【钢结构设计课程】

【钢结构课程】1.1钢结构的特点

第一章钢结构概述

1.1钢结构的特点

不同材料形成的结构有各自的特点。钢结构(steelstructure)是由钢板或型钢制造而成的结构，其主要特点如下：

(1)强度(strength)高，结构重量轻

与其他材料诸如木材、砖石、混凝土相比，钢材的容重虽然大，但强度高很多。现举例说明，《钢结构设计规范》

(GB50017-2003)中，强度最低的钢材为Q235,其抗拉、抗压强度设计值为215N/mm2,《混凝土设计规范》

(GB50010-2010)中标号最高的为C80,其抗拉、抗压强度设计值分别为2.22N/mm2、35.9N/mm2,由此可见，

前者抗拉强度为后者的97倍，而抗压强度为6倍。因此，在相同的荷载和条件下，钢结构的重量轻。

(2)塑性(plasticity)、韧性(toughness)好

由于钢材的塑性好，一般情况下，钢结构不会因偶然或局部超载而发生突然断裂，而是以事先有较大变形为先兆。

钢材的韧性好，则使钢结构能很好地承受动力荷载，这些性能均对钢结构的安全提供了可靠保证。

(3)材质均匀

钢材的内部组织均匀，非常接近于各向同性体，在使用应力阶段，钢材为理想弹性工作，符合工程力学的基本假定。

因此，钢结构实际受力情况与力学计算结果吻合好，可根据力学原理建立钢结构的计算方法。

(4)良好的加工性能、可焊性(weldability)好

可焊性是钢结构的独特优点。由于钢材的可焊性解决了钢结构的制作问题，致使钢结构连接大为简化，可制造各种

复杂形状的结构。当然焊接也将产生残余应力、残余变形以及热影响区脆性等问题。

(5)工业化程度高

钢结构采用的型钢和钢板，经专业厂家制作为钢构件，然后运至工地安装。型钢的大量采用再加上专业化的生产，

故精度高、制作周期短。工地安装广泛采用螺栓连接，良好的装配性使工期大为缩短。此外，已建钢结构也易于拆

卸。

(6)密闭性好

钢材本身组织致密，焊接的钢结构可以做到完全密闭，甚至斜接或螺栓连接都可以做到。因此，可用于建造气密性

和水密性要求高的气罐、油罐和高压容器。

(7)耐腐蚀性差

钢材在湿度大和有腐蚀性介质的环境中容易锈蚀。因此，为确保钢结构的耐久性，必须采用油漆、镀锌等防护措施,

故维护费用较高。

(8)耐热不耐火

钢材当辐射热温度低于1500c时，钢材的主要性能变化很小。因此，其耐热性能较好。当温度超过150℃时，材质

性能有所变化，需采取隔热措施，当温度达到600℃左右，钢结构会瞬间崩溃，完全丧失承载力。因此，耐火性能

差，必须采取一定的防火措施。美国世贸大楼的坍塌充分

说明了钢结构耐火性能差是一致命缺憾。

(9)钢结构的低温冷脆倾向

由厚板焊接而成的承受拉力和弯矩的构件及其连接节点，在低温下冷脆破坏的倾向。

【钢结构课程】L2钢结构的应用范围

1.2钢结构的应用范围

随着我国国民经济的不断发展和科学技术进度，钢结构在我国的应用范围也在不断扩大。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(industrialfactorybuilding)

工业厂房可分为轻型、中型和重型工业厂房，主要根据是否设置吊车以及吊车吨位的大小和运行频繁程度而定。例

如I,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。

(2)大跨结构(largespanstructure)

大跨结构可以充分发挥钢结构强度高、自重轻的优点。比如，体育馆、会展中心、飞机库、剧场等。尤其在悬索桥、

斜拉桥等桥梁工程中的应用。

(3)多层和高层结构(high-risestructure)

