【正文】 電大本科鋼結(jié)構(gòu)期末復(fù)習(xí)資料小抄 第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料 對(duì)建筑用鋼材的性能要求 167。 較高的強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度 fu 和屈服強(qiáng)度 fy 167。 足夠的變形能力：塑性和韌性 167。 良好的加工性能：冷加工、熱加工、可焊性 鋼材的主要性能及其鑒定 單軸拉伸時(shí)的工作性能 條件：標(biāo)準(zhǔn)試件，常溫（ 20℃）下緩慢加載，直到拉斷破壞，一次完成。 標(biāo)準(zhǔn)試件 l0 / d =5， 10； l0— 標(biāo)距； d—直徑 Ⅰ彈性階段： E 為常量 Ⅱ彈塑性階段： E 為變量 Ⅲ塑性階段： E 為零，失去承載的能力。 Ⅳ應(yīng)變硬化階段：又恢復(fù)承載的能 力，但很快被拉斷。 一次拉伸試驗(yàn)中重要指標(biāo)： 167。 屈服強(qiáng)度 fy： 材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件截面 s≥ fy 時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失了繼續(xù)承載的能力。 fy= （名義屈服點(diǎn)）。 167。 抗拉強(qiáng)度 fu： 構(gòu)件的最大承載力，直接反映鋼材的內(nèi)部組織的優(yōu)劣， fu 愈高，強(qiáng)度儲(chǔ)備愈高。 fu/ fy—— 強(qiáng)屈比，鋼材塑性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要條件。 167。 伸長率 %100001 ??l ll 167。 衡量鋼材塑性的主要指標(biāo)。 冷彎性能 在冷彎試驗(yàn)中表現(xiàn)的性能，既能看出鋼材塑性變形的能力， 又可看出鋼材的冶金質(zhì)量。 沖擊韌性 n 鋼材抵抗沖擊作用的能力。 n 用沖擊韌性值 ak 表示： ak 值大，韌性好。 nak 值的測定：通過試驗(yàn)： （ 1）梅式 U 型缺口： ak 值 （ 2）夏比 V 型缺口： CV 可焊性 n 鋼材采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)及一定的結(jié)構(gòu)形式等條件下，獲得合格焊縫的難易程度。 n 與含 C 量和合金元素有關(guān)。 影響鋼材性能的因素 化學(xué)成分： nC（碳）：形成鋼材強(qiáng)度的主要成分。 nMn（錳） :弱脫氧劑。 nSi（硅） :強(qiáng)脫氧劑 nV(釩）、 Nb（鈮）、 Ti（鈦）：合金元 素 nAl（鋁）、 Cr（鉻）、 Ni（鎳）： Al 是強(qiáng)脫氧劑，用于補(bǔ)充脫氧。 Cr、 Ni 為合金元素。 有害元素： nS（硫）：熱脆 nP（磷）：冷脆 nO（氧）、 N（氮）： 成材過程的影響 n 冶煉：平爐、轉(zhuǎn)爐 n 澆鑄：鋼水 — 鋼錠 — 初軋 — 成材（傳統(tǒng)工藝） 鋼水 — 連鑄機(jī) — 鋼坯 — 成材（新工藝） n 軋制：改善內(nèi)部組織結(jié)構(gòu) n 熱處理：顯著提高強(qiáng)度 其它因素 n 冷加工硬化：強(qiáng)度提高，塑性、韌性降低。 n 溫度：正溫、負(fù)溫 n 應(yīng)力集中：易發(fā)生脆性破壞。 鋼材延性破壞和非延性破壞、 循環(huán)加載和快速加載的效應(yīng) 延性破壞和非延性破壞（塑性破壞和脆性破壞） 破壞特點(diǎn)： 塑性破壞（延性破壞）：有屈服現(xiàn)象，破壞前有較大的塑性變形； 脆性破壞（非延性破壞）：無屈服現(xiàn)象，破壞前沒有塑性變形或只有很小的塑性變形。 將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計(jì)成延性結(jié)構(gòu)是我們?cè)O(shè)計(jì)的目的。但并非所有的塑性材料都發(fā)生塑性破壞。 循環(huán)荷載的效應(yīng)（又稱重復(fù)荷載） 土木工程中，承受重復(fù)荷載作用的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件有： n 吊車梁：吊車 n 橋梁：車輛 n 容器：內(nèi)部液體 n 海洋平臺(tái)：海水 n 建筑物：地震作用 以上這些重復(fù)荷載都是可 變荷載，這些重復(fù)荷載的作用使構(gòu)件的鋼材易發(fā)生疲勞斷裂。 （ 1）疲勞斷裂 n 概念：微觀裂縫在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴(kuò)展直至斷裂的脆性破壞。 