鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教案

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教案

第一章概述

一、教學(xué)內(nèi)容：

鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展概況、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和合理應(yīng)用范圍、鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)

計(jì)方法、鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

二、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)要求：

（-）鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展

1、了解鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)發(fā)展的幾個(gè)階段；

2、了解當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

（二）鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和合理應(yīng)用范圍

1、理解勻質(zhì)等向體的重要意義；

2、理解鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，及根據(jù)充分發(fā)揮其特點(diǎn)的原則確定其合理應(yīng)用

范圍。

（三）近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

1、理解結(jié)構(gòu)可靠性的內(nèi)容，用可靠度指標(biāo)衡量結(jié)構(gòu)可靠性的方法；

2、掌握鋼結(jié)構(gòu)近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)表達(dá)式。

三、重點(diǎn)、難點(diǎn)：

重點(diǎn)：鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和合理應(yīng)用范圍；近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法

難點(diǎn)：近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法表達(dá)式的理解

四、學(xué)時(shí)安排：3學(xué)時(shí)

五、作業(yè)：課外查找兩種有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)的雜志、了解鋼結(jié)構(gòu)的一些前沿動(dòng)

態(tài)

六、教案:

第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展概況

一、結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：1、輕質(zhì)高強(qiáng)

2、抗震性能好

3、建造速度快

4、工期短

5、綜合經(jīng)濟(jì)效益好

闡述國(guó)外國(guó)內(nèi)各歷史階段鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況，預(yù)期，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)

的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將日新月異，并將進(jìn)入新的更高的發(fā)展階段。

二、解析鋼結(jié)構(gòu)課程的基本框架、特點(diǎn)、地位及學(xué)習(xí)方法

《鋼結(jié)構(gòu)》課程基本框架如下表:

’軸心受壓構(gòu)件：柱

‘焊接'受彎構(gòu)件：梁

鋼材—各種構(gòu)件＞?各種更大構(gòu)件）,組成建筑結(jié)構(gòu)

‘螺栓連接；拉彎、壓彎構(gòu)件：梁、柱

屋架

主要章節(jié)都沿用如下設(shè)計(jì)思路：

強(qiáng)度剛度整體穩(wěn)定局部穩(wěn)定

第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和合理應(yīng)用

一、鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1、自重輕而承載強(qiáng)度高

鋼材雖容重比其他材料大，但強(qiáng)度卻高很多，屬輕質(zhì)高強(qiáng)材料。

例：同跨度同荷載條件下，鋼屋架重量只有鋼筋脛屋架自重的」-工；

43

應(yīng)用：大跨結(jié)構(gòu)，如體育場(chǎng)館，橋梁；高聳結(jié)構(gòu)，如輸電塔架，電視塔

等。

2、塑性、韌性好

塑性：靜力荷載作用下，材料抵抗變形的能力；20-30%

韌性：動(dòng)力、沖擊交變荷載作用下，材料不破壞的能力。

塑性好，避免偶然或超載產(chǎn)生的斷裂破壞（脆性破壞）。韌性好，使對(duì)動(dòng)

力荷載適應(yīng)性強(qiáng)。

應(yīng)用：抗震性能好；有較大動(dòng)力設(shè)備的、有吊車(chē)的工業(yè)廠(chǎng)房。

3、更接近于勻質(zhì)等向體

各部分各方向都接近于勻質(zhì)等向體，在使用應(yīng)力階段，鋼材屬于勻質(zhì)等

向體（理想彈性體），和力學(xué)計(jì)算相符合。所以鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況和力學(xué)

計(jì)算最相符合。

4、具有可焊性和良好加工性能

使鋼結(jié)構(gòu)的連接大力簡(jiǎn)化，還可滿(mǎn)足制造各種復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的需要，這

是促進(jìn)近代鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要因素之一。

5、耐熱性能好，但防火性能差

200℃內(nèi)，鋼材耐熱而不耐高溫；200℃以上，溫度越高，強(qiáng)度越底，耐

火時(shí)間不長(zhǎng)，超過(guò)600℃,瞬時(shí)全部崩潰。例：美國(guó)9.11事件。

6、密封性好

7、鋼材的可重復(fù)使用性-一回爐冶煉，重復(fù)使用。綠色和可持續(xù)發(fā)展材料

8、耐腐蝕性差：有低溫冷脆傾向

二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：

1、承受荷載大的工業(yè)廠(chǎng)房等2、大跨度結(jié)構(gòu)

3、高層建筑4、塔桅結(jié)構(gòu)

★5、輕型鋼結(jié)構(gòu)（冷彎薄壁型鋼、小角鋼、鋼管結(jié)構(gòu)）

★6、鋼與硅組合結(jié)構(gòu)（新的研究領(lǐng)域，鋼材適宜受拉、混凝土適宜受壓，

組合并用，充分發(fā)揮它的長(zhǎng)處。廣泛用于高層建筑等，主要結(jié)構(gòu)形式：鋼-

於組合梁、鋼管段柱等）

第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

一、結(jié)構(gòu)的功能要求

1、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：充分滿(mǎn)足也能要求的基礎(chǔ)上，做到安全可靠，技術(shù)先進(jìn),

