鋼結構設計原理第一章

緒論第二章 鋼結構的材料第四章 軸心受力構件第五章 受彎構件第六章 拉彎和壓彎構件第七章 門式鋼架設計第三章 鋼結構的連接第八章 PKPM輕鋼門式剛架設計實例第1章緒論

主要內容：鋼結構概述1.1鋼結構設計的方法1.2鋼結構設計的發(fā)展方向

1.3本課程主要內容、特點與學習方法1.4鋼結構應用概況1.1.1鋼結構應用概況我國是較早發(fā)明煉鐵技術的國家之一。早在戰(zhàn)國時期，我國煉鐵技術已經相當盛行。漢明帝（公元60年前后）時期，建成了世界上第一座鐵鏈橋——蘭津橋。四川瀘定大渡河橋湖北荊州玉泉寺13層鐵塔我國古代鐵質代表結構：鐵鏈橋：明代建造的云南沅江橋、清代建造的貴州盤江橋和四川瀘定大渡河橋。鐵塔：宋代的湖北荊州玉泉寺13層鐵塔、山東濟寧鐵塔寺鐵塔和江蘇鎮(zhèn)江甘露寺鐵塔等1.119世紀中葉，隨著歐洲產業(yè)革命的興起，鋼結構在歐美各國的工業(yè)與民用建筑中得到廣泛應用。英國威爾士的Brittania橋是鍛鐵型板與角鐵經鉚釘連接的典型代表1949年新中國成立后，我國的冶金工業(yè)和鋼結構的設計、制造及安裝水平有了迅速提高和發(fā)展。武漢長江大橋鋼結構應用概況1.1.1鋼結構應用概況1.1鋼結構應用概況1.1.1鋼結構應用概況深圳平安大廈599m，118層上海中心大廈高632m，121層深圳發(fā)展中心高153m，48層天津117大廈高492m，117層據資料介紹，截止2018年，世界范圍內200m以上高樓總數(shù)近1500座，中國擁有的數(shù)量最多，體現(xiàn)中國高度。1.1鋼結構應用概況1.1.1鋼結構應用概況國家體育場鳥巢（333×297m）國家大劇院網殼（212×144m）港珠澳大橋（總長約55km）天眼射電望遠鏡（直徑達500m）1.1強度高、結構質量輕材料均勻，可靠性高

塑性和韌性能好，結構抗震性能強耐腐蝕性差

容易實現(xiàn)工業(yè)化制造、現(xiàn)場安裝耐熱性差鋼結構應用概況1.1.2鋼結構的特點密封性好1.1鋼結構應用概況

1）強度高、結構質量輕

2）材料均勻，可靠性高1.1.2鋼結構的特點鋼的屈服強度與密度之比值在建筑材料中最大，在相同結構體系及荷載條件下，鋼結構自重較小。對于跨度較大屋蓋結構，若采用薄壁型鋼或空間結構鋼架，結構的自重要遠低于鋼筋混凝土結構。鋼材的內部組織均勻，接近于各向同性的勻質體，符合力學分析的基本假定，采用理論方法對鋼結構的計算結果與實際工作狀態(tài)更吻合.鋼材由鋼廠生產，鋼材的組分及冶煉工藝嚴格控制，構件制作加工等環(huán)節(jié)精度高，鋼材及構件質量穩(wěn)定，鋼結構可靠性高。1.1鋼結構應用概況

3）塑性和韌性能好，結構抗震性能強1.1.2鋼結構的特點材料塑性好，一般情況結構不會因為偶然或局部超載而突然斷裂破壞；材料韌性好，具有良好吸能性和延性，使結構承受沖擊和動力荷載的適應性較強，具有較高的抗震性能。1.1鋼結構應用概況1.1.2鋼結構的特點

4）容易實現(xiàn)工業(yè)化制造、現(xiàn)場安裝鋼結構構件便于在工廠機械化自動制造，大批量生產效率高，成品精確度較高；鋼材焊接性能好，對栓孔不敏感，可采用焊接連接或螺栓連接；適用于裝配式結構，采用工廠制造、工地安裝的施工方法，可縮短建設周期，改善施工環(huán)境，降低污染，提高經濟和社會效益。1.1鋼結構應用概況1.1.2鋼結構的特點

5）密封性好鋼材組織嚴密，密封性好不滲漏，宜用于氣密性、液密性要求高的常壓或高壓容器結構、大型油庫、大直徑的輸油輸氣管道。1.1鋼結構應用概況

6）耐熱性差

7）耐腐蝕性差1.1.2鋼結構的特點鋼材具有一定的耐熱性，長期經受100℃輻射熱，其強度變化不大。溫度大于300℃，材料性能下降明顯；溫度大于600℃，強度幾乎降為0，完全失去承載能力。鋼結構耐火性差，必須根據防火等級要求，進行相應的防火保護措施。鋼材易銹蝕，特別是在潮濕并有腐蝕性介質的環(huán)境中容易銹蝕，鋼結構耐銹蝕性較差，必須涂刷油漆或鍍鋅加以保護；還應對鋼構件定期維護，比鋼筋混凝土結構維護費用高。1.1大跨度空間結構高層建筑工業(yè)建筑橋梁鋼結構高聳結構水利海洋工程鋼結構密閉壓力容器和大型管道輕型鋼結構其他建筑物1.1.3鋼結構的應用范圍鋼結構應用概況1.1鋼結構應用概況1.1.3鋼結構的應用范圍大跨度空間結構高層建筑工業(yè)建筑1.1鋼結構應用概況1.1.3鋼結構的應用范圍橋梁鋼結構高聳結構水利海洋工程鋼結構1.1鋼結構應用概況1.1.3鋼結構的應用范圍密閉壓力容器和大型管道輕型鋼結構風力發(fā)電機體育場館1.1鋼結構設計的方法1.2.1鋼結構設計的基本要求設計目的：在于使所建造的結構在結構的可靠與經濟之間選擇一種合理的平衡，力求以最經濟的途徑及適當?shù)目煽慷葘崿F(xiàn)各種預定的功能，使結構滿足安全性、適用性、耐久性要求。設計目標：技術先進、安全適用、經濟合理、保證質量規(guī)范規(guī)定：結構的設計、施工和維護應使結構在規(guī)定的設計使用年限內以規(guī)定的可靠度滿足規(guī)定的各項功能要求。1.2鋼結構設計的方法1.2.1鋼結構設計的基本要求設計內容：①結構方案設計，包括結構選型、構件布置；②材料選用及截面選擇；③作用及作用效應分析；④結構的極限狀態(tài)驗算；⑤結構、構件及連接的構造；⑥制作、運輸、安裝、防腐和防火等要求；⑦滿足特殊要求結構的專門性能設計。1.2鋼結構設計的方法1.2.1鋼結構設計的基本要求結構應滿足的功能要求：①能承受在施工和使用期間可能出現(xiàn)的各種作用；②保持良好的使用性能；③具有足夠的耐久性能；④當發(fā)生火災時，在規(guī)定的時間內可保持足夠的承載力；⑤當發(fā)生爆炸、撞擊、人為錯誤等偶然事件時，結構能保持必要的整體穩(wěn)固性，不出現(xiàn)與起因不相稱的破壞后果，防止出現(xiàn)結構的連續(xù)倒塌。1.2鋼結構設計的方法1.2.1鋼結構設計的基本要求結構設計時，應采取適當?shù)拇胧?，使結構不出現(xiàn)或少出現(xiàn)可能的損壞：①避免、消除或減少結構可能受到的危害；②采用對可能受到的危害反應不敏感的結構類型；③采用當單個構件或結構的有限部分被意外移除或結構出現(xiàn)可接受的局部損壞時，結構的其他部分仍能保存的結構類型；④不宜采用無破壞預兆的結構體系；⑤使結構具有整體穩(wěn)固性。1.2鋼結構設計的方法1.2.2鋼結構設計方法沿革1.容許應力設計法容許應力設計法在二十世紀50年代以前被長期廣泛采用。目前我國在鋼結構構件或連接的疲勞強度設計方面，仍采用容許應力設計法。理論基礎：線彈性理論，使結構構件的實際應力σ小于或等于所給定的容許應力[σ]。k為大于1的安全系數(shù)，fy—鋼材的屈服強度優(yōu)點：表達簡潔、計算比較簡單缺點：籠統(tǒng)地采用了一個安全系數(shù)，使結構中各構件的安全度不盡相同，整個結構的安全度一般取決于安全度最小的構件，現(xiàn)在已經基本不在使用1.2鋼結構設計的方法1.2.2鋼結構設計方法沿革2.三系數(shù)極限狀態(tài)設計法明確地提出了“承載能力極限狀態(tài)”和“變形極限狀態(tài)”兩種極限狀態(tài)的概念；在荷載及材料強度的取值方面部分地引入了概率原則。采用三個分項安全系數(shù)：①超載系數(shù)：

