第1講-鋼結(jié)構(gòu)材料

1、郭曉紅，同濟大學建筑工程系，2015，第1講，鋼結(jié)構(gòu)材料與結(jié)構(gòu)體系無短信回復)65980531，A730郭曉紅，_3d3s_ password 123456，主要知識點，1?；仡欎?的本構(gòu)關(guān)系中鋼結(jié)構(gòu)的基本原理。影響鋼材性能的主要因素陳紹蕃鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原則第1章第3節(jié)。鋼結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)體系隨便吹噓，第1節(jié)本構(gòu)關(guān)系，1。本構(gòu)關(guān)系，1.1單軸拉伸試驗曲線，彈性階段，線彈性段：應力應變成線性關(guān)系，卸載后變形消失；非線性彈性截面：應力應變關(guān)系為非線性，卸載后變形消失；一般來說，彈性階段的變形很小。屈服階段，應力應變進入非線性彈塑性階段，存在明顯的水平屈服平臺，應力基本保持不變，

2、應變持續(xù)發(fā)展(暫時失去承載能力)；卸載后，彈性變形消失，但塑性變形仍然存在。在強化階段，鋼的內(nèi)部晶粒被重新排列以恢復承載能力；在頸縮階段，超過頂點后，試樣出現(xiàn)橫向收縮，稱為“頸縮”，然后斷裂。1.本構(gòu)關(guān)系，拉伸強度和屈服點伸長率的比例極限彈性模量，1.2結(jié)構(gòu)鋼(Q235)的重要力學性能指標，1。本構(gòu)關(guān)系，1.3結(jié)構(gòu)鋼的幾個重要特性，屈服強度fy。(2)2)fy后，塑性變形很大，一旦超載，很容易被發(fā)現(xiàn)進行加固和補救；(3)fy發(fā)展為fu，面積大，可作為力量儲備。fu/fy稱為強收益率，為便于計算，要求大于1.2。通常，實際應力-應變曲線被簡化并被視為理想的彈塑性模型。1.本構(gòu)關(guān)系例01簡支鋼梁，

3、梁端承受端彎矩，長度為6m，截面為工字形，截面高度為400mm。已知鋼的彈性模量為E=200GPa，屈服強度為235兆帕，屈服平臺的最大流動振幅為2.5%。為了嘗試分別估算：(1)鋼邊纖維剛屈服時鋼梁的跨中撓度；(2)邊緣纖維應變達到2.5%時鋼梁的跨中撓度；(3)思考收益率區(qū)間的重要性；1。本構(gòu)關(guān)系，例02帶孔拉伸鋼板厚度為10毫米，兩端承受均勻拉力。眾所周知，鋼的彈性模量為200兆帕，屈服強度為235兆帕；假設(shè)凈截面上的縱向應變分布形狀不隨荷載的增加而變化，并假設(shè)當鋼材的縱向應變達到極限值時材料開裂，試估算鋼板在以下三種本構(gòu)關(guān)系下的抗拉承載力；1.本構(gòu)關(guān)系，高強度鋼，不銹鋼和鋁合金，1。本

4、構(gòu)關(guān)系，1.4無屈服平臺的拉伸曲線，Ramburg-Osgood模型，特別是對于鋁合金，例03嘗試用xls編制R-O模型的本構(gòu)關(guān)系曲線，并研究指數(shù)n對曲線形狀的影響。1.本構(gòu)關(guān)系，1.5屈服，示例04Q235薄鋼板；厚度為10毫米，承受兩種載荷，如下圖所示。1)qy和其他比例增加，目測判斷兩塊鋼板中哪一塊先屈服。2)如果已知QY=250 kn/m；計算兩塊鋼板的降低應力。3)如果下圖中的橫向張力變?yōu)閴毫?，重新計算兩塊鋼板的轉(zhuǎn)換應力。(b)二維應力狀態(tài)，轉(zhuǎn)換應力，(a)三維應力狀態(tài)，第四強度理論，(c)一般梁，(d)純剪切狀態(tài)，1。本構(gòu)關(guān)系，示例05假設(shè)海水密度為1噸/立方米，將Q235制成的鋼

