鋼結(jié)構(gòu)基本原理

關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)基本原理第1頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六鋼材的種類很多，其化學(xué)成分不同，性能各異。鋼材的性能主要有：力學(xué)性能、加工性能和抗侵蝕等性能。因此，必須了解鋼材的強(qiáng)度、塑性、冷彎、韌性、可焊性以及影響鋼材性能變化的各種因素，才能根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)所受的荷載、工作環(huán)境，選擇符合要求的鋼材。2.1鋼材的主要力學(xué)性能第2頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.1.1鋼材的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)（1）單向均勻受拉的工作特性

在常溫靜載情況下，Q235鋼材標(biāo)準(zhǔn)試件（圖2.1）受單向拉伸試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2.2。圖2.1標(biāo)準(zhǔn)試件圖2.2Q235鋼單向受拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線第3頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六

拉伸曲線反映了鋼材的力學(xué)特性，描述如下：1)彈性階段：OAE段

OA直線的斜率稱為彈性模量E，fp稱為比例極限，，fe稱為彈性極限。2)彈塑性階段：EC段

σ與ε不呈比例，除彈性變形外還有塑性變形，fy稱為屈服強(qiáng)度，又叫屈服點(diǎn)（yieldpoint，材料力學(xué)中用σs表示）。工作特性單向受拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線第4頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六3)屈服階段：CF段鋼材完全屈服，σ不增加（保持fy），而ε驟增。4)強(qiáng)化階段：FB段經(jīng)過屈服階段后，鋼材內(nèi)部組織重新排列，抵抗外力的能力增強(qiáng)。5)頸縮階段：BD段應(yīng)力超過fu后，試件出現(xiàn)“頸縮”而斷裂，fu稱為抗拉強(qiáng)度(tensilestrength，材料力學(xué)中用σb表示）。工作特性單向受拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線

根據(jù)上述特性，可確定鋼材的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)。第5頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六(2)強(qiáng)度指標(biāo)

由于fy、fp、fe很接近，應(yīng)變很小，ε≈0.1%(εy≈0.15%)可以把三點(diǎn)看作為一點(diǎn)，并以屈服點(diǎn)fy作為代表。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，把鋼材的屈服點(diǎn)fy作為鋼材的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fk＝fy。

常用結(jié)構(gòu)鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f（designvalue）可查材料手冊(cè)（見附表1.1）。彈性設(shè)計(jì)時(shí)，構(gòu)件的應(yīng)力不能大于f值。

抗拉強(qiáng)度fu在實(shí)際構(gòu)件中是不允許達(dá)到的，鋼材的抗拉強(qiáng)度fu值高，可以增加結(jié)構(gòu)的安全保障。

第6頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六

另外，Q235鋼材在屈服前接近理想的彈性體，而屈服后的流變現(xiàn)象接近理想的塑性體，且流變的范圍很大（0.15%～2.5%）。因此，可認(rèn)為鋼材是理想的彈-塑性體（圖2.3）。即假定鋼材應(yīng)力小于fy時(shí)是完全彈性的，應(yīng)力超過fy后則是完全塑性的。利用鋼材理想彈－塑性假定，可以簡(jiǎn)化鋼構(gòu)件的彈塑性分析計(jì)算。

強(qiáng)度指標(biāo)圖2.3理想彈－塑性的應(yīng)力－應(yīng)變曲線第7頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六

高強(qiáng)度鋼材沒有明顯的屈服臺(tái)階，這類鋼的屈服點(diǎn)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果人為規(guī)定的，稱為條件屈服（用f0.2表示，定義為試件卸載后其殘余應(yīng)變?yōu)?%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力）。這類鋼材在設(shè)計(jì)中不宜利用塑性。

圖2.4高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力－應(yīng)變曲線強(qiáng)度指標(biāo)第8頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六

鋼材在單向受壓時(shí)（短試件），抗壓強(qiáng)度與單向受拉時(shí)相同。鋼材受扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線也與受拉時(shí)相似，但剪切屈服點(diǎn)和抗剪強(qiáng)度低于fy和fu；剪變模量G也低于彈性模量E。鋼材和鑄鋼件的彈性模量、剪變模量、線膨脹系數(shù)α和質(zhì)量密度ρ列于表2.1。

