第2章
钢结构的材料
§2-1 概述
钢是以铁和碳为主要成分的合金，其中铁是最基本的元素，碳和其它元素所占比例甚少，但却左右着钢材的物理和化学性能。钢材的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的钢材只是其中的一小部分。为了确保质量和安全，这些钢材应具有较高的强度、塑性和韧性，以及良好的加工性能。我国《钢结构设计规范》GB50017（以下简称规范或GB50017）具体推荐碳素结构钢（carbon structural steels）中的Q235和低合金高强度结构钢（high strength low alloy structural steels）中的Q345、Q390和Q420等牌号的钢材作为承重钢结构用钢。
钢材的性能与其化学成分、组织构造、冶炼和成型方法等内在因素密切相关，同时也受到荷载类型、结构形式、连接方法和工作环境等外界因素的影响。本章简要介绍钢材的生产过程和组织构造；重点介绍钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响；介绍钢材的种类、规格及选用原则。
§2-2 钢材的生产
2.2.1 钢材的冶炼
除了天外来客——陨石中可能存在少量的天然铁之外，地球上的铁都蕴藏在铁矿中。从铁矿石开始到最终产品的钢材为止，钢材的生产大致可分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。
一、炼铁
矿石中的铁是以氧化物的形态存在的，因此要从矿石中得到铁，就要用与氧的亲和力比铁更大的物质——一氧化碳与碳等还原剂，通过还原作用从矿石中除去氧，还原出铁。同时，为了使砂质和粘土质的杂质（矿石中的废石）易于熔化为熔渣，常用石灰石作为熔剂。所有这些作用只有在足够的温度下才会发生，因此铁的冶炼都是在可以鼓入热风的高炉内进行。装入炉膛内的铁矿石、焦炭、石灰石和少量的锰矿石，在鼓入的热风中发生反应，在高温下成为熔融的生铁（含碳量超过2.06％的铁碳合金称为生铁或铸铁）和漂浮其上的熔渣。常温下的生铁质坚而脆，但由于其熔化温度低，在熔融状态下具有足够的流动性，且价格低廉，故在机械制造业的铸件生产中有广泛的应用。铸铁管是土木建筑业中少数应用生铁的例子之一。
二、炼钢
含碳量在2.06％以下的铁碳合金称为碳素钢。因此，当用生铁制钢时，必须通过氧化作用除去生铁中多余的碳和其它杂质，使它们转变为氧化物进入渣中，或成气体逸出。这一作用也要在高温下进行，称为炼钢。常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。
电炉炼钢是利用电热原理，以废钢和生铁等为主要原料，在电弧炉内冶炼。由于不与空气接触，易于清除杂质和严格控制化学成分，炼成的钢质量好。但因耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。
转炉炼钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液中的碳和其它杂质氧化，在高温下使铁液变为钢液。氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，质量和加工性能优良，且可根据需要添加不同的元素，冶炼碳素钢和合金钢。由于氧气顶吹转炉可以利用高炉炼出的生铁熔液直接炼钢，生产周期短、效率高、质量好、成本低，已成为国内外发展最快的炼钢方法。
平炉炼钢是利用煤气或其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素
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等冶炼成各种用途的钢。平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。但平炉炼钢周期长，效率低，成本高，现已逐渐被氧气顶吹转炉炼钢所取代。
三、钢材的浇注和脱氧
按钢液在炼钢炉中或盛钢桶中进行脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4类。沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全，在将钢液浇注入钢锭模时，会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象。沸腾钢在铸模中冷却很快，钢液中的氧化铁和碳作用生成的一氧化碳气体不能全部逸出，凝固后在钢材中留有较多的氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差。镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好，但成本高。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。
随着冶炼技术的不断发展，用连续铸造法生产钢坯（用作轧制钢材的半成品）的工艺和设备已逐渐取代了笨重而复杂的铸锭—开坯—初轧的工艺流程和设备。连铸法的特点是：钢液由钢包经过中间包连续注入被水冷却的铜制铸模中，冷却后的坯材被切割成半成品。连铸法的机械化、自动化程度高，可采用电磁感应搅拌装置等先进设施提高产品质量，生产的钢坯整体质量均匀，但只有镇静钢才适合连铸工艺。因此国内大钢厂已很少生产沸腾钢，若采用沸腾钢，不但质量差，而且供货困难，价格并不便宜。
2.2.2 钢材的组织构造和缺陷
一、钢材的组织构造
碳素结构钢是通过在强度较低而塑性较好的纯铁中加适量的碳来提高强度的，一般常用的低碳钢含碳量不超过0.25％。低合金结构钢则是在碳素结构钢的基础上，适当添加总量不超过5％的其它合金元素，来改善钢材的性能。
碳素结构钢在常温下主要由铁素体和渗碳体（F e3C ）所组成。铁素体是碳溶入体心立方晶体的α铁*中的固溶体，常温下溶碳仅0.0008％，与纯铁的显微组织没有明显的区别，其强度、硬度较低，而塑性、韧性良好。铁素体在钢中形成不同取向的结晶群（晶粒），是钢的主要成分，约占重量的99％。渗碳体是铁碳化合物，含碳6.67％，其熔点高，硬度大，几乎没有塑性，在钢中其与铁素体晶粒形成机械混合物——珠光体，填充在铁素体晶粒的空隙中，形成网状间层（图2.2.1a ）。珠光体强度很高，坚硬而富于弹性。另外，还有少量的锰、硅、硫、磷及其化合物溶解于铁素体和珠光体中。碳素钢的力学性能在很大程度上与铁素体和珠光体这两种成分的比例有关。同时，铁素体的晶粒越细小，珠光体的分布越均匀，钢的性能也就越好。
a. 碳素钢多晶体结构示意图
b. α铁的体心立方晶格 图2.2.1 钢的组织结构
*纯铁在不同温度下有同素异构现象，在铁液凝固点1538℃至1394℃之间为高温体心立方晶格的δ铁，在912℃以下为α铁，而在1394℃至912℃之间为面心立方晶格的γ铁。
低合金结构钢是在低碳钢中加入少量的锰、硅、钒、铌、钛、铝、铬、镍、铜、氮、稀土等合金元素炼成的钢材，其组织结构与碳素钢类似。合金元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中，形成新的固溶体——合金铁素体和新的合金渗碳体组成的珠光体类网状间层，使钢材的强度得到提高，而塑性、韧性和焊接性能并不降低。
二、钢材的铸造缺陷
当采用铸模浇注钢锭时，与连续铸造生产的钢坯质量均匀相反，由于冷却过程中向周边散热，各部分冷却速度不同，在钢锭内形成了不同的结晶带（图 2.2.2）。靠近铸模外壳区形成了细小的等轴晶带，靠近中部形成了粗大的等轴晶带，在这二部分之间形成了柱状晶带。这种组织结构的不均匀性，会给钢材的性能带来差异。
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3
图2.2.2 钢锭组织示意图
1－表面细晶粒层；2－柱状晶粒区；3－心部等轴晶粒区
钢在冶炼和浇注过程中还会产生其它的冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等。所谓偏析是指化学成分在钢内的分布不均匀，特别是有害元素如硫、磷等在钢锭中的富集现象；非金属夹杂是指钢中含有硫化物与氧化物等杂质；气孔是指由氧化铁与碳作用生成的一氧化碳气体，在浇注时不能充分逸出而留在钢锭中的微小孔洞；缩孔是因钢液在钢锭模中由外向内、自下而上凝固时体积收缩，因液面下降，最后凝固部位得不到钢液补充而形成；钢液在凝固中因先后次序的不同会引起内应力，拉力较大的部位可能出现裂纹。
钢材的组织构造和缺陷，均会对钢材的力学性能产生重要的影响。
2.2.3 钢材的加工
钢材的加工分为热加工、冷加工和热处理三种。将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，产生出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工。在常温下对钢材进行加工称为冷加工。通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺称为热处理。
一、热加工
将钢锭或钢坯加热至一定温度时，钢的组织将完全转变为奥氏体状态，奥氏体是碳溶入面心立方晶格的γ铁的固溶体，虽然含碳量很高，但其强度较低，塑性较好，便于塑性变形。因此钢材的轧制或锻压等热加工，经常选择在形成奥氏体时的适当温度范围内进行。选择原则是开始热加工时的温度不得过高，以免钢材氧化严重，而终止热加工时的温度也不能过低，以免钢材塑性差，引发裂纹。一般开轧和锻压温度控制在1150～1300℃。
钢材的轧制是通过一系列轧辊，使钢坯逐渐辊轧成所需厚度的钢板或型钢，图2.2.3是宽翼缘H型钢的轧制示意图。钢材的锻压是将加热了的钢坯用锤击或模压的方法加工成所需的形状，钢结构中的某些连接零件常采用此种方法制造。
3
4
图2.2.3 宽翼缘H 型钢轧制示意图
热加工可破坏钢锭的铸造组织，使金属的晶粒变细，还可在高温和压力下压合钢坯中的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，轧制的压缩比大，钢材的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢。钢材的强度按板厚分组就是这个缘故。
热加工使金属晶粒沿变形方向形成纤维组织，使钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横向）的性能，即使其各向异性增大。因此对于钢板部件应沿其横向切取试件进行拉伸和冷弯试验。钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，经轧制之后被压成薄片，对轧制压缩比较小的厚钢板来说，该薄片无法被焊合，会出现分层现象。分层使钢板沿厚度方向受拉的性能恶化，在焊接连接处沿板厚方向有拉力作用（包括焊接产生的约束拉应力作用）时，可能出现层状撕裂现象（图2.2.4），应引起重视。
图2.2.4 因焊接产生的层状撕裂
二、冷加工
在常温或低于再结晶温度*情况下，通过机械的力量，使钢材产生所需要的永久塑性变形，获得需要的薄板或型钢的工艺称为冷加工。冷加工包括冷轧、冷弯、冷拔等延伸性加工，也包括剪、冲、钻、刨等切削性加工。冷轧卷板和冷轧钢板就是将热轧卷板或热轧薄板经带钢冷轧机进一步加工得到的产品。在轻钢结构中广泛应用的冷弯薄壁型钢和压型钢板也是经辊轧或模压冷弯所制成。组成平行钢丝束、钢绞线或钢丝绳等的基本材料——高强钢丝，就是由热处理的优质碳素结构钢盘条经多次连续冷拔而成的。
经过冷加工的钢材均产生了不同程度的塑性变形，金属晶粒沿变形方向被拉长，局部晶粒破碎、位错密度增加，并使残余应力增加。钢材经冷加工后，会产生局部或整体硬化，即在局部或整体上提高了钢材的强度和硬度，但却降低了塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）。冷拔高强度钢丝充分利用了冷作硬化现象，在悬索结构中有广泛的应用。冷弯薄壁型钢结构在强度验算时，可有条件地利用因冷弯效应而产生的强度提高现象。但对截面复杂的钢构件来说，这种情况是无法利用的。相反，钢材由于冷硬变脆，常成为钢结构脆性断裂的起因。因此，对于比较重要的结构，要尽量避免局部冷加工硬化的发生。
三、热处理
(a) (b) (c)
*当温度超过再结晶温度时，由于冷加工而破碎拉长的晶粒会转变成新的等轴晶粒，但晶格的类型不变。碳素结构钢及合金钢的再结晶温度一般为680～720℃。
