1、1.了解钢结构的特点了解钢结构的特点和应用。和应用。2.掌握钢结构的设计掌握钢结构的设计方法和设计要求。方法和设计要求。3.了解钢结构的发展了解钢结构的发展概况。概况。1.1 1.1 钢结构的特点钢结构的特点1.2 1.2 钢结构的设计方法钢结构的设计方法1.3 1.3 钢结构的设计规范钢结构的设计规范1.4 1.4 钢结构的应用和发展钢结构的应用和发展1.5 1.5 本课程的主要内容和特点本课程的主要内容和特点本章目录本章目录基本要求基本要求第第1.11.1节节 钢结构的特点钢结构的特点1. 1. 钢结构的定义钢结构的定义2. 2. 钢结构的特点钢结构的特点了解钢结构的定义和特点了解钢结构的
2、定义和特点 本节目录本节目录基本要求基本要求1.1.1 1.1.1 钢结构的定义钢结构的定义定义：定义：由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢等钢由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢等钢材为主建造的工程结构，称为材为主建造的工程结构，称为钢结构钢结构。如高层建筑、大。如高层建筑、大跨桥梁、高耸的塔等。跨桥梁、高耸的塔等。 钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不同分支。的不同分支。 1.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点1 1、强度高，
3、结构重量轻、强度高，结构重量轻 由于钢材强度高，结构需要的构件截面小，结构自由于钢材强度高，结构需要的构件截面小，结构自重轻。重轻。a=容重容重/ /强度，强度，a越小，结构相对越轻。越小，结构相对越轻。 钢材：钢材：a=1.73.710-4/m 木材：木材：a=5.410-4/m 钢砼：钢砼：a= 1810-4/m 1.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点2 2、材质均匀，塑性和韧性好、材质均匀，塑性和韧性好主要表现在：主要表现在： （1 1）钢材在使用阶段接近理想弹塑性体，这使得理）钢材在使用阶段接近理想弹塑性体，这使得理论计算与实际情况相吻合。论计算与实际情况相吻合。 （2 2）
4、钢材具有良好的塑性和韧性，不会因偶然的超）钢材具有良好的塑性和韧性，不会因偶然的超载而破坏，对动力荷载适应性强。钢结构的抗震性能优载而破坏，对动力荷载适应性强。钢结构的抗震性能优于其它结构。于其它结构。1.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点3 3、便于工业化生产，施工周期短、便于工业化生产，施工周期短 钢结构构件一般可以在专业化工厂由专门机具加工，钢结构构件一般可以在专业化工厂由专门机具加工，生产效率高，且不受气候影响。生产效率高，且不受气候影响。1.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点4 4、密闭性好，不渗漏、密闭性好，不渗漏 钢材本身组织致密，因而具有良好的气密性和水钢材
5、本身组织致密，因而具有良好的气密性和水密性。密性。5 5、良好的加工性能和焊接性能、良好的加工性能和焊接性能6 6、可重复使用性、可重复使用性1.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点7 7、耐热性较好，耐火性差、耐热性较好，耐火性差 钢材在表面温度不超过钢材在表面温度不超过200时时, ,其性能变化很小其性能变化很小, ,因而适合于热车间。温度超过因而适合于热车间。温度超过200以后，强度和弹性以后，强度和弹性模量显著下降。达模量显著下降。达600 时时, ,钢材进入塑性状态已不能钢材进入塑性状态已不能承载。承载。1.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点 新建钢结构，一般都需要
6、采用油漆、喷铝、镀锌等新建钢结构，一般都需要采用油漆、喷铝、镀锌等进行防锈涂装，在涂装前需认真除锈，以后定期涂装，进行防锈涂装，在涂装前需认真除锈，以后定期涂装，所以维修费用较高，这是钢结构的主要缺点。所以维修费用较高，这是钢结构的主要缺点。8 8、耐腐蚀性差、耐腐蚀性差1.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点 在动荷载作用下，钢结构容易因震动而产生噪声，在动荷载作用下，钢结构容易因震动而产生噪声，在对环境有要求的场所需采用必要的消声措施。在对环境有要求的场所需采用必要的消声措施。9 9、低温冷脆倾向、低温冷脆倾向1010、容易发生噪声、容易发生噪声第第1.21.2节节 钢结构的设计方
