鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(甲)

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理（甲）主講人：李忠學(xué)副教授時(shí) 間： 周四上午第35節(jié)地 點(diǎn)： 紫金港東B1-214(多)第一章第一章 緒論緒論 v鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用 鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)的定義：用H型鋼、工字鋼、槽鋼、角鋼等熱軋型鋼和鋼板組成的以及用冷彎薄壁型鋼制成的承重構(gòu)件或承重結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為鋼結(jié)構(gòu)，如鋼梁、鋼屋架、鋼框架、鋼塔架等都是最常見(jiàn)的鋼結(jié)構(gòu)。 與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有的一些主要特點(diǎn) 強(qiáng)度高，重量輕 質(zhì)地均勻，各向同性 施工質(zhì)量好，且工期短 密閉性好 用螺栓連接的鋼結(jié)構(gòu)，可裝拆，適用于移動(dòng)性結(jié)構(gòu) 在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用 重型工業(yè)廠房 高層房屋鋼結(jié)構(gòu) 大跨度結(jié)構(gòu) 高聳結(jié)構(gòu) 因運(yùn)輸條件不利

2、，或施工工期要求盡量短，或施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地受到限制等原因也常采用鋼結(jié)構(gòu)，如電力工業(yè)中的高壓輸電塔等 密閉性要求較高的板殼結(jié)構(gòu)，如高壓容器、煤氣柜、儲(chǔ)油罐、高爐和高壓輸水管等 需經(jīng)常裝拆和移動(dòng)的各類起重運(yùn)輸設(shè)備和鉆探設(shè)備，如塔式起重機(jī)和采油井架等 此外，如交通運(yùn)輸業(yè)中的大跨橋梁結(jié)構(gòu)、水工結(jié)構(gòu)中的閘門、各種工業(yè)設(shè)備的支架如鍋爐支架等，也都需要采用鋼結(jié)構(gòu)。輕鋼結(jié)構(gòu)是一種新型結(jié)構(gòu)，它主要是指使用輕質(zhì)屋面和輕質(zhì)墻體、采用新的結(jié)構(gòu)形式和高效鋼材，導(dǎo)致單位面積用鋼量相對(duì)較輕、施工建造期短的鋼結(jié)構(gòu)。它主要用于荷載不是很大的單層和多層房屋。輕質(zhì)屋面常采用冷彎C型鋼或Z型鋼檁條、壓型鋼板或輕質(zhì)復(fù)合板材屋面；輕質(zhì)墻體采

3、用冷彎薄壁型鋼做墻梁以彩色鋼板等薄板做墻面。 選用鋼結(jié)構(gòu)后要注意的幾個(gè)方面 鋼材的耐腐蝕性較差，因而需采用防腐措施，在有腐蝕性環(huán)境中使用的鋼結(jié)構(gòu)還必須對(duì)其作定期檢查，維護(hù)費(fèi)用大于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)作了專門規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)有一定的耐熱性但不防火，當(dāng)其溫度達(dá)到450650度時(shí)，強(qiáng)度下降極快，在600度時(shí)已不能承重，只有在200度以下時(shí)鋼材的性質(zhì)變化不大。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火也作了專門規(guī)定 由于鋼材強(qiáng)度大、構(gòu)件截面小、厚度薄，因而在壓力和彎矩等作用下，可能會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件甚至整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題。在設(shè)計(jì)中考慮如何防止結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要內(nèi)容鋼材具有良好的塑性性

4、能，但當(dāng)鋼材處于復(fù)雜受力狀態(tài)且承受三向或雙向同號(hào)應(yīng)力時(shí)、當(dāng)鋼材處于低溫工作條件下或受有較大應(yīng)力集中時(shí)，鋼材均會(huì)由塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈裕a(chǎn)生突然的脆性破壞，這是很危險(xiǎn)的。因此，設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)如何防止鋼材的脆性破壞是一個(gè)必須重視的問(wèn)題v鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)規(guī)范 一個(gè)具體的鋼結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)安全地承受結(jié)構(gòu)所承受的各種荷載，并把所受荷載以明確和直接的傳遞路線傳給結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，最后傳至支承基礎(chǔ)的地基，同時(shí)應(yīng)滿足建成后的各種使用要求鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在建筑物的方案設(shè)計(jì)之后進(jìn)行的。方案設(shè)計(jì)中根據(jù)建筑物的使用要求和具體條件確定建筑物的形狀、平面尺寸、層次、高度、建筑面積、室內(nèi)交通運(yùn)輸設(shè)備（如車間內(nèi)吊車、民用房屋中的樓梯和電梯

