鋼結(jié)構(gòu)的基本性能

1、 第一章鋼結(jié)構(gòu)的基本性能鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)在特性：所用的原材料、所經(jīng)受的一系列加工過(guò)程決定的。外界作用：各類荷載和氣象環(huán)境對(duì)它的性能也有不可忽視的影響。鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材：塑性較好，拉力作用下，應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的屈服點(diǎn)和屈服平臺(tái)，然后進(jìn)入強(qiáng)化階段。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：屈服點(diǎn)作為鋼材強(qiáng)度的極限，并把局部屈服作為承載能力的準(zhǔn)則（薄腹梁不同）。鋼材塑性性能：在一定條件下是可以利用的：簡(jiǎn)支梁可以允許塑性在彎矩最大截面上發(fā)展；連續(xù)梁和框架的塑性設(shè)計(jì)方法，允許在結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)塑性鉸以及繼之而來(lái)的內(nèi)力重分布。這種利用塑性的設(shè)計(jì)方法已提到日程。穩(wěn)定問(wèn)題：一個(gè)突出的問(wèn)題。構(gòu)件及其局部有受壓的可能，在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮如何防止失穩(wěn)。有

2、時(shí)，局部性的失穩(wěn)還不是構(gòu)件承載能力的極限，則可以不加防止，并對(duì)屈曲后強(qiáng)度加以利用。建筑結(jié)構(gòu)鋼材有較好的韌性。動(dòng)力作用的重要結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)。但設(shè)計(jì)這類鋼結(jié)構(gòu)，還必須正確選用鋼材，當(dāng)荷載多次重復(fù)時(shí)，還應(yīng)從計(jì)算、構(gòu)造和施工幾個(gè)方面來(lái)考慮疲勞問(wèn)題。鋼材的韌性并不是一成不變的。材質(zhì)、板厚、受力狀態(tài)、溫度等都會(huì)對(duì)它有所影響。鋼結(jié)構(gòu)曾經(jīng)有過(guò)脆性斷裂的事故，脆斷一直成為一個(gè)引人注目的問(wèn)題。鋼材的生產(chǎn)及其對(duì)材性的影響建筑結(jié)構(gòu)所用的鋼材包括兩大類：熱軋型鋼和鋼板（圖1.1） ；冷成型（冷彎、冷沖、冷軋）的薄壁型鋼和壓型鋼板（圖1.2） 。1.1 熱軋鋼材圖 1.2 冷彎型鋼鋼在熔煉爐中煉成后，先澆注成鋼錠，然后經(jīng)

3、過(guò)多次輥軋才形成鋼材。冶煉、脫氧、輥軋等環(huán)節(jié)都對(duì)鋼材的性能有很大影響。鋼的熔煉冶煉按需要生產(chǎn)的鋼號(hào)進(jìn)行，它決定鋼材的主要化學(xué)成分。冶煉爐種不同，所得鋼材也有差異。平爐鋼和氧氣轉(zhuǎn)爐鋼，二者質(zhì)量不相上下。早期轉(zhuǎn)爐鋼都用空氣 吹煉， 所含有害雜質(zhì)多，尤其是含氮較多，使鋼易脆，并對(duì)時(shí)效敏感。轉(zhuǎn)爐鋼用 氧氣 吹煉，大大改善質(zhì)量。如果吹入的氧氣純度高于99.5，則鋼材的綜合性能優(yōu)于平爐鋼：含氮量低，沖擊韌性高2030。鋼的脫氧鋼的熔煉 是把鐵水中過(guò)多的碳和有害元素硫、磷加以氧化而脫去，不可避免有少量的鐵也氧化，形成氧化鐵（FeO） ，需要進(jìn)行脫氧。脫氧方法：在鋼液中加入和氧親合力比鐵高的錳、硅或鋁。脫氧的

4、程度對(duì)鋼材質(zhì)量頗有影響。錳是弱脫氧劑，脫氧很不充分。鋼液中還含有較多的FeO，澆注時(shí) FeO和碳相互作用，形成 CO 氣體逸出，引起鋼液的劇烈沸騰，稱之為 沸騰鋼。 沸騰鋼在鋼錠模中冷卻很快，氣體只能逸出部分，夾雜有較多的FeO，冷卻后有許多氣泡圖l.3（ a） 。硅是較強(qiáng)脫氧劑，加入適量的硅（硅鐵），脫氧即比較充分。硅在還原氧化鐵的過(guò)程中放出熱量，使鋼液冷卻緩慢，氣體大多可以逸出，所得鋼錠稱為鎮(zhèn)靜鋼 圖1.3（ b） 。這種鋼錠在緩慢冷卻和凝固過(guò)程中出現(xiàn)的晶粒多，晶粒上部形成較大縮孔，縮孔的孔壁有些氧化，在輥軋時(shí)不能焊合，必須先把鋼錠頭部切去。切頭后實(shí)得鋼材僅為鋼錠的8085。圖 l.3 鋼

5、錠剖面沸騰鋼質(zhì)量比鎮(zhèn)靜鋼差，雜質(zhì)多而組織欠均勻，氣泡周圍容易集中硫化物，形成硫偏析，組織也不夠致密。但沸騰鋼生產(chǎn)周期短，消耗脫氧劑少，軋鋼時(shí)切頭很小，成品率高，因此成本低廉 。鎮(zhèn)靜鋼性能優(yōu)于沸騰鋼：易保證必要的沖擊韌性，包括低溫沖擊和時(shí)效沖擊。靜力作用下，屈服點(diǎn)比沸騰鋼稍高。沸騰鋼易存在硫偏析 ，焊接結(jié)構(gòu)中硫偏析可能引起熱裂紋。因此歐洲一些國(guó)家規(guī)定：當(dāng)不能避免在偏析區(qū)施焊時(shí)，不應(yīng)采用非鎮(zhèn)靜鋼。英國(guó)焊接結(jié)構(gòu)規(guī)定都用鎮(zhèn)靜鋼或半鎮(zhèn)靜鋼，沸騰鋼只能用于厚度 5mm 以下個(gè)別情況。半鎮(zhèn)靜鋼是介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼材。性能比沸騰鋼好，價(jià)格比鎮(zhèn)靜鋼便宜。鑒別沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼，可通過(guò)硅的含量來(lái)進(jìn)行。碳素結(jié)構(gòu)

