《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》陳紹蕃講義.doc

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第一章 鋼結(jié)構(gòu)的基本性能建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼材都是塑性比較好的材料，在拉力作用下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在超過(guò)彈性后有明顯的屈服點(diǎn)和一段屈服平臺(tái)，然后進(jìn)入強(qiáng)化階段。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以屈服點(diǎn)作為鋼材強(qiáng)度的極限，并把局部屈服作為承載能力的準(zhǔn)則。目前利用塑性的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)提上了日程。鋼材和其他建筑結(jié)構(gòu)材料相比，強(qiáng)度要高得多。在同樣的荷載條件下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面小，截面組成部分的厚度也小。因此，穩(wěn)定問(wèn)題在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是一個(gè)突出的問(wèn)題。建筑結(jié)構(gòu)鋼材有較好的韌性。因此，鋼結(jié)構(gòu)是承受動(dòng)荷載的重要結(jié)構(gòu)。鋼材的韌性也不是一成不變的。材質(zhì)、板厚、受力狀態(tài)、溫度等都會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響?！句摬牡纳a(chǎn)及其對(duì)材性的影響】建筑結(jié)構(gòu)所用的鋼材包括兩大類：一類是熱軋型鋼和鋼板；另一類是冷成型（冷彎、冷沖、冷軋）的薄壁型鋼和壓型鋼板。一、鋼的熔煉冶煉按需要生產(chǎn)的鋼號(hào)進(jìn)行，它決定鋼材的主要化學(xué)成分。煉鋼的原料為99%鋼水+廢鋼+合金元素。平爐煉鋼的質(zhì)量?jī)?yōu)于轉(zhuǎn)爐煉鋼的質(zhì)量。目前，我國(guó)采用轉(zhuǎn)爐煉鋼，轉(zhuǎn)爐鋼具有投資少、建廠快、生產(chǎn)效率高、原料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。二、鋼的脫氧脫氧的手段是在鋼液中加入和氧的親和力比鐵高的錳、硅和鋁。脫氧的程度對(duì)鋼材的質(zhì)量頗有影響。錳是弱脫氧劑。硅是較強(qiáng)的脫氧劑。鋁是強(qiáng)脫氧劑。鋼液中含有較多的FeO，澆注時(shí)FeO和碳相互作用，形成CO氣體逸出，引起鋼液的劇烈沸騰，這種鋼稱之為沸騰鋼。它夾雜較多FeO，冷卻后有許多氣泡。硅在還原氧化鐵的過(guò)程中放出熱量，使鋼液冷卻緩慢，氣體大多可以逸出，所得鋼錠稱之為鎮(zhèn)靜鋼。冷卻后因體積收縮而在上部形成較大縮孔，縮孔的孔壁有些氧化，在輥軋時(shí)不能焊合，必須先把鋼錠頭部切去。切頭后實(shí)得鋼材僅為鋼錠的80%85%。對(duì)沖擊韌性（尤其是低溫沖擊韌性）要求高的重要結(jié)構(gòu)，如寒冷地區(qū)的露天結(jié)構(gòu)，鋼材宜用硅脫氧后再用鋁補(bǔ)充脫氧的特殊鎮(zhèn)靜鋼。這種鋼比一般鎮(zhèn)靜鋼具有更高的室溫沖擊韌性和更低的冷脆傾向性和時(shí)效傾向性。鎮(zhèn)靜鋼的質(zhì)量好于沸騰鋼。鎮(zhèn)靜鋼成本高。鎮(zhèn)靜鋼偏析小。鎮(zhèn)靜鋼的性能優(yōu)于沸騰鋼，主要表現(xiàn)在容易保證必要的沖擊韌性，包括低溫沖擊和時(shí)效沖擊，沖擊韌性好可以承受動(dòng)荷載和處于低溫的結(jié)構(gòu)。GB50017-2003規(guī)范規(guī)定沸騰鋼不能用于下列焊接結(jié)構(gòu)：需要驗(yàn)算疲勞者；處于-30和更低溫度者；工作溫度低于-20并直接承受動(dòng)力荷載（但不需驗(yàn)算疲勞）者。鑒定鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼，可以通過(guò)硅的含量來(lái)進(jìn)行。GB700-88規(guī)定，Q235鋼分為A、B、C、D四級(jí)。前兩級(jí)可以是沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼或鎮(zhèn)靜鋼，C級(jí)必須是鎮(zhèn)靜鋼。三、鋼的軋制輥軋是型鋼和鋼板成型的工序，是二次熔煉的過(guò)程，可以改善鋼材的性能。