但又要經(jīng)濟(jì)合理。

概括為：結(jié)構(gòu)應(yīng)具有安全性、適用性、耐久性，統(tǒng)稱(chēng)為可靠性?！朵摻Y(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)規(guī)范》采用了以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。

2、結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)滿(mǎn)足的功能有：

(1)在正常施工和正常使用時(shí)，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；

(2)在正常使用時(shí)具有良好的工作性能；

(3)在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性；

(4)在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件(如地震、火災(zāi)、爆炸、撞擊等)發(fā)生時(shí)及發(fā)生

后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。

3、結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力，稱(chēng)為

結(jié)構(gòu)的可靠性；一般建筑物的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。

二、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)

1、承載能力極限狀態(tài)：

概念：整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)定

的某一功能要求，稱(chēng)為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)實(shí)質(zhì)上是結(jié)構(gòu)可靠與不

可靠的界限，故也可稱(chēng)為“界限狀態(tài)”。包括：

(1)、靜力強(qiáng)度

(2)、動(dòng)力強(qiáng)度

(3)、穩(wěn)定局部整體

2、正常使用極限狀態(tài)：剛度、撓度、變形、裂縫

三、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原理

'材料強(qiáng)度'

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力R，構(gòu)件截面積，都是獨(dú)立的隨機(jī)變

截面模量

量，應(yīng)用概率來(lái)確定它們的設(shè)計(jì)值。

陶載1

溫度變化

荷載效應(yīng)，作用S，也是隨機(jī)變量，用各自的統(tǒng)計(jì)現(xiàn)

基礎(chǔ)不均勻沉降

地震

值來(lái)確定。

從而寫(xiě)出極限狀態(tài)方程:

Z=g(R,S)=R-S=0

當(dāng)R>S時(shí)，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)。

當(dāng)R<S時(shí)，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。

當(dāng)R=S時(shí)，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。

過(guò)去采用安全系數(shù)法——安全系數(shù)都為定值且全憑經(jīng)驗(yàn)選定，設(shè)計(jì)的結(jié)

構(gòu)和不同構(gòu)件的安全座不可能相等，因而不合理。

后來(lái)出現(xiàn)了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法：

1、半概率極限設(shè)計(jì)法：少量參數(shù)，如：鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度、風(fēng)雪荷載

2、近似概率設(shè)計(jì)法：現(xiàn)在用見(jiàn)P,各統(tǒng)計(jì)資料不完全。

3、全概率設(shè)計(jì)法：有待完善研究。

四、近似概率設(shè)計(jì)法

概念：把影響構(gòu)件可靠性的各種因素都視為隨機(jī)變量，根據(jù)分析確定失

效概率來(lái)度量結(jié)構(gòu)的可靠性。

根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)資料，得到極限狀態(tài)方程Z=R-S的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，算出

各種Z值所占全部統(tǒng)計(jì)值的百分率，以橫軸坐標(biāo)為Z值，縱坐標(biāo)為各Z值所

Z<0時(shí)結(jié)構(gòu)失效（陰影所示）為pv而Z>0時(shí)為p，，為可靠概率，則有下

列關(guān)系:Pr-1_Pf

Pf值越小，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可靠度也越大。

設(shè)計(jì)圖中失效概率比較困難，但由圖可見(jiàn)，失效概率和平均值〃z及標(biāo)準(zhǔn)

差q之間存在下列關(guān)系：

風(fēng)=%

萬(wàn)二%

有了Z值的全部值（統(tǒng)計(jì)），就能算出他的平均值4及標(biāo)準(zhǔn)差4。

=

氏MK-Mx

0z-+只

B稱(chēng)為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的可靠指標(biāo)(可靠度)。

計(jì)算B值比計(jì)算由值簡(jiǎn)單，因此用B值確定構(gòu)件的可靠度，所以這種設(shè)

計(jì)方法又稱(chēng)為可靠度設(shè)計(jì)。

'\

*13?失效藏率與可*指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

B2.52.73?23^7<2

--------------------------------------------------：-----------------------------------------

P,5X10!3.5X10"6.9x10-4j1.1x10"1.3x10'5

當(dāng)R和S的統(tǒng)計(jì)值不按正態(tài)分布時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標(biāo)應(yīng)以它們的當(dāng)量

正態(tài)分布的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差代入以下公式來(lái)計(jì)算：

鋼結(jié)構(gòu)要求B=3?3.2,即設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)構(gòu)的失效概率為萬(wàn)分之6.9和千

分之1.35之間。

這種采用概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法稱(chēng)為概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，他比容

許應(yīng)力設(shè)計(jì)法要先進(jìn)的多。

但采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法時(shí)，必須擁有各個(gè)隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)數(shù)值。但

我們只掌握了少量，如：屈服點(diǎn)、風(fēng)荷載和雪荷載等，其他大多只能憑經(jīng)驗(yàn)

定。因而現(xiàn)行規(guī)范推薦的設(shè)計(jì)法可稱(chēng)為近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。

按可靠指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不易掌握和取得，因而現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范將極限狀態(tài)

設(shè)計(jì)公式等效地轉(zhuǎn)化為大家熟悉的分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)公式。