6、鋼( GB700-88)規(guī)定：沸騰鋼含硅量不超過(guò)0.07，實(shí)際上常低于0.030.07%；鎮(zhèn)靜鋼含硅量在0.120.30間，實(shí)際下限常在0.150.17間；半鎮(zhèn)靜鋼含硅量在上述二者之間，不超過(guò)0.17%，實(shí)際常不低于0.10% 0. 12。GB700-88還規(guī)定， Q235鋼分為A，B ， C， D 四級(jí)。前二級(jí)可以是沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼或鎮(zhèn)靜鋼，C 級(jí)必須是鎮(zhèn)靜鋼。對(duì)沖擊韌性（尤其是低溫沖擊韌性）要求高的重要結(jié)構(gòu)，如寒冷地區(qū)的露天結(jié)構(gòu)，鋼材宜用以硅脫氧后再用鋁補(bǔ)充脫氧的特殊鎮(zhèn)靜鋼。 GB700-88 所規(guī)定的Q235D 鋼，即屬于特殊鎮(zhèn)靜鋼，要求含有酸溶鋁不少于0.015 （或全鋁不少于0.02

7、0） 。 低合金結(jié)構(gòu)鋼要求 -20oC 或 -40oC 沖擊韌性者，也有類似要求。用鋁進(jìn)行補(bǔ)充脫氧，不僅進(jìn)一步減少鋼中的有害氧化物，而且能夠細(xì)化晶粒。這種鋼比一般鎮(zhèn)靜鋼具有更高的室溫沖擊韌性和更低的冷脆傾向性和時(shí)效傾向性。冶金工廠承載運(yùn)轉(zhuǎn)特別繁重的硬鉤吊車的吊車梁，采用這種鋼材也比較合適。當(dāng)然，用鋁脫氧也使鋼材成本進(jìn)一步提高。圖 1.4給出化學(xué)成分（除硅外）十分接近的鎮(zhèn)靜鋼板和沸騰鋼板沖擊韌性值隨溫度變化的曲線。鋼的含碳量為0.20（鋼液化驗(yàn)的數(shù)字，鋼板化驗(yàn)為0.23%） 。 曲線 1 的鋼板厚10mm， 為鋁補(bǔ)充脫氧的鎮(zhèn)靜鋼，脆性轉(zhuǎn)變溫度低達(dá)-60oC。曲線2 的鋼板厚18mm，為沸騰鋼，它

8、的沖擊韌性在室溫下并不比鎮(zhèn)靜鋼低多少，但在負(fù)溫度下就相差懸殊，脆性轉(zhuǎn)變溫度為-10oC。高強(qiáng)度低合金鋼一般都是鎮(zhèn)靜鋼，我國(guó)過(guò)去的普通低合金結(jié)構(gòu)鋼系列中也有半鎮(zhèn)靜鋼，即 18鈮鉡， 但 GB1591-88中已改為18鈮。鋼的軋制輥軋是型鋼和鋼板成型的工序，給鋼材組織和性能很大影響。輥軋有熱軋和冷軋之分，以前者為主。冷軋只用于生產(chǎn)小號(hào)型鋼和薄板。熱軋可以破壞鋼錠的鑄造組織，細(xì)化鋼材的晶粒（圖1.5） ，并消除顯微組織的缺陷。澆注時(shí)形成的氣泡、裂紋和疏松，可在高溫和壓力作用下焊合。經(jīng)過(guò)熱軋后，鋼材組織密實(shí)，力學(xué)性能得到改善。這種改善主要體現(xiàn)在沿軋制方向上，從而使鋼材在一定程度上不再是各向同性體。經(jīng)過(guò)

9、軋制之后，鋼材內(nèi)部的非金屬夾雜物（主要是硫化物和氧化物，還有硅酸鹽）被壓成薄片，出現(xiàn)分層（夾層）現(xiàn)象。分層使鋼材沿厚度方向受拉的性能大大惡化，并且有可能在焊縫收縮時(shí)出現(xiàn)層間撕裂（圖1.6） 。焊縫收縮誘發(fā)的局部應(yīng)變時(shí)常達(dá)到屈服點(diǎn)應(yīng)變的數(shù)倍，比荷載引起的應(yīng)變大得多。對(duì)于型鋼和扁鋼，軋制形成的非各向同性并不引起什么問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兛偸茄剀埛较蚴芰Φ?，?duì)鋼板則有所不同，下料切成小塊后有可能垂直于輥軋方向受力，大塊的板也可能處于平面應(yīng)力狀態(tài)。因此 鋼板拉力試驗(yàn)的試樣應(yīng)垂直于軋制方向切取（圖 1.7） 。 沖擊試驗(yàn)則只作縱向試樣。實(shí)踐表明，熱軋鋼材厚度小者強(qiáng)度高于厚度大者，而且 塑性及沖擊韌性也比較好。因

