第1講-鋼結(jié)構(gòu)材料

1、郭曉紅，同濟(jì)大學(xué)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(fù))65980531，A730郭曉紅，_3d3s_ password 123456，主要知識(shí)點(diǎn)，1。回顧鋼2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(jì)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(yàn)曲線，彈性階段，線彈性段：應(yīng)力應(yīng)變成線性關(guān)系，卸載后變形消失；非線性彈性截面：應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變進(jìn)入非線性彈塑性階段，存在明顯的水平屈服平臺(tái)，應(yīng)力基本保持不變，

2、應(yīng)變持續(xù)發(fā)展(暫時(shí)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(qiáng)化階段，鋼的內(nèi)部晶粒被重新排列以恢復(fù)承載能力；在頸縮階段，超過頂點(diǎn)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(qiáng)度和屈服點(diǎn)伸長(zhǎng)率的比例極限彈性模量，1.2結(jié)構(gòu)鋼(Q235)的重要力學(xué)性能指標(biāo)，1。本構(gòu)關(guān)系，1.3結(jié)構(gòu)鋼的幾個(gè)重要特性，屈服強(qiáng)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(jìn)行加固和補(bǔ)救；(3)fy發(fā)展為fu，面積大，可作為力量?jī)?chǔ)備。fu/fy稱為強(qiáng)收益率，為便于計(jì)算，要求大于1.2。通常，實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變曲線被簡(jiǎn)化并被視為理想的彈塑性模型。1.本構(gòu)關(guān)系例01簡(jiǎn)支鋼梁，

3、梁端承受端彎矩，長(zhǎng)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(qiáng)度為235兆帕，屈服平臺(tái)的最大流動(dòng)振幅為2.5%。為了嘗試分別估算：(1)鋼邊纖維剛屈服時(shí)鋼梁的跨中撓度；(2)邊緣纖維應(yīng)變達(dá)到2.5%時(shí)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(qiáng)度為235兆帕；假設(shè)凈截面上的縱向應(yīng)變分布形狀不隨荷載的增加而變化，并假設(shè)當(dāng)鋼材的縱向應(yīng)變達(dá)到極限值時(shí)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(qiáng)度鋼，不銹鋼和鋁合金，1。本

4、構(gòu)關(guān)系，1.4無屈服平臺(tái)的拉伸曲線，Ramburg-Osgood模型，特別是對(duì)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(duì)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(cè)判斷兩塊鋼板中哪一塊先屈服。2)如果已知QY=250 kn/m；計(jì)算兩塊鋼板的降低應(yīng)力。3)如果下圖中的橫向張力變?yōu)閴毫?，重新?jì)算兩塊鋼板的轉(zhuǎn)換應(yīng)力。(b)二維應(yīng)力狀態(tài)，轉(zhuǎn)換應(yīng)力，(a)三維應(yīng)力狀態(tài)，第四強(qiáng)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(huì)屈服？2)計(jì)算鋼球的主應(yīng)力；3)計(jì)算鋼球的降低應(yīng)力；如果鋼球表面承受1000兆帕的負(fù)壓，鋼球會(huì)被損壞嗎？1。本構(gòu)關(guān)系，Mises屈服條件，例05嘗試在主應(yīng)力坐標(biāo)系中繪制Mises屈服面例05嘗試在主應(yīng)力坐標(biāo)系中繪制最大拉應(yīng)力理論屈服面，鋼在雙軸和三軸應(yīng)力下性能發(fā)生變化，鋼在三軸拉應(yīng)力下會(huì)變脆，1。本構(gòu)關(guān)系，1。本構(gòu)關(guān)系，1.6加強(qiáng)，計(jì)算梁端承受端彎矩，長(zhǎng)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(qiáng)度為235兆帕，屈服平臺(tái)的最大流動(dòng)振幅為2.5%?？估瓘?qiáng)度為350兆帕，對(duì)應(yīng)于抗拉強(qiáng)度的應(yīng)變?yōu)?0%。試

6、想想：加固截面對(duì)鋼梁的承載力有什么影響嗎？相對(duì)于流量范圍的末端，有多少安全儲(chǔ)備？在實(shí)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(qiáng)化，思維06假設(shè)鋼仍然滿足第四強(qiáng)度理論，嘗試在主應(yīng)力坐標(biāo)系中繪制對(duì)應(yīng)于以下兩條單向應(yīng)力-應(yīng)變曲線的屈服面。1。本構(gòu)關(guān)系，1.6強(qiáng)化，單調(diào)加載時(shí)效，單向往復(fù)加載，包申格效應(yīng)后續(xù)強(qiáng)化，各向同性強(qiáng)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(jìn)行鋼的滯回曲線，應(yīng)變通常為2%。為什么？對(duì)工程結(jié)構(gòu)來說夠了嗎？3)如果有好的人，應(yīng)變將為5%，本構(gòu)關(guān)系將達(dá)到加強(qiáng)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(diǎn)？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(jìn)行熱處理，高強(qiáng)度鋼淬火和正火處理，淬火和回火處理兩個(gè)過程1)提高淬火強(qiáng)度，降低塑性和韌性2)回火以恢復(fù)塑性和韌性，2。影響因素，2.4鋼筋調(diào)直，調(diào)直會(huì)在構(gòu)件中產(chǎn)生殘余應(yīng)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(yīng)力對(duì)其承載能力有什么影響？3)如果H型鋼作為鋼柱，殘余應(yīng)力對(duì)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(yán)重硬化和刨平，或焊接熔化，沖孔：孔壁嚴(yán)重硬化，甚至微裂紋擴(kuò)大，冷彎：邊角屈服點(diǎn)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(qiáng)度和硬度高，塑性韌性低，正火區(qū)：強(qiáng)度和韌性對(duì)零件的整體力學(xué)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(yīng)力，思維11 1)焊接工字形截面的殘余應(yīng)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(yīng)力對(duì)其承載力有什么影響？2.影響因素：2.8多軸應(yīng)力、單軸應(yīng)力、相同數(shù)量的多軸應(yīng)力、不同數(shù)量的多軸應(yīng)力和三軸拉應(yīng)力會(huì)使鋼變脆；2.9加載速率，提高加載速率，提高強(qiáng)度和塑性。動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，2。影響因素，2.10溫度，低溫：冷脆性，高溫：強(qiáng)度降低，軟化，膨脹知識(shí)：鋁合金低溫強(qiáng)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(jì)算圖，分析不同計(jì)算圖對(duì)計(jì)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(diǎn)：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(yuǎn)大于鋼柱；支撐部分是D25圓鋼。試著比較右邊三個(gè)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(diǎn)：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(dá)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(fù)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(diǎn)：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(dòng)問題，3.6板結(jié)構(gòu)，3 .結(jié)構(gòu)體系的主要特點(diǎn)：依靠板來承受荷載，板應(yīng)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(yù)應(yīng)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