n 特點(diǎn)：截面應(yīng)力很小，小于抗拉強(qiáng)度，甚至是屈服強(qiáng)度；斷裂時(shí)無明顯的變形；裂縫起始點(diǎn)在構(gòu)件表面處。 n 發(fā)生的原因：在連續(xù)重復(fù)荷載作用下，在鋼材表面的缺陷處，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成二向或三向拉應(yīng)力場。在應(yīng)力高峰處，裂縫逐漸開展，使截面的有效面積逐漸減少而應(yīng)力集中更加嚴(yán)重，塑性變形受到限制，直到斷裂時(shí)，變形都很小。 n 影響的因素：鋼材的質(zhì)量（ C、 S、 P 含量）、構(gòu)件的幾何尺寸 （不能有突變）和冶金缺陷等有關(guān)；重復(fù)荷載作用下構(gòu)件截面的應(yīng)力變化幅度（ sD=smaxsmin)有關(guān)；重復(fù)荷載的循環(huán)次數(shù) n 有關(guān)。 sD— n 曲線 n 圖 211 是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)而得的。 n 式 21 是只考慮了均值，不完善。 n 式 22 是考慮了均值和方差后的方程，能真實(shí)反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 n 式 26 是構(gòu)件截面進(jìn)行疲勞驗(yàn)算的計(jì)算公式， C、 β 是參數(shù)，與構(gòu)件和連接有關(guān)。 注注 意意 ：： [sD]主要取決于應(yīng)力循環(huán)次數(shù) n 、構(gòu)件和連接的具體細(xì)部構(gòu)造和應(yīng)力集中程度，與鋼材強(qiáng)度無關(guān)。 并不是所有的承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的構(gòu)件 和連接都進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。 n 規(guī)范規(guī)定：直接承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的構(gòu)件，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù) n＞ 5 104 次時(shí)，對(duì)應(yīng)力循環(huán)中出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。 n 疲勞計(jì)算的方法按 “ 容許應(yīng)力法 ” 計(jì)算，即： Δσ ≤ [Δσ ] 計(jì)算時(shí)應(yīng)注意： 荷載為可變荷載，且為標(biāo)準(zhǔn)值； 動(dòng)力荷載不乘以動(dòng)力系數(shù)； 按彈性方法計(jì)算截面應(yīng)力 σ 。 建筑鋼材的類別及鋼材的選用 建筑鋼材的類別： 碳素結(jié)構(gòu)鋼： Q235 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼： Q34 Q390、 Q420 高強(qiáng)鋼絲及鋼索：主要用于抗拉構(gòu)件中，如：斜拉結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、桅桿結(jié)構(gòu)等。 高強(qiáng)鋼絲分光面鋼絲和鍍鋅鋼絲，由碳素結(jié)構(gòu)鋼多次冷拔而成，其主要指標(biāo)為抗拉強(qiáng)度fu，且有 “ 松弛 ” 現(xiàn)象。多根鋼絲可組成“ 平行鋼絲束 ” 和 “ 鋼絞線 ” ；多根鋼絞線可組成 “ 鋼絞線束 ” 和 “ 鋼絲繩 ” 。 鋼材的選用 n 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性 n 荷載的性質(zhì) (靜載或動(dòng)載） n 連接的方法（焊接或螺栓） n 工作環(huán)境及溫度（腐蝕程度、構(gòu)件的工作溫度） 型鋼規(guī)格： n 熱軋鋼板：薄板、厚板 n 熱軋型鋼：角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼管、 H型鋼、 T 型鋼 n 冷彎薄壁型鋼： 第 3 章 構(gòu)件截面承載力 — 強(qiáng)度 鋼結(jié)構(gòu)承載能力的三種形式： ?構(gòu)件截面承載能力：在荷載作用下截面的應(yīng)力與構(gòu)件材料相應(yīng)強(qiáng)度值的比較，即強(qiáng)度 ?單個(gè)構(gòu)件的承載能力：構(gòu)件的穩(wěn)定性，與構(gòu)件的剛度有關(guān) ?