1、承載力極限狀態(tài)公式：

可變荷載效應(yīng)控制的組合：

n

，<>(y"Gk+bQlk+￡%收。QJW/(1,3.12)

永久荷載效應(yīng)控制的組合：

￡加嘰外卜/(1.3.13)

1=1

對(duì)于一般排架，框架結(jié)構(gòu)，可采用簡(jiǎn)化式計(jì)算：

由可變荷載效應(yīng)控制的組合：

九(九九1+W(1.3.14)

由永久荷載效應(yīng)控制的組合，仍按計(jì)劃（1.3.13）進(jìn)行計(jì)算。

說(shuō)明：

yO:為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)安全等級(jí)為一級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為100年及以

上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.1;二級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)

小于1.0:三級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為5年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.9,對(duì)使用年限

為25年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,丫0不應(yīng)小于0.95;

°Gk：為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)生的應(yīng)力；

為起控制作用的第一個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連

接中產(chǎn)生的應(yīng)力（該值計(jì)算結(jié)果為最大），0Qn為其他第i個(gè)可變荷載在結(jié)構(gòu)

構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)生的應(yīng)力；/為永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)

構(gòu)件的承載能力不利時(shí)取1.2,但對(duì)式（1.3.13）則取1.35.當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)

構(gòu)件的承載有利時(shí)，取為1.0.驗(yàn)算結(jié)構(gòu)傾覆，滑移或漂浮時(shí)取0.9,yQ1,yQi為

第一個(gè)和其他第i個(gè)可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)可變荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載

能力不利時(shí)，取1.4（當(dāng)樓面活荷載大于4.0k%2時(shí)，取1.3）,有利時(shí),卜i取為

第i個(gè)可變荷載組合值系數(shù)，可按荷載規(guī)范的規(guī)定采用；w為簡(jiǎn)化式中采用的

荷載組合值系數(shù)，一般情況下可采用0.9,當(dāng)只有一個(gè)可變荷載時(shí)，取為1.0,/

為鋼材或連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，對(duì)鋼材為屈服點(diǎn)fy除以抗力分項(xiàng)系數(shù)yR的商.

如Q235剛抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值產(chǎn)/y/1.087。

2、正常使用極限狀態(tài)表達(dá)式

按GB50068—2001?建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定要求分別

采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使變形等設(shè)計(jì)值

不超過(guò)相應(yīng)的規(guī)定限值。鋼結(jié)構(gòu)只考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合，其設(shè)計(jì)式為：

++2也產(chǎn)Q0W[?]

第二章建筑鋼材及其性能

一、教學(xué)內(nèi)容：

結(jié)構(gòu)鋼材一次拉伸時(shí)的力學(xué)性能；結(jié)構(gòu)鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)；結(jié)構(gòu)鋼材

的脆性破壞；鋼材種類(lèi)和規(guī)格。

二、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)要求：

（一）鋼材一次拉伸時(shí)的力學(xué)性能

理解拉伸全過(guò)程的四個(gè)階段

（二）鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)

1、理解單向應(yīng)力狀態(tài)下4個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)；

2、理解鋼材的塑韌性指標(biāo)：

3、理解化學(xué)成分對(duì)鋼材性能的影響。

（三）結(jié)構(gòu)鋼材的脆性破壞

1、理解應(yīng)力集中現(xiàn)象；

2、理解冶金缺陷和溫度變化可能引起鋼材脆性破壞現(xiàn)象；

3、理解實(shí)效硬化和冷作硬化的現(xiàn)象和原因。

（四）鋼材的牌號(hào)、規(guī)格和合理選用

1、理解建筑鋼材牌號(hào)和用途；

2、理解各種鋼材的規(guī)格和特性；

3、理解如何根據(jù)使用要求、使用條件、受力狀況合理地選用鋼材。

三、重點(diǎn)、難點(diǎn)：

重點(diǎn)：結(jié)構(gòu)鋼材一次拉伸時(shí)的力學(xué)性能；結(jié)構(gòu)鋼材靜力和動(dòng)力性能指標(biāo);

應(yīng)用能量理論計(jì)算鋼材的折算應(yīng)力；應(yīng)力集中

難點(diǎn)：鋼材的疲勞問(wèn)題

四、學(xué)時(shí)安排：7學(xué)時(shí)

五、作業(yè)：3、4

六、教案:

第一節(jié)建筑鋼材的基本要求

1、要求：強(qiáng)度高：塑性、韌性好；可焊性良好；低溫下保持較好韌性;

抗腐蝕性能好。

2、種類(lèi)：碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235及低合金鋼中的Q345、Q390,Q420。

3、規(guī)格：供應(yīng)的鋼材規(guī)格為型材、板材、管材及金屬制品四大類(lèi)。

第二節(jié)建筑鋼材的主要機(jī)械性能

機(jī)械性能包括：強(qiáng)度、塑性、冷彎性能、沖擊韌性及可焊性。

一、強(qiáng)度和塑性

鋼材強(qiáng)度一般由常溫靜載（包括韌性）下單向拉伸實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)表明把鋼材

加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，±20℃條件下做拉伸試驗(yàn)，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)關(guān)系如下圖:

750

0.050.100.150.200.250.300.35

應(yīng)變￡/%

低碳鋼拉伸工作四階段：

1、彈性階段——4,應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)橹本€(xiàn)關(guān)系，E大，8小