7、法钢结构的设计方法1. 1. 概述概述2. 2. 概率极限状态设计法概率极限状态设计法3. 3. 规范设计表达式规范设计表达式1.1.了解钢结构的设计准则和设计方法了解钢结构的设计准则和设计方法本节目录本节目录基本要求基本要求2.2.掌握现行规范设计方法和设计表达式掌握现行规范设计方法和设计表达式 1.2.1 1.2.1 概述概述1 1、设计目的、设计目的 结构设计的目的是要使设计的结构和结构构件在施结构设计的目的是要使设计的结构和结构构件在施工和工作过程中均能满足各种预定功能的要求。工和工作过程中均能满足各种预定功能的要求。 建筑结构功能包括：建筑结构功能包括： （1 1）安全性）安全性 （
8、2 2）适用性）适用性 （3 3）耐久性）耐久性2 2、设计准则设计准则 结构由各种荷载所产生的效应结构由各种荷载所产生的效应( (内力和变形内力和变形) )不大于不大于结构结构( (包括连接包括连接) )由材料性能和几何因素等所决定的抗力由材料性能和几何因素等所决定的抗力或规定限值。或规定限值。3 3、设计设计方法方法 （1 1）容许应力方法）容许应力方法 (1-1)kfk式中式中 由标准荷载与构件截面公称尺寸所由标准荷载与构件截面公称尺寸所 计算的应力；计算的应力； fk构件截面几何特征；构件截面几何特征； K大于大于1的安全系数；的安全系数； 钢材的容许应力。钢材的容许应力。 （2 2）
9、概率极限状态设计方法）概率极限状态设计方法 根据应用概率分析程度的不同，可分为三种水准根据应用概率分析程度的不同，可分为三种水准： 半概率极限状态设计方法半概率极限状态设计方法; ; 近似概率极限状态设计方法近似概率极限状态设计方法; ; 全概率设计方法全概率设计方法。3 3、设计设计方法方法1.2.2 1.2.2 概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法1 1、半经验半概率极限状态设计法、半经验半概率极限状态设计法 123-(1 2)ykykffK K KK式中式中 K1 荷载系数；荷载系数； K2 材料系数材料系数; ; K3 调整系数；调整系数； fyk 钢材的屈服强度标准值；钢材的屈服
10、强度标准值； 钢材容许应力。钢材容许应力。2 2、近似概率极限状态设计法、近似概率极限状态设计法 极限状态：极限状态：当结构或其组成部分超过某一当结构或其组成部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态称为该功能的极限状态。此特定状态称为该功能的极限状态。现行钢结构设计规范现行钢结构设计规范（GB500172003）采用该法。采用该法。(1)(1)极限状态的概念极限状态的概念(2) (2) 极限状态分为两类极限状态分为两类b.b.正常使用正常使用极限状态极限状态: : 包括：包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常影响正常使用或
11、外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。坏等状态。a.a.承载能力承载能力极限状态极限状态: : 包括：包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。 结构的工作性能可用结构的结构的工作性能可用结构的“功能函数功能函数”来描述，来描述，一般情况：一般情况： Zg（x1，x2，xn） （1-3）(3) (3) 功能函数和极限状态方程功能函数和极限状态方程式中式中 g（） 结构的功能函数；结构的功能函数； xi(i1,
12、2,n) 影响结构可靠性的各物理量。影响结构可靠性的各物理量。 为简化，将各因素概括为两个综合随机变量为简化，将各因素概括为两个综合随机变量结构结构抗力抗力R和和作用效应作用效应S，则式（，则式（1-31-3）可写成：）可写成： Zg（R，S）RS （1-4） 在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：在实际工程结构中，可能出现下列三种情况： Z0 表示结构处于表示结构处于可靠可靠状态状态 Z0 表示结构处于表示结构处于极限极限状态状态 Z0 表示结构处于表示结构处于失效失效状态状态 判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，为此，通常将下式：为此，
