2015年鋼結(jié)構(gòu)第二章鋼結(jié)構(gòu)材料第一頁，共125頁。上節(jié)總結(jié)：一、課程內(nèi)容：鋼結(jié)構(gòu)是采用鋼材制作而成的結(jié)構(gòu)，是建筑工程的主要結(jié)構(gòu)形式之一。課程的主要內(nèi)容包括材料、連接、基本構(gòu)件、典型建結(jié)構(gòu)的設(shè)計四大部分。不同結(jié)構(gòu)形式都是由基本構(gòu)件而成，基本構(gòu)件的核心問題是穩(wěn)定問題。二、鋼結(jié)構(gòu)的特點：可靠性高、材料的強度高，鋼結(jié)構(gòu)自重輕，鋼材的塑性和韌性好，鋼結(jié)構(gòu)制造簡便，施工工期短，鋼結(jié)構(gòu)密閉性好,鋼材的耐銹蝕性差，鋼結(jié)構(gòu)耐熱但不耐火，鋼材在低溫時脆性增大三、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：1.大跨度結(jié)構(gòu)2.3.工業(yè)建筑4.輕型結(jié)構(gòu)5.6.活動式結(jié)構(gòu)7.可拆卸或移動的結(jié)構(gòu)

8.容器和大直徑管道9.抗震要求高的結(jié)構(gòu)10.急需早日交付使用的工程或運輸條件差的工程11特種結(jié)構(gòu)12鋼橋13、住宅水工：鋼閘門、攔污柵、升船機、壓力管（水庫、壓力前池、調(diào)壓室向水輪機輸送）。綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)是在各種工程中廣泛應(yīng)用的一種重要的結(jié)構(gòu)形式。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和鋼產(chǎn)量的提高，鋼結(jié)構(gòu)將會發(fā)揮日益重要的作用。第二頁，共125頁。第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法第三頁，共125頁。設(shè)計要求：不適合采用其他材料結(jié)構(gòu)時采用。優(yōu)先采用定型和標準化的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點。研究和完善結(jié)構(gòu)型式時，應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)簡化和材料集中使用（擴大構(gòu)件）?？煽啃员ＷC——運輸、安裝、使用過程合理選材、精心設(shè)計、保證耐久性盡可能先進設(shè)計方法、連接方式、結(jié)構(gòu)形式、材料減輕自重節(jié)省鋼材，受力明確，發(fā)揮鋼材性能防腐、防高溫、低溫造型美觀第四頁，共125頁。一．結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的

任何結(jié)構(gòu)都是為了完成所要求的某些功能而設(shè)計的。工程結(jié)構(gòu)必須具備下列功能：1．安全性：結(jié)構(gòu)在正常施工和正常使用條件下，承受可能出現(xiàn)的各種作用的能力，以及在偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，仍保持必要的整體穩(wěn)定性的能力。2．適用性：結(jié)構(gòu)在正常使用的條件下，滿足預(yù)定使用要求的能力.3．耐久性：結(jié)構(gòu)在正常維護條件下，隨時間變化而仍能滿足預(yù)定功能要求的能力。結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。結(jié)構(gòu)設(shè)計（計算）的目的是在滿足各種預(yù)定功能的前提下，做到技術(shù)先進、安全適用、經(jīng)濟合理和確保質(zhì)量。要實現(xiàn)這一目的，必須借助于合理的設(shè)計方法。第五頁，共125頁。

二設(shè)計方法1．影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素對于一般的工程結(jié)構(gòu)，影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素可以歸并為荷載效應(yīng)S（荷載作用引起的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力、變形等）和結(jié)構(gòu)抗力R

（結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受荷載效應(yīng)的能力，如承載力、剛度等）兩個基本變量。Z=R-S（1-1）

Z—結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能狀態(tài)的函數(shù)。

Z>0結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；

Z<0結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；

Z＝0結(jié)構(gòu)處于臨界狀態(tài)，一旦超過這一狀態(tài)，結(jié)構(gòu)將不再能滿足設(shè)計要求。因此它也稱為極限狀態(tài)。第六頁，共125頁。2．概率極限狀態(tài)設(shè)計法1)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮下列兩種極限狀態(tài)：（1）承載能力極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力，或達到不適于繼續(xù)承載的變形的極限狀態(tài)。（2）正常使用極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到使用功能上允許的某一限值的極限狀態(tài)。2)結(jié)構(gòu)可靠度：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率(Pr)。

Pf=P(z<0)Pr=P(z≥0)=1-Pf

二．設(shè)計方法第七頁，共125頁。設(shè)計使用年限分類類別設(shè)計使用年限示例15臨時性結(jié)構(gòu)225易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件350普通房屋和構(gòu)筑物4100紀念性建筑和特別重要的結(jié)構(gòu)第八頁，共125頁。3）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50017)設(shè)計方法對于承載能力極限狀態(tài)采用應(yīng)力表達式正常使用極限狀態(tài)4）現(xiàn)行水工、橋梁鋼結(jié)構(gòu)專門規(guī)范的設(shè)計方法—容許應(yīng)力法（如水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范SL74-95）第九頁，共125頁。第十頁，共125頁。第十一頁，共125頁。第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展第十二頁，共125頁。一、鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展的條件我國的鋼產(chǎn)量從1996年起年產(chǎn)已突破1億噸,2001年1.57億噸，2002年達1.8億噸。鋼產(chǎn)量的提高為發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)提供了主要的物質(zhì)基礎(chǔ)。一系列的規(guī)范和規(guī)程的頒發(fā)及計算機技術(shù)的應(yīng)用、材料、設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，使我國的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展具備了必要的技術(shù)基礎(chǔ)?！吨袊ㄖ夹g(shù)政策》（1996年