強(qiáng)度指標(biāo)第9頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六斷面收縮率：式中l(wèi)0——試件拉伸前標(biāo)距長(zhǎng)度;l1——試件拉斷后原標(biāo)距間長(zhǎng)度;A0——試件截面面積;A1——拉斷后頸縮區(qū)的截面面積。鋼材的伸長(zhǎng)率愈大，鋼材塑性愈好(3)塑性指標(biāo)延伸率：第10頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.1.2冷彎性能

冷彎性能是指鋼材在冷加工產(chǎn)生塑性變形（deformed）時(shí)，對(duì)產(chǎn)生裂縫的抵抗能力。如圖2.3所示將試件彎曲成規(guī)定的角度后,檢查試件彎曲部分的表面有無裂縫、裂斷、分層等，沒有即為合格。

冷彎試驗(yàn)是鑒定鋼材質(zhì)量的一種良好方法，常作為靜力拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的一種補(bǔ)充試驗(yàn)，是一項(xiàng)衡量鋼材力學(xué)性能的綜合指標(biāo)。

圖2.5冷彎1800試件

第11頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.1.3沖擊韌性

沖擊韌性是衡量鋼材強(qiáng)度、塑性及材質(zhì)的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。鋼材的韌性與軋制方法、環(huán)境溫度有關(guān)。沖擊韌性由沖擊試驗(yàn)測(cè)定。

沖擊韌性：(N?m/cm2)

式中：AK—試驗(yàn)機(jī)的沖擊功（N?m)；

A—缺口處凈截面面積(cm2)。

圖2.6沖擊韌性試驗(yàn)第12頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.1.4可焊性焊接后焊縫金屬及其附近的熱影響區(qū)金屬不產(chǎn)生裂紋，并且焊縫的力學(xué)性能不低于母材的力學(xué)性能。2.1.5耐久性

耐腐蝕性：鋼材耐腐蝕性較差，必須采取防護(hù)措施，新建結(jié)構(gòu)需要油漆，已建成的結(jié)構(gòu)需定期維護(hù)。

耐老化性：隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，鋼材的力學(xué)性能有所改變，出現(xiàn)“時(shí)效”現(xiàn)象，即“老化”?！皶r(shí)效”使鋼材變脆。

耐長(zhǎng)期高溫性：在長(zhǎng)期高溫條件下工作的鋼材，其破壞強(qiáng)度比常溫拉伸試驗(yàn)的強(qiáng)度低得多，應(yīng)另行測(cè)定“強(qiáng)度”。

耐疲勞性：鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在長(zhǎng)期連續(xù)的交變荷載或重復(fù)荷載作用下，應(yīng)力雖低于fy也會(huì)發(fā)生破壞，稱為“疲勞破壞”。第13頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.1.6鋼構(gòu)件的兩種破壞形式1)塑性破壞——構(gòu)件破壞前有明顯的變形或破壞前兆。塑性破壞容易被發(fā)現(xiàn)而采取補(bǔ)救措施,可避免造成嚴(yán)重后果.2)脆性破壞——破壞前構(gòu)件變形很小,平均應(yīng)力一般都小于屈服點(diǎn)fy,破壞始于應(yīng)力集中處,如缺口、裂紋、凹角和多向受拉區(qū)域.破壞前沒有任何預(yù)兆,無法及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和采取補(bǔ)救措施,危及生命財(cái)產(chǎn)安全,后果嚴(yán)重。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免構(gòu)件出現(xiàn)脆性破壞。BACK第14頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六

2.2.1化學(xué)成分的影響主要化學(xué)成分——鐵（Fe，在碳素結(jié)構(gòu)鋼中約占99%）少量元素——碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、鈦（Ti）、釩（V）⑴碳碳是決定鋼材性能的最重要元素。建筑用鋼一般多用碳素結(jié)構(gòu)鋼，屬于低碳鋼，含碳量小于0.25%；工程所用低合金鋼，其含碳量小于0.52%。2.2影響鋼材性能的因素第15頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六

