鋼結構設計原理ppt6

1、 第一章第一章 緒緒 論論 1.1 鋼結構的特點鋼結構的特點 (1)強度高，塑性韌性好 強度高 適用于建造跨度大、高度高、承載重的 結構。強度高，易為穩(wěn)定和剛度所控制，強度 難以得到充分的利用。 塑性好 結構在一般條件下不會因超載而突然斷 裂，只增大變形，應力重分配，使應力變化趨 于平緩；易于被發(fā)現(xiàn)。 韌性好 適宜在動力荷載下工作，良好的耗能能 力和延性，在地震區(qū)采用鋼結構較為有利。 1.1 鋼結構的特點鋼結構的特點 (2)重量輕 鋼材容重大，強度高，建造的結構比較輕。結構 的輕質(zhì)性可以用材料的質(zhì)量密度和強度的比值來 衡量，比值越小，結構相對越輕。以同樣跨度承 受同樣的荷載，鋼屋架的重量為鋼筋

2、混凝土屋架 的1/3-1/4，冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10。 重量輕，可減輕基礎的負荷，降低地基、基礎部 分的造價，同時還方便運輸和吊裝。 1.1 鋼結構的特點鋼結構的特點 (3)材質(zhì)均勻，和力學計算的假定比較符合 鋼材內(nèi)部組織比較均勻，接近各向同性，在 一定應力幅度內(nèi)材料為彈性，因此，鋼結構 實際受力情況和工程力學計算結果比較符合， 在計算中采用的經(jīng)驗公式不多，從而計算上 的不定性較小，計算結果比較可靠。 1.1 鋼結構的特點鋼結構的特點 (4)制作簡便，施工工期短 構件一般工廠制作，施工機械化，準確度和精 密度皆較高。鋼結構所有材料皆已軋制成各種 型材，加工簡易而迅速。鋼構件較輕，連接

3、簡 單，安裝方便，施工周期短。 (5)密閉性較好 鋼材和焊接連接的水密性和氣密性較好，適宜 建造密閉的板殼結構、如高壓容器、油庫、氣 柜、管道等。 1.1 鋼結構的特點鋼結構的特點 (6)耐腐蝕性差耐腐蝕性差 鋼材容易銹蝕，對鋼結構必須注意防護，特 別是薄壁構件。 處于較強腐蝕性介質(zhì)內(nèi)的建筑物不宜采用鋼 結構。 鋼結構在涂油漆以前應徹底除銹，油漆質(zhì)量 和涂層厚度均應符合要求。 在設計中應避免使結構受潮、漏雨，構造上應 盡量避免存在難于檢查、維修的死角。 1.1 鋼結構的特點鋼結構的特點 (7)鋼材耐熱但不耐火 鋼材受熱，溫度在200以內(nèi)，其主要性能(屈服 點和彈性模量)下降不多。 溫度超過20

4、0后，材質(zhì)變化較大，強度總趨勢 逐步降低，還有蘭脆和徐變現(xiàn)象。達600時， 鋼材進入塑性狀態(tài)已不能承載。 設計規(guī)定鋼材表面溫度超過150后即需加以隔 熱防護，有防火要求者，更需按相應規(guī)定采取隔 熱保護措施。 (8)鋼材的低溫脆性 鋼結構在低溫等條件下，可能發(fā)生脆性斷裂；還 有厚板的層狀撕裂，應予以重視。 結構必須滿足的功能： 1）承受正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種 情況：荷載、溫度變化、基礎不均勻沉降、地 震作用等； 2）正常使用情況下結構具有良好的工作性能； 3）正常維護下結構具有足夠的耐久性； 4）偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后保持必需的整體穩(wěn) 定性。 1.2 鋼結構的設計方法鋼結構的設計方法

5、 1.2.1 概率極限狀態(tài)設計方法 極限狀態(tài) 當結構或其組成部分超過某一特定狀態(tài)就 不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求時，此特定狀態(tài)就 稱為該功能的極限狀態(tài)。 結構的極限狀態(tài)可以分為下列兩類： 承載能力極限狀態(tài) 對應于結構或結構構件達到最大 承載能力或是出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形，包括傾覆、 強度破壞、疲勞破壞、喪失穩(wěn)定、結構變?yōu)闄C動體系 或出現(xiàn)過度的塑性變形。 正常使用極限狀態(tài) 對應于結構或結構構件達到正常 使用或耐久性能的某項規(guī)定限值，包括出現(xiàn)影響正常 使用或影響外觀的變形，出現(xiàn)影響正常使用或耐久性 能的局部損壞以及影響正常使用的振動。 1.2 鋼結構的設計方法鋼結構的設計方法 1.2.1 概率

6、極限狀態(tài)設計方法 結構的功能函數(shù)： Zg(R，S)R-S R結構構件的抗力 S 荷載效應 R 、S是隨機變量，其函數(shù)Z也是一個隨機變量。 在實際工程中，可能出現(xiàn)下列三種情況： Z0 結構處于可靠狀態(tài)； Z0 結構達到臨界狀態(tài)，即極限狀態(tài)； Z0 結構處于失效狀態(tài)。 1.2.1 概率極限狀態(tài)設計方法 結構的可靠度：結構在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的 條件下，完成預定功能的概率。 “完成預定功能”就是對于規(guī)定的某種功能來說 結構不失效(Z0)。以 表示結構的可靠度，則 上述定義可表達為： 結構的失效概率以 表示，則 由于事件(Z0)件(Z0)是對立的，所以結構可 靠度與結構的失效概率符合下式： s p

