鋼結(jié)構(gòu)專升本

2023/1/151.掌握鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。2.了解鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展?fàn)顩r。3.熟練掌握鋼結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。4.了解鋼材的疲勞破壞現(xiàn)象，掌握影響疲勞的因素和疲勞計(jì)算方法。第一章緒論第一節(jié)

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用、發(fā)展一、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1.鋼材的強(qiáng)度高，塑性和韌性好。2.鋼材材質(zhì)均勻，和力學(xué)計(jì)算的假定比較符合。3.鋼結(jié)構(gòu)的重量輕。4.鋼結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)便，施工周期短。5.鋼結(jié)構(gòu)密閉性好。6.鋼結(jié)構(gòu)耐腐蝕性差。7.鋼結(jié)構(gòu)耐熱但不耐火。8.鋼結(jié)構(gòu)在低溫下可能發(fā)生脆性破壞2023/1/15第一節(jié)

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用、發(fā)展二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍1.大跨結(jié)構(gòu)（例如上海體育館）2023/1/15第一節(jié)

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用、發(fā)展二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍2.重型廠房結(jié)構(gòu)2023/1/15第一節(jié)

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用、發(fā)展二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍3.高層建筑結(jié)構(gòu)2023/1/15第一節(jié)

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用、發(fā)展二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍4.高聳結(jié)構(gòu)2023/1/15第一節(jié)

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用、發(fā)展二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍5.輕型鋼結(jié)構(gòu)2023/1/15第一節(jié)

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用、發(fā)展二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍6.受動(dòng)力荷載影響的結(jié)構(gòu)2023/1/15第一節(jié)

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用、發(fā)展二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍7.可拆卸結(jié)構(gòu)2023/1/15第一節(jié)

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用、發(fā)展二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍8.容器和其他構(gòu)筑物2023/1/15第一節(jié)

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用、發(fā)展三.鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.發(fā)展低合金高強(qiáng)度鋼材和型鋼品種2.結(jié)構(gòu)和構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算方法的深入研究3.結(jié)構(gòu)形式的革新4.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)2023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法一.概述

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則：技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全使用、確保質(zhì)量。要做到這一點(diǎn)，就必須有合理的設(shè)計(jì)方法。因?yàn)橛绊懡Y(jié)構(gòu)功能的各種因素如荷載大小、材料強(qiáng)度、截面尺寸、計(jì)算模型、施工質(zhì)量等都是不確定的隨機(jī)變量，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只能給出一定的概率保證。隨著概率論在建筑結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，概率設(shè)計(jì)法在20世紀(jì)60年代末期有了重大突破，其表現(xiàn)在提出了一次二階矩法。該方法不僅有確定的極限狀態(tài)，又可給出不超過(guò)該極限狀態(tài)的概率，因而是一種較為完善的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。但由于該方法仍為分析中簡(jiǎn)化了基本量關(guān)系的變化，將復(fù)雜關(guān)系線性化，仍是一種近似的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。2023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法二.概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法（一）結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的某一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，此狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)分兩類：1.承載能力極限狀態(tài)。這種極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或出現(xiàn)不適合于繼續(xù)承載的變形，包括：

(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)；2023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法(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)。這種極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值，包括以下幾個(gè)方面：(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)；2023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法(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)結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)z來(lái)描述，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)可取荷載效應(yīng)s和結(jié)構(gòu)抗力R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)，即Z=g(R，s)=R-S(1．1)顯然，z也是隨機(jī)變量，有以下三種情況：z>0結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；z=0結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)；

’z<0結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。2023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法可見，結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)是結(jié)構(gòu)由可靠轉(zhuǎn)變?yōu)槭У呐R界狀態(tài)。

由于尺和S受到許多隨機(jī)性因素影響而具有不確定性，z≥0不是必然性的事件。因此科學(xué)的設(shè)計(jì)方法是以概率為基礎(chǔ)來(lái)度量結(jié)構(gòu)的可靠性。（二）可靠度按照概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，結(jié)構(gòu)的可靠度定義為結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。它是對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述。這里的“完成”“預(yù)定功能”指對(duì)某項(xiàng)規(guī)定功能而言結(jié)構(gòu)不失效。結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)滿足的功能有：。2023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法(1)在正常施工和正常使用時(shí)，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；(2)在正常使用時(shí)具有良好的工作性能；(3)在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性能；(4)在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限(設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期)是指設(shè)計(jì)規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進(jìn)行大修即可按其預(yù)定目的使用的年限。我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。2023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法若以Pr表示結(jié)構(gòu)的可靠度，則有Pr=P(Z≥0)(1—2)

記Pf為結(jié)構(gòu)的失效概率，則有

Pf=P(Z<0)(1．3)顯然Pr=1一Pf(1．4)2023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法因此結(jié)構(gòu)可靠度的計(jì)算可轉(zhuǎn)換為失效概率的計(jì)算。可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指的是使失效概率小到可以接受程度的設(shè)計(jì)，絕對(duì)可靠的結(jié)構(gòu)(失效概率等于零)是不存在的。由于與z有關(guān)的多種影響因素都是不確定的，其概率分布很難求得，目前只能用近似概率設(shè)計(jì)方法，同時(shí)采用可靠指標(biāo)表示失效概率。(三)可靠指標(biāo)

為了使結(jié)構(gòu)達(dá)到安全可靠與經(jīng)濟(jì)上的最佳平衡，必須選擇一個(gè)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)失效概率或目標(biāo)可靠指標(biāo)，但這是一個(gè)非常復(fù)雜困難的工作。目前我國(guó)與其他許多國(guó)家一樣，采用“校準(zhǔn)法”求得。即通過(guò)對(duì)原有規(guī)范作反演分析，找出隱含在現(xiàn)2023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法有工程中相應(yīng)的可靠指標(biāo)值，經(jīng)過(guò)綜合分析，確定設(shè)計(jì)規(guī)范采用的目標(biāo)可靠指標(biāo)值?！督ㄖY(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50068)規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)不應(yīng)小于表1．1中的規(guī)定。鋼結(jié)構(gòu)連接的承載能力極限狀態(tài)經(jīng)常是強(qiáng)度破壞而不是屈服，可靠指標(biāo)應(yīng)比構(gòu)件為高，一般推薦用4.5。結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)表1-12023/1/15破壞類型安全等級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)延性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果(危及人的生命、造成經(jīng)濟(jì)損失、產(chǎn)生社會(huì)影響等)的嚴(yán)重性，采用不同的安全等級(jí)。其劃分應(yīng)符合表1—2的要求。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)表1-22023/1/15

安全等級(jí)

破壞后果

建筑物類型

一級(jí)

很嚴(yán)重

重要的房屋

二級(jí)

嚴(yán)重

一般的房屋

三級(jí)

不嚴(yán)重

次要的房屋第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法三、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式，應(yīng)根據(jù)各種極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求，采用有關(guān)的荷載代表值、材料性能標(biāo)準(zhǔn)值、幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值及各種分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)。(一)承載能力極限狀態(tài)

結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用荷載效應(yīng)的基本組合和偶然組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。1．基本組合(1)對(duì)于基本組合，應(yīng)按下列極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式中最不利值確定：2023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法由可變荷載效應(yīng)控制的組合由永久荷載效應(yīng)控制的組合：2023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法式中

γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，應(yīng)按下列規(guī)定采用：對(duì)安全等級(jí)為一級(jí)或設(shè)計(jì)使

用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1．1；對(duì)安全等級(jí)為

二級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1．O；對(duì)于設(shè)計(jì)

使用年限為25年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0．95；對(duì)安全等級(jí)為三級(jí)

或設(shè)計(jì)使用年限為5年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0．9；

γG——永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，應(yīng)按下列規(guī)定采用：當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)

構(gòu)件的承載能力不利時(shí)，對(duì)由可變荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1．2，

對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1．35；當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)

構(gòu)件的承載能力有利時(shí)，一般情況下取1．0；2023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法γQ1，γQ2——第1個(gè)和第i個(gè)可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，應(yīng)按下列規(guī)定采用：當(dāng)可變荷力不利時(shí)，在一般情況下應(yīng)取1．4，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值大于4．0kN／m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載取1．3；當(dāng)可變荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力有利時(shí)，應(yīng)取為0；

SGK——永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；SQ1K——在基本組合中起控制作用的第1個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；SQjK——第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；

2023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法ψei——第i個(gè)可變荷載的組合值系數(shù)，其值不應(yīng)大于l；R——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值，R=Rk／γR，Rk為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力標(biāo)準(zhǔn)值，γR為抗力分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)于Q235鋼，γR=1．087；對(duì)于Q345、Q390和Q420鋼，R=1．111。(2)對(duì)于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，可以采用簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)表達(dá)式：由可變荷載效應(yīng)控制的組合：2023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法式中