钢的热处理是将钢在固态范围内，施以不同的加热、保温和冷却措施，籍改变其内部组织构造，达到改善钢材性能的一种加工工艺。钢材的普通热处理包括退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。
退火和正火是应用非常广泛的热处理工艺，用其可以消除加工硬化、软化钢材、细化晶粒、改善组织以提高钢的机械性能；消除残余应力，以防钢件的变形和开裂；为进一步的热处理作好准备。对一般低碳钢和低合金钢而言，其操作方法为：在炉中将钢材加热至850～900℃，保温一段时间后，若随炉温冷却至500℃以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全退火；若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。正火的冷却速度比退火快，正火后的钢材组织比退火细，强度和硬度有所提高。如果钢材在终止热轧时的温度正好控制在上述范围内，可得到正火的效果，称为控轧。如果热轧卷板的成卷温度正好在上述范围内，则卷板内部的钢材可得到退火的效果，钢材会变软。
还有一种去应力退火，又称低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件和冷加工件中的残余应力。去应力退火的操作是将钢件随炉缓慢加热至500～600℃，经一段时间后，随炉缓慢冷却至300～200℃以下出炉。钢在去应力退火过程中并无组织变化，残余应力是在加热、保温和冷却过程中消除的。
淬火工艺是将钢件加热到900℃以上，保温后快速在水中或油中冷却。在极大的冷却速度下原子来不及扩散，因此含有较多碳原子的面心立方晶格的奥氏体，以无扩散方式转变为碳原子过饱和的α铁固溶体，称为马氏体。由于α铁的含碳量是过饱和状态，从而使体心立方晶格被撑长为歪曲的体心正方晶格。晶格的畸变增加了钢材的强度和硬度，同时使塑性和韧性降低。马氏体是一种不稳定的组织，不宜用于建筑结构。
回火工艺是将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，而后在空气中冷却。其目的是消除残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加塑性和韧性，形成较稳定的组织。将淬火后的钢材加热至500～650℃，保温后在空气中冷却，称为高温回火。高温回火后的马氏体转化为铁素体和粒状渗碳体的机械混合物，称为索氏体。索氏体钢具有强度、塑性、韧性都较好的综合机械性能。通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强度较高的钢材，如Q420中的C、D、E 级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处理。
§2-3 钢材的主要性能
2.3.1 钢材的破坏形式
钢材有两种完全不同的破坏形式：塑性破坏（ductile fracture）和脆性破坏（brittle fracture）。钢结构所用的钢材在正常使用条件下，虽然有较高的塑性和韧性，但在某些条件下，仍然存在发生脆性破坏的可能性。
塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。只有当构件中的应力达到抗拉强度后才会发生破坏，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。由于塑性破坏前总有较大的塑性变形发生，且变形持续时间较长，容易被发现和抢修加固，因此不至发生严重后果。钢材塑性破坏前的较大塑性变形能力，可以实现构件和结构中的内力重分布，钢结构的塑性设计就是建立在这种足够的塑性变形能力上。
脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。由于破坏前没有任何预兆，破坏速度又极快，无法察觉和补救，而且一旦发生常引发整个结构的破坏，后果非常严重，因此在钢结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意防止这种破坏的发生。
钢材存在的两种破坏形式与其内在的组织构造和外部的工作条件有关。试验和分析均证明，在剪力作用下，具有体心立方晶格的铁素体很容易通过位错移动形成滑移，即形成塑性变形；
5
6
而其抵抗沿晶格方向伸长至拉断的能力却强大得多，因此当单晶铁素体承受拉力作用时，总是首先沿最大剪应力方向产生塑性滑移变形（图2.3.1）。实际钢材是由铁素体和珠光体等组成的，由于珠光体间层的限制，阻遏了铁素体的滑移变形，因此受力初期表现出弹性性能。当应力达到一定数值，珠光体间层失去了约束铁素体在最大剪应力方向滑移的能力，此时钢材将出现屈服现象，先前铁素体被约束了的塑性变形就充分表现出来，直到最后破坏。显然当内外因素使钢材中铁素体的塑性变形无法发生时，钢材将出现脆性破坏。
图2.3.1 铁素体单晶体的塑性滑移
2.3.2 钢材在单向一次拉伸下的工作性能
钢材的多项性能指标可通过单向一次（也称单调）拉伸试验获得。试验一般都是在标准条件下进行的，即：试件的尺寸符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷；荷载分级逐次增加，直到试件破坏；室温为20℃左右。图2.3.2给出了相应钢材的单调拉伸应力－应变曲线。由低碳钢和低合金钢的试验曲线看出，在比例极限（proportional limit ）ζp 以前钢材的工作是弹性的；比例极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点（yield point 或yield strength ）f y 后，出现了一段纯塑性变形，也称为塑性平台；此后强度又有所提高，出现所谓自强阶段，直至产生颈缩而破坏。破坏时的残余延伸率表示钢材的塑性性能。调质处理的低合金钢没有明显的屈服点和塑性平台。这类钢的屈服点是以卸载后试件中残余应变为0.2％所对应的应力人为定义的，称为名义屈服点或f 0.2（见图2.3.2）。
图2.3.2 钢材的单调拉伸应力－应变曲线
钢材的单调拉伸应力－应变曲线提供了三个重要的力学性能指标：抗拉强度（tensile strength ）f u 、伸长率（elongation ）δ和屈服点f y 。抗拉强度f u 是钢材一项重要的强度指标，它
η η ζ ζ ζ
ε应变(%) σ应力(M P a )
ζ
7
反映钢材受拉时所能承受的极限应力。伸长率δ是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标，以试件破坏后在标定长度内的残余应变表示。取圆试件直径的5倍或10倍为标定长度，其相应伸长率分别用δ5或δ10表示。屈服点f y 是钢结构设计中应力允许达到的最大限值，因为当构件中的应力达到屈服点时，结构会因过度的塑性变形而不适于继续承载。承重结构的钢材应满足相应国家标准对上述三项力学性能指标的要求。
断面收缩率ψ是试样拉断后，颈缩处横断面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，也是单调拉伸试验提供的一个塑性指标。ψ越大，塑性越好。在国家标准《厚度方向性能钢板》中，使用沿厚度方向的标准拉伸试件的断面收缩率来定义Z 向钢的种类，如ψ分别大于或等于15％、25％、35％时，为Z15、Z25、Z35钢。由单调拉伸试验还可以看出钢材的韧性好坏。韧性可以用材料破坏过程中单位体积吸收的总能量来衡量，包括弹性能和非弹性能两部分，其数值等于应力－应变曲线（图2.3.2）下的总面积。当钢材有脆性破坏的趋势时，裂纹扩展释放出来的弹性能往往称为裂纹继续扩展的驱动力，而扩展前所消耗的非弹性能量则属于裂纹扩展的阻力。因此，上述的静力韧性中非弹性能所占的比例越大，材料抵抗脆性破坏的能力越高。
由图2.3.2可以看到，屈服点以前的应变很小，如把钢材的弹性工作阶段提高到屈服点，且不考虑自强阶段，则可把应力－应变曲线简化为图2.3.3所示的两条直线，称为理想弹塑性体的工作曲线。它表示钢材在屈服点以前应力与应变关系符合虎克定律，接近理想弹性体工作；屈服点以后塑性平台阶段又近似于理想的塑性体工作。这一简化，与实际误差不大，却大大方便了计算，成为钢结构弹性设计和塑性设计的理论基础。
图2.3.3 理想弹塑性体应力－应变曲线
2.3.3 钢材的其它性能
一、冷弯性能
钢材的冷弯性能（cold-bending behavior ）由冷弯试验确定。试验时，根据钢材的牌号和不同的板厚，按国家相关标准规定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲180°（图2.3.4），以试件表面和侧面不出现裂纹和分层为合格。冷弯试验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力的大小，还能显示其内部的冶金缺陷，因此是判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材，均应具有冷弯试验的合格保证。
二、冲击韧性
由单调拉伸试验获得的韧性没有考虑应力集中和动荷作用的影响，只能用来比较不同钢材在正常情况下的韧性好坏。冲击韧性也称缺口韧性（notch toughness ）是评定带有缺口的钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指
标，通常用带有夏比V 型缺口（Charpy V-notch ）的标准试件做冲击试验（图2.3.5）
，以击断试
σf y
图2.3.4 冷弯试验
8
件所消耗的冲击功大小来衡量钢材抵抗脆性破坏的能力。冲击韧性也叫冲击功，用A KV 或C V 表示，单位为J （1J=1N 31m ，即1焦耳＝1牛顿31米）。
图2.3.5 夏比V 型缺口冲击试验和标准试件
试验表明，钢材的冲击韧性值随温度的降低而降低，但不同牌号和质量等级钢材的降低规律又有很大的不同。因此，在寒冷地区承受动力作用的重要承重结构，应根据其工作温度和所用钢材牌号，对钢材提出相当温度下的冲击韧性指标的要求，以防脆性破坏发生。
2.3.4 钢材在复杂应力状态下的屈服条件
单调拉伸试验得到的屈服点是钢材在单向应力作用下的屈服条件，实际结构中，钢材常常受到平面或三向应力作用。根据形状改变比能理论（或称剪应变能量理论），钢在复杂应力状态由弹性过渡到塑性的条件，也称米塞斯屈服条件（Mises yield condition ）为：
y zx yz xy x z z y y x z y x zs f =+++++-++=)(3)(2
2
2
2
2
2
τττσσσσσσσσσσ (2.3.1) 或以主应力表示为：
[
]
y zs f =-+-+-=
213232221)()()(2
1
σσσσσσσ (2.3.2) y zs f ≥σ时，为塑性状态 y zs f <σ时，为弹性状态
式中zs σ为折算应力，y f 为单向应力作用下的屈服点。其它应力见图2.3.6。
图2.3.6 钢材单元体上的复杂应力状态
y
σ
z
y
σ
1
2
3
2
σ
(a) 一般应力分量状态 (b) 主应力状态
H 1－摆锤； 2－试件； 3－试验机台座； 4－刻度盘； 5－指针
9
由式(2.3.2)可以明显看出，当σ1、σ2、σ3为同号应力且数值接近时，即使它们各自都远大于f y ，折算应力σzs 仍小于f y ，说明钢材很难进入塑性状态。当为三向拉应力作用时，甚至直到破坏也没有明显的塑性变形产生，破坏表现为脆性。这是因为钢材的塑性变形主要是铁素体沿剪切面滑动产生的，同号应力场剪应力很小，钢材转变为脆性。相反，在异号应力场下，剪应变增大，钢材会较早地进入塑性状态，提高了钢材的塑性性能。
在平面应力状态下（如钢材厚度较薄时，厚度方向应力很小，常可忽略不计），式(2.3.1)成为：
y xy y x y x zs f =+-+=2
223τσσσσσ (2.3.3)
当只有正应力和剪应力时，为： y zs f =+=2
2
3τ
σσ (2.3.4)
当承受纯剪时，变为：y zs f ==
23τσ，或y y
f ττ==
3
，则有
y y f 58.0=τ (2.3.5) 式中y τ为钢材的屈服剪应力，或剪切屈服强度。
§2-4 各种因素对钢材性能的影响
2.4.1 化学成分的影响
正如§2-1所述，钢是以铁和碳为主要成分的合金，虽然碳和其它元素所占比例甚少，但却左右着钢材的性能。
