《钢结构设计原理》课件全套 第1-8章 绪论 - PKPM轻钢门式刚架设计实例

钢结构设计原理第一章

绪论第二章 钢结构的材料第四章 轴心受力构件第五章 受弯构件第六章 拉弯和压弯构件第七章 门式钢架设计第三章 钢结构的连接第八章 PKPM轻钢门式刚架设计实例第1章绪论

主要内容：钢结构概述1.1钢结构设计的方法1.2钢结构设计的发展方向

1.3本课程主要内容、特点与学习方法1.4钢结构应用概况1.1.1钢结构应用概况我国是较早发明炼铁技术的国家之一。早在战国时期，我国炼铁技术已经相当盛行。汉明帝（公元60年前后）时期，建成了世界上第一座铁链桥——兰津桥。四川泸定大渡河桥湖北荆州玉泉寺13层铁塔我国古代铁质代表结构：铁链桥：明代建造的云南沅江桥、清代建造的贵州盘江桥和四川泸定大渡河桥。铁塔：宋代的湖北荆州玉泉寺13层铁塔、山东济宁铁塔寺铁塔和江苏镇江甘露寺铁塔等1.119世纪中叶，随着欧洲产业革命的兴起，钢结构在欧美各国的工业与民用建筑中得到广泛应用。英国威尔士的Brittania桥是锻铁型板与角铁经铆钉连接的典型代表1949年新中国成立后，我国的冶金工业和钢结构的设计、制造及安装水平有了迅速提高和发展。武汉长江大桥钢结构应用概况1.1.1钢结构应用概况1.1钢结构应用概况1.1.1钢结构应用概况深圳平安大厦599m，118层上海中心大厦高632m，121层深圳发展中心高153m，48层天津117大厦高492m，117层据资料介绍，截止2018年，世界范围内200m以上高楼总数近1500座，中国拥有的数量最多，体现中国高度。1.1钢结构应用概况1.1.1钢结构应用概况国家体育场鸟巢（333×297m）国家大剧院网壳（212×144m）港珠澳大桥（总长约55km）天眼射电望远镜（直径达500m）1.1强度高、结构质量轻材料均匀，可靠性高

塑性和韧性能好，结构抗震性能强耐腐蚀性差

容易实现工业化制造、现场安装耐热性差钢结构应用概况1.1.2钢结构的特点密封性好1.1钢结构应用概况

1）强度高、结构质量轻

2）材料均匀，可靠性高1.1.2钢结构的特点钢的屈服强度与密度之比值在建筑材料中最大，在相同结构体系及荷载条件下，钢结构自重较小。对于跨度较大屋盖结构，若采用薄壁型钢或空间结构钢架，结构的自重要远低于钢筋混凝土结构。钢材的内部组织均匀，接近于各向同性的匀质体，符合力学分析的基本假定，采用理论方法对钢结构的计算结果与实际工作状态更吻合.钢材由钢厂生产，钢材的组分及冶炼工艺严格控制，构件制作加工等环节精度高，钢材及构件质量稳定，钢结构可靠性高。1.1钢结构应用概况

3）塑性和韧性能好，结构抗震性能强1.1.2钢结构的特点材料塑性好，一般情况结构不会因为偶然或局部超载而突然断裂破坏；材料韧性好，具有良好吸能性和延性，使结构承受冲击和动力荷载的适应性较强，具有较高的抗震性能。1.1钢结构应用概况1.1.2钢结构的特点

4）容易实现工业化制造、现场安装钢结构构件便于在工厂机械化自动制造，大批量生产效率高，成品精确度较高；钢材焊接性能好，对栓孔不敏感，可采用焊接连接或螺栓连接；适用于装配式结构，采用工厂制造、工地安装的施工方法，可缩短建设周期，改善施工环境，降低污染，提高经济和社会效益。1.1钢结构应用概况1.1.2钢结构的特点

5）密封性好钢材组织严密，密封性好不渗漏，宜用于气密性、液密性要求高的常压或高压容器结构、大型油库、大直径的输油输气管道。1.1钢结构应用概况

6）耐热性差

7）耐腐蚀性差1.1.2钢结构的特点钢材具有一定的耐热性，长期经受100℃辐射热，其强度变化不大。温度大于300℃，材料性能下降明显；温度大于600℃，强度几乎降为0，完全失去承载能力。钢结构耐火性差，必须根据防火等级要求，进行相应的防火保护措施。钢材易锈蚀，特别是在潮湿并有腐蚀性介质的环境中容易锈蚀，钢结构耐锈蚀性较差，必须涂刷油漆或镀锌加以保护；还应对钢构件定期维护，比钢筋混凝土结构维护费用高。1.1大跨度空间结构高层建筑工业建筑桥梁钢结构高耸结构水利海洋工程钢结构密闭压力容器和大型管道轻型钢结构其他建筑物1.1.3钢结构的应用范围钢结构应用概况1.1钢结构应用概况1.1.3钢结构的应用范围大跨度空间结构高层建筑工业建筑1.1钢结构应用概况1.1.3钢结构的应用范围桥梁钢结构高耸结构水利海洋工程钢结构1.1钢结构应用概况1.1.3钢结构的应用范围密闭压力容器和大型管道轻型钢结构风力发电机体育场馆1.1钢结构设计的方法1.2.1钢结构设计的基本要求设计目的：在于使所建造的结构在结构的可靠与经济之间选择一种合理的平衡，力求以最经济的途径及适当的可靠度实现各种预定的功能，使结构满足安全性、适用性、耐久性要求。设计目标：技术先进、安全适用、经济合理、保证质量规范规定：结构的设计、施工和维护应使结构在规定的设计使用年限内以规定的可靠度满足规定的各项功能要求。1.2钢结构设计的方法1.2.1钢结构设计的基本要求设计内容：①结构方案设计，包括结构选型、构件布置；②材料选用及截面选择；③作用及作用效应分析；④结构的极限状态验算；⑤结构、构件及连接的构造；⑥制作、运输、安装、防腐和防火等要求；⑦满足特殊要求结构的专门性能设计。1.2钢结构设计的方法1.2.1钢结构设计的基本要求结构应满足的功能要求：①能承受在施工和使用期间可能出现的各种作用；②保持良好的使用性能；③具有足够的耐久性能；④当发生火灾时，在规定的时间内可保持足够的承载力；⑤当发生爆炸、撞击、人为错误等偶然事件时，结构能保持必要的整体稳固性，不出现与起因不相称的破坏后果，防止出现结构的连续倒塌。1.2钢结构设计的方法1.2.1钢结构设计的基本要求结构设计时，应采取适当的措施，使结构不出现或少出现可能的损坏：①避免、消除或减少结构可能受到的危害；②采用对可能受到的危害反应不敏感的结构类型；③采用当单个构件或结构的有限部分被意外移除或结构出现可接受的局部损坏时，结构的其他部分仍能保存的结构类型；④不宜采用无破坏预兆的结构体系；⑤使结构具有整体稳固性。1.2钢结构设计的方法1.2.2钢结构设计方法沿革1.容许应力设计法容许应力设计法在二十世纪50年代以前被长期广泛采用。目前我国在钢结构构件或连接的疲劳强度设计方面，仍采用容许应力设计法。理论基础：线弹性理论，使结构构件的实际应力σ小于或等于所给定的容许应力[σ]。k为大于1的安全系数，fy—钢材的屈服强度优点：表达简洁、计算比较简单缺点：笼统地采用了一个安全系数，使结构中各构件的安全度不尽相同，整个结构的安全度一般取决于安全度最小的构件，现在已经基本不在使用1.2钢结构设计的方法1.2.2钢结构设计方法沿革2.三系数极限状态设计法明确地提出了“承载能力极限状态”和“变形极限状态”两种极限状态的概念；在荷载及材料强度的取值方面部分地引入了概率原则。采用三个分项安全系数：①超载系数：

