鋼結(jié)構(gòu)全套PPT教學(xué)課件

第1章

緒論

全套PPT課件1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用

1.2鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展（一）材質(zhì)均勻，和力學(xué)計(jì)算的假定比較符合

（二）材料的強(qiáng)度高，塑性和韌性好

（三）鋼結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)便，施工周期短

1.1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

五大優(yōu)點(diǎn)

:（四）鋼結(jié)構(gòu)的重量輕

（五）鋼結(jié)構(gòu)的密閉性好

（一）材質(zhì)均勻，和力學(xué)計(jì)算的假定比較符合

鋼材內(nèi)部組織比較接近于勻質(zhì)和各向同性體，而且在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的。因此，鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況和工程力學(xué)計(jì)算結(jié)果比較符合。鋼材在冶煉和軋制過(guò)程中質(zhì)量可以嚴(yán)格控制，材質(zhì)波動(dòng)的范圍較小。因此，鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能與理論計(jì)算結(jié)果吻合較好。（二）材料的強(qiáng)度高，塑性和韌性好

鋼材和其他建筑材料，諸如混凝土、磚石和木材相比，強(qiáng)度要高得多。因此，特別適用于大跨度或荷載很大的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)。鋼材還具有塑性和韌性好的特點(diǎn)。塑性好，結(jié)構(gòu)在一般條件下不會(huì)因超載而突然斷裂；韌性好，結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力荷載的適應(yīng)性強(qiáng)，因此，在地震區(qū)采用鋼結(jié)構(gòu)是比較合適的。另一方面，由于鋼材的強(qiáng)度高，做成的構(gòu)件截面小而壁薄，受壓時(shí)需要滿足穩(wěn)定的要求，強(qiáng)度有時(shí)不能充分發(fā)揮。（三）鋼結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)便，施工周期短

鋼結(jié)構(gòu)所用的材料較為單一，而且是成材，加工比較簡(jiǎn)便，機(jī)械化程度高。因此，大量的鋼結(jié)構(gòu)一般在專業(yè)化的金屬結(jié)構(gòu)廠做成構(gòu)件，精確度較高，質(zhì)量可靠。構(gòu)件在工地拼裝，可以采用安裝簡(jiǎn)便的普通螺栓和高強(qiáng)螺栓，有時(shí)還可以在地面拼裝成較大的單元再行吊裝，施工周期較短。小量的鋼結(jié)構(gòu)如輕鋼屋架，也可以在現(xiàn)場(chǎng)就地制造，隨即用簡(jiǎn)易機(jī)具吊裝。此外，對(duì)已建成的鋼結(jié)構(gòu)也比較容易進(jìn)行改建、擴(kuò)建和加固。同時(shí)，用螺栓連接的結(jié)構(gòu)還可根據(jù)需要進(jìn)行拆遷。（四）鋼結(jié)構(gòu)的重量輕

鋼材容重雖比混凝土等建筑材料的容重大，但鋼結(jié)構(gòu)卻比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)重量輕，原因是鋼材的強(qiáng)度與容重之比要比混凝土大得多。同樣跨度承受同樣荷載時(shí)，鋼屋架的重量最多不過(guò)鋼筋混凝土屋架的1／3至1／4，薄壁型鋼屋架甚至接近1／10，為吊裝提供了方便條件。對(duì)于需要遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)，如建造在交通不便的山區(qū)和邊遠(yuǎn)地區(qū)的工程，重量輕也是個(gè)重要的有利條件。同時(shí)，重量輕可以降低地基及基礎(chǔ)部分的造價(jià)，而且對(duì)抵抗地震力作用較為有利。但由于鋼材的強(qiáng)度高，做成的構(gòu)件截面小而壁薄，受壓時(shí)，構(gòu)件一般由穩(wěn)定和剛度控制，強(qiáng)度難以充分發(fā)揮。（五）鋼結(jié)構(gòu)的密閉性好

鋼材組織致密，具有不滲透性和耐高壓性，采用焊接可制成完全密閉的結(jié)構(gòu)，水密性和氣密性較好，適宜于做有密閉要求的板殼結(jié)構(gòu)，如壓力容器、油庫(kù)、氣柜和管道等。

（一）鋼材耐腐蝕性差

（二）鋼材耐熱但不耐火

（三）鋼結(jié)構(gòu)在某些情況下可能發(fā)生脆性斷裂

三大缺點(diǎn)

:（一）鋼材耐腐蝕性差

鋼材耐腐蝕的性能比較差，因此，必須對(duì)結(jié)構(gòu)注意防護(hù)。這使維護(hù)費(fèi)用比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高。不過(guò)在沒(méi)有侵蝕性介質(zhì)的一般廠房中，構(gòu)件經(jīng)過(guò)徹底除銹并涂上合格的油漆，銹蝕問(wèn)題并不嚴(yán)重。（二）鋼材耐熱但不耐火

鋼材長(zhǎng)期經(jīng)受100℃以內(nèi)的輻射熱時(shí)，強(qiáng)度沒(méi)有多大變化，因此具有一定的耐熱性能，但溫度達(dá)150℃以上時(shí)，就須用隔熱層加以保護(hù)。當(dāng)溫度超過(guò)200℃后，材質(zhì)變化較大，強(qiáng)度逐漸降低；當(dāng)溫度超過(guò)300℃以后，強(qiáng)度急劇下降；當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，鋼材進(jìn)入塑性狀態(tài)已不能承載。因此，鋼材不能耐火，對(duì)重要的結(jié)構(gòu)必須注意采取防火措施。（三）鋼結(jié)構(gòu)在某些情況下可能發(fā)生脆性斷裂

鋼材雖然韌性較好，但在低溫下材質(zhì)變脆，在發(fā)生疲勞破壞時(shí)的脆性破壞等，如果設(shè)計(jì)、制造或使用不當(dāng)，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生脆性斷裂，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以注意。1.1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍

1234（三）高層建筑（一）大跨度結(jié)構(gòu)（二）重型廠房結(jié)構(gòu)（四）多層鋼框架結(jié)構(gòu)1.1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍

5678（七）組合結(jié)構(gòu)（五）高聳結(jié)構(gòu)（六）輕型鋼結(jié)構(gòu)（八）其它結(jié)構(gòu)形式

（一）大跨度結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)的跨度越大，自重在全部荷載中所占的比重也就越大，減輕結(jié)構(gòu)自重可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效果。因此，鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高而重量輕的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于大跨結(jié)構(gòu)特別突出，如飛機(jī)庫(kù)、體育館、火車站、展覽館、影劇院、大會(huì)堂等，其結(jié)構(gòu)體系可為平板網(wǎng)架、網(wǎng)殼、空間桁架、斜拉、懸索和拱架等。還有歷屆奧運(yùn)會(huì)、博覽會(huì)等都可以顯示鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展水平。（二）重型廠房結(jié)構(gòu)

鋼鐵聯(lián)合企業(yè)和重型機(jī)械制造工業(yè)，有許多車間屬于重型廠房。車間里吊車的起重量較大，或者吊車的工作較為繁重，工作較為頻繁，多采用鋼骨架。如：大型鋼鐵企業(yè)的煉鋼、軋鋼、無(wú)縫鋼管等車間；重型機(jī)器廠的鑄鋼、鍛壓、水壓車間；造船廠的船體車間等。另外，有強(qiáng)烈輻射熱的車間，也經(jīng)常采用鋼結(jié)構(gòu)。（三）高層建筑由于城市建設(shè)的需要，高層、超高層逐漸增多。鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、自重輕，構(gòu)件體積小，且裝配化程度高，施工快等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，對(duì)高層建筑尤其有利。目前世界上最高，最大的結(jié)構(gòu)采用的大多都是鋼結(jié)構(gòu)。世界上已經(jīng)建成的幾個(gè)純鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑已經(jīng)很多。我國(guó)于1997年建成的上海金茂大廈(95層，建筑高度421m，結(jié)構(gòu)高度395m)，還有上海浦東環(huán)球金融中心也躋身于世界超高層的行列。巨型鋼結(jié)構(gòu)為高層或超高層建筑的一種嶄新體系，它是為了滿足特殊功能或綜合功能而產(chǎn)生的，它具有良好的建筑適應(yīng)性和潛在的高效結(jié)構(gòu)性能，是一種很有發(fā)展的結(jié)構(gòu)。如日本千葉縣43層、高180m的NEC大樓，該建筑內(nèi)部布置大開(kāi)口和大空間庭院，其巨型結(jié)構(gòu)是由四根巨型結(jié)構(gòu)柱和四個(gè)巨型的空間桁架梁組成的巨型空間桁架體系。經(jīng)分析，這種體系具有極強(qiáng)的抗推剛度。（四）多層鋼框架結(jié)構(gòu)

鋼框架結(jié)構(gòu)，其自重輕，抗震性能好，施工速度快，機(jī)械化程度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。構(gòu)件易于標(biāo)準(zhǔn)化和定型化，對(duì)多層建筑而言，鋼框架結(jié)構(gòu)體系是一種比較經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)用廣泛的結(jié)構(gòu)體系。但同時(shí)它也存在一定的缺點(diǎn)，如用鋼量稍大，耐火性能差，后期維修費(fèi)用高，造價(jià)略高于混凝土框架等。從目前來(lái)看，鋼框架結(jié)構(gòu)建筑是對(duì)城市環(huán)境影響最小的一種結(jié)構(gòu)之一，在西方已被廣泛采用。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，更具有在“高、大、輕”三方面發(fā)展的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，兩者相結(jié)合以至達(dá)到更好的使用功能效果。（五）高聳結(jié)構(gòu)

高聳結(jié)構(gòu)包括塔架和桅桿結(jié)構(gòu)，如高壓輸電線路的塔架、廣播和電視發(fā)射用的塔架和桅桿等。廣州和上海的電視塔高度為200和205米。1977年建成的北京環(huán)境氣象塔高325米，是五層拉線的桅桿結(jié)構(gòu)。（六）輕型鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)重量輕不僅對(duì)大跨結(jié)構(gòu)有利，對(duì)使用荷載特別輕的小跨結(jié)構(gòu)也有優(yōu)越性。因?yàn)楫?dāng)使用荷載特別輕時(shí)，小跨結(jié)構(gòu)的自重也成為一個(gè)重要因素。薄壁型鋼屋架在一定條件下的用鋼量可不超過(guò)鋼筋混凝土屋架的用鋼量。輕型鋼結(jié)構(gòu)包括輕型門(mén)式鋼架房屋鋼結(jié)構(gòu)、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)以及鋼管結(jié)構(gòu)等，已廣泛應(yīng)用于沒(méi)有吊車或吊車噸位不大的工業(yè)廠房、辦公樓及中小體育館等。（七）組合結(jié)構(gòu)

