【鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)培訓(xùn)教材】鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論知識

鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)培訓(xùn)教材之一鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論知識章啟新編著目錄第一章概論1第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用1第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍1第三節(jié)現(xiàn)代建筑鋼材的發(fā)展2第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料4第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)對所用材料的要求4第二節(jié)鋼材的主要機(jī)械性能5第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素7第四節(jié)鋼材的疲勞11第五節(jié)鋼材的溫度力學(xué)性能13第六節(jié)鋼材的鋼種、鋼號及選擇15第七節(jié)小結(jié)18第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接20第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的連接方法20第二節(jié)焊接方法、焊縫類型和質(zhì)量級別20第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形25第四節(jié)焊接連接的構(gòu)造計算27第五節(jié)普通螺栓連接的構(gòu)造和計算32第六節(jié)高強(qiáng)螺栓連接的性能和計算36第四章門式剛架44第一節(jié)結(jié)構(gòu)體系44第二節(jié)門式剛架的分類44第三節(jié)實腹式門式剛架45第四節(jié)實腹式門式剛架的設(shè)計48第五節(jié)柱腳的構(gòu)造與計算49第六節(jié)H型鋼的截面特性52第七節(jié)梁與柱、梁與梁連接構(gòu)造及計算57第八節(jié)支撐體系58第九節(jié)節(jié)點的連接與計算59第五章冷彎薄壁型鋼61第一節(jié)截面特性及用途61第二節(jié)新規(guī)范修訂的內(nèi)容62第三節(jié)檁條和墻梁的設(shè)計與構(gòu)造66第六章鋼結(jié)構(gòu)的除銹及防腐處理69第七章門式剛架結(jié)構(gòu)體系的常見通病及防范措施71附錄附圖一八十三（略）第一章概論第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的特點鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件較小，質(zhì)量較輕，便于運輸和安裝，便于裝拆、擴(kuò)建。適用于跨度大、高度高，承載重的結(jié)構(gòu)。1鋼材的材質(zhì)均勻，質(zhì)量穩(wěn)定，可靠度高；2鋼材的強(qiáng)度高，塑性和韌性好，抗沖擊和抗振動能力強(qiáng)；3鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化程度高，工廠制造，工地安裝，加工精度高，制造周期短，生產(chǎn)效率高，建造速度快；4鋼結(jié)構(gòu)抗震性能好；5耐腐蝕和耐火性差。第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍一、大跨度結(jié)構(gòu)體育場、館、會展中心、會堂、劇場、飛機(jī)庫、機(jī)車庫等。二、高層建筑紐約的西爾斯大廈共110層，總高443M；深圳的地王商業(yè)大廈總高368M；上海金茂大廈共88層，總高4205M。三、工業(yè)建筑設(shè)有大噸位吊車，煉鋼車間，船體車間，水壓機(jī)車間。四、輕鋼結(jié)構(gòu)后面重點講解。五、高聳結(jié)構(gòu)塔桅結(jié)構(gòu)高壓輸電塔，微波站，雷達(dá)站，火箭發(fā)射塔，海洋石油平臺。隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)發(fā)展，塔桅結(jié)構(gòu)由單一功能向多功能方向發(fā)展，如加拿大多倫多的電視塔為全鋼結(jié)構(gòu)，我國黑龍江省336M高的全鋼結(jié)構(gòu)多功能電視塔。六、活動式結(jié)構(gòu)水工鋼閘門，升船機(jī)，三峽的升船機(jī)1201835M，最大提升高度113M，重11800T。七、可拆卸或移動的結(jié)構(gòu)鋼棧橋、移動式平臺，發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)重量輕，便于運輸和安裝的優(yōu)點。加拿大已建成120多萬噸，可容納5000多人的海上采油平臺。八、高壓容器和大直徑管道三峽水利樞紐工程中的發(fā)電機(jī)組壓力鋼管內(nèi)徑達(dá)124M，鋼管壁厚60MM。九、抗震要求高的結(jié)構(gòu)十、特種結(jié)構(gòu)鋼煙囪、鋼水塔，紀(jì)念性建筑（北京的中華世紀(jì)壇）城市大型雕塑（南海大佛）。第三節(jié)現(xiàn)代建筑鋼材的發(fā)展一、高強(qiáng)度鋼材隨著人們對結(jié)構(gòu)性能要求的提高，研制和應(yīng)用高強(qiáng)度鋼材、優(yōu)質(zhì)鋼和各種低合金鋼，如Q345（16錳鋼）、Q390（15錳釩鋼）、Q420（15錳釩氮鋼），有些西方國家已把鋼材的屈服強(qiáng)度為700800MPA或更高強(qiáng)度的低合金鋼列入設(shè)計規(guī)范。二、耐候鋼美國在優(yōu)質(zhì)碳素鋼或低合金鋼中加入銅鉻鎳等合金元素試制耐大氣腐蝕的用鋼，其抗腐蝕性能可提高24倍。我國在80年代開始研制成功可焊接耐候鋼。三、耐火鋼美國在優(yōu)質(zhì)碳素鋼中加入銅等其他合金元素，研制成耐火鋼，耐火可達(dá)600。我國寶鋼武鋼都已生產(chǎn)耐火鋼，主要應(yīng)用在列車上。四、不銹鋼1不銹鋼的分類不銹鋼的定義是各式各樣的，因此不銹鋼鋼種的范圍也是不固定的，根據(jù)比較標(biāo)準(zhǔn)的定義，不銹鋼是指在鋼中加鉻元素，且形成鈍化狀態(tài)，具有不銹鋼特性的鋼材。另一種定義是根據(jù)塔曼耐酸法而作出的，認(rèn)為不銹鋼是含鉻量在12（嚴(yán)格講，是1174）以上的鋼材。對不銹鋼的分類，因上述定義的關(guān)系，也不是十分清楚的，通常，根據(jù)不銹鋼的成份，將大致地分為鉻系和鉻鎳系兩類。提高耐蝕性降低含碳量低碳鉻13（鐵素體系）增加含鉻量低碳鉻18提高淬火硬度增加含碳量高碳鉻13同時提高耐蝕性（馬氏體系）增加含碳量高碳鉻18鎳鉻系188提高耐蝕性降低含碳量低碳188無磁性（奧氏體系）添加其他元素188MG但更為常用和具有實用意義的，是根據(jù)不銹鋼在經(jīng)9001100高溫淬火處理后的反應(yīng)和微觀組織。將其分為三類即淬火后硬化的馬氏體系，淬火后不硬化的鐵素體系，高鎳系不銹鋼所具有的奧氏組織。這三類不銹鋼的成份與性能見下表鉻系鉻13三類不銹鋼的成份與性能大致成份（）分類CRNIC淬硬性耐腐蝕性加工性可焊性磁性馬氏體系112512以下有可可不可有鐵素體系1627035以下無佳尚佳尚可有奧氏體系16以上7以上025以下無優(yōu)優(yōu)優(yōu)無2不銹鋼的性能不銹鋼的性能與普通碳素鋼的性能不同。各種類型不銹鋼的性能也不完全相同。在物理性能方面，馬氏體系不銹鋼和鐵素體系不銹鋼的線膨脹系數(shù)接近低碳鋼的數(shù)值（12106），而奧氏體系不銹鋼大約是碳素鋼的150（8106）。