张俏-第七章 钢结构基础知识

1第七章钢结构基础知识知识目标：xxxxxxxxxxxxxxxxxx．．．．．．能力目标：xxxxxxxxxxxxxxxxxx．．．．．．第一节钢结构的材料一、钢材的钢种和钢号（一）结构用钢的种类钢的分类方法很多，通常有以下几种分类方法。1.按冶炼时脱氧程度分类（1）沸腾钢：炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，脱氧不完全。这种钢液铸锭时，有大量的一氧化碳气体逸出，钢液冷却时呈沸腾状，故称为沸腾钢，代号为“F”。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般工程的建筑结构中。（2）镇静钢：炼钢时一般用硅脱氧，也可采用锰铁、硅铁和铝锭等作为脱氧剂，脱氧完全。这种钢液铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称为镇静钢，代号为“Z”。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，含硫量较少，性能稳定，故质量好。但成本高，适用于预应力混凝土等承受冲击荷载的重要结构工程。（3）半镇静钢：用少量的硅进行脱氧，脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，钢液浇筑后有微弱沸腾现象。故称为半镇静钢。代号为“b”。2半镇静钢是质量较好的钢。（4）特殊镇静钢：比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，故称为特殊镇静钢，代号为“TZ”。特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。2.按化学成分分类（1）碳素钢：化学成分主要是铁，其次是碳，故也称碳钢或铁碳合金，其含碳量为0.02%～2.06%。碳素钢除了铁、碳外还含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量不同又可分为：①低碳钢：含碳量小于0.25%；②中碳钢：含碳量为0.25%～0.60%；③高碳钢：含碳量大于0.6%。低碳钢在土木工程中应用最广泛。（2）合金钢：是在炼钢过程中，为改善钢材的性能，特意加入某些合金元素而制得的一种钢。常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量不同，合金钢又可分为：①低合金钢：合金元素总含量小于5%；②中合金钢：合金元素总含量为5%～10%；③高合金钢：合金元素总含量大于10%。低合金钢为土木工程中常用的主要钢种。3.按有害杂质含量分类按钢中有害杂质磷（P）和硫（S）含量的多少，钢材可分为以下四类：（1）普通钢：磷含量不大于0.045%，硫含量不大于0.050%；（2）优质钢：磷含量不大于0.035%，硫含量不大于0.035%；（3）高级优质钢：磷含量不大于0.025%，硫含量不大于0.025%；（4）特级优质钢：磷含量不大于0.025%，硫含量不大于0.015%。4.按用途分类钢材按用途不同可分为：3（1）结构钢：主要用于工程结构及机械零件的钢，一般为低、中碳钢。（2）工具钢：主要用于各种刀具、量具及模具的钢，一般为高碳钢。（3）特殊钢：具有特殊的物理、化学及机械性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等。（二）结构用钢的牌号根据《钢铁产品牌号表示方法》GB221-2008的规定，我国钢铁产品牌号一般采用汉语拼音字母、国际化学元素符号及阿拉伯数字结合起来表示。我国的建筑用钢主要为碳素结构钢（非合金钢）和低合金高强度结构钢两种。1.碳素结构钢（1）碳素结构钢：《碳素结构钢》GB700-2006给出具体牌号、化学成分和脱氧方法应符合表7.1.1规定。①由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。它的钢号冠以“Q”，表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是MPa例如Q235表示屈服点（σs）为235MPa的碳素结构钢。②必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为A、B、C、D，字序越高质量越好。