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钢结构基本知识 第一章 概述一、钢结构的特点1、强度高，塑性和韧性好 2、材质均匀，符合力学假定 3、钢结构制造简便，施工周 期短 4、钢结构的质量轻 强度与密度之比远大于混凝土 5、耐腐蚀性差 6、耐热不耐火 ≮250℃，500～600 ℃强度为零 防火处理：蛭石板、蛭石喷涂、石膏板等 7、钢结构的密 封性好 容器等 8、低温冷脆二、钢结构的应用范围1、重型厂房结构 2、大跨结构 3、高层建筑 4、塔桅结构 5、板壳结构 容器、储液 库、煤气库、管道等 6、可移动式结构 活动房屋、水工闸门、起重运输机等 7、桥梁结构 8、轻型钢结构 9、承受振动荷载和地震作用的结构三、钢结构设计的基本要求1、安全可靠在运输、安装和使用中，具有足够的强度、 刚度和稳定性 2、合理选 用材料、结构方案和构造措施，满足使用要求 3、节约钢材，减轻自重 4、钢结构要便于 运输和维护 5、尽量注意美观 四、现代钢结构的发展1、高强度钢材的应用 Q235、Q345、Q420、45 号钢等 2、钢结构设计计算理论的研 究与改进 3、新型结构形式的应用 4、钢—混凝土组合结构的应用 5、钢结构优化原理及 其应用 6、生产制造工业化、产业化第二章 钢结构的材料一、钢的种类 碳素钢和合金钢1、碳素钢 ● 分结构钢（低碳钢）和工具钢（高碳钢） ； ● 碳素结构钢—《GB700－88》质量等级：A、B、C、 D 四级； ● A—只保证抗拉强度、屈服点和伸长 率； B、C、D—保证抗拉强度、屈服点和伸长率、冷弯性能 和冲击韧性（分别为＋20℃、0℃ 和－20℃） ，同时 严格控制 C、S、P 的极限含量； ● 钢号：Q235-A、Q235- B、Q235-C、Q235-D 等2、合金钢 ● 分为结构钢、工具钢和特殊钢 ● 结构钢（低合金钢）—《GB/1591－94》质量等级： A、B、C、D、E 五级； ● A、 B、C、D 的规定同碳素结 构钢，E 级要求－40℃ 的冲击韧性； ● 钢号：Q345-A、Q390-B、Q420-C、Q235-D 等二、炼钢的种类● 转炉钢——质量较差，杂质含量较多。

● 空气底吹转炉钢——质量甚差，国内已 不生产 ● 空气侧吹转炉钢——质量略差，各项性能不如氧气顶 吹转炉钢 ● 氧气顶 吹转炉钢——有害元素少、杂质少、纯洁度高； 质量和加工性能都接近平炉钢；生产效率 高，成本低， 投资省，建厂快 ● 平炉钢——原料广泛，容积大，广量高，冶炼工艺较 简单，钢材质量优良，化学成分稳定（偏析度小） ， 机械性能可靠，能冶炼各种用途的钢 缺点为生产成 本高，建厂规模大，工期长，投资大 ● 电炉钢——质量最好，成本最高， 土建少用三、炼钢的脱氧方法● 脱氧剂——Mn、Si 等 ● 沸腾钢——用 Mn 脱氧，不充分，质量不好，成本低 ● 镇静钢——除锰外，还用硅和铝为脱氧剂，脱氧完全， 质量好，成本高 ● 半镇静 钢——介于沸腾钢和镇静钢之间四、钢材的力学性能1、钢材均匀受拉时的力学性能 ● б—ε 曲线五个阶段：①弹性阶段；②弹塑性阶段；③ 屈服阶段；④强化阶段；⑤颈缩阶段 ● 强度指标： ①屈服强度 fy；②抗拉强度 fu ● 理想的弹塑性体 ● 塑性性能： ①伸长率 δ10 和 δ5； ②断面收缩率 ψfu fy fe fp C完全弹性体理想弹塑性体0 0.1 0.15 2.522低碳钢应力—应变曲线应力— 应变曲线l0 d0 l1 l 静 力 拉 伸 试 验构 件理想弹塑性体 模型● 钢材的物理性能指标：①弹性模量 E＝206×103 （N/mm2）②剪切模量 G＝79 ×103（N/mm2） ；③线 膨胀系数 α＝12 ×10-6 ；④质量密度 ρ＝7850kg/m3 。

