【钢结构技术培训教材】钢结构基础理论知识

钢结构技术培训教材之一钢结构基础理论知识章启新编著目录第一章概论1第一节钢结构的特点和应用1第二节钢结构的应用范围1第三节现代建筑钢材的发展2第二章钢结构的材料4第一节钢结构对所用材料的要求4第二节钢材的主要机械性能5第三节影响钢材性能的主要因素7第四节钢材的疲劳11第五节钢材的温度力学性能13第六节钢材的钢种、钢号及选择15第七节小结18第三章钢结构的连接20第一节钢结构的连接方法20第二节焊接方法、焊缝类型和质量级别20第三节焊接残余应力和焊接残余变形25第四节焊接连接的构造计算27第五节普通螺栓连接的构造和计算32第六节高强螺栓连接的性能和计算36第四章门式刚架44第一节结构体系44第二节门式刚架的分类44第三节实腹式门式刚架45第四节实腹式门式刚架的设计48第五节柱脚的构造与计算49第六节H型钢的截面特性52第七节梁与柱、梁与梁连接构造及计算57第八节支撑体系58第九节节点的连接与计算59第五章冷弯薄壁型钢61第一节截面特性及用途61第二节新规范修订的内容62第三节檩条和墙梁的设计与构造66第六章钢结构的除锈及防腐处理69第七章门式刚架结构体系的常见通病及防范措施71附录附图一八十三（略）第一章概论第一节钢结构的特点和应用钢结构的特点钢结构构件较小，质量较轻，便于运输和安装，便于装拆、扩建。适用于跨度大、高度高，承载重的结构。1钢材的材质均匀，质量稳定，可靠度高；2钢材的强度高，塑性和韧性好，抗冲击和抗振动能力强；3钢结构工业化程度高，工厂制造，工地安装，加工精度高，制造周期短，生产效率高，建造速度快；4钢结构抗震性能好；5耐腐蚀和耐火性差。第二节钢结构的应用范围一、大跨度结构体育场、馆、会展中心、会堂、剧场、飞机库、机车库等。二、高层建筑纽约的西尔斯大厦共110层，总高443M；深圳的地王商业大厦总高368M；上海金茂大厦共88层，总高4205M。三、工业建筑设有大吨位吊车，炼钢车间，船体车间，水压机车间。四、轻钢结构后面重点讲解。五、高耸结构塔桅结构高压输电塔，微波站，雷达站，火箭发射塔，海洋石油平台。随着现代建筑技术发展，塔桅结构由单一功能向多功能方向发展，如加拿大多伦多的电视塔为全钢结构，我国黑龙江省336M高的全钢结构多功能电视塔。六、活动式结构水工钢闸门，升船机，三峡的升船机1201835M，最大提升高度113M，重11800T。七、可拆卸或移动的结构钢栈桥、移动式平台，发挥钢结构重量轻，便于运输和安装的优点。加拿大已建成120多万吨，可容纳5000多人的海上采油平台。八、高压容器和大直径管道三峡水利枢纽工程中的发电机组压力钢管内径达124M，钢管壁厚60MM。九、抗震要求高的结构十、特种结构钢烟囱、钢水塔，纪念性建筑（北京的中华世纪坛）城市大型雕塑（南海大佛）。第三节现代建筑钢材的发展一、高强度钢材随着人们对结构性能要求的提高，研制和应用高强度钢材、优质钢和各种低合金钢，如Q345（16锰钢）、Q390（15锰钒钢）、Q420（15锰钒氮钢），有些西方国家已把钢材的屈服强度为700800MPA或更高强度的低合金钢列入设计规范。二、耐候钢美国在优质碳素钢或低合金钢中加入铜铬镍等合金元素试制耐大气腐蚀的用钢，其抗腐蚀性能可提高24倍。我国在80年代开始研制成功可焊接耐候钢。三、耐火钢美国在优质碳素钢中加入铜等其他合金元素，研制成耐火钢，耐火可达600。我国宝钢武钢都已生产耐火钢，主要应用在列车上。四、不锈钢1不锈钢的分类不锈钢的定义是各式各样的，因此不锈钢钢种的范围也是不固定的，根据比较标准的定义，不锈钢是指在钢中加铬元素，且形成钝化状态，具有不锈钢特性的钢材。另一种定义是根据塔曼耐酸法而作出的，认为不锈钢是含铬量在12（严格讲，是1174）以上的钢材。对不锈钢的分类，因上述定义的关系，也不是十分清楚的，通常，根据不锈钢的成份，将大致地分为铬系和铬镍系两类。提高耐蚀性降低含碳量低碳铬13（铁素体系）增加含铬量低碳铬18提高淬火硬度增加含碳量高碳铬13同时提高耐蚀性（马氏体系）增加含碳量高碳铬18镍铬系188提高耐蚀性降低含碳量低碳188无磁性（奥氏体系）添加其他元素188MG但更为常用和具有实用意义的，是根据不锈钢在经9001100高温淬火处理后的反应和微观组织。将其分为三类即淬火后硬化的马氏体系，淬火后不硬化的铁素体系，高镍系不锈钢所具有的奥氏组织。这三类不锈钢的成份与性能见下表铬系铬13三类不锈钢的成份与性能大致成份（）分类CRNIC淬硬性耐腐蚀性加工性可焊性磁性马氏体系112512以下有可可不可有铁素体系1627035以下无佳尚佳尚可有奥氏体系16以上7以上025以下无优优优无2不锈钢的性能不锈钢的性能与普通碳素钢的性能不同。各种类型不锈钢的性能也不完全相同。在物理性能方面，马氏体系不锈钢和铁素体系不锈钢的线膨胀系数接近低碳钢的数值（12106），而奥氏体系不锈钢大约是碳素钢的150（8106）。铁素体系不锈钢和马氏体系不锈钢导热系数纸为普通低碳素钢的1/2左右，而奥氏体系不锈钢的导热系数仅达普通低碳钢的1/3左右。不锈钢的弹性模量、密度及比热等方面与普通低碳钢基本上是同等程度的。由此可看出，不锈钢的这些特点会对其机械性能和加工性能产生直接或间接的影响。从机械性能角度来看，铁素体系不锈钢与马氏体系不锈钢具有与低碳钢较类似的性能。这两种不锈钢的抗拉强度要较普通低碳钢高，而其屈服点一般不像低碳钢那样明显。这两种不锈钢的抗冲击能力是不一样的，铁素体系不锈钢的抗冲击能力较差，而马氏体系不锈钢在常温下则有着优良的韧性。奥氏体系不锈钢在机械性能方面的特点是其屈服强度比较低，而伸长率与断面收缩率先及抗击值比较高，具有优良的韧性。对焊接来说，马氏体系不锈钢与铁素体系不锈钢在焊接时冷却速度要普通钢慢得多；而奥氏体系不锈钢焊接时，其变形的增大要比普通低碳钢大得多。对不锈钢的耐腐蚀性能要有正确的认识。