鋼結構設計原理全套PPT完整教學課件

第1章鋼結構設計原理概述鋼結構設計原理概述鋼結構的材料鋼結構的連接受彎構件軸心受力構件拉彎、壓彎構件全套PPT課件學習目標（1）掌握鋼結構的特點和應用范圍。（2）了解鋼結構的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢。（3）了解鋼結構設計方法中可靠性的含義、極限

狀態(tài)的分類。（4）熟悉承載能力和正常使用狀態(tài)設計表達式。鋼結構的特點和應用1.11.1鋼結構的特點和應用1.1.1鋼結構的特點5.工業(yè)化程度高6.耐腐蝕性差7.耐熱性好，但耐火性差8.低溫脆性1.自重輕而承載力高2.塑性和韌性好3.材質均勻，最接近勻質等向體4.密封性好

鋼結構是由鋼板和各種型鋼等鋼制構件連接組合而成的結構，是主要的建筑結構類型之一。與鋼筋混凝土結構、砌體結構、木結構相比，鋼結構有如下特點：1.1鋼結構的特點和應用1.1.2鋼結構的應用鋼結構應用的領域和廣度不僅與鋼結構本身的特點有關，還受到我國國民經(jīng)濟發(fā)展情況的極大影響。中華人民共和國成立初期，我國鋼產(chǎn)量每年只有十幾萬噸，鋼結構的工程應用受到了一定的限制。但近年來，我國鋼產(chǎn)量有了突飛猛進的提高，鋼產(chǎn)量的增加以及鋼結構施工、連接技術的進步，使得鋼結構的應用領域越來越廣泛。根據(jù)鋼結構的特點及工程實踐經(jīng)驗，鋼結構的應用領域如下：1.1鋼結構的特點和應用1.1.2鋼結構的應用

1.大跨度結構

鋼結構因具有輕質高強的特點，故最適于建造大跨度的結構，如上海浦東國際機場（見圖1-1）、鳥巢體育館（見圖1-2）、國家大劇院、廣州會展中心等。拓展閱讀國家體育場（鳥巢）是第29屆夏季奧運會的主體育場，位于北京奧林匹克公園中心區(qū)，占地20.4公頃，建筑面積25.8萬平方米，可容納觀眾9.1萬人。2008年，被譽為新建筑奇跡的國家體育場（鳥巢）見證了一屆無與倫比的夏季奧運會；2015年，鳥巢又成功舉辦了世界田徑錦標賽；2019年，亞洲文明對話大會的重點活動——亞洲文化嘉年華再次將世界目光聚焦鳥巢。2022年，鳥巢還將成為北京冬奧會、冬殘奧會開閉幕式場地。作為史上首個舉辦過夏季和冬季奧運會開閉幕式的體育場，鳥巢已成為代表國家形象的標志性建筑，超越了純粹的體育或建筑概念，被賦予更加神圣而深邃的社會意義。國家體育場工程為特級體育建筑，主體結構設計使用年限

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年，主體建筑是由一系列鋼桁架圍繞碗狀坐席區(qū)編制而成的橢圓鳥巢外形，南北長333米、東西寬296米，最高處高69米。國家體育場2003年12月24日開工建設，2008年6月28日落成。

國家體育場坐落在由地面緩緩坡起的基座平臺上，觀眾可由奧林匹克公園沿基座平臺到達體育場。基座北側為下沉式的熱身場地，通過運動員通道與主場內(nèi)的比賽場地連通。體育場基座以上部分共七層，設有觀眾服務設施、媒體工作區(qū)、貴賓接待區(qū)以及商業(yè)區(qū)等?；韵虏糠止踩龑?，設有零層內(nèi)部環(huán)路、停車場和大量功能用房。碗型看臺分為上、中、下三層，并在上、中層看臺之間設置包廂及其座位區(qū)。國家體育場在建設中采用了先進的節(jié)能設計和環(huán)保措施，比如良好的自然通風和自然采光、雨水的全面回收、可再生地熱能源的利用、太陽能光伏發(fā)電技術的應用等，是名副其實的大型“綠色建筑”。國家體育場拓展閱讀中國國家大劇院（NationalCentreforthePerformingArtsofChina）是新“北京十六景”之一的地標性建筑，位于北京市中心天安門廣場西，人民大會堂西側，由主體建筑及南北兩側的水下長廊、地下停車場、人工湖、綠地組成。中國國家大劇院由法國建筑師保羅·安德魯主持設計，是亞洲最大的劇院綜合體。國家大劇院外觀呈半橢球形，東西方向長軸長度為212.20米，南北方向短軸長度為143.64米，建筑物高度為46.285米，占地11.89萬平方米，總建筑面積約16.5萬平方米，其中主體建筑10.5萬平方米，地下附屬設施6萬平方米，總造價30.67億元。設有歌劇院、音樂廳、戲劇場以及藝術展廳、餐廳、音像商店等配套設施。中國國家大劇院于1958年被定為國慶十周年十大建筑之一；2008年12月19日獲“魯班獎”；2009年10月28日入選新中國成立60周年“百項經(jīng)典暨精品工程”。國家大劇院1.1鋼結構的特點和應用1.1.2鋼結構的應用

此外，鋼結構還廣泛應用于橋梁結構，尤其是大跨度的橋梁，如金門大橋、西陵長江大橋、徐浦大橋（見圖1-3）、汕頭海灣大橋等。拓展閱讀徐浦大橋徐浦大橋（XupuBridge）是中國上海市境內(nèi)連接閔行區(qū)與浦東新區(qū)的過江通道，位于黃浦江水道之上，為上海外環(huán)高速公路組成部分之一。徐浦大橋始建于1994年4月，于1996月12日完成主梁合龍，于1997年6月24日通車運營；徐浦大橋西起龍吳路立交，上跨黃浦江水道，東至濟陽跨線立交；線路全長6017米，主橋全長1074米，寬35.95米；橋面為雙向八車道城市快速路，工程總投資20億人民幣。整體布局徐浦大橋分別由水上主橋、陸地浦東、浦西引橋、A形橋塔、及其立交匝道組成，主橋路段呈正西至正東方向布置。徐浦大橋呈正西至正東方向布置拓展閱讀設計理念徐浦大橋建筑色彩以明快為主，在總體建筑造型力求有新意，并與南浦大橋、楊浦大橋有所區(qū)別，滿足結構受力、使用功能要求和構造簡單、方便施工的條件下，選擇新的塔型和拉索索面型式及建筑色彩上形成新的風格，并與四周的環(huán)境相協(xié)調(diào)。徐浦大橋建筑色彩以明快為主拓展閱讀設計特點徐浦大橋是上海市的第三座跨越黃浦江的特大型橋梁，主橋采用雙塔空間雙索面、邊跨砼梁與中跨鋼砼疊合梁混合型斜拉橋結構；主梁縱向可自由移動，橫向設有限位和抗震裝置，邊渡孔簡支T梁支承載邊墩和斜拉橋邊跨尾部的端橫梁上；主塔呈A字型，基礎采用Φ900鋼管樁，以灰色礫中細沙或灰色粉細沙作為持力層；鋼主梁兩片為H形，鋼梁采用高強度螺栓現(xiàn)場拼接；橋面板采用C60混凝土，橋面板中設置縱向、橫向預應力鋼束；拉索采用空間扇形索面布置；岸跨采用預應力棍凝土梁；中間的梁采用工字形斷而，邊跨梁設置縱、橫雙向預應力鋼束，選用鋼鉸線及相應配套的各種錨具，過渡孔為預制T型簡支梁。徐浦大橋一跨過江設計參數(shù)徐浦大橋線路全長6017米，主橋全長1070米，采用“40米（過渡孔）+40米+3X39米+45米+590米（中跨）+45米+3X39米+40米+40米（過渡孔）”跨徑布置，中間設半徑12000米的豎曲線，橋面縱坡3.5%，橋面橫坡2%；橋面寬度為35.95米，過渡孔總寬33.95米；主塔高221米，斷面尺寸為順橋向長13.0至9.0米，橫橋向寬9.3至5.0米，壁厚0.0至1.6米；全橋共有240根斜拉索，梁上標準索距：中跨9.0米，邊跨6.5米，塔上索距2.1米；大橋主路段為雙向八車道城市快速路，采用一級公路標準。1.1鋼結構的特點和應用1.1.2鋼結構的應用

2.大型、重型工業(yè)廠房當廠房的柱距和跨度都比較大時，一般設有重級工作制吊車，往往還要承受動力荷載，因此宜采用鋼柱、鋼屋架、鋼吊車梁等構件。寶山鋼鐵公司的很多車間、各冶金工廠及重型機器制造廠的車間等，如圖1-4所示。1.1鋼結構的特點和應用1.1.2鋼結構的應用