5、球拋至100，000米深的海底。1)試著判斷鋼是否會屈服？2)計算鋼球的主應力；3)計算鋼球的降低應力；如果鋼球表面承受1000兆帕的負壓，鋼球會被損壞嗎？1。本構(gòu)關(guān)系，Mises屈服條件，例05嘗試在主應力坐標系中繪制Mises屈服面例05嘗試在主應力坐標系中繪制最大拉應力理論屈服面，鋼在雙軸和三軸應力下性能發(fā)生變化，鋼在三軸拉應力下會變脆，1。本構(gòu)關(guān)系，1。本構(gòu)關(guān)系，1.6加強，計算梁端承受端彎矩，長度為6m，截面為工字形，截面高度為400mm。已知鋼的彈性模量為E=200GPa，屈服強度為235兆帕，屈服平臺的最大流動振幅為2.5%?？估瓘姸葹?50兆帕，對應于抗拉強度的應變?yōu)?0%。試

6、想想：加固截面對鋼梁的承載力有什么影響嗎？相對于流量范圍的末端，有多少安全儲備？在實際工程中，是否有必要考慮鋼梁的加固截面？1。本構(gòu)關(guān)系，1.6強化，思維06假設(shè)鋼仍然滿足第四強度理論，嘗試在主應力坐標系中繪制對應于以下兩條單向應力-應變曲線的屈服面。1。本構(gòu)關(guān)系，1.6強化，單調(diào)加載時效，單向往復加載，包申格效應后續(xù)強化，各向同性強化，1。本構(gòu)關(guān)系，1.7滯后，思維07 1)滯后所包圍的區(qū)域是什么？2)通常進行鋼的滯回曲線，應變通常為2%。為什么？對工程結(jié)構(gòu)來說夠了嗎？3)如果有好的人，應變將為5%，本構(gòu)關(guān)系將達到加強截面，所以試畫滯回曲線。比較超彈性材料(如形狀記憶合金)的滯回曲線，并考慮

7、它們的優(yōu)缺點？第2、2節(jié)主要影響因素。影響因素，2.1鋼脫氧，錳脫氧沸騰鋼和硅脫氧鎮(zhèn)靜鋼，主要影響：沖擊韌性，2。影響因素，2.2軋鋼，軋制鋼板：縱、橫向，熱軋工字鋼腹板翼緣，寬翼緣工字鋼腹板翼緣工字鋼，2。影響因素，2.2軋鋼，2。影響因素：2.3鋼熱處理，普通建筑結(jié)構(gòu)鋼，一般以熱軋狀態(tài)交貨，不進行熱處理，高強度鋼淬火和正火處理，淬火和回火處理兩個過程1)提高淬火強度，降低塑性和韌性2)回火以恢復塑性和韌性，2。影響因素，2.4鋼筋調(diào)直，調(diào)直會在構(gòu)件中產(chǎn)生殘余應力，思維10 1)熱軋工字鋼的分析2)如果該工字鋼被用作鋼梁，殘余應力對其承載能力有什么影響？3)如果H型鋼作為鋼柱，殘余應力對其承

8、載力有什么影響？2.影響因素：2.5鋼的各向異性和鋼板沿厚度方向的最差性能。防止層間撕裂的方法是使用Z向鋼。思考11如圖所示，柱翼緣較厚，分層撕裂發(fā)生在與梁焊接的下翼緣。從圖片判斷，這種損壞是發(fā)生在地震還是恒載下？2。影響因素：2.6冷加工、剪切：切削刃嚴重硬化和刨平，或焊接熔化，沖孔：孔壁嚴重硬化，甚至微裂紋擴大，冷彎：邊角屈服點增加，2。影響因素，2.7熱加工，焊接熱影響區(qū)，過熱區(qū)：晶粒粗大，強度和硬度高，塑性韌性低，正火區(qū)：強度和韌性對零件的整體力學性能影響不大。2.影響因素，2.7熱加工、焊接和火焰切割的殘余應力，思維11 1)焊接工字形截面的殘余應力圖與火焰切割刃和剪切刃的比較；2)