10、此鋼材的機(jī)械性能要按厚度分級(jí)。如Q235鋼只是在厚度不超過(guò)16mm 時(shí)屈服點(diǎn)為235N/mm2。超過(guò)l6mm 時(shí)要按厚度的遞增而逐步減小。薄鋼材性能好的原因，是輥軋次數(shù)多，軋制的壓縮比大。厚度很大的鋼材，壓縮比過(guò)小，內(nèi)部組織不如壓縮比大的鋼材，機(jī)械性能較差，尤其是沖擊韌性差別最為顯著。同一根熱軋型鋼的不同部分，因壓軋條件不同，機(jī)械性能也會(huì)有差別。 軋制普通工字鋼的軋機(jī)只有兩個(gè)水平軋輥（圖1.8） 。輥軋成型時(shí)，腹板所受壓力大于翼緣，翼緣所受壓力和它內(nèi)側(cè)的斜度有關(guān)。壓力不同，其結(jié)果是翼緣和腹板在組織上有差別，機(jī)械性能隨之也有差別：腹板的性能優(yōu)于翼緣。但是， 工字鋼用作受彎構(gòu)件時(shí)，翼緣的應(yīng)力大于腹

11、板，承載能力主要取決于翼緣的性能。因此，拉力試樣如能在翼緣上取樣，將更為合理，但翼緣內(nèi)側(cè)有坡度，不便做試樣。因此，我國(guó)目前規(guī)定，工字鋼和槽鋼拉力試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的樣坯都從腹板上切取，如圖1.9（ a， b） 。不過(guò)，沖擊韌性試樣從腹板上切取可能會(huì)導(dǎo)致不安全的后果。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS4360:1979規(guī)定：工字鋼拉伸試驗(yàn)可以在翼緣或腹板取樣，而沖擊試驗(yàn)則必須在翼緣取樣圖1.9（ d） 。寬翼緣工字鋼（H 型鋼）的翼緣內(nèi)側(cè)沒(méi)有坡度，用2 個(gè)水平軋輥和兩個(gè)豎向軋輥同時(shí)輥壓（圖1.10） ， 翼緣也直接受到壓力，情況要比普通工字鋼好得多。但由于厚度不同，翼緣和腹板的性能還會(huì)有差別。 差別的幅度，不同的試驗(yàn)報(bào)告

12、有一些出入。B.W.Young 所得的結(jié)果是：翼緣的屈服點(diǎn)變動(dòng)在腹板屈服點(diǎn)的7698之間D.J. L. Kennedy和 M. G. Aly 在分析寬翼緣工字鋼的統(tǒng)計(jì)參數(shù)時(shí)取翼緣屈服點(diǎn)為腹板的0. 95。熱軋的另一后果，是不均勻冷卻造成的殘余應(yīng)力。以圖1.11（ a）的鋼板而言，板的兩邊和空氣接觸的面積大，冷卻得快，中部則相反，在邊部已經(jīng)完全冷卻后還保持一定溫度。這時(shí)，中部的收縮受到邊部的約束，形成拉應(yīng)力，而邊部則有與之相平衡的壓應(yīng)力。板的尺寸越大，冷卻后的應(yīng)力也越大。這種在沒(méi)有外力作用下內(nèi)部自相平衡的應(yīng)力叫做殘余應(yīng)力。各種截面的熱軋型鋼都有這類殘余應(yīng)力， 隨截面形式和尺寸不同，殘余應(yīng)力的分布

13、有所區(qū)別。普通工字鋼翼緣厚而窄，冷卻得慢，最后呈現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，而腹板大部分是殘余壓應(yīng)力圖1.11(b)。 寬翼緣工字鋼翼緣和腹板交接處材料最厚，冷卻最慢，其翼緣殘余應(yīng)力分布和極類似，但腹板兩邊受拉，分布圖1.11(c)。一般地說(shuō)，截面尺寸越大，殘余應(yīng)力也越大。殘余應(yīng)力雖然是自相平衡的，對(duì)鋼構(gòu)件在外力作用下的性能還是有一定影響。如對(duì)變形、穩(wěn)定性、抗疲勞等方面都可能產(chǎn)生不利的作用。熱軋鋼材殘余應(yīng)力的絕對(duì)值和屈服點(diǎn)無(wú)關(guān)，因此對(duì)屈服點(diǎn)高的鋼材來(lái)說(shuō)，殘余應(yīng)力和屈服點(diǎn)的比值要小些。矯直和熱處理鋼材在熱軋成型之后往往需要矯直。矯正原有的彎曲，必須反彎至出現(xiàn)塑性變形才能生效。圖 1.12所示寬翼緣工字鋼繞弱軸

14、有原始彎曲，給以反彎曲時(shí)沿翼緣寬度的應(yīng)力分布如圖中折線ABCDE所示， AB 和 DE 為屈服區(qū)。在卸去施加的彎矩時(shí)，變形和應(yīng)力都按線彈性規(guī)律變化，即相當(dāng)于從ABCDE 應(yīng)力圖中減去MCN 應(yīng)力。因此，截面中殘存有應(yīng)力RSCTU。反彎時(shí)受拉一側(cè)為殘余壓應(yīng)力。以上分析是按鋼材不存在初始?xì)堄鄳?yīng)力的條件做出的。實(shí)際上，鋼材熱軋冷卻后存在殘余應(yīng)力，因此矯直后的殘余應(yīng)力應(yīng)是對(duì)原始?xì)堄鄳?yīng)力進(jìn)行重新分布。重分布使翼緣原始?xì)堄鄩簯?yīng)力峰值有所降低，將減輕用作壓桿時(shí)的不利作用。矯直有兩種方法：輥床調(diào)直和頂直前法使整個(gè)桿長(zhǎng)原始?xì)堄鄳?yīng)力都重新分布，后法則重分布只發(fā)生在中部較短范圍內(nèi)。熱處理 是改善鋼材性能的重要手段之

