1第一章-钢结构的材料和计算方法

水工钢结构新疆农业大学第一章钢结构的材料和计算方法本章包括如下六节内容：第一节钢材的主要性能第二节影响钢材力学性能的主要因素第三节钢材的疲劳第四节钢材的钢号及选用第五节轧成钢材的规格及用途第六节钢结构的计算方法第一节钢材的主要性能

1.塑性破坏：钢材在产生不可恢复的塑性变形后发生的断裂破坏称为塑性屈服破坏，也称为延性破坏。

2.脆性破坏：钢材在变形很小的情况下突然发生断裂。一、钢材的破坏形式钢结构对所用材料的要求强度fy、fu高。强度高可减轻结构自重。塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，抗动力荷载好，耐疲劳。良好的加工性能，冷、热加工和可焊性好。耐腐蚀性能好。价格低。有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的能力。《钢结构设计规范（GB50017)》推荐使用：碳素结构钢中的Q235钢、低合金结构钢中的Q345钢、Q390钢、Q420钢。随着研究的深入，必将有一些满足要求的其它种类钢材可供使用。若选用钢结构设计规范还未推荐的钢材时，需有可靠的依据，以确保钢结构的质量。专用钢结构用材见相关规范。二、钢材的主要机械性能钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行。1、单向拉伸时的性能

钢的工作大致可划分为：弹性、弹塑性、塑性（屈服）、强化和颈缩四个阶段。标准试件在室温（100C～350C)、以满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力σ～ε应变曲线显示的钢材机械性能如下：

(1)弹性阶段σ≤fp，σ与ε呈线性关系，称该直线的斜率E为钢材的弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢材统一取E=2.06×105N/mm2。(2)弹塑性阶段σ与ε呈非线性关系，切线模量Et＝dσ/dε,Et随应力增大而减小，当σ=fy

时，Et=0。(3)塑性阶段也称屈服阶段，σ=fy后钢材暂时不能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，因此钢结构设计取fy作为强度极限承载力的标志。(4)强化阶段试件能承受的最大拉应力fu为钢材的抗拉强度。取fy作为强度极限承载力的标志，fu就成为材料的强度储备。(5)颈缩破坏阶段(6)可把钢材视为理想弹塑性体。(7)伸长率δ=(l1-l0)/l0*100%,反映钢材的塑性变形能力。2.钢材抗拉、压和弯的性能相同屈服极限相同3、冷弯性能将试件弯成180o，若试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。综合反映钢材的塑性性能和冶金质量。重要结构中需要有良好的冷热加工性能时，应有冷弯合格保证。

4、冲击韧性

冲击韧性值用击断试样所需的冲击功AKV表示,单位为J。冲击韧性与温度有关，当温度低于某一负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在寒冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构，除应有常温冲击韧性的保证外，尚应依钢材的类别，使其具有-20oC或-40oC的冲击韧性保证，应AKV≥27J（焦耳）。冲击实验

5、钢材受压和受剪时的性能

钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似，但屈服点τy及抗剪强度τu均低于fy和fu；剪变模量G也低于弹性模量E。第二节影响钢材力学性能的主要因素碳(C)、锰（Mn）、钒（V）是有利元素，但也要注意对含量的限制。硫（S）、磷（P）氧（O）、氮（N）会降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应严格限制含量。一、化学成分的影响二、钢材生产过程的影响冶炼炉种的影响----已无必要强调炉种的影响。钢的脱氧----钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不同，把钢分为沸腾钢(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(Z)和特殊镇静钢(TZ)。钢材的轧制----将钢锭加热至1200～1300oC

，通过轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧钢材。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。钢材的压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大时，其强度和冲击韧性也愈高。三、温度的影响正温度范围内（t>0oC）:t<200oC时，钢材的性能变化不大。t在250oC左右，钢材塑性和韧性下降，破坏常呈脆性破坏特征。t=(260～320)oC时，钢材有徐变现象。t>300oC时，钢材的强度和E开始显著下降，而δ显著增大。当t>400oC时，钢材的强度和E都急剧降低，t>600oC时其承载能力几乎丧失。在负温度范围内（t<0oC）：随着温度降低，塑性和韧性降低，材料变脆，称为低温冷脆。钢材冲击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温度t0称为脆性转变温度。设计选用钢材时应使其脆性转变温度区的下限温度t1低于结构所处的工作环境温度，即可保证钢结构低温工作的安全。

四、冷加工硬化和时效硬化

1、冷作硬化

钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形，从而使fy提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种现象称为冷加工硬化。2.时效硬化

钢材经过一定时间后强度提高但塑性降低，这种现象称为时效硬化。不同种类钢材的时效硬化过程可从几小时到数十年。

3.人工时效

使钢材产生10%的塑性变形，再加热到200～300oC，然后冷却到室温进行试验。这样可使时效在几小时内完成。

4.设计要求

钢结构设计一般不利用冷加工硬化造成的强度提高，而且对直接承受动力荷载的钢结构还应设法消除冷加工硬化的影响，如将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。

