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1、第六章第六章 钢钢 结结 构构一、钢材及钢结构的计算方法一、钢材及钢结构的计算方法二、钢结构构件的计算二、钢结构构件的计算三、钢结构的连接三、钢结构的连接四、钢屋架四、钢屋架国家大剧院国家大剧院 位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近12公顷，总建筑面积近15万平方米，总投资26.88亿元，目前已进行过网壳部分设计与施工验收审查会议。该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285。内设歌剧院（2416席）、音乐厅（2020席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,
2、各种通道及入口均设在水下。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计，整体结构用钢量达6750t，195kg/m。上海环球金融中心上海环球金融中心 由日本森大厦株式会社的全额子公司森海外株式会社及日本具有代表性的银行、保险公司、商社等36家企业，偕同政府系统机构日本海外经济协力基金(OECF)联合投资的上海环球金融中心，总投资逾750亿日元。位于陆家嘴金融贸易区，建筑总面积335,420平方米，地下3层，地上94层。建成后的高度达460米。总用钢量26000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱，目前正在施工阶段。轻型钢结构轻型钢结构容器和其他构筑物容器和其他构筑
3、物容器和其他构筑物容器和其他构筑物陕西铜川天然气公司1000立方米天然气球罐大连西太平洋石化有限公司1500立方米CF-62钢球罐一、钢结构定义：是钢材制成的工程结构，通常由型钢和钢板等是钢材制成的工程结构，通常由型钢和钢板等制成的梁、桁架、柱、板等构件组成，各部分之制成的梁、桁架、柱、板等构件组成，各部分之间用焊缝、螺栓或铆钉连接间用焊缝、螺栓或铆钉连接。二、钢结构的特点：n n强度高、重量轻强度高、重量轻n n材质均匀、各向同性材质均匀、各向同性n n塑性韧性好塑性韧性好n n施工工期短、拆迁方便施工工期短、拆迁方便n密闭性好n稳定问题突出n耐腐蚀性差n耐火性差三、钢结构的应用范围n n重
4、型厂房结构及受动力荷载作用的厂重型厂房结构及受动力荷载作用的厂 房结构房结构n n大跨度结构大跨度结构n n多层、高层及超高层建筑多层、高层及超高层建筑n n塔桅结构塔桅结构n n容器、管道等容器、管道等n n可拆卸、装配式房屋可拆卸、装配式房屋n n其他构筑物其他构筑物四、钢材的种类四、钢材的种类按冶炼方法分类按冶炼方法分类1.平炉钢：生产周期长，成本高，质量好平炉钢：生产周期长，成本高，质量好2.转炉钢：转炉钢：氧气转炉钢：氧气转炉钢：生产周期短，成本低，质量与平炉钢接近生产周期短，成本低，质量与平炉钢接近空气转炉钢：空气转炉钢：质量较差，只能用于次要构件质量较差，只能用于次要构件按脱氧程
5、度分类按脱氧程度分类1.沸腾钢沸腾钢F：脱氧剂为脱氧剂为锰铁；锰铁；脱氧不完全，质量较差，成本低脱氧不完全，质量较差，成本低2.半镇静钢半镇静钢b：介于两者之间介于两者之间3.镇静钢镇静钢Z：脱氧剂为脱氧剂为锰铁加硅铝锰铁加硅铝；脱氧较完全，质量好，成本高；脱氧较完全，质量好，成本高4.特殊镇静钢特殊镇静钢TZ1、钢材的种类、钢材的种类按化学成分分类按化学成分分类1.碳素结构钢：碳素结构钢：标号：标号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275Q235-AF，表示屈服强度为，表示屈服强度为235N/mm2A级沸腾钢级沸腾钢2.低合金钢：低合金钢：16Mn，表示平均含碳量，表示平均含碳量0