將鋼和混凝土組合起來(lái)共同受力并發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，可以有效地節(jié)約材料。例如，壓型鋼板組合樓板、鋼-混凝土組合梁、鋼管混凝土柱、勁性混凝土柱等，已得到廣泛的應(yīng)用。（八）其它結(jié)構(gòu)形式

如受動(dòng)力荷載影響的結(jié)構(gòu)、可拆卸的結(jié)構(gòu)、容器和其他構(gòu)筑物等。由于鋼材具有良好的韌性，設(shè)有較大鍛錘或產(chǎn)生動(dòng)力作用的其他設(shè)備的廠房，其骨架直接承受的動(dòng)力盡管有時(shí)不是很大，但間接振動(dòng)卻極為強(qiáng)烈，所以即使屋架跨度不是很大時(shí)，也往往用鋼結(jié)構(gòu)制成。對(duì)于抗震能力要求高的結(jié)構(gòu)，用鋼結(jié)構(gòu)也是比較適宜的。一、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法1.2鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法二、設(shè)計(jì)表達(dá)式1、承載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力，或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形的極限狀態(tài)，它包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因強(qiáng)度超過(guò)而破壞，結(jié)構(gòu)或其一部分作為剛體而失去平衡（傾覆或滑移），在反復(fù)荷載作用下構(gòu)件或連接發(fā)生疲勞破壞等。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，應(yīng)認(rèn)為超過(guò)了承載能力極限狀態(tài)：(1)整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過(guò)材料強(qiáng)度而破壞（包括疲勞破壞），或因過(guò)度變形而不適于繼續(xù)承載；(3)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；(4)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）；(5)地基喪失承載能力而破壞（如失穩(wěn)等）2、正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能中某項(xiàng)規(guī)定限度的狀態(tài)稱為正常使用極限狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，應(yīng)認(rèn)為超過(guò)了正常使用極限狀態(tài)：(1)影響正常使用或外觀的變形；(2)影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）(3)影響正常使用的振動(dòng)；(4)影響正常使用的其他特定狀態(tài)

3、結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)

結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)來(lái)描述。

簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)時(shí)，只以結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效應(yīng)Ｓ和抗力Ｒ這兩個(gè)基本隨機(jī)變量來(lái)表達(dá)結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)，則有

結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；

結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界狀態(tài)，即極限狀態(tài)；

結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。

由于基本變量R、S的不定性，說(shuō)明作用在結(jié)構(gòu)的荷載潛在著出現(xiàn)高值的可能，材料性能也潛在著出現(xiàn)低值的可能；雖然設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)采用了相當(dāng)保守的方案，但在結(jié)構(gòu)投入使用后，也不能保證它絕對(duì)可靠，因而對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的功能只能作出一定概率的保證。1.2.2設(shè)計(jì)表達(dá)式(1)對(duì)于承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，應(yīng)采用荷載效應(yīng)的基本組合，必要時(shí)應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的偶然組合。荷載效應(yīng)的的基本組合按下列設(shè)計(jì)表達(dá)式中最不利值確定（在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，習(xí)慣采用應(yīng)力表達(dá)形式）：由可變荷載效應(yīng)控制的組合：

由永久荷載效應(yīng)控制的組合：

(2)對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，按《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定要求分別采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，使變形、裂縫等荷載效應(yīng)的設(shè)計(jì)值不超過(guò)相應(yīng)的規(guī)定限值。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，只考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合，其設(shè)計(jì)表達(dá)式為：

一、研究高強(qiáng)度鋼材二、改進(jìn)設(shè)計(jì)方法三、采用新型結(jié)構(gòu)1.3鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展四、發(fā)展前景廣闊五、構(gòu)件生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化1.3鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展

1、研究高強(qiáng)度鋼材應(yīng)用高強(qiáng)度鋼材，對(duì)大(跨度)、高(聳)、重(型)的結(jié)構(gòu)非常有利。我國(guó)目前普遍應(yīng)用的鋼材是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼中的Q345、Q390、Q420鋼。目前，我國(guó)已采用Q460鋼，并成功應(yīng)用于北京國(guó)家體育館-鳥(niǎo)巢。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的研制和開(kāi)發(fā)還將不斷進(jìn)行。在強(qiáng)度增加的同時(shí)，還應(yīng)具有優(yōu)良的塑性性能和韌性性能。另外，改進(jìn)鋼材的耐腐蝕性和耐火性，也是今后的發(fā)展方向。2、改進(jìn)設(shè)計(jì)方法

經(jīng)過(guò)我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)人員多年來(lái)的勤奮工作，現(xiàn)行的《規(guī)范》在用了當(dāng)前國(guó)際上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最先進(jìn)的方法，以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法；對(duì)軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算由原來(lái)的三條柱子曲線改為四條柱子曲線，凡此等等，都表明我國(guó)運(yùn)用現(xiàn)代科技的測(cè)試和計(jì)算技術(shù)，已能較好地使鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作情況，從而能更合理地使用材料。然而在有些問(wèn)題上仍有待作進(jìn)一步改進(jìn)和提高。3、采用新型結(jié)構(gòu)(1)大跨度建筑：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)近年來(lái)在我國(guó)已得到較廣泛的應(yīng)用，它能有效地跨越較大的空間。懸索結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中是一種造型美觀，對(duì)建筑平面圖形適應(yīng)性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式，由于主要承重構(gòu)件受拉，因此可最大限度地利用材料，用鋼量很低，故很受歡迎。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是在大跨度結(jié)構(gòu)中節(jié)約鋼材的一種有效方法，用于加強(qiáng)懸索結(jié)構(gòu)，更具有明顯經(jīng)濟(jì)效果。(2)組合結(jié)構(gòu)：將鋼和混凝土組合起來(lái)共同受力并發(fā)揮各自材料的長(zhǎng)處，鋼材利于受拉，混凝土利于受壓的特點(diǎn)，能有效地節(jié)約材料。主要形式有壓型鋼板組合樓蓋、組合梁、鋼管混凝土柱和勁性混凝土等。4、發(fā)展前景廣闊隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在各行業(yè)的發(fā)展也越來(lái)越迅速。近幾年來(lái)，建筑鋼結(jié)構(gòu)在單層、多層的輕中重型廠房，高層、超高層建筑，大跨度公共建筑等方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。火力電廠、橋梁、市政建設(shè)、高層住宅、底層別墅也開(kāi)始成了建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展市場(chǎng)，尤其是住宅鋼結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還很少，市場(chǎng)前景廣闊。5、構(gòu)件生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化目前，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣。從設(shè)計(jì)入手，結(jié)合產(chǎn)品的制造工藝，將一些易于定型化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，使其桿件規(guī)格統(tǒng)一，便于互換和大量制造成系列化產(chǎn)品，達(dá)到批量生產(chǎn)，降低造價(jià)的目的，將使鋼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化制作，有效的推進(jìn)我國(guó)住宅的產(chǎn)業(yè)化。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)都得到了很大的發(fā)展，可較好的確定優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式和截面形式，取得較大的經(jīng)濟(jì)效果。

本章小結(jié)鋼結(jié)構(gòu)具有：材料的強(qiáng)度高，塑性和韌性好；材質(zhì)均勻，和力學(xué)計(jì)算的假定比較符合；鋼結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)便，施工周期短；鋼結(jié)構(gòu)的重量輕；鋼結(jié)構(gòu)的密閉性好等優(yōu)點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)適用于重型廠房結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)、多層鋼框架結(jié)構(gòu)、高層建筑、受動(dòng)力荷載影響的結(jié)構(gòu)、可拆卸的結(jié)構(gòu)、容器和其他構(gòu)筑物、輕型鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等。鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展要從研究高強(qiáng)度鋼材、改進(jìn)設(shè)計(jì)方法、采用新型結(jié)構(gòu)、應(yīng)用優(yōu)化原理、構(gòu)件的定型化、系列化、產(chǎn)品化等方面不斷進(jìn)行探索與研究。思考題1.1鋼結(jié)構(gòu)與其他材料的結(jié)構(gòu)相比，有哪些特點(diǎn)？1.2鋼結(jié)構(gòu)采用什么設(shè)計(jì)方法？其設(shè)計(jì)原則是什么？1.3什么是極限狀態(tài)？分為哪兩類？其內(nèi)容有哪些？1.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，能否保證結(jié)構(gòu)絕對(duì)安全，為什么？第2章

鋼結(jié)構(gòu)的材料

2.1概述

2.2鋼材的破壞形式2.3鋼材的主要性能2.4鋼材在復(fù)雜應(yīng)力作用下的力學(xué)性能

2.5各種因素對(duì)鋼材性能的影響2.6鋼材的種類、規(guī)格及選用

鋼的種類繁多，性能差別很大，適用于鋼結(jié)構(gòu)的鋼材只是其中的一小部分。用作鋼結(jié)構(gòu)的鋼材必須符合下列要求：(1)有較高的強(qiáng)度(2)較好的塑性、韌性及耐疲勞性能。(3)良好的工藝性能(包括冷加工、熱加工和可焊性能等）。(4)耐久性好。2.1概述2.2鋼材的破壞形式鋼材在各種作用下有兩種性質(zhì)完全不同的破壞形式，即塑性破壞和脆性破壞。建筑鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材雖然有較好的塑性和韌性，但在一定的條件下，仍然有脆性破壞的可能性。兩者的破壞特征有明顯的區(qū)別。塑件破壞是由于構(gòu)件的應(yīng)力達(dá)到材料的極限強(qiáng)度而產(chǎn)生的，破壞斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗，破壞前有較大的塑性變形，且變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，容易發(fā)現(xiàn)并采取有效補(bǔ)救措施，通常不會(huì)引起嚴(yán)重后果。脆性破壞服強(qiáng)度,是在塑性變形很小，甚至沒(méi)有塑性變形的情況下突然發(fā)生的，破壞時(shí)構(gòu)件的計(jì)算應(yīng)力可能小于鋼材的屈服強(qiáng)度,