碳是各种钢中的重要元素之一，在碳素结构钢中则是铁以外的最主要元素。碳是形成钢材强度的主要成分，随着含碳量的提高，钢的强度逐渐增高，而塑性和韧性下降，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等也变劣。碳素钢按碳的含量区分，小于0.25％的为低碳钢，介于0.25％和0.6％之间的为中碳钢，大于0.6％的为高碳钢。含碳量超过0.3％时，钢材的抗拉强度很高，但却没有明显的屈服点，且塑性很小。含碳量超过0.2％时，钢材的焊接性能将开始恶化。因此，规范推荐的钢材，含碳量均不超过0.22％，对于焊接结构则严格控制在0.2％以内。
硫是有害元素，常以硫化铁形式夹杂于钢中。当温度达800～1000℃时，硫化铁会熔化使钢材变脆，因而在进行焊接或热加工时，有可能引发热裂纹，称为热脆。此外，硫还会降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、抗锈蚀性能和焊接性能等。非金属硫化物夹杂经热轧加工后还会在厚钢板中形成局部分层现象，在采用焊接连接的节点中，沿板厚方向承受拉力时，会发生层状撕裂破坏。因而应严格限制钢材中的含硫量，随着钢材牌号和质量等级的提高，含硫量的限值由0.05％依次降至0.025％，厚度方向性能钢板（抗层状撕裂钢板）的含硫量更限制在0.01％以下。
磷可提高钢的强度和抗锈蚀能力，但却严重地降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能，特别是在温度较低时促使钢材变脆，称为冷脆。因此，磷的含量也要严格控制，随着钢材牌号和质量等级的提高，含磷量的限值由0.045％依次降至0.025％。但是当采取特殊的冶炼工艺时，磷可作为一种合金元素来制造含磷的低合金钢，此时其含量可达0.12％～0.13%。
锰是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，消除硫对钢的热脆影响，改善钢的冷脆倾向，同时不显著降低塑性和韧性。锰还是我国低合金钢的主要合金元素，其含量为0.8％～1.8％。但锰对焊接性能不利，因此含量也不宜过多。
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硅是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生产镇静钢。适量的硅，可以细化晶粒，提高钢的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能无显著不良影响。硅的含量在一般镇静钢中为0.12％～0.30％，在低合金钢中为0.2％～0.55％。过量的硅会恶化焊接性能和抗锈蚀性能。
钒、铌、钛等元素在钢中形成微细碳化物，加入适量，能起细化晶粒和弥散强化作用，从而提高钢材的强度和韧性，又可保持良好的塑性。
铝是强脱氧剂，还能细化晶粒，可提高钢的强度和低温韧性，在要求低温冲击韧性合格保证的低合金钢中，其含量不小于0.015％。
铬、镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390及以上牌号的钢材中，但其含量应受限制，以免影响钢材的其它性能。
铜和铬、镍、钼等其它合金元素，可在金属基体表面形成保护层，提高钢对大气的抗腐蚀能力，同时保持钢材具有良好的焊接性能。在我国的焊接结构用耐候钢中，铜的含量为0.20％～0.40％。
镧、铈等稀土元素（RE ）可提高钢的抗氧化性，并改善其它性能，在低合金钢中其含量按0.02％～0.20％控制。
氧和氮属于有害元素。氧与硫类似使钢热脆，氮的影响和磷类似，因此其含量均应严格控制。但当采用特殊的合金组分匹配时，氮可作为一种合金元素来提高低合金钢的强度和抗腐蚀性，如在九江长江大桥中已成功使用的15M n VN 钢，就是Q420中的一种含氮钢，氮含量控制在0.010％～0.020％。
氢是有害元素，呈极不稳定的原子状态溶解在钢中，其溶解度随温度的降低而降低，常在结构疏松区域、孔洞、晶格错位和晶界处富集，生成氢分子，产生巨大的内压力，使钢材开裂，称为氢脆。氢脆属于延迟性破坏，在有拉应力作用下，常需要经过一定孕育发展期才会发生。在破裂面上常可见到白点，称为氢白点。含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性低。钢的强度等级越高，对氢脆越敏感。
2.4.2 钢材的焊接性能
钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响。当含碳量在0.12％～0.20％范围内时，碳素钢的焊接性能最好；含碳量超过上述范围时，焊缝及热影响区容易变脆。一般Q235A 的含碳量较高，且含碳量不作为交货条件，因此这一牌号通常不能用于焊接构件。而Q235B 、C 、D 的含碳量控制在上述的适宜范围之内，是适合焊接使用的普通碳素钢牌号。在高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81）推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性，其的计算公式如下： 15
56Cu
Ni V Mo Cr Mn C C E ++++++
= (2.4.1) 其中C 、Mn 、Cr 、Mo 、V 、Ni 、Cu 分别为分别为碳、锰、铬、钼、钒、镍和铜的百分含量。
当C E 不超过0.38％时，钢材的可焊性很好，可以不用采取措施直接施焊；当C E 在0.38％～0.45％范围内时，钢材呈现淬硬倾向，施焊时需要控制焊接工艺、采用预热措施并使热影响区缓慢冷却，以免发生淬硬开裂；当C E 大于0.45％时，钢材的淬硬倾向更加明显，需严格控制焊接工艺和预热温度才能获得合格的焊缝。
钢材焊接性能的优劣除了与钢材的碳当量有直接关系之外，还与母材厚度、焊接方法、焊接工艺参数以及结构形式等条件有关。目前，国内外都采用可焊性试验的方法来检验钢材的焊接性能，从而制定出重要结构和构件的焊接制度和工艺。
11
2.4.3 钢材的硬化
钢材的硬化有三种情况：时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化。
在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降（图 2.4.1a ）。这种现象称为时效硬化（也称老化）。产生时效硬化的过程一般较长，但在振动荷载、反复荷载及温度变化等情况下，会加速发展。
在冷加工（或一次加载）使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象（图2.4.1a ）称为冷作硬化。
(a) 时效硬化及冷作硬化 (b) 应变时效硬化
图2.4.1 硬化对钢材性能的影响
在钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶氮和碳将更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象（图2.4.1b ），称为应变时效硬化。这种硬化在高温作用下会快速发展，人工时效就是据此提出来的，方法是：先使钢材产生10％左右的塑性变形，卸载后再加热至250℃，保温一小时后在空气中冷却。用人工时效后的钢材进行冲击韧性试验，可以判断钢材的应变时效硬化倾向，确保结构具有足够的抗脆性破坏能力。
正如本章有关钢材的冷加工部分所述，对于比较重要的钢结构，要尽量避免局部冷作硬化现象的发生。如钢材的剪切和冲孔，会使切口和孔壁发生分离式的塑性破坏，在剪断的边缘和冲出的孔壁处产生严重的冷作硬化，甚至出现微细的裂纹，促使钢材局部变脆。此时，可将剪切处刨边；冲孔用较小的冲头，冲完后再行扩钻或完全改为钻孔的办法来除掉硬化部分或根本不发生硬化。
2.4.4 应力集中的影响
由单调拉伸试验所获得的钢材性能，只能反映钢材在标准试验条件下的性能，即应力均匀分布且是单向的。实际结构中不可避免的存在孔洞、槽口、截面突然改变以及钢材内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，由于主应力线在绕过孔口等缺陷时发生弯转，不仅在孔口边缘处会产生沿力作用方向的应力高峰，而且会在孔口附近产生垂直于力的作用方向的横向应力，甚至会产生三向拉应力（如图2.4.2所示）！而且厚度越厚的钢板，在其缺口中心部位的三向拉应力也越大，这是因为在轴向拉力作用下，缺口中心沿板厚方向的收缩变形受到较大的限制，形成所谓平面应变状态所致。应力集中的严重程度用应力集中系数衡量，缺口边缘沿受力方向的最大应力σmax 和按净截面的平均应力σ0＝N/A n （A n 为净截面面积）的比值称为应力集中系数，即k=σmax /σ0。
σ
f f f 的塑性区 后的塑性区
12
a. 薄板圆孔处的应力分布；
b. 薄板缺口处的应力分布；
c. 厚板缺口处的应力分布
图2.4.2 板件在孔口处的应力集中
由公式(2.3.1)或(2.3.2)可知，当出现同号力场或同号三向力场时，钢材将变脆，而且应力集中越严重，出现的同号三向力场的应力水平越接近，钢材越趋于脆性。具有不同缺口形状的钢材拉伸试验结果也表明（如图2.4.3，其中第1种试件为标准试件，2、3、4为不同应力集中水平的对比试件），截面改变的尖锐程度越大的试件，其应力集中现象就越严重，引起钢材脆性破坏的危险性就越大。第4种试件已无明显屈服点，表现出高强钢的脆性破坏特征。
图2.4.3 应力集中对钢材性能的影响
应力集中现象还可能由内应力产生。内应力的特点是力系在钢材内自相平衡，而与外力无关，其在浇注、轧制和焊接加工过程中，因不同部位钢材的冷却速度不同，或因不均匀加热和冷却而产生。其中焊接残余应力的量值往往很高，在焊缝附近的残余拉应力常达到屈服点，而且在焊缝交叉处经常出现双向、甚至三向残余拉应力场，使钢材局部变脆。当外力引起的应力与内应力处于不利组合时，会引发脆性破坏。
因此，在进行钢结构设计时，应尽量使构件和连接节点的形状和构造合理，防止截面的突然改变。在进行钢结构的焊接构造设计和施工时，应尽量减少焊接残余应力。
2.4.5 荷载类型的影响
荷载可分为静力的和动力的两大类。静力荷载中的永久荷载属于一次加载，活荷载可看作重复加载。动力荷载中的冲击荷载属于一次快速加载，吊车梁所受的吊车荷载以及建筑结构所承受的地震作用则属于连续交变荷载，或称循环荷载。
一、加载速度的影响
σ0
σ0
σ0
y x
(a) (b)
(c)
ζ(N /m m 2)
13
在冲击荷载作用下，加载速度很高，由于钢材的塑性滑移在加载瞬间跟不上应变速率，因而反映出屈服点提高的倾向。但是，试验研究表明，在20℃左右的室温环境下，虽然钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率的增加而提高，塑性变形能力却没有下降，反而有所提高，即处于常温下的钢材在冲击荷载作用下仍保持良好的强度和塑性变形能力。
应变速率在温度较低时对钢材性能的影响要比常温下大得多。图2.4.4给出了三条不同应变速率下的缺口韧性试验结果与温度的关系曲线，图中中等加载速率相当于应变速率
1310--=s ε ，即每秒施加应变%1.0=ε，若以100mm 为标定长度，其加载速度相当于0.1mm/s 。
由图中可以看出，随着加载速率的减小，曲线向温度较低侧移动。在温度较高和较低两侧，三条曲线趋于接近，应变速率的影响变得不十分明显，但在常用温度范围内其对应变速率的影响十分敏感，即在此温度范围内，加荷速率越高，缺口试件断裂时吸收的能量越低，变得越脆。因此在钢结构防止低温脆性破坏设计中，应考虑加荷速率的影响。
图2.4.4 不同应变速率下钢材断裂吸收能量随温度的变化
二、循环荷载的影响
钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现象称为疲劳（fatigue ）。按照断裂寿命和应力高低的不同，疲劳可分为高周疲劳（high-cycle fatigue ）和低周疲劳（low-cycle fatigue ）两类。高周疲劳的断裂寿命较长，断裂前的应力循环次数n ≥53104，断裂应力水平较低，ζ＜f y ，因此也称低应力疲劳或疲劳，一般常见的疲劳多属于这类。低周疲劳的断裂寿命较短，破坏前的循环次数n=102~53104，断裂应力水平较高，ζ≥f y ，伴有塑性应变发生，因此也称为应变疲劳或高应力疲劳。有关高周疲劳的内容将在下节叙述，本节重点介绍有关低周疲劳的若干概念。
图2.4.5 钢材的包辛格效应和滞回曲线
试验研究发现，当钢材承受拉力至产生塑性变形，卸载后，再使其受拉，其受拉的屈服强度将提高至卸载点（冷作硬化现象）；而当卸载后使其受压，其受压的屈服强度将低于一次受压时所获得的值。这种经预拉后抗拉强度提高，抗压强度降低的现象称为包辛格效应（Bauschinger
温度
韧性
14