2010年）中具體地提出了發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)的要求，這是幾十年來第一次國家明確提出的政策支持。這些將會促進鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的進一步發(fā)展，必將對鋼結(jié)構(gòu)提出更多更高的要求。鋼結(jié)構(gòu)是環(huán)保型的、易于產(chǎn)業(yè)化的和可再次利用的或者說可持續(xù)發(fā)展的結(jié)構(gòu)，應(yīng)積極合理地擴大在工程中的應(yīng)用。第十三頁，共125頁。二、鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的幾個方面1.設(shè)計方法和計算理論的改進1）水工、橋梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)早日采用概率極限狀態(tài)設(shè)計法。2）(GB50017)向采用更為先進合理的全概率極限狀態(tài)設(shè)計法的方向努力。3）設(shè)計由構(gòu)件或某一截面的可靠度，向以整個結(jié)構(gòu)體系可靠度分析為目標的結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展。4)鋼結(jié)構(gòu)的計算理論，如穩(wěn)定計算、塑性設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計以及在動力荷載作用下的性能等，都需要進一步深入研究。第十四頁，共125頁。二、鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的幾個方面2.優(yōu)質(zhì)鋼材的應(yīng)用采用高強度鋼材:可以用較少的材料做成功效較高的結(jié)構(gòu)，對于跨度大、荷載大的結(jié)構(gòu)和移動式結(jié)構(gòu)極為有利。國外已把屈服強度為700～800N/mm2或更高強度的低合金結(jié)構(gòu)鋼列入設(shè)計規(guī)范。研究強度更高的鋼材及其合理使用將是重要的課題。生產(chǎn)和推廣應(yīng)用經(jīng)濟斷面鋼材：如軋制H型鋼、T型鋼、冷彎薄壁型鋼、彩色涂層壓型鋼板等。研制和應(yīng)用高功能結(jié)構(gòu)鋼：（1）耐火鋼：我國已生產(chǎn)出了耐火耐候鋼，并用于工程建設(shè)。（2）耐大氣腐蝕鋼（耐候鋼）：研究生產(chǎn)新的高性能耐候鋼和耐火耐候鋼及涂料仍然是今后研究的重點。12（3）低屈強比耐震結(jié)構(gòu)鋼：鋼材的屈強比越低，材料破斷前產(chǎn)生穩(wěn)定塑性變形的能力越高，吸震性能越好。第十五頁，共125頁。二、鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的幾個方面3.結(jié)構(gòu)型式的革新新型結(jié)構(gòu)：如網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、薄壁型鋼結(jié)構(gòu)、懸掛結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)和其它雜交結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)、鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)、4.制造工業(yè)水平的提高改進鋼結(jié)構(gòu)制造的工藝和進行設(shè)備更新，提高機械化和自動化水平。應(yīng)促進一些結(jié)構(gòu)形成系列化、標準化、產(chǎn)品化，實現(xiàn)工廠化批量生產(chǎn)，作為產(chǎn)品投放市場，降低造價。第十六頁，共125頁。5、最優(yōu)化原理的應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計包括確定優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式和確定優(yōu)化的截面尺寸。由于電子計算機的逐步普及，促使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計得到相應(yīng)的發(fā)展。我國編制的鋼吊車梁標準圖集，就是根據(jù)耗鋼量最小的條件寫出目標函數(shù)，把強度、穩(wěn)定、剛度等一系列設(shè)計要求作為約束條件，用計算機解得優(yōu)化的截面尺寸，比過去的標準設(shè)計節(jié)省鋼材5％～10％。優(yōu)化設(shè)計已逐步推廣到塔桅結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計等各個方面。第十七頁，共125頁。設(shè)計參考資料《水工設(shè)計手冊》《水閘》《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》2003《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》1991《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》1997《船閘總體設(shè)計規(guī)范》2001《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》2003第十八頁，共125頁。練習(xí)大跨度結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先選用鋼材，其主要原因是。（A）鋼結(jié)構(gòu)具有良好的裝配性

（B）鋼材的韌性好

（C）鋼材接近均質(zhì)等向體，力學(xué)計算結(jié)果與實際結(jié)果最符合

（D）鋼材的重量與強度之比小于混凝土等其他材料第十九頁，共125頁。上節(jié)總結(jié)：一、課程內(nèi)容：鋼結(jié)構(gòu)是采用鋼材制作而成的結(jié)構(gòu)，是建筑工程的主要結(jié)構(gòu)形式之一。課程的主要內(nèi)容包括材料、連接、基本構(gòu)件、典型建結(jié)構(gòu)的設(shè)計四大部分。不同結(jié)構(gòu)形式都是由基本構(gòu)件連結(jié)而成，基本構(gòu)件的核心問題是穩(wěn)定問題。二、鋼結(jié)構(gòu)的特點：可靠性高、材料的強度高，鋼結(jié)構(gòu)自重輕，鋼材的塑性和韌性好，鋼結(jié)構(gòu)制造簡便，施工工期短，鋼結(jié)構(gòu)密閉性好,鋼材的耐銹蝕性差，鋼結(jié)構(gòu)耐熱但不耐火，鋼材在低溫時脆性增大三、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：1.大跨度結(jié)構(gòu)2.高層建筑3.工業(yè)建筑4.輕型結(jié)構(gòu)5.高聳結(jié)構(gòu)6.活動式結(jié)構(gòu)7.可拆卸或移動的結(jié)構(gòu)

8.容器和大直徑管道9.抗震要求高的結(jié)構(gòu)10.急需早日交付使用的工程或運輸條件差的工程11特種結(jié)構(gòu)12鋼橋13、住宅水工：鋼閘門、攔污柵、升船機、壓力管（水庫、壓力前池、調(diào)壓室向水輪機輸送）。綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)是在各種工程中廣泛應(yīng)用的一種重要的結(jié)構(gòu)形式。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和鋼產(chǎn)量的提高，鋼結(jié)構(gòu)將會發(fā)揮日益重要的作用。第二十頁，共125頁。第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法第二十一頁，共125頁。設(shè)計要求：不適合采用其他材料結(jié)構(gòu)時采用。優(yōu)先采用定型和標準化的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點。研究和完善結(jié)構(gòu)型式時，應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)簡化和材料集中使用（擴大構(gòu)件）?？煽啃员ＷC——運輸、安裝、使用過程合理選材、精心設(shè)計、保證耐久性盡可能先進設(shè)計方法、連接方式、結(jié)構(gòu)形式、材料減輕自重節(jié)省鋼材，受力明確，發(fā)揮鋼材性能防腐、防高溫、低溫造型美觀第二十二頁，共125頁。一．結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的

任何結(jié)構(gòu)都是為了完成所要求的某些功能而設(shè)計的。工程結(jié)構(gòu)必須具備下列功能：1．安全性：結(jié)構(gòu)在正常施工和正常使用條件下，承受可能出現(xiàn)的各種作用的能力，以及在偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，仍保持必要的整體穩(wěn)定性的能力。2．適用性：結(jié)構(gòu)在正常使用的條件下，滿足預(yù)定使用要求的能力.3．耐久性：結(jié)構(gòu)在正常維護條件下，隨時間變化而仍能滿足預(yù)定功能要求的能力。結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。結(jié)構(gòu)設(shè)計（計算）的目的是在滿足各種預(yù)定功能的前提下，做到技術(shù)先進、安全適用、經(jīng)濟合理和確保質(zhì)量。要實現(xiàn)這一目的，必須借助于合理的設(shè)計方法。第二十三頁，共125頁。

二設(shè)計方法1．影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素對于一般的工程結(jié)構(gòu)，影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素可以歸并為荷載效應(yīng)S（荷載作用引起的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力、變形等）和結(jié)構(gòu)抗力R

（結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受荷載效應(yīng)的能力，如承載力、剛度等）兩個基本變量。Z=R-S（1-1）

Z—結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能狀態(tài)的函數(shù)。

Z>0結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；

Z<0結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；

Z＝0結(jié)構(gòu)處于臨界狀態(tài)，一旦超過這一狀態(tài)，結(jié)構(gòu)將不再能滿足設(shè)計要求。因此它也稱為極限狀態(tài)。第二十四頁，共125頁。2．概率極限狀態(tài)設(shè)計法1)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮下列兩種極限狀態(tài)：（1）承載能力極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力，或達到不適于繼續(xù)承載的變形的極限狀態(tài)。（2）正常使用極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到使用功能上允許的某一限值的極限狀態(tài)。2)結(jié)構(gòu)可靠度：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率(Pr)。

