武漢某大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)講義下4

16鋼結(jié)構(gòu)的材料與計(jì)算方法本章著重講述了鋼材的機(jī)械性能、化學(xué)成分、鋼材的選用和鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法等，在學(xué)習(xí)過程中掌握下列內(nèi)容：（1）了解鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍和發(fā)展過程及趨勢(shì)；（2）掌握一次拉伸實(shí)驗(yàn)方法和鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線；

本章提要（3）掌握鋼材機(jī)械性能和化學(xué)成分；（4）掌握鋼材的選用方法；（5）掌握鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。本章內(nèi)容16.1

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍與發(fā)展16.2

鋼材的機(jī)械性能與化學(xué)成分16.3

其他因素對(duì)鋼材性能的影響16.4

鋼材的品種與選用16.5

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)指標(biāo)16.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍與發(fā)展

鋼結(jié)構(gòu)是以鋼板、型鋼、薄壁型鋼制成的構(gòu)件，通過焊接、鉚接、螺栓連接等方式而組成的結(jié)構(gòu)，與其他材料的結(jié)構(gòu)相比，具有如下的特點(diǎn)：

（1）鋼材強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)自重輕

（2）塑性、韌性好

（3）材質(zhì)均勻

（4）工業(yè)化程度高16.1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

（5）可焊性

（6）耐腐蝕性差

（7）耐火性差

（8）鋼結(jié)構(gòu)在低溫和其他條件下，可能發(fā)生脆性斷裂，這應(yīng)引起設(shè)計(jì)者的特別注意。

（1）大跨度結(jié)構(gòu)

（2）重型廠房結(jié)構(gòu)

（3）受動(dòng)力荷載作用的廠房結(jié)構(gòu)

（4）多層、高層和超高層建筑

（5）高聳結(jié)構(gòu)

（6）板殼結(jié)構(gòu)

（7）可拆卸結(jié)構(gòu)16.1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍

（1）

高強(qiáng)度低合金鋼

（2）軋制新品種的型鋼

（3）計(jì)算方法的完善

（4）結(jié)構(gòu)形式

（5）

優(yōu)化原理的應(yīng)用

16.1.3鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展16.2鋼材的機(jī)械性能與化學(xué)成分（1）

屈服點(diǎn)與抗拉強(qiáng)度建筑鋼材的強(qiáng)度和塑性一般由常溫靜載下單向拉伸試驗(yàn)曲線表明，該試驗(yàn)是將鋼材的標(biāo)準(zhǔn)試件在拉伸試驗(yàn)機(jī)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(cè)得的數(shù)據(jù)畫出應(yīng)力－應(yīng)變曲線（即σ－ε曲線）。

如圖16.1所示，為低碳鋼的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。16.2.1鋼材的機(jī)械性能

當(dāng)應(yīng)力超過fp后，應(yīng)變比應(yīng)力增加得快，到達(dá)b點(diǎn)后，應(yīng)變急劇增加，而應(yīng)力基本不變，此階段稱為屈服階段，應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈水平段，鋼筋產(chǎn)生相當(dāng)大的塑性變形，c點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力fy稱為屈服強(qiáng)度。

沒有明顯屈服點(diǎn)和塑性平臺(tái)的鋼材，則以卸荷后殘余變形為0.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為屈服點(diǎn)，稱為名義屈服點(diǎn)f0.2。屈服階段后，鋼材內(nèi)部組織經(jīng)重新調(diào)整進(jìn)入強(qiáng)化階段，直至曲線最高點(diǎn)即抗拉強(qiáng)度fu，出現(xiàn)頸縮，此時(shí)變形劇增，應(yīng)力下降，最后試件斷裂。

