高等鋼結(jié)構(gòu)理論第一講

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理1. 鋼結(jié)構(gòu)基本性能及特點(diǎn)1.1 鋼材生產(chǎn)對(duì)材性的影響1.2 鋼材加工(施工) 對(duì)構(gòu)件性能的影響1.3 外界作用對(duì)鋼結(jié)構(gòu)性能的影響2. 鋼結(jié)構(gòu)的幾個(gè)特殊問(wèn)題2.1 殘余應(yīng)力及其影響2.2 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題2.3 鋼結(jié)構(gòu)的斷裂問(wèn)題2.4 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題3. 鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件3.1 拉桿3.2 軸心壓桿3.3 受彎構(gòu)件3.4 壓彎構(gòu)件4. 鋼框架理論4.1 失穩(wěn)形式4.2 分析方法第一講第二講第三講目錄5. 鋼結(jié)構(gòu)的連接5.1 焊接5.2 螺栓連接5.3 混合連接6. 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)7. 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)8. 其他一些關(guān)心的問(wèn)題8.1 塑性設(shè)計(jì)8.2 抗震鋼結(jié)構(gòu)8.3 箱形梁8

2、.4 受扭構(gòu)件8.5 設(shè)計(jì)中的試驗(yàn)工作8.6 鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)第四講目錄（續(xù)）第五講第六講第七講1. 鋼結(jié)構(gòu)基本性能及特點(diǎn)1.1 鋼材生產(chǎn)對(duì)材性的影響冶煉：化學(xué)成分、爐種、脫氧方式軋制：冷軋、熱軋、校直、熱處理鋼材的勻質(zhì)及等向性1.2 鋼材加工（施工）對(duì)構(gòu)件性能的影響加工：冷加工、焊接、切割施工誤差：安裝及制造誤差1.3 外界作用對(duì)鋼結(jié)構(gòu)性能的影響多軸應(yīng)力狀態(tài)加荷速率循環(huán)荷載低溫和腐蝕性介質(zhì)2. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中特殊問(wèn)題2.1 殘余應(yīng)力及其影響殘余應(yīng)力產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量焊接殘余應(yīng)力的分布?xì)堄鄳?yīng)力的影響2.2 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題鋼結(jié)構(gòu)的承載力極限狀態(tài)失穩(wěn)破壞及類(lèi)型鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題的特點(diǎn)穩(wěn)定分析的整體觀

3、點(diǎn)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)原則2. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中特殊問(wèn)題（續(xù)）2.3 鋼結(jié)構(gòu)的斷裂問(wèn)題脆性斷裂破壞及原因斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)防止脆性斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂2.4 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題影響疲勞破損的因素疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則疲勞試驗(yàn)及檢驗(yàn)提高疲勞性能的工藝措施鋼的冶煉：根據(jù)鋼號(hào)決定冶煉鋼材的化學(xué)成分:氫:使焊體金屬產(chǎn)生微觀裂紋鋼的冶煉：冶煉的爐種不同，鋼材性能有所差異(平爐鋼和氧氣轉(zhuǎn)爐鋼為主)鋼的冶煉：脫氧方式含硅量:沸騰鋼:Si=0.07%, 一般 = 0.03%0.07%鎮(zhèn)靜鋼:0.12%=Si= 0.15%0.17%半沸騰鋼: 介于二者之間，一般Si= 0.10%0.12%規(guī)范規(guī)定: 炭素鋼A、B級(jí)可以是 沸騰鋼、半沸騰鋼或