5、設(shè)備）、采光和通風(fēng)措施以及選用的結(jié)構(gòu)型式等。 鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容 根據(jù)建筑物的使用要求、具體條件和方案設(shè)計(jì)中已確定的內(nèi)容，進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)布置確定選用的鋼材牌號(hào)建立結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖，確定其所受的各類荷載按不同荷載分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，進(jìn)行內(nèi)力組合，確定各構(gòu)件在最不利組合下產(chǎn)生的最大內(nèi)力進(jìn)行各構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)進(jìn)行構(gòu)件相互間的連接設(shè)計(jì)繪制施工詳圖，編制材料表設(shè)計(jì)規(guī)范 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003：適用于采用熱軋鋼材建造的鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則、采用的鋼材要求、各種設(shè)計(jì)指標(biāo)、三大基本構(gòu)件的計(jì)算內(nèi)容和要求、連接計(jì)算方法、構(gòu)造要求以及疲勞計(jì)算等都作了明確的規(guī)定，供設(shè)計(jì)人員遵照?qǐng)?zhí)行冷彎薄壁型

6、鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范GB50018-2002，適用于冷成型的薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程高層建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程其它還有如適用于設(shè)計(jì)鐵路、公路、橋梁、水工閘門、輸電塔架的專門規(guī)范或規(guī)程。各個(gè)國(guó)家都有自己的設(shè)計(jì)規(guī)范。v鋼結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容和要求鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍結(jié)構(gòu)鋼材的基本性能及影響性能的主要因素，鋼材發(fā)生脆性破壞的原因及預(yù)防措施，鋼材牌號(hào)的正確選用鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，我國(guó)采用的概率設(shè)計(jì)法及其優(yōu)點(diǎn)，與容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法的比較各種連接方法及其計(jì)算規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)各類基本構(gòu)件的截面型式、破壞特征、工作性能、構(gòu)造要求及計(jì)算方法等鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件間的連接構(gòu)

7、造及計(jì)算，包括柱頭、柱腳、梁與梁的連接、梁與柱的連接等鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算鋼屋架的設(shè)計(jì)實(shí)腹式吊車梁的設(shè)計(jì)門式剛架的塑性設(shè)計(jì)本書前8章著重介紹鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，后3章通過(guò)桁架及屋蓋、實(shí)腹式吊車梁和門式剛架三個(gè)具體而又較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件介紹鋼結(jié)構(gòu)的一般設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)方法，包括鋼結(jié)構(gòu)中荷載的傳遞路線、結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)布置、荷載的計(jì)算、構(gòu)件及連接的計(jì)算和構(gòu)造等。 第2章 鋼結(jié)構(gòu)的材料及其性能v鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材的力學(xué)性能鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材的力學(xué)性能應(yīng)由下列試驗(yàn)得到，試件的制作和試驗(yàn)方法等都必須按照各個(gè)試驗(yàn)有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行。 拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)是試件在常溫下受到一次單向均勻拉伸，在拉力試驗(yàn)機(jī)或萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，由

8、零開(kāi)始緩慢加載直到試件被拉斷。由試驗(yàn)讀數(shù)可繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 比例極限 屈服點(diǎn) 頸縮現(xiàn)象 拉斷 抗拉強(qiáng)度或強(qiáng)度極限 彈性極限階段1 為彈性變形階段 階段2 為彈塑性變形階段 殘余應(yīng)變 上屈服點(diǎn) 下屈服點(diǎn) 階段3塑性變形階段 4應(yīng)變硬化階段 5頸縮階段 一般結(jié)構(gòu)鋼比例極限處的應(yīng)變約為0.1%，開(kāi)始屈服時(shí)的應(yīng)變約為0.15%，二者極為相近，而開(kāi)始應(yīng)變硬化時(shí)的應(yīng)變約為2.5%，約為屈服點(diǎn)處應(yīng)變的17倍，因而可把鋼材應(yīng)變硬化階段以前的曲線簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化曲線由兩段折線組成。這樣就把鋼材看成了理想的彈塑性體，在屈服點(diǎn)前為彈性體，在到達(dá)屈服點(diǎn)后立即轉(zhuǎn)為理想的塑性體。 開(kāi)始硬化時(shí)的應(yīng)變與屈服點(diǎn)處的應(yīng)變的比值稱為