7、)0(Zpps )0(Zpp ff p 1 fs pp ZZfZPp Zf d0 0 ZZ f p 1 1 f p Z Z sRZ 222 SRZ 1.2.2 設計表達式 鋼結構設計規(guī)范除疲勞計算外，采用以概率理論 為基礎的極限狀態(tài)設計方法，用分項系數(shù)的設計 表達式進行計算。以簡單的荷載情況為例，分項 系數(shù)設計式： 抗力標準值(由材料強度標準值和截面公稱 尺寸計算而得)； 按標準值計算的永久荷載(G)效應值； 按標準值計算的可變荷載(Q)效應值； 分項系數(shù)。 QKQGKG R K SS R K R GK S QK S 1.2.2 設計表達式 建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準經(jīng)過計算和分 析，規(guī)定出在

8、一般情況下荷載分項系數(shù)： 1.2； 1.4 當永久荷載效應與可變荷載效應異號時，這時 永久荷載對設計是有利的(如屋蓋當風的作用 而掀起時)，應?。?1.0； 1.4 G G Q Q 1.2.2 設計表達式 對于承載能力極限狀態(tài)荷載效應的基本組合按下列設 計表達式中最不利值確定： 可變荷載效應控制的組合： 永久荷載效應控制的組合： 結構重要性系數(shù)，對安全等級為一級或設計使用 年限為100年及以上的結構構件，不應小于1.1；對安 全等級為二級或設計使用年限為50年及結構構件，不 應小于1.0；對安全等級為三級或設計使用年限為5年 結構構件，不應小于0.9； f n i QiKciQiKQQGKG

9、2 110 f n i QiKciQiGKG 1 0 0 永久荷載標準值在結構構件截面或連接中產(chǎn)生 的應力； 起控制作用的第一個可變荷載標準值在結構構件 截面或連接中產(chǎn)生的應力（該值使計算結果為最大）； 其他第i個可變荷載標準值在結構構件截面或連接 中產(chǎn)生的應力； 永久荷載分項系數(shù)，當永久荷載效應對結構構件 的承載力不利時取1.2，但對由永久荷載效應控制的 組合則取1.35。當永久荷載效應對結構構件的承載力 有利時取1.0；驗算結構傾覆、滑移或漂浮時取0.9； 、 第1個和其他第i個可變荷載分項系數(shù)，當可變 荷載效應對結構構件的承載力不利時取1.4(當樓面活 荷載大于4.0時，取1.3)；有利

10、時，取為0； GK KQ1 QiK G 1Q Qi 1.2.2 設計表達式 對于一般排架、框架結構，可采用簡化式計算 ，由可變荷載效應控制的組合： 由永久荷載效應控制的組合，仍按下式進行計 算 簡化式中采用的荷載組合值系數(shù)，一般情況 下可采用0.9；當只有1個可變荷載時，取為1.0。 f n i QiKQiGKG 1 0 f n i QiKciQiGKG 1 0 1.2.2 設計表達式 正常使用極限狀態(tài)：可靠度設計統(tǒng)一標準，采用荷載的 標準組合、頻遇組合和準永久組合進行設計，并使變形 等不超過相應的規(guī)定限值。 鋼結構只考慮荷載的標準組合、其設計式為： 永久荷載的標準值在結構或結構構件中產(chǎn)生的變

11、 形值； 起控制作用的第一個可變荷載的標準值在結構或 結構構件中產(chǎn)生的變形值(該值使計算結果為最大)； 其他第i個可變荷載標準值在結構或結構構件中 產(chǎn)生的變形值； 結構或結構構件的容許變形值。 n i QiKciKQGK 2 1 GK KQ1 QiK 1.2.2 設計表達式 鋼結構設計用應力表達，采用鋼材強度設計值。 強度設計值(用f表示)：是鋼的屈服點( )除以除以 抗力分項系數(shù)的商，如Q235鋼抗拉強度設計值 為 ；對于端面承壓和連接則為極限強 度（ ）除以抗力分項系數(shù) ，即 Q235鋼的 1.087；對Q345、Q390和Q420鋼的 1.111。 y f 087. 1/ y ff u

12、f Ru 538. 1/ uRuu fff R R v Q235 v Q345 (16Mn、12MnV、 14MnNb、 16MnRE、18Nb) v Q390 (15MnV、15MnTi、16MnNb) v Q420 (15MnVN、14MnVTiRE)，相當于 美國的A572-60級和日本的SM520鋼 1.3鋼結構的應用和發(fā)展鋼結構的應用和發(fā)展 1.3.1鋼結構的應用 應用范圍不僅取決于鋼結構本身的特性，還取 決于國民經(jīng)濟發(fā)展的具體情況。 過去鋼結構的應用受到一定的限制。49年全國 鋼產(chǎn)量只有十幾萬噸，l998年已達l億噸，加以 鋼結構結構形式的改進，鋼結構的應用得到了 很大的發(fā)展。 根