4、鎮(zhèn)靜鋼; C級(jí)必須是鎮(zhèn)靜鋼、D級(jí)是特殊鎮(zhèn)靜鋼(含酸溶鋁=0.015%，或全鋁=0.020%)。對(duì)（低溫）沖擊韌性要求高時(shí)，宜用硅脫后鋁補(bǔ)脫的特殊鎮(zhèn)靜鋼。低合金鋼有類(lèi)似D級(jí)炭素鋼的要求；高強(qiáng)低合金鋼一般都是鎮(zhèn)靜鋼。1. 10mm厚鋼板,為鋁補(bǔ)充脫氧后的鎮(zhèn)靜鋼2. 18mm厚鋼板,為沸騰鋼鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼的沖擊韌性比較鋼的軋制：冷軋、熱軋冷軋只用于生產(chǎn)小號(hào)型鋼和薄板。導(dǎo)致沿軋制方向的不各向同性殘余應(yīng)力鋼的軋制：熱軋總體上可破壞鋼錠鑄造組織、細(xì)化鋼材晶粒、消除顯微組織缺陷。分層現(xiàn)象，導(dǎo)致Z向性能大大惡化: 焊接收縮時(shí)的層狀撕裂不同厚度鋼材強(qiáng)度、塑性、特別是沖擊韌性不同。導(dǎo)致沿軋制方向的不各向同性: 對(duì)

5、型鋼和扁鋼影響小，對(duì)鋼板較大。同一熱軋型鋼的不同部份的機(jī)械性能也會(huì)有差別。不均勻冷卻造成的殘余應(yīng)力。鋼的軋制：鋼的軋制：1.2.3.中國(guó)規(guī)范對(duì)沖擊韌性試樣偏于不安全兩個(gè)水平輥腹板性能優(yōu)于翼緣 1.實(shí)際中翼緣主受力2.英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)水平輥, 兩個(gè)豎向輥情況好, 影響小鋼的軋制：鋼的軋制：校直鋼材在熱軋成型后往往需要校直 (矯正原有彎曲)必然出現(xiàn)塑性變形: 使得殘余應(yīng)力重新分配, 降低峰值.方法:輥床調(diào)直:使整個(gè)桿件原始?xì)堄鄳?yīng)力重新分配.頂直: 僅局部發(fā)生殘余應(yīng)力重新鋼的軋制：熱處理是改善鋼材性能的重要手段之一。建筑結(jié)構(gòu)用鋼,一般以熱軋狀態(tài)交貨。屈服點(diǎn)超過(guò)400N/mm2的低合金鋼需進(jìn)行熱處理。方法

6、:調(diào)質(zhì):淬火(9000C水中冷卻水中冷卻)，及高溫回火(5006500C)正火(9000C) : 改善鋼材組織和細(xì)化晶粒以熱軋狀態(tài)交貨, 基本在正火狀態(tài)。鋼材的勻質(zhì)及等向性：一般認(rèn)為：鋼材內(nèi)部組織接近勻質(zhì)和各向同性，故實(shí)際受力與力學(xué)分析較符合但是，對(duì)其不勻性應(yīng)有所認(rèn)識(shí)：內(nèi)部化學(xué)元素分布的非勻質(zhì)：鋼錠四周部分含碳較少硫、磷等雜質(zhì)聚集在冷卻較慢部分形成偏析（沸騰鋼嚴(yán)重）型鋼截面上不同部分的屈服點(diǎn)有差別：力學(xué)性質(zhì)的非勻質(zhì)殘余應(yīng)力的分布：受力上的非勻質(zhì)鋼板的各向異性（沿軋制方向 橫向 沿厚度方向（Z向）鋼材的勻質(zhì)及等向性：鋼材的勻質(zhì)及等向性：人工時(shí)效:給以20%拉伸變形后均勻地加熱到250C并在這一溫