9、延性系數(shù)，用以表示鋼材延性的大小，其值隨不同鋼材而變，約為1025.含碳量較高的鋼材，拉伸試驗(yàn)時(shí)常不出現(xiàn)圖2.1所示的塑性流動(dòng)，即沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)。此時(shí)常取產(chǎn)生殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)的應(yīng)力作為名義上的屈服點(diǎn)，記作 。為了與 相區(qū)別，稱 為屈服強(qiáng)度。為簡(jiǎn)化，二者常不加區(qū)別。 2 . 0fyf2 . 0f從鋼材的拉伸試驗(yàn)還可以得到下面的一些重要的力學(xué)性能指標(biāo) 屈服點(diǎn)fy 這是表示鋼材強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)。在彈性設(shè)計(jì)時(shí)，常以纖維應(yīng)力到達(dá)屈服點(diǎn)作為強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的限值。屈服點(diǎn)的數(shù)值由試件開(kāi)始屈服時(shí)的荷載N除以未變形前的截面積A0得到。 抗拉強(qiáng)度f(wàn)u 這是表示鋼材強(qiáng)度的另一個(gè)指標(biāo)，是曲線上的最高點(diǎn)的應(yīng)力，即由試

10、件拉伸時(shí)的最大荷載除以試件未變形前的截面積A0得到。當(dāng)以纖維應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)作為強(qiáng)度計(jì)算的限值時(shí)，fu與fy的差值可作為構(gòu)件的強(qiáng)度儲(chǔ)備。fu的大小能直接反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣。 彈性模量E 是彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變的比值。對(duì)鋼材而言，E值變化不大，計(jì)算時(shí)不論鋼種，通常均取 。在鋼材強(qiáng)化階段的切線模量稱為應(yīng)變硬化模量，記作 。 2310206mmNEstE拉伸率 由下列公式求取 %10000lll伸長(zhǎng)率是表示鋼材塑性性能的一個(gè)指標(biāo)，用以表示鋼材斷裂前發(fā)展塑性變形的能力。 必須注意：拉伸構(gòu)件有長(zhǎng)短之分，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的長(zhǎng)試件是 dl100或 00410Al 短試件是 dl50或 0045Al 其伸長(zhǎng)率分

11、別記為 和 105拉伸試件在達(dá)到抗拉強(qiáng)度之前，試件沿標(biāo)距產(chǎn)生均勻拉伸變形。在頸縮階段，均勻拉伸變形停止而代之以頸縮變形。頸縮變形在長(zhǎng)試件和短試件中是相同的，因而同一鋼材由短試件求得的 將大于長(zhǎng)試件的 。 510斷面收縮率是鋼材塑性性能的另一個(gè)指標(biāo)，是指試件橫斷面面積在試驗(yàn)前后的相對(duì)減縮，即 %10000AAA因已有伸長(zhǎng)率這個(gè)指標(biāo)表示鋼材的塑性性能，通常不再要求給出 。 鋼材壓縮試驗(yàn)所得的曲線常與拉伸試驗(yàn)時(shí)的 相同，因而壓縮時(shí)采用相同的參數(shù)。 冷彎試驗(yàn) 冷彎試驗(yàn)用以試驗(yàn)鋼材的彎曲變形性能和抗分層的性能。試驗(yàn)時(shí)將厚度為a的試件置于圖2.3（a）所示的支座上，在常溫下加壓使其彎曲180度，即試件繞著

12、彎心彎到兩表面平行。試驗(yàn)在壓力機(jī)或萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。彎曲后檢查試件彎曲處的外面及側(cè)面，如無(wú)裂縫、斷裂或起層，即認(rèn)為試件合格。彎心直徑d隨試驗(yàn)的鋼種及其厚度不同而異，如取d為1.5a、2a和3a等，應(yīng)按有關(guān)技術(shù)條件的規(guī)定采用。 冷彎試驗(yàn)合格是評(píng)估鋼材質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一個(gè)綜合指標(biāo)，它不僅要求鋼材具有必要的塑性，同時(shí)還要求鋼材中沒(méi)有或極少有冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，如非金屬夾雜、裂紋、分層和偏析等。因此，我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范第3.3.3條中規(guī)定，對(duì)焊接承重結(jié)構(gòu)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)合格的保證。此外，結(jié)構(gòu)在制作中和安裝過(guò)程中常需進(jìn)行冷加工，特別是焊接結(jié)構(gòu)的焊后變形需要進(jìn)行調(diào)直和調(diào)平等，都要求鋼

13、材有較好的冷彎性能。 沖擊韌性 沖擊韌性也叫缺口韌性，表示帶缺口的鋼材標(biāo)準(zhǔn)試件在沖擊試驗(yàn)機(jī)上被擺錘擊斷時(shí)所能吸收的機(jī)械能。對(duì)直接承受動(dòng)力荷載的鋼結(jié)構(gòu)，其鋼材需作沖擊韌性試驗(yàn)。根據(jù)試件上缺口形狀的不同，沖擊韌性試驗(yàn)的試件有梅氏試件和夏比試件兩種。前者缺口為U形，后者缺口為V形。由于試件上有缺口，因此受力后在缺口處有應(yīng)力集中，使該處出現(xiàn)三向同號(hào)應(yīng)力，材質(zhì)變脆。擊斷有缺口試件所需的機(jī)械功大小實(shí)際上就是表示了試件抵抗脆性破壞的能力。 由于V形缺口處的應(yīng)力集中較U形缺口嚴(yán)重，因此V形缺口試件更能反映鋼材的韌性。目前我國(guó)只用夏比（V形缺口）試件。夏比（V形缺口）試件所的沖擊韌性（沖擊吸收功）記作 ，單位為