考虑荷载可能变动；②材料匀质系数：考虑材料性能的不均匀性；③工作条件系数：考虑结构及构件的工作特点和假定的计算模式偏差。二十世纪50年代中期至二十世纪70年代采用。优点：比容许应力设计法在设计概念上和计算方法上都有了较大的进步，避免单一安全系数的缺点。缺点：材料匀质系数的概念重复1.2钢结构设计的方法1.2.2钢结构设计方法沿革3.半概率极限状态法简称半概率法，1975年，我国试行第一本自编规范《钢结构设计规范》TJ17-74。采用容许应力设计法的表达形式，但却按承载能力极限状态经多系数分析后综合而得。引入荷载系数K1、材料系数K2、调整系数K3，对荷载效应标准值Sk和承载力标准值Rk进行调整。表达式：若将Rk用构件截面的几何特征和钢材屈服点表示α：构件截面的几何特征。缺点：半概率法只估计了超载和强度偏低同时存在的概率，结构的失效概率为二者乘积。无法反映超载和强度偏低可能仅出现一种时的失效概率——半概率法高估了结构的可靠度，偏于安全。限于工程案例偏少，仍采用的是定值法，没有按随机变量来处理各种影响因素。1.2钢结构设计的方法1.2.2钢结构设计方法沿革4.概率极限状态设计法《钢结构设计规范》GBJ17-1988，采用概率极限状态设计方法。《钢结构设计规范》GB50017-2003。采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式进行计算。改进：配合国家标准《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068、《建筑结构荷载规范》GB50009等的进行修订，计算方法上进行一些改进。现行《钢结构设计标准》GB50017-2017。除了疲劳计算和抗震设计外，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式进行计算。改进：内容和设计方法上进行全面修订，特别是首次引入“直接分析法”和“基于性能的钢结构抗震设计方法”，更便于实际应用。引入更多高强钢材的应用。1.2钢结构设计的方法1.2.3极限状态设计方法1.极限状态承载能力极限状态：指对应于结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形的状态。包括：构件或连接的强度破坏、脆性断裂、疲劳破坏，因过度变形而不适用于继续承载，结构或构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆。正常使用极限状态：指对应于结构或结构构件达到正常使用的某项规定限值的状态。包括：影响结构、构件、非结构构件正常使用或外观的变形，影响正常使用的振动，影响正常使用或耐久性能的局部损坏。1.2钢结构设计的方法1.2.4概率极限状态设计表达式2.设计状况对不同的设计状况，应采用相应的结构体系、可靠度水平、基本变量和作用组合等进行建筑结构可靠性设计。设计状况设计状况描述极限状态设计持久设计状况在结构使用过程中一定出现，且持续期很长的设计状况，其持续期一般与设计使用年限为同一数量级，适用于结构使用时的正常情况；承载能力极限状态设计，应进行正常使用极限状态设计，宜进行耐久性极限状态设计短暂设计状况在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，其持续期很短的设计状况，适用于结构出现的临时情况；承载能力极限状态设计，根据需要进行正常使用极限状态设计地震设计状况适用于结构遭受地震时的情况承载能力极限状态设计，根据需要进行正常使用极限状态设计偶然设计状况在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的设计状况，适用于结构出现的异常情况，包括结构遭受火灾、爆炸、撞击时的情况等。钢结构设计未考虑1.2钢结构设计的方法1.2.3极限状态设计方法3.概率极限状态设计法极限状态法概念：不使结构超越某种规定的极限状态的设计方法。采用功能函数Z(随机函数)，用以描述结构的极限状态：式中，g(·)：结构的功能函数；Xi(i=1,2，…，n)：影响结构或构件的基本变量，指结构上的各种作用和材料性能、几何参数等；在进行可靠度分析时，基本变量均应作为随机变量。R、S——分别为结构抗力、结构的作用效应。①Z>0结构处于可靠状态；②Z=0结构达到极限状态；③Z<0结构处于失效状态。1.2钢结构设计的方法1.2.3极限状态设计方法3.概率极限状态设计法结构的极限状态是结构由可靠转变为失效的临界状态，结构按照极限状态设计时:

或结构的可靠性：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力，对结构可靠性的定量描述，以概率表示结构的可靠度为：ps=P(Z≥0)概念：①“作用”:是指施加在结构上的集中力或分布力和引起结构外加变形或约束变形的原因，前者为直接作用，也称荷载；后者为间接作用。②“作用效应”:是指由作用引起的结构或结构构件的反应。③“抗力”:是指结构承受作用效应和环境影响的能力。1.2钢结构设计的方法1.2.3极限状态设计方法3.概率极限状态设计法失效概率：结构不能完成预定功能的概率，记为：结构可靠度与结构失效概率的关系：pf+ps=1可靠指标：是度量结构可靠度的数值指标，可靠指标为失效概率负的标准正态函数的反函数。为了使结构达到安全可靠与经济上的最佳平衡，必须选择一个结构的最优失效概率或目标可靠指标钢结构属延性破坏，总体安全等级为二级，按《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068，钢结构各种构件的可靠指标β值取3.2pf=P(Z<0)1.21.2.4概率极限状态设计表达式1.承载能力极限状态按承载能力极限状态设计钢结构时，应考虑荷载效应的基本组合，必要时尚应考虑荷载效应的偶然组合。结构构件、连接及节点的承载能力极限状态，应采用下列设计表达式：a.持久设计状况、短暂设计状况

应采用荷载的基本组合；b.地震设计状况

应采用荷载的地震组合：多遇地震设防地震式中：S —承载能力极限状况下作用组合的效应设计值：对持久或短暂设计状况应按作用的基本组合计算；对地震设计状况应按作用的地震组合计算；R、Rk—分别为结构构件的承载力设计值和承载力标准值γ0

—结构重要性系数；对安全等级为一级的结构构件不应小于1.1，对安全等级为二级的结构构件不应小于1.0，对安全等级为三级的结构构件不应小于0.9；γRE —承载力抗震调整系数，应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011的规定取值。钢结构设计的方法1.21.2.4概率极限状态设计表达式1.承载能力极限状态根据结构破坏产生的后果，即危及人的生命、造成经济损失、对社会或环境产生影响等的严重性，建筑结构的安全等级划分为三个等级安全等级破坏后果一级很严重：对人的生命、经济、社会或环境影响很大二级严重：对人的生命、经济、社会或环境影响较大三级不严重：对人的生命、经济、社会或环境影响较小钢结构的安全等级和设计使用年限应符合现行国家标准的规定。一般工业与民用建筑钢结构的安全等级应取为二级。建筑物中各类结构构件的安全等级，宜与整个结构的安全等级相同。对其中部分结构构件的安全等级可进行调整，但不得低于三级。钢结构设计的方法1.21.2.4概率极限状态设计表达式2.荷载基本组合的效应设计值建筑结构的荷载分永久荷载、可变荷载、偶然荷载三类。永久荷载：在设计使用年限内始终存在且其量值变化与平均值相比可以忽略不计的作用，或其变化是单调的并趋于某个限制的作用，包括结构自重、土压力、预应力等。可变荷载：在设计使用年限内其量值随时间变化，其变化与平均值相比不可以忽略不计的作用，包括楼面活荷载、积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度作用等。偶然荷载：在设计使用年限内不一定出现，而一旦出现其值很大，且持续期很短的作用，包括爆破力、撞击力等。钢结构设计的方法1.2基本组合的效应设计值分由可变荷载控制和永久荷载控制的两种情况：2.荷载基本组合的效应设计值由可变荷载控制的基本组合的效应设计值：式中，