破壞的斷口平齊并呈有光澤的晶粒狀。

由于脆性破壞前沒(méi)有明顯的征兆，不能及時(shí)覺(jué)察和補(bǔ)救，破壞后果嚴(yán)重。

因此，在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工和使用中，要充分考慮各方面因素，盡量避免一切發(fā)生脆性破壞的可能性。2.3鋼材的主要性能（1）強(qiáng)度比例極限與彈性極限

屈服點(diǎn)

抗拉強(qiáng)度

（2）塑性2.3鋼材的主要性能（1）強(qiáng)度比例極限與彈性極限

屈服點(diǎn)

抗拉強(qiáng)度

（2）塑性伸長(zhǎng)率δ反映的是標(biāo)距范圍內(nèi)變形的平均值，相比較而言，用斷面收縮率Ψ作為鋼材的塑性指標(biāo)更真實(shí)，但由于在測(cè)量面積時(shí)較困難且誤差較大，因此，我們通常用伸長(zhǎng)率δ代表材料在單向拉伸時(shí)的塑性應(yīng)變的能力，而不用斷面收縮率Ψ。結(jié)構(gòu)制作時(shí)，這種能力使得材料承受剪切、沖壓、彎曲及錘擊所產(chǎn)生的局部屈服而無(wú)明顯破壞。2.3.2冷彎性能鋼材的冷彎性能是衡量鋼材在常溫下彎曲加工產(chǎn)生塑性變形時(shí)對(duì)裂紋的抵抗能力的一項(xiàng)指標(biāo)。鋼材的冷彎性能是用冷彎試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)鋼材承受規(guī)定彎曲程度的彎曲變形性能，并顯示其缺陷的程度。冷彎試驗(yàn)方法是在材料試驗(yàn)機(jī)上，通過(guò)冷彎沖頭加壓。圖2.2是冷彎試驗(yàn)示意圖，用具有彎心直徑d的沖頭對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件中部施加荷載使之彎曲，檢查并記錄試件彎曲部位出現(xiàn)的裂紋或分層等情況時(shí)的冷彎角度，或者要求將試件冷彎到規(guī)定的一定角度(一般為

)時(shí)，以試件彎曲部分的外面、里面和側(cè)面，不出現(xiàn)裂縫或分層，作為判斷冷彎性能的方法。冷彎性能一方面是檢驗(yàn)鋼材適應(yīng)冷加工能力和顯示鋼材內(nèi)部缺陷(如分層、非金屬夾雜等）狀況的一項(xiàng)指標(biāo)，另一方面由于冷彎時(shí)試件中部受彎部位受到?jīng)_頭擠壓以及彎曲和剪切的復(fù)雜作用，因而也是考察鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)展塑性變形能力的一項(xiàng)指標(biāo)。因此，冷彎性能合格是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下的塑性應(yīng)變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標(biāo)。

圖2.2鋼材冷彎試驗(yàn)示意圖2.3.3沖擊韌性鋼材的沖擊韌性是指鋼材在沖擊荷載作用下，斷裂過(guò)程中吸收機(jī)械動(dòng)能的一種能力，是衡量鋼材抵抗沖擊荷載作用，可能因低溫、應(yīng)力集中，而導(dǎo)致脆性斷裂的一項(xiàng)機(jī)械性能。一般通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試件的沖擊試驗(yàn)來(lái)獲得鋼材的沖擊韌性指標(biāo)。沖擊韌性是鋼材斷裂時(shí)吸收機(jī)械能量的量度，是強(qiáng)度與塑性的綜合指標(biāo)。理論上，韌性是應(yīng)力-應(yīng)變曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積，面積越大，韌性值越大。2.4鋼材在復(fù)雜應(yīng)力作用下的力學(xué)性能建筑鋼材可以假設(shè)為理想彈塑性體，它的靜力強(qiáng)度指標(biāo)是屈服點(diǎn)。屈服點(diǎn)標(biāo)志著鋼材由彈性工作轉(zhuǎn)入塑性工作。但在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，有些構(gòu)件往往是受雙向或三向應(yīng)力的作用，如實(shí)腹梁的腹板等。這時(shí)，確定鋼材的屈服條件需要用強(qiáng)度理論來(lái)解決。對(duì)于接近理想彈塑性體的建筑鋼材來(lái)說(shuō)，最常用的是能量強(qiáng)度理論（或第四強(qiáng)度理論），而且也經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，在復(fù)雜應(yīng)力如平面或立體應(yīng)力(圖2.4)作用下，鋼材由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)的條件是按能量強(qiáng)度理論(或第四強(qiáng)度理論)計(jì)算的折算應(yīng)力

與單向應(yīng)力下的屈服點(diǎn)相比較來(lái)判斷：

(2.3)當(dāng)

時(shí)，為彈性狀態(tài)；

時(shí)為塑性狀態(tài)。如三向應(yīng)力有一向應(yīng)力很小(如厚度較小，厚度方向的應(yīng)力可忽略不計(jì))或?yàn)榱銜r(shí)，則屬于平面應(yīng)力狀態(tài)，式(2.3)成為：

(2.4)在一般的梁中，只存在正應(yīng)力

和剪應(yīng)力則：

(2.5)當(dāng)只有剪應(yīng)力時(shí)，=0，則=由此得：

(2.6)因此，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定鋼材抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度為抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度的0.58倍。當(dāng)平面或立體應(yīng)力皆為拉應(yīng)力時(shí)，材料破壞時(shí)沒(méi)有明顯的塑性變形產(chǎn)生，即材料處于脆性狀態(tài)。

圖2.4復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)2.5各種因素對(duì)鋼材性能的影響2.5.1化學(xué)成分的影響鋼是由各種化學(xué)成分組成的，化學(xué)成分及其含量對(duì)鋼的性能特別是力學(xué)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(jié)構(gòu)鋼中約占99％；碳和其他元素僅占1％，對(duì)鋼材的力學(xué)性能卻有著決定性的影響。其他元素包括硅(Si)、錳(Mn)、硫(S)、磷(P)、氮(N)、氧(O)等。低合金鋼中還含有少量合金元素(低于5％)，如銅(Cu)、釩(V)、

鈦(Ti)、鈮(Nb)、鉻(Cr)等。

在普通碳素鋼中，碳是除純鐵以外的最主要的元素，它直接影響鋼材的強(qiáng)度、塑性和韌性。隨著含碳量的提高，鋼的強(qiáng)度逐漸升高，但塑性、沖擊韌性下降，冷彎性能、可焊性能和抗銹蝕性能等也都變差。因此，盡管碳是使鋼材獲得足夠強(qiáng)度的主要元素，但在鋼結(jié)構(gòu)(特別是焊接結(jié)構(gòu))中并不采用有較高含碳量的鋼材，含碳量一般均不超過(guò)0.22％，在焊接結(jié)構(gòu)中，其含碳量應(yīng)低于0.20%。2.5.2鋼材缺陷的影響冶金缺陷對(duì)鋼材性能的影響，不僅在構(gòu)件或結(jié)構(gòu)受力時(shí)表現(xiàn)出來(lái)，有時(shí)在加工制作工程中也可表現(xiàn)出來(lái)。常見(jiàn)的治金缺陷有；偏析鋼中化學(xué)成分的不一致和不均勻性稱為偏析。偏析能惡化鋼材的性能，特別是硫、磷的偏析會(huì)使偏析區(qū)鋼材的塑性、冷彎性能、沖擊韌性及焊接性能變壞。一般地說(shuō)，沸騰鋼的偏析要比鎮(zhèn)靜鋼嚴(yán)重得多。非金屑夾雜摻雜在鋼材今的非金屬雜物，對(duì)鋼材的性能有極為不利的影響。常見(jiàn)非金屬夾雜物是硫化物和氧化物。硫化物在800一1200℃高溫下，使鋼材變脆(即熱脆)，氧化物，特別是粗大的氧化物，可嚴(yán)重地降低鋼材的物理力學(xué)性能和工藝性能。裂紋成品鋼材中的裂紋(微現(xiàn)的或定觀的)，不論其成因如何均使鋼材的冷彎性能、沖擊韌性及疲勞強(qiáng)度大大降低，并降低鋼材抗脆性破壞的能力。分層這種缺陷是在鋼材厚度方向分成多層(但各層間仍互相連接，并不服離)。分層并不影響垂直于厚度方向的強(qiáng)度，但嚴(yán)重降低冷彎性能。在分層的夾續(xù)處還易銹蝕，在應(yīng)力作用下將加速銹蝕，甚至形成裂紋，大大降低鋼材的沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度及抗脆斷能力。2.5.3鋼材的硬化鋼材的硬化有三種情況。時(shí)效硬化在高溫時(shí)溶化于鐵中的少量氮和碳，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸從固溶體中析出，形成氮化物和自由碳化物，對(duì)純鐵體的塑性變形起遏制作用，從而使鋼材的強(qiáng)度提高塑性和韌性下降。這一現(xiàn)象叫做時(shí)效硬化(也稱為老化)。時(shí)效硬化發(fā)生的過(guò)程一般很長(zhǎng)，但是在材料經(jīng)受塑性變形后加熱，可以使時(shí)效硬化發(fā)展得特別迅速。

圖2.5硬化對(duì)鋼材性能的影響由于硬化的結(jié)果總要降低鋼材的塑性和韌性，在一般的鋼結(jié)構(gòu)中，不但不利用所提高的強(qiáng)度，有時(shí)還要考慮其不利影響。有些重要的結(jié)構(gòu)要求對(duì)鋼材進(jìn)行人工時(shí)效后檢驗(yàn)其沖擊韌性，以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗脆性破壞能力。2.5.4溫度的影響鋼材性能隨溫度變動(dòng)而變化?？偟内厔?shì)是：溫度升高，鋼材強(qiáng)度降低，應(yīng)變?cè)龃?；反之，溫度降低，鋼材?qiáng)度會(huì)略有增加，塑性和韌性卻會(huì)降低而變脆，見(jiàn)圖2.6。