Pf=P(z<0)Pr=P(z≥0)=1-Pf

二．設(shè)計方法第二十五頁，共125頁。設(shè)計使用年限分類類別設(shè)計使用年限示例15臨時性結(jié)構(gòu)225易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件350普通房屋和構(gòu)筑物4100紀念性建筑和特別重要的結(jié)構(gòu)第二十六頁，共125頁。3）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50017)設(shè)計方法對于承載能力極限狀態(tài)采用應(yīng)力表達式正常使用極限狀態(tài)4）現(xiàn)行水工、橋梁鋼結(jié)構(gòu)專門規(guī)范的設(shè)計方法—容許應(yīng)力法（如水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范SL74-95）第二十七頁，共125頁。第二十八頁，共125頁。第二十九頁，共125頁。計算指標的標準值與設(shè)計值(1)標準值指某項計算指標在結(jié)構(gòu)使用期間內(nèi)在正常情況下的最不利的可能值。由于各種變異因素，其可能值一般情況下是隨機變量。為確保結(jié)構(gòu)計算的可靠性要求，規(guī)范規(guī)定了各種計算參數(shù)的標準值取值方法和取值標準。例如，結(jié)構(gòu)所承受的各種荷載的標準值應(yīng)按現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定采用。鋼材的強度標準值，按某種鋼材在強度試驗時的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以概率統(tǒng)計保證率不低于95％的上限值選取。第三十頁，共125頁。

(2)設(shè)計值考慮到設(shè)計計算時和施工中許多不可預(yù)計與不可避免因素造成的誤差，以及使用過程中各種偶然因素對結(jié)構(gòu)的影響，為保證結(jié)構(gòu)的可靠度指標符合規(guī)定要求，在按極限狀態(tài)進行概率分析時，規(guī)定了各種計算參量在設(shè)計計算中的取值要求，稱為各指標的設(shè)計值。

設(shè)計值一般按標準值乘以(或除以)規(guī)定的荷載分項系數(shù)(或結(jié)構(gòu)抗力系數(shù))取得。結(jié)構(gòu)抗力指標(強度、剛度等)的設(shè)計值，通?？捎梢?guī)范提供的相關(guān)表格中直接查到。荷載分項系數(shù)按結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范選取。同時，我們把按各項計算參量的設(shè)計值要求，計算所得的某項功能指標，稱為該指標的設(shè)計值。例如荷載作用下桿件的彎矩設(shè)計值、軸力設(shè)計值等。第三十一頁，共125頁。

學(xué)習(xí)本章的主要目的是如何選擇鋼材。這就要求首先掌握鋼材的性能，其中最重要的是脆斷。第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料第三十二頁，共125頁。第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)對所用材料的要求第三十三頁，共125頁。1.塑性破壞：鋼材在產(chǎn)生很大的變形以后發(fā)生的斷裂破壞稱為塑性破壞，也稱為延性破壞。塑性破壞是由于變形過大，超過了材料或構(gòu)件可能的應(yīng)變能力而產(chǎn)生的，而且僅在構(gòu)件的應(yīng)力達到了鋼材的抗拉強度后才發(fā)生。在塑性破壞前，由于總有較大的塑性變形發(fā)生，且變形持續(xù)的時間較長，很容易及時發(fā)現(xiàn)而采取措施予以補救，不致引起嚴重后果。而且適度的塑性變形能起到調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的作用，使原先結(jié)構(gòu)應(yīng)力不均勻的，局部高峰的應(yīng)力部分趨于均勻，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力。2.脆性破壞：鋼材在變形很小的情況下突然發(fā)生斷裂破壞。分為一般脆性破壞和疲勞破壞應(yīng)力集中（動力荷載、同號復(fù)雜應(yīng)力）、本身質(zhì)量問題（低溫冶金和機械加工過程中產(chǎn)生的缺陷，特別是缺口和裂紋，常是斷裂的發(fā)源地，元素含量、夾雜物、晶粒較粗）、低溫、鋼板厚度（主應(yīng)力控制，易于脆性斷裂）由于脆性破壞具有突然性，無法預(yù)測，而且個別構(gòu)件的斷裂常引起整個結(jié)構(gòu)塌毀，危及生命財產(chǎn)的安全，后果嚴重。故比塑性破壞要危險得多，在鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計、施工與安裝中應(yīng)采取適當措施盡力避免——選好材、減少應(yīng)力集中、設(shè)計構(gòu)件選用較薄鋼板一、鋼材的破壞形式第三十四頁，共125頁。第三十五頁，共125頁。第三十六頁，共125頁。

鋼結(jié)構(gòu)的原材料是鋼，鋼的種類繁多，性能差別很大，適用于鋼結(jié)構(gòu)的鋼只是其中的一小部分。用作鋼結(jié)構(gòu)的鋼必須符合下列要求：

1、強度fy、fu高：

2、塑性、韌性、耐久性好：可防止脆性破壞，抗動力荷載好，耐疲勞。

3、良好的加工性能：冷、熱加工和可焊性好

4、耐腐性好

5、價格便宜(易于施工、價格合理)有時還要求鋼材具有適應(yīng)低溫、高溫等環(huán)境的能力。二、鋼結(jié)構(gòu)對所用材料的要求物美價廉第三十七頁，共125頁。規(guī)范規(guī)定按以上要求，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范具體規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(yīng)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(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)采用的鋼材還應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證。對需要驗算疲勞強度的結(jié)構(gòu)用鋼材，根據(jù)具體情況應(yīng)當具有常溫或負溫沖擊韌性的合格保證。第三十八頁，共125頁。二、鋼結(jié)構(gòu)對所用材料的要求《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50017)》推薦使用：碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼中的Q345鋼、Q390鋼、Q420鋼。隨著研究的深入，必將有一些滿足要求的其它種類鋼材可供使用。若選用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范還未推薦的鋼材時，需有可靠的依據(jù)，以確保鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。專用鋼結(jié)構(gòu)用材見相關(guān)規(guī)范。第三十九頁，共125頁。第二節(jié)鋼材的主要機械性能第四十頁，共125頁。◎鋼材的主要性能

鋼材的主要性能包括鋼材的力學(xué)性能、焊接性能與耐久性能。鋼材的機械性能（力學(xué)性能）通常是指鋼廠生產(chǎn)供應(yīng)的鋼材在標準條件下拉伸、冷彎和沖擊等單獨作用下顯示出的各種機械性能。它包括強度、塑性、冷彎性能及韌度等。它們由相應(yīng)實驗得到，試驗采用試件的制作和試驗方法都必須按照各相關(guān)國家標準規(guī)定進行。第四十一頁，共125頁。一、單向拉伸時的性能（強度性能）