考慮荷載可能變動；②材料勻質系數(shù)：考慮材料性能的不均勻性；③工作條件系數(shù)：考慮結構及構件的工作特點和假定的計算模式偏差。二十世紀50年代中期至二十世紀70年代采用。優(yōu)點：比容許應力設計法在設計概念上和計算方法上都有了較大的進步，避免單一安全系數(shù)的缺點。缺點：材料勻質系數(shù)的概念重復1.2鋼結構設計的方法1.2.2鋼結構設計方法沿革3.半概率極限狀態(tài)法簡稱半概率法，1975年，我國試行第一本自編規(guī)范《鋼結構設計規(guī)范》TJ17-74。采用容許應力設計法的表達形式，但卻按承載能力極限狀態(tài)經多系數(shù)分析后綜合而得。引入荷載系數(shù)K1、材料系數(shù)K2、調整系數(shù)K3，對荷載效應標準值Sk和承載力標準值Rk進行調整。表達式：若將Rk用構件截面的幾何特征和鋼材屈服點表示α：構件截面的幾何特征。缺點：半概率法只估計了超載和強度偏低同時存在的概率，結構的失效概率為二者乘積。無法反映超載和強度偏低可能僅出現(xiàn)一種時的失效概率——半概率法高估了結構的可靠度，偏于安全。限于工程案例偏少，仍采用的是定值法，沒有按隨機變量來處理各種影響因素。1.2鋼結構設計的方法1.2.2鋼結構設計方法沿革4.概率極限狀態(tài)設計法《鋼結構設計規(guī)范》GBJ17-1988，采用概率極限狀態(tài)設計方法?！朵摻Y構設計規(guī)范》GB50017-2003。采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，用分項系數(shù)設計表達式進行計算。改進：配合國家標準《建筑結構可靠性設計統(tǒng)一標準》GB50068、《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009等的進行修訂，計算方法上進行一些改進?，F(xiàn)行《鋼結構設計標準》GB50017-2017。除了疲勞計算和抗震設計外，采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，用分項系數(shù)設計表達式進行計算。改進：內容和設計方法上進行全面修訂，特別是首次引入“直接分析法”和“基于性能的鋼結構抗震設計方法”，更便于實際應用。引入更多高強鋼材的應用。1.2鋼結構設計的方法1.2.3極限狀態(tài)設計方法1.極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)：指對應于結構或結構構件達到最大承載力或不適于繼續(xù)承載的變形的狀態(tài)。包括：構件或連接的強度破壞、脆性斷裂、疲勞破壞，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。正常使用極限狀態(tài)：指對應于結構或結構構件達到正常使用的某項規(guī)定限值的狀態(tài)。包括：影響結構、構件、非結構構件正常使用或外觀的變形，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。1.2鋼結構設計的方法1.2.4概率極限狀態(tài)設計表達式2.設計狀況對不同的設計狀況，應采用相應的結構體系、可靠度水平、基本變量和作用組合等進行建筑結構可靠性設計。設計狀況設計狀況描述極限狀態(tài)設計持久設計狀況在結構使用過程中一定出現(xiàn)，且持續(xù)期很長的設計狀況，其持續(xù)期一般與設計使用年限為同一數(shù)量級，適用于結構使用時的正常情況；承載能力極限狀態(tài)設計，應進行正常使用極限狀態(tài)設計，宜進行耐久性極限狀態(tài)設計短暫設計狀況在結構施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而與設計使用年限相比，其持續(xù)期很短的設計狀況，適用于結構出現(xiàn)的臨時情況；承載能力極限狀態(tài)設計，根據需要進行正常使用極限狀態(tài)設計地震設計狀況適用于結構遭受地震時的情況承載能力極限狀態(tài)設計，根據需要進行正常使用極限狀態(tài)設計偶然設計狀況在結構使用過程中出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)期很短的設計狀況，適用于結構出現(xiàn)的異常情況，包括結構遭受火災、爆炸、撞擊時的情況等。鋼結構設計未考慮1.2鋼結構設計的方法1.2.3極限狀態(tài)設計方法3.概率極限狀態(tài)設計法極限狀態(tài)法概念：不使結構超越某種規(guī)定的極限狀態(tài)的設計方法。采用功能函數(shù)Z(隨機函數(shù))，用以描述結構的極限狀態(tài)：式中，g(·)：結構的功能函數(shù)；Xi(i=1,2，…，n)：影響結構或構件的基本變量，指結構上的各種作用和材料性能、幾何參數(shù)等；在進行可靠度分析時，基本變量均應作為隨機變量。R、S——分別為結構抗力、結構的作用效應。①Z>0結構處于可靠狀態(tài)；②Z=0結構達到極限狀態(tài)；③Z<0結構處于失效狀態(tài)。1.2鋼結構設計的方法1.2.3極限狀態(tài)設計方法3.概率極限狀態(tài)設計法結構的極限狀態(tài)是結構由可靠轉變?yōu)槭У呐R界狀態(tài)，結構按照極限狀態(tài)設計時:

或結構的可靠性：結構在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的能力，對結構可靠性的定量描述，以概率表示結構的可靠度為：ps=P(Z≥0)概念：①“作用”:是指施加在結構上的集中力或分布力和引起結構外加變形或約束變形的原因，前者為直接作用，也稱荷載；后者為間接作用。②“作用效應”:是指由作用引起的結構或結構構件的反應。③“抗力”:是指結構承受作用效應和環(huán)境影響的能力。1.2鋼結構設計的方法1.2.3極限狀態(tài)設計方法3.概率極限狀態(tài)設計法失效概率：結構不能完成預定功能的概率，記為：結構可靠度與結構失效概率的關系：pf+ps=1可靠指標：是度量結構可靠度的數(shù)值指標，可靠指標為失效概率負的標準正態(tài)函數(shù)的反函數(shù)。為了使結構達到安全可靠與經濟上的最佳平衡，必須選擇一個結構的最優(yōu)失效概率或目標可靠指標鋼結構屬延性破壞，總體安全等級為二級，按《建筑結構可靠性設計統(tǒng)一標準》GB50068，鋼結構各種構件的可靠指標β值取3.2pf=P(Z<0)1.21.2.4概率極限狀態(tài)設計表達式1.承載能力極限狀態(tài)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。結構構件、連接及節(jié)點的承載能力極限狀態(tài)，應采用下列設計表達式：a.持久設計狀況、短暫設計狀況

應采用荷載的基本組合；b.地震設計狀況

應采用荷載的地震組合：多遇地震設防地震式中：S —承載能力極限狀況下作用組合的效應設計值：對持久或短暫設計狀況應按作用的基本組合計算；對地震設計狀況應按作用的地震組合計算；R、Rk—分別為結構構件的承載力設計值和承載力標準值γ0

—結構重要性系數(shù)；對安全等級為一級的結構構件不應小于1.1，對安全等級為二級的結構構件不應小于1.0，對安全等級為三級的結構構件不應小于0.9；γRE —承載力抗震調整系數(shù)，應按現(xiàn)行國家標準《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011的規(guī)定取值。鋼結構設計的方法1.21.2.4概率極限狀態(tài)設計表達式1.承載能力極限狀態(tài)根據結構破壞產生的后果，即危及人的生命、造成經濟損失、對社會或環(huán)境產生影響等的嚴重性，建筑結構的安全等級劃分為三個等級安全等級破壞后果一級很嚴重：對人的生命、經濟、社會或環(huán)境影響很大二級嚴重：對人的生命、經濟、社會或環(huán)境影響較大三級不嚴重：對人的生命、經濟、社會或環(huán)境影響較小鋼結構的安全等級和設計使用年限應符合現(xiàn)行國家標準的規(guī)定。一般工業(yè)與民用建筑鋼結構的安全等級應取為二級。建筑物中各類結構構件的安全等級，宜與整個結構的安全等級相同。對其中部分結構構件的安全等級可進行調整，但不得低于三級。鋼結構設計的方法1.21.2.4概率極限狀態(tài)設計表達式2.荷載基本組合的效應設計值建筑結構的荷載分永久荷載、可變荷載、偶然荷載三類。永久荷載：在設計使用年限內始終存在且其量值變化與平均值相比可以忽略不計的作用，或其變化是單調的并趨于某個限制的作用，包括結構自重、土壓力、預應力等?？勺兒奢d：在設計使用年限內其量值隨時間變化，其變化與平均值相比不可以忽略不計的作用，包括樓面活荷載、積灰荷載、吊車荷載、風荷載、雪荷載、溫度作用等。偶然荷載：在設計使用年限內不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其值很大，且持續(xù)期很短的作用，包括爆破力、撞擊力等。鋼結構設計的方法1.2基本組合的效應設計值分由可變荷載控制和永久荷載控制的兩種情況：2.荷載基本組合的效應設計值由可變荷載控制的基本組合的效應設計值：式中，

