《金属结构设计》课件

金属结构设计金属结构设计是工程领域中的重要组成部分，它涉及到使用金属材料构建各种结构，如桥梁、建筑物、储罐等本课件旨在全面介绍金属结构设计的理论基础、设计原则、材料选择、连接方式、防腐防火、抗震设计以及最新的设计趋势通过本课件的学习，能够掌握金属结构设计的基本知识和技能，为实际工程应用打下坚实的基础课程内容与学习目标课程内容学习目标金属材料基础知识掌握金属材料的基本性能及应用••金属结构设计原则与流程理解金属结构的设计原则与流程••焊接、螺栓、铆钉等连接设计能够进行各种金属连接的设计计算••钢结构、铝合金结构、不锈钢结构设计熟悉不同类型金属结构的特点与设计方法••金属屋面、幕墙、桥梁、塔架、储罐结构设计了解金属结构的加工、施工、维护要点••金属结构加工工艺、施工技术、质量控制能够运用软件进行金属结构设计••金属材料基础知识金属的定义与分类金属的微观结构12金属是指具有光泽、延展性、金属的微观结构包括晶体结构导电性和导热性的材料根据、晶粒、晶界等晶体结构对化学成分，可分为黑色金属（金属的性能有重要影响，如面如钢铁）、有色金属（如铜、心立方、体心立方、密排六方铝）和稀有金属等等金属的宏观组织3金属的宏观组织是指在低倍放大镜或肉眼下观察到的金属的整体结构，如铸造组织、变形组织、再结晶组织等常用金属材料及其性能材料名称主要成分力学性能特点与应用碳素钢强度、塑性通用结构件Fe,C低合金钢高强度、韧性桥梁、高层建Fe,C,Mn,Si筑铝合金轻质、耐腐蚀航空、幕墙Al,Cu,Mg,Si不锈钢耐腐蚀、美观化工、食品工Fe,Cr,Ni业金属晶体结构面心立方体心立方密排六方面心立方（）结构具有良好的塑性和体心立方（）结构强度较高，但低温密排六方（）结构塑性较差，各向异FCC BCCHCP韧性，如铝、铜、金等时易脆断，如铁、铬、钨等性明显，如镁、钛、锌等金属的力学性能强度1金属抵抗塑性变形和断裂的能力，包括抗拉强度、屈服强度等塑性2金属产生永久变形而不破坏的能力，常用延伸率和断面收缩率表示韧性3金属吸收能量并抵抗断裂的能力，包括冲击韧性、断裂韧性等硬度4金属表面抵抗局部塑性变形的能力，常用布氏硬度、洛氏硬度等表示金属的物理性能密度熔点热膨胀系数导热性单位体积金属的质量，影响金属由固态转变为液态的温温度变化时金属尺寸变化的金属传递热量的能力，影响结构的自重度，影响焊接工艺的选择程度，影响结构的温度应力结构的防火设计金属的化学性能耐腐蚀性氧化性1金属抵抗环境介质腐蚀破坏的能力，影金属与氧气发生反应的程度，影响高温2响结构的耐久性环境的应用化学稳定性还原性4金属抵抗化学试剂侵蚀的能力，影响特3金属失去电子的能力，影响电化学腐蚀殊环境的应用的发生金属结构设计原则安全可靠1结构在规定的使用条件下，具有足够的承载能力和耐久性经济合理2在满足安全要求的前提下，尽量降低结构的造价和维护费用适用美观3结构的功能满足使用要求，外形美观，与周围环境协调技术先进4采用先进的材料、工艺和设计方法，提高结构的性能和效率设计流程概述初步设计1确定结构方案、材料选择、结构布置等详细设计2进行荷载分析、应力计算、构件设计等施工图设计3绘制详细的施工图纸，包括构件尺寸、连接方式等竣工验收4检查结构是否符合设计要求和规范结构选型与布置结构选型结构布置根据结构的用途、跨度、荷载等因素，选择合适的结构形式，如确定结构的构件数量、位置和连接方式，保证结构的稳定性和整梁、柱、框架、桁架等体性荷载分析与计算恒载1结构自身的重量，包括构件、围护结构、固定设备等活载2结构在使用过程中承受的各种可变荷载，如人员、家具、设备等特殊荷载3结构可能遇到的