3.高層建筑

改革開放以來，我國的高層建筑不僅如雨后春筍般拔地而起，而且也越來越高，使鋼結構在高層建筑中得到廣泛的應用，如深圳地王大廈（見圖1-5）、上海金茂大廈（見圖1-6）、上海環(huán)球金融中心等。拓展閱讀上海環(huán)球金融中心像一塊強有力的“磁石”，具有磁引力、能形成磁流、產(chǎn)生磁影響、指引前進的方向。這里吸引著兼具成長意識和變革魄力的引導世界潮流的專業(yè)人士，他們在這里相聚相會、溝通交流、運用新的信息，產(chǎn)生通向未來的新價值和可能。磁石周圍無形的磁場形成“磁流”，信息與金融兩大潮流于此匯合分流。經(jīng)濟與文化、東方與西方、知識與潛能等多種“磁流”在此相遇、交匯，促成積極的對話，形成推動時代發(fā)展的新潮流。磁石會對周圍產(chǎn)生磁影響。上海環(huán)球金融中心是一座能吸引全球權威人士匯聚于此，啟迪無限智慧，孕育多樣文化的“城市”，形成一股向周邊發(fā)散的影響力。磁石也可以作為指南針指引前進的方向。在這里誕生的磁力，可以為上海、中國、亞洲乃至全世界，指引一條更加美好的未來之路。這就是上海環(huán)球金融中心的追求。上海環(huán)球金融中心1.1鋼結構的特點和應用1.1.2鋼結構的應用

4.高聳結構高聳結構包括高壓輸電線路塔、變電架構、廣播和電視發(fā)射塔、桅桿等。這些結構主要承受風荷載，而鋼結構構件截面小、輕質高強，便于安裝施工，能夠取得較大的降級效益。例如，2009年竣工的廣州新電視塔，高達600m。

5.可拆卸或移動的結構流動式的展館及建筑工地的臨時房屋等，最適宜采用鋼結構。因為鋼結構便于裝配、拆卸和搬遷。拓展閱讀廣州塔（英語：CantonTower）又稱廣州新電視塔，昵稱小蠻腰。位于廣州市海珠區(qū)（藝洲島）赤崗塔附近，距離珠江南岸125米，與珠江新城、花城廣場、海心沙島隔江相望。廣州塔塔身主體高454米，天線桅桿高146米，總高度600米。是中國第一高塔，世界第二高塔，僅次于東京晴空塔，是國家AAAA級旅游景區(qū)。廣州塔塔身168~334.4米處設有“蜘蛛俠棧道”，是世界最高最長的空中漫步云梯。塔身422.8米處設有旋轉餐廳，是世界最高的旋轉餐廳。塔身頂部450~454米處設有摩天輪，是世界最高摩天輪。天線桅桿455~485米處設有“極速云霄”速降游樂項目，是世界最高的垂直速降游樂項目。天線桅桿488米處設有戶外攝影觀景平臺，是世界最高的戶外觀景平臺，超越了迪拜哈利法塔的442米室外觀景平臺，以及加拿大國家電視塔447米的“天空之蓋”的高度。廣州塔隸屬廣州城投集團，由廣州市建筑集團有限公司和上海建工集團負責施工，總建筑面積114054平方米，2009年9月竣工，2010年9月30日正式對外開放，2010年10月1日正式公開售票接待游客。廣州塔有5個功能區(qū)和多種游樂設施，包括戶外觀景平臺、摩天輪、極速云霄游樂項目，有2個觀光大廳，有懸空走廊，天梯，4D和3D動感影院，中西美食，會展設施，購物商場及科普展示廳。2018年春節(jié)花城廣場燈光音樂會于2月13日至3月2日每晚舉辦

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，每半小時以廣州塔為中心，珠江兩岸和新中軸線夜景為背景，聯(lián)動花城廣場現(xiàn)場音樂上演大型城市燈光表演，打造節(jié)日視覺盛宴。廣州新電視塔1.1鋼結構的特點和應用1.1.2鋼結構的應用

6.輕型鋼結構門式剛架結構及薄壁型鋼組成的輕型鋼結構（如輕型屋面的鋼屋架等）具有自重輕、建造速度快、用鋼量省等優(yōu)點，近年來得到了廣泛應用。

7.容器和管道鋼材因強度高、韌性好且密閉性良好，故廣泛用于高壓氣罐和管道、煤氣罐、鍋爐等。

8.其他結構

運輸通廊、各種管道支架、海上鉆探平臺、城市的人行過街天橋等，通常也都采用鋼結構。鋼結構的發(fā)展1.21.2

鋼結構的發(fā)展1.2.1鋼結構的發(fā)展歷程

人類采用鋼結構的發(fā)展歷史和煉鐵、煉鋼技術的發(fā)展關系密切，對于一個國家來說，還和本國的鋼鐵產(chǎn)量有關。我國是最早用鐵建造承重結構的國家。早在秦始皇時代（公元前200多年），就已經(jīng)用鐵建造橋墩。在公元前六七十年，就成功地用熟鐵建造鐵鏈橋。1696年，我國采用鑄鐵建成了著名的四川瀘定大渡河鏈橋，其由9根橋面鐵鏈和4根橋欄鐵鏈構成，凈跨長達100m，橋寬2.8m。無論是工程規(guī)模還是施工技術，我國當時都處于世界領先水平。

此外，我國古代還建造了不少鐵塔。例如，湖北荊州玉泉寺鐵塔，共13層，高17.9m，位于湖北當陽城西15km的玉泉山東麓，始建于北宋嘉祐六年（1061年），為我國歷代著名的佛教寺院之一；江蘇省鎮(zhèn)江的甘露寺鐵塔；山東濟寧寺鐵塔；等等。這些古代建筑物都表明了我國在冶金技術方面具有較高水平。

中華人民共和國成立后，我國各項建設事業(yè)都有了突飛猛進的發(fā)展，冶金工業(yè)的飛速發(fā)展和鋼鐵產(chǎn)能的急劇增長，為我國鋼結構的應用發(fā)展提供了良好的條件。拓展閱讀玉泉寺鐵塔位于湖北省當陽縣城西15公里的覆船山東麓玉泉寺門前，全稱“如來舍利寶塔”，又稱當陽鐵塔。始建于北宋嘉祐六年（公元1061年），由玉泉寺僧務本禪師領工鑄建，它是我國目前最高（七丈十三層）、最重（十萬六千六百斤）和保存最完整的鐵塔。工藝精湛，造型挺秀典雅。1982年定為全國重點文物保護單位。玉泉鐵塔寺1.2

鋼結構的發(fā)展1.2.1鋼結構的發(fā)展歷程

在建筑方面，第一個五年計劃期間，我國很快出現(xiàn)了自己的鋼鐵冶金企業(yè)、重型機器制造業(yè)、汽車制造工業(yè)、動力設備制造工業(yè)及一些輕化工業(yè)等。在這些建設事業(yè)中，很多廠房都采用了規(guī)模巨大的鋼結構，其中主要恢復和擴建了鞍山鋼鐵公司、武漢鋼鐵公司和大連船廠等，新建了富拉爾基重型機器制造廠、長春汽車制造廠、哈爾濱和四川的三大動力廠、洛陽拖拉機廠及一些飛機制造廠，等等。武漢長江大橋、漢陽鐵路橋都是在這一時期建造的，這一時期是我國鋼結構的發(fā)展時期。

鋼結構的發(fā)展有賴于鋼產(chǎn)量的提高，我國的冶金工業(yè)雖然在中華人民共和國成立后有了很大的發(fā)展，但是產(chǎn)量并不高，使得鋼結構在我國的采用受到了客觀條件的限制。20世紀60年代，為節(jié)約鋼材，只在必須采用鋼結構的重要或重型建筑中才采用鋼結構，如1959年建成的人民大會堂，鋼屋架的跨度達60.9m；1961年建成的北京工人體育館（見圖1-7），屋蓋采用了94m直徑的懸索結構；1965年建成的廣州塔（見圖1-8），塔身主體高454m。還有1968年建成的南京長江大橋，1973年建成的上海萬人體育館。1.2

鋼結構的發(fā)展1.2.1鋼結構的發(fā)展歷程

黨的十一屆三中全會以來，國家將工作重心轉移到經(jīng)濟建設上來。隨著經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展和鋼產(chǎn)量的提高，鋼結構在我國建設事業(yè)中得到了更加廣泛的應用。我國陸續(xù)建成了一批世界著名的高層建筑，如1998年建成的上海金茂大廈，高達420.5m；2008年建成的上海環(huán)球金融中心，高492m；2016年竣工的上海中心大廈，高632m。這些高層建筑標志著我國超高層鋼結構已進入世界前列。1.2

鋼結構的發(fā)展1.2.2鋼結構的發(fā)展趨勢

我國鋼結構正處于迅速發(fā)展的前期，可以預計今后我國鋼結構的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.研發(fā)和推廣應用高效鋼材