9、如果將工字鋼作為軸心受壓構(gòu)件，殘余應力對其承載力有什么影響？2.影響因素：2.8多軸應力、單軸應力、相同數(shù)量的多軸應力、不同數(shù)量的多軸應力和三軸拉應力會使鋼變脆；2.9加載速率，提高加載速率，提高強度和塑性。動態(tài)本構(gòu)模型，2。影響因素，2.10溫度，低溫：冷脆性，高溫：強度降低，軟化，膨脹知識：鋁合金低溫強韌化！第3節(jié)鋼結(jié)構(gòu)體系、桁架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)和拱結(jié)構(gòu)、板張力結(jié)構(gòu)介紹，3。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，3.1桁架結(jié)構(gòu)，平面桁架，3。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，空間桁架，3。結(jié)構(gòu)體系，3主要荷載：垂直于桁架方向的傳力體系：弦傳遞彎矩，腹桿傳遞剪力；3。結(jié)構(gòu)體系：3.1桁架結(jié)構(gòu)，案例01屋架采用平面桁架結(jié)構(gòu)體

10、系：跨度24m，柱距6m，已知恒載2.0kN/m2；活載為1.5千牛頓/平方米；材料為Q235鋼；1)盡量合理選擇桁架；2)嘗試估算弦的軸向力；估算腹桿的軸向力；3)繪制計算圖，分析不同計算圖對計算結(jié)果的影響。3.2框架結(jié)構(gòu)，3。結(jié)構(gòu)體系，主要特點：梁主要承受彎矩；柱彎曲為主；主要荷載：垂直力和水平力傳遞系統(tǒng)：按水平力傳遞分為支撐框架和無支撐純框架；3.結(jié)構(gòu)體系，3.2框架結(jié)構(gòu)；案例02比較框架/排架/支撐框架的橫向剛度。眾所周知，在三層框架中，鋼柱截面采用HW200，鋼梁截面假定遠大于鋼柱；支撐部分是D25圓鋼。試著比較右邊三個結(jié)構(gòu)的橫向剛度。3.結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，3.3網(wǎng)格結(jié)構(gòu)/空間結(jié)構(gòu)，案例03

11、網(wǎng)格塊安裝，3。結(jié)構(gòu)體系、主要特點：桿件主要承受軸向力；主要載荷：垂直力和水平力傳遞系統(tǒng)：通過結(jié)構(gòu)的形狀達到最高的載荷傳遞效率。3。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，3.3網(wǎng)格結(jié)構(gòu)/空間結(jié)構(gòu)，案例04復雜空間結(jié)構(gòu)的力傳遞路徑分析，3。結(jié)構(gòu)體系，3.4拱結(jié)構(gòu)，主要特點：合理的拱軸構(gòu)件主要受軸向力；小彎矩主要荷載：垂直力和水平力。結(jié)構(gòu)體系，3.4拱結(jié)構(gòu)，案例05偏心拱橋的振動問題，3.6板結(jié)構(gòu)，3 .結(jié)構(gòu)體系的主要特點：依靠板來承受荷載，板應盡可能在平面內(nèi)受力。重要提示：必須保證板的邊緣剛度。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，案例06分析損壞的污水池結(jié)構(gòu)。3.6板結(jié)構(gòu)，3。結(jié)構(gòu)體系，平面索桁架體系，承載索：凹形作用以承受外部荷載，穩(wěn)定索：凸形作用以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系，預應力后形成結(jié)構(gòu)，3.7張拉結(jié)構(gòu)，3。結(jié)構(gòu)體系，矩形平面內(nèi)平面索桁架的平行布置，3。結(jié)構(gòu)體系，圓形平