15、一。建筑結(jié)構(gòu)用的鋼材，一般以熱軋狀態(tài)交貨，即不進(jìn)行熱處理。 但是， 屈服點(diǎn)超過(guò)400N/mm2的低合金鋼常常要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理或正火處理。 調(diào)質(zhì)熱處理包括淬火和高溫回火兩道工序。淬火 時(shí)把鋼材加熱至900oC 以上，保溫一定時(shí)間然后放入水或油中快速冷卻。淬火使鋼材的強(qiáng)度提高，但卻使塑性和韌性降低。為了改善塑性和韌性，把淬火后的鋼材在500 650oC 范圍內(nèi)進(jìn)行 高溫回火 ， 即升溫后保持一段時(shí)間，然后在空氣中冷卻?；鼗鹂梢詼p小脆性和淬火后造成的內(nèi)應(yīng)力，從而得到較好的綜合力學(xué)性能。國(guó)外屈服強(qiáng)度為550N/mm2以上的合金鋼，都經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理。正火是熱處理的另一種形式，把鋼材加熱至高于900oC 后

16、保持一段時(shí)間， 然后在空氣中冷卻。它的 目的在于 改善鋼材的組織和細(xì)化晶粒。普通熱軋型鋼和鋼板以熱軋狀態(tài)交貨，實(shí)際上是軋后在空氣中冷卻的一種正火狀態(tài)。但是，如果鋼材停軋溫度過(guò)低（低于850oC） ，會(huì)出現(xiàn)帶狀組織，使鋼材各向異性。因此對(duì)質(zhì)量要求高的鋼材如橋梁鋼，需要另行正火處理，或是采用控制軋制的辦法來(lái)保證質(zhì)量。我國(guó)對(duì)屈服點(diǎn)不超過(guò)450N/mm2的高強(qiáng)度低合金鋼都規(guī)定以熱軋狀態(tài)交貨， 但對(duì) 15MnTi ， 14MnVTIRE 和 15MnVN 鋼規(guī)定的力學(xué)性能則是指熱處理狀態(tài)的。鋼材的勻質(zhì)和等向性一般認(rèn)為鋼材內(nèi)部組織比較接近于勻質(zhì)和各向同性體，所以鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況和工程力學(xué)計(jì)算比較符合。

17、顯然鋼材質(zhì)地均勻的程度比混凝土好，各向同性的程度比木材好。但是，這只是問(wèn)題的一個(gè)方面，是和其他材料比較而言的。從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究時(shí)，則還必須了解鋼材在勻質(zhì)和等向性方面有那些不足，才能善于使用鋼材。鋼材內(nèi)部化學(xué)元素的分布并不是完全均勻的。鋼錠的四周部分含碳較少，從周邊到中心碳逐漸增多，硫、磷等雜質(zhì)也聚集在冷卻較慢的部分，形成偏析。沸騰鋼偏析比鎮(zhèn)靜鋼嚴(yán)重。由圖1.13所示鋼錠中硫的偏析，可見沸騰鋼偏析的嚴(yán)重程度。偏析并不因軋制而有所改善。偏析嚴(yán)重的鋼錠，軋制成材后偏析區(qū)的分布如圖1.14所示。 沸騰鋼錠的偏析，頭部比底部嚴(yán)重得多。因此軋成型鋼或鋼板的偏析程度和它來(lái)自鋼錠的那一部分有關(guān)。重要的焊接

18、結(jié)構(gòu)，為了避免偏析造成開裂，不宜采用沸騰鋼。采用藥皮含有CaO 的堿性焊條施焊，可以對(duì)焊縫的熔化金屬進(jìn)行脫硫，但這種焊條工藝性能比較差，要求焊工具有較高的技術(shù)。型鋼截面上不同部分的屈服點(diǎn)有差別，是力學(xué)性質(zhì)上的一種非勻質(zhì)現(xiàn)象。H 型鋼不僅翼緣和腹板的屈服點(diǎn)有差別，它的翼緣也并不是屈服點(diǎn)完全一致的，變化幅度可以達(dá)到上14。前面說(shuō)過(guò)，在翼緣上切取試樣確定屈服點(diǎn)比在腹板上取樣更能反映材料的實(shí)際性能。測(cè)出有代表性的力學(xué)性能的另一個(gè)方法是做型鋼短段的壓縮試驗(yàn)來(lái)測(cè)定它的平均屈服點(diǎn)。鋼材內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力，從受力角度來(lái)說(shuō)也是一種不均勻性。當(dāng)構(gòu)件受壓時(shí)，殘余壓應(yīng)力最大處將首先屈服，此后繼續(xù)加壓，已屈服部分不再分

19、擔(dān)更多的壓力，外力在截面上分布就不均勻了。鋼板的各向異性，表現(xiàn)在三個(gè)方向的受力性能。沿軋制方向力學(xué)性能最好，橫方向稍差。圖1. 15 給出一種鍋爐鋼板縱向和橫向沖擊韌性值的對(duì)比，差別十分明顯。鋼板如果有分層，則沿厚度方向性能最差。是否有分層，分層的情況如何可以通過(guò)超聲波等探傷手段去揭示。用一般質(zhì)量的鋼軋成較厚的板，局部性的分層往往難于避免。 因此，對(duì)于比較重要的結(jié)構(gòu)，一要對(duì)鋼材進(jìn)行探傷檢查，并限制局部分層的面積，二要在設(shè)計(jì)時(shí)注意避免垂直于板面受拉和焊縫收縮造成層間撕裂。近年來(lái)國(guó)際上出現(xiàn)一種抗層間撕裂的鋼材，名為 Z 向鋼。這種鋼材含硫量在0.01以下，沿厚度方向受拉時(shí)表現(xiàn)較好的塑性，截面收縮率

