第十三章 钢 结 构
13.1 绪 论
? 13.1.1 钢结构的类型及组成
1、什么是钢结构? 一些典型的钢结构建筑
钢结构是 钢材(钢板和型钢) 经过 设计, 加工,形成
各种基本构件,如拉杆(有时还包括钢索)、压杆、
梁、柱及桁架等,然后将这些基本构件按一定的方式
通过焊接和螺栓连接组成的 工程结构形式 。
五大结构形式,
钢筋混凝土结构 砌体结构 木结构 钢结构 组合结构
“银色弯弓”架浦江 —— 全钢结构 卢浦大

1,什么是钢结构
南浦大桥夜景
大跨度钢结构屋盖
钢结构高层建筑
2、结构形式及应用
( 1)桁架
平面桁架 空间桁架
( 2)框架
( 3)拱架
( 4)索
( 5)壳体
13.1.2钢结构的特点和应用范围
1、特点
① 强度高,重量轻
② 塑性, 韧性好
③ 材质均匀,工作 可靠性高
④ 适于 于机械化 加工, 工业化 生产程度高
⑤ 减少 砂、石、灰用量,减轻对不壳再生资源的破坏
⑥ 环保,可回收再利用,建筑造型美观
⑦ 密闭性能好,能制成不渗漏的密闭容器
⑧ 耐热性能好,耐火性能差。
⑨ 耐腐蚀性差
钢和混凝土容重比,3.4 强度比,210~ 136
所以重量轻
好处, (1)便于运输和安装
(2)可跨越更大的跨度
容量 / kN/m3 设计强度 /MPa 拉 压
钢材 76.9 220~ 360 220~ 360
混凝土 22.6 1.05~ 2.65 8.50~ 32.5
2、应用范围
① 承受 荷载大的结构( 工业厂房 )
② 大跨度建筑物
体育馆、展览馆、影剧院、会议中心、机库
③ 高层 建筑
④ 轻 型钢结构
轻型钢结构是一个很模糊的概念,没有严格的定义。以下结构都可称为轻型钢结
构:①由冷弯薄壁型钢组成的结构;②由热轧轻型型钢(工字钢、槽钢,H型钢、
L型钢,T型钢等)组成的结构;③由焊接轻型型钢(工字钢、槽钢,H型钢,L
型钢,T型钢等)组成的结构;④由圆管、方管、矩形管组成的结构;⑤由薄钢板
焊成的构件组成的结构;⑥由以上各种构件组成的结构。
⑤ 塔 桅结构
电视塔、天线、发射架, 海洋平台
⑥ 可拆卸和搬迁的结构
流动 展览馆,舞台,施工 时的临时房屋、温室
大棚等
⑦ 挡水结构、容器、大直径管道
储油库、煤气库、高炉等各种容器
⑧ 大跨度桥梁
⑨ 钢与混凝土组合结构
13.1.4 有关钢结构的规范、规程及标准
《建筑个可靠度设计统一标准》( GB50068)
《建筑结构设计通用符号、计量单位和基本术语》( GBJ83-85)
《建筑结构制图标准》( GBJ105-87)
,建筑结构荷载规范》( GB50009)
《钢结构 设计规范, (GB50017)
《冷弯薄壁型钢结构技术 规范, (GB50018-2002)
《网架结构设计与施工规程》( JGJ7-91)
《高层民用建筑钢结构技术规程,( JGJ99-98)
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程,( CECS102:98)
1
2
3
《钢结构工程 施工 质量验收 规范, (GB50205)
《钢结构工程质量检验评定标准, (GB50221)
《建筑钢结构焊接技术规程, (JGJ81-91)
《钢结构高强螺栓连接的设计施工及验收规程, (JGJ82-91)
《网架结构工程质量检验评定标准, (JGJ78-91)
《螺栓球节点网架, (JGJ75.1-91)
《焊接球节点网架, (JGJ75.2-91)
4
5 与上述设计和施工规范、规程配套的钢材、焊条、型
钢、钢板、紧固件等标准
13.1.5 钢结构的发展
钢结构是由生铁结构逐步发展起来的,中国是最早用
铁制造承重结构的国家。远在秦始皇时代(公元前二百
多年),就有了用铁建造的桥墩。以后在深山峡谷上建
造铁链悬桥、铁塔等,这些表明我国古代建筑和冶金技
术方面的高度水平。
20世纪 50年代后,钢结构的设计、制造、安装水平有
了很大提高,建成了大量钢结构工程,有些在规模上和