⑵硅

硅是作為脫氧劑存在鋼中，是鋼中的有益元素。硅含量較低（小于1.0%）時(shí)，能提高鋼材的強(qiáng)度，而對(duì)塑性和韌性無明顯影響。

⑶錳

錳是煉鋼時(shí)用來脫氧去硫而存在于鋼中的，是鋼中的有益元素。錳具有很強(qiáng)的脫氧去硫能力，能消除或減輕氧、硫所引起的熱脆性，能提高鋼材的強(qiáng)度和硬度。

⑷磷

磷是鋼中很有害的元素。隨著磷含量的增加，鋼材的強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、硬度均提高，而塑性和韌性顯著降低。特別是溫度愈低，對(duì)塑性和韌性的影響愈大，加大鋼材的冷脆性。

影響因素第16頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六⑸硫硫是鋼中很有害的元素。硫的存在會(huì)加大鋼材的熱脆性，降低鋼材的各種機(jī)械性能，也使鋼材的可焊性、沖擊韌性、耐疲勞性和抗腐蝕性等均降低。⑹氧氧是鋼中的有害元素。隨著氧含量的增加，鋼材的強(qiáng)度有所提高，但塑性特別是韌性顯著降低，可焊性變差。氧的存在會(huì)造成鋼材的熱脆性。⑺氮氮對(duì)鋼材性能的影響與碳、磷相似，隨著氮含量的增加，可使鋼材的強(qiáng)度提高，塑性特別是韌性顯著降低，可焊性變差，冷脆性加劇。氮在鋁、鈮、釩等元素的配合下可以減少其不利影響，改善鋼材性能，可作為低合金鋼的合金元素使用。影響因素第17頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六⑻鈦

鈦是強(qiáng)脫氧劑。鈦能顯著提高強(qiáng)度，改善韌性、可焊性，但稍降低塑性。鈦是常用的微量合金元素。⑼釩釩是弱脫氧劑。釩加入鋼中可減弱碳和氮的不利影響，有效地提高強(qiáng)度，但有時(shí)也會(huì)增加焊接淬硬傾向，釩也是常用的微量合金元素。影響因素第18頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.2.2冶煉、澆鑄、軋制的影響(1)冶煉我國(guó)目前鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是平爐和氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉而成，兩種冶煉方法煉制的鋼質(zhì)量大體相當(dāng)。影響因素第19頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六(2)脫氧方法

用錳、硅、鋁作為脫氧劑進(jìn)行脫氧（deoxidize）.它們之間的脫氧能力比為錳:硅:鋁=1:5:90。按脫氧程度或方法不同而分為沸騰鋼(F)、鎮(zhèn)定鋼(Z)、半鎮(zhèn)定鋼(b)和特殊鎮(zhèn)定鋼(TZ)。沸騰鋼組織不夠致密，成分不太均勻，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重，故質(zhì)量較差。但因其成本低、產(chǎn)量高，故被廣泛用于一般工程。鎮(zhèn)靜鋼成本較高，但其組織致密，成分均勻，含硫量較少，性能穩(wěn)定，故質(zhì)量好。適用于預(yù)應(yīng)力混凝土等重要結(jié)構(gòu)工程。半鎮(zhèn)靜鋼質(zhì)量較好。特殊鎮(zhèn)靜鋼質(zhì)量最好，適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。影響因素第20頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六（3）軋制

軋制（rolling）鋼材是把鋼錠加熱到1200℃-1300℃高溫時(shí)進(jìn)行，這時(shí)鋼具有較好的熱塑性，利用軋鋼機(jī)壓力的作用，可使鋼錠中的小氣泡、裂紋和質(zhì)地較疏松部分壓合密實(shí)，消除組織缺陷和細(xì)化鋼的晶粒。因此，軋制鋼比鑄鋼質(zhì)量好。壓縮比越大，鋼材的力學(xué)性能越好。此外，由于軋輥的壓延作用，鋼材順軋輥軋制方向的性能比橫向的性能好。影響因素第21頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.2.3殘余應(yīng)力的影響