不锈钢肯有优良的耐腐性，是以在耐腐蚀方面的应用为其目的和特点的钢种。为了在工程中安全地使用不锈钢，建立起不锈钢并不一定都具有优良的耐腐蚀性这一观点是十分必要的。应该清楚地认识到，现实中存在着各式各样的腐蚀，不同类型的不锈钢对于不同类型的腐蚀的耐蚀性是很不相同的。因此，根据腐蚀的具体类型来判断不锈钢的耐蚀性是十分重要的。一般来说，不锈钢是依靠其表面的钝化膜来发挥其耐蚀性能的。因此，不锈钢的耐蚀性能的好坏与其表面的钝化情况有关。从这种观点出发，对于强氧化性的酸来说，即使是像硝酸那样的强酸，不锈钢也能具有优良的耐蚀性能，甚至耐蚀性能较差的铁素体不锈钢也可被允许使用。但是对于像稀硫酸、醋酸之类非氧化性或还原性的酸来说，由于此时不能发挥上述钝化膜的作用，而不锈钢与铁的电极度电位几乎是相同的，所以表现出不锈钢不能耐腐蚀，即使是耐蚀性最好的奥氏体不锈钢，其耐腐蚀性能也是不够好的。在这种情况下，应动用含镍量较高（标准型奥氏不锈钢为OCR18NI18），或含有铜等添加元素的不锈钢，这些添加元素改善了不锈钢的耐蚀性。另外，选择含有钼和硅元素的不锈钢也能取得良好的效果，钼和硅元素的存在，不仅使不锈钢的总体耐腐蚀性提高，而且还使不锈钢发生腐蚀的可能性大大降低。对于奥氏不锈钢的使用，尚需特别注意晶间腐蚀和应力腐蚀问题的发生。3不锈钢的机械性能不锈钢应按不同分类不同牌号根据机械性能和合金元素进行设计和选用相应的焊条。1机械性能屈服强度抗拉强度伸长率牌号20MPAMPABS17727548052035402物理性质弹性模量剪变模量线胀系数泊松比PAEPAG（每计奥氏体）03第二章钢结构的材料第一节钢结构对所用材料的要求一、钢材的破坏形式要深入了解钢结构的性能，首先要从钢结构的材料开始，掌握钢材在各种应力状态，不同生产过程和不同使用条件下的工作性能，从而能够选择合适的钢材，不仅使结构安全可靠和满足使用要求，以能最大可能地节约钢材和降低造价。钢材的断裂破坏通常是在受拉状态下发生的，可分为塑性破坏和脆性破坏两种方式。钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破坏，也称为延性破坏。破坏发生时应力达抗拉强度构件有明显的劲缩现象。由于塑性破坏发生前有明显的变形，并且UF有较长的变形持续时间，因而易及时发现和补救。在钢结构中未经发现和补救而真正发生的塑性破坏是很少见的。钢材在变形很小的情况下，突然发生断裂破坏称为脆性破坏。脆性破坏发生时的应力常小于钢材的屈服强度断口平直，呈有光泽的晶粒状。由于破YF坏前变形很小且突然发生，事先不易发现，难以采取补救措施，因而危险性很大。二、钢结构对所有材料的要求钢材的种类繁多，碳素钢有上百种，合金钢有300余种，性能差别很大，符合钢结构要求的钢材只是其中的小部分。用以建筑钢结构的钢材称为结构钢，它必须满足下列要求1抗拉强度和屈服强度较高。钢结构设计把作为强度承载力极限状态的UFYFYF标志。高可减轻结构自重，节约钢材和降低造价。是钢材抗拉断能力的极限，YFU高可增加结构的安装保障。U2塑性和韧性好。塑性和韧性好的钢材在静载和动载作用下有足够的应变能力，即可减轻结构脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调整局部应力，使应力得到重分布，提高构件的延性，从而提高结构的抗震能力和抵抗重复荷载作用的能力。3良好的加工性能。材料应适合冷、热加工，具有良好的可焊性，不致因加工而对结构的强度、塑性和韧性等造成较大的不利影响。4耐久性好。5价格便宜。此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的能力。根据上述要求，结合多年的实践经验，钢结构设计规范GB50017主要推荐碳素结构钢中的Q235钢、低合金结构钢中的Q345钢（16锰钢）、Q390钢（15锰钒钢）和Q420钢（15MNVN钢），可作为结构用钢。随着研究的深入，必将有一些满足要求的其他种类材可供使用。若选用钢结构设计规范还未推荐的钢材时，需有可靠的依据，以确保钢结构的质量。第二节钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能（也称力学性能）通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到，试验采用的试件制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行。一、单向拉伸时的性能钢材单向拉伸试验按照金属拉伸试验方法（GB228）的有关要求进行。钢结构所在用钢材的标准试件在室温（1035），以满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力应变曲线，简化光滑曲线。由此曲线显示的钢材机械性能。详见附图一。1弹性阶段（附图一B中OA段）试验表明，当应力小于比例极限（A点）PF时，与呈线性关系，称该直线的斜率E为钢材的弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢材统一取。当应力不超过某一应力值时，卸除荷载25/1062MNEEF后试件的变形将完全恢复。钢材的这种性质称为弹性，称为弹性极限。在达到之EFEF前钢材处于弹性变形阶段，简称弹性阶段。略高于，二者极其接近，因而通常取比EFPF例极限和弹性极限值相同，并用比例极限表示。PFEF2弹塑性阶段（图21B中AB段）在AB段，变形由弹性变形和塑性变形组成，其中弹性变形在卸载后恢复为零，而塑性变形则不能恢复，成为残余变形。称此阶段为弹塑性变形阶段，简称弹塑性阶段。在此阶段，与呈非线性关系，称为切线模量。随应力增大而减小，当达到时，为零。DET/TEYFTE3屈服阶段（图21B中BC段）当达到后，应力保持不变而应变持续发展，YF形成水平线段，即屈服平台BC。