ψ——簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)表達(dá)式中采用的荷載組合系數(shù)，一般情況下可取ψ=0．9

當(dāng)只有一個(gè)可變荷載時(shí)，取ψ=1．0。

由永久荷載效應(yīng)控制的組合仍按式(1．6)采用。2．偶然組合對(duì)于偶然組合，極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式宜按下列原則確定：偶然作用的代表值不乘以分項(xiàng)系數(shù)；與偶然作用同時(shí)出現(xiàn)的可變荷載，應(yīng)根據(jù)觀測(cè)資料和工作經(jīng)驗(yàn)采用適當(dāng)?shù)拇碇怠?023/1/15第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法(二)正常使用極限狀態(tài)

結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根據(jù)不同設(shè)計(jì)目的，分別選用荷載效應(yīng)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)值符合下式的要求：式中Sd------變形、裂縫等荷載效應(yīng)的設(shè)計(jì)值；C——設(shè)計(jì)對(duì)變形、裂縫等規(guī)定的相應(yīng)限值。

鋼結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)只涉及變形驗(yàn)算，僅需考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合：2023/1/15第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算一、疲勞斷裂的概念

鋼結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂是裂紋在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴(kuò)展以至斷裂的脆性破壞，塑性變形極小，破壞前沒(méi)有明顯破壞預(yù)兆，危險(xiǎn)性較大。出現(xiàn)疲勞斷裂時(shí)，截面上的應(yīng)力低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度。

疲勞破壞經(jīng)歷三個(gè)階段：裂紋的形成、裂紋的緩慢擴(kuò)展和最后迅速斷裂。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，實(shí)際上只有后兩個(gè)階段，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中總會(huì)有內(nèi)在的微小缺陷。對(duì)焊接構(gòu)件，裂紋的起源常在焊接趾處或焊縫中的空洞、夾渣和欠焊處；對(duì)非焊接構(gòu)件，在沖孔、剪切、氣割等處也存在微觀裂紋。2023/1/15第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算疲勞斷裂的斷口一般可分為光滑區(qū)和粗糙區(qū)兩部分(圖1．1)。光滑區(qū)的形成是因?yàn)榱鸭y多次開合的緣故，而粗糙區(qū)是因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展到一定程度導(dǎo)致截面削弱過(guò)甚以致不足以抵抗破壞而突然斷裂形成的，類似于拉伸試件的斷口，比較粗糙。鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞通常屬于高周疲勞，即結(jié)構(gòu)應(yīng)變小，破壞前荷載循環(huán)次數(shù)多。2023/1/15第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，直接承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如吊車梁、吊車桁架等)及其連接，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)n≥5×104時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。2023/1/15第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算二、與疲勞破壞有關(guān)的幾個(gè)概念1．應(yīng)力集中

應(yīng)力集中是影響疲勞性能的重要因素。應(yīng)力集中越嚴(yán)重，鋼材越容易發(fā)生疲勞破壞。應(yīng)力集中的程度由構(gòu)造細(xì)節(jié)所決定，包括微小缺陷、孔洞、缺口、凹槽及截面的厚度和寬度是否有變化等，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為零件之間相互連接的方式和焊縫的形式。因此，對(duì)于相同的連接形式，構(gòu)造細(xì)節(jié)處理的不同，也會(huì)對(duì)疲勞強(qiáng)度有較大的影響。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范將構(gòu)件和連接形式按應(yīng)力集中的影響程度由低到高分為8類(見附表9)，第一類是沒(méi)有應(yīng)力集中的主體金屬，第八類是應(yīng)力集中最嚴(yán)重的角焊縫，第二至第七類則是有不同程度應(yīng)力集中的主體金屬。2．應(yīng)力循環(huán)特征2023/1/15第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算連續(xù)重復(fù)荷載作用下應(yīng)力從最大到最小重復(fù)一周叫一個(gè)循環(huán)。應(yīng)力循環(huán)特征常用應(yīng)力比ρ=σmax/σmin來(lái)表示，拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值，如圖1．2所示。當(dāng)ρ=-1時(shí)稱為完全對(duì)稱循環(huán)(圖1．2a)；ρ=0時(shí)稱為脈沖循環(huán)(圖1．2b)；ρ=l時(shí)為靜荷載(圖1．2c)；0<ρ<1時(shí)為同號(hào)應(yīng)力循環(huán)(圖1．2d)；-1<ρ<0時(shí)為異號(hào)應(yīng)力循環(huán)(圖1—2e)。2023/1/15第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算3．應(yīng)力幅

應(yīng)力幅表示應(yīng)力變化的幅度，用△σ=σmax—σmin表示，應(yīng)力幅總是正值。

應(yīng)力幅在整個(gè)應(yīng)力循環(huán)過(guò)程中保持常量的循環(huán)稱為常幅應(yīng)力循環(huán)，如圖1—3(n)所示，若應(yīng)力幅是隨時(shí)間隨機(jī)變化的，則稱為變幅應(yīng)力循環(huán)，如圖1．3(6)所示。

焊接結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算宜以應(yīng)力幅為準(zhǔn)則，原因在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的殘余應(yīng)力。裂紋的起源常在焊趾或焊縫內(nèi)部缺陷處，而焊縫處及其近旁殘余拉應(yīng)力高達(dá)屈服強(qiáng)度f(wàn)y.

2023/1/15第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算2023/1/15第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算2023/1/15第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算2023/1/15第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算2023/1/15第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算2023/1/15

第二章

鋼結(jié)構(gòu)的材料

第二章

鋼結(jié)構(gòu)的材料

學(xué)

習(xí)

要

點(diǎn)1．了解結(jié)構(gòu)鋼材的破壞形式及其特征，熟悉鋼材脆性破壞發(fā)生的原因及其防止措施。2．掌握鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求，熟悉影響鋼材性能的各種因素。3．熟悉結(jié)構(gòu)鋼材種類，能正確合理地選擇鋼材。4．了解結(jié)構(gòu)鋼材的規(guī)格，掌握其表示方法。2023/1/15

第一節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材的破壞形式第一節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材的破壞形式鋼材在各種作用下會(huì)發(fā)生兩種破壞形式，即塑性破壞和脆性破壞，兩者的破壞特征有明顯的區(qū)別。塑性破壞是由于構(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)，容易及時(shí)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。2023/1/15第一節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材的破壞形式脆性破壞是在塑性變形很小，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點(diǎn)fy，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)的覺(jué)察和補(bǔ)救，破壞后果嚴(yán)重。如1972年河北廊坊因一個(gè)構(gòu)件脆斷導(dǎo)致屋架倒塌，重慶綦江大橋倒塌等。因此在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工和使用過(guò)程中，要充分考慮各方面的因素，避免一切發(fā)生脆性破壞的可能性。2023/1/15第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求2023/1/15第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求2023/1/15第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求2023/1/15第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求2023/1/15第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素3：磷(P）磷也是一種有害元素，雖磷的存在使鋼材的強(qiáng)度和抗銹蝕性高，但嚴(yán)重降低鋼材的塑性、韌性、可焊性、冷彎性能等，特別是在低溫時(shí)使材變脆即冷脆。鋼材中磷的含量一般不得超過(guò)0．045％。磷在鋼材中的強(qiáng)化用十分顯著，有些國(guó)家生產(chǎn)高磷鋼，含磷量最高可達(dá)0．08％~0．12％，由此引的不利影響通過(guò)降低含碳量來(lái)彌補(bǔ)。4．氧(0)和氮(N)。氧和氮都是鋼材的有害雜質(zhì)，氧的作用與硫類似，一鋼材產(chǎn)生熱脆，一般要求其含量小于0．05％；而氮的作用與磷類似，使鋼材．生冷脆，一般要求其含量小于0．008％。由于氧、氮容易在冶煉過(guò)程中逸出，．根據(jù)需要進(jìn)行不同程度的脫氧處理，其含量一般不會(huì)超過(guò)極限含量。2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素5.錳(Mn)，錳是一種弱脫氧劑，適量的錳含量可以有效地提高鋼材強(qiáng)度。又能消除硫、氧對(duì)鋼材的熱脆影響，而不顯著降低鋼材的塑性和韌性。但含量過(guò)高將使鋼材變脆，降低鋼材的抗銹蝕性和可焊性。錳在碳素結(jié)構(gòu)鋼中的含：為0．3％一0．8％，在低合金鋼中一般為1．2％～1．6％。