鐵素體系不銹鋼和馬氏體系不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)紙為普通低碳素鋼的1/2左右，而奧氏體系不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)僅達(dá)普通低碳鋼的1/3左右。不銹鋼的彈性模量、密度及比熱等方面與普通低碳鋼基本上是同等程度的。由此可看出，不銹鋼的這些特點會對其機(jī)械性能和加工性能產(chǎn)生直接或間接的影響。從機(jī)械性能角度來看，鐵素體系不銹鋼與馬氏體系不銹鋼具有與低碳鋼較類似的性能。這兩種不銹鋼的抗拉強(qiáng)度要較普通低碳鋼高，而其屈服點一般不像低碳鋼那樣明顯。這兩種不銹鋼的抗沖擊能力是不一樣的，鐵素體系不銹鋼的抗沖擊能力較差，而馬氏體系不銹鋼在常溫下則有著優(yōu)良的韌性。奧氏體系不銹鋼在機(jī)械性能方面的特點是其屈服強(qiáng)度比較低，而伸長率與斷面收縮率先及抗擊值比較高，具有優(yōu)良的韌性。對焊接來說，馬氏體系不銹鋼與鐵素體系不銹鋼在焊接時冷卻速度要普通鋼慢得多；而奧氏體系不銹鋼焊接時，其變形的增大要比普通低碳鋼大得多。對不銹鋼的耐腐蝕性能要有正確的認(rèn)識。不銹鋼肯有優(yōu)良的耐腐性，是以在耐腐蝕方面的應(yīng)用為其目的和特點的鋼種。為了在工程中安全地使用不銹鋼，建立起不銹鋼并不一定都具有優(yōu)良的耐腐蝕性這一觀點是十分必要的。應(yīng)該清楚地認(rèn)識到，現(xiàn)實中存在著各式各樣的腐蝕，不同類型的不銹鋼對于不同類型的腐蝕的耐蝕性是很不相同的。因此，根據(jù)腐蝕的具體類型來判斷不銹鋼的耐蝕性是十分重要的。一般來說，不銹鋼是依靠其表面的鈍化膜來發(fā)揮其耐蝕性能的。因此，不銹鋼的耐蝕性能的好壞與其表面的鈍化情況有關(guān)。從這種觀點出發(fā)，對于強(qiáng)氧化性的酸來說，即使是像硝酸那樣的強(qiáng)酸，不銹鋼也能具有優(yōu)良的耐蝕性能，甚至耐蝕性能較差的鐵素體不銹鋼也可被允許使用。但是對于像稀硫酸、醋酸之類非氧化性或還原性的酸來說，由于此時不能發(fā)揮上述鈍化膜的作用，而不銹鋼與鐵的電極度電位幾乎是相同的，所以表現(xiàn)出不銹鋼不能耐腐蝕，即使是耐蝕性最好的奧氏體不銹鋼，其耐腐蝕性能也是不夠好的。在這種情況下，應(yīng)動用含鎳量較高（標(biāo)準(zhǔn)型奧氏不銹鋼為OCR18NI18），或含有銅等添加元素的不銹鋼，這些添加元素改善了不銹鋼的耐蝕性。另外，選擇含有鉬和硅元素的不銹鋼也能取得良好的效果，鉬和硅元素的存在，不僅使不銹鋼的總體耐腐蝕性提高，而且還使不銹鋼發(fā)生腐蝕的可能性大大降低。對于奧氏不銹鋼的使用，尚需特別注意晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕問題的發(fā)生。3不銹鋼的機(jī)械性能不銹鋼應(yīng)按不同分類不同牌號根據(jù)機(jī)械性能和合金元素進(jìn)行設(shè)計和選用相應(yīng)的焊條。1機(jī)械性能屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度伸長率牌號20MPAMPABS17727548052035402物理性質(zhì)彈性模量剪變模量線脹系數(shù)泊松比PAEPAG（每計奧氏體）03第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)對所用材料的要求一、鋼材的破壞形式要深入了解鋼結(jié)構(gòu)的性能，首先要從鋼結(jié)構(gòu)的材料開始，掌握鋼材在各種應(yīng)力狀態(tài)，不同生產(chǎn)過程和不同使用條件下的工作性能，從而能夠選擇合適的鋼材，不僅使結(jié)構(gòu)安全可靠和滿足使用要求，以能最大可能地節(jié)約鋼材和降低造價。鋼材的斷裂破壞通常是在受拉狀態(tài)下發(fā)生的，可分為塑性破壞和脆性破壞兩種方式。鋼材在產(chǎn)生很大的變形以后發(fā)生的斷裂破壞稱為塑性破壞，也稱為延性破壞。破壞發(fā)生時應(yīng)力達(dá)抗拉強(qiáng)度構(gòu)件有明顯的勁縮現(xiàn)象。由于塑性破壞發(fā)生前有明顯的變形，并且UF有較長的變形持續(xù)時間，因而易及時發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)救。在鋼結(jié)構(gòu)中未經(jīng)發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)救而真正發(fā)生的塑性破壞是很少見的。鋼材在變形很小的情況下，突然發(fā)生斷裂破壞稱為脆性破壞。脆性破壞發(fā)生時的應(yīng)力常小于鋼材的屈服強(qiáng)度斷口平直，呈有光澤的晶粒狀。由于破YF壞前變形很小且突然發(fā)生，事先不易發(fā)現(xiàn)，難以采取補(bǔ)救措施，因而危險性很大。二、鋼結(jié)構(gòu)對所有材料的要求鋼材的種類繁多，碳素鋼有上百種，合金鋼有300余種，性能差別很大，符合鋼結(jié)構(gòu)要求的鋼材只是其中的小部分。用以建筑鋼結(jié)構(gòu)的鋼材稱為結(jié)構(gòu)鋼，它必須滿足下列要求1抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計把作為強(qiáng)度承載力極限狀態(tài)的UFYFYF標(biāo)志。高可減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約鋼材和降低造價。是鋼材抗拉斷能力的極限，YFU高可增加結(jié)構(gòu)的安裝保障。U2塑性和韌性好。塑性和韌性好的鋼材在靜載和動載作用下有足夠的應(yīng)變能力，即可減輕結(jié)構(gòu)脆性破壞的傾向，又能通過較大的塑性變形調(diào)整局部應(yīng)力，使應(yīng)力得到重分布，提高構(gòu)件的延性，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震能力和抵抗重復(fù)荷載作用的能力。3良好的加工性能。材料應(yīng)適合冷、熱加工，具有良好的可焊性，不致因加工而對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、塑性和韌性等造成較大的不利影響。4耐久性好。5價格便宜。此外，根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體工作條件，有時還要求鋼材具有適應(yīng)低溫、高溫等環(huán)境的能力。根據(jù)上述要求，結(jié)合多年的實踐經(jīng)驗，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017主要推薦碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼中的Q345鋼（16錳鋼）、Q390鋼（15錳釩鋼）和Q420鋼（15MNVN鋼），可作為結(jié)構(gòu)用鋼。隨著研究的深入，必將有一些滿足要求的其他種類材可供使用。若選用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范還未推薦的鋼材時，需有可靠的依據(jù)，以確保鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。第二節(jié)鋼材的主要機(jī)械性能鋼材的主要機(jī)械性能（也稱力學(xué)性能）通常是指鋼廠生產(chǎn)供應(yīng)的鋼材在標(biāo)準(zhǔn)條件下拉伸、冷彎和沖擊等單獨作用下顯示出的各種機(jī)械性能。它們由相應(yīng)實驗得到，試驗采用的試件制作和試驗方法都必須按照各相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行。一、單向拉伸時的性能鋼材單向拉伸試驗按照金屬拉伸試驗方法（GB228）的有關(guān)要求進(jìn)行。鋼結(jié)構(gòu)所在用鋼材的標(biāo)準(zhǔn)試件在室溫（1035），以滿足靜力加載的加載速度一次加載所得鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線，簡化光滑曲線。由此曲線顯示的鋼材機(jī)械性能。