这时犹如钢材屈服于所施加的荷载，故称为屈服阶段。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上下波动，波动最高点称上屈服点，最低点称下屈服点。下屈服点的数值对试验条件不敏感，所以计算时取下屈服点作为钢材的屈服强度。对碳含量较高的钢或高强度钢，常没有YF明显的屈服点，这时规定取对应于残余应变时的应力作为钢材的屈服点，2020常称为条件屈服点或屈服强度为简单划一，钢结构设计中常不区分钢材的屈服点或条件屈服点，而统一称作屈服强度。考虑达到后钢材暂时不能承受更大的荷载，且YFYF伴随产生很大的变形，因此钢结构设计取作为钢材的强度承载力极限。4强化阶段（图21B中CD段）钢材经历了屈服阶段较大的塑性变形后，金属内部结构得到调整，产生了继续承受增长荷载的能力，应力应变曲线又开始上升，一直到D点，称为钢材的强化阶段。称试件能承受的最大拉应力为钢材的抗拉强度。在UF这个阶段的变形模量称为强化模量，它比弹性模量低很多。取作为强度极限承载力的Y标志，就成为材料的强度储备。UF对于没有缺陷和残余应力影响的试件，与比较接近，且屈服点前的应变很小。PFY在应力达到之前，钢材近于理想弹性体，在应力达到之后，塑性应变范围很大而应YFF力保持不增长，接近理想塑性体。因此可把钢材视为理想弹塑性体，取其应力应变曲线（详见附图二）。钢结构塑性设计是以材料为理想弹塑性体的假设为依据的，虽然忽略了强化阶段的有利因素，但却是以应高出多少为条件的。设计规范要求UFYF，来保证塑性设计应有的储备能力。21/YUF5颈缩阶段（D点以后区段）当应力达到后，在承载能力最弱的截面处，横截UF面急剧收缩，且荷载下降直至拉断破坏。试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数称为伸长率。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变能力。钢材的，和被认为是承重钢结构对钢材要求所必须的三项基本机械性能指标。YFU二、钢材的冷弯性能钢材的冷弯性能由冷弯试验来确定，试验按照金属弯曲试验方法（GB232）的要求进行。试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头加压（详见附图三），使试件弯曲180，若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反映钢材的弯曲变形能力和塑性性能，还能显示钢材内部的冶金缺陷（如分层、非金属夹渣等）状况，是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。重要结构中需要有良好的冷热加工性能时，应有冷弯合格保证。三、钢材的冲击韧性钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力，是衡量钢抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂能力的一项机械性能。在实际结构中，脆性断裂总是发生在有缺口高峰应力的地方。因此，最有代表性的是钢材的缺口冲击韧性，简称冲击韧性。钢材的冲击韧性试验采用有V形缺口的标准试件，在冲击试验机上进行。冲击韧性值用击断试样所需的冲击功表示，单位为J。KA冲击韧性与温度有关，当温度低于某一负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在寒冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构，除应有常温冲击韧性的保证外，还应依钢材的类别，使其具有20或40的冲击韧性保证。详见附图四。四、钢材受压和受剪时的性能钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似，但抗剪屈服点及抗剪强度均低于；剪变模量G也低于弹性模量E。YUUYF和钢材的弹性模量E、剪变模量G、线膨胀系数和质量密度。钢材的物理性能指标弹性模量E/2MN剪变模量G/2MN线膨胀系数（以每计）按质量密度/3MKG2061057910412105785103第三节影响钢材性能的主要因素在一般情况下，钢结构常用的结构钢既有较高的强度，又有很好的塑性和韧性，是理想的承重结构材料。但是，有很多因素会影响钢材的力学性能，可显著降低塑性和韧性，促使发生脆性破坏。主要影响因素如下一、化学成分的影响钢由多种化学成分组成，化学成分及含量直接影响钢材的结晶组织，导致钢材的力学性能改变。钢的主要化学成分是铁和少量的碳，此外还有锰、硅等有利元素，以及难以除尽的有害元素硫和磷等。在合金钢中还有特意添加用以改善钢材性能的某些合金元素，如锰和钒等。碳是使钢材获得足够强度的主要元素。碳含量提高，则钢材强度提高，但同时塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗腐蚀能力下降。为使钢材具有良好的综合性能，结构钢材的碳含量不能过高。一般碳含量不应超过022，对于焊接结构，应低于02。锰和硅是钢材中的有利元素，它们都是炼钢时的脱氧剂。加适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无显著的不良影响。但过量的硅将降低钢材的塑性、韧性、抗腐蚀能力和可焊性。含适量的锰，要提高钢的强度同时不影响的塑性和冲击韧性，且可消除硫对钢的热脆影响。但锰含量过高，会使钢材的可焊性降低。故应对锰和硅含量有限制。钒是熔炼锰钒合金钢时特意添加的一种元素，能提高钢材的强度和抗腐蚀能力，又不显著降低钢的塑性。