高层结构，尤其是超高层结构能充分发挥钢结构强度高，塑性、韧性好，抗震性能优越等优点。例如，办公楼、宾

馆、住宅等。近年来，随着我国钢产量的逐年增加，钢结构在多层、高层、超高层建筑中的应用将会更加广泛。

(4)高耸结构(toweringstructure)

高耸结构主要包括塔架和桅杆结构。如电视塔、输电线塔、钻井塔、环境大气监测塔、广播发射桅杆等。

(5)容器、贮罐、管道

如大型油库、油罐、气罐、煤气库、输油管等。

(6)可拆卸或移动的结构

如建筑工地的活动房，临时的商业或旅游业建筑，塔式起重机，龙门吊等。此类结构多为轻钢结构并采用螺栓或扣

件连接。

(7)受动力荷载影响的结构

由于钢材具有良好的韧性，产生动力作用的设备的厂房，即使屋架跨度不大，也往往由钢制成。对于抗震性能要求

高的结构，采用钢结构也是比较适宜的。

(8)钢与混凝土组合结构

钢构件和板件受压时必须满足稳定性要求，往往不能充分发挥它的强度高的作用，而混凝土则最适宜受压不适于受

拉，将刚才和混凝土并用，使两种材料都充分呢发挥它的长处，是一种很合理的结构。主要构件形式有钢与混凝土

组合梁、钢管混凝土柱、钢骨混凝土柱等。

(9)其他构筑物

如高炉、运输通廊、栈桥、管道支架等。

【钢结构课程】1.3钢结构的设计方法

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：

(1)容许应力法(allowablestressmethod)

"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

(1-1)

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：11

容许应力法，作为一种传统的设计方法计算简便，目前许多国家在不同的规范中仍在采用。但此设计方法采用定值

的安全系数考虑不确定诸因素的影响不科学，不能定量度量结构的可靠度，而且给人一种误导，只要有安全系数结

构就百分之百可靠。目前，我国《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中，只有结构构件或连接的疲劳强度计算

采用此方法。

(2)极限状态设计法(limit-statedesignmethod)

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。

<1>可靠性(reliability)定义

按照概率极限状态设计法，结构可靠度定义为：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。是

结构安全性、适用性和耐久性的总称。

<2>极限状态(limitstate)定义及分类

当结构或其组成部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态就称为该功能的极限状

态。结构的极限状态可分为两类：

a.承载能力极限状态

结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形

时的极限状态，它包括强度、稳定和疲劳等计算。

b.正常使用极限状态

结构或构件达到正常使用的某项规定极限值时的极限状态。包括静载下的过大变形、动载下的剧烈振动及耐久性问

题。

(3)结构的功能函数

结构的工作性能可用结构的功能函数来描述，若结构设计时需考虑影响结构可靠性的随机变量有n个，即

xl,x2，…,xn,则在n个随机变量间通常可建立函数关系，若仅考虑R,S两个参数，则结构的功能函数为：

Z=(R,S)=R-S(1-2)

式中：R—结构的抗力；

S—荷载效应。

实

际

工,随着条件的不同,Z有三种可能性:

当z>

0结构处于可靠状态;

当z

结构达到临界状态,即极限状态；

当Z=<0

0结构处于失效状态。

结构的可靠度及失效概率为：

结构的可靠度：Ps=P(Z>0)(1-3)

结构的失效概率：Pf=P(ZvO)(1-4)

两者关系：Ps+Pf=l(1-5)

(4)设计方法表达式

现行《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中除疲劳计算外，都采用广大设计人员熟悉的分项系数设计表达式表

示以概率理论为基础的极限状态设计方法。

<1>对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载组合，基本组合按下列设计表达式中

最不利值确定

(i)由可变荷载效应控制的组合：

漏Wf(1-6)

(")由永久荷暖效应控制的组合：

%降+打哨Jwf(1-7)

