同济大学钢结构基本原理课件
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钢结构基本原理ppt课件
N1Vy V/n
N1Tx
N1T
y1 r1
T1y xi2yi2
N1Ty
N1T
x1 r1
T1x xi2yi2
验算公式：
N 1N 1 T x2N 1 T yN 1 T y2N m b in
注意： y1≤3x时，N1T=N1XT=Ty1/Σyi2
x1≤3y时，N1T=N1yT=T. x1/Σxi2
应力集中：应力集中越严重，出现同号三相应力场的应力水平越接近，
钢材越趋于脆性。
温度：高温热塑性变形，低温冷脆（脆性温度转变区）
荷载类型：加载速度：低温脆性破坏
循环荷载 高周疲劳—— n514 0 fy
低周疲劳—— n＝ 120 ～ 5140 fy
疲劳：钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹
30
受拉螺栓连接：
1、受力：沿杆轴方向受拉。 破坏：栓杆被拉断。
2、单个螺栓受拉承载力设计值
Ntb Ae ftb
de2 4
ftb
f tb 值的由来：考虑橇杠作用，并对其进行简化，从 而采如用 ftb 0.8f 来考虑。
3、螺栓群受拉连拉计算。
1>轴心力：
n
N
N
b t
.
31
2>偏心力作用下
a.小偏心情况：螺栓群全部受拉。
逐渐扩展，直到最后破坏，这种现象称为疲劳。
疲劳破坏具有突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂。 其破坏过程经历裂纹的产生、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段， 是延时断裂。
.
9
钢 柱 上 焊 接 牛 腿 （ 腹 板 和 翼 缘 ）
.
10
梁柱节点：梁分别连接在柱的腹板和翼缘（连接角钢与
同济大学钢结构基本原理PPT课件
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(-)
42
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
应力幅与应力循环次数关系：
max
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
稳定
d I d IC
不稳定
位移临界值 KIC EfydIC
40
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
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
39
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
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
38
同济大学钢结构基本原理课件 赵宪忠
1
钢结构初步概念
定义 & 范围
钢结构初步概念
定义 & 范围 钢结构 也包括工程结构中的子结构或局部关键构件采用钢结构
钢结构: 以结构钢作为主要承重体系构件的 工程结构称为钢结构 [强度、刚度、耗能]
钢结构 PK 混凝土结构
钢结构，钢筋混凝土结构，钢管混凝土结构，钢-混凝土组合结构…
钢书架 钢窗框 钢制家具 ……
结构构件面积↓, 基础结构造价↓ 结构延性韧性：适合柔性变形，减轻地震作用，增大耗能能力
大跨度结构
钢材受拉强度大、强重比大的优点可以实现轻质大跨结构Biblioteka 8钢结构发展现状和前景
State-of-the-art & prospective market
钢产量
2007 y > overall output of the world before 1966 2008 y > 2nd-8th output
开合结构：上海网球场
开合结构：南通体育场
Oh, he is coming…
开合结构：南通体育场
风能结构
5
其他：地下工程支护结构
其他：机械、车辆、船舶… …
钢结构的主要结构形式
以建筑与桥梁为例
桁架结构（杆系）
Bar or truss members
主要结构形式
桁架结构（杆系）
框架结构（杆系）
可接受的:
安全性的可接受度 经济性的可接受度 0 Rd-Sd
设计一个可接受的安全的结构 设计一个在给定条件下最合理的结构
结构设计概念与原理
结构设计与建造
学习方法与学习要求
学习方法
结构的破坏模式 解决对策 理想模型的受力机理
钢结构稳定原理PPT课件
同济大学土木楼A730
第1页/共172页
00 课程介绍
第2页/共172页
主要知识点
01.稳定问题概述
（1.0课时）
02.稳定问题的计算方法 （1.5课时）
03.钢结构基础知识