整體結(jié)構(gòu)的承載能力：與抗側(cè)力構(gòu)件的剛度有關(guān)或與結(jié)構(gòu)體系中壓桿、壓彎構(gòu)件有關(guān) 軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度和截面選擇 軸心受力構(gòu)件的應(yīng)用： 分類：軸心受壓構(gòu)件、軸心受拉構(gòu)件 應(yīng)用： 桁架：鋼屋架、托架、吊車梁以及制動(dòng)桁架； 塔架：電視塔、氣象 塔、輸電線路塔； 網(wǎng)架：平面網(wǎng)架、空間網(wǎng)架； 柱：操作平臺(tái)柱、抗風(fēng)柱； 各種支撐結(jié)構(gòu)：屋面支撐、柱間支撐 以上各種結(jié)構(gòu)中的每一根桿件均為軸心受力構(gòu)件。 截面選擇的基本原則： ?滿足強(qiáng)度所需的截面面積； ?滿足剛度的要求； ?制作簡便； ?便于連接 軸心受拉構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算： ?軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度承載力是以截面的平均應(yīng)力達(dá)到鋼材的屈服應(yīng)力為極限。 fAN ??? ?當(dāng)構(gòu)件的截面有局部削弱時(shí)，截面上的應(yīng)力分布不再是均勻的 ,以其凈截面的平均應(yīng)力達(dá)到其強(qiáng)度 限值作為設(shè)計(jì)時(shí)的控制值。即用 An 代替上式的 A。 ?計(jì)算公式同軸拉構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算公式； ?當(dāng)壓桿截面無孔洞時(shí)，構(gòu)件承載力是由穩(wěn)定來控制，此時(shí)強(qiáng)度可不計(jì)算； ?當(dāng)壓桿截面有孔洞時(shí)，構(gòu)件承載力可由強(qiáng)度來控制，此時(shí)即要計(jì)算凈截面強(qiáng)度又要計(jì)算桿件的穩(wěn)定性； 索的受力性能和強(qiáng)度計(jì)算： ?索是柔性材料，只能抗拉，不能抗壓，也不能抗彎； ?變形對(duì)鋼索的承載力影響很大，所以進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)采用二階分析法； ?在計(jì)算內(nèi)力和變形時(shí)，按彈性階段進(jìn)行計(jì)算； ?強(qiáng)度計(jì)算采用 “ 容許應(yīng)力法 ” ，公式為KfAN kk ?max 梁的類型和強(qiáng)度 梁的類型 ?鋼梁的制作方法分：型鋼梁、組合梁 ?按受力情況分：單向受彎、雙向受彎 ?梁的支座形式：以簡支梁為主 截面選擇： ?冷彎薄壁：輕型鋼結(jié)構(gòu)。 ?熱軋型鋼：加工簡單，價(jià)格低，受規(guī)格限制。 ?組合梁：型鋼和鋼板進(jìn)行連接 ?鋼 — 混凝土組合梁：高層鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。 受彎構(gòu)件計(jì)算內(nèi)容： ?截面強(qiáng)度計(jì)算：抗彎（截面彎曲正應(yīng)力最大處）、抗剪（截面剪應(yīng)力最大處）、折算應(yīng)力（截面彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力都較大處） ?構(gòu)件的整體穩(wěn)定計(jì)算：彎扭失穩(wěn) ?構(gòu)件的局部穩(wěn) 定計(jì)算：各板件的承載力 ?構(gòu)件的疲勞驗(yàn)算：直接承受動(dòng)力荷載的梁，當(dāng) n 5 104 次時(shí)應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。 強(qiáng)度計(jì)算： 梁的正應(yīng)力：以工字型截面為例，純彎曲的簡支梁的 Mω 曲線。有四個(gè)階段： 1）彈性工作階段 2）彈塑性工作階段 3）塑性工作階段 4）應(yīng)變硬化階段 彈性工作階段： ye fWM ??? 彈性階段承載力的極限狀態(tài)： 注： eye WfM ?? ?需進(jìn)行疲勞驗(yàn)算的梁以此作為承載能力極限狀態(tài)； ?冷彎薄壁梁也以此作為承載能力極限狀態(tài) 彈塑性工 作階段： 梁翼緣邊緣纖維應(yīng)力已達(dá)到屈服點(diǎn)，開始形成塑性區(qū)，并從翼緣開始逐步向中和軸發(fā)展?？拷泻洼S部分腹板面積仍保持彈性階段。這時(shí)所增加的外力 ΔM 全部由彈性區(qū)來承受。 普通鋼結(jié)構(gòu)的受彎構(gòu)件就是以這個(gè)階段作為承載力極限狀態(tài)。此時(shí)只考慮部分截面塑性發(fā)展。