钢结构基本力学性能
钢结构力学性能分析与设计优化
钢结构力学性能分析与设计优化钢结构是一种常用的建筑结构材料，具有高强度、轻质、抗震性能优越等特点，因此得到了广泛的应用。
在钢结构的设计和建造过程中，对其力学性能进行分析和优化是非常重要的。
一、钢结构的力学性能分析钢结构的力学性能主要包括静力性能和动力性能两个方面。
1.1 静力性能分析钢结构在静力荷载作用下的性能分析是设计过程中的关键环节。
通过对结构各部位受力、变形、应力等参数的计算和分析，可以确定结构的安全性能和稳定性。
静力性能分析需要依据相关的力学原理和结构理论，采用数值计算方法进行模拟和分析。
通过刚度矩阵法、有限元法等手段，可以对结构的受力分布、节点位移、应力应变状态等进行详细的分析，从而实现结构的合理设计和优化。
1.2 动力性能分析钢结构在动力荷载下的性能分析主要用于评估结构的抗震性能和动态响应特性。
通过对结构在地震、风荷载等动力荷载下的反应进行模拟和分析，可以判断结构的稳定性、自振频率、不同模态下的动态响应等。
动力性能分析采用动力学理论和振动分析方法，计算和评估结构的模态参数和响应特性。
通过动力荷载的模拟和反应分析，可以确定结构的抗震设计要求，优化结构的刚度、阻尼等参数，提高结构的抗震性能。
二、钢结构设计优化钢结构的设计优化是为了使结构在满足力学性能要求的同时，尽可能节省材料、降低造价、提高工程质量。
设计优化主要包括以下几个方面：2.1 结构材料的选择和优化在钢结构的设计过程中，选择合适的材料是非常重要的。
通过对不同材料的强度、刚度、耐久性、成本等方面进行比较和评估，可以确定最适合的材料。
同时，还可以通过调整材料厚度、截面形状等参数，进一步优化材料的使用。
2.2 结构的几何形状优化钢结构的几何形状对其力学性能有着重要影响。
通过调整结构截面形状、梁柱节点连接方式等参数，可以提高结构的承载能力、刚度和稳定性，减小结构的变形和应力集中，从而优化结构的设计。
2.3 结构构件的优化设计钢结构的各个构件在设计过程中也可以进行优化。
玻璃钢力学性能
精心整理玻璃钢的基本性能——力学性能玻璃钢的力学性能突出的一点是比强度高，这是金属材料和其它材料无法相比的。
这里，我们要提一下强度的概念。
强度通常是指单位面积所能承受的最大荷载，超过这个荷载，材料就破坏了。
强度又分为拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和剪切强度。
例如说聚酯玻璃钢抗拉强度290MPa，是指每平方厘米截面可承受2900Kg的拉力。
玻璃钢轻质高强的性能，来源于较低的树脂密度（浇铸体密度1.27左右）以及玻璃纤维的高抗伸强度（普通钢材的5倍以上）。
玻璃钢的密度随着树脂含量的不同而有所不同。
从高树脂含量的玻璃毡，比玻璃经性能数性能数性能数102赫兹性能数性能数106赫兹性能数性能：断裂时的伸长率（%）性能数据：1.5-4性能：介电常数1010赫兹性能数据：6.11性能性能数据性能性能数据泊松比（块玻璃）0.22正切损失102赫兹0.0042比热〔KJ/(Kg/.K)〕0.80体积电阻（Ω·cm）体积电阻（Ω·cm）1011-1013导热系数〔W/m·K）〕1.0声速ｍ／ｓ声速ｍ／ｓ5500软化温玻璃钢径发展，产量又。
玻璃钢的各羊毛：-棉纱：亚麻：尼龙：生丝：玻纤：钢：羊毛：棉纱：亚麻：-尼龙：15-40生丝：15-86玻纤：2.5-4钢：-玻璃纤维可按三种方向排列:（一）单向纤维增强的玻璃钢这一类玻璃钢，玻璃纤维定向排列在一个方向，它是用连续纱或单丝片铺层的。