圖2.6溫度對(duì)鋼材機(jī)械性能的影響在正溫范圍內(nèi)，當(dāng)溫度超過(guò)85℃后，隨著溫度的升高，技拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)及彈性模量均有變化，總的趨勢(shì)是強(qiáng)度降低、應(yīng)變?cè)龃?。然而，?50℃左右時(shí)，鋼材的抗拉強(qiáng)度卻反而略有提高同時(shí)塑性和沖擊韌性下降，這種現(xiàn)象稱為藍(lán)脆現(xiàn)象，這個(gè)溫度區(qū)稱為藍(lán)脆區(qū)。在藍(lán)脆區(qū)進(jìn)行熱加工，可能使鋼材發(fā)生裂紋。此外，當(dāng)溫度超過(guò)曲260-320℃時(shí)，在一定荷載作用下，鋼材將隨時(shí)間的增長(zhǎng)而變形逐漸增大，產(chǎn)生徐變現(xiàn)象。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)的表面長(zhǎng)期受輻射熱達(dá)150℃以上，或在短時(shí)間內(nèi)可能受到火焰作用時(shí)，應(yīng)用隔熱層加以保護(hù)。當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，彈性模量等均降至零，但它有一定耐高溫的能力，當(dāng)有適當(dāng)?shù)母魺岜Ｗo(hù)時(shí)，甚至油400-500℃這樣的高溫環(huán)境中還可以使用。當(dāng)溫度低于常溫時(shí)，隨著溫度的降低，鋼材的脆性頓向逐漸增大，可導(dǎo)致低溫脆斷。2.5.5應(yīng)力集中

當(dāng)構(gòu)件截面的完整性遭到破壞，如有裂紋(內(nèi)部的或涼面的)、孔洞、刻槽、四角以及截面的厚度或?qū)挾鹊耐蝗桓淖儠r(shí)，構(gòu)件中的應(yīng)力分布將變得很不均勻。在缺陷或截面變化處附近，應(yīng)力線曲折、密集、出現(xiàn)高峰應(yīng)力的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。2.5.6反復(fù)荷載作用試驗(yàn)表明，鋼材在直接的連續(xù)往復(fù)的動(dòng)力荷載作用下，其強(qiáng)度將會(huì)降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗(yàn)的極限強(qiáng)度值。這種現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞。疲勞破壞表現(xiàn)為脆性斷裂。實(shí)踐中證明，當(dāng)構(gòu)件的應(yīng)力水平不高或荷載往復(fù)的次數(shù)不多時(shí)，鋼材一般不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，計(jì)算時(shí)，也不必考慮疲勞的影響。但是，在長(zhǎng)期承受頻繁的往復(fù)荷載作用時(shí)，結(jié)構(gòu)及其連接在設(shè)計(jì)中必須考慮結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題。2.6鋼材的種類、規(guī)格及選用2.6.1鋼材的種類鋼材按其用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊鋼(如不銹鋼等)。結(jié)構(gòu)鋼又分建筑用鋼和機(jī)械用鋼。按冶煉方法，可分為轉(zhuǎn)爐鋼和平爐鋼等。按澆鑄時(shí)的脫氧方法，又分為沸騰鋼(代號(hào)為F)、半鎮(zhèn)靜鋼(代號(hào)為b)、鎮(zhèn)靜鋼(代號(hào)為z)和特殊鎮(zhèn)靜鋼(代號(hào)為T(mén)Z)，鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的代號(hào)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。按成型方法分類，鋼又分為軋制鋼(熱軋、冷軋)、鍛造鋼和鑄鋼。最后按化學(xué)成分分類，鋼又分為碳素鋼和合金鋼。在建筑工程中采用是碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。1．碳素結(jié)構(gòu)鋼按質(zhì)量等自鋼分為A、B、C、D四級(jí)，A級(jí)鋼只保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、伸長(zhǎng)率，必要時(shí)尚可附加冷彎試驗(yàn)的要求，在化學(xué)成分中對(duì)碳、錳可以不作為交貨條件。B、C、D級(jí)鋼均保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、伸長(zhǎng)率、冷彎和沖擊韌性(分別為+20℃、0℃、—20℃)等力學(xué)性能?；瘜W(xué)成分對(duì)碳、硫、磷的極限含量要求更嚴(yán)。鋼材的牌號(hào)由屈服點(diǎn)的漢語(yǔ)拼音字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)(A、B、C、D)、脫氧方法符號(hào)等四個(gè)部分按順序組成。如Q235A、Q235AF；Q235C；Q235D等。冶煉方法一般由供方自行決定，設(shè)計(jì)者不再另行提出，如需方有特殊要求時(shí)可在合同中加以注明。2．低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼采用與碳素結(jié)構(gòu)鋼相向的牌號(hào)表示方法。鋼的牌號(hào)仍有質(zhì)量等級(jí)符號(hào)，除與碳素結(jié)鋼四個(gè)等級(jí)（A、B、C、D)相同外增加一個(gè)等級(jí)E，主要是要求—40℃的沖擊韌性。鋼的牌號(hào)如Q345B、Q390C等等。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的A、B級(jí)屬于鎮(zhèn)靜鋼，C、D、E級(jí)屬于特殊鎮(zhèn)靜鋼，因此鋼的牌號(hào)中不注明脫氧方法，其冶煉方法也由供方自行選擇。2.6.2鋼材的規(guī)格鋼結(jié)構(gòu)采用的型材有熱軋成型的鋼板和型鋼以及冷彎(或冷壓)成型的薄壁型鋼。1、鋼板熱軋鋼板有厚鋼板（厚度4.5～60mm）和薄鋼板（厚度0.35～4mm），還有扁鋼（厚度4～60mm，寬度12～200mm），用符號(hào)表示為“-”，且在符號(hào)“-”后加“寬x厚x長(zhǎng)”（單位為mm）。如“-400x8x1000”，指的是寬度為400mm、厚度為8mm、長(zhǎng)度為1000mm的鋼板。2、型鋼熱軋型鋼有角鋼、工字鋼、槽鋼和鋼管等。⑴角鋼角鋼分等邊角鋼和不等邊角鋼兩種（如圖2.8所示）。不等邊角鋼的表示方法為，在符號(hào)“L”后加“長(zhǎng)邊寬×短邊寬×厚度”，如L180×110×10，對(duì)于等邊角鋼則以“邊寬×厚度”表示，如L110×10，單位皆為mm。

(a)(b)圖2.8角鋼(a)等邊角鋼(b)不等邊角鋼⑵工字鋼、H型鋼工字鋼有普通工字鋼、輕型工字鋼和H型鋼。普通工字鋼和輕型工字鋼用號(hào)數(shù)表示，號(hào)數(shù)即為其截面高度的厘米數(shù)。20號(hào)以上的工字鋼，同一號(hào)數(shù)有三種腹板厚度分別為a、b及c三類。如I32a、I32b、I32c，a類腹板較薄，用作受彎構(gòu)件較為經(jīng)濟(jì)。輕型工字鋼的腹板和翼緣均較普通工字鋼薄，如表示為I32Q，因而在相同重量下其截面模量和回轉(zhuǎn)半徑均較大。H型鋼是世界各國(guó)使用很廣泛的熱軋型鋼，與普通工字鋼相比，其翼緣內(nèi)外兩側(cè)平行，便于與其他構(gòu)件相連。它可分為寬翼緣H型鋼(代號(hào)HW，翼緣寬度B與截面高度H相等)、中翼緣H型鋼(代號(hào)HM）、窄翼緣H型鋼(代號(hào)HN）。各種H型鋼均可剖分為了型鋼供應(yīng)，代號(hào)分別為T(mén)W、TM和TN。⑶槽鋼槽鋼有普通槽鋼和輕型槽鋼兩種，也以其截面高度的厘米數(shù)編號(hào)，如[18a。與工字鋼相似，14號(hào)以上的槽鋼，同一號(hào)數(shù)有三種腹板厚度分別為a、b及c三類，a類腹板較薄。號(hào)碼相同的輕型槽鋼，其翼緣較普通槽鋼寬而薄，腹板也較薄，回轉(zhuǎn)半徑大，重量輕。⑷鋼管鋼管有無(wú)縫鋼管和有縫鋼管兩種，用符號(hào)“”后面加“外徑x厚度”表示，如180x5，單位均為毫米。3、薄壁型鋼薄壁型鋼是用1．5—5mm厚的薄鋼板(一般用Q235或Q345鋼)經(jīng)模壓或彎曲而成，其截面形式及尺寸可按合理方案設(shè)計(jì)。有防銹涂層的彩色壓型鋼板所用鋼板厚度0.4—1.6mm，一般用于輕型屋面及墻面。薄壁型鋼能充分利用鋼材的強(qiáng)度，節(jié)約鋼材。

圖2.9薄壁型鋼2.6.3鋼材的選用1、鋼材選用的條件選擇鋼材的目的是為保證承重結(jié)構(gòu)的承載能力，做到結(jié)構(gòu)安全可靠，防止在一定條件下出現(xiàn)脆性破壞，同時(shí)用材經(jīng)濟(jì)合理。主要考慮下列各因素：(1)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性：(2)荷載的特征(靜載或動(dòng)載)；(3)連接方法(焊接、鉚接或螺栓連接)；(4)工作條件(結(jié)構(gòu)所處的溫度及腐蝕介質(zhì)等環(huán)境)；(5)鋼材的厚度；(6)結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)力狀態(tài)。2、對(duì)鋼材質(zhì)量的要求承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硫、磷含量的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有保證碳的極限含量(由于Q235A鋼的碳含量不作為交貨條件，故一般不用于焊接結(jié)構(gòu))的合格保證。焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材，還應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材及非焊接結(jié)構(gòu)的鋼材，還應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證。3、下列情況的承重結(jié)構(gòu)和構(gòu)件不應(yīng)采用Q235沸騰鋼：

（1）焊接結(jié)構(gòu)直接承受動(dòng)力荷載或振動(dòng)荷載且需要驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)。工作溫度低于-20℃時(shí)的直接承受動(dòng)力荷載或振動(dòng)荷載但可不驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)以及承受靜力荷載的受彎及受拉的重要承重結(jié)構(gòu)。工作溫度等于或低于-30℃的所有承重結(jié)構(gòu)。

本章小結(jié)

1．鋼材在受力破壞時(shí)有塑性破壞和脆性破壞兩種特征。后者為變形小的突然性斷裂，危險(xiǎn)性大，應(yīng)在設(shè)計(jì)、制造、安裝中嚴(yán)加防止。2．鋼材的主要性能包括強(qiáng)度、塑性、韌性等方面。強(qiáng)度指標(biāo)為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。塑性指標(biāo)為伸長(zhǎng)率和180度冷彎性能。韌性指標(biāo)為沖擊韌性指標(biāo)值。它們可由單向拉伸試驗(yàn)和冷彎、沖擊試驗(yàn)取得。采用的鋼材均應(yīng)符合各自的標(biāo)準(zhǔn)。3．影響鋼材機(jī)械性能的主要因素有化學(xué)成分、冶金缺陷、鋼材硬化、溫度影響、應(yīng)力集中、反復(fù)荷載作用等。4．鋼材應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、連接方法、工作條件、鋼材厚度、結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)力狀態(tài)等選用。思考題2.1鋼結(jié)構(gòu)對(duì)村料性能有哪些要求?

