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1、一级注册结构工程师考试钢结构复习讲稿一级注册结构工程师资格考试培训班钢结构复习讲稿第1节考试大纲及授课安排1.1 钢结构考试大纲1 掌握钢结构体系的布置原则和主要构造。2 掌握受弯构件的强度及其整体稳定和局部稳定计算；掌握轴心受力构件和拉弯、压弯构件的计算。3 掌握构件的连接计算、构造要求及其连接材料的选用。4 熟悉钢与混凝土组合梁、钢与混凝土组合结构的特点及其设计原理。5 掌握钢结构疲劳计算及其构造要求。6 熟悉塑性设计的适用范围和计算方法。7 熟悉钢结构的防锈、隔热和防火措施。8 了解对钢结构制作、焊接、运输和安装方面的要求。1.2 授课安排1考试大纲要求分三个层次要求最高的第一层次为掌握
2、，包括钢结构体系的布置原则和主要构造、基本构件的计算、连接和疲劳构造和计算；要求次之的第二层次为熟悉，包括钢与混凝土组合梁的计算、塑性设计、钢结构的防锈、隔热和防火措施；要求最低的第三层次为了解，主要包括钢结构制作、焊接、运输和安装方面的要求。2授课安排在这一天半的时间里，着重讲解第一层次要求掌握的内容，其中主要是钢结构材料、基本构件的计算、连接和疲劳构造和计算的部分，钢结构体系的布置原则和主要构造则不专列介绍，而是融合到前述的内容里起介绍。第二层次的内容则作一般介绍，侧重于钢与混凝土组合梁的计算、塑性设计，简单介绍钢结构的防锈、隔热和防火措施。第三层次的钢结构制作、焊接、运输和安装方面的要求
3、只作简单介绍。第2节钢材2.1 钢材的破坏形式所谓塑性材料是指由于材料原始性能以及在常温、静载并一次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料。但钢材的塑性变形能力不仅取决于钢材的化学成份，熔炼与轧制过程，也取决于所处的工作条件。即使原来塑性表现极好的钢材，在很低的温度之下受冲击作用等情况下，也完全可能呈现脆性破坏。所以，不宜把钢材划分为塑性和弹性材料，而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。1. 塑性破坏(也称为延性破坏)破坏前有很大的塑性变形和“缩颈”现象，破坏的断口常为杯形(有与受力方向成45和垂直的两部分组成)，45断面呈纤维状，破坏前有明显预兆。2. 脆性破坏没有塑性变形
4、或只有很小塑性变形即发生的破坏，断口平直，断面呈晶粒状。由于变形极小易造成突然破坏。2.2 基本性能及指标1. 强度：钢材在外力作用下，抵抗过大(塑性)变形和断裂的能力。应力所能达到的某些最大值，也是材料本构关系曲线上的某些应力特征点。指标：屈服点fy(s) 极限强度fu(b)弹性：钢材在外力作用下产生变形，在外力取消后恢复原状的性能。指标：比例极限fp，弹性极限fe，弹性模量Efy理想的弹性体：变形小且可恢复，且有强度储备 fy理想的塑性体：变形大且不可恢复，也没有强度储备所以一般可将钢材视为理想的弹塑性材料。通常取屈服点作为强度标准值，而且取受拉和受压的屈服点相同。一则极限强度与屈服点之间
5、的强度差作为储备，留有强度余地；二则屈服点对应的应变(宏观为变形)很小，可以满足正常使用的要求，而极限强度对应的应变(变形)很要大近20倍左右，无法满足正常使用的要求。2. 塑性：钢材受力断裂过程中发生不能恢复的残余变形的能力。指标：伸长率 说明：因标距不同，有5(l0=5d)和10(l0=10d)，但后一种已基本上不再采用，一则两者共存容易产生混淆，二则可节省试件钢材。断面收缩率 后者与标距无关，表征塑性较前者更好，但测量误差较大。塑性越好，越不容易发生脆性断裂，受力过程中，应力和内力重分布就越充分，设计就越安全，破坏前的预兆越明显。Z向(厚度方向性能)钢板就是采用厚度方向拉伸的断面收缩率作