13、通常将下式： Zg（R，S）RS=0 ( (1-5) )称为极限状态方程。称为极限状态方程。(4) (4) 结构可靠度和失效概率结构可靠度和失效概率 可靠度可靠度是指结构在规定的时间内、规定的条件下，是指结构在规定的时间内、规定的条件下，完成预定功能的概率。完成预定功能的概率。 结构能完成预定功能的概率结构能完成预定功能的概率( (可靠度可靠度) )用用Ps表示，则：表示，则： 结构不能完成预定功能的概率结构不能完成预定功能的概率( (失效概率失效概率) )用用Pf表示，表示，则：则： 由于事件由于事件Z0与事件与事件Z0是对立事件，所以是对立事件，所以结构的可靠度与结构的失效概率满足结构的可
14、靠度与结构的失效概率满足: : PsPZ0 （1-6） PfPZ0 （1-7） PsPf1 或或 Ps1- Pf （1-8） 已知已知Z Z的概率密度曲线的概率密度曲线 fz(z) 如图如图1.2.1，则失效概率，则失效概率可用积分求得：可用积分求得：fz z(z(z) )Pf fz z图图1.2.1 1.2.1 Z的概率密度曲线的概率密度曲线Z=R-S Z0(0)( )(1 9)fPP Zf Z dZ(5) (5) 可靠指标可靠指标 因因Z的分布很难得到，因此式的分布很难得到，因此式（1-9）实际上很难求实际上很难求出，这使概率设计法一直不能付诸实用。出，这使概率设计法一直不能付诸实用。 2
15、0世纪世纪60年代末期，美国学者康奈尔提出系统的一年代末期，美国学者康奈尔提出系统的一次二阶矩设计方法，才使得概率设计法进入实用阶段。次二阶矩设计方法，才使得概率设计法进入实用阶段。 一次二阶矩法不直接计算一次二阶矩法不直接计算Pf ，通过可靠指标，通过可靠指标度量。度量。可靠指标可靠指标22RSZZRS（1-101-10）Z Z服从标准正态分布时，服从标准正态分布时，与与Pf的关系为：的关系为：式中式中: : ( () )标准正态函数；标准正态函数； -1-1( () )标准正态函数的反函数。标准正态函数的反函数。1ff(1)(111)()(112)PP 从图从图1.2.11.2.1中可以看
16、出中可以看出与失效概率与失效概率Pf 间存在着一一间存在着一一对应关系，即对应关系，即: : 1 1）减小时，阴影部分的面积增大减小时，阴影部分的面积增大， 即失效概率即失效概率Pf增大增大；说明说明可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。 2 2）增大时，阴影部分的面积减少增大时，阴影部分的面积减少， 亦即失效概率亦即失效概率Pf 减小减小。2.52.73.23.74.2Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5正态分布时可靠指标和失效概率的对应关系正态分布时可靠指标和失效概率的对应关系 计算避开了计算避开了Z的全分布的推求，而
17、只需要分布特的全分布的推求，而只需要分布特征值，即一阶原点矩和二阶中心矩，故此得名。征值，即一阶原点矩和二阶中心矩，故此得名。 3 3、全概率极限状态设计法、全概率极限状态设计法 对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结构最程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。优失效概率作为结构可靠度的直接度量。1.2.3 1.2.3 规范设计表达式规范设计表达式 为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不直接使用不直接使用进行设计，
18、而是进行设计，而是采用以概率理论为基础的采用以概率理论为基础的极限状态设计方法极限状态设计方法( (疲劳问题除外疲劳问题除外) )，用分项系数的表达，用分项系数的表达式进行计算式进行计算； 结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式考虑的形式考虑。 我国规范分别按承载能力和正常使用极限状态设计我国规范分别按承载能力和正常使用极限状态设计给出表达式。给出表达式。1 1、承载能力极限状态分项系数表达式、承载能力极限状态分项系数表达式1012()1 13nGkQ kQikGQciiQif （）1()(1 14)nGkQikoGQiciif 可变荷载
19、效应起控制作用时：可变荷载效应起控制作用时：永久荷载效应永久荷载效应起控制作用时：起控制作用时： 对于一般排架和框架结构：对于一般排架和框架结构：01(1 15)()nGGkQiQikif （1 1）永久荷载分项系数）永久荷载分项系数 G当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时 对可变荷载效应控制的组合，应取对可变荷载效应控制的组合，应取1.2 对永久荷载效应控制的组合，应取对永久荷载效应控制的组合，应取1.35当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时 一般情况下应取一般情况下应取1.0 对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。（2 2）可变荷载的分项系数）