式中：

九一结山重要性系数；

九—永久荷载的分项系数；

7a-第个可变荷载的分项系数，其中为可变荷载的分

项系数；

%-按永久荷载标准值计算的荷载效应值；

%-按可变荷载标准值十算的荷载效应值，其中为诸

可变荷载效应中起

控制作用者：

外一可变荷载的组合值系数：

"—参与组合的可变荷我数：

/—钢材的强度设计值。/=%,为钢材屈服点声为

抗力分项系数,对于Q235钢：^=1.087：对于

Q345、039(^^420钢：然=1.111但对于端面承

压和连接，则/=%,其中为极限强度,々=1.538

(2)对于正常使用极限状态，应据不同的设计•要求，

采用荷我的标准组合、频遇组合或准永久组合。钢结

构通常只考虑荷载的标准组合，其设计式为：

%+5+》%W[r](1-9)

式中：

，石一永久荷我标址值在结构或结构构件中产生的变形

值；

%-超控制作用的第一个可变荷载的标准值在结构或

■"结构构件中产生的变形值；

%一其他第个可变荷载标准值在结构或结构构件中产

生的变形值；

同一结构或结构构件中的容许应力值。

【钢结构课程】1.4钢结构的发展

1.4钢结构的发展

钢结构的发展经历了一个漫长的历程。从古至今，炼铁、炼钢以及每一项新技术的问世都极大地推动了钢结构的发

展。

我国的历史最为悠久，是最早用铁建造结构的国家。其中以铁链桥及铁塔为典型代表。建于公元58〜75年的兰津

桥（图1.1）是最早的一座铁链桥，比欧洲最早的铁链桥早70余年；建于1706年的四川沪定大渡河桥（图1.2）,

净跨100m,宽2.8m,由13根铁链组成，每根约1.63铁链锚固于直径20cm,长4m的铸铁锚桩上，该座桥比英

国用铸铁建造的欧洲第一座跨度31m的拱桥早83年，比美洲第一座跨度为21.3m的铁链桥早105年。

铁塔作为古代的一种宗教建筑，如建于967年的广州光孝寺东铁塔，共7层，塔身高6.35m；建于1061年的湖北

荆州玉泉寺铁塔（图1.3）,共17层，塔身高17.9m；山东济宁铁塔寺铁塔：江苏镇江甘露寺铁塔等，均以独特的

建筑造型和超凡的冶金技术，展示了我国劳动人民的聪明智慧和我国古代金属结构的辉煌成就！

18世纪末工业革命在欧洲兴起，冶金技术的发展使钢结构在欧美的应用快速增长。18世纪80年代熟铁型材问世,

19世纪30年代采用轧制方法制造铁轨，19世纪20〜30年代钾钉连接技术导致钾接熟铁结构的诞生。如1889年

采用熟铁建成的高度321m的巴黎埃菲尔（Eiffel）铁塔（图1.4）。

1856年和1867年相继发明转炉和平炉冶炼工艺，软钢时代到来。从19世纪60年代和70年代起才有了全钢制

造的桥梁，如建于1847年的跨越美国密西西比河的圣路易斯拱桥，中间跨158.5m,两边跨各为153m。19世纪

后半叶焊缝连接出现，20世纪20年代起在工程结构中广泛应用。20世纪30年代末到50年代初，高强螺栓连接

开始应用于钢结构工程，促进了钢结构的发展。

图1.4埃菲尔铁塔图1.5西尔斯大厦

自20世纪70年代起国外钢结构发展的高峰期到来。代表性建筑有1974年建成的110层，高443m的美国芝加

哥西尔斯（Sears）大厦（图1.5）；1974年建成的5层纤绳，高645m的波兰华沙长波用桅杆；1973年建成的高

392m的苏联基辅自立式电视塔；1975年建成的直径207m的美国新奥尔良超级穹顶；80年代初建成的跨度

218m的新加波章宜机场飞机库；1981年建成的主跨1410m的英国亨伯（Humber）吊桥；

1998年4月建成通车的中央跨长1991m的日本明石海峡吊桥（图1.6）,实现了超大跨度的飞跃。1996年建成

的地上88层、450m高的马来西亚吉隆坡石油大厦（图1.7）；于1998年动工、2004年12月正式开放的地下5

层，地上101层508m高的台北101大厦（图1.8）,被视为世界新“地标"，在高度方面向极限冲刺。钢结构技术

进入目前最高境界！

§1.6日本明石海峡吊桥图1.7石油大厦

图1.8阿联酋七星级酒店图1.9台北101大厦

中国钢结构的发展虽有辉煌的历史，但在半封建半殖民地的百年历史中落后了。1949年新中国成立后，由于钢产