2、塑性彈性階段——由比例極限得到屈服點(diǎn)力，應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)為曲線(xiàn)

關(guān)系。

3、塑性階段——應(yīng)力保持屈服點(diǎn)刀不變，應(yīng)變不斷增大，鋼材處于流

塑狀態(tài)，表現(xiàn)為暫時(shí)失去承載力。

4、強(qiáng)化階段----次復(fù)了承載能力，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上升，當(dāng)?shù)剑估?/p>

強(qiáng)度）時(shí)試件頸縮斷裂。斷口與作用力方向45°0

這種塑性變形很大，經(jīng)歷時(shí)間很長(zhǎng)的破壞稱(chēng)為“塑性破壞”。破壞時(shí)間沒(méi)

有明顯征兆，破壞在瞬時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)性大，稱(chēng)為“脆性破壞”。

通過(guò)拉伸試驗(yàn)，得到三個(gè)機(jī)械性能指標(biāo)：

（1）fu——抗拉強(qiáng)度--是鋼材一項(xiàng)重要的強(qiáng)度指標(biāo)，它反映鋼材受拉

時(shí)所能承受的極限應(yīng)力。

（2）6——伸長(zhǎng)率--是衡量鋼材斷裂前所具有的塑性變形能力的指標(biāo),

以試件破壞后在標(biāo)定長(zhǎng)度內(nèi)的殘余應(yīng)變表示。取圓試件直徑的5倍或10倍為標(biāo)

定長(zhǎng)度，其相應(yīng)伸長(zhǎng)率分別用35或310表示。

（3）4——屈服點(diǎn)--是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)力允許達(dá)到的最大限值

二、冷彎試驗(yàn)（冷彎性能）

將鋼材按原有厚度（直徑）做成標(biāo)準(zhǔn)試件，放在冷彎試驗(yàn)機(jī)上，用具有

一定彎心直徑的沖頭，在常溫下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件中部施加荷載，使之彎曲達(dá)到

180°,然后檢查試件表面，如果不出現(xiàn)裂紋和起層，則認(rèn)為試件材料冷彎試

驗(yàn)合格。

作用：1、檢驗(yàn)鋼材是否適應(yīng)構(gòu)件制作過(guò)程中的冷作工藝

2、可以暴露出鋼材內(nèi)部缺陷（顆粒組織、結(jié)晶狀況、微裂

紋、氣泡等）

三、沖擊韌性

韌性是指鋼材抵抗沖擊或振動(dòng)荷載的能力，其衡量指標(biāo)為沖擊韌性。沖

擊韌性值由沖擊試驗(yàn)求得。

鋼材的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、是在常溫靜載下實(shí)驗(yàn)得到，反映鋼

材在常溫靜載下的性能；

韌性反映鋼材在承受沖擊或振動(dòng)荷載下的性能。

圖2.3.5克比V型缺口沖擊試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)試件

1一擺錘；2—試件；3—試驗(yàn)機(jī)臺(tái)座；4一刻度盤(pán)；5一指針

四、可焊性

第三節(jié)建筑鋼材的兩種破壞形式

破壞形式分為兩種：延性(塑性)破壞

脆性破壞

一、延性破壞

1、概念：材料在破壞之前如果有明顯的變形，并吸收很大

的能量，從發(fā)生變形到最后破壞要持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間

2、特點(diǎn)：破壞前變形大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，易于發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)救，危險(xiǎn)性相對(duì)

較小

二、脆性破壞

1、概念：材料在破壞之前沒(méi)有明顯的變形吸收能量很少，破壞突然發(fā)

生。例：磚石材料的破壞。

2、特點(diǎn)：對(duì)比延性破壞

第四節(jié)影響鋼材性能的主要因素

一、化學(xué)成分因素的影響

鋼中主要元素是鐵(99%),其余是各種元素(1%)

鋼是以鐵和碳為主要成分的合金，雖然碳和其他元素所占比例甚少，但

卻左右著鋼材的性能。

碳是各種鋼中的最重、主要元素之一。隨著含碳量的提高，鋼的強(qiáng)度

逐漸增高，而塑性和韌性下降，冷彎性能、焊接性能和抗銹蝕性能等也變劣。

碳素鋼按碳的含量區(qū)分，小于0.25%的為低碳鋼，介于0.25%和0.6%之間的

為中碳鋼，大于0.6%的為高碳鋼。規(guī)范推薦的鋼材，含碳量均不超過(guò)0.22%,

對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)則嚴(yán)格控制在0.2%以?xún)?nèi)。

硫是有害元素，常以硫化鐵形式夾雜于鋼中。當(dāng)溫度達(dá)800—1000℃時(shí)，

硫化鐵會(huì)熔化使鋼材變脆，因而在進(jìn)行焊接或熱加工時(shí)，有可能引發(fā)熱裂紋，

稱(chēng)為“熱脆現(xiàn)象此外，硫還會(huì)降低鋼材的沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、抗銹蝕

