钢结构笔记

钢结构读书笔记第一章概述一钢结构的类型及组成单层房屋钢结构其结构体系可分为平面结构体系和空间结构体系多层房屋钢结构4545其组成体系主要有1框架体系由梁和柱组成2带支撑的框架体系即在两列柱之间设置斜撑3筒式结构体系二钢结构的应用范围九类454545重型厂房钢结构大跨度结构多层和高层建筑结构高耸结构挡水结构储罐容器及大直径管道轻型钢结构桥梁钢结构可以拆卸和搬运的结构钢混凝土组合结构三钢结构的设计方法必须满足的设计准则使所建造的结构在规定的设计使用年限内能充分满足各种预定的要求并在此基础上做到技术先进经济合理安全适用和确保质量建筑结构的功能要求和可靠度功能要求1安全性2适用性3耐久性结构的可靠性和可靠度安全性适用性和耐久性之和称为结构的可靠性统一标准规定临时结构5年易于替换的结构构件25年普通房屋和构筑物50年纪念性建筑和特别重要的建筑100年可靠度即可靠性的指标钢结构的极限状态指结构或构件能满足设计规定的某一功能的临界状态其分以下两类承载能力极限状态它是对应于结构或结构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形当出现下列状态之一时即认为达到了承载能力极限状态整个结构或结构的一部分作为刚性失去平衡如倾覆等结构构件或连接因应力超过材料强度的限值而破坏包括疲劳破坏或因过度的塑性变形而不适于继续承载结构转变为机动体系结构或结构构件丧失稳定如屈曲等当整个结构或部分结构构件达到承载能力极限时结构即将破坏正常使用极限状态指达到正常使用或耐久性能的某项规定限值时的极限状态当达到此值时虽然结构或构件仍具备继续承载的能力但在正常荷载下产生的变形已使结构或构件不适于继续使用故正常使用极限状态也称为变形极限状态当出现下列状态之一时即认为达到了正常使用极限状态影响正常使用和外观的变形影响正常使用或耐久性的局部损坏包括裂缝等影响正常使用的振动影响正常使用的其他特定状态当达到正常使用极限状态时结构或构件便会不适于正常使用但不一定马上产生破坏钢结构还有一种特殊情况在特定条件下出现低应力状态的脆性断裂材质低劣构造不合理和低温等因素都会促成这种断裂承载能力极限状态绝大多数是不可逆的一旦发生就导致结构失效因而必须慎重对待正常使用极限状态中的变形和振动限制通常都在弹性范围内并且是可逆的对于可逆的极限可靠度方面的要求可以放宽些设计方法分两类4545传统的容许应力设计法不一定做到经济合理概率极限状态设计法在结构的可靠与经济之间选择的一种合理的平衡的设计方法四钢结构的发展国家的政策加大推广应用钢结构的力度规定了7点内容高强度钢材的研制开发普遍用的4545Q235普碳结构钢Q345Q390Q420低合金高强度结构钢其中Q420为新增钢种采用高强度钢材可用较少的材料做成高效的结构连接材料焊条与高强度钢材相适应焊条为E43E50E55高强度螺栓35号45号经热处理后成为88级螺栓20MnTiB钢制成109级螺栓新品种型钢H型钢T型钢压型钢板彩色涂层压型钢板和镀锌压型钢板保温材料聚氨酯塑料与压型板组成合成板作为外墙板屋面板在轻型厂房中使用广泛其自重仅10kgm2彩色涂层板可直接做屋面板和墙板镀锌板可用于高层建筑的组合楼盖即在其上浇灌混凝土可代替模板又可起抗拉钢筋作用承受拉力拱型波纹钢板即热镀锌钢板U形或梯形波纹直槽板是我国目前发展比较快的一种物盖结构采用新型结构薄壁型钢结构悬索结构悬挂结构网架结构预应力钢结构和钢混凝土组合结构这些结构适用于轻型大跨度建筑高层建筑对减少用钢量有重要意义发展钢结构施工工艺计算机放样自动切割计算机打钻孔技术药芯焊丝自保护焊惰性气体保护焊