使用高強度和高質量鋼材，可有效減輕結構自重，對結構十分有利。《鋼結構設計標準》（GB50017—2017）規(guī)定鋼材宜采用Q235、Q345、Q390、Q420、Q460及Q345GJ鋼，它在原有《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017—2003）的基礎上增列了近年來已成功使用的Q460鋼及《建筑結構用鋼板》（GB/T19879—2015）中的建筑結構用鋼板（簡稱GJ鋼板）。在我國標志性建筑［如國家體育場（鳥巢）、中央電視臺總部大樓、首都新機場、上海環(huán)球金融中心等］的重要構件中，建筑結構用鋼板和在厚度方向上具有抗層狀撕裂性能的厚鋼板（簡稱Z向鋼板）均有應用，如Q460GJEZ35、Q390GJEZ25、Q345GJDZ15、Q345GJDZ25。

鋼構件的應用由傳統(tǒng)型鋼（如工字鋼、槽鋼、角鋼）向新型H型鋼、T型鋼轉變。此外，冷彎薄壁型鋼、熱鍍鋅或鍍鋁鋅鋼板、耐候鋼、耐火鋼，以及高強度和超高強度低合金冷彎型鋼的市場需求不斷增多，市場前景將十分廣闊。拓展閱讀中央電視臺總部大樓（CCTVHeadquarters），位于北京市朝陽區(qū)東三環(huán)中路32號，地處北京商務中心區(qū)（CBD），比鄰北京國貿(mào)大廈。園區(qū)共由三個建筑物組成：位于西南側的中央電視臺總部大樓（主樓）、位于西北側的電視文化中心（北配樓）以及位于東北角的能源服務中心。中央電視臺總部大樓占地面積18.7萬平方米，總建筑面積約55萬平方米，其中主樓為兩棟分別為52層234米高和44層194米高的塔樓組成，設10層裙樓，并由在162米高空大跨度外伸，高14層重1.8萬噸的鋼結構大懸臂相交對接，總用鋼量達14萬噸。北配樓高159米，主樓為30層，裙樓為5層。于2004年10月21日動工建設，2012年5月16日全部竣工交付使用。中央電視臺總部大樓于2007年12月24日被美國《時代》周刊雜志評選為2007年世界十大建筑奇跡之一；2013年11月7日獲世界高層都市建筑學會（CTBUH）“2013年度全球最佳高層建筑獎”；2014年4月入圍十大當代建筑之一。中央電視臺總部大樓1.2

鋼結構的發(fā)展1.2.2鋼結構的發(fā)展趨勢

2.改進鋼結構設計方法在構件設計上仍采用當前國際上最先進的結構計算方法——以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計法，但由這個方法計算出的可靠度只是構件或某一截面的可靠度，而不是整個結構體系的可靠度，其整體性能的研究方法有待發(fā)展。對于鋼結構的疲勞計算，由于疲勞極限狀態(tài)的概念還不夠確切，對各種有關因素的研究還不夠，因此只能沿用傳統(tǒng)的容許應力設計法。另外，結構設計上考慮優(yōu)化理論的應用與計算機輔助設計及繪圖都得到很大的發(fā)展。1.2

鋼結構的發(fā)展1.2.2鋼結構的發(fā)展趨勢3.應用新型鋼結構形式今后，鋼結構將在超高層、大跨度及特種結構等領域廣泛應用，這對鋼結構形式提出了更高的要求，預應力鋼結構、空間結構、膜結構、組合結構等新型鋼結構形式的應用也將更為廣泛。（1）預應力鋼結構。預應力鋼結構是在結構承受荷載前對鋼結構構件采用一定的方法（如鋼索張拉法、支座位移法、彈性變形法等）預加初應力，從而提高結構的承載力，改善結構的受力狀態(tài)，以達到節(jié)約鋼材的目的。目前，預應力鋼結構在大跨度建筑結構領域應用廣泛。例如，1994年建成的攀枝花市體育館采用的是預應力網(wǎng)殼屋蓋，2011年建成的內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯體育中心采用的是巨拱、預應力鋼索加空間桁架結構體系穹頂屋蓋。在高層建筑中也有采用預應力鋼結構的實例，如南非約翰內(nèi)斯堡市的發(fā)展銀行大樓、北京電視中心綜合業(yè)務樓及北京新保利大廈等。在橋梁結構方面，預應力應用得也比較多，國內(nèi)外許多懸索橋、斜拉橋都是預應力技術成熟的工程實踐成果。1.2

鋼結構的發(fā)展1.2.2鋼結構的發(fā)展趨勢

（2）空間結構。近年來，以網(wǎng)架和網(wǎng)殼為代表的空間結構有較大發(fā)展，不僅用于民用建筑，而且廣泛用于工業(yè)廠房、機庫、體育館、展覽中心、大劇院等，如北京奧運會國家體育館、上海世博會場、廣州亞運會體育場館等。據(jù)統(tǒng)計，目前網(wǎng)架和網(wǎng)殼的生產(chǎn)已趨于平穩(wěn)狀態(tài)，每年大約250×104m2。

懸索結構是以一系列受拉的索為主要承重構件，這些索按一定規(guī)律組成各種不同形式的體系懸掛在邊緣構件或支承構件上而形成的一種空間結構。懸索結構形式多樣、布置靈活，能適應多種建筑平面，可充分利用鋼材的強度，最大限度地利用材料，用鋼量很低。目前，懸索結構連接節(jié)點的加工技術和錨固系統(tǒng)已經(jīng)比較完善，預應力張拉工藝及控制技術也非常成熟，但在我國房屋建筑方面的應用還較少，還需做進一步的推廣。

（3）膜結構。膜結構是用高強度柔性薄膜材料與支撐體系相結合形成具有一定剛度的穩(wěn)定曲面，能承受一定外荷載的空間結構形式。其造型自由輕巧、安裝快捷、易于使用。膜結構重量輕，自重為0.02~0.15kN/m2，抗拉強度高，可達1400kN/m2。膜結構可分為充氣膜結構和張拉膜結構。前者是通過不斷充氣使膜結構內(nèi)外保持一定的壓力差，以保證膜結構體系的剛度，維持所設計的形狀。后者是通過柱及鋼架支承鋼索張拉成型。1.2

鋼結構的發(fā)展1.2.2鋼結構的發(fā)展趨勢

（4）組合結構。將混凝土和鋼材兩者組合在一起共同受力，發(fā)揮各自的長處，可有效節(jié)約材料。鋼與混凝土的組合結構主要有壓型鋼板與混凝土組合板、鋼與混凝土組合梁、型鋼混凝土結構、鋼管混凝土結構、外包鋼混凝土結構五大類。

壓型鋼板與混凝土組合板（見圖1-9）是在壓型鋼板上澆灌混凝土，壓型鋼板既可以作為現(xiàn)澆混凝土的永久性模板，又可以作為樓板的底筋使用，這種結構一般用于高層建筑的組合樓蓋。1.2

鋼結構的發(fā)展1.2.2鋼結構的發(fā)展趨勢

鋼與混凝土組合梁是將鋼梁與鋼筋混凝土翼板通過抗剪連接件（圓柱頭焊釘或槽鋼）相連在一起共同工作，形成T形梁。按照混凝土翼板的類型來分，鋼與混凝土組合梁有現(xiàn)澆混凝土板組合梁（見圖1-10）、預應力混凝土板組合梁、壓型鋼板組合梁（見圖1-11）等。在鋼與混凝土組合梁中，混凝土受壓，鋼梁主要受拉與受剪，受力合理，并且側向剛度大的混凝土板與鋼梁連接在一起，很大程度上克服了鋼結構容易發(fā)生整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)的弱點。1.2

鋼結構的發(fā)展1.2.2鋼結構的發(fā)展趨勢

型鋼混凝土結構又稱鋼骨混凝土或勁性鋼筋混凝土結構，是在混凝土中主要配置型鋼并配有一定縱向鋼筋和箍筋的結構。其中，型鋼可軋制也可焊接，一般在大型建筑中經(jīng)常配置焊接型鋼，可靈活選擇各個板件的寬度和厚度。型鋼混凝土結構的截面形式如圖1-12所示。型鋼混凝土結構節(jié)省了大量鋼材，不僅強度和剛度明顯增加，而且延性獲得了很大的提高，是一種抗震性能很好的結構，尤其適用于地震區(qū)。1.2

鋼結構的發(fā)展1.2.2鋼結構的發(fā)展趨勢

鋼管混凝土結構是在鋼管內(nèi)填充混凝土而形成的結構。在鋼管內(nèi)可以配置鋼筋，也可以只填充混凝土。按截面形式的不同，鋼管混凝土可分為圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土。由于柱中混凝土被鋼管約束，能很好地共同工作，因此鋼管混凝土的整體強度大大提高，并且具有良好的塑性和韌性。

外包鋼混凝土結構是在外部配置型鋼的混凝土結構（見圖1-13）。構件中的受力主筋一般由角鋼代替并設置在構件四角，角鋼的外表面與混凝土表面取平，或稍突出混凝土表面，橫向箍筋與角鋼焊成骨架，為了滿足箍筋保護層厚度的要求，可將箍筋兩端墩成球形，再與角鋼內(nèi)側焊接，橫向箍筋也可用小角鋼代替。這種結構構造簡單、連接方便、承載能力高、延性高、經(jīng)濟指標好，耐火性比鋼結構好，但也存在一些缺點，如角鋼外露、鋼材易發(fā)生腐蝕。1.2

