钢结构材料与设计方法

1、16钢结构的材料与计算方法钢结构的材料与计算方法 本章着重讲述了钢材的机械性能、化学成分、本章着重讲述了钢材的机械性能、化学成分、 钢材的选用和钢结构的设计方法等，在学习过程中钢材的选用和钢结构的设计方法等，在学习过程中 掌握下列内容：掌握下列内容： （1） 了解钢结构的特点、应用范围和发展过了解钢结构的特点、应用范围和发展过 程及趋势；程及趋势； （2） 掌握一次拉伸实验方法和钢材的应力掌握一次拉伸实验方法和钢材的应力 应变曲线；应变曲线； 本章提要本章提要 （3） 掌握钢材机械性能和化学成分；掌握钢材机械性能和化学成分； （4） 掌握钢材的选用方法；掌握钢材的选用方法； （5） 掌握钢结构

2、的设计方法。掌握钢结构的设计方法。 本本 章章 内内 容容 16.1 钢结构的特点、应用范围与发钢结构的特点、应用范围与发 展展 16.2 钢材的机械性能与化学成分钢材的机械性能与化学成分 16.3 其他因素对钢材性能的影响其他因素对钢材性能的影响 16.4 钢材的品种与选用钢材的品种与选用 16.5 钢结构的设计方法与设计指标钢结构的设计方法与设计指标 16.1 钢结构的特点、应用范围与发展钢结构的特点、应用范围与发展 钢结构是以钢板、型钢、薄壁型钢制成的构件， 通过焊接、铆接、螺栓连接等方式而组成的结构， 与其他材料的结构相比，具有如下的特点： （1） 钢材强度高，结构自重轻 （2） 塑性

3、、韧性好 （3） 材质均匀 （4） 工业化程度高 16.1.1 钢结构的特点钢结构的特点 （5） 可焊性 （6） 耐腐蚀性差 （7） 耐火性差 （8） 钢结构在低温和其他条件下，可能发生脆 性断裂，这应引起设计者的特别注意。 （1） 大跨度结构 （2） 重型厂房结构 （3） 受动力荷载作用的厂房结构 （4） 多层、高层和超高层建筑 （5） 高耸结构 （6） 板壳结构 （7） 可拆卸结构 16.1.2 钢结构的应用范围钢结构的应用范围 （1） 高强度低合金钢 （2）轧制新品种的型钢 （3）计算方法的完善 （4）结构形式 （5） 优化原理的应用 16.1.3 钢结构的发展钢结构的发展 16.2 钢

4、材的机械性能与化学成分钢材的机械性能与化学成分 （1） 屈服点与抗拉强度 建筑钢材的强度和塑性一般由常温静载下单向拉 伸试验曲线表明，该试验是将钢材的标准试件在拉伸 试验机上，按规定的加荷速度逐渐施加拉力荷载，使 试件逐渐伸长，直至拉断破坏。根据加荷过程中所测 得的数据画出应力应变曲线（即曲线）。 如图16.1所示，为低碳钢的应力应变曲线。 16.2.1 钢材的机械性能钢材的机械性能 当应力超过fp后，应变比应力增加得快，到达b点 后，应变急剧增加，而应力基本不变，此阶段称为屈 服阶段，应力应变曲线呈水平段，钢筋产生相当大 的塑性变形，c点对应的应力fy称为屈服强度。 没有明显屈服点和塑性平台

5、的钢材，则以卸荷后 残余变形为0.2%时所对应的应力为屈服点，称为名义 屈服点f0.2。 屈服阶段后，钢材内部组织经重新调整进入强化 阶段，直至曲线最高点即抗拉强度fu，出现颈缩，此 时变形剧增，应力下降，最后试件断裂。 抗拉强度是钢材破坏前所能承受的最大应力，但 是巨大的塑性变形，使之无实用意义，只作为强度贮 备。 fy/fu叫做屈强比，其值愈大，说明钢材被充分利 用；愈小则安全储备愈大。 （2） 塑性 钢材的塑性是指应力超过屈服点后，能产生显著 的塑性变形，而不立即断裂的性质，可用试件静力拉 伸时的伸长率来衡量。 伸长率为图16.2所示试件拉断后，原标距的伸长 值与原标距比值的百分数，即

6、10 0 100% ll l （3） 冷弯性能 冷弯性能是指钢材在冷加工时（即常温下加工）， 对产生裂缝的抵抗能力。 冷弯试验方法是在材料试验机上，通过冷弯冲头 加压，将厚度为a、宽度为b的板材按规定的弯心直径 d弯曲180，以弯曲处无裂纹、不起层为合格。同时 又可检查钢材的内部缺陷（颗粒组织、结晶情况、杂 质分布等），鉴定钢材的可焊性，因此冷弯性能是衡 量钢材质量的综合性指标（图16.3）。 （4） 冲击韧性 钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收 能量的能力，也是钢材在动力荷载作用下，抵抗脆性 破坏的能力。 冲击韧性指标由冲击试验获得，叫做冲击值。在 冲击试验时，采用截面为10mm10

