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1、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： 强度高；可靠性好； 容易施工。缺点： 钢材容易被腐蚀；耐火性差； 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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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250C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300C
9、以后，屈服点和极限强度显著下降，达到600C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
10、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cr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17共七个钢号。钢号越高，其含碳量
11、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XN（ ） 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：
12、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 AF、Q235 Bb、Q345 EZ。 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20C时的冲击功要求；C有0C时的冲击功要求；D有20C时的冲击功要求；E 有40C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：1
13、6 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、钢结构的连接方法连接方法优 点缺 点焊 接对几何形体适应性强，构造简单，省材省工，易于自动化，工效高 对材质要求高，焊接程序严格，质量检验工作量大铆 接传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好费钢、费工普通螺栓连接装卸便利，设备简单螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大高强螺栓连接加工方便，对结构削弱少，可拆换，能
14、承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高射钉、自攻螺栓连接灵活，安装方便，构件无须予先处理，适用于轻钢、薄板结构不能受较大集中力二、焊接连接焊接方法焊 条焊 剂操作方式适应范围质量状况电弧焊手工焊短焊条(350400mm)附于焊条之药皮全手动工位复杂，形状复杂之焊缝比自动焊略差自动焊连续焊丝焊剂全自动长而简单的焊缝质量均匀、塑性、韧性好，抗腐蚀性强半自动焊连续焊丝CO2气体保护人工操作前进任意焊缝质量均匀、塑性、韧性好，抗腐蚀性强电阻焊无无通电、加压、机械薄板点焊一般用作构造焊缝气焊短、光焊条无（乙炔还原）手工薄板、小型、不同材质结构中一般用作构造焊缝三、焊接结
15、构的特性焊接连接与铆钉、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
