钢结构钢结构快速入门教材第一、二章

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420.5m。

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120X18X3.5m,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12.4m,钢管壁厚60mmo

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镒钢）、Q390（15钵帆钢）、Q420（15锦帆氮钢），有些西方国家己把钢材的

屈服强度为700-800Mpa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铭锲等合金元素试制耐大气腐蚀的用钢，其抗

腐蚀性能可提高2〜4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600C。

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铭元素，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，认为不锈钢是含铭量在12%（严格讲，是11.74%）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,

将大致地分为铭系和铭银系两类。

提高耐蚀性一降低含碳量一低碳铭13

（铁素体系）一增加含铭量一低碳铭

铭系一铭1318

提高淬火硬度一增加含碳量一高碳铭13

同时提高耐蚀性（马氏体系）一增加含碳量一高碳铭18

锲铭系一18-8—提高耐蚀性一降低含碳量一低碳18-8

无磁性（奥氏体系）一添加其他元素一18-8Mg

但更为常用和具有实用意义的，是根据不锈钢在经900Tl00℃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，高银

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

三类不锈钢的成份与性能

大致成份册）

分类淬硬性耐腐蚀性加工性可可性磁性

CrNiC

马氏体系11〜25——L2以下有可可不可有

铁素体系16〜27—0.35以下无佳尚佳尚可有

奥氏体系16以上7以上0.25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（12X

W6）,而奥氏体系不锈钢大约是碳素钢的150舟（8Xl（r）。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，应动用含银量较高（标准型奥氏不锈钢为0Crl8Nil8）,或含有铜等添加元素的不锈

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A和屈服强度fy较高。钢结构设计把人作为强度承载力极限状态的标

志。7V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，/〃高可

增加结构的安装保障。

（2）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镒钢）、Q390钢（15镒钢钢）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c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（10C〜35C）,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⑸中OA段）：试验表明，当应力。小于比例极限（A点）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E=2.O6X1O5N/〃2〃Z2。当应力。不超过某一应力值工时，卸除荷载后试件的

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。达到力之前钢材处

于弹性变形阶段，简称弹性阶段。上,略高于/〃，二者极其接近，因而通常取比例极限。

和弹性极限，值相同，并用比例极限力表示。

(2)弹塑性阶段(图2T(b)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Ef=db/d£为切线

模量。E随应力增大而减小，当。达到时，月为零。

(3)屈服阶段(图2T(b)中BC段)：当。达到人后，应力保持不变而应变持续发展，

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fv。对碳含量较高的钢或高强度钢，常没有明显的

屈服点，这时规定取对应于残余应变%,=0.2%时的应力作为钢材的屈服点，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/v。考虑。达到后钢材暂时不能承受更大的荷载，且伴随产生很

大的变形，因此钢结构设计取力作为钢材的强度承载力极限。

(4)强化阶段(图2T(b)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。取人作为强度极限承载力的标志，

就成为材料的强度储备。

对于没有缺陷和残余应力影响的试件，。与人比较接近，且屈服点前的应变很小。

在应力达到.人之前，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

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421.2,

来保证塑性设计应有的储备能力。

(5)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6。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变能力。

钢材的人，。和5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。

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。

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rv及抗剪强度却均低于；剪变模量G也低于弹性模量Eo

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

弹性模星剪变模星线膨胀系数a按质量密度

E（N/mm2）G（N/mm2）（以每℃计）P（kg/m，

2.06X1057.9X1011.2X10*37.85X103

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，此外还有钵、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

镒和帆等。

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0.22%,对于焊接结构，应低于0.2%。

铸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。含适量的锦，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。但锦含量过高，会使钢材的可焊性降低。故应对锦和

硅含量有限制。

帆是熔炼钵电凡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

0.05%和0.045吼但是，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0.12乐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》(GB700-88)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锦铁进行脱氧，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锌等，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Q235-D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83.5%o

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1200C〜1300C,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

匕（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，在空气中缓量冷却。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500℃〜600℃,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260℃〜320c时，钢材有徐变现象。当温度

