钢结构基本知识

第十四章钢结构基本知识

钢结构的定义：主要受力构件采用型钢、钢板加工制造而成的结构称为钢结构。

钢结构的优缺点：

优点：⑴强度高；⑵可靠性好；⑶容易施工。

缺点：⑴钢材容易被腐蚀；⑵耐火性差；⑶成本较高。

钢结构的应用：钢结构一般适用于工业建筑及高层建筑结构中。

§14-1 钢结构材料

一、钢材的主要力学性能

1、钢材单向均匀受拉时的力学性能

钢材在均匀受拉时的工作性能用单向均匀静力拉伸试验的荷载—变形曲线或应力-应变曲线来表示。

2、钢结构对材料性能的要求

钢结构对材料性能的要求是多方面的，使用时必须全面的衡量，慎重地选择合适的材料。

钢材材性主要有：强度；塑性；韧性；可焊性；冷弯性能；耐久性；Z向伸缩率

（1）钢材的强度

强度体现了材料的承载能力，主要指标有屈服点fy 和抗拉强度fu ，通过静力拉伸试验得到。

屈服点为设计时钢材可达到的最大应力。

抗拉强度 fu是钢材破坏前能够承受的最大应力。钢材达到 fu 时，已产生很大塑性变形而失去使用性能，但fu 高则可以增加结构的安全保障，故fu/fy 的值可看作钢材强度储备系数。

（2）钢材的塑性

钢材的塑性为当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用伸长率d 和断面收缩率y表示。通过静力拉伸试验得到。

伸长率d 根据试件原标距长度 l0与试件中间部分的直径d0 的比值为10或5而分为d10或d5，为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百分率。

断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率。

结构或构件在受力时（尤其承受动力荷载时）材料塑性好坏往往决定了结构是否安全可靠，因此钢材塑性指标比强度指标更为重要。

（3）钢材的韧性

钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力，它是强度与塑性的综合表现。

钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功来表示。

钢结构设计规范对钢材的冲击韧性ak有常温和负温要求的规定。选用钢材时，根据结构的使用情况和要求提出相应温度的冲击韧性指标要求。

（4）钢材的可焊性

钢材的可焊性是指在一定工艺和结构条件下，钢材经过焊接能够获得良好的焊接接头的性能。

可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。

施工上的可焊性指对产生裂纹的敏感性，使用性能上的可焊性是指焊接构件在焊接后的力学性能是否低于母材。

（5）钢材的冷弯性能

冷弯性能是指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。冷弯性能用试验方法来检验钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能，检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面是否有裂纹、裂断和分层。

（6）钢材的耐久性

耐久性需要考虑的有：耐腐蚀性、“时效”现象、疲劳现象等。

时效：随着时间的增长，钢材的力学性能有所改变。

疲劳：多次反复荷载作用下，低于屈服点fy 发生的破坏。

（7）钢材的Z向伸缩率

钢材的Z向伸缩率是指钢材沿厚度方向的收缩率。

当钢材较厚时，或承受沿厚度方向的拉力时，要求钢材具有板厚方向的收缩率要求，以防厚度方向的分层、撕裂。

二、各种因素对钢材主要性能的影响

影响钢材力学性能的因素有：化学成分；冶金和轧制过程；时效；冷作硬化；温度；应力集中和残余应力；复杂应力状态

1、化学成分的影响

钢的基本元素为铁（Fe），普通碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等杂质元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总含量约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。

（1）碳含量对钢材性能的影响：除铁以外最主要的元素。碳含量增加，使钢材强度提高，塑性、韧性，特别是低温冲击韧性下降，同时耐腐蚀性、疲劳强度和冷弯性能也显著下降，恶化钢材可焊性，增加低温脆断的危险性。一般建筑用钢要求含碳量在0.22%以下，焊接结构中应限制在0.20%以下。

（2）硅、锰：作为脱氧剂加入普通碳素钢。适量硅、锰可提高钢材的强度，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性无显著的不良影响。但其含量过高，会降低钢材塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。

