各类建筑结构的优缺点及应用范围说明书.doc

各类建筑结构的优缺点及应用范围说明书1.混凝土结构混凝土结构是钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构和素混凝土结构的总称。素混凝土结构是指由无筋或不配置受力钢筋的混凝土制成的结构，在建筑工程中一般只用作基础垫层或室外地坪。钢筋混凝土结构是指由配置受力的普通钢筋、钢筋网或钢筋骨架的混凝土制成的结构。在混凝土内配置受力钢筋，能明显提高结构或构件的承载能力和变形性能。图0.1.1所示素混凝土、钢筋混凝土简支梁，截面尺寸、跨度及荷载相同，混凝土强度等级均为C20。试验结果表明，当F=8kN时素混凝土梁即发生断裂破坏，并且破坏是突然发生的，无明显预兆。而钢筋混凝土梁破坏前的变形和裂缝都发展得很充分，呈现出明显的破坏预兆，且破坏荷载提高到36kN。由于混凝土的抗拉强度和抗拉极限应变很小，钢筋混凝土结构在正常使用荷载下一般是带裂缝工作的。这是钢筋混凝土结构最主要的缺点。为了克服这一缺点，可在结构承受荷载之前，在使用荷载作用下可能开裂的部位，预先人为地施加压应力，以抵消或减少外荷载产生的拉应力，从而达到使构件在正常的使用荷载下不开裂，或者延迟开裂、减小裂缝宽度的目的，这种结构称为预应力混凝土结构。钢筋混凝土结构是混凝土结构中应用最多的一种，也是应用最广泛的建筑结构形式之一。它不但被广泛应用于多层与高层住宅、宾馆、写字楼以及单层与多层工业厂房等工业与民用建筑中，而且水塔、烟囱、核反应堆等特种结构也多采用钢筋混凝土结构。钢筋混凝土结构之所以应用如此广泛，主要是因为它具有如下优点：（1）就地取材。钢筋混凝土的主要材料是砂、石，水泥和钢筋所占比例较小。砂和石一般都可由建筑工地附近提供，水泥和钢材的产地在我国分布也较广。（2）耐久性好。钢筋混凝土结构中，钢筋被混凝土紧紧包裹而不致锈蚀，即使在侵蚀性介质条件下，也可采用特殊工艺制成耐腐蚀的混凝土，从而保证了结构的耐久性。（3）整体性好。钢筋混凝土结构特别是现浇结构有很好的整体性，这对于地震区的建筑物有重要意义，另外对抵抗暴风及爆炸和冲击荷载也有较强的能力。（4）可模性好。新拌合的混凝土是可塑的，可根据工程需要制成各种形状的构件，这给合理选择结构形式及构件断面提供了方便。（5）耐火性好。混凝土是不良传热体，钢筋又有足够的保护层，火灾发生时钢筋不致很快达到软化温度而造成结构瞬间破坏。钢筋混凝土也有一些缺点，主要是自重大，抗裂性能差，现浇结构模板用量大、工期长等等。但随着科学技术的不断发展，这些缺点可以逐渐克服。例如采用轻质、高强的混凝土，可克服自重大的缺点；采用预应力混凝土，可克服容易开裂的缺点；掺入纤维做成纤维混凝土可克服混凝土的脆性；采用预制构件，可减小模板用量，缩短工期。应当注意的是，钢筋和混凝土是两种物理力学性质不同的材料，在钢筋混凝土结构中之所以能够共同工作，是因为： （1）钢筋表面与混凝土之间存在粘结作用。这种粘结作用由三部分组成：一是混凝土结硬时体积收缩，将钢筋紧紧握住而产生的摩擦力；二是由于钢筋表面凹凸不平而产生的机械咬合力；三是混凝土与钢筋接触表面间的胶结力。其中机械咬合力约占50%； （2）钢筋和混凝土的温度线膨胀系数几乎相同(钢筋为1.210-5，混凝土为1.010-51.510-5 )，在温度变化时，二者的变形基本相等，不致破坏钢筋混凝土结构的整体性； （3）钢筋被混凝土包裹着，从而使钢筋不会因大气的侵蚀而生锈变质。 上述三个原因中，钢筋表面与混凝土之间存在粘结作用是最主要的原因。因此，钢筋混凝土构件配筋的基本要求，就是要保证二者共同受力，共同变形。 2.砌体结构由块体（砖、石材、砌块）和砂浆砌筑而成的墙、柱作为建筑物主要受力构件的结构称为砌体结构，它是砖砌体结构、石砌体结构和砌块砌体结构的统称。砌体结构主要有以下优点：（1）取材方便，造价低廉。砌体结构所需用的原材料如粘土、砂子、天然石材等几乎到处都有，因而比钢筋混凝土结构更为经济，并能节约水泥、钢材和木材。砌块砌体还可节约土地，使建筑向绿色建筑、环保建筑方向发展。（2）具有良好的耐火性及耐久性。一般情况下，砌体能耐受400的高温。砌体耐腐蚀性能良好，完全能满足预期的耐久年限要求。（3）具有良好的保温、隔热、隔音性能，节能效果好。（4）施工简单，技术容易掌握和普及，也不需要特殊的设备。砌体结构的主要缺点是自重大，强度低，整体性差，砌筑劳动强度大。砌体结构在多层建筑中应用非常广泛，特别是在多层民用建筑中，砌体结构占绝大多数。目前高层砌体结构也开始应用，最大建筑高度已达10余层。3.钢结构钢结构系指以钢材为主制作的结构。钢结构具有以下主要优点：（1）材料强度高，自重轻，塑性和韧性好，材质均匀；（2）便于工厂生产和机械化施工，便于拆卸，施工工期短；（3）具有优越的抗震性能；（4）无污染、可再生、节能、安全，符合建筑可持续发展的原则，可以说钢结构的发展是21世纪建筑文明的体现。钢结构易腐蚀，需经常油漆维护，故维护费用较高。钢结构的耐火性差。当温度达到250时，钢结构的材质将会发生较大变化；当温度达到500时，结构会瞬间崩溃，完全丧失承载能力。钢结构的应用正日益增多，尤其是在高层建筑及大跨度结构（如屋架、网架、悬索等结构）中。4.