鋼結構的材料和計算

1、16鋼結構的材料與計算方法鋼結構的材料與計算方法本章著重講述了鋼材的機械性能、化學成分、本章著重講述了鋼材的機械性能、化學成分、鋼材的選用和鋼結構的設計方法等，在學習過程中鋼材的選用和鋼結構的設計方法等，在學習過程中掌握下列內容：掌握下列內容：（1） 了解鋼結構的特點、應用范圍和發(fā)展過了解鋼結構的特點、應用范圍和發(fā)展過程及趨勢；程及趨勢；（2） 掌握一次拉伸實驗方法和鋼材的應力掌握一次拉伸實驗方法和鋼材的應力應變曲線；應變曲線； 本章提要本章提要（3） 掌握鋼材機械性能和化學成分；掌握鋼材機械性能和化學成分；（4） 掌握鋼材的選用方法；掌握鋼材的選用方法；（5） 掌握鋼結構的設計方法。掌握鋼結

2、構的設計方法。 本本 章章 內內 容容16.1 鋼結構的特點、應用范圍與發(fā)鋼結構的特點、應用范圍與發(fā)展展16.2 鋼材的機械性能與化學成分鋼材的機械性能與化學成分16.3 其他因素對鋼材性能的影響其他因素對鋼材性能的影響16.4 鋼材的品種與選用鋼材的品種與選用16.5 鋼結構的設計方法與設計指標鋼結構的設計方法與設計指標16.1 鋼結構的特點、應用范圍與發(fā)展鋼結構的特點、應用范圍與發(fā)展鋼結構是以鋼板、型鋼、薄壁型鋼制成的構件，通過焊接、鉚接、螺栓連接等方式而組成的結構，與其他材料的結構相比，具有如下的特點：（1） 鋼材強度高，結構自重輕（2） 塑性、韌性好 （3） 材質均勻 （4） 工業(yè)化程

3、度高 16.1.1 鋼結構的特點鋼結構的特點（5） 可焊性 （6） 耐腐蝕性差 （7） 耐火性差 （8） 鋼結構在低溫和其他條件下，可能發(fā)生脆性斷裂，這應引起設計者的特別注意。 （1） 大跨度結構 （2） 重型廠房結構 （3） 受動力荷載作用的廠房結構（4） 多層、高層和超高層建筑（5） 高聳結構（6） 板殼結構 （7） 可拆卸結構16.1.2 鋼結構的應用范圍鋼結構的應用范圍（1） 高強度低合金鋼（2）軋制新品種的型鋼 （3）計算方法的完善 （4）結構形式 （5） 優(yōu)化原理的應用 16.1.3 鋼結構的發(fā)展鋼結構的發(fā)展16.2 鋼材的機械性能與化學成分鋼材的機械性能與化學成分（1） 屈服點與

4、抗拉強度建筑鋼材的強度和塑性一般由常溫靜載下單向拉伸試驗曲線表明，該試驗是將鋼材的標準試件在拉伸試驗機上，按規(guī)定的加荷速度逐漸施加拉力荷載，使試件逐漸伸長，直至拉斷破壞。根據(jù)加荷過程中所測得的數(shù)據(jù)畫出應力應變曲線（即曲線）。如圖16.1所示，為低碳鋼的應力應變曲線。 16.2.1 鋼材的機械性能鋼材的機械性能當應力超過fp后，應變比應力增加得快，到達b點后，應變急劇增加，而應力基本不變，此階段稱為屈服階段，應力應變曲線呈水平段，鋼筋產(chǎn)生相當大的塑性變形，c點對應的應力fy稱為屈服強度。 沒有明顯屈服點和塑性平臺的鋼材，則以卸荷后殘余變形為0.2%時所對應的應力為屈服點，稱為名義屈服點f0.2。