——按第j个永久荷载标准值

计算的荷载效应值——按第i个可变荷载标准值

计算的荷载效应值；其中

为诸可变荷

载效应中起控制作用者；——第j个永久荷载的分项系数——第i个可变荷载的分项系数，其中

为主导可变荷载

的分项系数——第i个可变荷载考虑设计使用年限的调整系数，其中

为主导可变荷载

的调整系数——第i个可变荷载的组合值系数，按不同荷载形式选取，其值不应大于1；m、n——分别为参与组合的永久荷载数和可变荷载数。1.2.4

概率极限状态设计表达式钢结构设计的方法1.21）永久荷载的分项系数：当永久荷载效应对结构承载能力不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合应取1.35；当永久荷载效应对结构构件的承载能力有利时，不应大于1.0，一般情况下取1.0。2.荷载基本组合的效应设计值荷载分项系数的选取：永久荷载、可变荷载的分项系数取值不同

1.2.4

概率极限状态设计表达式由永久荷载控制的基本组合的效应设计值：钢结构设计的方法1.22）可变荷载的分项系数：对标准值大于4.0kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3；其他情况，应取1.4。3）可变荷载考虑设计使用年限的调整系数

：楼面和屋面活荷载使用年限的调整系数，设计使用年限50年为基准取1.0，设计使用年限为100年者取1.1，设计使用年限为5年者取0.9，其他使用年限的可按线性内插确定对于荷载标准值可控的活荷载，取1.02.荷载基本组合的效应设计值1.2.4

概率极限状态设计表达式钢结构设计的方法1.21.2.4

概率极限状态设计表达式3.正常使用极限状态

正常使用极限状态属于正常使用或耐久性能要求的某项规定限值。一般建筑结构根据不同的设计要求，分别采用荷载标准组合、频遇组合和准永久组合，设计表达式为：式中，

Sd——荷载效应的设计值； C——结构或构件达到正常使用要求的规定限值，如变形、裂缝、振幅、加速度等。

按正常使用极限状态设计钢结构时，只涉及变形验算，仅需考虑荷载效应的标准组合。荷载标准组合效应的表达式：正常使用极限状态设计时采用的是荷载标准值。钢结构设计的方法1.21.高效能钢材的研究和应用

高效能钢材的含义包括两个方面：研发生产新型截面形式的型钢，更好地发挥钢材的使用效果，提高钢材的有效承载力；H型钢：在多高层钢结构中广泛用于梁、柱、支撑等构件。比工字钢的翼缘宽度大，截面面积分配合理，抗弯能力强，侧向刚度大；与工字钢相比节省钢材，经济性好，便于与其他构件连接；与焊接组合截面构件相比，残余应力小、制作与构造方便。钢结构设计的发展方向1.31.高效能钢材的研究和应用

高效能钢材的含义包括两个方面：研发生产新型截面形式的型钢，更好地发挥钢材的使用效果，提高钢材的有效承载力；冷弯薄壁型钢：是钢板或带钢在冷状态下弯曲成各种断面形状的成品钢材。近年来，冷弯方钢管、压型钢板、波纹腹板工字钢等应用发展较快，尚可开发更多类型的截面型钢。冷弯型钢是一种经济的截面轻钢薄壁钢材，具有热轧不能生产的各种特薄、形状合理的截面。相同截面积下，冷弯薄钢的回转半径比热轧型钢可增大50%-60%，截面惯性矩可增加0.5-2倍，能合理发挥材料功能，与工字钢、角钢、槽钢相比较，可节省钢材30%-50%，是一种经济截面钢材。钢结构设计的发展方向1.31.高效能钢材的研究和应用

高效能钢材的含义包括两个方面：研制强度更高、性能更优的钢材。开发应用高强度牌号的钢材，在相同承载力要求下，可以节省大量钢材。现状：我国钢结构用的较多的是低碳钢Q235及低合金钢Q345，现在Q390、Q420、Q460和Q345GJ钢越来越多被采用。新型高性能钢材：Q500、Q550、Q620、Q690、Q460GJ、Q500GJ、Q550GJ、Q620GJ、Q690GJ等规范：《高强钢结构设计标准》JGJ/T483-2020。2008年北京奥运会国家体育场“鸟巢”工程中使用了Q460钢材钢结构设计的发展方向1.32.钢结构设计理论、设计方法的研究和完善

计算和测试手段愈先进，就愈能反映结构和构件的实际工作情况，从而合理使用材料，发挥其经济效益，并保证结构的安全。结构优化设计包括确定优化的结构形式和确定优化的截面尺寸。将强度、稳定性、刚度等一系列设计要求作为约束条件，用计算机解得优化的截面尺寸，比过去的标准设计节省钢材5%-10%。新的计算技术和测试技术对结构构件进行深入计算和测试，为了解结构或构件的实际性能提供了有利条件。钢结构设计的发展方向1.33.新型结构体系的应用和发展

新的结构形式：树状结构格鲁吉亚国家公正大厦北京大兴国际机场钢结构设计的发展方向1.33.新型结构体系的应用和发展

新的结构形式：悬索结构加拿大蒙特利尔世博会西德馆内蒙古鄂尔多斯体育馆钢结构设计的发展方向1.33.新型结构体系的应用和发展

新的结构形式：开合结构上海旗忠森林网球中心南通会展中心体育馆钢结构设计的发展方向1.33.新型结构体系的应用和发展

新的结构形式：膜结构水立方膜结构钢结构设计的发展方向1.3预应力钢结构：以高强度钢材代替部分普通钢材，从而达到节约钢材、提高结构效能和经济效益的目的。预应力煤棚预应力桁架施工3.新型结构体系的应用和发展

优点：充分发挥高强度钢材的作用，如弦支穹顶、张弦梁、预应力桁架、预应力网架等复合结构已经在大型体育场馆和会展中心及很多工程中得到了广泛应用。钢结构设计的发展方向1.3钢-混凝土组合结构钢混凝土组合梁桥3.新型结构体系的应用和发展

钢材具有抗拉强度高，结合混凝土宜于承受压力的特点，将钢置于受拉区而将混凝土布置于受压区，两种材料组合各取所长，取得最大的经济效果。主要形式：①压型钢板与混凝土组合板②钢梁与钢筋混凝土板组成的组合梁③钢管混凝土构件④薄壁方钢管混凝土压型钢板混凝土板钢结构设计的发展方向1.34.新高层钢结构的研究和应用

中央电视台总部大楼我国与国外经济发达国家相比，在设计理念、新产品研究开发、钢材品种质量、制作安装的设备及计算机应用以及科学管理等方面还有许多响应研究的课题。杭州世纪中心广州电视塔钢结构设计的发展方向1.35.装配式结构的研究与应用

目前国家积极推行装配式建筑发展，但在框架结构及其他房屋类型的装配式结构发展并不均衡，技术体系需完备有很多研究课题钢结构设计的发展方向1.3本课程主要内容、特点与学习方法1.4.1钢结构课程的主要内容及特点钢结构的材料钢结构的连接

金属疲劳S-N曲线低碳钢应力-应变曲线焊接螺栓连接钢结构基本构件轻型门式刚架设计轴心拉、压力作用偏心拉、压力作用弯矩、扭矩作用1.4本课程主要内容、特点与学习方法1.4.2钢结构课程的学习方法掌握基本概念，领会基本理论善于归纳分析，不断加深理解联系工程实践，增加识图与结构感性认知梳理解题思路，正确使用计量单位1.4钢结构与钢筋混凝土结构和木结构相比，具有工业化程度高，强度高且抗震性能优良，绿色环保并可再生等优势。在设计和施工中，要特别注意钢结构容易失稳、脆性状态下裂纹容易扩展和抗火性能差等不利因素

