《2019年二筑建筑結(jié)構(gòu)與建筑設(shè)備精講班第27講第三章第四節(jié)鋼結(jié)構(gòu)（一）.pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019年二筑建筑結(jié)構(gòu)與建筑設(shè)備精講班第27講第三章第四節(jié)鋼結(jié)構(gòu)（一）.pdf（6頁珍藏版）》請在匯文網(wǎng)上搜索。

1、1頁頁/共 6頁頁第四節(jié)鋼結(jié)構(gòu)第四節(jié)鋼結(jié)構(gòu)一、鋼結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用范圍鋼結(jié)構(gòu)通常由鋼板和型鋼等制成的柱、梁、桁架、板等構(gòu)件組成，各部分之間用焊縫、螺栓或鉚釘連接，是主要的建筑結(jié)構(gòu)之一。（一）鋼結(jié)構(gòu)的特點和其他材料的結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有如下特點：1鋼材的強度高，結(jié)構(gòu)的重量輕鋼材的密度雖然比其他建筑材料大，但它的強度很高，同樣受力情況下，鋼結(jié)構(gòu)自重小，可以做成跨度較大的結(jié)構(gòu)。2鋼材的塑性韌性好鋼材的塑性好，結(jié)構(gòu)在一般情況下不會因偶然超載或局部超載而突然斷裂。鋼材的韌性好，使結(jié)構(gòu)對動荷載的適應(yīng)性較強。3鋼材的材質(zhì)均勻，可靠性高鋼材內(nèi)部組織均勻、各向同性。鋼結(jié)構(gòu)的實際工作性能與所采用的理論計算結(jié)果符合程

2、度好，因此，結(jié)構(gòu)的可靠性高。4鋼材具有可焊性由于鋼材具有可焊性，使鋼結(jié)構(gòu)的連接大為簡化，適應(yīng)于制造各種復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)。5鋼結(jié)構(gòu)制作、安裝的工業(yè)化程度高鋼結(jié)構(gòu)的制作主要是在專業(yè)化金屬結(jié)構(gòu)廠進行，因而制作簡便，精度高。制成的構(gòu)件運到現(xiàn)場安裝，裝配化程度高，安裝速度快，工期短。6鋼結(jié)構(gòu)的密封性好鋼材內(nèi)部組織很致密，當(dāng)采用焊接連接，甚至采用鉚釘或螺栓連接時，都容易做到緊密不滲漏。2頁頁/共 6頁頁7鋼結(jié)構(gòu)耐熱，不耐火當(dāng)鋼材表面溫度在150以內(nèi)時，鋼材的強度變化很小，因此鋼結(jié)構(gòu)適用于熱車間。當(dāng)溫度超過150時，其強度明顯下降。當(dāng)溫度達到 500600C 時，強度幾乎為零。所以，發(fā)生火災(zāi)時，鋼結(jié)構(gòu)的耐火時

3、間較短，會發(fā)生突然的坍塌。對有特殊要求的鋼結(jié)構(gòu)，要采取隔熱和耐火措施。8鋼材的耐腐蝕性差鋼材在潮濕環(huán)境中，特別是處于有腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中容易銹蝕，需要定期維護，增加了維護費用。（二）鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍1大跨度結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)跨度越大，自重在全部荷載中所占比重也就越大，減輕結(jié)構(gòu)自重可以獲得明顯的經(jīng)濟效果。鋼結(jié)構(gòu)強度高而重量輕，特別適合于大跨結(jié)構(gòu)，如大會堂、體育館、飛機裝配車間以及鐵路、公路橋梁等。2重型工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)在跨度、柱距較大，有大噸位吊車的重型工業(yè)廠房以及某些高溫車間，可以部分采用鋼結(jié)構(gòu)（如鋼屋架、鋼吊車梁）或全部采用鋼結(jié)構(gòu)（如冶金廠的平爐車間，重型機器廠的鑄鋼車間，造船廠的船臺車間等）。3受動力荷載