熱軋型鋼中的殘余應(yīng)力（remainingstress）是因不均勻冷卻而產(chǎn)生的。型鋼冷卻時(shí)其邊緣、尖角及薄細(xì)部位因與空氣接觸多而冷卻快，先冷卻部位常形成強(qiáng)勁的約束（constraint），阻止后冷卻部位的自由收縮，從而使后冷卻部位受拉，形成自相平衡的復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布。此后鋼材的調(diào)直和加工（剪切、氣割、焊接等）還將改變這種分布。構(gòu)件承受荷載時(shí)，荷載引起的應(yīng)力將與殘余應(yīng)力疊加（superposition），使構(gòu)件有些部位提前達(dá)到屈服并發(fā)展塑性變形，使截面的彈性區(qū)域減少。因此殘余應(yīng)力將降低構(gòu)件的剛度（stiffness）和穩(wěn)定性，而對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度不產(chǎn)生影響。影響因素第22頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六

2.2.4溫度的影響

(1)溫度升高當(dāng)溫度升高，鋼材的強(qiáng)度和彈性模量的總趨勢(shì)是降低，但在150℃以下時(shí)變化不大。當(dāng)溫度在250℃時(shí)，鋼材的抗拉強(qiáng)度有較大的提高，但塑性、韌性變差，此時(shí)的破壞為脆性破壞，稱為“藍(lán)脆”。當(dāng)溫度超過300℃時(shí)，其強(qiáng)度和彈性模量開始顯著下降，而塑性開始顯著增大，鋼材產(chǎn)生徐變。達(dá)到600℃時(shí)，強(qiáng)度幾乎為零。

影響因素第23頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六(2)溫度降低溫度下降到負(fù)溫時(shí)，鋼材的強(qiáng)度雖有提高，但塑性和韌性降低、脆性增加，出現(xiàn)脆性轉(zhuǎn)變溫度。以韌性指標(biāo)為例（右圖），反彎點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度T0即為脆性轉(zhuǎn)變溫度。選用鋼材時(shí)應(yīng)使結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度高于脆性轉(zhuǎn)變溫度的下限值T1，且在環(huán)境溫度下具有足夠的沖擊韌性值。影響因素第24頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.2.5鋼材硬化的影響(1)冷作硬化

鋼材在常溫下冷加工（拉、拔、彎、沖切、剪切等）的過程。當(dāng)加載到強(qiáng)化區(qū)間卸載后，鋼材的塑性變形不能恢復(fù)，再次加時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度提高，彈性范圍增加，但塑性和伸長(zhǎng)率降低。這一性質(zhì)稱為冷作硬化（stiffening）。第25頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六(2)時(shí)效硬化

鋼材隨存放時(shí)間延長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)屈服強(qiáng)度提高，彈性范圍增加，伸長(zhǎng)率降低，這一性質(zhì)稱為時(shí)效effectivenessforagivenperiodoftime）硬化。這是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，鋼材化學(xué)成分中的氮和碳逐漸析出，形成了自由的氮化物和碳化物，他們能起到阻止純鐵體晶粒間的滑移，約束塑性發(fā)展，從而提高鋼材的強(qiáng)度，降低塑性。人工加載讓鋼試件先產(chǎn)生10%左右的塑性變形，然后加熱至250℃，并保溫一小時(shí)后自然冷卻（cooling），這一方法能加速時(shí)效進(jìn)程，稱為人工時(shí)效。第26頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.2.6應(yīng)力集中的影響在構(gòu)件截面發(fā)生變化的區(qū)域，截面應(yīng)力分布并不均勻，突變處將產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，這種因截面尺寸顯著變化而引起應(yīng)力局部增大的現(xiàn)象稱應(yīng)力集中（stressconcentration）。分析表明：應(yīng)力集中產(chǎn)生的高峰應(yīng)力區(qū)附近總是存在平面或三維應(yīng)力場(chǎng)，使鋼材性能變脆而引發(fā)脆性破壞。鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中現(xiàn)象不可避免，但只要在設(shè)計(jì)和施工時(shí)注意采取合理的構(gòu)件形狀和構(gòu)造措施，使截面的變化平緩過渡，就能降低應(yīng)力集中的影響。另外，在常溫下承受靜力荷載作用的鋼結(jié)構(gòu)，由于建筑鋼材的塑性較好，當(dāng)應(yīng)力在局部達(dá)到屈服應(yīng)力后，鋼材的塑性變形使應(yīng)力重分布，應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象也會(huì)趨于平緩。因此，只要符合設(shè)計(jì)與施工規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，計(jì)算時(shí)可不考慮應(yīng)力集中的影響。BACK第27頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.3復(fù)雜應(yīng)力下的屈服條件