超过300C时，钢材的九、和E开始显著下降，而S显著增大；当温度超过400C时，

钢材的。、/v和E都急剧降低，达600℃时其承载能力几乎丧失。

在负温度范围内（0C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Z〜T2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T。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「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，从而使人提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种现象为冷

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200C〜300C,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

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一一塑性

体的结构钢材的弹一一塑性工作状态。在复杂应力状态下，钢材的屈服条件可以用折算应

力O@q与钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断

=板+>+一(%巴++Jbj+3(4+$+匕)

当时，为弹性状态；时，为塑性状态(屈服)。

在一般梁中，只存在正应力。和剪应力则上式成为

=5/cr2+3r2(2-2)

而在纯剪时，b=(),取/“=/v,可得：

r=/；/V3=().58/v

即剪应力达到0.58人时，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0.58o

若复杂应力状态采用主应力6、%和4来表示，则折算应力为

O«q=Jg13_%)2+(%一一3)2+。广6)2]

由上式可见，当钢材处于同号三向主应力（6，气,。3）作用，且彼此相关不大即

当2ab3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

力比值夕=5田"5Mx来表示，5海和分别表示每次应力循环中的最大和最小应力，

以拉应力为正。夕值在-1与+1之间，图中所示P=-1,0=0,2=+1时的应力循环

分别称为完全对称循环、脉冲循环和静荷载作用。△b=bmax-bmin称为应力幅，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bn.作用的结果，而是焊缝部

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/vo焊缝中存在的焊接缺陷

（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己达/；,

在外加应力由bmin增大到。max的过程中，该处的应力保持力并不增大。当外加应力5口近

减小到时，该处的应力将由人减小到-△b。可见在焊接结构中，由于残余应力

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

5nin为多大，夕为何值，其实际应力都变化在刀与刀-之间，因而名义应力己无

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?海和名义应力比

巴小/仁…有关c《钢结构设计规范》（GB50017-）把疲劳计算公式中的应力幅诡整为折算

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：

△cr<[ACT]

式中----对焊接部位为应力幅，=<Tmax-crniin；

对非焊接部位为折算应力幅，

△。二51。二%加；

[△<T]一一常幅疲劳的容许应力幅（N/mm2）,应按下式计算：

[ACT]=|-

）

式中n——应力循环次数；

C,（3——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550c左右时，降低幅度更为明显。

1.应力-应变曲线

根据试验资料r结构用钢当温度低于300C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

在进行高温时承载力计算时，取钢材的有效屈服强度。门作为材料强度指标。所谓有

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：

l.O(TM300'C)

750-7；

(300r

450vT、占750*C)

420

O(T>750lC)

式中%，20钢材有20C即室温时屈服强度;

钢材的温度。

二、钢构件的温度效应

钢材表面受火烧时，由丁构件截而呈薄壁状，且钢材的导热系数2=58卬/〃晨。是混

凝土的40倍，根据傅里叶定律热流强度q与温度梯度成正比

q=­A--

dx

当构件表面受热时，由于4较大，截面呈薄壁状，热量很快传到内部，因而温度梯度

dT/dd艮小，也就是表面温度与内部温度相差儿乎可以忽略不计，所以在钢结构截面耐

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15mirio

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9.11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0.05Mpa的涂料；

(4)腹板高度大于1.5m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，混凝土或破，钢丝网抹

耐火砂浆等。

当采用石膏板、蟀石板、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，羊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400mlI。

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

屏蔽法是把构件包臧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100C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（CWO.25%）、中碳钢（0.25%WCW6%）和高

碳钢（06%）；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W5%）、

中合金钢（5%W金元素总含量W10%）和高合金钢（金元素总含量＞10%）o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（SW0.05%,PW

0.045%）、优质钢（SW0.045%,PW0.04%并具有较好的机械性能）和高级优质钢（SW0.035%,

PW0.03%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》（GB700-88）

和《低合金高强度结构钢》(GB/T1591-94)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W

16mni时的屈服强度下限值，单位是N/mn?、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、镇静钢用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Q235-B,F,表示

屈服强度为235N/mm"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)o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级钢还要求碳和锌含量符合相