——按第j個永久荷載標準值

計算的荷載效應值——按第i個可變荷載標準值

計算的荷載效應值；其中

為諸可變荷

載效應中起控制作用者；——第j個永久荷載的分項系數(shù)——第i個可變荷載的分項系數(shù)，其中

為主導可變荷載

的分項系數(shù)——第i個可變荷載考慮設計使用年限的調整系數(shù)，其中

為主導可變荷載

的調整系數(shù)——第i個可變荷載的組合值系數(shù)，按不同荷載形式選取，其值不應大于1；m、n——分別為參與組合的永久荷載數(shù)和可變荷載數(shù)。1.2.4

概率極限狀態(tài)設計表達式鋼結構設計的方法1.21）永久荷載的分項系數(shù)：當永久荷載效應對結構承載能力不利時，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構件的承載能力有利時，不應大于1.0，一般情況下取1.0。2.荷載基本組合的效應設計值荷載分項系數(shù)的選?。河谰煤奢d、可變荷載的分項系數(shù)取值不同

1.2.4

概率極限狀態(tài)設計表達式由永久荷載控制的基本組合的效應設計值：鋼結構設計的方法1.22）可變荷載的分項系數(shù)：對標準值大于4.0kN/m2的工業(yè)房屋樓面結構的活荷載取1.3；其他情況，應取1.4。3）可變荷載考慮設計使用年限的調整系數(shù)

：樓面和屋面活荷載使用年限的調整系數(shù)，設計使用年限50年為基準取1.0，設計使用年限為100年者取1.1，設計使用年限為5年者取0.9，其他使用年限的可按線性內插確定對于荷載標準值可控的活荷載，取1.02.荷載基本組合的效應設計值1.2.4

概率極限狀態(tài)設計表達式鋼結構設計的方法1.21.2.4

概率極限狀態(tài)設計表達式3.正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)屬于正常使用或耐久性能要求的某項規(guī)定限值。一般建筑結構根據不同的設計要求，分別采用荷載標準組合、頻遇組合和準永久組合，設計表達式為：式中，

Sd——荷載效應的設計值； C——結構或構件達到正常使用要求的規(guī)定限值，如變形、裂縫、振幅、加速度等。

按正常使用極限狀態(tài)設計鋼結構時，只涉及變形驗算，僅需考慮荷載效應的標準組合。荷載標準組合效應的表達式：正常使用極限狀態(tài)設計時采用的是荷載標準值。鋼結構設計的方法1.21.高效能鋼材的研究和應用

高效能鋼材的含義包括兩個方面：研發(fā)生產新型截面形式的型鋼，更好地發(fā)揮鋼材的使用效果，提高鋼材的有效承載力；H型鋼：在多高層鋼結構中廣泛用于梁、柱、支撐等構件。比工字鋼的翼緣寬度大，截面面積分配合理，抗彎能力強，側向剛度大；與工字鋼相比節(jié)省鋼材，經濟性好，便于與其他構件連接；與焊接組合截面構件相比，殘余應力小、制作與構造方便。鋼結構設計的發(fā)展方向1.31.高效能鋼材的研究和應用

高效能鋼材的含義包括兩個方面：研發(fā)生產新型截面形式的型鋼，更好地發(fā)揮鋼材的使用效果，提高鋼材的有效承載力；冷彎薄壁型鋼：是鋼板或帶鋼在冷狀態(tài)下彎曲成各種斷面形狀的成品鋼材。近年來，冷彎方鋼管、壓型鋼板、波紋腹板工字鋼等應用發(fā)展較快，尚可開發(fā)更多類型的截面型鋼。冷彎型鋼是一種經濟的截面輕鋼薄壁鋼材，具有熱軋不能生產的各種特薄、形狀合理的截面。相同截面積下，冷彎薄鋼的回轉半徑比熱軋型鋼可增大50%-60%，截面慣性矩可增加0.5-2倍，能合理發(fā)揮材料功能，與工字鋼、角鋼、槽鋼相比較，可節(jié)省鋼材30%-50%，是一種經濟截面鋼材。鋼結構設計的發(fā)展方向1.31.高效能鋼材的研究和應用

高效能鋼材的含義包括兩個方面：研制強度更高、性能更優(yōu)的鋼材。開發(fā)應用高強度牌號的鋼材，在相同承載力要求下，可以節(jié)省大量鋼材?，F(xiàn)狀：我國鋼結構用的較多的是低碳鋼Q235及低合金鋼Q345，現(xiàn)在Q390、Q420、Q460和Q345GJ鋼越來越多被采用。新型高性能鋼材：Q500、Q550、Q620、Q690、Q460GJ、Q500GJ、Q550GJ、Q620GJ、Q690GJ等規(guī)范：《高強鋼結構設計標準》JGJ/T483-2020。2008年北京奧運會國家體育場“鳥巢”工程中使用了Q460鋼材鋼結構設計的發(fā)展方向1.32.鋼結構設計理論、設計方法的研究和完善

計算和測試手段愈先進，就愈能反映結構和構件的實際工作情況，從而合理使用材料，發(fā)揮其經濟效益，并保證結構的安全。結構優(yōu)化設計包括確定優(yōu)化的結構形式和確定優(yōu)化的截面尺寸。將強度、穩(wěn)定性、剛度等一系列設計要求作為約束條件，用計算機解得優(yōu)化的截面尺寸，比過去的標準設計節(jié)省鋼材5%-10%。新的計算技術和測試技術對結構構件進行深入計算和測試，為了解結構或構件的實際性能提供了有利條件。鋼結構設計的發(fā)展方向1.33.新型結構體系的應用和發(fā)展

新的結構形式：樹狀結構格魯吉亞國家公正大廈北京大興國際機場鋼結構設計的發(fā)展方向1.33.新型結構體系的應用和發(fā)展

新的結構形式：懸索結構加拿大蒙特利爾世博會西德館內蒙古鄂爾多斯體育館鋼結構設計的發(fā)展方向1.33.新型結構體系的應用和發(fā)展

新的結構形式：開合結構上海旗忠森林網球中心南通會展中心體育館鋼結構設計的發(fā)展方向1.33.新型結構體系的應用和發(fā)展

新的結構形式：膜結構水立方膜結構鋼結構設計的發(fā)展方向1.3預應力鋼結構：以高強度鋼材代替部分普通鋼材，從而達到節(jié)約鋼材、提高結構效能和經濟效益的目的。預應力煤棚預應力桁架施工3.新型結構體系的應用和發(fā)展

優(yōu)點：充分發(fā)揮高強度鋼材的作用，如弦支穹頂、張弦梁、預應力桁架、預應力網架等復合結構已經在大型體育場館和會展中心及很多工程中得到了廣泛應用。鋼結構設計的發(fā)展方向1.3鋼-混凝土組合結構鋼混凝土組合梁橋3.新型結構體系的應用和發(fā)展

鋼材具有抗拉強度高，結合混凝土宜于承受壓力的特點，將鋼置于受拉區(qū)而將混凝土布置于受壓區(qū)，兩種材料組合各取所長，取得最大的經濟效果。主要形式：①壓型鋼板與混凝土組合板②鋼梁與鋼筋混凝土板組成的組合梁③鋼管混凝土構件④薄壁方鋼管混凝土壓型鋼板混凝土板鋼結構設計的發(fā)展方向1.34.新高層鋼結構的研究和應用

中央電視臺總部大樓我國與國外經濟發(fā)達國家相比，在設計理念、新產品研究開發(fā)、鋼材品種質量、制作安裝的設備及計算機應用以及科學管理等方面還有許多響應研究的課題。杭州世紀中心廣州電視塔鋼結構設計的發(fā)展方向1.35.裝配式結構的研究與應用

目前國家積極推行裝配式建筑發(fā)展，但在框架結構及其他房屋類型的裝配式結構發(fā)展并不均衡，技術體系需完備有很多研究課題鋼結構設計的發(fā)展方向1.3本課程主要內容、特點與學習方法1.4.1鋼結構課程的主要內容及特點鋼結構的材料鋼結構的連接

金屬疲勞S-N曲線低碳鋼應力-應變曲線焊接螺栓連接鋼結構基本構件輕型門式剛架設計軸心拉、壓力作用偏心拉、壓力作用彎矩、扭矩作用1.4本課程主要內容、特點與學習方法1.4.2鋼結構課程的學習方法掌握基本概念，領會基本理論善于歸納分析，不斷加深理解聯(lián)系工程實踐，增加識圖與結構感性認知梳理解題思路，正確使用計量單位1.4鋼結構與鋼筋混凝土結構和木結構相比，具有工業(yè)化程度高，強度高且抗震性能優(yōu)良，綠色環(huán)保并可再生等優(yōu)勢。在設計和施工中，要特別注意鋼結構容易失穩(wěn)、脆性狀態(tài)下裂紋容易擴展和抗火性能差等不利因素

