周宇主编的《钢结构——基本原理与设计》是一本关于钢结构设计原理和实践的专业书籍。本书全面介绍了钢结构的基础知识,包括材料特性、力学行为、结构分析方法以及设计原则等。通过理论与实例相结合的方式,书中详细阐述了钢结构的设计流程,从概念到具体的计算和构造细节,旨在帮助读者掌握钢结构设计的关键技术。书中还包含了一些最新的研究成果和工程案例,为读者提供了丰富的参考资源。
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一、钢结构的基本原理
(一)钢结构的历史
- 古代
- 在古代就有钢结构的雏形,如简单的木构架和铁索桥等,这些早期的钢结构形式虽然简单,但为后来钢结构的发展奠定了基础。
- 古代的钢结构应用有限,技术水平较低,但体现了人们利用钢材构建结构的初步尝试。
- 工业革命时期
- 随着工业革命的到来,钢铁制造业得到飞速发展,钢结构开始广泛应用于桥梁、厂房、仓库等建筑。这一时期钢结构的应用规模和技术水平都有了显著提高,钢材产量的增加使得钢结构成为更多大型建筑和基础设施的选择。
- 现代
- 进入20世纪以后,钢结构的设计和施工技术不断进步,在建筑、桥梁、船舶、汽车等领域的应用越来越广泛。现代钢结构在材料性能提升、设计理论完善、施工工艺创新等方面都取得了很大进展。
(二)钢结构的特点和应用
- 特点
- 强度高,塑性韧性好
- 强度高适用于建造跨度大、高度高、承载重的结构。其韧性好,适宜在动力荷载下工作,有良好的耗能能力和延性,在地震区采用钢结构较为有利。
- 重量轻
- 钢材容重大但强度高,所以建造的结构比较轻。结构的轻质性可以用材料的质量密度和强度的比值来衡量,比值越小,结构相对越轻。例如,以同样跨度承受同样的荷载,钢屋架的重量为钢筋混凝土屋架的1/3 - 1/4,冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10。重量轻可减轻基础负荷,降低地基、基础部分造价,同时方便运输和吊装。
- 材质均匀
- 钢材内部组织比较均匀,接近各向同性,在一定应力幅度内材料为弹性,所以钢结构实际受力情况和工程力学计算结果比较符合,在计算中采用的经验公式不多,计算结果比较可靠。
- 制作简便,施工工期短
- 构件一般在工厂制作,施工机械化程度高,准确度和精密度皆较高。钢结构所有材料皆已轧制成各种型材,加工简易而迅速。钢构件较轻,连接简单,安装方便,施工周期短。
- 密闭性较好
- 钢材和焊接连接的水密性和气密性较好,适宜建造密闭的板壳结构,如高压容器、油库、气柜、管道等。
- 耐腐蚀性差
- 钢材容易锈蚀,对钢结构必须注意防护,特别是薄壁构件。处于较强腐蚀性介质内的建筑物不宜采用钢结构。在设计中应避免使结构受潮、漏雨,构造上应尽量避免存在难于检查、维修的死角。
- 钢材耐热但不耐火
- 钢材受热,温度在200以内,其主要性能(屈服点和弹性模量)下降不多。温度超过200后,材质变化较大,强度总体下降明显。
- 强度高,塑性韧性好
- 应用
- 在建筑领域,用于单层厂房钢结构、大跨度钢屋盖结构、多高层房屋钢结构等。在桥梁领域,用于各种类型的桥梁结构。还在船舶、汽车等制造业中用于构建框架等结构部件。
(三)钢结构的设计方法
- 按现行标准规范设计
- 按照《建筑结构可靠性设计统一标准》《钢结构设计标准》《建筑结构荷载规范》《高层民用建筑钢结构技术规程》等标准和规范进行设计。这些标准规范对钢结构的设计流程、荷载取值、构件计算、构造要求等方面做出了详细规定,确保钢结构设计的安全性、适用性和耐久性。