6、.16%含锰的钢含锰的钢 标号：标号：Q295、Q345、Q390、Q420、Q4603.优质碳素结构钢优质碳素结构钢 2、钢材的牌号n n碳素结构钢碳素结构钢如：Q235A F，Q235C“屈”字的首写拼音字母Q 脱氧方式钢材的屈服点质量等级分A,B,C,D四个等级，(质量D级最好)沸腾钢(F)半镇静钢(b)镇静钢(z)(通常省略)特殊镇静钢(TZ)(通常省略)n n低合金结构钢低合金结构钢“屈”字的首写拼音字母如：Q345A，Q390CQ 钢材的屈服点质量等级分A、B、C、D、E五个等级。(质量E级最好)镇静钢(z)(通常省略)特殊镇静钢(TZ)(通常省略)脱氧方式 3、钢材的选用n n结
7、构的重要性结构的重要性n n荷载特征荷载特征 （动力荷载要求较高质量钢材）（动力荷载要求较高质量钢材）n n连接方法连接方法 （焊接结构要求较高质量钢材）（焊接结构要求较高质量钢材）n n工作条件工作条件 （低温环境易造成钢材冷脆，要求钢（低温环境易造成钢材冷脆，要求钢 材质量较高）材质量较高）承重结构的钢材，宜选用承重结构的钢材，宜选用Q235、16Mn，16Mnq等等不宜使用不宜使用Q235-AF的结构：焊接结构中重级工作制结构，冬季温度低的结构：焊接结构中重级工作制结构，冬季温度低于于-20的轻、中级工作制结构；非焊接结构中冬季温度低于的轻、中级工作制结构；非焊接结构中冬季温度低于-20
8、的的重级工作制结构重级工作制结构 4、常用钢材的规格（一）（一）钢板钢板n n 表示方法：表示方法：宽度宽度 厚度厚度 长度长度（mmmm）n n 如：如：300 300101000101000n n厚钢板：厚度厚钢板：厚度4.560mm,4.560mm,宽度宽度 60030006003000mm,mm,长度长度412412mmn n薄钢板：厚度薄钢板：厚度0.354.0mm,0.354.0mm,宽度宽度50015005001500mm,mm,长度长度0.540.54mmn n扁钢：宽度两边均为轧制边的钢板型式，扁钢：宽度两边均为轧制边的钢板型式，宽度宽度1020mm,1020mm,厚度厚度3
9、30330mmmm。（二）（二）热轧型钢热轧型钢 有角钢、槽钢、工字钢和有角钢、槽钢、工字钢和H H型型钢。钢。n n角钢：分等边和不等边两种角钢：分等边和不等边两种。n n等边：等边：宽宽 厚厚（mmmm）如：如：L 906L 906n n不等边：不等边：长长 宽宽 厚厚 如：如：L L 125808125808n n工字钢工字钢 分普通工字钢和轻型工字钢两种。分普通工字钢和轻型工字钢两种。如 I 36a普通工字钢：I 截面高度的厘米数截面类型(a,b两类不同腹板厚度)如 QI 50a轻型工字钢：QI 截面类型(a,b,c三类)n nH H型型钢和钢和T T型型钢钢如：H350250810表
10、示方法：高度宽度腹板厚翼缘厚宽翼缘H型钢(HW)中翼缘H型钢(HM)H型钢柱(HP)H B t1 t2 （单位：mm）H型钢分类窄翼缘H型钢(HN)n n槽钢槽钢 有普通槽钢和轻型槽钢。有普通槽钢和轻型槽钢。表示方法：截面高度的厘米数截面类型分a,b两类截面类型分a,b,c三类普通槽钢：如 32a轻型槽钢：Q 如Q 32a （三）钢管 热轧无缝钢管热轧无缝钢管 焊接钢管焊接钢管 表示方法：表示方法：外径外径 壁厚壁厚 如：如：400 400 6 6 （四）冷弯薄壁型钢 表示方法：表示方法：B+B+形状符号形状符号+长边宽长边宽 短边宽短边宽 卷边宽卷边宽 厚度厚度 如：如：B 120 B 12
11、0 50 50 20 20 2.5 2.54、钢材机械性能、钢材机械性能强度（强度（屈服点、抗拉强度屈服点、抗拉强度）、）、塑性（塑性（伸长率伸长率）、）、冷弯性能、冷弯性能、冲击韧性冲击韧性。结构的整体失稳结构的整体失稳 结构和构件的局部失稳结构和构件的局部失稳 结构的强度破坏结构的强度破坏 结构的脆性断裂结构的脆性断裂 结构的疲劳破坏结构的疲劳破坏 结构的损伤累积破坏结构的损伤累积破坏五、五、钢结构的可能破坏形式钢结构的可能破坏形式结构整体失稳结构整体失稳构件局部失稳构件局部失稳结构脆性断裂结构脆性断裂构件局部失稳和脆断构件局部失稳和脆断结构疲劳破坏结构疲劳破坏五、钢结构计算方法五、钢结构