应等级的规定。对于机械性能，A级钢应保证/、,、0、5符合要求，B、C和D级钢还应

分别保证20C,-20℃的冲击韧性4底值有；及冷弯合格。

2.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Q345-B、Q390-D,法20-E。

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/T1591-94)代替的《低合金结构钢》(GB1591-88)

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c每种合金元素的平均含量小于1.5%

时，不标注其含量；达到或超过1.5%、2.5%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0.16%,合金元素为钵，且锌的平均含量＜1.5%。《低

合金高强度结构钢》(GB/T1591-94)与旧标准相应的钢号见下表0

低合金高强度结构钢新旧标准钢号对照表

GB/T1591-94GB/T1591-88

Q34512MnV,14MnNb,16Mn,16MnRE,18Nb

Q39015MnV,15MnTi,16MnNb

Q42015MnVN,14MnVTRE

低合金结构钢净化时应有碳、铸、硅、硫、磷合金元素化学成份和小、丸、6、冷

弯等机械性能的合格保证书。

3.专用结构钢

一些特殊用途的钢结构，如压力容器、桥梁、船舶、锅炉等，为适应其特殊受力和工

化条件的需要，常用专用结构钢。专用结构钢在碳素结构钢或低合金结构钢的基础上冶炼

而成，其要求更高，价格也较贵。专用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途代号

（压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材的专业用途代号分别为R、q、C和g）来表示。例如

16Mnq钢表示含碳量为0.16%,合金元素为铳且含量小于1.5%的低合金桥梁用结构钢。这

些专用结构钢的化学成分和机械性能及工艺性能见相应专用结构钢标准。

为了克服钢材易于锈蚀这一弱点，在钢材冶炼时加入少量的合金元素如Cu、Cr、Ni、

Mo、Nb、Ti、Zr、V等，使其在金属基体表面形成保护层，提高钢材的耐腐蚀性能，这种

钢材称为耐大气腐蚀钢，也叫耐候钢。我国生产的耐候钢的牌号和化学成分及机械性能等

可见《焊接结构用耐候钢》（GB4172）和《高耐候性结构钢》（GB4171）。它们都属于合金

钢，因而钢号的表示方法与合金钢相同，但钢材需进行淬火加回火热处理时，需在钢号末

尾添加代号-QT。例如15MnCuCr-QT钢表示含碳量为0.15%,合金元素为镒、铜、铭的淬火

加回火热处理耐候钢。

钢结构连接中的钾钉、高强度螺栓、焊条用钢丝等，也采用满足各自连接件要的专门

用钢。例如钏钉采用塑性和韧性等好的ML2（钾螺）、ML13钢；高强度螺栓采用优质碳素结

构钢（35-45号钢）或低合金结构钢（40B、35VB、20MnIiB）等,并且其制成的螺栓、螺母和

垫圈等需经热处理以进一步提高强度和质量。焊条用钢丝采用严格控制化学元素含量并有

良好焊接性能的焊丝钢，如H08、H10Mn2等。连接专门用钢的化学成分及机械性能等详见

相应标准。

三、钢材的选择

钢材的选择既要确定所用钢材的钢号，又要提出应有的机械性能和化学成分保证项

目，是钢结构设计的首要环节。选材的基本原则是既要保证安全可靠，又经济合理。钢材

的质量等级愈高，其价格也愈高。因此应根据结构的不同特点，来选择适宜的钢材。

对于重要的、直接承受动力荷载的、处于低温条件工作的、采用焊接连接的特别是部

件厚度大的焊接连接的结构和构件，应采用质量较高的钢材。

钢结构所用的钢材通常应有.fy、/〃、5、和S、P极限含量的合格保证。对于焊接结

构，还应有碳含量的合格保证。对于较大房屋的柱、屋架、托架、直接承受动力荷载的结

构、容器钢板结构的钢材，还应具有冷弯合格的保证c对于重级工作制和起重量250t的

中级工作制焊接吊车梁或类似结构的钢材，应具有常温（20C）冲击韧性合格的保证。当计

算温度较低时，则应根据温度需要具有0℃或-20℃（对Q235钢），0℃,-20℃或-40℃（对

低合金结构钢）低温冲击韧性合格的保证。设计时应根据不同情况的需要，选用能满足