輥軋分熱軋和冷軋，以前者為主。冷軋只用于生產(chǎn)小號(hào)型鋼和薄板。經(jīng)過(guò)熱軋后，鋼材組織密實(shí)，力學(xué)性能得到改善。這種改善主要表現(xiàn)在沿軋制方向上，從而使鋼材在一定程度上不再是各向同性體。經(jīng)過(guò)軋制之后，鋼材內(nèi)部的非金屬夾雜物被壓成薄片，出現(xiàn)分層現(xiàn)象。分層使鋼材沿厚度方向受拉的性能大大惡化，并且有可能在焊縫收縮時(shí)出現(xiàn)層間撕裂。焊縫收縮誘發(fā)的局部應(yīng)變是屈服點(diǎn)應(yīng)變的數(shù)倍。型鋼和扁鋼總是沿輥軋方向受力，不存在非各向同性問(wèn)題。鋼板則不同，垂直于輥軋方向受力，因此鋼板拉力試驗(yàn)的試樣應(yīng)垂直與軋制方向切去。軋制影響鋼材的塑性和韌性，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，同時(shí)加工、切割、焊接也產(chǎn)生殘余應(yīng)力。熱軋鋼材厚度小的強(qiáng)度高于厚度大的，而且塑性及沖擊韌性也比較好。因此鋼材的機(jī)械性能要按厚度分級(jí)。熱軋是不均勻冷卻造成的殘余應(yīng)力。在沒(méi)有外力作用下內(nèi)部自相平衡的應(yīng)力叫做殘余應(yīng)力。板的尺寸越大，冷卻后的應(yīng)力也越大。各種截面的熱軋型鋼都有這類殘余應(yīng)力，不過(guò)隨截面形式和尺寸不同，殘余應(yīng)力的分布有所區(qū)別。一般地說(shuō)，截面尺寸越大，殘余應(yīng)力也越大。殘余應(yīng)力雖然是自相平衡的，對(duì)鋼構(gòu)件在外力作用下的性能有一定影響。殘余應(yīng)力影響變形、穩(wěn)定性、疲勞、低溫脆斷等。軋制普通工字鋼的軋機(jī)只有兩個(gè)水平軋輥。滾軋成型時(shí)，腹板所受壓力大于翼緣，翼緣所受壓力和它內(nèi)側(cè)的斜度有關(guān)。腹板的性能優(yōu)于翼緣。當(dāng)工字鋼作受彎構(gòu)件時(shí)，翼緣的應(yīng)力大于腹板，承載能力主要取決于翼緣的性能。我國(guó)規(guī)定，各類型鋼拉力試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的樣坯都從翼緣上切取，不過(guò)，槽鋼和工字鋼拉伸試件也可以在腹板取樣。判斷鋼結(jié)構(gòu)事故應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面，化學(xué)成分不均勻；C、S、P偏析，含量外多、內(nèi)少；厚鋼板要抽查檢驗(yàn)是否有層間撕裂，利用超聲波或X射線探傷。 四、矯直和熱處理鋼材熱軋冷卻后存在殘余應(yīng)力，因此矯直后的殘余應(yīng)力應(yīng)是對(duì)原始?xì)堄鄳?yīng)力進(jìn)行重新分布。重分布使翼緣原始?xì)堄鄳?yīng)力峰值有所降低，將減輕用作壓桿時(shí)的不利作用。矯直有兩種方法，輥床調(diào)直和頂直。熱處理可以改變鋼材性能，建筑鋼材一般以熱軋狀態(tài)交貨，不進(jìn)行熱處理。熱處理包括調(diào)質(zhì)熱處理和正火。調(diào)質(zhì)熱處理包括淬火和高溫回火兩道工序。五、鋼材的勻質(zhì)和等向性鋼材內(nèi)部化學(xué)元素的分布不是完全均勻的。鋼錠的四周部分含碳減少，從周邊到中心碳逐漸增多，硫、磷等雜質(zhì)也聚集在冷卻較慢的部分，形成偏析。型鋼截面上不同部分的屈服點(diǎn)有差別，是力學(xué)性質(zhì)上的一種非勻質(zhì)現(xiàn)象。測(cè)試力學(xué)性能的方法是在翼緣上切取試樣確定屈服點(diǎn)比在腹板上取樣更能反映材料的實(shí)際性能。鋼材內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，從力學(xué)角度來(lái)說(shuō)也是一種不均勻性。鋼板的各向異性，表現(xiàn)在三個(gè)方向的受力性能。沿軋制方向力學(xué)性能最好，橫向稍差。鋼板如有分層，則沿厚度方向性能最差。是否分層，需用超聲波等手段探傷。對(duì)于比較重要的結(jié)構(gòu)，一是對(duì)鋼材進(jìn)行探傷檢查，并限制局部分層的面積，二是在設(shè)計(jì)時(shí)注意避免垂直于板面受拉和焊縫收縮造成層間撕裂。【加工對(duì)鋼構(gòu)件性能的影響】一、加工對(duì)鋼構(gòu)件性能的影響鋼結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程分為熱加工、冷加工和冷作硬化。熱加工，如鉆孔切割，影響殘余應(yīng)力。冷加工使鋼材的強(qiáng)度提高，塑性和韌性下降。