2.2鋼村有哪幾種破壞形式?

2.3鋼材有哪幾項(xiàng)主要機(jī)械性能指標(biāo)?各項(xiàng)指標(biāo)可用來(lái)衡量鋼材哪些方面的性能?各項(xiàng)指標(biāo)是如何得到的?

2.4影響鋼材機(jī)械性能的主要因素有哪些?鋼材的主要化學(xué)成分有哪些?各化學(xué)成分對(duì)鋼材的機(jī)械性能有何影響?2.5鋼材在復(fù)雜應(yīng)力作用下的屈服條件是什么?

2.6碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)是如何表示的?

2.7鋼材的選用應(yīng)考慮哪些因素?怎樣選擇才能做到經(jīng)濟(jì)合理、安全適用?

2.8建筑鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材的常用規(guī)格有哪些?2.9促使鋼材轉(zhuǎn)脆的主要因素有哪些?2.10同一種鋼材的伸長(zhǎng)率指標(biāo)為什么δ5>δ10？2.11為什么薄鋼板的強(qiáng)度比厚鋼板的強(qiáng)度高(或鋼材的強(qiáng)度按其厚度或直徑分組)？第3章

鋼結(jié)構(gòu)的連接

3.1鋼結(jié)構(gòu)常用的連接方法3.2焊接方法和焊縫連接形式3.3對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算3.4角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算3.5焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形3.6螺栓連接的排列和構(gòu)造要求3.7普通螺栓連接的性能和計(jì)算3.8高強(qiáng)度螺栓連接的工作性能和計(jì)算第3章鋼結(jié)構(gòu)的連接3.1鋼結(jié)構(gòu)常用的連接方法鋼結(jié)構(gòu)通常由一些鋼構(gòu)件組成，鋼構(gòu)件則又由一些鋼板或型鋼等部件組成；構(gòu)件或部件間需互相連接，以便可靠地傳遞內(nèi)力。因此，連接方式及其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響鋼結(jié)構(gòu)的工作性能。鋼結(jié)構(gòu)中常用的連接方法有焊縫連接、螺栓連接和鉚釘連接三種（如圖3.1所示）。

圖3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接方法(a）焊縫連接(b)鉚釘連接(c)螺栓連接3.1鋼結(jié)構(gòu)常用的連接方法鋼結(jié)構(gòu)通常由一些鋼構(gòu)件組成，鋼構(gòu)件則又由一些鋼板或型鋼等部件組成；構(gòu)件或部件間需互相連接，以便可靠地傳遞內(nèi)力。因此，連接方式及其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響鋼結(jié)構(gòu)的工作性能。鋼結(jié)構(gòu)中常用的連接方法有焊縫連接、螺栓連接和鉚釘連接三種（如圖3.1所示）。

圖3.1鋼結(jié)構(gòu)的連接方法(a）焊縫連接(b)鉚釘連接(c)螺栓連接3.1.2螺栓連接螺栓連接（如圖3.1(b)所示）按材料不同，分為普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓連接。(1)普通螺栓連接(2)高強(qiáng)度螺栓連接3.1.3鉚釘連接鉚釘連接（如圖3.1(c)所示）在受力和設(shè)計(jì)上與普通螺栓連接相仿。3.2焊接方法和焊縫連接形式3.2.1鋼結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的焊接方法(1)手工電弧焊這是最常用的一種焊接方法(如圖3.2所示)。圖3.2手工電弧焊自動(dòng)(或半自動(dòng))埋弧電弧焊(如圖3.3所示)圖3.3埋弧電弧焊(3)氣體保護(hù)焊從焊槍口中噴出惰性氣體或二氧化炭氣體，以保護(hù)被熔化的金屬使它不與空氣接觸。由于熱量集小中，焊接速度大，熔化深度也大，所得焊縫的強(qiáng)度比手工電弧焊高，塑性和抗腐蝕性也較好。(4)電阻焊利用電流通過(guò)焊件接觸點(diǎn)表面的電阻產(chǎn)生的熱量來(lái)熔化金屬，再通過(guò)壓力使其熔合。適用于焊接厚度<12mm時(shí)的焊接。3.2.2焊縫連接形式焊縫的連接形式按被連接件間的相互位置（如圖3.4所示）可分為對(duì)接連接、搭接連接、T形連接和角部連接四種。

圖3.4被連接件間的相互位置(a)對(duì)接(b)搭接(c)角部連接(d)T形連接（a）（b）（c）（d）焊縫的形式主要有對(duì)接焊縫(如圖3.5(a)所示)和角焊縫(如圖3.5(b)所示)兩種：

(a)對(duì)接焊縫(b)角焊縫圖3.5焊縫的形式1．對(duì)接焊縫采用對(duì)接焊縫時(shí)，常需要在被連接板件邊線開(kāi)成各種型式的坡口，焊縫金屬就填充在坡口內(nèi)，因而焊縫本身也是被連接板件截面的組成部分。板邊的坡口型式有Ⅰ型(垂直坡口)、單邊V型、V型、Ｕ型、X型和K型等（如圖3.6所示）。應(yīng)根據(jù)焊件厚度、保證焊縫質(zhì)量、便于旋焊及減小焊縫截面面積等因素選用。

（a）（b）（c）（d）（e）（f）2．角焊縫角焊縫可分直角角焊縫(如圖3.8(a)、(b)、(c)所示)和斜角角焊縫(如圖3.8(d)、(e)、(f)所示)兩種。在建筑結(jié)構(gòu)中，最常用的是直角角焊縫，尤其以圖3.8(a)所示的角焊縫用得最多。斜角角焊縫主要用于鋼管結(jié)構(gòu)中。本章主要介紹如圖3.8(a)所示的直角角焊縫。

圖3.8角焊縫的形式（a）（b）（c）（d）（e）（f）實(shí)際連接中，可按具體情況采用對(duì)接焊縫或角焊縫的對(duì)接連接、搭接連接、T形連接和角部連接（如圖3.9所示）。

圖3.9焊縫連接的形式(a)對(duì)接連接；(b)用拼接蓋板的對(duì)接連接；(c)搭接連接；(d)、(e)T形連接；(f)、(g)角部連接（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）3.3對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算3.3.1對(duì)接焊縫的構(gòu)造對(duì)接焊縫坡口的形式與尺寸應(yīng)結(jié)合焊件厚度和施焊條件，按照保證焊縫質(zhì)量、便于施焊和減小焊縫截面面積的原則，根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》中推薦的手工電弧焊和埋弧焊焊接接頭基本型式和尺寸選用，見(jiàn)圖3.6、3.7所示。當(dāng)對(duì)接焊縫拼接的焊件寬度不同或厚度相差4mm以上時(shí)，應(yīng)分別在寬度或厚度方向從一側(cè)或兩側(cè)做成坡度不大于1/2.5的斜角(如圖3.10)，以使截面平緩過(guò)渡，減少應(yīng)力集中。當(dāng)厚度相差不大(當(dāng)較薄鋼板的厚度≥5～9mm時(shí)為2mm、10～12ｍｍ時(shí)為3mm、＞12mm時(shí)為4mm)時(shí)，可不加工斜角，因焊縫表面形成的斜度即可滿足平緩過(guò)渡的要求。（a)(b)（c）圖3.10變截面鋼板拼接

(a)變寬度；(b)、(c)變厚度3.3.2對(duì)接焊縫的計(jì)算對(duì)接焊縫可視為焊件截面的延續(xù)組成部分，焊縫中的應(yīng)力分布情況基本與焊件原有的相同，故計(jì)算時(shí)可利用《材料力學(xué)》中各種受力狀態(tài)下構(gòu)建強(qiáng)度的計(jì)算公式。(1)軸心力(拉力或壓力)作用時(shí)的對(duì)接焊縫計(jì)算對(duì)接焊縫受垂直于焊縫的軸心拉力或軸心壓力作用時(shí)(如圖3-12(ａ)所示)，其強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：

(3.1)式中——軸心拉力或軸心壓力

——焊縫長(zhǎng)度。當(dāng)無(wú)法采用引弧和引出板施焊時(shí)，每條焊縫長(zhǎng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)各減去10mm；

——在對(duì)接接頭中為連接件的較小厚度；在T形接頭中為腹板的厚度；

、——對(duì)接焊縫的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按附表1.2選用。

圖3-12軸心力作用時(shí)的對(duì)接焊縫(a)直焊縫；(b)斜焊縫（a）（b）(2)彎矩和剪力共同作用時(shí)的對(duì)接焊縫計(jì)算a).矩形截面：如圖3.13(a)所示，焊縫中的最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力應(yīng)分別符合下列公式

（3.2）

（3.3）

式中——焊縫截面抵抗矩；

——焊縫截面計(jì)算剪應(yīng)力處以上部分對(duì)中和軸的面積矩；

——焊縫截面慣性矩；

——對(duì)接焊縫的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值．按附表1.2選用。b).工字形截面；如圖3.13(b)所示，焊縫中的最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力除應(yīng)分別符合式（3.2）和式（3.3）的要求外，在同時(shí)受有較大正應(yīng)力和剪應(yīng)力

的梁腹板橫向?qū)雍缚p受拉區(qū)的端部“1”點(diǎn)，還應(yīng)按下式計(jì)算折算應(yīng)力：

（3.4）式中1.1是考慮最大折算應(yīng)力只在焊縫的局部產(chǎn)生，因而將焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值提高的系數(shù)。