14、“J”，即直接擊斷標(biāo)準(zhǔn)試件所需做的功。擺錘擊斷試件所做的功可由試驗(yàn)機(jī)度盤直接讀取，也可按下式計(jì)算：kvA)cos(cos plCv必須注意：鋼材的沖擊韌性隨溫度而不同，低溫時(shí)沖擊韌性將明顯降低。圖2.5表示沖擊韌性與溫度之間的關(guān)系，此曲線由試驗(yàn)得出。 v影響鋼材性能的主要因素 用以建造鋼結(jié)構(gòu)的稱為結(jié)構(gòu)鋼，它必須同時(shí)具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性，還必須具有良好的加工性能，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)保證其可焊性。結(jié)構(gòu)鋼主要有兩類，一是碳素結(jié)構(gòu)鋼中的低碳鋼，另一是低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。影響鋼材性能的因素較多，主要是鋼的化學(xué)成分的影響和生產(chǎn)過(guò)程不同的影響。 化學(xué)成分的影響 碳素鋼主要是鐵和碳的合金。因含碳量不同可以將

15、其分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。碳的含量愈高，鋼的強(qiáng)度也愈高，但其塑性、韌性和可焊性卻顯著降低，因而用作建造鋼結(jié)構(gòu)材料的只能是低碳鋼，要求 。對(duì)焊接結(jié)構(gòu)，為了使其有良好的可焊性，通常限制 。 %22. 0C%20. 0C國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)碳素結(jié)構(gòu)鋼中對(duì)碳素鋼根據(jù)其屈服點(diǎn)的不同分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五種牌號(hào)。用于鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范推薦采用Q235，其平均含碳量 ，符合同時(shí)具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性的要求，可焊性也良好。其它牌號(hào)的鋼材均不適于用以建造鋼結(jié)構(gòu)。 %18. 0C為了得到較Q235鋼更高的強(qiáng)度，可在低碳鋼的基礎(chǔ)上冶煉時(shí)加入為提高鋼材強(qiáng)度的合金元素如錳、釩等，得

16、到低合金鋼。加入適量的合金成分后，可使鋼水在冷卻時(shí)得到細(xì)而均勻的晶粒，從而提高了強(qiáng)度又不損害塑性和韌性。我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范推薦采用的低合金鋼是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的Q345、Q390和Q420鋼三種。鋼中除鐵和碳及有意加入的合金元素外，尚含有少量的其它元素如錳、硅、硫及磷等，此外，也還可能存在鋼冶煉過(guò)程中不易除盡的氧、氮和氫等o 錳對(duì)鋼是有益元素，是鋼液的弱脫氧劑。錳能消除鋼液中所含的氧，又能與硫化合，消除硫?qū)︿摰臒岽啵ǜ邷貢r(shí)使鋼產(chǎn)生裂紋）影響。含適量的錳，可提高鋼的強(qiáng)度同時(shí)又不影響鋼的塑性和沖擊韌性。但含量過(guò)高，則有可能降低鋼的可焊性o 硅對(duì)鋼也是一種有益的元素，是鋼液的強(qiáng)脫氧劑。硅還能使鐵中的晶粒變

17、細(xì)而均勻，改善鋼的質(zhì)量。鋼中含適量的硅，可提高鋼的強(qiáng)度而不影響其塑性、韌性和可焊性。但含量過(guò)高，對(duì)鋼的塑性、韌性、可焊性和抗銹性也將有影響。o 硫和磷都是鋼中的有害雜質(zhì)，硫與鐵能生成易于熔化的硫化鐵。含硫量增大，會(huì)降低鋼的塑性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度和抗銹性等。硫化鐵的熔化溫度為11701185度，比鋼的熔點(diǎn)低得多，其與鐵形成的共晶體，熔點(diǎn)更低，約為985度。當(dāng)對(duì)鋼材進(jìn)行軋制等熱加工或電焊時(shí)，硫化鐵及行熔化使鋼內(nèi)形成微小裂紋，稱為“熱脆”。磷的存在雖可提高鋼的強(qiáng)度和抗銹性，但會(huì)降低鋼的塑性、沖擊韌性、冷彎性能和可焊性等。特別是磷能使鋼材在低溫時(shí)變脆，稱為“冷脆”。因此，設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定承重結(jié)構(gòu)的鋼材

