钢结构基础知识教程

钢结构和其他建筑结构一样，遵循“统一标准”要求， 采用的也是以概率论为基础，用分项系数表达的极限 状态设j计方法。
极限状态设计方法，在前序课程（如钢混结构、地基 与基础等），对此以作详细介绍，此课就不再讲述， 认真进行复习。
通过复习应掌握以下概念：结构的极限状态；结构的 基本功能要求；结构的可靠度；失效概率；荷载及强 度的标准值与设计值。
第二节 钢材的主要机械性能
一、单向拉伸试验曲线
根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用中，钢材的性能
按理想弹塑性体考虑，fy定为钢材拉、压强度标准值。
二、钢材的主要机械性能
1. 强度：fy 强度设计标准值，设计依据；fu钢材的最大
承载强度，安全储备。 2. 塑性－δ5（δ10），钢材产生塑变时而不发生脆性断裂
二、钢结构的应用
1、重型结构及大跨度建筑结构； 2、多层、高层及超高层建筑结构； 3、轻钢结构； 4、塔桅等高耸结构； 5、钢－混凝土组合结构。
第二节 钢结构的设计原理与方法
结构设计首层规范《建筑结构可靠度设计统一标准》 （GB50068）规定：结构的可靠度应采用以概率论为 基础的极限状态设计方法分析确定。
当今我国建筑业中发展最快的就是钢结构，最缺的人 才也是钢结构专业，发展钢结构以带动其它相关产业 的发展，已成为建筑业发展的重要任务。
第二章 建筑钢材
第一节 建筑结构用钢的基本要求 第二节 钢材的主要机械性能 第三节 影响钢材性能的主要因素 第四节 建筑结构用钢的种类及选择
第一节 建筑结构用钢的基本要求
二、建筑结构用钢的选择
1. 钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强
度fu、屈服强度fy、伸长率δ5（δ10）、冷弯180o 及冲击韧性αk，化学成分C、S、P等的极限含量，
以及冶炼脱氧方法来衡量。选材时应根据结构的 重要性、荷载性质（静、动）、连接方法、工作 温度等因素来综合考虑以选择适宜钢材。
钢 结构
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
概述 建筑钢材 钢结构的连接 轴心受力构件 梁（受弯构件） 拉弯与压弯构件
第一章 绪 论
第一节 钢结构的特点与应用 第二节 钢结构的设计原理与方法 第三节 钢结构的发展
第一节 钢结构的特点及应用
一、钢结构的特点
1、强度高、强重比大；塑性、韧性好； 2、材质均匀，符合力学假定，安全可靠度高； 3、工厂化生产，工业化程度高，施工速度快； 4、钢结构耐热不耐火；易锈蚀，耐腐性差。
的能力，便于内力重分布，吸收能量，重要指标。 3. 冷弯性能－90o、180o，在冷加工过程中产生塑性变形
时，对产生裂纹的敏感性，是判别钢材塑性及冶金质 量的综合指标。
4. 韧性－冲击韧性αk，钢材在一定温度下塑变及断裂过
程中吸收能量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的 能力（动力指标），按常温（20o）、零温（0o） 、负 温（-20o、-40o）区分 。 5. 可焊性－表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能 力－不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求。
N5N
N n
• 大偏心:
N
M min
M y5 m yi2
N5N
N n
N1
F n
Fey1 m yi2
(
Fey1, m yi,2
)
拉剪共同作用螺栓连接计算
NV
N
b V
2
Nt
N
b t
2
1
NV
V n
N
b C
NV
F n
Nt
Fey1 m yi2
注：此类连接因无支托板，一般应考虑精制螺栓连接，以减 少连接变形。
Nt
N
b t
0.8P
三、承压型高强螺栓连接
受力性能同普通螺栓，拉剪作用时以栓杆抗剪及孔壁 承压承力；受拉同摩擦型，计算公式总结如表3.11。
本章重点
1、角焊缝的构造与计算； 2、焊接残余应力与变形的产生机理与影响； 2、普通螺栓受剪连接的破坏形式与机理； 3、高强螺栓连接的构造与计算。
• Si：含Si适量使强度↑ 其它影响不大，有益，应控制≤0.1~0.3% • Mn：含Si适量使强度↑ 降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，
对其它性能影响不大，有益。 • S：含量↑使强度↑塑性、韧性、性能冷弯、可焊性↓；
高温时使钢材变脆－热脆现象。 • P：低温时使钢材变脆－冷脆现象；其它同S • O、N：O同S；N同P，控制含量≤0.008%
2、冶金与轧制的影响
• 冶时间金间慢的快，影，价响价格主格高要 低 ，为，质脱质量氧量好方差。法；：镇沸静腾钢钢用用Si为M脱n为氧脱剂氧，剂时， • 反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中
的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密 实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性 能提高。
负温影响（P27，图2.12）
• 随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆 性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某一特定温度时 钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度。