（a）

（b）

圖3.13彎矩和剪力共同作用時(shí)的對(duì)接焊縫[例3-1]計(jì)算工字形截面牛腿與鋼柱連接的對(duì)接焊縫強(qiáng)度(圖3.14)。F=550kN(設(shè)計(jì)值)，偏心距e=300mm。鋼材為Q235B，焊條為E43型，手工焊。焊縫為三級(jí)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，上、下翼緣加引弧板和引出板施焊。[解]截面幾何特征值和內(nèi)力:

圖3.14例3-1附圖

，（a）最大正應(yīng)力（b）最大剪應(yīng)力

（c）“1”點(diǎn)的折算應(yīng)力3.4角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算3.4.1角焊縫的構(gòu)造形式和尺寸要求角焊縫（如圖3.8所示）可分為直角角焊縫與斜角角焊縫。直角角焊縫的截面形式有普通焊縫（如圖3.8(a)所示）、平坡焊縫（如圖3.8(b)所示）、深熔焊縫（如圖3.8(c)所示）等幾種。一般情況下均用普通焊縫，由于這種焊縫受力時(shí)力線彎折，應(yīng)力集中現(xiàn)象較嚴(yán)重，在焊縫根角上形成高峰應(yīng)力，易于開(kāi)裂，因此在承受動(dòng)力荷載的連接中，必要時(shí)可采用平坡焊縫或深熔焊縫。直角角焊縫垂直于構(gòu)件受力方向時(shí)(如圖3.15(a)所示)稱為正面角焊縫，簡(jiǎn)稱為端縫；而平行于構(gòu)件受力方向時(shí)(如圖3.15(b)所示)稱為側(cè)面角焊縫，簡(jiǎn)稱為側(cè)縫；當(dāng)直角角焊縫既不平行也不垂直于構(gòu)件受力方向時(shí)(如圖3.15(c)所示)，稱為斜角焊縫。正面角焊縫受力后的應(yīng)力狀態(tài)要比側(cè)面角焊縫復(fù)雜得多，應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，在焊縫的根角處往往形成高峰應(yīng)力(如圖3.16所示)，易于開(kāi)裂。在荷載作用下，正面角焊縫有三種破壞形式(如圖3.17所示)。通?？偸窃诟鞘紫瘸霈F(xiàn)裂縫，然后擴(kuò)及整個(gè)焊縫截面以致斷裂。

圖3.15直角角焊縫(a)側(cè)面角焊縫；(b)正面角焊縫；(c)斜角焊縫

圖3.16正面角焊縫受力后的應(yīng)力分布（a）（b）（c）3.4.2角烽縫的計(jì)算方法根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，兩種角焊縫的強(qiáng)度和塑性各不相同，正面角焊縫的強(qiáng)度高但塑性和韌性略差，側(cè)面角焊縫的強(qiáng)度低但塑性和韌性較好。在工程實(shí)踐中，確定焊縫的使用性能和優(yōu)劣程度時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種因素的利弊，不能單純按照強(qiáng)度高低。根據(jù)多年來(lái)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，雖然正面角焊縫和側(cè)面角焊縫各有所長(zhǎng)，也各有所短，取長(zhǎng)補(bǔ)短。兩種角焊縫采用同一個(gè)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，由此設(shè)計(jì)的連接的使用效果良好。所以，習(xí)慣上在計(jì)算時(shí)正面角焊縫和側(cè)面角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的取值是相同的，并不因試驗(yàn)結(jié)果不同而有所區(qū)別。角焊縫的應(yīng)力分布比較復(fù)雜，正面角焊縫與側(cè)面角焊縫工作差別很大，要精確計(jì)算很困難，因此采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法，以焊縫的最小截面即斜截面為其計(jì)算截面，并將算得的應(yīng)力作為剪應(yīng)力。雖然這些假定和實(shí)際情況有一定出入，但通過(guò)大量試驗(yàn)證明是可以保證安全的，久已為大多數(shù)國(guó)家所采用。

3.5焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形3.5.1焊接應(yīng)力的分類和產(chǎn)生的原因

焊接過(guò)程是一個(gè)不均勻加熱和冷卻的過(guò)程。在施焊時(shí)，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，焊縫及其附近溫度最高，可達(dá)1600℃以上，而鄰近區(qū)域溫度則急劇下降（圖3.32）。不均勻的溫度場(chǎng)產(chǎn)生不均勻的膨脹。溫度高的鋼材膨脹大，但受到兩側(cè)溫度較低、膨脹量較小的鋼材所限制，產(chǎn)生了熱態(tài)塑性壓縮。焊縫冷卻時(shí)，被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向于縮短，但受到周圍鋼材限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力。在低碳鋼和低合金鋼中，這種拉應(yīng)力經(jīng)常達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度。焊接應(yīng)力是一種無(wú)荷載作用下的內(nèi)部應(yīng)力，因此會(huì)在焊件內(nèi)部自相平衡，這就必然在距焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)段內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力。

圖3.32施焊時(shí)焊縫及附近的溫度場(chǎng)和焊接殘余應(yīng)力(a)、(b)施焊時(shí)焊縫及附近的溫度場(chǎng)；(c)鋼板上縱向焊接應(yīng)力隨焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)不同方向的不均勻收縮變形(圖3.33)，稱為焊接殘余變形。

圖3.33焊接殘余變形種類

隨焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)不同方向的不均勻收縮變形(圖3.33)，稱為焊接殘余變形。3.5.2焊接殘余應(yīng)力的種類及分布焊接殘余應(yīng)力按其方向可分為縱向、橫向和沿厚度方向的殘余應(yīng)力。1．縱向殘余應(yīng)力縱向殘余應(yīng)力是在焊接溫度場(chǎng)內(nèi)，焊件沿焊縫長(zhǎng)度方向因冷卻先后不同而引起的縱向內(nèi)應(yīng)力。其沿焊件橫向的分布規(guī)律如圖3.34所示，即高溫區(qū)為拉應(yīng)力，低溫區(qū)為壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力大小及其具體分布與焊接的剛度和溫度場(chǎng)變化梯度有關(guān)，剛度愈大、溫度場(chǎng)變化梯度愈大，則殘余拉應(yīng)力愈大，最大值有時(shí)可達(dá)到鋼材的屈服點(diǎn)。

圖3.34縱向殘余應(yīng)力沿構(gòu)件橫向的分布2．橫向殘余應(yīng)力橫向殘余應(yīng)力是由兩部分殘余應(yīng)力疊加而成。一是由于焊件沿焊縫縱向的冷縮，使鋼板有產(chǎn)生如圖3.35(a)所示的外弓形彎曲變形趨勢(shì)，但因焊縫已將兩塊鋼板連成整體，使鋼板的彎曲變形受到焊縫的約束而未能形成，故在焊縫橫向產(chǎn)生了橫向殘余應(yīng)力，應(yīng)力沿焊縫長(zhǎng)度呈不均勻分布，且中段受拉，兩端受壓(如圖3.35(b)所示)。二是由于施焊先后不同所引起，先焊的焊縫先冷卻凝固，使后焊部分的熱膨脹受到約束而產(chǎn)生熱塑壓縮變形；在焊縫冷卻過(guò)程中，后冷卻部分的橫向收縮變形受到先冷卻焊縫的約束，使焊縫產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，相反，先冷卻部分則產(chǎn)生了橫向應(yīng)力，此項(xiàng)橫向殘余應(yīng)力的分布與施焊順序有關(guān)（如圖3.35(c)所示）。焊縫中最后產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力就是由一、二兩項(xiàng)應(yīng)力疊加的結(jié)果（如圖3.35(d)所示）。

圖3.35焊接橫向殘余應(yīng)力的成因及分布3．沿焊縫厚度方向的殘余應(yīng)力在厚鋼板焊接中，焊縫需經(jīng)過(guò)多層施焊才能焊滿成型。由于焊縫較厚，冷卻時(shí)，表層先冷卻，中間層后冷卻，先冷卻部分會(huì)對(duì)后冷卻部分的收縮變形起約束作用，從而使焊縫中間部分產(chǎn)生了拉應(yīng)力，表層附近則產(chǎn)生丁壓應(yīng)力(如圖3.36所示)。

圖3.36厚度方向的焊接殘余應(yīng)力

4．約束狀態(tài)下產(chǎn)生的焊接應(yīng)力

在實(shí)際焊接接頭中，由于相連接構(gòu)件的剛度不同，或受到夾具約束等原因，使焊件不能自由變形，從而產(chǎn)生了更大的焊接應(yīng)力，這種應(yīng)力稱約束狀態(tài)下的焊接應(yīng)力。它是不能自相平衡的，只有在外界約束解除后，使因外界約束產(chǎn)生的那一部分應(yīng)力釋放以后，剩余的應(yīng)力才是焊件自身相互約束產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力，而且是一組自相平衡的內(nèi)力(如圖3.37所示)。

圖3.37約束狀態(tài)下的焊接殘余應(yīng)力3.5.3焊接殘余應(yīng)力和殘余變形對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響1.焊接殘余應(yīng)力的影響(1)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響對(duì)塑性較好的材料，焊接殘余應(yīng)力對(duì)靜力強(qiáng)度無(wú)影響。如圖3.38所示，當(dāng)存在殘余應(yīng)力的構(gòu)件受到靜載作用時(shí)。焊件橫截面上由外載產(chǎn)生的應(yīng)力與殘余應(yīng)力相疊加，使構(gòu)件應(yīng)力出現(xiàn)不均勻分布，隨著外載逐漸增加，高應(yīng)力區(qū)先達(dá)到屈服點(diǎn)人而進(jìn)入塑性狀態(tài)，當(dāng)外載繼續(xù)增加時(shí)，新增荷載只能由未達(dá)屈服點(diǎn)的彈性區(qū)來(lái)承擔(dān)，隨外荷載不斷增加，塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大，直至全斷面應(yīng)力均達(dá)到屈服點(diǎn)。這時(shí)構(gòu)件的總承載力為，這與沒(méi)有殘余應(yīng)力時(shí)構(gòu)件的承載力完全一樣。因?yàn)闅堄鄳?yīng)力是一組自相平衡的內(nèi)應(yīng)力，其合力為零，故不影響構(gòu)件靜力強(qiáng)度。