（0.5课时）
04.轴压构件的弯曲失稳 （2.0课时）
05.轴压构件的扭转失稳 （1.0课时）
06.轴压构件的弯扭失稳 （1.0课时）
第40页/共172页
04 轴压构件的弯曲失稳
第41页/共172页
04.1 失稳形式
轴压构件整体失稳形式
➢弯曲失稳： H型截面柱
➢扭转失稳 十字截面柱
➢弯扭失稳 T型截面柱
第42页/共172页
04.2 平衡方程
A. 两端铰接理想压杆的平衡方程
基本假定：
z
等直杆；弹性；小变形；
平截面；荷载作用在形心；
第28页/共172页
02.2 典型算例2
【典型算例2】 荷载-转角曲线
第29页/共172页
02.3 失稳模态
失稳模态：结构失稳时的变形形状 一阶失稳模态：和第1阶屈曲荷载对应的失稳模态
【思考02.3】请判别轴心受压钢构件的第1阶屈曲模态？
第30页/共172页
02.3 失稳模态
【思考02.4】请判别下图结构的第1阶屈曲模态？
偏心受压问题的弹性解
Mx
N
y
v
Mx
z N EIxv Nv Ne0
设
k 2 N / EIx
解
v
e0
tan
kl 2
sin
kz
cos
kz
1
中点挠度为
vm
v
l 2
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00 课程介绍
第2页/共172页
主要知识点
01.稳定问题概述
（1.0课时）
02.稳定问题的计算方法 （1.5课时）
03.钢结构基础知识
（0.5课时）
04.轴压构件的弯曲失稳 （2.0课时）
05.轴压构件的扭转失稳 （1.0课时）
06.轴压构件的弯扭失稳 （1.0课时）
第40页/共172页
04 轴压构件的弯曲失稳
第41页/共172页
04.1 失稳形式
轴压构件整体失稳形式
➢弯曲失稳： H型截面柱
➢扭转失稳 十字截面柱
➢弯扭失稳 T型截面柱
第42页/共172页
04.2 平衡方程
A. 两端铰接理想压杆的平衡方程
基本假定：
z
等直杆；弹性；小变形；
平截面；荷载作用在形心；
第28页/共172页
02.2 典型算例2
【典型算例2】 荷载-转角曲线
第29页/共172页
02.3 失稳模态
失稳模态：结构失稳时的变形形状 一阶失稳模态：和第1阶屈曲荷载对应的失稳模态
【思考02.3】请判别轴心受压钢构件的第1阶屈曲模态？
第30页/共172页
02.3 失稳模态
【思考02.4】请判别下图结构的第1阶屈曲模态？
偏心受压问题的弹性解
Mx
N
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z N EIxv Nv Ne0
设
k 2 N / EIx
解
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1
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v
l 2
钢结构基本原理全套精美课件
11 2.1 钢结构对材料的要求
第二章 钢结构的材料
2.2 钢材的破坏形式
塑性破坏：破坏前有明显的变形，破坏历时时 间长，可以采取补救措施。
脆性破坏：破坏前没有明显的变形，破坏发生 突然，没有机会补救。
脆性破坏的原因：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造 不合理、使用不当等。
➢ 应尽量发挥材料的塑性 ➢ 避免一切脆性破坏的可能性
10
第二章 钢结构的材料
2.1 钢结构对材料的要求
较高的强度 足够的变形能力。即塑性、韧性好。 良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）
《钢结构设计规范》GB50017-2003规定：
承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷 含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊 接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷 弯试验的合格保证。需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有 常温或负温冲击韧性的合格保证。对需要验算疲劳的非焊接结 构的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。
15 2.3 钢材的主要性能
第二章 钢结构的材料
➢ f y 作为钢结构设计的最大应力 ➢ 简化计算, 采用理想弹塑性模型 ➢ fu 作为钢材实际破坏强度
16 2.3 钢材的主要性能
第二章 钢结构的材料
二、塑性性能
塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力