20、在15以上。這種鋼能夠適用于荷載大而有動(dòng)力作用和氣象環(huán)境惡劣的結(jié)構(gòu)如海上采油平臺(tái)。我國(guó)已制訂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)厚度方向性能鋼板（ GBS313-85） ，適用于厚度為15150mm、 屈服點(diǎn)不大于500MPa的鎮(zhèn)靜鋼板材。標(biāo)準(zhǔn)要求鋼板滿足保證厚度方性能的補(bǔ)充規(guī)定，主要是含硫量的限制和厚度方向拉伸的斷面收縮率，并分為三種級(jí)別，見表 1.1。表 1.1 厚度方向性能鋼板的級(jí)別級(jí)別含硫量（ %）（不大于）斷面收縮率（%） ，不小于三個(gè)試樣平均值單個(gè)試樣值Z150.0101510Z250.0072520Z350.0053530從以上的論述可見，認(rèn)識(shí)鋼材的性能并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，而正確地認(rèn)識(shí)材料性能對(duì)于一個(gè)鋼結(jié)

21、構(gòu)設(shè)計(jì)工作者卻是至關(guān)重要的。缺乏正確的認(rèn)識(shí)，有可能導(dǎo)致失敗的設(shè)計(jì)。加拿大一座倉(cāng)庫(kù)的屋蓋塌落，有多方面的原因。其中之一是設(shè)計(jì)時(shí)材料強(qiáng)度取了出廠證書上的屈服點(diǎn)，比標(biāo)準(zhǔn)值高25%，而拉力試樣取自工字鋼的腹板。1.2鋼結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程及其對(duì)構(gòu)件性能的影響鋼結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)都是在專業(yè)化的金屬結(jié)構(gòu)制造廠用熱軋鋼材或冷彎型鋼加固構(gòu)件或構(gòu)體（構(gòu)件的集合體），然后運(yùn)到工地安裝而成。工廠制造包括以下工序：鋼材的驗(yàn)收、整理和保管，包括必要的矯正。按施工圖放樣，做出樣板、樣桿，并據(jù)此劃線和下料。對(duì)劃線后的鋼材進(jìn)行剪切（焰割） 、 沖 （鉆） 孔和刨邊等項(xiàng)加工；非平直的零件則需通過(guò)煨彎和輥圓等工序來(lái)成型。對(duì)加工過(guò)

22、程中造成變形的零件進(jìn)行整平（輥平、頂平）。把零件按圖裝配成構(gòu)件，并加以焊接（鉚接）。對(duì)焊接造成的變形加以矯正。除銹和涂漆。工地安裝工作包括：現(xiàn)場(chǎng)的擴(kuò)大拼裝，即把工廠運(yùn)來(lái)的構(gòu)件（或大構(gòu)件的一部分）集合成較大的構(gòu)件或構(gòu)體。把擴(kuò)大拼裝后的各構(gòu)件（體）一一吊裝就位，相互連接，加以臨時(shí)固定。調(diào)整各部分的相對(duì)位置，使符合安裝精度的要求，并做最后固定。加工對(duì)鋼構(gòu)件性能的影響加工對(duì)鋼構(gòu)件性能的影響主要表現(xiàn)為兩類：其一是常溫下加工的塑性變形，即冷作硬化和其后的時(shí)效影響；其二是局部高溫的影響，主要是焊接的影響，也有氧氣切割的影響。1.冷加工的影響從鋼材的應(yīng)力應(yīng)變圖（圖1.16）可見，當(dāng)材料經(jīng)受的塑性變形不大，如拉

23、伸圖中的B 點(diǎn)，則屈服點(diǎn)沒(méi)有提高，塑性和韌性只是稍有降低。在輥床上把微彎的桿調(diào)直，屬于這種情況。如果拉伸到C點(diǎn)，則屈服點(diǎn)將有所提高，而塑性及韌性則降低很大。塑性和韌性降低，屬于不利后果。鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范（ GB50205-95）對(duì)冷彎曲的曲率半徑最小值有所規(guī)定，以限制冷加工的應(yīng)變不致過(guò)大。從圖1.17中可以看出，沸騰鋼板人工時(shí)效使沖擊韌性降低的情況。人工時(shí)效是給以20拉伸變形后均勻地加熱到250oC 并在這一溫度下保溫1小時(shí)。 時(shí)效后不僅沖擊韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度由原來(lái)的-10oC 上升到 20oC。 韌性降低的原因包括冷加工和時(shí)效兩種因素。如果是鎮(zhèn)靜鋼（圖1.15） ，沖擊韌性雖有所

24、降低，但脆性轉(zhuǎn)變溫度無(wú)大變化。鋼材的剪切和沖孔，使剪斷的邊緣和沖出的孔壁嚴(yán)重硬化，甚至出現(xiàn)微細(xì)裂紋。對(duì)于比較重要的結(jié)構(gòu)，剪斷處需要刨邊；沖孔只能用較小的沖頭，沖完再行擴(kuò)鉆。目的都是把硬化部分除掉，以免裂紋在一定條件下擴(kuò)展。例如，焊接結(jié)構(gòu)的工地安裝孔，如果在沖成后受到鄰近焊縫的影響而加熱至200 450oC，使時(shí)效很快完成，孔壁裂紋就有擴(kuò)展危險(xiǎn)。鋼板剪斷的邊緣如果以后還焊焊縫，可以不刨邊。因?yàn)橛不糠謺?huì)受熱熔化。圖 1.2 所示冷彎型鋼，是用軋制好的薄鋼板加工彎成的。冷彎成型的方法有冷軋、模壓和無(wú)模壓彎。不論采用哪種方法，鋼板都經(jīng)受一定的塑性變形，并出現(xiàn)強(qiáng)化和硬化。如圖 1.18所示卷邊槽鋼，冷