硫和磷是钢中的两种有害成分，它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。硫和磷可在高温和低温时使钢材变脆，分别谓之热脆和冷脆。一般硫和磷的含量应不超过005和0045。但是，磷可提高钢材的强度和抗腐蚀性。可使用的高磷钢，其磷含量可达012，这时应减少钢材中的含碳量，以保持一定的塑性和韧性。二、钢材生产过程的影响生产过程的主要影响包括冶炼时的炉种、浇注时的脱氧方法和轧制及热处理等的影响。1冶炼炉种的影响碳素结构钢（GB70088）规定“钢由氧气转炉、平炉或电炉冶炼”。电炉钢质量最佳，但电耗大，成本高，钢结构一般不采用。钢结构主要采用平炉和氧气转炉钢，二者质量大体相当。平炉已关停，现无必要强调炉种的影响。2钢的脱氧钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不同，可把钢分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢是采用弱脱氧剂锰铁进行脱氧，浇注钢锭时钢液中仍保留有较多的氧化铁，它与其中的碳等化合生成一氧化碳等气体大量逸出，致使钢液产生“沸腾”，故称沸腾钢。沸腾钢生产工艺简单，生产周期短，消耗的脱氧剂少，生产成本低。但由于钢液冷却较快，气体无法从钢锭中全部逸出，冷却后钢内形成许多小气泡，并有较多的氧化铁夹杂，且化学成分不够均匀（称为偏析），这些都是沸腾钢的缺陷。这些缺陷可降低钢材的冲击韧性、抗冷脆性能和抗疲劳性能。镇静钢是在钢液中加入适量的强脱氧剂硅和锰等，进行较彻底脱氧。硅与氧化铁起作用时，产生较多的热量，因而在钢锭模中的钢液冷却较慢，大部分气体可以析出。钢液是在平静状态下凝固，故称镇静钢。镇静钢的化学成分均匀，组织密实，杂质少，因而冲击韧性、可焊性、抗冷脆性能和抗疲劳性能等都优于沸腾钢，强度和塑性也略高。但镇静钢的生产成本高于沸腾钢。半镇静钢是在钢液中加入少量的强脱氧剂硅，脱氧程序、质量和价格介于沸腾钢和镇静钢之间。特殊镇静钢是用硅脱氧后再用更强的脱氧剂铝补充脱氧，所得钢材的冲击韧性特别是低温冲击韧性都较高。我国碳素结构钢中的Q235D钢就属于特殊镇静钢。我国冶金行业正在推广使用先进的连铸技术，2001年全国生产钢材连铸比达835。国家经贸委要求2002年全国连铸比达到88，以后逐年提高。采用连铸技术生产的钢材无沸腾钢，现沸腾钢产量大减。使用时应注意市场供应情况。将钢锭加热至12001300，通过轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧型钢。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。钢材的压缩比（钢坯与轧成钢材厚度为比）愈大，其强度和冲击韧性也愈高。因此，设计规范对于不同厚度的钢材，采用不同的强度设计值。轧制后的钢材若再经过热处理可得到调质钢。热处理常采用下列方式。1淬火把钢材加热到900以上，放入水或油中快速冷却。硬度和强度提高，但塑性和韧性降低。2正火把钢材加热至900以上，在空气中缓慢冷却。可改善组织，细化晶粒，相当于热轧状态。3回火把淬火后的钢材加热至500600，空气中缓慢冷却。可减少脆性，提高综合性能。我国结构用钢按照热轧状态交付使用，高强度螺栓要热处理，轨道表面要热处理。三、温度的影响钢材的机械性能随温度的变化而有所变化。在正温度范围内（0以上），温度升高不超过200时，钢材的性能变化不大；在250左右，钢材的略有提高，但塑性和韧UF性均下降，此时钢材破坏常呈脆性破坏特征，钢材表面氧化膜呈现蓝色，称为蓝脆。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度在260320时，钢材有徐变现象。当温度超过300时，钢材的、和E开始显著下降，而显著增大；当温度超过UFY400时，钢材的、和E都急剧降低，达600时其承载能力几乎丧失。UFY在负温度范围内（0以下），随着温度降低，钢材的强度虽有提高，但塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。详见附图五是钢材冲击韧性与温度的关系曲线。由图可见，材料由塑性破坏转变为脆性破坏是在一个温度区间T1T2内完成的，称此温度区间为钢材的脆性转变温度区，其间曲线反弯点所对应的温度T0称为脆性转变温度。设计选区用钢材时应使其脆性变温度区的下限温度T1低于结构所处的工作环境温度，即可保证钢结构低温工作的安全。每种钢材的脆性转变温度区需由大量的试验和统计分析确定。四、冷加工硬化和时效硬化钢材在常温下加工称为冷加工。冷拉、冷弯、冷压、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变化，从而使提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种现象为YF冷加工硬化（应变硬化）。钢结构设计一般不利用冷加工硬化造成的强度提高，而且对直接承受动力荷载的钢结构还应设法消除冷加工硬化的影响，如将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。在高温时熔化于纯铁体中的少量氮和碳，随时间的增长逐渐从纯铁体中析出，形成自由氮化物和碳化物存在于纯铁体晶粒间的滑动面上，阻碍了纯铁体晶粒间的滑移，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降，这种现象称为时效硬化。不同种类钢材的时效硬化过程可从几小时到数十年。为加快测定钢材时效后的性能，常先使钢材产生10的塑性变形，再加热到200300，然后冷却到室温进行试验。这样可使时效在几小时完成，称为人工时效。有些重要结构要求对钢材进行人工时效，然后测定其冲击韧性，以保证结构具有长期的抗脆性破坏能力。