6、为性能级别的划分依据。3. 冷弯性能：常温下钢材承受弯曲加工变形的能力。将试件冷弯180o而不出现裂纹或分层。定性指标：合格或不合格。冷弯性能合格的钢材才具有良好的常温加工工艺性能。4. 韧性：钢材在冲击荷载作用下，变形和断裂过程中吸收机械能的能力。综合反映钢材的内在质量及力学性能，是强度和塑性的综合指标(曲线和坐标轴围成的面积)。是衡量钢材抵抗因低温、应力集中、冲击荷载等作用而脆性断裂的能力。指标：冲击功Akv原为梅氏(Mesnager)U形缺口试件，现采用夏比(Charpy) V形缺口试件。5. 可焊性：反映钢材焊接的可行性及焊缝的受力性能。包含施工工艺和受力性能两个方面的可焊性。指标：碳
7、当量。建筑钢结构焊接技术规程JGJ 81-2002、J 218-2002的2.0.1：建筑钢结构工程焊接难度可分为一般、较难和难三种情况。施工单位在承担钢结构焊接工程时应具备与焊接难度相适应的技术条件。建筑钢结构工程的焊接难度可按下表区分 。表2.0.1 建筑钢结构工程的焊接难度区分原则焊接难度 影响因素焊接难度节点复杂程度和拘束度板厚(mm)受力状态钢材碳当量Ceq(%)一般简单对接、角接，焊缝能自由收缩t30一般静载拉、压0.38较难复杂节点或已施加限制收缩变形的措施30 t 80静载且板厚方向受拉或间接动载0.380.45难复杂节点或局部返修条件而使焊缝不能自由收缩t80直接动载、抗震设
8、防烈度大于8度0.45注：按国际焊接学会(IIW)计算公式，(适用于非调质钢)6. 耐久性：钢材在长期使用后的力学性能。耐腐蚀性耐老化(时效硬化)耐长期高温耐疲劳普通钢材供应提供的材性保证：三项保证：屈服点fy(s)、极限强度fu(b)、伸长率 四项保证：屈服点fy(s)、极限强度fu(b)、伸长率、180冷弯五项保证：屈服点fy(s)、极限强度fu(b)、伸长率、180冷弯、冲击功提供保证的材性越多，钢材的价格也越贵。2.3 影响钢材力学性能的主要因素决定钢材机械和加工工艺等性能的主要因素是钢材的化学成分及其微观组织结构，与钢材的冶炼、浇注、轧制等生产工艺过程也有密切的关系。此外，钢结构的加
9、工、构造、尺寸、受力状态、及其所处的环境温度等对其钢材的机械性能也有重要的影响。1. 化学成分钢的主要化学成分是铁(Fe)，在普通碳素钢中约占99。碳是影响钢性能的主要元素。碳含量增加，钢材的抗拉强度和屈服强度提高；但塑性、冷弯性能和冲击韧性、特别是低温冲击韧性和可焊接性降低。焊接结构钢材的碳含量通常不超过0.22%。锰在碳素钢中是作为脱氧剂加入的元素，通常含量为0.30.8%；在低合金锰钢中是作为合金元素。适量的锰能显著改善钢材的冷脆性能，并提高屈服强度和抗拉强度，不明显降低塑性和冲击韧性；锰不仅对脱氧有益，还能与钢中的硫在高温下化合成熔点很高(约1600)的硫化锰(MnS)，减少“热脆”现
10、象。但是过量的锰含量会使钢材塑性降低。硅是熔炼镇静钢的常用脱氧剂，且能使钢中纯铁体晶粒细小和散布均匀，适量的硅可提高钢材的强度，对塑性、冷弯性能、冲击韧性和焊接性无显著不良影响。过量的硅则将降低钢材的塑性、冲击韧性、抗锈蚀能力和焊接性。结构钢中硅含量一般不超过0.3%(Q235钢)或0.6%(Q345钢)。钒是熔炼锰钒低合金钢时添加的一种合金元素，可提高钢材强度和细化钢的晶粒；钒的化合物具有高温稳定性，使钢的高温硬度提高。硫是钢中一种十分有害的元素。含硫量高的钢材在8001200热轧时很出现裂纹，称为“热脆”现象。硫还将降低钢材的塑性、冲击韧性和可焊性。焊接结构钢材的硫含量，一般要求不超过0.