20、可变荷载的分项系数 Q Q 一般情况下应取一般情况下应取1.4； 对标准值大于对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活的工业房屋楼面结构的活荷载，标准值应取荷载，标准值应取1.3。f 钢材或连接材料强度设计值钢材或连接材料强度设计值; ;fk 钢材或连接材料强度标准值钢材或连接材料强度标准值; ; R钢材或连接材料抗力分项系数，钢材或连接材料抗力分项系数， 对于对于Q235钢钢, , R R =1.087; =1.087; 对于对于Q345、Q390、Q420钢钢, , R R=1.111=1.111。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值
21、。(116)kRfRfA其中：其中：式中：式中：2 2、正常使用极限状态、正常使用极限状态 对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的规定组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。 12 (1-17 ) nGkQ kciQiKi 式中：式中：Gk 永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；Q1k起控制作用的第起控制作用的第1个可变荷载的标准值在
22、结构或结构构件个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；Qik 其他第其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值； 结构或结构构件的变形容许值。结构或结构构件的变形容许值。第第1.31.3节节 钢结构的设计规范钢结构的设计规范1. 1. 概述概述2. 2. 主要设计规范主要设计规范1.1.了解与钢结构有关的主要设计规范了解与钢结构有关的主要设计规范本节目录本节目录基本要求基本要求1.3.1 1.3.1 概述概述1 1、什么是设计规范、什么是设计规范 设计规范是国家颁布的关
23、于设计计算和构造要求的设计规范是国家颁布的关于设计计算和构造要求的技术规定和标准，是带有一定约束性和立法性的文件。技术规定和标准，是带有一定约束性和立法性的文件。2 2、颁布设计规范的目的、颁布设计规范的目的 （1 1）贯彻国家技术经济政策、保证设计的质量，达）贯彻国家技术经济政策、保证设计的质量，达到方法上必要的统一化和标准化。到方法上必要的统一化和标准化。 （2 2）设计、校核、审批工程结构的依据。）设计、校核、审批工程结构的依据。1.3.2 1.3.2 主要设计规范主要设计规范与钢结构设计有关的一些规范与钢结构设计有关的一些规范： GB500172003 钢结构设计规范钢结构设计规范 T
24、B10002.2-2005 铁路桥梁钢结构设计规范铁路桥梁钢结构设计规范 GB50009-2001 建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范 GB50018-2002 冷弯薄壁型钢结构技术规范冷弯薄壁型钢结构技术规范 GB50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范钢结构工程施工质量验收规范 JTJ025-86 公路桥涵钢结构及木结构设计规范公路桥涵钢结构及木结构设计规范 GB50017-2003是我国进行房屋建筑和一般构筑物钢是我国进行房屋建筑和一般构筑物钢结构设计必须遵循的现行国家标准，适用于热轧钢材建结构设计必须遵循的现行国家标准，适用于热轧钢材建筑的钢结构，规范中对钢结构的设计原则、采用的
25、钢材筑的钢结构，规范中对钢结构的设计原则、采用的钢材要求、各种设计指标、三大基本构件的计算内容和要求，要求、各种设计指标、三大基本构件的计算内容和要求，连接计算方法、构造要求以及疲劳计算等都做了明确的连接计算方法、构造要求以及疲劳计算等都做了明确的规定，供设计人员遵照执行。规定，供设计人员遵照执行。第第1.41.4节节 钢结构的应用和发展钢结构的应用和发展1. 1. 钢结构的应用概况钢结构的应用概况2. 2. 钢结构的发展钢结构的发展3. 3. 钢结构应用示例钢结构应用示例1.1.了解钢结构的应用和发展了解钢结构的应用和发展本节目录本节目录基本要求基本要求1.4.1 1.4.1 钢结构的应用概