埋弧焊多头焊床自动或半自动焊接设备提高厚板和薄板的焊接技术应用优化设计原理构件的定型化系列化产品化第二章钢结构材料及其性能一钢结构对所用材料的要求较高的强度足够的变形能力良好的加工性能二建筑钢材的两种破坏形式塑性破坏脆性破坏钢结构不能用脆性材料如铸铁来制造因为没有明显变形的突然断裂会造成恶性后果三建筑钢材的主要性能及其质量控制钢材的主要性能力学性能454545强度屈服点和抗拉强度两项重要指标塑性和韧性等工艺性能4545冷弯性能和可焊性均需由试验测定可焊性碳含量在012020内的碳钢可焊性较好当碳含量大于038小于045时需要采取预热措施并注意控制施焊工艺钢材的可焊性的优劣实际是指钢材在采用一定的焊接方法焊接材料焊接工艺参数及一定的结构形式等条件下获得合格焊缝的难易程度可焊性较差的钢材则要更为严格的工艺措施建筑钢材的质量控制根据钢结构工程施工质量验收规范对进入现场的主要材料零部件成品件标准件等产品包括焊接材料需要进场验收即检查钢材的质量合格证明文件中文标志及检验报告确认钢材包括焊接材料的品种规格性能是否符合相关标准要求等对属于下列情况之一的钢材应进行抽样复检1国外进口钢材2钢材混批3板厚等于或大于40mm且设计有Z向性能要求的厚板4建筑结构安全等级为一级大跨度钢结构中主要受力构件所采用的钢材5设计有复验要求的钢材6对质量有异议的钢材钢材质量的抽样检验应由具有相应资质的质检单位进行四影响钢材性能的主要因素1化学成分的影响CMnSiVNbTiAlCrNiSPON其中SPON为有害元素沸腾钢是以脱氧能力较弱的Mn为脱氧剂因脱氧不够充分钢水中氧化铁和碳反应形成CO和ON等气体从钢中逸出钢水剧烈沸腾故称沸腾钢沸腾钢塑性韧性及可焊性较差镇静钢是以脱氧能力较强的Si为脱氧剂钢种有害气体容易逸出浇铸时钢水表面平静故称镇静钢镇静钢塑性韧性及可焊性比沸腾钢好半镇静钢脱氧程度介于沸腾钢与镇静钢之间但影响其材质的因素比较复杂需要有相当成熟的操作经验特殊镇静钢是在用MnSi脱氧之后再加Al或Ti进行补充脱氧因而其性能得到进一步的明显改善尤其是可焊性显著提高2轧制的影响3热处理一般钢材以热轧状态交货某些高强度钢材则在轧制后经过热处理才出厂正火淬火回火对于高强度钢材如Q420Q460的CDE级钢其交货状态中包括有淬火加回火的状态Q460NH也有淬火加回火的状态交货其他强度级别一般只是热轧控轧或正火状态交货4钢材硬化的影响冷作硬化时效硬化5温度的影响当温度从常温升至200C以内时钢材的性能没有多大变化超过200C尤其是在43045540C之间钢材的屈服点抗拉强度及弹性模量均急剧下降到600C时强度很低不能继续承载所以钢结构是一种不耐火的结构规范对于受高温作用的钢结构根据不同情况采取相应措施当结构可能受到热熔化的金属的侵害时应采取砖或耐热材料做成的隔热层加以保护当结构的表面长期受辐射热达150C以上或在短时间内可能受到火焰时应采取有效的防护措施蓝脆现象指温度在250C左右的区间内抗拉强度fu有局部性提高屈服点fy也有回升现象同时塑性有所降低钢材性能转脆且钢材表面氧化膜为蓝色在蓝脆温度区加工钢材可能引起裂纹故应避免在这个温度区进行热加工徐变现象约260320C有此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以规定150C为宜超过需加隔热保护层目前国内外已开发出具有一定耐火性能的钢材如宝钢的耐火钢系列和耐候耐火系列产品在600C高温下屈服点下降幅度不大于其标准值的13可减少或省去外涂或外包防火材料低温规范要求在低温工作的结构尤其是焊接结构应保证钢材在低温下如0C20C