五、复杂应力状态的影响在单向拉力作用下，当单向应力达到屈服点时，钢材屈服而进入塑性状态。在复YF杂应力如平面或立体应力（详见附图六）作用下，钢材的屈服并不只取决于某一方向的应力，而是由反映各方向应力综合影响的某个“应力函数”，即所谓的“屈服条件”来确定。根据材料强度理论的研究和试验验证，能量强度理论能较好的阐明接近于理想弹塑性体的结构钢材的弹塑性工作状态。在复杂应力状态下，钢材的屈服条件可以用折算应力与钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断EQYF32222ZXYXXZYXZYX当时，为弹性状态；时，为塑性状态（屈服）。EQFYEQF在一般梁中，只存在正应力和剪应力，则上式成为（22）23EQ而在纯剪时，取，可得0YEQFYYFF58/即剪应力达到058时，钢材进入塑性状态。所以钢结构设计规范取钢材的抗剪强度设计值为抗拉强度设计值的058。若复杂应力状态采用主应力、和来表示，则折算应力为12321212EQ由上式可见，当钢材处于同号三向主应力（，）作用，且彼此相关不大即3当时，即使各主应力很高，材料也很难转入屈服和有明显的变形。但是由123于高应力的作用，聚集在材料内的体积改变应变能很大，因而材料一旦遭致破坏，便呈现出无明显变形征兆的脆性破坏特征。六、应力集中的影响钢结构的构件中有时存在着孔洞、槽口、凹角、截面的厚度和宽度的突然改变以及钢材内部缺陷等。此时，构件中的应力分析变得很不均匀，在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部位应力较低且分布极不均匀详见附图七，这种现象称为应力集中。截面的高峰应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数，其值取决于截面突然改变的急剧程度。力学分析表明，在应力高峰区域存在着同号的双向或三向应力。由能量强度理论得知，这种同号的双向或三向应力场有使钢材变脆的趋势。应力集中系数越大，变脆的倾向亦愈严重。但由于结构钢材塑性较好，在静力荷载作用时，能使应力进行重分配，直到构件全截面的应力都达到屈服强度。因此，应力集中一般不影响构件的静力极限承载力，设计时可不考虑其影响。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，是引起脆性断裂的根源，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，选用质量优良的钢材。在钢结构的设计、制造、安装和使用过程中，应积极采取措施，减小或消除上述促使钢材转脆的各种因素的影响，防止脆性断裂的发生。第四节钢材的疲劳一、钢材疲劳的基本概念钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强度甚至低于屈服点时突然断裂，这种现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。疲劳破坏属于脆性破坏，危险性较大。钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，在反复荷载作用下，截面改变处的应力高峰区也会产生微观裂纹。在多次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，构件有效截面面积相应减小，应力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数N（疲劳寿命）时，裂纹扩展使得净截面承载力不足以承受外力作用时，构件突然断裂，发生疲劳破坏。可见疲劳破坏一般经历裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。反复荷载作用产生的应力重复1周叫做1个循环详见附图八。应力循环特征常用应力比值来表示，和分别表示每次应力循环中的最大和最小应MAXIN/MAXIN力，以拉应力为正。值在1与1之间，图中所示，时的应力101循环分别称为完全对称循环、脉冲循环和静荷载作用。称为应力幅，MINAX表示应力变化的幅度。试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最大应力作用的结果，而是焊缝AX部位足够大小的应力幅反复作用的结果。焊接结构存在较大的残余应力，如焊接工字形板梁腹板与翼缘间的焊缝处的残余拉应力常高达钢材的屈服强度。焊缝中存在的焊接YF缺陷（如夹渣、孔洞等）常成为裂纹的起源。当反复荷载作用时，梁受拉翼缘的实际应力为施加荷载产生的弯曲正应力与残余应力联合作用。因最大残余拉应力的区域应力已达，在外加应力由增大到的过程中，该处的应力保持并不增大。当外加YFMINAXYF应力减小到时，该处的应力将由减小到。可见在焊接结构中，由MAXIYFYF于残余应力的影响，在最有可能出现疲劳裂纹的应力高峰所在部位，无论外加应力循环中的和为多大，为何值，其实际应力都变化在与之间，因而名AXINYF义应力已无实际意义。因此，钢结构设计规范GB50017疲劳计算采用了应力幅的表达式。非焊接结构的残余应力比焊接结构小，其抗疲劳性能也比焊接结构好。试验证实，非焊接结构的疲劳寿命不仅与应力幅有关，而且与最大名义应力和名义应力比MAX/有关。钢结构设计规范GB50017把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算MINAX应力幅，以反映其实际工作情况。对于一定的疲劳寿命N，不同构件和连接发生疲劳破坏的应力幅值大小主要取决于构造形式。应力集中大的构造形式，其破坏时的应力幅值就小。