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1钢结构设计原理第一章钢结构的基本性能建筑工程中，钢结构所用的钢材都是塑性比较好的材料，在拉力作用下，应力-应变曲线在超过弹性后有明显的屈服点和一段屈服平台，然后进入强化阶段。传统的钢结构设计，以屈服点作为钢材强度的极限，并把局部屈服作为承载能力的准则。目前利用塑性的设计方法已经提上了日程。钢材和其他建筑结构材料相比，强度要高得多。在同样的荷载条件下，钢结构构件截面小，截面组成部分的厚度也小。因此，稳定问题在钢结构设计中是一个突出的问题。建筑结构钢材有较好的韧性。因此，钢结构是承受动荷载的重要结构。钢材的韧性也不是一成不变的。材质、板厚、受力状态、温度等都会对它产生影响。【钢材的生产及其对材性的影响】建筑结构所用的钢材包括两大类：一类是热轧型钢和钢板；另一类是冷成型（冷弯、冷冲、冷轧）的薄壁型钢和压型钢板。一、钢的熔炼冶炼按需要生产的钢号进行，它决定钢材的主要化学成分。炼钢的原料为99%钢水+废钢+合金元素。平炉炼钢的质量优于转炉炼钢的质量。目前，我国采用转炉炼钢，转炉钢具有投资少、建厂快、生产效率高、原料适应性强等优点。二、钢的脱氧脱氧的手段是在钢液中加入和氧的亲和力比铁高的锰、硅和铝。脱氧的程度对钢材的质量颇有影响。锰是弱脱氧剂。硅是较强的脱氧剂。铝是强脱氧剂。钢液中含有较多的FeO，浇注时FeO和碳相互作用，形成CO气体逸出，引起钢液的剧烈沸腾，这种钢称之为沸腾钢。它夹杂较多FeO，冷却后有许多气泡。硅在还原氧化铁的过程中放出热量，使钢液冷却缓慢，气体大多可以逸出，所得钢锭称之为镇静钢。冷却后因体积收缩而在上部形成较大缩孔，缩孔的孔壁有些氧化，在辊轧时不能焊合，必须先把钢锭头部切去。切头后实得钢材仅为钢锭的80%~85%。对冲击韧性（尤其是低温冲击韧性）要求高的重要结构，如寒冷地区的露天结构，钢材宜用硅脱氧后再用铝补充脱氧的特殊镇静钢。这种钢比一般镇静钢具有更高的室温冲击韧性和更低的冷脆倾向性和时效倾向性。镇静钢的质量好于沸腾钢。镇静钢成本高。镇静钢偏析小。镇静钢的性能优于沸腾钢，主要表现在容易保证必要的冲击韧性，包括低温冲击和时效冲击，冲击韧性好可以承受动荷载和处于低温的结构。GB50017-2003规范规定沸腾钢不能用于下列焊接结构：需要验算疲劳者；处于-30℃和更低温度者；工作温度低于-20℃并直接承受动力荷载（但不需验算疲劳）者。鉴定镇静钢和沸腾钢，可以通过硅的含量来进行。GB700-88规定，Q235钢分为A、B、C、D四级。前两级可以是沸腾钢、半镇静钢或镇静钢，C级必须是镇静钢。三、钢的轧制辊轧是型钢和钢板成型的工序，是二次熔炼的过程，可以改善钢材的性能。辊轧分热轧和冷轧，以前者为主。冷轧只用于生产小号型钢和薄板。经过热轧后，钢材组织密实，力学性能得到改善。这种改善主要表现在沿轧制方向上，从而使钢材在一定程度上不再是各向同性体。经过轧制之后，钢材内部的非金属夹杂物被压2成薄片，出现分层现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。焊缝收缩诱发的局部应变是屈服点应变的数倍。型钢和扁钢总是沿辊轧方向受力，不存在非各向同性问题。钢板则不同，垂直于辊轧方向受力，因此钢板拉力试验的试样应垂直与轧制方向切去。轧制影响钢材的塑性和韧性，产生残余应力，同时加工、切割、焊接也产生残余应力。热轧钢材厚度小的强度高于厚度大的，而且塑性及冲击韧性也比较好。因此钢材的机械性能要按厚度分级。热轧是不均匀冷却造成的残余应力。在没有外力作用下内部自相平衡的应力叫做残余应力。板的尺寸越大，冷却后的应力也越大。各种截面的热轧型钢都有这类残余应力，不过随截面形式和尺寸不同，残余应力的分布有所区别。一般地说，截面尺寸越大，残余应力也越大。残余应力虽然是自相平衡的，对钢构件在外力作用下的性能有一定影响。残余应力影响变形、稳定性、疲劳、低温脆断等。轧制普通工字钢的轧机只有两个水平轧辊。滚轧成型时，腹板所受压力大于翼缘，翼缘所受压力和它内侧的斜度有关。腹板的性能优于翼缘。