鋼材在單向拉伸時(shí)，以屈服點(diǎn)為臨界點(diǎn)，應(yīng)力小于屈服點(diǎn)為彈性工作狀態(tài)，大于屈服點(diǎn)為塑性狀態(tài)。實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)中，鋼材常是在兩向或三向的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下工作，這時(shí)鋼材的屈服并不取決于某一個(gè)方向的應(yīng)力，而是由反映各方向應(yīng)力綜合影響的相當(dāng)應(yīng)力（也稱折算應(yīng)力）來表示。

當(dāng)σeq<fy時(shí)，鋼材處于彈性階段；

當(dāng)σeq≥

fy時(shí)，鋼材處于塑性階段。

根據(jù)強(qiáng)度理論，三維應(yīng)力場(chǎng)的相當(dāng)應(yīng)力（equivalentstress）計(jì)算表達(dá)式為：

第28頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六

由相當(dāng)應(yīng)力計(jì)算公式可知，鋼材處于同號(hào)應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，若三個(gè)主應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且應(yīng)力值都接近單向拉伸時(shí)的屈服極限fy，而相當(dāng)應(yīng)力卻始終小于屈服點(diǎn)，鋼材拉斷了也不會(huì)有明顯的塑性變形。因此，在構(gòu)件中如果出現(xiàn)多向拉應(yīng)力作用的區(qū)域，總是發(fā)生脆性破壞。

只有兩向應(yīng)力作用時(shí)，如：σz=τxz=τyz=0

受純剪時(shí)：

第29頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六設(shè)時(shí)的則BACK第30頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.4鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和疲勞計(jì)算2.4.1疲勞破壞

試驗(yàn)表明，鋼構(gòu)件在連續(xù)反復(fù)荷載作用下，盡管應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服點(diǎn)，但經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，也會(huì)發(fā)生斷裂破壞。這種經(jīng)歷長(zhǎng)期反復(fù)荷載作用而發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，稱為疲勞破壞。疲勞破壞前構(gòu)件沒有明顯的變形特征，屬于脆性破壞。破壞原因:鋼構(gòu)件上難免有微觀裂紋（crack），如非金屬雜質(zhì)、扎制或加工時(shí)造成的微小裂紋等。在荷載作用下，受拉區(qū)的微裂紋尖端因應(yīng)力集中而出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)，并伴隨雙向或三向拉應(yīng)力場(chǎng)，使鋼材的塑性發(fā)展受到限制。在工作初期，由于應(yīng)力較小，這些微小裂紋不會(huì)立刻引起構(gòu)件斷裂。但在長(zhǎng)期反復(fù)荷載作用下，裂紋尖端的拉應(yīng)力使裂紋有逐步擴(kuò)展的趨勢(shì)并緩慢地?cái)U(kuò)展，與此同時(shí)，構(gòu)件的有效截面也逐步第31頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六減小。經(jīng)過一定的循環(huán)（circle）次數(shù)后，一旦裂紋擴(kuò)展到構(gòu)件截面不能承受荷載時(shí)，構(gòu)件出現(xiàn)突然斷裂。第32頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六

2.4.2鋼材的疲勞強(qiáng)度極限

反復(fù)荷載在構(gòu)件內(nèi)引起的應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線稱為循環(huán)應(yīng)力譜（圖2.6）。用ρ=σmin/σmax來表示（拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）。例如，ρ=-1表示完全對(duì)稱（symmetry）循環(huán)，ρ=0表示脈沖（pulse）循環(huán)。ρ值可以介于-1和+1之間。（a）完全對(duì)稱循環(huán)ρ=-1（b）脈動(dòng)應(yīng)力循環(huán)ρ=0圖2.6循環(huán)應(yīng)力譜第33頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六

