钢结构01.2基本力学性能
结构材料的力学性能资料
三、钢筋与混凝土相互作用
（一）. 粘结力
胶合力
钢
筋
摩擦力
机械咬合力
主要作用
带肋钢筋的机械咬合力 > 光圆钢筋的机械咬合力 注意：钢筋表面的轻微锈蚀也增加它与混凝土的粘结力
（2）粘结应力分析 (以拉拔试验为例)
由试验可知： （1）最大粘结应力在离开端 部的某一位置出现，且随拔 出力的大小而变化，粘结应 力沿钢筋长度是曲线分布； d P （2）钢筋的埋入长度越长， 拔出力越大，但埋入长度过 大时，则其尾部的粘结应力 很小，基本不起作用； （3）粘结强度随混凝土强度 等级的提高而增大； （4）带肋钢筋的粘结强度高 于光圆钢筋，而在光圆钢筋 末端做弯钩大大提高拔出力
P
土的应变随时间继续增
长的现象被称为徐变。
二、混 凝 土
2. 混凝土的变形
长期荷载作用下混凝土的变形性能----影响徐变的因素
•应力： c<0.5fc，徐变变形与应力成正比----线性徐变 0.5fc<c<0.8fc，非线性徐变 c>0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定 •加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大 •水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大 •骨料越硬，徐变越小
解：1、直径为28mm>25mm,锚固长度需乘以修正系数取1.1；
2、 钢筋在锚固区的混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3倍且配 有箍筋，锚固长度需乘以修正系数取0.8；
3、实配钢筋较多，需乘以1/1.05
故：
la lab 1.1 0.8
fy ft
d
1 360 0.14 32 663m m 1.05 2.04
纵向受力钢筋为HRB400级，直径为28mm，求纵 向受拉钢筋的锚固长度。
钢结构设计原理知识点
钢结构设计原理知识点钢结构是现代建筑领域广泛应用的一种结构形式，具有强度高、刚度好、可塑性强等优点。
在钢结构设计中，掌握一些基本的设计原理是非常重要的。
本文将介绍钢结构设计中的一些知识点，帮助读者更好地理解和应用钢结构设计原理。
一、材料力学知识在钢结构设计中，材料力学是基础。
首先，我们需要了解钢材的强度和刚度特性，包括屈服强度、抗拉强度、弹性模量等。
这些参数将直接影响到钢材的使用性能和结构的承载能力。
二、结构力学知识在钢结构设计中，结构力学是必须掌握的知识。
了解结构受力原理、受力形式以及受力计算方法对于设计出安全可靠的钢结构非常重要。
1. 静力学静力学是钢结构设计中最基本的力学原理。
它研究物体处于静止或匀速直线运动时的受力平衡条件。
在钢结构设计中，我们需要应用静力学原理来确定杆件的受力状态，包括梁的弯矩、剪力和轴力等。
2. 动力学动力学是钢结构设计中考虑结构在振动或冲击力作用下的响应。
钢结构在地震、车辆行驶和风荷载等外部力的作用下会发生振动，因此需要考虑结构的自振频率、振型和阻尼等参数。
三、结构稳定性知识钢结构在受到外力作用下，需要保持稳定。
在钢结构设计中，我们需要考虑结构的屈曲和稳定性，以确保结构在使用寿命内不会发生失稳。
了解结构的稳定性条件和计算方法对于设计具有稳定性的钢结构至关重要。
四、连接方式与设计钢结构中的连接方式对结构的安全性和可靠性有着重要影响。
了解各种连接方式的特点和设计原理，选择适当的连接方式，能够确保结构连接的强度和刚度满足设计要求。
五、局部稳定与极限设计在钢结构设计中，局部稳定和极限设计是非常关键的。
了解杆件的局部稳定问题和极限状态下的设计要求，能够合理选择截面尺寸和设计参数，保证结构的安全可靠。
六、施工与监控最后，钢结构设计在施工和监控阶段也需要考虑。
通过合理的施工工艺和监控手段，可以确保钢结构的正确安装和使用。
因此，熟悉施工和监控方面的知识也是设计者需要具备的能力。
总结：钢结构设计原理的知识点非常广泛，本文仅涵盖了一些基本的知识点。
钢结构设计基本原理
