武汉某大学建筑结构讲义下三

16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、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：（1）了解钢结构的特点、应用范围和发展过程及趋势；（2）掌握一次拉伸实验方法和钢材的应力应变曲线；

本章提要（3）掌握钢材机械性能和化学成分；（4）掌握钢材的选用方法；（5）掌握钢结构的设计方法。本章内容16.1

钢结构的特点、应用范围与发展16.2

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16.4

钢材的品种与选用16.5

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、韧性好

（3）材质均匀

（4）工业化程度高16.1.1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

（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16商.2钢材恰的机灿械性召能与本化学虚成分（1）屈服变点与芬抗拉产强度飘

建筑阻钢材幸的强疗度和采塑性征一般罪由常誉温静田载下怕单向差拉伸乒试验点曲线谷表明肆，该闹试验宝是将碑钢材暖的标坟准试把件在赔拉伸漏试验蔬机上隶，按谱规定唐的加枣荷速钓度逐徐渐施缠加拉退力荷勿载，肤使试蒙件逐绳渐伸土长，利直至妖拉断子破坏妻。根饮据加龄荷过罩程中罚所测估得的冻数据衫画出俱应力乘－应呀变曲袜线（鼓即σ－ε曲线喜）。如图16匆.1所示，为吩低碳愉钢的括应力拥－应泊变曲定线。16泪.2轿.1钢材艳的机彩械性谣能当应悬力超娇过fp后，画应变岛比应同力增锈加得服快，改到达b点后议，应距变急患剧增僚加，掩而应驰力基度本不土变，宗此阶宣段称阵为屈服倚阶段，应全力－持应变鸟曲线要呈水倘平段翅，钢蝴筋产筋生相悬当大淹的塑渣性变脖形，c点对弊应的扩应力fy称为屈服炼强度。没有业明显窄屈服定点和虾塑性冷平台箱的钢股材，糕则以趋卸荷蹄后残辜余变率形为0.篇2%时所提对应生的应葱力为屈服弄点，称芦为名义浪屈服逝点f0.站2。屈服氏阶段挥后，困钢材救内部着组织晴经重幸新调炭整进嚷入强嫂化阶满段，鸽直至妹曲线菌最高离点即离抗拉童强度fu，出阴现颈瞒缩，霸此时棋变形塔剧增妙，应蚂力下娘降，输最后芹试件逢断裂仿。抗拉母强度是钢榜材破哭坏前继所能辆承受罚的最灿大应致力，婶但是勾巨大鹅的塑爪性变铅形，狐使之击无实裳用意惯义，剧只作益为强董度贮其备。fy/fu叫做屈强祝比，其主值愈帆大，啊说明芹钢材凡被充浇分利喂用；徒愈小朵则安染全储答备愈柴大。（2）塑性钢材残的塑步性是兽指应被力超霉过屈话服点允后，米能产屠生显亡著的务塑性叮变形恋，而厨不立从即断瓦裂的方性质掌，可贤用试让件静坝力拉鄙伸时袭的伸图长率模来衡刚量。伸长扎率为图16淋.2所示劣试件美拉断首后，辰原标可距的昂伸长赢值与训原标臭距比杰值的棋百分延数，梨即（3）冷弯午性能冷弯民性能是指肥钢材柿在冷炉加工寸时（悉即常州温下裹加工茶），浙对产厨生裂诸缝的朽抵抗贞能力奔。冷弯期试验帅方法烈是在材叫料试羞验机归上，汪通过俊冷弯饮冲头姜加压沃，将切厚度贵为a、宽继度为b的板青材按岗规定出的弯谈心直轧径d弯曲18只0°，以惜弯曲亭处无错裂纹挥、不相起层昌为合怀格。汇同时咸又可走检查晃钢材俘的内杰部缺暑陷（沉颗粒杨组织衬、结厉晶情戒况、用杂质哭分布附等）背，鉴楚定钢南材的别可焊票性，鞭因此撤冷弯异性能昨是衡携量钢筒材质茶量的遥综合逢性指亿标（图16搞.3）。（4）冲击仔韧性钢材珍的韧滋性是钢侧材在奴塑性枯变形拘和断激裂过烫程中即吸收冒能量棍的能策力，功也是旅钢材夕在动畜力荷绑载作事用下沸，抵浓抗脆渡性破鸟坏的社能力念。冲击签韧性侧指标糠由冲芽击试怪验获激得，凡叫做冲击伶值。在子冲击诵试验允时，悠采用按截面服为10投mm旗×1艰0m罚m，长吸度为55句mm，中勿间开酱有小沈槽的窄长方翻形试仪件（图16缩慧.5），醋放扛在摆塘锤式满冲击每试验评机上估冲断棒（图16延.4），寻可从忙试验滩机刻距度盘汤上读达出冲孟击功Ak(单位J)。钢结书构用番钢机河械性纹能指乱标规弓定见表16霉.1和表16且.2图16他.1低碳烘钢单甩向拉术伸应课力－烈应变秃图图16嫂.2静力摧拉伸苗标准史试件图16妨.3冷弯河试验吩示意祸图图16巾.4冲击威韧性迅试验绢及试说件缺谜口形膊式（a）段试验签示意免图；(b旦)梅氏U形缺原口；(c脖)夏比击氏V形缺彼口图16厅.5冲击棋试件霞取样滥方法表16黎.1Q2迟35钢的股机械宇性能表16献.2Q3沃45及Q3牲90钢的提机械费性能钢材隆的化炼学成矩分直场接影韵响钢铲的组圾织构桃造和具机械归性能睬。钢的目基本孝元素是铁伯（Fe），开它在唯碳素掘结构灰钢中禽含量督约占99奶%，其鬼余是殊碳（C）、义锰（Mn）、孝硅（Si）以市及冶北炼中免不易链除净须的有逢害元背素硫坏（S）、姑磷（P）、店氧（O）、愈氮（N）等新。在低恳合金范结构认钢中陆，适好当增壳加锰担、硅惧含量蝴，可壮改善照钢材疼的机平械性和能。鸟若增勉加少论量的堤钒、刻钛、挽铌、烛铜等漫元素刃，则巴对某愁些性跪能的高改善剖更显敬著。钢结呜构所航用各屿类钢抓材的但化学仗成分施见表16社.3和表16宫.416疏.2帜.2钢材材料的育化学逢成分表16雾.3Q2桐35钢的却化学吩成分串（熔草炼分炮析）婚（%）表16救.4Q3梨45和Q3碎90钢的剃化学戒成分镜（熔俭炼分主析）挠（%）16丽.3其他虾因素比对钢初材性偶能的激影响钢按字冶炼暮方式妥可分助为平炉咽钢与趴顶吹衡氧气阵转炉苗钢两种蛛，两事者在免化学浴成分盼、机府械性屋能和桂工艺技性能确上基者本一出致，桐而转竿炉钢贼成本茎较低刻，宜蛙优先总采用权。钢按腾脱氧约情况折的不戏同，鱼可分王为沸腾马钢、贞镇静衫钢、排半镇恭静钢。钢锭闷是在12块00裕~1端30骡0℃高温吧下，轮经多步次热临轧而殊成材包的。顶热轧用改善叫钢锭姻的铸友造组拔织，符使结咱晶致闸密，逝消除舱部分般缺陷当，提神高了仅力学冤性能带。钢哲锭厚会度与怪型钢淡厚度其之比罚称为压缩圆比，压短缩比贷愈大醋，质纤量愈贡好。夺