木结构木结构是指全部或大部分用木材制作的结构。这种结构易于就地取材，制作简单，但易燃、易腐蚀、变形大，并且木材使用受到国家严格限制，因此已很少采用。5.混合结构由两种及两种以上材料作为主要承重结构的房屋称为混合结构混合结构包含的内容较多。多层混合结构一般以砌体结构为竖向承重构件（如墙、柱等），而水平承重构件（如梁、板等）多采用钢筋混凝土结构，有时采用钢木结构。其中以砖砌体为竖向承重构件，钢筋混凝土结构为水平承重构件的结构体系称为砖混结构。高层混合结构一般是钢-混凝土混合结构，即由钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土筒体所组成的共同承受竖向和水平作用的结构。钢-混凝土混合结构体系是近年来在我国迅速发展的一种结构体系。它不仅具有钢结构建筑自重轻、截面尺寸小、施工进度快、抗震性能好的特点，还兼有钢筋混凝土结构刚度大、防火性能好、成本低的优点，因而被认为是一种符合我国国情的较好的高层建筑结构形式。我国大陆已经建成的最高的混合结构高层建筑为88层、高420m的金茂大厦，正在建造的上海环球金融中心（图0.1.2）101层、高492m。1.1荷载分类及荷载代表值教学要求1.理解三种荷载及四种荷载代表值的概念； 2.掌握永久荷载、可变荷载代表值的确定方法 绪论中已述及，结构上的作用可分为直接作用和间接作用。其中直接作用即习惯上所说的荷载，它是指施加在结构上的集中力或分布力系。 1.1.1荷载分类 按随时间的变异，结构上的荷载可分为以下三类： 1.永久荷载 永久荷载亦称恒荷载，是指在结构使用期间，其值不随时间变化，或者其变化与平均值相比可忽略不计的荷载，如结构自重、土压力、预应力等。 2.可变荷载 可变荷载也称为活荷载，是指在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载，如楼面活荷载、屋面活荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载等。 3.偶然荷载 在结构使用期间不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间很短的荷载称为偶然荷载，如爆炸力、撞击力等。 1.1.2荷载代表值 荷载是随机变量，任何一种荷载的大小都有一定的变异性。因此，结构设计时，对于不同的荷载和不同的设计情况，应赋予荷载不同的量值，该量值即荷载代表值。建筑结构荷载规范GB50009-2001（以下简称荷载规范）规定， 对永久荷载应采用标准值作为代表值；对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值；对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。本书仅介绍永久荷载和可变荷载的代表值。 1.荷载标准值 作用于结构上荷载的大小具有变异性。例如，对于结构自重等永久荷载，虽可事先根据结构的设计尺寸和材料单位重量计算出来，但施工时的尺寸偏差，材料单位重量的变异性等原因，致使结构的实际自重并不完全与计算结果相吻合。至于可变荷载的大小，其不定因素则更多。荷载标准值就是结构在设计基准期内具有一定概率的最大荷载值,它是荷载的基本代表值。这里所说的设计基准期，是为确定可变荷载代表值而选定的时间参数，一般取为50年。 （1）永久荷载标准值 永久荷载主要是结构自重及粉刷、装修、固定设备的重量。由于结构或非承重构件的自重的变异性不大，一般以其平均值作为荷载标准值，即可按结构构件的设计尺寸和材料或结构构件单位体积（或面积）的自重标准值确定。对于自重变异性较大的材料，在设计中应根据其对结构有利或不利的情况，分别取其自重的下限值或上限值。常用材料和构件的单位自重见荷载规范。现将几种常用材料单位体积的自重（单位kN/m3）摘录如下：混凝土2224，钢筋混凝土2425，水泥砂浆20，石灰砂浆、混合砂浆17，普通砖18，普通砖（机器制）19，浆砌普通砖砌体18，浆砌机砖砌体19。例如，取钢筋混凝土单位体积自重标准值为25 kN/m3，则截面尺寸为200500mm的钢筋混凝土矩形截面梁的自重标准值为0.20.525=2.5kN/m。 （2）可变荷载标准值 民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数应按表1.1.1采用。 表1.1.1 民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数 项 次 类 别 标准值 (kN/m2)组合值系数c 频偶值系 数f 准永久值系数q 1（1）住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园 （2）教室、实验室、阅览室、会议室、医院门诊室 2.00.70.50.60.40.52食堂、办公楼中的一般资料档案室 2.50.70.60.53（1）礼堂、剧场、影院、有固定座位的看台 （2）公共洗衣房 3.03.00.70.70.50.60.30.54（1）商店、展览厅、车站、港口、机场大厅及其旅客等候室 （2）无固定座位的看台 