脱氧方法符号：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，镇静钢可不标符号，即Z和TZ都可不标。例如Q235-AF表示A级沸腾钢。③专门用途的碳素钢，例如桥梁钢、船用钢等，基本上采用碳素结构钢的表示方法，但在钢号最后附加表示用途的字母。表7.1.1碳素钢的牌号、化学成分和脱氧方法牌号等级化学成分，％脱氧方法CMnSiSP不大于Q195—0.06～0.120.25～0.50.300.0500.045F、b、ZQ215A0.09～0.150.25～0.550.300.0500.045F、b、ZB0.045Q235A0.14～0.220.30～0.550.300.0500.045F、b、ZB0.12～0.200.30～0.700.045C≤0.180.35～0.800.0400.040Z4D≤0.170.0350.035TZQ255A0.18～0.280.40～0.700.300.0500.045ZB0.045Q275—0.28～0.380.200.350.0500.045Z（2）优质碳素结构钢：①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.45%的钢，钢号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45号钢。②锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。③沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，例如平均碳含量为0.1%的半镇静钢，其钢号为10b。（3）碳素工具钢：①钢号冠以“T”，以免与其他钢类相混。②钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。例如“T8”表示平均碳含量为0.8%。③锰含量较高者，在钢号最后标出“Mn”，例如“T8Mn”。④高级优质碳素工具钢的磷、硫含量，比一般优质碳素工具钢低，在钢号最后加注字母“A”，以示区别，例如“T8MnA”。2.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢按脱氧方法分为镇静钢和特殊镇静钢，但在牌号中没有表示脱氧方法的符号。按国家标准《低合金高强度结构钢》GB/T159-2008生产的钢材共有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690等8种牌号。其中Q345、Q390和Q420均按化学成分和冲击韧性各划分为A、B、C、D、E共5个质量等级，字序越高质量越好。（1）通用低合金高强度结构钢的牌号：Q345-Q345A、Q345B、Q345C、Q345D、Q345EQ390-Q390A、Q390B、Q390C、Q390D、Q390EQ420-Q420A、Q420B、Q420C、Q420D、Q420EQ460-Q460C、Q460D、Q460EQ500-Q500C、Q500D、Q500E5Q550-Q550C、Q550D、Q550EQ620-Q620C、Q620D、Q620EQ690-Q690C、Q690D、Q690E（2）专用低合金高强度结构钢牌号：专用低合金高强度结构钢一般采用代表屈服点的拼音字母“Q”、屈服点数值(单位为MPa)，并在尾部加按产品用途的拼音第一个字母表示。如：压力容器用钢牌号表示为“Q345R”；锅炉用钢牌号表示为“Q390g”；桥梁用钢牌号表示为“Q420q”等。二、钢材的品种及规格钢结构所用钢材主要为热轧成型的钢板和型钢，以及冷加工成型的冷轧薄钢板和冷弯薄壁型钢等。为了减少制作工作量和降低造价，钢结构的设计和制作者应对钢材的规格有较全面的了解。（一）钢板钢板有厚钢板、薄钢板、扁钢（或带钢）之分。厚钢板常用做大型梁、柱等实腹式构件的翼缘和腹板，以及节点板等；薄钢板主要用来制造冷弯薄壁型钢；扁钢可用做焊接组合梁、柱的翼缘板、各种连接板、加劲肋等，钢板截面的表示方法为在符号“－”后加“宽度×厚度”，例如：－200×20等。钢板的供应规格如下：厚钢板：厚度4.5～60mm，宽度600～3000mm，长度4～12m；薄钢板：厚度0.35～4mm，宽度500～1500mm，长度0.5～4m；扁钢：厚度4～60mm，宽度12～200mm，长度3～9m。（二）热轧型钢常用的有角钢、工字钢、槽钢等，见图7.1.1a～f。