2、 冷弯性能 不分层、不裂纹 3、冲击韧性 αk 断裂工程中吸收能量 的能力 αk ＝A k /A（J/cm2）p d L=5a+150aPPd+2.1a 冷弯实验示意图31P 55 R=2.5 R=1 R=2.5 40冲击试验示意图五、钢结构对材料的要求 ● 较高的抗拉强度 fu 和屈服点 fy ● 较高的塑性和韧性 ● 良好的工艺性能（冷、热加工性能和可焊性） 六、钢材的破坏形式塑性破坏和脆性破坏 ● 塑性破坏：б＝fu 发生，变形超过材料的变形能力破 坏 前发生较大的塑性变形，断口呈纤维状,色泽发暗 ● 脆性破坏： б＜fu 甚至 б＜fy， 没有明显的塑性变形， 破坏突然，没有预兆断口平直呈晶粒状,色泽发亮 ● 在设计、 施工和使用钢结构时，应当注意防止出现脆 性破坏七、影响钢材力学性能的因素●化学成分的影响：含 C 量增加，强度增高，塑性降低； S、P、O、N 为有害元素， 必须严格控制；Mn 和 Si 为 有益元素，要适量 ● 冶金缺陷的影响：镇静钢的屈服点高 于沸腾钢（约 40N/mm2 ） ；非金属夹杂、裂纹、分层等 ● 时效的影响：钢材随时间 的增长，强度增加、塑性降 低而脆性增加。

●冷作硬化的影响：钢材在冷加工（拉、剪、 冲、压、 拔等）的条件下，强度增加、塑性降低而脆性增加●温度的影响：低温冷脆；冷脆转变温度（冷脆临界温度) ● 应力集中的影响：在空 洞、槽口、凹角、裂缝、截面 变化处，产生局部高峰应力—应力集中现象 应力集中： 产生同号平面或立体应力场，钢材变脆 ● 时效的影响：钢材随时间的增长，强度增加、 塑性降 低而脆性增加 ●疲劳的影响：钢材在连续反复或循环荷载作用下，当应 力循环 次数 n 达到某个大数时，发生突然的脆断此时， 应力 б＜fu 甚至 б＜fy —疲劳破坏八、钢材的规格和选用1、钢材的规格 ●热轧钢板：①厚钢板（厚 4.5～60mm） ；②薄钢板（厚 0.35～4mm） ； ③扁钢（厚 4~60mm，宽 30～200mm） ● 普通热轧型钢：①角钢：等边和不等边；② 槽钢：热 轧普通槽钢和低合金热轧轻型槽钢；③工字钢：同槽钢； ④钢管：有无缝和焊 接两种；⑤H 型钢：宽翼缘工字钢 ● 薄壁型钢：用薄钢板（1.5～5.0mm)经模压和冷弯而成， 一般为 Q235 或 Q345 钢 ● 各种彩钢板和压型钢板a)(b)(c) (d) (e)(f) (g)型钢(a) (b) (c) (d)( e)(f)(g)薄壁型钢（a)方钢管；（b)等肢角钢；（C）槽钢；（d)卷边槽钢 （e)卷边 Z 型钢；（f)卷边等 直角钢；（g)焊接薄壁钢管2、钢材的选用●结构的重要性：一级（重要的） 、二级（一般的）和三 级（次要的） 。

● 荷载情况： 分静态荷载和动态荷载直接承受动力荷 载和强烈地震区的结构，选用性能好的钢材 ● 连接方法：焊接结构和非焊接结构焊接结构由于受 焊接应力和焊接变形等的影响， 选用 Q235-B 等可焊性好 的钢材 ● 结构所处的温度和环境：例低温冷脆、露天时效、 腐 蚀、疲劳断裂等 ● 钢材厚度厚度大的焊接结构应采用材质好的钢材 第三章 钢结构的连接 一、钢结构的连接方法焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接(a) (b) (c)连接方法 (a)焊缝连接 (b) 铆钉连接(c)螺栓连接1、焊缝连接的特点 ● 构造简单，连接方便； ● 用料经济，不削弱截面； ● 加工 方便，可实现自动化操作； ● 密闭性好，结构刚度大； ● 缺点：焊接应力和焊接变形； 热影响区材质变 脆；对裂纹比较敏感；低温冷脆；对动力荷载比 较敏感，等2、铆钉连接的特点 ● 塑性和韧性较好； ● 连接紧密，传力方便； ● 用于直接承 受动力荷载的结构中（如桥梁） ； ● 缺点：构造复杂，费工费料很少使用 3、螺栓连 接的特点 分普通螺栓连接和高强螺栓连接 （1）普通螺栓连接 ● A、B、C 三级：A 和 B 为精制螺栓，C 级为粗制螺栓； ● 材料等级： A 和 B 为 8.8 级，C 级为 4.6 级或 4.8； ● 加工：A、B 级由毛坯在车床上精确加工而成——精制； C 级为由未经加工的圆钢压 制而成——粗制；● 螺孔：A、B 级需要钻模钻成（Ⅰ类孔） ，孔径比螺杆 大 0.3mm 左右； C 级为一次冲成或不用钻模钻成（Ⅱ类 孔）孔径比螺杆大 1.5~3.0mm。