3.53.50.70.70.60.50.50.35（1）健身房、演出舞台 （2）舞厅 4.04.00.70.70.60.60.50.36（1）书库、档案室、储藏室 （2）密集柜书库 5.012.00.90.90.87通风机房、电梯机房 7.00.90.90.88汽车通道及停车库: （1）单向板楼盖（板跨不小于2m） 客 车 消防车 （2）双向板楼盖和无梁楼盖（柱网尺寸不小于6m6m） 客 车 消防车 4.035.02.520.00.70.70.70.70.70.70.70.70.60.60.60.69厨房:（1）一般的 （2）餐厅 2.04.00.70.70.60.70.50.710浴室、厕所、盥洗室： （1）第1项中的民用建筑 （2）其他民用建筑 2.02.50.70.70.50.60.40.511走廊、门厅、楼梯： （1）宿舍、旅馆、医院病房、托儿所、幼儿园、住宅 （2）办公楼、教室、餐厅、医院门诊部 （3）消防疏散楼梯、其他民用建筑 2.02.53.50.70.70.70.50.60.50.40.50.312阳台： （1）一般情况 （2）当人群有可能密集时 2.53.50.70.60.5注：本表所列各项活荷载适用于一般使用条件，当使用荷载大时，应按实际情况采用。 本表各项荷载不包括隔墙自重和二次装修荷载。 考虑到构件的负荷面积越大，楼面每1m2面积上活荷载在同一时刻都达到其标准值的可能性越小，因此，荷载规范规定，设计楼面梁、墙、柱及基础时，表1.1.1中的楼面活荷载标准值在下列情况下应乘以规定的折减系数：1) 设计楼面梁时的折减系数 第1（1）项当楼面梁从属面积超过25m2时，应取0.9； 第1（2）7项当楼面梁从属面积超过50m2时应取0.9； 第8项对单向板楼盖的次梁和槽形板的纵肋应取0.8；对单向板楼盖的主梁应取0.6；对双向板楼盖的 梁应取0.8。 第912项应采用与所属房屋类别相同的折减系数。 2) 设计墙、柱和基础时的折减系数 第1（1）项应按表1.1.2规定采用； 第1（2）7项采用与其楼面梁相同的折减系数； 第8项对单向板楼盖取0.5；对双向板楼盖取0.8； 第912项采用与所属房屋类别相同的折减系数。表1.1.2 活荷载按楼层的折减系数 墙、柱、基础计算截面以上的层数 123456892020计算截面以上各楼层活荷载总和的折减系数 1.00(0.9)0.850.700.650.600.55注：当楼面梁的从属面积超过25m2时，采用括号内的系数。 上面提及的楼面的从属面积，是指向梁两侧各延伸1/2梁间距的范围内实际面积。 房屋建筑的屋面，其水平投影面上的屋面均布活荷载，应按表1.1.3采用。 其余可变荷载，如工业建筑楼面活荷载、风荷载、雪荷载、厂房屋面积灰荷载等详见荷载规范。 表1.1.3 屋面均布活荷载 项次 类别 标准值（kN/m2） 组合值系数c 频偶值系数f 准永久值系数q 1不上人的屋面 0.50.70.502上人的屋面 2.00.70.50.43屋顶花园 3.00.70.60.5注： 不上人的屋面，当施工荷载较大时，应按实际情况采用； 上人的屋面，当兼作其他用途时，应按相应楼面活荷载采用； 对于因屋面排水不畅、堵塞等引起等积水荷载，应采取构造措施加以防止；必要时，应按积水的可能深度确定屋面活荷载； 屋顶花园活荷载不包括花圃土石等材料自重。 2.可变荷载准永久值 可变荷载在设计基准期内会随时间而发生变化，并且不同可变荷载在结构上的变化情况不一样。如住宅楼面活荷载，人群荷载的流动性较大，而家具荷载的流动性则相对较小。在设计基准期内经常达到或超过的那部份荷载值（总的持续时间不低于25年），称为可变荷载准永久值。它对结构的影响类似于永久荷载。 可变荷载准永久值可表示为qk ，其中k为可变荷载标准值，q为可变荷载准永久值系数。q的值见表1.1.1、表1.1.3。 例如住宅的楼面活荷载标准值为2kN/m2，准永久值系数q=0.4，则活荷载准永久值为20.4=0.8 kN/m2。 3.可变荷载组合值 两种或两种以上可变荷载同时作用于结构上时，所有可变荷载同时达到其单独出现时可能达到的最大值的概率极小，因此，除主导荷载（产生最大效应的荷载）仍可以其标准值为代表值外，其他伴随荷载均应以小于标准值的荷载值为代表值，此即可变荷载组合值。 可变荷载组合值可表示为ck 。其中c 为可变荷载组合值系数，其值按表1.1.1、表1.1.3查取。 4.可变荷载频遇值 对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值称为可变荷载频遇值。换言之，可变荷载频遇值是指在设计基准期内被超越的总时间仅为设计基准期一小部份的荷载值。 可变荷载频遇值可表示为fk。其中f为可变荷载频遇值系数，其值按表1.1.1、表1.1.3查取。 2.1 建筑钢材 教学要求1.了解建筑钢材的品种和规格； 2.理解钢筋和钢结构用钢材的选用规定，理解建筑钢材的力学性能及其影响因素；3.掌握建筑钢材设计指标的查用方法。 2.1.1建筑钢材的品种和规格 1.混凝土结构用钢筋 用于混凝土结构的钢筋，应具有较高的强度和良好的塑性，便于加工和焊接，并应与混凝土之间具有足够的粘接力。特别是用于预应力混凝土结构的预应力钢筋应具有很高的强度，只有如此，才能建立起较高的张拉应力，从而获得较好的预压效果。 