角钢分为等边（也叫等肢）的和不等边（也叫不等肢）的两种，主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件。角钢型号的表示方法为在符号“L”后加“长边宽×短边宽×厚度”（对不等边角钢，如L125×80×8），或加“边长×厚度”（对等边角钢，如L125×8）。目前我国生产的角钢最大边长为200mm，角钢的供应长度一般为4～19m。6图7.1.1热轧型钢及冷弯薄壁型钢(a)角钢；(b)工字钢；(c)槽钢；(d)H型钢；(e)T字钢；(f)钢管；(g)冷弯薄壁型钢；(h)压型钢板工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和H型钢三种。普通工字钢和轻型工字钢的两个主轴方向的惯性矩相差较大，不宜单独用作受压构件，而宜用作腹板平面内受弯的构件，或由工字钢和其它型钢组成的组合构件或格构式构件。宽翼缘H型钢平面内外的回转半径较接近，可单独用作受压构件。普通工字钢的型号用符号“I”后加截面高度的厘米数来表示，20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为a、b或a、b、c等类别，例如I20a表示高度为200mm，腹板厚度为a类的工字钢。轻型工字钢的翼缘要比普通工字钢的翼缘宽而薄，回转半径较大。普通工字钢的型号为10～63号，轻型工字钢为10～70号，供应长度均为5～19m。H型钢与普通工字钢相比，其翼缘板的内外表面平行，便于与其它构件连接。H型钢的基本类型可分为宽翼缘（HW）、中翼缘（HM）及窄翼缘（HN）三类。还可剖分成T型钢供应，代号分别为TW、TM、TN。H型钢和相应的T型钢的型号分别为代号后加“高度H×宽度B×腹板厚度t1×翼缘厚度t2”，例如HW400×400×13×21和TW200×400×13×21等。宽翼缘和中翼缘H型钢可用于钢柱等受压构件，窄翼缘H型钢则适用于钢梁等受弯构件。目前国内生产的最大型号H型钢为HN700×300×13×24。供货长度可与生产厂家协商，长度大于24m的H型钢不成捆交货。槽钢有普通槽钢和轻型槽钢二种。适于作檩条等双向受弯的构件，也可用其(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)7组成组合或格构式构件。槽钢的型号与工字钢相似，例如［32a指截面高度320mm，腹板较薄的槽钢。目前国内生产的最大型号为［40c。供货长度为5～19m。钢管有无缝钢管和焊接钢管两种。由于回转半径较大，常用作桁架、网架、网壳等平面和空间格构式结构的杆件；在钢管混凝土柱中也有广泛的应用。型号可用代号“D”后加壁厚表示，如D180×8等。国产热轧无缝钢管的最大外径可达630mm。供货长度为3～12m。焊接钢管的外径可以做的更大，一般由施工单位卷制。（三）冷弯薄壁型钢采用1.5～6mm厚的钢板经冷弯和辊压成型的型材（见图7.1.1g），和采用0.4～1.6mm的薄钢板经辊压成型的压型钢板（见图7.1.1h），其截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度、节约钢材，在国内外轻钢建筑结构中被广泛地应用。第二节钢结构的连接一、钢结构的连接方法钢结构的构件是由型钢、钢板等通过连接构成的，各构件再通过安装连接架构成整个结构。因此，连接在钢结构中处于重要的枢纽地位。在进行连接的设计时，必须遵循安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。钢结构的连接方法可分为焊接连接、铆钉连接、螺栓连接和轻型钢结构用的紧固件连接等（图7.2.1）。图7.2.1钢结构的连接方法(a)焊缝连接；(b)铆钉连接；(c)螺栓连接；(d)紧固件连接二、焊接连接（一）焊缝连接的特点焊接连接是现代钢结构最主要的连接方法。其优点是：构造简单，任何形式的构件都可直接相连；用料经济，不削弱截面；制作加工方便，可实现自动化操(a)(b)(c)(d)8作；连接的密闭性好，结构刚度大。其缺点是：在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，低温冷脆问题较为突出。（二）焊接连接形式及焊缝形式1.焊缝连接形式焊缝连接形式按被连接钢材的相互位置可分为对接、搭接、T型连接和角部连部四种（图7.2.2）。这些连接所采用的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝。对接连接主要用于厚度相同或接近相同的两构件的相互连接。图7.2.2(a)所