本章小結及學習指導

根據鋼結構的優(yōu)點和缺點，不難確定其合理的使用范圍。大跨度、高層、重型、密閉結構和壓力容器、抗震要求高的應優(yōu)先采用鋼結構，另外一方面，住宅和輕型廠房、拆裝頻繁的設施應采用鋼結構。

鋼結構桿件有受拉（桿和索）、受壓、受彎、拉彎、壓彎等受力形式。這些基本單元組成了各種形式的鋼結構。本教材介紹鋼構件和組成鋼構件的板件，它們可以組合成各種復雜的結構體系。

本章小結及學習指導

承載力極限狀態(tài)主要涉及強度、穩(wěn)定、疲勞、傾覆破壞和不能繼續(xù)承載的變形，正常使用極限狀態(tài)主要涉及變形（剛度）、震動和影響正常使用或耐久性能的局部損壞。在鋼結構設計和施工中，保證構件、連接和結構的兩個極限狀態(tài)都十分重要。學習本章時，要深入理解公式中各項符號的含義和使用方法。各項系數(shù)在荷載組合中要根據不同情況按規(guī)范規(guī)定取值。另外，材料抗力分項系數(shù)是隱含在附表中的。第2章鋼結構的材料

主要內容：鋼結構用材的基本要求

2.1鋼材的主要性能2.2影響鋼材性能的主要因素2.3復雜應力狀態(tài)的工作性能2.4鋼材的基本性能及其影響因素，鋼材的性能指標，疲勞破壞的概念和疲勞驗算方法，鋼材的種類和規(guī)格鋼材的規(guī)格及選用2.6鋼材的破壞形式2.5鋼材的基本要求2.11.

較高的強度要求鋼材具有較高的屈服強度

fy：在同等荷載作用下，可減少構件的截面尺寸，節(jié)約鋼材，降低結構自重；要求鋼材具有較高的抗拉強度

fu：提高構件開孔截面抗拉斷能力、抗撕裂能力，提高結構的安全儲備。鋼材的基本要求2.12.足夠的變形變形能力：鋼材的塑性和沖擊韌性。對采用塑性設計的結構或地震多發(fā)區(qū)的結構而言塑性好，可變形量大，結構在破壞前會產生比較明顯的變形，易于被發(fā)現(xiàn)；良好塑性的材料可調整局部應力峰值，使之應力集中區(qū)應力趨于平緩;提高構件的延性，降低脆性破壞風險。韌性好，動荷載作用下破壞時可吸收能量多，降低脆性破壞的危險程度。鋼材的基本要求2.13.良好的工藝性能工藝性能：包括冷加工、熱加工和焊接性能，以及對裂紋的敏感性。要求：

鋼材易于加工成各種形式的結構，同時保證加工對鋼材的強度、塑性及韌性不至于產生較大的不利影響。承重結構的鋼材應具有抗拉強度、屈服強度、伸長率的合格保證，焊接結構尚應具有冷彎試驗的合格保證。承受動力荷載的結構、重要的受拉或受彎的焊接結構尚應具有沖擊韌性的合格保證。第2章鋼結構的材料

主要內容：鋼結構用材的基本要求

2.1鋼材的主要性能2.2影響鋼材性能的主要因素2.3復雜應力狀態(tài)的工作性能2.4鋼材的基本性能及其影響因素，鋼材的性能指標，疲勞破壞的概念和疲勞驗算方法，鋼材的種類和規(guī)格鋼材的規(guī)格及選用2.6鋼材的破壞形式2.51.強度2.塑性

3.沖擊韌性4.冷加工性5.熱加工性6.焊接性能比例極限、屈服點、極限強度、屈強比伸長率、面縮率靜力韌性、沖擊韌性冷彎實驗施工可焊性、使用可焊性抗腐蝕能力、抗疲勞能力圍護材料及結構材料本身的要求設計主控指標鋼材的主要性能2.2現(xiàn)行國家標準

：《碳素結構鋼》GB/T700-2006、《低合金高強度結構鋼》GB/T1591-2018和《建筑結構用鋼板》GB/T19879-2015。鋼材力學性能

：強度、塑性、韌性等，加工性能

：冷加工、熱加工及焊接性能。鋼材的主要性能鋼材的主要性能2.22.2.1強度與塑性鋼材的強度和塑性是在常溫條件下，對鋼材制作成的標準試件進行單向均勻拉伸試驗測得的。加載速度較慢，認為是靜載，直到將試件拉斷為止.低碳鋼單向均勻拉伸的應力-應變曲線鋼材的單向拉伸試驗a）試驗前

b）試驗后單向拉伸試驗的標準試件鋼材的主要性能2.22.2.1強度與塑性彈性階段(OB段，包括OA段線彈性段和AB段非線性彈性段)A點比例極限

B點彈性極限屈服階段(BC段)，屈服強度：屈服平臺的最低應力值，作為材料強度的依據C點：上屈服點D點：下屈服點低碳鋼單向均勻拉伸的應力-應變曲線屈服階段(DE段，平滑段)：繼續(xù)加載，應變持續(xù)增大，應力不再增加（也稱為鋼材的塑性流動階段或稱屈服平臺）1.鋼材的單向拉伸試驗鋼材的主要性能2.22.2.1強度與塑性強化階段(EU段)，抗拉強度：曲線最高點對應的應力值，以塑性變形為主低碳鋼單向均勻拉伸的應力-應變曲線頸縮階段(U點之后)，頸縮：應力不升反降，試件局部將出現(xiàn)橫向收縮現(xiàn)象。變形劇增，荷載下降，直至斷裂。發(fā)生塑性變形后卸載，將保留一定量的塑性變形，卸載曲線與比例極限段近似平行。結構鋼在屈服平臺終點（E點）的應變可達2%~3%。1.鋼材的單向拉伸試驗鋼材的主要性能2.22.2.1強度與塑性無明顯屈服點鋼材的應力-應變曲線屈服強度之前，應變很小(ε≈0.15%)近似為完全彈性體。也稱名義屈服強度

f0.2：合金鋼等高強度鋼材，拉伸曲線沒有明顯屈服點或塑性平臺，規(guī)定卸載后試件的殘余應變ε=0.2%所對應的應力為其屈服點。曲線的近似可將鋼材視為理想的彈塑性材料，其應力-應變曲線簡化為二折線形理想彈塑性曲線條件屈服點屈服強度之后為塑性，屈服平臺很長(ε≈0.15～2.5%)，可忽略應變硬化作用,應力不變，近似為完全塑性體.1.鋼材的單向拉伸試驗鋼材的主要性能2.2衡量材料承受荷載作用時抵抗破壞的能力度量。鋼材強度性能指標有抗拉強度

fu和屈服強度

fy，由鋼材標準試件拉伸試驗確定

強度指標2.2.1強度與塑性2.強度指標抗拉強度fu

衡量鋼材大變形后抵抗拉斷性能指標直接反映鋼材內部組織的優(yōu)劣與疲勞強度有著比較密切的關系屈服強度

fy

結構小變形與大變形的分界點衡量結構的承載能力確定強度設計值屈強比：鋼結構鋼材不應大于0.85（GB50011-2010）強屈比：用于塑性設計的鋼材≥1.2，可看作是鋼材強度儲備的系數(shù)鋼材的主要性能2.2

（2-1）試件被拉斷時的絕對變形值與試件原標距之比的百分數(shù)。

斷后伸長率δ2.2.1強度與塑性3.塑性指標塑性：

是在外力作用下產生永久變形時抵抗斷裂的能力。性能指標：斷后伸長率

δ

和截面收縮率

ψ

。試件的標距l(xiāng)0取圓試件直徑的5倍或10倍長度標定，相應的斷后伸長率分別記為δ5和δ10鋼材的δ5大于δ10：試件拉斷時，其拉伸量主要來自于縮頸區(qū)的塑性變形。2鋼材的主要性能2.2

試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分比。截面收縮率ψ（2-2）2.2.1強度與塑性3.塑性指標頸縮部分在三向拉應力狀態(tài)下的最大塑性變形能力，ψ值越大塑性性能越好。衡量鋼材在該拉伸應力狀態(tài)下發(fā)生永久塑性變形而不致斷裂的性質測量頸縮區(qū)面積較困難且誤差較大，在鋼材標準中往往只用斷后伸長率Tips:非承重或由構造決定的構件要求保證抗拉強度和斷后伸長率；承重結構還應保證斷后伸長率鋼材的主要性能2.2試驗時按照規(guī)定的彎心直徑在試驗機上用沖頭緩慢加壓，使試件彎成180度，如果試件外面、里面和側面均不出現(xiàn)裂紋或分層，即為合格。常作為靜力拉伸試驗和沖擊試驗的補充試驗。冷彎試驗判別鋼材塑性變形能力及冶金質量的綜合指標(一定程度反應焊接性能)2.2.2冷彎性能冷彎性能試驗Tips:

結構在制作、安裝過程中要進行冷加工，尤其是焊接結構焊后變形的調直等工序，需要鋼材有較好的冷彎性能。非焊接的重要結構以及需要彎曲成型的構件等亦都要求冷彎試驗合格冷彎性能鋼材的主要性能2.22.2.3鋼材的沖擊韌性：鋼材在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力，一般由沖擊試驗獲得

試件：一般采用帶V形缺口的Charpy試件，尺寸為10mm×10mm×55mm。設備：夏比試驗機沖擊韌性：當擺錘在一定高度落下試件被沖斷后，擺錘所做的沖擊功與試件缺口處凈截面面積之比為沖擊韌性，用沖擊功AkV表示，單位為J(焦耳)。沖擊試驗沖擊韌性試驗及試件缺口形式韌性鋼材的主要性能2.22.2.3鋼材的沖擊韌性：鋼材的沖擊韌性值隨溫度的降低而降低沖擊韌性值越大，韌性越好，強度和塑性綜合性能越優(yōu)越沖擊韌性與鋼材的質量、軋制方向、厚度密切相關，現(xiàn)鋼材標準規(guī)定按縱向取樣。在負溫下，較大厚度鋼材的沖擊韌性顯著降低，應盡量采用較小厚度的鋼材直接承受動力荷載、需驗算疲勞的構件或處于低溫工作環(huán)境的鋼材應具有沖擊韌性合格保證我國鋼材標準中將試驗從-40℃到20℃平均分為四檔。根據工作溫度，對鋼材提出相應的沖擊指標要求，以防止脆性破壞沖擊韌性特點規(guī)定鋼材的主要性能2.22.2.4

鋼材的焊接性能

一定的焊接工藝條件下，所施焊的焊縫熔敷金屬和母材金屬均不產生裂紋，且焊接接頭機械性能不低于母材機械性能的一種指標。鋼材的焊接性（2-3）在焊接結構中，建筑鋼的焊接性能主要取決于碳當量，碳當量宜控制在0.45%以下鋼材化學成分中碳含量對焊接難度的影響最大?！朵摻Y構焊接標準》GB50661，采用鋼材碳當量(CEV)來衡量鋼結構焊接難度。根據板件厚度、受力狀態(tài)以及碳當量CEV范圍以0.38%、0.45%、0.50%為界限，將鋼結構焊接難度分為A（易）、B（一般）、C（較難）、D（難）四個等級。鋼材的主要性能2.22.2.5鋼材沿厚度方向的性能

常稱Z向性能，是對鋼板的抗層狀撕裂能力的一種量度，厚度方向性能采用厚度方向拉伸試驗的斷面收縮率來評定。鋼板厚度方向性能《厚度方向性能鋼板》GB5313-2011，規(guī)定了鋼板的厚度方向性能級別、試驗方法及檢驗規(guī)則。采用厚度方向拉伸試驗的斷面收縮率來評定，試件采用圓截面。Tip:對于15mm~400mm的鎮(zhèn)靜鋼鋼板，根據斷面收縮率（Z%）按3個試件平均值為15％、25％、35％，將鋼板的厚度方向性能級別劃分為Z15、Z25、Z35等三個級別。每個級別對硫含量進行限定，Z向級別越高，硫含量越低，其抗層狀撕裂性能越好。鋼板的層狀撕裂常發(fā)生在構件的焊接節(jié)點處。焊縫收縮引起局部應力使鋼板中產生層狀撕裂。厚鋼板較易產生層狀撕裂?！朵摌恕芬?guī)定，焊接承重結構為防止鋼材的層狀撕裂而采用Z向鋼。鋼材的主要性能2.22.2.6鋼材的耐候性能——針對專用鋼材所具有的附加性能在自然環(huán)境中可裸露使用，耐候性提高到普通鋼材的6-8倍。低碳鋼或低合金鋼中添加Cu、P、Cr、Ni等提高抗腐蝕性。（力學性能、可焊性等）在大氣作用下，耐候鋼表面可形成致密的穩(wěn)定銹層，以阻絕氧氣和水的滲入而產生的電化學腐蝕過程，提高抗腐蝕性能。普通鋼材每5年的腐蝕厚度可達0.1-1mm。耐候鋼Tip:《鋼標》規(guī)定，處于外露環(huán)境且對耐腐蝕有特殊要求或處于侵蝕性介質環(huán)境中的承重結構，可采用Q235NH、Q355NH和Q415NH牌號的耐候結構鋼，其質量應符合現(xiàn)行國家標準《耐候結構鋼》GB/T4171的規(guī)定。耐候性要求第2章鋼結構的材料

主要內容：鋼結構用材的基本要求

2.1鋼材的主要性能2.2影響鋼材性能的主要因素2.3復雜應力狀態(tài)的工作性能2.4鋼材的基本性能及其影響因素，鋼材的性能指標，疲勞破壞的概念和疲勞驗算方法，鋼材的種類和規(guī)格鋼材的規(guī)格及選用2.6鋼材的破壞形式2.5影響鋼材性能的主要因素2.3影響因素化學成分生產工藝鋼材硬化溫度應力集中殘余應力重復荷載影響鋼材性能的主要因素2.32.3.1化學成分的影響：

鋼材的基本成份為Fe，碳鋼中Fe含量占99％，其余C、Si、Mn等為雜質元素，S、P、N、O為冶煉過程中不易除盡的有害元素。碳（C）：含C↑，使強度↑，塑性、韌性、可焊性↓，應控制在0.22%，焊接結構應控制在≤0.20%。錳（Mn）：錳是有益元素，它能顯著提高鋼材強度但不過多降低塑性和沖擊韌性。錳是弱脫氧劑。但是錳可使鋼材的可焊性降低，故含量有限制。硅（Si）：硅是有益元素，也是強脫氧劑。硅能使鋼材的粒度變細，控制適量時可提高強度而不顯著影響塑性、韌性、冷彎性能及可焊性。硅的含量過量時則會惡化可焊性及抗銹蝕性。釩（V）、鈮（Nb）、鈦（Ti）：

釩、鈮、鈦都能使鋼材晶粒細化。我國的低合金鋼都含有這三種元素，既可提高鋼材強度，又保持良好的塑性、韌性。2.3.1化學成分的影響：鋁（Al）、鉻（Cr）、鎳（Ni）鋁是強脫氧劑，用鋁進行補充脫氧，不僅進一步減少鋼中的有害氧化物，而且能細化晶粒。鉻和鎳是提高鋼材強度的合金元素，用于Q390鋼和Q420鋼。硫（S）：硫是有害元素，當熱加工及焊接使溫度達800～1000℃時，可能出現(xiàn)裂紋，稱為熱脆。硫還能降低鋼的沖擊韌性，同時影響疲勞性能與抗銹蝕性能。一般不得超過0.045～0.05%。磷（P）磷是有害元素，它在低溫下使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆，其含量應限制在0.045%以內。氧（O）、氮（N）：氧和氮也是有害雜質，氧能使鋼熱脆，其作用比硫劇烈，氮能使鋼冷脆，與磷相似。碳素結構鋼和低合金高強度鋼的化學成分分別見相關規(guī)范。影響鋼材性能的主要因素2.32.3.2生產工藝的影響：常見的冶金缺陷：偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋及分層等。偏析：指鋼中化學成分的不一致和不均勻性。非金屬夾雜：是指鋼中含有的硫化物與氧化物等雜質。氣孔：澆注鋼錠時氧化鐵與碳作用所生成的一氧化碳氣體不能充分逸出形成。鋼材的生產大體分為煉鐵、煉鋼、軋制三道工序，煉鐵是從鐵礦石中得到鐵，煉鋼是將生鐵或廢鋼與石灰石等原料煉成合乎化學成分要求的各類鋼種。熱軋可改善鋼錠的鑄造組織，使其晶粒細化，消除冶煉過程中的部分缺陷鋼材的生產工序影響鋼材性能的主要因素2.32.3.2生產工藝的影響：偏析：使鋼材的塑性、冷彎性能、沖擊韌性及焊接性下降。非金屬夾雜：硫化物使鋼材“熱脆”，氧化物嚴重降低鋼材的力學性能和工藝性能。裂紋：使鋼材的冷彎性能、沖擊韌性和抗脆性破壞的能力大大降低。厚度方向分層：嚴重降低冷彎性能。分層夾縫處易銹蝕，甚至形成裂紋，將大大降低鋼材的沖擊韌性及抗脆斷能力。在承受垂直于板面的拉力時，易產生層狀撕裂。冶金缺陷的影響熱軋可改善鋼錠的鑄造組織，使其晶粒細化，消除冶煉過程中的部分缺陷軋制壓縮比大的小型鋼材，其強度、塑性、沖擊韌性均優(yōu)于壓縮比小的大型鋼材鋼材性能還與軋制方向有關，順著軋制方向（縱向）較好，橫向較差。近年來，正火狀態(tài)鋼材（牌號后綴N）和熱機械軋制狀態(tài)鋼材（牌號后綴M），在鋼結構中得到應用，提高鋼結構性能。影響鋼材性能的主要因素2.3影響鋼材性能的主要因素2.32.3.3鋼材硬化的影響：