鋼材的強度性能可用幾個有代表性的強度指標來表述，它包括材料的比例極限、彈性極限、屈服點與抗拉強度。用以下實驗顯示：標準試件在室溫（10℃～35℃)、以滿足靜力加載的加載速度一次加載所得鋼材的應(yīng)力σ～ε應(yīng)變曲線顯示的鋼材機械性能如下：第四十二頁，共125頁。(1)彈性階段：σ≤fp，σ與ε呈線性關(guān)系，稱該直線的斜率E為鋼材的彈性模量。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對所有鋼材統(tǒng)一取E=2.06×105N/mm2。比例極限fp：這是應(yīng)力一應(yīng)變圖中直線段的最大應(yīng)力值。實際上，比比例極限略高處還存在彈性極限，但彈性極限與比例極限十分接近，所以通常略去彈性極限的點，將比例極限看做是彈性極限。這樣，當應(yīng)力不超過比例極限時，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，卸荷后變形完全恢復(fù)，符合虎克定律。這一階段是彈性階段OA。(2)彈塑性階段：σ與ε呈非線性關(guān)系，切線模量Et＝dσ/dε,Et隨應(yīng)力增大而減小，當σ=fy時，Et=0。應(yīng)變超過比例極限之后不再與應(yīng)力成正比，而是逐漸加大，應(yīng)力一應(yīng)變成曲線關(guān)系，一直到達屈服點。這一階段是彈塑性階段AB，B點的應(yīng)力為屈服點。這一階段的變形由彈性變形和塑性變形組成，其中彈性變形在卸載后恢復(fù)為零，而塑性變形不能恢復(fù)，成為殘余變形，或者叫永久變形。第四十三頁，共125頁。(3)塑性階段，也稱屈服階段：σ=fy后鋼材暫時不能承受更大的荷載，且伴隨產(chǎn)生很大的變形，因此，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計取fy作為強度極限承載力的標志當應(yīng)力達到屈服強度后，應(yīng)力保持不變而應(yīng)變持續(xù)發(fā)展，形成水平階段，即屈服平臺BC。這時猶如鋼材屈服于所施加的荷載，故稱為屈服階段。實際上由于加載速度及試件狀況等使用條件的不同，屈服開始時總是形成曲線上下波動，波動最高點稱為上屈服點，最低點為下屈服點。下屈服點的數(shù)值對試驗條件不敏感，所以計算時取下屈服點作為鋼材的屈服極限．含碳量高的鋼或高強度鋼（調(diào)質(zhì)處理低合金鋼），一般沒有明顯的屈服點，這時取對應(yīng)于殘余應(yīng)變=0．2％時的應(yīng)力作為鋼材的屈服點，稱為條件屈服點或屈服強度。為簡單劃一，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中常不區(qū)分鋼材的屈服點或條件屈服點，而統(tǒng)一稱作屈服強度?？紤]應(yīng)力達到屈服強度后鋼材暫時不能承受更大的荷載，且伴隨產(chǎn)生很大的變形，因此鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計取屈服強度作為鋼材的強度承載力極限。（鋼材強度標準值）第四十四頁，共125頁。(4)強化階段：試件能承受的最大拉應(yīng)力fu為鋼材的抗拉強度。fu作為材料的強度儲備。鋼材經(jīng)歷了屈服階段較大的塑性變形后，金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，出現(xiàn)應(yīng)變硬化，產(chǎn)生了繼續(xù)承受增長荷載的能力，應(yīng)力一應(yīng)變曲線又開始上升，一直到D點，應(yīng)變達到20%甚至更大，稱為鋼材的強化階段。試件能承受的最大拉應(yīng)力，稱為鋼材的抗拉強度。在這一階段的變形模量稱為強化模量，它比彈性模量低得多。第四十五頁，共125頁。(5)頸縮破壞階段

到達抗拉強度后，試件出現(xiàn)局部橫向收縮變形，隨后斷裂。因為到達屈服強度后，產(chǎn)生較大變形，所以取其為強度標準值，而到達D點后，構(gòu)件開始斷裂，所以抗拉強度作為強度儲備。屈強比表示強度儲備大小(6)可把鋼材視為理想彈塑性體。第四十六頁，共125頁。第四十七頁，共125頁。二、塑性變形能力

塑性是指鋼材破壞前產(chǎn)生塑性變形的能力，其值可用由靜力拉伸試驗得到的力學(xué)性能指標伸長率δ=(l1-l0)/l0*100%與截面收縮率來衡量。值越大，表明鋼材塑性越好。截面收縮率還可反映鋼材的頸縮部分在三向拉應(yīng)力情況下的最大塑性變形能力，這對于需考慮厚度方向抗層狀撕裂能力的z向鋼板很重要。第四十八頁，共125頁。三、冷彎性能將試件彎成180o，若試件外表面不出現(xiàn)裂紋和分層，即為合格。比單項拉伸試驗更嚴格，反應(yīng)鋼材的冷加工性能，而且還可暴露鋼材的內(nèi)部缺陷綜合反映鋼材的塑性性能和冶金質(zhì)量。重要結(jié)構(gòu)中需要有良好的冷熱加工性能時，應(yīng)有冷彎合格保證。第四十九頁，共125頁。三、沖擊韌性（缺口韌性）

韌性是鋼材斷裂吸收機械能能力的度量，應(yīng)力應(yīng)變曲線下面面積大小，不能用于實際工作中衡量（應(yīng)力集中和動荷載）沖擊韌性值用擊斷帶V形缺口試樣所需的沖擊功AkV表示,單位為J。衡量抵抗脆性破壞的能力。沖擊韌性與溫度有關(guān)當溫度低于某一負溫值時，沖擊韌性值將急劇降低。因此在寒冷地區(qū)建造的直接承受動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)，除應(yīng)有常溫沖擊韌性的保證外，尚應(yīng)依鋼材的類別，使其具有-20℃或-40℃的沖擊韌性保證，應(yīng)AkV≥27J（焦耳）。第五十頁，共125頁。第五十一頁，共125頁。第五十二頁，共125頁。第五十三頁，共125頁。四、鋼材受壓和受剪時的性能鋼材在單向受壓（短試件）時，受力性能基本上與單向受拉相同。受剪的情況也相似，但受剪屈服強度τy及抗剪強度τu均低于fy和fu；剪變模量G也低于彈性模量E。第五十四頁，共125頁。第五十五頁，共125頁。五、鋼材的焊接性能鋼材的焊接性是指在給定的構(gòu)造形式和焊接工藝條件下獲得符合質(zhì)量要求的焊縫連接的性能。焊接性能差的鋼材在焊接的熱影響區(qū)容易發(fā)生脆性裂縫(如熱裂縫或冷裂縫)，不易保證焊接質(zhì)量，除非采用特定的復(fù)雜焊接工藝。故對于重要的承受動力荷載的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)對所用鋼材進行焊接性能的鑒定。鋼材的焊接性能可用試驗焊縫的試件進行試驗，以測定焊縫及其熱影響區(qū)鋼材的抗裂性、塑性和沖擊韌性等。鋼材的焊接性能除了與鋼的含碳量等化學(xué)成分密切相關(guān)外，還與鋼的塑性及沖擊韌性有密切關(guān)系。一般來說沖擊韌性合格的鋼材，其焊接質(zhì)量也容易保證焊接工藝評定報告第五十六頁，共125頁。第五十七頁，共125頁。六、鋼材的耐久性能鋼材的耐久性主要表現(xiàn)為其抗腐蝕性能。對于長期暴露在空氣中或經(jīng)常處于干濕交替環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生銹蝕破壞。（水工鋼閘門，15年承載能力下降）鋼材腐蝕速度：普通碳鋼每年的腐蝕速度經(jīng)常能達到0.3-0.4毫米/年，不銹鋼腐蝕速率＜0.005mm/年。/單位時間單位面積腐蝕減損的重量腐蝕對鋼結(jié)構(gòu)的危害不僅僅是對鋼材有效截面的均勻削弱，而且由此產(chǎn)生的局部銹坑會導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而降低結(jié)構(gòu)的承載力，使其產(chǎn)生脆性破壞。故對鋼材的防銹蝕問題及防腐措施應(yīng)特別重視。第五十八頁，共125頁。防腐措施1、涂料保護2、噴鍍保護3、電化學(xué)保護第五十九頁，共125頁。脆斷事故建筑材料中，鋼材屬彈塑性材料。但是，鋼材脆性斷裂、構(gòu)件脆性破壞的工程事故仍時有發(fā)生。