鋼結構的發(fā)展1.2.2鋼結構的發(fā)展趨勢鋼結構的設計方法1.31.3鋼結構的設計方法1.3.1結構的功能要求結構在規(guī)定的設計使用年限內(nèi)，應滿足安全性、適用性、耐久性等功能要求。

1.安全性結構在正常施工和正常使用時，應能承受可能出現(xiàn)的各種荷載及外部作用，以及在偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，能保持必需的整體穩(wěn)定性。

2.適用性結構在正常使用時有良好的工作性能，能滿足預定的使用要求。

3.耐久性結構在正常維護的情況下，材料性能雖隨時間變化，但仍能滿足預定功能要求。1.3

鋼結構的設計方法1.3.2結構的作用及抗力

結構在施工和使用期內(nèi)，除了自重外，還需要承受人群活荷載、設備機械荷載，以及風、雪、地震、溫度等其他作用。這些使結構產(chǎn)生內(nèi)力和變形的原因統(tǒng)稱為作用。施加在結構上的集中力或均布力稱為直接作用，即我們常說的荷載。引起結構外加變形或約束變形的其他原因，稱為間接作用，包括地震、溫度變化、基礎不均勻沉降等。

施加于結構或構件上的若干種作用所引起的結構或構件的內(nèi)力和變形，稱為作用效應，習慣也常稱為荷載效應，如彎矩、軸力、剪力、撓度等。作用效應取決于作用的方式、支承條件、構件的集合參數(shù)等。作用和作用效應都具有不確定性，是隨機變量。

結構或構件的承載力，稱為抗力。它與材料性能、構件截面幾何參數(shù)、計算模式等因素有關。結構由于構件的制造誤差、安裝誤差、生產(chǎn)工藝等的影響，其抗力具有不確定性，因此也是隨機變量。1.3

鋼結構的設計方法1.3.3結構的可靠性和可靠度

結構的可靠性是指結構在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的條件下，完成預定功能的能力。這種能力既取決于結構的作用和作用效應，也取決于結構的抗力。

結構的可靠度是對結構可靠性的定量描述，即結構在規(guī)定的時間（設計使用年限）內(nèi)和規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用）完成預定功能的概率。1.3

鋼結構的設計方法1.3.4極限狀態(tài)設計方法除疲勞計算外，我國采用的是以概率論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，它是由結構可靠度設計方法轉變而來的。如果直接按照可靠指標進行設計，對很多設計工作者來說太過復雜，為此《鋼結構設計標準》（GB50017—2017）規(guī)定采用分項系數(shù)設計表達式進行計算。1.3

鋼結構的設計方法1.3.4極限狀態(tài)設計方法

1.結構的極限狀態(tài)

整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)是結構滿足某一特定功能的臨界狀態(tài)。對于結構的各種極限狀態(tài)均應規(guī)定明確的標志和限值，作為結構設計的依據(jù)。

結構的極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。（1）承載能力極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)應包括：構件或連接的強度破壞、脆性斷裂，因過度變形而不適用于繼續(xù)承載，結構或構件喪失穩(wěn)定，結構轉變?yōu)闄C動體系和結構傾覆。

承載能力極限狀態(tài)大體來說是指三種情況：一是指某一截面或連接部位的應力超過材料強度；二是指構件整體失去穩(wěn)定性；三是指構件或連接雖未出現(xiàn)破壞但產(chǎn)生了不適于繼續(xù)承載的變形。1.3

鋼結構的設計方法1.3.4極限狀態(tài)設計方法

（2）正常使用極限狀態(tài)。這種極限狀態(tài)對應于結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。正常使用極限狀態(tài)應包括：影響結構、構件和非結構構件正常使用或外觀變形，影響正常使用的振動，影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括混凝土裂縫）。

由以上可知，結構的承載能力極限狀態(tài)考慮了結構的安全性功能，若結構超過承載能力極限狀態(tài)，則可能會影響結構的安全性，甚至發(fā)生破壞，造成生命財產(chǎn)的損失。而結構的正常使用極限狀態(tài)考慮了結構的適用性和耐久性，即使結構超出正常使用極限狀態(tài)，也不會威脅結構的安全。因此，對承載能力極限狀態(tài)的失效概率的控制比正常使用極限狀態(tài)更為嚴格。1.3

鋼結構的設計方法1.3.4極限狀態(tài)設計方法

2.承載能力極限狀態(tài)的設計表達式按承載能力極限狀態(tài)設計鋼結構時，應考慮荷載效應的基本組合，必要時尚應考慮荷載效應的偶然組合，并應采用下列設計表達式進行設計。

式中，γ0為結構重要性系數(shù)，對安全等級為一級或設計使用年限為100年及以上的結構構件不應小于1.1，對安全等級為二級或設計使用年限為50年的結構構件不應小于1.0，對安全等級為三級或設計使用年限為5年的結構構件不應小于0.9；Sd為荷載基本組合的效應設計值；Rd為結構構件抗力的設計值。荷載基本組合的效應設計值Sd在鋼結構設計中習慣用應力表達，對于承載能力極限狀態(tài)，Sd應按下列極限狀態(tài)設計表達式中的最不利值確定。1.3

鋼結構的設計方法1.3.4極限狀態(tài)設計方法由可變荷載控制的效應設計值：由永久荷載控制的效應設計值：1.3

鋼結構的設計方法1.3.4極限狀態(tài)設計方法

式中，γG為永久荷載的分項系數(shù)，當永久荷載效應對結構不利時，對由可變荷載效應控制的組合應取1.2，對由永久荷載效應控制的組合應取1.35，當永久荷載效應對結構有利時，不應大于1.0；γQ1、γQi為第1個和第i個可變荷載分項系數(shù)，一般情況下應取1.4，對標準值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結構的活荷載，應取1.3；σGk為永久荷載標準值計算的荷載效應值；σQ1k為基本組合中起控制作用的一個可變荷載標準值的效應；σQik為第i個可變荷載標準值的效應；ψci為可變荷載Qi的組合值系數(shù)，對民用建筑樓、屋面均布活荷載，一般取0.7，具體可查閱《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009—2012）；f為結構構件和連接的強度設計值（見表1-1和表1-2）；fk為材料強度的標準值；γR為抗力分項系數(shù)（見表1-3和表1-4）。1.3

鋼結構的設計方法1.3.4極限狀態(tài)設計方法1.3

鋼結構的設計方法1.3.4極限狀態(tài)設計方法續(xù)表1.3

鋼結構的設計方法1.3.4極限狀態(tài)設計方法1.3

鋼結構的設計方法1.3.4極限狀態(tài)設計方法

對于一般排架、框架結構，由可變荷載效應控制的組合可采用下列簡化的設計表達式與式（1-3）同時使用。1.3

鋼結構的設計方法1.3.4極限狀態(tài)設計方法

3.正常使用極限狀態(tài)的設計表達式按正常使用極限狀態(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，并應采用下列設計表達式進行設計。

式中，C為結構或結構構件達到正常使用要求的規(guī)定限值，如變形、裂縫、振幅等的限值。

（1）荷載標準組合的效應設計值Sd應按式（1-6）計算。

式中，SGk為永久荷載的標準值Gk在結構或構件中產(chǎn)生的變形值；SQ1k為起控制作用的第1個可變荷載標準值Q1k在結構或構件中產(chǎn)生的變形值；SQik為其他的第i個可變荷載標準值Qik在結構或構件中產(chǎn)生的變形值；S為結構或構件中的容許變形值。1.3

鋼結構的設計方法1.3.4極限狀態(tài)設計方法（2）荷載準永久組合的效應設計值Sd應按式（1-7）計算。

式中，ψqi為第i個可變荷載的準永久值系數(shù)，具體可查閱《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009—2012）。思考與練習

（1）與其他結構相比，鋼結構有哪些特點？

（2）在我國，鋼結構主要應用在哪些領域？

（3）高效鋼材包括哪些種類？

（4）分項系數(shù)設計表達式中分項符號的含義是什么？

（5）結構的承載能力極限狀態(tài)包括哪些計算內(nèi)容？正常使用極限狀態(tài)包括哪些計算內(nèi)容？

（6）某鋼結構平臺，主梁上的結構自重為5kN/m，檢修時可能產(chǎn)生的最大活荷載為18kN/m，跨度為8m，主梁按兩端簡支條件，求該梁跨中的彎矩設計值。THANKYOU感謝觀看第2章鋼結構的材料學習目標Hereyourtitle（1）了解鋼結構對材料的基本要求。（2）掌握鋼材的主要性能，以及影響鋼材性能

和脆性破壞的主要因素。（3）了解鋼材的兩種破壞形式。（4）了解鋼結構疲勞的基本概念、影響疲勞強

度的主要因素、疲勞的計算方法。（5）掌握建筑用鋼材的種類、規(guī)格和表示方法。（6）了解鋼結構材料的選用原則。鋼結構材料概述2.12.1

鋼結構材料概述

建筑鋼結構承受著各種荷載，且工作環(huán)境和情況各不相同?？傮w來說，對鋼結構所用鋼材性能有以下要求：

1.較高的屈服強度和抗拉強度屈服強度是衡量鋼材承載能力的指標。屈服強度高可以減小構件的截面，從而減輕結構自重、節(jié)約鋼材、降低造價?？估瓘姸仁呛饬夸摬臉O限抗拉能力的指標，它直接反映了鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣?？估瓘姸雀呖梢栽黾愉摬牡陌踩Ｕ?。