5、 屈服階段后，鋼材內部組織經(jīng)重新調整進入強化階段，直至曲線最高點即抗拉強度fu，出現(xiàn)頸縮，此時變形劇增，應力下降，最后試件斷裂。 抗拉強度是鋼材破壞前所能承受的最大應力，但是巨大的塑性變形，使之無實用意義，只作為強度貯備。fy/fu叫做屈強比，其值愈大，說明鋼材被充分利用；愈小則安全儲備愈大。 （2） 塑性鋼材的塑性是指應力超過屈服點后，能產(chǎn)生顯著的塑性變形，而不立即斷裂的性質，可用試件靜力拉伸時的伸長率來衡量。伸長率為圖16.2所示試件拉斷后，原標距的伸長值與原標距比值的百分數(shù)，即 100100%lll（3） 冷彎性能冷彎性能是指鋼材在冷加工時（即常溫下加工），對產(chǎn)生裂縫的抵抗能力。冷彎試驗

6、方法是在材料試驗機上，通過冷彎沖頭加壓，將厚度為a、寬度為b的板材按規(guī)定的彎心直徑d彎曲180，以彎曲處無裂紋、不起層為合格。同時又可檢查鋼材的內部缺陷（顆粒組織、結晶情況、雜質分布等），鑒定鋼材的可焊性，因此冷彎性能是衡量鋼材質量的綜合性指標（圖16.3）。 （4） 沖擊韌性鋼材的韌性是鋼材在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力，也是鋼材在動力荷載作用下，抵抗脆性破壞的能力。沖擊韌性指標由沖擊試驗獲得，叫做沖擊值。在沖擊試驗時，采用截面為10mm10mm，長度為55mm，中間開有小槽的長方形試件（圖16.5），放在擺錘式?jīng)_擊試驗機上沖斷（圖16.4），可從試驗機刻度盤上讀出沖擊功Ak(單位J)

7、。鋼結構用鋼機械性能指標規(guī)定見表16.1和表16.2 圖16.1低碳鋼單向拉伸應力應變圖 圖16.2靜力拉伸標準試件 圖16.3冷彎試驗示意圖 圖16.4沖擊韌性試驗及試件缺口形式 （a） 試驗示意圖；(b) 梅氏U形缺口；(c) 夏比氏V形缺口 圖16.5沖擊試件取樣方法 表表16.1Q235鋼的機械性能鋼的機械性能 表表16.2Q345及及Q390鋼的機械性能鋼的機械性能 鋼材的化學成分直接影響鋼的組織構造和機械性能。鋼的基本元素是鐵（Fe），它在碳素結構鋼中含量約占99%，其余是碳（C）、錳（Mn）、硅（Si）以及冶煉中不易除凈的有害元素硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等。 在低合

8、金結構鋼中，適當增加錳、硅含量，可改善鋼材的機械性能。若增加少量的釩、鈦、鈮、銅等元素，則對某些性能的改善更顯著。鋼結構所用各類鋼材的化學成分見表16.3和表16.4 16.2.2 鋼材料的化學成分鋼材料的化學成分表表16.3Q235鋼的化學成分（熔煉分析）（鋼的化學成分（熔煉分析）（%） 表表16.4Q345和和Q390鋼的化學成分（熔煉分析）（鋼的化學成分（熔煉分析）（%） 16.3 其他因素對鋼材性能的影響其他因素對鋼材性能的影響鋼按冶煉方式可分為平爐鋼與頂吹氧氣轉爐鋼兩種，兩者在化學成分、機械性能和工藝性能上基本一致，而轉爐鋼成本較低，宜優(yōu)先采用。鋼按脫氧情況的不同，可分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜

9、鋼、半鎮(zhèn)靜鋼。鋼錠是在12001300高溫下，經(jīng)多次熱軋而成材的。熱軋改善鋼錠的鑄造組織，使結晶致密，消除部分缺陷，提高了力學性能。鋼錠厚度與型鋼厚度之比稱為壓縮比，壓縮比愈大，質量愈好。 16.3.1 冶煉和軋制過程冶煉和軋制過程鋼材隨時間的增長，其強度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象叫時效硬化。所謂人工時效是使鋼材先發(fā)生10%左右的塑性變形，再加熱至250保持1h，然后在空氣中冷卻，則時效可在幾小時內完成。 鋼材在彈塑性或塑性階段卸荷后再重新加荷，其屈服點將提高，彈性工作范圍加大，而塑性和韌性卻降低，這種現(xiàn)象叫做冷作硬化。 16.3.2 鋼材的硬化鋼材的硬化鋼在250左右時，抗拉強度有所提高而塑