1．不合格鋼筋脆斷在工程現(xiàn)場，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)不合格鋼筋被用于建筑工程。這些鋼筋，一部分是回爐熱軋再生鋼筋，一部分是鄉(xiāng)鎮(zhèn)小廠利用拆船鋼或廢舊鋼材軋制。其表面質(zhì)量差，形狀很不規(guī)則，甚至伴有竹筍狀裂縫或縱向裂縫。這些鋼筋力學(xué)性能變化幅度很大，有的強度相當高，抗拉試驗曲線沒有屈服點，彎曲試驗裂或斷。這些不合格鋼筋，許多被當作HRB335鋼筋用于主體工程，造成質(zhì)量事故。如某電器廠房880m2的樓面因柱筋偏位，用鋼筋扳手進行彎折糾偏，有部分柱筋稍加彎曲即斷裂。經(jīng)取樣檢驗，發(fā)現(xiàn)該樓層鋼筋抗拉強度有的高達850～950MPa、伸長率1％左右、彎曲試驗脆斷。致該層樓蓋拆除重做，損失巨大。

第六十頁，共125頁。我國現(xiàn)行規(guī)范對鋼材出廠合格證和現(xiàn)場取樣檢驗都有嚴格規(guī)定，不合格的鋼材不準出廠、不準使用；并規(guī)定“鋼筋在加工過程中，如發(fā)現(xiàn)脆斷、焊接性能不良或力學(xué)性能顯著不正常等現(xiàn)象，尚應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行國家標準對該批鋼筋進行化學(xué)成分檢驗或其他專項檢驗”，“當對鋼材的質(zhì)量有疑義時，應(yīng)按國家現(xiàn)行標準進行抽樣檢驗”。第六十一頁，共125頁。第六十二頁，共125頁。

2．鋼筋彎曲直徑過小脆斷某電廠車間工地現(xiàn)澆平臺鋼筋隱蔽驗收時發(fā)現(xiàn)，有部分鋼筋在彎曲部位有裂紋，個別甚至已斷開，梁筋錨固可能失效，當即停工檢查原因。經(jīng)檢查，該批鋼筋是大廠家生產(chǎn)、有出廠合格證，工地取樣送市檢其力學(xué)性能合格；取樣作化學(xué)分析，也合格。再檢查，原來是現(xiàn)場施工的彎曲機用直50mm的彎心去彎曲鋼筋(按規(guī)范，直徑應(yīng)不小于130mm)，致使一部分鋼筋在彎曲部位的外側(cè)產(chǎn)生裂紋；另一部分鋼筋則因彎曲過了頭，再將之回彎一些，在彎曲部位內(nèi)側(cè)產(chǎn)生裂紋。第六十三頁，共125頁。冷彎案例第六十四頁，共125頁。案例第六十五頁，共125頁。鋼材原料質(zhì)量控制

1．復(fù)印件作假、泛濫問題許多單位工程中，鋼材出廠質(zhì)量證明書幾乎全是建材公司提供的復(fù)印件(或施工單位的再復(fù)印件)，其真實性大有問題：(1)由于轉(zhuǎn)手太多，復(fù)印件上的采購單位、使用單位往往與單位工程無關(guān)。

(2)復(fù)印次數(shù)無限制，無“驗收批”可言，且“張冠李戴”。

(3)力學(xué)性能復(fù)驗結(jié)果，其屈服點、抗拉強度、伸長率等與復(fù)印件的數(shù)據(jù)出入很大。鑒于當前復(fù)印件作假、泛濫情況，建議對僅持有復(fù)印件的鋼材，均應(yīng)按《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50205--2001)的規(guī)定，視為“對質(zhì)量有疑義的鋼材”，應(yīng)經(jīng)見證取樣、送樣進行復(fù)驗。第六十六頁，共125頁。2．伸長率不足問題原材料復(fù)驗，有時會碰到鋼材力學(xué)性能試驗各項指標均正常，僅伸長率低于標準值問題，毛病往往出在試件制作。鋼材試件一般先用氧乙炔粗切割，再上刨床(或銑床)精加工成標準試件。如果粗切割預(yù)留量不足，試件周邊受火焰切割熱影響變脆，會降低鋼材的伸長率。用燒割法取樣胚，規(guī)范作法是，試件的每個邊應(yīng)至少預(yù)留20vm，及不小于該鋼材厚度的切削加工余量；火焰切割后，試件應(yīng)在空氣中自然冷卻(不能用水冷卻，雨天應(yīng)在室內(nèi)進行)；試件加工不但幾何尺寸要準確，而且不能留有火焰切割的痕跡。第六十七頁，共125頁。練習(xí)1、鋼材在低溫下，強度（），塑性（），沖擊韌性（）。A提高B下降C不變D可能提高也可能下降2、鋼材在構(gòu)件發(fā)生斷裂破壞前，有明顯先兆的情況是（）的典型特征。A塑性破壞B脆性破壞C強度破壞D失穩(wěn)破壞3、鋼材的設(shè)計強度是根據(jù)（）確定的。A比例極限B彈性極限C屈服點D極限強度4、同類鋼種的鋼材，厚度越大，（）。A強度越低B塑性越好C韌性越好D內(nèi)部構(gòu)造缺陷越少第六十八頁，共125頁。練習(xí)1．焊接承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有下列哪些力學(xué)性能的保證?()。A．屈服強度、伸長率B．抗拉強度、屈服強度、伸長率C．抗拉強度、屈服強度、伸長率、沖擊韌性D．抗拉強度、屈服強度、伸長率、冷彎試驗第六十九頁，共125頁。第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素第七十頁，共125頁。影響因素：化學(xué)成分生產(chǎn)過程溫度冷加工硬化和時效硬化復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力集中的影響其他影響因素：反復(fù)荷載、殘余應(yīng)力第七十一頁，共125頁。一、化學(xué)成分的影響制造鋼結(jié)構(gòu)所用的材料有碳素結(jié)構(gòu)鋼中的低碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼。低合金結(jié)構(gòu)鋼中，除上述元素外還加入少量合金元素，后者總量通常不超過3％。碳和其他元素雖然所占比重不大，但對鋼材的力學(xué)性能有著決定性的影響?；瘜W(xué)成分直接影響到鋼的顆粒組織和結(jié)晶構(gòu)造，從而影響鋼材的力學(xué)性能。（附錄一）碳(C)、錳（Mn）、釩（V）是有利元素，但也要注意對含量的限制。

硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）會降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞性能。應(yīng)嚴格限制含量。第七十二頁，共125頁。第七十三頁，共125頁。第七十四頁，共125頁。化學(xué)成分影響(1)碳。碳是碳素結(jié)構(gòu)鋼中僅次于鐵的元素，是影響鋼材強度的主要因素。隨著碳含量的增加，鋼材的強度提高，而塑性和韌性下降，同時冷彎性能、焊接性能和抗銹蝕性能也變差。因此，結(jié)構(gòu)用鋼中一般應(yīng)控制在0．17％～0．22％，碳含量一般不應(yīng)超過0．22％；對焊接結(jié)構(gòu)，為了有良好的焊接性能，碳含量應(yīng)低于0．20％。

(2)硫。硫是一種有害元素，它會降低鋼材的韌性、疲勞強度、抗銹蝕性能和焊接性能等，尤其在高溫時，會使鋼材變脆，稱為熱脆。（硫化鐵，高溫熔化，焊接和熱加工時產(chǎn)生熱裂紋——熱脆）因而應(yīng)嚴格控制鋼材中的含硫量，隨著鋼材牌號和質(zhì)量等級的提高，含硫量的限值由0．05％依次降至0．025％，厚度方向性能鋼板(抗層狀撕裂鋼板)，含硫量要求控制在0．01％以下。第七十五頁，共125頁。化學(xué)成分