詳見附圖一。1彈性階段（附圖一B中OA段）試驗表明，當(dāng)應(yīng)力小于比例極限（A點）PF時，與呈線性關(guān)系，稱該直線的斜率E為鋼材的彈性模量。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對所有鋼材統(tǒng)一取。當(dāng)應(yīng)力不超過某一應(yīng)力值時，卸除荷載25/1062MNEEF后試件的變形將完全恢復(fù)。鋼材的這種性質(zhì)稱為彈性，稱為彈性極限。在達(dá)到之EFEF前鋼材處于彈性變形階段，簡稱彈性階段。略高于，二者極其接近，因而通常取比EFPF例極限和彈性極限值相同，并用比例極限表示。PFEF2彈塑性階段（圖21B中AB段）在AB段，變形由彈性變形和塑性變形組成，其中彈性變形在卸載后恢復(fù)為零，而塑性變形則不能恢復(fù)，成為殘余變形。稱此階段為彈塑性變形階段，簡稱彈塑性階段。在此階段，與呈非線性關(guān)系，稱為切線模量。隨應(yīng)力增大而減小，當(dāng)達(dá)到時，為零。DET/TEYFTE3屈服階段（圖21B中BC段）當(dāng)達(dá)到后，應(yīng)力保持不變而應(yīng)變持續(xù)發(fā)展，YF形成水平線段，即屈服平臺BC。這時猶如鋼材屈服于所施加的荷載，故稱為屈服階段。實際上，由于加載速度及試件狀況等試驗條件的不同，屈服開始時總是形成曲線上下波動，波動最高點稱上屈服點，最低點稱下屈服點。下屈服點的數(shù)值對試驗條件不敏感，所以計算時取下屈服點作為鋼材的屈服強(qiáng)度。對碳含量較高的鋼或高強(qiáng)度鋼，常沒有YF明顯的屈服點，這時規(guī)定取對應(yīng)于殘余應(yīng)變時的應(yīng)力作為鋼材的屈服點，2020常稱為條件屈服點或屈服強(qiáng)度為簡單劃一，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中常不區(qū)分鋼材的屈服點或條件屈服點，而統(tǒng)一稱作屈服強(qiáng)度?？紤]達(dá)到后鋼材暫時不能承受更大的荷載，且YFYF伴隨產(chǎn)生很大的變形，因此鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計取作為鋼材的強(qiáng)度承載力極限。4強(qiáng)化階段（圖21B中CD段）鋼材經(jīng)歷了屈服階段較大的塑性變形后，金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，產(chǎn)生了繼續(xù)承受增長荷載的能力，應(yīng)力應(yīng)變曲線又開始上升，一直到D點，稱為鋼材的強(qiáng)化階段。稱試件能承受的最大拉應(yīng)力為鋼材的抗拉強(qiáng)度。在UF這個階段的變形模量稱為強(qiáng)化模量，它比彈性模量低很多。取作為強(qiáng)度極限承載力的Y標(biāo)志，就成為材料的強(qiáng)度儲備。UF對于沒有缺陷和殘余應(yīng)力影響的試件，與比較接近，且屈服點前的應(yīng)變很小。PFY在應(yīng)力達(dá)到之前，鋼材近于理想彈性體，在應(yīng)力達(dá)到之后，塑性應(yīng)變范圍很大而應(yīng)YFF力保持不增長，接近理想塑性體。因此可把鋼材視為理想彈塑性體，取其應(yīng)力應(yīng)變曲線（詳見附圖二）。鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計是以材料為理想彈塑性體的假設(shè)為依據(jù)的，雖然忽略了強(qiáng)化階段的有利因素，但卻是以應(yīng)高出多少為條件的。設(shè)計規(guī)范要求UFYF，來保證塑性設(shè)計應(yīng)有的儲備能力。21/YUF5頸縮階段（D點以后區(qū)段）當(dāng)應(yīng)力達(dá)到后，在承載能力最弱的截面處，橫截UF面急劇收縮，且荷載下降直至拉斷破壞。試件被拉斷時的絕對變形值與試件原標(biāo)距之比的百分?jǐn)?shù)稱為伸長率。伸長率代表材料在單向拉伸時的塑性應(yīng)變能力。鋼材的，和被認(rèn)為是承重鋼結(jié)構(gòu)對鋼材要求所必須的三項基本機(jī)械性能指標(biāo)。YFU二、鋼材的冷彎性能鋼材的冷彎性能由冷彎試驗來確定，試驗按照金屬彎曲試驗方法（GB232）的要求進(jìn)行。試驗時按照規(guī)定的彎心直徑在試驗機(jī)上用沖頭加壓（詳見附圖三），使試件彎曲180，若試件外表面不出現(xiàn)裂紋和分層，即為合格。冷彎試驗不僅能直接反映鋼材的彎曲變形能力和塑性性能，還能顯示鋼材內(nèi)部的冶金缺陷（如分層、非金屬夾渣等）狀況，是判別鋼材塑性變形能力及冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)。重要結(jié)構(gòu)中需要有良好的冷熱加工性能時，應(yīng)有冷彎合格保證。三、鋼材的沖擊韌性鋼材的沖擊韌性是指鋼材在沖擊荷載作用下斷裂時吸收機(jī)械能的一種能力，是衡量鋼抵抗可能因低溫、應(yīng)力集中、沖擊荷載作用等而致脆性斷裂能力的一項機(jī)械性能。在實際結(jié)構(gòu)中，脆性斷裂總是發(fā)生在有缺口高峰應(yīng)力的地方。因此，最有代表性的是鋼材的缺口沖擊韌性，簡稱沖擊韌性。鋼材的沖擊韌性試驗采用有V形缺口的標(biāo)準(zhǔn)試件，在沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行。沖擊韌性值用擊斷試樣所需的沖擊功表示，單位為J。KA沖擊韌性與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度低于某一負(fù)溫值時，沖擊韌性值將急劇降低。因此在寒冷地區(qū)建造的直接承受動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)，除應(yīng)有常溫沖擊韌性的保證外，還應(yīng)依鋼材的類別，使其具有20或40的沖擊韌性保證。詳見附圖四。四、鋼材受壓和受剪時的性能鋼材在單向受壓（短試件）時，受力性能基本上與單向受拉相同。受剪的情況也相似，但抗剪屈服點及抗剪強(qiáng)度均低于；剪變模量G也低于彈性模量E。YUUYF和鋼材的彈性模量E、剪變模量G、線膨脹系數(shù)和質(zhì)量密度。鋼材的物理性能指標(biāo)彈性模量E/2MN剪變模量G/2MN線膨脹系數(shù)（以每計）按質(zhì)量密度/3MKG2061057910412105785103第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素在一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)常用的結(jié)構(gòu)鋼既有較高的強(qiáng)度，又有很好的塑性和韌性，是理想的承重結(jié)構(gòu)材料。但是，有很多因素會影響鋼材的力學(xué)性能，可顯著降低塑性和韌性，促使發(fā)生脆性破壞。主要影響因素如下一、化學(xué)成分的影響鋼由多種化學(xué)成分組成，化學(xué)成分及含量直接影響鋼材的結(jié)晶組織，導(dǎo)致鋼材的力學(xué)性能改變。鋼的主要化學(xué)成分是鐵和少量的碳，此外還有錳、硅等有利元素，以及難以除盡的有害元素硫和磷等。在合金鋼中還有特意添加用以改善鋼材性能的某些合金元素，如錳和釩等。碳是使鋼材獲得足夠強(qiáng)度的主要元素。碳含量提高，則鋼材強(qiáng)度提高，但同時塑性、韌性、冷彎性能、可焊性及抗腐蝕能力下降。為使鋼材具有良好的綜合性能，結(jié)構(gòu)鋼材的碳含量不能過高。一般碳含量不應(yīng)超過022，對于焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)低于02。錳和硅是鋼材中的有利元素，它們都是煉鋼時的脫氧劑。加適量的硅可提高鋼材的強(qiáng)度，而對塑性、韌性、冷彎性能和可焊性無顯著的不良影響。但過量的硅將降低鋼材的塑性、韌性、抗腐蝕能力和可焊性。含適量的錳，要提高鋼的強(qiáng)度同時不影響的塑性和沖擊韌性，且可消除硫?qū)︿摰臒岽嘤绊?。但錳含量過高，會使鋼材的可焊性降低。