18、應(yīng)具有硫和磷含量的合格證。o 氧、氮和氫也都是有害雜質(zhì)。氧在煉鋼過(guò)程中可能以氧化鐵殘留于鋼液中，氮和氫則可能從空氣中進(jìn)入高溫的鐵液中。氧和氮都會(huì)使鋼的晶粒粗細(xì)不均，氧和硫一樣還會(huì)使鋼熱脆，氮與磷相似，會(huì)使鋼冷脆。氫能使鋼產(chǎn)生裂紋。因此，對(duì)這些有害雜質(zhì)都必須使其在煉鋼過(guò)程中析出或防止其從空氣中進(jìn)入鋼液。生產(chǎn)過(guò)程對(duì)鋼材性能的影響 生產(chǎn)過(guò)程的影響包括冶煉時(shí)的爐種、澆注前的脫氧和熱軋等的影響。 煉鋼主要是將生鐵或鐵水中的碳和其它有害雜質(zhì)如錳、硅、硫、磷等元素氧化成爐氣和爐渣后而得到的鋼液的過(guò)程。煉鋼時(shí)采用的爐種有電爐、平爐和轉(zhuǎn)爐等。鋼的脫氧 o鋼液中殘留氧，將使鋼材晶粒粗細(xì)不均并發(fā)生熱脆。因此澆注鋼錠

19、時(shí)在爐中或盛鋼桶中加入脫氧劑以消除氧，可大大改善鋼材的質(zhì)量。因脫氧程度的不同，鋼可分成沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼四類。o如采用錳作為脫氧劑，由于錳是弱脫氧劑，脫氧不完全，澆注后鋼液中仍殘留較多的氧化鐵，它與鋼液中的碳相互作用而成一氧化碳?xì)怏w，氣體從鋼液中逸出時(shí)使鋼液在鋼錠模中產(chǎn)生“沸騰”，故名沸騰鋼。其沖擊韌性較低，脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，抵抗冷脆性能差，抗疲勞性能也較鎮(zhèn)靜鋼差。 o 除用錳外，如另增加一定數(shù)量的硅作為脫氧劑，由于硅是較強(qiáng)的脫氧劑，脫氧充分。硅與氧化鐵反應(yīng)，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，故名鎮(zhèn)靜鋼。鎮(zhèn)靜鋼的化學(xué)成分

20、較均勻，晶粒細(xì)而均勻，組織密實(shí)，因而沖擊韌性較高，特別是低溫時(shí)的韌性大大高于沸騰鋼，抗低溫冷脆能力和抗疲勞性能都較強(qiáng)。o 半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。如用硅脫氧后再用更強(qiáng)的脫氧劑鋁補(bǔ)充脫氧，則可得特殊鎮(zhèn)靜鋼，其沖擊韌性，特別是低溫沖擊韌性都較高。鋼的軋制 o 我國(guó)的鋼材大都是熱軋型鋼和熱軋鋼板. o 熱軋：將鋼錠加熱至塑性狀態(tài)，通過(guò)軋鋼機(jī)將其軋成鋼胚，然后再令其通過(guò)一系列不同形狀和孔徑的軋機(jī)，最后軋成所需形狀和尺寸的鋼材。o 調(diào)質(zhì)鋼：對(duì)軋制后的鋼材再經(jīng)過(guò)熱處理，可得到調(diào)質(zhì)鋼。熱處理的方式是先淬火，后高溫回火。淬火可提高鋼的強(qiáng)度，但降低了鋼的韌性，再回火可恢復(fù)鋼的韌性。它包括調(diào)質(zhì)合

21、金鋼和調(diào)質(zhì)碳素鋼等，目前僅用于制作高強(qiáng)度螺栓。o 鋼材出廠后，在制造和使用過(guò)程中還會(huì)有許多因素影響鋼的力學(xué)性能。如冷加工時(shí)發(fā)生的應(yīng)變硬化和時(shí)效硬化。o圖2.7給出了拉伸試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。當(dāng)加荷不超過(guò)彈性階段，在此范圍內(nèi)重復(fù)卸荷和加荷，不會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)變，應(yīng)力-應(yīng)變曲線始終保持原來(lái)的曲線。如加荷超過(guò)了彈性階段，則卸荷后將產(chǎn)生殘余變形。重新加荷，則鋼材的塑性變形能力降低，如加荷到強(qiáng)化階段后再卸載，則再加載時(shí)，可使鋼材的屈服點(diǎn)提高，但其塑性和韌性卻大大降低，這種現(xiàn)象稱為冷加工硬化或應(yīng)變硬化。在鋼結(jié)構(gòu)中由于對(duì)鋼材的塑性和韌性要求都較高，一般不采用這種方式提高鋼材的屈服點(diǎn)。 o鋼材的時(shí)效硬化：即加荷