（3）硫、磷：有害元素。引起钢材热脆，降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等，含量需严格控制。

（4）氧：有害元素，引起热脆。

（5）氮：能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性、可焊性和冷弯性能，增加时效倾向和冷脆性。一般要求含量小于0.008%。

为改善钢材力学性能，可适量增加锰、硅含量，还可掺入一定数量的铬、镍、铜、钒、钛、铌等合金元素，炼成合金钢。钢结构常用合金钢中合金元素含量较少，称为普通低合金钢。

2、冶金和轧制过程的影响

（1）按炉种分：

结构用钢我国主要有三种冶炼方法：碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法、碱性侧吹转炉炼钢法。

平炉钢和顶吹转炉钢的力学性能指标较接近，而碱性侧吹转炉钢的冲击韧性、可焊性、时效性、冷脆性、抗锈性能等都较差，故这种炼钢法已逐步淘汰。

（2）按脱氧程度分：

沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。

沸腾钢脱氧程度低，氧、氮和一氧化碳气体从钢液中逸出，形成钢液的沸腾。沸腾钢的时效、韧性、可焊性较差，容易发生时效和变脆，但产量较高、成本较低；半镇静钢脱氧程度较高些，上述性能都略好；而镇静钢的脱氧程度最高，性能最好，但产量较低，成本较高。

3、时效和冷作硬化的影响

（1）时效的影响

随着时间的增长，纯铁体中残留的碳、氧固溶物质逐步析出，形成自由的碳化物或氧化物微粒，约束纯铁体的塑性变形，此为时效。

时效将提高钢材的强度，降低塑性、韧性。时效的过程可从几天到几十年。

（2）冷作硬化的影响

钢结构在冷加工过程中引起的强度提高称为冷作硬化。

冷加工包括：剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等。

4、温度的影响

一般情况下，温度升高，钢材力学性能变化不大。

温度达250°C左右时，钢材抗拉强度提高，塑性、韧性下降，表面氧化膜呈蓝色，即发生蓝脆现象。

温度超过300°C以后，屈服点和极限强度显著下降，达到600°C时强度几乎等于零。

温度从常温下降到一定值，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件断口属脆性破坏，这种现象称为冷脆现象。钢材由韧性状态向脆性状态转变的温度叫冷脆转变温度。

5、应力集中和残余应力的影响

钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应力，此谓应力集中现象。应力集中越严重，钢材塑性越差。

残余应力为钢材在冶炼、轧制、焊接、冷加工等过程中，由于不均匀的冷却、组织构造的变化而在钢材内部产生的不均匀的应力。残余应力在构件内部自相平衡而与外力无关。残余应力的存在易使钢材发生脆性破坏。

6、复杂应力状态的影响

钢材在单向应力作用下，当应力达到屈服点 fy时，钢材屈服而进入塑性状态。当钢材处于复杂应力作用下（平面应力或立体应力），按能量强度理论（第四强度理论），以折算应力σcr是否大于 fy来判断钢材是否由弹性状态转变为塑性状态。