在纤维方向上，有很高的弹性模量和强度，其纤维方向的强度可高达１０００ＭＰａ，但在垂直纤维方向上，其（二）双向纤维增强的玻璃钢这类玻璃钢是用双向织物铺展的，其玻璃纤维体积含量可达５０％。
在两个正交的纤维方向上，有较高的强度。
它适用于矩形的平板或薄壳结构物。
（三）准各向同性玻璃钢这类玻璃钢是用短切纤维毡或模塑料制成的，制品中各向强度基本接近，纤维体积含量一般小于３０％，适用于强度、刚度要求不高或荷载不很清楚而只能要求各向同性的产品。
钢结构的力学性能分析与设计
钢结构的力学性能分析与设计引言：钢结构已经成为了现代建筑中不可或缺的一部分。
不同于传统的木结构和混凝土结构，钢结构因为其优秀的力学性能而获得了越来越广泛的应用。
本文将对钢结构的力学性能进行分析，探讨其设计与应用。
第一章：钢结构的力学性能1.1 钢的性质钢是一种由铁和碳组成的合金材料，具有优异的力学性能，如高强度、高弹性模量、高韧性、高耐磨性和耐蚀性等，因此广泛应用在建筑、机械、航空、电力等领域。
1.2 钢结构的优点(1) 轻量化：钢结构相比于混凝土结构更轻，能够减轻建筑物自重，降低地震和风灾害对建筑物的影响。
(2) 高强度：钢结构的强度远高于混凝土结构和木结构。
(3) 易于施工：钢结构件可以在工厂内制造，然后进行现场组装，缩短了建筑周期。
(4) 灵活性：钢结构可以采用许多组合方式，以适应不同的建筑需要。
1.3 钢结构的应用钢结构广泛应用于建筑、桥梁、船舶和机械等领域。
在建筑领域，钢结构主要用于高层建筑、体育馆、工厂、大跨度建筑和桥梁等。
第二章：钢结构的设计2.1 钢结构的设计要点(1) 强度设计：钢结构的强度设计包括耐力设计和稳定性设计。
(2) 刚度设计：钢结构的刚度设计包括初始刚度设计和极限状态刚度设计。
(3) 疲劳和断裂控制：在考虑钢结构的疲劳和断裂控制时，需要采用一些特殊的设计方法。
2.2 钢结构的设计规范钢结构的设计必须遵循相应的国家标准和建筑规范。
在中国，目前主要应用的是《建筑结构设计规范》和《钢结构设计规范》。
2.3 钢结构的设计软件钢结构的设计软件可以帮助设计师进行结构设计、计算和分析。
常见的钢结构设计软件包括SAP2000、ETABS、AutoCAD和ANSYS等。
第三章：钢结构的力学模型3.1 钢结构的力学模型分类(1) 框架模型：框架模型是钢结构中最常见的模型之一，其基本原理是将主要的荷载通过柱和梁传递到地基上。
(2) 空间网格模型：空间网格模型可以分为面网格和空间网格。
面网格由连接着若干个支座的截面组成，而空间网格则是沿三维方向排列着的蜂窝状结构。
钢结构(含螺栓)力学指标
钢结构(含螺栓)力学指标
钢结构力学指标是指描述钢结构在受力作用下所表现出的力学性能的参数。
这些指标包括但不限于以下几个方面：
1. 强度指标，强度是材料抵抗外部力量破坏的能力。
对于钢结构而言，常见的强度指标包括屈服强度、抗拉强度、抗压强度、剪切强度等。
这些指标反映了钢材在受力下的承载能力，是设计和施工中必须考虑的重要参数。
2. 刚度指标，刚度是材料抵抗变形的能力，它描述了材料在受力下的变形特性。
对于钢结构而言，刚度指标包括弹性模量、剪切模量等。
这些指标反映了钢结构在受力下的变形情况，对于结构的稳定性和变形控制具有重要意义。
3. 疲劳指标，疲劳是材料在交变应力作用下发生破坏的现象，对于钢结构而言，疲劳指标是评价结构在长期使用中抵抗疲劳破坏能力的重要参数。