11、0350.050%。磷也是一种有害的元素，其有害作用主要是使钢在低温时韧性降低容易产生脆性破坏，称为“冷脆”现象；在高温时也使塑性变差。因此，结构钢材中也应严格限制磷含量，一般要求不超过0.0350.045%。氧、氮、氢均是有害的元素，通常是在钢熔融时从空气或水分子分解等进入钢液。氧的有害作用同硫且更甚，增加钢的脆性；氮的作用类似于磷，能显著降低钢材的塑性、冲击韧性并增大其“冷脆”性；氢在低温时易使钢呈脆性破坏，产生所谓“氢脆”破坏现象。因此，较重要的钢结构，尤其是在低温下承受动力荷载的钢结构用钢的上述元素含量也常要求加以限制。2. 冶炼、浇注、轧制过程目前钢结构用钢主要是由氧气转炉冶炼而成的
12、。钢冶炼后因浇注方法(脱氧程度或方法)的不同而分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢是在炉中和盛钢桶中的熔炼钢液中仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧，铸锭时钢液中仍有一氧化碳(CO)等气体大量逸出，致使钢液剧烈“沸腾”，故称沸腾钢。这种钢铸锭后冷却速度快，易使气泡残留在钢锭内；同时存在硫、磷等杂质“偏析”现象，而且易使轧制钢材产生分层易层状撕裂。但是，沸腾钢生产工艺简单价格便宜，质量能满足一般次要承重钢结构的要求，因而还在继续应用。镇静钢是在熔炼钢液中加入适量的强脱氧剂硅(或铝)和锰等，进行较彻底脱氧，因而钢液铸锭时不再发生沸腾现象，故称镇静钢。由于冷却速度较慢，气体易逸出，因而质量优良且均匀
13、，组织致密，杂质少，偏析小。与沸腾钢相比，其冲击韧性和焊接性较好，冷脆和时效敏感性较小，强度和塑性也略高。但镇静钢需要用强脱氧剂，铸锭时要保温，切头率较高，因而价格较高。半镇静钢是在熔炼钢液中加入少量强脱氧剂硅(或铝)，脱氧程度、质量和价格介于沸腾钢和镇静钢之间。特殊镇静钢通常是用硅脱氧后再用铝补充脱氧，并能形成细晶粒。我国碳素结构钢中的Q235D钢，以及桥梁用钢如Q345q钢等属特殊镇静钢。由铸锭轧制钢材，是把钢锭再加热至12001300的高温后进行的。这时钢具有较好的热塑性和可锻焊性。轧钢机压力的作用可使钢锭中的小气泡和质地较疏松部分锻焊密实起来，消除铸造显微组织缺陷和细化钢的晶粒。因此，
14、轧制钢材比同种类铸钢质量好，而且压缩比(钢坯与轧成钢材厚度之比)愈大时其强度和冲击韧性等也愈高。规范对各钢种钢材按厚度或直径进行分组：厚度或直径越小的钢材，强度就越高。见表3.4.1-1。现在一般都采用连铸连轧生产工艺，为保证质量，镇静钢的生产比重已经越来越高。3. 残余应力热轧型钢中的热轧残余应力是因其热轧后不均匀冷却而产生的，先冷却部位要阻止后冷却部位的自由收缩，从而产生复杂的残余应力分布。焊接过程则会在钢构件或钢结构中产生比轧制更严重的残余应力。热轧和焊接残余应力统称为热残余应力，其一般分布规律是未升温或先冷却的部位是残余压应力，后冷却的部位是残余拉应力。别外钢材的调直和加工也会以产生残
15、余应力。残余应力是一种自相平衡(每个截面的内力和力矩自相平衡)的应力。残余应力不影响构件的静务强度，但会降低构件的刚度，从而降低稳定性，还会降低韧性和疲劳强度。4. 温度的影响当温度升高时，钢材的屈服强度fy、抗拉强度fu和弹性模量E的总趋势是降低的，但在150以下时变化不大。当温度在250左右时，钢材fu的反而有较大提高，但这时的相应伸长率较低、冲击韧性变差，钢材呈脆性特征，称为“蓝脆”。当温度超过300时，钢材的fy、fu和E开始显著下降，而开始显著增大，钢材产生徐变；当温度超过400时，强度和弹性模量都急剧降低；到600时其承载能力几乎完全丧失。钢材的温度由常温下降特别是在负温度范围内时，钢材的强度(fy、fu)等虽有提高，但塑性和韧性降低、脆性增加。钢结构设计中选用钢材时应使其脆性转变温度区的下限温度低于结构所处的工作环境温度，且具有足够的冲击韧性值。5. 冷加工和时效硬化钢材应力超过弹性范围后，其屈服强度会提高，塑性和伸长率会降低，称为冷作硬化或