量的限制，钢结构虽有发展，但数量少、规模小，仅在重型厂房、大跨度公共建筑以及塔桅结构中采用。鞍山、武

汉、包头等钢厂的炼钢、轧钢及连铸车间均采用了钢结构，

在公共建筑方面代表作有1962年建成的北京工人体育馆采用圆形双层辐射式悬索结构，直径94m；1967年建成

的浙江体育馆采用双曲抛物面正交索网的悬索结构，椭圆平面，80x60m；1975年建成的上海体育馆，跨度110m

的三向平板网架；1977年建成的北京环境气象塔为高达325m的5层纤绳三角形杆身的钢桅杆结构。

在桥梁方面代表作有：1957年建成的武汉长江大桥；1968年建成的南京长江大桥等。1978年以后，我国改革开

放政策实施，钢结构得到了前所未有的发展，应用领域得以拓展。比如，1994年建成的天津新体育馆，采用圆形

平面球面双层网壳，直径108m；1996年建成的嘉兴电厂干煤栅，采用矩形平面三心圆柱面双层网壳，跨度为

103.5m；1997年建成的上海体育馆马鞍山环形大悬挑空间钢结构屋盖，最大悬挑长度78m；

2000年建成的上海浦东国际机场航站楼张弦梁屋盖钢结构，张弦梁屋架最大跨度为80m。正建的中国国家大剧院

（图1.9）的钢结构东西跨度212.24m,南北跨度143.64m,高度46.285m,蛋壳面积3.5万米2;正建的2008奥

运会主场馆鸟巢（图1.10）等。这些建筑的建成标志我国大跨度空间钢结构已迅速接近国际先进水平。

图1.112008奥运会主场馆鸟巢图1.12中国国家大剧院

另外，高层及超高层钢结构建筑在北京、上海、深圳等地拔地而起，以地下5层，地上118层，632m的上海中心

大厦（图1.13）为代表，标志着我国超高层钢结构己进入世界前列！

图1.13上海中心大厦

综上所述，钢结构作为一种综合性能优良的结构，既有辉煌的历史，更有美好的未来。我国自1996年钢产量首次

突破1亿吨大关居世界第一至今，国家陆续推出一系列政策推动钢结构的应用，钢结构产业得到了前所未有的高速

发展。

超高层建筑前20国家

Buildings

AllTelecomAll

aCountryBuildings100m+150m*200m.300m+TowersStructures

1China1.9441.5601J4940939271.979

2UnitedStat”4,1052.41369216917184.193

3Japan3653391993518375

4UnMdArabEmtratas34127419587220341

5SouthKo<M334279

6Auttrslta658326

7Singapore155113

8Canada714439

9Indonesia330132

10Phitoppm»«108101

11Thailand10478

12Malaysia8671

13Panama7860

14Turkey119104

15Russia487155

16Repub*ofChina(Taiwan)8583

17Incfai13180

18Qatar8038

19Brazil158122

20Mexico11077

Building*

'三Buildings100150m*200m*

481

57675931263

H1.22122024058

一158

26217515264

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x二27510712946

19010111723

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h41911627

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E三

156677527

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三51

1902176023