13、據(jù)我國的實踐經(jīng)驗，工業(yè)與民用建筑鋼結構 的應用范圍大致如下： 1.3.1鋼結構的應用 (1)工業(yè)廠房 吊車起重量較大或其工作較繁重的車間多采用鋼 骨架。近年來隨著空間網(wǎng)架的大量應用，一般的 工業(yè)車間也采用了鋼結構。 (2)大跨結構 飛機裝配車間、飛機庫、大煤庫、大會堂、體育 館、展覽館等。結構體系可為網(wǎng)架、懸索、拱架 以及框架等。 (3)高聳結構 塔架和桅桿結構。如電視塔、微波塔、輸電線塔、 大氣監(jiān)測塔、天線桅桿、廣播發(fā)射桅桿等。 1.3.1鋼結構的應用 (4)多層和高層建筑 多層和高層建筑的骨架可采用鋼結構。我國過去 鋼材比較短缺，仍多采用鋼筋混凝土結構。近年 來鋼結構在此領域已逐步得到發(fā)展

14、。 (5)承受振動荷載影響及地震作用的結構 設有較大鍛錘的車間，其骨架直接承受的動力盡 管不大，但間接的振動卻極為強烈。對于抗地震 作用要求高的結構也宜采用鋼結構。 (6)板殼結構 油庫、油罐、煙囪、水塔以及各種管道等。 1.3.1鋼結構的應用 (7)其他特種結構 如棧橋、管道支架、井架 和海上采油平臺等。 (8)可拆卸或移動的結構 工地的生產(chǎn)、生活附 屬用房，臨時展覽館等。移動結構如塔式起 重機，履帶式起重機的吊臂，龍門起重機等。 (9)輕型鋼結構 輕型門式剛架房屋，冷彎薄壁 型鋼結構以及鋼管結構。近年來輕型鋼結構 已廣泛應用于倉庫、辦公室、工業(yè)廠房及體 育設施，并向住宅樓和別墅發(fā)展。 (1

15、0)鋼和混凝土組合成的組合結構 如組合梁和鋼管混凝土柱等。 1.3.2 鋼結構的發(fā)展 材料 先是鑄鐵、鍛鐵，后是鋼，最近是鋁合金， 改稱金屬結構。 連接方式 在生鐵和熟鐵時代是銷釘連接，19世 紀初采用鉚釘連接，20世紀初有了焊接連接，最 近則發(fā)展了高強度螺栓連接。 結構形式 先是橋梁、塔，后是工業(yè)及民用房屋和 水工結構以及板結構如高爐、儲液庫、儲氣庫等。 鋼結構設計規(guī)范 88規(guī)范與 74規(guī)范比較，除對一 些問題的處理有合理改進外，并增加了新的內(nèi)容。 最新的規(guī)范(GB500l 7) 在設計方法上又有所改進 和提高。 (1)發(fā)展高強度低合金鋼材 除Q235、Q345、 Q390鋼外，增加了Q42

16、0鋼，但后者應用于鋼結 構尚有待進一步研究。鋼的品種也有所增加。 （2）改進鋼結構的設計方法 采用以概率理論為 基礎的極限狀態(tài)設計法，主要表現(xiàn)在不是用經(jīng)驗 的安全系數(shù)，而是用根據(jù)各種不定性分析所得的 失效概率(或可靠指標)去度量結構可靠性，并使 所計算的結構構件的可靠度達到預期的一致性和 可比性。但是這個方法還有待發(fā)展，因為它計算 的可靠度還只是構件或某一截面的可靠度，而不 是結構體系的可靠度，也不適用于疲勞計算的反 復荷載或動力荷載作用下的結構。 （3）結構的革新 今后值得研究的課題，如懸 索結構、網(wǎng)架結構、超高層結構近年來得到很大 發(fā)展和應用。鋼和混凝土組合構件的應用，也日 益推廣。 （4

17、）優(yōu)化設計與計算機輔助設計 結構設計上 考慮優(yōu)化理論的應用與計算機輔助設計及繪圖都 得到很大發(fā)展，今后還應繼續(xù)研究改進。 在鋼結構制造工業(yè)的機械化水平方面還需要進一 步提高。 H型鋼在國內(nèi)已開始生產(chǎn)，正方形和矩形管的應 用，都值得注意推廣和發(fā)展。 第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 2.1鋼結構對材料的要求 鋼的種類繁多，性能差別很大，適用于鋼結構的 只是一小部分。鋼結構的鋼必須符合下列要求： (1)較高的抗拉強度 和屈服點 是衡量結構 承載能力的指標， 高則可減輕結構自重。 是衡 量鋼材經(jīng)過較大變形后的抗拉能力，反映鋼材內(nèi) 部組織的優(yōu)劣， 高可以增加結構的安全保障。 (2)足夠的變形能力

18、 較高的塑性和韌性 塑性和 韌性好，減輕結構脆性破壞的傾向，通過較大的 塑性變形調(diào)整局部應力，具有較好的的抵抗重復荷 載作用的能力。 u f u f y f y f y f u f 2.1鋼結構對材料的要求 (3)良好的工藝性能(包括冷加工、熱加工和可 焊性能) 易于加工成各種形式的結構，不致因 加工而對結構的強度、塑性、韌性等造成較大 的不利影響。 根據(jù)具體工作條件，有時還要求具有適應低溫、 高溫和腐蝕性環(huán)境的能力。 設計規(guī)范規(guī)定：承重結構的鋼材應具有抗拉強 度、伸長率、屈服點和碳、硫、磷含量的合格 保證；焊接結構尚應具有冷彎試驗的合格保證； 某些承受動力荷載的結構以及重要的受拉或受 彎的焊