当工字钢作受弯构件时，翼缘的应力大于腹板，承载能力主要取决于翼缘的性能。我国规定，各类型钢拉力试验和冲击试验的样坯都从翼缘上切取，不过，槽钢和工字钢拉伸试件也可以在腹板取样。判断钢结构事故应考虑以下几个方面，化学成分不均匀；C、S、P偏析，含量外多、内少；厚钢板要抽查检验是否有层间撕裂，利用超声波或X射线探伤。四、矫直和热处理钢材热轧冷却后存在残余应力，因此矫直后的残余应力应是对原始残余应力进行重新分布。重分布使翼缘原始残余应力峰值有所降低，将减轻用作压杆时的不利作用。矫直有两种方法，辊床调直和顶直。热处理可以改变钢材性能，建筑钢材一般以热轧状态交货，不进行热处理。热处理包括调质热处理和正火。调质热处理包括淬火和高温回火两道工序。五、钢材的匀质和等向性钢材内部化学元素的分布不是完全均匀的。钢锭的四周部分含碳减少，从周边到中心碳逐渐增多，硫、磷等杂质也聚集在冷却较慢的部分，形成偏析。型钢截面上不同部分的屈服点有差别，是力学性质上的一种非匀质现象。测试力学性能的方法是在翼缘上切取试样确定屈服点比在腹板上取样更能反映材料的实际性能。钢材内部存在残余应力，从力学角度来说也是一种不均匀性。钢板的各向异性，表现在三个方向的受力性能。沿轧制方向力学性能最好，横向稍差。钢板如有分层，则沿厚度方向性能最差。是否分层，需用超声波等手段探伤。对于比较重要的结构，一是对钢材进行探伤检查，并限制局部分层的面积，二是在设计时注意避免垂直于板面受拉和焊缝收缩造成层间撕裂。【加工对钢构件性能的影响】一、加工对钢构件性能的影响钢结构的建造过程分为热加工、冷加工和冷作硬化。热加工，如钻孔切割，影响残余应力。冷加工使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。1、冷加工的影响冷加工考虑的因素有屈服强度、抗拉强度、冷弯性能。冷加工后，钢材的强度有所提高，但塑性和冲击韧性降低。韧性降低的原因包括冷加工和时效两种因素。钢材的剪切和冲孔，使剪断的边缘和冲出的孔壁严重硬化，甚至出现微细裂纹。对于比较重要的结构，剪断处需要刨边；冲孔只能用较小的冲头，冲完再进行扩孔。目的都是把硬化部分除掉，以免裂纹在一定条件下扩展。3冷弯成型后弯角部分屈服点大幅度提高，同时抗拉强度也有所提高，但塑性降低。外侧沿圆弧方向为拉伸，沿半径方向为压缩，内侧沿弧线方向压缩，沿半径方向拉伸。当材料弯成圆角时半径和板厚之比越小，塑性应变越大，屈服点提高幅度越大。Q345-16Mn，在－15℃以下不要冷加工，容易产生脆性断裂。Q235-A3，在－20℃以下不要冷加工，容易产生脆性断裂。2、热加工的影响热加工包括火焰切割、乙炔切割和焊接。焊接和焰割对钢材焊接造成以下后果，焊缝金属具有铸造组织，不同于轧制钢材，焊缝性能不如母材好，但强度高；焊弧的高温使邻近焊缝的钢材发生组织变化，焊缝附近性能不好，形成热影响区，热影响区包括过热区、正火区和部分重结晶区，在疲劳情况下，热影响区容易破坏；局部性的高温使钢材发生塑性变形，冷却后存在残余应力，残余应力产生的原因是熔化铁水膨胀，未熔化部分对其产生的应力。焊缝金属的碳含量稍低，而氮、氢、氧稍高。采用短弧焊、埋弧焊和气体保护焊使熔化金属和空气更好的隔离，可以不同程度地氮和氧的含量。焊缝金属含氢量高来源于大气和焊条药皮，包括药皮的有机物成分和吸收的水分。当冷却快时氢能使焊缝金属内部出现微观裂纹。因此，受潮的焊条必须烘干后才能使用，重要结构还要用低氢型焊条，以避免出现裂纹。焊接构件的残余应力和热轧构件的一样，在整个截面上拉压两部分应力自相平衡，不同的是焊接构件在焊缝及其近旁的残余拉应力特别高。三条焊缝情况要避免交叉，如不能避免，将次要焊缝断开，不要贯通。在制造厂对焊接结构的零件下料时，要考虑施焊后冷却的收缩而把材料适当放长。如果两个构件受到相连的刚性部分牵制而不能收缩，则整个构件将产生拉应力，这是另一种残余应力，叫做反作用残余应力。3、热矫正和热成型常用的矫正方法是进行局部加热，使其冷却后产生反向变形。为了防止淬火效应，加热温度不应超过900℃，钢结构规范规定，低合金钢在加热矫正后应自然冷却。热加工成型的构件需要加热到900～1000℃。