特殊荷载，如风荷载、雪荷载、地震荷载等荷载组合4将各种荷载按照一定的组合方式进行叠加，以确定结构承受的最不利荷载应力分析方法静力分析动力分析分析结构在静力荷载作用下的应分析结构在动力荷载作用下的应力分布，包括轴向应力、弯曲应力分布，如地震荷载、冲击荷载力、剪切应力等等有限元分析将结构离散成有限个单元，通过计算机求解单元的应力分布，适用于复杂结构的分析变形分析方法挠度计算转角计算位移计算计算结构在荷载作用下计算结构在荷载作用下计算结构在荷载作用下的挠度，判断是否满足的转角，用于评估结构的位移，用于评估结构规范要求的稳定性的整体变形强度设计应力校核1将结构的应力与材料的强度进行比较，判断是否满足强度要求强度储备2结构的实际强度与设计强度之比，反映了结构的安全性强度设计方法3采用极限状态设计法，保证结构在各种荷载组合下的安全性刚度设计挠度限制限制结构的挠度，保证结构正常使用，避免影响观感变形限制限制结构的整体变形，避免影响结构的稳定性和安全性刚度提高措施采用增加截面尺寸、设置支撑等措施，提高结构的刚度稳定性设计稳定类型稳定计算1结构的稳定类型包括整体稳定、局部稳计算结构的临界荷载，判断结构是否会2定、构件稳定等发生失稳稳定设计方法稳定措施4采用一阶弹性分析、二阶弹性分析、塑3采用增加支撑、调整构件尺寸等措施，性分析等方法进行稳定设计提高结构的稳定性疲劳设计疲劳破坏1结构在循环荷载作用下发生的破坏，具有突发性和隐蔽性疲劳分析2分析结构的应力循环特性，评估结构的疲劳寿命疲劳设计方法3采用曲线法、线弹性断裂力学法等进行疲劳设计S-N疲劳措施4采用改善焊接质量、增加表面处理等措施，提高结构的疲劳寿命焊接结构设计基础焊接原理1利用热源将金属熔化并连接在一起的过程焊接方法2包括手工焊、埋弧焊、气体保护焊等焊接材料3包括焊条、焊丝、焊剂等焊接质量4影响焊接结构的安全性和可靠性焊接接头类型对接接头搭接接头角接接头将两块金属板对接在一起进行焊接将两块金属板搭接在一起进行焊接将两块金属板垂直相交进行焊接焊接应力与变形焊接应力焊接变形减少焊接应力与变形的措施123由于焊接过程中温度不均匀引起的由于焊接过程中温度不均匀引起的包括选择合适的焊接工艺、控制焊残余应力，可能导致结构变形和开结构变形，影响结构的美观性和使接顺序、进行焊后热处理等裂用功能焊接接头强度计算对接焊缝强度计算角焊缝强度计算其他焊缝强度计算根据焊缝的有效面积和材料的强度，根据焊缝的有效面积和材料的强度，根据不同的焊缝类型和受力情况，选计算对接焊缝的承载能力计算角焊缝的承载能力择合适的计算公式螺栓连接设计螺栓类型螺栓布置螺栓连接强度计算包括普通螺栓、高强度螺栓的间距、边距等应根据螺栓的类型、数量螺栓等满足规范要求和受力情况，计算螺栓连接的承载能力铆钉连接设计铆钉类型1包括普通铆钉、沉头铆钉等铆钉布置2铆钉的间距、边距等应满足规范要求铆钉连接强度计算3根据铆钉的类型、数量和受力情况，计算铆钉连接的承载能力其他连接方式胶接利用胶粘剂将金属构件连接在一起，适用于薄壁构件的连接销轴连接利用销轴将金属构件连接在一起，适用于承受剪力的连接混合连接将多种连接方式组合在一起，以提高连接的承载能力和可靠性金属结构防腐设计腐蚀类型防腐措施1包括均匀腐蚀、局部腐蚀、电化学腐蚀包括涂层防腐、阴极保护、缓蚀剂等2等定期维护防腐设计原则4定期检查和维护防腐层，及时修复损坏3选择耐腐蚀材料、避免积水、改善通风部位等金属结构防火设计耐火等级1根据建筑物的用途和重要性，确定结构的耐火等级防火措施2包括防火涂料、防火包覆、喷淋系统等防火设计原则3选择耐火材料、设置防火分隔、保证疏散通道畅通等定期检