19、接結構應具有常溫或負溫沖擊韌性的合 格保證。 2.2 鋼材的破壞形式 鋼材有兩種性質(zhì)完全不同的破壞形式：塑性破壞 和脆性破壞。 塑性破壞：由于變形過大，超過了材料或構件可 能的應變能力，在構件的應力達到了鋼材的抗拉 強度后才發(fā)生。破壞前構件產(chǎn)生較大的塑性變形。 由于較大的塑性變形發(fā)生，且變形持續(xù)的時間較 長，很容易及時發(fā)現(xiàn)而采取措施予以補救，不致 引起嚴重后果。 塑性變形后出現(xiàn)內(nèi)力重分布，使結構中原先受力 不等的部分應力趨于均勻，因而提高結構的承載 能力。 2.2 鋼材的破壞形式 脆性破壞：塑性變形很小，甚至沒有塑性變形， 計算應力可能小于鋼材的屈服點，斷裂從應力 集中處開始。冶金和機械加工過

20、程中產(chǎn)生的缺 陷，特別是缺口和裂紋，常是斷裂的發(fā)源地。 破壞前沒有任何預兆，破壞是突然發(fā)生的。由 于脆性破壞前沒有明顯的預兆，無法及時覺察 和采取補救措施，而且個別構件的斷裂常引起 整個結構塌毀，后果嚴重，損失較大。 在設計、施工和使用鋼結構時，要特別注意防 止出現(xiàn)脆性破壞。 2.3 鋼材的主要性能 2.3.1 單向均勻拉伸時鋼材的性能 鋼材標準試件在常溫靜載情況下，單向均勻受拉 試驗時的應力應變曲線，如圖所示。由此曲線 可獲得許多有關鋼材性能的信息。 1.強度性能 1)比例極限fp：圖中曲線的OP段為直線，表示鋼 材具有完全彈性性質(zhì)，這時應力 P點應力稱為比例極限。 彈性極限fe ：曲線的P

21、E段仍具有彈性，但為非 線性彈性階段，此時的模量叫做切線模量， ， E點的應力稱為彈性極限。 彈性極限和比例極限相距很近，實際上很難區(qū) 分，故通常只提比例極限。 E /dd t E 2)屈服點 ：荷載增加，出現(xiàn)ES段，為非彈性 性質(zhì)，即卸荷曲線成為與OP平行的直線(圖中 虛線)，留下永久性的殘余變形。此段上限S點 的應力 稱為屈服點。 低碳鋼 出現(xiàn)明顯的屈服臺階SC段，即在應力 保持不變的情況下，應變繼續(xù)增加。 高強度鋼 沒有明顯的屈服點和屈服臺階。屈服 條件是根據(jù)試驗分析結果人為規(guī)定的，故稱為 條件屈服點(或屈服強度)。條件屈服點是以卸 荷后試件中殘余應變?yōu)?.2所對應的應力定義 的。 y

22、f y f 上屈服點和下屈服點 進入塑性流動范圍時，曲 線波動較大，逐漸趨于平穩(wěn)，其最高點和最低 點分別稱為上屈服點和下屈服點。 上屈服點 和試驗條件(加荷速度、試件形狀、 試件對中的準確性)有關。 下屈服點 不敏感，設計中則以下屈服點為依據(jù) 。 理想的彈-塑性體 沒有缺陷和殘余應力影響的試 件，比例極限和屈服點比較接近，且屈服點前 的應變很小。為簡化計算，假定屈服點前鋼材 為完全彈性，屈服點后為完全塑性的，這樣就 可把鋼材視為理想的彈-塑性體。應力-應變曲線 表現(xiàn)為雙直線。 3)抗拉強度或極限強度 超過屈服臺階，材 料出現(xiàn)應變硬化，曲線上升，直至曲線最高處的 B點，這點的應力 稱為抗拉強度或

23、極限強度。 當應力達到B點時，試件發(fā)生頸縮現(xiàn)象，至D點而 斷裂。當以屈服點的應力 作為強度限值時，抗 拉強度成為材料的強度儲備。 u f u f y f 2.塑性性能 伸長率:試件被拉斷時的絕對變形值與試件原 標距之比的百分數(shù)，稱為伸長率。 當試件標距長度與試件直徑d(圓形試件)之比為 10時，以 表示；當該比值為5時，以 表示 。 伸長率代表材料在單向拉伸時的塑性應變的能 力。 10 5 3.鋼材物理性能指標 單向受壓時: 受力性能基本上和單向受拉時相 同。 受剪時: 和單向受拉也相似，但屈服點 及抗 剪強度 均較受拉時為低；剪變模量G也低于 彈性模量E。 鋼材和鋼鑄件的彈性模量E、剪變模量