7、度下保溫一小時(shí).降低沖擊韌性脆性轉(zhuǎn)變溫度無(wú)大變化鋼材的加工：鋼結(jié)構(gòu)基本建造過(guò)程工廠制造：鋼材的驗(yàn)收、整理和保管，包括必要的矯正。按施工圖放樣，做出樣板、樣桿，并據(jù)此劃線和下料。對(duì)劃線后的鋼材進(jìn)行剪切（焰割）、沖（鉆）孔、刨邊等加工；非平直的零件需要通過(guò)煨彎和輥圓等工序來(lái)成型。對(duì)加工過(guò)程中造成變形的零件進(jìn)行整平（輥平、頂平）。把零件按圖裝配成構(gòu)件，并加以焊接（鉚接）。對(duì)焊接造成的變形加以矯正，甚至采取措施以減小或消除焊接殘余應(yīng)力。除銹和涂漆鋼材的加工： （續(xù)）鋼結(jié)構(gòu)基本建造過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)安裝：現(xiàn)場(chǎng)的擴(kuò)大拼裝。構(gòu)件就位、連接固定，并加以臨時(shí)支撐。調(diào)整各部分位置，滿(mǎn)足施工精度、最后固定因此，主要加工為：常

8、溫下加工的塑性變形：冷作硬化及其時(shí)效影響。局部高溫影響：焊接、氣割等。鋼材的加工：冷加工冷作硬化：應(yīng)變硬化對(duì)沖擊韌性的影響（冷彎、時(shí)效）規(guī)范：對(duì)冷彎半徑的最小值加以限定剪切和沖孔：邊緣嚴(yán)重硬化，甚至出現(xiàn)微細(xì)裂紋：刨邊，或沖孔后擴(kuò)鉆，以除掉硬化部分若剪斷后需焊接，則不必刨邊。冷彎型鋼：力學(xué)非均質(zhì)性 + 殘余應(yīng)力型鋼截面上屈服點(diǎn)的差別：冷作硬化冷彎型鋼鋼材的加工：焊接焊縫金屬具有鑄造組織，不同于軋制鋼材：施焊時(shí)堆積的金屬通常具有枝狀組織?；瘜W(xué)元素的含量：含碳量稍低，氮、氧、氫高應(yīng)降低氧的含量（短弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊）：熱脆含氫量高：大氣和焊皮（低氫焊條、預(yù)熱、后熱）：微觀裂紋焊弧的高溫使臨近焊

9、縫的鋼材發(fā)生組織變化：熱影響區(qū)焊接變形及殘余應(yīng)力火焰切割火焰切割殘余應(yīng)力熱影響區(qū)1、相當(dāng)于淬火. 提高強(qiáng)度和硬度，降低塑性和韌性2、正火3、力學(xué)性能不均勻焊接殘余應(yīng)力火焰切割殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力的產(chǎn)生 ：可能原因熱軋后的溫度分布不均勻。冷加工、橋正。焊接和（火焰）切割強(qiáng)迫安裝（LOF）。同一熱軋型鋼的不同部份的機(jī)械性能也會(huì)有差別。不均勻冷卻造成的殘余應(yīng)力。等等切割法（ b ）試塊（ c ）試塊（ d ）條（ a ）試件焊接殘余應(yīng)力的分布：xyxy+-+-+-+-+-+-+-（a ）軋制H型鋼（b）焊接H型鋼，板邊焰割（c ）焊接H型鋼，板邊軋制+（d）軋制H型鋼，加焊翼緣板例一：H型鋼的殘余應(yīng)力分

10、布h/t =405小焊縫h/t =202大焊縫h/t =203小焊縫h/t =404大焊縫h焊接殘余應(yīng)力的分布：例二： 焊接箱形截面的殘余應(yīng)力+1-0.6+1-0.82+1-0.29+1-0.29+1-0.13h/t =10殘余應(yīng)力的影響：殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度承載力并無(wú)影響，因它本身相平衡。對(duì)變形有影響對(duì)穩(wěn)定承載力有不利的影響，因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的壓應(yīng)力部分將使該部分截面提早發(fā)展塑性。xybb /4b/4xy圖4.5.3殘余應(yīng)力的不利作用鋼材的施工誤差：制造、安裝偏差的影響超靜定結(jié)構(gòu)靜定結(jié)構(gòu)變形、穩(wěn)定多軸應(yīng)力狀態(tài) ：雙向拉力作用下，屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度提高，延伸率降低。異號(hào)雙向應(yīng)力作用下，屈服應(yīng)力和抗

