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钢结构-钢结构基础 陈绍蕃（上册）PDF文本

本书对1994年间世的第二版做了较大的更新和充实，以适应当前钢结构的发展和高等学校本科土木工专业的散学需婴。全书分上、下册。上所（锅结构基础》誓重阐述钢结构的基本性能，包括材料、构件、连接和节点的性能和承载能力汁算原理和方艺，体系上.改变过去按构件类型分章为按极限状态分章。截面强度、单个构件稳龙、整体结构中构件稳定，脆性断裂和疲劳属于承载能力极限状态的不同侧面和层次，分列四章论述。正常使用极限状态也单列一童。本书内容密切结合新修订的（钢结构设计规范》GB50017一202.除用作数材外，也可供L程设计和施工.人员在工作中参考。理甄Z.ZC.ET
第三版序鉴于钢结构的应用范围迅速扩展，高等学校土木工程专业的调整和《钢结构设计规范》的修订，本书第二版已经不能适应当前的需要。新的版本和第二版的差别主要有以下几个方面。1,扩充内容。把全书分为《钢结构基础》和《房屋筑钢结构设计》两部分，分册出版。上册阐述钢结构的基本性能及设计原理；下册阐述各类房屋钢结构的设计要领和方法。2.改变教材体系。除刻分为基础和设计两大部分外，基础部分采用了新的体系，改变过去的按构件类型分章为按极限状态分章。各类构件的强度计算属于截面承载能力问题，稳定计算则属于整个构件的承载能力问题，二者的性质戴然不同。对这两个问题分章论述，概念较为清晰。构件只是整体结构的一个组成部分，由于构件之间相互制约，失稳实质上涉及整个结构。这种整体性目前由构件的计算长度系数来解决，集中写在第五章中。正常使用极限状态单列一章。此外，把节点构造集中起来和连接合为一章，便于读者掌握构造设计的原理。3.更新内容。新每结构设芽规范CB50017一2002在原GBJ17一88规范的基础上做了很多更新和充实。本书除全面吸收这些内容外，还适当更新一些其他内容。例如，对牛腿违接焊缝的计算和高强度螺栓抗拉连接的计算都提出了新的、更为经济合理的观点。配令近年来钢结构应用范围的扩展，下册列入了轻型门式钢架设计和多层和高层房屋结构的设计。4.拓宽理论基础，密切联系实际。在基础部分注意用发展的观点处理问愿。例如随着轻型钢结构的推广应用，扭转和局部变形的影响在设计中意来愈显得重要。为此，在强度一章中较全面地阐述了扭转的效应；同时还在第七章专门写了一节《节点构造对构件承载力的影响》。在基础部分还注意密切联系实际，在第二章中除对结构用钢的质量分级和选用做了较全面的阐述外，还写了有关钢材性能鉴定的内容以适应从事实际工作的需要。参与第三版编写工作的有：陈绍基（第一主编和上册第1章），顾强（第二主编，上册3、7章，下册3章)，于安林（上册2、5、6章，下册1章），郭成喜（上册4、8章，下册2、4章）。李峰参加了习编选工作。本书的第一版和第二版原编写人员为陈绍蕃、永毓栋、蒋焕南、陈骥和郸在田。第三版变动很大，内容取舍、论述和前后衔接难免存在不妥之处。敬希读者发现后予以指正！编者2002年7月理甄Z..ET
目录第1章概述……1.1钢结构的特点和应用1.2钢结构的造过程和内在缺陷……61.3钢结构的组戒原理………………………1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法……111,5钢结构的发展………………20第2章钢结构的材料……………232.对锅结构用材的要求………232.2钢材的主要性能及其鉴定…………242.3影响钢材性能的因素………………292.4钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载和快速加载的效应…342.5筑钢材的类别及钢材的选用………40习题…………………心45第3章梅件的载而承接能力强度7心……473.1轴心受力构件的强度及截面选择。..…473.2梁的类型和强度……………503.3梁的局部压应力和组合应力…613.4按强度条件选择梁截面……633.5梁的内力重分布和塑性设计……………733.6拉弯、压弯构件的应用和强度计算……76习题81第4章单个构件的承载能力一稳定性………834.1稳定问题的一般特点…………834.2轴心受压构件的整体稳定性……874.3实腹式柱和格构式柱的截面选择计算……1034.4受弯构件的弯扭失稳……………1134.5压弯构件的面内和面外稳定性及截面选择计算………1204.6板件的稳定和屈曲后强度的利用………137习题…………………164第5章整体结构中的压杆和压弯构件…1695.1桁架中压杆的计算长度…1695.2框架稳定和框架柱计算长度……172习题………181罚素前网Z..E]