25、彎成型后彎角部分屈服點(diǎn)大幅度提高，抗拉強(qiáng)度也有所提高，但不如屈服點(diǎn)提高的百分比大。彎角之間的平板部分屈服點(diǎn)是否有提 高，提高幅度如何，和加工成型的工藝很有關(guān)系，壓制成型者平板 部分屈服點(diǎn)沒(méi)有明顯提高。彎角部分的塑性變形，外側(cè)沿圓弧方向?yàn)槔?，沿半徑方向?yàn)閴嚎s，內(nèi)側(cè)則沿弧線壓縮，而沿半徑拉伸。這些塑性變形都是垂直于構(gòu)件受力方向的，對(duì)構(gòu)件抗拉和抗壓性能的影響相同。顯然， 材料彎成圓角時(shí)半徑和板厚之比r/t越小， 塑性應(yīng)變?cè)酱螅c(diǎn)提高幅度也就越大。據(jù)KW Karren 的研究，圓角材料的屈服點(diǎn)由原來(lái)的fy提高到fye bfy/(r/t)m( 1.1)b 和 m 都是和材料抗拉強(qiáng)度f(wàn)u 和屈服點(diǎn)f

26、y 的比有關(guān)的系數(shù)：b 3.69(fu/fy) 0.819(fu/fy)2 1.79( 1.2)m 0.192(fu/fy) 0.068( 1.3)從圖 1.16可以看出，fy提高的幅度和材料fu高于fy的程度有關(guān)：高的越多則應(yīng)變發(fā)生后fy提高得也越多。因此，b、 m 兩個(gè)系數(shù)都由比值fu/fy確定。從以上論述可見，冷彎型鋼也是力學(xué)非勻質(zhì)的?？紤]到冷彎型鋼壁厚很小，允許采用較小的r/t值，因此屈服點(diǎn)提高幅度頗大，設(shè)計(jì)時(shí)在一定條件下可以利用圓角強(qiáng)化的性能。如軸心受拉和軸心受壓構(gòu)件，其屈服點(diǎn)可以取整個(gè)截面的加權(quán)平均值，即fyp cfce （1 c）fy（ 1.4）式中 c 是截面中圓角所占面積和整

27、個(gè)面積的比。式（ 1.1）不適用于fu/fy小于1.2和 r/t大于 7的情況。同時(shí)，如果受壓時(shí)截面非全部有效（即平板部分先喪失局部穩(wěn)定）， 則不利用圓角屈服點(diǎn)的提高。如果構(gòu)件是冷軋成型的，它的平板部分的屈服點(diǎn)也明顯提高，則式（1.4）的fy可以改用通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定的平板部分平均屈服點(diǎn)。黑龍江省低溫建筑研究所運(yùn)用塑性理論，得出圓角強(qiáng)化后屈服點(diǎn)的計(jì)算公式和截面平均屈服點(diǎn)的計(jì)算公式。經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理和簡(jiǎn)化后，平均屈服點(diǎn)由下式給出：（1210）t n ifyp 1i fy fy （1.5）i12式中： 為成型方式系數(shù)，對(duì)于冷彎高頻焊（圓變）方、矩形管取1.7，對(duì)于圓管和開口型鋼取1.0；為鋼材的強(qiáng)屈比f(wàn)u/f

28、y，對(duì)Q235鋼可取1.58，對(duì)16錳鋼可取1.48； l 為型鋼截面中心線長(zhǎng)度，可取型鋼截面積與其厚度的比值；n 為型鋼截面所含棱角數(shù)目；i 為型鋼截面第i 個(gè)棱角所對(duì)應(yīng)的圓周角（rad） 。4當(dāng)有四個(gè)90o圓角時(shí)，i 1，上式的提高系數(shù)簡(jiǎn)化為i121（1210）t（ 1.6）如果 t/l= 1/80，1.7，1.58，則1.13。公式（1.5）試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范）（ GBJ18-87）規(guī)定，計(jì)算全截面有效的受拉、受壓或受彎構(gòu)件的強(qiáng)度時(shí)可以采用式（1.5）給出的提高系數(shù)。此時(shí)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為 f f 。2焊接和焰割的影響對(duì)鋼材進(jìn)行焊接，造成以下三種后果：（ 1）焊

29、縫金屬具有鑄造組織，不同于軋制鋼材。（ 2）焊弧的高溫使鄰近焊縫的鋼材發(fā)生組織變化。（ 3） 局部性的高溫使鋼材發(fā)生塑性變形，冷卻后存在殘余應(yīng)力。施焊時(shí)堆積的金屬通常具有枝狀組織。當(dāng)用多層焊時(shí)，后一次的熱量對(duì)前一層有退火作用，使晶粒變細(xì)，但是頂層受不到退火作用，保持堆積時(shí)的鑄造組織。焊縫金屬在碳、氮、氧、氫的含量方面和軋制鋼材也有差別。碳含量稍低，而氮、氧、氫稍高。熔焊的金屬冷卻很快，和沸騰鋼錠有些類似，因而含氧高，氣泡和夾雜都較多，如果延長(zhǎng)冷卻過(guò)程，可以降低氧的含量。另外，采用短弧焊、埋弧焊和氣體保護(hù)焊，使熔化金屬和空氣更好地隔離，可以不同程度地降低氮和氧的含量。焊縫金屬含氮量高，來(lái)源干大氣