24、G、線性 膨脹系數(shù) 和質(zhì)量密度 見表2-1。 vy f vu f 2.3.2 冷彎性能 冷彎性能是鑒定鋼材在彎曲狀 態(tài)下的塑性應變能力和鋼材質(zhì)量 的綜合指標。 冷彎性能由冷彎試驗來確定。 試驗時按照規(guī)定的彎心直徑在試 驗機上用沖頭加壓，使試件彎成 l80，如試件外表面不出現(xiàn)裂紋 和分層，即為合格。 冷彎試驗不僅能直接檢驗鋼材 的彎曲變形能力或塑性性能，還 能暴露鋼材內(nèi)部的冶金缺陷。 2.3.3 沖擊韌性 韌性試驗則可獲得鋼材的一種動力性能。 韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它用材料在 斷裂時所吸收的總能量(包括彈性和非彈性能)來 量度，其值為 曲線與橫坐標所包圍的總面 積，總面積愈大韌性愈高，故

25、韌性是鋼材強度和 塑性的綜合指標。 通常是鋼材強度提高，韌性降低則表示鋼材趨 于脆性。 由于低溫對鋼材的脆性破壞有顯著影響，在寒 冷地區(qū)不但要求鋼材具有常溫(20 )沖擊韌性指 標，還要求具有負溫(0、-20或-40)沖擊韌 性指標。 采用夏比V形缺口試件在夏比試驗機上進行， 所得結構以所消耗的功Cv表示，單位為J，試 驗結果不除以缺口處的截面面積。 2.3.4 可焊性 可焊性：采用一般焊接工藝就可完成合格的（無 裂紋的）焊縫的性能。 可焊性受碳含量和合金元素含量的影響。 碳素鋼的可焊性：碳含量0.12%0.20% 低合金鋼的可焊性：碳當量 碳當量小于0.38%時：可焊性很好。 0.38%0.

26、45%：鋼材淬硬傾向逐漸明顯，適當?shù)?預熱措施，控制施焊工藝。 大于0.45%：鋼材淬硬傾向明顯，較高的預熱溫 度，嚴格的工藝措施。 鋼材可焊性的優(yōu)劣：鋼材在采用一定的焊接方法、 焊接材料、焊接工藝參數(shù)及一定的結構形式等條 件下，獲得合格焊縫的難易程度。 2.4 各種因素對鋼材主要性能的影響各種因素對鋼材主要性能的影響 2.4.1 化學成分 鋼由各種化學成分組成，化學成分及其含量對鋼的性 能特別是力學性能有著重要的影響。 鐵(Fe)是鋼材的基本元素，純鐵質(zhì)軟，在碳素結構鋼中 約占99，碳和其他元素僅占1，但對鋼材的力學性 能卻有著決定性的影響。 在碳素鋼中，碳是僅次于純鐵的主要元素，直接影響

27、鋼材的強度、塑性、韌性和可焊性等。碳含量增加， 鋼的強度提高，而塑性、韌性和疲勞強度下降，同時 惡化鋼的可焊性和抗腐蝕性。因此，對含碳量要加以 限制，一般不應超過0.22，在焊接結構中還應低于 0.20。 硫和磷(特別是硫)有害成分 降低鋼材的塑性、 韌性、可焊性和疲勞強度。高溫時，硫使鋼變 脆熱脆；低溫時，磷使鋼變脆冷脆。一般 硫的含量應不超過0.045，磷的含量不超過 0.045。但是，磷可提高鋼材的強度和抗銹性。 高磷鋼，磷含量可達0.12，這時應減少鋼材 中的含碳量，以保持一定的塑性和韌性。 氧和氮有害雜質(zhì) 氧使鋼熱脆；氮使鋼冷脆。 由于氧、氮容易在熔煉過程中逐出，一般不會 超過極限含

28、量，故通常不要求做含量分析。 2.4.1 化學成分 硅和錳有益元素 煉鋼的脫氧劑。使鋼材的 強度提高，含量適宜時，對塑性和韌性無顯著 的不良影響。 釩和鈦合金元素 提高鋼的強度和抗腐蝕性 能，又不顯著降低鋼的塑性。 銅在碳素結構鋼中屬于雜質(zhì)成分， 可以顯著 提高鋼的抗腐蝕性能和鋼的強度，但對可焊性 有不利影響。 2.4.2 冶金缺陷 常見的冶金缺陷偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋及分 層等。 偏析 鋼中化學成分不一致和不均勻性，特別是硫、磷 偏析嚴重惡化鋼材的性能。 非金屬夾雜 鋼中含有硫化物與氧化物等雜質(zhì)。 氣孔 澆注鋼錠時，由氧化鐵與碳作用所生成的一氧化 碳氣體不能充分逸出而形成的。 分層 澆

29、注時的非金屬夾雜物在軋制后能造成鋼材的分 層，會嚴重降低鋼材的冷彎性能。 冶金缺陷對鋼材性能的影響，不僅在結構或構件受力工 作時表現(xiàn)出來，有時在加工制作過程中也可表現(xiàn)出來。 2.4.3 鋼材硬化 冷作硬化(或應變硬化) 冷拉、冷彎、沖孔、機械剪切 等冷加工使鋼材產(chǎn)生很大塑性變形，從而提高了鋼的 屈服點，同時降低了鋼的塑性和韌性。 時效硬化（俗稱老化）高溫時熔化于鐵中的氮和碳，隨 著時間的增長逐漸從純鐵中析出，形成自由碳化物和 氮化物，對純鐵體的塑性變形起遏制作用，從而使鋼 材的強度提高，塑性、韌性下降。 人工時效 時效硬化的過程一般很長，但如在材料塑性 變形后加熱，可使時效硬化發(fā)展特別迅速。