effect ），如图2.4.5a 所示。在交变荷载作用下，随着应变幅值的增加，钢材的应力应变曲线将形成滞回环线（hysteresis loops ），如图2.4.5b 所示。低碳钢的滞回环丰满而稳定，滞回环所围的面积代表荷载循环一次单位体积的钢材所吸收的能量，在多次循环荷载下，将吸收大量的能量，十分有利于抗震。
显然，在循环应变幅值作用下，钢材的性能仍然用由单调拉伸试验引伸出的理想应力应变曲线（图2.4.6a ）表示将会带来较大的误差，此时采用双线型和三线型曲线（图2.4.6b,c ）模拟钢材性能将更为合理。钢构件和节点在循环应变幅值作用下的滞回性能要比钢材的复杂得多，受很多因素的影响，应通过试验研究或较精确的模拟分析获得。钢结构在地震荷载作用下的低周疲劳破坏，大部分是由于构件或节点的应力集中区域产生了宏观的塑性变形，由循环塑性应变累积损伤到一定程度后发生的。其疲劳寿命取决于塑性应变幅值的大小，塑性应变幅值大的疲劳寿命就低。由于问题的复杂性，有关低周疲劳问题的研究还在发展和完善过程中。
图2.4.6 钢材在滞回应变荷载作用下应力应变简化模拟
2.4.6 温度的影响
钢材的性能受温度的影响十分明显，图2.4.7给出了低碳钢在不同正温下的单调拉伸试验结
果。由图中可以看出，在150℃以内，钢材的强度、弹性模量和塑性均与常温相近，变化不大。但在250℃左右，抗拉强度有局部性提高，伸长率和断面收缩率均降至最低，出现了所谓的蓝脆现象（钢材表面氧化膜呈蓝色）。显然钢材的热加工应避开这一温度区段。在300℃以后，强度和弹性模量均开始显著下降，塑性显著上升，达到600℃时，强度几乎为零，塑性急剧上升，钢材处于热塑性状态。
图2.4.7 低碳钢在高温下的性能
由上述可以看出，钢材具有一定的抗热性能，但不耐火，一旦钢结构的温度达600℃及以
上时，会在瞬间因热塑而倒塌。因此受高温作用的钢结构，应根据不同情况采取防护措施：当
20 100 200 300 400 500 600
温度℃
比例极限、屈服点、抗拉强度(N /m m 2) 100 200
300 400 500 600
13105 2310
5
弹性模量(N /m m 2)
伸长率(%) 20 15
30
25 35 45 45 50 60 70
80 90 断面收缩率(%)
伸长率
比例极限
屈服点 断面收缩率
弹性模量 抗拉强度
15
结构可能受到炽热熔化金属的侵害时，应采用砖或耐热材料做成的隔热层加以保护；当结构表面长期受辐射热达150℃以上或在短时间内可能受到火焰作用时，应采取有效的防护措施（如加隔热层或水套等）。防火是钢结构设计中应考虑的一个重要问题，通常按国家有关防火的规范或标准，根据建筑物的防火等级对不同构件所要求的耐火极限进行设计，选择合适的防火保护层（包括防火涂料等的种类、涂层或防火层的厚度及质量要求等）。
当温度低于常温时，随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度十分敏感，图2.4.8给出了冲击韧性与温度的关系。图中实线为冲击功随温度的变化曲线，虚线为试件断口中晶粒状区所占面积随温度的变化曲线，温度T 1也称为NDT （Nil Ductility Temperature ），为脆性转变温度或零塑性转变温度，在该温度以下，冲击试件断口由100％晶粒状组成，表现为完全的脆性破坏。温度T 2也称FTP （Fracture Transition Plastic ），为全塑性转变温度，在该温度以上，冲击试件的断口由100％纤维状组成，表现为完全的塑性破坏。温度由T 2向T 1降低的过程中，钢材的冲击功急剧下降，试件的破坏性质也从韧性变为脆性，故称该温度区间为脆性转变温度区。冲击功曲线的反弯点（或最陡点）对应的温度T 0称为转变温度。不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。
在直接承受动力作用的钢结构设计中，为了防止脆性破坏，结构的工作温度应大于T 1接近T 0，可小于T 2。但是T 1、T 2和T 0的测量是非常复杂的，对每一炉钢材，都要在不同的温度下做大量的冲击试验并进行统计分析才能得到。为了工程实用，根据大量的使用经验和试验资料的统计分析，我国有关标准对不同牌号和等级的钢材，规定了在不同温度下的冲击韧性指标，例如对Q235钢，除A 级不要求外，其它各级钢均取C V =27J ；对低合金高强度钢，除A 级不要求外，E 级钢采用C V =27J ，其它各级钢均取C V =34J 。只要钢材在规定的温度下满足这些指标，那么就可按钢结构规范的有关规定，根据结构所处的工作温度，选择相应的钢材做为防脆断措施。
图2.4.8 冲击韧性与工作温度的关系
2.4.7 防止脆性断裂的方法
由上述介绍可以看出，影响钢材在一定条件下出现脆性破坏的因素主要有：钢材的内在因素，如钢材的化学成分、组织构造和缺陷等；钢材的外在因素，如构造缺陷和焊接加工引起的应力集中（特别是厚板的应力集中）、低温影响、动荷作用、冷作硬化和应变时效硬化等。因此，为了防止脆性破坏的发生，应在钢结构的设计、制造和使用过程中注意以下各点：
(1) 合理设计。首先，应正确选用钢材。随着钢材强度的提高，其韧性和工艺性能一般都有所下降。因此，不宜采用比实际需要强度更高的材料。同时，对于低温下工作、受动力荷载
的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度，例如，分别选择适当质量等级
温度 120
16
的Q235、Q345等钢材，并应尽量使用较薄的型钢和板材。构造应力求合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、连续地传递应力，减少构件和节点的应力集中。在满足结构的正常使用条件下，应尽量减少结构的刚度和整体性，以防断裂的失稳扩展，例如构件和节点的连接应尽量采用螺栓连接。如必须采用焊接连接时，应避免焊缝的密集和交叉，尽量采用焊接残余应力小的构造形式，可参考第3章有关焊接连接的内容。
(2) 正确制造。应严格按照设计要求进行制作，例如不得随意进行钢材代换，不得随意将螺栓连接改为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度等等。应尽量采用钻孔或冲孔后再扩钻，以及对剪切边进行刨边等方法来避免冷作硬化现象。为了保证焊接质量，尽量减少焊接残余应力，应制定合理的焊接工艺和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处理方法消除主要构件中的焊接残余应力。焊接中不得在构件上任意打火起弧。在制作和安装过程中所造成的缺陷，如定位焊缝、引弧板、吊装辅件等均应进行清理和修复。制作和安装过程中及完成后，均要严格执行质量检验制度。
(3) 合理使用。不得随意改变结构使用用途或任意超负荷使用结构；原设计在室温工作的结构，在冬季停产检修时要注意保暖；不在主要结构上任意焊接附加零件悬挂重物；避免因生产和运输不当对结构造成撞击或机械损伤；平时应注意检查和维护等。
§2-5 钢材的疲劳
2.5.1 疲劳破坏的特征
上节已介绍了疲劳的分类和有关低周疲劳的概念，本节主要介绍高周疲劳（以下简称疲劳）问题。引起疲劳破坏的交变荷载有两种类型，一种为常幅交变荷载，引起的应力称为常幅循环应力，简称循环应力；一种为变幅交变荷载，引起的应力称为变幅循环应力，简称变幅应力，如图2.5.1所示。由这两种荷载引起的疲劳分别称为常幅疲劳和变幅疲劳。转动的机械零件常发生常幅疲劳破坏，吊车桥、钢桥等则主要是变幅疲劳破坏。
(a) 常幅循环应力 (b) 变幅应力
图2.5.1 循环应力和变幅应力
上述二种疲劳破坏均具有以下特征：
(1) 疲劳破坏具有突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂。但与一般脆断的瞬间断裂不同，疲劳是在名义应力低于屈服点的低应力循环下，经历了长期的累积损伤过程后才突然发生的。其破坏过程一般经历三个阶段，即裂纹的萌生、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂，因此疲劳破坏是有寿命的破坏，是延时断裂。
(2) 疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，可分为三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区（图2.5.2）。裂纹扩展区表面较光滑，常可见到放射和年轮状花纹，这是疲劳断裂的主要断口特征。根据断裂力学的解释，只有当裂纹扩展到临界尺寸，发生失稳扩展后才形成瞬间断裂区，出现人字纹或晶粒状脆性断口。
(3) 疲劳对缺陷（包括缺口、裂纹及组织缺陷等）十分敏感。缺陷部位应力集中严重，会加快疲劳破坏的裂纹萌生和扩展。
17
图2.5.2 疲劳破坏的断口特征
2.5.2 常幅疲劳
一、非焊接结构的疲劳
金属材料疲劳性能的系统性研究始于19世纪中期，大量的试验研究表明，疲劳强度除与主体金属和连接类型有关外，还与循环应力的应力比（循环特征）ρ和循环次数n 有关。应力比ρ等于按绝对值计算的最小应力和最大应力之比，即max min
σσρ=（拉应力取正号，压应力
取负号）。当以n ＝23106次为疲劳寿命时，我国钢结构设计规范TJ17-74曾根据试验得到的简化疲劳曲线，给出了验算以拉应力为主的疲劳计算公式如下：
[]p σσ≤m a x (2.5.1)
[][]ρ
σσk p p
-=
10
(2.5.2)
式中，max σ－交变荷载作用下，需验算部位的最大拉应力；
[]p
σ－与构造形式有关的以拉应力为主的疲劳容许强度；
[]p 0
σ－相应构造形式当ρ=0时的疲劳容许强度，由试验确定；
k －与构造形式有关的系数，由试验确定。
二、焊接结构的疲劳
随着焊接结构的不断发展和应用，发现上述以应力为准则的疲劳验算方法不适用于焊接结构。对大量试验数据进行统计分析表明：控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是构件和连接的构造类型和应力幅σ?，而与应力比无关。应力幅min max σσσ-=?，是最大拉应力与最小拉应力或压应力的代数差，即当min σ为压应力时，应取负值。
焊接结构与非焊接结构的根本差别在于焊接残余应力。在焊接结构中，焊缝部位的残余拉应力通常达到钢材的屈服点f y ，该处是萌生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。以图2.5.3中的焊接板件承受纵向拉压循环荷载为例，当名义循环应力为拉时，因焊缝附近的残余拉应力已达屈服点不再增加，实际拉应力保持f y
不变；当名义循环应力减小到最小时，焊缝附近的实际应力将
产生疲劳裂纹的焊接初始缺陷 疲劳裂纹的扩展
脆性断裂区
(a) (b)
18
降至)(min max σσσ--=?-y y f f 。显然，焊缝附近的真实应力比为y
y f f σρ?-=
，而不是
名义应力比max
min
σσρ=
。只要应力幅min max σσσ-=?为常数，不管循环荷载下的名义应力比为何值，焊缝附近的真实应力比也为常数。由此可见，焊缝部位的疲劳寿命主要与σ?有关。
(a) 残余应力分布； (b) 拉压循环荷载； (c) 应力变化曲线
图2.5.3 焊缝附近的真实循环应力
国内外的大量疲劳试验证明，构件或连接的应力幅σ?与疲劳寿命n 之间呈指数为负数的幂函数关系，如图2.5.4a 所示。对应某一循环寿命（也称疲劳寿命）n 1，就有一个应力幅1σ?与之相应，说明在该应力幅值下循环n 1次，构件或连接就会发生疲劳破坏。为了方便分析，可对该曲线关系取对数，则σ?lg 和n lg 之间在双对数坐标系中成直线关系，如图2.5.4b 所示。考虑到σ?与n 之间的关系曲线系试验回归方程，反映了平均值之间的关系，同时考虑到试验数据的离散性，取平均值减去2倍n lg 的标准差（2s ）作为疲劳强度的下限值，如图2.5.4b 中的虚线所示。如n lg 符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为97.7％，称该虚线上的应力幅为对应某疲劳寿命的容许应力幅][σ?。
图2.5.4 应力幅与循环寿命的关系
将图2.5.4b 中的虚线延长与横坐标交于C lg 点，设该线对纵坐标的斜率为β1-，则对应
疲劳寿命n 的容许应力幅可由两个相似三角形的关系求出：
n
C n C lg ]
lg[lg lg ]lg[1
σσβ
?=
-?=
ζf y f ζζ
+ - - (a)
(b)
(c)
Δζ
Δζ
Δζ
Δζ
(a)
(b)
19
或 C n =??βσ][ (2.5.3) 可求得容许应力幅的表达式
β
σ1][?
?
?