故應(yīng)對錳和硅含量有限制。釩是熔煉錳釩合金鋼時特意添加的一種元素，能提高鋼材的強(qiáng)度和抗腐蝕能力，又不顯著降低鋼的塑性。硫和磷是鋼中的兩種有害成分，它們降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞性能。硫和磷可在高溫和低溫時使鋼材變脆，分別謂之熱脆和冷脆。一般硫和磷的含量應(yīng)不超過005和0045。但是，磷可提高鋼材的強(qiáng)度和抗腐蝕性?？墒褂玫母吡卒?，其磷含量可達(dá)012，這時應(yīng)減少鋼材中的含碳量，以保持一定的塑性和韌性。二、鋼材生產(chǎn)過程的影響生產(chǎn)過程的主要影響包括冶煉時的爐種、澆注時的脫氧方法和軋制及熱處理等的影響。1冶煉爐種的影響碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB70088）規(guī)定“鋼由氧氣轉(zhuǎn)爐、平爐或電爐冶煉”。電爐鋼質(zhì)量最佳，但電耗大，成本高，鋼結(jié)構(gòu)一般不采用。鋼結(jié)構(gòu)主要采用平爐和氧氣轉(zhuǎn)爐鋼，二者質(zhì)量大體相當(dāng)。平爐已關(guān)停，現(xiàn)無必要強(qiáng)調(diào)爐種的影響。2鋼的脫氧鋼液中殘留的氧，將使鋼材晶粒粗細(xì)不勻并發(fā)生熱脆。因此澆注鋼錠時要在爐中或盛鋼桶中加入脫氧劑以消除氧。因脫氧程度或方法不同，可把鋼分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼是采用弱脫氧劑錳鐵進(jìn)行脫氧，澆注鋼錠時鋼液中仍保留有較多的氧化鐵，它與其中的碳等化合生成一氧化碳等氣體大量逸出，致使鋼液產(chǎn)生“沸騰”，故稱沸騰鋼。沸騰鋼生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)周期短，消耗的脫氧劑少，生產(chǎn)成本低。但由于鋼液冷卻較快，氣體無法從鋼錠中全部逸出，冷卻后鋼內(nèi)形成許多小氣泡，并有較多的氧化鐵夾雜，且化學(xué)成分不夠均勻（稱為偏析），這些都是沸騰鋼的缺陷。這些缺陷可降低鋼材的沖擊韌性、抗冷脆性能和抗疲勞性能。鎮(zhèn)靜鋼是在鋼液中加入適量的強(qiáng)脫氧劑硅和錳等，進(jìn)行較徹底脫氧。硅與氧化鐵起作用時，產(chǎn)生較多的熱量，因而在鋼錠模中的鋼液冷卻較慢，大部分氣體可以析出。鋼液是在平靜狀態(tài)下凝固，故稱鎮(zhèn)靜鋼。鎮(zhèn)靜鋼的化學(xué)成分均勻，組織密實，雜質(zhì)少，因而沖擊韌性、可焊性、抗冷脆性能和抗疲勞性能等都優(yōu)于沸騰鋼，強(qiáng)度和塑性也略高。但鎮(zhèn)靜鋼的生產(chǎn)成本高于沸騰鋼。半鎮(zhèn)靜鋼是在鋼液中加入少量的強(qiáng)脫氧劑硅，脫氧程序、質(zhì)量和價格介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。特殊鎮(zhèn)靜鋼是用硅脫氧后再用更強(qiáng)的脫氧劑鋁補(bǔ)充脫氧，所得鋼材的沖擊韌性特別是低溫沖擊韌性都較高。我國碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235D鋼就屬于特殊鎮(zhèn)靜鋼。我國冶金行業(yè)正在推廣使用先進(jìn)的連鑄技術(shù)，2001年全國生產(chǎn)鋼材連鑄比達(dá)835。國家經(jīng)貿(mào)委要求2002年全國連鑄比達(dá)到88，以后逐年提高。采用連鑄技術(shù)生產(chǎn)的鋼材無沸騰鋼，現(xiàn)沸騰鋼產(chǎn)量大減。使用時應(yīng)注意市場供應(yīng)情況。將鋼錠加熱至12001300，通過軋鋼機(jī)將其軋成所需形狀和尺寸的鋼材，稱為熱軋型鋼。軋鋼機(jī)的壓力作用可使鋼錠中的小氣泡和裂紋彌合，并使組織密實。鋼材的壓縮比（鋼坯與軋成鋼材厚度為比）愈大，其強(qiáng)度和沖擊韌性也愈高。因此，設(shè)計規(guī)范對于不同厚度的鋼材，采用不同的強(qiáng)度設(shè)計值。軋制后的鋼材若再經(jīng)過熱處理可得到調(diào)質(zhì)鋼。熱處理常采用下列方式。1淬火把鋼材加熱到900以上，放入水或油中快速冷卻。硬度和強(qiáng)度提高，但塑性和韌性降低。2正火把鋼材加熱至900以上，在空氣中緩慢冷卻?？筛纳平M織，細(xì)化晶粒，相當(dāng)于熱軋狀態(tài)。3回火把淬火后的鋼材加熱至500600，空氣中緩慢冷卻?？蓽p少脆性，提高綜合性能。我國結(jié)構(gòu)用鋼按照熱軋狀態(tài)交付使用，高強(qiáng)度螺栓要熱處理，軌道表面要熱處理。三、溫度的影響鋼材的機(jī)械性能隨溫度的變化而有所變化。在正溫度范圍內(nèi)（0以上），溫度升高不超過200時，鋼材的性能變化不大；在250左右，鋼材的略有提高，但塑性和韌UF性均下降，此時鋼材破壞常呈脆性破壞特征，鋼材表面氧化膜呈現(xiàn)藍(lán)色，稱為藍(lán)脆。鋼材應(yīng)避免在藍(lán)脆溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱加工。當(dāng)溫度在260320時，鋼材有徐變現(xiàn)象。當(dāng)溫度超過300時，鋼材的、和E開始顯著下降，而顯著增大；當(dāng)溫度超過UFY400時，鋼材的、和E都急劇降低，達(dá)600時其承載能力幾乎喪失。UFY在負(fù)溫度范圍內(nèi)（0以下），隨著溫度降低，鋼材的強(qiáng)度雖有提高，但塑性和韌性降低，材料逐漸變脆，這種性質(zhì)稱為低溫冷脆。詳見附圖五是鋼材沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線。由圖可見，材料由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐氖窃谝粋€溫度區(qū)間T1T2內(nèi)完成的，稱此溫度區(qū)間為鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，其間曲線反彎點所對應(yīng)的溫度T0稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。設(shè)計選區(qū)用鋼材時應(yīng)使其脆性變溫度區(qū)的下限溫度T1低于結(jié)構(gòu)所處的工作環(huán)境溫度，即可保證鋼結(jié)構(gòu)低溫工作的安全。每種鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)需由大量的試驗和統(tǒng)計分析確定。四、冷加工硬化和時效硬化鋼材在常溫下加工稱為冷加工。冷拉、冷彎、冷壓、沖孔、機(jī)械剪切等冷加工使鋼材產(chǎn)生很大的塑性變化，從而使提高，但同時降低了鋼材的塑性和韌性，這種現(xiàn)象為YF冷加工硬化（應(yīng)變硬化）。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計一般不利用冷加工硬化造成的強(qiáng)度提高，而且對直接承受動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)還應(yīng)設(shè)法消除冷加工硬化的影響，如將局部硬化部分用刨邊或擴(kuò)鉆予以消除。在高溫時熔化于純鐵體中的少量氮和碳，隨時間的增長逐漸從純鐵體中析出，形成自由氮化物和碳化物存在于純鐵體晶粒間的滑動面上，阻礙了純鐵體晶粒間的滑移，從而使鋼材的強(qiáng)度提高，塑性和韌性下降，這種現(xiàn)象稱為時效硬化。不同種類鋼材的時效硬化過程可從幾小時到數(shù)十年。為加快測定鋼材時效后的性能，常先使鋼材產(chǎn)生10的塑性變形，再加熱到200300，然后冷卻到室溫進(jìn)行試驗。這樣可使時效在幾小時完成，稱為人工時效。有些重要結(jié)構(gòu)要求對鋼材進(jìn)行人工時效，然后測定其沖擊韌性，以保證結(jié)構(gòu)具有長期的抗脆性破壞能力。五、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的影響在單向拉力作用下，當(dāng)單向應(yīng)力達(dá)到屈服點時，鋼材屈服而進(jìn)入塑性狀態(tài)。