12、计算方法以概率论为基础的极限状态设计法以概率论为基础的极限状态设计法六、钢结构的设计指标六、钢结构的设计指标钢材和连接的强度设计值等于材料的标准值除以抗力钢材和连接的强度设计值等于材料的标准值除以抗力分项系数，应根据钢材厚度或直径查表分项系数，应根据钢材厚度或直径查表（一）轴心受力构件和拉弯、压弯构件的类型（一）轴心受力构件和拉弯、压弯构件的类型轴心受力构件拉弯构件：承受非结点荷载的桁架下弦杆。压弯构件：框架柱、单层厂房的柱子。轴心受拉构件：支撑拉杆，桁架下弦杆轴心受压构件：桁架上弦杆，柱1、轴心受力构件和拉弯、压弯构件的种类七、七、钢结构构件的计算钢结构构件的计算2、截面形式型钢截面：圆钢、
13、钢管、方钢管、角钢组合截面实腹式格构式（二）、轴心受力构件（二）、轴心受力构件包括包括轴心受拉构件轴心受拉构件和和轴心受压构件。轴心受压构件。A.强度强度B.刚度（长细比）刚度（长细比）C.整体稳定性整体稳定性例题例题1 1验算钢屋架的受压腹杆见图。验算钢屋架的受压腹杆见图。N=148.5kN,计算长度计算长度lox=2291mm,loy=2864mm,A=1473.4mm2,ix=23.3mm,iy=33.7mm。钢材。钢材Q235。解：解：解：解：1.强度（略）强度（略）yyxxy82.刚度刚度3.整体稳定性整体稳定性截截 面面 形形 式式 和和 对对 应应 轴轴bxxh轧制，b/h0.8
14、，对x轴轧制，对任意轴类类别别a 类bhyy轧制，b/h0.8，对y轴bhyyxx轧制，b/h0.8，对x、y轴b 类yyxxxxyy轧制，对x、y轴xxxx焊接，翼缘为轧制或剪切边，对x轴xx xxyyyy焊接，翼缘为焰切边，对x轴xxyyyxxy轧制，对x、y轴xxyy轧制，(等边角钢)，对x、y轴xxyy焊接，对任意轴截截 面面 形形 式式 和和 对对 应应 轴轴类类别别b 类c 类xxyyxxyyxxyyxxyyxxyyxxyyxxyy焊接，对x、y轴yyyy轧制或焊接，对y轴xx轧制或焊接，对x轴xxyyxxyyxxyyxxyy格构式，对x、y轴yyyy焊接，翼缘为轧制或剪切边，对y
15、轴yy轧制或焊接，对y轴xx xx轧制或焊接，对x轴无任何对称轴的截面，对任意轴板件厚度大于40mm的焊接实腹截面，对任意轴表5.2(b)（三）受弯构件的类型和应用 受弯构件受弯构件 指主要承受横向荷载的构件。指主要承受横向荷载的构件。钢结构中最常用的受弯构件是钢梁。钢结构中最常用的受弯构件是钢梁。按截面形式分型钢梁组合梁按荷载作用情况分单向受弯梁双向受弯梁按支承情况分简支梁连续梁伸臂梁框架梁按使用功能分工作平台梁吊车梁楼盖梁墙梁檩条受弯构件分类受弯构件分类受弯构件受弯构件A.抗弯强度抗弯强度B.抗剪强度抗剪强度D.整体稳定性整体稳定性C.刚度刚度FE.局部稳定性：用局部稳定性：用高厚比高厚比
16、限定限定为提高构件局部稳定性，可按规定设置为提高构件局部稳定性，可按规定设置加劲肋加劲肋，包括横向加劲肋和纵，包括横向加劲肋和纵向加劲肋。向加劲肋。拉弯、压弯构件拉弯、压弯构件包括包括强度、刚度、稳定性强度、刚度、稳定性验算验算1、梁的强度强度抗弯强度抗剪强度局部承压强度折算应力 梁的强度和刚度规范在对梁抗弯强度计算时，考虑部分截面发展塑性，用 来控制：对于承受静力或间接动力荷载：单向弯曲梁：双向弯曲梁：直接承受动力荷载：2、梁的刚度梁的刚度问题 满足正常使用极限状态的问题。式中：梁的允许挠度；l 梁的跨度。3、梁的整体稳定钢梁整体稳定的概念：梁跨度中部无侧向支承或侧向支承距离较大，在最大刚度