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三

15b86519

16774811

17684716

三

三

18784621

534619

全球超高层建筑前20城市：4044216

2015年底全球超高层建筑排名

【钢结构课程】2.1钢结构用钢的种类及如何选用

第二章钢结构的材料

2.1钢结构用钢的种类及如何选用

2.1.1钢结构用钢的种类

钢材牌号由："Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法”四部分组成。

Q：表示"屈"字拼音首位字母，意为"屈服强度"；

质量等级：分A〜E五级（字序越高质量越好）；

脱氧方法：F—沸腾钢；Z一镇静钢（一般省略）；b一半镇静钢；TZ—特殊镇静钢。

注：碳素结构钢分：A、B、C、D四级，含所有脱氧方法；低合金结构钢分：A、B、C、D、E五级，只有镇静钢和

特殊镇静钢。

如前所述建筑结构用钢，宜选碳素结构钢中的Q235及低合金钢中的Q345、Q390、Q420四种钢材。

（1）碳素结构钢

碳素结构钢的牌号（简称钢号）有Q195、Q235A、B、C及D,Q275。其中的Q是屈服强度中屈字汉语拼音的

字首，后接的阿拉伯字表示以N/mm2为单位屈服强度的大小，A、B、C或D等表示按质量划分的级别，D级

质量最好。最后还有一个表示脱氧方法的符号如F,Z或b。从Q195到Q275,是按强度由低到高排列的；钢材强

度主要由其中碳元素含量的多少来决定，但与其他一些元素的含量也有关系。所以，钢号的由低到高在较大程度上

代表了含碳量的由低到高。

国内钢结构建筑中的次要构件使用最多的钢材是Q235（南方多用Q235B,北方多用Q235C）,市场上的热轧钢材

（如角钢、槽钢、工字钢、热轧方管、热轧圆管）多为Q235材质，Q345材侦也有，但相对少一些。次要构件如

支撑、橡托板等；

（2）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几种合金元素使钢的强度明显提高，故称低合金高强度结构钢。

Q345、Q390和Q420是钢结构设计规范规定采用的钢种。其符号的含义和碳素结构钢牌号的含义相同。这三种钢

都包括A、B、C、D、E五种质量等级，和碳素结构钢一样，不同质量等级是按对冲击韧性（夏比V型缺口试

验）的要求区分的。A级无冲击功要求；B级要求提供20℃冲击功AKVZ34J（纵向）；C级要求提供00C冲击功

AKV>34J（纵向）；D级要求提供一20℃冲击功AKv234J（纵向）；E级要求提供一40℃冲击功AKvZ27J（纵

向）。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。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。

国内钢结构建筑的主要受力构件多采用Q345材质（南方多用Q345B,北方多用Q345c或Q345D）。主要构件如

框架（刚架）结构的梁柱、吊车梁、大跨桁架等；

（3）高强钢丝和钢索材料

悬索结构和斜张拉结构的钢索、桅杆结构的钢丝绳等通常都采用由高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳。

高强钢丝是由优质碳素钢经过多次冷拔而成，分为光面钢丝和镀锌钢丝两种类型。

钢丝强度的主要指标是抗拉强度，其值在1570-1700N/mm2范围内，而屈服强度通常不作要求。高强钢丝的伸长

率较小，最低为4%,但高强钢丝（和钢索）却有一个不同于一般结构钢材的特点一一松弛，即在保持长度不变

的情况下所承拉力随时间延长而略有降低。

平行钢丝束由7根、19根、37根或61根钢丝组成。钢丝束内各钢丝受力均匀,弹性模量接近一般受力钢材。用

来组成钢丝束的钢丝除圆形截面外，还有梯形和异形截面的钢丝。

独尊辘嚏

上图为平行钢丝束的截面

上图为钢绞线

钢绞线亦称单股钢丝绳，由多根钢丝捻成。钢丝绳多由7股钢绞线捻成，以一股钢绞线为核心，外层的6股钢绞

线沿同一方向缠绕。

<6)