性能和焊接性能等。

磷可提高鋼的強(qiáng)度和抗銹蝕能力，但卻嚴(yán)重地降低鋼的塑性、韌性、

冷彎性能和焊接性能，特別是在溫度較低時(shí)促使鋼材變脆，稱(chēng)為“冷脆現(xiàn)象”。

因此，磷的含量也要嚴(yán)格控制。

錢(qián)是有益元素，在普通碳素鋼中，它是一種弱脫氧劑，可提高鋼材強(qiáng)

度，消除硫?qū)︿摰臒岽嘤绊?，改善鋼的冷脆傾向，同時(shí)不顯著降低塑性和韌

性。鎰還是我國(guó)低合金鋼的主要合金元素，其含量為0.8%?1.8%.但鎰對(duì)焊

接性能不利，因此含量也不宜過(guò)多。

硅是有益元素，在普通碳素鋼中，它是一種強(qiáng)脫氧劑，常與鎰共同除

氧，生產(chǎn)鎮(zhèn)靜鋼。適量的硅，可以細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)度，而對(duì)塑性、韌

性、冷彎性能和焊接性能無(wú)顯著不良影響。硅的含量在一般鎮(zhèn)靜鋼中為

0.12%?0.30%,在低合金鋼中為0.2%?0.55%o過(guò)量的硅會(huì)惡化焊接性能

和抗銹蝕性能。

銳、銀、鈦等元素在鋼中形成微細(xì)碳化物，加入適量，能起細(xì)化晶粒和

彌散強(qiáng)化作用，從而提高鋼材的強(qiáng)度和韌性，又可保持良好的塑性。

輅、鎂是提高鋼材強(qiáng)度的合金元素。

氧和氮屬于有害元素。氧與硫類(lèi)似使鋼熱脆，氮的影響和磷類(lèi)似，因此其

含量均應(yīng)嚴(yán)格控制。

二、溫度因素的影響

隨著溫度升高，鋼材強(qiáng)度及彈性模量降低，塑性韌性提高。

150°C以?xún)?nèi)，鋼材性能變化不大；

超過(guò)300°C后，強(qiáng)度和彈性模量顯著下降，塑性顯著上升：

到600°C上，強(qiáng)度幾乎為零，塑性急劇上升，表現(xiàn)為喪失承載力；

藍(lán)脆現(xiàn)象：鋼材在250°C附近，鋼材強(qiáng)度有所提高，而塑性相應(yīng)降低，

鋼材性能轉(zhuǎn)脆，由于在這個(gè)溫度下，鋼材表面氧化膜呈藍(lán)色，故稱(chēng)“藍(lán)脆現(xiàn)

象”。應(yīng)避免在這個(gè)溫度區(qū)進(jìn)行熱加工。

三、鋼材的疲勞因素的影響

疲勞破壞：鋼材承受重復(fù)變化的荷載作用時(shí)，材料強(qiáng)度降低，破壞提早。

破壞突然發(fā)生。

疲勞破壞原因：

1、應(yīng)力集中

一般認(rèn)為是由于鋼材內(nèi)部有微觀(guān)細(xì)小裂紋，在連續(xù)反復(fù)變化的荷載作用

下，裂紋端部產(chǎn)生應(yīng)力集中，交變的應(yīng)力使裂紋逐漸擴(kuò)展，這種積累的損傷

最后導(dǎo)致突然斷裂。

2、應(yīng)力變化及循環(huán)次數(shù)

'常幅應(yīng)力循環(huán)

用應(yīng)力比「反映應(yīng)力循環(huán)特征，循環(huán)，

變幅應(yīng)力循環(huán)

《規(guī)范》采用容許應(yīng)力幅的方法計(jì)算疲勞。

式中[ACT]——常幅疲勞的容許應(yīng)力幅

n——應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

C、0——與構(gòu)件和連接類(lèi)別有關(guān)的系數(shù)，由表2.1查得

三、疲勞計(jì)算

《規(guī)范》規(guī)定的常幅疲勞計(jì)算公式和變幅疲勞計(jì)算公式如下：

「1W

ACT<[ACT]=—

式中[ACT]----常幅疲勞的容許應(yīng)力幅

ACT----對(duì)焊接部位應(yīng)力幅Ab=crmax-crmin,對(duì)非焊接部位為折

算應(yīng)力幅Ab=4ax-0-7bmin

o-max——計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力（取正值）

bmin——計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最小拉應(yīng)力（取正值）或壓

應(yīng)力（取負(fù)值）

變幅疲勞計(jì)算公式

(Qyp

%[△人…五市

式中％欠載效應(yīng)系數(shù)。《規(guī)范》規(guī)定對(duì)重級(jí)工作制的硬鉤吊車(chē)取

1.0,重級(jí)工作制的軟鉤吊車(chē)取0.8,中級(jí)工作制吊車(chē)取0.5。

[A<T]2XI06——循環(huán)次數(shù)n=2XIO,次的容許應(yīng)力幅。

第五節(jié)建筑鋼材的種類(lèi)、規(guī)格及選擇

一、建筑鋼材的種類(lèi)

0235、0345、Q390及Q420

標(biāo)準(zhǔn)鋼材牌號(hào)表示方法由字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值(N/mm?)、質(zhì)量等級(jí)代號(hào)