30、應變時效 應變硬化(冷作硬化)后又加時效硬化。 一般鋼結構中，不利用硬化提高的強度，有些重要結 構要求對鋼材進行人工時效后檢驗其沖擊韌性，以保 證足夠的抗脆性破壞能力。另外，應將局部硬化部分 用刨邊或擴鉆予以消除。 2.4.4 溫度影響 鋼材性能隨溫度變化 溫度升高，鋼材強度降低， 應變增大；溫度降低，鋼材強度略有增加，塑 性和韌性卻會降低而變脆。 2 0 0 以 內(nèi) 鋼 材 性 能 沒 有 很 大 變 化 ， 430540之間強度急劇下降，600時強度 很低不能承擔荷載。 藍脆現(xiàn)象 250左右，鋼材的強度略有提高， 同時塑性和韌性均下降，材料有轉脆的傾向， 鋼材表面氧化膜呈現(xiàn)藍色。 鋼材應避

31、免在藍脆溫度范圍內(nèi)進行熱加工。 徐變現(xiàn)象 當溫度在260320時，在應力持 續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變 形。 2.4.3 溫度影響 低溫冷脆 當溫度從常溫開始下降，特別是在負溫度范 圍內(nèi)時，鋼材強度雖有提高，但其塑性和韌性降低，材 料逐漸變脆。 由圖可見，隨著溫度的降低，Cv值迅速下降，材料將由 塑性破壞轉變?yōu)榇嘈云茐模瑫r可見這一轉變是在一個 溫度區(qū)間T1T2內(nèi)完成的，此溫度區(qū)T1T2稱為鋼材的脆 性轉變溫度區(qū)。 轉變溫度區(qū)內(nèi)曲線的反彎點(最陡點)所對應的溫度T0稱 為轉變溫度。 如果把低于T0完全脆性破壞的最高溫度T1作為鋼材的脆 斷設計溫度即可保證鋼結構低溫工作的安全。 2

32、.4.5 應力集中 工作性能和力學性能指標 軸心拉桿件中應力沿截 面均勻分布的情況作為基礎的。 實際上存在著孔洞、截面突變以及鋼材內(nèi)部缺陷 等。構件中的應力分布不再均勻，某些區(qū)域產(chǎn)生 局部高峰應力，另外一些區(qū)域應力降低，形成所 謂應力集中現(xiàn)象。 高峰區(qū)的最大應力與凈截面的平均應力之比稱為 應力集中系數(shù)。 研究表明，應力高峰區(qū)存在著同號的雙向或三向 應力，使鋼材變脆。應力集中系數(shù)愈大，變脆的 傾向愈嚴重。鋼材塑性較好，在一定程度上能促 使應力進行重分配，使應力趨于平緩。 2.4.5 應力集中 靜載、常溫 可不 考慮應力集中的 影響。 動載、負溫 應力 集中的影響十分 突出，引起脆性 破壞，故在設

33、計 中應采取措施避 免或減小應力集 中，并選用質(zhì)量 優(yōu)良的鋼材。 2.4.6 反復荷載作用 反復荷載作用下，結構的抗力及性能都會發(fā)生重要變化， 甚至發(fā)生疲勞破壞。 疲勞 在直接的連續(xù)反復的動力荷載作用下，根據(jù)試驗， 鋼材的強度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸 試驗的極限強度。 疲勞破壞表現(xiàn)為突然發(fā)生的脆性斷裂。 實際上疲勞破壞是累積損傷的結果。材料總是有“缺陷” 的，在反復荷載作用下，先在其缺陷發(fā)生塑性變形和硬 化而生成一些極小的裂痕，此后這種微觀裂痕逐漸發(fā)展 成宏觀裂紋，試件截面削弱，而在裂紋根部出現(xiàn)應力集 中現(xiàn)象，使材料處于三向拉伸應力狀態(tài)，塑性變形受到 限制，當反復荷載達到一定的循

34、環(huán)次數(shù)時，材料終于破 壞，并表現(xiàn)為突然的脆性斷裂。 介紹了各種因素對建筑鋼材基本性能的影響，研究和 分析這些影響的最終目的是了解建筑鋼材在什么條件 下可能發(fā)生脆性破壞，從而可以采取措施予以防止。 為了防止脆性破壞的發(fā)生，一般需要在設計、制造及 使用中注意： (1) 合理的設計 構造力求合理，均勻、連續(xù)地傳遞應力，避免構件截 面劇烈變化。低溫，受動力作用時應選擇合適的鋼材 ，使所用鋼材的脆性轉變溫度低于結構的工作溫度。 (2) 正確的制造 嚴格遵守設計的技術要求，例如盡量避免使材料出現(xiàn) 應變硬化，要正確地選擇焊接工藝，保證焊接質(zhì)量。 (3) 正確的使用 例如，不在主要結構上任意焊接附加的零件，不