钢结构设计规范GB50017根据构造形式引起的应力集中程度，把构件和连接分成8类，其破坏时的应力幅随类别增大而减小。二、疲劳计算由于疲劳的极限状态及其影响因素研究还不充分，钢结构设计规范GB50017采用容许应力幅计算方法，而不是概率极限状态设计法来计算钢构件和连接的疲劳。疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅所有应力循环内的应力幅保持常量和变幅疲劳应力循环内的应力幅随机变化两种情况进行计算。1常幅疲劳计算常幅疲劳应按下式进行计算式中对焊接部位为应力幅，；MAXIN对非焊接部位为折算应力幅，07；AXIN常幅疲劳的容许应力幅（N/MM2），应按下式计算/1C式中N应力循环次数；C，参数，根据规范中的构件和连接类别采用。由上式可见，容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同种类钢材具有相同的抗疲劳性能。第五节钢材的温度力学性能一、钢材的高温力学性能钢材虽然属于不燃烧材料，但在火灾高温作用下，其力学性能如屈服强度、弹性模量等却会随温度升高而降低，在550左右时，降低幅度更为明显。1应力应变曲线根据试验资料，结构用钢当温度低于300时，强度略有增加而塑性降低；当温度高于300时，强度降低而塑性增加，同时屈服平台消失，但在拉断前，仍有显著的颈缩现象。所以在设计计算中，一般假定钢材应力应变曲线和常温下的简化曲线相似，详见附图九。2有效屈服强度YT在进行高温时承载力计算时，取钢材的有效屈服强度作为材料强度指标。所谓YT有效屈服强度是指钢材在某一温度水平T时的实际屈服强度或条件屈服强度，它是温度的函数。目前，国内公开发表的系统试验数据不多，国外研究机构的结果也不尽相同，但相关不大。这里推荐前苏联和日本采用的计算公式750750340120SSSTTY式中钢材有20即室温时屈服强度；20Y钢材的温度。ST二、钢构件的温度效应钢材表面受火烧时，由于构件截面呈薄壁状，且钢材的导热系数是混MW/58凝土的40倍，根据傅里叶定律热流强度与温度梯度成正比QDXTQ当构件表面受热时，由于较大，截面呈薄壁状，热量很快传到内部，因而温度梯度很小，也就是表面温度与内部温度相差几乎可以忽略不计，所以在钢结构截面DXT/耐火设计时，不考虑温度梯度的影响，认为构件内外部的温度均匀分布的，裸露的钢结构耐火热限仅15MIN。当钢构件表面长期受幅射热达150以上时，或当短期内受到火焰作用时，应采取耐火保护措施，以保证结构在使用期内安全可靠。三、钢构件的防火保护措施因为钢构件耐火性能差，耐火极限时间仅为15MIN，美国世贸大厦在911事件中迅速倒塌，是一个明显的实例。目前世界各国对钢结构采用多种方法进行保护，但这些方法在原理上可以分为两种，截流法和疏导法。1、截流法截流法的原理是截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，从而使构件在规定时间内温升不超过其临界温度。其做法是在构件表面设置一层保护材料，火灾产生的高温首先传给这些保护材料，再由保护材料传给构件。由于所选材料的导热系数较小，而热容又较大，所以能很好地阻滞热流向构件的传输，从而起到保护作用。截流法又分为喷涂法、包封法、屏蔽法和水喷淋法。1喷涂法喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷涂在构件表面，形成保护层。喷涂的涂料厚度必需达到设计值，节点部位宜适当加厚。喷涂场地要求，构件表面处理，按缝填补，涂料配制，喷涂次数，质量控制及验收等均应符合钢结构防火涂料应用技术规程的规定。当遇有下列情况之一时，涂层内应设置与钢构件相连的钢丝网，以确保涂层牢固。1承受冲击振动的梁；2设计涂层厚度大于40MM时；3粘结强度小于005MPA的涂料；4腹板高度大于15M的梁。喷涂法适用范围最为广泛，可用于任何一种钢构件的耐火保护。2包封法包封法是用耐火材料把构件包裹起来。包封材料有防火板材，混凝土或砖，钢丝网抹耐火砂浆等。当采用石膏板、蛭石板、硅酸钙板、珍珠岩板等硬质防火板材包封时，板材可以用胶粘剂或钢件固定。构件的粘贴面应作除锈去污处理，非粘贴面应涂刷防锈漆。当包封层数大于等于两层时，各层板应分别固定，板缝应想到错开，其距离不宜小于400MM。当用岩棉、矿棉等软质板材包封时，应用薄金属或其他不燃性板材包裹起来。对于柱，也可用混凝土包封（详见附图十）或砖包封。当采用混凝土作保护层时，混凝土中应布置一定量的细钢筋或钢网片以防爆裂。对于梁和柱，也可采用钢丝网处抹耐火砂浆的方法进行保护详见附图十。耐火砂浆是在砂浆中掺加一定量的石棉或蛭石。板材包封适用于梁、柱、压型钢板的保护。3屏蔽法屏蔽法是把构件包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内，主要适用于屋盖系统的保护。吊顶的接缝、孔洞处应严密，防止窜火。4水喷淋法水喷淋法是在结构顶部设喷淋供水管网，火灾时自动或手动开始喷水，在构件表面形成一层连续流动的水膜，从而起到保护作用。上述这些方法的共同特点是设法减小传到构件上的热流量，因而称为截流法。2、疏导法与截流法不同，疏导法允许热流量传到构件上，然后设法把热量导走或消耗掉，同样可使构件温度不至升高至临界温度，从而起到保护作用。疏导法目前仅有充水冷却保护这一种方法。该方法是在空心封闭截面中主要为柱充满水，火灾时构件把从火场中吸收的热量传给水，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走，构件温度便可维持在100左右。从理论上讲，这是钢结构保护最有效的方法。该系统工作时，构件相当于盛满水被加热的容器，像烧水锅一样工作。只要补充水源，维持足够水位，由于水的比热和气化热又较大，构件吸收的热量将源源不断地被耗掉或导走。水冷却保护法详见附图十一。