二 极限状态设计法(limit-state design method)
极限状态设计法问世于20世纪50年代。它将变异性的设计 参数采用概率分析引入结构设计中。根据应用概率分析的程度 分为三种水准。即半概率极限状态设计法、近似概率极限状态 设计法和全概率极限状态设计法。目前，钢结构设计方法采用 的是近似概率极限状态设计法，有时也称为概率极限状态设计 法。
1ห้องสมุดไป่ตู้2钢结构的应用范围
站在现代建筑结构技术的发展前沿，可以说世 界上没有不能实现的结构，只有不合理的结构。根 据钢结构本身的特点，结合我国国民经济的发展， 钢结构在土木工程领域合理的应用范围大致如下：
1.工业厂房(industrial factory building)
工业厂房可分为轻型、中型和重型工业厂房，主要根 据是否设臵吊车以及吊车吨位的大小和运行频繁程度而定 。例如，炼钢车间、锻压车间等。近年来，轻型门式刚架 结构在工业厂房中的应用十分普遍。
7.其他构筑物
如高炉、运输通廊、栈桥、管道支架等。
1.3钢结构的设计方法
钢结构设计应遵循的一般原则是‚技术先 进、经济合理、安全适用、确保质量‛。钢结 构的设计方法可分为容许应力法和极限状态设 计法两种。分述如下：
一 容许应力法(allowable stress method)
“容许应力法‛也称为‚安全系数法‛或‚定值法‛。 即将影响结构设计的诸因素取为定值，采用一个凭经验选 定的安全系数来考虑设计诸因素变异的影响，以衡量结构 的安全度。其表达式为： (1-1)
n 0 G SGk Q1 SQ1k Qi ci SQik i 2
n 0 G S Gk Qi ci S Qik i 1
建筑钢材的力学性能.ppt
二 钢材的力学性能
二 钢材的力学性能
(四).耐疲劳性
1.定义：钢材在交变荷载反复多次作用下，可在最 大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏，这种 破坏称为疲劳破坏。若σmax越大，则次数N越小。
二 钢材的力学性能
2.疲劳破坏的原因：钢材的疲劳破坏是拉应力引起 的，首先在局部开始形成微细裂纹，其后由于裂 纹尖端处产生应力集中而使裂纹逐渐扩展直至疲 劳断裂。钢材内部的晶体结构、成分偏析以及最 大应力处的表面光洁程度等因素均会明显影响疲 劳强度。
建筑钢材
二、 钢材的主要技术性能
钢 材 的 使用性能 主 要 技 术 性 能 工艺性能
力学性能
物理性能 化学性能 冷弯性 可焊性 热处理
拉伸性能 冲击韧性 硬度 变形性
弹性变形 塑性变形
二 钢材的力学性能
(一). 拉伸性能
1.主要测试指标： • 屈服强度 • 抗拉强度 • 伸长率（断面收缩率）等 2.钢材（低碳钢）的抗拉过程主要包括： • 弹性阶段 • 屈服阶段 • 强化阶段 • 颈缩阶段
b
s p
B上 B
A B下
C D
α
O
ε = ΔL L0
低碳钢受拉的应力－应变图
二 钢材的力学性能
图形的特点：
颈缩阶段CD
试件的特点：
一段下降的曲线。 变形迅速发展，在有杂质或 缺陷处，断面急剧缩小—— 颈缩 ，直到断裂。
伸长率δ： 计算的指标：
δ = L1 L0 ×100 % L0
σ=F A
b s p
二 钢材的力学性能
(三).冲击韧性
1.定义：是指钢材抵抗冲击荷载的能力。 2.冲击韧性指标：是通过标准试件的弯曲冲击韧性
试验确定的。以摆锤打击试件，于刻槽处将其打 断，试件单位截面积上所消耗的功，即为钢材的 冲击韧性指标，用冲击韧性ak（Ｊ/cm2）表示。 ak值愈大，冲击韧性愈好。
钢结构的基本原理
钢结构的基本原理钢结构是一种广泛应用于建筑和工程领域的结构形式，它的设计和施工基于一系列的基本原理。
本文将介绍钢结构的基本原理，并探讨其在建筑和工程中的应用。
一、材料特性与力学行为钢材是钢结构的主要构造材料，其特性对结构的性能至关重要。
钢材具有高强度、良好的延性和可塑性等特点，能够承受较大的荷载并保持稳定。
其力学行为可通过应力-应变关系来描述。
钢材在受力时会发生弹性变形和塑性变形，弹性变形在荷载去除后恢复原状，而塑性变形则是指钢材在超过弹性阈值后无法完全恢复的变形。