衡量塑性性能的指标：伸长率
l1 l0 100%
时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使 材料硬化的现象。
应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即 冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。
27 2.4 各种因素对钢材主要性能的影响
第二章 钢结构的材料
2.2 钢材的破坏形式
塑性破坏：破坏前有明显的变形，破坏历时时 间长，可以采取补救措施。
脆性破坏：破坏前没有明显的变形，破坏发生 突然，没有机会补救。
脆性破坏的原因：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造 不合理、使用不当等。
➢ 应尽量发挥材料的塑性 ➢ 避免一切脆性破坏的可能性
10
第二章 钢结构的材料
2.1 钢结构对材料的要求
较高的强度 足够的变形能力。即塑性、韧性好。 良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）
《钢结构设计规范》GB50017-2003规定：
承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷 含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊 接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷 弯试验的合格保证。需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有 常温或负温冲击韧性的合格保证。对需要验算疲劳的非焊接结 构的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。
15 2.3 钢材的主要性能
第二章 钢结构的材料
➢ f y 作为钢结构设计的最大应力 ➢ 简化计算, 采用理想弹塑性模型 ➢ fu 作为钢材实际破坏强度
16 2.3 钢材的主要性能
第二章 钢结构的材料
二、塑性性能
塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力
衡量塑性性能的指标：伸长率
l1 l0 100%
时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使 材料硬化的现象。
应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即 冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。
27 2.4 各种因素对钢材主要性能的影响
同济大学土木工程施工第6章 钢结构工程 PPT
9
（二）弯卷成型
1．钢板卷曲 ➢ 钢板卷曲，是通过旋转辊轴对板料进行连续三点弯曲所形成的。
当制件曲率半径较大时，可在常温状态下卷曲； 如制件曲率半径较小或钢板较厚时，则需在钢板加热后进行。 ➢ 钢板卷曲按其卷曲类型可分为单曲率卷制和双曲率卷制。 单曲率卷制包括对圆柱面、圆锥面和任意柱面的卷制，操作简便，较
利用上、下两剪刀的相对运动来切断钢材，或利用锯片的切削运动把钢 材分离，或利用锯片与工件间的摩擦发热使金属熔件加工 （一）矫正
➢ 钢材使用前矫正的原因： 材料内部的残余应力及存放、运输、吊运不当等原因，会引起钢材原 材料变形； 在加工成型过程中，由于操作和工艺原因会引起成型件变形； 构件连接过程中会存在焊接变形等。 为了保证钢结构的制作及安装质量，必须对不符合技术标准的材料、
拉伸机矫正适用于薄板扭曲、型钢扭曲、钢管、带钢和线材等的矫正。 压力机矫正适用于板材、钢管和型钢的局部矫正。 多辊矫正机可用于型材、板材等的矫正。
8
➢ 3．手工矫正
✓ 钢材的手工矫正：采用锤击的方法进行，操作简单灵活。 ✓ 手工矫正特点：矫正力小、劳动强度大、效率低而用于矫正尺寸较小的
钢材。在缺乏或不便使用矫正设备时采用。
吊车梁翼缘板、支座支撑面等具有工艺性要求的加工面； 设计图纸中有技术要求的焊接坡口； 尺寸精度要求严格的加劲板、隔板、腹板及有孔眼的节点板等。 常用的边缘加工方法有铲边、刨边、铣边和碳弧电气刨边四种。
常用。 双曲率卷制可实现球面、双曲面的卷制。
10
➢ 钢板卷曲工艺包括预弯、对中和卷曲三个过程。 （1）预弯
✓ 板料进行预弯，使剩余直边弯曲到所需的曲率半径后再卷曲。 ✓ 预弯可在三辊、四辊或预弯压力机上进行。 （2）对中 ✓ 将预弯的板料置于卷板机上弯曲时，为防止产生歪扭，使板材的纵
（二）弯卷成型