6.硅（Si)，硅是一種強(qiáng)脫氧劑，適量的硅可提高鋼材的強(qiáng)度，而對(duì)塑性韌性、冷彎性能和可焊性無(wú)明顯不良影響，但硅含量過(guò)大(達(dá)l％左右)時(shí)，會(huì)降低鋼材的塑性、韌性、抗銹蝕性和可焊性。一般硅含量不超過(guò)0．3％。

為改善鋼材的性能，可摻人一定數(shù)量的其他元素，如鋁(A1)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鈦(Ti)、釩(V)等。2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素二、冶煉、軋制、熱處理

。1．冶煉

結(jié)構(gòu)鋼材的冶煉方法主要有平爐煉鋼和氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼。其中平爐煉鋼由于生產(chǎn)效率低，目前已基本淘汰，因此，主要使用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的鋼材。

為排除鋼水中的氧元素，澆鑄前要向鋼液中投入脫氧劑，按脫氧程度的不同，形成沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。

沸騰鋼是以錳作為脫氧劑，脫氧不充分，鋼水出現(xiàn)劇烈沸騰現(xiàn)象而得名。因沸騰鋼含有較多的氧、氮等元素，其塑性、韌性和可焊性較差，容易發(fā)生時(shí)效和變脆。但沸騰鋼成品率高，成本較低，質(zhì)量能滿足一般承重結(jié)構(gòu)的要求，因而被廣泛應(yīng)用。2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素

鎮(zhèn)靜鋼除了加錳以外，還加強(qiáng)脫氧劑硅，脫氧比較充分。鎮(zhèn)靜鋼具有較高自沖擊韌性，較小的時(shí)效敏感性和冷脆性，冷彎性能、可焊性和抗銹蝕性較好等t點(diǎn)。但成品率低，成本較高。

半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，其性能也介于二者之間。

特殊鎮(zhèn)靜鋼是在用錳和硅脫氧之后，再用鋁等進(jìn)行補(bǔ)充脫氧，能明顯改善名項(xiàng)力學(xué)性能。

2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素2．冶金缺陷

常見的冶金缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋及分層等。偏析是指鋼中化學(xué)成分分布不均勻，特別是硫、磷偏析嚴(yán)重惡化鋼材的性能；非金屬夾雜是指鋼中含有硫化物、氧化物等雜質(zhì)；氣孔是由于氧化鐵與碳作用生成的一氧化碳不能充分逸出而形成的；非金屬夾雜物在軋制后會(huì)造成鋼材的分層。這些缺陷都將降低鋼材的性能。分層使鋼材沿厚度受拉的性能大大降低。2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素3．軋制

鋼的軋制是在高溫(1200～1300℃)和壓力作用下將鋼錠熱軋成鋼板或型鋼。軋制使鋼錠中的小氣孔、裂紋等缺陷焊合起來(lái)，使金屬組織更加致密，并能消除顯微組織缺陷，從而改善了鋼材的力學(xué)性能。一般來(lái)說(shuō)，軋制的鋼材愈小(愈薄)，其強(qiáng)度愈高，塑性和沖擊韌性也愈好。因此規(guī)范對(duì)鋼材按厚度進(jìn)行分組，見附表1。

熱軋的鋼材由于不均勻冷卻產(chǎn)生殘余應(yīng)力，一般在冷卻較慢處產(chǎn)生拉應(yīng)力，早冷卻處產(chǎn)生壓應(yīng)力(圖2-4)。2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素4．熱處理

鋼的熱處理就是將鋼在固態(tài)范圍內(nèi)施以不同的加熱、保溫和冷卻，以改變其性能的一種工藝。根據(jù)加熱和冷卻方法的不同，建筑結(jié)構(gòu)鋼的熱處理主要有：退火處理、正火處理、淬火處理、回火處理。熱處理可改善鋼的組織和性能，消除殘余應(yīng)力。淬火加高溫回火的綜合操作稱為調(diào)質(zhì)處理，可讓鋼材獲得強(qiáng)度、塑性和韌性都較好的綜合性能。2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素三、鋼材的硬化

硬化有時(shí)效硬化和冷作硬化兩種。

時(shí)效硬化是指鋼材隨時(shí)間的增長(zhǎng)，鋼材強(qiáng)度(屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度)提高，塑性降低、特別是沖擊韌性大大降低的現(xiàn)象(圖2-5)。時(shí)效硬化的過(guò)程一般很長(zhǎng)。為了測(cè)定鋼材時(shí)效后的沖擊韌性，常采用人工快速時(shí)效方法，即先使鋼材產(chǎn)生10％左右的塑性變形，再加熱至250℃左右并保溫1h，然后在空氣中冷卻。

冷作硬化是指當(dāng)鋼材冷加工(剪、沖、拉彎等)超過(guò)其彈性極限卸載后，出現(xiàn)殘余塑性變形，再次加載時(shí)彈性極限(或屈服點(diǎn))提高的現(xiàn)象(圖2-6)。冷作硬化降低了鋼材的塑性和沖擊韌性，增加了出現(xiàn)脆性破壞的可能性。2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素四、溫度的影晌0℃以上，總趨勢(shì)是溫度升高，鋼材強(qiáng)度和彈性模量降低，塑性增大(圖2．7)。100℃以內(nèi)時(shí)，鋼材性能變化不大；在250℃左右時(shí)，鋼材會(huì)出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度提高，沖擊韌性下降的藍(lán)脆現(xiàn)象，應(yīng)避免鋼材在藍(lán)脆溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱加工；溫度超過(guò)300℃后，屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度下降顯著；600℃時(shí)強(qiáng)度已很低，不能承擔(dān)外力。2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素0℃以下，總的趨勢(shì)是溫度降低，鋼材強(qiáng)度略有提高，塑性、韌性降低。特別是當(dāng)溫度下降到某一值時(shí)，鋼材的沖擊韌性突然急劇下降(圖2-8)，試件發(fā)生脆性破壞，這種現(xiàn)象稱為低溫冷脆現(xiàn)象。鋼材由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度叫冷脆轉(zhuǎn)變溫度(或叫冷脆臨界溫度)。2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素五、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)

鋼材在單向應(yīng)力作用下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)fy時(shí)，鋼材即進(jìn)入塑性狀態(tài)。但在復(fù)雜應(yīng)力(二向或三向應(yīng)力)作用下(圖2-9)，鋼材的屈服不能以某個(gè)方向的應(yīng)力達(dá)到fy來(lái)判別，而應(yīng)按材料第四強(qiáng)度理論用折算應(yīng)力σzs與鋼材單向應(yīng)力下的fy比較來(lái)判別。2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素或用主應(yīng)力表達(dá)2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素六.應(yīng)力集中的影響在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中不可避免地存在著孔洞、槽口、凹角、形狀變化和內(nèi)部缺陷等，此時(shí)，軸心受力構(gòu)件在截面變化處應(yīng)力不再保持均勻分布，而是在一些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，另外一些區(qū)域則應(yīng)力較低，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象(圖2一10)。更嚴(yán)重的是，靠近高峰應(yīng)力的區(qū)域總是存在著同號(hào)二維或三維應(yīng)力場(chǎng)，因而促使鋼材變脆。

高峰應(yīng)力與凈截面的平均應(yīng)力之比稱為應(yīng)力集中系數(shù)。構(gòu)件形狀變化愈急劇，應(yīng)力集中系數(shù)愈大，變脆的傾向亦愈嚴(yán)重。2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素一般情況下由于結(jié)構(gòu)鋼材的塑性較好，當(dāng)內(nèi)力增大時(shí)，應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象會(huì)由于應(yīng)力重分布而逐漸平緩。故受靜荷載作用的構(gòu)件在常溫下工作時(shí)，只要符合規(guī)范規(guī)定的有關(guān)要求，計(jì)算時(shí)可不考慮應(yīng)力集中的影響。但在低溫下或動(dòng)力荷載作用下的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中的不利影響將十分突出，往往是引起脆性破壞的根源，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取措施避免或減小應(yīng)力集中。2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素2023/1/15第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素七、反復(fù)荷載作用

鋼材在反復(fù)荷載作用下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值以后，會(huì)發(fā)生突然的脆性疲勞破壞，見第一章第三節(jié)所述。

從以上論述中，我們看到有許多因素會(huì)使鋼材產(chǎn)生脆性破壞，因此，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和使用中，應(yīng)根除或減少使鋼材產(chǎn)生脆性破壞的因素，才能保證結(jié)構(gòu)的安全。2023/1/15

第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇

一、鋼材的種類和牌號(hào)

鋼材的品種繁多，鋼結(jié)構(gòu)中采用的鋼材主要有二類，即碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。1．碳素結(jié)構(gòu)鋼