22、到應(yīng)變硬化階段卸載后隔一定時(shí)間，再重新加載，鋼材的強(qiáng)度將繼續(xù)有所提高，屈服點(diǎn)將比卸載點(diǎn)的高。在鋼材產(chǎn)生塑性變形后對(duì)鋼材進(jìn)行加熱到200300度，可使鋼材的時(shí)效在幾小時(shí)內(nèi)完成，這稱為人工時(shí)效。 v復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下鋼材的屈服條件 鋼材在單向拉應(yīng)力或壓應(yīng)力狀態(tài)下，可借助于試驗(yàn)得到屈服條件。在復(fù)雜應(yīng)力條件下，鋼材的屈服條件就不能由試驗(yàn)得出其普遍適用的表達(dá)式，一般只能借助于材料力學(xué)中的強(qiáng)度理論得出。對(duì)鋼材最適用并已被試驗(yàn)證實(shí)的強(qiáng)度理論是第四強(qiáng)度理論，也叫畸變能量理論。該理論認(rèn)為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時(shí)單位體積的單元體發(fā)生畸變的應(yīng)變能與單向拉伸時(shí)單位體積的單元體屈服時(shí)的畸變能量相等，則該復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的單元體達(dá)到了屈服

23、。復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下單位體積的單元體畸變應(yīng)變能為： 22222232131zxyzxyxzzyyxEU單向受力時(shí)單位體積的單元體畸變應(yīng)變能為 ：231xEU單向受力下達(dá)到屈服時(shí)的單元體畸變應(yīng)變能為 231yfEU則可得到折算應(yīng)力： yzxyzxyxzzyyxf2222220321上式就是根據(jù)畸變能量理論得出的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下鋼的屈服準(zhǔn)則。 如改用主應(yīng)力表示復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，則屈服條件為： yf213232221021當(dāng)鋼材處于三向同號(hào)主應(yīng)力下，不論主應(yīng)力有多大，只要三主應(yīng)力的相互差值甚小，鋼材就不易屈服而處于彈性狀態(tài)，剛才呈脆性。反之，若存在異號(hào)應(yīng)力，則鋼材易屈服而進(jìn)入塑性狀態(tài)，將呈塑性破壞。若 0yz

24、zxz則為平面應(yīng)力狀態(tài)，其屈服條件為 yxyyxyxf22203當(dāng)為平面純剪切時(shí)， 0yxxy則得到的剪切屈服條件為 yf203vyyyfff58. 03當(dāng)為平面純剪切時(shí)， 0yxxy則得到的剪切屈服條件為 yf203vyyyfff58. 03注意：在以上公式中，所有應(yīng)力分量都必須是在鋼材同一點(diǎn)由同一種荷載產(chǎn)生的應(yīng)力。 v鋼材的脆性斷裂（冷脆） 鋼材在一般情況下是彈塑性材料，但在特殊情況下可以轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧?，因而鋼材的破壞可區(qū)分為塑性破壞和脆性破壞兩種方式，脆性破壞只發(fā)生在承受拉力時(shí)。 鋼材拉伸時(shí)的破壞特征(塑性破壞) 破壞前有較大的塑性變形，有明顯的頸縮現(xiàn)象，因而易于及時(shí)發(fā)現(xiàn)，危險(xiǎn)性小。構(gòu)件

25、斷裂發(fā)生在應(yīng)力達(dá)到鋼材的抗拉強(qiáng)度時(shí)。 脆性破壞的特征 破壞前的變形很小，破壞系突然發(fā)生，事先無(wú)警告，因而危險(xiǎn)性大。 破壞時(shí)的應(yīng)力常小于鋼材的屈服點(diǎn)。 斷口平直，呈有光澤的晶粒狀。 影響鋼材脆斷的因素主要 鋼材的質(zhì)量 鋼板的厚度 加荷的速度 應(yīng)力的性質(zhì)（拉、彎等）和大小 最低使用溫度 連接的方法（焊接） 應(yīng)力集中程度等 v鋼材的層狀撕裂 鋼材的層狀撕裂是一種脆性破壞，主要發(fā)生在厚板中。 v鋼材的牌號(hào)和選用 關(guān)于應(yīng)用較廣的碳素結(jié)構(gòu)鋼，我國(guó)的現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 700-88，主要是參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)ISO 630種的有關(guān)規(guī)定。 牌號(hào)的表示方法（以Q235為例），完整表示方法為： Q2