冲击韧性值合格6应力集中的影响采取圆弧过渡或必要时的表面加工处理材料本身的初应力或残余应力也是一种原因7残余应力的影响在热轧气割焊接的加热和冷却过程中产生在先冷部分常形成压应力而后冷部分则形成拉应力五钢材在多轴应力作用下的工作性能六钢材的疲劳钢材发生疲劳破坏的先决条件是形成裂缝钢材疲劳破坏后的截面断口一般具有光滑的和粗糙的两个区域光滑部分表现出裂缝扩张和闭合的过程是由于裂缝逐渐发展引起的说明疲劳破坏经过一定的历程粗糙部分表明钢材最终断裂一瞬间的脆性破坏性质七钢材的品种与选用1普通碳素结构钢按屈服点可分为4种Q195Q215Q235Q275其强度由低到高排列质量由低到高等级分为ABCD四级AB级分沸腾钢镇静钢C级全为镇静钢D级全为特殊镇静钢碳素结构钢牌号由代表屈服点的字母屈服点数值质量等级符号脱氧方法符号等四部分组成如Q235AF含义为Q钢材屈服点ABCD为质量等级F为沸腾钢Z镇静钢TZ特殊镇静钢其中Z和TZ可以省略2优质碳素结构钢15号20号15Mn2015Mn3低合金高强度结构钢Q295Q345Q390Q420Q460质量等级也分为ABCDA五级其中AB级为镇静钢CDE为特殊镇静钢其中Q295Q345Q420是规范中规定的钢种4耐大气腐蚀用钢耐候钢一般加入CuPCrNi等在金属表面形成一种致密的防腐薄膜焊接结构耐候钢共分Q235NHQ295NHQ355NHQ460NH四种其厚度可达100毫米5桥梁用结构钢Q345qC或Q345QD原16Mnq等并增加了碳含量规定和厚钢板的探伤规定另外高层建筑结构用钢板中的Q235GJQ345GJ和Q235GJZQ345GJZZ表示Z向钢板等由于其机械性能优于一般钢种故也适用于钢结构八钢材的选用1选用钢材应考虑的主要因素1结构的类型和重要程度根据建筑结构可靠度设计统一标准按其用途部位和破坏后果的严重性可分为重要的一般的和次要的三类相应的安全等级为一二三级2荷载的性质分承受静力荷载和承受动力荷载状态在承受动力荷载的结构中又有经常满载和不经常满载的区别3连接方法焊接和非焊接4工作环境5构件的受力性质对拉应力比对压应力影响大对经常承受拉力的构件应选择质量较好的钢材2钢材的具体选用规定1承重结构的钢材应具有抗拉强度伸长率屈服强度和SP含量的合格保证对焊接结构应具有碳含量的合格保证合称三项保证2焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材还应具有冷弯试验的合格保证合称四项保证3对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证合称五项保证当结构工作温度等于或低于0C但高于20C时Q235和Q345应具有0C冲击韧性的合格保证合称六项保证即需用C级钢Q390和Q420应具有20C冲击韧性的合格保证即需用D级钢当结构工作温度等于或低于20C时钢材的质量级别还要提高一级Q235和Q345应具有20C冲击韧性的合格保证合称七项保证的D级钢而Q390和Q420应具有40C冲击韧性的合格保证的E级钢4非焊接结构发生脆性断裂的危险性比焊接结构小对材质的要求比焊接结构小但需要验算的钢材仍应具有常温冲击韧性的合格保证当结构工作温度等于或低于20C时Q235和Q345需用C级钢Q390和Q420应用D级钢5当选用Q235AB级钢时还需选用钢材的脱氧方式一般情况都用镇静钢6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符合现行相关的国家标准且应与主体金属的强度相适应3建筑钢材的规格钢结构件一般宜直接选用