(A、B、C、D)及脫氧方法代號(hào)(F、b、Z、TZ)四個(gè)部分組成。

Q:“屈”字漢語(yǔ)拼音的首位字母。

質(zhì)量等級(jí)：A級(jí)代表最差，D級(jí)最優(yōu)

脫氧方法：F-沸騰鋼

b-半鎮(zhèn)靜鋼

Z-鎮(zhèn)靜鋼

TZ-特殊鎮(zhèn)靜鋼

Q235中A、B級(jí)有沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼及鎮(zhèn)靜鋼，C級(jí)全部為鎮(zhèn)靜鋼，D

級(jí)全部為特殊鎮(zhèn)靜鋼。

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼全部為鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼，其中質(zhì)量等級(jí)有A-E

五個(gè)級(jí)別。

鋼號(hào)的代表意義如下：

1)Q235-A:屈服點(diǎn)為235N/mmZ的A級(jí)鎮(zhèn)靜碳素結(jié)構(gòu)鋼

2)Q235-BF:屈服點(diǎn)為235N/mm2的B級(jí)沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼

3)Q235-D:屈服點(diǎn)為235N/mm2的D級(jí)特殊鎮(zhèn)靜碳素結(jié)構(gòu)鋼

4)Q345-E:屈服點(diǎn)為345N/mmZ的E級(jí)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

二、鋼材規(guī)格

1、熱軋成型

(1)熱軋鋼板：a、厚45-60mm,寬06-3m,長(zhǎng)4-5m

b、薄0.35-4mm一作冷彎薄型鋼原材料。

c、扁鋼：

d、花紋鋼：走道板和梯子板

(2)熱軋型鋼：

a、角鋼：按邊寬來(lái)編號(hào)，如：5號(hào)角鋼邊寬50mm;分為等邊和不等邊：

Z100X80X80

b、工字鋼：120a表示：高為20cm工字鋼，a表示腹板厚度

c、槽鋼：［22a

d、鋼管：無(wú)縫、有縫

2、冷軋成型：用薄鋼板模壓或彎制而成，壁薄截面開(kāi)展，特

別經(jīng)濟(jì)。

第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接

一、教學(xué)內(nèi)容：鋼結(jié)構(gòu)連接的種類(lèi)和特點(diǎn)；對(duì)接焊縫及其連接；角焊縫

及其連接；焊接應(yīng)力和焊接變形；普通螺栓連接：高強(qiáng)螺栓

連接。

二、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)要求：

（一）鋼結(jié)構(gòu)連接的種類(lèi)和特點(diǎn)

1、理解鋼結(jié)構(gòu)常采用的兩種連接方法，焊接和螺栓連接，它們的優(yōu)缺

點(diǎn)和用途；

2、理解電弧焊的基本原理和設(shè)備，焊條種類(lèi)和選用，焊縫的方位和要

求，焊縫符號(hào)和標(biāo)注方法，以及焊縫缺陷和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；

3、理解普通和高強(qiáng)螺栓的優(yōu)缺點(diǎn)和用途。

（二）對(duì)接焊縫及其連接

1、理解對(duì)接焊縫的構(gòu)造和工作性能；

2、掌握對(duì)接焊縫和工字連接構(gòu)造，能綜合應(yīng)用傳遞各種內(nèi)力時(shí)的傳力

過(guò)程分析和焊縫的計(jì)算公式；

（三）角焊縫及其連接

1、理解角焊縫的形式、工作性能和構(gòu)造要求；

2、掌握各種連接在各種內(nèi)力作用下的內(nèi)力傳遞過(guò)程分析以及連接的計(jì)

算。

（四）焊接應(yīng)力和焊接變形

了解焊接應(yīng)力和焊接變形的種類(lèi)、產(chǎn)生原因及影響，以及減小和消除的

措施。

（五）普通螺栓連接和高強(qiáng)螺栓連接

1、理解螺栓的排列和構(gòu)造要求；

2、理解普通螺栓連接傳遞剪力和拉力時(shí)的工作性能和破壞形式；

3、掌握普通螺栓連接在傳遞各種內(nèi)力時(shí)，傳力過(guò)程的分析和計(jì)算方法;

4、掌握高強(qiáng)螺栓連接在傳遞各種內(nèi)力時(shí)，傳力過(guò)程的分析和計(jì)算方法。

三、重點(diǎn)、難點(diǎn)：

重點(diǎn)：對(duì)接焊縫和角焊縫的受力性能；摩擦型高強(qiáng)度螺栓的工作特

點(diǎn)和計(jì)算

難點(diǎn)：焊接應(yīng)力與焊接變形

四、學(xué)時(shí)安排：14學(xué)時(shí)

五、作業(yè)：1、2、3、6、7、8、9、10、11、14

六、教案:

第一節(jié)連接種類(lèi)和特點(diǎn)

一、簡(jiǎn)述鋼結(jié)構(gòu)連接的重要地位

二、連接形式

（一）按連接件間相對(duì)位置

1、平接：連接件在同一平面內(nèi)