抗拉強(qiáng)度是鋼材破壞前所能承受的最大應(yīng)力，但是巨大的塑性變形，使之無實(shí)用意義，只作為強(qiáng)度貯備。

fy/fu叫做屈強(qiáng)比，其值愈大，說明鋼材被充分利用；愈小則安全儲(chǔ)備愈大。（2）塑性鋼材的塑塑性是指指應(yīng)力超超過屈服服點(diǎn)后，，能產(chǎn)生生顯著的的塑性變變形，而而不立即即斷裂的的性質(zhì)，，可用試試件靜力力拉伸時(shí)時(shí)的伸長長率來衡衡量。伸長率為圖16.2所示試件件拉斷后后，原標(biāo)標(biāo)距的伸伸長值與與原標(biāo)距距比值的的百分?jǐn)?shù)數(shù)，即（3）冷彎性能能冷彎性能能是指鋼材材在冷加加工時(shí)（（即常溫溫下加工工），對(duì)對(duì)產(chǎn)生裂裂縫的抵抵抗能力力。冷彎試驗(yàn)驗(yàn)方法是是在材料試試驗(yàn)機(jī)上上，通過過冷彎沖沖頭加壓壓，將厚厚度為a、寬度為為b的板材按按規(guī)定的的彎心直直徑d彎曲180°°，以彎曲曲處無裂裂紋、不不起層為為合格。。同時(shí)又又可檢查查鋼材的的內(nèi)部缺缺陷（顆顆粒組織織、結(jié)晶晶情況、、雜質(zhì)分分布等）），鑒定定鋼材的的可焊性性，因此此冷彎性性能是衡衡量鋼材材質(zhì)量的的綜合性性指標(biāo)（（圖16.3）。（4）沖擊韌性性鋼材的韌韌性是鋼材在在塑性變變形和斷斷裂過程程中吸收收能量的的能力，，也是鋼鋼材在動(dòng)動(dòng)力荷載載作用下下，抵抗抗脆性破破壞的能能力。沖擊韌性性指標(biāo)由由沖擊試試驗(yàn)獲得得，叫做做沖擊值。在沖擊擊試驗(yàn)時(shí)時(shí)，采用用截面為為10mm×10mm，長度為為55mm，中間開開有小槽槽的長方方形試件件（圖16.5），放在擺錘錘式?jīng)_擊擊試驗(yàn)機(jī)機(jī)上沖斷斷（圖16.4），可從從試驗(yàn)機(jī)機(jī)刻度盤盤上讀出出沖擊功功Ak(單位J)。鋼結(jié)構(gòu)用用鋼機(jī)械械性能指指標(biāo)規(guī)定定見表16.1和表16.2圖16.1低碳鋼單單向拉伸伸應(yīng)力－－應(yīng)變圖圖圖16.2靜力拉伸伸標(biāo)準(zhǔn)試試件圖16.3冷彎試驗(yàn)驗(yàn)示意圖圖圖16.4沖擊韌性性試驗(yàn)及及試件缺缺口形式式（a）試驗(yàn)驗(yàn)示意圖圖；(b)梅氏U形缺口；；(c)夏比氏V形缺口圖16.5沖擊試件件取樣方方法表16.1Q235鋼的機(jī)械械性能表16.2Q345及Q390鋼的機(jī)械械性能鋼材的化化學(xué)成分分直接影影響鋼的的組織構(gòu)構(gòu)造和機(jī)機(jī)械性能能。鋼的基本本元素是鐵（Fe），它在在碳素結(jié)結(jié)構(gòu)鋼中中含量約約占99%，其余是是碳（C）、錳（（Mn）、硅（（Si）以及冶冶煉中不不易除凈凈的有害害元素硫硫（S）、磷（（P）、氧（（O）、氮（（N）等。在低合金金結(jié)構(gòu)鋼鋼中，適適當(dāng)增加加錳、硅硅含量，，可改善善鋼材的的機(jī)械性性能。若若增加少少量的釩釩、鈦、、鈮、銅銅等元素素，則對(duì)對(duì)某些性性能的改改善更顯顯著。鋼結(jié)構(gòu)所所用各類類鋼材的的化學(xué)成成分見表16.3和表16.416.2.2鋼材料的的化學(xué)成成分表16.3Q235鋼的化學(xué)學(xué)成分（（熔煉分分析）（（%）表16.4Q345和Q390鋼的化學(xué)學(xué)成分（（熔煉分分析）（（%）16.3其他因素素對(duì)鋼材材性能的的影響鋼按冶煉煉方式可可分為平爐鋼與與頂吹氧氧氣轉(zhuǎn)爐爐鋼兩種，兩兩者在化化學(xué)成分分、機(jī)械械性能和和工藝性性能上基基本一致致，而轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)爐鋼成成本較低低，宜優(yōu)優(yōu)先采用用。鋼按脫氧氧情況的的不同，，可分為為沸騰鋼、、鎮(zhèn)靜鋼鋼、半鎮(zhèn)鎮(zhèn)靜鋼。鋼錠是在在1200~1300℃℃高溫下，，經(jīng)多次次熱軋而而成材的的。