是指冷拉、冷彎、沖孔、機械剪切等冷加工使鋼材產生很大塑性變形，從而提高了鋼的屈服點，同時降低了鋼的塑性和韌性。也稱為應變硬化。冷作硬化

是指氮和碳，隨著時間的增長逐漸從純鐵中析出，形成自由碳化物和氮化物，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、韌性下降，俗稱老化。時效硬化

硬化的結果總是要降低鋼材的塑性和韌性，因此一般不利用硬化所提高的強度，同時要保證硬化后鋼材抗脆斷的能力（人工時效硬化檢測沖擊韌性）。

是指材料產生一定的塑性變形以后，氮和碳隨著時間的增長逐漸從純鐵中析出，形成自由碳化物和氮化物，對純鐵體的塑性變形起遏制作用，從而使經冷作硬化的鋼材發(fā)生應變時效硬化。應變時效硬化2.3.4溫度的影響：強度隨溫度變化的總趨勢：溫度升高，鋼材強度降低，應變增大溫度降低，鋼材強度會略有增加，塑性和韌性卻會降低而使鋼材變脆

。小于200℃：鋼材性能沒有很大變化；250℃左右：鋼材的強度fu反而略有提高，同時塑性和韌性均下降，材料有轉脆的傾向，鋼材表面氧化膜呈現(xiàn)藍色，稱為藍脆現(xiàn)象。250℃～350℃：屈服強度fy，極限強度fu顯著下降，伸長率δ卻明顯增大，產生徐變現(xiàn)象430℃

～540℃：強度急劇下降，達600℃：強度接近為零。溫度對鋼材性能的影響Tips:當鋼結構或構件的表面長期受輻射熱達150℃以上，或可能受到熾熱熔化金屬的侵害時，應采用磚或耐熱材料做成的隔熱層加以防護。影響鋼材性能的主要因素2.3高溫影響2.3.4溫度的影響：影響鋼材性能的主要因素2.3工作溫度下降，鋼材的強度將略有提高，而塑性和韌性降低、脆性增大。在設計溫度0℃以下低溫工作環(huán)境的結構，特別是需要驗算疲勞的構件以及承受靜態(tài)荷載的重要受拉和受彎焊接構件，鋼材須具有0℃沖擊韌性或負溫（-20℃或-40℃）沖擊韌性的合格保證，以提高抗低溫脆斷的能力。低溫影響當溫度下降到負溫某一范圍時，其沖擊韌性急劇降低，破壞特征明顯地由塑性破壞轉變?yōu)榇嘈云茐摹５蜏卮鄶鄿囟葘︿摬男阅艿挠绊懻郎胤秶鷥龋?℃以上）：

鋼構件中，如果存在孔洞、缺口、凹角或截面的厚度、寬度變化等引起截面的突變，截面應力分布不再均勻，主應力線在繞過孔口等缺陷時曲折、密集，在孔洞邊緣或缺口尖端等局部出現(xiàn)高于其他部位的應力峰值。應力集中造成雙向或三向應力場的復雜應力狀態(tài)，使鋼材塑性降低，易產生脆性破壞。2.3.5應力集中：影響鋼材性能的主要因素2.3應力集中板件在孔口處應力集中2.3.5應力集中：影響鋼材性能的主要因素2.3鋼材塑性較好，應力不均勻現(xiàn)象會逐漸趨于平緩，不影響截面的極限承載能力。常溫下承受靜載作用的結構或構件，設計時一般可不考慮應力集中的影響。負溫或動力荷載作用下工作的結構，應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，故在設計中應采取措施避免或減小應力集中。應力集中對鋼材性能的影響截面改變尖銳程度越大，試件的應力-應變曲線與標準試件偏離越大，應力集中現(xiàn)象越嚴重，鋼材的塑性降低越嚴重，鋼材發(fā)生脆性破壞的危險性越大。第2章鋼結構的材料

主要內容：鋼結構用材的基本要求

2.1鋼材的主要性能2.2影響鋼材性能的主要因素2.3復雜應力狀態(tài)的工作性能2.4鋼材的基本性能及其影響因素，鋼材的性能指標，疲勞破壞的概念和疲勞驗算方法，鋼材的種類和規(guī)格鋼材的規(guī)格及選用2.6鋼材的破壞形式2.5鋼材在復雜應力作用下的工作性能

2.4構件中任意一個點由平行六面體表示，三條棱邊分別與x，y，z軸平行、邊長分別為dx、dy、dz，表面按其法線與坐標軸平行，分別稱為x面、y面、z面，外法線與坐標軸正向一致為正面，外法線與坐標軸負向一致為負面

2.4.1復雜應力狀態(tài)的表達方式：六面體每個面上有一個正應力分量和二個剪應力分量。復雜問題物體內任意一點的應力分量有6個：3個正應力分量σx、σy、σz，3個剪應力分量τxy、τxz、τyz應力符號根據變形特征定義：正面上應力方向與坐標軸正向一致的為正；負面上應力方向與坐標軸負向一致的為正。應力分量剪應力互等定理：鋼材在復雜應力作用下的工作性能

2.42.4.1復雜應力狀態(tài)的表達方式：三個主應力按代數(shù)大小依次為σ1>σ2>σ3，主應力符號以拉為正以壓為負。應力分量主應力單元體角度不同，六個應力分量的大小隨之不同。當六面體旋轉到某一特殊角度時，使得所有剪應力分量均為零，此時只有正應力分量主應力狀態(tài)鋼材在復雜應力作用下的工作性能

2.4當鋼材承受復雜應力作用，不能以單一方向的應力來判斷鋼材是否屈服，而是按材料力學的第四強度理論又稱Mises強度理論用折算應力與鋼材的屈服強度比較判別。當

σeq≤fy時為彈性狀態(tài)，當

σeq>fy時為屈服狀態(tài)。2.4.2復雜應力狀態(tài)的折算應力屈服判斷復雜應力狀態(tài)下的折算應力（Mises應力）鋼材在復雜應力作用下的工作性能

2.42.4.2復雜應力狀態(tài)的折算應力主應力表達的折算應力三向受拉是很危險的受力狀態(tài)，在設計中應盡量避免出現(xiàn)同向應力狀態(tài)。材料很難進入塑性狀態(tài)，甚至到破壞時也沒有明顯的塑性變形，呈現(xiàn)脆性破壞。當某一向為異號應力，且同號兩個應力相差又較大時，材料比較容易進入塑性狀態(tài)，破壞呈塑性特征鋼材在復雜應力作用下的工作性能

2.42.4.2復雜應力狀態(tài)的折算應力平面應力狀態(tài)下的折算應力荷載作用在第三方向上產生的應力很小可忽略。如平直薄鋼板，在板面力作用下厚度方向上的應力可忽略不計，是二維應力狀態(tài)。與z有關的所有應力分量均為0。平面應力狀態(tài)當只有正應力σ和剪應力τ作用（如梁），即σx=σ，τxy=τ和σy=σ，則折算應力為:鋼材在復雜應力作用下的工作性能

2.42.4.2復雜應力狀態(tài)的折算應力純剪作用時的折算應力在承受純剪作用時，只有剪應力τ，σ=0，折算應力為：若σeq=fy，對應剪切屈服狀態(tài)，此時剪應力稱為剪切屈服強度，記為fvy剪應力達到0.58fy時，鋼材進入剪切屈服狀態(tài)，鋼材的抗剪屈服強度是抗拉屈服強度的0.58倍。鋼結構設計時，鋼材的抗剪強度設計值取抗拉強度設計值的0.58倍。第2章鋼結構的材料