其計(jì)算公式是在彈性階段的基礎(chǔ)上引進(jìn)了一個(gè)截面塑性發(fā)展系數(shù) γ 即： yn fWM ???? 塑性階段： 截面每一處纖維的應(yīng)力 σ 均等于 fy， 即： ypnpypnp fWMfWM ?????? 是鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行塑性設(shè)計(jì)的依據(jù)。此時(shí)截面出現(xiàn) 塑性鉸， Mp 即為塑性鉸彎矩。 應(yīng)變硬化階段： 梁翼緣的強(qiáng)度有所增加，但在計(jì)算時(shí)不利用這一階段的強(qiáng)度值，作為強(qiáng)度儲(chǔ)備。 為什么普通鋼結(jié)構(gòu)中鋼梁的承載能力極限狀態(tài)不利用完全塑性而只考慮部分截面的塑性變形？ ?當(dāng)截面發(fā)生塑性變形時(shí)，將使梁的撓度增大而不滿足正常使用的要求； ?梁翼緣與腹板交接處的折算應(yīng)力太大而不滿足要求； ?對(duì)梁的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定不利。 梁的剪應(yīng)力： 在荷載作用下梁截面既有彎矩又有剪力（純彎曲梁除外），截面既有正應(yīng)力又有剪應(yīng)力。 剪應(yīng)力的計(jì)算按 “ 材料力學(xué) ” 的公式計(jì)算：vw fItVS??? 剪應(yīng)力計(jì)算公式使用時(shí)應(yīng)注意： 1）對(duì)熱軋型鋼，由于其腹板較厚，若腹板無孔洞或截面削弱，一般情況下不驗(yàn)算剪應(yīng)力； 2）主、次梁連接采用圖中所示時(shí)，次梁端部剪應(yīng)力計(jì)算公式：vww fth V ?? ? 梁的扭轉(zhuǎn)： 自由扭轉(zhuǎn)：截面之間無約束，可以自由翹曲，縱向纖維無軸向應(yīng)變，截面只有剪應(yīng)力。 約束扭轉(zhuǎn)：桿件端部的支承使截面之間互相約束，其截面的翹曲變形受到約束，縱向纖維有軸向拉伸或壓縮，截面除有剪應(yīng)力外，還有正應(yīng)力。引起截面剪應(yīng)力的扭矩有兩部分組成：自由 扭轉(zhuǎn)力矩和約束扭轉(zhuǎn)力矩 梁的局部壓應(yīng)力和組合應(yīng)力 局部壓應(yīng)力 當(dāng)梁上有集中荷載作用時(shí)，除驗(yàn)算截面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力外，還應(yīng)驗(yàn)算局部壓應(yīng)力。 集中力通過翼緣傳至腹板，使翼緣和腹板沿梁的長度方向在一定范圍內(nèi)受壓，在計(jì)算時(shí)假定為均勻受壓。這種壓應(yīng)力在哪個(gè)部位是最不利的？ 驗(yàn)算時(shí)采用公式 330。 當(dāng)驗(yàn)算不滿足時(shí)應(yīng)采取措施： 設(shè)置加勁肋； 加大腹板厚度； 組合應(yīng)力（折算應(yīng)力）： 同一截面的同一部位有多種應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，是否滿足強(qiáng)度要求。 以工字型截面為例： σ max （邊緣）、 τ max（中和軸 ） 是同一截面的不同部位。此外任一部位都有σ 、 τ ，找最不利的部位。 梁截面沿長度的變化 指受強(qiáng)度控制的焊接截面，可以沿梁的長度方向變化。 主要用在實(shí)腹式焊接吊車梁 兩種方式：改變梁腹板的高度； 變化翼緣板面積； 變化梁的腹板高度： ?端部腹板高度應(yīng)滿足抗剪強(qiáng)度的要求； ?梁端部高度不小于梁高的一半； ?轉(zhuǎn)折點(diǎn)的距離為（ 1/5~1/6）梁的跨度； ?轉(zhuǎn)折點(diǎn)處腹板設(shè)橫向加勁肋。 變化翼緣板面積 ?若為單層翼緣板：改變翼緣板寬度。需滿足以下要求： 1）變截面位置：踞支座 l/6 處，改變后的板寬 b1 由 M1 確定； 2） b b1，坡度≤ 1:4； 3）采用對(duì)接焊縫（正焊縫或斜焊縫） ?若為多層翼緣板，采用逐步切斷外層翼緣板的方法，此時(shí)要區(qū)分理論切斷點(diǎn)和實(shí)際切斷點(diǎn)。 梁的內(nèi)力重分布和塑性設(shè)計(jì) 內(nèi)力重分布：對(duì) 超靜定結(jié)構(gòu) ，截面出現(xiàn) 塑性鉸 后，隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布，使其他截面出現(xiàn)塑性鉸，直至形成機(jī)動(dòng)結(jié)構(gòu)。 ?塑性設(shè)計(jì)：就是利用內(nèi)力重分布，使截面達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，充分發(fā)揮材料的潛能。 ?鋼材性能要滿足以下要求： 1