1、冷加工的影響冷加工考慮的因素有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、冷彎性能。冷加工后，鋼材的強(qiáng)度有所提高，但塑性和沖擊韌性降低。韌性降低的原因包括冷加工和時(shí)效兩種因素。鋼材的剪切和沖孔，使剪斷的邊緣和沖出的孔壁嚴(yán)重硬化，甚至出現(xiàn)微細(xì)裂紋。對(duì)于比較重要的結(jié)構(gòu)，剪斷處需要刨邊；沖孔只能用較小的沖頭，沖完再進(jìn)行擴(kuò)孔。目的都是把硬化部分除掉，以免裂紋在一定條件下擴(kuò)展。冷彎成型后彎角部分屈服點(diǎn)大幅度提高，同時(shí)抗拉強(qiáng)度也有所提高，但塑性降低。外側(cè)沿圓弧方向?yàn)槔欤匕霃椒较驗(yàn)閴嚎s，內(nèi)側(cè)沿弧線方向壓縮，沿半徑方向拉伸。當(dāng)材料彎成圓角時(shí)半徑和板厚之比越小，塑性應(yīng)變?cè)酱?，屈服點(diǎn)提高幅度越大。Q345-16Mn，在15以下不要冷加工，容易產(chǎn)生脆性斷裂。Q235-A3，在20以下不要冷加工，容易產(chǎn)生脆性斷裂。2、熱加工的影響熱加工包括火焰切割、乙炔切割和焊接。焊接和焰割對(duì)鋼材焊接造成以下后果，焊縫金屬具有鑄造組織，不同于軋制鋼材，焊縫性能不如母材好，但強(qiáng)度高；焊弧的高溫使鄰近焊縫的鋼材發(fā)生組織變化，焊縫附近性能不好，形成熱影響區(qū)，熱影響區(qū)包括過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)和部分重結(jié)晶區(qū)，在疲勞情況下，熱影響區(qū)容易破壞；局部性的高溫使鋼材發(fā)生塑性變形，冷卻后存在殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因是熔化鐵水膨脹，未熔化部分對(duì)其產(chǎn)生的應(yīng)力。焊縫金屬的碳含量稍低，而氮、氫、氧稍高。采用短弧焊、埋弧焊和氣體保護(hù)焊使熔化金屬和空氣更好的隔離，可以不同程度地氮和氧的含量。焊縫金屬含氫量高來(lái)源于大氣和焊條藥皮，包括藥皮的有機(jī)物成分和吸收的水分。當(dāng)冷卻快時(shí)氫能使焊縫金屬內(nèi)部出現(xiàn)微觀裂紋。因此，受潮的焊條必須烘干后才能使用，重要結(jié)構(gòu)還要用低氫型焊條，以避免出現(xiàn)裂紋。焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力和熱軋構(gòu)件的一樣，在整個(gè)截面上拉壓兩部分應(yīng)力自相平衡，不同的是焊接構(gòu)件在焊縫及其近旁的殘余拉應(yīng)力特別高。三條焊縫情況要避免交叉，如不能避免，將次要焊縫斷開(kāi)，不要貫通。在制造廠對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的零件下料時(shí)，要考慮施焊后冷卻的收縮而把材料適當(dāng)放長(zhǎng)。如果兩個(gè)構(gòu)件受到相連的剛性部分牽制而不能收縮，則整個(gè)構(gòu)件將產(chǎn)生拉應(yīng)力，這是另一種殘余應(yīng)力，叫做反作用殘余應(yīng)力。3、熱矯正和熱成型常用的矯正方法是進(jìn)行局部加熱，使其冷卻后產(chǎn)生反向變形。為了防止淬火效應(yīng)，加熱溫度不應(yīng)超過(guò)900，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定，低合金鋼在加熱矯正后應(yīng)自然冷卻。熱加工成型的構(gòu)件需要加熱到9001000。二、制造和安裝的偏差對(duì)鋼結(jié)構(gòu)性能的影響存在初始彎曲的軸心壓桿，受壓能力降低，既受壓又受彎。存在初始彎曲的軸心拉桿，不降低承受拉力的能力。桿長(zhǎng)度的偏差會(huì)使體系內(nèi)壓力和拉力在體系內(nèi)自相平衡。由于出現(xiàn)在承受荷載之前，稱為殘余內(nèi)力。當(dāng)殘余內(nèi)力和載荷引起的內(nèi)力同號(hào)時(shí)，將使承載能力降低。【外界作用對(duì)鋼結(jié)構(gòu)性能的影響】外界作用包括鋼結(jié)構(gòu)建成后的使用荷載和大氣作用等。一、多軸應(yīng)力的影響鋼材在雙向拉力作用下屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度提高，延伸率降低。在異號(hào)雙向應(yīng)力作用下屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度降低，延性率增大。三向受拉塑性比雙向受拉還低，破壞將是脆性的。三軸拉應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)是十分不利的。