上图为钢丝绳的捻法及截面

上图为钢丝绳

2.1.2钢材的选择

选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，同时用材经济合理。

对建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。

（1）较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻；

（2）较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载；

（3）良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能；

据上要求，《钢结构设计规范》GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结

构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。

在选择钢材时应考虑下列各因素：

（1）结构或构件的重要性；

（2）荷载性质（静载或动载）；

（3）连接方法（焊接、加接或螺栓连接）；

（4）工作条件（温度及腐蚀介质）。

对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构，应选用质量较高的钢材。

钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强度fu、屈服强度fy、伸长率65（810）,冷弯180度及冲击韧性

ak,化学成分C、S、P等的极限含量，以及冶炼脱氧方法来衡量。

一般承重结构应有fu、fy.65以及C（<0.22%）,S、P的极限含量合格保证；焊接及重要的非焊接承重结构还应

具备冷弯180度合格保证（C<0.2%）；承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时，还应根据具体情况增加对ak的不

同要求。

Q235A钢的保证项目中，碳含量、冷弯试验合格和冲击韧性值并未作为必要的保证条件，所以只宜用于不直接承

受动力作用的结构中。当用于焊接结构时，其质量证明书中应注明碳含量不超过0.2%。

当选用Q235A、B级钢时，还需要选定钢材的脱氧方法。

连接所用钢材，如焊条、自动或半自动焊的焊丝及螺栓的钢材应与主体金属的强度相适应。

2.1.3材料的规格

钢结构构件一般宜直接选用型钢，这样可减少制造工作量，降低造价。型钢尺寸不够合适或构件很大时则用钢板

制作。型钢有热轧及冷成型两种。

(1)热轧钢板

热轧钢板按厚度分类：

(a)薄板，厚度不大于3mm(电工钢板除外)；

(b)中板，厚度在4-20mm；

(c)厚板，厚度在20-60mm(d)特厚板，厚度大于60mm。

在图纸中钢板用"-厚x宽x长(单位为毫米)"前面附加钢板横断面的方法表示，如：-12x800x2100等。一般钢

板采用标准尺寸的平板交货，如2m*6m等多中规格；

上图为厚板和中板的交货状态

上图为钢卷的交货状态

(2)热轧型钢

角钢——有等边和不等边两种。等边角钢，以边宽和厚度表示，如LlOOxlO为肢宽100mm、厚10mm的等边

角钢。不等边角钢，则以两边宽度和厚度表示，如L100x80xl0等。

上图为角钢

槽钢一一我国槽钢有两种尺寸系列，即热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。前者的表示法如［30a,指槽钢外廓高度

为750Px且腹板厚度为最薄的一种；后者的表示法例如［25Q,表示外廓高度为625px,Q是汉语拼音“轻”的拼音

字首。同样号数时，轻型者由于腹板薄及翼缘宽而薄，因而截面积小但回转半径大，能节约钢材减少自重。不过轻

型系列的实际产品较少。

上图为槽钢

工字钢一一与槽钢相同，也分成上述的两个尺寸系列：普通型和轻型。与槽钢一样，工字钢外轮廓高度的厘米数

即为型号，普通型者当型号较大时腹板厚度分a、b及c三种。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。两种工字