35、任意 懸掛重物。 2.4 復雜應力作用下鋼材的屈服條件 單向拉伸 應力達到屈服點時， 鋼材即進入塑性性狀態(tài)。 復雜應力狀態(tài) 如平面或立體 應力作用下，鋼材由彈性狀 態(tài)轉入塑性狀態(tài)的條件是按 能量強度理論計算的折算應 力與單向應力下的屈服點相 比較來判斷： 222222 3 xzyzxyzxzyyxzyxeq 當 時，為彈性狀態(tài)； 時為塑性狀態(tài)。 y f eq y feq 2.4 復雜應力作用下鋼材的屈服條件 三向應力有一向應力很小(如厚度較小，厚度方 向的應力可忽略不計)或為零時，則屬于平面應 力狀態(tài)： (2.2) 在一般的梁中，只存在正應力和剪應力，則： （2.3） 當只有剪應力時， 0 得

36、： （2.4） 因此，鋼結構設計規(guī)范確定鋼材抗剪設計強度為 抗拉設計強度的0.58倍。 222 3 xyyxyxeq 22 3 red y y f f 58. 0 3 2.6 鋼材的疲勞 鋼材的疲勞斷裂 微觀裂紋在連續(xù)重復荷載作用 下不斷擴展直至斷裂的脆性破壞。 鋼材的疲勞強度取決于應力集中(或缺口效應)和 應力循環(huán)次數(shù)。 疲勞破壞后的截面斷口，具有光滑的和粗糙兩個 區(qū)域，光滑部分表現(xiàn)裂縫的擴張和閉合過程，由 裂縫逐漸發(fā)展引起的，說明疲勞破壞經(jīng)歷一緩慢 的轉變過程，粗糙部分表明鋼材最終斷裂一瞬間 的脆性破壞，性質(zhì)和拉伸試驗的斷口相似。 疲勞破壞屬高周低應變疲勞，總應變幅小，破壞 前荷載循環(huán)次數(shù)

37、多。規(guī)范規(guī)定，循環(huán)次數(shù) N5104，應進行疲勞計算。 2.6.1 常幅疲勞計算 應力幅 應力譜中最大應力與最小應力之差，即 ， 為每次應力循環(huán)中的最 大拉應力(取正值)， 為每次應力循環(huán)中的最 小拉應力(取正值)或壓應力(取負值)。 常幅疲勞 應力幅保持常量。 應力比 為絕對值最小與最大應力之比(拉應力 取正值，壓應力取負值) ，表示應力循環(huán)特征。 -l，為完全對稱循環(huán)； 0，稱為脈沖 循環(huán)； 在0與-1之間，稱為不完全對稱循環(huán)。 minmax max min 2.6.1 常幅疲勞計算 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)畫出應力幅與相應的致?lián)p循環(huán)次數(shù)N的 關系曲線，按試驗數(shù)據(jù)回歸的曲線為平均值曲線。 國內(nèi)外都常用雙

38、對數(shù)坐標軸的方法使曲線改為直線以 便工作。在雙對數(shù)坐標圖中，疲勞直線方程為： )lg(lg 1 bN 1 1 10)(CN b 試驗數(shù)據(jù)具有離散性，取平均值減去2倍lgN的 標準差（2s）作為疲勞強度下限值圖中實線下 方之虛線，如果 為正態(tài)分布，從構件或連接 抗力方面來講，保證率為97.7。 取此 作為容許應力幅 對于不同焊接構件和連接形式，試驗數(shù)據(jù)回歸 的直線方程斜率不盡相同。為了設計方便，鋼結 構設計規(guī)范按連接方式，受力特點和疲勞強度， 適當考慮曲線簇的等間距布置、歸納分類，劃分 為8類，見規(guī)范附錄。 lg /1 N C 2.6.1 常幅疲勞計算 2.6.1 常幅疲勞計算 焊接部位： (2

39、.11) 非焊接部位：折算應力幅 (2.12) minmax 7 . 0 minmax 2.6.2 變幅疲勞計算 實際大多結構承受變幅循環(huán)應力的作用。如吊車梁， 吊車不是每次滿載運行，不是每次停在最不利位置， 所以每次應力幅不是最大值，按最大值計算偏于保守。 實為欠載狀態(tài)的變幅疲勞。 運用常幅疲勞研究結果，采用累積損傷法則。 2.6.2 變幅疲勞計算 應力幅水平 ， ， 和對應的循環(huán)次數(shù)n 1， n2，ni。再假設這些應力幅為常幅時，相對應的疲 勞壽命是N1，N2，Ni，。Ni表示在常幅疲勞中循 環(huán)作用Ni次后，構件或連接即產(chǎn)生破損。則在應力幅 作用下的一次循環(huán)所引起的損傷為l/N1，n1次循

40、環(huán) 為n1/N1。按累積損傷法則，將總的損傷按線性疊加計 算，則得發(fā)生疲勞破壞的條件為： 1 2 1 i 1 2 2 1 1 i i i i N n N n N n N n 1 i i i i N n n n 2.6.2 變幅疲勞計算 若認為變幅疲勞與同類常幅疲勞有相同的曲線，則任 一級應力幅水平均有 CN ii )( )( i i C N e i n設想有常幅 作用 次使同一結構也產(chǎn)生疲勞破壞 Cni e )( )( e i C n /1 )( i ii e n n e max f /1 maxmax )(1 i iie f n n max f 6 102 N 進行疲勞強度計算時，注意： (