1．钢板卷曲 ➢ 钢板卷曲，是通过旋转辊轴对板料进行连续三点弯曲所形成的。
当制件曲率半径较大时，可在常温状态下卷曲； 如制件曲率半径较小或钢板较厚时，则需在钢板加热后进行。 ➢ 钢板卷曲按其卷曲类型可分为单曲率卷制和双曲率卷制。 单曲率卷制包括对圆柱面、圆锥面和任意柱面的卷制，操作简便，较
利用上、下两剪刀的相对运动来切断钢材，或利用锯片的切削运动把钢 材分离，或利用锯片与工件间的摩擦发热使金属熔件加工 （一）矫正
➢ 钢材使用前矫正的原因： 材料内部的残余应力及存放、运输、吊运不当等原因，会引起钢材原 材料变形； 在加工成型过程中，由于操作和工艺原因会引起成型件变形； 构件连接过程中会存在焊接变形等。 为了保证钢结构的制作及安装质量，必须对不符合技术标准的材料、
拉伸机矫正适用于薄板扭曲、型钢扭曲、钢管、带钢和线材等的矫正。 压力机矫正适用于板材、钢管和型钢的局部矫正。 多辊矫正机可用于型材、板材等的矫正。
8
➢ 3．手工矫正
✓ 钢材的手工矫正：采用锤击的方法进行，操作简单灵活。 ✓ 手工矫正特点：矫正力小、劳动强度大、效率低而用于矫正尺寸较小的
钢材。在缺乏或不便使用矫正设备时采用。
吊车梁翼缘板、支座支撑面等具有工艺性要求的加工面； 设计图纸中有技术要求的焊接坡口； 尺寸精度要求严格的加劲板、隔板、腹板及有孔眼的节点板等。 常用的边缘加工方法有铲边、刨边、铣边和碳弧电气刨边四种。
常用。 双曲率卷制可实现球面、双曲面的卷制。
10
➢ 钢板卷曲工艺包括预弯、对中和卷曲三个过程。 （1）预弯
✓ 板料进行预弯，使剩余直边弯曲到所需的曲率半径后再卷曲。 ✓ 预弯可在三辊、四辊或预弯压力机上进行。 （2）对中 ✓ 将预弯的板料置于卷板机上弯曲时，为防止产生歪扭，使板材的纵
同济大学钢结构
同济大学钢结构第一章绪论1钢结构特点主要有哪些？p4-5答：1强度高、重量轻。
2材质均匀3塑性、韧性好4工业化成都高5拆迁方便6密闭性好7耐腐蚀性差8耐火性差第二章钢结构材料1钢材的机械性能有哪些，衡量指标各是什么？p10-13答：1）包括强度、塑性，冷弯性能和韧性等发面。
2）强度指标，屈服点，抗拉强度。
塑性指标：伸长率和截面收缩率来衡量。
冷弯性能：外形韧性指标：冲击荷载2低碳钢单向拉伸时的荷载——位移曲线有哪几个阶段？答：弹性阶段，弹塑性阶段，塑性流动阶段，受力的强化阶段。
P11图2-23影响钢材机械力学性能的因素有哪些，分别有何影响？p13答：1化学成分的影响2冶炼和轧制的影响。
3钢材的硬化4温度的影响5复杂应力作用的影响。
6应力集中的影响7残余应力的影响8重复荷载作用的影响4刚的牌号如何表示，钢材有哪些规格？p19p24答：1是采用国家标准《碳素结构钢》和《低合金高强度结构钢》的表示方法。
它由代表屈服点的字母、屈服点的数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。
Q235——屈服点位235N/mm的A 级沸腾钢2沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢第三章钢结构的设计方法1结构功能的极限状态的概念？p29答：承载能力极限状态：当结构或结构构件达到最大承载力或达到不适于继续承载的变形时的极限。
正常使用极限状态：结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值时的极限状态2何为钢材的疲劳现象？钢材的疲劳强度是什么？疲劳破坏时对应的应力与哪些因素有关？p33-35答：1钢材在连续重复荷载的作用下，虽然应力低于抗拉强度，甚至低于屈服点，也有可能发生破坏，这种现象称为钢材的疲劳。
2刚才疲劳时对应的应力称疲劳强度。
31）集中应力的影响2）应力幅的影响3）应力比的影响4）应力循环次数的影响。
3规范规定的常幅疲劳设计公式是什么？p37（3-13）——计算部位的应力幅第四章钢结构的连接1.焊接如何分类？焊缝如何表示？答：P45图4-1平焊、立焊、横焊、仰焊。
同济大学课件-钢结构设计原理
由截面残余应力分布模式的介 绍，可知残余应力在截面上的分布 与截面的形状及尺寸、制作方法和 加工过程等密切相关。当钢板厚度 较大时，残余应力沿厚度方向也有 变化。
钢结构基本原理及设计
钢结构基本原理及设计
2．残余应力对短柱应力—应变曲线的影响
1）有效比例极限 残余应力的存在，使 短柱平均应力到达A点后， 出现一过渡曲线ABC，然 后到达屈服点，亦即残余应 力的存在降低了构件的比例 极限，使构件提前进入弹塑 性工作。 A点的应力称为有效比 例极限，记为fp 。
Ncr （l)2
cr
Ncr A
2E
l2
I A
l02
2
考虑剪切影响？
2E
l2
i2
2E
l2
2E 2
i2
其中， i I 是回转半径； A
l
i
是压杆长细比。
2） 欧拉公式范围
钢结构基本原理及设计