混凝土结构所采用的钢筋有劲性钢筋和柔性钢筋两类。通常所称的钢筋，即指柔性钢筋。 按加工方法不同，我国用于混凝土结构的钢筋主要有热轧钢筋、冷拉钢筋、热处理钢筋、冷轧钢筋（冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋）、冷拔低碳钢丝、消除应力钢丝、钢绞线等几类；按在结构中是否施加预应力，可分为普通钢筋和预应力钢筋。 （1）普通钢筋 普通钢筋指用于钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋。混凝土结构设计规范GB50010-2002（以下简称混凝土规范）规定，普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级和RRB400级钢筋。这些钢筋均属热轧钢金。 热轧钢筋由低碳钢或低合金钢热轧而成。按屈服强度标准值的大小，用于钢筋混凝土结构的热轧钢筋分为HPB235、HRB335、HRB400和RRB400四个级别。其中HPB235钢筋公称直径范围为820mm，推荐直径为8、10、12、16、20mm；HRB335钢筋公称直径范围为650mm，推荐直径为6、8、10、12、16、20、25、32、40和50mm；HRB400钢筋公称直径范围和推荐直径同HRB335钢筋；RRB400钢筋公称直径范围为840mm，推荐直径为8、10、12、16、20、25、32和40mm。 HRB400级钢筋强度高，延性好，锚固性能好，是混凝土结构的主导钢筋，实际工程中主要用作结构构件中的受力主筋；HRB335级钢筋虽然强度低于HRB400级钢筋，但延性、锚固性能均好，是混凝土结构的辅助钢筋，实际工程中也主要用作结构构件中的受力主筋；HPB235级钢筋强度太低，且锚固性能差，一般不推荐使用，实际工程中只用作板、基础和荷载不大的梁、柱的受力主筋、箍筋以及其他构造钢筋；RRB400级钢筋强度虽高，但疲劳性能、冷弯性能以及可焊性均较差，其应用受到一定限制。 钢筋的外形分为光圆钢筋和变形钢筋（人字纹、螺旋纹、月牙纹）两种（图2.1.1a）。HPB235钢筋为光圆钢筋，HRB335钢筋、HRB400钢筋和RRB400钢筋的外形均为月牙纹。 （2）预应力钢筋混凝土规范规定，预应力钢筋应优先采用钢绞线和钢丝，也可采用热处理钢筋。钢绞线是由多根高强钢丝绞织在一起而形成的，有3股和7股两种， 多用于后张法大型构件。预应力钢丝主要是消除应力钢丝，其外形有光面、螺旋肋、三面刻痕三种。此外，部分地区尚在使用冷拔低碳钢丝。热处理钢筋包括40Si2Mn、48Si2Mn及45Si2Cr几种牌号，它们都以盘条形式供应，无需焊接、冷拉，施工方便，因此应用广泛。预应力钢筋的外形如图2.1.1b。图2.1.1 钢筋的外形 (a)普通钢筋；（b）预应力钢筋 各种直径钢筋的公称面积、计算截面面积及理论重量见附录1。 2.钢结构用钢材 （1）钢种和钢号 建筑工程中所用的建筑钢材基本上都是碳素结构钢和低合金高强度结构钢。 碳素结构钢 碳素结构钢的牌号由字母Q、屈服点数值、质量等级代号、脱氧方法代号（F、b、Z、TZ）四个部分组成。其中Q是“屈”字汉语拼音的首位字母；屈服点数值（以N/mm2为单位）分为195、215、235、255、275；质量等级代号有A、B、C、D，表示质量由低到高；脱氧方法代号有F、b、Z、TZ，分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢，其中代号Z、TZ可以省略不写。如Q235A代表屈服强度为235N/mm2，A级，镇静钢。钢材强度主要由其中碳元素含量的多少来决定，钢号的由低到高在很大程度上代表了含碳量的由低到高。钢材质量高低主要是以对冲击韧性的要求区分的，对冷弯试验的要求也有不同。对A级钢，冲击韧性不作为要求条件，对冷弯试验也只在需方有要求是才进行，而B、C、D级对冲击韧性则有不同程度的要求，且都要求冷弯试验合格。在浇铸过程中由于脱氧程度的不同，钢材有镇静钢、半镇静钢与沸腾钢之分，镇静钢脱氧最充分。钢结构一般采用Q235钢，分为A、B、C、D四级，A、B两级有沸腾钢、半镇静钢和镇静钢，C级全部为镇静钢，D级全部为特殊镇静钢。 低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量合金元素（合金元素的总量低于5%），以提高钢材的强度、耐腐蚀性及低温冲击韧性等。低合金高强度结构钢均为镇静钢或特殊镇静钢，所以它的牌号只有Q、屈服点数值、质量等级三部分，其中质量等级有A到E五个级别。A级无冲击功要求，B、C、D、E级均有冲击功要求。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。国家标准低合金高强度结构钢（GB/T1591-94）规定，低合金高强度结构钢分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等五种，其符号的含义与碳素结构钢牌号的含义相同，例如Q345-E代表屈服点为345 N/mm2的E级低合金高强度结构钢。 