型钢这样可以减少制造工作量降低造价型钢尺寸不够或构件很大时才用钢板制作钢板图纸用符号表示分为以下几种1热轧钢板和钢带板厚054545200mm宽600452000mm长度1200456000mm钢带厚12454525mm宽600451900mm2冷轧钢板和钢带板厚0245455mm宽600452000mm长度1200452300mm钢带宽度不小于600mm3花纹钢板4高层建筑结构用钢板热轧型钢1角钢等边和不等边等边角钢表示为如10010表示肢宽100肢厚10的等边角钢不等边角钢表示为101008010表示长肢宽100短肢宽80肢厚10的不等边角钢2工字钢根据国家标准热轧普通工字钢以高度cm编号符号分别用工表示2028号的普通工字钢同一号数中又分ab两类32号以上同一号数中又分abc三类其腹板厚度和翼缘厚度分别递增2mm如工32a表示截面高度320mm腹板厚度为a类的普通工字钢我国生产的普通工字钢规格有1063号长度1020号为519m2063号为619m3槽钢1422号的普通槽钢同一号数中又分ab两类32号以上同一号数中又分abc三类其腹板厚度和翼缘厚度分别递增2mm4H型钢和剖分T型钢根据规范热轧H型钢分为四类宽翼缘H型钢HW中翼缘HM窄翼缘HN和薄壁H型钢HT如HW300300既截面高度300毫米翼缘宽度300毫米的宽翼缘H型钢热轧T型钢是由对应的H型钢沿腹部中部对等剖分而成其类别有三类宽翼缘TW中翼缘TM窄翼缘TNT型钢其规格标记与H型钢相同如TN250200表示截面高度250毫米翼缘宽度200毫米的窄翼缘剖分T型钢用剖分T型钢代替由双角钢组成的T型截面其力学性能更优制作方便交货长度应注明通常定尺为12米我国在积极推广使用H型钢5焊接H型钢表示如WH500500表示截面高度500毫米翼缘宽度500毫米的焊接H型钢W焊接的英文冷弯型钢和压型钢板1冷弯型钢方钢管等边角钢卷边等边角钢Z型钢卷边Z型钢槽钢卷边槽钢2压型钢板042mm的钢板压制而成的波纹钢板表面涂漆镀锌涂有机层又称彩色压型钢板第三章钢结构的连接1钢结构的连接方法三种焊缝连接螺栓连接铆钉连接焊缝连接除少数直接承受动力荷载结构如吊车梁的工地拼接吊车梁与柱的连接重级工作制吊车梁上翼缘与指动结构的连接等因容易疲劳破坏而在采用时宜有所限制外其他部位均可普遍采用螺栓连接88级以上的螺栓由低碳合金等高强度钢材经过热处理制成的高强度螺栓可用特制扳手88级以下的为普通螺栓可用普通扳手普通螺栓分C级和AB级螺栓两种AB级螺栓精度较高要求配用I类孔孔与螺栓空隙仅为018025mmA级用于d24和L10d或L150按较小值的螺栓B级用于d24和L10d或L150的螺栓C级不需加工只要II类孔孔与螺栓直径之差多取1520质量达不到I类孔要求的为II类孔AB两级费工价格贵在钢结构中应用很少高强度螺栓与C级螺栓相当一般用II类孔孔径比螺栓大1520摩擦型或115承压型铆钉连接不常用仅在一些重型和直接承受动力载荷的结构中偶尔采用焊接连接的特性和焊缝质量等级1建筑钢结构常用的焊接方法电弧焊分为手工电弧焊自动或半自动埋弧焊和气体保护焊手工电弧焊焊条有碳钢焊条和低合金钢焊条E43E50和E55E表示焊条数字表示焊条系列由熔敷金属的抗拉强度决定碳钢焊条采用E43E50系列低合金钢焊条E50和E55系列Q235E43Q345E50Q390和Q420埋弧焊自动或半自动埋弧焊采用没有涂料的焊丝埋入焊剂层下熔化后的焊剂浮在熔化的金属表面使之不与外界空气接触从而保护了熔化金属同时焊剂还可供给焊缝所需的必要的合金元素并且焊缝均匀改善了焊缝质量全部焊接过程自动进行时为自动埋弧焊