項目9-鋼結構設計

道路橋梁工程技術專業(yè)鋼筋混凝土結構計算CalculationofReinforcedConcreteStructures鋼結構設計2項目任務鋼結構的特點；鋼結構的發(fā)展；鋼結構對材料的要求及主要性能；鋼結構的連接方式。目標１能夠了解鋼結構的特點能夠認識鋼結構的發(fā)展方向及主要性能目標２能夠掌握鋼結構的連接方法及各自的特點目標３3能力目標重點和難點識別鋼結構與砼結構異同下圖是什么？鋼結構是將鋼板、圓鋼、鋼管、鋼索、各種型鋼等鋼材，經加工、連接、安裝而組成的工程結構。4思考圖9.12008北京奧運會國家體育場“鳥巢”１.鋼結構有哪些特點？２.鋼結構與砼結構有何區(qū)別？5任務一：認識鋼結構鋼材的強度高于砼67制造簡單，施工方便，裝配性好8鋼橋9埃菲爾鐵塔位于香港九龍綜合開發(fā)區(qū)，建筑面積51.09萬平方米，101層，高度490米，鋼結構總重3.2萬噸。中國香港第一高樓。10香港環(huán)球貿易廣場中央電視臺新臺址建設工程CCTV主樓建筑高度234m，地上52層，總建筑面積50萬㎡。主樓由兩座整體向內雙向傾斜的塔樓通過底部裙樓和頂部的L型懸臂連成一體，構成一個折角門式建筑，塔樓從底部到頂部傾斜距離達36.955m。外框筒由雙向傾斜6°的重型鋼柱、邊梁和支撐形成的以蝶形節(jié)點為主的三角形網狀結構體系。11鋼材特點鋼材強度高塑性好、韌性高材料勻質各向同性，計算可靠焊接性能好制造簡單，施工方便，宜于裝配密閉不滲漏易于銹蝕，應采取防護耐熱性好，防火性差。答案解析12２.砼特點：就地取材造價低耐久性好耐火性好可模性好整體性好自重大抗裂性差１.鋼結構的發(fā)展趨勢有哪些？２.能否舉例說出幾種代表建筑？13任務二：了解鋼結構的發(fā)展趨勢鋼結構的特發(fā)展趨勢高效能鋼材的研究和應用結構和構件計算的研究和改進結構形式的革新預應力鋼結構的應用空間結構的發(fā)展鋼—混凝土組合結構的應用高層鋼結構的研究和應用優(yōu)化原理的應用新型節(jié)點的應用高效能鋼材的研究和應用南京大勝關長江大橋是世界首座六線鐵路大橋，鋼結構總量高達三十六萬噸，首次采用了Q420qE級高強度、高韌性與良好焊接性能的新型鋼材，主橋鋼梁首次采用了三片主桁承重結構、正交異性鋼橋面板，研制使用了四百噸全回轉浮吊、大扭矩鉆機、七十噸變坡爬行架梁吊機和高七十余米、重兩千余噸的三層吊索塔架等大量新材料、新結構、新設備、新工藝。15結構和構件計算的研究和改進現(xiàn)行鋼結構設計規(guī)范采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，用可靠指標度量結構的可靠度，以分項系數的設計表達式進行計算。運用各種工程計算軟件。16結構形式的革新薄壁型鋼結構懸索結構膜結構樹狀結構開合結構折疊結構懸掛結構等17預應力鋼結構的應用張弦梁18弦支穹頂空間結構的發(fā)展19國家大劇院鋼—混凝土組合結構的應用20高層鋼結構的研究和應用21優(yōu)化原理的應用由于電子計算機的逐步普及，促使結構優(yōu)化設計得到相應的發(fā)展。我國編制的鋼吊車梁標準圖集，就是把耗鋼量最小的條件作為目標函數，把強度、剛度、穩(wěn)定性等作為約束條件，用計算解得優(yōu)化的截面尺寸，比過去的標準設計節(jié)省鋼材5%～10%。目前優(yōu)化設計已逐步推廣到塔桅結構、空間結構設計等方面。22新型節(jié)點的應用23圖9.6新型節(jié)點的應用(a)螺栓球節(jié)點(b)焊接球節(jié)點(c)鑄鋼節(jié)點(d)樹狀結構節(jié)點(e)相貫節(jié)點１.鋼材的主要性能有哪些？２.鋼結構連接方式有哪些，各有何特點？24任務三：了解鋼材的主要性能及掌握鋼結構連接方式【鋼結構材料的要求】強度要求塑性、韌度要求耐疲勞及適用性要求冷、熱加工性能及焊接要求生產與價格要求解析【鋼材破壞形式及主要性能】破壞形式塑性破壞脆性破壞主要性能力學性能焊接性能耐久性能鋼結構的連接26(a)焊縫連接;(b)鉚釘連接;(c)螺栓連接圖9.7鋼結構的連接方法焊縫連接優(yōu)點：構造簡單，任何形式的構件都可直接相連；用料經濟，不削弱截面；制作加工方便，可實現(xiàn)自動化操作；連接的密閉性好，結構剛度大。缺點：在焊縫附近的熱影響區(qū)內，鋼材的金相組織發(fā)生改變，導致局部材質變脆；焊接殘余應力和殘余變形使受壓構件承載力降低；焊接結構對裂紋很敏感，局部裂紋一旦發(fā)生，就容易擴展到整體，低溫冷脆問題較為突出。27鉚釘連接鉚釘連接由于構造復雜、費鋼費工，現(xiàn)已很少采用。但是鉚釘連接的塑性較好、韌度較高，傳力可靠，質量易于檢查，在一些重型和直接承受動力荷載的結構中，有時仍然采用。28螺栓連接（1）普通螺栓連接普通螺栓分為A、B、C三級：A級與B級為精制螺栓，C級為粗制螺栓4.6級：抗拉強度不小于400N/mm2，屈服點與抗拉強度之比為0.6。29螺桿公稱直徑/mm12162022242730螺栓孔公稱直徑/mm13.517.52224263033表9－1C級螺栓孔徑螺栓連接（2）高強螺栓連接類型：一種是只依靠摩擦阻力傳力，并以剪力不超過接觸面摩擦力作為設計準則，稱為摩擦型連接；另一種是允許接觸面滑移，以連接達到破壞的極限承載力作為設計準則，稱為承壓型連接。適用性摩擦型連接螺栓的剪切變形小，彈性性能好、施工較簡單、可拆卸、耐疲勞，特別適用于承受動力荷載的結構。承壓型連接的承載力高于摩擦型的，連接緊湊，但剪切變形大，故不得用于承受動力荷載的結構中。30焊接方法和焊縫連接形式1.鋼結構常用焊接法手工電弧焊埋弧焊氣體保護焊31焊縫連接形式及焊縫形式焊縫連接形式32(a)對接連接;(b)用拼裝蓋板的對接連接;(c)搭接連接;(d)、(e)T形連接；(f)、(g)角部連接圖9.10焊縫連接的形式焊縫連接形式及焊縫形式焊縫形式33(a)正對接焊縫(b)斜對接焊縫(c)角焊縫圖9.11焊縫形式焊縫連接形式及焊縫形式焊縫形式34圖9.12連續(xù)角焊縫和間斷角焊縫焊縫連接形式及焊縫形式焊縫形式35(a)平焊(b)橫焊(c)立焊(d)仰焊圖9.13焊縫施焊位置焊縫缺陷及焊縫質量檢驗