11、拉強(qiáng)度降低，延伸率增大。三向受拉時(shí)，塑性比雙向拉力作用下進(jìn)一步降低、破壞將是脆性的。加荷速率（如地震等動(dòng)力作用）：室溫環(huán)境下，鋼材的屈服點(diǎn)及抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增大而提高，且塑性變形能力并未下降。建筑結(jié)構(gòu)用鋼在沖擊性的快速加載作用下能保持良好的強(qiáng)度及塑性變形能力（歷史災(zāi)害可以證明）。不利一面：脆性轉(zhuǎn)變溫度隨應(yīng)變速率的增大而提高。循環(huán)荷載：包辛格（Bauschinger）效應(yīng)：退化現(xiàn)象（先拉后壓 先壓后拉）。滯回環(huán)在循環(huán)荷載下的飽滿(mǎn)、穩(wěn)定趨勢(shì)：對(duì)耗能有利，但受壓模量退化低溫與腐蝕性介質(zhì)：低溫使韌性降低，最終導(dǎo)致脆斷。腐蝕性介質(zhì)會(huì)促成脆斷并影響疲勞強(qiáng)度。涂層防腐耐候鋼：焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼（控制含銅、

12、鉻量）：焊接性能及力學(xué)性能良好高耐候性結(jié)構(gòu)鋼（含磷高）：耐候性好，但用于焊接結(jié)構(gòu)時(shí) 0 C應(yīng)有常溫沖擊韌性合格保證o o 20 C T 0 CoQ235、Q345應(yīng)有0 C沖擊韌性合格保證oQ390、Q420應(yīng)有-20 C沖擊韌性合格保證oT 20 CoQ235、Q345應(yīng)有-20 C沖擊韌性合格保證oQ390、Q420應(yīng)有-40 C沖擊韌性合格保證非焊接結(jié)構(gòu)工作溫度oT 20 C應(yīng)有常溫沖擊韌性合格保證oT 20 CoQ235、Q345應(yīng)有0 C沖擊韌性合格保證oQ390、Q420應(yīng)有-20 C沖擊韌性合格保證鋼材選用（續(xù)）（2）選用要求 (續(xù))（2）選用要求 (續(xù))吊車(chē)起重量50t的中級(jí)工

13、作制吊車(chē)梁，對(duì)沖擊韌性的要求與需驗(yàn)算疲勞構(gòu)件相同；重要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)，厚度較大的鋼材應(yīng)有常溫沖擊韌性合格保證；當(dāng)焊接承重結(jié)構(gòu)采用Z向鋼時(shí)應(yīng)符號(hào)厚度方向性能鋼板GB/T5313的規(guī)定；有人認(rèn)為將硫、磷含量控制在不大于0.01就可以防止層狀撕裂問(wèn)題，也有人提出在上述要求下，再輔以對(duì)厚鋼板作全面超聲波探傷，排除內(nèi)部缺陷，就可以代替Z向鋼的要求，這是不正確的。以下情況不應(yīng)采用Q235沸騰鋼焊接結(jié)構(gòu)：1）需要驗(yàn)算疲勞2）工作溫度 -20oC的直接受動(dòng)力荷載3）工作溫度 -20oC的受彎及受拉4）工作溫度-30oC非焊接結(jié)構(gòu)：工作溫度 -20oC的需要驗(yàn)算疲勞鋼材選用（續(xù)）應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