應(yīng)力變化的幅度稱為應(yīng)力幅，用△σ=σmax-σmin表示。在應(yīng)力循環(huán)過程中，如果應(yīng)力幅保持為常量，稱為常幅循環(huán)應(yīng)力，否則稱變幅應(yīng)力循環(huán)。常幅疲勞試驗(yàn)可以測(cè)定鋼材的疲勞強(qiáng)度極限。試驗(yàn)用一組（10根）相同材料的光滑小試件，每次將一根試件安裝在疲勞試驗(yàn)機(jī)上，第一根試件可施加較大的彎矩，使試件受純彎曲，上緣受拉，下緣受壓；圖2.7鋼材的疲勞強(qiáng)度極限當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)試件旋轉(zhuǎn)時(shí)，試件表面各點(diǎn)的應(yīng)力交替出現(xiàn)拉、壓變化，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈完成一次循環(huán)，由施加的彎矩可以算出應(yīng)力幅；當(dāng)經(jīng)過某一循環(huán)次數(shù)n，試件破壞，得到△σ－n曲線上的一個(gè)點(diǎn)（圖2.7）。疲勞極限第34頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六

依次對(duì)其余試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并逐步減小彎矩，也即減小應(yīng)力幅△σ

，試件破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)將不斷增加，每一根試件得到△σ－n曲線上的一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)力幅△σ小于一定值時(shí)，即使有無限次循環(huán)，試件也不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。按照有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建議，將n＝5×106所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅稱為材料的疲勞極限。疲勞極限第35頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.4.3鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算

鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算是針對(duì)具體構(gòu)件或連接部位，特別是連接部位，應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響很大，因此構(gòu)件或連接的疲勞強(qiáng)度都低于材料的疲勞強(qiáng)度。我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB500017－2003）規(guī)定，當(dāng)構(gòu)件的工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n＞5×104時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。

另外，不同構(gòu)件或連接形式其疲勞性能各不相同，因此也不能用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來衡量?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB500017－2003）將不同構(gòu)造和受力特點(diǎn)的鋼構(gòu)件和連接，按其疲勞性能的高低歸并為八個(gè)疲勞計(jì)算類別（見附錄6）。其中一類疲勞性能最好，八類最差。疲勞計(jì)算表達(dá)式如下：

1)常幅疲勞計(jì)算

計(jì)算公式：△σ≤[△σ]第36頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六式中△σ——應(yīng)力幅。對(duì)焊接部位，△σ=σmax-σmin；對(duì)非焊接部位，△σ=σmax-0.7σmin

。σmax——計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力（取正值）；σmin——計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大壓應(yīng)力（取負(fù)值）；[△σ]——常幅疲勞的容許應(yīng)力幅（N/mm2）,按下式計(jì)算：

[△σ]=(c/n)1/β

式中:n——應(yīng)力循環(huán)次；c,β——系數(shù),根據(jù)疲勞計(jì)算分類按表2.3取值。疲勞計(jì)算第37頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2)變幅疲勞計(jì)算實(shí)際工程構(gòu)件的工作應(yīng)力幅多為變化的，或稱隨機(jī)荷載，如吊車起吊荷載每次可能都不一樣，且多數(shù)工作荷載小于設(shè)計(jì)荷載。對(duì)于重級(jí)工作制吊車梁和重級(jí)、中級(jí)工作制吊車桁架，按照線性疲勞累積損傷原則，將隨機(jī)變化的應(yīng)力幅折算成等效常應(yīng)力幅按下式計(jì)算：

式中：——欠載效應(yīng)的等效系數(shù),查表2.4——循環(huán)次數(shù)n＝2×106的容許應(yīng)力幅,可查表2.5。疲勞計(jì)算第38頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)需注意以下兩點(diǎn)：

1）目前疲勞計(jì)算仍采用容許應(yīng)力法，荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮分項(xiàng)系數(shù)和動(dòng)力系數(shù)，并按彈性工作計(jì)算。

2）鋼構(gòu)件或連接的疲勞破壞是由于循環(huán)應(yīng)力反復(fù)作用下疲勞裂紋的生成和擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。因而疲勞允許應(yīng)力幅主要取決于應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，以及構(gòu)件或連接的具體構(gòu)造細(xì)節(jié)和應(yīng)力集中程度，鋼材強(qiáng)度等級(jí)對(duì)疲勞破壞應(yīng)力幅或疲勞壽命的影響并不顯著，計(jì)算時(shí)可認(rèn)為疲勞容許應(yīng)力幅與鋼材種類無關(guān)。

疲勞計(jì)算BACK第39頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.5鋼材的種類、選用和型鋼規(guī)格2.5.1鋼材的種類常用鋼材碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼低合金高強(qiáng)度橋梁用鋼耐候鋼第40頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼

按國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB700-1988)規(guī)定，碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)（brand）由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)（A、B、C、D）、脫氧方法符號(hào)（F、b、Z、TZ，分別表示沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼）四個(gè)部分順序組成。目前生產(chǎn)的碳素結(jié)構(gòu)鋼有：Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五種，含碳量越多，屈服點(diǎn)越高，塑性越低。Q235的含碳量低于0.22％，屬于低碳鋼，其強(qiáng)度適中，塑性、韌性和可焊性較好，是建筑鋼結(jié)構(gòu)常用的鋼材品種之一。第41頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)舉例：Q235A.FQ：鋼材屈服點(diǎn)代號(hào)235:屈服點(diǎn)數(shù)值（N/mm2）A:質(zhì)量等級(jí)代號(hào)(A、B、C、D)F:脫氧程度代號(hào)(F、b、Z、TZ，其中Z、TZ可以省略)第42頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六(2)低合金高強(qiáng)度鋼

低合金高強(qiáng)度鋼是在碳素鋼中加入少量幾種合金元素，其總量雖低于5%，但鋼的強(qiáng)度明顯提高，故稱為低合金高強(qiáng)度鋼。其牌號(hào)按屈服點(diǎn)由小到大排列，有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五種，牌號(hào)意義和碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。不同的是，低合金高強(qiáng)度鋼的質(zhì)量等級(jí)分為A、B、C、D、E五級(jí)，A級(jí)對(duì)沖擊韌性無要求；B、C、D級(jí)對(duì)應(yīng)溫度200C、00C、－200C的沖擊功≥34J；E級(jí)要求－400C的沖擊功≥27J。

(3)耐大氣腐蝕用鋼（耐候鋼）

在鋼的冶煉過程中，加入少量特定的合金元素，一般指銅（Cu）、磷（p）、鉻（Cr）、鎳（Ni）等，使之在金屬基體表面形成保護(hù)層，提高鋼材耐大氣腐蝕性能，這類鋼統(tǒng)稱為耐大氣腐蝕用鋼或耐候鋼。我國(guó)目前生產(chǎn)的耐候鋼分為高耐候結(jié)構(gòu)鋼和焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼兩類。鋼材的種類第43頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六1）高耐候結(jié)構(gòu)鋼其耐候性能比焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼好，故稱為高耐候結(jié)構(gòu)鋼。按其化學(xué)成分分為：銅磷鋼和銅磷鉻鎳鋼兩種。其牌號(hào)表示方法是由分別代表“屈服點(diǎn)”的拼音字母Q、屈服點(diǎn)的數(shù)值和“高耐候”拼音字母GNH順序組成，含Cr、Ni的高耐候鋼在牌號(hào)后加代號(hào)“L”。例如，Q345GNHL表示屈服點(diǎn)為345（N/mm2）、含有鉻鎳的高耐候鋼。若將高耐候結(jié)構(gòu)用于焊接結(jié)構(gòu)，其鋼板厚度應(yīng)不大于16mm。2）焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼這類鋼能保持良好的焊接特性，適用厚度達(dá)100mm。其表示方法是由分別代表“屈服點(diǎn)”拼音字母Q、屈服點(diǎn)的數(shù)值和“耐候”的拼音字母NH以及質(zhì)量等級(jí)（C、D、E）順序組成。耐候鋼的的化學(xué)成分、力學(xué)性能等參數(shù)可查閱國(guó)標(biāo)（GB/T4171－2000）和《焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼》（GB/T4172）。鋼材的種類第44頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六(4)橋梁用結(jié)構(gòu)鋼由于橋梁所受荷載性質(zhì)特殊，橋梁用鋼的力學(xué)性能、焊接性能等技術(shù)要求一般都嚴(yán)于房屋建筑用鋼，其牌號(hào)表達(dá)方式與其他鋼材一樣，由屈服點(diǎn)拼音字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、橋梁鋼拼音字母q和質(zhì)量等級(jí)（C、D、E）四部分順序組成，如Q235qC。橋梁鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能等參數(shù)可查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》。（5）厚度方向性能鋼板由于扎制工藝的原因，厚鋼板沿厚度方向（Z向）的力學(xué)性能最差。當(dāng)結(jié)構(gòu)局部構(gòu)造形成有板厚方向的拉力作用時(shí)，很容易沿平行于鋼板表面層間內(nèi)出現(xiàn)層狀撕裂。因此，對(duì)于重要焊接構(gòu)件的鋼板，還要求厚度方向有良好的抗層間撕裂性能。鋼材的種類第45頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六