水冷却可由高位水箱或供水管网或消防车来补充。水蒸气由排气口排出。当柱高度过大时，可分成几个循环系统，以防止柱底水压过大。为防止锈蚀或水的冰结，水中应掺加阻锈剂和防冻剂。水冷却法既可单根柱自成系统，又可多根柱联通。前者仅依靠水的蒸发耗热；后者既能蒸发耗热，又能借水的温差形成循环，把热量导向非火灾区温度较低的柱。第六节钢材的钢种、钢号及选择一、钢种钢材的种类简称为钢种，可按不同条件进行分类。按化学成份可分为碳素钢和合金钢，其中碳素钢根据含碳量的高低，又可分为低碳钢C025、中碳钢025C6和高碳钢C6；合金钢根据合金元素总含量的高低，又可分为低合金钢金元素总含量5、中合金钢5金元素总含量10和高合金钢金元素总含量10。按材料用途可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢如不锈钢等。按浇柱方法脱氧方法分类有沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。按硫、磷含量和质量控制分类有普通钢S005，P0045、优质钢S0045，P004并具有较好的机械性能和高级优质钢S0035，P003并具有较好的机械性能。钢结构常用的碳素结构钢和低合金结构钢。二、钢号钢材的牌号简称钢号。钢号的命名方法和性能要求应符合碳素结构钢GB70088和低合金高强度结构钢GB/T159194的规定。1碳素结构钢碳素结构钢的钢号由代表屈服点的字母Q、屈服强度数值值为钢材厚度或直径16MM时的屈服强度下限值，单位是N/MM2、质量分级符号分为A、B、C、D四级，质量依次提高、脱氧方法符号沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢的代号分别为F、B、Z和TZ，其中Z和TZ在钢号中可省略不写等四个部分按顺序组成。例如Q235B，F，表示屈服强度为235N/MM2的B级沸腾钢，C级为镇静钢，D为特殊镇静钢。碳素结构钢交货时应有化学成份和机械性能的合格保证书试验数据。对于化学成份，要求硅、硫、磷含量符合相应等级的规定，但B、C、D级钢还要求碳和锰含量符合相应等级的规定。对于机械性能，A级钢应保证、符合要求，B、C和D级钢还YFU应分别保证20，20的冲击韧性值有；及冷弯合格。KVA2低合金结构钢低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入一种或几种适量的合金元素而成的钢。其钢材牌号的表示方法与碳素结构钢相似，但质量等级分为A、B、C、D、E五级，且无脱氧方法符号。例如Q345B、Q390D，Q420E。由于我国的各种规范、规程和标准不是在同一时间颁布的，现行的一些结构设计规范采用了被低合金高强度结构钢GB/T159194代替的低合金结构钢GB159188的钢材表示方法，其具体钢材的牌号的表示方法为自左向右依次列出钢材的平均含碳量的各合金元素的名称或符号及平均含量的百分整数。每种合金元素的平均含量小于15时，不标注其含量；达到或超过15、25等时，则在该元素后标注2、3等数字。例如16MN钢，表示该低合金钢的平均含量为016，合金元素为锰，且锰的平均含量4MM两种，钢板的标注符号是“钢板截面代号宽度厚度长度”，单位为MM，亦可仅用“宽度厚度”或“厚度”来表示。例如360123600，亦可表示如36012或12。2热轧型钢常用的热轧型钢有角钢、槽钢、工字钢、H型钢和钢管等，其规格和截面特性查相关的型钢表。角钢分为等边和不等边角钢两种。角钢标符号是“L角钢代号边宽厚度（等边角钢）或L边宽短边宽厚度不等边角钢单位为MM”。如L1008或L100808。槽钢有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽钢规格用槽钢符号普通槽钢和轻型槽钢的符号分别为“”和“Q”）和截面高度单位为CM表示，当腹板厚度不同时，还要标注出腹板厚度类别符号A、B、C厚度依次增大。例如10、20A、Q20A。与普通钢截面高度相同的轻型槽钢的翼缘和腹板均为较薄，截面面积小但回转半径大，重量相对较轻。工字钢有普通工字钢和轻型工字钢两种。标注方法符号“I”表示，例如I18、I50A、QI150。H型钢H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等厚度，截面材料分布更为合理，因而在截面积相同条件下，其绕弱轴的抗弯刚度比工字钢大1倍以上，绕强轴的抗弯能力亦高于工字钢，用钢量可比工字钢减少1030。H型钢的翼缘等厚度，便于与其他构件连接。H型钢可较方便地加工制成T型钢和蜂窝梁等型材，以满足工程的需要。根据热轧H型钢和部分T型钢（GB/T112631998），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，它们的代号分别为HW、HM、和HN，型号采用高度或高度的近似值宽度或宽度的近似值来表示。例如HW400400、HM500300、HN700300。钢管钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管。用“外径壁厚”表示，单位为MM。例如3606。3薄壁型钢薄壁型钢通常是用156MM厚的钢板冷弯加工而成，其截面形式和尺寸可按工程要求合理设计。与相同截面积的热轧型钢相比，钢材用量可显著减少。但板壁较薄，对锈蚀影响较为敏感。第七节小结一、2002年我国的钢材产量接近2亿吨，建筑结构用钢量只占总产量的15左右，而西方发达国家建筑结构用钢量为45左右。二、我国钢材产量人均约150KG，有的西方发达国家可达到1吨。三、我国的建筑结构已从传统的砖混结构、钢砼结构已向钢结构延伸。高层、超高层钢结构，大跨度的体育场馆、机场，发展速度很快，也积累了很多设计制造安装的经验，相应的设计规范在逐步完善，我国钢结构的发展前景是良好的。