7、mm，长度为 55mm，中间开有小槽的长方形试件（图16.5），放 在摆锤式冲击试验机上冲断（图16.4），可从试验机 刻度盘上读出冲击功Ak(单位J)。 钢结构用钢机械性能指标规定见表16.1和表16.2 图16.1低碳钢单向拉伸应力应变图 图16.2静力拉伸标准试件 图16.3冷弯试验示意图 图16.4冲击韧性试验及试件缺口形式 （a） 试验示意图；(b) 梅氏U形缺口；(c) 夏比氏V形缺口 图16.5冲击试件取样方法 表表16.1Q235钢的机械性能钢的机械性能 表表16.2Q345及及Q390钢的机械性能钢的机械性能 钢材的化学成分直接影响钢的组织构造和机械性 能。 钢的基本元素是铁

8、（Fe），它在碳素结构钢中含 量约占99%，其余是碳（C）、锰（Mn）、硅（Si） 以及冶炼中不易除净的有害元素硫（S）、磷（P）、 氧（O）、氮（N）等。 在低合金结构钢中，适当增加锰、硅含量，可改 善钢材的机械性能。若增加少量的钒、钛、铌、铜等 元素，则对某些性能的改善更显著。 钢结构所用各类钢材的化学成分见表16.3和表16.4 16.2.2 钢材料的化学成分钢材料的化学成分 表表16.3Q235钢的化学成分（熔炼分析）（钢的化学成分（熔炼分析）（%） 表表16.4Q345和和Q390钢的化学成分（熔炼分析）（钢的化学成分（熔炼分析）（%） 16.3 其他因素对钢材性能的影响其他因素对钢

9、材性能的影响 钢按冶炼方式可分为平炉钢与顶吹氧气转炉钢 两种，两者在化学成分、机械性能和工艺性能上基 本一致，而转炉钢成本较低，宜优先采用。 钢按脱氧情况的不同，可分为沸腾钢、镇静钢、 半镇静钢。 钢锭是在12001300高温下，经多次热轧而成 材的。热轧改善钢锭的铸造组织，使结晶致密，消 除部分缺陷，提高了力学性能。钢锭厚度与型钢厚 度之比称为压缩比，压缩比愈大，质量愈好。 16.3.1 冶炼和轧制过程冶炼和轧制过程 钢材随时间的增长，其强度提高而塑性、韧性下 降的现象叫时效硬化。 所谓人工时效是使钢材先发生10%左右的塑性变 形，再加热至250保持1h，然后在空气中冷却，则时 效可在几小时

10、内完成。 钢材在弹塑性或塑性阶段卸荷后再重新加荷，其 屈服点将提高，弹性工作范围加大，而塑性和韧性却 降低，这种现象叫做冷作硬化。 16.3.2 钢材的硬化钢材的硬化 钢在250左右时，抗拉强度有所提高而塑性、韧 性下降，这种现象叫蓝脆（因表面氧化膜呈蓝色）。 应避免在蓝脆温度范围内进行热加工，否则易出现裂 纹。 当温度从常温下降时，强度略有提高，但塑性和 韧性则降低而变脆，当温度下降到某一区间时，冲击 韧性急剧下降，破坏特征明显地转变为脆性破坏，这 就是低温冷脆。 16.3.3 温度的影响温度的影响 16.3.4 复杂应力作用下的工作复杂应力作用下的工作 图16.6复杂应力状态 由于截面几何

11、形状的突变，造成应力线密集曲折， 从而在孔洞边缘、缺口尖端出现局部高峰应力，而其 他部位应力降低，形成所谓的应力集中现象。 由图16.7可以看到，应力集中的程度取决于构件 形状的变化，变化剧烈，高峰应力则大。 图16.8为不同槽口试件拉伸时的应力应变图， 表明形状变化愈剧烈的试件，应力集中愈严重，抗拉 强度愈高，而脆性破坏的危险也愈大。 承受静力荷载的构件，应遵照规范的有关要 求，避免截面形状的突变，设计时可不考虑应力集中 问题。 16.3.5 应力集中的影响应力集中的影响 图16.7应力集中 图16.8应力集中对钢材性能的影响 钢材在连续的重复荷载作用下，虽然应力低于抗 拉强度，甚至低于屈服