根據(jù)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB700)的規(guī)定，碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)的數(shù)值(N／mm2)、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)和脫氧方法符號(hào)等四個(gè)部分按順序組成。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇

碳素結(jié)構(gòu)鋼分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275等五種，屈服強(qiáng)度越大，其含碳量、強(qiáng)度和硬度越大，塑性越低。其中Q235在使用、加工和焊接方面的性能都比較好，是鋼結(jié)構(gòu)常用鋼材之一。

質(zhì)量等級(jí)分為A、B、C、D四級(jí)，由A到D表示質(zhì)量由低到高。不同質(zhì)量等級(jí)鋼對(duì)化學(xué)成分和力學(xué)性能的要求不同。A級(jí)無(wú)沖擊功規(guī)定，對(duì)冷彎試驗(yàn)只在需方有要求時(shí)才進(jìn)行，其碳、錳、硅含量也可以不作為交貨條件；B級(jí)、C級(jí)、D級(jí)分別要求保證20℃、0℃、一20℃時(shí)夏比V形缺口沖擊功Ak，不小于27J(縱向)，都要求提供冷彎試驗(yàn)的合格保證，以及碳、錳、硅、硫和磷等含量的保證。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇所有鋼材交貨時(shí)供方應(yīng)提供屈服點(diǎn)、極限強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能的保證。

沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼分別用漢字拼音字首F、Z、b和TZ表示。對(duì)Q235，A、B級(jí)鋼可以是Z、b或F，C級(jí)鋼只能是Z，D級(jí)鋼只能是TZ。Z和TZ可以省略不寫。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇2．低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

低合金鋼是在冶煉過(guò)程中添加一種或幾種少量合金元素，其總量低于5％的鋼材。低合金鋼因含有合金元素而具有較高的強(qiáng)度。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB／T1591)的規(guī)定，其牌號(hào)與碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)的表示方法相同，常用的低合金鋼有Q345、Q390、Q420等。

低合金鋼交貨時(shí)供方應(yīng)提供屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和冷彎試驗(yàn)等力學(xué)性能保證；還要提供碳、錳、硅、硫、磷、釩、鋁和鐵等化學(xué)成分含量的保證。

低合金鋼的質(zhì)量等級(jí)除與碳素結(jié)構(gòu)鋼A、B、C、D四個(gè)等級(jí)相同外，增加E級(jí)，其要求提供一40~C時(shí)夏比V形缺口沖擊功Ak，不小于27J(縱向)。不同質(zhì)量等級(jí)對(duì)碳、硫、磷、鋁的含量要求也有區(qū)別。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇

低合金鋼的脫氧方法為鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼。Q345．B表示屈服強(qiáng)度為345N／mm2的B級(jí)鎮(zhèn)靜鋼；Q390-D表示屈服強(qiáng)度為390N／mm2的D級(jí)特殊鎮(zhèn)靜鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼都可以采取適當(dāng)?shù)臒崽幚?如調(diào)質(zhì)處理)進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。例如用于制造高強(qiáng)度螺栓的45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼以及40硼(40B)、20錳鈦硼(20MnTiB)就是通過(guò)調(diào)質(zhì)處理提高強(qiáng)度的。

各種牌號(hào)的結(jié)構(gòu)鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值見附表1。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇二、鋼材的選用(一)選用鋼材的原則

鋼材選用的原則是既要使結(jié)構(gòu)安全可靠和滿足使用要求，又要最大可能節(jié)約鋼材和降低造價(jià)。為保證承重結(jié)構(gòu)的承載力和防止在一定條件下可能出現(xiàn)的脆性破壞，應(yīng)綜合考慮下列因素，選用合適的鋼材牌號(hào)和材性。1．結(jié)構(gòu)的重要性

結(jié)構(gòu)和構(gòu)件按其用途、部位和破壞后果的嚴(yán)重性可以分為重要、一般和次要三類，不同類別的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件應(yīng)選用不同的鋼材。例如大跨度結(jié)構(gòu)、重級(jí)工作制吊車梁等屬重要的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用質(zhì)量好的鋼材；一般屋架、梁和柱等屬于一般的結(jié)構(gòu)；樓梯、欄桿、平臺(tái)等則是次要的結(jié)構(gòu)，可采用質(zhì)量等級(jí)較低的鋼材。2．荷載的性質(zhì)

結(jié)構(gòu)承受的荷載可分為靜力荷載和動(dòng)力荷載兩種。對(duì)承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)應(yīng)選用塑性、沖擊韌性好的質(zhì)量高的鋼材，如Q345．C或Q235．C；對(duì)承受靜力荷載的結(jié)構(gòu)可選用一般質(zhì)量的鋼材如Q235-BF。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇3．連接方法

鋼結(jié)構(gòu)的連接有焊接和非焊接之分，焊接結(jié)構(gòu)由于在焊接過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力、焊接變形和焊接缺陷，因此，應(yīng)選擇碳、硫、磷含量較低，塑性、韌性和可焊性都較好的鋼材。對(duì)非焊接結(jié)構(gòu)，如高強(qiáng)度螺栓連接的結(jié)構(gòu)，這些要求就可放寬。4．結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境

結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境如溫度變化、腐蝕作用等對(duì)鋼材性能的影響很大。在低溫下工作的結(jié)構(gòu)，尤其是焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用具有良好抗低溫脆斷性能的鎮(zhèn)靜鋼，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的最低溫度應(yīng)高于鋼材的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)周圍有腐蝕性介質(zhì)時(shí)，應(yīng)對(duì)鋼材的抗銹蝕性作相應(yīng)要求。5．鋼材厚度

厚度大的鋼材不但強(qiáng)度低，而且塑性、沖擊韌性和可焊性也較差，因此厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用材質(zhì)較好的鋼材。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇(二)鋼材選用建議1．承重結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用Q235、Q345、Q390和Q420鋼材，其質(zhì)量應(yīng)分別符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB700和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》GB／T1591的規(guī)定。2．對(duì)Q235鋼宜選用鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼，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)。1)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)。2)工作溫度低于一20℃時(shí)的直接承受動(dòng)力荷載但可不驗(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)。3)工作溫度不高于一30℃的所有承重結(jié)構(gòu)。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇(2)工作溫度不高于一20℃直接承受動(dòng)力荷載且需要驗(yàn)算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)工作溫度系指結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度，對(duì)非采暖房屋可取為室外空氣溫度，即現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《采暖通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ19中所列出的最低日平均溫度，對(duì)采暖房屋內(nèi)的結(jié)構(gòu)可提高10℃采用。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇3．承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(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)的鋼材還應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。4．對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)鋼材，應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證。當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度不高于0℃但高于一20℃時(shí)，Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有0℃沖擊韌性的合格保證；對(duì)Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有一20℃沖擊韌性的合格保證。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度不高于一20℃時(shí)，對(duì)Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有一20℃沖擊韌性的合格保證；對(duì)Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有一40℃沖擊韌性合格保證。5．對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)的鋼材亦應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證，當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度不高于一20℃時(shí)，對(duì)Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有0℃沖擊韌性的合格保證；對(duì)Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有一20℃沖擊韌性的合格保證。6．其他重要的受拉或受彎的焊接構(gòu)件中，厚度大于36mm的鋼材應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證。吊車起重量不小于50t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。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇7．當(dāng)焊接承重結(jié)構(gòu)為防止鋼材的層狀撕裂而采用Z向鋼時(shí)，其材質(zhì)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《厚度方向性能鋼板》GB／T5313的規(guī)定。

8．對(duì)處于外露環(huán)境，且對(duì)大氣腐蝕有特殊要求或在腐蝕性氣態(tài)和固態(tài)介質(zhì)作用下的承重結(jié)構(gòu)，宜采用耐候鋼，其質(zhì)量要求應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼》GB／T4172的規(guī)定。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇三、鋼材的規(guī)格

鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材主要為熱軋成型的鋼板、型鋼，以及冷彎成型的薄壁型鋼。1．鋼板

鋼板有薄鋼板(厚度0．35～4mm)、厚鋼板(厚度4．5～60mm)、特厚板(板厚>60mm)和扁鋼(厚度4～60mm，寬度為12～200mm)等。鋼板用“一寬×厚×長(zhǎng)”或“一寬×厚”表示，單位為毫米，如一450×8×3100，一450×8。2．型鋼

鋼結(jié)構(gòu)常用的型鋼是角鋼、工字形鋼、槽鋼和H型鋼、鋼管等(圖2．11)。除H型鋼和鋼管有熱軋和焊接成型外，其余型鋼均為熱軋成型。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇(1)角鋼