2.良好的塑性和韌性鋼材塑性好，能在結構破壞前產(chǎn)生明顯的塑形變形，不易發(fā)生脆性破壞，同時還能調(diào)整局部應力高峰，使應力重分布且趨于均勻；韌性好的鋼材具有較強的抵抗脆性破壞的能力，有利于承受動力荷載。2.1

鋼結構材料概述

3.良好的加工和可焊性能鋼結構使用的鋼材具有良好的加工和可焊性能是指鋼材在經(jīng)過多道工序（冷加工、熱加工、焊接等）后，其材料性能（強度、塑性、韌性等）不會發(fā)生明顯的改變，否則會對結構產(chǎn)生不利影響。

4.專用的特種性能專用的特種性能主要是指鋼材的耐候性、耐火性、Z向性能（鋼板沿厚度方向的受力性能，即抗層狀撕裂性能）。在露天工作環(huán)境或有害介質作用下，對鋼結構有較高的防腐要求，對重要鋼結構建筑物還有較高的防火要求。若鋼材自身具有耐候性、耐火性，則有利于鋼結構的應用。對厚度較大的鋼板（如高層建筑鋼結構中的鋼板）有Z向性能要求，即沿厚度方向具有抗層狀撕裂的能力。鋼材的主要性能2.22.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學性能和工藝性能

1.強度鋼材的主要強度指標和變形性能是根據(jù)靜載單向拉伸試驗確定的。將標準試件（見圖2-1，l0/d=5或10）在常溫（20℃±5℃）下緩慢勻速加載，一次完成，可得到鋼材的應力-應變（σ-ε）曲線，由此曲線可獲得許多鋼材性能的信息。2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學性能和工藝性能低碳鋼（碳含量不大于0.25%）單向拉伸試驗的σ-ε曲線如圖2-2所示。拓展閱讀低碳鋼（mildsteel）為碳含量低于0.25%的碳素鋼，因其強度低、硬度低而軟，故又稱軟鋼。它包括大部分普通碳素結構鋼和一部分優(yōu)質碳素結構鋼，大多不經(jīng)熱處理用于工程結構件，有的經(jīng)滲碳和其他熱處理用于要求耐磨的機械零件。低碳鋼退火組織為鐵素體和少量珠光體，其強度和硬度較低，塑性和韌性較好。因此，其冷成形性良好，可采用卷邊、折彎、沖壓等方法進行冷成形。這種鋼還具有良好的焊接性。含碳量從0.10%至0.30%低碳鋼易于接受各種加工如鍛造，焊接和切削，常用于制造鏈條、鉚釘、螺栓、軸等。低碳鋼退火組織為鐵素體和少量珠光體，其強度和硬度較低，塑性和韌性較好。因此，其冷成形性良好可采用卷邊、折彎、沖壓等方法進行冷成形。這種鋼材具有良好的焊接性。碳含量很低的低碳鋼硬度很低，切削加工性不佳，正火處理可以改善其切削加工性。低碳鋼有較大的時效傾向，既有淬火時效傾向，還有形變時效傾向。當鋼從高溫較快冷卻時，鐵素體中碳、氮處于過飽和狀態(tài)，它在常溫也能緩慢地形成鐵的碳氮物，因而鋼的強度和硬度提高，而塑性和韌性降低，這種現(xiàn)象稱為淬火時效。低碳鋼即使不淬火而空冷也會產(chǎn)生時效。低碳鋼經(jīng)形變產(chǎn)生大量位錯，鐵素體中的碳、氮原子與位錯發(fā)生彈性交互作用，碳、氮原子聚集在位錯線周圍。這種碳、氮原子與位錯線的結合體稱歲柯氏氣團（柯垂耳氣團）。它會使鋼的強度和硬度提高而塑性和韌性降低，這種現(xiàn)象稱為形變時效。形變時效比淬火時效對低碳鋼的塑性和韌性有更大的危害性，在低碳鋼的拉伸曲線上有明顯的上、下兩個屈服點。自上屈服點出現(xiàn)直到屈服延伸結束，在試樣表面出現(xiàn)由于不均勻變形而形成的表面皺褶帶，稱為呂德斯帶。不少沖壓件往往因此而報廢。其防止方法有兩種。一種高預形變法，預形變的鋼放置一段時間后沖壓時也會產(chǎn)生呂德斯帶，因此預形變的鋼在沖壓之前放置時間不宜過長。另一種是鋼中加入鋁或鈦，使其與氮形成穩(wěn)定的化合物，防止形成柯氏氣團引起的形變時效。低碳鋼低碳鋼拉伸試驗2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學性能和工藝性能

低碳鋼的σ-ε曲線有明顯屈服點。該曲線可以分為4個階段：

（1）彈性段（OB段）。OB段為一直線，材料處于彈性狀態(tài)，此階段的變形稱為彈性變形。應力與應變成正比，比值為常數(shù)，E=σ/ε，E稱為彈性鋼材的彈性模量，一般可取值為2.06×105MPa。彈性模量反映鋼材抵抗彈性變形的能力。

（2）彈塑性段（BD段）。應力超過B點后，材料開始出現(xiàn)塑性變形，應力與應變不再成正比關系，應力的增長滯后于應變的增長，σ-ε曲線上下波動，應力逐漸趨于平穩(wěn)，應變迅速增加，直到D點，這就是鋼材的屈服階段。屈服階段曲線的最高點和最低點分別稱為上屈服強度和下屈服強度，因為下屈服強度較穩(wěn)定，容易測定，所以取之為屈服點fy。在拉伸過程中無明顯屈服臺階的鋼材（如經(jīng)熱處理的制造高強度螺栓的鋼材，見圖2-3），塑性變形小，設計時取相當于殘余變形為0.2%時所對應的應力作為屈服點，這稱為條件屈服點或名義屈服點。低碳鋼拉伸應力應變曲線2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學性能和工藝性能

鋼材所受力大于屈服點之后，會出現(xiàn)較大的變形，已不能滿足使用要求。因此，在鋼結構設計時，一般取fy作為鋼材強度取值的依據(jù)。fy是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強度設計值的重要指標。2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學性能和工藝性能

（3）強化段（DU段）。當應力超過屈服強度后，鋼材的內(nèi)部組織發(fā)生了改變，鋼材得到強化，鋼材抵抗塑性變形的能力部分恢復，隨著荷載的增加，σ緩慢增大，但ε增加較快。曲線最高點處的應力fu稱為抗拉強度或極限強度。

fu是鋼材在破壞前所能承受的最大應力，它可以直接反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣，同時還可以作為鋼材的強度儲備。當鋼結構采用塑性設計時，《鋼結構設計標準》（GB50017—2017）規(guī)定鋼材應滿足屈強比2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學性能和工藝性能

（4）頸縮破壞階段（UF段）。當應力達到fu時，試件被拉長，斷面急劇縮小，荷載下降，直至斷裂。

通過靜力拉伸試驗可見，在fy之前，ε很??；在fy之后，ε急劇增長。因此，通常將σ達到fy之前的材料視為完全弾性體，將σ超過fy之后的材料視為完全塑性材料，從而將鋼材視為理想的彈-塑性材料。理想的彈-塑性材料的σ-ε曲線如圖2-4所示。2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學性能和工藝性能

2.塑性

塑性是指鋼材破壞前產(chǎn)生塑性變形的能力。通過靜力拉伸試驗可得到衡量塑性的兩個指標：伸長率δ和斷面收縮率ψ。伸長率δ等于試件斷裂前的永久變形（及伸長值）與原標定長度的百分比。試件有兩種標距（l0/d=5和l0/d=10），相應的伸長率用δ5和δ10表示，標準試件一般取δ5。伸長率δ的計算公式為式中，l0為試件原標距長度（見圖2-1）；l1為試件拉斷后的標距長度。2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學性能和工藝性能

斷面收縮率ψ是指試件被拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分比。斷面收縮率ψ的計算公式為式中，A0為試件原斷面面積；A1為試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積。

伸長率δ和斷面收縮率ψ越大，鋼材的塑性越好。由于在測量試件的斷面面積時容易產(chǎn)生較大的誤差，因而鋼材塑性指標仍然采用伸長率作為保證要求。2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學性能和工藝性能

3.Z向性能Z向性能可用厚度方向（Z向）的斷面收縮率ψz進行衡量，Z向收縮率試驗的試件采用圓柱體，直徑d0=10mm（板厚大于25mm），長度L0不小于1.5d0，并沿鋼板軋制方向的任一端的中部截取。試件被拉斷后，其斷口處橫截面面積A1比原橫截面面積A0的縮減百分比值ψz，稱為厚度方向的斷面收縮率。根據(jù)《建筑結構用鋼板》（GB/T19879—2015）的規(guī)定，對于厚度方向的鋼板，可分為3種厚度方向性能級別，即Z15、Z25和Z35（字母Z后面的數(shù)字為斷面收縮率的指標），它們分別表示ψz≥15%、ψz≥25%和ψz≥35%。2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學性能和工藝性能