26、况钢结构的应用概况 根据根据钢结构的钢结构的特点，它主要适用于下列结构：特点，它主要适用于下列结构： （1 1）承受荷载很大或跨度大，高度大的结构）承受荷载很大或跨度大，高度大的结构 （2 2）承受动力荷载作用或经常移动的结构）承受动力荷载作用或经常移动的结构 （3 3）经常拆装的拼装式结构）经常拆装的拼装式结构 （4 4）对密闭性要求高的结构）对密闭性要求高的结构 （5 5）高温车间或需承受一定高温的结构）高温车间或需承受一定高温的结构 （6 6）轻型结构）轻型结构属于上述性质的主要有下列结构属于上述性质的主要有下列结构: : （1 1）工业与民用建筑结构）工业与民用建筑结构 高层建筑框架；
27、车站、会堂、体育馆、车库等大跨高层建筑框架；车站、会堂、体育馆、车库等大跨度屋盖结构；大厂房、车间的度屋盖结构；大厂房、车间的 承重柱、屋盖、吊车梁。承重柱、屋盖、吊车梁。 （2 2）桥梁结构）桥梁结构 中等跨度或大跨度的铁路桥、公路桥、栈桥等各种中等跨度或大跨度的铁路桥、公路桥、栈桥等各种桥的桥跨结构。桥的桥跨结构。 （3 3）塔桅结构）塔桅结构 电视塔、发射塔、气象塔、无线电桅杆等。电视塔、发射塔、气象塔、无线电桅杆等。 （4 4）移动式结构）移动式结构 各种起重运输机械、和大型建筑机械的各种起重运输机械、和大型建筑机械的 承重骨架，承重骨架，升船机、水工闸门等。升船机、水工闸门等。 （5
28、 5）板壳结构）板壳结构 管道、气柜、高炉结构、高压容器等。管道、气柜、高炉结构、高压容器等。 （6 6）轻型）轻型和临时和临时结构结构 钢模板、钢拱架、万能杆件、拆装梁（如六四梁）钢模板、钢拱架、万能杆件、拆装梁（如六四梁）等等 。 1.4.2 1.4.2 钢结构的发展钢结构的发展 18世纪欧洲工业革命后，钢结构在欧洲各国的应用世纪欧洲工业革命后，钢结构在欧洲各国的应用逐渐增多，而我国钢结构的发展非常缓慢。逐渐增多，而我国钢结构的发展非常缓慢。 新中国成立后，由于受到钢产量的制约，钢结构仅新中国成立后，由于受到钢产量的制约，钢结构仅在重型厂房、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构在重型厂房、
29、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中采用。中采用。 改革开放以来，钢结构产量开始逐渐增加。改革开放以来，钢结构产量开始逐渐增加。1996年年我国的钢产量超过一亿吨，我国的钢产量超过一亿吨，2003年达到创记录的年达到创记录的2.2亿吨，亿吨，2005年上升到年上升到3.5亿吨。亿吨。 伴随钢结构产量的增加，伴随钢结构产量的增加，钢结构政策从限制使用改钢结构政策从限制使用改为积极合理的推广应用为积极合理的推广应用。钢结构在现代应用的领域更加钢结构在现代应用的领域更加多元化，包括大跨结构、工业厂房、受动力荷载影响的多元化，包括大跨结构、工业厂房、受动力荷载影响的结构、多层和高层建筑、高耸结构、可
30、拆卸结构、容器结构、多层和高层建筑、高耸结构、可拆卸结构、容器构筑物以及钢和混凝土的组合结构构筑物以及钢和混凝土的组合结构等。等。钢结构的主要发展方向：钢结构的主要发展方向： （1 1）高性能钢材的研制）高性能钢材的研制高强，耐腐蚀，耐火钢高强，耐腐蚀，耐火钢 （2 2）计算理论和设计方法的改进）计算理论和设计方法的改进 （3 3）结构体系的革新和新型连接形式的研究）结构体系的革新和新型连接形式的研究 （4 4）结构优化理论的应用和设计计算手段的改变）结构优化理论的应用和设计计算手段的改变 （5 5）机械化制造与安装的现代化水平的提高）机械化制造与安装的现代化水平的提高 （6 6）型钢品种的丰
31、富）型钢品种的丰富1.4.3 1.4.3 钢结构应用示例钢结构应用示例 1 1、建筑结构、建筑结构 图图1.4.1 1.4.1 国家大剧院国家大剧院网壳结构网壳结构图图1.4.2 1.4.2 国家体育馆国家体育馆鸟巢鸟巢图图1.4.3 1.4.3 苏州乐园宇宙大战馆球体屋面苏州乐园宇宙大战馆球体屋面穹顶穹顶图图1.4.41.4.4台北台北 101101大楼，大楼，508508m高，高，20042004年建成。年建成。图图1.4.51.4.5金茂大厦金茂大厦8888层层420.5420.5米高米高19991999年建成。年建成。图图1.4.61.4.6深圳地王大厦深圳地王大厦6969层层3843