30、和焊條藥皮，包括藥皮的有機(jī)物成分和吸收的水分。當(dāng)冷卻快時(shí)，氫能使焊縫金屬內(nèi)部出現(xiàn)微觀裂紋。因此，不僅受潮的焊條必須烘干后才能使用，重要的結(jié)構(gòu)還要用低氫型焊條E4315、 E4316以及E5015， E5016，以避免出現(xiàn)裂紋。用低氫型焊條得到的焊縫金屬，脆性轉(zhuǎn)變溫度接近于鎮(zhèn)靜鋼材。和注錠時(shí)類似，當(dāng)焊縫金屬冷卻比較緩慢時(shí)，氧和氫的含量就會(huì)減少， 使之緩冷的一個(gè)有效措施是對(duì)焊件預(yù)先加熱至200o C。 預(yù)熱使焊后冷卻過(guò)程延長(zhǎng)，改善了焊接構(gòu)件的性能。鋼結(jié)構(gòu)施工及驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定，厚度大于50mm 的碳素結(jié)構(gòu)鋼和厚度大于36mm 的低合金結(jié)構(gòu)鋼，在焊接時(shí)需要預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在100 150 oC。施焊后

31、還應(yīng)進(jìn)行后熱，其溫度由試驗(yàn)確定。焊弧的熱量使主體金屬有一小部分熔化。鄰近熔化區(qū)受到高溫影響的部分叫做熱影響區(qū)。熱影響區(qū)是一個(gè)籠統(tǒng)的名稱，它包括幾個(gè)不同的區(qū)域，即過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)和部分重結(jié)晶區(qū)。圖 1.19示意這幾個(gè)區(qū)域的分布情況。過(guò)熱區(qū)的溫度達(dá)到1100 oC 以上，它的晶粒粗大，強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性降低，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)韌性很低的針狀組織（魏氏組織）。正火區(qū)是溫度達(dá)到900 1000 oC 的區(qū)域，這一區(qū)域的力學(xué)性能很好，強(qiáng)度、塑性、韌性都較高。部分重結(jié)晶區(qū)是溫度達(dá)到700 900 oC 的區(qū)域，這一區(qū)內(nèi)晶粒粗細(xì)不勻，因此力學(xué)性能不太好。采用電弧焊時(shí)，熱影響區(qū)的寬度并不大，總共不過(guò)幾個(gè)毫米，

32、一般手工焊時(shí)約為6mm， 而自動(dòng)焊時(shí)只有2.5 3mm。雖然熱影響區(qū)是焊接結(jié)構(gòu)中韌性較低的部分，但實(shí)際上結(jié)構(gòu)從這里開始斷裂的并不很多。結(jié)構(gòu)的脆性斷裂往往是多種因素共同作用的結(jié)果，而熱影響區(qū)通常沒(méi)有宏觀缺陷，而且焊接形成的殘余應(yīng)力在這一范圍內(nèi)比較低。如果熱影響區(qū)正好遇到分層，則情況即有所不同。焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，可用以下的簡(jiǎn)單模型來(lái)說(shuō)明：三根同樣長(zhǎng)度的桿，端部由剛性構(gòu)件連在一起（圖1.20） ，中央桿2 的溫度T1 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于兩邊的桿1 和3。在冷卻過(guò)程中，中桿趨于縮短，但收縮傾向在很大程度上受到兩根邊桿的約束而不能實(shí)現(xiàn)，從而使它受到拉力。同時(shí)，中桿的收縮作用使邊桿受到壓力。顯然，對(duì)整個(gè)體系來(lái)說(shuō)，

33、拉力和壓力相互平衡。在兩板之間焊一條縱向焊縫（圖1.21） ，情況要比上述簡(jiǎn)單模型復(fù)雜得多。這里，不僅焊縫及其近旁母材溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于較遠(yuǎn)部分，而且存在熱態(tài)塑性壓縮問(wèn)題。圖1.21的兩塊板在施焊時(shí)處于600 oC 以上的部分呈完全塑性。這部分在加熱時(shí)受到兩旁處在彈性狀態(tài)的材料的制約，得不到應(yīng)有的伸長(zhǎng)，也就是受到了熱態(tài)塑性壓縮。在焊后冷卻過(guò)程中，高溫的塑性壓縮部分趨向于縮得比原長(zhǎng)度要短一些。由于溫度梯度很大，而且存在局部性的塑性壓縮，冷卻后焊縫及其近旁的母材殘余拉應(yīng)力很高，經(jīng)常達(dá)到材料的屈服點(diǎn)，甚至因熱效應(yīng)對(duì)材料性能的影響而比母材原有屈服點(diǎn)還高一些。焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力和熱軋構(gòu)件一樣，在整個(gè)截面上拉壓

34、兩部分應(yīng)力自相平衡，不同的是焊接構(gòu)件在焊縫及其近旁的殘余拉應(yīng)力特別高。形，如圖1.21 所示的原長(zhǎng)為l 的板在溫度降低到室溫后縮短l 。 在制造廠對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的零件下料時(shí)，要考慮這種收縮而把材料適當(dāng)放長(zhǎng)。 如果這兩塊板受到相連的剛性部分牽制而不能收縮，則整個(gè)構(gòu)件將產(chǎn)生拉應(yīng)力，這是另一種焊接殘余應(yīng)力，叫做反作用殘余應(yīng)力。在兩塊互相垂直板的一側(cè)夾角焊上角焊縫（圖1.22） ， 則焊縫的收縮促使夾角減小。如果這種減小受到約束而不能實(shí)現(xiàn)，則焊縫的縱截面內(nèi)將出現(xiàn)反作用殘余拉應(yīng)力，這種應(yīng)力有可能使焊縫出現(xiàn)裂紋。鋼板時(shí)常用氧氣切割成需要的寬度，火焰切割的高溫和焊縫一樣造成殘余應(yīng)力和變形。兩縱邊用氧氣切割的鋼板