4.沖擊韌性鋼材的沖擊韌性用沖擊試驗來確定。沖擊韌性是衡量鋼材在沖擊荷載（動力）作用下抵抗脆性破壞的力學性能指標。沖擊韌性反映了鋼材在塑形變形和斷裂中吸收能量的能力，用斷裂時吸收的沖擊功Akv（單位為J）來表示。其試驗原理是用擺錘將帶有V形缺口的長方形試件（試件的截面尺寸為10mm×10mm，長度為55mm）擊斷，將計算出的擊斷所需的沖擊功Akv作為沖擊韌性指標。Akv越大，表明鋼材的沖擊韌性越好。沖擊韌性試驗裝置如圖2-5所示。2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學性能和工藝性能2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學性能和工藝性能

5.冷彎性能冷彎性能是描述鋼材在冷加工下（常溫下加工）產(chǎn)生塑性變形時，對發(fā)生裂縫的抵抗能力。冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力和冶金質量（如非金屬夾雜和分層等）的綜合指標。

在常溫下根據(jù)試樣厚度，按規(guī)定的彎心直徑d將試件彎曲180°，檢查試件的外表面，若無裂縫、裂斷或分層，則冷彎試驗合格，如圖2-6所示。冷彎試驗是比單向拉伸試驗更為嚴格的一種試驗方法，常作為拉伸試驗和沖擊試驗的補充試驗方法。2.2

鋼材的主要性能2.2.2鋼材的可焊性能

鋼材的焊接是指將焊縫及其附近的母材金屬升溫熔化，再冷卻凝結成一體的過程。鋼材的可焊性則指在一定的焊接工藝條件下，所施焊的焊縫溶敷金屬和母材金屬均不產(chǎn)生裂紋，且焊接頭的力學性能不低于母材的力學性能。鋼材可焊性的優(yōu)劣實際上是指鋼材在采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)及一定的結構形式等條件下，獲得合格焊縫的難易程度。

影響鋼材可焊性的因素很多，除與品種（是非合金鋼還是低合金鋼、合金鋼）、化學成分（碳、錳、合金元素、有害元素等）、規(guī)格（是厚板還是薄板）等內(nèi)在因素有關外，還與節(jié)點復雜程度（是簡單節(jié)點還是復雜節(jié)點）、約束程度（焊縫能否自由收縮）、焊接的環(huán)境溫度（是常溫還是負溫）、焊接材料（焊條、焊劑等是否與母材匹配等）、焊接工藝（焊接方法、坡口形式和尺寸、焊前預熱和焊后熱處理等）等外在因素相關。

《鋼結構焊接規(guī)范》（GB50661—2011）根據(jù)鋼材分類、受力狀態(tài)、板厚和鋼材的碳當量，將焊接難度分為易、一般、較難和難四個等級。對于難焊鋼材，需采取預熱措施和控制施焊工藝來獲得合格的焊縫。2.2

鋼材的主要性能2.2.3鋼材的耐火、耐候性能

1.耐火性能具有耐火性能的鋼結構能在一定的高溫下保持結構在一定時間內(nèi)不垮塌，以保證人員和物資安全撤離火災現(xiàn)場。保證建筑物安全性的一個許用指標是鋼材在600℃高溫時，屈服點應具有常溫屈服點的2/3。耐火鋼一般是在低碳鋼中添加釩、鈦、鈮合金元素。當有防火要求時，使用具有耐火性能的鋼材，減少或減薄防火涂料的用量，可以達到良好的經(jīng)濟效果。

目前，國內(nèi)外都已開發(fā)出具有一定耐火性能的鋼材。寶山鋼鐵集團的耐火鋼系列和耐候耐火鋼系列在600℃高溫下，屈服點的下降幅度不大于其標準值的1/3，可以減少使用或省去外涂或外包防火材料。2.2

鋼材的主要性能2.2.3鋼材的耐火、耐候性能

2.耐候性能普通鋼材在自然環(huán)境下每5年的腐蝕厚度可達0.1~1mm，若處于腐蝕的氣體環(huán)境中，則更為嚴重。對建筑鋼材的耐候性能要求是：在自然環(huán)境下保證結構可裸露使用，耐候性是普通鋼材的2~8倍。耐候鋼一般是在低碳鋼或低合金鋼中添加銅、磷、鉻、鋰等合金元素，以提高抗腐蝕能力。鋼材表面也可先鍍鋅或鍍鋁鋅，再涂彩色聚酯類涂料，以提高鋼材的耐候性能，但這種工藝只能用來生產(chǎn)彩涂薄鋼板。國內(nèi)常用的耐候鋼標準有《耐候結構鋼》（GB/T4171—2008）和《鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼》（TB/T1979—2014）。鋼材的破壞形式2.32.3

鋼材的破壞形式

鋼材的破壞形式有塑性破壞和脆性破壞。

1.塑性破壞

塑性破壞也稱延性破壞，是由于構件應力超過屈服點，并且達到抗拉極限強度fu后，構件產(chǎn)生明顯的變形并斷裂。塑性破壞前，構件有明顯的變形，破壞歷時長，斷口發(fā)暗，易于及時發(fā)現(xiàn)和采取措施進行補救，不至于引起嚴重后果。另外，構件在塑性變形后出現(xiàn)內(nèi)力重分布，使結構中原先應力不均勻的部分趨于均勻，有可能提高結構的承載能力。

2.脆性破壞脆性破壞前沒有明顯的變形和征兆，破壞時產(chǎn)生的變形遠比材料應有的變形能力小，破壞時的應力常小于鋼材的屈服強度fy，破壞發(fā)生突然，斷口平齊，具有光澤的晶粒狀，無法及時察覺和采取補救措施，會引起嚴重后果，危及人們的生命財產(chǎn)安全。在設計、制作和使用構件的過程中，應充分考慮各方面因素，盡量發(fā)揮材料的塑性，避免脆性破壞發(fā)生的可能性。影響鋼材性能的因素2.42.4

影響鋼材性能的因素2.4.1化學成分的影響

鋼是以鐵（Fe）和碳（C）為主要成分的合金，雖然碳和其他元素［包括硅（Si）、錳（Mn）、硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等］在鋼中所占比例甚少，但對鋼材的性能特別是力學性能產(chǎn)生重要的影響。普通碳素鋼中，鐵占99%，碳和其他元素占1%；普通低合金鋼中還含有小于5%的合金元素，如銅（Tu）、釩（V）、鈦（Ti）、鈮（Nb）、鉻（Cr）等。

碳是各種鋼中最主要的元素之一。隨著含碳量的提高，鋼的屈服強度和抗拉強度逐漸變大，而塑性和韌性特別是低溫沖擊韌性下降，冷彎性能、焊接性能和抗銹蝕性能等也變差。規(guī)范推薦的鋼材的含碳量均不超過0.22％，對于焊接結構則嚴格控制在0.2％以內(nèi)，即在低碳鋼范圍內(nèi)。

硫是有害元素，常以硫化鐵形式夾雜于鋼中。當溫度達800~1000℃時，鋼材會因硫化鐵熔化而變脆，在進行焊接或熱加工時極可能出現(xiàn)熱裂紋，這種現(xiàn)象稱為熱脆現(xiàn)象。此外，硫還會降低鋼材的沖擊韌性、疲勞強度、抗銹蝕性能和焊接性能等，因此應嚴格控制鋼材中硫的含量，碳素結構鋼的硫含量一般不大于0.035%～0.050%，低合金高強度結構鋼的硫含量一般不大于0.020%～0.035%。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.1化學成分的影響

磷可提高鋼的強度和抗銹蝕能力，但會嚴重地降低鋼的塑性、韌性、冷彎性能和焊接性能，特別是在溫度較低時會促使鋼材變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆現(xiàn)象。因此，磷的含量也要嚴格控制，碳素結構鋼的磷含量一般不大于0.035%～0.045%，低合金高強度結構鋼的磷含量一般不大于0.025%～0.035%。

錳是有益元素，在普通碳素鋼中，它是一種弱脫氧劑，當錳含量在合理范圍內(nèi)時，可以提高鋼材強度，消除硫、氧對鋼材的熱脆影響，改善鋼的冷脆傾向，同時不顯著降低塑性和韌性。但隨著錳含量的增加，鋼材的焊接性能也隨之降低，因此錳含量也不宜過多，碳素結構鋼的錳含量一般不大于1.4%，低合金高強度結構鋼的錳含量一般不大于1.7%。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.1化學成分的影響