在復(fù)YF雜應(yīng)力如平面或立體應(yīng)力（詳見附圖六）作用下，鋼材的屈服并不只取決于某一方向的應(yīng)力，而是由反映各方向應(yīng)力綜合影響的某個“應(yīng)力函數(shù)”，即所謂的“屈服條件”來確定。根據(jù)材料強(qiáng)度理論的研究和試驗驗證，能量強(qiáng)度理論能較好的闡明接近于理想彈塑性體的結(jié)構(gòu)鋼材的彈塑性工作狀態(tài)。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，鋼材的屈服條件可以用折算應(yīng)力與鋼材在單向應(yīng)力時的屈服點相比較來判斷EQYF32222ZXYXXZYXZYX當(dāng)時，為彈性狀態(tài)；時，為塑性狀態(tài)（屈服）。EQFYEQF在一般梁中，只存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力，則上式成為（22）23EQ而在純剪時，取，可得0YEQFYYFF58/即剪應(yīng)力達(dá)到058時，鋼材進(jìn)入塑性狀態(tài)。所以鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范取鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計值為抗拉強(qiáng)度設(shè)計值的058。若復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)采用主應(yīng)力、和來表示，則折算應(yīng)力為12321212EQ由上式可見，當(dāng)鋼材處于同號三向主應(yīng)力（，）作用，且彼此相關(guān)不大即3當(dāng)時，即使各主應(yīng)力很高，材料也很難轉(zhuǎn)入屈服和有明顯的變形。但是由123于高應(yīng)力的作用，聚集在材料內(nèi)的體積改變應(yīng)變能很大，因而材料一旦遭致破壞，便呈現(xiàn)出無明顯變形征兆的脆性破壞特征。六、應(yīng)力集中的影響鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件中有時存在著孔洞、槽口、凹角、截面的厚度和寬度的突然改變以及鋼材內(nèi)部缺陷等。此時，構(gòu)件中的應(yīng)力分析變得很不均勻，在缺陷或截面變化處附近將產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，其余部位應(yīng)力較低且分布極不均勻詳見附圖七，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。截面的高峰應(yīng)力與凈截面的平均應(yīng)力之比稱為應(yīng)力集中系數(shù)，其值取決于截面突然改變的急劇程度。力學(xué)分析表明，在應(yīng)力高峰區(qū)域存在著同號的雙向或三向應(yīng)力。由能量強(qiáng)度理論得知，這種同號的雙向或三向應(yīng)力場有使鋼材變脆的趨勢。應(yīng)力集中系數(shù)越大，變脆的傾向亦愈嚴(yán)重。但由于結(jié)構(gòu)鋼材塑性較好，在靜力荷載作用時，能使應(yīng)力進(jìn)行重分配，直到構(gòu)件全截面的應(yīng)力都達(dá)到屈服強(qiáng)度。因此，應(yīng)力集中一般不影響構(gòu)件的靜力極限承載力，設(shè)計時可不考慮其影響。但在負(fù)溫下或動力荷載作用下工作的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中的不利影響將十分突出，往往，是引起脆性斷裂的根源，故在設(shè)計中應(yīng)采取措施避免或減小應(yīng)力集中，選用質(zhì)量優(yōu)良的鋼材。在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造、安裝和使用過程中，應(yīng)積極采取措施，減小或消除上述促使鋼材轉(zhuǎn)脆的各種因素的影響，防止脆性斷裂的發(fā)生。第四節(jié)鋼材的疲勞一、鋼材疲勞的基本概念鋼材在反復(fù)荷載作用下，在應(yīng)力低于鋼材抗拉強(qiáng)度甚至低于屈服點時突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞或疲勞破壞。疲勞破壞屬于脆性破壞，危險性較大。鋼結(jié)構(gòu)中總存在有微觀裂紋或類似的缺陷，在反復(fù)荷載作用下，截面改變處的應(yīng)力高峰區(qū)也會產(chǎn)生微觀裂紋。在多次反復(fù)荷載作用下，微觀裂紋不斷開展，構(gòu)件有效截面面積相應(yīng)減小，應(yīng)力集中現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。當(dāng)荷載反復(fù)循環(huán)達(dá)一定次數(shù)N（疲勞壽命）時，裂紋擴(kuò)展使得凈截面承載力不足以承受外力作用時，構(gòu)件突然斷裂，發(fā)生疲勞破壞?？梢娖谄茐囊话憬?jīng)歷裂紋形成、裂紋緩慢擴(kuò)展和最后迅速斷裂三個階段。反復(fù)荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力重復(fù)1周叫做1個循環(huán)詳見附圖八。應(yīng)力循環(huán)特征常用應(yīng)力比值來表示，和分別表示每次應(yīng)力循環(huán)中的最大和最小應(yīng)MAXIN/MAXIN力，以拉應(yīng)力為正。值在1與1之間，圖中所示，時的應(yīng)力101循環(huán)分別稱為完全對稱循環(huán)、脈沖循環(huán)和靜荷載作用。稱為應(yīng)力幅，MINAX表示應(yīng)力變化的幅度。試驗表明，焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞并不是名義最大應(yīng)力作用的結(jié)果，而是焊縫AX部位足夠大小的應(yīng)力幅反復(fù)作用的結(jié)果。焊接結(jié)構(gòu)存在較大的殘余應(yīng)力，如焊接工字形板梁腹板與翼緣間的焊縫處的殘余拉應(yīng)力常高達(dá)鋼材的屈服強(qiáng)度。焊縫中存在的焊接YF缺陷（如夾渣、孔洞等）常成為裂紋的起源。當(dāng)反復(fù)荷載作用時，梁受拉翼緣的實際應(yīng)力為施加荷載產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力與殘余應(yīng)力聯(lián)合作用。因最大殘余拉應(yīng)力的區(qū)域應(yīng)力已達(dá)，在外加應(yīng)力由增大到的過程中，該處的應(yīng)力保持并不增大。當(dāng)外加YFMINAXYF應(yīng)力減小到時，該處的應(yīng)力將由減小到?？梢娫诤附咏Y(jié)構(gòu)中，由MAXIYFYF于殘余應(yīng)力的影響，在最有可能出現(xiàn)疲勞裂紋的應(yīng)力高峰所在部位，無論外加應(yīng)力循環(huán)中的和為多大，為何值，其實際應(yīng)力都變化在與之間，因而名AXINYF義應(yīng)力已無實際意義。因此，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017疲勞計算采用了應(yīng)力幅的表達(dá)式。非焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力比焊接結(jié)構(gòu)小，其抗疲勞性能也比焊接結(jié)構(gòu)好。試驗證實，非焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命不僅與應(yīng)力幅有關(guān)，而且與最大名義應(yīng)力和名義應(yīng)力比MAX/有關(guān)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017把疲勞計算公式中的應(yīng)力幅調(diào)整為折算MINAX應(yīng)力幅，以反映其實際工作情況。