当电焊机靠人工移动时为半自动埋弧焊自动或半自动埋弧焊适用于梁柱板等的大批量拼装制造焊缝采用的焊丝和焊剂应与主体金属强度相适应一般情况下Q235采用H08焊08或H08A焊08高焊丝Q345采用H08MnAH10Mn2和H08MnMoA焊丝二氧化碳气体保护焊是用喷枪喷出CO2气体作为电弧的保护介质是熔化金属与空气隔绝以保持焊接过程稳定其没有手工焊条药皮及埋弧焊剂产生的大量熔渣便于观察焊缝的成型过程但操作时需在室内避风处在工地需要搭防风棚气体保护焊焊接速度快熔化深度大焊缝强度高塑性好焊丝采用高Mn高Si型焊丝有较强的抗锈能力不容易产生气孔适于低碳钢低合金高强度钢的焊接尤其适用于厚板焊接可手动也可自动2焊缝形式及焊接接头形式对接焊缝坡口焊缝和角焊缝对接焊缝分焊透的和不焊透的两种焊透的对接焊缝强度高受力性能好对接焊缝通常指这种焊缝角焊缝分正交和斜交角焊缝两种后者主要用于钢管结构中直角焊缝受力性能好应用广泛角焊缝通常指直角焊缝3焊缝符号及标注在施工图上要用焊缝代号表明焊缝形式尺寸和辅助要求焊缝符号主要由引出线和表面焊缝截面形状的基本符号组成必要时还可加上辅助符号补充符号和焊缝尺寸符号4焊缝缺陷和焊缝质量检验焊缝缺陷裂纹焊瘤烧穿弧坑气孔夹渣咬边未熔合未焊透规定部分焊透者除外及焊缝外形尺寸不符合要求焊缝成型不良等焊缝质量检查检查标准为三级其中第三级只要求外观检查尺寸裂纹和咬边等对于重要结构或要求焊缝金属强度等于被焊金属强度的对接焊缝必须进行一级或二级质量检查即在外观检查的基础上再做无损检验其中二级要求用超声波检验每条焊缝的20长度一级为全部长度以揭示焊缝内部缺陷对焊缝缺陷的控制和处理见国家标准钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分析对承受动载的重要构件焊缝还可增加射线探伤规定根据结构重要性荷载特性焊缝形式工作环境及应力状态等情况分别选用不同的质量等级在需要进行疲劳计算的构件中凡对接焊缝均应焊透其质量等级为作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或T形对接与角接组合焊缝受拉时为一级受压时为二级作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝为二级不需要计算疲劳的构件中凡要求与母材等强的对接焊缝应予焊透其质量等级当受拉时不低于二级受压时为二级重级工作制和起重Q50吨的的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘之间以及吊车珩架上旋杆与节点板之间的T型接头焊缝均要求焊透焊缝形式一般为对接和角接的组合焊缝其质量等级不应低于二级不要求焊透的T型接头采用的角焊缝或部分焊透的对接和角接的组合焊缝以及搭接连接采用的角焊缝其质量等级为1对直接承受动力载荷且需要验算疲劳的结构和吊车起重量等于或大于50吨的中级工作制吊车梁焊缝的外观质量标准应符合二级2对其他结构为三级焊缝质量等级需在施工图中标注但三级不必标注3对接焊缝的构造和计算引弧板的设置4角焊缝的构造和计算5焊接残余应力和残余变形退火或锤击预热6普通螺栓连接的构造和计算7高强度螺栓连接的构造和计算钢结构工程施工质量验收规范对高强度螺栓施工质量控制做出了严格的规定共九条8螺栓数目的增加第四章受弯构件受弯构件的类型和应用受弯构件梁的种类按使用功能分为工作平台梁吊车梁楼盖梁屋盖梁墙梁檩条等按支撑情况分为简支梁连续梁伸臂梁等简支梁应用广泛按荷载分为只在一个主平面内受弯的单向弯曲梁和在两个主平面内受弯的双向弯曲梁工作