35、，具有如圖1.23所示的殘余應(yīng)力圖形。這種板用作焊接工形梁的翼緣時(shí)，加焊角焊縫后， 殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閳D1. 24所示的形式。如果用作工形梁的腹板，殘余應(yīng)力和圖1.23相比變化不大。1.2.3制造和安裝的偏差對(duì)鋼結(jié)構(gòu)性能的影響鋼結(jié)構(gòu)的制造和安裝都允許有一點(diǎn)偏差，偏差的最大限度應(yīng)不超過(guò)施工及驗(yàn)收規(guī)范的規(guī)定。例如， 單層鋼柱出廠時(shí)及安裝就位后，柱身彎曲的矢高不超過(guò)構(gòu)件長(zhǎng)度的1/1000，且不超過(guò)12mm，多節(jié)鋼柱的柱身彎曲矢高則不超過(guò)該節(jié)長(zhǎng)度的1/1500 和 5mm。柱子安裝就位后軸線和豎直線之間在柱頂?shù)钠睿ǔ跏純A斜）對(duì)高 10 米以內(nèi)的單層柱不超過(guò)10mm，對(duì)更高的柱不超過(guò)H/1000及 25m

36、m（圖 1.25） 。其他如構(gòu)件的長(zhǎng)度，就位后的標(biāo)高等也都有所規(guī)定。構(gòu)件在承受荷載前存在初始彎曲，是一種幾何缺陷。它對(duì)不同的構(gòu)件產(chǎn)生不同的影響。對(duì)于軸心拉桿來(lái)說(shuō)，初始彎曲使桿受拉后的變形比完善直桿要大，但并不降低桿承受拉力的能力，因?yàn)槌跚臈U受拉后逐漸拉直。對(duì)于軸心壓桿，情況要嚴(yán)重得多，初始撓度不僅不逐漸消失，反而隨壓力增大而增大。因此存在初曲的軸心壓桿，實(shí)際上是既受壓又受彎。附加彎矩的出現(xiàn)和增長(zhǎng)，稱為P 效應(yīng)，它必然要使桿件承受壓力的能力受到損害。處在傾斜位置的柱子，在垂直于地面的壓力作用下產(chǎn)生傾復(fù)力矩使之進(jìn)一步傾斜。這種不利影響稱為P 效應(yīng)。用許多桿件組裝而成的桿系結(jié)構(gòu)，當(dāng)為靜定結(jié)構(gòu)時(shí)，桿

37、件長(zhǎng)度的允許偏差，只不過(guò)使結(jié)構(gòu)的外形稍有變化圖1.27（ a） 。當(dāng)為超靜定結(jié)構(gòu)時(shí)，情況就不同了。如圖1.27（ b）的體系，若AC 桿有負(fù)偏差而其他桿都是正偏差，則安裝時(shí)采取措施強(qiáng)行組裝后，周邊各桿將產(chǎn)生壓力，兩斜桿則產(chǎn)生拉力。壓力和拉力在體系內(nèi)自相平衡。由于出現(xiàn)在承受荷載之前，稱為初始內(nèi)力或殘余內(nèi)力。當(dāng)初始內(nèi)力和荷載引起的內(nèi)力同號(hào)時(shí)，將使承載能力降低。澳大利亞的學(xué)者對(duì)平板網(wǎng)架進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，測(cè)得一部分桿的初始內(nèi)力為桿所能承受的力的7%12，初始內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)偏心、螺栓連使網(wǎng)架承載能力比理論計(jì)算值低13% 37。 超靜定次數(shù)越高，差距越大。這和傳統(tǒng)的概念“超靜施工和構(gòu)造細(xì)節(jié)對(duì)鑒于制造和安裝過(guò)程

38、能夠改變鋼材原有性能和影響結(jié)構(gòu)的承載1.3外界作用對(duì)鋼結(jié)構(gòu)性能的影響外界作用包括鋼結(jié)構(gòu)建成后的使用荷載和大氣作用等。多軸應(yīng)力的影響鋼材在雙向拉力作用下屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度提高，延伸率降低，給出單向拉伸和雙向應(yīng)力的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的對(duì)比。1.3.2加荷速率的影響用下，鋼框架構(gòu)件的最大應(yīng)變可能達(dá)到1.6x10-2 10-1s-1。鋼材在快速加荷作用下的響應(yīng)，也是設(shè)計(jì)人員應(yīng)該了解的，在20oC 左右的室.溫環(huán)境下，鋼材的屈服點(diǎn)fy和抗拉強(qiáng)度f(wàn)u雖然隨應(yīng)變速率的增大而提高，塑性變形能力卻并未下降，反而和強(qiáng)度一樣有所提高。圖給出靜力和動(dòng)力荷載下鋼材本構(gòu)關(guān)系的對(duì)比。由圖可見，在動(dòng)力作用下鋼材開始硬化的應(yīng)變st有較大增加，極限應(yīng)變s略有增大。文獻(xiàn) 1.19給出這些物理量隨應(yīng)變速率變化的公式。對(duì)于屈服點(diǎn)等于 235MPa的鋼材，這些公式是.f/ f 1.306 0.061log yy.f/ f 1.124 0.0414loguu.t / t 3.024 0.406log st st./1.095 0.0217loguu式中左端帶撇（）的符號(hào)屬于動(dòng)力加荷，不帶撇者屬于靜力加荷。.當(dāng)應(yīng)變速率為10 1s-1時(shí)，以上公式給出.fy/fy1.245，fu/fu1