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鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與鋼材的選用
發(fā)布時間:2014-07-15
一、引言鋼結(jié)構(gòu)是用鋼材經(jīng)過加工、連接、安裝而建成的一種工程結(jié)構(gòu),它需要承受各種可能的自然環(huán)境和人為環(huán)境作用,并應(yīng)滿足各種預(yù)定功能要求和具有足夠的可靠性及良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。
鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn):結(jié)構(gòu)自重輕,抗震好,耐沖擊,品質(zhì)好,建造快;易銹蝕,耐火差。重要的是,鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)該精心設(shè)計和悉心施工,才能揚(yáng)長避短,使所設(shè)計的構(gòu)筑物,建成后具有足夠的可靠性,并與其社會經(jīng)濟(jì)效益取得最佳平衡。精心設(shè)計是根本,悉心施工是保證。
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵:是選擇方案,其內(nèi)容應(yīng)包括鋼結(jié)構(gòu)的類型、體系、節(jié)點(diǎn)型式、連接方法和鋼材種類、性質(zhì)的選擇及確定。其中,鋼材種類、性質(zhì)的選擇及確定具有十分重要意義,這是由于鋼結(jié)構(gòu)的上述特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)鋼材的強(qiáng)度高低,塑性大小,韌性好壞,銹蝕難易和耐熱強(qiáng)弱等的性質(zhì)密不可分。鋼結(jié)構(gòu)所用結(jié)構(gòu)鋼材種類、性質(zhì)的選擇及確定又與鋼結(jié)構(gòu)的類型、體系、節(jié)點(diǎn)型式、連接方法以及結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境等相互關(guān)聯(lián)。因此根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的特性選用與其相匹配的結(jié)構(gòu)鋼材的種類和性質(zhì)具有重要意義。
二、 鋼結(jié)構(gòu)的類型
鋼結(jié)構(gòu)可以考慮從不同角度進(jìn)行其分類,以下列出幾種:
1、按應(yīng)用領(lǐng)域分類
鋼結(jié)構(gòu)在許多工程建設(shè)領(lǐng)域都有應(yīng)用,并可將其分類列屬于:
(1)建筑工程:工、農(nóng)業(yè),民用、公共房屋,紀(jì)念性建筑物的支承骨架;
(2)橋梁工程: 鐵路、公路橋,城市過街、立交橋等;
(3)水利工程: 水工閘門,壓力鋼管,施工棧橋等;
(4)海洋工程: 海洋石油平臺、設(shè)施,海底輸油管線等;
(5)特種工程: 輸電、發(fā)射塔架,液、氣儲存罐及其輸送管線,大型起重機(jī)架等。
不同領(lǐng)域應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)常稱為該領(lǐng)域的鋼結(jié)構(gòu),如:建筑鋼結(jié)構(gòu),橋梁鋼結(jié)構(gòu),海洋鋼結(jié)構(gòu)等。由于應(yīng)用領(lǐng)域、所處環(huán)境和使用要求的不同,各種鋼結(jié)構(gòu)所受自然環(huán)境和人為環(huán)境的作用也有差異。其設(shè)計,施工和使用雖有所區(qū)別,但是其基本屬性和特征及其總的設(shè)計理念、原理、方法和所依據(jù)的理論基礎(chǔ)等均雷同。
2、按所用鋼材規(guī)格分類
鋼結(jié)構(gòu)的加工、制造、受力工作性能以及破壞形態(tài)等,除與其所用結(jié)構(gòu)鋼材種類、性質(zhì)等有關(guān)外,尚與所用鋼材的厚薄、規(guī)格有關(guān),故尚可按其組成中所用主要鋼材的厚薄及規(guī)格(型號大小)分為:
(1)輕型鋼結(jié)構(gòu):厚度1.5~6mm的鋼板和小圓鋼、型鋼組成的鋼結(jié)構(gòu);
(2)普通鋼結(jié)構(gòu):厚度約8~40mm的鋼板和普通型鋼組成的鋼結(jié)構(gòu);