對于一定的疲勞壽命N，不同構(gòu)件和連接發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力幅值大小主要取決于構(gòu)造形式。應(yīng)力集中大的構(gòu)造形式，其破壞時的應(yīng)力幅值就小。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017根據(jù)構(gòu)造形式引起的應(yīng)力集中程度，把構(gòu)件和連接分成8類，其破壞時的應(yīng)力幅隨類別增大而減小。二、疲勞計算由于疲勞的極限狀態(tài)及其影響因素研究還不充分，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017采用容許應(yīng)力幅計算方法，而不是概率極限狀態(tài)設(shè)計法來計算鋼構(gòu)件和連接的疲勞。疲勞計算的公式是以試驗為依據(jù)的，分為常幅所有應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅保持常量和變幅疲勞應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅隨機(jī)變化兩種情況進(jìn)行計算。1常幅疲勞計算常幅疲勞應(yīng)按下式進(jìn)行計算式中對焊接部位為應(yīng)力幅，；MAXIN對非焊接部位為折算應(yīng)力幅，07；AXIN常幅疲勞的容許應(yīng)力幅（N/MM2），應(yīng)按下式計算/1C式中N應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；C，參數(shù)，根據(jù)規(guī)范中的構(gòu)件和連接類別采用。由上式可見，容許應(yīng)力幅與鋼材的強(qiáng)度無關(guān)，這表明不同種類鋼材具有相同的抗疲勞性能。第五節(jié)鋼材的溫度力學(xué)性能一、鋼材的高溫力學(xué)性能鋼材雖然屬于不燃燒材料，但在火災(zāi)高溫作用下，其力學(xué)性能如屈服強(qiáng)度、彈性模量等卻會隨溫度升高而降低，在550左右時，降低幅度更為明顯。1應(yīng)力應(yīng)變曲線根據(jù)試驗資料，結(jié)構(gòu)用鋼當(dāng)溫度低于300時，強(qiáng)度略有增加而塑性降低；當(dāng)溫度高于300時，強(qiáng)度降低而塑性增加，同時屈服平臺消失，但在拉斷前，仍有顯著的頸縮現(xiàn)象。所以在設(shè)計計算中，一般假定鋼材應(yīng)力應(yīng)變曲線和常溫下的簡化曲線相似，詳見附圖九。2有效屈服強(qiáng)度YT在進(jìn)行高溫時承載力計算時，取鋼材的有效屈服強(qiáng)度作為材料強(qiáng)度指標(biāo)。所謂YT有效屈服強(qiáng)度是指鋼材在某一溫度水平T時的實際屈服強(qiáng)度或條件屈服強(qiáng)度，它是溫度的函數(shù)。目前，國內(nèi)公開發(fā)表的系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)不多，國外研究機(jī)構(gòu)的結(jié)果也不盡相同，但相關(guān)不大。這里推薦前蘇聯(lián)和日本采用的計算公式750750340120SSSTTY式中鋼材有20即室溫時屈服強(qiáng)度；20Y鋼材的溫度。ST二、鋼構(gòu)件的溫度效應(yīng)鋼材表面受火燒時，由于構(gòu)件截面呈薄壁狀，且鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)是混MW/58凝土的40倍，根據(jù)傅里葉定律熱流強(qiáng)度與溫度梯度成正比QDXTQ當(dāng)構(gòu)件表面受熱時，由于較大，截面呈薄壁狀，熱量很快傳到內(nèi)部，因而溫度梯度很小，也就是表面溫度與內(nèi)部溫度相差幾乎可以忽略不計，所以在鋼結(jié)構(gòu)截面DXT/耐火設(shè)計時，不考慮溫度梯度的影響，認(rèn)為構(gòu)件內(nèi)外部的溫度均勻分布的，裸露的鋼結(jié)構(gòu)耐火熱限僅15MIN。當(dāng)鋼構(gòu)件表面長期受幅射熱達(dá)150以上時，或當(dāng)短期內(nèi)受到火焰作用時，應(yīng)采取耐火保護(hù)措施，以保證結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)安全可靠。三、鋼構(gòu)件的防火保護(hù)措施因為鋼構(gòu)件耐火性能差，耐火極限時間僅為15MIN，美國世貿(mào)大廈在911事件中迅速倒塌，是一個明顯的實例。目前世界各國對鋼結(jié)構(gòu)采用多種方法進(jìn)行保護(hù)，但這些方法在原理上可以分為兩種，截流法和疏導(dǎo)法。1、截流法截流法的原理是截斷或阻滯火災(zāi)產(chǎn)生的熱流量向構(gòu)件的傳輸，從而使構(gòu)件在規(guī)定時間內(nèi)溫升不超過其臨界溫度。其做法是在構(gòu)件表面設(shè)置一層保護(hù)材料，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫首先傳給這些保護(hù)材料，再由保護(hù)材料傳給構(gòu)件。由于所選材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，而熱容又較大，所以能很好地阻滯熱流向構(gòu)件的傳輸，從而起到保護(hù)作用。截流法又分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法。1噴涂法噴涂法是用噴涂機(jī)具將防火涂料直接噴涂在構(gòu)件表面，形成保護(hù)層。噴涂的涂料厚度必需達(dá)到設(shè)計值，節(jié)點部位宜適當(dāng)加厚。噴涂場地要求，構(gòu)件表面處理，按縫填補(bǔ)，涂料配制，噴涂次數(shù)，質(zhì)量控制及驗收等均應(yīng)符合鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程的規(guī)定。當(dāng)遇有下列情況之一時，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼構(gòu)件相連的鋼絲網(wǎng)，以確保涂層牢固。1承受沖擊振動的梁；2設(shè)計涂層厚度大于40MM時；3粘結(jié)強(qiáng)度小于005MPA的涂料；4腹板高度大于15M的梁。噴涂法適用范圍最為廣泛，可用于任何一種鋼構(gòu)件的耐火保護(hù)。2包封法包封法是用耐火材料把構(gòu)件包裹起來。包封材料有防火板材，混凝土或磚，鋼絲網(wǎng)抹耐火砂漿等。當(dāng)采用石膏板、蛭石板、硅酸鈣板、珍珠巖板等硬質(zhì)防火板材包封時，板材可以用膠粘劑或鋼件固定。構(gòu)件的粘貼面應(yīng)作除銹去污處理，非粘貼面應(yīng)涂刷防銹漆。當(dāng)包封層數(shù)大于等于兩層時，各層板應(yīng)分別固定，板縫應(yīng)想到錯開，其距離不宜小于400MM。當(dāng)用巖棉、礦棉等軟質(zhì)板材包封時，應(yīng)用薄金屬或其他不燃性板材包裹起來。對于柱，也可用混凝土包封（詳見附圖十）或磚包封。當(dāng)采用混凝土作保護(hù)層時，混凝土中應(yīng)布置一定量的細(xì)鋼筋或鋼網(wǎng)片以防爆裂。對于梁和柱，也可采用鋼絲網(wǎng)處抹耐火砂漿的方法進(jìn)行保護(hù)詳見附圖十。耐火砂漿是在砂漿中摻加一定量的石棉或蛭石。板材包封適用于梁、柱、壓型鋼板的保護(hù)。3屏蔽法屏蔽法是把構(gòu)件包藏在耐火材料組成的墻體或吊頂內(nèi)，主要適用于屋蓋系統(tǒng)的保護(hù)。吊頂?shù)慕涌p、孔洞處應(yīng)嚴(yán)密，防止竄火。4水噴淋法水噴淋法是在結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水管網(wǎng)，火災(zāi)時自動或手動開始噴水，在構(gòu)件表面形成一層連續(xù)流動的水膜，從而起到保護(hù)作用。