主要內容：鋼結構用材的基本要求

2.1鋼材的主要性能2.2影響鋼材性能的主要因素2.3復雜應力狀態(tài)的工作性能2.4鋼材的基本性能及其影響因素，鋼材的性能指標，疲勞破壞的概念和疲勞驗算方法，鋼材的種類和規(guī)格鋼材的規(guī)格及選用2.6鋼材的破壞形式2.5鋼材的破壞形式2.52.5.1塑性破壞分為塑性破壞、脆性破壞、疲勞破壞三類。鋼材的破壞形式又稱延性破壞，是由于應力超過屈服強度后材料產生明顯塑性變形，當應力繼續(xù)增大，斷面出現(xiàn)頸縮，應力達到鋼材的極限強度而導致破壞，有持續(xù)的變形時間。塑性破壞塑性破壞特征：鋼材在斷裂破壞前產生很大的塑性變形，斷口呈纖維狀，色發(fā)暗不反光，斷口與作用力方向常成45°，有時能看到滑移的痕跡。Tips:從微觀力學分析，鋼材的塑性破壞實質上是由于剪應力超過晶粒抗剪能力而發(fā)生的，可通過采用一種標準圓棒試件進行拉伸破壞試驗加以驗證。鋼材在發(fā)生塑性破壞時變形特征明顯，容易被發(fā)現(xiàn)并可及時采取補救措施，因而不至于引起嚴重后果。適度的塑性變形能起到調整結構內力分布的作用，使原結構中應力不均勻的部位趨于均勻，從而提高結構的承載能力。鋼材的破壞形式2.52.5.2脆性破壞脆斷特征脆斷原因斷裂力學防止措施無明顯變形，平均應力小，靜力或少次數(shù)動載缺陷，裂紋，殘余應力，應力集中，材料韌性 裂縫的平衡，擴展和失穩(wěn)焊接工藝，殘余應力，應力集中，低溫沖擊韌性脆性破壞特征：在破壞前無明顯的變形征兆，名義應力往往比極限強度低很多，其斷口平齊，呈有光澤的晶粒狀。脆性破壞具有突然性，無法預測，故比塑性破壞更具危險性，在鋼結構設計、施工與安裝中應采取適當措施盡量避免。破壞前鋼材變形很小幾乎不出現(xiàn)塑性變形而突然發(fā)生的破壞脆性斷裂Tips:從微觀力學分析，脆性破壞是由于拉應力超過晶?？估芰Χa生的。防止脆性破壞的措施選材：根據使用要求，選擇合適的鋼材設計：改善構造形式，避免焊縫交錯，降低應力集中，盡量采用薄鋼板制作：盡量避免焊接或其它的殘余應力使用：避免突然荷載和結構損傷鋼材的破壞形式2.52.5.2脆性破壞鋼材質量差：鋼材的碳、硫、磷、氧、氮等元素含量過高，晶粒較粗，夾雜物等冶金缺陷嚴重，鋼材塑性韌性差等；結構構造不當：孔洞、缺口或截面改變急劇或布置不當?shù)仁箲袊乐兀恢圃彀惭b質量差：焊接、安裝工藝不合理，焊縫交錯，焊接缺陷多，殘余應力嚴重；結構承受較大動力荷載作用或在較低環(huán)境溫度下工作等影響脆性破壞的因素

鋼材在連續(xù)重復動荷載的作用下，構件上一點的應力大小隨時間變化，雖然應力水平較低，卻發(fā)生破壞的現(xiàn)象。鋼材經過多次循環(huán)反復荷載作用而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象疲勞破壞

疲勞破壞過程

截面上的微小缺陷開始形成裂紋

裂紋緩慢擴展

裂紋達到臨界尺寸而迅速斷裂鋼材的破壞形式2.52.5.3疲勞破壞《鋼標》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≥5×104時，應進行疲勞計算。影響鋼材疲勞強度的因素：反復荷載引起的應力種類（如拉應力、壓應力、剪應力、復雜應力等）

外部因素

應力循環(huán)的形式和次數(shù)

鋼材內部殘余應力的大小內部因素

鋼材內部應力集中的程度

鋼材的破壞形式2.52.5.3疲勞破壞影響鋼構件和結構疲勞強度的因素：構件形狀變化

（截面形狀突變、截面削弱，構件表面凹凸不平等）構件內部存在的殘余應力

應力集中：程度越嚴重，鋼構件越容易發(fā)生疲勞破壞，疲勞強度就越低。

鋼構件產生應力集中的主要原因：構件在冷加工過程中的加工硬化會導致應力集中和韌性降低

2.5.3疲勞破壞鋼材的破壞形式2.5焊接鋼結構疲勞強度：應力幅起控制作用，幾乎與最大應力、最小應力及應力比、鋼材的靜力強度這些參量無關。鋼構件和鋼結構的疲勞破壞時的截面特點：光滑區(qū)（圖中1區(qū)）：

微觀裂紋在連續(xù)反復作用應力下逐步擴展，裂紋兩側的材料時而相互擠壓時而分離，形成光滑區(qū)；粗糙區(qū)（圖中2區(qū)）：

裂紋在長期連續(xù)反復應力作用下日益擴展使構件截面被逐漸削弱，直至截面殘余部分不足以抵抗破壞時，構件會突然斷裂。表面呈顆粒狀的粗糙區(qū)就是由撕裂作用而形成的。2.5.3疲勞破壞鋼材的破壞形式2.5其中，σmin為絕對值最小的應力，σmax為絕對值最大的應力，拉應力取正值，壓應力取負值。鋼材的破壞形式2.5應力幅：將最大拉應力與最小拉應力或壓應力的代數(shù)差，表示應力變化的幅度，應力幅總是正值常幅應力循環(huán)：在整個應力循環(huán)過程中，應力幅始終保持為常量的應力循環(huán)變幅應力循環(huán)：若應力幅隨時間而隨機變化的應力循環(huán)曲線焊接部位：非焊接部位：2.5.3疲勞破壞鋼材的破壞形式2.52.5.3疲勞破壞疲勞計算應采用容許應力幅法：應力應按彈性狀態(tài)計算，容許應力幅應按構件和連接類別、應力循環(huán)次數(shù)以及計算部位的板件厚度確定。對非焊接的構件和連接，其應力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應力的部位可不計算疲勞強度。容許應力法容許應力幅與構件和連接類別有關、與結構設計使用壽命有關。Tips:《鋼標》在第16章“疲勞計算及防脆斷設計”以正應力控制、剪應力控制疲勞強度的構件與連接進行分類。附錄K：根據構件的構造細節(jié)和傳力方向，將構件和連接進行編號歸類。對每個項次的構件與連接的構造細節(jié)、計算應力幅的位置和方向做了詳細描述，并規(guī)定每個項次應采用的疲勞計算類別。疲勞截止限：循環(huán)次數(shù)N

為1億（1×108）次的特殊容許應力幅，認為應力幅低于疲勞截止限，結構不會出現(xiàn)累加損傷而發(fā)生疲勞破壞，可理解構件為無限壽命。2.5.3疲勞破壞正應力幅的疲勞計算常幅疲勞的容許正應力幅[Δσ]，根據在結構使用壽命選擇當N<5×106時：當N≥5×106時：剪應力幅的疲勞計算焊接部位：非焊接部位：當N<1×108時：當N≥1×108時：鋼材的破壞形式與疲勞破壞2.5當板厚大于25mm或直徑大于30mm時，考慮到板件厚度對疲勞計算不利影響，引進板厚或直徑修正系數(shù)

γt,其余情況γt=0。2.5.3疲勞破壞板厚或直徑修正系數(shù)1)對于橫向角焊縫連接和對接焊縫連接，當連接板厚t超過25mm時2)對于螺栓軸向受拉連接，當螺栓的公稱直徑d大于30mm時N——疲勞壽命（應力循環(huán)次數(shù)）；CZ、βZ

、CJ、βJ——構件和連接的相關參數(shù)，應根據《鋼標》附錄K規(guī)定的構件和連接類別采用，按《鋼標》中表16.2.1-1和表16.2.1-2取值。鋼材的破壞形式2.5

由預期使用期內應力循環(huán)總次數(shù)的變幅疲勞損傷與應力循環(huán)2×106次常幅疲勞損傷相等而換算得到的應力幅數(shù)值，2.5.3疲勞破壞等效應力幅

變幅疲勞驗算鋼材的破壞形式2.5第2章鋼結構的材料

主要內容：鋼結構用材的基本要求

2.1鋼材的主要性能2.2影響鋼材性能的主要因素2.3復雜應力狀態(tài)的工作性能2.4鋼材的規(guī)格及選用2.6鋼材的破壞形式2.5鋼材的規(guī)格及選用2.62.6.1鋼材的牌號：平爐鋼：冶煉時間長，成本較高。沸騰鋼（代號F）：脫氧較差。半鎮(zhèn)靜鋼（代號b）：脫氧充分。按冶煉方法分：轉爐鋼：生產效率高，成本低，已成為煉鋼的主要方式。按脫氧方法分：鎮(zhèn)靜鋼（代號Z）：脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。特殊鎮(zhèn)靜鋼（代號TZ）：加強脫氧劑鋁或鈦補充脫氧的鎮(zhèn)靜鋼。軋制鋼(熱軋、冷軋)、鍛鋼、鑄鋼。按成型方法分類：2.6.1鋼材的牌號：鋼結構用的鋼材主要有兩種：碳素結構鋼和低合金鋼。碳素結構鋼的表示方法：Q235-A·FQ屈服強度中屈字漢語拼音的字首阿拉伯字—表示屈服強度的大小，單位：表示按質量劃分的級別：A、B、C、D脫氧方法的符號（Z、TZ可省略）F-沸騰鋼b-半鎮(zhèn)靜鋼Z-鎮(zhèn)靜鋼TZ-特殊鎮(zhèn)靜鋼鋼材的規(guī)格及選用2.62.6.1鋼材的牌號：1.碳素結構鋼：鋼號中質量分級由A到D，表示質量由低到高。A級鋼——沖擊韌性不作為要求條件，冷彎試驗只在需方要求時進行；B級鋼——要求常溫（20±5℃）沖擊韌性值Akv≥27J、冷彎合格；C級鋼——要求（0℃）沖擊韌性值Akv≥27J、冷彎合格；D級鋼——要求負溫（－20℃）沖擊韌性值Akv≥27J、冷彎合格；對Q235鋼來說，A、B兩級的脫氧方法可以是Z、b或F，C級只能是Z，D級只能是TZ。