(3)重型鋼結(jié)構(gòu):厚度介于40mm~100mm鋼板和特大型號鋼材組成的鋼結(jié)構(gòu)。
用厚度小于1.5mm的鋼板制成的鋼結(jié)構(gòu)也可稱為超輕型鋼結(jié)構(gòu);厚度大于100mm鋼板和特殊型號鋼材組成的鋼結(jié)構(gòu)也可稱為超重型鋼結(jié)構(gòu)。輕型、超輕型鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和缺陷敏感性問題較為突出;重型鋼結(jié)中焊接殘余應(yīng)力、鋼板層狀撕裂以及疲勞和脆性斷裂等對其正常工作的影響較大。不言而喻,各種類型的鋼結(jié)構(gòu)除滿足其使用要求外,都必須具有足夠的可靠性,即安全性、適用性、耐久性和良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。
3、按鋼結(jié)構(gòu)體系工作特征分類
(1)梁格結(jié)構(gòu),受彎曲工作的梁組成的結(jié)構(gòu);
(2)剛架結(jié)構(gòu),受壓(拉)、彎曲工作的直梁和直柱組成的框形結(jié)構(gòu);
(3)拱架結(jié)構(gòu),單向曲形構(gòu)件組成的平面結(jié)構(gòu);其截面受壓、彎和剪;
(4)桁架結(jié)構(gòu),主要受拉或壓的桿件組成的結(jié)構(gòu);
(5)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),主要受拉或壓的桿件組成的平面型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);
(6)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),主要受拉或壓的桿件組成的曲面型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);
(7)索桿結(jié)構(gòu),張力索(或鏈桿)和受壓桿件組成的結(jié)構(gòu);
(8)拉索結(jié)構(gòu),張拉索為主組成的結(jié)構(gòu);
(9)混合結(jié)構(gòu),(1)~(7)中兩種及其以上結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu);
(10)雜交結(jié)構(gòu),(1)~(7)中兩種及其以上結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的新型結(jié)構(gòu);
(11)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),對(1)~(10)施加有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)。
上述結(jié)構(gòu)體系,通常在相同空間和環(huán)境條件作用下其結(jié)構(gòu)自重依次較輕,特別是對于大空間,復(fù)雜環(huán)境條件作用下的建筑物的支承結(jié)構(gòu),其自重的減輕程度更是這樣。這是因?yàn)椋軓澢驂骸獜潣?gòu)件的截面應(yīng)力不均勻,按邊緣最大應(yīng)力確定的截面,不能充分利用其材料強(qiáng)度性能;軸心受壓構(gòu)件的截面應(yīng)力均勻,可較充分利用其材料強(qiáng)度性能,但長細(xì)比大時,需考慮穩(wěn)定性問題;軸心受拉構(gòu)件不僅截面應(yīng)力均勻,而且不會失穩(wěn),可最充分利用其材料強(qiáng)度性能。
三、 鋼結(jié)構(gòu)破壞的性質(zhì)、形態(tài)與防止對策
1、結(jié)構(gòu)鋼材的兩種性質(zhì)的破壞:
(1)伴有明顯不可恢復(fù)性的塑性變形的塑性破壞;
(2)無明顯不可恢復(fù)性的塑性變形的脆性破壞。
結(jié)構(gòu)鋼材的破壞性質(zhì)取決于鋼材本身的性質(zhì)及其所處的環(huán)境條件和受力狀況。一般結(jié)構(gòu)鋼材,在常溫、單向、一次、緩慢、或/和均勻拉伸的情況下,其破壞通常是塑性的;但是,在低溫、雙向(或三向)、多次、快速、或/和非均勻拉伸的情況下,其破壞常是脆性的。普通高強(qiáng)度鋼材的塑性、韌性較差,其破壞常是脆性的。特殊工藝處理的優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度鋼材的塑性、韌性好,通常情況下,其破壞常會是塑性的;但是,在特殊情況下,如脆性轉(zhuǎn)變溫度以下的低溫、雙向(或三向)、多次、快速、或/和非均勻拉伸下其破壞常是呈脆性的。