当截面应力超过钢材的比例极限后，欧拉公式不适用，
2E 2 fp
分割法、钻孔法
热轧的宽翼缘工字钢(H型 钢)，翼缘宽度较大，热轧后冷 却过程中，翼缘两端由于其暴露 于空气中的面积较翼缘与腹板交 接部分为多而冷却较快，
腹板中间部位则因厚度较薄 而冷却较快，翼缘与腹板交接部 位冷却收缩变形受到先冷却部分 的约束而出现残余拉应力，先冷 却部分则出现残余压应力。
钢结构基本原理及设计
(3) 缀件有缀条或缀板两种，
钢结构基本原理及设计
钢结构基本原理及设计
a)缀条用斜杆组成或斜杆与横杆共同组成，缀条常采用 单角钢，与分肢翼缘组成桁架体系，使承受横向剪力时有 较大的刚度。
b)缀板常采用钢板，与分肢翼缘组成刚架体系。 在构件产生绕虚轴弯曲而承受横向剪力时，刚度比缀
钢结构基本原理及设计
钢结构基本原理及设计
2．残余应力对短柱应力—应变曲线的影响
1）有效比例极限 残余应力的存在，使 短柱平均应力到达A点后， 出现一过渡曲线ABC，然 后到达屈服点，亦即残余应 力的存在降低了构件的比例 极限，使构件提前进入弹塑 性工作。 A点的应力称为有效比 例极限，记为fp 。
Ncr （l)2
cr
Ncr A
2E
l2
I A
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2
考虑剪切影响？
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l2
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2E
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i2
其中， i I 是回转半径； A
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i
是压杆长细比。
2） 欧拉公式范围
钢结构基本原理及设计
当截面应力超过钢材的比例极限后，欧拉公式不适用，
2E 2 fp
分割法、钻孔法
热轧的宽翼缘工字钢(H型 钢)，翼缘宽度较大，热轧后冷 却过程中，翼缘两端由于其暴露 于空气中的面积较翼缘与腹板交 接部分为多而冷却较快，
腹板中间部位则因厚度较薄 而冷却较快，翼缘与腹板交接部 位冷却收缩变形受到先冷却部分 的约束而出现残余拉应力，先冷 却部分则出现残余压应力。
钢结构基本原理及设计
(3) 缀件有缀条或缀板两种，
钢结构基本原理及设计
钢结构基本原理及设计
a)缀条用斜杆组成或斜杆与横杆共同组成，缀条常采用 单角钢，与分肢翼缘组成桁架体系，使承受横向剪力时有 较大的刚度。
b)缀板常采用钢板，与分肢翼缘组成刚架体系。 在构件产生绕虚轴弯曲而承受横向剪力时，刚度比缀
同济大学钢结构基本原理课件 赵宪忠02
材料经历过塑性变形，
fy
再次加载时屈服点提高
p
/ 0
高温的影响 250℃, 蓝脆 600℃, 软化
影响钢材性能的因素
温度
影响钢材性能的因素
低温的影响
温度
冲击韧性的温度转变区
Ak
脆性破坏
转变过渡区域
塑性破坏
T
复杂应力与应力集中
复杂应力与屈服准则
折算应力 (von Mises stress)
最大的应力
应力比: min / max 1
max
t
min
Definition min
of
max
t
max
maxΒιβλιοθήκη t min max
min t
t
钢材疲劳破坏
第一种类型：最大应力法
工程应用的Goodman图
工程计算方法：
一定应力比时，对所要求的疲劳寿命
钢结构材料
主要内容
结构钢对材料基本性能的要求 影响钢材性能的一般因素 复杂应力与应力集中 疲劳破坏 钢材分类、规格和选用 结构钢材的新发展
结构钢对材料基本性能的要求
预备知识：钢材单向拉伸试验
标准拉伸试样
取样位置：钢板端部垂直于轧制方向 试样：形状与尺寸
标准加载方式
加载速率
纯剪应力状态: y f y / 3 0.58 f y
复杂应力与应力集中
应力集中
应力集中：因钢材缺陷或制作引起的几何突变，造成各点 钢材应力不均匀的状况 几何突变：孔洞、凹槽、锁孔、螺线、宽度或厚度突变
应力集中系数： K mn
m o
钢结构基本原理优秀课件
fk＝fy。 常用结构钢材的强度设计值f（design value）可查材料
手册（见附表1.1）。弹性设计时，构件的应力不能大于f值。
抗拉强度fu在实际构件中是不允许达到的，钢材的抗拉强 度fu值高，可以增加结构的安全保障。
伟
主
编 ）
第2章 钢结构的材料
钢 另外，Q235钢材在屈服
结 构 基 本 原 理
图2.3 理想弹－塑性的应力－应变曲线
第2章 钢结构的材料
钢 结
高强度钢材没有明显的屈服
构 台阶，这类钢的屈服点是根据
σ
基 实验分析结果人为规定的，称 f0.2 S
本 原 理
为条件屈服（用f0.2表示，定 义为试件卸载后其残余应变为