本章小结及学习指导

根据钢结构的优点和缺点，不难确定其合理的使用范围。大跨度、高层、重型、密闭结构和压力容器、抗震要求高的应优先采用钢结构，另外一方面，住宅和轻型厂房、拆装频繁的设施应采用钢结构。

钢结构杆件有受拉（杆和索）、受压、受弯、拉弯、压弯等受力形式。这些基本单元组成了各种形式的钢结构。本教材介绍钢构件和组成钢构件的板件，它们可以组合成各种复杂的结构体系。

本章小结及学习指导

承载力极限状态主要涉及强度、稳定、疲劳、倾覆破坏和不能继续承载的变形，正常使用极限状态主要涉及变形（刚度）、震动和影响正常使用或耐久性能的局部损坏。在钢结构设计和施工中，保证构件、连接和结构的两个极限状态都十分重要。学习本章时，要深入理解公式中各项符号的含义和使用方法。各项系数在荷载组合中要根据不同情况按规范规定取值。另外，材料抗力分项系数是隐含在附表中的。第2章钢结构的材料

主要内容：钢结构用材的基本要求

2.1钢材的主要性能2.2影响钢材性能的主要因素2.3复杂应力状态的工作性能2.4钢材的基本性能及其影响因素，钢材的性能指标，疲劳破坏的概念和疲劳验算方法，钢材的种类和规格钢材的规格及选用2.6钢材的破坏形式2.5钢材的基本要求2.11.

较高的强度要求钢材具有较高的屈服强度

fy：在同等荷载作用下，可减少构件的截面尺寸，节约钢材，降低结构自重；要求钢材具有较高的抗拉强度

fu：提高构件开孔截面抗拉断能力、抗撕裂能力，提高结构的安全储备。钢材的基本要求2.12.足够的变形变形能力：钢材的塑性和冲击韧性。对采用塑性设计的结构或地震多发区的结构而言塑性好，可变形量大，结构在破坏前会产生比较明显的变形，易于被发现；良好塑性的材料可调整局部应力峰值，使之应力集中区应力趋于平缓;提高构件的延性，降低脆性破坏风险。韧性好，动荷载作用下破坏时可吸收能量多，降低脆性破坏的危险程度。钢材的基本要求2.13.良好的工艺性能工艺性能：包括冷加工、热加工和焊接性能，以及对裂纹的敏感性。要求：

钢材易于加工成各种形式的结构，同时保证加工对钢材的强度、塑性及韧性不至于产生较大的不利影响。承重结构的钢材应具有抗拉强度、屈服强度、伸长率的合格保证，焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证。承受动力荷载的结构、重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有冲击韧性的合格保证。第2章钢结构的材料

主要内容：钢结构用材的基本要求

2.1钢材的主要性能2.2影响钢材性能的主要因素2.3复杂应力状态的工作性能2.4钢材的基本性能及其影响因素，钢材的性能指标，疲劳破坏的概念和疲劳验算方法，钢材的种类和规格钢材的规格及选用2.6钢材的破坏形式2.51.强度2.塑性

3.冲击韧性4.冷加工性5.热加工性6.焊接性能比例极限、屈服点、极限强度、屈强比伸长率、面缩率静力韧性、冲击韧性冷弯实验施工可焊性、使用可焊性抗腐蚀能力、抗疲劳能力围护材料及结构材料本身的要求设计主控指标钢材的主要性能2.2现行国家标准

：《碳素结构钢》GB/T700-2006、《低合金高强度结构钢》GB/T1591-2018和《建筑结构用钢板》GB/T19879-2015。钢材力学性能

：强度、塑性、韧性等，加工性能

：冷加工、热加工及焊接性能。钢材的主要性能钢材的主要性能2.22.2.1强度与塑性钢材的强度和塑性是在常温条件下，对钢材制作成的标准试件进行单向均匀拉伸试验测得的。加载速度较慢，认为是静载，直到将试件拉断为止.低碳钢单向均匀拉伸的应力-应变曲线钢材的单向拉伸试验a）试验前

b）试验后单向拉伸试验的标准试件钢材的主要性能2.22.2.1强度与塑性弹性阶段(OB段，包括OA段线弹性段和AB段非线性弹性段)A点比例极限

B点弹性极限屈服阶段(BC段)，屈服强度：屈服平台的最低应力值，作为材料强度的依据C点：上屈服点D点：下屈服点低碳钢单向均匀拉伸的应力-应变曲线屈服阶段(DE段，平滑段)：继续加载，应变持续增大，应力不再增加（也称为钢材的塑性流动阶段或称屈服平台）1.钢材的单向拉伸试验钢材的主要性能2.22.2.1强度与塑性强化阶段(EU段)，抗拉强度：曲线最高点对应的应力值，以塑性变形为主低碳钢单向均匀拉伸的应力-应变曲线颈缩阶段(U点之后)，颈缩：应力不升反降，试件局部将出现横向收缩现象。变形剧增，荷载下降，直至断裂。发生塑性变形后卸载，将保留一定量的塑性变形，卸载曲线与比例极限段近似平行。结构钢在屈服平台终点（E点）的应变可达2%~3%。1.钢材的单向拉伸试验钢材的主要性能2.22.2.1强度与塑性无明显屈服点钢材的应力-应变曲线屈服强度之前，应变很小(ε≈0.15%)近似为完全弹性体。也称名义屈服强度

f0.2：合金钢等高强度钢材，拉伸曲线没有明显屈服点或塑性平台，规定卸载后试件的残余应变ε=0.2%所对应的应力为其屈服点。曲线的近似可将钢材视为理想的弹塑性材料，其应力-应变曲线简化为二折线形理想弹塑性曲线条件屈服点屈服强度之后为塑性，屈服平台很长(ε≈0.15～2.5%)，可忽略应变硬化作用,应力不变，近似为完全塑性体.1.钢材的单向拉伸试验钢材的主要性能2.2衡量材料承受荷载作用时抵抗破坏的能力度量。钢材强度性能指标有抗拉强度

fu和屈服强度

fy，由钢材标准试件拉伸试验确定

强度指标2.2.1强度与塑性2.强度指标抗拉强度fu

衡量钢材大变形后抵抗拉断性能指标直接反映钢材内部组织的优劣与疲劳强度有着比较密切的关系屈服强度

fy

结构小变形与大变形的分界点衡量结构的承载能力确定强度设计值屈强比：钢结构钢材不应大于0.85（GB50011-2010）强屈比：用于塑性设计的钢材≥1.2，可看作是钢材强度储备的系数钢材的主要性能2.2

（2-1）试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数。

断后伸长率δ2.2.1强度与塑性3.塑性指标塑性：

是在外力作用下产生永久变形时抵抗断裂的能力。性能指标：断后伸长率

δ

和截面收缩率

ψ

。试件的标距l0取圆试件直径的5倍或10倍长度标定，相应的断后伸长率分别记为δ5和δ10钢材的δ5大于δ10：试件拉断时，其拉伸量主要来自于缩颈区的塑性变形。2钢材的主要性能2.2