圖3.38焊接殘余應(yīng)力對(duì)靜力強(qiáng)度的影響（2）對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響焊接殘余應(yīng)力的存在，會(huì)降低構(gòu)件的剛度。由圖3.38可知，有殘余應(yīng)力的構(gòu)件，受外載作用后，截面應(yīng)力分布不均勻，在外應(yīng)力和殘余應(yīng)力同號(hào)疊加區(qū)，隨外荷不斷增加，會(huì)先達(dá)到屈服點(diǎn)，使截面出現(xiàn)塑性區(qū)，從而減少了繼續(xù)承載的有效面積。所以，在相同外力增量的情況下，構(gòu)件會(huì)因承載截面的減小而使變形增大，也就使構(gòu)件剛度相應(yīng)減小了。（3）對(duì)壓桿穩(wěn)定性的影響有殘余應(yīng)力的壓桿，在軸心壓力作用下，存在殘余壓應(yīng)力的部分必定先進(jìn)入塑性狀態(tài)，使構(gòu)件的彈性區(qū)減小，壓桿的撓曲剛度也隨之減小，所以會(huì)降低構(gòu)件的穩(wěn)定承載力。（4）對(duì)低溫冷脆的影響在厚板焊縫和右三向交叉焊縫處，會(huì)產(chǎn)生三向焊接殘余應(yīng)力，若三向均為拉應(yīng)力時(shí)，則會(huì)阻礙材料的塑性變形，使材質(zhì)變脆。當(dāng)構(gòu)件在低溫條件下承載時(shí)，容易產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，加速了構(gòu)件的脆性破壞。（5）對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響有殘余應(yīng)力的構(gòu)件受到反復(fù)荷載作用時(shí)，在焊縫及其附近的高額殘余拉應(yīng)力有時(shí)可達(dá)到屈服點(diǎn)，使構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)從

開(kāi)始，而并非在外荷產(chǎn)生的名義最大應(yīng)力開(kāi)始，加之三向殘余應(yīng)力會(huì)使材質(zhì)變脆，加速裂紋的出現(xiàn)和擴(kuò)展，所以會(huì)降低結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。

2．焊接殘余變形的影響

在焊縫冷卻過(guò)程中，由于沿焊縫縱向和橫向的收縮不均勻，使構(gòu)件產(chǎn)生了各種不同的殘余變形。如縱向縮短、橫向縮短、彎曲變形、扭曲變形和角變形等(如圖3.33所示)。這些變形若超出了施工驗(yàn)收規(guī)范所容許的范圍，將會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安裝、正常使用和安全承載。所以，對(duì)過(guò)大的殘余變形必須加以矯正。3.5.4減少焊接殘余應(yīng)力和變形的方法為減少焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，既要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，又要做到正確的施工。1.合理設(shè)計(jì)(1)選擇適當(dāng)?shù)暮改_尺寸，避免因焊腳尺寸過(guò)大面引起過(guò)大的焊接殘余應(yīng)力。(2)焊縫都置應(yīng)盡可能對(duì)稱，并應(yīng)避免焊縫過(guò)于集中和三向交叉焊縫。如構(gòu)造上難以避免三向交叉縫，應(yīng)使主要焊縫連續(xù)貫通，而將次要焊縫在交叉處中斷(如圖3.39所示)。

圖3.39合理的焊縫設(shè)計(jì)(3)進(jìn)行合理的焊接工藝設(shè)計(jì)，選擇合理的施焊順序。如采用分段退焊、分層焊、對(duì)角跳焊和分塊拼焊等(如圖3.40所示)，以使焊件能較自由收縮，減少殘余應(yīng)力和殘余變形。

圖3.40合理的施焊順序2．正確施工(1)在制造工藝上，可采用預(yù)加反變形和局部加熱法，以抵消施焊中可能產(chǎn)生的焊接變形(如圖3.41所示)。也可采用焊前預(yù)熱(在焊縫兩側(cè)各80~100mm范圍內(nèi)均勻加熱至100~150攝氏度)?；蚝负笸嘶?將焊好的構(gòu)件加熱至600℃后再自然冷卻)，來(lái)減少焊接殘余變形和殘余應(yīng)力，有時(shí)也可采用錘擊法來(lái)釋放殘余應(yīng)力和矯正過(guò)大的殘余變形。(2)焊接過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按焊接工藝設(shè)計(jì)的要求施焊，避免隨意性。(3)應(yīng)為施工人員提供較好的工作環(huán)境和施焊條件，如盡量采用自動(dòng)焊或半自動(dòng)焊，采用手工焊時(shí)應(yīng)盡量避免仰焊等。

圖3.41反變形及局部加熱3.6螺栓連接的排列和構(gòu)造要求

普通螺栓一般用Q235鋼材制成，分A、B、C三級(jí)，常用的是C級(jí)螺栓，就是通常所稱的粗制螺栓。

3.6.1螺栓的排列和構(gòu)造螺栓在構(gòu)件上的排列應(yīng)力求簡(jiǎn)單整齊，通常采用并列和錯(cuò)列兩種形式(如圖3.42所示)。并列比較簡(jiǎn)單整齊，但螺栓孔對(duì)構(gòu)件截面削弱較大。錯(cuò)列可以減小構(gòu)件截面的削弱，有時(shí)可使連接比較緊湊。

圖3.42螺栓的排列（a）并列；(b)錯(cuò)列（b）螺栓(包括高強(qiáng)度螺栓)在構(gòu)件上的排列應(yīng)考慮下列要求：1.受力要求：如圖3.43所示，當(dāng)順力作用方向的端距小于

為螺栓孔直徑)時(shí)，孔前的鋼板有被沖剪破壞的可能(如圖3.43(a)所示)，受壓構(gòu)件當(dāng)順力作用方向的栓距過(guò)大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓屈外鼓現(xiàn)象(如圖3.43(b)所示)。因而從受力要求考慮，栓距和線距不能過(guò)小或過(guò)大。（圖3.43螺栓連接構(gòu)造不合理的破壞情況2．構(gòu)造要求：當(dāng)栓距和線距過(guò)大時(shí)，被連構(gòu)件間的接觸面不緊密，潮氣容易侵入縫隙，引起鋼板銹蝕，因而栓距和線距都不能過(guò)大。

3．施工要求：螺栓的布置必須考慮保證有一定空間能夠用扳手?jǐn)Q螺帽，因而栓距和線距不能過(guò)小。根據(jù)上述三方面的要求進(jìn)行螺栓排列時(shí)，就有最大距離和最小距離的具體規(guī)定。詳細(xì)情況見(jiàn)表3.2。表3.3角鋼上螺栓或鉚釘線距表(mm)單行排列角鋼肢寬404550566370758090100110125線距e252530303540404550556070釘孔最大直徑11.513.513.515.517.520222224242626雙行錯(cuò)排角鋼肢寬125140160180200雙行并列角鋼肢寬1601802001607080e290100120140160e2130140160釘孔最大直徑2424262626釘孔最大直徑242426表3.4工字鋼和槽鋼腹板上的螺栓線距表(mm)工字鋼型號(hào)121416182022252832364045505663線距404545455050556060657075757575槽鋼型號(hào)1214161820222528323640————線距4045505055555560657075————表3.5工字鋼和槽鋼翼緣上的螺栓線距表(mm)工字鋼型號(hào)121416182022252832364045505663線距404050556065657075808085909595槽鋼型號(hào)1214161820222528323640————線距3035354040454545505660————

圖3.44型鋼的螺栓（鉚釘）排列在鋼結(jié)構(gòu)施工圖上需要將孔、螺栓的施工要求，用圖形表示清楚，以免引起混淆。表3.6為常用的孔、螺栓圖例。

表3.6螺栓及其孔眼圖例

3.6.2螺栓連接的構(gòu)造要求1、為了使連接可靠，每一桿件在節(jié)點(diǎn)上以及拼接接頭的一端，永久性螺栓數(shù)不宜少于兩個(gè)；2、對(duì)于直接承受動(dòng)力荷載的普通螺栓連接應(yīng)采用雙螺帽或其他防止螺帽松動(dòng)的有效措施；3、由于C級(jí)螺栓與孔壁有較大間隙，只宜用于沿其桿軸方向受拉的連接。承受靜力荷載結(jié)構(gòu)的次要連接、可拆卸結(jié)構(gòu)的連接和臨時(shí)固定構(gòu)件用的安裝連接中，也可用C級(jí)螺栓受剪。4、當(dāng)采用高強(qiáng)螺栓連接時(shí)，拼接件不能采用型鋼，只能采用鋼板。（型鋼抗彎剛度大，不能保證摩擦面緊密結(jié)合）5、沿桿軸方向受拉的螺栓連接中的端板，應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)其剛度，以減少撬力對(duì)螺栓抗拉承載力的不利影響。3.7普通螺栓連接的性能和計(jì)算普通螺栓連接按受力情況可分為三類：①螺栓只承受剪力；②螺栓只承受拉力；③螺栓承受拉力和剪力的共同作用。d0=d+1.5～3.0mm（d0——螺孔直徑，d——螺桿直徑）性能等級(jí)有4.6、4.8級(jí)。以4.6級(jí)為例說(shuō)明螺栓性能等級(jí)的含義：小數(shù)點(diǎn)前的數(shù)字表示螺栓成品的抗拉強(qiáng)度不小于400N/mm2,小數(shù)點(diǎn)及小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)字表示屈強(qiáng)比（屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比）為0.6。優(yōu)點(diǎn)：安裝簡(jiǎn)單，便于拆裝；缺點(diǎn)：螺桿與鋼板孔壁不夠緊密，傳遞剪力時(shí)，連接變形較大。宜用于承受拉力的連接中，或用于次要結(jié)構(gòu)和可拆卸結(jié)構(gòu)的受剪連接及安裝時(shí)的臨時(shí)固定。普通螺栓按加工精度可分為：

①粗制螺栓（C級(jí)）②精制螺栓（A、B級(jí)）d0=d+0.3～0.5mm（d0——螺孔直徑，d——螺桿直徑）性能等級(jí)有8.8、5.6級(jí)。優(yōu)點(diǎn)：受力性能好；缺點(diǎn)：安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)工，且費(fèi)用較高。目前建筑結(jié)構(gòu)中已較少使用。3.7.1普通螺栓的抗剪連接（受剪螺栓連接）1、抗剪連接的工作性能抗剪連接是最常見(jiàn)的螺栓連接形式。如果以圖3.45(a)所示的螺栓連接試件作抗剪試驗(yàn)，則可得出試件上a、b兩點(diǎn)之間的相對(duì)位移δ與作用力N的關(guān)系曲線[圖3.45(b)]。由此關(guān)系曲線可見(jiàn)，試件由零載一直加載至連接破壞的全過(guò)程，經(jīng)歷了以下四個(gè)階段。