五、复杂应力状态的影响

在复杂应力如平面或立体应力作用下，钢材的屈服并不只取决于某一方向的应力，而是由反映各方向应力综合影响的屈服条件来确定。同号应力场使材料脆性加大。六、应力集中的影响钢构件在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部位应力较低，称为应力集中。在应力高峰区域存在着同号的双向或三向应力。这种同号的双向或三向应力场有使钢材变脆的趋势。应力集中系数越大，变脆的倾向亦愈严重。在负温下或动力荷载作用下，应力集中往往是引起脆性断裂的根源，设计中应设法避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。孔洞及槽孔处的应力集中第三节钢材的疲劳

钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强度甚至低于屈服点时突然断裂，称为钢材的疲劳或疲劳破坏。钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致应力集中。在多次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数n（疲劳寿命）时，裂纹扩展使得净截面承载力不足以承受外力作用时，构件突然断裂，发生疲劳破坏。疲劳破坏一般经历裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。

一、钢材疲劳的基本概念应力谱二、疲劳计算反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。Δσ=σmax-σmin称为应力幅，表示应力变化的幅度。试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最大应力σmax作用的结果，而是焊缝部位足够大小的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳寿命不仅与应力幅有关，还与其他因素有关。规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力幅，以反映其实际工作情况。疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和变幅疲劳两种情况进行计算。1.常幅疲劳计算

Δσ≤[Δσ]C、β——参数，根据表2—2中的构件和连接类别按表2-3采用。Δσ——对焊接部位△σ=σmax-σmin；对非焊接部位△σ=σmax-0.7σmin。

由上式可见，容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同钢材具有相同的抗疲劳性能。2.变幅疲劳计算可近似地按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅Δσe，按下式进行疲劳计算：

吊车梁：根据实测结果，推算出设计基准期50年内各种吊车梁的应力循环总次数n(等效于满荷载时n=2106次)

，相应的欠载效应的等效系数

f值如表2—3所示，重级工作制吊车梁的疲劳验算公式为

规范规定当n≥5*104时，应进行疲劳计算。疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算公式是以实验为依据的，实验中已包含了动力的影响，故荷载应采用标准值且不乘动力系数，应力幅按弹性工作计算。在完全压应力（不出现拉应力）循环中，由于压应力不会使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况可不进行疲劳计算。

三、疲劳计算应注意问题第四节钢材的钢号及选用钢材的牌号简称为钢号。

钢材的种类：

1、按化学成分分为：碳素钢、合金钢。

2、按也练方法分为：平炉钢、转炉钢。

3、按浇注方法分为：镇静钢、沸腾钢。现行规范：用钢材的屈服极限标注。一、钢号为了要求钢材有较高的强度而又有良好的韧性和工艺性能，可采用普通低合金钢。近几十年来，我国利用丰富的矿产资源，发展了一批适合我国资源情祝的低合金钢，列入冶金工业部部领标准的钢号有21种。其中16锰钢是我国试制成功的第一个低合金钢钢种。它是以我国富有的硅、锰为主要合金元素，生产工艺简单，综合性能良好、焊接质量稳定强度较高。另外尚有一些专用性的钢材，如适于承受动力荷载的桥梁钢常用的钢号有16锰桥钢，系在16锰钢生产的基础上，加铝进一步脱氧。它的结晶颗粒细、含硫、碘等有害杂质少，焊接性能和低温下的冲击韧性都比16锰钢好。二、钢的供应方法及符号普通碳素钢按保证的项目分为甲乙特三类。甲类钢：主要按机械性能供应。乙类钢：按化学成分供应。特类钢：按机械性能和化学成分供应。普通碳素钢的标号按钢类、炉种、钢号、浇筑方法的次序用符号表示。钢号由代表屈服点的字母Q、屈服强度数值（t≤16mm时的fy，单位是N/mm2）、质量等级符号（分为A、B、C、D四级，质量依次提高）、脱氧方法符号（沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢的代号分别为F、b、Z和TZ，其中Z和TZ在钢号中省略不写）等四个部分按顺序组成。例如Q235-B·F,表示屈服强度为235N/mm2的B级沸腾钢。钢材的质量等级中，A、B级钢按脱氧方法可为沸腾钢、半镇静钢或镇静钢，C级为镇静钢，D级为特殊镇静钢1.碳素结构钢2.低合金结构钢低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入一种或几种适量的合金元素而成的钢。其钢材牌号的表示方法与碳素结构钢相似，但质量等级分为A、B、C、D、E五级，且无脱氧方法符号。例如Q345-B，Q390-D，Q420-E。(1)特殊用途的钢结构常采用专用结构钢。专用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途代号（压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材的专业用途代号分别为R、q、C和g）来表示。(2)耐候钢在钢材冶炼时加入少量的合金元素如Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等，提高钢材的耐腐蚀性能。也称为耐大气腐蚀钢。例如15MnCuCr—QT钢表示含碳量为0.15%，合金元素为锰、铜、铬的淬火加回火热处理耐候钢。（3）连接用钢钢结构连接中的铆钉、高强度螺栓、焊条用钢丝等，也采用满足各自连接件要求的专门用钢。