6目录第6章钢结构的正常使用极限状态……………1836.1正常使用极限状态的特点……1836.2拉杆、压杆的刚度要求18363梁和桁架的变形限制…………1846.4钢框架的变形限制……………18665振动的限制…………………186习题…………………187第7章纲结构的连接和节点构造……………1887.1钢结构对连接的要求及连接方法1887.2焊接连接的特性…………1907.3对接焊缝的构造和计算…………………1977.4角焊缝的构造和计算………………2027.5焊接残余应力和焊接残余变形2227.6普通螺栓连接的构造和计算2287.7高强度螺栓连接的性能和计算2407.8焊接梁翼缘焊缝的计算2507.9构件的拼接……2527.10梁与梁的连接260711梁与柱的连接平…2637.12柱脚设计…2707.13桁架节点设计…2797.14节点构造对构件承载力的影响295习题……296第8章钢结构的脆性断裂和疲劳…3018.1钢结构脆性新裂及其防业3018.2翻结构抗疲劳设计306习题……316附录…“318附录1型钢规格表318附录2螺栓和锚栓规格331附录3钢材的化学成分和机械性能………………332附录4钢材、焊缝和螺栓连接的强度设计值……333附录5各种截面回转半径的近似值……336附录6工字形截面简支梁等级弯矩系数和轧制工字锅梁的稳定系数…337附录7轴心受压构件的稳定系数338附录8框架柱计算长度系数…………………341参考文献……………345理甄Z.ZC.ET
第1章概述1.1钢结构的特点和应用1.1.1钢结构的特点钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其他材料的结构相比，钢结构有如下一些特点：(1)材料的强度高，塑性和韧性好。钢材和其他筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多。因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂韧性好，结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能能力和延性=3还使钢结构具有优越的抗履性能。另一方面，‘=、压力由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，>>受压时需要满足稳定的要求，强度有时不能充分发挥。图1-1给出同样断面的拉杆和压杆受力图1-」钢拉杆和压杆性能比较性能的比较：拉杆的极限承载能力高于压杆。这和混凝土抗压强度远远高于抗拉强度形成鲜明的对比。(2)材质均匀，和力学计算的假定比较符合。钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性体，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以严格控制，材质波动的范围小。(3)钢结构制造简便，施工周期短。钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并能使用机械操作。因此，大量的锅结构一般在专业化的金属结构厂做成构件，精确度较高。构件在工地拼装，可以采用安装简便的普通螺栓和高强度螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装，以缩短施工周期。小量的钢结构和轻钢屋架，也可以在现场就地制造，随即用箱便机具吊装。此外，对已成的钢结构也比较容易进行改和加固，用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。理甄Z.ZC.ET
第1章概述(4)钢结构的质量轻。钢材的密度虽比混凝土等筑材料大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻，原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的质量最多不过钢筋混凝土屋架的13至1/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10,为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构，如造在交通不便的山区和边远地区的工程，质量轻也是一个重要的有利条件。屋盖结构的质量轻，对抵抗地屣作用有利。另一方面，质轻的屋盖结构对可变荷载的变动比较敏感，荷截超额的不利影响比较大。受有积灰荷载的结构如不注意及时清灰，可能会造成事故。风吸力可能造成钢屋架的拉、压杆反号，设计时不能忽视。设计沿海地区的房屋结构，如果对飓风作用下的风吸力估计不足，则屋面系统有被掀起的危险。(5)钢材耐腐蚀性差。钢材耐腐蚀的性能比较差，必须对结构注意防护。尤其是暴露在大气中的结构如桥梁，更应特别注意。这使维护费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆，锈蚀问题并不严重。近年来出现的耐候钢具有较好的抗锈性能，已经逐步推广应用。(6)钢材耐热但不耐火。钢材长期经受10℃辐射热时，强度没有多大变化，c具有一定的耐热性能：但温度达150℃以上时、就须用隔热层加以保护。钢材不耐火，重要的结构必须注意采取防火措施。