12、点时，也会发生破坏，这种现 象称为钢的疲劳。 疲劳破坏之前，并无明显的塑性变形和局部收缩， 是一种突然性的脆性断裂。 疲劳是因为钢材质地不均匀以及应力分布不均匀 而引起的。 16.3.6 重复荷载作用的影响重复荷载作用的影响 16.4 钢材的品种与选用钢材的品种与选用 钢按用途分结构钢、工具钢和特殊钢，结构钢又 可分为建筑用钢和机械用钢； 按冶炼方法，钢可分为转炉钢和平炉钢，转炉钢 目前采用氧气顶吹转炉钢，成本比平炉钢要低； 按脱氧方法分为沸腾钢（F）、半沸腾钢（b）、 镇静钢(Z)和特殊镇静钢(TZ)，镇静钢和特殊镇静钢的 代号在钢的牌号中可省略，镇静钢脱氧充分，沸腾钢 脱氧较差，一般采用镇

13、静钢； 16.4.1 结构用钢的品种与牌号结构用钢的品种与牌号 按成型方法分为轧制钢、锻钢和铸钢； 按化学成分分为碳素钢和合金钢，在建筑工程中 常用碳素结构钢、低合金钢和优质碳素结构钢。 （1） 碳素结构钢 目前碳素结构钢采用的国家标准碳素结构钢 （GB 70088）中按质量等级分为A、B、C、D四级， 质量等级中以A级最差，D级最优。 该标准中钢材牌号表示方法由字母Q、屈服点数 值（N/mm2）、质量等级代号（A、B、C、D）及 脱氧方法代号（F、b、Z、TZ）四个部分组成。 碳素结构钢（GB 70088）将碳素结构钢按 屈服点数值分为5个牌号：Q195、Q215、Q235、Q255 和Q2

14、75。 （2） 低合金结构钢 低合金结构钢的国家标准低合金高强度结构钢 （GB/T 1591）中按质量等级分为A、B、C、D、E五 级。 采用与碳素结构钢相同的表示方法，即用钢材厚 度（直径）16mm时的屈服点大小表示，共分为5个牌 号：Q295、Q345、Q390、Q420及Q460。 （1） 承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、 Q390钢和Q420钢。 （2） 下列情况的承重结构和构件不应采用Q235 沸腾钢： 焊接结构 非焊接结构 （3） 承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸 长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结 构尚应具有碳含量的合格保证。 16.4.2 钢材的选用

15、钢材的选用 （4） 对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应 具有常温冲击韧性的合格保证。 对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有 常温冲击韧性的合格保证。 （5） 吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁， 对钢材冲击韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。 钢结构所用钢材主要为热轧钢板、型钢、冷弯薄 壁型钢和压型钢板。 （1） 钢板 钢板分为薄钢板、厚钢板和扁钢，其规格用符号 “”加“宽度厚度”的毫米数来表示。如 60012表示宽度为600mm、厚度为12mm的钢板。 薄钢板：厚0.354.0mm，宽5001500mm，长 0.54m； 厚钢板：厚4.560mm，宽6003000mm，长 4

16、12m； 扁钢：厚460mm，宽12200mm，长39m。 16.4.3 钢材规格钢材规格 （2） 热轧型钢 钢结构常用的型钢是角钢、槽钢、工字钢和H型 钢（图16.9）。 工字钢也分普通和轻型两种，分别用符号“I”和 “QI”表示。 H型钢分宽翼缘H型钢（HK）、窄翼缘H型钢 （HZ）和H型钢桩（HU）。 （3） 冷弯薄壁型钢和压型钢板 薄壁型钢是用1.55mm的薄钢板经模压或冷弯成 型，其截面形式如图16.10所示。 压型钢板是用0.42mm厚的钢板、镀锌钢板、彩 色涂层钢板经冷轧而成的波形板，我国已有26种压型 钢板型号，图16.11为其中几种。 图16.9热轧型钢 图16.10冷弯薄壁

17、型钢 图16.11压型钢板 16.5 钢结构的设计方法与设计指标钢结构的设计方法与设计指标 （1） 承载能力极限状态的设计表达式 由可变荷载效应控制的组合： 由永久荷载效应控制的组合： 00 2 () n GGkQiQikQiciik i SSSQR 16.5.1 钢结构的计算方法钢结构的计算方法 00 2 () n GGkQiciik i SSQR （2）正常使用极限状态的设计表达式 按正常使用极限状态设计钢结构时，应考虑荷载 效应的标准组合。对钢与混凝土组合梁，尚应考虑准 永久组合。其中标准组合按下述表达式计算： 2 ) n GkQikciik i SSSQ 钢材和连接的强度设计值（材料强度的标准值除 以抗力分项系数），应根据钢材的厚度或直径按表 16.5表16.10采用。 规范规定，计算下列情况的结构构件或连接 时表16.5表16.10规定的强度设计值应乘以相应的折减 系数： （1） 单面连接的单角钢 按轴心受力计算强度和连接乘以系数0.85； 按轴心受压计算稳定性 16.5.2 设计指标设计指标 （2） 无垫板的单面施焊对接焊缝乘以系数0.85； （3） 施工条件较差的高空安装焊缝和铆钉连接 乘以系数0.90； （4） 沉头和半沉头铆钉连接乘以系数0.