16立.3猴.1冶炼艇和轧烛制过江程钢材稠随时魂间的赛增长弹，其黄强度姑提高蛇而塑谈性、歪韧性笋下降暗的现滑象叫时效锁硬化。所谓人工寒时效是使狮钢材今先发席生10进%左右右的塑飘性变该形，照再加梁热至25验0℃保持1h，然捐后在胡空气回中冷械却，影则时恋效可词在几桨小时释内完兽成。钢材饺在弹茄塑性跑或塑旦性阶占段卸劲荷后敲再重理新加寻荷，假其屈章服点费将提劫高，兔弹性督工作穗范围翠加大番，而埋塑性退和韧霜性却省降低叙，这惜种现棋象叫菠做冷作匀硬化。16招.3皆.2钢材凯的硬伐化钢在25纳0℃左右爱时，尤抗拉节强度萌有所穴提高外而塑蒙性、禽韧性榜下降丢，这僵种现宽象叫蓝脆（因瞎表面第氧化吨膜呈削蓝色胶）。姜应避柔免在咳蓝脆羞温度偶范围竹内进鼓行热科加工搜，否蓬则易专出现谜裂纹佛。当温抵度从圆常温察下降糟时，膀强度导略有桥提高糖，但芽塑性滥和韧膛性则愧降低沃而变暴脆，般当温劣度下祝降到租某一绢区间学时，便冲击涨韧性旷急剧编下降西，破吵坏特议征明陈显地与转变祥为脆性潜破坏，这屑就是低温来冷脆。16挠.3辆.3温度虾的影俘响16刚.3境.4复杂帖应力宜作用坑下的钉工作图16范.6复杂宣应力背状态由于喂截面提几何售形状门的突缓变，慌造成著应力透线密奸集曲奥折，另从而进在孔亚洞边珠缘、越缺口闸尖端抚出现防局部叼高峰辈应力竭，而块其他山部位仓应力兄降低什，形佩成所渴谓的拴应力碎集中悄现象踏。由图16铲.7可以慰看到窃，应蛋力集蜂中的后程度刚取决列于构柴件形休状的凉变化哨，变矩化剧同烈，缝高峰诱应力架则大齐。图16释.8为不发同槽忙口试桑件拉心伸时遵的应闭力－酒应变字图，信表明裙形状殿变化悲愈剧昼烈的袄试件懂，应刻力集校中愈宪严重屠，抗苹拉强永度愈森高，糕而脆良性破妨坏的饲危险颂也愈朽大。承受怪静力嘱荷载生的构刮件，疯应遵株照《规范》的有历关要砖求，属避免峡截面任形状遭的突析变，这设计典时可征不考仙虑应母力集图中问责题。16彼.3蹈.5应力爪集中洞的影锤响图16暴.7应力雄集中图16吴.8应力博集中最对钢月材性拆能的仰影响钢材踏在连霜续的楼重复毯荷载叫作用阴下，怨虽然微应力竭低于堪抗拉型强度纲，甚采至低金于屈衡服点按时，派也会植发生缸破坏份，这姨种现武象称铺为钢的徐疲劳。疲劳谦破坏宋之前竞，并岂无明助显的宵塑性椒变形隐和局蕉部收有缩，展是一之种突么然性贱的脆舒性断件裂。绿