2、搭接：連接件相互搭接

3、垂直連接：連接件相互垂直

（二）按連接方法

分為焊接連接、斜釘連接、螺栓連接和輕型鋼結(jié)構(gòu)用的緊固件連接等（圖

3.1.1）o

圖3.1.1鋼結(jié)構(gòu)的連接方法

（a）焊縫連接；（b）釧釘連接；（c）螺栓連接；（d）緊固件連接

1、焊接連接：（最主要連接方法）

1.1優(yōu)點(diǎn)：（1）不削弱面，經(jīng)濟(jì)；

（2）直接焊接，簡(jiǎn)單，省工；

（3）連接密封性好，剛度大。

1.2缺點(diǎn)：（1）焊區(qū)材質(zhì)變脆；

（2）產(chǎn)生殘余應(yīng)力、殘余變形。

1.3鋼結(jié)構(gòu)常用的焊接方法

（1）手工電弧焊

最常用的一種焊接方法（圖3.1.2）。通電后，在涂有藥皮的焊條和焊件

間產(chǎn)生電弧。電弧提供熱源，使焊條中的焊絲熔化，滴落在焊件上被電弧所

吹成的小凹槽熔池中。由電焊條藥皮形成的熔渣和氣體覆蓋著熔池，防止空

氣中的氧、氮等氣體與熔化的液體金屬接觸，避免形成脆性易裂的化合物。

焊縫金屬冷卻后把被連接件連成一體。

圖3.1.2手工電弧焊⑸電路；（b）施焊過(guò)程

1一電焊機(jī)；2—導(dǎo)線(xiàn)；3-焊件；4一電孤；5—藥皮；6—起保護(hù)作用的氣體；7—熔渣；8-

焊縫金屬；9一主體金屬；10—焊絲；11一熔池

手工電弧焊設(shè)備簡(jiǎn)單，操作靈活方便，適于任意空間位置的焊接，特別

適于焊接短焊縫。但生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量與焊工的技術(shù)水平

和精神狀態(tài)有很大的關(guān)系。

1.4手工電弧焊所用焊條應(yīng)與焊件鋼材（或稱(chēng)主體金屬）相適應(yīng)，例如：

對(duì)Q235鋼采用E43型焊條（E4300?E4328）;對(duì)Q345鋼采用E50型焊條

（E5000-E5048）;對(duì)Q390鋼和Q420鋼采用E55型焊條（E5500?E5518）。焊

條型號(hào)中字母E表示焊條，前兩位數(shù)字為熔敷金屬的最小抗拉強(qiáng)度（單位為

kgf/mm2）,第三、四位數(shù)字表示適用焊接位置、電流以及藥皮類(lèi)型等。不同

鋼種的鋼材相焊接時(shí)，宜采用低組配方案。

（2）埋弧焊（自動(dòng)或半自動(dòng)）

2、釧釘連接：孔比釘桿直徑大1mm,加熱到900T500℃,插入釘孔，打

成鉀釘頭，現(xiàn)已很少采用。

3、螺栓連接

（1）普通螺栓連接：主要為c級(jí)粗制螺栓，傳遞剪力時(shí)，連接變形較大，

但傳遞拉力性能尚好。主要用于安裝連接及可拆卸的結(jié)構(gòu)中。普通碳素鋼制

2

成，屬4.6、4.8級(jí)，表示最低抗拉強(qiáng)度：400N/mmo0.6、0.8——螺栓材料

屈強(qiáng)比（屈服點(diǎn)/最低抗拉強(qiáng)度）

（2）高強(qiáng)螺栓連接：主要靠連接板間的強(qiáng)大摩擦阻力傳遞剪力，而普通

螺栓和鉀釘主要靠釘桿承壓和抗剪來(lái)傳剪力。

又分為：摩擦型和承壓型

a、摩擦型——只靠連接板件間的強(qiáng)大摩擦阻力傳力，以摩擦阻力被克服

作為連接承載力的極限強(qiáng)度。為了產(chǎn)生更大摩擦力，應(yīng)采用高強(qiáng)度及材料優(yōu)

質(zhì)碳素鋼制成。包括：優(yōu)質(zhì)碳素鋼（8.8級(jí)）、合金結(jié)構(gòu)鋼（10.9級(jí)）。

b、承壓型——靠被連接板件間的摩擦力和栓桿共同傳力，以栓桿被剪壞

或被壓（承壓）壞為承載力極限。

二、焊縫代號(hào)、螺栓圖例（結(jié)合教材略講）

第二節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算

一、對(duì)接焊縫的構(gòu)造

常開(kāi)成各種形式的坡口（I型、單邊V型、X型和K型等）根據(jù)焊件厚度,

保證焊縫質(zhì)量，便于施焊及減小焊縫截面積的原則選用。厚度5>6mm,開(kāi)坡

口，保證焊縫。

匚

R"3~4mm；Jc=3-4mm

從c3-4nun

3tn

圖3.2.1對(duì)接焊縫的坡口形式

（a）直邊縫；（b）單邊V形坡口；（c）V形坡口；（d）U形坡口；（e）K形坡口；（f）X形

坡口

在對(duì)接焊縫的拼接處，當(dāng)焊件的寬度不同或厚度相差4mm以上時(shí)，應(yīng)分別

在寬度方向或厚度方向從一側(cè)或兩側(cè)做成坡度不大于1：2.5的斜角（圖

圖3.2.2鋼板拼接圖3.2.3用引?。ㄒ觯┌搴附?/p>

（?）改變寬度“以改變厚度

在焊縫的起滅弧處，常會(huì)出現(xiàn)弧坑等缺陷，對(duì)承載力影響極大，故焊接

時(shí)一般應(yīng)設(shè)置引弧板或引出板（圖3.2.3）,焊后將它割除。對(duì)受靜力荷載的結(jié)