第四节 建筑结构用钢的种类与选择
一、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类
钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等受拉连接高强螺栓计算
由于高强螺栓的基本承载力为摩擦力，而摩擦力预正压力有 关，为保证板件间保留一定的压紧力《规范》规定:
N
b t
0.8P
受弯连接结算（形心轴在中排）
N
M t
M y1 m yi2
N
b t
0.8P
拉、剪共同作用连接计算
V 0.9n fμ(P 1.25Nt )
6、温度的影响
温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。
正温影响（P27，图2.11）
• 总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧 性提高，这一现象称之为热塑现象，温度达600o左右时， 钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进 行热加工，此温度称之为热煅温度。
• 需要说明：钢材在300o左右时，强度提高，塑性、韧性 下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象。 钢材在300o以上时应采取隔热措施。
钢结构一般选用C级（粗制）六角螺母螺栓，标识用M和 工程直径（mm）表示，例如M16、M20等
螺栓的排列
螺栓的各距应满足规定的要求（P71~72，表3.5~8）
二、受力性能与计算
1、受力分类
螺栓根据作用不同，按螺栓受力可以分为：受剪、受拉及 剪拉共同作用
2、受剪连接 受力性能与破坏形式 五种破坏形式
第三节 钢结构的发展
我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的原因致使 现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比，已有 相当大的差距，最大的差距在于建筑钢结构。
97年新发布的《中国建筑技术政策》中强调要重点发 展建筑钢结构，国家相关部门也多次发布文件，要求 扩大钢结构住宅的市场占有率。
96年我国钢产量已开始超亿吨，居世界首位，为钢结 构发展奠定物质基础，对钢材的使用已由“节约使用” 变为“合理用钢”、“加大建筑用钢”。
高强螺栓的预拉力（P85表3.9）
P
0.9 0.9 0.9 fu Ae 1.2
0.6075 fu Ae
二、摩擦型高强螺栓连接计算
受剪连接计算
一个螺栓抗剪承载力
N
b V
0.9nf
μ
P
连接所需螺栓数
N
n
N
b V
净截面强度：考虑50％孔前传力
σ＝ N , ＝（1 0.5 n1 ）N f
N
b min
受拉螺栓连接
受力性能与承载力
N
b t
1πd 4
2 e
f
b t
Nt
N n
N
b t
受弯矩作用螺栓连接计算
M m
N1M y1 N M2
N
M n
N1M
N
M 2
N
M n
y1
y2
yn
N1M
M m
y1 yi2
N
b t
M、N共同作用（偏心受拉）螺栓计算
•
小偏心：
N
M min
M y5 m yi2
2. 一般承重结构应有fu、fy、δ5以及C（ ≤0.22%）、
S、P的极限含量合格保证；焊接及重要的非焊接 承重结构还应具备冷弯180o合格保证（C≤0.2%）； 承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时,还应根据
具体情况增加对αk的不同要求。
第六节 普通螺栓的连接
一、普通螺栓的连接构造 螺栓的规格与表示
第七节 高强度螺栓连接
一、概述
按受力特性分：摩擦型与承压型 抗剪连接时摩擦型以板件间最大摩擦力为承载力极限状态；
承压型允许克服最大摩擦力后，以螺杆抗剪与孔壁承压破坏 为承载力极限状态（同普通螺栓）。受拉时两者无区别。 高强螺栓采用Ⅱ级孔，便于施工。 受传力机理的要求，构造上除连接板的边、端距≥1.5d0外 其它同普通螺栓。 高强螺栓的材料与强度等级 由高强材料经热处理制成，按强度等级分10.9与8.8级。 ➢ 10.9级一般为20MnTiB、40Cr等材料，fu≥1000N/mm2， fu/fy≥0.9；8.8级一般为45＃钢制成， fu≥800N/mm2， fu/fy≥0.8。
● 钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑 结构用钢来说，主要有三方面的要求。
1、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小， 结构的自重轻；
2、较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破 坏；韧性好，利于承受动力荷载；
3、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯 性能以及耐腐性能；
● 据上要求,《钢结构设计规范》GB50017-2003 推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的 Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390 和Q420钢四种钢材。