主要建筑結構用鋼。碳素結構鋼按現(xiàn)行標準規(guī)定的化學成分和機械性能取值，見附表1-1和附表1-2。Q195-Q275鋼材的規(guī)格及選用2.62.6.1鋼材的牌號：鋼結構用的鋼材主要有兩種：碳素結構鋼和低合金鋼。低合金鋼的表示方法：Q355NDQ規(guī)定的最小屈服強度數(shù)值，單位：N/mm2交貨狀態(tài)代號AR或WAR（通常省略）質量等級符號:B級、C級、D級、E級、F級鋼材的規(guī)格及選用2.62.6.1鋼材的牌號：2.低合金鋼：當需方要求鋼板具有厚度方向性能時，則在上述規(guī)定的牌號后加上代表厚度方向（Z向）性能級別的符號，如：Q355NDZ25

低合金鋼是在鋼的冶煉過程中添加少量幾種合金元素（合金元素的總量低于5﹪），使鋼的強度明顯提高，故稱低合金高強度結構鋼。質量等級分B、C、D、E、F五種質量等級。鋼材的規(guī)格及選用2.6交貨狀態(tài)代號有三種：AR或WAR（通常省略），即無代碼、N或M。無交貨狀態(tài)代號（有AR或WAR）的為熱軋狀態(tài)交貨的鋼材，鋼材未經任何特殊軋制和/或熱處理的狀態(tài)。N—交貨狀態(tài)為正火或正火軋制鋼材。M—熱機械軋制鋼材。2.6.1鋼材的牌號：鋼材的規(guī)格及選用2.63.專用結構鋼：專用結構鋼的鋼號是在相應鋼號后再加上專業(yè)用途代號，如：高性能建筑用鋼—GJ、橋梁用鋼—q、壓力容器用鋼—R、鍋爐用鋼—g，船舶用鋼—C（船舶用鋼分A、B、D、E四級，無C級）。處于外露環(huán)境，且對耐腐蝕有特殊要求或處于侵蝕性介質環(huán)境中的承重結構，可采用Q235NH、Q355NH和Q415NH牌號的耐候結構鋼。鋼結構連接中的鉚釘、高強度螺栓、焊條用鋼絲等，各種連接材料有相關國標規(guī)范，采用滿足連接使用要求的專門用鋼。2.6.2鋼材的規(guī)格：鋼結構所用鋼材的種類，按市場供應主要有熱軋成型的鋼板、型鋼以及冷彎成型的薄壁型鋼與壓型板鋼材的規(guī)格及選用2.6熱軋型鋼冷彎薄壁型鋼部分壓型鋼板板型2.6.2鋼材的規(guī)格：1.鋼板：表示方法：—寬度×厚度×長度，單位：mm鋼材的規(guī)格及選用2.6特厚鋼板(厚度>60mm)扁鋼鋼板

分扁鋼、特厚板、厚鋼板及薄鋼板四種。扁鋼(厚度為4～60mm，寬度12～200mm)。主要用于組合梁的翼緣板、各種構件的連接板、桁架節(jié)點板和零件等。薄鋼板(厚度為0.35～4mm，寬度500～1800mm)，冷軋成型。主要用于制造冷彎薄壁型鋼。厚鋼板(厚度4.5～60mm，寬度700～3000mm)，熱軋成型。主要用作梁、柱、實腹式框架等構件的腹板和翼緣，以及桁架中的節(jié)點板。2.6.2鋼材的規(guī)格：2.熱軋型鋼--工字鋼：原表示方法:用號數(shù)表示，號數(shù)即為其截面高度的厘米數(shù)；20號以上的工字鋼，同一號數(shù)有三種腹板厚度，分別為a、b、c三類。表示方法：I+高度值×

腿寬度值

×

腰厚度值(mm)

如

I450×150×11.5，簡記為I45a，高度厘米數(shù)+類別鋼材的規(guī)格及選用2.63.熱軋型鋼--槽鋼：

熱軋成型，有普通槽鋼和輕型槽鋼兩種。表示方法：[+高度值×腿寬度值×腰厚度值(mm)。如[200×75×9，簡記為[20b2.6.2鋼材的規(guī)格：4.熱軋型鋼--角鋼：

分不等邊和等邊兩種。等邊角鋼以邊寬和厚度表示：∠+邊寬×邊厚度

不等邊角鋼的表示方法為：∠+長邊寬×短邊寬×邊厚度鋼材的規(guī)格及選用2.65.熱軋H型鋼和剖分T型鋼：熱軋H型鋼分為：寬翼緣H型鋼(HW)、中翼緣H型鋼(HM)、窄翼緣H型鋼(HN)、薄壁H型鋼(HT)四類。剖分T型鋼表示：T（字符）+

高度h值×翼緣寬度值B×腹板厚度t1值×翼緣厚度t2值（mm）H型鋼及剖分T型鋼表示：H（字符）+

高度H值×翼緣寬度值B×腹板厚度t1值×翼緣厚度t2值(mm)2.6.2鋼材的規(guī)格：6.冷彎型鋼：冷彎型鋼是采用薄鋼板冷軋制成，與相同截面積的熱軋型鋼相比，其截面抵抗矩大，鋼材用量顯著減少按產品截面形狀分為：冷彎方形空心型鋼，簡稱方管，代號F；矩形管（J）；圓管（Y）；異形管（YI）常用截面形式鋼材的規(guī)格及選用2.6冷彎開口型鋼，也可簡稱為開口型鋼，根據截面形狀代號分別為：JD（等邊角鋼）、JB（不等邊角鋼）、CD（等邊槽鋼）、CB（不等邊槽鋼）、CN（內卷邊槽鋼）、CW（外卷邊槽鋼）、Z（Z形鋼）、ZJ（卷邊Z形鋼）。2.6.2鋼材的規(guī)格：7.壓型鋼板

：壓型鋼板是冷彎型鋼的另一種形式，用厚度為0.32mm~2mm的鍍鋅或鍍鋁鋅鋼板、彩色涂層鋼板冷軋（壓）成的各種類型的波形板執(zhí)行《建筑用壓型鋼板》GB/T12755-2008。冷彎型鋼和壓型鋼板分別適用于輕鋼結構的承重構件和屋面、墻面構件。鋼材的規(guī)格及選用2.6（6）鋼管：有熱軋無縫鋼管和焊接鋼管兩種。表示方法：Φ外徑D×壁厚t，單位：mm。2.6.3鋼材的選用原則與規(guī)定

正確選擇鋼材的原則是保證結構安全可靠、經濟合理。選用原則

結構的重要性荷載情況連接方法鋼材厚度和結構形式結構所處的溫度和環(huán)境選材應考慮的主要因素

對于重要結構、直接承受動載的結構、處于低溫條件下的結構及焊接結構，應選用質量較高的鋼材。具體建議見教材。選用建議鋼材的規(guī)格及選用2.6鋼材宜采用

Q235、Q355、Q390、Q420、Q460、Q345GJ、Q390GJ、Q420GJ和Q460GJ，符合《碳素結構鋼》GB/T700、《低合金高強度結構鋼》GB/T1591和《建筑結構用鋼板》GB/T19879Z向鋼符合《厚度方向性能鋼板》GB/T5313；耐候結構鋼可采用Q235NH、Q355NH和Q415NH

，符合《耐候結構鋼》GB/T4171；非焊接結構用鑄鋼件，符合《一般工程用鑄造碳鋼件》GB/T11352；焊接結構用鑄鋼件，符合《焊接結構用鑄鋼件》GB/T7659其他牌號鋼材宜按照《建筑結構可靠性設計統(tǒng)一標準》GB50068進行統(tǒng)計分析。高強鋼結構構件應采用Q460、Q500、Q550、Q620、Q690和Q460GJ、Q500GJ、Q550GJ、Q620GJ、Q690GJ，符合《高強鋼結構設計標準》JGJ/T483-20202.6.3鋼材的選用原則與規(guī)定《鋼標》推薦的鋼材牌號及標準鋼材的規(guī)格及選用2.6A級鋼僅可用于結構工作溫度高于0℃的不需要驗算疲勞的結構，且Q235A鋼不宜用于焊接結構。需驗算疲勞的焊接結構用鋼材應符合下列規(guī)定：工作溫度高于0℃：質量等級不應低于B級；工作溫度-20℃~0℃：Q235鋼、Q345鋼、Q355鋼不應低于C級，Q390鋼、Q420鋼及Q460鋼不應低于D級；工作溫度不高于-20℃：Q235鋼、Q345鋼和Q355

鋼不應低于