2、 鋼構(gòu)件的破壞形態(tài)及其防止對策
鋼構(gòu)件是由型鋼或/和鋼板經(jīng)過加工連接組成的,其破壞可發(fā)生在桿身或連接處,破壞性質(zhì)和形態(tài)與鋼材、連接方法、受力狀況等有關(guān),起因可能是由于其截面幾何特性不能滿足受力要求,板件或連接受力超過其極限承載力而失效退出工作,致使鋼構(gòu)件或/和連接破壞,其破壞形態(tài)及其防止對策主要有:
(1)強(qiáng)度破壞:因作用力或應(yīng)力超過構(gòu)件或/和連接最大極限承載能力或鋼材強(qiáng)度。
主要防止對策:增大板件截面積,加強(qiáng)連接,選用較高強(qiáng)度鋼材,使其折算應(yīng)力σeq不大于鋼材的設(shè)計值ƒy/γR,(γR為抗力分項(xiàng)系數(shù))即:σeq≤[σ2x+σ2y+σ2z-(σxσy+σyσz+σzσx)+3(τxy+τyzτzx)]1/2≤ƒy/γR(3.1)并使其連接具有足夠承載力。
(2)喪失穩(wěn)定:因作用力達(dá)到或超出構(gòu)件臨界力,或者其部分板件所受壓力超過其臨界力失去穩(wěn)定退出工作,導(dǎo)致構(gòu)件喪失繼續(xù)承載的能力。
主要防止對策:調(diào)整構(gòu)件截面幾何特性、邊界支承條件,減小板件的寬厚比、長細(xì)比,使其名義應(yīng)力σnomin小于其臨界應(yīng)力設(shè)計值σcr/γR,即:σnomin≤σcr/γR (3.2)
(3)疲勞破壞:因構(gòu)件在荷載反復(fù)作用下,裂紋萌生、擴(kuò)展、以致失穩(wěn)擴(kuò)展使構(gòu)件失去承載力。
主要防止對策:選用塑性、韌性好的鋼材,減小缺陷,減小應(yīng)力集中,降低應(yīng)力幅Δσ,并使符合式(3.3)的要求:
Δσ=σmax-σmin≤[Δσ]=(C/N)1/β(3.3)
其中:σmax,σmin—最大,最小作用應(yīng)力;β,C—疲勞特征參數(shù);
N—作用應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。
(4)脆斷破壞:因含裂紋(或類裂紋)性缺陷的構(gòu)件,在裂紋張開性拉應(yīng)力或復(fù)合應(yīng)力作用下,裂紋失穩(wěn)發(fā)展而發(fā)生破壞。
主要防止對策:選用塑性、韌性好的鋼材,減小裂紋性缺陷、降低應(yīng)力水平,并使應(yīng)力強(qiáng)度因子K1不大于與鋼材的靜力或動力斷裂韌性(K1C或K1d):
K1=Yσa1/2≤K1C(靜力)或K1d(動力) (3.4)
其中:σ—裂紋場應(yīng)力;a—裂紋長度;Y—與裂紋有關(guān)的參數(shù)。
(5)過大塑性變形:因構(gòu)件的過大不可恢復(fù)變形,導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生繼發(fā)性的上列(1)、(2)、(3)或 4類形態(tài)的可能破壞。
主要防止對策:改善構(gòu)件的邊界及受力條件;增大構(gòu)件剛度或/和選用高強(qiáng)度鋼材。
上列鋼構(gòu)件的破壞形態(tài)還與所選用結(jié)構(gòu)鋼材有關(guān),其破壞性質(zhì)可能是塑性的或脆性的,這要取決于結(jié)構(gòu)所用鋼材的強(qiáng)度級別,質(zhì)量等級,品質(zhì)狀況;加工偏差、缺陷,焊接、裝配殘余應(yīng)力的大小和狀況;作用力的性質(zhì)是靜力、動力、或沖擊性的,單次或多次反復(fù)作用的;作用應(yīng)力的高、低;是簡單應(yīng)力或是復(fù)雜應(yīng)力;構(gòu)件所處環(huán)境好壞等。當(dāng)所用鋼材強(qiáng)度級別高、等級差、品質(zhì)次,類裂紋性缺陷及殘余應(yīng)力嚴(yán)重,承受有動或沖擊荷載,且應(yīng)力水平較高、狀況復(fù)雜或/和構(gòu)件處于低溫惡劣環(huán)境時,其破壞常是脆性的;反之,在一般情況下,其破壞常是塑性的。
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計,首先是保證結(jié)構(gòu)安全和防止其發(fā)生突然間的脆性破壞。
3、鋼結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)