4、影響的結(jié)構(gòu)設(shè)有較大鍛錘或產(chǎn)生動力作用的廠房，或?qū)拐鹦阅芤蟾叩慕Y(jié)構(gòu)，宜采用鋼結(jié)構(gòu)，因鋼材有良好的韌性。4高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)當(dāng)房屋層數(shù)多和高度大時，采用其他材料的結(jié)構(gòu)，給設(shè)計和施工增加困難。因此，高層建筑的骨架宜采用鋼結(jié)構(gòu)。高聳結(jié)構(gòu)包括塔架和桅桿結(jié)構(gòu)，如高壓電線路的塔架、廣播和電視發(fā)射用的塔架、桅桿等，宜采用鋼結(jié)構(gòu)。5可拆卸的移動結(jié)構(gòu)需要搬遷的結(jié)構(gòu)，如建筑工地生產(chǎn)和生活用房的骨架、臨時性展覽館等，用鋼結(jié)構(gòu)最為適宜，因鋼結(jié)構(gòu)重量輕，而且便于拆裝。6容器和其他構(gòu)筑物冶金、石油、化工企業(yè)大量采用鋼板制作容器，包括油罐、氣罐、熱風(fēng)爐、高爐等。此外，經(jīng)常使用的還有皮帶通廊棧橋、管道支架等鋼構(gòu)筑物。7輕型

5、鋼結(jié)構(gòu)3頁頁/共 6頁頁當(dāng)荷載較小時，小跨度結(jié)構(gòu)的自重也就成為一個重要因素，這時采用鋼結(jié)構(gòu)較為合理。這類結(jié)構(gòu)多用圓鋼、小角鋼或冷彎薄壁型鋼制作。二、鋼結(jié)構(gòu)的材料（一）鋼材的主要力學(xué)性能指標鋼結(jié)構(gòu)在使用過程中要受到各種形式的作用，這就要求鋼材必須具有抵抗各種作用而不產(chǎn)生過大變形和不會引起破壞的能力。鋼材在各種作用下所表現(xiàn)出的各種特征，如彈性、塑性、強度，稱為鋼材的機械性能。鋼材的主要力學(xué)性能指標有五項，即抗拉強度、伸長率、屈服強度、冷彎性能和沖擊韌性，這都是通過試驗得到的。鋼材的單向均勻受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線提供了前三項機械性能指標?？估瓘姸龋ㄓ梅?f，表示）是鋼材的一項強度指標，它反映鋼材受拉時所

6、能承受的極限應(yīng)力，是檢驗鋼材質(zhì)量的重要指標；當(dāng)以鋼材屈服強度作為靜力強度計算依據(jù)時，抗拉強度成為結(jié)構(gòu)的安全儲備。伸長率（用符號或表示）是衡量鋼材在靜荷載作用下塑性性能的指標。屈服強度（也稱屈服點，用符號表示）是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中靜力強度計算的依據(jù)，它是衡量鋼材的承載能力及確定鋼材抗拉、抗壓、抗彎強度設(shè)計值的一項重要指標。通過冷彎試驗得到對鋼材性能要求的第四項指標冷彎性能，它是衡量鋼材的塑性性能和檢驗鋼材質(zhì)量優(yōu)劣的一個綜合指標。通過沖擊試驗得到對鋼材性能要求的第五項指標沖擊韌性，它是衡量鋼材抵抗可能因低溫、應(yīng)力集中、動力荷載作用而導(dǎo)致脆性斷裂能力的一項指標。滿足沖擊韌性的要求是個比較嚴格的指標，實際上

7、只有承受荷載較大、使用較頻繁的動力荷載的結(jié)構(gòu)，特別是焊接結(jié)構(gòu)，才需要有沖擊韌性的保證。（二）影響鋼材力學(xué)性能的主要因素鋼結(jié)構(gòu)有性質(zhì)完全不同的兩種破壞形式，即塑性破壞和脆性破壞。塑性破壞的主要特征是具有較大的、明顯可見的塑性變形，且僅在構(gòu)件中的應(yīng)力達到抗拉強度后才發(fā)生。由于塑性破壞前有明顯的預(yù)兆，能及時發(fā)現(xiàn)而采取補救措施，因此，實際上結(jié)構(gòu)是極少發(fā)生塑性破壞的。脆性破壞的特征是破壞前的塑性變形很小，甚至沒有塑性變形，構(gòu)件截面上的平均應(yīng)力比較低（低于屈服點）。由于脆性破壞前無任何預(yù)兆，無法及時察覺予以補救，所以危險性極大。討論影響鋼材力學(xué)性能的因素時，應(yīng)特別注意導(dǎo)致鋼材變脆的因素。1化學(xué)成分的影響碳