10、性、韌性下降，這種現(xiàn)象叫藍脆（因表面氧化膜呈藍色）。應避免在藍脆溫度范圍內進行熱加工，否則易出現(xiàn)裂紋。 當溫度從常溫下降時，強度略有提高，但塑性和韌性則降低而變脆，當溫度下降到某一區(qū)間時，沖擊韌性急劇下降，破壞特征明顯地轉變?yōu)榇嘈云茐?，這就是低溫冷脆。 16.3.3 溫度的影響溫度的影響16.3.4 復雜應力作用下的工作復雜應力作用下的工作圖16.6復雜應力狀態(tài) 由于截面幾何形狀的突變，造成應力線密集曲折，從而在孔洞邊緣、缺口尖端出現(xiàn)局部高峰應力，而其他部位應力降低，形成所謂的應力集中現(xiàn)象。由圖16.7可以看到，應力集中的程度取決于構件形狀的變化，變化劇烈，高峰應力則大。圖16.8為不同槽口試

11、件拉伸時的應力應變圖，表明形狀變化愈劇烈的試件，應力集中愈嚴重，抗拉強度愈高，而脆性破壞的危險也愈大。承受靜力荷載的構件，應遵照規(guī)范的有關要求，避免截面形狀的突變，設計時可不考慮應力集中問題。 16.3.5 應力集中的影響應力集中的影響圖16.7應力集中 圖16.8應力集中對鋼材性能的影響 鋼材在連續(xù)的重復荷載作用下，雖然應力低于抗拉強度，甚至低于屈服點時，也會發(fā)生破壞，這種現(xiàn)象稱為鋼的疲勞。疲勞破壞之前，并無明顯的塑性變形和局部收縮，是一種突然性的脆性斷裂。疲勞是因為鋼材質地不均勻以及應力分布不均勻而引起的。 16.3.6 重復荷載作用的影響重復荷載作用的影響16.4 鋼材的品種與選用鋼材的

12、品種與選用鋼按用途分結構鋼、工具鋼和特殊鋼，結構鋼又可分為建筑用鋼和機械用鋼；按冶煉方法，鋼可分為轉爐鋼和平爐鋼，轉爐鋼目前采用氧氣頂吹轉爐鋼，成本比平爐鋼要低；按脫氧方法分為沸騰鋼（F）、半沸騰鋼（b）、鎮(zhèn)靜鋼(Z)和特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ)，鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的代號在鋼的牌號中可省略，鎮(zhèn)靜鋼脫氧充分，沸騰鋼脫氧較差，一般采用鎮(zhèn)靜鋼；16.4.1 結構用鋼的品種與牌號結構用鋼的品種與牌號按成型方法分為軋制鋼、鍛鋼和鑄鋼；按化學成分分為碳素鋼和合金鋼，在建筑工程中常用碳素結構鋼、低合金鋼和優(yōu)質碳素結構鋼。（1） 碳素結構鋼目前碳素結構鋼采用的國家標準碳素結構鋼（GB 70088）中按質量等級分為A、

13、B、C、D四級，質量等級中以A級最差，D級最優(yōu)。 該標準中鋼材牌號表示方法由字母Q、屈服點數(shù)值（N/mm2）、質量等級代號（A、B、C、D）及脫氧方法代號（F、b、Z、TZ）四個部分組成。碳素結構鋼（GB 70088）將碳素結構鋼按屈服點數(shù)值分為5個牌號：Q195、Q215、Q235、Q255和Q275。 （2） 低合金結構鋼低合金結構鋼的國家標準低合金高強度結構鋼（GB/T 1591）中按質量等級分為A、B、C、D、E五級。 采用與碳素結構鋼相同的表示方法，即用鋼材厚度（直徑）16mm時的屈服點大小表示，共分為5個牌號：Q295、Q345、Q390、Q420及Q460。 （1） 承重結構的鋼