32、84m高高19991999年建成。年建成。图图1.4.7 1.4.7 单层工业厂房单层工业厂房图图1.4.8 1.4.8 多层工业厂房多层工业厂房2 2、桥梁结构、桥梁结构图图1.4.9 1.4.9 卢浦大桥，主跨卢浦大桥，主跨550550m ，20032003年年 图图1.4.10 1.4.10 润扬长江大桥，润扬长江大桥，20052005年年 图图1.4.11 1.4.11 苏通长江大桥苏通长江大桥 图图1.4.12 1.4.12 芜湖长江大桥，主跨芜湖长江大桥，主跨312m312m，20002000年年图图1.4.13 1.4.13 自锚式悬索桥自锚式悬索桥图图1.4.141.4.14巴
33、黎艾菲尔铁塔巴黎艾菲尔铁塔 3 3、塔结构、塔结构东东方方明明珠珠电电视视塔塔图图1.1.4.4.1515 4 4、可拆卸和移动结构、可拆卸和移动结构图图1.4.16 1.4.16 活动桥活动桥图图1.4.17 1.4.17 活动车库活动车库图图1.4.18 1.4.18 架桥机架桥机图图1.4.191.4.19 挂篮挂篮第第1.51.5节节 本课程的主要内容和特点本课程的主要内容和特点1.1.钢结构课程特点及与其它前续课程的联系钢结构课程特点及与其它前续课程的联系2. 2. 本课程的学习方法本课程的学习方法1.1.了解本课程的特点和重要性了解本课程的特点和重要性本节目录本节目录基本要求基本要
34、求1.5.1 1.5.1 钢结构课程特点及与其它前续课程的联系钢结构课程特点及与其它前续课程的联系1 1、 本课程特点：本课程特点： 上篇是土木工程专业的一门专业基础课程，下篇是上篇是土木工程专业的一门专业基础课程，下篇是建筑工程方向的专业课程，本课程具有如下特点：建筑工程方向的专业课程，本课程具有如下特点： （1 1）内容庞杂，理论性和实践性强）内容庞杂，理论性和实践性强 （2 2）与设计规范关系紧密）与设计规范关系紧密 （3 3）题型多，包括设计、复核和确定承载力）题型多，包括设计、复核和确定承载力2 2、 与前续课程联系与前续课程联系 “钢结构钢结构”和和“材料力学材料力学”的联系最为紧
35、密，但材的联系最为紧密，但材料力学更侧重理论探讨，而料力学更侧重理论探讨，而“钢结构钢结构”需要站在设计的需要站在设计的角度来考虑，因此必须符合相应的规范要求。角度来考虑，因此必须符合相应的规范要求。 同时，由于钢材本身接近理想弹塑性体，所以钢结同时，由于钢材本身接近理想弹塑性体，所以钢结构课程的理论性强，许多内容要用到弹塑性力学的知识。构课程的理论性强，许多内容要用到弹塑性力学的知识。1.5.2 1.5.2 本课程的学习方法本课程的学习方法 （1 1）注重加强对基本理论和基本概念的理解）注重加强对基本理论和基本概念的理解 （2 2）采用归纳、分析和比较）采用归纳、分析和比较 （3 3）注重习
36、题和课程设计训练）注重习题和课程设计训练 （4 4）联系工程实践）联系工程实践1.了解钢材的破坏形了解钢材的破坏形式和主要性能。式和主要性能。2.了解影响钢材性能了解影响钢材性能的主要因素。的主要因素。3.了解钢材疲劳破坏了解钢材疲劳破坏及计算方法。及计算方法。4.了解钢材的种类及了解钢材的种类及选用原则要求。选用原则要求。2.1 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求2.2 2.2 钢材的破坏形式钢材的破坏形式2.3 2.3 钢材的主要性能钢材的主要性能2.4 2.4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2.5 2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材
37、的屈服条件2.6 2.6 钢材的疲劳钢材的疲劳2.7 2.7 钢的种类和钢材的规格钢的种类和钢材的规格本章目录本章目录基本要求基本要求第第2.12.1节节 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求1. 1. 概述概述2. 2. 钢结构对材料的基本要求钢结构对材料的基本要求了解钢结构对材料性能的基本要求了解钢结构对材料性能的基本要求 本节目录本节目录基本要求基本要求2.1.1 2.1.1 概述概述 含碳量小于含碳量小于2的铁碳合金称作钢，含碳量大于的铁碳合金称作钢，含碳量大于2时称作铁。钢材种类繁多，性能差别很大，适用于钢结时称作铁。钢材种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构只是其中一小部分。构只是其