8、素鋼中，鐵元素含量約占 99%左右，其他元素有碳、磷、氮、硫、氧、錳、硅等，它們的總和約占 1%左右。低合金鋼中，除上述元素外，還有合金元素，其含量不大于 5%。盡管碳和其他元素含量很小，但對鋼材的機械性能卻有著極大的影響。4頁頁/共 6頁頁普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中，碳是除鐵以外的最主要元素。隨著含碳量的增加，鋼材的強度提高，塑性、沖擊韌性下降，冷彎性能、可焊性和抗銹蝕性能變差。因此，雖然碳是鋼材獲得足夠強度的主要元素，但鋼結(jié)構(gòu)中，特別是焊接結(jié)構(gòu)，并不采用含碳量高的鋼材。磷、氮、硫和氧是有害的雜質(zhì)元素。隨著磷、氮含量的增加，鋼材的強度提高，塑性、沖擊韌性嚴重下降，特別是在溫度較低時促使鋼材變脆（稱冷脆

9、），磷還會降低鋼材的可焊性。硫和氧的含量增加會降低鋼材的熱加工性能，并降低鋼材的塑性、沖擊韌性，硫還會降低鋼材的可焊性和抗銹蝕性能。所以，對磷、氮、硫和氧的含量應(yīng)嚴格加以限制（均不超過 0.05%）。錳和硅是有益的雜質(zhì)元素，能起到脫氧的作用，當(dāng)含量適中時，能提高鋼材的強度，而對塑性和沖擊韌性無明顯影響。2冶煉、澆鑄的影響我國目前鋼結(jié)構(gòu)用的鋼，主要是由平爐和氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉而成的。這兩種冶煉方法煉制的鋼，質(zhì)量大體相當(dāng)。鋼材冶煉后按澆鑄方法（也稱脫氧方法）的不同而分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼采用錳鐵作脫氧劑，脫氧不完全，鋼材質(zhì)量較差，但成本低；鎮(zhèn)靜鋼用錳鐵加硅或鋁脫氧，脫氧較徹底，

10、材質(zhì)好，但成本較高；半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程序、質(zhì)量和成本介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間；特殊鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程序比鎮(zhèn)靜鋼更高，質(zhì)量最好，但成本也最高。3應(yīng)力集中的影響當(dāng)構(gòu)件截面的完整性遭到破壞，如開孔、截面改變等，構(gòu)件截面的應(yīng)力分布不再保持均勻，在截面缺陷處的附近產(chǎn)生高峰應(yīng)力，而截面其他部分應(yīng)力則較低，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中（圖 3-48）。應(yīng)力集中是導(dǎo)致鋼材發(fā)生脆性破壞的主要因素之一。試驗表明，截面改變越突然、尖銳程度越大的地方，應(yīng)力集中越嚴重，引起脆性破壞的危險性就越大。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)使截面的構(gòu)造合理。如截面必須改變時，要平緩過渡。構(gòu)件制造和施工時，應(yīng)盡可能防止造成刻槽等缺陷。4溫度的影響鋼材在正溫范圍內(nèi)

11、，約在 100以上時，隨著溫度的升高，鋼材的強度降低，塑性增大。在 250左右，鋼材的抗拉強度有所提高，而塑性下降，這種現(xiàn)象稱為冷脆現(xiàn)象，鋼結(jié)構(gòu)不宜在該溫度范圍內(nèi)加工。溫度達到 500600時，強度幾乎為零。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)表面經(jīng)常受較高的輻射熱（150以上）時，5頁頁/共 6頁頁應(yīng)采取隔熱措施，如加擋板或設(shè)循環(huán)水管等，加以保護。為提高鋼結(jié)構(gòu)耐火時間，可在構(gòu)件上按需要涂不同厚度的防火涂料。當(dāng)溫度低于常溫時，隨著溫度的下降，鋼材的強度有所提高，而塑性和沖擊韌性下降，當(dāng)溫度下降到某一負溫值時，鋼材的塑性和沖擊韌性急劇降低，這種現(xiàn)象稱為鋼材的低溫冷脆現(xiàn)象（簡稱冷脆）。因此，處于低溫條件下的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇耐

12、低溫性能比較好的鋼材，如鎮(zhèn)靜鋼，低合金結(jié)構(gòu)鋼。5鋼材硬化的影響鋼材的硬化包括時效硬化和冷作硬化。時效硬化是指高溫時溶化于鐵中的少量氮和碳，隨時間的增長逐漸從固溶體中析出，形成氮化物或碳化物，對鋼材的塑性變形起遏制作用，從而使鋼材強度提高、塑性和沖擊韌性下降。冷作硬化（也稱應(yīng)變硬化）是指鋼材在間歇重復(fù)荷載作用下，鋼材的彈性區(qū)擴大，屈服點提高，而塑性和沖擊韌性下降。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不考慮硬化后強度提高的有利影響，相反，對重要的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件要考慮硬化后塑性和沖擊韌性下降的不利影響。6焊接影響焊接連接時，由于焊縫及其附近的高溫區(qū)的金屬經(jīng)過高溫和冷卻的過程，金屬內(nèi)部組織發(fā)生了變化，使鋼材變脆變硬。同時，焊接

13、還會產(chǎn)生焊接缺陷和焊接應(yīng)力，也是促使鋼材發(fā)生脆性破壞的因素。大量的脆性破壞事故說明，事故的發(fā)生經(jīng)常是幾種因素的綜合。根據(jù)具體情況正確選用鋼材是從根本上防止脆性破壞的辦法，同時也要在設(shè)計、制造和使用上注意消除促使鋼材向脆性轉(zhuǎn)變的因素。（三）鋼材的種類、選擇和規(guī)格1鋼材的種類鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準GB50017-2017（以下簡稱鋼結(jié)構(gòu)標準）推薦的承重結(jié)構(gòu)用鋼材有碳素結(jié)構(gòu)鋼（簡稱碳素鋼）和低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼（簡稱低合金鋼）兩種。(1)碳素鋼我國生產(chǎn)的專用于結(jié)構(gòu)的碳素鋼 0235（Q 是屈服點的漢語拼音首位字母，數(shù)值表示鋼材的屈服點，單位 N/mm2）。鋼結(jié)構(gòu)用鋼材主要是 0235，其含碳量和強度、塑性、加

14、工性能等均適中。碳素鋼牌號的全部表示是 Q后附加質(zhì)量等級和脫氧方法符號，如 Q235-AF、Q235-C 等。0235 鋼共分為 A、B、C、D 四個質(zhì)量等級（A 級最差，D 級最好）。B 級鋼按脫氧方法分為沸騰鋼(符號 F)、半鎮(zhèn)靜鋼（符號 b）或鎮(zhèn)靜鋼（符號 Z），C 級為鎮(zhèn)靜鋼，D 級為特殊鎮(zhèn)靜鋼(符號 TZ);Z 和 TZ 在牌號中省略不寫。(2)低合金鋼低合金鋼是在冶煉碳素鋼時加一種或幾種適量合金元素，以提高鋼材強度、沖擊韌性等而又不太降低其塑性。6頁頁/共 6頁頁鋼結(jié)構(gòu)常用的低合金鋼有：Q345、Q390、Q420、Q460 和 Q345GJ。2鋼材的選擇選擇鋼材的目的是要在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟合理地使用鋼材。通常要考慮：(1)選擇鋼材的依據(jù)1)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性；2)荷載性質(zhì)（靜力荷載或動力荷載）；3)連接方法（焊接、鉚釘或螺栓連接）；4)工作條件（溫度及腐蝕介質(zhì)）。(2)建筑鋼結(jié)構(gòu)的選材要求1)承重結(jié)構(gòu)所用的鋼材應(yīng)具有屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和硫、磷含量的合格保證，對焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材還應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證；對直接承受動力荷載或需驗算疲勞的構(gòu)件所用的鋼材尚應(yīng)具有沖擊韌性的合格保證。