17、主平面内承受横向荷载或弯矩作用时，荷载达到一定数值，梁截面产生侧向位移和扭转，导致丧失承载力，称受弯构件的整体失稳。梁局部稳定的概念梁局部稳定 当组合梁腹板高厚比或翼缘宽厚比过大时，在荷载作用下，有可能会出现偏离其平面位置的波状屈曲。4、梁的局部稳定图4.6 梁翼缘和腹板的失 稳 变 形梁局部失稳图梁局部失稳图八、钢构件间的连接八、钢构件间的连接次梁与主梁的连接次梁与主梁的连接梁与柱的连接梁与柱的连接柱与基础的连接柱与基础的连接梁的拼接梁的拼接梁的拼接：梁的拼接：主次梁连接主次梁连接 主次梁连接：主次梁连接：主次梁铰接构造主次梁铰接构造 主次梁铰接主次梁铰接主次梁刚接构造主次梁刚接构造 主次梁
18、刚接主次梁刚接主次梁平接主次梁平接梁与柱顶接及侧接梁与柱顶接及侧接 梁与柱顶接及侧接梁与柱顶接及侧接梁柱拼接方式梁柱拼接方式 梁柱拼接方式梁柱拼接方式梁柱刚性连接梁柱刚性连接 梁柱刚性连接梁柱刚性连接铰接柱脚铰接柱脚铰接柱脚刚接柱脚刚接柱脚刚接柱脚九、钢结构的连接（一）钢结构的连接方法钢结构的连接方法焊接、栓接和铆接焊接、栓接和铆接n n焊接：构造简单，节省材料，操作简便焊接：构造简单，节省材料，操作简便 省工，生产效率高，在钢结构连省工，生产效率高，在钢结构连 接中应用较广。接中应用较广。n n栓接：安装省时省力，设备简单，对施栓接：安装省时省力，设备简单，对施 工工人的技能要求不及对焊工的
19、工工人的技能要求不及对焊工的 要求高，应用广泛，特别适用于要求高，应用广泛，特别适用于 焊接施工困难的情况。焊接施工困难的情况。n n铆接：传力可靠，塑性、韧性较好，但铆接：传力可靠，塑性、韧性较好，但 制造费工费料，且劳动强度高，制造费工费料，且劳动强度高，目前已使用极少。目前已使用极少。（二）焊缝的形式（二）焊缝的形式1、焊接的方法常用焊接方法电弧焊气焊（适用于薄钢板或 小型结构）手工电弧焊电阻焊（适用于薄壁型钢）自动电弧焊2、焊接的形式 根据焊件的接头位置可分为对接接头 对接焊缝角接接头搭接接头 角焊缝T形接头对接焊缝角焊缝焊接接头及焊缝焊接接头及焊缝3 3 对接焊缝的构造和计算对接焊缝
20、的构造和计算 1 1）对接焊缝的构造对接焊缝的构造 常见的坡口型式有：常见的坡口型式有：I I型、型、V V型、型、U U型、型、X X型、单边型、单边V V型、型、K K型、单边型、单边U U型。型。角焊缝的构造和计算角焊缝的构造和计算 4 角焊缝的构造 1）角焊缝的构造角焊缝的形式角焊缝的形式n n 按焊缝的长度方向和外力作用方向按焊缝的长度方向和外力作用方向 不同分为：不同分为：侧面角焊缝侧面角焊缝 正面角焊缝正面角焊缝n n按角焊缝截面形式不同分为：按角焊缝截面形式不同分为：普通型普通型 平坦型平坦型 凹面型凹面型 动力性能好动力性能好图3.11 角焊缝的形式角焊缝的形式角焊缝的形式(
21、a)普通型截面形式：普通型截面形式：普通型(b)平坦型截面形式：平坦型截面形式：平坦型图3.12 直角角焊缝截面形式hf 截面形式：凹面型截面形式：凹面型(c)凹面型焊脚尺寸构造要求焊脚尺寸构造要求 角焊缝的构造要求n n最小焊脚尺寸最小焊脚尺寸式中：式中：t tmaxmax 较厚焊件的厚度较厚焊件的厚度（mmmm）当当 t tmaxmax 4mm4mm时，时，h hf,minf,min =t tmaxmax焊脚尺寸构造要求焊脚尺寸构造要求n n最大焊脚尺寸 式中：tmin 较薄焊件的厚度（mm）对板件边缘角焊缝则尚应满足：t tmin min 6mm 6mm：h hf f,max,max t
22、 tminmin t tmin min 6mm 6mm：h hf f,max,max t tmin min (12)mm(12)mm角焊缝计算长度角焊缝计算长度（3 3）角焊缝最小计算长度和最大计算长度角焊缝最小计算长度和最大计算长度n n最小计算长度：最小计算长度：l lw w,minmin 8 8h hf f 和和 40 40mmmmn n最大计算长度：最大计算长度：l lw w,maxmax 60 60h hf f （静力或间接动力荷载静力或间接动力荷载）l lw w,maxmax 4040h hf f （直接动力荷载直接动力荷载）（三）螺栓连接（三）螺栓连接螺栓连接：螺栓连接：栓接：普