低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢，C、D、E级属于特殊镇静钢。 钢结构设计规范GB50017-2003（以下简称钢结构规范）规定，承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢。 承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。 对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于0但高于-20时，Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-20冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于-20时，对Q235钢和Q345钢应具有-20冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-40冲击韧性的合格保证。 对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于-20时，对Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-20冲击韧性的合格保证。 吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。 （2）品种及规格 钢结构采用的型材有热轧成型的钢板、型钢以及冷弯（或冷压）成型的薄壁型材。 热轧钢板 热轧钢板分厚板、薄板和扁钢。厚板的厚度为4.560 mm，宽0.73m，长412m。薄板厚度为0.354 mm，宽0.51.5m，长0.54m。扁钢厚度为460mm，宽度为30200mm，长39m。厚钢板广泛用来组成焊接构件和连接钢板，薄钢板是冷弯薄壁型钢的原料。钢板用符号“-”后加“厚宽长（单位为mm）”的方法表示，如-128002100。 热轧型钢 热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢、H型钢、剖分T型钢、钢管（图2.1.2）。 图2.1.2 热轧型钢截面角钢有等边和不等边两种。等边角钢也称等肢角钢，以符号“L”后加“边宽厚度”（单位为mm）表示，如厚度”表示，如L100L10010表示肢宽100mm、厚10mm的等边角钢。不等边角钢（也叫不等肢角钢）则以符号“L”后加“长边宽短边宽808等。我国目前生产的等边角钢，其肢宽为20200mm，不等边角钢的肢宽为2516 mm200125mm。 槽钢有热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。普通槽钢以符号“”后加截面高度（单位为cm）表示，并以a、b、c区分同一截面高度中的不同腹板厚度，如30a指槽钢截面高度为30cm 且腹板厚度为最薄的一种。轻型槽钢以符号“Q”后加截面高度（单位为cm）表示，如Q25，其中Q是汉语拼音“轻”的拼音字首。同样型号的槽钢，轻型槽钢由于腹板薄及翼缘宽而薄，因而截面小但回转半径大，能节约钢材、减少自重。 工字钢分普通工字钢和轻型工字钢。普通槽钢以符号“I”后加截面高度（单位为cm）表示，如I16。20号以上的工字钢，同一截面高度有3种腹板厚度，以a、b、c区分（其中a类腹板最薄），如I30b。轻型工字钢以符号“QI”后加截面高度（单位为cm）表示，如Q I 25。我国生产的普通工字钢规格有1063号，轻型工字钢规格有1070号。工程中不宜使用轻型工字钢。 H型钢是一种经工字钢发展而来的经济断面型材，其翼缘内外表面平行，内表面无斜度，翼缘端部为直角，便于与其他构件连结。热轧H型钢分为宽翼缘H型钢、中翼缘H型钢和窄翼缘H型钢三类，此外还有H型钢柱，其代号分别为HW、HM、HN、HP。H型钢的规格以代号后加“高度宽度腹板厚度翼缘厚度”(单位为mm)表示，如HW340250914。我国正在积极推广采用H型钢。H型钢的腹板与翼缘厚度相同，常用作柱子构件。 剖分T型钢系由对应的H型钢沿腹板中部对等剖分而成。其代号与H型钢相对应，采用TW、TM、TN分别表示宽翼缘T型钢、中翼缘T型钢和窄翼缘T型钢，其规格和表示方法亦与H型钢相同，如TN22520012表示截面高度为225mm、翼缘宽度为200mm、腹板厚度为12mm的窄翼缘剖分T型钢。用剖分T型钢代替由双角钢组成的T型截面，其截面力学性能更为优越，且制作方便。 钢管分为无缝钢管和焊接钢管。以符号“”后加“外径厚度” （单位为mm）表示，如4006。 常用型钢规格见附录2。 冷弯薄壁型材 冷弯薄壁型钢是由26mm的薄钢板经冷弯或模压而成型的，其截面各部分厚度相同，转角处均呈圆弧形（图2.1.3ai）。因其壁薄，截面几何形状开展，因而与面积相同的热轧型钢相比，其截面惯性矩大，是一种高效经济的截面；缺点是因为壁薄，对锈蚀影响较为敏感，故多于跨度小，荷载轻的轻型钢结构中。 压型钢板（图2.1.3j）是近年来开始使用的薄壁型材，所用钢板厚度为0.42mm。其优缺点同冷弯薄壁型钢，主要用于围护结构、屋面、楼板等。