E
（ 2%时所对应的应力）。这类
黄 钢材在设计中不宜利用塑性。 呈 伟 主 编 ）
伟 主
度比常温拉伸试验的强度低得多，应另行测定“强度”。
编 耐疲劳性：钢结构或构件在长期连续的交变荷载或重复荷
） 载作用下，应力虽低于fy也会发生破坏，称为“疲劳破坏”。
呈 良好方法，常作为静力拉伸试验和
伟 主 编
冲击试验的一种补充试验，是一项 衡量钢材力学性能的综合指标。
）
a
d
a
d+2.1a
图2.5 冷弯1800试件
第2章 钢结构的材料
钢
2.1.3 冲击韧性
结
构 冲击韧性是衡量钢材强度、
基 塑性及材质的一项综合指标。
本 钢材的韧性与轧制方法、环境
原 温度有关。冲击韧性由冲击试
0 0.2
ε
图2.4 高强度钢的应力－应变曲线
第2章 钢结构的材料
钢 结 构 钢材在单向受压时（短试件） ，抗压强度与单向受拉时 基 相同。钢材受扭转时的应力－应变曲线也与受拉时相似，但 本 剪切屈服点和抗剪强度低于fy和fu；剪变模量G也低于弹性模 原 量E。钢材和铸钢件的弹性模量、剪变模量、线膨胀系数α 理 和质量密度ρ列于表2.1。
手册（见附表1.1）。弹性设计时，构件的应力不能大于f值。
抗拉强度fu在实际构件中是不允许达到的，钢材的抗拉强 度fu值高，可以增加结构的安全保障。
伟
主
编 ）
第2章 钢结构的材料
钢 另外，Q235钢材在屈服
结 构 基 本 原 理
图2.3 理想弹－塑性的应力－应变曲线
第2章 钢结构的材料
钢 结
高强度钢材没有明显的屈服
构 台阶，这类钢的屈服点是根据
σ
基 实验分析结果人为规定的，称 f0.2 S
本 原 理
为条件屈服（用f0.2表示，定 义为试件卸载后其残余应变为
E
（ 2%时所对应的应力）。这类
黄 钢材在设计中不宜利用塑性。 呈 伟 主 编 ）
伟 主
度比常温拉伸试验的强度低得多，应另行测定“强度”。
编 耐疲劳性：钢结构或构件在长期连续的交变荷载或重复荷
） 载作用下，应力虽低于fy也会发生破坏，称为“疲劳破坏”。
呈 良好方法，常作为静力拉伸试验和
伟 主 编
冲击试验的一种补充试验，是一项 衡量钢材力学性能的综合指标。
）
a
d
a
d+2.1a
图2.5 冷弯1800试件
第2章 钢结构的材料
钢
2.1.3 冲击韧性
结
构 冲击韧性是衡量钢材强度、
基 塑性及材质的一项综合指标。
本 钢材的韧性与轧制方法、环境
原 温度有关。冲击韧性由冲击试
0 0.2
ε
图2.4 高强度钢的应力－应变曲线
第2章 钢结构的材料
钢 结 构 钢材在单向受压时（短试件） ，抗压强度与单向受拉时 基 相同。钢材受扭转时的应力－应变曲线也与受拉时相似，但 本 剪切屈服点和抗剪强度低于fy和fu；剪变模量G也低于弹性模 原 量E。钢材和铸钢件的弹性模量、剪变模量、线膨胀系数α 理 和质量密度ρ列于表2.1。
同济大学钢结构基本原理 赵宪忠4-受压构件
'
dz
dAa ' a ( s) x
- 扭转失稳模式下的平衡
Mω Mk MT
a
N
dAa( s) ' ad / dz a '
实腹式轴心压杆的整体稳定
双轴对称截面理想压杆的临界力
EI x v IV Nv '' Nx0 '' 0
实腹式轴心压杆的整体稳定
双轴对称截面理想压杆的临界力 杆端弯曲约束和扭转约束的自由、铰支、固接
h
u 0.5h y1 u'' 0.5h ''
EI yu IV Nu '' Ny0 '' 0
EIω
IV
Nv '
GI t Nx0v Ny0u
'' ''
R) 0
''
Nv '
x0
y
v
y
N
扭转平衡
- 作用效应(1)：轴线弯曲引起的扭转分量
Nv ' x0 , Nu ' y0
x
u 0, u' 0 v 0, v' 0
y
N Ey 2 EI y / L2 ox
(
2 1 1 x2 N E ω ) N Eω (1 0 ) 1 N Ex N Eθ r02 N Ex N Eθ
2 2 (2 x θ )
1 2
2 xo 1 2 2 2 2 (2 x θ ) 4(1 2 )x θ 2 ro
• 第六节 轴心受压构件的刚度 • 第七节 轴心受压构件的设计计算
dz
dAa ' a ( s) x
- 扭转失稳模式下的平衡
Mω Mk MT
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实腹式轴心压杆的整体稳定
双轴对称截面理想压杆的临界力
EI x v IV Nv '' Nx0 '' 0
实腹式轴心压杆的整体稳定
双轴对称截面理想压杆的临界力 杆端弯曲约束和扭转约束的自由、铰支、固接
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扭转平衡
- 作用效应(1)：轴线弯曲引起的扭转分量
Nv ' x0 , Nu ' y0
x
u 0, u' 0 v 0, v' 0
y
N Ey 2 EI y / L2 ox