鋼結(jié)構(gòu)是用鋼材經(jīng)過加工、連接、安裝組成的工程結(jié)構(gòu)。它是許多鋼構(gòu)件的組合成的工程結(jié)構(gòu)體系。它破壞的形態(tài)有以下幾方面的特點(diǎn):
(1)破壞部位:可在局部連接,節(jié)點(diǎn),構(gòu)件,或是由這些局部的破壞開始,逐步擴(kuò)展致使結(jié)構(gòu)的部分或總體毀壞倒塌;
(2)破壞形態(tài):其類別,基本上與鋼構(gòu)件的類似,但是,其破壞更具有結(jié)構(gòu)體系性的特征,即可能是局部性的,整體性的,或其相互影響發(fā)展為總體性的;
(3)破壞性質(zhì):可能是塑性的或脆性的;
(4)破壞路徑:多樣;
(5)破壞原因:是鋼材性能、品質(zhì)差;結(jié)構(gòu)類別、體系選擇、布置不當(dāng);截面幾何特性、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、連接不合理;受力狀況復(fù)雜,結(jié)構(gòu)計算簡圖及受力分析錯誤;制造、安裝偏差缺陷嚴(yán)重等復(fù)雜因素的單獨(dú)或綜合作用的結(jié)果;
(6)破壞歷程:可能是逐漸擴(kuò)展性的或突發(fā)性的;
(7)破壞后果:常較嚴(yán)重。
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計,首先是保證結(jié)構(gòu)安全和防止其發(fā)生突然間的脆性破壞。
4、各類型鋼結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)性破壞形態(tài)
總體而論,各種類型鋼結(jié)構(gòu)的各種破壞形態(tài)都可能發(fā)生,但是,不同類型和不同環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu),通常發(fā)生的主導(dǎo)性破壞形態(tài)也有差別,例如:
(1)輕型、超輕型鋼結(jié)構(gòu): 強(qiáng)度破壞;局部,整體,或總體失穩(wěn)。
(2)普通鋼結(jié)構(gòu):強(qiáng)度破壞;局部,整體,或總體失穩(wěn);疲勞破壞;過大塑性變形破壞。
(3)重型鋼結(jié)構(gòu):強(qiáng)度破壞;整體,或總體失穩(wěn);斷裂破壞;疲勞破壞。
此外,不同鋼結(jié)構(gòu)受力體系,其破壞形態(tài)、性質(zhì)、路徑和歷程也會有較大差異。一般正常工作情況下,梁格結(jié)構(gòu)的破壞常是逐漸擴(kuò)展性的、塑性的、部分的;張拉索桿、索網(wǎng)鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)等,如選用高強(qiáng)度、低韌性鋼材和設(shè)計時使結(jié)構(gòu)處于高應(yīng)力狀態(tài),其破壞?赡苁峭话l(fā)性的、脆性的,甚或整體或總體性的。
四、 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與結(jié)構(gòu)鋼材的選用
1、結(jié)構(gòu)鋼材的主要物理力學(xué)性能與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計
屈服強(qiáng)度fy:結(jié)構(gòu)設(shè)計中線彈性分析以及強(qiáng)度、穩(wěn)定性計算的限值標(biāo)準(zhǔn)。
抗拉強(qiáng)度fu:受拉破壞的極限。強(qiáng)屈比是衡量強(qiáng)度儲備的重要標(biāo)志。
伸長率δ5(δ10):鋼材單向拉伸的塑性性質(zhì)表現(xiàn)。
冷彎角α:鋼材彎曲擠壓時的塑性性質(zhì)表現(xiàn),和對鋼材內(nèi)部缺陷的揭示。
斷面收縮率ψ:鋼材復(fù)雜受力狀態(tài)下的塑性體現(xiàn)。
沖擊韌性AK:鋼材破壞所需動能的一種量度。
斷裂韌性K1C:鋼材裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的一種限值。
2、結(jié)構(gòu)鋼材的鋼種、牌號、強(qiáng)度級別、質(zhì)量等級:
鋼種:碳素鋼,低合金鋼;普通鋼,優(yōu)質(zhì)鋼,特種工藝鋼(如TMPS)。
牌號:由屈服強(qiáng)度字母Q、屈服強(qiáng)度數(shù)值、質(zhì)量等級(A,B,C,D,E)、脫氧方法符號(F,B,Z,TZ)組成。