熱軋軋改善鋼鋼錠的鑄鑄造組織織，使結(jié)結(jié)晶致密密，消除除部分缺缺陷，提提高了力力學(xué)性能能。鋼錠錠厚度與與型鋼厚厚度之比比稱為壓縮比，壓縮比比愈大，，質(zhì)量愈愈好。16.3.1冶煉和軋軋制過程程鋼材隨時(shí)時(shí)間的增增長，其其強(qiáng)度提提高而塑塑性、韌韌性下降降的現(xiàn)象象叫時(shí)效硬化化。所謂人工時(shí)效效是使鋼材材先發(fā)生生10%左右的塑塑性變形形，再加加熱至250℃℃保持1h，然后在在空氣中中冷卻，，則時(shí)效效可在幾幾小時(shí)內(nèi)內(nèi)完成。。鋼材在彈彈塑性或或塑性階階段卸荷荷后再重重新加荷荷，其屈屈服點(diǎn)將將提高，，彈性工工作范圍圍加大，，而塑性性和韌性性卻降低低，這種種現(xiàn)象叫叫做冷作硬化化。16.3.2鋼材的硬化鋼在250℃左右時(shí)，抗拉拉強(qiáng)度有所提提高而塑性、、韌性下降，，這種現(xiàn)象叫叫藍(lán)脆（因表面氧化化膜呈藍(lán)色））。應(yīng)避免在在藍(lán)脆溫度范范圍內(nèi)進(jìn)行熱熱加工，否則則易出現(xiàn)裂紋紋。當(dāng)溫度從常溫溫下降時(shí)，強(qiáng)強(qiáng)度略有提高高，但塑性和和韌性則降低低而變脆，當(dāng)當(dāng)溫度下降到到某一區(qū)間時(shí)時(shí)，沖擊韌性性急劇下降，，破壞特征明明顯地轉(zhuǎn)變?yōu)闉榇嘈云茐?，這就是低溫冷脆。16.3.3溫度的影響16.3.4復(fù)雜應(yīng)力作用用下的工作圖16.6復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)態(tài)由于截面幾何何形狀的突變變，造成應(yīng)力力線密集曲折折，從而在孔孔洞邊緣、缺缺口尖端出現(xiàn)現(xiàn)局部高峰應(yīng)應(yīng)力，而其他他部位應(yīng)力降降低，形成所所謂的應(yīng)力集集中現(xiàn)象。由圖16.7可以看到，應(yīng)應(yīng)力集中的程程度取決于構(gòu)構(gòu)件形狀的變變化，變化劇劇烈，高峰應(yīng)應(yīng)力則大。圖16.8為不同槽口試試件拉伸時(shí)的的應(yīng)力－應(yīng)變變圖，表明形形狀變化愈劇劇烈的試件，，應(yīng)力集中愈愈嚴(yán)重，抗拉拉強(qiáng)度愈高，，而脆性破壞壞的危險(xiǎn)也愈愈大。承受靜力荷載載的構(gòu)件，應(yīng)應(yīng)遵照《規(guī)范》的有關(guān)要求，，避免截面形形狀的突變，，設(shè)計(jì)時(shí)可不不考慮應(yīng)力集集中問題。16.3.5應(yīng)力集中的影影響圖16.7應(yīng)力集中圖16.8應(yīng)力集中對(duì)鋼鋼材性能的影影響鋼材在連續(xù)的的重復(fù)荷載作作用下，雖然然應(yīng)力低于抗抗拉強(qiáng)度，甚甚至低于屈服服點(diǎn)時(shí)，也會(huì)會(huì)發(fā)生破壞，，這種現(xiàn)象稱稱為鋼的疲勞。疲勞破壞之前前，并無明顯顯的塑性變形形和局部收縮縮，是一種突突然性的脆性性斷裂。疲勞是因?yàn)殇撲摬馁|(zhì)地不均均勻以及應(yīng)力力分布不均勻勻而引起的。。16.3.6重復(fù)荷載作用用的影響16.4鋼材的品種與與選用鋼按用途分結(jié)構(gòu)鋼、工工具鋼和特殊殊鋼，結(jié)構(gòu)鋼鋼又可分為建建筑用鋼和機(jī)機(jī)械用鋼；按冶煉方法，鋼可分為轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)爐鋼和平爐爐鋼，轉(zhuǎn)爐鋼鋼目前采用氧氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐爐鋼，成本比比平爐鋼要低低；按脫氧方法分為沸騰鋼（（F）、半沸騰鋼鋼（b）、鎮(zhèn)靜鋼(Z)和特殊鎮(zhèn)靜鋼鋼(TZ)，鎮(zhèn)靜鋼和特特殊鎮(zhèn)靜鋼的的代號(hào)在鋼的的牌號(hào)中可省省略，鎮(zhèn)靜鋼鋼脫氧充分，，沸騰鋼脫氧氧較差，一般般采用鎮(zhèn)靜鋼鋼；16.4.1結(jié)構(gòu)用鋼的品品種與牌號(hào)按成型方法分為軋制鋼、、鍛鋼和鑄鋼鋼；按化學(xué)成分分為碳素鋼和和合金鋼，在在建筑工程中中常用碳素結(jié)結(jié)構(gòu)鋼、低合合金鋼和優(yōu)質(zhì)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼。（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼目前碳素結(jié)構(gòu)構(gòu)鋼采用的國國家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB700—88）中按質(zhì)量等等級(jí)分為A、B、C、D四級(jí)，質(zhì)量等等級(jí)中以A級(jí)最差，D級(jí)最優(yōu)。該標(biāo)準(zhǔn)中鋼材牌號(hào)表示示方法由字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值值（N/mm2）、質(zhì)量等級(jí)級(jí)代號(hào)（A、B、C、D）及脫氧方法法代號(hào)（F、b、Z、TZ）四個(gè)部分組組成?！短妓亟Y(jié)構(gòu)鋼》（GB700—88）將碳素結(jié)構(gòu)構(gòu)鋼按屈服點(diǎn)點(diǎn)數(shù)值分為5個(gè)牌號(hào)：Q195、Q215、Q235、Q255和Q275。（2）低合金結(jié)構(gòu)鋼鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼鋼的國家標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)《低合金高強(qiáng)度度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T1591）中按質(zhì)量等等級(jí)分為A、B、C、D、E五級(jí)。。采用與與碳素素結(jié)構(gòu)構(gòu)鋼相相同的的表示示方法法，即即用鋼鋼材厚厚度（（直徑徑）≤≤16mm時(shí)的屈屈服點(diǎn)點(diǎn)大小小表示示，共共分為為5個(gè)牌號(hào)號(hào)：Q295、Q345、Q390、Q420及Q460。（1）承重結(jié)結(jié)構(gòu)的的鋼材材宜采采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼。（2）下列情情況的的承重重結(jié)構(gòu)構(gòu)和構(gòu)構(gòu)件不不應(yīng)采采用Q235沸騰鋼鋼：焊接結(jié)結(jié)構(gòu)非焊接接結(jié)構(gòu)構(gòu)（3）承重結(jié)結(jié)構(gòu)采采用的的鋼材材應(yīng)具具有抗抗拉強(qiáng)強(qiáng)度、、伸長長率、、屈服服強(qiáng)度度和硫硫、磷磷含量量的合合格保保證，，對(duì)焊焊接結(jié)結(jié)構(gòu)尚尚應(yīng)具具有碳碳含量量的合合格保保證。。16.4.2鋼材的的選用用（4）對(duì)于需需要驗(yàn)驗(yàn)算疲疲勞的的焊接接結(jié)構(gòu)構(gòu)的鋼鋼材，，應(yīng)具具有常常溫沖沖擊韌韌性的的合格格保證證。對(duì)于需需要驗(yàn)驗(yàn)算疲疲勞的的非焊焊接結(jié)結(jié)構(gòu)的的鋼材材亦應(yīng)應(yīng)具有有常溫溫沖擊擊韌性性的合合格保保證。。（5）吊車起起重量量不小小于50t的中級(jí)級(jí)工作作制吊吊車梁梁，對(duì)對(duì)鋼材材沖擊擊韌性性的要要求應(yīng)應(yīng)與需需要驗(yàn)驗(yàn)算疲疲勞的的構(gòu)件件相同同。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)所用用鋼材材主要要為熱軋鋼鋼板、、型鋼鋼、冷冷彎薄薄壁型型鋼和和壓型型鋼板板。