试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。截面收缩率ψ（2-2）2.2.1强度与塑性3.塑性指标颈缩部分在三向拉应力状态下的最大塑性变形能力，ψ值越大塑性性能越好。衡量钢材在该拉伸应力状态下发生永久塑性变形而不致断裂的性质测量颈缩区面积较困难且误差较大，在钢材标准中往往只用断后伸长率Tips:非承重或由构造决定的构件要求保证抗拉强度和断后伸长率；承重结构还应保证断后伸长率钢材的主要性能2.2试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头缓慢加压，使试件弯成180度，如果试件外面、里面和侧面均不出现裂纹或分层，即为合格。常作为静力拉伸试验和冲击试验的补充试验。冷弯试验判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标(一定程度反应焊接性能)2.2.2冷弯性能冷弯性能试验Tips:

结构在制作、安装过程中要进行冷加工，尤其是焊接结构焊后变形的调直等工序，需要钢材有较好的冷弯性能。非焊接的重要结构以及需要弯曲成型的构件等亦都要求冷弯试验合格冷弯性能钢材的主要性能2.22.2.3钢材的冲击韧性：钢材在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，一般由冲击试验获得

试件：一般采用带V形缺口的Charpy试件，尺寸为10mm×10mm×55mm。设备：夏比试验机冲击韧性：当摆锤在一定高度落下试件被冲断后，摆锤所做的冲击功与试件缺口处净截面面积之比为冲击韧性，用冲击功AkV表示，单位为J(焦耳)。冲击试验冲击韧性试验及试件缺口形式韧性钢材的主要性能2.22.2.3钢材的冲击韧性：钢材的冲击韧性值随温度的降低而降低冲击韧性值越大，韧性越好，强度和塑性综合性能越优越冲击韧性与钢材的质量、轧制方向、厚度密切相关，现钢材标准规定按纵向取样。在负温下，较大厚度钢材的冲击韧性显著降低，应尽量采用较小厚度的钢材直接承受动力荷载、需验算疲劳的构件或处于低温工作环境的钢材应具有冲击韧性合格保证我国钢材标准中将试验从-40℃到20℃平均分为四档。根据工作温度，对钢材提出相应的冲击指标要求，以防止脆性破坏冲击韧性特点规定钢材的主要性能2.22.2.4

钢材的焊接性能

一定的焊接工艺条件下，所施焊的焊缝熔敷金属和母材金属均不产生裂纹，且焊接接头机械性能不低于母材机械性能的一种指标。钢材的焊接性（2-3）在焊接结构中，建筑钢的焊接性能主要取决于碳当量，碳当量宜控制在0.45%以下钢材化学成分中碳含量对焊接难度的影响最大。《钢结构焊接标准》GB50661，采用钢材碳当量(CEV)来衡量钢结构焊接难度。根据板件厚度、受力状态以及碳当量CEV范围以0.38%、0.45%、0.50%为界限，将钢结构焊接难度分为A（易）、B（一般）、C（较难）、D（难）四个等级。钢材的主要性能2.22.2.5钢材沿厚度方向的性能

常称Z向性能，是对钢板的抗层状撕裂能力的一种量度，厚度方向性能采用厚度方向拉伸试验的断面收缩率来评定。钢板厚度方向性能《厚度方向性能钢板》GB5313-2011，规定了钢板的厚度方向性能级别、试验方法及检验规则。采用厚度方向拉伸试验的断面收缩率来评定，试件采用圆截面。Tip:对于15mm~400mm的镇静钢钢板，根据断面收缩率（Z%）按3个试件平均值为15％、25％、35％，将钢板的厚度方向性能级别划分为Z15、Z25、Z35等三个级别。每个级别对硫含量进行限定，Z向级别越高，硫含量越低，其抗层状撕裂性能越好。钢板的层状撕裂常发生在构件的焊接节点处。焊缝收缩引起局部应力使钢板中产生层状撕裂。厚钢板较易产生层状撕裂。《钢标》规定，焊接承重结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢。钢材的主要性能2.22.2.6钢材的耐候性能——针对专用钢材所具有的附加性能在自然环境中可裸露使用，耐候性提高到普通钢材的6-8倍。低碳钢或低合金钢中添加Cu、P、Cr、Ni等提高抗腐蚀性。（力学性能、可焊性等）在大气作用下，耐候钢表面可形成致密的稳定锈层，以阻绝氧气和水的渗入而产生的电化学腐蚀过程，提高抗腐蚀性能。普通钢材每5年的腐蚀厚度可达0.1-1mm。耐候钢Tip:《钢标》规定，处于外露环境且对耐腐蚀有特殊要求或处于侵蚀性介质环境中的承重结构，可采用Q235NH、Q355NH和Q415NH牌号的耐候结构钢，其质量应符合现行国家标准《耐候结构钢》GB/T4171的规定。耐候性要求第2章钢结构的材料

主要内容：钢结构用材的基本要求

2.1钢材的主要性能2.2影响钢材性能的主要因素2.3复杂应力状态的工作性能2.4钢材的基本性能及其影响因素，钢材的性能指标，疲劳破坏的概念和疲劳验算方法，钢材的种类和规格钢材的规格及选用2.6钢材的破坏形式2.5影响钢材性能的主要因素2.3影响因素化学成分生产工艺钢材硬化温度应力集中残余应力重复荷载影响钢材性能的主要因素2.32.3.1化学成分的影响：

钢材的基本成份为Fe，碳钢中Fe含量占99％，其余C、Si、Mn等为杂质元素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。碳（C）：含C↑，使强度↑，塑性、韧性、可焊性↓，应控制在0.22%，焊接结构应控制在≤0.20%。锰（Mn）：锰是有益元素，它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性。锰是弱脱氧剂。但是锰可使钢材的可焊性降低，故含量有限制。硅（Si）：硅是有益元素，也是强脱氧剂。硅能使钢材的粒度变细，控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。硅的含量过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti）：

钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。2.3.1化学成分的影响：铝（Al）、铬（Cr）、镍（Ni）铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。硫（S）：硫是有害元素，当热加工及焊接使温度达800～1000℃时，可能出现裂纹，称为热脆。硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。一般不得超过0.045～0.05%。磷（P）磷是有害元素，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆，其含量应限制在0.045%以内。氧（O）、氮（N）：氧和氮也是有害杂质，氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。碳素结构钢和低合金高强度钢的化学成分分别见相关规范。影响钢材性能的主要因素2.32.3.2生产工艺的影响：常见的冶金缺陷：偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。偏析：指钢中化学成分的不一致和不均匀性。非金属夹杂：是指钢中含有的硫化物与氧化物等杂质。气孔：浇注钢锭时氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分逸出形成。钢材的生产大体分为炼铁、炼钢、轧制三道工序，炼铁是从铁矿石中得到铁，炼钢是将生铁或废钢与石灰石等原料炼成合乎化学成分要求的各类钢种。热轧可改善钢锭的铸造组织，使其晶粒细化，消除冶炼过程中的部分缺陷钢材的生产工序影响钢材性能的主要因素2.32.3.2生产工艺的影响：偏析：使钢材的塑性、冷弯性能、冲击韧性及焊接性下降。非金属夹杂：硫化物使钢材“热脆”，氧化物严重降低钢材的力学性能和工艺性能。裂纹：使钢材的冷弯性能、冲击韧性和抗脆性破坏的能力大大降低。厚度方向分层：严重降低冷弯性能。分层夹缝处易锈蚀，甚至形成裂纹，将大大降低钢材的冲击韧性及抗脆断能力。在承受垂直于板面的拉力时，易产生层状撕裂。冶金缺陷的影响热轧可改善钢锭的铸造组织，使其晶粒细化，消除冶炼过程中的部分缺陷轧制压缩比大的小型钢材，其强度、塑性、冲击韧性均优于压缩比小的大型钢材钢材性能还与轧制方向有关，顺着轧制方向（纵向）较好，横向较差。近年来，正火状态钢材（牌号后缀N）和热机械轧制状态钢材（牌号后缀M），在钢结构中得到应用，提高钢结构性能。影响钢材性能的主要因素2.3影响钢材性能的主要因素2.32.3.3钢材硬化的影响：