強(qiáng)度級別:Q235, Q345, Q390, Q420…。
質(zhì)量等級:標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定交貨時,一般應(yīng)保證合格的性能如下:
A級— fu, fy,δ5 (δ10) ,α; S , P。
B級— fu, fy,δ5 (δ10) ,α; C,S , P, AK(+200C)。
C級— fu, fy,δ5 (δ10) ,α; C,S , P, AK( 00C)。
D級— fu, fy,δ5 (δ10) ,α; C,S , P, AK(-200C)。
E級— fu, fy,δ5 (δ10) ,α; C,S , P, AK(-400C)。
其它性能指標(biāo)要求,須由設(shè)計提出,并與供貨方協(xié)約確定。但是,要求的級別、等級越高,附加條件越多、越苛刻,則價格越貴。
3、選用結(jié)構(gòu)鋼材性質(zhì)的基本原則:足夠可靠,滿足需要(防止因材質(zhì)差而脆斷破壞)工藝性能良好和價格低廉。
4、結(jié)構(gòu)鋼材性質(zhì)選用須要考慮的主要因素:結(jié)構(gòu)重要性;結(jié)構(gòu)類型;連接方法;節(jié)點(diǎn)構(gòu)造;受力狀態(tài);環(huán)境狀況。
5、鋼結(jié)構(gòu)的鋼材選用
(1)質(zhì)量等級的選擇
一般非焊接的鋼結(jié)構(gòu)可選用A級鋼;
焊接鋼結(jié)構(gòu),靜載作用時應(yīng)選用B級鋼;
焊接鋼結(jié)構(gòu),動載作用時,應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度,選用C,D,E級的或特級鋼,務(wù)必使鋼材的脆性轉(zhuǎn)換溫度低于結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度。
對于有層狀撕裂受力的結(jié)構(gòu)部位的較厚鋼板,應(yīng)有抗層狀撕裂的要求。
對節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及受力狀況復(fù)雜、工作環(huán)境條件惡劣的重型焊接鋼結(jié)構(gòu),應(yīng)提高對鋼材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。
重要鋼結(jié)構(gòu)鋼材的質(zhì)量等級選擇宜提高。
(2)強(qiáng)度等級的選用
普通鋼結(jié)構(gòu)鋼材的強(qiáng)度等級常常選為Q235或 Q345;
重型、超重型鋼結(jié)構(gòu)鋼材的強(qiáng)度等級可選為Q345,Q390,Q420或更高強(qiáng)度等級的特種鋼材;
冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu),非焊接時可用A級,焊接時應(yīng)用B級鋼;一般可選用強(qiáng)度等級為Q235或Q345鋼;
超輕型鋼結(jié)構(gòu)及用于屋面、墻面的壓型板的彩色涂層鋼板可選用強(qiáng)度等級與Q235或Q345相當(dāng)?shù)?a href='http://m.onlinefundstransfer.com' target='_blank' title='鋼材'>鋼材;當(dāng)鎖縫連接時應(yīng)有良好的冷彎性能,必要時可補(bǔ)做多層卷筒壓扁無損傷合格試驗(yàn);當(dāng)為壓扣連接時宜選較高強(qiáng)度級別和韌性好的鋼材。
五、 結(jié)束語
鋼結(jié)構(gòu)自重輕,抗震好,耐沖擊等優(yōu)良品質(zhì)的展現(xiàn),在于正確設(shè)計、制造、安裝和使用,而設(shè)計方案的選擇是其根本;根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、所處環(huán)境、施工條件,選擇鋼材品種、牌號,對保證結(jié)構(gòu)正常工作,防止脆性破壞,減輕結(jié)構(gòu)自重和降低結(jié)構(gòu)造價具有重要作用。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計選用鋼材牌號的關(guān)鍵是,把握使其強(qiáng)度級別足夠、質(zhì)量等級適當(dāng)、具有良好的塑性和韌性且價格較低,即使其性價比最優(yōu)。
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