14、材宜采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼。（2） 下列情況的承重結構和構件不應采用Q235沸騰鋼：焊接結構 非焊接結構 （3） 承重結構采用的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結構尚應具有碳含量的合格保證。 16.4.2 鋼材的選用鋼材的選用（4） 對于需要驗算疲勞的焊接結構的鋼材，應具有常溫沖擊韌性的合格保證。 對于需要驗算疲勞的非焊接結構的鋼材亦應具有常溫沖擊韌性的合格保證。 （5） 吊車起重量不小于50t的中級工作制吊車梁，對鋼材沖擊韌性的要求應與需要驗算疲勞的構件相同。 鋼結構所用鋼材主要為熱軋鋼板、型鋼、冷彎薄壁型鋼和壓型鋼板。（1） 鋼

15、板鋼板分為薄鋼板、厚鋼板和扁鋼，其規(guī)格用符號“”加“寬度厚度”的毫米數(shù)來表示。如60012表示寬度為600mm、厚度為12mm的鋼板。薄鋼板：厚0.354.0mm，寬5001500mm，長0.54m；厚鋼板：厚4.560mm，寬6003000mm，長412m；扁鋼：厚460mm，寬12200mm，長39m。16.4.3 鋼材規(guī)格鋼材規(guī)格（2） 熱軋型鋼鋼結構常用的型鋼是角鋼、槽鋼、工字鋼和H型鋼（圖16.9）。工字鋼也分普通和輕型兩種，分別用符號“I”和“QI”表示。H型鋼分寬翼緣H型鋼（HK）、窄翼緣H型鋼（HZ）和H型鋼樁（HU）。 （3） 冷彎薄壁型鋼和壓型鋼板薄壁型鋼是用1.55mm的

16、薄鋼板經(jīng)模壓或冷彎成型，其截面形式如圖16.10所示。壓型鋼板是用0.42mm厚的鋼板、鍍鋅鋼板、彩色涂層鋼板經(jīng)冷軋而成的波形板，我國已有26種壓型鋼板型號，圖16.11為其中幾種。 圖16.9熱軋型鋼 圖16.10冷彎薄壁型鋼 圖16.11壓型鋼板 16.5 鋼結構的設計方法與設計指標鋼結構的設計方法與設計指標（1） 承載能力極限狀態(tài)的設計表達式 由可變荷載效應控制的組合： 由永久荷載效應控制的組合： 002()nGGkQiQikQiciikiSSSQR 16.5.1 鋼結構的計算方法鋼結構的計算方法002()nGGkQiciikiSSQR （2）正常使用極限狀態(tài)的設計表達式按正常使用極限狀

17、態(tài)設計鋼結構時，應考慮荷載效應的標準組合。對鋼與混凝土組合梁，尚應考慮準永久組合。其中標準組合按下述表達式計算： 2) nGkQikciikiSSSQ鋼材和連接的強度設計值（材料強度的標準值除以抗力分項系數(shù)），應根據(jù)鋼材的厚度或直徑按表16.5表16.10采用。規(guī)范規(guī)定，計算下列情況的結構構件或連接時表16.5表16.10規(guī)定的強度設計值應乘以相應的折減系數(shù)：（1） 單面連接的單角鋼 按軸心受力計算強度和連接乘以系數(shù)0.85； 按軸心受壓計算穩(wěn)定性 16.5.2 設計指標設計指標（2） 無墊板的單面施焊對接焊縫乘以系數(shù)0.85；（3） 施工條件較差的高空安裝焊縫和鉚釘連接乘以系數(shù)0.90；（4） 沉頭和半沉頭鉚釘連接乘以系數(shù)0.80。當以上幾種情況同時存在時，其折減系數(shù)應連乘。計算鋼結構變