三、钢材的种类、规格和命名规则

1、钢材的种类

钢结构中采用的钢材，仅碳素结构钢和普通低合金钢中的几种。

（1）普通碳素钢

甲或A类：按力学性能供应，保证强度、塑性，硫、磷含量符合相同钢号乙类钢的规定。

乙或B类：按化学成分供应。

特或C类：同时按力学性能和化学性能供应。

结构用钢主要为甲类；乙类无力学性能的保证，不能用；特类钢价格较高，应少用。

普通碳素钢有1~7共七个钢号。钢号越高，其含碳量越高，强度越高，塑性越低。其中3号钢在结构中广泛应用。

（2）普通低合金钢

在普通碳素钢中添加少量合金元素，以提高其强度、耐腐蚀性、冲击韧性等。

2、钢材的规格

钢结构所用的钢材主要有：圆钢，角钢，槽钢，工字钢，钢管，“H”型钢，冷弯薄壁型钢。

3、钢材的命名规则

（1）普通碳素钢的命名规则

X└┘N（）

X ：表示类别，甲、乙、特或A、B、C；

└┘：表示炉种，平炉省略，顶吹氧气转炉用“顶”或符号“Y”表示；

N ：表示钢号，用数字1，2，...... 7，表示；

( ) ：表示浇铸方法，沸腾钢用“沸”或“F”表示，镇静钢省略符号，半镇静钢用“半”或“b”表示。

如：“乙顶3沸”，或用符号表示为“B Y 3 F”，其意义为：乙类顶吹氧气转炉3号沸腾钢。

（2）普通低合金钢的命名规则

“QXXX—└┘·[ ]”，例如Q235 ? A·F、Q235 ? B·b、Q345 ? E·Z。

其中 Q ：屈服强度的第一个拼音字母；

XXX ：屈服强度值，单位为N/mm2，结构用钢常有235、345、390、420；

└┘：质量等级，有A、B、C、D、E五等。其中A无冲击功规定；B有20°C时的冲击功要求；C有0°C时的冲击功要求；D有－20°C时的冲击功要求；E 有－40°C时的冲击功要求，低合金钢才有E等；

[ ] ：脱氧方法，可分为F、b、Z和TZ，F表示沸腾钢，b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢，其中Z和TZ可不写。

16 锰，或用符号表示为16 Mn，其意义为：16 表示含碳量0.16%，Mn表示合金元素为Mn，锰的平均含量少于1.5%。

（3）高强度螺栓的命名规则

高强度螺栓用钢材的抗拉强度及屈强比表示。如高强螺栓10.17级表示抗拉强度为1000N/mm2，屈服强度与抗拉强度的比值为0.17。

§14-2 钢结构的连接

一、钢结构的连接方法

焊接连接与铆钉、螺栓连接比较，有以下优点：

1）不需打孔，省工省时；

2）任何形状的构件可直接连接，连接构造方便；

3）气密性、水密性好，结构刚度较大，整体性较好。

缺点是：

1）焊接附近有热影响区，材质变脆；

2）焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏，残余变形使结构形状、尺寸发生变化；

3）焊接裂缝一经发生，便容易扩展。

常见的焊接缺陷：裂纹、气孔、未焊透、夹渣、咬边、烧穿、凹坑、塌陷、未焊满。

四、焊接的形式

（1）按两焊件的相对位置分：平接，搭接，顶接

（2）对接焊缝按受力与焊缝方向分：

a）直缝：作用力方向与焊缝方向正交

b）斜缝：作用力方向与焊缝方向斜交

（3）角焊缝按受力与焊缝方向分：

a）端缝：作用力方向与焊缝长度方向垂直

b）侧缝：作用力方向与焊缝长度方向平行

（4）按焊缝连续性：

a）连续焊缝：受力较好

b）断续焊缝：易发生应力集中

（5）按施工位置：俯焊、立焊、横焊、仰焊，其中以俯焊施工位置最好，所以焊缝质量也最好，仰焊最差。

五、焊接质量检验

焊接时为保证质量，需要注意之处：

（1）对不熟悉的钢种焊接时，需做工艺性能和力学性能的试验；

（2）焊工要进行考核，持证上岗；

（3）焊条、焊丝、焊剂按规定烘焙；

（4）多层焊接需连续施焊，每层焊道之间要清理；

（5）焊缝出现裂缝，应申报、查明原因，方能处理。

焊缝质量检验方法分：外观检查、超声波探伤检验、X射线检验。

焊缝质量分三级:

一级焊缝需经外观检查、超声波探伤、x射线检验都合格；

二级焊缝需外观检查、超声波探伤合格；

三级焊缝需外观检查合格。

六、焊接应力与焊接变形

焊接变形：钢结构构件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形。

焊接应力：焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约束而产生的应力称为焊接应力。

（1）焊接应力的形成和分类

1）焊接应力的形成

两块钢板上施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝附近温度高达1600°C，其邻近区域温度较低，且冷却很快。冷却时钢材收缩，冷却慢的区域收缩受到限制，从而产生拉应力，冷却快的区域受到压应力。