疲劳怨是因脉为钢度材质锡地不箩均匀续以及端应力烫分布稳不均乒匀而戒引起绸的。16且.3膏.6重复凝荷载阔作用锣的影陡响16棵.4钢材世的品竭种与碧选用钢按用途分结润构钢范、工籍具钢遭和特篮殊钢归，结直构钢堂又可张分为咬建筑饲用钢混和机怀械用水钢；按冶炼粗方法，钢旬可分耐为转屈炉钢叔和平钻炉钢塘，转它炉钢启目前友采用吊氧气蠢顶吹冤转炉竟钢，烈成本秤比平终炉钢退要低哈；按脱氧睡方法分为遮沸腾裁钢（F）、忆半沸猴腾钢召（b）、踩镇静兴钢(Z森)和特清殊镇参静钢(T娃Z)，镇锤静钢刚和特忍殊镇民静钢址的代桥号在民钢的茅牌号海中可躁省略市，镇房诚静钢睬脱氧填充分隶，沸属腾钢扒脱氧到较差熄，一铜般采搞用镇跌静钢利；16央.4韵.1结构剧用钢饿的品泼种与卫牌号按成型雄方法分为镇轧制密钢、非锻钢充和铸蜜钢；按化学芒成分分为梯碳素贼钢和泉合金梳钢，木在建凶筑工论程中煎常用玻碳素燥结构条钢、拐低合细金钢钩和优吧质碳覆素结外构钢解。（1）碳素迟结构度钢目前考碳素奴结构紧钢采孙用的摔国家衣标准《碳素掘结构冤钢》（GB绑7绑00稿—8伏8）中董按质拖量等承级分鼻为A、B、C、D四级环，质泼量等歪级中盟以A级最别差，D级最款优。该标岛准中钢材腿牌号织表示挥方法由字雷母Q、屈悄服点雪数值恰（N/买mm任2）、惨质量亚等级姨代号碑（A、B、C、D）及位脱氧悲方法奸代号衔（F、b、Z、TZ）四葬个部要分组辟成。《碳素棍结构叶钢》（GB孟7梨00组—8习8）将剩碳素码结构僵钢按腿屈服堡点数肃值分廊为5个牌双号：Q1社95、Q2那15、Q2根35、Q2删55和Q2漠75。（2）低合茫金结铲构钢低合假金结怒构钢格的国妈家标震准《低合霸金高伯强度坊结构贫钢》（GB么/T波1府59伐1）中析按质戏量等阳级分榨为A、B、C、D、E五级仆。采用呼与碳瞧素结忧构钢近相同薪的表盟示方茶法，燥即用骂钢材坐厚度秋（直芒径）收≤16售mm时的耀屈服伍点大卵小表列示，液共分拆为5个牌船号：Q2霉95、Q3延45、Q3货90、Q4徒20及Q4巴60。（1）承重贞结构烛的钢牢材宜依采用Q2补35钢、Q3粒45钢、Q3加90钢和Q4羞20钢。骡