圖3.45單個(gè)螺栓抗剪試驗(yàn)結(jié)果（1）摩擦傳力的彈性階段（01段）加載初，荷載小，連接中剪力小，荷載靠構(gòu)件間接觸面的摩擦力傳遞，栓桿與孔壁之間的間隙保持不變。（2）滑移階段（12段）當(dāng)連接中的剪力達(dá)到構(gòu)件間摩擦力的最大值時(shí)，板件間產(chǎn)生相對(duì)滑移，直至栓桿與孔壁接觸。（3）栓桿直接傳力的彈性階段連接所承受的外力主要是靠螺栓受剪和孔壁受擠壓傳遞，曲線呈上升狀態(tài)，達(dá)到3點(diǎn)時(shí)，表明螺栓或連接板達(dá)到彈性極限。（4）彈塑性階段在此階段即使荷載增量很小，連接的剪切變形迅速加大，直至連接破壞。4點(diǎn)---極限荷載2、抗剪螺栓連接破壞形式：受剪螺栓連接在達(dá)到極限承載力時(shí)，有可能出現(xiàn)以下五種破壞形式。(1)螺栓被剪斷(圖3.46a)。當(dāng)螺桿直徑相對(duì)較小，而構(gòu)件厚度相對(duì)較厚時(shí)，可能發(fā)生這種破壞。

(2)孔壁被擠壓壞(圖3.46b)。當(dāng)螺桿直徑較大而構(gòu)件厚度相對(duì)較薄時(shí)，可能發(fā)生這種破壞。

(3)構(gòu)件被拉斷(圖3.46c)。當(dāng)構(gòu)件截面被螺孔削弱過(guò)多時(shí)，構(gòu)件可能沿凈截面處被拉斷；(4)構(gòu)件端部被剪壞(圖3.46d)。當(dāng)構(gòu)件端部第一排螺孔的端距過(guò)小時(shí)，在軸心拉力作用下可能發(fā)生構(gòu)件端部沖剪破壞。(5)螺栓彎曲破壞(圖3.46e)。當(dāng)螺栓約束的板疊過(guò)厚，即栓桿過(guò)長(zhǎng)時(shí)，傳力過(guò)程中有可能使栓桿產(chǎn)生過(guò)大的彎曲變形面影響連接的正常工作。

圖3.46剪力螺栓的破壞形式

以上可能破壞形式一般當(dāng)構(gòu)件上螺孔的端距大于時(shí)，可以避免端部沖剪破壞；當(dāng)螺栓夾

針對(duì)以上五種破壞形式的前三種，可通過(guò)相應(yīng)的強(qiáng)度計(jì)算來(lái)防止，后兩種可采取相應(yīng)的構(gòu)造措施來(lái)保證。具體措施如下：（1）通過(guò)計(jì)算保證螺栓抗剪；（2）通過(guò)計(jì)算保證螺栓抗擠壓；（3）通過(guò)計(jì)算保證板件有足夠的拉壓強(qiáng)度；（4）螺栓端距≥2d

0

——避免鋼板被拉豁。（5）當(dāng)螺栓夾緊長(zhǎng)度不超過(guò)其直徑的五倍，則可防止螺桿產(chǎn)生過(guò)大的彎曲變形。3、單個(gè)普通螺栓抗剪連接的承載力（1）抗剪承載力設(shè)計(jì)值假定：螺栓受剪面上的剪應(yīng)力是均勻分布的。單個(gè)抗剪螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值為：（3.16)式中

——受剪面數(shù)目，單剪

，雙剪

四剪；

——栓桿直徑；

——螺栓抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。（2）承壓承載力設(shè)計(jì)值假定：螺栓承壓應(yīng)力分布于螺栓直徑平面上（如圖3.47所示），而且該承壓面上的應(yīng)力為均勻分布。單個(gè)抗剪螺栓的承壓承載力設(shè)計(jì)值為：(3.17)——在同一受力方向的承壓構(gòu)件的較小總厚度；

——螺栓承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖3.47螺栓承壓的計(jì)算承壓面積4、普通螺栓群抗剪連接計(jì)算（1）普通螺栓群軸心受剪假定：各螺栓受到的剪力相等。連接一側(cè)所需的螺栓數(shù)：

（3.18)

——一個(gè)螺栓抗剪承載力設(shè)計(jì)值與承壓承載力設(shè)計(jì)值的較小值。

為了防止構(gòu)件因開(kāi)孔削弱截面而拉短，還需驗(yàn)算開(kāi)孔截面的強(qiáng)度：式中——構(gòu)件凈截面面積。注：當(dāng)節(jié)點(diǎn)板或拼接接頭一端螺栓沿受力方向的連接長(zhǎng)度時(shí)，即使連接進(jìn)入彈塑性階段，螺栓受力不均勻（圖3.48），端部螺栓受力仍最大，往往首先破壞。圖3.49的縱坐標(biāo)為長(zhǎng)連接抗剪螺栓的強(qiáng)度折減系數(shù)，橫坐標(biāo)為連接長(zhǎng)度與螺栓孔直徑的比值。當(dāng)時(shí)，連接強(qiáng)度明顯下降，開(kāi)始下降較快，以后逐漸緩和，并趨于常值。由此曲線可知折減系數(shù)為：（3.19)因此，應(yīng)將螺栓的承載力（、）乘以下列折減系數(shù)：

；

。

圖3.48長(zhǎng)接頭螺栓的內(nèi)力力分布圖3.49長(zhǎng)接頭抗剪螺栓的強(qiáng)度折減系數(shù)3.7.2普通螺栓的抗拉連接（受拉螺栓連接）1、受力性能螺栓所受拉力的大小與被連接板件的剛度有關(guān)，剛度大，連接板件無(wú)變形，一個(gè)螺栓所受拉力；剛度小，受力后角鋼發(fā)生較大變形，在角鋼水平肢得端部，因杠桿作用產(chǎn)生反力（如圖3.52所示），

與連接板剛度、螺栓直徑、螺栓所在位置有關(guān)?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》將螺栓的抗拉強(qiáng)度適當(dāng)降低（

）以考慮這種不利影響，在構(gòu)造上采取措施，如設(shè)置加勁肋（圖3.53），提高剛度，可以減小甚至消除撬力的影響。

圖3.53T形連接中螺栓受拉

其破壞形式是栓桿拉短，部位多在被螺紋削弱截面處圖3.52受拉螺栓的撬力2、單個(gè)普通螺栓的抗拉承載力：（3.20)式中、——螺紋處有效直徑和有效面積；

——螺栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。3、普通螺栓群軸心受拉圖3.54所示螺栓群在軸心力力下的抗拉連接，通常假定：每個(gè)螺栓平均受力。則連接所需螺栓數(shù)

（3.21)4、普通螺栓群彎矩受拉3.7.3普通螺栓受剪力和拉力的聯(lián)合作用（拉剪螺栓連接）圖3.59所示連接，螺栓群承受剪力V和偏心拉力N（即軸心拉力N和彎矩M=Ne）的聯(lián)合作用。承受剪力和拉力聯(lián)合作用的普通螺栓應(yīng)考慮兩種可能的破壞形式：一是螺桿受剪兼受拉破壞；二是孔壁承壓破壞。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，螺栓的強(qiáng)度條件應(yīng)滿足下述曲線相關(guān)方程：

、——一個(gè)螺栓所承受的剪力和拉力。

圖3.59螺栓群受剪力和拉力聯(lián)合作用

當(dāng)連接板件過(guò)薄時(shí)，可能因承壓強(qiáng)度不足而破壞，需按下列公式計(jì)算螺栓的承壓承載力：3.8高強(qiáng)度螺栓連接的工作性能和計(jì)算3.8.1高強(qiáng)度螺栓的工作性能高強(qiáng)度螺栓連接按其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的不同分為摩擦型連接和承壓型連接兩種類型。其中摩擦型連接是領(lǐng)先被連接件之間的摩擦陰力傳遞內(nèi)力，并以荷載設(shè)計(jì)值引起的剪力不超過(guò)摩擦阻力這一條件作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。螺栓的預(yù)拉力P（即板件間的法向壓緊力）、摩擦面間的抗滑移系數(shù)和鋼材種類等都直接影響到高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的承載力。

（2）預(yù)拉力的確定2、高強(qiáng)度螺栓摩擦面抗滑移系數(shù)3、高強(qiáng)度螺栓抗剪連接的工作性能4、高強(qiáng)度螺栓抗拉連接的工作性能5、高強(qiáng)度螺栓同時(shí)承受剪力和外拉力連接的工作性能1、高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力（1）預(yù)拉力的控制方法3.8.2高強(qiáng)度螺栓群的抗剪計(jì)算計(jì)算方法同普通螺栓，只需用高強(qiáng)度螺栓的承載力代替普通螺栓的承載力。3.8.3高強(qiáng)度螺栓群的抗拉計(jì)算（1）軸心力作用時(shí)計(jì)算方法同普通螺栓。（2）高強(qiáng)度螺栓群彎矩受拉高強(qiáng)度螺栓的外拉力設(shè)計(jì)要求為，在連接受彎矩而使螺栓沿栓桿方向受力時(shí)，被連接構(gòu)件的接觸面仍一直保持緊密貼合，因此可認(rèn)為在

作用下，中和軸在螺栓群的形心軸上（圖3.64），最外排螺栓受力最大。（3.29）

圖3.64承受彎矩的高強(qiáng)度螺栓連接（3）高強(qiáng)度螺栓群偏心受拉N≤0.8P,連接板件間接觸面始終壓的很緊,按小偏心受拉計(jì)算。（3.30）（4）高強(qiáng)度螺栓群承受拉力、彎矩和剪力的共同作用圖3.65所示為摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓承受拉力、彎矩和剪力共同作用時(shí)的情況。

圖3.65摩擦型連接高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力

本章小結(jié)1、鋼結(jié)構(gòu)的連接，常用焊接連接和螺栓連接。對(duì)不同的焊縫形式和不同的螺栓連接，計(jì)算方法是不同的。2、焊透的對(duì)接焊縫連接，在計(jì)算中作為構(gòu)件的一個(gè)組成進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算