3.专用结构钢三、钢材的选择钢材的选择既要确定所用钢材的钢号，又要提出应有的机械性能和化学成分保证项目，是钢结构设计的首要环节。选材的基本原则是既保证安全可靠，又经济合理。钢材的质量等级愈高，其价格也愈高。因此应根据结构的不同特点，来选择适宜的钢材。（1）结构所承受荷载的特征（2）结构的类型及重要性（3）连接的方法（4）结构的工作温度和所处的环境第五节轧成钢材的规格及用途钢结构所用钢材主要是热轧成型的钢板、型钢（图1-11)和冷加工（冷弯、冷压和冷轧）成型的薄壁型钢（图1-12)。1.热轧钢板

钢板的标注符号是“－（截面代号）宽度×厚度×长度”，单位为mm，亦可用“－宽度×厚度”或“－厚度”来表示。如－360×12×3600，亦可表示如－360×12或－12。厚钢板为4.5～60mm，可用于腹板、翼缘、面板、节点板。常用热轧型钢截面形式2.热轧型钢（1）角钢

分为等边和不等边角钢两种。角钢标注符号是“∟边宽×厚度（等边角钢）或∟长边宽×短边宽×厚度（不等边角钢），单位为mm”。如∟100×8和∟100×80×8。（2）槽钢

有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽钢规格用槽钢符号（普通槽钢和轻型槽钢的符号分别为[和Q[）和截面高度（单位为cm）表示，当腹板厚度不同时，还要标注出腹板厚度类别符号a、b、c，例如[10、[20a、Q[20a。与普通槽钢截面高度相同的轻型槽钢的翼缘和腹板均较薄，截面面积小但回转半径大。（3）工字钢

有普通工字钢和轻型工字钢两种。标注方法与槽钢相同，但槽钢符号“[”应改为“I”,例如I18、I50a、QI50。（4）H型钢

H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等厚度，截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它构件连接。热轧H型钢分为宽、中、窄翼缘H型钢，它们的代号分别为HW、HM和HN。标注方法与槽钢相同，但代号“[”应改变为”H”，例如HW260a、HM360、HN300b。（5）钢管钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管。用“Ф外径×壁厚”表示，单位为mm，例如Ф360×6。3.薄壁型钢薄壁型钢通常是用1.5～6mm厚的薄钢板冷加工而成，其截面形式和尺寸可按工程要求合理设计。与相同截面积的热轧型钢相比，其截面抵抗矩大，钢材用量可显著减少。但因板壁较薄，对锈蚀影响较为敏感。4、其它钢材的使用当上述钢材不能满足要求时，还可选用优质碳素结构钢或其它低合金钢。当在有腐蚀介质中使用钢结构时，可采用耐侯钢。具体可参考《钢结构材料手册》。

薄壁型钢截面形式我国目前建筑钢材存在的主要问题

（1）厚板可焊性差，Q345等厚板焊接时，易出现层状撕裂。应采用Z向钢，即《厚度方向性能钢板GB5313》，要求沿厚度方向有良好的抗层状撕裂性能，用厚度方向拉力试验的断面收缩率来评定。应生产优质特厚钢。（2）高强度低合金结构钢在冷弯薄壁型钢中的应用尚未解决好，不能满足轻型房屋钢结构的需要。主要应解决其冲压性差的问题。（3）我国现只能生产镀锌钢板，不能生产抗腐蚀性能更好的镀铝锌钢板，需引进生产线或专利来解决。（4）型材品种规格还不能满足建筑需要。要开发生产薄壁热轧H型钢等。（5)建筑用高强度低合金结构钢品种太少，应用比重较低。生产耐火钢。各国钢材品种与我国钢材品种对应表中国美国日本英国法国德国俄罗斯

Q235A36SS400SM400SMA40040E24St37C235Q345A572-50SM490YASM490YBSM52050DE36St44C345Q390A572-60SM57050FA50St50C390Q420A572-65

A60St60C440第六节钢结构的计算方法

任何结构都是为了完成所要求的某些功能而设计的。工程结构必须具备下列功能：

1．安全性：结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力，以及在偶然事件发生时和发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。

2．适用性：结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能力。

3．耐久性：结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。一．结构设计的目的

结构的安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性。结构设计（计算）的目的是在满足各种预定功能的前提下，做到技术先进、安全适用、经济合理和确保质量。要实现这一目的，必须借助于合理的设计方法。

二．设计方法1．影响结构可靠性的因素

对于一般的工程结构，影响结构可靠性的因素可以归并为荷载效应S（荷载作用引起的结构或构件的内力、变形等）和结构抗力R（结构或构件承受荷载效应的能力，如承载力、刚度等）两个基本变量。

Z=R-S

（1-1）

Z——结构完成预定功能状态的函数。