技术上已达到世界先进水平。如采用大跨度网架结构的
首都体育馆、上海体育馆,深圳体育馆,大跨度三角拱
形式的西安秦始皇陵兵马俑陈列馆,悬索结构的北京工
人体育馆、浙江体育馆,高耸结构中的 200m高广州广播
电视塔,210m高上海广播电视塔,325m高北京气象桅杆
等,板壳结构中有效容积达 54000m3的湿式储气柜等。
近期,随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术
的迅猛发展,各地建成了大量的高层钢结构建筑、轻钢结
构、高耸结构、市政设施等。如:位于上海浦东,420.5m
高,88层、总建筑面积达 28.7万 m2的 金贸大厦 ; 总建筑
面积达 20万 m2的上海浦东国际机场;主体建筑东西跨度
288.4m,南北跨度 274.7m,建筑高度 70.6m,可容纳 8万名
观众的 上海体育场 ; 336m高、建于哈尔滨的黑龙江广播电
视塔以及横跨黄浦江的南浦大桥、杨浦大桥、卢浦大桥等。
钢结构的发展方向
? 1、发展建筑钢材
? 2、发展建筑钢结构
? 3、发展钢结构施工工艺
我国钢结构的应用前景
( 1)我国钢产量 1亿 多 吨,质量可靠;
( 2)扩大钢材 建筑 市场, 目前仅 5%(500万吨左右 );
( 3)扩大应用范围, 住宅、公共、商业;
( 4) 开发新材料:不锈钢,耐候钢,耐火钢,高强钢;
( 5)新体系,新理论,组合结构,预应力,索膜 ;
( 6)建筑结构一体化:新颖结构形式表现建筑 。
13.2 建筑钢材
本节讲述建筑钢材( Q235,Q345,Q390及 Q420)
的主要机械性能及影响这些性能的主要因素;钢材受
力的两种破坏形式及防止脆性破坏的措施;介绍我国
目前生产的建筑钢材品种及规格。
13.2.1 建筑钢材的基本要求
? 较高的强度
? 较好的塑性及韧性
? 良好的加工性能
? 良好的可焊性
? 较好的抗锈蚀能力
现行《钢结构设计规范》( GBJ50017) 推荐承重
结构的钢材宜采用碳素结构钢中的 Q235,及低合金高
强度结构钢中的 Q345,Q390及 Q420钢。
13.2.2 建筑钢材的主要机械性能
一、强度和塑性 ——单轴拉伸试验
屈服强度 (yield strength) fy
抗拉强度 (tensile strength) fu
伸长率 (elongation) d
弹性模量 E
E为常量, 低碳钢有明显屈服点, fy作为破坏标志, fu/fy
为强度储备, 伸长率 d表示塑性变 形 能力 。
图 2-1 单轴应力
f
?
fp fy
fu 指标,
0
?
?
fy
图 2-2
为了简化计算,将图 2-1所示应力 -应变关系简
化为图 2-2。
实际设计中对 ?—?曲线的简化
< fy,完全弹性
> fy,完全塑性
fu 作 为 安全 储备
伸长率 d 根据试件原标距长度 l0与试件中间部分的直径 d0
的比值为 10或 5而分为 d10或 d5,为试件拉断时原标距间长
度伸长值与原标距比值的百分率。
式中,
l1 —— 为试件拉断后标距间长度。
断面收缩率 ? 是指试件拉断后,颈缩区的断面面积缩小值
与原断面面积比值的百分率。
式中,
A0 —— 试件原来的断面面积;
A1 —— 试件拉断后颈缩区的断面面积;
二,冷弯 (cold bending)试验 —冷弯角 a
加工性能,塑性变性能力,材质均匀性, a=180度合格。
指标,将根据试件厚度按规定的弯曲直径将试件弯曲
1800,如表面无裂纹或分层则合格,
看动画
三,冲击 韧性
钢材的 韧性 是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸
收能量的能力,也是表示钢材抵抗冲击荷载或振动
荷载的能力,它是 强度与塑性 的综合表现。
钢材韧性通过冲击试验,测定冲击功 (冲击韧性值
Akv,单位 J或 akv单位 J /cm2)来表示。
钢结构设计规范对钢材的冲击韧性 Akv有常温和负
温要求的规定。选用钢材时,根据结构的使用情况