图2.1.3 冷弯薄壁型材的截面形式 （a）（i） 冷弯薄壁型钢；（j）压型钢板2.1.2建筑钢材的力学性能 1.影响钢材力学性能的主要因素 影响钢材力学性能的因素有很多，本节讨论化学成分、冶金缺陷、钢材硬化、应力集中、残余应力、温度变化及疲劳等因素对钢材性能的影响。 （1）化学成分 钢的主要成分是铁（Fe），其次是碳（C）。碳素结构钢中纯铁含量占99% 以上。除铁和碳外，还有冶炼过程中留下来的杂质，如硅（Si）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）、氮（N）、氧（O）等元素，低合金高强度结构钢中还含合金元素，如锰、硅、钒（V）、铜（Cu）、铌（Nb）、钛（Ti）、铝（Al）、铬（Cr）、钼（Mo）等等。合金元素通过冶炼工艺以一定的结晶形式存在于钢中，可以改善钢材的性能。同一种元素以合金的形式和杂质的形式存在与钢中，其影响是不同的。 碳是形成钢材强度的主要成分。碳含量提高，则钢材强度提高，但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降，尤其是低温下的冲击韧性也会降低。钢材按碳的含量分，小于0.25% 的为低碳钢，大于0.25% 而小于0.6% 的为中碳钢，大于0.6% 的为高碳钢。 锰和硅是钢中的有益元素，它们都是脱氧剂。它们可提高强度，又不会过多降低塑性和冲击韧性。低合金钢中锰的含量在1.0%1.7%。硅的含量在碳素镇静钢中为0.12%0.3%，低合金钢中为0.2%0.55%。 钒、铌、钛是钢中的合金元素，既可以提高钢材强度，又可保持良好的塑性、韧性。 铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，能进一步减少钢中的有害氧化物。铬和镍是提高钢材强度的合金元素。 硫和磷是冶炼过程中留在钢中的杂质，是有害元素。它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。特别是硫，能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接使温度达8001000时，使钢材出现裂纹、变脆，称为“热脆”现象。这对钢材热加工不利。而在低温时，磷使钢材的冲击韧性降低很多，称为“冷脆”现象。这对低温下工作的结构不利。因此，对硫和磷的含量必须严加控制，一般硫的含量不得超过0.045%0.05% ，而磷的含量不得超过0.045%。但磷可提高钢材的强度和抗锈蚀性，如高磷钢（磷含量可达0.12%）。 氧和氮是钢中的有害杂质。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。故它们的含量也必须严加控制。碳素结构钢的氧含量不应大于0.08%。但氮有时可以作为合金元素存在于钢之中，桥梁上使用的Q420q钢即是一例，其B级钢氮含量为0.01%0.02%。 （2）冶金缺陷的影响 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、分层。偏析是指钢中化学成分不一致和分布不均匀；非金属夹杂是指钢中含有硫化物与氧化物等杂质；气孔是浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用形成的一氧化碳气体不能充分逸出而形成的。钢材中的夹层是由于钢锭内留有气泡，有时气泡内还有非金属夹渣，当轧制温度及压力不够时，不能使气泡压合，气泡被压扁延伸，形成了夹层。此外因冶炼过程中残留的气泡、非金属夹渣，或因钢锭冷却收缩，或因轧制工艺不当，还可能导致钢材内部形成细小的裂纹。偏析、夹层、裂纹等等缺陷都会使钢材性能变差。 （3）钢材硬化 在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化或应变硬化。 在高温时熔化于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性下降。这种现象称为时效硬化，俗称老化。时效硬化的过程一般很长，但如在材料塑性变形后加热，可使时效硬化发展特别迅速，这种方法称为人工时效。 此外，还有应变时效，即应变硬化（冷作硬化）后又加时效硬化。 在一般钢结构中，不利用硬化所提高的强度，有些重要结构要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。另外，应将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。 （4） 温度影响钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能发生变化。相比之下，钢材的低温性能更重要。 钢材的力学性能与温度间的关系，在正温范围，总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低，变形增大。约在200以内钢材性能没有很大变化，430540之间则强度（屈服强度和抗拉强度 ）急剧下降；到600时强度很低不能承担荷载。此外，250附近有蓝脆现象，约260320时有徐变现象。