角鋼有等邊角鋼(圖2．11a)和不等邊角鋼(圖2．11b)兩種。等邊角鋼以“L肢寬×肢厚”表示，不等邊角鋼以“L長(zhǎng)肢寬×短肢寬×肢厚”表示，單位為mm，如L63×5，L100×80×8。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇(2)工字鋼工字鋼(圖2．11c)有普通工字鋼和輕型工字鋼兩種。普通工字鋼用“I截面高度的厘米數(shù)”表示，高度20mm以上的工字鋼，同一高度有三種腹板厚度，分別記為a、b、c，a類腹板最薄、冀緣最窄，b類腹板較厚、冀緣較寬，c類腹板最厚、冀緣最寬，如120a。同樣高度的輕型工字鋼的翼緣要比普通工字鋼的冀緣寬而薄，腹板亦薄，輕型工字鋼可用漢語(yǔ)拼音符號(hào)“Q”表示，如QI40等。(3)槽鋼

槽鋼(圖2．11d)也分普通槽鋼和輕型槽鋼兩種，以“[或Q[截面高度厘米數(shù)”表示，如[20b，Q[22等。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇(4)H型鋼H型鋼(圖2．11e)分熱軋和焊接兩種。熱軋H型鋼有寬翼緣(HW)、中翼緣(HM)、窄翼緣(HN)和H型鋼柱(HP)等四類。H型鋼用“高度×寬度×腹板厚度義翼緣厚度”表示，單位為毫米，如HW250×250×9×14、HM294×200×8×12。

焊接H型鋼是由鋼板用高頻焊接組合而成，也用“高度×寬度×腹板厚度×翼緣厚度”表示，如H350×250×10×16。2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇(5)鋼管

鋼管(圖2—11f)有熱軋無(wú)縫鋼管和焊接鋼管兩種。無(wú)縫鋼管的外徑為32～630mm。鋼管用“φ外徑×壁厚”來(lái)表示，單位為毫米，如φ273×5。

我國(guó)生產(chǎn)的各類型鋼規(guī)格和截面特性見附錄三。對(duì)普通鋼結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件不宜采用厚度小于5mm的鋼板、壁厚小于3mm的鋼管、截面小于L45×4或L56×36×4的角鋼。3．冷彎薄壁型鋼2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇3．冷彎薄壁型鋼2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇冷彎薄壁型鋼(圖2．12)采用薄鋼板冷軋制成。其壁厚一般為1．5—12mm，但承重結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的壁厚不宜小于2mm。薄壁型鋼能充分利用鋼材的強(qiáng)度以節(jié)約鋼材，在輕鋼結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。常用冷彎薄壁型鋼截面形式有等邊角鋼(圖2．12a)、卷邊等邊角鋼(圖2—12b)、z形鋼(圖2．12c)、卷邊z形鋼(圖2．12d)、槽鋼(圖2．12e)、卷邊槽鋼(C型鋼）（圖2-12f)2023/1/15第四節(jié)結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇鋼管(圖2．12g)等，其表示方法為：按字母B、截面形狀符號(hào)和長(zhǎng)邊寬度×短邊寬度×卷邊寬度×壁厚的順序表示，單位為毫米，長(zhǎng)、短邊相等時(shí)，只標(biāo)一個(gè)邊寬，無(wú)卷邊時(shí)不標(biāo)卷邊寬度，如B[120×40×2．5、BCl60×60×20×3。

壓型鋼板(圖2．13)是冷彎薄壁型鋼的另一種形式，它是用厚度為0．4～2mm的鋼板、鍍鋅鋼板或彩色涂層鋼板經(jīng)冷軋成的波形板。

冷彎薄壁型鋼的規(guī)格及截面特性可參考有關(guān)文獻(xiàn)。2023/1/15第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料復(fù)習(xí)2023/1/15第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料復(fù)習(xí)2023/1/15第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料復(fù)習(xí)2023/1/15第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料復(fù)習(xí)2023/1/15第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料思考題2023/1/15第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接學(xué)

習(xí)

要

點(diǎn)1．了解鋼結(jié)構(gòu)常用的連接方式及其特點(diǎn)。2．了解對(duì)接焊縫及角焊縫的構(gòu)造和工作性能。熟練掌握其傳力過(guò)程和計(jì)算方法。了解焊縫缺陷對(duì)承栽能力的影響及質(zhì)量檢驗(yàn)方法。3．了解焊接應(yīng)力和焊接變形的種類、產(chǎn)生原因及其對(duì)構(gòu)件工作性能的不利影響，了解減小和消除其影響的方法。4．了解螺栓連接排列方式和構(gòu)造要求，了解普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓連接的性能，熟練掌握普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓連接的計(jì)算方法。2023/1/15第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的連接方法

鋼結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件由鋼板、型鋼等連接而成，如梁、柱、桁架等，運(yùn)到工地后通過(guò)安裝連接成整體結(jié)構(gòu)，如廠房、橋梁等。因此在鋼結(jié)構(gòu)中，連接占有很重要的地位，設(shè)計(jì)任何鋼結(jié)構(gòu)都離不開連接問(wèn)題。2023/1/15第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接

在傳力過(guò)程中，連接部位應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和延性。被連接件間應(yīng)保持正確的位置，以滿足傳力和使用要求。連接的加工和安裝比較復(fù)雜而且費(fèi)工，因此選定連接方案是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

鋼結(jié)構(gòu)的連接通常有焊接、鉚接和螺栓連接三種方式(圖3-1)。2023/1/15第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接一.焊接連接焊接是通過(guò)電弧產(chǎn)生熱量，使焊條和焊件局部熔化，然后冷卻凝結(jié)形成焊縫，使焊件連成一體。焊接連接是當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方式。優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造造簡(jiǎn)單，節(jié)約鋼材，加工方便，易于采用自動(dòng)化作業(yè)。焊接連接一般不需拼接材料，不需開孔，可直接連接；連接的密封性好，剛度大。目前鋼結(jié)構(gòu)中焊接結(jié)構(gòu)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但焊縫質(zhì)量易受材料，操作的影響，因此對(duì)鋼材材性要求較高。高強(qiáng)度鋼更要有嚴(yán)格的焊接程序，焊縫質(zhì)量要通過(guò)多種途徑的檢驗(yàn)來(lái)保證。2023/1/15第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接2023/1/15第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接二、鉚釘連接

鉚釘連接需要先在構(gòu)件上開孔，用加熱的鉚釘進(jìn)行鉚合。這種連接傳力可靠，韌性和塑性較好，質(zhì)量易于檢查，適用于承受動(dòng)力荷載、荷載較大和跨度較大的結(jié)構(gòu)。但鉚釘連接費(fèi)工費(fèi)料，現(xiàn)在很少采用，多被焊接及高強(qiáng)度螺栓連接所代替。2023/1/15第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接2023/1/15第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接三螺栓連接螺栓連接需要先在構(gòu)件上開孔，然后通過(guò)擰緊螺栓產(chǎn)生緊固力將被連接板件連成一體，分為普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓連接兩種。1．普通螺栓連接

普通螺栓的優(yōu)點(diǎn)是裝卸便利，不需特殊設(shè)備。普通螺栓又分為C級(jí)螺栓(又稱粗制螺栓)和A、B級(jí)螺栓(又稱精制螺栓)兩種。其中C級(jí)螺栓有4．6級(jí)和4．8級(jí)兩種，A、B級(jí)螺栓有5．6級(jí)和8．8級(jí)兩種。C級(jí)螺栓直徑與孔徑相差1．0~2．0mm。A、B級(jí)螺栓直徑與孔徑相差0．3~0．5mm，A、B級(jí)螺栓間的區(qū)別只是尺寸不同，其中A級(jí)為螺栓桿直徑d≤24mm且螺栓桿長(zhǎng)度l≤150mm的螺栓，B級(jí)為d>24mm或l>150mm的螺栓。2023/1/15第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接c級(jí)螺栓安裝簡(jiǎn)單，便于拆裝，但螺桿與鋼板孔壁接觸不夠緊密，當(dāng)傳遞剪力時(shí)，連接變形較大，故C級(jí)螺栓宜用于承受拉力的連接，或用于次要結(jié)構(gòu)和可拆卸結(jié)構(gòu)的受剪連接以及安裝時(shí)的臨時(shí)固定。A、B級(jí)螺栓的受力性能較C級(jí)螺栓好，但其加工費(fèi)用較高且安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)工，目前建筑結(jié)構(gòu)中很少使用。2．高強(qiáng)度螺栓連接