钢表示法如：I32c,I32Q等。

上图为工字钢，与H型钢不同的是工字钢翼缘为倾斜的。

H型钢和剖分T型钢一一热轧H型钢分为三类：宽翼缘H型钢（HW）、中翼缘H型钢（HM）和窄翼缘H型钢

（HN）。H型钢型号的表示方法是先用符号HW、HM和HN表示H型钢的类别，后面加"高度（毫米）x宽度

（毫米）"，例如HW300X300,即为截面高度为300mm,翼缘宽度为300mm的宽翼缘H型钢。剖分T型钢也分

为三类,即：宽翼缘剖分T型钢（TW）、中翼缘剖分T型钢（TM）和窄翼缘剖分T型钢（TN）。剖分T型钢系

由对应的H型钢沿腹板中部对等剖分而成。其表示方法与H型钢类同。

上图为H型钢和T型钢

上图为钢种热轧型钢截面

（3）冷弯薄壁型钢

是用0.42-6mm厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的（如图示）。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材，所用钢板

厚度为0.4-2mm,用做轻型屋面等构件。

等L边角用番L边等边角钢fZ形钢T卷边Z形钢C槽钢卷C边槽钢

LJTO◎,/VVVVVA^

向外卷边槽钢方管圆管

hi嘏在

（帽形钢）结梆帽if-QQ：1356745727

上图为冷弯型钢的常用截面

上图为C型钢上图为压型钢板，用于组合混凝土楼板

上图为彩钢板，用于屋面板和墙面板

薄壁型钢的常用型号及截面几何特性见《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018—2002的附录。

【钢结构课程】2.2钢材的机械性能及影响因素

2.2钢材的机械性能及影响因素

2.2.1钢材的破坏形式

两种破坏形式：

(1)塑性破坏：由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的

抗拉强度fu后才发生的。

(2)脆性破坏:脆性破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点fy,断裂从应力集

中处开始。破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的。

2.2.2钢材的主要机械性能

(1)单向拉伸试验曲线

根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用中，钢材的性能按理想弹塑性体考虑，fy定为钢材拉、压强度标准值。

抗拉强度

(2)钢材的主要机械性能

a.强度：fy强度设计标准值，设计依据；fU钢材的最大承载强度，安全储备。

b.塑性一65(810),钢材产生塑变时而不发生脆性断裂的能力，便于内力重分布，吸收能量，重要指标。

c.冷弯性能一90度、180度，在冷加工过程中产生塑性变形时，对产生裂纹的敏感性，是判别钢材塑性及冶金质量

的综合指标。

d.韧性一冲击韧性ak,钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的能力

(动力指标)，按常温(20度)、零温(0度)、负温(-20度、-40度)区分。

e.可焊性一表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能力一不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求。

2.2.3影响钢材性能的主要因素

(1)化学成份的影响

基本成份为铁，碳钢中含量占99%,碳、硅、铳为杂质元素，硫、磷、氮、氧为冶炼过程中不易除尽的有害元素。

碳：含碳T使强度T塑性、韧性、可焊性1,应控制在40.22%,焊接结构应控制在40.20%。

硅：含硅适量使强度T其它影响不大，有益，应控制S0.1〜0.3%

硅：含硅适量使强度T降低硫、氧的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益。

硫：含量T使强度T塑性、韧性、性能冷弯、可焊性1；高温时使钢材变脆一热脆现象。

磷：低温时使钢材变脆一冷脆现象；其它同硫。

氧、氮：氧同硫；氮同磷，控制含量40.008%：

(2)冶金与轧制的影响

冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用硅为脱氧剂，时间慢，

价格高，质量好。特殊镇静钢用用Si脱氧后，再用铝补充脱氧。

反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒

细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。

(3)冷作硬化与时效硬化

由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象称之为硬化现象。

冷加工时(常温进行弯折、冲孔剪切等)，钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化。

钢材中的碳、氮，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化”现象称之为时效硬

化。

(4)复杂应力与应力集中的影响

钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场

时则相反。

钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部应力增大并

多为同号应力场。

应力集中

当构件截面有突变

(孔洞、缺口等)

时，截面应力分布

将不再均匀，突变

处将产生高于平均

应力3〜4倍的局部

高峰应力。这种现

象称为应力集中。

(5)残余应力的影响

钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内部自相平衡的内力，残余应力虽对构件的强度无影响，但对构件