（1）鋼板鋼板分分為薄鋼板板、厚厚鋼板板和扁扁鋼，其規(guī)規(guī)格用用符號(hào)號(hào)“—”加“寬寬度×厚度””的毫毫米數(shù)數(shù)來表表示。。如—600××12表示寬寬度為為600mm、厚度度為12mm的鋼板板。薄鋼板板：厚厚0.35~4.0mm，寬500~1500mm，長0.5~4m；厚鋼板板：厚厚4.5~60mm，寬600~3000mm，長4~12m；扁鋼：：厚4~60mm，寬12~200mm，長3~9m。16.4.3鋼材規(guī)規(guī)格（2）熱軋型型鋼鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)常用用的型型鋼是是角鋼鋼、槽槽鋼、、工字字鋼和和H型鋼（（圖16.9）。工字鋼鋼也分分普通通和輕輕型兩兩種，，分別別用符符號(hào)““I”和“QI””表示。。H型鋼分分寬翼緣緣H型鋼（（HK）、窄窄翼緣緣H型鋼（（HZ）和H型鋼樁樁（HU）。（3）冷彎薄薄壁型型鋼和和壓型型鋼板板薄壁型型鋼是是用1.5~5mm的薄鋼鋼板經(jīng)經(jīng)模壓壓或冷冷彎成成型，，其截截面形形式如圖16.10所示。壓型鋼鋼板是是用0.4~2mm厚的鋼鋼板、、鍍鋅鋅鋼板板、彩彩色涂涂層鋼鋼板經(jīng)經(jīng)冷軋軋而成成的波波形板板，我我國已已有26種壓型型鋼板板型號(hào)號(hào)，圖16.11為其中中幾種種。圖16.9熱軋型型鋼圖16.10冷彎薄薄壁型型鋼圖16.11壓型鋼鋼板16.5鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)的設(shè)設(shè)計(jì)方方法與與設(shè)計(jì)計(jì)指標(biāo)標(biāo)（1）承載能能力極極限狀狀態(tài)的的設(shè)計(jì)計(jì)表達(dá)達(dá)式①由可變變荷載載效應(yīng)應(yīng)控制制的組組合：：②由永久久荷載載效應(yīng)應(yīng)控制制的組組合：：16.5.1鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)的計(jì)計(jì)算方方法（2）正常使使用極極限狀狀態(tài)的的設(shè)計(jì)計(jì)表達(dá)達(dá)式按正常常使用用極限限狀態(tài)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)鋼結(jié)結(jié)構(gòu)時(shí)時(shí)，應(yīng)應(yīng)考慮慮荷載載效應(yīng)應(yīng)的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)組組合。。對(duì)鋼鋼與混混凝土土組合合梁，，尚應(yīng)應(yīng)考慮慮準(zhǔn)永永久組組合。。其中中標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)組合合按下下述表表達(dá)式式計(jì)算算：鋼材和和連接接的強(qiáng)強(qiáng)度設(shè)設(shè)計(jì)值值（材材料強(qiáng)強(qiáng)度的的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值除除以抗抗力分分項(xiàng)系系數(shù)）），應(yīng)應(yīng)根據(jù)據(jù)鋼材材的厚厚度或或直徑徑按表表16.5~表16.10采用。。《規(guī)范》規(guī)定，，計(jì)算算下列列情況況的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件或或連接接時(shí)表表16.5~表16.10規(guī)定的的強(qiáng)度度設(shè)計(jì)計(jì)值應(yīng)應(yīng)乘以以相應(yīng)應(yīng)的折折減系系數(shù)：：（1）單面連連接的的單角角鋼①按軸心心受力力計(jì)算算強(qiáng)度度和連連接乘乘以系系數(shù)0.85；②按軸心心受壓壓計(jì)算算穩(wěn)