26、35-質(zhì)量等級(jí)符號(hào)-脫氧方法符號(hào) 質(zhì)量等級(jí)分A、B、C、D四級(jí)。依次A級(jí)質(zhì)量最差，D級(jí)質(zhì)量最高。脫氧方法的符號(hào)為：F、b、Z、TZ. 但在牌號(hào)的表示方法中，Z和TZ的符號(hào)可以省略。 鋼材的質(zhì)量等級(jí)不同，其化學(xué)成分、脫氧要求和沖擊韌性要求將有所不同，但由拉伸試驗(yàn)確定的力學(xué)性能 則 與 等 級(jí) 無(wú) 關(guān) 。A級(jí)和B級(jí)鋼各有F、b、Z三種脫氧方法，C級(jí)鋼只有鎮(zhèn)靜鋼，D級(jí)鋼只有特殊鎮(zhèn)靜鋼。 沖擊韌性要求 Q235A 不作沖擊韌性試驗(yàn)要求 Q235B 作常溫下（20度）沖擊韌性試驗(yàn) Q235C 作0度沖擊韌性試驗(yàn) Q235D 作-20度沖擊韌性試驗(yàn) 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼也是參照ISO的標(biāo)準(zhǔn)制定的

27、，其牌號(hào)表示方法與上述碳素結(jié)構(gòu)鋼的相同，只是質(zhì)量等級(jí)分為AE共5級(jí)。由于低合金鋼一般都是鎮(zhèn)靜鋼，因而其牌號(hào)后面無(wú)脫氧方法的符號(hào)。 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦采用的三個(gè)牌號(hào)（Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼）的沖擊韌性要求對(duì)A級(jí)都不做沖擊韌性試驗(yàn) 對(duì)其B、C和D級(jí)鋼規(guī)定依次各做+20度、0度和-20度時(shí)的沖擊韌性試驗(yàn)，其合格標(biāo)準(zhǔn)均為 對(duì)三個(gè)牌號(hào)的E級(jí)鋼都要求做-40度的沖擊韌性試驗(yàn)，其合格標(biāo)準(zhǔn)為 JAkv34JAkv27鋼材的選用需注意以下幾點(diǎn) 所有的承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。 焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)的鋼

28、材尚應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。 對(duì)需驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)，不論其為焊接或非焊接，其鋼材都應(yīng)具有常溫的沖擊韌性的合格保證。 吊車起重量等于或大于50噸的中級(jí)工作制吊車梁，對(duì)鋼材沖擊韌性的要求應(yīng)與需要驗(yàn)算疲勞的構(gòu)件相同。 正確選用鋼材，是保證結(jié)構(gòu)的安全使用和降低造價(jià)所必須做到的。鋼材質(zhì)量等級(jí)愈高，鋼材的價(jià)格也愈高。因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選用合適的鋼材質(zhì)量等級(jí)。一般情況下，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力狀態(tài)、連接方法、板件厚度和工作環(huán)境等因素綜合考慮，選用合適的鋼材牌號(hào)和材性要求。 v型鋼及鋼板 鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材通常由鋼廠以熱軋鋼板和熱軋型鋼供應(yīng)，由鋼結(jié)構(gòu)制造廠按設(shè)計(jì)圖紙制成結(jié)構(gòu)或擴(kuò)大件，然后運(yùn)

29、到工地現(xiàn)場(chǎng)拼裝和吊裝。熱軋鋼板 鋼結(jié)構(gòu)中常用的熱軋厚板，厚度由4.5到60毫米。 鋼板的符號(hào)是“-厚度寬度長(zhǎng)度”，也有把寬度放在厚度前面的表示方法。 熱軋型鋼 我國(guó)生產(chǎn)的熱軋型鋼有等邊角鋼、不等邊角鋼、普通槽鋼、普通工字鋼、H型鋼和部分T型鋼。 角鋼的符號(hào)：邊長(zhǎng)厚度（等邊角鋼） 長(zhǎng)邊短邊厚度 槽鋼的符號(hào)：型號(hào) 普通工字鋼的符號(hào)：I型號(hào) H熱軋型鋼的符號(hào)：“H高度寬度腹板厚度翼緣厚度”。 T型鋼的符號(hào)：標(biāo)注方法與H熱軋型鋼相同。 鋼管的符號(hào)：外徑厚度 冷彎薄壁型鋼 冷彎薄壁型鋼是由鋼板經(jīng)冷加工而成的型材，采用冷彎型鋼機(jī)成型、壓力機(jī)上模壓成型或在彎曲機(jī)上彎曲成型。截面較多，有角鋼、槽鋼、Z型鋼、帽