（1）焊縫缺陷常見的缺陷有裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透等36(a)裂紋(b)焊瘤(c)燒穿(d)弧坑(e)氣孔(f)夾渣(g)咬邊(h)未熔合(i)未焊透圖9.14焊縫缺陷焊縫缺陷及焊縫質量檢驗

（2）焊縫質量檢驗焊縫質量檢驗一般包括外觀檢查和內部無損檢驗，前者檢驗外觀缺陷和幾何尺寸，后者檢查內部缺陷。檢驗方法：內部無損檢驗目前廣泛采用超聲波檢驗，其使用靈活、經濟，對內部缺陷反應靈敏，但不易識別缺陷性質。有時還采用磁粉檢驗、熒光檢驗等較簡單的方法作為輔助檢驗方法。此外還可采用X射線或

射線透照或拍片方法，其中X射線方法應用較廣。37焊縫缺陷及焊縫質量檢驗

焊縫等級：一級、二級和三級。三級焊縫只要求對全部焊縫作外觀檢查且符合三級質量標準；一級、二級焊縫則除外觀檢查外，還要求一定數量的超聲波檢驗并符合相應級別的質量標準。38焊縫缺陷及焊縫質量檢驗

（3）焊縫質量等級的選用①需要進行疲勞計算的構件中，垂直于作用力方向的橫向對接焊縫受拉時應為一級，受壓時應為二級。②在不需要進行疲勞計算的構件中，由于三級對接焊縫的抗拉強度有較大變異性，其設計值為主體鋼材的85%左右，所以，凡要求與母材等強度的受拉對接焊縫應不低于二級；受壓時難免在其他因素影響下使焊縫中有拉應力存在，故宜為二級。39焊縫缺陷及焊縫質量檢驗

（3）焊縫質量等級的選用③重級工作制和起重量

的中級工作制吊車梁的腹板與上翼緣板之間，以及吊車桁架上弦桿與節(jié)點板之間的T形接頭焊透的對接與角接組合焊縫，不應低于二級。④由于角焊縫的內部質量不易探測，故規(guī)定其質量等級一般為三級，只對直接承受動力荷載且需要驗算疲勞和起重量

的中級工作制吊車梁才規(guī)定角焊縫的外觀質量為二級。40角焊縫的構造1.角焊縫的形式和強度41圖9.16直角角焊縫截面角焊縫的構造角焊縫的形式和強度42圖9.17斜角角焊縫截面圖9.18側面角焊縫的應力狀態(tài)角焊縫的構造2.角焊縫的構造要求（1）最大焊腳尺寸要求43角焊縫的構造2.角焊縫的構造要求（2）最小焊腳尺寸44（3）側面角焊縫的最大計算長度角焊縫的構造2.角焊縫的構造要求（4）角焊縫的最小計算長度不得小以