上述這些方法的共同特點是設(shè)法減小傳到構(gòu)件上的熱流量，因而稱為截流法。2、疏導(dǎo)法與截流法不同，疏導(dǎo)法允許熱流量傳到構(gòu)件上，然后設(shè)法把熱量導(dǎo)走或消耗掉，同樣可使構(gòu)件溫度不至升高至臨界溫度，從而起到保護(hù)作用。疏導(dǎo)法目前僅有充水冷卻保護(hù)這一種方法。該方法是在空心封閉截面中主要為柱充滿水，火災(zāi)時構(gòu)件把從火場中吸收的熱量傳給水，依靠水的蒸發(fā)消耗熱量或通過循環(huán)把熱量導(dǎo)走，構(gòu)件溫度便可維持在100左右。從理論上講，這是鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)最有效的方法。該系統(tǒng)工作時，構(gòu)件相當(dāng)于盛滿水被加熱的容器，像燒水鍋一樣工作。只要補(bǔ)充水源，維持足夠水位，由于水的比熱和氣化熱又較大，構(gòu)件吸收的熱量將源源不斷地被耗掉或?qū)ё?。水冷卻保護(hù)法詳見附圖十一。水冷卻可由高位水箱或供水管網(wǎng)或消防車來補(bǔ)充。水蒸氣由排氣口排出。當(dāng)柱高度過大時，可分成幾個循環(huán)系統(tǒng)，以防止柱底水壓過大。為防止銹蝕或水的冰結(jié)，水中應(yīng)摻加阻銹劑和防凍劑。水冷卻法既可單根柱自成系統(tǒng)，又可多根柱聯(lián)通。前者僅依靠水的蒸發(fā)耗熱；后者既能蒸發(fā)耗熱，又能借水的溫差形成循環(huán)，把熱量導(dǎo)向非火災(zāi)區(qū)溫度較低的柱。第六節(jié)鋼材的鋼種、鋼號及選擇一、鋼種鋼材的種類簡稱為鋼種，可按不同條件進(jìn)行分類。按化學(xué)成份可分為碳素鋼和合金鋼，其中碳素鋼根據(jù)含碳量的高低，又可分為低碳鋼C025、中碳鋼025C6和高碳鋼C6；合金鋼根據(jù)合金元素總含量的高低，又可分為低合金鋼金元素總含量5、中合金鋼5金元素總含量10和高合金鋼金元素總含量10。按材料用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊用途鋼如不銹鋼等。按澆柱方法脫氧方法分類有沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。按硫、磷含量和質(zhì)量控制分類有普通鋼S005，P0045、優(yōu)質(zhì)鋼S0045，P004并具有較好的機(jī)械性能和高級優(yōu)質(zhì)鋼S0035，P003并具有較好的機(jī)械性能。鋼結(jié)構(gòu)常用的碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。二、鋼號鋼材的牌號簡稱鋼號。鋼號的命名方法和性能要求應(yīng)符合碳素結(jié)構(gòu)鋼GB70088和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼GB/T159194的規(guī)定。1碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號由代表屈服點的字母Q、屈服強(qiáng)度數(shù)值值為鋼材厚度或直徑16MM時的屈服強(qiáng)度下限值，單位是N/MM2、質(zhì)量分級符號分為A、B、C、D四級，質(zhì)量依次提高、脫氧方法符號沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的代號分別為F、B、Z和TZ，其中Z和TZ在鋼號中可省略不寫等四個部分按順序組成。例如Q235B，F(xiàn)，表示屈服強(qiáng)度為235N/MM2的B級沸騰鋼，C級為鎮(zhèn)靜鋼，D為特殊鎮(zhèn)靜鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼交貨時應(yīng)有化學(xué)成份和機(jī)械性能的合格保證書試驗數(shù)據(jù)。對于化學(xué)成份，要求硅、硫、磷含量符合相應(yīng)等級的規(guī)定，但B、C、D級鋼還要求碳和錳含量符合相應(yīng)等級的規(guī)定。對于機(jī)械性能，A級鋼應(yīng)保證、符合要求，B、C和D級鋼還YFU應(yīng)分別保證20，20的沖擊韌性值有；及冷彎合格。KVA2低合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼是在冶煉碳素結(jié)構(gòu)鋼時加入一種或幾種適量的合金元素而成的鋼。其鋼材牌號的表示方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼相似，但質(zhì)量等級分為A、B、C、D、E五級，且無脫氧方法符號。例如Q345B、Q390D，Q420E。由于我國的各種規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)不是在同一時間頒布的，現(xiàn)行的一些結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范采用了被低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼GB/T159194代替的低合金結(jié)構(gòu)鋼GB159188的鋼材表示方法，其具體鋼材的牌號的表示方法為自左向右依次列出鋼材的平均含碳量的各合金元素的名稱或符號及平均含量的百分整數(shù)。每種合金元素的平均含量小于15時，不標(biāo)注其含量；達(dá)到或超過15、25等時，則在該元素后標(biāo)注2、3等數(shù)字。例如16MN鋼，表示該低合金鋼的平均含量為016，合金元素為錳，且錳的平均含量4MM兩種，鋼板的標(biāo)注符號是“鋼板截面代號寬度厚度長度”，單位為MM，亦可僅用“寬度厚度”或“厚度”來表示。例如360123600，亦可表示如36012或12。2熱軋型鋼常用的熱軋型鋼有角鋼、槽鋼、工字鋼、H型鋼和鋼管等，其規(guī)格和截面特性查相關(guān)的型鋼表。角鋼分為等邊和不等邊角鋼兩種。角鋼標(biāo)符號是“L角鋼代號邊寬厚度（等邊角鋼）或L邊寬短邊寬厚度不等邊角鋼單位為MM”。如L1008或L100808。槽鋼有熱軋普通槽鋼和輕型槽鋼兩種。槽鋼規(guī)格用槽鋼符號普通槽鋼和輕型槽鋼的符號分別為“”和“Q”）和截面高度單位為CM表示，當(dāng)腹板厚度不同時，還要標(biāo)注出腹板厚度類別符號A、B、C厚度依次增大。例如10、20A、Q20A。與普通鋼截面高度相同的輕型槽鋼的翼緣和腹板均為較薄，截面面積小但回轉(zhuǎn)半徑大，重量相對較輕。工字鋼有普通工字鋼和輕型工字鋼兩種。標(biāo)注方法符號“I”表示，例如I18、I50A、QI150。H型鋼H型鋼比工字鋼的翼緣寬度大并為等厚度，截面材料分布更為合理，因而在截面積相同條件下，其繞弱軸的抗彎剛度比工字鋼大1倍以上，繞強(qiáng)軸的抗彎能力亦高于工字鋼，用鋼量可比工字鋼減少1030。H型鋼的翼緣等厚度，便于與其他構(gòu)件連接。H型鋼可較方便地加工制成T型鋼和蜂窩梁等型材，以滿足工程的需要。根據(jù)熱軋H型鋼和部分T型鋼（GB/T112631998），熱軋H型鋼分為寬翼緣H型鋼、中翼緣H型鋼和窄翼緣H型鋼，它們的代號分別為HW、HM、和HN，型號采用高度或高度的近似值寬度或?qū)挾鹊慕浦祦肀硎?。例如HW400400、HM500300、HN700300。鋼管鋼結(jié)構(gòu)中常用熱軋無縫鋼管和焊接鋼管。用“外徑壁厚”表示，單位為MM。例如3606。3薄壁型鋼薄壁型鋼通常是用156MM厚的鋼板冷彎加工而成，其截面形式和尺寸可按工程要求合理設(shè)計。與相同截面積的熱軋型鋼相比，鋼材用量可顯著減少。但板壁較薄，對銹蝕影響較為敏感。第七節(jié)小結(jié)一、2002年我國的鋼材產(chǎn)量接近2億噸，建筑結(jié)構(gòu)用鋼量只占總產(chǎn)量的15左右，而西方發(fā)達(dá)國家建筑結(jié)構(gòu)用鋼量為45左右。二、我國鋼材產(chǎn)量人均約150KG，有的西方發(fā)達(dá)國家可達(dá)到1噸。