平台梁楼盖梁等属于前者而吊车梁墙梁檩条等属于后者梁的截面形式及应用型钢梁适用于跨度和载荷较小的情况组合梁最常用的是用三块钢板焊成的工字形截面跨度和载荷较大时常用梁格的组成形式及应用钢构中常用许多纵横交叉的主梁和次梁组成梁格再在梁格上铺上面板形成结构的承重系统梁的强度抗弯强度抗剪强度局部承压强度3梁的刚度受弯构件的挠度容许值4梁的整体稳定影响梁整体稳定的主要因素荷载类型荷载的作用位置梁的侧向刚度受压翼缘的自由长度梁整体稳定的计算梁丧失整体稳定时必然同时发生侧向弯曲和扭转变形因此当采取了必要的措施阻止梁受压翼缘发生侧向变形或者使梁的整体稳定临界弯矩不小于梁的屈服弯矩时计算梁的抗弯强度后也就不需要再计算梁的整体稳定5型钢梁的截面选择初选截面截面验算6组合梁的截面设计截面选择截面高腹板高度和厚度截面验算翼缘焊缝的计算7梁截面沿长度的改变作用在梁上的弯矩沿梁长度的变化简支梁通常是两端小中间大这样节约钢材若跨度小则钢材节省不多且工作量大因此常做成等截面梁梁截面的改变一般采用改变翼缘的宽度改变翼缘的厚度会在截面变更处产生大的应力集中通常在每个半跨内改变一次截面可节约钢材104512而改变两次的经济效果不显著且增加制造工作量8梁的局部稳定和加劲肋设计9组合梁腹板考虑屈曲后强度的设计10梁的拼接分为工厂拼接和工地拼接两种工厂拼接工地拼接工地焊缝拼接工地高强度螺栓拼接11主梁与次梁的连接次梁为简支梁时分叠接和侧面连接次梁为连续梁时分叠接和侧面连接12钢混凝土组合梁分外包混凝土的组合梁及钢梁外露的组合梁两种优点1经济可节省2040钢材每平方米造价降低10402刚度大挠度可减少1213或者满足刚度要求的情况下可以减少结构高度这对高层建筑尤为重要3抗震性好第五章轴心受力构件1轴心受力构件的截面形式与应用轴心受力构件指只受通过杆件形心作用的构件当轴向为压力时称为轴心受压构件当轴向为拉力时称为轴心受拉构件截面形式型钢截面和组合截面2轴心受力构件的强度和刚度3轴心受压构件的整体稳定影响轴心受压构件稳定承载力的主要因素初偏心初弯曲残余应力杆端约束影响4轴心受压构件的局部稳定5实腹式轴心受力构件的截面设计6格构式轴心受压构件的截面设计格构式构件分为缀条式和缀板式两种7轴心受压柱的柱头和柱脚梁与柱的连接分为梁支承于柱顶和梁支承于柱侧两种形式柱脚多为铰接平板式柱脚一般由底板靴梁隔板和肋板组成第六章拉弯压弯构件1拉弯压弯构件的截面形式和应用拉弯构件在轴心拉力和弯矩共同作用下的构件为拉弯构件应用较少压弯构件在轴心压力和弯矩共同作用下的构件为拉弯构件应用普遍压弯构件的破坏形式强度破坏弯曲失稳破坏局部失稳破坏第七章单层厂房钢屋盖系统1单层厂房结构的组成与布置厂房结构的组成屋盖结构柱吊车梁制动梁或珩架各种支撑及墙架等构件组成的空间骨架这些构件按其作用可分为以下几类横向平衡框架4545由柱或框架横梁组成是厂房的基本承重结构纵向平衡框架4545由柱托架吊车梁及柱间支撑等构成来保证厂房骨架的纵向整体性及刚度屋盖结构4545由天窗架屋架托架檩条及屋盖支撑等组成支撑系统4545由屋盖支撑柱间支撑及其他附加支撑组成吊车梁及制动梁主要承受吊车的竖向及水平荷载并将其传递到横向和纵向框架墙架4545主要承受墙体的自重及风荷载此外还有一些次要的构件如楼梯走道等工艺平台等2屋盖的分类无檩屋盖钢筋混凝土有檩屋盖3厂房结构的布置柱间布置柱网的布置应符合模数制使结构构件统一化和标准化当厂房跨度小于等于18米时其跨度宜采用3米的倍数当大于18米时其跨度宜采用6米的倍数只有在生产工艺有特殊要求时跨度才采用21米27米33米等对厂房纵向柱距而言基本柱距常采用6米或12米