四、我国对建筑钢结构的发展政策，用这么几句话的表明50年代是限制使用；60年代是节约使用；70年代允许使用；80年代推广使用；90年代普遍使用；21世纪广泛使用。建设部住宅发展司多次召开有关会议就是大力推广小高层钢结构住宅，这是降低能耗，防止污染，缩短建设周期的有效措施。五、钢结构的设计、制造、安装和运输等各方面技术要求都要比其他如混凝土结构要求高，钢结构在我国还有一个相当长时期的发展进程，它需要一大批高技术、高素质的设计、制造、安装、管理、监理等一整套技术干部和技术工人，特别是焊接工人和钳工。第三章钢结构的连接第一节钢结构的连接方法钢结构是由钢板、型钢通过必要的连接组成基本构件，如梁、柱、桁架等；再通过一定的安装连结装配成空间整体结构，如屋盖、厂房、钢闸门、钢桥等。可见，连接的构造和计算是钢结构设计的重要组成部分。好的连接应当符合安全可靠、节约钢材、构造简单和施工方便等原则。钢结构的连接方法可分为焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接三种详见附图十三。一、焊缝连接焊接是现代钢结构最主要的连接方法。其优点是不削弱构件截面（不必钻孔），构造简单，节约钢材，加工方便，在一定条件下还可以采用自动化操作，生产效率高。此外，焊缝连接的刚度较大密封性能好。焊缝连接的缺点是焊缝附近钢材因焊接的高温作用而形成热影响区，热影响区由高温降到常温冷却速度快，会使钢材脆性加大，同时由于热影响区的不均匀收缩，易使焊件产生焊接残余应力及残余变形，甚至可能造成裂纹，导致脆性破坏。焊接结构低温冷脆问题也比较突出。二、铆钉连接铆接的优点是塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查和保证，可用于承受动载的重型结构。但是，由于铆接工艺复杂、用钢量多，因此，费钢又费工。现已很少采用。三、螺栓连接螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。普通螺栓通常用Q235钢制成，而高强度螺栓则用高强度钢材制成并经热处理。高强度螺栓因其连接紧密，耐疲劳，承受动载可靠，成本也不太高，目前在一些重要的永久性结构的安装连接中，已成为代替铆接的优良连接方法。螺栓连接的优点是安装方便，特别适用于工地安装连接，也便于拆卸，适用于需要装拆结构和临时性连接。其缺点是需要在板件上开孔和拼装时对孔，增加制造工作量；螺栓孔还使构件截面削弱，且被连接的板件需要相互搭接或另加拼接板或角钢等连接件，因而比焊接连接多费钢材。第二节焊接方法、焊缝类型和质量级别一、钢结构中常用的焊接方法焊接方法很多，钢结构中主要采用电弧焊，薄钢板（）的连接有时也可以MT3采用电阻焊或气焊。1电弧焊电弧焊是利用焊条或焊丝与焊件间产生的电弧热，将金属加热并熔化的焊接方法。其原理是采用低电压（一般为5070V）、大电流（几十到几百安）引燃电弧，使焊件与焊条或焊丝之间产生很大热量和强烈的弧光，利用电弧热来熔化焊件的边缘金属和焊条（丝）进行焊接。根据操作的自动化程度和焊接时用以保护熔化金属的物质种类，电弧焊可分为手工电弧焊，自动和半自动埋弧焊及CO2气体保护焊等。1手工电弧焊是钢结构制造中最常用的焊接方法，设备简单，操作灵活，适用性和可达性强，对各种施焊位置和分散或曲折短焊缝均适用。缺点是生产效率比自动、半自动焊低，质量稍低并且变异性大，施焊时电弧光较强详见附图十四。手工焊所采用的焊条，其表面都敷有一层115MM厚度的药皮。药皮的作用稳定电弧；施焊时产生气体保护熔融金属与大气隔离，以防止空气中氧氮侵入而使焊缝变脆；造成熔渣清理焊缝时铲除覆盖于熔成焊缝表面，使与大气隔离，并使焊缝冷却缓慢以便混入熔融金属中的气体和有害杂质溢出表面；另外，药皮中的合金成份还可以改善焊缝性能。焊条选用应和焊件钢材的强度和性能相适应。在手工焊时，对Q235钢用E43型焊条（E4300E4316）Q345钢16MN钢用E50型焊条E5000E5018，Q39015MNV钢和Q420钢均用E55型焊条E5500E5518。其中E表示焊条；前两位数字表示焊缝熔敷金属或对接焊缝的抗拉强度分别为420N/MM2，490N/MM2，540N/MM2，折合43KGF/MM2，50KGF/MM2，55KGF/MM2；第3位数字表示适用的焊接位置，0和1表示适用于人与全位置施焊平、横、立、仰，2表示适用于平焊及水平角焊，4表示适用于向下立焊；第3位和第4位数字组合表示药皮类型和适用的电流种类交、直流电源。第3位和第4位数字为15、16、18的焊条为低氢型焊条，其所得焊缝具有较好的塑性、韧性和抗裂性，故直接承受动力荷载的重要结构以及处于低温条件下工作的结构，一般指定采用上述型号。而非低氢型焊条，可用于其他结构。当不同强度的钢材连接时，可采用低强度钢材相适应的焊接材料。2焊剂层下自动或半自动埋弧焊焊剂层下自动或半自动埋弧焊是焊接过程机械化的一种主要方法。它所采用的是盘状连续的光焊丝在散粒状焊剂下燃弧焊接，散粒状焊剂的作用与手工焊焊条的药皮相同。自动焊的引弧、焊丝送下、焊剂堆落和焊丝沿焊缝方向的移动都是自动的。而半自动焊的焊接前进方式仍是依靠手持焊枪移动详见附图十五。埋弧焊的优点是与大气隔离保护效果好，且无金属飞溅，弧光不外露；可采用较大电流使熔深加大，相应可减小对接焊件间隙和坡口角度；节省焊丝和电能，劳动条件好，生产效率高；焊缝质量稳定可靠，塑性和韧性比较好。其缺点是焊前装配要求严格，施焊位置受限制，较适用于长直的水平俯焊缝或倾角不大的斜面焊缝，不如手工焊灵活。埋弧焊所采用的焊丝和焊剂应与焊件钢材相匹配，焊丝一般采用专用的焊接用钢丝。对Q235钢，可采用H08A、H08MNA、H08E等焊丝，相应的焊剂分别为HJ431、HJ430和SJ401。对低合金高