高強(qiáng)度螺栓用高強(qiáng)度的鋼材制作，安裝時(shí)通過(guò)特制的扳手，以較大的扭矩?cái)Q緊螺帽，使螺栓桿產(chǎn)生很大的預(yù)應(yīng)力，由于螺帽的擠壓力把被連接的部件夾緊，依靠接觸面間的摩擦力來(lái)阻止部件相對(duì)滑移，達(dá)到傳遞外力的目的，因而變形較小。從受力特征的不同．高強(qiáng)度螺栓連接可分為摩擦型和承壓型兩種。

摩擦型連接外力僅依靠部件接觸面間的摩擦力來(lái)傳遞。孔徑比螺栓公稱直徑大1．5~2．0mm。其特點(diǎn)是連接緊密，變形小，傳力可靠，疲勞性能好，主要用于直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的連接。

承壓型連接：起初由摩擦傳力，后期同普通螺栓連接一樣，依靠桿和螺孔之間的抗剪和承壓來(lái)傳力?？讖奖嚷菟üQ直徑大1．0～1．5mm。其連接承載力一般比摩擦型連接高，可節(jié)約鋼材。但在摩擦力被克服后變形較大，故僅適用于承受靜力荷載或間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的連接。

2023/1/15第三章鋼結(jié)構(gòu)的連接除上述常用連接外，在薄壁鋼結(jié)構(gòu)中還經(jīng)常采用射釘、自攻螺釘和焊釘?shù)冗B接方式。射釘和自攻螺釘主要用于薄板之間的連接，如壓型鋼板與檁條或墻梁的連接，具有施工簡(jiǎn)單、操作方便的特點(diǎn)。焊釘用于混凝土與鋼板連接，使兩種材料能共同工作。2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性第二節(jié)焊接連接的特性

一、焊接方法

鋼結(jié)構(gòu)常用的焊接方法有電弧焊、電渣焊、氣體保護(hù)焊和電阻焊等。1．電弧焊

電弧焊是通電后在涂有焊藥的焊條和焊件間產(chǎn)生電弧，由電弧提供熱源，使焊條溶化，滴落在焊件上被電弧吹成的小凹槽溶池中，并與焊件溶化部分冷卻后凝結(jié)成焊縫，把構(gòu)件連接成一體。電弧焊的焊縫質(zhì)量比較可靠，是一種最常用的焊接方法。

電弧焊分手工電弧焊(圖3-2)和自動(dòng)或半自動(dòng)埋弧焊(圖3-3)。2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性手工電弧焊在通電后，涂有焊藥的焊條與焊件之間產(chǎn)生電弧，熔化焊條形成焊縫。焊藥則隨焊條熔化而形成熔渣覆蓋在焊縫上，同時(shí)產(chǎn)生氣體，防止空氣與熔化的液體金屬接觸，保護(hù)焊縫不受空氣中有害元素影響。手工電弧焊焊條應(yīng)與焊件的金屬?gòu)?qiáng)度相適應(yīng)。對(duì)Q235鋼焊件宜用E43型焊條，對(duì)Q345鋼焊件宜用E50型焊條，對(duì)Q390和Q420鋼焊件宜用E55型焊條。當(dāng)不同鋼種的鋼材連接時(shí)，宜用與強(qiáng)度低的鋼材相適應(yīng)的焊條。

手工電弧焊具有設(shè)備簡(jiǎn)單適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適用于短焊縫或曲折焊縫的焊接，或施工現(xiàn)場(chǎng)的焊接。2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性自動(dòng)或半自動(dòng)埋弧焊：焊條采用沒(méi)有涂層的焊絲，插入從漏斗中流出的覆蓋在被焊金屬表面的焊劑中，通電后由于電弧作用熔化焊條及焊劑，熔化后的焊劑浮在熔化金屬表面保護(hù)熔化金屬，使之不與外界空氣接觸，有時(shí)焊劑還可提供給焊縫必要的合金元素以改善焊縫質(zhì)量。焊接進(jìn)行時(shí)，焊接設(shè)備或焊體自行移動(dòng)或人工操作移動(dòng)，焊劑不斷由漏斗漏下，電弧完全被埋在焊劑之下。同時(shí)，繞在轉(zhuǎn)盤上的焊絲也不斷下降熔化進(jìn)行焊接。自動(dòng)或半自動(dòng)埋弧焊所采用的焊絲和焊劑要保證其熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度不低于相應(yīng)手工焊焊條的數(shù)值。對(duì)Q235鋼焊件，可采用H08，H08A等焊絲；對(duì)Q345鋼焊件，可采用H08A、H08MnA和H10Mn2等焊絲；對(duì)Q390鋼焊件可采用H08MnA，H10Mn2和H08MnMoA等焊絲。

自動(dòng)焊的焊縫質(zhì)量均勻，焊縫內(nèi)部缺陷少，塑性好，沖擊韌性高，抗腐蝕性強(qiáng)，適用于直長(zhǎng)焊縫。半自動(dòng)焊除人工操作前進(jìn)外，其余與自動(dòng)焊相同。2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性2．電渣焊

電渣焊是利用電流通過(guò)熔渣所產(chǎn)生的電阻來(lái)熔化金屬，焊絲作為電極伸入并穿過(guò)渣池，使渣池產(chǎn)生電阻熱將焊件金屬及焊絲熔化，沉積于熔池中，形成焊縫。電渣焊一般在立焊位置進(jìn)行，目前多用熔嘴電渣焊，以管狀焊條作為熔嘴，填充絲從管內(nèi)遞進(jìn)。填充絲在焊接Q235鋼時(shí)用H08MnA，焊接Q345鋼時(shí)用H08MnMOA.2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性3．電阻焊

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)壓力使焊件焊合。薄壁型鋼焊接常采用電阻焊(圖3-4)。電阻焊適用于板疊厚度不超過(guò)12mm的焊接。2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性

二、焊縫連接形式

焊縫連接形式可按構(gòu)件相對(duì)位置、構(gòu)造和施焊位置來(lái)劃分。1．按構(gòu)件的相對(duì)位置劃分焊縫連接形式按構(gòu)件的相對(duì)位置可分為平接、搭接和頂接等幾種(圖3-5)。2．按構(gòu)造劃分

焊縫的連接形式按構(gòu)造可分為對(duì)接焊縫和角焊縫兩種形式。圖3-5中(a)和(d)為對(duì)接焊縫；(b)和(c)為角焊縫。2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性3．按施焊位置劃分2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性焊縫按施焊位置可劃分為俯焊、立焊、橫焊和仰焊幾種(圖3—6)。俯焊的施焊工作方便，質(zhì)量易于保證。立焊和橫焊的質(zhì)量及生產(chǎn)效率比俯焊的差一些。仰焊的操作條件最差，焊縫質(zhì)量不易保證，因此應(yīng)盡量避免采用仰焊焊縫。2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性焊縫的施焊位置由連接構(gòu)造決定，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用便于俯焊的焊接構(gòu)造。要避免焊縫立體交叉和在一處集中大量焊縫，同時(shí)焊縫的布置要盡量對(duì)稱于構(gòu)件形心。

三、焊接連接的優(yōu)缺點(diǎn)

焊接連接與鉚釘、螺栓連接比較有下列優(yōu)點(diǎn)：1．不需要在鋼材上打孔鉆眼，既省工省時(shí)，又不使材料的截面積受到減損，使材料得到充分利用。2．任何形狀的構(gòu)件都可以直接連接，一般不需要輔助零件。連接構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳力路線短，適用面廣。3．焊接連接的氣密性和水密性都較好，結(jié)構(gòu)剛性也較大，結(jié)構(gòu)的整體性好。

2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性但是，焊縫連接也存在下列問(wèn)題：1．由于高溫作用在焊縫附近形成熱影響區(qū)，鋼材的金相組織和機(jī)械性能發(fā)生變化，材質(zhì)變脆。2．焊接殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的可能性增大，并降低壓桿穩(wěn)定承載力，同時(shí)殘余變形還會(huì)使構(gòu)件尺寸和形狀發(fā)生變化，矯正費(fèi)工。3．焊接結(jié)構(gòu)具有連續(xù)性，局部裂縫一經(jīng)產(chǎn)生便很容易擴(kuò)展到整體。

設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮焊接連接的上述特點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。遇到重要的焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與焊接工藝要密切配合，取得一個(gè)完滿的設(shè)計(jì)和施工方案。2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性四、焊縫缺陷和焊縫等級(jí)1．焊縫缺陷