的变形(刚度)、疲劳以及稳定承载力产生不利影响(后续章节中将详细介绍)。

(6)温度的影响

温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。

正温影响

总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这一现象称之为热塑现象，温度达600度左右时,

钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为热煨温度。

需要说明：钢材在300度左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象。

钢材在300度以上时应采取隔热措施。

负温影响

随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某一特定温度时钢材

的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度。

温度卜降到负温时，钢材的强度虽有提高，但塑性、

韧性降低，脆性增加，出现脆性转变温度。

结构所处的环

境温度高于脆

性转变温度的

下限值L

【钢结构课程】2.3钢材在复杂应力下屈服条件、疲劳计算

2.3钢材在复杂应力下屈服条件、疲劳计算

2.3.1钢材在复杂应力下的屈服条件

在一般的梁中，只存在正应力。和剪应力T,贝IJ:

rT

aKi=yla+3r

在单向拉力试验中，单向应力达到屈服点时，

钢材即进入塑性状态。在复杂应力作用下，钢材由当只有剪应力时，<7=<)贝h

弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论计

算的折算应力。向与单相应力下的屈服点相比较来%=V3r2=VJr=f,.

判断：

%=我+寸+H-(q%+%q+<7q)+必+书+或由此得：f.

y、

当仁<8时为弹性状态；时为塑性状

态。因此，钢结构设计规范确定钢材抗剪强度为抗拉设计

如三向应力有一向应力很小(如厚度较小，厚度强度的0.58倍。

方向的应力可忽略不计)或为零时，则属于平面应当平面或立体应力皆为拉应力时，材料破坏时没有明

力状态，上式成为4^、底点工4+北显的塑性变形产生，即材料处于脆性状态。

钢材在单向拉伸时，以屈服点为界。应力小于屈服点

为弹性工作状态，大于屈服点为塑性状态.实际钢结构

中，钢材常是在两向或三向的复杂应力状态下工作，这

时钢材的屈服并不取决于一个方向的应力，而是由反映

各方向应力综合的应力函数，即"折和应力"来确定。折

算.应力按能M:强度理论计算：

22

=扶5—)2+(<7,-<75)+(<7,-<7,)]

当，钢材处于弹性工作状态；

当钢材处于塑性工作状状态。

2.3.2钢材的疲劳和疲劳计算

1疲劳破坏：钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成，扩展以至断裂破坏的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。疲

劳破坏属于脆性破坏。

2疲劳计算类别及参数取值：

（1）应力谱循环荷载在钢材内应起的反复循环应力随时间变化的曲线即为应力谱

（2）应力幅AgMmax）-cj（min）

试验与分析证明应力幅相同的情况下，最大最小应力无论是较高或较低，以及应力比是较大或较小，对疲劳强度基

本不起作用。

（3）疲劳计算类别：不同类别钢构件或连接的疲劳强度各不相同。按其疲劳性能的高低归并为八个疲劳计算类别,

并对每个类别规定了相应的参数取值。其中一类疲劳性能最好，八类最差。需要指出，疲劳破坏应力幅或疲劳允许

应力幅主要取决于应力循环次数以及构件或连接的具体构造细节和应力集中程度。

3疲劳曲线：对于不同的构件和连接用不同的应力幅在疲劳试验机上进行常幅循环应力试验可得试件发生疲劳破

坏时的应力循环次数n,将足够多的试验点连接起来，便得到Adn曲线，即疲劳曲线。

4钢构件和连接的疲劳计算：

规范规定当应力变化的循环次数大于等于十万次（nM10的5次方）时，应对应力循环中出现的拉应力的部位进行

疲劳计算，对不出现拉应力的部位一般不计算疲劳，计算疲劳时，不乘分项系数，也不乘动力系数，按弹性方法计

算其应力。

6常幅疲劳计算：

<[ACT]

常幅疲劳的容许应力幅：

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