查4定期检查防火措施的完好性，及时更换失效的防火材料金属结构抗震设计原则抗震设防1根据建筑物的抗震设防烈度，确定结构的抗震措施结构选型2选择抗震性能好的结构形式，如钢框架结构、钢筋混凝土结构等构件设计3提高构件的延性和抗剪强度，保证结构在地震作用下的安全性节点设计4加强节点的连接强度和延性，避免节点破坏导致结构整体失稳钢结构设计概述钢结构特点钢结构应用强度高、重量轻高层建筑••塑性好、韧性强大跨度结构••施工速度快桥梁••可回收利用工业厂房••钢结构材料选择钢材类型钢材牌号钢材性能123包括碳素结构钢、低合金高强度结根据结构的用途和荷载情况，选择钢材的强度、塑性、韧性、焊接性构钢等合适的钢材牌号，如、能等应满足规范要求Q235Q

345、等Q420钢结构构件设计受弯构件受压构件包括钢梁、钢板梁等，设计时应包括钢柱、钢支撑等，设计时应考虑强度、刚度和稳定性考虑强度和稳定性受拉构件包括钢拉杆、钢索等，设计时应考虑强度钢梁设计梁类型梁计算梁截面选择包括简支梁、连续梁、进行弯矩计算、剪力计选择合适的截面形式，悬臂梁等算、挠度计算等如工字钢、槽钢、箱型梁等钢柱设计柱类型1包括轴心受压柱、偏心受压柱等柱计算2进行轴力计算、弯矩计算、稳定性计算等柱截面选择3选择合适的截面形式，如工字钢、箱型柱、圆管柱等钢框架设计框架类型包括刚性框架、铰接框架、半刚性框架等框架计算进行内力分析、位移分析、稳定性分析等框架节点设计设计合理的节点连接方式，保证框架的整体性和稳定性钢桁架设计桁架类型桁架计算1包括平面桁架、空间桁架等进行杆件内力计算、节点位移计算等2桁架布置桁架节点设计4选择合适的桁架形式和弦杆、腹杆的布设计合理的节点连接方式，保证桁架的3置方式稳定性和承载能力钢支撑设计支撑类型1包括中心支撑、偏心支撑等支撑作用2提高结构的刚度和稳定性，减少结构的变形支撑布置3合理布置支撑，提高结构的抗震性能支撑设计4计算支撑的内力和稳定性，选择合适的截面形式钢结构节点设计节点类型1包括焊接节点、螺栓连接节点、铆钉连接节点等节点设计原则2保证节点的强度、刚度和延性，避免节点破坏导致结构整体失稳节点设计方法3采用规范规定的计算公式和构造措施，进行节点设计节点构造4设计合理的节点构造，便于施工和维护钢混凝土组合结构设计-组合结构特点组合结构应用充分发挥钢材和混凝土的优势高层建筑••提高结构的承载能力和刚度桥梁••降低结构的造价地下结构••铝合金结构设计概述铝合金特点铝合金应用12轻质、耐腐蚀、易加工、美观建筑幕墙、屋面、门窗、航空航天等铝合金结构设计规范3需要遵循专门的铝合金结构设计规范铝合金材料特性力学性能耐腐蚀性强度较低、弹性模量小具有良好的耐腐蚀性，但在特殊环境下仍需采取防腐措施焊接性能焊接性能较差，需要采用特殊的焊接工艺铝合金结构构件设计截面选择强度计算稳定性计算选择合适的截面形式，如型材计算构件的强度，保证构件的计算构件的稳定性，防止构件、板材等承载能力发生失稳铝合金连接设计连接方式连接计算包括螺栓连接、铆钉连接、焊接等计算连接的承载能力，选择合适的连接件123连接设计原则保证连接的强度和可靠性，避免连接破坏导致结构整体失稳不锈钢结构设计概述不锈钢特点耐腐蚀、美观、强度高不锈钢应用建筑外装饰、化工设备、食品工业等不锈钢结构设计规范需要遵循专门的不锈钢结构设计规范不锈钢材料特性耐腐蚀性力学性能1具有极好的耐腐蚀性，适用于各种恶劣强度高、塑性好2环境焊接性能加工性能43焊接性能良好，但需要选择合适的焊接易于加工成各种形状工艺不锈钢结构构件设计截面选择1选择合适的截面形式，如型材、板材等强度计算2计算构件的强度，保证构件的承载能力