14、: 滯后斷裂或延遲斷裂（應(yīng)力低于斷裂應(yīng)力）腐蝕介質(zhì)中的斷裂韌性門(mén)檻值含碳量越高,韌性越低,抗應(yīng)力腐蝕斷裂的性能越差K Iscc = (1/ 2 1/ 5) K IC影響疲勞破損的因素：疲勞荷載：低周疲勞、高周疲勞疲勞破壞過(guò)程：裂紋的形成、裂縫的緩慢擴(kuò)展、迅速斷裂疲勞試驗(yàn)：不同應(yīng)力水平的最大循環(huán)次數(shù)；比較離散，費(fèi)時(shí)、具有局限性（概率方法）斷裂力學(xué)分析：線彈性斷裂力學(xué)：研究疲勞裂紋的擴(kuò)展速率環(huán)境影響：腐蝕介質(zhì)影響提高疲勞壽命：應(yīng)力集中、細(xì)節(jié)構(gòu)造、施工質(zhì)量、工藝措施、防銹等疲勞破壞過(guò)程裂紋的形成：起點(diǎn)多在構(gòu)件的表面，內(nèi)部裂紋的作用相當(dāng)于寬度一半的表面裂紋。(對(duì)鋼結(jié)構(gòu)而言，本身存在)疲勞裂縫的擴(kuò)展（長(zhǎng)

15、期的荷載循環(huán)），而脆性斷裂不經(jīng)長(zhǎng)期的荷載循環(huán)，迅速斷裂。（常幅）疲勞試驗(yàn)帶槽應(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度降低細(xì)節(jié)構(gòu)造設(shè)計(jì)準(zhǔn)則門(mén)檻值斷裂力學(xué)分析疲勞裂紋的擴(kuò)展速率取決于應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化幅度，即dadN= f (K )dadN= C (K )n其中 K I = a斷裂韌性門(mén)檻值環(huán)境影響腐蝕疲勞腐蝕介質(zhì)中疲勞壽命大為降低；對(duì)長(zhǎng)壽命疲勞，腐蝕的不利影響較短壽命疲勞嚴(yán)重得多；腐蝕對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響和疲勞荷載的頻率有關(guān)；越低越大。X-65號(hào)鋼3.5%鹽水提高疲勞壽命構(gòu)造保證減小初始裂紋尺寸降低構(gòu)件所受應(yīng)力采用韌性較好的材料95%保證率疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：基本原則：設(shè)計(jì)壽命：無(wú)限（應(yīng)力水平很低）、有限。1、安全壽

16、命法：根據(jù)荷載特性，采用有一定安全系數(shù)的安全壽命，之后報(bào)廢。2、破損安全法：在裂紋被發(fā)現(xiàn)之前其他部分還能夠安全地承載。即局部性的破損不危及整個(gè)結(jié)構(gòu)：多路徑設(shè)計(jì)、周期性檢查安全壽命法與破損安全法相結(jié)合。土建結(jié)構(gòu)：使用壽命法：結(jié)構(gòu)達(dá)到安全使用壽命時(shí)不立即報(bào)廢;承認(rèn)在使用期內(nèi)可能出現(xiàn)疲勞裂紋;疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：應(yīng)力比與應(yīng)力幅準(zhǔn)則：應(yīng)力比準(zhǔn)則： max = f ( R)應(yīng)力幅準(zhǔn)則： （原因：高額殘余應(yīng)力的存在 ）1。橫向?qū)雍缚p2?？v向角焊縫橫向?qū)雍缚p應(yīng)力比準(zhǔn)則原因：高額殘余應(yīng)力的存在對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響：疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：規(guī)范：構(gòu)造細(xì)節(jié)與容許應(yīng)力幅：?jiǎn)栴}：疲勞極限：門(mén)檻值（兩種辦法考慮，見(jiàn)下圖）壓應(yīng)力區(qū)如何考慮？：不作計(jì)算（殘余應(yīng)力的影響及釋放）變幅疲勞：線形累積損傷準(zhǔn)則（Miner規(guī)則）n1N1= 1疲勞試驗(yàn)及檢驗(yàn)：疲勞試驗(yàn)：典型的連接細(xì)節(jié)的疲勞試驗(yàn)：目的：確定N曲線（每個(gè)點(diǎn)至少需10根試件，大型構(gòu)件每種3-4個(gè)）細(xì)節(jié)分類(lèi)中的歸屬。整個(gè)構(gòu)件的疲勞試驗(yàn)：目的：具體設(shè)計(jì)的抗疲勞性能。或典型連接的疲勞性能應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，特別