23、通螺栓连接(Q235钢)精制螺栓连接：A，B级粗制螺栓连接：C 级高强度螺栓连接摩擦型高强度螺栓连接：用于直接承受动力荷载的结构。承压型高强度螺栓连接：用于承受静力或间接动力的结构。普通螺栓连接普通螺栓连接普通螺栓连接的构造和计算 1、普通螺栓连接的构造 普通螺栓的形式和规格普通螺栓的形式和规格 表示方法：表示方法：MM +公称直径公称直径标准螺栓直径：标准螺栓直径：M12M12、（、（1414）、）、1616、（、（1818）、）、2020、（、（2222）、）、2424、2727、30mm30mm等等 常用常用M20M202424，受力螺栓一般用受力螺栓一般用 M16M16 螺栓的排列螺栓
24、的排列 受力要求受力要求 构造要求构造要求 施工要求施工要求边距中距中距边距端距中距中距边距边距端距中距acacee2e1e2e1(a)(b)图3.22 螺栓排列构造螺栓排列构造 2 2、普通螺栓连接的受力性能和计算普通螺栓连接的受力性能和计算传力方式受剪螺栓连接：靠栓杆受剪，孔壁承压传力。受拉螺栓连接：靠栓杆沿杆轴方向受拉传力。拉剪螺栓连接：兼有两种形式。螺栓连接分类螺栓连接分类一、焊接连接一、焊接连接包括包括气焊、接触焊气焊、接触焊和和电弧焊电弧焊A.焊缝的形式与构造焊缝的形式与构造1.对接焊缝对接焊缝2.角焊缝角焊缝杆件与节点板连接方式有杆件与节点板连接方式有两面侧焊、三面围焊、两面侧焊
25、、三面围焊、L型围焊型围焊二、焊缝的计算二、焊缝的计算A.对接焊缝计算对接焊缝计算NN1.N作用作用2.M、V共同作用共同作用VVMMVVMM1例题例题2 2验算如图所示的钢板对接焊缝的连接。验算如图所示的钢板对接焊缝的连接。N=700KN，钢材，钢材Q235，E43焊条，质量等级为三级，不采用引弧板。焊条，质量等级为三级，不采用引弧板。解：解：解：解：1.钢板承载能力验算钢板承载能力验算NN50082.焊缝承载能力验算焊缝承载能力验算B.角焊缝计算角焊缝计算1.正面角焊缝：正面角焊缝：外力方向与焊缝长度方向外力方向与焊缝长度方向垂直垂直的焊缝的焊缝2.侧面角焊缝：侧面角焊缝：外力方向与焊缝长
26、度方向外力方向与焊缝长度方向平行平行的焊缝的焊缝C.角钢连接角钢连接三、螺栓连接（普通螺栓连接）三、螺栓连接（普通螺栓连接）抗剪螺栓计算抗剪螺栓计算螺栓杆剪断螺栓杆剪断螺栓抗剪强度计算螺栓抗剪强度计算板件挤压破坏板件挤压破坏螺栓抗压强度计算螺栓抗压强度计算板件削弱处拉断板件削弱处拉断净截面计算计算净截面计算计算板件端部剪坏板件端部剪坏构造保证：控制端部最小距离构造保证：控制端部最小距离栓杆弯曲变形破坏栓杆弯曲变形破坏构造保证：杆长与杆径小于等于构造保证：杆长与杆径小于等于5等级表示：如等级表示：如4.6级指最低抗拉强度为级指最低抗拉强度为400N/mm2,屈强比为屈强比为0.6的螺栓的螺栓连接
27、方式：连接方式：C级粗制螺栓和级粗制螺栓和A、B级精制螺栓级精制螺栓抗拉螺栓计算抗拉螺栓计算螺栓杆拉断螺栓杆拉断螺栓抗拉强度计算螺栓抗拉强度计算第四节第四节 钢屋架钢屋架一、钢屋架类型一、钢屋架类型钢屋盖结构由钢屋盖结构由屋面、屋架屋面、屋架和和支撑支撑三部分组成三部分组成据屋面材料和屋架间距不同分：据屋面材料和屋架间距不同分：有檩屋盖有檩屋盖和和无檩屋盖无檩屋盖常用屋架有：常用屋架有：三角形、梯形三角形、梯形等等二、常见杆件截面形式二、常见杆件截面形式常用双角钢常用双角钢T型，其余见型，其余见P193表表11-16三、屋架节点构造三、屋架节点构造基本规定基本规定1.节点处各杆件节点处各杆件重心线交于一点重心线交于一点2.节点板形状规整、简单节点板形状规整、简单3.板厚一般为板厚一般为1012mm