硅是有益元素，在普通碳素鋼中，它是一種強脫氧劑，常與錳共同除氧，生產(chǎn)鎮(zhèn)靜鋼。適量的硅，可以細化晶粒，提高鋼的強度，并且對塑性、韌性、冷彎性能和焊接性能無顯著不良影響。硅的含量在碳素結構鋼中不應大于0.35％，在低合金高強度結構鋼中不應大于0.5％。過量的硅會惡化焊接性能和抗銹蝕性能。

釩、鈮、鈦等元素在鋼中形成微細碳化物，適量加入，能起細化晶粒和彌散強化的作用，從而提高鋼材的強度和韌性，又可保持良好的塑性。鉻、鎳是提高鋼材強度和耐熱性的合金元素。

氧和氮屬于有害元素。氧的作用和硫類似，使鋼熱脆。氮的作用和磷類似，使鋼冷脆。因此，氧和氮的含量均應嚴格控制，一般氧的含量應低于0.05%，氮的含量應低于0.008%。拓展閱讀為了改善和提高鋼的某些性能和使之獲得某些特殊性能而有意在冶煉過程中加入的元素稱為合金元素。常用的合金元素有鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、鈷、硅、錳、鋁、銅、硼、稀土等。磷、硫、氮等在某些情況下也起到合金的作用。硅能溶于鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強度，其作用僅次于磷，較錳、鎳、鉻、鎢、鉬、釩等元素強。但含硅量超過3%時，將顯著降低鋼的塑性和韌性。硅能提高鋼的彈性極限、屈服強度和屈服比（σs/σb），以及疲勞強度和疲勞比（σ-1/σb）等。這是硅或硅錳鋼可作為彈簧鋼種的緣故。硅能降低鋼的密度、熱導率和電導率。能促使鐵素體晶粒粗化，降低矯頑力。有減小晶體的各向異性傾向，使磁化容易，磁阻減小，可用來生產(chǎn)電工用鋼，所以硅鋼片的磁阻滯損耗較低。硅能提高鐵素體的導磁率，使鋼片在較弱磁場下有較高的磁感強度。但在強磁場下硅降低鋼的磁感強度。硅因有強的脫氧力，從而減少了鐵的磁時效作用。含硅的鋼在氧化氣氛中加熱時，表面將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時的抗氧化性。硅能促使鑄鋼中的柱狀晶成長，降低塑性。硅鋼若加熱時冷卻較快，由于熱導率低，鋼的內(nèi)部和外部溫差較大，因而斷裂。硅能降低鋼的焊接性能。因為與氧的結合能力硅比鐵強，在焊接時容易生成低熔點的硅酸鹽，增加熔渣和融化金屬的流動性，引起噴濺現(xiàn)象，影響焊接質量。硅是良好的脫氧劑。用鋁脫氧時酌情加一定量的硅，能顯著提高率的脫氧性。硅在鋼中本來就有一定的殘存，這是由于煉鐵煉鋼時作為原料帶入的。在沸騰鋼中，硅限制在<0.07%，有意加入時，則在煉鋼時加入硅鐵合金。硅在鋼材中的作用2.4

影響鋼材性能的因素2.4.2冶煉、澆鑄、軋制和熱處理的影響

鋼材在生產(chǎn)過程中要經(jīng)過冶煉、澆鑄和軋制等工藝過程。冶煉是將生鐵水、廢鋼和石灰石等原料加入煉鋼爐，用燃料加熱至1650℃，使鐵水中多余的元素經(jīng)過一系列的反應被除去，形成符合要求的鋼種。傳統(tǒng)的澆鑄和軋制方法是在鋼煉好后，將鋼液倒入鋼錠模中制作成大的鋼錠，然后軋制成長寬適當?shù)匿撆?，再軋成各種鋼材。近20年來迅速發(fā)展的澆鑄和軋制方法是連鑄連軋，即直接將煉好的鋼水在鋼廠連鑄機中澆鑄成近終型的鋼坯，然后經(jīng)軋機連續(xù)軋制成各種鋼材。

鋼在熔煉的氧化過程中會生成氧化鐵等雜質，使鋼的性能變差，因而在澆鑄過程中需將與氧親和力比較高的脫氧劑加入鋼液中脫氧。根據(jù)所使用的脫氧劑的不同，鋼可分為沸騰鋼（錳做脫氧劑）、鎮(zhèn)靜鋼（硅做脫氧劑）、特殊鎮(zhèn)靜鋼（硅脫氧后加鋁補充脫氧），其脫氧程度依次增大。拓展閱讀沸騰是沒有脫氧或脫氧不充分的鋼，鋼液澆入錠模后，隨溫度下降，鋼液中碳和氧反應，排出大量CO氣體，產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象。這種鋼沒有集中的縮孔，所以切頭率比鎮(zhèn)靜鋼低5%～8%，但偏析大，成份不均，只適于生產(chǎn)普碳鋼。澆注前充分脫氧，澆注時鋼液平靜沒有沸騰現(xiàn)象是鎮(zhèn)靜鋼。它的組織致密，強度高，偏析少，成份均勻，由于形成中心縮孔而增加了切頭率，比沸騰鋼的成本高。沸騰鋼與鎮(zhèn)靜鋼的區(qū)別2.4

影響鋼材性能的因素2.4.2冶煉、澆鑄、軋制和熱處理的影響

在這些過程中，可能會出現(xiàn)化學成分偏析、非金屬夾雜物、裂紋、氣泡、分層等冶金缺陷而影響鋼材性能。

（1）偏析。金屬結晶后化學成分分布不均勻的現(xiàn)象，稱為偏析。偏析主要是硫、磷偏析，其后果是偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性、可焊性變差。

（2）非金屬夾雜物。非金屬夾雜物指鋼材中的非金屬化合物，如硫化物、氧化物。硫化物使鋼材熱脆，氧化物使鋼材的力學性能和工藝性能大大降低。

（3）裂紋。裂紋指鋼材中存在的微觀裂紋。它會嚴重降低鋼材的冷彎性能、塑性和沖擊韌性。

（4）氣泡。氣泡指澆鑄時由FeO和C作用所生成的CO氣體不能充分逸出而滯留在鋼錠里形成的微小空洞。它會影響鋼材的力學性能。

（5）分層。澆鑄時的非金屬夾雜物在軋制后可能造成鋼材分層，分層處易被銹蝕,且分層使鋼材性能變差。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.3鋼材的硬化

1.時效硬化隨著時間的增加，純鐵體中有一些數(shù)量極少的碳和氮的固熔物質析出，使鋼材的屈服點和抗拉強度提高，塑性和韌性下降，這種現(xiàn)象稱為時效硬化，如圖2-7（a）所示。時效硬化的過程一般很長，但若在材料發(fā)生塑性變形后，將其加熱到250℃，則可使時效硬化加速發(fā)展，這種方法稱為人工時效硬化，如圖2-7（b）所示。對于某些重要的結構，要求檢驗鋼材在人工時效后的沖擊韌性，以保證結構具有足夠的抗脆性破壞的能力。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.3鋼材的硬化2.4

影響鋼材性能的因素2.4.3鋼材的硬化

2.冷作硬化冷加工可使鋼材產(chǎn)生很大的塑性變形，產(chǎn)生塑性變形的鋼材被重新加荷，可提高其屈服點，降低塑性和韌性，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化，如圖2-7（a）所示。

鋼結構在制造過程中一般都需要進行冷加工（冷拉、冷彎、沖孔、機械剪切等），這些工序會引起冷作硬化，增加發(fā)生脆性破壞的危險，這對直接承受動力荷載的結構尤為不利。

不管哪一種硬化，都會降低鋼材的塑性和韌性，對鋼材不利。因此，鋼結構設計中一般不利用硬化后提高的強度，而且對于直接承受動荷載的結構還應設法消除硬化的影響。例如，對于經(jīng)過剪切機剪切的鋼板，為了消除其剪切邊緣的冷作硬化，可采用火焰燒烤使之“退火”或將邊緣刨去3～5mm。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.4

溫度的影響

鋼材對溫度相當敏感，溫度升高和降低都使鋼材的性能發(fā)生變化。

1.正溫范圍在100℃以內(nèi)，對鋼材的性能無影響；在100℃以上，隨溫度的升高，總的趨勢是鋼材的抗拉強度fu、屈服強度fy、彈性模量E降低，塑性增大。在250℃左右，鋼材的抗拉強度略有提高，塑性降低，脆性增加，即藍脆現(xiàn)象，該溫度區(qū)段稱為藍脆區(qū)，在藍脆區(qū)進行熱加工，易引起裂紋。當溫度超過250～350℃時，鋼材會產(chǎn)生徐變。徐變是指在應力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)發(fā)生變形的現(xiàn)象，此時，fy、fu顯著下降，伸長率δ明顯增大。在600℃左右，鋼材的彈性模量趨于零，承載能力幾乎完全喪失。溫度對鋼材性能的影響如圖28所示，總的趨勢是隨著溫度的升高，鋼材的強度降低，變形增大。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.4