二、制造和安装的偏差对钢结构性能的影响存在初始弯曲的轴心压杆，受压能力降低，既受压又受弯。存在初始弯曲的轴心拉杆，不降低承受拉力的能力。杆长度的偏差会使体系内压力和拉力在体系内自相平衡。由于出现在承受荷载之前，称为残余内力。当残余内力和载荷引起的内力同号时，将使承载能力降低。【外界作用对钢结构性能的影响】外界作用包括钢结构建成后的使用荷载和大气作用等。一、多轴应力的影响钢材在双向拉力作用下屈服应力和抗拉强度提高，延伸率降低。在异号双向应力作用下屈服应力和抗拉强度降低，延性率增大。三向受拉塑性比双向受拉还低，破坏将是脆性的。三轴拉应力对钢结构是十分不利的。二、加荷速率的影响建筑结构钢材在冲击性的快速加载作用下保持良好的强度和塑性变形能力。即在20℃左右的室温环境下，钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率的增大而提高，塑性变形能力也提高。不利方面是脆性转变温度随加荷速率增加而提高。三、循环加载的影响钢材在多次重复荷载的循环荷载作用下滞回环丰满而稳定，这种好的性能为钢结构在地震作用下耗能能力提供了基础。4四、低温和腐蚀性介质的影响低温使钢材韧性降低，温度降低到一定程度时钢材在冲击荷载作用下完全是脆性断裂，腐蚀性介质也会促成脆性断裂并影响疲劳强度。五、高温的影响除了有热源的生产车间外，钢结构可能遭受的高温主要来自火灾。如果应力较高，且温度接近600℃，则高温软化可以导致压杆屈曲和拉杆出现颈缩，需要修复、加固或更换。如果火灾后构件没有新的变形，一般都可以继续安全承载。防止钢结构火灾损伤的途径，一是用放火材料加以保护，二是应用耐火钢材。第二章钢结构稳定问题概述钢结构承载能力极限状态可以出现于下列六种情况：1、整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（如倾复）；2、结构构件或连接因材料强度被超过而破坏；3、结构转变为机动体系（倒塌）；4、结构或构件丧失稳定（屈曲等）；5、结构出现过度的塑性变形，而不适于继续承载；6、在重复荷载作用下构件疲劳断裂。【钢结构的失稳破坏】建筑结构用的钢材具有很大的塑性变形能力。当结构因抗拉强度不足而破坏时，破坏前呈现较大变形。但是当结构因受压稳定性不足而破坏时，可能在失稳前只有很小的变形，即呈脆性破坏的特征。脆性破坏具有突发性，不能由变形发展的征兆及时防止，所以比塑性破坏危险。按国家标准，脆性破坏的构件的可靠指标应比延性破坏者提高一级，即安全等级为二级的构件值由3.2提高到3.7。【失稳类别】一、钢结构的稳定问题分为两类：1、第一类稳定问题或具有平衡分岔的稳定问题（也叫分支点失稳）。完善直杆轴心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。2、第二类稳定问题或无平衡分岔稳定的问题（也叫极值点失稳）。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的承载能力，属于这一类。但某些结构如坦拱，即使是完全弹性的，也没有平衡分岔。二、弹性稳定可以分为以下三类：1、稳定分岔屈曲。结构在达到临界状态时，从未屈曲的平衡位形过渡到无限邻近的屈曲平衡位形，即由直杆而出现微弯。此后，变形的进一步增大，要求荷载增加。直杆轴心受压和平板在中面受压都属于这种情况。2、不稳定分岔屈曲。结构屈曲后只能在比临界荷载低的荷载下才能维持平衡位形。属于这种情况的有承受轴向荷载的圆柱壳和承受均匀外压力的全球壳，钢结构常用的缀条柱和圆柱壳很相似。薄壁型钢方管压杆也在一定条件下表现出类似特性。3、越跃屈曲。这种屈曲的特点是：结构由一个平衡位形突然跳到另一个平衡位形，其间出现很大的变形。属于这种情况的有铰接坦拱和油罐的扁球壳顶盖。虽然在发生越跃后荷载可5以大于临界值，但实际工程中允许出现这样大的变形，因此，应该以临界荷载作为承载的极限。越跃屈曲虽然没有平衡分岔，却和不稳定分岔屈曲有相似之处，都是从丧失稳定平衡后经历一段不稳定平衡，然后重新获得稳定平衡。当构件有几何缺陷时荷载和变形的关系。对于稳