通过了解钢材的力学性质，可以确定合适的断面尺寸和材料强度，确保结构的稳定性和安全性。
二、静力学平衡原理静力学平衡原理是钢结构设计中的基本原理之一。
据此原理，结构在静力平衡状态下，受力部分的合力为零，力矩亦为零。
根据这一原理，可以确定结构各个部分的受力情况，并进行设计计算。
在设计钢结构时，需要考虑荷载的作用以及结构各个部分的反力传递和平衡关系，以确保整个结构的稳定性和承载能力。
三、构件设计原理构件设计是钢结构设计的重要环节。
钢结构中的构件包括梁、柱、桁架等，其设计原理主要包括强度设计和稳定性设计。
强度设计是根据结构所受荷载的大小和方向，确定构件断面尺寸和钢材强度，以确保构件在正常使用和极限荷载情况下的强度满足要求。
稳定性设计是考虑构件在受外力作用下的稳定性问题，通过选择适当的截面形状和施加支撑以增加构件的稳定性。
四、连接设计原理连接是钢结构中各个构件之间的连接点，其设计原理主要包括刚度设计和强度设计。
刚度设计是保证连接点的刚度和变形能力，以确保结构在受力时不会出现过大的变形和位移。
强度设计是保证连接点的强度和承载能力，以防止连接点在荷载作用下发生破坏。
连接的设计包括连接件的选择和连接方式的确定，选用合适的连接件和合理的连接方式可以提高钢结构的整体性能。
五、施工与监测原理钢结构的施工和监测原理是确保结构质量和安全的关键。
在施工过程中，需要遵循正确的工艺和操作规范，保证每个构件的安装精度和加固措施的有效性。
钢材的主要力学性能
（ 黄 呈 伟 主 编 ） 但在150℃以下时变化不大。当温度在250℃时，钢材的抗 拉强度有较大的提高，但塑性、韧性变差，此时的破坏为 脆性破坏，称为“蓝脆”。当温度超过300℃时，其强度 和弹性模量开始显著下降，而塑性开始显著增大，钢材产 生徐变。达到600℃时，强度几乎为零。
第2章 钢结构的材料
钢 2.1.6 钢构件的两种破坏形式 结 构 1)塑性破坏——构件破坏前有明显的变形或破坏前兆。塑 性破坏容易被发现而采取补救措施,可避免造成严重后果. 基 本 2)脆性破坏——破坏前构件变形很小,平均应力一般都小于 屈服点fy,破坏始于应力集中处,如缺口、裂纹、凹角和多 原 理 向受拉区域. 破坏前没有任何预兆,无法及时被发现和采
第2章 钢结构的材料
钢 结 构 基 本 原 理
（ 黄 呈 伟 主 编 ）
（3）轧制 轧制（rolling）钢材是把钢锭加热到1200℃1300℃高温时进行，这时钢具有较好的热塑性，利用轧 钢机压力的作用，可使钢锭中的小气泡、裂纹和质地较 疏松部分压合密实，消除组织缺陷和细化钢的晶粒。因 此，轧制钢比铸钢质量好。压缩比越大，钢材的力学性 能越好。此外，由于轧辊的压延作用，钢材顺轧辊轧制 方向的性能比横向的性能好。
R=1
2
U 形缺口 R=0.25 55 1 1 10
10 2
45°
1-1
图2.6 冲击韧性试验
第2章 钢结构的材料
钢 结 构 基 本 原 理
（ 黄 呈 伟 主 编 ） 2.1.4 可焊性 焊接后焊缝金属及其附近的热影响区金属不产生裂纹，并 且焊缝的力学性能不低于母材的力学性能。 2.1.5 耐久性 耐腐蚀性：钢材耐腐蚀性较差，必须采取防护措施，新建 结构需要油漆，已建成的结构需定期维护。 耐老化性：随着时间的增长，钢材的力学性能有所改变， 出现“时效”现象，即“老化”。“时效” 使钢材变脆。 耐长期高温性：在长期高温条件下工作的钢材，其破坏强 度比常温拉伸试验的强度低得多，应另行测定“强度”。 耐疲劳性：钢结构或构件在长期连续的交变荷载或重复荷 载作用下，应力虽低于fy也会发生破坏，称为“疲劳破坏”。
钢材的主要力学指标
钢材的主要力学指标
钢材是现代工程的重要材料之一，其主要力学指标对工程的设计
与实施至关重要。
在这篇文章中，我们将重新整理钢材的主要力学指标，以便更好地了解其特性和使用。
一、弹性模量
弹性模量是描述钢材弹性变形特性的指标。
它是指单位面积的应
力和应变之比。
弹性模量越大，钢材的刚性也越大，不易弯曲和变形。
其数值一般在200-220 GPa之间。
二、屈服强度
屈服强度是指钢材在受到一定应力后开始产生塑性变形的起始应