38、中一小部分。（1 1）较高的抗拉强度）较高的抗拉强度 fu和屈服点和屈服点 fy；（2 2）较好的塑性、韧性；）较好的塑性、韧性；（3 3）良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；）良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；（4 4）对环境的良好适应性。）对环境的良好适应性。2.1.2 2.1.2 钢结构对材料的基本要求钢结构对材料的基本要求第第2.22.2节节 钢材的破坏形式钢材的破坏形式钢材的两种破坏形式钢材的两种破坏形式了解钢材的破坏形式和特点了解钢材的破坏形式和特点 本节目录本节目录基本要求基本要求2.2.1 2.2.1 钢材的两种破坏形式钢材的两种破坏形式破坏形式破坏形式特特 征征断断 口
39、口后后 果果塑性破坏塑性破坏构件应力超过屈服构件应力超过屈服点，并且达到抗拉点，并且达到抗拉极限强度后，构件极限强度后，构件产生明显的变形并产生明显的变形并断裂。断裂。断裂时断口与断裂时断口与作用力方向呈作用力方向呈4545，呈纤维，呈纤维状，色泽发暗状，色泽发暗在破坏前有很明在破坏前有很明显的变形，并有显的变形，并有较长的变形持续较长的变形持续时间，便于发现时间，便于发现和补救。和补救。脆性破坏脆性破坏在破坏前无明显变在破坏前无明显变形，平均应力也小形，平均应力也小（一般都小于屈服（一般都小于屈服点），没有任何预点），没有任何预兆。兆。断口平直并呈断口平直并呈有光泽的晶粒有光泽的晶粒状。状。
40、突然发生的，危突然发生的，危险性大，应尽量险性大，应尽量避免。避免。第第2.32.3节节 钢材的主要性能钢材的主要性能1. 1. 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能2. 2. 冷弯性能冷弯性能3. 3. 冲击韧性冲击韧性掌握钢材的主要力学性能要求及含义掌握钢材的主要力学性能要求及含义本节目录本节目录基本要求基本要求2.3.1 2.3.1 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能1 1、钢材在单向一次拉伸下的工作性能、钢材在单向一次拉伸下的工作性能试验条件：标准试件试验条件：标准试件（GB/T228），），常温常温（205）下缓慢加载，一次完成。含碳量为下缓慢加载，一次完成
41、。含碳量为0.1%0.3%。标准试件：标准试件：Lo/d=5或或10；Lo- - -标距；标距；d - - -直径直径图图2.3.12.3.12 2、有明显屈服点钢材的、有明显屈服点钢材的-曲线曲线ufOPfEBCDAGyfH图图2.3.22.3.22 2、有明显屈服点钢材的、有明显屈服点钢材的-曲线曲线图图2.3.32.3.3 可划分为以下五个阶段：可划分为以下五个阶段： (1)(1)弹性阶段弹性阶段( (OB段段) )OA段材料处于纯弹性，即段材料处于纯弹性，即: :EAB段有一定的塑性变形段有一定的塑性变形, , 但整个但整个OB段卸载时段卸载时 = 0弹性模量：弹性模量：E=20610
42、3N/mm2其中，其中，A点应力点应力 f p称为比例极限。称为比例极限。(2)(2)弹塑性阶段弹塑性阶段（BC段段) ) 该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留下永久的残余变形。下永久的残余变形。(3)(3)塑性阶段塑性阶段（CD段段) ) 该段该段基本保持不变（水平基本保持不变（水平),),急剧增大急剧增大, ,称为屈服称为屈服台阶。变形模量台阶。变形模量E = 0。 该段应力最高点和最低点分别称为上屈服点和下该段应力最高点和最低点分别称为上屈服点和下屈服点，下屈服点比较稳定，设计中则以下屈服点为屈服点，下屈服点比较稳定，设计中则以下屈服点为依
43、据。依据。（4 4）强化阶段强化阶段( (DG段段) ) 当应力达到当应力达到G G点时，出现颈缩现象，至点时，出现颈缩现象，至H点而断裂。点而断裂。 随荷载的增加随荷载的增加缓慢增大缓慢增大, ,但但增加较快。曲线最增加较快。曲线最高点处高点处G点的应力点的应力 fu称为抗拉强度或极限强度。称为抗拉强度或极限强度。（5 5）颈缩破坏阶段颈缩破坏阶段( (GH段段) )3 3、对无明显屈服点的钢材、对无明显屈服点的钢材 高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶，高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶，塑性变形小，设计中不宜利用它的塑性。塑性变形小，设计中不宜利用它的塑性。 设计时取相当于残余
44、变形设计时取相当于残余变形为为0.2%时所对应的应力作为时所对应的应力作为屈服点屈服点称为条件屈服点或称为条件屈服点或名义屈服点名义屈服点fy=f0.20.2%fup图图2.3.42.3.44 4、应力应变曲线的简化、应力应变曲线的简化设计时将钢材简化为理想弹塑性体设计时将钢材简化为理想弹塑性体钢材在静载作用下：钢材在静载作用下： 强度计算以强度计算以fy为依据，为依据，fu为结构的安全储备。为结构的安全储备。22.5%-3%fy 1 0.15%图图2.3.52.3.55 5、单向拉伸时钢材的机械性能指标、单向拉伸时钢材的机械性能指标 （1 1）屈服点屈服点 fy 应力应变曲线开始产生塑性流动