是指冷拉、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。也称为应变硬化。冷作硬化

是指氮和碳，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，俗称老化。时效硬化

硬化的结果总是要降低钢材的塑性和韧性，因此一般不利用硬化所提高的强度，同时要保证硬化后钢材抗脆断的能力（人工时效硬化检测冲击韧性）。

是指材料产生一定的塑性变形以后，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，从而使经冷作硬化的钢材发生应变时效硬化。应变时效硬化2.3.4温度的影响：强度随温度变化的总趋势：温度升高，钢材强度降低，应变增大温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而使钢材变脆

。小于200℃：钢材性能没有很大变化；250℃左右：钢材的强度fu反而略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色，称为蓝脆现象。250℃～350℃：屈服强度fy，极限强度fu显著下降，伸长率δ却明显增大，产生徐变现象430℃

～540℃：强度急剧下降，达600℃：强度接近为零。温度对钢材性能的影响Tips:当钢结构或构件的表面长期受辐射热达150℃以上，或可能受到炽热熔化金属的侵害时，应采用砖或耐热材料做成的隔热层加以防护。影响钢材性能的主要因素2.3高温影响2.3.4温度的影响：影响钢材性能的主要因素2.3工作温度下降，钢材的强度将略有提高，而塑性和韧性降低、脆性增大。在设计温度0℃以下低温工作环境的结构，特别是需要验算疲劳的构件以及承受静态荷载的重要受拉和受弯焊接构件，钢材须具有0℃冲击韧性或负温（-20℃或-40℃）冲击韧性的合格保证，以提高抗低温脆断的能力。低温影响当温度下降到负温某一范围时，其冲击韧性急剧降低，破坏特征明显地由塑性破坏转变为脆性破坏。低温脆断温度对钢材性能的影响正温范围内（0℃以上）：

钢构件中，如果存在孔洞、缺口、凹角或截面的厚度、宽度变化等引起截面的突变，截面应力分布不再均匀，主应力线在绕过孔口等缺陷时曲折、密集，在孔洞边缘或缺口尖端等局部出现高于其他部位的应力峰值。应力集中造成双向或三向应力场的复杂应力状态，使钢材塑性降低，易产生脆性破坏。2.3.5应力集中：影响钢材性能的主要因素2.3应力集中板件在孔口处应力集中2.3.5应力集中：影响钢材性能的主要因素2.3钢材塑性较好，应力不均匀现象会逐渐趋于平缓，不影响截面的极限承载能力。常温下承受静载作用的结构或构件，设计时一般可不考虑应力集中的影响。负温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，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中。应力集中对钢材性能的影响截面改变尖锐程度越大，试件的应力-应变曲线与标准试件偏离越大，应力集中现象越严重，钢材的塑性降低越严重，钢材发生脆性破坏的危险性越大。第2章钢结构的材料

主要内容：钢结构用材的基本要求

2.1钢材的主要性能2.2影响钢材性能的主要因素2.3复杂应力状态的工作性能2.4钢材的基本性能及其影响因素，钢材的性能指标，疲劳破坏的概念和疲劳验算方法，钢材的种类和规格钢材的规格及选用2.6钢材的破坏形式2.5钢材在复杂应力作用下的工作性能

2.4构件中任意一个点由平行六面体表示，三条棱边分别与x，y，z轴平行、边长分别为dx、dy、dz，表面按其法线与坐标轴平行，分别称为x面、y面、z面，外法线与坐标轴正向一致为正面，外法线与坐标轴负向一致为负面

2.4.1复杂应力状态的表达方式：六面体每个面上有一个正应力分量和二个剪应力分量。复杂问题物体内任意一点的应力分量有6个：3个正应力分量σx、σy、σz，3个剪应力分量τxy、τxz、τyz应力符号根据变形特征定义：正面上应力方向与坐标轴正向一致的为正；负面上应力方向与坐标轴负向一致的为正。应力分量剪应力互等定理：钢材在复杂应力作用下的工作性能

2.42.4.1复杂应力状态的表达方式：三个主应力按代数大小依次为σ1>σ2>σ3，主应力符号以拉为正以压为负。应力分量主应力单元体角度不同，六个应力分量的大小随之不同。当六面体旋转到某一特殊角度时，使得所有剪应力分量均为零，此时只有正应力分量主应力状态钢材在复杂应力作用下的工作性能

2.4当钢材承受复杂应力作用，不能以单一方向的应力来判断钢材是否屈服，而是按材料力学的第四强度理论又称Mises强度理论用折算应力与钢材的屈服强度比较判别。当

σeq≤fy时为弹性状态，当

σeq>fy时为屈服状态。2.4.2复杂应力状态的折算应力屈服判断复杂应力状态下的折算应力（Mises应力）钢材在复杂应力作用下的工作性能

2.42.4.2复杂应力状态的折算应力主应力表达的折算应力三向受拉是很危险的受力状态，在设计中应尽量避免出现同向应力状态。材料很难进入塑性状态，甚至到破坏时也没有明显的塑性变形，呈现脆性破坏。当某一向为异号应力，且同号两个应力相差又较大时，材料比较容易进入塑性状态，破坏呈塑性特征钢材在复杂应力作用下的工作性能

2.42.4.2复杂应力状态的折算应力平面应力状态下的折算应力荷载作用在第三方向上产生的应力很小可忽略。如平直薄钢板，在板面力作用下厚度方向上的应力可忽略不计，是二维应力状态。与z有关的所有应力分量均为0。平面应力状态当只有正应力σ和剪应力τ作用（如梁），即σx=σ，τxy=τ和σy=σ，则折算应力为:钢材在复杂应力作用下的工作性能

2.42.4.2复杂应力状态的折算应力纯剪作用时的折算应力在承受纯剪作用时，只有剪应力τ，σ=0，折算应力为：若σeq=fy，对应剪切屈服状态，此时剪应力称为剪切屈服强度，记为fvy剪应力达到0.58fy时，钢材进入剪切屈服状态，钢材的抗剪屈服强度是抗拉屈服强度的0.58倍。钢结构设计时，钢材的抗剪强度设计值取抗拉强度设计值的0.58倍。第2章钢结构的材料

