筑
结构体系:网架网壳(螺栓球节点、焊接球节点)
结构体系:钢管桁架(直接汇交焊接节点、铸钢件节点)
组焊完成的构件
结构体系:预张力结构
高耸塔桅 ——电视、无线发射、观光等
其他结构
幕墙支承、压力容器、折板结构、桥塔、桥面梁板、水箱、船舶、 车厢、基坑维护、地下管线、脚手架
纯剪: zs 3 2 3 f y ,

1 3
fy
0.58 f y
双拉:屈服点高、伸长率低, 拉压:屈服点低、伸长率高,
x y时, zs x f y x y, zs 3 x f y, x 0.58 f y
4、抗冲击性能和冷弯性能
d I d IC
稳定 不稳定
位移临界值 KIC EfydIC
影响脆性断裂的因素:裂纹尺寸、作用应力、材料韧性
提高抗脆断措施: 焊接施工管理,避免焊接裂纹、杂质 避免焊缝集中、采取措施避免或消除焊接残余应力 优化细部构造措施、避免应力集中 选择合理钢材,低温动力下工作时选用高等级钢
应力腐蚀断裂:
应用拓展——住宅产业化、土木设施
城镇化快速发展:2001年37%2020年60%2050年75%以上 2005至2020年转移农村人口3亿以上,2050年累计6-7亿
改变:粘土为主要材料、自建自住的不可持续住宅发展模式 带动:材料—设备—制作—设计—安装—维修的整个产业链发展
应用趋势——更轻更高更大 Lighter,taller and larger 材料、构件和体系的发展与创新
衡量钢材力学性能的综合指标 ——冷弯试验
检验钢材内部缺陷(晶粒、结晶、杂物) 拉伸试验和冲击试验的补充
5、可焊性
焊接 焊接热影响区和焊接热影响效应 焊接应力、塑性韧性等力学指标退化
可焊性好:焊缝处及热影响区力学性能不低于母材、 无焊接裂缝、安全可靠
可焊性取决于钢材化学成分含量: 低碳钢:碳<0.27%、锰<0.7%、硅<0.4%、硫磷<0.05% 低合金钢:碳当量 EC%=C+Mn+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
材料
混凝 土
钢 材
玻 璃
膜 材
铝合 金
木 材
力学性能
抗压性能好、 抗拉性能差
均匀、各向 同性
缺陷对抗拉强 度影响拉、抗
压性能好 各向异性、 只拉柔性材

均匀、各向同 性
纤维纵向受 拉强度大
、纤维横向 受拉强度低
强度(MPa)/ 弹性模量 (MPa)/
密度(kN/m3)
3-40/ 14000-36000/
GB系列
• 建筑结构设计统一标准 • 建筑结构荷载规范 • 建筑抗震设计规范 • 钢结构设计规范GB50017 • 冷弯薄壁型钢结构技术规范
GB50018 • 高耸结构设计规范
JGJ系列
• 高层民用建筑钢结构技术规程 • 网架结构设计与施工规程 • 网壳结构技术规程 • 玻璃幕墙工程设计规范
CECS系列
7、钢结构的发展
世界各国大兴土木建设高潮的时期:
美国: 30年代;欧洲: 60年代;日本: 60年代;中国: 90年代
土木工程学科领域
重大土木工程建设
世界六十年代创造 的材料工艺和体系
规模和速度令人惊叹 桥梁、建筑、地下工程


学习+模仿+跟踪性研究+局部改进和创新
我国:
钢产量全球第一 建筑钢结构用量比例极少
应力幅:由于存在残余应力,r不能代表实际应力变化情况
Dmaxmin
最大拉应力
疲劳强度曲线:
最小拉应力或压应力 拉(+)压(-)
匀质材料疲劳强度与应力比的关系:
K 0 1 , 1
0 max K, 0 max K,
min
r max
钢结构基本原理
张其林 同济大学建筑工程系
2012年9月
1、结构体系——钢结构 2、钢结构课程——基本原理、设计 3、钢结构的组成——构件+连接 4、钢结构特点 5、钢结构应用 6、钢结构的设计要求 7、钢结构的发展 8、钢结构的设计依据
1、结构体系——钢结构
结构体系
建筑材料
混凝土结构 钢结构
玻璃结构(幕墙结构) 木结构 膜结构
N

2D A 3 2 a1
1
a1 a2

( 3, 1)
2D cD A 3 2 a1

a1 a2
0
D



c N
1


D D
损伤累积破坏: 损伤:荷载+环境+温度+化学缺陷
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