45、应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。度设计值的重要指标。 （2 2）抗拉强度抗拉强度 fu 应力应变曲线最高点对应的应应力应变曲线最高点对应的应力力, ,它是钢材最大的抗拉强度。它是钢材最大的抗拉强度。（3 3）伸长率伸长率00100%lll当当lo/d=5时，用时，用5表示表示当当l0/d=10时，用时，用10表示表示（5 10）实际工程中以伸长率实际工程中以伸长率 代表材料断裂前具有的塑性变形能力。代表材料断裂前具有的塑性变形能力。钢材的塑性是指：当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的
46、残钢材的塑性是指：当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。试件断裂时的绝对变形值与原标距长度的百分比，用试件断裂时的绝对变形值与原标距长度的百分比，用表示。表示。（4 4）断面收缩率断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比，用面面积比值的百分比，用 表示。表示。%100110AAA式中：式中： A0 试件原来的断面面积试件原来的断面面积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积试件拉断后颈缩区的断面面积 图图2.3.62.3.6 采用短试件采用短试件l0
47、/d=3，屈服点同单向拉伸时的屈服点。，屈服点同单向拉伸时的屈服点。6 6、受压时的性能、受压时的性能7 7、受剪时的性能、受剪时的性能3279 103vyyNGmmff抗剪强度可由折算应力计算公式得到：抗剪强度可由折算应力计算公式得到：2.3.2 2.3.2 冷弯性能冷弯性能 冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标综合指标 鉴定合格指标：通过冷弯冲头加压，当试件弯曲至鉴定合格指标：通过冷弯冲头加压，当试件弯曲至180时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认
48、为试件冷弯性能合格。断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。 图图2.3.72.3.3 2.3.3 冲击韧性冲击韧性冲击韧性冲击韧性钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。 用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号Wkv或或Cv表示，单位为表示，单位为J。 冲击韧性由冲击冲击韧性由冲击韧性试验确定。韧性试验确定。图图2.3.8图图2.3.9 冲击韧性演示冲击韧性演示影响冲击韧性的因素：影响冲击韧性的因
49、素： 冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏V型和梅型和梅氏氏U型，近年来，我国冲击试验已用夏氏型，近年来，我国冲击试验已用夏氏V型代替梅氏型代替梅氏U型。型。 冲击韧性还与试验的温度有关。根据温度不同，我国钢冲击韧性还与试验的温度有关。根据温度不同，我国钢材标准中将试验分为四档，即材标准中将试验分为四档，即+20, 0，-20和和-40时的时的冲击韧性。冲击韧性。 温度越低，冲击韧性越低。温度越低，冲击韧性越低。钢材的机械性能指标钢材的机械性能指标屈服点屈服点 fy伸长率伸长率 抗拉强度抗拉强度 fu冷弯试验冷弯试验冲击韧性冲击韧性 Cv小结小结
50、第第2.42.4节节 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响1. 1. 化学成分化学成分2. 2. 冶金缺陷冶金缺陷3. 3. 钢材硬化钢材硬化1.1.了解影响钢材性能的主要因素了解影响钢材性能的主要因素本节目录本节目录基本要求基本要求2.2.了解防止脆性断裂破坏的方法了解防止脆性断裂破坏的方法 4. 4. 温度影响温度影响5. 5. 应力集中应力集中6. 6. 荷载的影响荷载的影响2.4.1 2.4.1 化学成分化学成分 普通碳素钢中普通碳素钢中Fe占占99%，C和和其他元素仅占其他元素仅占1%，但，但对钢材力学性能有着决定性的影响。对钢材力学性能有着决定性的影响。 普通低