(3)磷。磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷的存在使鋼材的強度和抗銹蝕能力提高，但嚴重降低鋼材的塑性、韌性、冷彎性能和焊接性能，特別在低溫時，會使鋼材變脆，稱為冷脆。因此，磷的含量也要嚴格控制，隨著鋼材牌號和質(zhì)量等級的提高，含磷量的限值由0．045％依次降至0．025％。但是當采取特殊的冶煉工藝時，磷可作為一種合金元素來制造含磷的低合金鋼，此時其含量可達0．12％～o．13％。(4)氧和氮。均為鋼材的有害雜質(zhì)。氧的作用和硫類似，使鋼材熱脆（0.05%）；而氮的作用和磷類似，使鋼材冷脆（0.008%）。第七十六頁，共125頁?；瘜W(xué)成分(5)錳。錳是有益元素，在普通碳素鋼中，是一種弱脫氧化劑，可提高鋼材的強度，消除硫、氧對鋼材的熱脆影響，改善鋼材的熱加工性能及熱脆傾向。同時不顯著降低鋼材的塑性和韌性。在碳素結(jié)構(gòu)鋼中錳的含量為0．3％～o．8％，在低合金鋼中為1．0％～1．7％。但錳可使鋼材的焊接性能降低，因此含量也不宜過多。(6)硅。硅是有益元素，在普通碳素鋼中，它是一種強脫氧化劑，適量的硅，可以細化晶粒，提高鋼材的強度，而對塑性、韌性、冷彎性能和焊接性能無顯著不良影響，硅的含量在碳素鎮(zhèn)靜鋼中為0．12％～o．30％，在低合金鋼中為0．2％～o．55％。過量的硅會惡化焊接性能和抗銹蝕性能。為改善鋼材的性能，還可摻入一定數(shù)量的其他合金元素，如鋁、鉻、鎳、銅、鈦、釩（韌性、抗腐蝕性）第七十七頁，共125頁。聯(lián)練習(xí)鋼中硫和氧的含量超過限制時，會使鋼材（）(A)變軟

(B)熱脆

(C)冷脆

(D)變硬第七十八頁，共125頁。二、鋼材生產(chǎn)過程的影響鋼的脫氧

鋼液中殘留的氧，將使鋼材晶粒粗細不勻并發(fā)生熱脆。因此澆注鋼錠時要在爐中或盛鋼桶中加入脫氧劑以消除氧。因脫氧程度或方法不同，把鋼分為沸騰鋼(F)、半鎮(zhèn)靜鋼(b)、鎮(zhèn)靜鋼(Z)和特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ)。鋼材的軋制將鋼錠加熱至1200～1300℃，通過軋鋼機將其軋成所需形狀和尺寸的鋼材，稱為熱軋鋼材。軋鋼機的壓力作用可使鋼錠中的小氣泡和裂紋彌合，并使組織密實。鋼材的壓縮比（鋼坯與軋成鋼材厚度之比）愈大時，其強度和沖擊韌性也愈高。常見的冶金缺陷有偏析、非金屬夾雜分層、氣孔等。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)在軋制后能造成鋼材的分層，分層使鋼材沿厚度受拉的性能大大降低。；氣孔是澆鑄鋼錠時，由于氧化鐵與碳作用所生成的一氧化碳不能充分逸出而滯留在鋼錠內(nèi)形成的微小孔洞。這些缺陷都將降低鋼材的性能。冶金缺陷對鋼材性能的影響，不僅在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受力工作時表現(xiàn)出來，有時在加工制作過程中也可表現(xiàn)出來。第七十九頁，共125頁。三、溫度的影響正溫度范圍內(nèi)(t>0℃)：t<200℃時，鋼材的性能變化不大。t在250℃左右，鋼材塑性和韌性下降，破壞常呈脆性破壞特征。t=(260～320)℃時，鋼材有徐變現(xiàn)象。t>300℃時，鋼材的強度和E開始顯著下降，而δ顯著增大。t>400℃時，鋼材的強度和E都急劇降低。t>600℃時,其承載能力幾乎喪失。150℃以上熱輻射或可能受到灼熱熔化金屬侵害應(yīng)考慮設(shè)置隔熱保護層。第八十頁，共125頁。三、溫度的影響負溫度范圍內(nèi)(t<0℃)：隨著溫度降低，塑性

和韌性降低，材料變

脆，稱為低溫冷脆。鋼材沖擊韌性與溫度

的關(guān)系曲線反彎點所

對應(yīng)的溫度T0稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。設(shè)計選用鋼材時應(yīng)使其脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的下限溫度t1低于結(jié)構(gòu)所處的工作環(huán)境溫度，即可保證鋼結(jié)構(gòu)低溫工作的安全。不要求大于T2低溫環(huán)境工作的結(jié)構(gòu)要有負溫沖擊韌性的合格保證。第八十一頁，共125頁。四、冷加工硬化和時效硬化1.應(yīng)變硬化

鋼材在常溫下加工稱為冷加工。冷軋、冷彎、沖孔、機械剪切等冷加工使鋼材產(chǎn)生很大的塑性變形，從而使屈服強度fy提高，但同時降低了鋼材的塑性和韌性，這種現(xiàn)象稱為冷加工硬化。2.時效硬化

鋼材經(jīng)過一定時間后強度提高但塑性降低，這種現(xiàn)象稱為時效硬化。不同種類鋼材的時效硬化過程可從幾小時到數(shù)十年。在高溫時融化于鐵中的少量氮和碳，隨著時間的推移逐漸從純鐵中析出，生成碳化物和氮化物，對純鐵體的塑性變形起遏制作用，從而使鋼材的強度提高，塑性和韌性下降，這種現(xiàn)象稱為時效硬化，俗稱老化。產(chǎn)生時效硬化的過程一般較長，但在振動荷載、反復(fù)荷載及溫度變化等情況下，會加速發(fā)展。在鋼材產(chǎn)生一定數(shù)量的塑性變形后，鐵中的氮和碳將更容易析出，從而使已經(jīng)冷作硬化的鋼材又發(fā)生時效硬化現(xiàn)象，稱為應(yīng)變時效硬化，第八十二頁，共125頁。四、冷加工硬化和時效硬化3.人工時效

使鋼材產(chǎn)生10%的塑性變形，再加熱到200～300℃，然后冷卻到室溫進行試驗。這樣可使時效在幾小時內(nèi)完成。檢驗沖擊韌性4.設(shè)計要求

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計一般不利用冷加工硬化造成的強度提高，而且對直接承受動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)還應(yīng)設(shè)法消除冷加工硬化的影響，如將局部硬化部分用刨邊或擴鉆予以消除。第八十三頁，共125頁。在復(fù)雜應(yīng)力如平面或

立體應(yīng)力作用下鋼材的屈服并不只取

決于某一方向的應(yīng)力，而是由反映各方向應(yīng)

力綜合影響的屈服條

件來確定。同號應(yīng)力場使材料脆性加大。

五、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的影響第八十四頁，共125頁。六、應(yīng)力集中的影響鋼構(gòu)件在缺陷或截面變化處附近