力值。
它是钢材的重要力学指标之一。
屈服强度越大，材料的抗变形
能力越强。
一般情况下，冷轧钢的屈服强度高于热轧钢。
三、抗拉强度
抗拉强度是指钢材在承受拉应力时所能承受的最大应力值。
它是
钢材材料的最大承载能力之一。
抗拉强度越大，钢材的强度越高。
四、延伸率
延伸率是指钢材在拉伸过程中，断口前的伸长量与原始长度之比。
它是描述材料塑性变形程度的指标。
延伸率越高，钢材的刚度越小，
塑性变形能力越强。
五、断裂韧性
断裂韧性是指材料抵抗脆性破坏的能力。
它是通过测量断裂前及
断裂后的能量差值得出。
断裂韧性越高，钢材的抗破坏能力越强。
综上所述，钢材的主要力学指标包括弹性模量、屈服强度、抗拉
强度、延伸率和断裂韧性。
这些指标共同反映了钢材的强度、塑性、
刚度和抗破坏能力等特性。
在工程实践中，针对不同的应用场景和要求，选择合适的钢材材料和合理的设计方案，可以更好地发挥钢材的
优良特性。
钢筋的基本力学性能
4
一点应力σs 的应变为
ε s = σ s / Es 0≤σs≤σe
εs
=
σs Es
+
e
P
σ σ
s P
−σ e −σe
•单向单调荷载下，钢筋受拉应力－应变关系等同于其受压应力－应变关 系；
• 对于(c)类全曲线型，曲线的形状与钢筋的强度、化学成分以及试验条 件有关，最全面的反映了钢筋的所有力学性能；
3
• 在结构设计中，一般钢筋混凝土结构破坏时钢筋的应变不大于 1%（在 《混凝土结构设计规范》中规定：当受弯构件混凝土达到其极限压应变
5
一、有明显屈服点的钢筋 钢筋在拉力重复加卸载作用下的应力－应变曲线如图所示，在钢筋的屈服
点之前加卸载无残余应变，且加载与卸载路径相重合。 钢筋进入屈服段后，卸载曲线基本上与弹性段的直线相平行，卸载至零应
力时，存在残余应变，残余应变的大小与卸载时的应变有关，随之增长而增 长。再加载时，再加载曲线也基本上与弹性阶段的直线平行（试验中，在卸 载和再加载中，存在微小的滞回部分，表示在这一过程中存在着不可恢复的 能量耗散）。
拉压反复循环加载的钢筋应力－应变曲线
骨架部分应力－应力曲线的连接
二、反复循环荷载作用下钢筋应力－应变关系的数学描述 反复循环加载下钢筋力学性能的数学描述应包括骨架曲线和滞回曲线，其
中滞回曲线包括卸载曲线和体现 Bauschinger 效应的软化段构成。 尽管与实际的试验曲线有差异，仍假定：但无论是正向或反向都近似认为
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过镇海、张秀琴等建议和《规范》所采用的分段式曲线方程 为： x 1 ⑴ y a0 a1 x a2 x 2 a3 x 3
x 1
x y b0 b1 x b2 x 2
⑵
符合曲线在峰点连续的条件。
其中上升段⑴式应满足数学条件描述中 1、2、3、7，下降段 ⑵式应满足数学条件描述中的3～7。
x p
绘制峰点坐标为 （1，1）的标准曲线 如图，曲线形状有一 定差别，但具有一致 的几何特性，可用数 学条件描述。
y
fc
这些几何特征与混凝土的受压 其几何特征的数学描 变形和破坏过程（见前）完全 述如下： 对应．具有明确的物理意义。 1. x 0, y 0; d2y 2. 0 x 1, 2 0,即曲线斜率(dy / dx)单调减小，无拐点； dx
d / d
fc / p
x 0
E0 a Ep
式中：
dy a1 dx
d E0 d
x 0
d ( / f c ) d ( / p )
x 0
x 0
d / d
fc / p
x 0
E0 a Ep
混凝土的初始切线弹性模量（N/mm2）。
Ep
3. x 1 时, y 1, dy / dx 0,即单峰值；
d2y 4. 当 2 0时，xD 1,即下降段有一拐点(D); dx d3y 5. 当 3 0时，xE 1,即下降段上的最大曲率点(E); dx
dy 6. 当x , y 0时, 0, dx 下降段曲线可无限延长，收 敛与横坐标轴，但不相交；
x 1 x 1
y a0 a1 x a2 x 2 a3 x 3 x y b0 b1 x b2 x 2
⑴ ⑵