焊縫中可能存在裂紋、氣孔、燒穿等缺陷(圖3．7a、b、c、d)。其中裂紋是焊縫中最危險(xiǎn)的缺陷，分為熱裂紋和冷裂紋，前者是在焊接時(shí)產(chǎn)生的，后者是在焊縫冷卻的過(guò)程中產(chǎn)生的。焊縫的其它缺陷有夾渣、未焊透、咬邊、焊瘤等(圖3．7e、f、g、h、i、j)。這些缺陷的存在，削弱了焊縫的截面面積，不同程度地降低了焊縫強(qiáng)度。在缺陷處容易形成應(yīng)力集中，對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的工作性能不利，成為連接破壞的隱患和根源。因此施工時(shí)應(yīng)引起足夠的重視。2．焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)

為了避免并減少上述缺陷的影響，保證焊縫連接的可靠工作，對(duì)焊縫進(jìn)行質(zhì)量檢查極為重要?！朵摻Y(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205)規(guī)定，焊縫依其2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)分為三級(jí)，其中三級(jí)焊縫只要求通過(guò)外觀檢查，即檢查焊縫實(shí)際尺寸是否符合設(shè)計(jì)要求和有無(wú)看得見的裂紋、咬邊等缺陷。對(duì)于重要結(jié)構(gòu)或要求焊縫金屬?gòu)?qiáng)度等于被焊金屬?gòu)?qiáng)度的對(duì)接焊縫，必須進(jìn)行一級(jí)或二級(jí)質(zhì)量檢驗(yàn)，即在外觀檢查的基礎(chǔ)上再做無(wú)損檢驗(yàn)。其中二級(jí)要求用超聲波檢驗(yàn)每條焊縫的20％長(zhǎng)度，且不小于200mm；一級(jí)要求用超聲波檢驗(yàn)每條焊縫全部長(zhǎng)度，以便揭示焊縫內(nèi)部缺陷。當(dāng)超聲波探傷不能對(duì)缺陷作出判斷時(shí)，應(yīng)采用射線探傷，探傷比例與超聲波檢驗(yàn)的比例相同。

2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性鋼結(jié)構(gòu)中一般采用三級(jí)焊縫，可滿足通常要求；但對(duì)接焊縫的抗拉強(qiáng)度有較大的變異性，《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取主體金屬的85％左右。因此，對(duì)有較大拉應(yīng)力的對(duì)接焊縫以及直接受動(dòng)力荷載的較重要的對(duì)接焊縫，宜采用二級(jí)焊縫；對(duì)抵抗動(dòng)力和疲勞性能有較高要求的部位可采用一級(jí)焊縫。對(duì)于重要連接部位的角焊縫，要求其外觀質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)。

焊縫質(zhì)量與施焊條件有關(guān)，對(duì)于施焊條件較差的高空安裝焊縫，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以0．9的折減系數(shù)。2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性五、焊縫代號(hào)及標(biāo)注方法

在鋼結(jié)構(gòu)施工圖上要用焊縫代號(hào)表明焊縫形式、尺寸和輔助要求。焊縫符號(hào)主要由圖形符號(hào)、輔助符號(hào)和引出線等部分組成。引出線有橫線和帶箭頭的斜線組成。箭頭指到圖形上相應(yīng)的焊縫處，橫線的上、下用來(lái)標(biāo)注圖形符號(hào)和焊縫尺寸。當(dāng)引出線的箭頭指向焊縫所在的一面時(shí)，應(yīng)將圖形符號(hào)和焊縫尺寸等標(biāo)注在水平橫線的上面；當(dāng)引出線的箭頭指向焊縫所在的另一面時(shí)，應(yīng)將圖形符號(hào)和焊縫尺寸等標(biāo)注在水平橫線的下面。必要時(shí)，可在水平橫線的末端加一尾部作其他輔助說(shuō)明。表3—1中列出了一些常用焊絳代號(hào)。2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性2023/1/15第二節(jié)焊接連接的特性當(dāng)焊縫分布比較復(fù)雜或用上述標(biāo)注方法不能表達(dá)清楚時(shí)，在標(biāo)注焊縫代號(hào)的同時(shí)，宜在焊縫處加中實(shí)線表示可見焊縫(圖3—8a)，或在圖形上加細(xì)柵線表示不可見焊縫(圖3—8b)。2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算

一、對(duì)接焊縫的構(gòu)造要求

對(duì)接焊縫按坡口形式分為I形縫、V形縫、帶鈍邊單邊V形縫、帶鈍邊V形縫(也叫Y形縫)、帶鈍邊u形縫、帶鈍邊雙單邊V形縫和雙Y形縫等(圖3-9)。2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算當(dāng)焊件厚度較小(t≤10mm)，可采用不切坡口的直邊I形縫。對(duì)于一般厚度(t=10~20mm)的焊件，可采用有斜坡口的帶鈍邊單邊V形縫或Y形縫，以便斜坡口和焊縫跟部共同形成一個(gè)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)焊條的施焊空間，使焊縫易于焊透。對(duì)于較厚的焊件(t≥20mm)應(yīng)采用帶鈍邊u形縫、帶鈍邊雙單邊V形縫或雙Y形縫。為保證焊縫質(zhì)量，對(duì)于帶鈍邊u形縫和Y形縫，焊縫根部需要清除焊根并進(jìn)行補(bǔ)焊。對(duì)于沒(méi)有條件清根和補(bǔ)焊者，要事先加墊板(圖3-9中g(shù)、h、i)，以保證焊透。當(dāng)焊件可隨意翻轉(zhuǎn)施焊時(shí)，使用帶鈍邊雙單邊V形縫或雙Y形縫較好。焊縫的坡口形式和尺寸可參看行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》(JGJ81)。2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算在鋼板寬度或厚度有變化的連接中，為了減少應(yīng)力集中，應(yīng)從板的一側(cè)或兩側(cè)做成圖3—10所示的坡度不大于1：2．5的斜坡(當(dāng)需要進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)，坡度不大于1：4)，形成平緩過(guò)渡。當(dāng)板厚相差不大于4mm時(shí)，可不做斜坡，焊縫的計(jì)算厚度取較薄板件的厚度。2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算對(duì)接焊縫的優(yōu)點(diǎn)是用料經(jīng)濟(jì)，傳力平順均勻，沒(méi)有明顯的應(yīng)力集中，對(duì)于承受動(dòng)力荷載作用的焊接結(jié)構(gòu)，采用對(duì)接焊縫最為有利。但對(duì)接焊縫的焊件邊緣需要進(jìn)行剖口加工，焊件長(zhǎng)度必須準(zhǔn)確，施焊時(shí)焊件要保持一定的間隙。對(duì)接焊縫的起弧和落弧點(diǎn)，常因不能熔透而出現(xiàn)焊口，形成裂紋和應(yīng)力集中。為消除焊口影響，焊接時(shí)可將焊縫的起點(diǎn)和終點(diǎn)延伸至引弧板(圖3—11)上，焊后將引弧板多余的部分割掉，并用砂輪將表面磨平。采用引弧板很麻煩，在工廠焊接時(shí)可采用引弧板，在工地焊接時(shí)，除了受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)外，一般不用引弧板，而是在計(jì)算時(shí)扣除焊縫兩端各一個(gè)板厚的長(zhǎng)度。2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算二、對(duì)接焊縫的計(jì)算

對(duì)接焊縫的應(yīng)力分布情況基本上與焊件相同，可用計(jì)算焊件的方法計(jì)算對(duì)接焊縫。對(duì)于重要的構(gòu)件，按一、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)焊縫質(zhì)量，焊縫和構(gòu)件等強(qiáng)，不必另行計(jì)算，只有對(duì)三級(jí)焊縫，才需要按下列要求計(jì)算：1．軸心受力的對(duì)接焊縫(圖3-12)，應(yīng)按式(3-1)計(jì)算：2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算當(dāng)正對(duì)接焊縫(圖3-12a)連接的強(qiáng)度低于焊件的強(qiáng)度時(shí)，為了提高連接承

載力，可改用斜對(duì)接焊縫(圖3—126)，但較費(fèi)材料。規(guī)范規(guī)定：當(dāng)tgθ≤1．5時(shí)，

焊縫強(qiáng)度不必計(jì)算。2．受彎、受剪的對(duì)接焊縫計(jì)算

對(duì)接焊縫應(yīng)根據(jù)焊縫截面的應(yīng)力分布，計(jì)算其危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)。如矩形截面的對(duì)接焊縫，其正應(yīng)力與剪應(yīng)力的分布分別為三角形與拋物線形(圖3-13a)，應(yīng)分別計(jì)算最大正應(yīng)力(式3-2)和最大剪應(yīng)力(式3-3)；工字形截面的對(duì)接焊縫，其正應(yīng)力與剪應(yīng)力的分布較復(fù)雜(圖3-13b)，除計(jì)算A點(diǎn)的正應(yīng)力和C點(diǎn)的正應(yīng)力外．還應(yīng)計(jì)算B點(diǎn)的折算應(yīng)力(式3-4)。2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算例題3-l．驗(yàn)算圖3-13(b)所示由三塊鋼板焊接的工字形截面的對(duì)接焊縫。鋼材為Q345。手工焊接，焊條為E50型，加引弧板，焊縫質(zhì)量為三級(jí)。已知截面尺寸為：翼緣板：2-100×12：腹板：1-200×10。作用在焊縫上的彎矩設(shè)計(jì)值M=75kN·m，剪力設(shè)計(jì)值V=250kN。