稳定性计算3计算构件的稳定性，防止构件发生失稳腐蚀防护4采取必要的腐蚀防护措施，提高结构的耐久性不锈钢连接设计连接方式1包括螺栓连接、铆钉连接、焊接等连接设计原则2保证连接的强度和可靠性，避免连接破坏导致结构整体失稳连接计算3计算连接的承载能力，选择合适的连接件材料选择4选择与不锈钢材料相匹配的连接件，防止电化学腐蚀金属屋面结构设计屋面材料屋面形式结构设计包括钢板、铝板、不锈钢板等包括直立锁边屋面、金属瓦屋面等考虑风荷载、雪荷载、自重等，保证屋面的安全性和稳定性金属幕墙结构设计幕墙材料1包括铝板、不锈钢板、钛锌板等幕墙类型2包括框架式幕墙、单元式幕墙、点支式幕墙等结构设计3考虑风荷载、地震荷载、自重等，保证幕墙的安全性和稳定性防水设计4采取有效的防水措施，防止雨水渗漏金属桥梁结构设计桥梁类型结构设计包括钢梁桥、钢桁架桥、钢拱桥考虑车辆荷载、风荷载、地震荷、钢斜拉桥、钢悬索桥等载、温度荷载等，保证桥梁的安全性和耐久性材料选择选择高强度、高韧性、耐腐蚀的钢材金属塔架结构设计塔架类型结构设计防雷设计包括通信塔、电力塔、电视塔等考虑风荷载、自重等，保证塔架的安全性采取有效的防雷措施，防止雷击破坏和稳定性金属储罐结构设计储罐类型1包括立式储罐、卧式储罐、球形储罐等结构设计2考虑内压、外压、自重等，保证储罐的安全性和稳定性防腐设计3采取有效的防腐措施，防止腐蚀破坏金属结构加工工艺切割包括火焰切割、等离子切割、激光切割等焊接包括手工焊、埋弧焊、气体保护焊等成型包括冷弯成型、热弯成型等表面处理包括喷砂、抛丸、涂装等金属结构施工技术吊装测量放线1安全可靠地吊装构件，避免构件变形和精确测量放线，保证结构的几何尺寸2损坏连接验收43高质量地连接构件，保证结构的整体性严格验收，保证结构的施工质量和稳定性金属结构质量控制材料质量控制1对材料的质量进行检验，保证材料符合设计要求和规范加工质量控制2对加工过程进行监控，保证构件的加工质量施工质量控制3对施工过程进行监控，保证结构的施工质量检测验收4对结构进行检测和验收，保证结构符合设计要求和规范金属结构检测与维护定期检测1定期对结构进行检测，及时发现和处理问题无损检测2采用无损检测技术，对结构的内部缺陷进行检测维护加固3对结构进行维护和加固，延长结构的使用寿命安全评估4对结构进行安全评估，判断结构是否安全可靠金属结构设计软件应用常用软件软件功能建模•ANSYS•荷载分析•SAP2000•应力分析•MIDAS•稳定性分析•ETABS•金属结构设计新趋势轻型化1采用高强度材料和优化结构形式，降低结构的重量智能化2采用传感器和控制系统，实现结构的智能监控和维护绿色化3采用可回收利用的材料和节能环保的设计方法，减少对环境的影响装配化4采用工厂化生产和现场装配的模式，提高施工效率和质量金属结构设计案例分析

（一）案例背景设计方案介绍案例的工程概况、设计要求详细介绍案例的设计方案，包括等结构选型、构件设计、节点设计等分析结果分析案例的计算结果，评估结构的安全性和可靠性金属结构设计案例分析

（二）案例背景设计方案分析结果介绍案例的工程概况、详细介绍案例的设计方分析案例的计算结果，设计要求等案，包括结构选型、构评估结构的安全性和可件设计、节点设计等靠性课程总结与展望本课程系统地介绍了金属结构设计的理论基础、设计原则、材料选择、连接方式、防腐防火、抗震设计以及最新的设计趋势希望通过本课程的学习，能够掌握金属结构设计的基本知识和技能，为实际工程应用打下坚实的基础随着科技的不断发展，金属结构设计将朝着轻型化、智能化、绿色化和装配化的方向发展，希望能够不断学习和探索，为金属结构设计的发展做出贡献。