下降段曲线方程中包含三个参数，将数学条件描述 中 3 的两个边界条件代入，可解得：
b1 1 2b0 ,
即 αd = b 0
b2 b0
式中b0为独立参数，在混凝土规范中称为下降段参数， 将其代入⑵式，并简化可得： x x 1 y d ( x 1) 2 x
将条件1和3中的三个边界条件代入⑴式，可解得：
a0 0 , a2 3 2a1 , a3 a1 2
式中还有一个独立参数a1。从式⑴可知，当 x=0时，有dy / dx= a1 从各符号的定义可得：
dy a1 dx
x 0
d ( / f c ) d ( / p )
x 0
2
3
⑶
上升段曲线方程，满足数学条件描述 7 。由条件 2 的不等式， 可得αa值的范围：
1.5 a 3.0
上升段理论曲线随参数αa的变化：
αa＞3，曲线局部y＞1，
显然违背试验结果；
1.1＜αa＜1.5， 曲线的初始段（x＜0.3） 内有拐点，单曲度不明显， 在y≤0.5～0.6范围内接近 一直线； αa＜1.1， 上升段曲线上拐点明显， 与混凝土材性不符。
1.3.1试验方法
在棱柱体抗压试验时，若应用普通液压式材料试验机加载， 可毫无困难地获得应力应变曲线的上升段．但试件在达到最大 承载力后急速破裂，量测不到有效的下降段曲线。 Whitney很早就指出混凝土试件突然破坏的原因是试验机的 刚度不足。试验机本身在加载过程中发生变形，储存了很大的 弹性应变能。当试件承载力突然下降时，试验机因受力减小而 恢复变形，即刻释放能量，将试件急速压坏。 要获得稳定的应力-应变全曲线，主要是曲线的下降段，必须 控制混凝土试件缓慢地变形和破坏。有两类试验方法： ①应用电液伺服阀控制的刚性试验机直接进行试件等应变速 度加载；
可解得最大曲率点的位置 xE（＞ xD ）
下降段曲线上两个特征点D、E的位置随参数 αd 值而变 化，按式 1 3 2 d [ x 3x (2 )] 2 d d y 0 2 2 3 dx [ d ( x 1) x ]
2 4 2 2 2 2 x 6 d x (8 d 4 d ) x (3 d 4 d 1)] d 3 y 6 d [ d 0 3 2 3 dx [ d ( x 1) x ]
②在普通液压试验机上附加刚性元件，使试验装置的总体刚 度超过试件下降段的最大线刚度，就可防止混凝土的急速破坏。
按上述方法实测的混凝土棱柱体受压应力-应变全曲线如图。
1.3.2全曲线方程
混凝土受压应力-应变全曲线、及图像化的本构关系，是研究 和分析混凝土结构和构件受理性能的主要菜形依据，为此需要 建立相应的数学模型。 将混凝土受压应力-应变全曲线用无量纲坐标表示：
7. 全部曲线x 0, 1 y 0.
为了准确地 拟合混凝土的 受压应力-应变 试验曲线，各 国研究人员提 出了多种数学 函数形式的曲 线方程，如： 多项式、 指数式、 三角函数
有理分式
分段式 等等。
对于曲线的上升段和下降段，有的用统一 方程，有的则给出分段公式。其中比较简单、 实用的曲线形式如图。
⑷
x 1
x y d ( x 1) 2 x
⑷
上式满足数学条件描述中的6、7。
当 d 0时，y 1, 峰点后为水平线（全塑性）；
d 时，y 0, 峰点后为垂直线（脆性）。 故 d的取值范围为： 0 d
此外，由数学条件 4 满足：
d y 2 dx
c
fc
混凝土棱柱体抗压强度和峰值应变的比 值，即峰值割线模量（N/mm2）。
αa=a1，规范称之为曲线上升段参数。 物理意义：混凝土的初始切线模量与峰值割线模量之比E0/Ep； 几何意义：曲线的初始斜率和峰点割线斜率之比。 上升段曲线方程为：
x 1
y a x (3 2 a ) x ( a 2) x
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 d [ x 3x (2
3 2
1
[ d ( x 1) x ]
d
3
)] 0
可解得拐点位置xD（＞1.0） 同理，由数学条件5满足：
2 4 2 2 2 2 x 6 d x (8 d 4 d ) x (3 d 4 d 1)] d 3 y 6 d [ d 0 3 2 3 dx [ d ( x 1) x ]