主要内容：钢结构用材的基本要求

2.1钢材的主要性能2.2影响钢材性能的主要因素2.3复杂应力状态的工作性能2.4钢材的基本性能及其影响因素，钢材的性能指标，疲劳破坏的概念和疲劳验算方法，钢材的种类和规格钢材的规格及选用2.6钢材的破坏形式2.5钢材的破坏形式2.52.5.1塑性破坏分为塑性破坏、脆性破坏、疲劳破坏三类。钢材的破坏形式又称延性破坏，是由于应力超过屈服强度后材料产生明显塑性变形，当应力继续增大，断面出现颈缩，应力达到钢材的极限强度而导致破坏，有持续的变形时间。塑性破坏塑性破坏特征：钢材在断裂破坏前产生很大的塑性变形，断口呈纤维状，色发暗不反光，断口与作用力方向常成45°，有时能看到滑移的痕迹。Tips:从微观力学分析，钢材的塑性破坏实质上是由于剪应力超过晶粒抗剪能力而发生的，可通过采用一种标准圆棒试件进行拉伸破坏试验加以验证。钢材在发生塑性破坏时变形特征明显，容易被发现并可及时采取补救措施，因而不至于引起严重后果。适度的塑性变形能起到调整结构内力分布的作用，使原结构中应力不均匀的部位趋于均匀，从而提高结构的承载能力。钢材的破坏形式2.52.5.2脆性破坏脆断特征脆断原因断裂力学防止措施无明显变形，平均应力小，静力或少次数动载缺陷，裂纹，残余应力，应力集中，材料韧性 裂缝的平衡，扩展和失稳焊接工艺，残余应力，应力集中，低温冲击韧性脆性破坏特征：在破坏前无明显的变形征兆，名义应力往往比极限强度低很多，其断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆性破坏具有突然性，无法预测，故比塑性破坏更具危险性，在钢结构设计、施工与安装中应采取适当措施尽量避免。破坏前钢材变形很小几乎不出现塑性变形而突然发生的破坏脆性断裂Tips:从微观力学分析，脆性破坏是由于拉应力超过晶粒抗拉能力而产生的。防止脆性破坏的措施选材：根据使用要求，选择合适的钢材设计：改善构造形式，避免焊缝交错，降低应力集中，尽量采用薄钢板制作：尽量避免焊接或其它的残余应力使用：避免突然荷载和结构损伤钢材的破坏形式2.52.5.2脆性破坏钢材质量差：钢材的碳、硫、磷、氧、氮等元素含量过高，晶粒较粗，夹杂物等冶金缺陷严重，钢材塑性韧性差等；结构构造不当：孔洞、缺口或截面改变急剧或布置不当等使应力集中严重；制造安装质量差：焊接、安装工艺不合理，焊缝交错，焊接缺陷多，残余应力严重；结构承受较大动力荷载作用或在较低环境温度下工作等影响脆性破坏的因素

钢材在连续重复动荷载的作用下，构件上一点的应力大小随时间变化，虽然应力水平较低，却发生破坏的现象。钢材经过多次循环反复荷载作用而发生断裂的现象疲劳破坏

疲劳破坏过程

截面上的微小缺陷开始形成裂纹

裂纹缓慢扩展

裂纹达到临界尺寸而迅速断裂钢材的破坏形式2.52.5.3疲劳破坏《钢标》规定：直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数

n≥5×104时，应进行疲劳计算。影响钢材疲劳强度的因素：反复荷载引起的应力种类（如拉应力、压应力、剪应力、复杂应力等）

外部因素

应力循环的形式和次数

钢材内部残余应力的大小内部因素

钢材内部应力集中的程度

钢材的破坏形式2.52.5.3疲劳破坏影响钢构件和结构疲劳强度的因素：构件形状变化

（截面形状突变、截面削弱，构件表面凹凸不平等）构件内部存在的残余应力

应力集中：程度越严重，钢构件越容易发生疲劳破坏，疲劳强度就越低。

钢构件产生应力集中的主要原因：构件在冷加工过程中的加工硬化会导致应力集中和韧性降低

2.5.3疲劳破坏钢材的破坏形式2.5焊接钢结构疲劳强度：应力幅起控制作用，几乎与最大应力、最小应力及应力比、钢材的静力强度这些参量无关。钢构件和钢结构的疲劳破坏时的截面特点：光滑区（图中1区）：

微观裂纹在连续反复作用应力下逐步扩展，裂纹两侧的材料时而相互挤压时而分离，形成光滑区；粗糙区（图中2区）：

裂纹在长期连续反复应力作用下日益扩展使构件截面被逐渐削弱，直至截面残余部分不足以抵抗破坏时，构件会突然断裂。表面呈颗粒状的粗糙区就是由撕裂作用而形成的。2.5.3疲劳破坏钢材的破坏形式2.5其中，σmin为绝对值最小的应力，σmax为绝对值最大的应力，拉应力取正值，压应力取负值。钢材的破坏形式2.5应力幅：将最大拉应力与最小拉应力或压应力的代数差，表示应力变化的幅度，应力幅总是正值常幅应力循环：在整个应力循环过程中，应力幅始终保持为常量的应力循环变幅应力循环：若应力幅随时间而随机变化的应力循环曲线焊接部位：非焊接部位：2.5.3疲劳破坏钢材的破坏形式2.52.5.3疲劳破坏疲劳计算应采用容许应力幅法：应力应按弹性状态计算，容许应力幅应按构件和连接类别、应力循环次数以及计算部位的板件厚度确定。对非焊接的构件和连接，其应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳强度。容许应力法容许应力幅与构件和连接类别有关、与结构设计使用寿命有关。Tips:《钢标》在第16章“疲劳计算及防脆断设计”以正应力控制、剪应力控制疲劳强度的构件与连接进行分类。附录K：根据构件的构造细节和传力方向，将构件和连接进行编号归类。对每个项次的构件与连接的构造细节、计算应力幅的位置和方向做了详细描述，并规定每个项次应采用的疲劳计算类别。疲劳截止限：循环次数N

为1亿（1×108）次的特殊容许应力幅，认为应力幅低于疲劳截止限，结构不会出现累加损伤而发生疲劳破坏，可理解构件为无限寿命。2.5.3疲劳破坏正应力幅的疲劳计算常幅疲劳的容许正应力幅[Δσ]，根据在结构使用寿命选择当N<5×106时：当N≥5×106时：剪应力幅的疲劳计算焊接部位：非焊接部位：当N<1×108时：当N≥1×108时：钢材的破坏形式与疲劳破坏2.5当板厚大于25mm或直径大于30mm时，考虑到板件厚度对疲劳计算不利影响，引进板厚或直径修正系数

γt,其余情况γt=0。2.5.3疲劳破坏板厚或直径修正系数1)对于横向角焊缝连接和对接焊缝连接，当连接板厚t超过25mm时2)对于螺栓轴向受拉连接，当螺栓的公称直径d大于30mm时N——疲劳寿命（应力循环次数）；CZ、βZ

、CJ、βJ——构件和连接的相关参数，应根据《钢标》附录K规定的构件和连接类别采用，按《钢标》中表16.2.1-1和表16.2.1-2取值。钢材的破坏形式2.5

由预期使用期内应力循环总次数的变幅疲劳损伤与应力循环2×106次常幅疲劳损伤相等而换算得到的应力幅数值，2.5.3疲劳破坏等效应力幅

变幅疲劳验算钢材的破坏形式2.5第2章钢结构的材料

主要内容：钢结构用材的基本要求

2.1钢材的主要性能2.2影响钢材性能的主要因素2.3复杂应力状态的工作性能2.4钢材的规格及选用2.6钢材的破坏形式2.5钢材的规格及选用2.62.6.1钢材的牌号：平炉钢：冶炼时间长，成本较高。沸腾钢（代号F）：脱氧较差。半镇静钢（代号b）：脱氧充分。按冶炼方法分：转炉钢：生产效率高，成本低，已成为炼钢的主要方式。按脱氧方法分：镇静钢（代号Z）：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。特殊镇静钢（代号TZ）：加强脱氧剂铝或钛补充脱氧的镇静钢。轧制钢(热轧、冷轧)、锻钢、铸钢。按成型方法分类：2.6.1钢材的牌号：钢结构用的钢材主要有两种：碳素结构钢和低合金钢。碳素结构钢的表示方法：Q235-A·FQ屈服强度中屈字汉语拼音的字首阿拉伯字—表示屈服强度的大小，单位：表示按质量划分的级别：A、B、C、D脱氧方法的符号（Z、TZ可省略）F-沸腾钢b-半镇静钢Z-镇静钢TZ-特殊镇静钢钢材的规格及选用2.62.6.1钢材的牌号：1.碳素结构钢：钢号中质量分级由A到D，表示质量由低到高。A级钢——冲击韧性不作为要求条件，冷弯试验只在需方要求时进行；B级钢——要求常温（20±5℃）冲击韧性值Akv≥27J、冷弯合格；C级钢——要求（0℃）冲击韧性值Akv≥27J、冷弯合格；D级钢——要求负温（－20℃）冲击韧性值Akv≥27J、冷弯合格；对Q235钢来说，A、B两级的脱氧方法可以是Z、b或F，C级只能是Z，D级只能是TZ。