例如，利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。防护使钢结构造价提高。目前已经开始生产具有一定耐火性能的钢材，是解决问题的一个方向。1.1.2钢结构的应用范图钢结构的合理应用范围不仅取决于钢结构本身的特性，还受到画民经济发展情况的制约。从国到20世纪90年代中期，钢结构的应用经历了一个“节约钢材”阶段，即在土工程中钢结构只用在钢筋混凝土不能代替的地方。原因是钢材短缺：1949年全国钢产量只有十几万吨，虽然大力发展钢铁工业，钢产量一直跟不上社会主义设宏大规模的要求。直至1996年钢产量达到一亿吨，局面才得到根本改变，钢结构的技术政策改成“合理使用钢材”。此后，钢结构在土工程中的应用日益扩展。从技术角度看，钢结构的合理应用范围包括以下几个方面（图1-2~17)。(1)大跨度结构。结构跨度越大，自重在全部荷载中所占比重也就越大，减轻自重可以获得明显的经济效果。因此，钢结构强度高而质量轻的优点对于大跨桥梁和大跨筑结构特别突出。我国人民大会堂的钢屋架、各地体育馆的悬索结构、钢网架和网理甄Z.ZC.ET
1.1钢结构的特点和应用3壳，陕西秦始皇基陶俑陈列馆的三铰拱架都是大跨度屋盖的具体例子。很多大型体育馆屋盖结构的跨度都已超过100m。1968年在长江上成的第一座铁路公路两用的南京桥，最大跨度160m,其后在九江和芜湖成的，跨度分别增大到216m和312m。长江上的公路桥跨度更大，有：628m的南京斜拉桥，00m的西陵峡悬索桥和1385m的江阴悬素桥。(2)重型厂房结构。钢铁联合企业和重型机械制造业有许多车间属子重型厂房。所谓“重”，就是车间里吊车的起重质量大（常在100t以上，有的达到440)，其中有些作业也十分繁童（运转）。J.NE这些车间的主要承重骨架往往图12高层钢结构壁筑全部或部分采用钢结构。新的宝山钢铁公司，主要厂房都是钢结构的。另外，有强烈辐射热的车间，也经常采用钢结构。图1-3斜拉桥理甄Z.ZC.ET
第1章概述图14穹顶结构曲J图15钢拱桥(3)受动力荷载影响的结构。由于钢材具有良好的韧性，设有较大锻锤或其他产生动力作用设备的厂房，即使屋架跨度不很大，也往往用钢制成。对于抗震能力要求高的结构，用钢来做也是比较适宜的。(4)可拆卸的结构。钢结构不仅质景轻，还可以用螺栓或其他便于拆装的手段来连接，需要搬迁的结构，如筑工地生产和生活用房的骨架，临时性展览馆等，钢结构最为适宜。钢筋混凝土结构施工用的模板支架，现在也趋向于用工具式的钢桁架。筑素前网Z.ZC.ET
1.1钢结构的特点和应用5图1-6杂交结构Z.J.NE图1-7海上采油平台(5)高耸结构和高层筑。高耸结构包括塔架和桅杆结构，如高压输电线路的塔架、广播和电视发射用的塔果和桅杆等。上海的东方明珠电视塔高度达468m。1977年成的北京环境气象塔高325m,是五层拉线的桅杆结构。高层筑的骨架，也是钢结构应用范理甄Z.ZC.ET
6第1章概述周的一个方面，目前最高的是地上88层地下3层的上海金茂大厦，高度为365m。(6)容器和其他构筑物。用钢板焊成的容器具有密封和耐高压的特点，广泛用于冶金、石油、化工企业中，包括袖罐、煤气罐、高炉、热风炉等。此外，经常使用的还有皮带通廊栈桥、管道支架、钻并和采油塔架，以及海上采油平台等其他钢构筑物。(7)轻型钢结构。钢结构质量轻不仅对大跨结构有利，对使用荷载特别轻的小跨结构也有优越性。因为使用荷载特别轻时，小跨结构的自重也就成了一个重要因素。冷弯薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可以不超过钢筋混凝土屋架的用钢量。轻型门式刚架因其轻便和安装迅速，近20年来如雨后春笋大量出现。从全面经济观点看，钢结构还具有更多的优越性。在地基条件差的场地，多层房屋即使高度不是很大，钢结构因其质轻而降低基础工程造价，仍然可能是首选。在地价高昂的区域，钢结构则以占用土地面积小而显示它的优越性。工期短，投资及早得到回报，是有利于选用钢结构的又一重要因素。施工现场可利用的面积狭小，也是需要借重钢结构的一个条件。此外，现代化的筑物中各类服务设施包括供电、供水、中央空调和信息化、智能化设备，需用管线很多。钢结构易于和这些设施配合，使之少占用空间。因此，对多层筑采用帮结构也逐新成为一种趋势。可连凡系?刈Z.心ZS心E1.2钢结构的造过程和内在缺陷1.2.1钢结构的造过程钢结构的造分为两个主要步骤，即工厂制造和工地安装。工厂制造包括下列工序：钢材的验收、整理和保管，包括必要的矫正；按施工图放样，做出样板、样杆，并据以划线和下料；对划线后的钢材进行剪切（焰割）、冲（钻)孔和刨边等项加工，非平直的爹件则需要通过煨弯和辊圆等工序来成型；对加工过程中造成变形的苓件进行整平（辊平、顶平）；把零件按图装配成构件，并加以焊接（铆接)；对焊接造成的变形加以矫正；除锈和涂漆。工地安装工作包括：现场的扩大拼装；理甄Z.ZC.ET
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