2）焊接应力的分类

纵向应力：沿着焊缝长度方向的应力

横向应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力

厚度方向应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。

（2）焊接应力对钢结构的影响

对常温下承受静力荷载结构的强度没有影响，但刚度降低；

由于焊接应力使焊缝处于三向应力状态，阻碍了塑性变形，裂纹易发生和发展；

降低疲劳强度；

降低压杆的稳定性；

使构件提前进入弹塑性工作阶段。

（3）焊接变形的产生和防止

焊接变形是由于焊接过程中焊区的收缩变形引起的，表现在构件局部的鼓起、歪曲、弯曲或扭曲等。

表现主要有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。如图。

减少焊接应力和焊接变形的方法

（1）采用适当的焊接程序，如分段焊、分层焊；

（2）尽可能采用对称焊缝，使其变形相反而抵消；

（3）施焊前使结构有一个和焊接变形相反的预变形；

（4）对于小构件焊前预热、焊后回火，然后慢慢冷却，以消除焊接应力。

七、合理的焊缝设计

（1）避免焊缝集中、三向交叉焊缝；

（2）焊缝尺寸不宜太大；

（3）焊缝尽可能对称布置，连接过渡平滑，避免应力集中现象；

（4）避免仰焊。

§14-3 钢结构构件

一、梁的类型

1、按弯曲变形状况分为单向弯曲构件和双向弯曲构件

2、按支承条件分：简支梁；连续梁；悬臂梁

3、按截面构成方式分：

（1）实腹式截面梁

型钢梁—通常采用工字钢（I形钢）或宽翼缘工字钢（H型钢），槽钢和冷弯薄壁型钢等。工字钢和H型钢的材料在截面上的分布较符合受弯构件的特点，用钢较省。槽钢截面单轴对称，剪力中心在腹板外侧，绕截面受弯时易发生扭转。冷弯薄壁型钢多用在承受较小荷载的场合下，例如房屋建筑中的屋面檩条和墙梁。

焊接组合截面梁—由若干钢板或钢板与型钢连接而成。它截面布置灵活，可根据工程的各种需要布置成工字形和箱形截面，多用于荷载较大、跨度较大的场合。

（2）空腹式截面梁—可以减轻构件自重，也方便了建筑物中管道的穿行。

（3）组合梁－用钢筋砼和轧制型钢或焊接型钢构成。其中作为建筑物楼面、桥梁桥面的砼板，也作为梁的组合部分参与抵抗弯矩。

二、梁的截面形式

三、受弯构件设计的内容

钢结构设计的内容大致包括：

强度计算；整体稳定；局部稳定；刚度计算

一般说来，梁的设计步骤通常是先根据强度和刚度要求，同时考虑经济和稳定性等各个方面，初步选择截面尺寸，然后对所选的截面进行强度、刚度、整体稳定和局部稳定的验算。如果验算结果不能满足要求，就需要重新选择截面或采取一些有效的措施予以解决。对组合梁，还应从经济考虑是否需要采用变截面梁，使其截面沿长度的变化与弯矩的变化相适应。此外，还必须妥善解决翼缘与腹板的连接问题，受钢材规格、运输和安装条件的限制而必须设置拼接的问题，梁的支座以及与其他构件连接的问题等等。

四、轴心受力构件的特点

轴心受力构件包括轴心受压杆和轴心受拉杆。轴心受力构件广泛应用于各种钢结构之中，如网架与桁架的杆件、钢塔的主体结构构件、双跨轻钢厂房的铰接中柱、带支撑体系的钢平台柱等等。

实际上，纯粹的轴心受力构件是很少的，大部分轴心受力构件在不同程度上也受偏心力的作用，如网架弦杆受自重作用、塔架杆件受局部风力作用等。但只要这些偏心力作用非常小（一般认为偏心力作用产生的应力仅占总体应力的3％以下。）就可以将其作为轴心受力构件。