(
2 1 1 x2 N E ω ) N Eω (1 0 ) 1 N Ex N Eθ r02 N Ex N Eθ
2 2 (2 x θ )
1 2
2 xo 1 2 2 2 2 (2 x θ ) 4(1 2 )x θ 2 ro
• 第六节 轴心受压构件的刚度 • 第七节 轴心受压构件的设计计算
第2章材料 同济 钢结构基本原理
课程讨论对象）。
典型对象：吊车梁、桥梁、海洋平台等在日常荷载下的疲劳破坏
•
低周疲劳（应变疲劳）
工作应力达到或大于fy，有较大的塑性变形，寿命在10 5 次 以内，甚至几百次、几十次。 典型对象：强烈地震下的一般钢结构疲劳破坏。
疲劳断裂过程
非焊接结构 三阶段 裂纹失稳 扩展断裂
裂纹形成
裂纹稳定扩展
or
普通碳素钢 优质碳素钢 碳素工具钢
低合金钢
合金钢
＝碳素钢 ＋少量 合金元素
普通合金钢
中合金钢 高合金钢
or
优质合金钢 高级合金钢
（注：红色字体－建筑钢结构用材）
影响钢材性能的一般因素
1.化学成分
基本元素Fe(99%) 有益元素 C(<0.2-0.22％), Si(0.1-0.3%), Mn(1.2-1.6%), V 有害元素S(0.045-0.05%), P(<0.045-0.05%), O, N 其他:Cr（铬 ）, Ni, Cu, Ti, Nb（铌） 冶炼方法(平炉、顶吹氧气转炉、碱性侧吹转炉、电炉) 浇铸过程（钢液－钢锭过程中的脱氧） 轧制工艺（尺寸及内部组织改变(细化晶粒，焊合缺陷)） 不均匀温度场引起的残余应力 时间——硬化(纯铁体中残留的数量极少的碳和氮的固溶物质逐步析出，形 成自由的碳化物或氮化物微粒，散布在晶粒的滑移面上，约束纯铁体的塑性 变形 ) 超屈服加载——硬化(导致脆性破坏)、 冷加工：剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等
（1）fe、fp、fy非常接近，且屈服点之前德 应变又很小，三者合一，可认为fy弹性与 塑性的分界点； （2）fy以后，塑性变形很大，一旦超载，易
o fu fy fe fp
实际σ－ε曲线
同济钢结构课程课件PPT之第三章 连接的构造和计算
本章导读（4）
本章的学习方法是：
1、认识实践作先导－－实物、图片、现场参观等 2、基本概念为基础－－传力机理、连接特性等 3、强化对构造要求的理解－－构造要求量多面广 4、典型连接例题、习题训练－－
适用环境、参数计算、设计和验算步骤、计算方法等
5、相关工程规范学习－－
《钢结构设计原理》 《建筑钢结构焊接技术规程》等。
钢结构连接的基本方式(1)
1.1 钢结构的基本连接方式
焊缝连接
螺栓连接
铆钉连接
钢结构连接的基本方式(2)
1.1 钢结构的基本连接方式
1.焊接连接
（冶金式）
使金属高温融化后形成整体 采用焊接材料： 电弧焊、气焊、电渣焊 不采用焊接材料： 电阻焊
2.紧固件连接
（机械式）
螺栓： 普通螺栓：精制螺栓(A、B级) 粗制螺栓(C级)
－－质量均匀，塑性、冲击韧性好，用于规则构件的工厂焊
气体保护焊 采用CO2气体（代替焊剂）、焊丝，电弧使焊丝熔化形成焊缝 CO2气体保护被焊金属与空气接触
电渣焊
利用电流通过熔渣所产生的电阻热熔化填充金属和母材，凝固后形成连 接
气焊
利用乙炔在氧气中燃烧形成的火焰融化焊条形成焊缝－－用于薄钢板 和小型结构焊接
焊
焊
2 焊接连接形式及特性（5）
焊丝
2.1 焊接工艺－－气体保护焊
• 采用CO2气体（代替焊剂）、焊丝 • 电弧使焊丝熔化形成焊缝 • CO2气体保护被焊金属与空气接触
焊接速度快，熔化深度大 可手工焊，也可自动化操作 目前工厂很常用的焊接方法 室外施焊要有避风措施，防止气孔、焊坑缺陷
高强度螺栓： 铆钉： 钉连接： (射钉、自攻螺钉、焊钉)
3.其他
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2 D c D 32 A a1 c D N
1
D D
损伤累积破坏： 损伤：荷载+环境+温度+化学缺陷 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
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：伸长率与收缩率, 原尺寸与拉断后尺寸相对比
l1 l0 100% l0
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
3、复杂应力下的工作性能
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
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