將產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，其余部位

應(yīng)力較低，稱為應(yīng)力集中?？锥?、凹角、裂縫、截面突變在應(yīng)力高峰區(qū)域存在著同號的雙

向或三向應(yīng)力。這種同號的雙向或三向應(yīng)力場有

使鋼材變脆的趨勢。應(yīng)力集中系

數(shù)越大，變脆的傾向亦愈嚴重。在負溫下或動力荷載作用下，應(yīng)力集中往往是引起脆性斷裂的根源，設(shè)計中應(yīng)設(shè)法避免或減小應(yīng)力集中，并選用質(zhì)量優(yōu)良的鋼材。第八十五頁，共125頁。七、其他因素影響反復(fù)荷載——疲勞破壞殘余應(yīng)力——熱軋氧割焊接的加熱和冷卻過程中在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的自相平衡的抗拉應(yīng)力，對變形、疲勞、穩(wěn)定承載力不利。第八十六頁，共125頁。練習(xí)鋼材經(jīng)冷作硬化后，屈服點()，塑性、韌性降低。A．降低B．不變C．提高D．視情況而定某構(gòu)件發(fā)生了脆性破壞，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)在破壞時構(gòu)件內(nèi)存在以下問題，但可以肯定的是，()對該破壞無直接影響。A．鋼材的屈服點過低B．構(gòu)件的荷載增加速度過快C．存在冷加工硬化D．構(gòu)件由構(gòu)造原因引起的應(yīng)力集中第八十七頁，共125頁。第四節(jié)鋼材的疲勞第八十八頁，共125頁。一、鋼材疲勞的基本概念鋼材在反復(fù)荷載作用下,在應(yīng)力低于鋼材抗拉強度甚至低于屈服點時突然斷裂,稱為鋼材的疲勞或疲勞破壞.鋼結(jié)構(gòu)中總存在有微觀裂紋或類似的缺陷,導(dǎo)致應(yīng)力集中。在多次反復(fù)荷載作用下，微觀裂紋不斷開展，應(yīng)力集中現(xiàn)象越來越嚴重。當荷載反復(fù)循環(huán)達一定次數(shù)n（疲勞壽命）時，裂紋擴展使得凈截面承載力不足以承受外力作用時，構(gòu)件突然斷裂，發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞一般經(jīng)歷裂紋形成、裂紋緩慢擴展和最后迅速斷裂三個階段。鋼材的疲勞強度取決于應(yīng)力集中(或缺口效應(yīng))和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。與靜力強度明顯關(guān)系。截面幾何形狀突然改變處的應(yīng)力集中、存在殘余應(yīng)力，對疲勞尤為不利。循環(huán)次數(shù)5萬次以上要進行疲勞計算。第八十九頁，共125頁。二、疲勞計算反復(fù)荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力重復(fù)一周叫做一個循環(huán)。Δσ=σmax-σmin稱為應(yīng)力幅，表示應(yīng)力變化的幅度。第九十頁，共125頁。影響疲勞破壞的主要因素鋼材本身質(zhì)量、構(gòu)件幾何尺寸和缺陷（結(jié)構(gòu)措施）最大應(yīng)力和應(yīng)力比越大，越安全。裂縫傳遞壓應(yīng)力（非焊接）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)力集中程度（為什么說應(yīng)力集中是影響鋼材性能重要因素）應(yīng)力幅（焊接）第九十一頁，共125頁。第九十二頁，共125頁。第九十三頁，共125頁。二、疲勞計算（容許應(yīng)力幅法）試驗表明:焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞并不是名義最大應(yīng)力σmax作用的結(jié)果，而是焊縫部位足夠大小的應(yīng)力幅反復(fù)作用的結(jié)果。非焊接結(jié)構(gòu)的的疲勞壽命不僅與應(yīng)力幅有關(guān)，還與其他因素有關(guān)。最大應(yīng)力、應(yīng)力比、循環(huán)次數(shù)和缺口效應(yīng)等規(guī)范把疲勞計算公式中的應(yīng)力幅調(diào)整為折算應(yīng)力幅，以反映其實際工作情況。疲勞計算的公式是以試驗為依據(jù)的，分為常幅和變幅疲勞兩種情況進行計算。第九十四頁，共125頁。二、疲勞計算1.常幅疲勞計算

Δσ≤[Δσ]C、β——參數(shù)，根據(jù)表2-2中的構(gòu)件和連接類別按

表2-3采用。Δσ——對焊接部位Δσ=σmax-σmin；對非焊接部

位Δσ=σmax-0.7σmin。由上式可見，容許應(yīng)力幅與鋼材的強度無關(guān)，這表明不同鋼材具有相同的抗疲勞性能。第九十五頁，共125頁。二、疲勞計算2.變幅疲勞計算可近似地按照線性疲勞累積損傷原則，將隨機變化的應(yīng)力幅折算為等效常應(yīng)力幅Δσe，按下式進行疲勞計算：2-12吊車梁：根據(jù)實測結(jié)果，推算出設(shè)計基準期50年內(nèi)各種吊車梁的應(yīng)力循環(huán)總次數(shù)n(等效于滿荷載時n=2×106次)，相應(yīng)的欠載效應(yīng)的等效系數(shù)αf值如表2-3所示，重級、中級工作制吊車梁的疲勞驗算公式為:第九十六頁，共125頁。三、疲勞計算應(yīng)注意問題當n≥5*104時，應(yīng)進行疲勞計算。疲勞計算采用的是容許應(yīng)力幅法，計算公式是以實驗為依據(jù)的，實驗中已包含了動力的影響，故荷載應(yīng)采用標準值且不乘動力系數(shù)、荷載分項系數(shù)，應(yīng)力幅按彈性工作計算。在完全壓應(yīng)力（不出現(xiàn)拉應(yīng)力）循環(huán)中，由于壓應(yīng)力不會使裂紋繼續(xù)擴展，故規(guī)范規(guī)定此種情況可不進行疲勞計算。第九十七頁，共125頁。第九十八頁，共125頁。第五節(jié)鋼材的鋼種、鋼號及選擇第九十九頁，共125頁。一、鋼種、鋼號鋼種：鋼材的種類，鋼結(jié)構(gòu)常用的是碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。鋼號：鋼材的牌號簡稱為鋼號。第一百頁，共125頁。一、鋼種、鋼號1.碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼號由等四個部分按順序組成:代表屈服點的字母Q；屈服強度數(shù)值：fy，單位是N/mm2；質(zhì)量等級符號：分為A、B、C、D四級,質(zhì)量依次提高;（依據(jù)）脫氧方法符號：沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的代號分別為F、b、Z和TZ，其中Z和TZ在鋼號中省略不寫。

鋼材的質(zhì)量等級中，A、B級鋼按脫氧方法可為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼或鎮(zhèn)靜鋼，C級為鎮(zhèn)靜鋼，D級為特殊鎮(zhèn)靜鋼。

Q195及Q215的強度比較低，而Q255的含碳量上限和Q275的含碳量都超出低碳鋼的范圍。所以建筑結(jié)構(gòu)在碳素結(jié)構(gòu)鋼這一鋼種中主要應(yīng)用Q235這一牌號，該牌號鋼材強度適中，塑性、韌性均較好，加工和焊接方面的性能也都比較好。