溫度的影響2.4

影響鋼材性能的因素2.4.4

溫度的影響

2.負溫范圍當溫度低于常溫時，鋼材的脆性會隨溫度的降低而增加，特別是負溫范圍對沖擊韌性的影響十分突出。從圖2-9中的曲線可以看出，曲線的左端和右端都比較平緩，溫度所帶來的變化較小，中間部分（T2～T1）曲線較陡，AkV急劇下降，T2與T1之間稱為溫度轉變區(qū)，材料由塑性破壞轉到脆性破壞都是在這一區(qū)間內(nèi)完成的，該區(qū)段曲線的最陡點所對應的溫度TC稱為脆性轉變溫度。而且不同的鋼材其脆性轉變區(qū)的溫度不同，必須通過試驗確定。結構設計中要求完全避免脆性破壞，因此，結構所處溫度必須高于T1，但不要求一定高于T2，因為這樣雖然安全，但是對材料要求過嚴將會造成浪費。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.5

應力集中的影響

在鋼構件中若存在開孔、凹槽或截面的寬度或厚度發(fā)生突然改變的情況，則構件中的應力分布將變得很不均勻，在缺陷或截面變化處，應力線曲折、密集，出現(xiàn)應力高峰，這種現(xiàn)象稱為應力集中（見圖2-10）。應力集中會造成鋼構件塑性降低，脆性破壞的危險性增加。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.5

應力集中的影響

圖2-11為開槽不同的4種拉伸試驗的應力-應變曲線，可以看出截面槽口改變越大，應力集中現(xiàn)象越明顯，抗拉強度越高，但塑性越差，脆性破壞的傾向越大。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.5

應力集中的影響

由于鋼結構所采用的鋼材的塑性較好，當內(nèi)力增大時，應力不均勻現(xiàn)象會逐漸趨于平緩，因此不會影響界面的極限承載能力。對于承受靜力荷載作用、在常溫下工作的構件，設計時可不考慮應力集中的影響。但是，對于低溫下直接承受動力荷載的構件，若應力集中嚴重，再加上其他的不利影響，則很容易發(fā)生脆性破壞，因此設計時應使截面構造合理，如截面必須改變，則應采取構造措施使其平緩過渡，減小應力集中。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.6

殘余應力及疲勞因素的影響

鋼材在冶煉、軋制、焊接、冷加工等過程中因不均勻的冷卻、組織構造的變化而在其內(nèi)部產(chǎn)生的不均勻應力，稱為殘余應力。殘余應力在構件內(nèi)部相互平衡而與外力無關，但是其存在易使鋼材發(fā)生脆性破壞的可能。殘余應力雖對構件的強度無影響，但會對構件的變形（剛度）、疲勞及穩(wěn)定承載力產(chǎn)生不利影響。

鋼材在重復荷載作用下會產(chǎn)生疲勞破壞，其破壞強度低于靜力荷載作用下的抗拉強度，并呈現(xiàn)脆性破壞的特征。關于鋼材的疲勞將在2.5節(jié)中詳細闡述。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.7

復雜應力作用的影響

在單向拉伸試驗中，當單向應力達到屈服點fy時，鋼材由彈性狀態(tài)轉入塑性狀態(tài)。在復雜應力（雙向應力或三向應力）作用下，鋼材的屈服不能以某一方向的應力達到屈服點fy來判斷，而是要通過能量強度理論計算的折算應力σeq與鋼材在單向應力下的fy相比較來判斷。

用主應力表示折算應力σeq［見圖2-12（a）］，即用應力分量表示折算應力σeq［見圖2-12（b）］，即當σeq<fy時，鋼材處于彈性狀態(tài)；當σeq≥fy時，鋼材處于塑性狀態(tài)。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.7

復雜應力作用的影響2.4

影響鋼材性能的因素2.4.7

復雜應力作用的影響當3個主應力σ1、σ2、σ3同號且數(shù)值相近時，從式（2-4）中可看出，無論應力值多么大，材料都很難進入塑性狀態(tài)，甚至破壞時也沒有明顯的塑性變形，材料處于脆性狀態(tài)。但是當一個方向上的應力為異向，且同號的兩個應力數(shù)值相差較大時，材料比較容易進入塑性狀態(tài)。所以，在構造設計上應盡量避免同號三向應力，以免發(fā)生脆性破壞。當鋼材厚度較薄時，厚度方向上的應力可以忽略不計。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.7

復雜應力作用的影響

在一般梁中，只存在正應力σ和剪應力τ，即σy=σz=0，且鋼材厚度較薄，故厚度方向上的應力可忽略不計，則式（2-4）可簡化為當只有剪應力τ時，即σ=0，則若取σeq=fy，則因此，《鋼結構設計標準》（GB50017—2017）規(guī)定鋼材的抗剪強度設計值fvy為抗拉強度設計值fy的0.58倍。鋼材的疲勞和疲勞計算2.5

鋼材的疲勞破壞是指在連續(xù)重復荷載作用下產(chǎn)生微觀裂縫并不斷擴展，直至最后出現(xiàn)突發(fā)性的斷裂破壞。破壞時，塑性變形極小，應力小于材料的極限抗拉強度，甚至低于屈服強度，是一種脆性破壞，危險性較大。

通常，鋼結構的疲勞破壞屬于高周疲勞，破壞時總應變小，荷載循環(huán)次數(shù)多。因此，《鋼結構設計標準》（GB50017—2017）規(guī)定：直接承受動力荷載重復作用的鋼結構構件及其連接，當應力變化的循環(huán)次數(shù)n等于或大于5×104次時，應進行疲勞計算。2.5

鋼材的疲勞和疲勞計算鋼材發(fā)生疲勞破壞時，①破壞面上的應力低于鋼材的抗拉強度，甚至低于其屈服強度；②破壞斷口比較整齊，其表面有比較清楚的疲勞紋理，該紋理顯示以某點為中心向外呈半橢圓狀放射型的海濱沙灘痕跡般的現(xiàn)象；③通常構件沒有明顯的變形，呈現(xiàn)出突然的脆性破壞特征。拓展閱讀

影響疲勞強度的因素有以下3種。1.微觀裂紋和應力集中

鋼材在生產(chǎn)和制造過程中會產(chǎn)生很多局部微小缺陷，如化學成分偏析，非金屬夾雜物，軋制和加工（沖孔、切割等）產(chǎn)生的裂紋，焊接時殘留的氣孔、夾渣等，或截面幾何形狀、厚度突然改變處。在重復連續(xù)荷載作用下，這些部位出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，應力分布不均勻，產(chǎn)生微小裂紋并逐漸開展，截面被削弱，有效截面面積相應地逐漸縮小。當荷載作用達到

一定的循環(huán)次數(shù)時，截面因承受不了外部荷載而發(fā)生脆性斷裂，即疲勞破壞。

不同的連接類別，會引起不同的應力集中，包括連接的外形變化和內(nèi)在缺陷影響。因此，連接類別也是影響疲勞強度的因素之一。疲勞計算的構件和連接分類見附錄1，根據(jù)構件和連接的細部構造引起的應力集中程度及焊接殘余應力由低到高將構件和連接形式分為8類。2.5

鋼材的疲勞和疲勞計算2.5.1影響疲勞強度的因素

2.應力幅和應力循環(huán)次數(shù)在循環(huán)荷載作用下，應力從最大到最小重復一次為一次循環(huán)，應力幅Δσ是每次應力循環(huán)中最大拉應力σmax與最小拉應力或壓應力σmin（其中，拉應力取正值，壓應力取負值）之差，即Δσ=σmax－σmin。應力循環(huán)內(nèi)的應力幅保持常量，稱為常幅（見圖2-13）。應力循環(huán)內(nèi)的應力幅隨機變化，則稱為變幅（見圖2-14）。2.5

鋼材的疲勞和疲勞計算2.5.1影響疲勞強度的因素

結構或構件破壞時所經(jīng)歷的應力變化次數(shù)n稱為循環(huán)次數(shù)。應力幅越大，鋼結構構件和連接產(chǎn)生疲勞破壞的應力循環(huán)次數(shù)越少，反之越多。當應力幅小于一定數(shù)值時，即使應力循環(huán)次數(shù)無限多，構件都不會產(chǎn)生疲勞破壞。2.5

鋼材的疲勞和疲勞計算2.5.1影響疲勞強度的因素2.5

鋼材的疲勞和疲勞計算2.5.1影響疲勞強度的因素

對于焊接結構，焊接會使焊縫處產(chǎn)生殘余應力，其大小通常達到了屈服強度fy，此時若施加一循環(huán)荷載，則外部應力將從σmin增大到σmax，焊縫附近應力已經(jīng)達到fy（已進入塑性狀態(tài)）的部分，其實際應力為σmax=fy，塑性區(qū)有所擴大；當外部應力由σmax下降到σmin時，該處的實際應力則由fy減小到fy-Δσ，然后再升至fy，如此往復循環(huán)，應力比由此可以看出，無論名義最小應力σmin和名義最大應力σmax為何值，只要應力幅Δσ相同，其實際應力均相同。這表明焊接結構的疲勞強度與最大、最小名義應力和應力比無關，而與應力幅相關。2.5

鋼材的疲勞和疲勞計算2.5.1影響疲勞