常见的疲劳指标包括疲劳极限、疲劳寿命等。
4. 螺栓连接指标，钢结构中的螺栓连接是常见的连接方式，其力学指标包括螺栓的抗剪强度、抗拉强度等。
这些指标影响着螺栓
连接的可靠性和安全性。
总之，钢结构力学指标涵盖了强度、刚度、疲劳和螺栓连接等多个方面，这些指标对于评价钢结构的安全性、稳定性和可靠性具有重要意义。
在设计、制造和使用钢结构时，需要充分考虑这些力学指标，以确保结构的安全和可靠运行。
钢结构的特点
钢结构的特点钢结构的特点：1、轻质高强2、塑性、韧性好3、各向同性，性能稳定4、可焊性5、不易渗漏6.制造简便，施工周期短7、耐腐蚀性差8、耐热但不耐火9、存在稳定性问题。
应用范围：重型工业厂房，大跨度结构，高耸结构，与高层结构受动力荷载作用的结构，可拆卸与移动的结构，容器与管道，轻型钢结构其她建筑一一支架等。
钢结构的设计方法主要以概率极限状态设计法为主，对疲劳以及压力容器沿用以经验为主的容许应力设计法。
钢材力学性能指标包括：抗拉强度FU反映钢材受拉时所能承受的极限应力，伸长率衡量钢材断裂前所具有的塑性形变能力指标，以试件破坏后在标定的长度内残余应变表示，屈服点，断面收缩率衡量钢材塑性与韧性，冷弯性能判断钢材塑性变形能力与冶金质量与冲击韧性用于比较韧性的好坏。
钢结构的破坏形式：1、塑性破坏。
特征：构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强度后，构件产生明显的变形。
断口：色泽发暗。
后果:在破坏前有很明显的变形，并有较长的变形持续时间，便于发现与补救。
2、脆性破坏:在破坏前无明显变形，没有任何预兆。
断口:平齐与呈有光泽的晶粒。
后果：突然发生的，危险性大，应尽量避免。
1）屈服点fy――应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），它就是衡量钢材的承载能力与确定钢材强度设计值的重要指标。
（2）抗拉强度fu ――应力应变曲线最高点对应的应力，它就是钢材破坏前所能承受的最大应力。
3）钢材的塑性一一当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。
塑性好坏可用断面收缩率与伸长率表示，通过静力拉伸试验得到。
元素对钢结构性能的影响：碳（C）――钢材强度的主要来源，但就是随其含量增加，强度增加，塑性、冷弯、冲击、抗疲劳降低，可焊性降低,抗腐蚀性降低。
硫（S）――有害元素，引起热脆与分层。
磷（P）――冷脆性。
抗腐蚀性略有提高，但可焊性、塑性与韧性降低。
锰（Mn）――合金元素。
建筑钢材的性能
➢ 钢材硬化
❖ 时效硬化（老化） ❖ 应变硬化 ❖ 时效应变硬化
➢ 温度影响
❖ 影响曲线 • 强度曲线 • 刚度曲线 • 塑性曲线
❖ 高温强度失效案例 ❖ 韧性与温度的关系
• 低温冷脆 • 脆性转变温度区T1T2 • T0转变温度
➢ 应力集中
❖ 静力荷载下常温构件不考虑 ❖ 动力荷载下或负温下工作的
❖ 对接焊缝 抗压强度、抗剪强度设计值，取母材强度 抗拉强度，1、2级焊缝取母材强度 3级焊缝取0.85倍母材强度
❖ 角焊缝 抗拉、抗压、抗剪强度设计，取相同的值
fcw f
fvw 0.58f
ftw f ftw 0.85f
Q235钢
ffw 0.38fuw
Q345钢、Q390钢、Q420钢
ffw 0.41fuw
❖ 强度设计值 强度标准值除以材料抗力分项系数
➢ 结构钢材强度设计值