41、1)容許應力幅法，荷載采用標準值，不考慮荷 載分項系數(shù)和動力系數(shù)，應力按彈性工作計算。 (2)應力幅概念，不論應力循環(huán)是拉應力還是壓 應力，只要應力幅超過容許值就產(chǎn)生疲勞裂紋。 但在完全壓應力(不出現(xiàn)拉應力)循環(huán)中，裂紋不 會繼續(xù)發(fā)展，故此種情況可不予驗算。 (3)根據(jù)試驗，不同鋼種的不同靜力強度對焊接 部位的疲勞強度無顯著影響。故可認為，疲勞容 許應力幅與鋼種無關。 2.7 鋼的種類和鋼材規(guī)格 2.7.1 鋼的種類 用途分類：結構鋼、工具鋼和特殊鋼(如不銹鋼等)。 結構鋼：建筑用鋼、機械用鋼。 冶煉方法：轉爐鋼、平爐鋼。 轉爐鋼 采用氧氣頂吹轉爐鋼，側吹(空氣)轉爐鋼所含 雜質(zhì)多，使鋼易脆，

42、質(zhì)量很低，已取消這種鋼的使用。 平爐鋼 質(zhì)量好，冶煉時間長，成本高。氧氣轉爐鋼質(zhì) 量與平爐鋼相當而成本則較低。 脫氧方法：沸騰鋼(F)、半鎮(zhèn)靜鋼(b)、鎮(zhèn)靜鋼(Z)和特殊 鎮(zhèn)靜鋼(TZ)，鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的代號可以省去 鎮(zhèn)靜鋼脫氧充分，沸騰鋼脫氧較差，半鎮(zhèn)靜鋼介于鎮(zhèn)靜 鋼和沸騰鋼之間。一般采用鎮(zhèn)靜鋼。 2.7.1 鋼的種類 成型方法：軋制鋼(熱軋、冷軋)、鍛鋼和鑄鋼。 化學成分：碳素鋼和合金鋼。 建筑工程中采用碳素結構鋼、低合金高強度結構 鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼。 (1)對碳素結構鋼 按質(zhì)量等級分為A、B、C、D四級。 A級鋼只保證抗拉強度、屈服點、伸長率，必要 時尚可附加冷彎試驗的要求，化學成

43、分對碳、錳 可以不作為交貨條件。 B、C、D鋼均保證抗拉強度、屈服點、伸長率、 冷彎和沖擊韌性（分別為20，0，20) 等力學性能?；瘜W成分碳、硫、磷的極限含量。 2.7.1 鋼的種類 鋼的牌號表示方法 屈服點的字母Q、屈服點數(shù)值、 質(zhì)量等級符號(A、B、C、D)、脫氧方法符號等 四個部分按順序組成。 根據(jù)厚度(直徑)l6mm的鋼材的屈服點數(shù)值，分 為Q195、Q2l5、Q235、Q255、Q275。 鋼結構一般僅用Q235。 鋼的牌號根據(jù)需要可為Q235A；Q235B；Q235C； Q235D等。冶煉方法一般由供方自行決定，設計 者不再另行提出，如需方有特殊要求時可在合同 中加以注明。 2.

44、7.1 鋼的種類 (2)低合金高強度結構鋼 牌號表示方法 根據(jù)厚度(直徑)l6mm鋼材的的屈服點大 小，分為Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。 鋼的牌號仍有質(zhì)量等級符號，除與碳素結構鋼A、B、C、 D四個等級相同外增加一個等級E，主要是要求-40的 沖擊韌性。鋼的牌號如：Q345-B、Q390-C等等。低合 金高強度結構鋼一般為鎮(zhèn)靜鋼，因此鋼的牌號中不注明 脫氧方法。冶煉方法也由供方自行選擇。 A級鋼應進行冷彎試驗，其他質(zhì)量級別鋼如供方能保證 彎曲試驗結果符合規(guī)定要求，可不作檢驗。Q460和各牌 號D、E級鋼一般不供應型鋼、鋼棒。 2.7.1 鋼的種類 成型方法：軋制鋼(熱軋、

45、冷軋)、鍛鋼和鑄鋼。 化學成分：碳素鋼和合金鋼。 建筑工程中采用碳素結構鋼、低合金高強度結構 鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼。 (1)對碳素結構鋼 按質(zhì)量等級分為A、B、C、D四級。 A級鋼 只保證抗拉強度、屈服點、伸長率，必要 時尚可附加冷彎試驗的要求，化學成分對碳、錳 可以不作為交貨條件。 B、C、D鋼 均保證抗拉強度、屈服點、伸長率、 冷彎和沖擊韌性（分別為20，0，20) 等力學性能。化學成分碳、硫、磷的極限含量。 1 選用原則 目的：安全可靠、經(jīng)濟合理。 選擇鋼材時考慮的因素有： (1)重要性 對重要結構，應考慮選用質(zhì)量好的鋼材，對一般工業(yè) 與民用建筑結構，可按工作性質(zhì)分別選用普通質(zhì)量的 鋼材。按建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準規(guī)定的安 全等級，一級(重要的)、二級(一般的)和三級(次要的)。 安全等級不同，要求的鋼材質(zhì)量也應不同。 (2)荷載性質(zhì) 直接承受動態(tài)荷載的結構和強烈