鋼板的抗層間撕裂性能采用厚度方向拉伸試驗(yàn)時(shí)的斷面收縮率來評(píng)定。并以此分為Z15、Z25、Z35三個(gè)級(jí)別，分別代表鋼板的厚度方向斷面收縮率Yz不小于15%、25%和35%。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)是首先提出鋼板厚度方向性能要求的建筑結(jié)構(gòu)，已頒布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》（YB4104-2000）。其中，對(duì)厚度方向性能有要求的鋼板，牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)拼音字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、高層建筑拼音字母GJ、質(zhì)量等級(jí)（C、D、E）和后綴字母Z組成，如Q235GJZ。第46頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.5.2鋼材的選用基本原則：即要保證結(jié)構(gòu)的安全可靠，又要做到用料經(jīng)濟(jì)合理。選擇鋼材時(shí)考慮的因素：1)結(jié)構(gòu)的重要性；

2)荷載的性質(zhì)；3)連接方法；4)結(jié)構(gòu)的工作溫度鋼結(jié)構(gòu)用鋼：承重結(jié)構(gòu)宜用Q235、Q345、Q390、Q420。品質(zhì)保證：承重結(jié)構(gòu)鋼材，應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度（通稱三項(xiàng)保證）和硫、磷含量的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)鋼材，除滿足上項(xiàng)外，還應(yīng)有碳含量合格保證，冷彎、沖擊韌性等要求；第47頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六

有疲勞驗(yàn)算和抗震要求的結(jié)構(gòu)鋼材，要求有沖擊韌性的合格保證。優(yōu)先選用型鋼。

圖2.8型鋼截面形式第48頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2.5.3型鋼及規(guī)格型鋼包括：熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼、鋼索。(1)熱軋型鋼1）鋼板鋼板（plate）有厚鋼板、薄鋼板和扁鋼。厚鋼板：厚度為4.5～60mm，寬度為600～300mm，長(zhǎng)度為4～12m；用于制作焊接組合截面構(gòu)件，如焊接工字形截面梁翼緣板、腹板等。薄鋼板：厚度為0.35～4mm，寬度為500～1500mm，長(zhǎng)度為0.5～4m；用于制作冷彎薄壁型鋼。扁鋼：厚度為3～60mm，寬度為10～200mm，長(zhǎng)度為3～9m。用于焊接組合截面構(gòu)件的翼緣板、連接板、桁架節(jié)點(diǎn)板和制作零部件等。鋼板的表示方法為“-寬度×厚度×長(zhǎng)度”，如：“-400×12×800”。單位為mm。第49頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六2)角鋼角鋼（anglesteel）分等邊角鋼和不等邊角鋼。不等邊角鋼的表示方法為，“∟長(zhǎng)邊寬×短邊寬×厚度”，如“∟100×80×8”，等邊角鋼表示為“∟邊寬×厚度”，如∟100×8。單位為㎜。3)鋼管鋼管分無縫鋼管（seamlesssteeltube）和焊接鋼管（weldedsteelpipe）兩種，表示方法為“Ф外徑×壁厚”，如Ф180×4。單位為㎜。4)槽鋼槽鋼（channelsteel）有普通槽鋼和輕型槽鋼，用截面符號(hào)“[”和截面高度（cm）表示，高度在20以上的槽鋼，還用字母a、b、c表示不同的腹板厚度。如[30a，稱“30號(hào)”槽鋼。號(hào)數(shù)相同的輕型槽鋼與普通槽鋼相比，其翼緣寬而薄，腹板也較薄。型鋼及規(guī)格第50頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六角鋼槽鋼鋼管型鋼及規(guī)格第51頁，共58頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)4分，星期六5）工字鋼有普通工字鋼和輕型工字鋼。用截面符號(hào)“I”和截面高度（cm）表示，高度在20以上的普通工字鋼，用字母a、b、c表示不同的腹板厚度。如I20c，稱“20