❖ 抗拉、抗压、抗弯强度设计值 屈服强度标准值除以抗力分项系数 Q235钢1.087，Q345、Q390和Q420钢1.111
❖ 端面承压强度设计值 极限强度除以抗力分项系数 系数Q235、Q345钢1.15， Q390 、Q420钢1.175
建筑结构用钢多采用低碳钢
高强度螺栓采用中 碳钢
建筑结构钢不采用高碳钢
❖ 低合金高强度结构钢 • 锰系合金钢 • 硅锰系合金钢 • 硅钒系合金钢 • 硅钛系合金钢
➢ 钢材牌号
❖ 碳素结构钢 • 牌号：Q195、Q215、Q235、Q255, Q275 • 等级：A、B、C、D四级
❖ 低合金高强度结构钢 • 牌号：Q295——12Mn、09MnV Q345——16Mn、12MnV Q390——15MnV、15MnTi Q420，Q460 • 等级：A、B、C、D、E五级
钢 结 构
4.钢材的选用要考虑结构的重要性、荷载特性、应力特征、连接方法、 结构的工作环境温度、钢材厚度。
5.钢结构对钢材的要求是较高的强度、较好的变形能力、良好的加工性 能。
工程力学与建筑结构
6.钢结构的连接主要有 焊缝连接和螺栓连接两种，而铆钉连接目前较少采用。螺栓连接
工程力学与建筑结构
工程力学与建筑结构
Hale Waihona Puke 钢结构1.钢材的主要力学性能是:强度、塑性、冷弯性能、冲击韧性、可焊性。 钢材的强度指标是屈服强度 、极限抗拉强度 ，钢材的塑性指标是伸 长率 和冷弯性能，钢材的韧性指标是冲击韧性值 。
2.影响钢材性能的因素是：化学成分，冶炼、浇注、轧制过程及热处理 ，钢材的硬化，复杂应力，应力集中，残余应力，温度变化，重复荷 载作用（疲劳）。
有普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。 7.焊接方法是电弧焊。有手工电弧焊、自动（或半自动）埋弧电弧焊和
气体保护焊等。焊缝的截面形式有对接焊缝和角焊缝两种，焊接应满 足构造和强度计算要求。 8.螺栓的破坏形式有栓杆剪断、孔壁挤压坏、钢板拉断、端部钢板剪断 、栓杆受弯破坏五种。普通螺栓的计算关键是掌握单个受剪螺栓的强 度计算。 9.钢梁应满足强度、刚度和稳定性要求，钢梁的强度验算内容有抗弯、 抗剪、局部承压强度验算。 10.轴心受力构件的截面形式分为实腹式型钢截面和格构式组合截面两类 。轴心受力构件的设计内容要求有强度、刚度、整体稳定性和局部稳 定性验算。
工程力学与建筑结构
钢结构构件的力学性能和应用
钢结构构件的力学性能和应用钢结构构件在建筑、桥梁、机械和航空等领域中广泛应用。
钢材的高强度、刚度和耐久性，使得钢结构能够承受巨大的荷载和变形，并且可以使用较少的材料完成大跨度、高层次和复杂形状的结构设计。
本文将从力学性能和应用两个方面探讨钢结构构件的特点和优势。
一、力学性能1.高强度钢结构构件的高强度是其最显著的特点之一。
普通钢材的屈服强度在250MPa至400MPa之间，而高强度钢材的屈服强度可以达到600MPa至900MPa。
高强度钢材可以降低结构重量，增加安全储备系数，同时还可以减小构件的尺寸和厚度，节省材料和成本。
2.良好的可塑性钢结构构件具有良好的可塑性，可以在塑性断裂前发生较大的塑性变形。
这种可塑性可以使钢结构在极限状态下保持良好的变形性能，让结构在发生横向荷载和强烈震动时，具有更好的抗震性和抗风性。
3.低应变硬化率钢结构构件的低应变硬化率让钢材在拉伸、弯曲和剪切等载荷下，能够保持较高的变形性能。
这种特性也使得钢结构能够通过冷弯、热弯、切割和焊接等方法得到多种形状和尺寸的构件。