三、我國的建筑結(jié)構(gòu)已從傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)、鋼砼結(jié)構(gòu)已向鋼結(jié)構(gòu)延伸。高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)，大跨度的體育場館、機(jī)場，發(fā)展速度很快，也積累了很多設(shè)計制造安裝的經(jīng)驗，相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范在逐步完善，我國鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景是良好的。四、我國對建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展政策，用這么幾句話的表明50年代是限制使用；60年代是節(jié)約使用；70年代允許使用；80年代推廣使用；90年代普遍使用；21世紀(jì)廣泛使用。建設(shè)部住宅發(fā)展司多次召開有關(guān)會議就是大力推廣小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，這是降低能耗，防止污染，縮短建設(shè)周期的有效措施。五、鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造、安裝和運輸?shù)雀鞣矫婕夹g(shù)要求都要比其他如混凝土結(jié)構(gòu)要求高，鋼結(jié)構(gòu)在我國還有一個相當(dāng)長時期的發(fā)展進(jìn)程，它需要一大批高技術(shù)、高素質(zhì)的設(shè)計、制造、安裝、管理、監(jiān)理等一整套技術(shù)干部和技術(shù)工人，特別是焊接工人和鉗工。第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的連接方法鋼結(jié)構(gòu)是由鋼板、型鋼通過必要的連接組成基本構(gòu)件，如梁、柱、桁架等；再通過一定的安裝連結(jié)裝配成空間整體結(jié)構(gòu)，如屋蓋、廠房、鋼閘門、鋼橋等?？梢?，連接的構(gòu)造和計算是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成部分。好的連接應(yīng)當(dāng)符合安全可靠、節(jié)約鋼材、構(gòu)造簡單和施工方便等原則。鋼結(jié)構(gòu)的連接方法可分為焊縫連接、鉚釘連接和螺栓連接三種詳見附圖十三。一、焊縫連接焊接是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方法。其優(yōu)點是不削弱構(gòu)件截面（不必鉆孔），構(gòu)造簡單，節(jié)約鋼材，加工方便，在一定條件下還可以采用自動化操作，生產(chǎn)效率高。此外，焊縫連接的剛度較大密封性能好。焊縫連接的缺點是焊縫附近鋼材因焊接的高溫作用而形成熱影響區(qū)，熱影響區(qū)由高溫降到常溫冷卻速度快，會使鋼材脆性加大，同時由于熱影響區(qū)的不均勻收縮，易使焊件產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力及殘余變形，甚至可能造成裂紋，導(dǎo)致脆性破壞。焊接結(jié)構(gòu)低溫冷脆問題也比較突出。二、鉚釘連接鉚接的優(yōu)點是塑性和韌性較好，傳力可靠，質(zhì)量易于檢查和保證，可用于承受動載的重型結(jié)構(gòu)。但是，由于鉚接工藝復(fù)雜、用鋼量多，因此，費鋼又費工?，F(xiàn)已很少采用。三、螺栓連接螺栓連接分為普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓連接兩種。普通螺栓通常用Q235鋼制成，而高強(qiáng)度螺栓則用高強(qiáng)度鋼材制成并經(jīng)熱處理。高強(qiáng)度螺栓因其連接緊密，耐疲勞，承受動載可靠，成本也不太高，目前在一些重要的永久性結(jié)構(gòu)的安裝連接中，已成為代替鉚接的優(yōu)良連接方法。螺栓連接的優(yōu)點是安裝方便，特別適用于工地安裝連接，也便于拆卸，適用于需要裝拆結(jié)構(gòu)和臨時性連接。其缺點是需要在板件上開孔和拼裝時對孔，增加制造工作量；螺栓孔還使構(gòu)件截面削弱，且被連接的板件需要相互搭接或另加拼接板或角鋼等連接件，因而比焊接連接多費鋼材。第二節(jié)焊接方法、焊縫類型和質(zhì)量級別一、鋼結(jié)構(gòu)中常用的焊接方法焊接方法很多，鋼結(jié)構(gòu)中主要采用電弧焊，薄鋼板（）的連接有時也可以MT3采用電阻焊或氣焊。1電弧焊電弧焊是利用焊條或焊絲與焊件間產(chǎn)生的電弧熱，將金屬加熱并熔化的焊接方法。其原理是采用低電壓（一般為5070V）、大電流（幾十到幾百安）引燃電弧，使焊件與焊條或焊絲之間產(chǎn)生很大熱量和強(qiáng)烈的弧光，利用電弧熱來熔化焊件的邊緣金屬和焊條（絲）進(jìn)行焊接。根據(jù)操作的自動化程度和焊接時用以保護(hù)熔化金屬的物質(zhì)種類，電弧焊可分為手工電弧焊，自動和半自動埋弧焊及CO2氣體保護(hù)焊等。1手工電弧焊是鋼結(jié)構(gòu)制造中最常用的焊接方法，設(shè)備簡單，操作靈活，適用性和可達(dá)性強(qiáng)，對各種施焊位置和分散或曲折短焊縫均適用。缺點是生產(chǎn)效率比自動、半自動焊低，質(zhì)量稍低并且變異性大，施焊時電弧光較強(qiáng)詳見附圖十四。手工焊所采用的焊條，其表面都敷有一層115MM厚度的藥皮。藥皮的作用穩(wěn)定電??；施焊時產(chǎn)生氣體保護(hù)熔融金屬與大氣隔離，以防止空氣中氧氮侵入而使焊縫變脆；造成熔渣清理焊縫時鏟除覆蓋于熔成焊縫表面，使與大氣隔離，并使焊縫冷卻緩慢以便混入熔融金屬中的氣體和有害雜質(zhì)溢出表面；另外，藥皮中的合金成份還可以改善焊縫性能。焊條選用應(yīng)和焊件鋼材的強(qiáng)度和性能相適應(yīng)。在手工焊時，對Q235鋼用E43型焊條（E4300E4316）Q345鋼16MN鋼用E50型焊條E5000E5018，Q39015MNV鋼和Q420鋼均用E55型焊條E5500E5518。其中E表示焊條；前兩位數(shù)字表示焊縫熔敷金屬或?qū)雍缚p的抗拉強(qiáng)度分別為420N/MM2，490N/MM2，540N/MM2，折合43KGF/MM2，50KGF/MM2，55KGF/MM2；第3位數(shù)字表示適用的焊接位置，0和1表示適用于人與全位置施焊平、橫、立、仰，2表示適用于平焊及水平角焊，4表示適用于向下立焊；第3位和第4位數(shù)字組合表示藥皮類型和適用的電流種類交、直流電源。第3位和第4位數(shù)字為15、16、18的焊條為低氫型焊條，其所得焊縫具有較好的塑性、韌性和抗裂性，故直接承受動力荷載的重要結(jié)構(gòu)以及處于低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)，一般指定采用上述型號。而非低氫型焊條，可用于其他結(jié)構(gòu)。當(dāng)不同強(qiáng)度的鋼材連接時，可采用低強(qiáng)度鋼材相適應(yīng)的焊接材料。2焊劑層下自動或半自動埋弧焊焊劑層下自動或半自動埋弧焊是焊接過程機(jī)械化的一種主要方法。它所采用的是盤狀連續(xù)的光焊絲在散粒狀焊劑下燃弧焊接，散粒狀焊劑的作用與手工焊焊條的藥皮相同。自動焊的引弧、焊絲送下、焊劑堆落和焊絲沿焊縫方向的移動都是自動的。而半自動焊的焊接前進(jìn)方式仍是依靠手持焊槍移動詳見附圖十五。埋弧焊的優(yōu)點是與大氣隔離保護(hù)效果好，且無金屬飛濺，弧光不外露；可采用較大電流使熔深加大，相應(yīng)可減小對接焊件間隙和坡口角度；節(jié)省焊絲和電能，勞動條件好，生產(chǎn)效率高；焊縫質(zhì)量穩(wěn)定可靠，塑性和韌性比較好。其缺點是焊前裝配要求嚴(yán)格，施焊位置受限制，較適用于長直的水平俯焊縫或傾角不大的斜面焊縫，不如手工焊靈活。埋弧焊所采用的焊絲和焊劑應(yīng)與焊件鋼材相匹配，焊絲一般采用專用的焊接用鋼絲。對Q235鋼，可采用H08A、H08MNA、H08E等焊絲，相應(yīng)的焊劑分別為HJ431、HJ430和SJ401。對低合金高