五、轴心受力构件的截面形式

a）类为单个型钢实腹型截面，一般用于受力较小的杆件。

b) 类为多型钢实腹型截面，改善了单型钢截面的稳定各向异性特征，受力较好，连接也较方便。

c) 类为格构式截面，其回转半径大且各向均匀，用于较长、受力较大的轴心受力构件，特别是压杆。但其制作复杂，辅材用量多。

§14-4 钢屋盖

一、钢屋盖的组成和布置

钢屋盖可分为无檩屋盖和有檩屋盖。

无檩屋盖

组成：屋架、天窗架、支撑（水平支撑、垂直支撑）、大型屋面板

传力路线：

屋面荷载大型屋面板屋架（或天窗架）

特点：屋盖刚度大、整体性好、施工方便，但自重大、抗震性能差。可用于屋架坡度较小的屋盖。

有檩屋盖

组成：轻质屋面板、檩条、拉条、支撑、屋架

传力路线：屋面荷载、屋面板、檩条、屋架

特点：屋面材料轻，整体性、刚度差些，有拉条（甚至斜拉条、撑杆等）、构造较复杂。可用于屋架坡度较大的屋盖。

拉条的作用:减小檩条的侧向变形和扭转，一般设在檩条腹杆受压区域。

二、屋盖结构的支撑

由屋架、檩条和屋面材料等构件组成的有檩屋盖是几何可变体系。屋架的受压上弦虽然与檩条连接，但所有屋架的上弦有可能向同一方向以半波的形式鼓曲，使得上弦的计算长度为屋架的跨度，承载力下降。其次，屋架下弦虽是拉杆，但侧向无联系时，会引起较大的水平振动和变位，增加杆件和连接中的受力。此外端墙传来的风荷载，仅靠屋架的弦杆承受和传递是不够的。故支撑设置有下列的作用：

1、保证结构的空间作用

2、增强屋架的侧向稳定

3、传递屋盖的水平荷载

4、便于屋盖的安全施工

三、普通钢屋架

1、普通钢屋架的组成与特点

组成：角钢、节点板焊接而成

特点：标准屋架，受力性能好，构造简单，施工方便

2、普通钢屋架的形式与尺寸

（1）屋架的外形及腹杆布置

三角形屋架：受力不均匀，刚度小，坡度大，排水好，用于中、小跨度轻屋面结构

梯形钢屋架：外形与弯矩图较接近，受力好，省材料

矩形钢屋架：腹杆长度一致，杆件类型少，标准化、工业化程度高，主要用于托架、支撑体系

（2）屋架主要尺寸

跨度：据工艺需要定，一般为3m模数，12、15、18、21、24、27、30、36m 等(注意：柱中心距离)

高度：三角形 h≈（1/4～1/6）L；梯形跨中 h≈（1/6～1/10）L

端部 h≈1.6～2.2m（铰接时）； h≈1.8～2.4m（刚接时）屋架上弦节间：据屋面材料定，尽可能使荷载直接作用在屋架节点上

3、普通钢屋架施工图

施工图需明确：屋架几何尺寸，各部分详图，相关尺寸，构件所用钢材的钢号、材料规格，连接材料的强度指标、规格，焊条型号，焊缝长度、厚度，防腐处理等。

比例：轴线图与节点图可取不同比例，如轴线可用1:30～1:20，杆件截面和节点尺寸可用1:15～1:10，以使节点画清楚些。

起拱：跨度较大的屋架，特别是荷载较大时，中间挠度较大，因此为确保安全使用和外部美观，一般跨度大于等于24m的梯形屋架和跨度大于等于15m的三角形屋架，中间起拱约为跨度的1/500。

施工图设计分为施工设计和详图设计两个阶段，设计文件（图纸）的名称相应为施工图和施工详图，施工图是编制施工详图的依据，施工详图则是施工图的深化和补充。

随着国内钢结构生产企业技术能力的提高，向国际惯用做法靠拢，施工图由设计院完成，施工详图由生产企业的技术科完成。