主要建筑结构用钢。碳素结构钢按现行标准规定的化学成分和机械性能取值，见附表1-1和附表1-2。Q195-Q275钢材的规格及选用2.62.6.1钢材的牌号：钢结构用的钢材主要有两种：碳素结构钢和低合金钢。低合金钢的表示方法：Q355NDQ规定的最小屈服强度数值，单位：N/mm2交货状态代号AR或WAR（通常省略）质量等级符号:B级、C级、D级、E级、F级钢材的规格及选用2.62.6.1钢材的牌号：2.低合金钢：当需方要求钢板具有厚度方向性能时，则在上述规定的牌号后加上代表厚度方向（Z向）性能级别的符号，如：Q355NDZ25

低合金钢是在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素（合金元素的总量低于5﹪），使钢的强度明显提高，故称低合金高强度结构钢。质量等级分B、C、D、E、F五种质量等级。钢材的规格及选用2.6交货状态代号有三种：AR或WAR（通常省略），即无代码、N或M。无交货状态代号（有AR或WAR）的为热轧状态交货的钢材，钢材未经任何特殊轧制和/或热处理的状态。N—交货状态为正火或正火轧制钢材。M—热机械轧制钢材。2.6.1钢材的牌号：钢材的规格及选用2.63.专用结构钢：专用结构钢的钢号是在相应钢号后再加上专业用途代号，如：高性能建筑用钢—GJ、桥梁用钢—q、压力容器用钢—R、锅炉用钢—g，船舶用钢—C（船舶用钢分A、B、D、E四级，无C级）。处于外露环境，且对耐腐蚀有特殊要求或处于侵蚀性介质环境中的承重结构，可采用Q235NH、Q355NH和Q415NH牌号的耐候结构钢。钢结构连接中的铆钉、高强度螺栓、焊条用钢丝等，各种连接材料有相关国标规范，采用满足连接使用要求的专门用钢。2.6.2钢材的规格：钢结构所用钢材的种类，按市场供应主要有热轧成型的钢板、型钢以及冷弯成型的薄壁型钢与压型板钢材的规格及选用2.6热轧型钢冷弯薄壁型钢部分压型钢板板型2.6.2钢材的规格：1.钢板：表示方法：—宽度×厚度×长度，单位：mm钢材的规格及选用2.6特厚钢板(厚度>60mm)扁钢钢板

分扁钢、特厚板、厚钢板及薄钢板四种。扁钢(厚度为4～60mm，宽度12～200mm)。主要用于组合梁的翼缘板、各种构件的连接板、桁架节点板和零件等。薄钢板(厚度为0.35～4mm，宽度500～1800mm)，冷轧成型。主要用于制造冷弯薄壁型钢。厚钢板(厚度4.5～60mm，宽度700～3000mm)，热轧成型。主要用作梁、柱、实腹式框架等构件的腹板和翼缘，以及桁架中的节点板。2.6.2钢材的规格：2.热轧型钢--工字钢：原表示方法:用号数表示，号数即为其截面高度的厘米数；20号以上的工字钢，同一号数有三种腹板厚度，分别为a、b、c三类。表示方法：I+高度值×

腿宽度值

×

腰厚度值(mm)

如

I450×150×11.5，简记为I45a，高度厘米数+类别钢材的规格及选用2.63.热轧型钢--槽钢：

热轧成型，有普通槽钢和轻型槽钢两种。表示方法：[+高度值×腿宽度值×腰厚度值(mm)。如[200×75×9，简记为[20b2.6.2钢材的规格：4.热轧型钢--角钢：

分不等边和等边两种。等边角钢以边宽和厚度表示：∠+边宽×边厚度

不等边角钢的表示方法为：∠+长边宽×短边宽×边厚度钢材的规格及选用2.65.热轧H型钢和剖分T型钢：热轧H型钢分为：宽翼缘H型钢(HW)、中翼缘H型钢(HM)、窄翼缘H型钢(HN)、薄壁H型钢(HT)四类。剖分T型钢表示：T（字符）+

高度h值×翼缘宽度值B×腹板厚度t1值×翼缘厚度t2值（mm）H型钢及剖分T型钢表示：H（字符）+

高度H值×翼缘宽度值B×腹板厚度t1值×翼缘厚度t2值(mm)2.6.2钢材的规格：6.冷弯型钢：冷弯型钢是采用薄钢板冷轧制成，与相同截面积的热轧型钢相比，其截面抵抗矩大，钢材用量显著减少按产品截面形状分为：冷弯方形空心型钢，简称方管，代号F；矩形管（J）；圆管（Y）；异形管（YI）常用截面形式钢材的规格及选用2.6冷弯开口型钢，也可简称为开口型钢，根据截面形状代号分别为：JD（等边角钢）、JB（不等边角钢）、CD（等边槽钢）、CB（不等边槽钢）、CN（内卷边槽钢）、CW（外卷边槽钢）、Z（Z形钢）、ZJ（卷边Z形钢）。2.6.2钢材的规格：7.压型钢板

：压型钢板是冷弯型钢的另一种形式，用厚度为0.32mm~2mm的镀锌或镀铝锌钢板、彩色涂层钢板冷轧（压）成的各种类型的波形板执行《建筑用压型钢板》GB/T12755-2008。冷弯型钢和压型钢板分别适用于轻钢结构的承重构件和屋面、墙面构件。钢材的规格及选用2.6（6）钢管：有热轧无缝钢管和焊接钢管两种。表示方法：Φ外径D×壁厚t，单位：mm。2.6.3钢材的选用原则与规定

正确选择钢材的原则是保证结构安全可靠、经济合理。选用原则

结构的重要性荷载情况连接方法钢材厚度和结构形式结构所处的温度和环境选材应考虑的主要因素

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。具体建议见教材。选用建议钢材的规格及选用2.6钢材宜采用

Q235、Q355、Q390、Q420、Q460、Q345GJ、Q390GJ、Q420GJ和Q460GJ，符合《碳素结构钢》GB/T700、《低合金高强度结构钢》GB/T1591和《建筑结构用钢板》GB/T19879Z向钢符合《厚度方向性能钢板》GB/T5313；耐候结构钢可采用Q235NH、Q355NH和Q415NH

，符合《耐候结构钢》GB/T4171；非焊接结构用铸钢件，符合《一般工程用铸造碳钢件》GB/T11352；焊接结构用铸钢件，符合《焊接结构用铸钢件》GB/T7659其他牌号钢材宜按照《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068进行统计分析。高强钢结构构件应采用Q460、Q500、Q550、Q620、Q690和Q460GJ、Q500GJ、Q550GJ、Q620GJ、Q690GJ，符合《高强钢结构设计标准》JGJ/T483-20202.6.3钢材的选用原则与规定《钢标》推荐的钢材牌号及标准钢材的规格及选用2.6A级钢仅可用于结构工作温度高于0℃的不需要验算疲劳的结构，且Q235A钢不宜用于焊接结构。需验算疲劳的焊接结构用钢材应符合下列规定：工作温度高于0℃：质量等级不应低于B级；工作温度-20℃~0℃：Q235钢、Q345钢、Q355钢不应低于C级，Q390钢、Q420钢及Q460钢不应低于D级；工作温度不高于-20℃：Q235钢、Q345钢和Q355

钢不应低于