??=?n C (2.5.4)
式中：C 、β均为不同构件和连接类别的试验参数。
三、常幅疲劳验算
对不同的构件和连接类型，由于试验数据回归的直线方程各异，其斜率也不尽相同。为了设计方便，规范将各类型的构件和连接，按连接方式、受力特点和疲劳容许应力幅，并适当照顾[Δζ]－n 曲线族的等间隔设置，归纳划分为8类（图2.5.5）。各类直线斜率的倒数取整数，其中1、2类的β为－4，3～8类的β取为－3。从每类直线与横坐标的截距lg C 中可求出C 。各类的β和C 见表2.5.1，构件和连接的分类见附录7。
图2.5.5 各类构件和连接的[Δζ]－n 双对数曲线
公式(2.5.4)中忽略了钢材静力强度对疲劳强度的影响，认为所有连接形式的容许应力幅都与钢材的静力强度无关。国内外的试验均证明，除个别在疲劳计算中不起控制作用的类别的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数焊接连接类别的疲劳强度均不受钢材静力强度的影响，为简化表达式，在进行回归验算时，忽略了这些差异的影响。
对于非焊接结构，例如在使用螺栓和铆钉的连接和构件中，残余拉应力很小或根本不存在，此时疲劳寿命不仅与应力幅Δζ有关，也与名义应力比ρ有关。为了统一用一种表达式计算，规范引入了折算应力幅的概念。由式(2.5.1)和(2.5.2)，令][max p σσ=有：
][0m i n m a x p k σσσ=-
(2.5.5)
令式(2.5.5)的左侧为折算应力幅，并由试验统计得到k 的近似值为0.7，则
m i n m a x 7.0σσσ-=? (2.5.6)
[Δζ](N/mm 2
20
在计算时，取应力比ρ=0时的容许疲劳强度][0p σ为容许应力幅][σ?，按公式(2.5.4)的形式，反求出参数C 和β。
在这里必须强调指出，由于疲劳问题的复杂性，目前尚没有条件采用以概率理论为基础的极限状态设计法，仍然采用容许应力设计法。进行内力计算时，应采用荷载的标准值。由于确定容许应力幅的试验中自动包括了动力作用，故内力计算中也不再乘以动力系数。
常幅疲劳的统一校核准则为： ][σσ?≤? (2.5.7) 式中：Δζ－对焊接部位为应力幅，Δζ=ζmax -ζmin ；
对非焊接部位为折算应力幅，Δζ=ζmax -0.7ζmin ；
ζmax －计算部位每次应力循环中的最大拉应力（取正值）； ζmin －计算部位每次应力循环中的最小拉应力或压应力（拉应力取正值，压应力取负值）； [Δζ]－常幅疲劳的容许应力幅，单位为N/mm 2，按公式(2.5.4)计算。 公式(2.5.7)同样适用于剪应力的情况。
2.5.3 变幅疲劳
一、变幅疲劳的一般计算方法
实际结构中作用的交变荷载一般不是常幅循环荷载，而是变幅随机荷载，例如吊车梁和桥梁的荷载。显然变幅疲劳的计算比常幅疲劳的计算复杂得多。如果能够预测出结构在使用寿命期间各级应力幅水平所占频次百分比以及预期寿命（总频次）∑i n 所构成的设计应力谱，则可根据Miner 线性累积损伤准则（linear cumulative damage criteria ），将变幅应力幅折算为常幅等效应力幅Δζe ，然后按常幅疲劳进行校核。计算公式为：
][σσ?≤?e (2.5.8) 式中的[Δζ]仍然根据构件或连接的类别，按公式(2.5.4)计算，但式中的n 应以应力循环次数表示的结构预期寿命∑i n 代替。
设某个构件或连接的设计应力谱由若干个不同应力幅水平Δζi 的常幅循环应力组成，各应力幅水平Δζi 所对应的循环次数为n i ，相对的疲劳寿命为N i ，Miner 的线性累积损伤准则为：
1=∑i
i
N n (2.5.9) 上式可这样理解：当某一水平的应力幅Δζi 循环一次时，将引起1/N i 的损伤，n i 次循环后的损伤为n i /N i ；其它应力幅水平的常幅循环应力也有各自的损伤份额，当这些损伤份额之和等于1时，将发生疲劳破坏。
假设构件或连接类别相同的变幅疲劳和常幅疲劳具有相同的疲劳曲线，如图2.5.6所示，该图给出了具有三个应力幅水平的变幅疲劳的例子。与常幅疲劳相同，每一个应力幅水平均可列出与公式(2.5.3)相同的公式： C N i i =?βσ)( 或 β
σ)(i i C N ?= (2.5.10)
钢结构基础知识 钢结构识图基础 (1) 一、施工图基本知识 (3) 1. 制图标准有关规定 (3) 2. 构件名称的代号 (4) 3. 材料代号 (5) 4. 螺栓与球节点 (7) 5. 焊缝及其表示方法 (12) 6. 钢结构的防火和防腐 (14) 二、钢结构节点详图 (17) 1. 节点详图识读 (17) 2. 柱拼接连接详图 (17) 3. 梁拼接连接详图 (19)
4. 绘图练习 (20)
一、施工图基本知识 在建筑钢结构工程设计中，通常将结构施工图的设计分为设计图设计和施工详图设计两个阶段。设计图设计是由设计单位编制完成，施工详图设计是以设计图为依据，由钢结构加工厂深化编制完成，并将其作为钢结构加工与安装的依据。 设计图与施工详图的主要区别是：设计图是根据工艺、建筑和初步设计等要求，经设计和计算编制而成的较高阶段的施工设计图。它的目的和深度以及所包含的内容是作为施工详图编制的依据，它由设计单位编制完成，图纸表达简明，图纸量少。内容一般包括：设计总说明、结构布置图、构件图、节点图和钢材订货表等。施工详图是根据设计图编制的工厂施工和安装详图，也包含少量的连接和构造计算，它是对设计图的进一步深化设计，目的是为制造厂或施工单位提供制造、加工和安装的施工详图，它一般由制造厂或施工单位编制完成，它图纸表示详细，数量多。内容包括：构件安装布置图、构件详图等。本书只介绍钢结构设计图的识读。 1.制图标准有关规定 （1）线型 在结构施工图中图线的宽度b通常为2.0mm、1.4mm、0.7mm、0.5mm、0.35mm，当选定基本线宽度为b时，则粗实线为b、中实线为0.5b、细实线为0.25b。在同一张图纸中，相同比例的各种
钢结构算量入门教程 钢结构是未来发展的方向，土建算量的不会钢结构算量的大有人在，但日后如果再不会，就要谈谈自己的工资是涨不上去了。钢结构一直以来是与土建分开的，后来的劲钢结构及钢组合结构在施工的过程中，都是先有钢结构公司安装再有总包施工砼，如此以来接合也会慢慢的相近，有时候基本上融合在一起，我只能说我会做钢结构的算量，报价谈不上，因为我的经验不足。 1。算量最基本的就是看图纸，土建的人都烦钢构图纸的太乱，其实我也有这种看法，因为平法并没有用在其上面，图样还保留了一前土建制图的原则，所以做为老人看比较习惯（101图集出之前的人），后来像我这样人看钢结构图纸真的看不习惯，不过没有办法，还是要习惯的，我们知道麻烦，但任何事情都有规律的，钢结构的详图结点相当的多，但这些变化真的在算的时候影响相当的小，重要是大的方向把握好，钢结构的结点图也是相当科学的，都和科学受力相对应。有许多是重复或对称等。认真的看都会看出来。对于图纸的特点，我会在下面讲 2。算重量，因为钢结构的算量基本上全是按吨计（板按M2）。钢材+钢材就是钢结构。而钢材多指型钢，对于型钢的分类算量的方法，我也会一一列出。并做出讲解。 3。统计汇总，哈哈，此类应该是不难的，以清单为基本，分类汇总而以了。 识图问路 1。我对钢结构的认识，应该比大家深一些，因为我毕业的时候就进了一家钢结构公司，工作不到两个月，经常的工作就是画一个图纸的钢构件，把这个钢构件看明白了，画出来，他们叫钢结构深化设计（细化方案）做加工所用，说白了，一张钢板怎么加工这样的东东的。我讲的图识别，其它就是03G102上面的东东，大家有机会可以去下载看一下。闲言碎语不多讲，说说吧，钢结构图应该怎么看不头痛。 把握好看图不难的原则，其实很简单，比建筑的施工简单多了，因为他每个部分都有详图，哪里不明白了，就看此图有没有什么详图符号，有就找，其实我看明白的地方不是详图的地方，拿出来与原图一对就明白了，是什么柱，是什么梁就明白了许多。 一. 钢结构 1 钢结构设计制图分为钢结构设计图和钢结构施工详图两阶段。 2 钢结构设计图应由具有设计资质的设计单位完成，设计图的内容和深度应满足编制钢结构施工详图的要求；钢结构施工详图（即加工制作图）一般应由具有钢结构专项设计资质的加工制作单位完成，也可由具有该项资质的其他单位完成。
钢结构入门 1、建筑体系 1-1、门式刚架体系 1-1-1、基本构件图 1-1-2、说明 力学原理 门式刚架结构以柱、梁组成的横向刚架为主受力结构，刚架为平面受力体系。为保证纵向稳定，设置柱间支撑和屋面支撑。 刚架 刚架柱和梁均采用截面H型钢制作，各种荷载通过柱和梁传给基础。 支撑、系杆 刚性支撑采用热轧型钢制作，一般为角钢。柔性支撑为圆钢。系杆为受压圆钢管，与支撑组成受力封闭体系。 屋面檩条、墙梁
一般为C型钢、Z型钢。承受屋面板和墙面板上传递来的力，并将该力传递给柱和梁。1-1-3、门式刚架的基本形式 a.典型门式刚架 b.带吊车的门式刚架 c.带局部二层的门式刚架
1-1-4、基本节点a.柱脚节点 b.梁、柱节点
■局部二层节点参照多层框架体系。1-1-5、刚架衍生形式
■吊车和局部二层可在衍生形式刚架中布置。 ■山墙刚架其本质也是多连跨刚架，不过中间柱与刚架柱比截面旋转了90度。1-2、多层框架体系 1-2-1、框架图示
1-2-2、说明 力学模型 a.纯刚接框架：纵横两个方向均采用刚接的框架。 b.刚接-支撑框架：横向采用刚接，纵向采用铰接，并在纵向设置支撑，以传递水平力。 c.支撑式框架：纵横向均采用铰接，两向均设置支撑传递水平力。 d.有时为保证足够的刚度，在刚接框架中亦设置支撑。 框架柱 框架柱可采用H型截面、箱形截面、十字形截面、圆管形截面等。所有上部结构的力都通过框架柱传递给基础。 框架梁 框架梁一般采用H型截面。楼盖和屋盖上的力通过框架梁传递给框架柱。 支撑 支撑采用一般采用热轧型钢制作，其功能是传递层间水平力和保证结构的刚度。 1-2-3、基本节点 a.柱脚节点 ■柱脚节点同门式刚架体系。 b.柱、梁节点
要验算吊车梁截面，必然要计算吊车梁的内力；要计算吊车梁的内力，必然要研究移动荷载对吊车梁的影响。 吊车梁一般为简支梁，移动荷载的计算相对简单。一般提到吊车梁的移动荷载计算，人们都会说这是影响线的问题，实际从结构力学的角度讲应该是包络线的问题，因为它是考察一根梁的最不利内力，而不是考察梁上某个截面的最不利内力。龙驭球、包世华的《结构力学教程》Ⅰp219 ξ5-8清楚地说明了这个问题。 计算吊车梁最不利内力主要有两种方法－解析法和数值方法。下面来详细探讨这些方法。 一、经典解析方法 《结构力学教程》上的方法应该说是最经典、最有效的方法，推导过程很精妙，它避免了许多繁琐的解析过程，凡是没有看过该方法而又手工推导过的人一定对此有强烈的感受。 《钢结构设计手册》（新版和旧版）也是引用了该方法。《钢结构设计手册》（新版上册）P318-320给出了2、3、4、6轮子在吊车梁上的情形，不过《钢结构设计手册》有个缺陷：所有的轮压都一样，不适用于两台吊车轮压不一样的情况。张其林的《轻型门式刚架》ξ5-2 P194-196的表5-3详细给出了一台或两台四轮吊车的计算公式，非常实用，弥补了《钢结构设计手册》的不足。 二、非经典解析方法 笔者开始没有看到《结构力学教程》上的方法，于是按一般原则推导公式，设左边第一个轮子距离吊车梁端的距离为X，求断面最不利弯距。 假定：① 两台吊车都是四轮吊车，四个轮子都作用在吊车梁上。 ② 两台吊车始终抵在一起（出现最大弯距的必要条件）。 ③ P1 > P2，P1/P2小于一定值，轮压合力在第2、3个轮子之间。 ④ 从左向右，轮压产生的弯距依次为M1、M2、M3、M4。 ⑤ 最大弯距必然出现在第二个轮子下的位置。 ⑥ 弯距包络线的拐点位置是弯距最大点出现的位置 则： MX1 = p1*x*(l-(x+k1))/l MX2 = p1*(l-x-k1)*(x+k1)/l MX3 = p2*(l-x-k1- b1/2 -b2/2 +k1/2 +k2/2)*(x+k1)/l