4.高斯托克斯比斯托克斯比是指材料的弹性模量与屈服强度的比值。
大斯托克斯比意味着相同荷载下构件变形小，具有更好的稳定性。
钢结构构件的弹性模量通常在200GPa至210GPa之间，屈服强度在350MPa至900MPa之间，因此钢结构的斯托克斯比很高，展现了更好的缩短变形量和较好的抗震性能。
二、应用1.建筑结构在建筑领域，钢结构被广泛应用于高层建筑、大跨度工业厂房和非平面形式的建筑。
钢结构的轻便和高强度，使得其可用其制成大幅度结构和体现很多复杂形状。
它可以为土建结构处理设备安装提供一个可靠的支撑系统。
如今，钢结构的建筑设计理念向轻量化和绿色化的方向不断发展，已经成为城市天际线的主体之一。
2.桥梁结构在桥梁领域，钢结构施工速度快，结构较轻便，可以减小桥梁对土地的压力量、减小造价。
其中，斜拉桥、悬索桥、拱形桥等钢结构桥梁得到了广泛的应用。
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施工和环境因素引起混凝土的非匀质性和不等向性：例如浇
注和振捣过程中，比重和颗粒较大的骨料沉入构件的底部，而 比重小的骨料和流动性大的水泥砂浆、气泡等上浮，靠近构件 模板侧面和表面的混凝土表层内，水泥砂浆和气孔含量比内部 的多；体积较大的结构，内部和表层的失水速率和含水量不等， 内外温度差形成的微裂缝状况也有差别；建造大型结构时，常 需留出水平的或其它形状的施工缝……。
亚微观结构：水泥砂浆结构。
微观结构： 水泥石结构。
粗骨料（分散相）
带核凝胶体
砂浆 （基相）
宏观结构
孔隙
细骨料（分 散相）
晶体
凝缩 凝胶体
水泥石
干缩
（基相） 亚微观结构
晶体骨架
混凝土组成结构
氢氧化钙 微观结构
晶体骨架：
由未水化颗粒组成，承受外力，具有弹 性变形特点。
塑性变形： 在外力作用下由凝胶、孔隙、微裂缝产生。
• 混凝土结构作为结构工程的一个分支，亦 服从上述规律。
参考教材
[1] 钢筋混凝土原理和分析 过镇海 时旭东主编 清 华大学出版社 2003 [2] 混凝土结构基本原理 蓝宗建主编 东南大学出 版社 2002 [3] 混凝土结构设计规范理解与应用 徐有邻 周氐编 著 中国建筑工业出版社 2002 [4] 钢筋混凝土结构理论 王传志、藤智明主编 中 国建筑工业出版社 1985 [5] 钢筋混凝土非线性分析 朱伯龙、董振祥 同济大 学出版社 1985 [6] 多种混凝土材料的本构关系和破坏准则 宋玉普 中国水利水电出版社 2002
江阴长江大桥
钢筋混凝土结构优点、缺点：
0.2本课程特点
结构工程科学研究的一般规律：
• 从工程实践中提出要求和问题，精心调查 和统计、实验研究、理论分析、计算对比、 找出解决问题的方法；
• 研究一般的变化规律，揭示作用机理，建 立物理模型和数学表达，确定计算方法和 构造措施，回到工程实践中验证，改进和 补充。
破坏起源： 孔隙、微裂缝等原因造成。
PH值：
由于水泥石中的氢氧化钙存在，混凝土 偏碱性。
由于水泥凝胶体的硬化过程需要若干年才能完成，所 以，混凝土的强度、变形也会在较长时间内发生变化，
强度逐渐增长，变形逐渐加大。
由于混凝土材料的非均匀微构造、局部缺陷和离散性较大 而极难获得精确的计算结果。因此，主要讨论混凝土结构的 宏观力学反应，即混凝土结构在一定尺度范围内的平均值。 宏观结构中混凝土的两个基本构成部分，即粗骨料和水泥砂 浆的随机分布，以及两者的物理和力学性能的差异是其非匀 质、不等向性质的根本原因。