例如:Q235-B·F第一百零一頁，共125頁。Q235A·FQ235A．bQ235AQ235B·FQ235B．bQ235BQ235CQ235DQ195、Q215、Q235、Q255、Q275為常用牌號第一百零二頁，共125頁。一、鋼種、鋼號2.低合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼是在冶煉碳素結(jié)構(gòu)鋼時加入一種或幾種適量的合金元素而成的鋼。鋼的強度明顯提高，合金元素的總量低于5％，故稱為低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。其鋼材牌號的表示方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼相似，但質(zhì)量等級分為A、B、C、D、E五級，且無脫氧方法符號。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼分為Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五種不同強度等級的牌號。其中Q345、Q390和Q420是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定選用的鋼種，其質(zhì)量等級分為A、B、C、D、E五級，字母順序越靠后的鋼材質(zhì)量越高，這三種牌號的鋼材均具有較高的強度和較好的塑性、韌性、焊接性能。其牌號與碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號的表示方法類似，只是前者的A、B級屬于鎮(zhèn)靜鋼，C、D、E級屬于特殊鎮(zhèn)靜鋼。A例如Q345-B，Q390-D，Q420-E。第一百零三頁，共125頁。第一百零四頁，共125頁。一、鋼種、鋼號3.專用結(jié)構(gòu)鋼

特殊用途的鋼結(jié)構(gòu)常采用專用結(jié)構(gòu)鋼。專用結(jié)構(gòu)鋼的鋼號用在相應(yīng)鋼號后再加上專業(yè)用途代號（壓力容器、橋梁、船舶和鍋爐用鋼材的專業(yè)用途代號分別為R、q、C和g）來表示。耐候鋼：在鋼材冶煉時加入少量的合金元素如Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等，提高鋼材的耐腐蝕性能。也稱為耐大氣腐蝕鋼。例如15MnCuCr—QT鋼表示含碳量為0.15%，合金元素為錳、銅、鉻的淬火加回火熱處理耐候鋼。連接用鋼：鋼結(jié)構(gòu)連接中的鉚釘、高強度螺栓、焊條用鋼絲等，也采用滿足各自連接件要求的專門用鋼。第一百零五頁，共125頁。二、鋼材的選擇

鋼材的選擇既要確定所用鋼材的鋼號，又要提出應(yīng)有的機械性能和化學(xué)成分保證項目，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要環(huán)節(jié)。選材的基本原則是既保證安全可靠，又經(jīng)濟合理。鋼材的質(zhì)量等級愈高，其價格也愈高。因此應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同特點，來選擇適宜的鋼材。第一百零六頁，共125頁。綜合考慮以下因素①結(jié)構(gòu)的重要性。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》(GB50068--2001)中結(jié)構(gòu)破壞后的嚴重性，首先應(yīng)判明建筑物及其構(gòu)件的分類(為重要、一般還是次要)及安全等級(為一級、二級還是三級)。②荷載的性質(zhì)。要考慮結(jié)構(gòu)所受荷載的特性，如是靜荷還是動荷，是直接動荷還是間接動荷。③連接方法。需考慮鋼材是采用焊接連接還是非焊接連接形式，以便選擇符合實際要求的鋼材。④結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境。需考慮結(jié)構(gòu)的工作溫度及周圍環(huán)境中是否有腐蝕性介質(zhì)。⑤鋼材的厚薄程度。需選用厚度較大的鋼材時，應(yīng)考慮其厚度方向抗撕裂性能較差的因素，從而決定是否選擇z向鋼。

按照上述原則，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》結(jié)合我國多年來的工程實踐和鋼材生產(chǎn)情況，對承重結(jié)構(gòu)的鋼材推薦采用Q235、Q345、Q390、Q420鋼。第一百零七頁，共125頁。第一百零八頁，共125頁。第一百零九頁，共125頁。第一百一十頁，共125頁。綜合考慮以下因素沸騰鋼質(zhì)量雖然較差，但在常溫、靜力荷載下的力學(xué)性能和焊接性能與鎮(zhèn)靜鋼的差異并不明顯，故仍可用于一般承重結(jié)構(gòu)。然而，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對下列情況中的焊接承重結(jié)構(gòu)和構(gòu)件不應(yīng)采用Q235沸騰鋼。①直接承受動力荷載或振動荷載且需驗算疲勞的結(jié)構(gòu)。②工作環(huán)境溫度低于一20℃時的直接承受動力荷載或振動荷載但可不驗算疲勞的結(jié)構(gòu)以及承受靜荷載的受彎及受拉的重要承重結(jié)構(gòu)。③工作溫度等于或低于一30℃的所有承重結(jié)構(gòu)。

對承重結(jié)構(gòu)的鋼材，應(yīng)具有抗拉強度、屈服點、伸長率和硫、磷含量的合格保證，對焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)具有冷彎試驗和碳含量的合格保證。這是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的強制性條文，是焊接承重結(jié)構(gòu)鋼材應(yīng)具有的強度和塑性性能的基本保證，也是焊接性能保證的要求。對于承受靜力荷載或間接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)，如一般的屋架、托架、梁、柱、天窗架、操作平臺或者類似結(jié)構(gòu)的鋼材等，可按此要求選用。如對Q235鋼，可選用Q235-B·F或Q235-B。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》進一步規(guī)定：對于需要驗算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)和起重量≥50t的中級工作制吊車梁，以及承受靜力荷載的重要的受拉及受彎焊接結(jié)構(gòu)的鋼材，還應(yīng)具有常溫(+20℃)沖擊韌性的合格保證，即應(yīng)選用各鋼號的B級鋼材。當結(jié)構(gòu)工作溫度低于0cc但不低于一20℃時，Q235、Q345鋼應(yīng)具有o℃沖擊韌性的合格保證，即應(yīng)選用Q235．C和Q345一c鋼；對Q390、Q420鋼應(yīng)具有一20℃沖擊韌性的合格保證，即應(yīng)選用Q390—D和Q420—D鋼。當結(jié)構(gòu)工作溫度低于一20℃時，對Q235、Q345鋼應(yīng)具有一20℃沖擊韌性的合格保證，即應(yīng)選用Q235．D和Q345一D鋼；對Q390、Q420鋼應(yīng)具有一40℃沖擊韌性的合格保證，即應(yīng)選用Q390—E和Q420一E鋼。第一百一十一頁，共125頁。三、常用鋼材的規(guī)格鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材主要是熱軋成型的鋼板、型鋼（和冷加工（冷彎、冷壓和冷軋）成型的薄壁型鋼。圖2-11)1.熱軋鋼板

鋼板的標注符號是“－（截面代號）寬度×厚度×長度”，單位為mm，亦可用“－寬度×厚度”或“－厚度”來表示。如－360×12×3600，亦可表示如－360×12或－12。厚鋼板常用來組成焊接構(gòu)件和連接鋼板；薄鋼板主要用來制造冷彎薄壁型鋼。

厚鋼板：厚度4．5～60mm，寬度600～3000mm，長度4～12m；薄鋼板：厚度0．35～4mm，寬度500～1500mm，長度0．5～4m。扁鋼：厚度4～60mm，寬度12～200mm，長度3～9m。第一百一十二頁，共125頁。三、常用鋼材的規(guī)格2.熱軋型鋼（角鋼、槽鋼、工字鋼、H型鋼、T型鋼、鋼管）（1）角鋼分為等邊和不等邊角鋼兩種。角鋼標注符號是“∟邊寬×厚度（等邊角鋼）或∟長邊寬×短邊寬×厚度（不等邊角鋼），單位為mm”。如∟100×8和∟100×80×8。

主要用來制作桁架等格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的桿件和支撐等連接桿件。我國目前生產(chǎn)的角鋼最大邊長為200mm，角鋼的供應(yīng)長度般為4～19m。第一百一十三頁，共125頁。第一百一十四頁，共