第X章幕墙计算及幕墙后支撑钢结构的设计目录: 第一节、幕墙计算 一、荷载作用 二、荷载作用效应组合 三、材料的力学性能 四、面材的计算 五、立柱及横梁的计算 六、连接节点的计算 第二节、幕墙后支撑钢结构设计 一、幕墙后支撑钢结构体系分类 二、常用钢材的分类及其力学性能 三、幕墙支撑钢结构的计算 四、焊接节点的设计 五、高强度螺栓连接节点的设计与计算 六、普通螺栓连接节点的设计与计算 七、柱脚节点连接的设计与计算
第六章 幕墙计算及幕墙后支撑钢结构的设计 第一节、幕墙计算 一、荷载作用 1、幕墙所承受荷载的分类 幕墙所承受的荷载随时间的变异分类可分为下列三类: 永久荷载,例如结构的自重、静水压力、预应力等 可变荷载,例如风荷载、屋面活荷载、雪荷载等、施工及检修荷载 偶然荷载,地震作用、爆炸力、撞击力等 2、风荷载标准值的计算: 0ωμμβω???=z S gz K 式中: K ω—风荷载标准值(N/米米2); gz β—阵风系数. S μ—风荷载体形系数. z μ—风压高度变化系数. 0ω—基本风压. 基本风压0ω是根据全国各气象台历年来的最大风速记录,按基本风压的标准要求,将不同风仪高度和时次时距的年最大风速,统一换算为离地10米高,自记10米in 平均年最大风速(米/s).然后根据贝努利公式2 02 1v ρω= 确定基本风压.在《建筑结构荷载规范》附录D 中给出了 全国各个地区的经过换算的基本风压.在幕墙结构的设计中如果无特殊要求,基本风压取50年一遇. 风压高度变化系数z μ主要考虑的是风压随着建筑物高度变化的变化.其主要决定两个因素,一个是建筑物的高度;另外一个就是地面粗糙度类别,目前《建筑结构荷载规范》考虑了 四类地面类别: —A 类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区; —B 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区; —C 类指有密集建筑群的城市市区;
二级建造师经典练习题 1.适用于各类材质和形状的的燃气管道修复技术是()。 A.裂管法 B.短管内衬法 C.均匀缩径 D.原位固化法 【答案】D 【解析】原位固化法即翻转内衬法，主要特点有： 定点开挖量小，无污染，对周边环境影响小;施工设备简单，周期短;施工不受季节影响;适用各类材质和形状的管线;可提高管线的整体性能的特点。 2.生活垃圾填埋场应设在当地()季主导方向的下风处。 A.春 B.夏 C.秋 D.冬 【答案】B 3.下列关于GCL垫施工质量控制要点说法正确的是()。 A.施工前均对基底进行修整和检验 B.GCL垫摊铺搭接宽度控制在250±50mm范围内， 搭接处均匀撒膨润土粉，将两层垫间密封 C.GCL垫应无褶皱、无悬空现象，与基础层贴实
D.基底应顺设计坡向铺设GCL垫，采用十字或品形 的上压下的搭接方式 E.GCL垫需当日铺设当日覆盖，避免雨雪天气施工，必要时采取覆盖防护措施 【答案】ABCE 4.关于生活垃圾卫生填埋场HDPE膜的施工要求，正确时有()。 A.铺设应一次展开到位 B.应为膜尺寸变化留出伸缩量 C.应对膜下保护层采取防、排水措施 D.应防止膜受风力影响破坏 E.膜应全部展开后统一焊接 【答案】ABCD 5.关于燃气管道施工的说法，错误的有()。 A.燃气管道不得采用水平定向钻法施工 B.穿越铁路的燃气管道外应加套管 C.中压B燃气管道可利用道路桥梁跨越河流 D.燃气管道随桥敷设时，应采用较高的防腐等级 E.敷设于桥梁上的燃气管道当采用厚壁管时，可适当降低焊缝的探伤 【答案】AE 【解析】燃气管道是可以采用水平定向钻法施工的，故A选项错误。敷设于桥梁上的燃气管道应采用加厚的 无缝钢管或焊接钢管，尽量减少焊缝，对焊缝进行100% 无损探伤，而非可适当降低焊缝的探伤，故E选项错误。
一：钢结构厂房地下基础部分施工步骤： 1、测量放线—基础开挖—垫层浇筑—基础及柱钢筋绑扎—基础模板封模—基础底部砼浇筑—埋件放置—位置校核调整—焊接固定—柱模板封模—柱砼浇筑—土方回填。 2、测量放线主要设备为:经纬仪、全站仪及其水平仪。 1、首先两排基础轴线上靠最外测基础中心延伸2m处做4个点，另外在厂房中轴线与最外侧2个基础中心连线交叉出做2个控制点，作为高程及坐标永久控制点。 用全站仪在厂房中轴线和2排基础轴线外侧2m处打木桩共3排，木桩中心用小钉子确定中心，再在2排基础轴线上打若干木桩。然后挂施工线，这样每个基础中心点可以确定。 2、基础开挖：在两排基础轴线外侧2m木桩上挂施工线，然后在用全站仪打出基础中心位置，这样可按基础图放出基础线，基础线按照图纸扩大50CM撒白灰线，用人工配合挖机开挖，最后10cm采取人工清底，余土放在2m挂线桩外面，以免影响后续预埋挂线。 3、垫层浇筑：砼浇筑前，把垫层底部清理干净，砼浇筑采用人工摊平、平板振捣，水准仪控制高程。 4、基础及柱钢筋绑扎、基础封模、底部砼浇筑、基础钢筋绑扎时先用木桩挂线，钢筋绑扎前先用铅锤确定轴线位置，然后弹出位置线，以确保钢筋绑扎位置的准确。柱子插筋应安放准确。然后支立基础侧模，浇筑砼采用2次浇筑，第一次先浇筑至基础底部20cm处。其2次浇筑主要作用是为了固定柱子立筋，防止安放预埋螺栓时出现
移动。 5、埋件放置、位置调整、焊接固定柱钢筋绑扎完成，对柱钢筋笼进行位置及垂直度的校正后，进行埋件安装，埋件施工要在柱子模板封模前进行预埋，埋件由4根长度为1.3m的M12螺栓组成，总重量达12公斤左右，由于重量大及要求精度高，安装较为困难。为了保证整体的精度，采用了现将螺栓整体焊接起来再焊接到柱钢筋的方法。 6、柱模板封模、柱砼浇筑、埋件固定好即可进行柱模板封模，然后浇筑柱砼。在砼浇筑前，要对螺栓的丝扣位置加以保护，防止砼污染。浇筑砼过程中，随时检查螺栓的位置，如果位置移动，及时调整回原位。浇筑砼后，再放置基础预埋钢板，要求调整标高后二次灌浆。 7、土方回填：土方回填采用人工夯填，回填前应讲基坑、基槽内的垃圾清理干净，分层夯实，每层厚度25-30cm。 二：钢结构厂房地上部分施工步骤： 1、钢柱、钢梁的吊装—系杆及支撑安装—屋面、墙面檩条、隅撑安装—屋面、前面板安装---墙体安装—装饰工程。 2、钢柱、梁的吊装，系杆及支撑安装： 1.钢柱吊装：安装施工图，从第一跨的钢柱开始依次安装校正，第一排和第二排钢柱安装完成后，立即安装柱间支撑进行校正固定，使其形成空间稳固单元后，再依次向二侧延伸。钢构件吊装时要采用有效措施防止钢构失稳变形，钢构件吊装采用16吨汽车吊进行，确
在大三的第一学期我们在老师的带领下学习了钢结构这门课,虽然只有短短的的六周时间,但我们也掌握了许多重要知识,对钢结构的特点,强度、稳定等验算、连接方式等都有了进一步的了解与掌握。学习的过程中不仅学习了新的知识概念,更多的还就是掌握的新的解题方法,形成了新的解题思想。了解了钢结构的一些基本知识,这对我们今后的专业入门有极大的帮助。 一、钢结构的概述 由型钢与钢板连接成基本构件,然后运至现场组装成整体结构形式,称为钢结构。 1 钢结构特点 材料的强度高,塑性与韧性好;钢结构构件断面小、自重轻;钢结构制作简便,加工周期短;钢结构材质性能均匀,易于检测与控制,可靠性高;钢结构建筑易于改造,原料可重复使用,节省资源,环保资源;钢结构建筑可以实现大跨度、大空间结构;耐腐蚀性能差,涂料维护费用高;钢材耐热但不耐火。 2钢结构的合理应用范围 ①大跨度结构;②重型厂房结构;③受动力荷载影响的结构;④可拆卸的结构; ⑤高耸结构与高层建筑;⑥容器与其她构筑物;⑦轻型钢结构。 3建筑钢结构的结构形式 单层钢结构(重型钢结构)工业厂房;大型空间(大跨度)钢结构;高层钢结构;高耸结构;桥梁钢结构;轻钢结构;住宅钢结构;容器与其它构筑物。 4钢结构的极限状态 《钢结构设计规范》除疲劳计算外,采用以概率理论为基础的极限状态设计方法,用分项系数的设计表达式进行计算。当结构或其组成部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时,此特定状态就称为该功能的极限状态。 (1)承载能力极限状态:包括构件与连接的强度破坏、疲劳破坏与因过度变形而不适于继续承载,结构与构件丧失稳定,结构转变为机动体系与结构倾覆。 (2)正常使用极限状态:包括影响结构、构件与非结构构件正常使用或外观的变形,影响正常使用的振动,影响正常使用或耐久性能的局部损坏。 二、钢结构的材料 1 对钢结构用钢的基本要求: (1)较高的抗拉强度,与屈服点; (2)较高的塑性与韧性; (3)良好的工艺性能; (4)根据具体工作条件,有时还要求钢材具有适应低温、高温与腐蚀性环境的能力。
钢结构识图基础 一、施工图基本知识 在建筑钢结构工程设计中，通常将结构施工图的设计分为设计图设和施工详图设计两个阶段。设计图设计是由设计单位编制完成，施工详图设计是以设计图为依据，由钢结构加工厂深化编制完成，并将其作为钢结构加工与安装的依据。 设计图与施工详图的主要区别是： 设计图是根据工艺、建筑和初步设计等要求，经设计和计算编制而成的较高阶段的施工设计图。它的目的和深度以及所包含的内容是作为施工详图编制的依据，它由设计单位编制完成，图纸表达简明，图纸量少。内容一般包括：设计总说明、结构布置图、构件图、节点图和钢材订货表等。施工详图是根据设计图编制的工厂施工和安装详图，也包含少量的连接和构造计算，它是对设计图的进一步深化设计，目的是为制造厂或施工单位提供制造、加工和安装的施工详图，它一般由制造厂或施工单位编制完成，它图纸表示详细，数量多。内容包括：构件安装布置图、构件详图等。1．制图标准有关规定 （1）线型 在结构施工图中图线的宽度b通常为2．Omm、1．4mm、O．7mm、O．5mm、O．35mm，当选定基本线宽度为b时，则粗实线为b、中实线为O．5b、细实线为O．25b。 在同一张图纸中，相同比例的各种图样，通常选用相同的线宽组。各种线型及线宽所表示的内容如表
（2）构件名称的代号
二、剖面符号和断面符号 1. 断面符号 表示从符号处剖开看到的断面，不表示断面后方的其他东西； 2. 剖面符号 表示从符号处剖开看到的断面及断面后方的其他东西； 3.在钢构详图中，断面符号和剖面符号使用上有些随意，是因为功能上比较接 近，着重表达的是看物体的方向。 看物的方向是从粗线朝文字的方向看。粗线表示人的眼睛，文字表示看的朝向。 三、索引符号及节点符号 1. 不带剖视方向的索引 左边为索引，右边为对应的节点，表示将圈画中的部分放大绘制细节。中的字母a表示参看节点，底下的“—”表示“在本图中”，如果节点详图不在本图中，就写对应的图纸编号，比如“详图-09”或“09”等。 有时也直接索引出来后直接放大，不用到节点符号，如下图：