- 考虑多种因素的综合设计
- 需要考虑结构的使用功能、荷载条件(包括静力荷载和动力荷载)、施工条件等因素。例如,根据建筑物的使用功能确定结构的布局和形式;根据荷载条件计算构件的受力大小,选择合适的钢材和构件截面;根据施工条件确定连接方式和施工顺序等。
(四)钢结构的材料
- 用材要求
- 要求钢材具有足够的强度、塑性、韧性、可焊性、耐腐蚀性等性能,以满足钢结构在不同工作环境和受力条件下的要求。例如,在承受动力荷载的结构中,钢材需要有较高的韧性;在有焊接要求的结构中,钢材需要有良好的可焊性。
- 钢材的生产
- 钢材通过炼铁、炼钢等工艺生产。生产过程中的工艺参数控制会影响钢材的质量和性能,如炼钢过程中的合金添加、精炼处理等操作对钢材的化学成分和性能有重要影响。
- 钢材的主要性能
- 力学性能
- 包括屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能等。屈服强度是钢材开始产生塑性变形时的应力,是衡量钢材强度的重要指标;抗拉强度反映钢材抵抗拉伸破坏的能力;伸长率体现钢材的塑性变形能力;冷弯性能可以反映钢材在常温下承受弯曲变形的能力,是检验钢材质量和工艺性能的重要指标。
- 工艺性能
- 如可焊性,即钢材在一定的焊接工艺条件下,能否获得良好焊接接头的性能。可焊性好的钢材在焊接过程中不易产生裂纹、气孔等缺陷。
- 力学性能
- 影响钢材性能的因素
- 化学成分
- 钢材中的碳、硅、锰、硫、磷等元素含量对钢材性能有显著影响。例如,碳含量增加会提高钢材的强度,但会降低其塑性和韧性;硫、磷是有害元素,会降低钢材的韧性和可焊性。
- 冶金缺陷
- 如偏析、夹杂、气孔等冶金缺陷会降低钢材的质量和性能。偏析会导致钢材内部化学成分不均匀,夹杂和气孔会成为应力集中点,降低钢材的强度和韧性。
- 钢材的硬化
- 包括冷加工硬化和时效硬化。冷加工硬化是钢材在冷加工过程中,由于塑性变形导致强度提高、塑性和韧性降低的现象;时效硬化是钢材在长期放置或使用过程中,由于内部组织的变化导致性能改变的现象。
- 温度影响
- 温度对钢材性能有很大影响。在低温下,钢材的韧性会降低,容易发生脆性破坏;在高温下,钢材的强度会降低,当温度超过一定限度时,钢材的承载能力会显著下降。
- 应力集中
- 由于构件的截面突然变化(如孔洞、缺口等),会使应力在局部区域急剧增大,形成应力集中现象。应力集中会降低钢材的承载能力,在设计和构造上应尽量避免。
- 化学成分
- 钢材的疲劳
- 在反复荷载作用下,钢材的强度和性能会逐渐降低,这种现象称为钢材的疲劳。疲劳破坏是一种脆性破坏,没有明显的塑性变形预兆。影响钢材疲劳强度的因素包括应力幅、应力循环次数、钢材的种类和质量、构件的构造细节等。在钢结构设计中,需要考虑钢材的疲劳问题,采取相应的构造措施和计算方法,确保结构在疲劳荷载作用下的安全性。
- 建筑用钢的种类、规格和选用原则
- 种类
- 包括碳素结构钢、低合金高强度结构钢、耐候钢等。碳素结构钢具有良好的塑性和韧性,易于加工和焊接,主要用于一般建筑结构和工程结构;低合金高强度结构钢具有较高的强度和良好的韧性,耐大气腐蚀性能优于碳素结构钢,主要用于大跨度、重载和动载结构;耐候钢具有良好的耐大气腐蚀性能,主要用于桥梁、建筑等露天结构。
- 规格
- 钢材有各种规格,如钢板的厚度、宽度和长度,型钢(如工字钢、槽钢、角钢等)的截面尺寸等。不同规格的钢材适用于不同的结构构件和连接方式。
- 选用原则
- 种类