構(gòu)設(shè)置引?。ǔ觯┌逵欣щy時(shí)，允許不設(shè)置引?。ǔ觯┌澹闪詈缚p計(jì)算長(zhǎng)度等

于實(shí)際長(zhǎng)度減2t（此處t為較薄焊件厚度）。

一、對(duì)接焊縫的計(jì)算

對(duì)接焊縫通常都做成帶坡口的，按焊縫是否被焊透，分為焊透的對(duì)接焊

縫和未焊透的對(duì)接焊縫兩種。設(shè)計(jì)方法也各異。

1.軸心受力的對(duì)接焊縫

在對(duì)接接頭和T形接頭中，垂直于軸心拉力或軸心壓力N的對(duì)接焊縫（圖

3.2.4）,其強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：

圖3.2.4直對(duì)接焊健

按GB50205—1995《鋼結(jié)構(gòu)施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)接焊縫施焊時(shí)

均應(yīng)加引弧板，以避免焊縫兩端的起落弧缺陷，這樣，焊縫計(jì)算長(zhǎng)度應(yīng)取為

實(shí)際長(zhǎng)度。但在某些特殊情況下，如T形接頭，當(dāng)加引弧板較為困難而未加時(shí)，

則計(jì)算每條焊縫長(zhǎng)度應(yīng)減去2t。因此，在一般加引弧板施焊的情況下，所有

受壓、受剪的對(duì)接焊縫以及受拉的一、二級(jí)焊縫，均與母材等強(qiáng)，不用計(jì)算,

只有受拉的三級(jí)焊縫才需要進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)直焊縫不能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求時(shí)，可采用斜對(duì)接焊縫。圖3.2.5所示的軸心

受拉斜焊縫，可按下列公式計(jì)算：

?sin8一行

圖3.2.5斜對(duì)接焊縫

［例題］試驗(yàn)算圖3.2.6所示鋼板的對(duì)接焊縫的強(qiáng)度。圖中a=540mm,

t=22mm,軸心力的設(shè)計(jì)值為N=2500kN。鋼材為Q235-B,手工焊，焊條為

E43型，三級(jí)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的焊縫，施焊時(shí)加引弧板。

(b)

圖3.2.6例題3.1圖

［解］直縫連接其計(jì)算長(zhǎng)度iw=54cm。焊縫正應(yīng)力為:

3

N2500x10N2、廠(chǎng)1天M/z

a=—=--------------=210NA/r/mm>=175N/mm

Ij540mmx22mm

不滿(mǎn)足要求，改用斜對(duì)接焊縫，取截割斜度為1.5:1,即0=56。，焊縫長(zhǎng)度

_a_54cm

、sin0sin56°=65cm.故此時(shí)焊縫的正應(yīng)力為：

3

Asin62500x10Nxsin56°22

(J--------二------------------------------------145N/mm</*=175N/mm

650mmx22mm

剪應(yīng)力為:

s

Ncos92500x10Nxco856022

T==98N/mm<f；=120N/mm

I5650mtnx22mm

這就說(shuō)明當(dāng)tanOWL5時(shí)，焊縫強(qiáng)度能夠保證，可不必驗(yàn)算.

2.承受彎矩和剪力聯(lián)合作用的對(duì)接焊縫

圖3.2.7a所示對(duì)接接頭受彎矩和剪力的聯(lián)合作用，由于焊縫截面是矩形圖

形分別為三角形與拋物線(xiàn)形，其最大值應(yīng)分別滿(mǎn)足下列強(qiáng)度條件：

M6M八

%二

W2工

3V

T5=--------■■I

中2

圖3.2.7b所示是工字形截面梁的接頭，采用對(duì)接焊縫，除應(yīng)分別驗(yàn)算最大

正應(yīng)力和剪應(yīng)力外，對(duì)于同時(shí)受有較大正應(yīng)力和較大剪應(yīng)力處，例如腹板與

翼緣的交接點(diǎn)處，還應(yīng)按下式驗(yàn)算折算應(yīng)力：

J-+3彳w1.1/：

式中，°1,T1為驗(yàn)算點(diǎn)處的焊縫正應(yīng)力和剪應(yīng)力；1.1為考慮到最大折算應(yīng)力

只在局部出現(xiàn)，而將強(qiáng)度設(shè)計(jì)值適當(dāng)提高的系數(shù).

雪

一

i

h

l

K

作用

聯(lián)合

剪力

矩和

受彎

焊縫

對(duì)接

2.7

圖3.

焊縫

對(duì)接

用的

合作

力聯(lián)

和剪

，彎矩

心力

受軸

3.承

應(yīng)力

的正

引起

縫中

在焊

彎矩

力和

，軸心

用時(shí)

合作

力聯(lián)

矩、剪

與彎

心力

當(dāng)軸

算。

6)驗(yàn)

(3.2.

按式

力仍

算應(yīng)

，折