和要求提出相应温度的冲击韧性指标要求。 常温
(20℃ )和低温 (0℃, -20℃, -40℃ ) 试验,
用带缺口( V型或 U型)的标准试件(下图)进行
冲击试验,试件破坏时截面单位面积吸收的能量,称
冲击韧性。冲击韧性越好,表明钢材越不易脆断。
(a)
(b)
冲击韧性试件
P
四,可焊性
② 焊接接头和焊缝的冲击
韧性及近缝区塑性不低于母材性
能 。 (使用性能上的可焊性 )
( 1) 可焊性好意味着钢材施焊后能获得良好的焊接接头性能 。
( 2) 评定可焊性好的标志
① 在一定的焊接工艺条件下, 焊缝和近缝区均
不产生裂纹 (施工上的可焊性 )
13.2.3 建筑钢材的两种破坏形式
塑性破坏,破坏前有显著的变形,吸收很大的能量,
延续时间长,有明显的塑性变形,断裂时
断口呈纤维状,色泽发暗。
脆性破坏,破坏前无明显变形,破坏突然发生,断
裂时断口平齐,呈有光泽的晶粒状。脆
性破坏危险性大。
13.2.4 建筑钢材的种类、规格及选择
? 一、建筑钢材的种类
建筑用钢 普通碳素钢
普通低合金钢。
1、普通碳素钢
按其屈服点高低,由高到低排列,分为 1号、
2号,3号,4号 …… 7号等,钢号越高,其含碳
量越高,强度越高,塑性越低 。建筑钢结构中
最常用的是 3号钢。
命名规则
,QXXX—└┘ ·[ ]”,例如 Q235 ? A·F,Q235 ? B·b,Q345 ? E·Z。
其中
Q, 屈服强度的第一个拼音字母。
XXX, 屈服强度值,单位为 N/mm2,结构用钢常有 235,345,390。
└┘,质量等级,有 A,B,C,D,E五等。其中 A无冲击功规定;
B有 20?C时的冲击功要求; C有 0?C时的冲击功要求;
D有- 20?C时的 冲击功要求; E 有- 40?C时的冲击功要求,
低合金钢才有 E等。
[ ],脱氧方法,可分为 F,b,Z和 TZ,F表示沸腾钢,b表示
半镇静钢,Z表示镇静钢,TZ表示特殊镇静钢,其中 Z和 TZ
可不写。
2、普通低合金钢
普通低合金钢是在普通碳素钢中添加少量的一种
或几种合金元素(总量 <5%)以提高其强度、耐腐蚀
性、耐热性、低温冲击韧性。其含碳量 <0.2%,以便
钢材的加工和焊接。按加入的合金元素有,16Mn钢、
16Mnq钢,15MnV钢,15MnVq钢和 15MnVN钢等。
15MnV
命名规则
15表示含碳量为万分之 15,Mn,V后
无阿拉伯数字,表示其含量均 <1.5%,
若有数字,表示其含量的百分数。
如,36Mn2Si,其中 Mn的含量为 2%。
另外,在桥梁、造船、压力容器、锅炉等专业用钢材,分
别在末尾加,q”,“c”,“r”,,g”,如,16Mnq,15MnVq
3、特种钢
Z向钢 耐候钢
? 二、建筑钢材的规格
1,钢板 (plate)
( 1) 热轧 钢 板 和 钢带
( 2) 冷轧 钢 板 和 钢带,
( 3) 花纹涂板 (用作走道板和梯子踏板 ),
( 4) 高层建筑结构用钢板 ;
薄板 <6mm,厚板 >40mm; 常用热轧板 6~ 25mm,
冷轧板 0.6~ 2mm。
2,热轧型钢 (hot-rolled section)
工字钢, H型钢, T型钢, 槽钢, 角钢, 圆
管, 方管, 圆钢 。
3,焊接型钢 (welded section)
I形, H形, T形, 箱形, 十字型 。
4,冷弯薄壁型钢 (cold-formed section)
L型钢,C型钢,Z型钢,S型钢 等 。
5,压型 钢 板
? 三、建筑钢材的选择
(1)结构或构件的重要性(主要的、一般的、次要的)
(2)荷载性质(静力荷载还是动力荷载)
(3)连接方式(焊接还是其它连接)
(4)工作环境(温度及腐蚀介质)
1、原则,保证结构可靠安全,同时要经济合理,
节约钢材。
2、选择使用钢材时,应考虑的主要因素,
3、承重钢结构用钢材的保证项目
uf 01 8 0冷弯yf 5d
冲击韧性040?冲击韧性
三项保证 五项保证
六项保证