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、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 可焊性试验：施工中试验、使用中试验、冲击韧性、裂纹
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
2 2 2 2 2 zs x y z2 x y y z z x 3 xy yz zx
zs f y 弹性 zs f y 塑性
2 2 2 平面应力： zs x y x y 3 xy
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
混凝土结构 钢结构 玻璃结构(幕墙结构) 木结构 膜结构 铝合金结构
塑性和韧性
制作安装方面
密封 性能
耐火/ 耐腐蚀
混凝 土 钢 材 玻 璃 膜 材
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 料 均匀、各向同 性 纤维纵向受 拉强度大 、纤维横向 受拉强度低
拉力下脆性
现浇
一般
好 耐热好耐火 差 耐腐蚀差 耐火差 耐腐蚀一般
材料
力学性能
强度(MPa)/ 弹性模量 (MPa)/ 密度（kN/m3） 3-40/ 14000-36000/ 25 234-420)/ 206000/ 78.5 拉45、压800/ /70000/ 25 60-200 (1mm厚 )/ 500-1000/ 7-15 80—200 658000/ 27
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：min/max
绝对值较小 绝对值较大 拉(+)压(-)
基本构件的设计计算理论
建 —— 绪论 筑 —— 平台钢结构 钢 —— 门式刚架结构 —— 重型厂房结构 结 排架系统 构 吊车梁系统 设 —— 多高层框架 计 —— ……
结构体系的布臵与设计
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。
应力幅：由于存在残余应力，不能代表实际应力变化情况 Dmaxmin
最大拉应力 最小拉应力或压应力 拉(+)压(-)
疲劳强度曲线：
匀质材料疲劳强度与应力比的关系：
应力幅与应力循环次数关系：
DK K Im ax K Im in a D
0 1 , 1 0 max max K, 0 K, min max 0 max p 1 K
3、钢结构组成——构件+连接
钢构件形式
钢板焊接截面 热轧型钢截面 冷弯薄壁截面 铸钢节点域 +
连接形式
铆接连接 普通螺栓连接 高强螺栓连接 焊接连接
=
结构体系
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
轴心受力柱
受弯梁 压弯构件
钢结构基本原理
特种结构
……
建筑钢结构设计
4、钢结构特点
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
建筑材料
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
JGJ系列
CECS系列
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, p ≈0.1%
C: fy≈235MPa, y≈0.15%2.5% B: fu ≈370-460MPa, u ≈21%
4、抗冲击性能和冷弯性能
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
弹性断裂力学公式：
系数 裂纹宽度一半 应力
应力强度因子： I a K 临界应力0：裂纹失稳扩展时应力
断裂韧性KIC： KIC a 0 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)：
I
2 a
Ef y
IC
稳定 不稳定
I IC
位移临界值 K IC Ef y IC
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：
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
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
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
世界六十年代创造 的材料工艺和体系
重大土木工程建设
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
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