（2）下列窜情况月的承亡重结眠构和万构件蔑不应肿采用Q2芦35沸腾电钢：路

焊接途结构非焊辽接结停构（3）承重架结构脆采用宗的钢伍材应拌具有枯抗拉锤强度宪、伸鸟长率争、屈电服强惜度和雄硫、旬磷含模量的饰合格游保证兔，对落焊接浑结构忍尚应夫具有称碳含番量的载合格韵保证册。16芳.4喝.2钢材放的选颜用（4）对于头需要河验算伏疲劳拌的焊蔑接结钉构的产钢材旬，应幻玉具有倦常温符冲击话韧性赞的合录格保投证。对于防需要笔验算炒疲劳裳的非督焊接辅结构演的钢确材亦宴应具奇有常筑温冲潜击韧缘瑞性的如合格违保证爪。（5）吊车然起重滩量不唇小于50夜t的中蝴级工牛作制底吊车材梁，献对钢牵材冲叮击韧苍性的睛要求涛应与滩需要屋验算扣疲劳烟的构洋件相颂同。钢结常构所楚用钢窗材主顽要为热轧忧钢板蹲、型追钢、理冷弯进薄壁须型钢金和压奸型钢粒板。（1）钢板钢板述分为薄钢沉板、绵厚钢叉板和雾扁钢，其家规格在用符狭号“—”加“进宽度×厚度肯”的礼毫米交数来斩表示词。如—6术00赶×1乡丰2表示但宽度竞为60巨0m奖m、厚珠度为12愧mm的钢歪板。舟

薄钢临板：殃厚0.龟35闲~4欺.0芦mm，宽50撞0~碰15愚00呈mm，长0.跪5~林4m；厚钢芝板：车厚4.既5~途60匆mm，宽60罪0~留30识00雹mm，长4~近12丝式m；扁钢盏：厚4~属60航mm，宽12唱~2专00张mm，长3~雄9m。16怀.4大.3钢材合规格（2）热轧韵型钢钢结橡构常惩用的必型钢萍是角范钢、外槽钢对、工徒字钢汽和H型钢加（图16摧.9）。工字卵钢也踢分普截通和寸轻型强两种霜，分贸别用谷符号歼“I”和“QI魂”表示锻。H型钢践分宽翼蜜缘H型钢诞（HK）、晚窄翼杨缘H型钢暮（HZ）和H型钢锡桩（HU）。（3）冷弯士薄壁谱型钢抄和压拍型钢威板薄壁关型钢撕是用1.敲5~甲5m必m的薄产钢板蓄经模糊压或室冷弯尖成型货，其爪截面附形式如图16殃.1皱0所示。压型崖钢板棋是用0.阴4~袋2m缠m厚的策钢板浑、镀桑锌钢攀板、刺彩色狱涂层基钢板庄经冷拘轧而辈成的圆波形输板，培我国爷已有26种压蜻型钢伞板型妇号，图16危.1序1为其短中几咳种。营

图16趣.9热轧竟型钢图16光.1取0冷弯诸薄壁足型钢图16暖.1梳1压型晶钢板16装.5钢结侄构的激设计酬方法宜与设全计指最标（1）承载识能力栗极限笼状态尸的设荣计表慌达式僚

①由可杀变荷躬载效孙应控奋制的拴组合融：②由永插久荷元载效战应控腐制的连组合削：竖

16务.5习.1钢结象构的械计算寺方法（2）正常绩使用障极限饿状态约的设括计表陆达式按正惩常使炼用极松限状趟态设握计钢楚结构撒时，誉应考答虑荷乞载效羡应的狡标准军组合底。对晒钢与药混凝项土组昌合梁捉，尚旗应考肆虑准落永久坡组合煤。其藏中标洁准组抬合按扔下述玻表达志式计存算：柱