蓝脆现象是指温度在250左右的区间内，局部性提高，也有回升现象，同时塑性有所降低，材料有转脆倾向。在蓝脆区进行热加工，可能引起裂纹。徐变指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现象。 在负温范围，与都增高，但塑性变形能力减小，因而材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。 （5） 应力集中 钢材的工作性能和力学性能指标都是以轴心受拉杆件中应力沿截面均匀分布的情况作为基础的。实际上在钢结构的构件中有时存在着孔洞、槽口、凹角、截面突然改变以及钢材内部缺陷等。此时，构件中的应力分布将不再保持均匀，而是在某些区域内产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成所谓应力集中现象（图2.1.4）。高峰区的最大应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数。应力集中系数愈大，变脆的倾向愈严重。但由于建筑钢材塑性较好，在一定程度上能促使应力进行重分配，使应力分布严重不均的现象趋于平缓。故受静荷载作用的构件在常温下工作时，计算中可不考虑应力集中的影响。但在负温下或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破坏的根源，故设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。 （6）反复荷载作用 钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。在直接的连续反复的动力荷载作用下，钢材的强度低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度?u ,这种现象称为钢的疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。 实践证明，构件的应力水平不高或反复次数不多的钢材一般不会发生疲劳破坏，计算中不必考虑疲劳的影响。但是，长期承受频繁的反复荷载的结构及其连接，例如承受重级工作制吊车的吊车梁等，在设计中就必须考虑结构的疲劳问题。 需要指出，研究和分析影响建筑钢材基本性能的各种因素，其最终目的是为了解建筑钢材在什么条件下可能发生脆性破坏，从而可以采取措施予以防治。钢材的脆性破坏往往是多种因素影响的结果，例如当温度降低，加载速度增大，使用应力较高，特别是这些因素同时存在时，材料或构件就有可能发生脆性断裂。为了防止脆性破坏的发生，设计、制造及使用中均应加以注意。 2.钢材的力学性能 建筑钢材的力学性能是衡量钢材质量的重要指标，它包括强度、塑性、冷弯性能、冲击韧性。1. 强度 有明显屈服点的钢材 低碳钢和低合金钢（含碳量和低碳钢相同）一次拉伸时的应力-应变曲线如图2.1.5。 屈服点y是建筑钢材的一个重要力学特性。实际上，由于加载速度及试件状况等试验条件的不同，屈服开始时总是形成曲线的上下波动，波动最高点b称为上屈服点，最低点c称为下屈服点（用y表示）。应力达到y后在一个较大的应变范围内（约从=0.15%到=2.5%）应力不会继续增长，表示结构已丧失继续承担更大荷载的能力。曲线最高点应力为抗拉强度fu。到达fu后试件出现局部横向收缩变形，即“颈缩”，随后断裂。 由于到达fy后构件产生较大变形，故把它取为计算构件的强度标准；到达fu时构件开始断裂破坏，故以 fu作为材料的强度储备。 无明显屈服点的钢材 高强钢材（如热处理钢材）没有明显的屈服点和屈服台阶，应力-应变曲线形成一条连续曲线。对于没有明显屈服点的钢材，以残余变形为=0.2%时的应力作为名义屈服点，用表示，其值约等于极限强度的85%（图2.1.6）。 钢材在一次压缩或剪切所表现出来的应力-应变变化规律基本上与一次拉伸试验时相似，压缩时的各强度指标也取用拉伸时的数据，只是剪切时的强度指标数值比拉伸时的小。 （2）塑性性能 断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比称为伸长率，它是衡量钢材塑性的重要指标。它取5d或10d（d为圆形试件直径）为标定长度，其相应的伸长率用5或10表示（图2.1.7）。伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。结构制造时，这种能力使材料经受剪切、冲压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。 屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。 （3）冷弯性能冷弯性能由冷弯试验来确定（图2.1.8）。试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头加压，使试件弯成180，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。因此，冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。 （4）冲击韧性 韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。韧性是钢材强度和塑性的综合指标。 碳素结构钢GB700-88规定，材料冲击韧性的测量采用国际上通用的夏比（Charpy）试验法（图2.1.9）。夏比缺口韧性用AKV 或CV 表示，其值为试件折断所需的功，单位为J（焦耳）。 冲击韧性随温度的降低而下降。其规律是开始下降缓慢，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性临界温度。钢材的脆性临界温度越低，低温冲击韧性越好。 对于直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，应有冲击韧性保证。 表2.1.1 普通钢筋强度标准值、强度设计值（N/mm2） 种 类 符号 d(mm)强度标准值 强度设计值 fykfykfyfy热扎钢筋 HPB235（Q235） 820235235210210HRB335(20MnSi)650335335300300HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)650400400360360RRB400(k20MnSi)R 840400400360360注：热轧钢筋直径d系指公称直径； 当采用直径大于40mm的钢筋时，应有可靠的工程经验； 钢筋混凝土结构中，轴心受拉和小偏心受拉钢筋抗拉强度设计值大于300N/mm2，仍应按300N/mm2取； 直径为6mm的光面钢筋可选用牌号为Q235的热轧圆盘条。 3.建筑钢材的设计指标 （1）钢筋的强度标准值和强度设计值钢材的强度具有变异性。按同一标准生产的钢材，不同时生产的各批钢材之间的强度不会完全相同；即使同一炉钢轧制的钢材，其强度也会有差异。因此，在结构设计中采用其强度标准值作为基本代表值。所谓强度标准值，是指正常情况下可能出现的最小材料强度值。强度标准值除以材料分项系数即为材料强度设计值。钢筋的材料分项系数为，热轧钢筋1.10，预应力钢筋1.20。混凝土规范规定，钢筋的强度标准值应具有不小于95%的保证率。热轧钢筋的强度标准值系根据屈服强度确定；预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度标准值系根据极限抗拉强度确定。普通钢筋的强度标准值、强度设计值按表2.1.1采用；预应力钢筋的强度标准值、强度设计值分别按表2.1.2、表2.1.3采用。 （2）钢筋的弹性模量钢筋的弹性模量列于表2.1.4。表2.1.2 预应力钢筋强度标准值（N/mm2） 种类 符号 （mm） 钢绞线 13s 8.6、10.81860、1720、157012.91720、1570179.5、11.1、12.7186015.21860、1720消除应力钢丝 光面 螺旋肋 PH 4、51770、1670、157061670、15707、8、91570刻痕 I 5、71570热处理钢筋 40Si2MnHT 6147048Si2Mn8.245Si2Cr10注：钢绞线直径系指外接圆直径，即现行国家标准预应力混凝土用钢绞线GB/T5224中的公称直径Dg； 光面钢丝直径为49mm，螺旋肋钢丝直径为48mm。 表2.1.3 预应力钢筋强度设计值（N/mm2） 种类 符号 钢绞线 13s 186013203901720122015701110171860132039017201220消除应力钢丝 光面 螺旋肋 PH 177012504101670118015701110刻痕 I处理钢筋 40Si2MnHT 1470104040048Si2Mn45Si2Cr表2.1.4 钢筋弹性模量（105N/mm2） 序号 钢筋种类 1HPB235级钢筋 2.12HRB335级钢筋、 HRB400级钢筋、RRB400级钢筋、热处理钢筋 2.03消除应力钢丝（光面钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝） 2.054钢绞线 1.95（3）钢材的强度设计值钢材的强度设计值等于钢材的屈服点除以钢材的抗力分项系数。钢材的抗力分项系数取为，Q235钢为1.087，Q345、Q390、Q420钢为1.111。钢材强度设计值根据钢材厚度或直径按表2.1.5采用。 表2.1.5 钢材的强度设计值（N/mm2） 钢 材 抗拉、抗压和抗弯 抗 剪 端面承压（刨平顶紧） 牌 号 厚度或直径 (mm)Q235钢 161640406060100 215205200190 125120115110 325Q345钢 161635355050100 310295265250180170155145 400Q390钢 161635355050100 350335315295205190180170 415Q420钢 161635355050100 380360340325220210195185440注：表中厚度系指计算点的厚度，对轴心受力构件系指截面中较厚板件的厚度。 3.1 构造要求 教学要求 1.理解钢筋混凝土受弯构件钢筋的种类、作用及配筋构造要