钢结构构件的截面通常采用组合构件，涉及到横截面受力性能与板件的宽厚比，高厚比的关系，以及杆件整体受力性能与长细比的关系，在《钢结构设计标准》GB 50017-2017，《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB 51022-2015， 《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99-2015四本规范规程中有不同侧重的要求。下面具体 对比谈一谈。 首先，常见的钢结构建筑物、构筑物，从主要建筑功能、体型、荷载、作用区分有： 1轻型钢结构单层厂房（门式刚架轻型钢结构厂房和其他形式的轻型钢结构厂房） 2单层钢结构厂房（单层重屋盖和单层轻屋盖） 3单层钢结构厂房（多层但总高度小于40m，按单层钢结构厂房设计） 4多层钢结构厂房（多层轻屋盖但总高度小于40m，按单层钢结构厂房设计，屋面按门式刚 架设计） 5多层钢结构厂房（多层但总高度大于40m，按多高层钢结构房屋设计） 6多层钢结构房屋 7高层民用建筑钢结构 四本规范主要设计原则如下： 1、《钢结构设计标准》GB 50017-2017： 标准不涉及体系抗震的一些构件设计，执行板件S4级，即俗称的普通钢结构的构件宽厚比 最低设计标准，属于截面边缘纤维弹性设计。涉及塑性铰开展的塑性调幅设计及抗震性能化 设计，是标准截面分类等级的主要使用场合。但目前性能设计牵涉到构件塑性耗能区承载性 能等级的描述笼统，以及性能参考等级的范围跨度较大，准确操作工作量较大，不确定性较大，因此性能设计的方法不太方便使用。对于一般规模体量一般重要性的钢结构建筑，按照 抗震规范的相关章节，针对前述不同结构体系的具体要求，设计显得依据清晰，工作效率高。 2、《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010： 8．1．3钢结构房屋应根据设防分类、烈度和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应 的计算和构造措施要求。丙类建筑的抗震等级应按表8．1．3确定。 2一般情况，构件的抗震等级应与结构相同；当某个部位各构件的承载力均满足2倍地震作 用组合下的内力要求时，7～9度的构件抗震等级应允许按降低一度确定。 表8.3.1抗震等级最低是四级，比四级低的用斜线注明，那么斜线的含义可以解释为：无抗震等级，对应PKPM的抗震等级定义，为五级非抗震。即执行钢标S4截面，截面翼缘边缘纤 维弹性。那么对于附注2的运用，通过两倍地震力计算满足，从而降低抗震等级，以适应钢 结构容易实现高承载力低延性的特性，从而降低因构造措施造成的用钢量。 钢标截面宽厚比等级S3，属于弹塑性截面的低塑性发展截面，对比抗规的抗震等级确定的梁翼缘截面宽厚比，发现钢标的S3，S4，S5尚未达到抗震等级4级的严格程度，只有S1、S2 截面达到抗震等级4级以上的严格等级。S1、S2是全截面塑性。从抗震三水准角度讲，抗震 规范的梁截面宽厚比等级限值，实际上是充分发挥截面塑性耗能及全截面塑性承载力，籍此 来提高大震下结构的抗震性能。 9.2.1单层的轻型钢结构厂房的抗震设计应符合专门的规定---门式刚架规范的要求。 9.2.14厂房框架柱、梁的板件宽厚比，应符合下列要求： 1重屋盖厂房，板件宽厚比限值可按本规范第8.3.2条的规定采用，7、8、9度的抗震等级可 分别按四、三、二级采用。
钢结构加工制作流程 （1）钢材力学指标：结构用钢的力学指标包括屈服点、抗拉强度、延伸率、低温冲击韧性。这些指标应 符合《钢结构设计规范》的要求，但其中低温冲击韧性仅在结构可能处于低温环境下工作时才要检验。钢 材力学指标的测定须符合《钢材力学及工艺性能试验取样规定》（GB2975-82） （2）钢材化学成分：与钢材的可加工性、韧性、耐久性等有关。其中主要是碳的含量，合金元素的含量 及硫、磷等杂质元素的限制含量应符合规范（GB222-84）要求。 （3）工艺性能：工艺性能主要包括可焊性和加工性能。可焊性与含碳量或碳当量（低合金钢）有关，可 用可焊性试验鉴定。加工性能则通过冷弯试验来确定。按（GB232-88）为标准。 （4）几何尺寸偏差：钢材（钢板、型钢、圆钢、钢管）的外形尺寸与理论尺寸的偏差必须在允许范围内 。允许偏差值可参考国家标准GB709-88、GB706-88、GB787-88、GB978-88，GB707-88、GB816-87等。 （5）钢材外形缺陷：钢材表面不得有气泡、结疤、拉裂、裂纹、褶皱、夹杂和压入的氧化铁皮。这些缺 陷必须清除，清除后该处的凹陷深度不得大于钢材厚度负偏差值。另外，当钢材表面有锈蚀、麻点或划痕 等缺陷时，其深度不得大于该钢材厚度负偏差值的1/2。 （6）机械切割：使用机械力（剪切、锯割、磨削）切割，相应的机械有剪板机、锯床、砂轮机等，较适 合于厚度在12～16mm以下钢板或型材的直线性切割。 （7）气割：使用氧-乙炔、丙烷、液化石油气等火焰加热融化金属，并用压缩空气吹去融蚀的金属液， 从而使金属割离，适合于曲线切割和多头切割。）
（8）等离子切割：利用等离子弧线流实现切割，适用于不锈钢等高熔点材料的切割。 （9）热成形加工：是指将钢材加热到一定温度后再进行加工。这种方法适于成形、弯曲和矫正在常温下 不能做的工件。热加工终止温度不得低于700℃。加热温度在200～300℃时钢材产生蓝脆，严禁锤打和弯 曲。含碳量超出低碳钢范围的钢材一般不能进行热加工。 （10）冷成形加工：是在常温下进行的。由于外力超出材料的屈服强度而使材料产生要求的永久变形，或 由于外力超出了材料的极限强度而使材料的某些部分按要求与材料脱离。冷加工都有使材料变硬变脆的趋 势，因而可通过热处理使钢材恢复正常状态或刨削掉硬化较严重的边缘部分。环境温度低于-16℃时不得 冷加工碳素钢。低于-12℃时，不得加工低合金钢。 （11）弯曲加工：根据设计要求，利用加工设备和一定的工装模具把板材或型钢弯制成一定形状的工艺方 法。冷弯适合于薄板、小型钢；热弯适合于较厚的板及较复杂的构件、型钢，热弯温度在950～1100℃。 （12）卷板加工：在外力作用下使平钢板的外层纤维伸长，内层纤维缩短而产生弯曲变形的方法。卷板由 卷板机完成。根据材料温度的不同，又分为冷卷和热卷。卷板主要用于焊接圆管柱、管道、气包等。 （13）折边：把钢结构构件的边缘压弯成一定角度或一定形状的工艺过程称为折边。折边一般用于薄板构 件。折边常用折边机，配合适当的模具进行。 （14）模压：模压是在压力设备上利用模具使钢材成型的一种方法。具体作法有落料成形、冲切成形、压 弯、卷圆、拉伸、压延等。 （15）铲边：铲边是通过对铲头的锤击作用而铲除金属的边缘多余部分而形成坡口。
三维cad钢结构教程 录制：霖坊3d工作室 三维cad实用视频教程,是提高设计者技术量身录制,是一套非常实用技术指导教程,如今在工程设计行业森林里,想要占有一席之地,必需要有高超狩猎技巧,我们录制的教程,现已有非常好的评价,也造就许多cad三维绘图高手,一技傍身,受用无穷。 我们提供了教程内容片段下载,可以参考里面教学内容, 三维CAD视频教程一套九个阶段20小时左右（4张DVD光盘）； 在学习过程中碰到的问题,在线为大家解答。 Cad二维平面与三维实体优缺点比较
教程片段下载>> 三维指令第一节：主要讲解一些常用三维指令的用法方式，其中包括UCS、指令、实体建模指令、实体编辑指令、三维运动指令（旋转、镜像、着色指令.....等等）
教程片段下载>> 空间概念 第二节：本章主要讲解UCS指令对于在三维空间里的运用，对于X、Y、Z的方向感，在三维空间，主要运用UCS来操作、控制所 有三维指令。由而达到我们所需要的绘图结果。用了3个实例来操作及讲解，里面由直线建模、半球体建模规则性 椭圆体建模。是学习三维绘图必须具备的概念。初学者必学招数,在无止境的三维空间里面以线条方式了解CS,增强 你对三维空间概念,是很重要的一步。
教程片段下载>> 实体框架 第三节：这一章开始介绍实体实例做法，如何用指令绘制土建实体，与现实尺寸一模一样，因而达到钢结构基本所需基础尺寸，而能开始绘制钢结构设计。用了一个实例，一步一步介绍如何用三维指令做出整个土建框架结构，完成在 做所有钢结构设计之前所需的第一步绘图。
教程片段下载>> 厂房轻钢 第四节：开始介绍厂房制图方式，如何绘制H型钢、钢板、螺丝、螺母、打孔、裁切、并集、差集、镜像...等等，一步一步操作，一步一步组合成一间厂房。用三维指令简单操作介绍，这一阶段结合了前三阶段所有指令的运用
一、填空题（15分） 1、钢材Q235和Q345相比， 钢的含碳量较高。（Q345） 2、钢材有两种破坏形式，分别为 和 。 3、复杂应力状态下钢材发生屈曲的条件是 。（折算应力等于屈服点） 4、钢材处于同号应力状态下容易产生 破坏。（脆性） 5、实腹式偏心受压构件的整体稳定，包括 的稳定和 的稳定。 6、拉弯和压弯构件的破坏形式分为 、 、 。(强度破坏,整体失稳,局部失稳) 7、一两跨连续梁，在外荷载作用下，截面上A 点应力为σ1 =120N/mm2，σ2 = -80 N/mm2 ，B 点的应力σ1 = -20N/mm2 ，σ2 = -120N/mm2，则A 点的应力比ρ= ，应力幅Δσ = ；B 点的应力比ρ= ，应力幅Δσ = 。 8、高强螺栓群承受偏心拉力作用 ，连接的旋转中心应在 。（螺栓群形心） 二、选择题 1、可靠度指标β愈大，失效概率P f ( B ) A.愈大 B.愈小 C.不变 D.无规则变化 2、钢材所含化学成分中，需严格控制含量的有害元素为( C ) A.碳、锰 B.钒、锰 C.硫、氮、氧 D.铁、硅 3、对于普通螺栓连接，限制端距e ≥2d0的目的是为了避免( D ) A.螺栓杆受剪破坏 B.螺栓杆受弯破坏 C.板件受挤压破坏 D.板件端部冲剪破坏 4、钢材的伸长率 用来反映材料的（ C ）。 A.承载能力 B.弹性变形能力 C.塑性变形能力 D.抗冲击荷载能力 5、梁的整体失稳属于第一类稳定问题，其失稳形式为（ C ）。 A.弯曲失稳 B.扭转失稳 C.弯扭失稳 D.局部失稳 6、钢结构对动力荷载的适应性较强，这主要是由于钢材具有：(B ) （A ）良好的塑性； （B ）良好的韧性； （C ）均匀的内部组织； （D ）良好的塑性和均匀的内部组织。 7、把钢材视为理想弹塑性，是根据： ( D ) （A ）y f 以前视为弹性，y f 以后视为弹塑性； （B ）y f 以前视为弹性，y f 以后视为弹性； （C ）y f 之前近于理想弹性，y f 之后视为塑性； （D ）y f 之前钢材近于理想弹性，y f 之后塑性应变范围大而应力保持不变近于理想塑性。 8、轴心受压构件的整体稳定系数φ与什么因素有关？(B ) （A ）构件截面类别、构件两端连接构造、长细比； （B ）构件截面类别、钢材钢号、长细比； （C ）构件截面类别、构件计算长度系数、长细比；
第七章 拉（压）弯构件 一、选择题 （ ）1、实腹式偏心压杆在弯矩作用平面外的整体稳定计算公式f W M A N x b x tx y ≤+1?β?中，应取 x W 1。 A 、弯矩作用平面内最大受压纤维的毛截面抵抗矩； B 、弯矩作用平面内最大受拉纤维的毛截面抵抗矩； C 、弯矩作用平面外最大受压纤维的毛截面抵抗矩； D 、弯矩作用平面内最大受压纤维的净截面抵抗矩。 （ ）2、偏心受压构件计算公式中塑性发展系数x γ、y γ只与 有关。 A 、回转半径； B 、长细比； C 、截面形式； D 、荷载性质。 （ ）3、偏心压杆在弯矩作用平面内的整体稳定计算公式f N N W M A N EX x x x mx x ≤′?+)/8.01(1γβ?中，W 1x 代表 A 、受压较大纤维的毛截面抵抗矩 B 、受压较小纤维的毛截面抵抗矩 C 、受压较大纤维的净截面抵抗矩 D 、受压较小纤维的净截面抵抗矩 （ ）4、双轴对称焊接组合工字形截面偏心受压柱，偏心荷载作用在腹板平面内。若两个方向支撑情况相同，可能发生的失稳形式为 。 A 、在弯矩作用平面内的弯曲失稳 B 、在弯矩作用平面外的弯扭失稳 C 、在弯矩作用平面外的弯曲失稳 D 、在弯矩作用平面内的弯曲失稳或弯矩作用平面外的弯扭失稳 （ ）5、截面为两型钢组成的格构式钢柱，当偏心在虚轴上时，强度计算公式中的塑性发展系数γ取 。 A 、大于1，与实腹式截面一样 B 、大于1，但小于实腹式截面的塑性发展系数 C 、等于1，因为不允许发展塑性 D 、等于1，这是偏于安全考虑 （ ）6、当偏心荷载作用在实轴时，格构柱的平面外稳定是通过 来保证的。 A 、计算柱平面外稳定； B 、计算单肢稳定； C 、柱本身的构造要求； D 、选定足够大的单肢间距 （ ）7、为满足局部稳定的要求，工字形压弯构件腹板的高厚比必须不超过某一限值，该限值与下列哪些因素无关： Ⅰ.腹板计算高度边缘的应力；Ⅱ.钢材强度设计值；Ⅲ.构件两个方向的最大长细比；Ⅳ.构件在弯矩作用平面内的长细比。 A 、Ⅰ、Ⅱ； B 、Ⅱ、Ⅲ； C 、Ⅰ、Ⅳ； D 、Ⅱ、Ⅳ （ ）8、图示柱与腿的连接，经计算发现柱腹板的局部应力不满足要求，为此应采取的合理措施为 。 A 、加厚柱腹板； B 、加厚牛腿翼缘； C 、在柱腹板上的牛腿中央位置设加劲肋； D 、在柱腹板上的牛腿翼缘位置设加劲肋。 二、填空题 1、压弯构件在其弯矩作用平面内的失稳形式是 屈曲，在平面外失稳形式是 屈曲。 2、拉弯或压弯构件强度计算公式是f W M A N nx x x n ≤+=γσ，当构件承受动荷载时，x γ必须取1，其原因是 。 3、压弯构件在弯矩作用平面内的整体失稳属于第 类稳定问题，在弯矩作用平面外的整体失稳属于第 类稳定问题。 三、是非题 （ ）1、单轴对称截面的压弯构件，当弯矩作用在对称轴平面内且使较大翼缘受压，构件有可能会在受拉区首先屈服而导致构件失去承载能力。 （ ）2、中和轴附近的截面积所占比例愈大，塑性发展系数也就大。所以矩形截面比工字型截面的塑性发展系数大。 （ ）3、格构式压弯构件，当弯矩绕实轴作用时，不必验算平面外的整体稳定，但需验算单肢稳定。