30、型鋼、鋼管等，其中前三種可帶卷邊或不帶卷邊。 我國(guó)目前常用的冷彎薄壁型鋼厚度在26毫米之間。 由于薄壁型鋼有其特殊性，如型材厚度較薄，受壓時(shí)易失去局部穩(wěn)定而需按有效截面計(jì)算，且整個(gè)構(gòu)件易扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)等，因此有關(guān)冷彎薄壁型鋼的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需按專門的設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行。冷彎薄壁型鋼目前在我國(guó)的輕型建筑鋼結(jié)構(gòu)中常有應(yīng)用。 第第3 3章章 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法 v結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的: :在經(jīng)濟(jì)合理的前提下使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)滿足各種預(yù)定的功能，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的。 建筑結(jié)構(gòu)的功能有下列三項(xiàng) (也總稱為可靠性 )結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受在正常施工和正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種作用（作用是指各種荷載和如基礎(chǔ)沉降、

31、溫度變化及地震等對(duì)結(jié)構(gòu)的外加變形；以后將這些作用稱為荷載）；在偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，結(jié)構(gòu)仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。(安全性 ) 在正常使用荷載情況下，結(jié)構(gòu)具有良好的工作性能，滿足正常的使用要求，如不發(fā)生影響正常使用的過(guò)大變形等。(適用性 ) 在正常維護(hù)下，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的耐久性，如不發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕而影響結(jié)構(gòu)的使用壽命等。(耐久性 ) 經(jīng)濟(jì)合理是指所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有用料省、重量輕、易于制造、運(yùn)輸和安裝，建造工期短，造價(jià)低和便于今后的維修與保養(yǎng)等。 可靠性與經(jīng)濟(jì)合理有時(shí)會(huì)出現(xiàn)矛盾，此時(shí)應(yīng)在綜合考慮各個(gè)情況下力求使兩個(gè)矛盾得到統(tǒng)一，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)分結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)物的具體設(shè)計(jì)兩步進(jìn)行。 結(jié)構(gòu)的方

32、案設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)選型和材料選用，應(yīng)進(jìn)行各種方案的比較后確定。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在方案確定后進(jìn)行，包括結(jié)構(gòu)布置、截面和連接設(shè)計(jì)等，最后畫出施工圖。 本章所指鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是指具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。v容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法 影響完成結(jié)構(gòu)功能的兩個(gè)基本因素是荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)的抗力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使可能產(chǎn)生的荷載效應(yīng)小于或等于結(jié)構(gòu)能提供的抗力。 v概率設(shè)計(jì)法概率設(shè)計(jì)法一次二階矩法一次二階矩法 由于荷載效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力R的不確定性，兩者間的關(guān)系將出現(xiàn)三種可能，及SR，S=R，SR時(shí)，表明結(jié)構(gòu)存在破壞即失效的風(fēng)險(xiǎn)。概率設(shè)計(jì)法主要是要使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)SR的概率或出現(xiàn)破壞風(fēng)險(xiǎn)的概率為很小，小到人們可以接受的程度的一

33、種設(shè)計(jì)方法。結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z=R-S 結(jié)構(gòu)不能完成某預(yù)定功能的概率稱為失效概率， 結(jié)構(gòu)能完成某預(yù)定功能的概率稱為可靠概率， 如99.93%。 0SRPpf0SRPpsv我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中目前采用的方法我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中目前采用的方法 1984年我國(guó)批準(zhǔn)和頒發(fā)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GBJ68-84，作為我國(guó)制定和修訂有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范必須共同遵守的準(zhǔn)則。2001年對(duì)上述統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂并更名為建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB50068-2001。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GBJ17-88及其修訂本GB50017-2003分別以上述統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)則，規(guī)范中規(guī)定除疲勞計(jì)算外，采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限

34、狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，用分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。 結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)具有足夠的可靠度。所謂設(shè)計(jì)使用年限是指結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進(jìn)行大修即可按其預(yù)定目的使用的設(shè)計(jì)規(guī)定時(shí)間。5、25、50、100年四種。 可靠度是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和正常維護(hù)），完成預(yù)定功能的概率。結(jié)構(gòu)可靠度是衡量結(jié)構(gòu)可靠性的一個(gè)概率指標(biāo)，即可靠概率。當(dāng)超過(guò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限而不大修，則其可靠度將有所降低。 我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，就是要保證結(jié)構(gòu)具有必要的可靠度，以一定的概率保證不使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)超過(guò)極限狀態(tài)。 承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮兩種極限狀態(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)承載的變形時(shí)的極限狀態(tài)。它包括構(gòu)件或連接的強(qiáng)度破壞、疲勞破壞和因過(guò)度變形而不適合于繼續(xù)承載，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件喪失穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系和結(jié)構(gòu)傾覆等。 正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用的某項(xiàng)規(guī)定的限值時(shí)的極限狀態(tài)。如撓度限值和振動(dòng)限制等