拉力
压力
粗骨料和水泥砂桨的热工性能（如线膨胀系数)有差别。当混 凝土中水泥产生水化热或环境温度变化时，两者的温度变形差 受到相互约束而形成温度应力场。更因为混凝土是热惰性材料， 温度梯度大而加重了温度应力。
当混凝土承受外力作用时，即使作用应力完全均匀，混凝土
内也将产生不均匀的空间微观应力场，取决于粗骨料和水泥砂
第一篇 混凝土的力学性能
混凝土：由水泥、骨料和水拌合形成的人工合成材料。
作 用：作为钢筋混凝土结构的主体，一是自身承担 较的大的荷载；二是容纳和维护各种构造的钢筋， 组成合理的组合性结构材料。
特 点：非弹性、非线性、非匀质材料，较大离散性。
本篇介绍：一般特性和破坏机理、基本应力状态下的 强度和变形，主要因素影响下的性能变化，多轴应 力状态下的强度和本构关系。
浆的面（体）积比、形状、排列和弹性模量值，以及界面的接
触条件等。在应力的长期作用下，水泥砂浆和粗骨料的徐变差 使混凝土内部发生应力重分布，粗骨料将承受更大的压应力。
混凝土内部有不可 避免的初始气孔和缝 隙，其尖端附近因收 缩、温度变化或应力 作用都会形成局部应 力集中区，其应力分 布更复杂，应力值更 高。
第1章 基本力学性能
1.1混凝土的组成结构和材性特点 1.1.1材料的组成和内部构造
混凝土是由水泥、水、骨料按一定比例配合， 经过硬化后形成的人工石。其为一多相复合材 料，其质量的好坏与材料、施工配合比、施工 工艺、龄期、环境等诸多因素有关。通常将其 组成结构分为：
宏观结构：两组分体系，砂浆和粗骨料。
当混凝土承受不同方向（即平行、垂直或倾斜于混凝土的浇 注方向）的应力时，其强度和变形值有所不同。
N
N
≤
浇注方向 N
浇注方向N
例如对混凝土立方体试件，标准试验方法规定沿垂直浇注 方向加载以测定抗压强度，其值略低于沿平行浇注方向加载 的数值。再如，竖向浇注的混凝土柱，截面上混凝土性质对 称，而沿柱高两端的性质有别；卧位浇注的混凝土柱，情况 恰好相反。这两种柱在轴力作用下的强度和变形也将不等。
混凝土材料的非匀质性和不等向性的严重程度，主要取
决于原材料的均匀性和稳定性，以及制作过程的施工操作和 管理的精细程度，其直接结果是影响混凝土的质量（材性的 指标和离散度）。
1.1.2材性的基本特点
混凝土的材料组成和构造决定其4个基本受力 特点:
1．复杂的微观内应力、变形和裂缝状态
将一块混凝土按比例放大，可以看作是由 粗骨料和硬化水泥砂浆等两种主要材料构成的 不规则的三维实体结构，且具有非匀质、非线 性和不连续的性质。
混凝土在承受荷载（应力）之前，就已经 存在复杂的微观应力、应变和裂缝，受力后更 有剧烈的变化。
拉力
压力
在混凝土的凝固过程中，水泥的水化作用在表面形
成凝胶体，水泥浆逐渐变稠、硬化，并和粗细骨料粘 结成一整体。在此过程中，水泥浆失水收缩变形远大 于粗骨料的。此收缩变形差使粗骨料受压，砂桨受拉， 和其它应力分布。这些应力场在截面上的合力为零， 但局部应力可能很大，以至在骨料界面产生微裂缝。
钢筋混凝土原理和分析
Reinforced Concrete Theory and Analyse
0、绪论
0.1钢筋混凝土结构的发展和特点 广泛应用钢筋混凝土结构的工程领域：
• 建筑工程 • 桥梁和交通工程 • 水利和海港工程 • 地下工程 • 特种结构
上海莘庄大型立交工程
该工程由15条线路，6条主线、20个定向匝道构成；占地面积45.8公顷， 整个立交桥梁结构长度11.1公里、面积8.4万m2。