钢结构设计入门及简易方法 【摘要】 给大家推荐一个用于钢结构设计的资料。虽说不是大师的杰作，却不逊于大师的文章。大师的作品对于具有一定专业水平的人是很有用途的，而对 于初学者却过于高深莫测。该资料特别适合刚从事钢结构设计的人员。 【关键词】 钢结构适用范围及选型、钢结构设计简单步骤和设计思路 一、钢结构适用范围及选型 1.钢结构适用的范围 钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。直观的说：超高层建筑、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、工业厂房和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。 请参考相关专业书籍。由于结构选型涉及广泛，做结构选型及布置应该根据工程的具体要求来进行。 2.钢结构的选型 在钢结构设计的整个过程中，都应该被强调的是"概念设计"，它在结构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。 钢结构通常有框架、平面（木行）架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。其理论与技术大都成熟。亦有部分难题没有解决，或没有简单实用的设计方法，比如网壳的稳定等。 结构选型时，应考虑它们不同的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落（切线50度内需考虑雪载），如采用三心圆网壳。总雪载释放近一半。降雨量大的地区相似考虑。建筑允许时，在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中，常采用钢混凝土组合结构，在地震烈度高或很不规则的高层中，不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。宜选择周边巨型SRC柱，核心为支撑框架的结构体系。我国半数以上的此类高层为前者。对抗震不利。 结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质等综合考虑。一般的说要刚度均匀。力学模型清晰。尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础。柱间抗侧支撑的分布应均匀。其形心要尽量靠近侧向力（风震）的作用线。否则应考虑结构的扭转。结构的抗侧应有多道防线。比如有支撑框架结构，柱子至少应能单独承受1/4的总水平力。 框架结构的楼层平面次梁的布置，有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减小截面沿短向布置次梁，但是这会使主梁截面加大，减少了楼层净高，顶层边柱也有时会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。 3.钢结构构件的截面选取 结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。
钢结构的八大基础知识！ 一、钢结构的特点 1 钢结构自重较轻 2 钢结构工作的可靠性较高 3 钢材的抗振（震）性、抗冲击性好 4 钢结构制造的工业化程度较高 5 钢结构可以准确快速地装配 6 容易做成密封结构 7 钢结构易腐蚀 8 钢结构耐火性差 二、常用钢结构用钢的牌号及性能
1 炭素结构钢：Q195、Q215、Q235等 2 低合金高强度结构钢 3 优质碳素结构钢及合金结构钢 4 专门用途钢 三、钢结构的材料选用原则 钢结构的材料选用原则是保证承重结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素综合考虑的。
《钢结构设计规范》GB50017-2003提出的四种钢材型号是“宜”使用的型号，是在条件许可时的首先选择，并不禁止其它型号的使用，只要使用的钢材满足规范的要求即可。 四、主要钢结构技术内容 高层钢结构技术 根据建筑高度和设计要求分别采用框架、框架支撑、筒体和巨型框架结构，其构件可采用钢、劲性钢筋混凝土或钢管混凝土。钢构件质轻延性好，可采用焊接型钢或轧制型钢，适用于超高建层建筑；劲性钢筋混凝土构件刚度大，防火
性能好，适用于中高层建筑或底部结构；钢管混凝土施工简便，仅用于柱结构。 空间钢结构技术 空间钢结构自重轻、刚度大、造型美观，施工速度快。以钢管为杆件的球节点平板网架、多层变截面网架及网壳等是我国空间钢结构用量最大的结构型式。具有空间刚度大，用钢量低的优点，在设计、施工和检验规程，并可提供完备的CAD。除网架结构外，空间结构尚有大跨悬索结构、索膜结构等。 轻钢结构技术 伴随着轻型彩色钢板制成墙体和屋面围护结构组成的新结构形式。由5mm以上钢板焊接或轧制的大断面薄壁H型钢墙梁和屋面檩条，圆钢制成柔性支持系统和高强螺栓连接构成的轻钢结构体系，柱距可从6m到9m，跨度可达30m或更大，高度可达十几米，并可设轻型吊四。用钢量20～30kg/m2。现已有标准化的设计程序和专业化生产企业，产品质量好，安装速度快，重量轻，投资少，施工不受季节限制，适用于各种轻型工业厂房。 钢混凝土组合结构技术 以型钢或钢管理与混凝土构件组成的梁、柱承重结构为钢混组合结构，近年来应用范围日益扩大。组合结构兼有钢与混凝土两者的优点，整体强度大、刚性好、抗震性能良好，当采用外包混凝土构造时，更具有良好的耐火和耐腐蚀性能。组合结构构件一般可降低用钢量15～20％。组合楼盖及钢管混凝土构件，还具有
*****钢结构软件应用培训手稿 **** 一、门式刚架设计部分 1、平面刚架设计： 1.1、截面的分类和定义：注意定义截面类型，是轧制边还是焰切 边。 1.2、抗风柱可以兼做摇摆柱输入；可以在框架输入时输入抗风柱， 并考虑抗风柱平面外的风荷载（但不能考虑墙面荷载偏心带 来的平面外弯矩）。抗风柱和框架可以兼做摇摆柱或者仅做抗 风柱（内力图不一样），可以修改抗风柱平面外（在框架平面） 计算长度（加系杆或者隅撑）并生产施工图和相应节点图。 1.3、框架恒载输入必须输入吊车梁系统给柱带来的偏心力。 1.4、吊车参数：偏心指吊车梁中心相对钢柱中心的距离；加载高 度为“吊车梁高+轨道高+垫板等厚度”。注意：采用框架优化 计算并读入时，要查看钢柱截面高度是否变大，因为可能导 致荷载偏心值的变化。然后再截面导入。 1.5、吊车梁计算书中的Rmax,Rmin,Tmax不包括吊车梁重的影响， Tmax已经为钢柱节点所有水平力之和（包括左右轮轨）。 1.6、构件自重放大系数：考虑的是钢结构计算截面外的附着物（如 焊缝、油漆、防火涂料、节点板等导致的自重增加部分）。 1.7、净截面和毛截面的比值：考虑螺栓孔等削弱，当所有连接全 部采用节点板连接或者局部加强时，可以取1.0。
1.8、活载不利布置对框架计算结果的影响： A、对单跨影响不大，挠度不变； B、对双跨中柱刚接：中柱影响最大，与中柱刚接的梁次之，边 柱再次之，挠度变化比较大； C、对多跨中柱铰接：中柱影响最小，边柱次之，梁和挠度以及 水平位移变化比较大。 1.9、独立基础设计输入：考虑常规基础设计，能计入基础梁传来 的墙荷载和偏心（注意是设计值，否则结果偏差比较大）。1.10、附加重的定义和输入：比如吊车梁的偏心集中力；砖墙维 护（和钢柱有效拉结）带来的水平地震力增大（计入质点上下各一半），并有提示是否参加水平地震力计算。 1.11、构件验算规范的选择：对单层钢结构厂房框架计算输出的 平面内外计算长度系数有误（按框架梁柱刚度比确定），按门式刚架输出图正确；所以出计算书要修改。另外，《普钢》对变截面钢梁没有计算方法，可以按《门规》计算，但控制指标要按普钢要求（宽厚比、长细比、挠度、柱顶位移）。 1.12、平面外的计算长度：原则为侧向有效支撑点的距离。屋面 檩条如果和屋面板在沿檩条方向有效连接，檩条可以作为屋面梁的上翼缘侧向支撑（长圆孔不宜过大）。隅撑可以作为屋面梁的下翼缘侧向支撑，隅撑布置决定因素：A、弯矩包络图。 特别是风荷载作用弯矩图；B、结构模型。特别注意多跨铰接中柱，并且跨度大、风载大时跨中风载弯矩图，决定跨中隅
首先，应该学好力学知识，尤其是材料力学和结构力学！ 其次，学习好钢结构的基本原理，这类的书很多，建议先学本科用的教材然后学习研究生用教材！（陈骥编的较经典） 最后，学习好钢结构的稳定原理，因为钢结构的强度不是核心，稳定才是重中之重！ 当然在学习过程中，相互的交流和学习是十分重要的手段，吸取百家之长才能让自己越来越好！ 材料力学较经典的是西安交大编的（分上、下册）;《结构力学》,龙驭求编的较为经典. 钢结构的基本原理方面的书较多,建议先看《钢结构基本原理》,同济大学沈祖炎老先生编的;然后看陈邵藩老先生编的.(因为陈邵藩老先生编的偏向于理论,较为难懂点) 钢结构的稳定,建议先看《钢结构稳定性原理》,西安建大永毓栋编的,西安交大出版社出版!然后看陈冀编的. 钢结构最最主要的是要学好材料力学，理论力学是基础，至于结构力学，当然力法，位移法弄明白就好了。pkpm你得先学会pmcad吧，用这个建模，然后set-8和setwe用明白也就行了。。这就是初学该会的了。要深学的话还是挺难的 你要先学会看图！大致了解材料力学、结构力学、土力学等。 学习下钢结构教材 买本工民建专业的毕业设计指南，学习下里面的设计过程。还有沈祖炎的《钢结构基本原理（第二版）》陈绍蕃的《钢结构（上册）—钢结构基础（第二版）》 同时平时多看制图规范、设计规范、施工规范、验收规范。 这不是一朝一夕就能掌握的，需要一定的经验积累！学习过程是枯燥无味的，楼主首先需要建立起对这个行业的兴趣，方能度过平淡的学习期！前途是无限光明的，道路永远是弯曲的。祝楼主成功！ 要先学学理论力学、材料力学、结构力学，钢结构设计原理教材、刚机构设计手册、钢结构规范等，才能看得懂，可以到大学旁边的书店买人的旧书，这样便宜点，可以在网上下载些课的视频。
第四章门式刚架 第一节结构体系 门式刚架是二战期间迅速发展起来的，由相互依存的构件组成统一体，即由梁、柱、檩条、墙梁支撑和金属波形板材设计成协同工作的金属预制装配的建筑体系。战后被广泛采用，我国六十年代中期开始推广，并在援外工程中使用，取得良好的国际赞同。由于十年动乱终止了这种建筑体系的发展，改革开放以来，特别是民营企业的蓬勃发展，门式刚架结构体系据不完全统计已建了800万m2，而且每年以100万m2的速度递增。 这种结构体系设计经济，安装快捷，造价低廉，装卸方便，维护费用低，单一供货，为业主认可。 我们萧山成为钢结构之乡，竞争十分激烈，萧山的钢结构应由价位的竞争逐步转向价值的竞争，就是创造精品钢结构，扩展使用范围，建造独具建筑风格的金属建筑体系，使钢结构应与时俱进，演变及发展是同时进行的。 一、结构概念设计 1.三维设计(方案阶段)——（详见附图三十四） 假定是整体性，并具有总体性能。将结构形式作为总体分析。 1)建筑功能是否满足使用要求； 2)高度、跨度是否合理，是否经济； 3)在垂直和水平荷载作用下，是否安全可靠； 4)房屋的安全等级，抗震等级。 2.二维设计——（详见附图三十五） 确定基本的水平和竖向分体系。 建立关键构件的相互关系。 3.一维设计(平面、立体—施工图阶段)——（详见附图三十六） 1)选择一个合理的结构体系，使传力途径明确合理。 2)选择合理的计算方法，同时采取相应的构造措施，保证计算模型(建模)与实际情况符合。 3)增加结构刚度，减少用钢量，且有很好的经济技术指标。 4)工厂化生产，全预制装配。 第二节门式刚架的分类 一、实腹式门式刚架——（详见附图三十七） 采用H型钢组成的梁柱构件的截面形状，按结构受力的弯矩包络图来确定，使实腹式