【解】

焊縫受力見圖3．14。2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第三節(jié)對(duì)接焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算一、角焊縫的構(gòu)造1．角焊縫的分類角焊縫按其受力的方向和位置可分為垂直于力作用方向的正面角焊縫和平行于力作用方向的側(cè)面角焊縫，見圖3-15。2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算應(yīng)力集中現(xiàn)象較嚴(yán)重，在焊趾上形成高峰應(yīng)力，容易開裂。因此在承受動(dòng)力荷載的連接中，宜采用平坡或凹焊縫。2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中，正面角焊縫最好采用圖3-17(b)所示邊長(zhǎng)比為1：1.5的平坡焊縫；側(cè)面角焊縫可用邊長(zhǎng)比為1：l的普通焊縫(圖3-17a)。直角角焊縫最好做成直線形或凹形。凹形焊縫(圖3-17c)有較好的動(dòng)力性能。2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算Ffw---角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。把它看為剪切強(qiáng)度，因而乘以√3。為了便于計(jì)算，不計(jì)諸力的偏心作用，并認(rèn)為有效截面上諸應(yīng)力都是均勻分布的。通過(guò)與外力方向一致的焊縫應(yīng)力(圖3-21b)與焊縫有效截面上的應(yīng)力(圖3-21。)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并帶入式(3-9)整理后可得到角焊縫的計(jì)算公式如下2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算上述計(jì)算方法雖然與實(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，已為大多數(shù)國(guó)家所采用。三、角焊縫連接計(jì)算1．軸心力作用下角焊縫的計(jì)算2023/1/15(1)鋼板連接

當(dāng)焊件受軸心力，且軸心力通過(guò)連接焊縫形心時(shí)，焊縫的應(yīng)力可認(rèn)為是均勻分布的。下面給出了幾種典型角焊縫的計(jì)算公式。2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算式中

lw——角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度，每條焊縫取實(shí)際長(zhǎng)度扣除2hf(每端扣除hf)。

若某端為連續(xù)焊縫，則該端不用扣除。2)軸力與焊縫相平行——側(cè)面角焊縫(圖3-22b)2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算3)軸力與焊縫成一夾角(圖3-22c)2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算(2)角鋼連接

當(dāng)角鋼用角焊縫連接時(shí)(圖3-23)，雖然軸心力通過(guò)截面形心，但由于截面形心到角鋼肢背和肢尖的距離不等，肢背焊縫和肢尖焊縫受力也不相等。由力的平衡關(guān)系(∑M=O；∑N=0)可求出各焊縫的受力。2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算【例題3-2】

一雙蓋板的拼接連接(圖3-24)，鋼材為Q235A-F，采用E43型焊條，手工焊。已知鋼板截面為--12×300mm，承受軸心力設(shè)計(jì)值N=650kN(靜力荷載)。試按(a)用側(cè)面角焊縫；(b)用三面圍焊，設(shè)計(jì)拼接板尺寸。2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算肢尖焊縫受力2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算【例題3-4】

試設(shè)計(jì)圖3-28所示牛腿與鋼柱的角焊縫連接。已知鋼材為Q235-B；焊條為E43型，手工電弧焊。構(gòu)件上所受設(shè)計(jì)荷載值為F=217kN，偏心矩為e=300mm(至柱邊緣的距離)。搭接尺寸l1=400mm，l2=300mm。

【解】(1)幾何特性：設(shè)三邊圍焊的角焊縫尺寸相同，hf=8mm2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第四節(jié)角焊縫的構(gòu)造和計(jì)算2023/1/15第五節(jié)焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形2023/1/15第五節(jié)焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形不均勻的溫度場(chǎng)產(chǎn)生不均勻的膨脹，高溫處的鋼材膨脹最大，但受到兩側(cè)溫度較低、膨脹較小的鋼材的限制，產(chǎn)生了熱狀態(tài)塑性壓縮。焊縫冷卻時(shí)，被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向于縮得比原始長(zhǎng)度稍短，這種縮短變形受到兩側(cè)鋼材的限制，使焊縫區(qū)產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力。在低碳鋼和低合金鋼中，這種拉應(yīng)力經(jīng)常會(huì)達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度。

焊接殘余應(yīng)力是一種在沒(méi)有外荷載作用下的內(nèi)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。如用三塊板焊成的工字形截面，焊接殘余應(yīng)力的分布如圖3-30所示。2023/1/15第五節(jié)焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形2．橫向焊接殘余應(yīng)力

橫向焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因有二：一是由于焊縫縱向收縮，兩塊鋼板趨向于形成反方向的彎曲變形，但實(shí)際上焊縫將兩塊鋼板連成整體，不能分開，于是在焊縫中部產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，而在兩端產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力(圖3-31a）。二是焊縫在施焊過(guò)程中，先后冷卻的時(shí)間不同，先焊的焊縫已經(jīng)凝固，且具有一定的強(qiáng)度，會(huì)阻止后焊焊縫在橫向的自由膨脹，使其發(fā)生橫向的塑性壓縮變形。當(dāng)先焊部分冷卻時(shí)，中間焊縫部分逐漸冷卻，后焊部分開始冷卻。后焊焊縫的收縮受到已凝固的焊縫限制而產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，同時(shí)在先焊部分的焊縫內(nèi)產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。由杠桿原理可知，橫向殘余應(yīng)力分布如圖3-31(b)所示。2023/1/15第五節(jié)焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形2023/1/15第五節(jié)焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形橫向收縮引起的橫向應(yīng)力與施焊方向和先后次序有關(guān)(圖3-32)。焊縫的橫向殘余應(yīng)力是上述兩種原因產(chǎn)生的應(yīng)力合成的結(jié)果，如圖3-32(d)就是圖3—31(a)和3．31(6)應(yīng)力合成的結(jié)果。2023/1/15第五節(jié)焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形3．沿焊縫厚度方向的殘余應(yīng)力

在厚鋼板的連接中，焊縫需要多層施焊。因此，除有縱向和橫向焊接殘余應(yīng)力σx、σy外，還存在著沿鋼板厚度方向的焊接殘余應(yīng)力σz(圖3-33)。這三種應(yīng)力形成比較嚴(yán)重的同號(hào)三軸應(yīng)力，大大降低結(jié)構(gòu)連接的塑性。2023/1/15第五節(jié)焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形二、焊接殘余應(yīng)力的影響2023/1/15第五節(jié)焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形

當(dāng)構(gòu)件無(wú)殘余應(yīng)力時(shí)，由圖3-34(a)知其承載力為N=htfy；當(dāng)構(gòu)件有殘余應(yīng)力時(shí)，圖3-34(b)給出了縱向殘余應(yīng)力的分布情況。當(dāng)施加軸心拉力時(shí)，板中殘余應(yīng)力已達(dá)屈服強(qiáng)度工的塑性區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力不再增大，外力N僅由彈性區(qū)域承擔(dān)，焊縫兩側(cè)受壓區(qū)的應(yīng)力由原來(lái)的受壓逐漸變?yōu)槭芾詈髴?yīng)力也達(dá)到fy。由于焊接殘余應(yīng)力在焊件內(nèi)部自相平衡，殘余壓應(yīng)力的合力必然等于殘余拉應(yīng)力的合力，其承載力仍為N=htfy。所以，有殘余應(yīng)力焊件的承載能力和沒(méi)有殘余應(yīng)力者完全相同，可見殘余應(yīng)力不影響結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度。2.對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響：焊接殘余應(yīng)力會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度。對(duì)無(wú)殘余應(yīng)力的軸心拉桿（圖3-34a），在拉力N的作用下的應(yīng)變?yōu)棣?=N/（htE）2023/1/15第五節(jié)焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形對(duì)于有殘余力的軸心拉桿(圖3-34b)，截面中部塑性區(qū)僅發(fā)生變形而不再承擔(dān)外力，外力由兩側(cè)的彈性區(qū)承擔(dān)(寬度6<h)，在拉力N作用下的應(yīng)變?yōu)棣?=N/（btE）。當(dāng)拉力N相同時(shí)，ε1>ε0。，即殘余應(yīng)力使構(gòu)件的變形增大，剛度降