● 受力：A、B 级受力性能好，连接变形小，可以既受拉 又受剪，用于重要的连接；C 级螺栓连接性能不 如 A、B 级好，主要受拉，用于承受静力荷载和间接承受动力荷 载的次要连接 ● 费 用： A、B 级成本昂贵，C 级螺栓价格便宜，能用 C 级螺栓的地方不用 A、B 级螺栓 （2）高强螺栓连接 高强螺栓分为摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓 ● 摩擦型高强螺栓： 只依靠构件接触面之间的摩擦力来传 递剪力，以剪力等于接触面摩擦力为设计极限状态 ● 承压型高强螺栓：允许接触面滑移（剪力超过摩擦 力） ，以螺杆与构件之间的挤压而发 生的连接破坏作为 承载力极限状态 ● 受力： 摩擦型高强螺栓剪切变形小，弹性性能 好，耐 疲劳，特别适用动力荷载；承压型高强螺栓的承载力高 于摩擦型，剪切变形大， 不得用于承受动力荷载的结构 ● 材料等级：采用 45 号钢、40B 和 20MnTiB 钢（热处 理） ， 材料等级为 8.8 级或 10.9 级 ● 孔径：摩擦型高强螺栓孔径比螺栓大1.5~2.0mm；承压 型高强螺栓孔径比螺栓大 1.0~1.5mm二、焊接方法和焊缝连接形式 1、钢结构常用的焊接方法介绍 ● 手工电弧焊。

焊条 选择：Q235 选择 E43 型；Q345 采用 E50 型焊条； Q390 和 Q420 采用 E55 型焊条；不同 钢种之间（例 Q235 与 Q345)宜选用低组配方案（E43 型） ● 自动或半自动埋弧焊 ● 气体保护焊 2、焊缝缺陷及焊接质量检验 ●焊缝缺陷：裂纹、焊瘤、烧穿、气孔、未焊 透、夹渣、 咬边、未熔合等3 224 53 6614175手工电弧焊 1-电源 2-导线 3-夹具 4-焊条 5-电弧 6-焊件 7-焊逢4 8电阻焊1 电源 2 导线 3 夹头 4 焊件 5 压力 6 焊逢93 212 10 6 5 7 11 1自动埋弧电弧焊 1 电源 2 导线 3 夹具 4 焊丝 5 电弧 6 焊件 7 焊逢 8 转盘 9 漏 斗 10 溶剂 11 熔化的溶剂 12 移动方向● 焊缝质量检验：外部检验外部（外部尺寸和缺陷）和 内部检验（内部缺陷） 内 部检验方法：①超声波（主要)；②磁粉（辅助） ； ③荧光检验（辅助） ；④x 射线、γ 射 线等（x 射线应用 广） ● 焊缝质量等级：《钢结构工程施工质量验收规范》对 焊缝分 为一级、二级和三级 三级焊缝只要求进行外观检验并符合标准；一级、二级 除了外观 检查外，还必须进行一定量的超声波检验并符 合相应的标准。

● 焊缝等级的选用： ① 疲劳验算的构件：垂至于作用力方向的横向对接焊缝受 拉时为一级，受压时为二级；②不进行疲劳计算的构件：对接焊缝要求等强时 受拉焊缝不低于二级，受压时宜为二 级； ③重级工作制吊车和 Q≥50T 的中级工作制的吊车， 吊车梁腹板与上翼缘之间的 T 形焊透的对接与角 接组合焊缝，不低于二级； ④角焊缝一般为三级，只有直接承受动力 荷载的 焊缝应为二级 3、焊缝连接形式和焊缝形式 ● 焊缝连接形式：按照被连接构件 的相对位置来 分为对接（直接对接和盖板对接） 、搭接、T 形 连接和角部连接等(a)(b)(c)焊逢的连接形式(a) 接(b) 接(c) 接 平 搭 顶(a)(b)顶接中的焊逢形式 (a)对接焊逢 (b) 角焊逢● 焊缝形式：对接焊缝和角焊缝 ● 对接焊缝：正对接焊缝和斜对接焊缝 ● 角焊缝： 正面角焊缝（端缝） 、侧面角焊缝（侧缝） 和斜角焊缝（斜缝） 连续角焊缝（重要构件） 和间断角焊（次要构件）：间 断角焊缝间断距离 l≤15t（受压）和 l≤30t（受拉） ，t 为 较薄件的厚度 ● 按照施焊位置分：平焊（俯焊） 、横焊、。