二、加荷速率的影響建筑結(jié)構(gòu)鋼材在沖擊性的快速加載作用下保持良好的強(qiáng)度和塑性變形能力。即在20左右的室溫環(huán)境下，鋼材的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增大而提高，塑性變形能力也提高。不利方面是脆性轉(zhuǎn)變溫度隨加荷速率增加而提高。三、循環(huán)加載的影響鋼材在多次重復(fù)荷載的循環(huán)荷載作用下滯回環(huán)豐滿而穩(wěn)定，這種好的性能為鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下耗能能力提供了基礎(chǔ)。四、低溫和腐蝕性介質(zhì)的影響低溫使鋼材韌性降低，溫度降低到一定程度時(shí)鋼材在沖擊荷載作用下完全是脆性斷裂，腐蝕性介質(zhì)也會(huì)促成脆性斷裂并影響疲勞強(qiáng)度。五、高溫的影響除了有熱源的生產(chǎn)車間外，鋼結(jié)構(gòu)可能遭受的高溫主要來(lái)自火災(zāi)。如果應(yīng)力較高，且溫度接近600，則高溫軟化可以導(dǎo)致壓桿屈曲和拉桿出現(xiàn)頸縮，需要修復(fù)、加固或更換。如果火災(zāi)后構(gòu)件沒(méi)有新的變形，一般都可以繼續(xù)安全承載。防止鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷的途徑，一是用放火材料加以保護(hù)，二是應(yīng)用耐火鋼材。第二章 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題概述鋼結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)可以出現(xiàn)于下列六種情況：1、整個(gè)結(jié)構(gòu)或其一部分作為剛體失去平衡（如傾復(fù)）；2、結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因材料強(qiáng)度被超過(guò)而破壞；3、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系（倒塌）；4、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（屈曲等）；5、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過(guò)度的塑性變形，而不適于繼續(xù)承載；6、在重復(fù)荷載作用下構(gòu)件疲勞斷裂?！句摻Y(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞】建筑結(jié)構(gòu)用的鋼材具有很大的塑性變形能力。當(dāng)結(jié)構(gòu)因抗拉強(qiáng)度不足而破壞時(shí)，破壞前呈現(xiàn)較大變形。但是當(dāng)結(jié)構(gòu)因受壓穩(wěn)定性不足而破壞時(shí)，可能在失穩(wěn)前只有很小的變形，即呈脆性破壞的特征。脆性破壞具有突發(fā)性，不能由變形發(fā)展的征兆及時(shí)防止，所以比塑性破壞危險(xiǎn)。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，脆性破壞的構(gòu)件的可靠指標(biāo)應(yīng)比延性破壞者提高一級(jí)，即安全等級(jí)為二級(jí)的構(gòu)件值由3.2提高到3.7?！臼Х€(wěn)類別】一、鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題分為兩類：1、第一類穩(wěn)定問(wèn)題或具有平衡分岔的穩(wěn)定問(wèn)題（也叫分支點(diǎn)失穩(wěn)）。完善直桿軸心受壓時(shí)的屈曲和完善平板中面受壓時(shí)的屈曲都屬于這一類。2、第二類穩(wěn)定問(wèn)題或無(wú)平衡分岔穩(wěn)定的問(wèn)題（也叫極值點(diǎn)失穩(wěn)）。由建筑鋼材做成的偏心受壓構(gòu)件，在塑性發(fā)展到一定程度時(shí)喪失穩(wěn)定的承載能力，屬于這一類。但某些結(jié)構(gòu)如坦拱，即使是完全彈性的，也沒(méi)有平衡分岔。二、彈性穩(wěn)定可以分為以下三類：1、穩(wěn)定分岔屈曲。結(jié)構(gòu)在達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，從未屈曲的平衡位形過(guò)渡到無(wú)限鄰近的屈曲平衡位形，即由直桿而出現(xiàn)微彎。此后，變形的進(jìn)一步增大，要求荷載增加。直桿軸心受壓和平板在中面受壓都屬于這種情況。2、不穩(wěn)定分岔屈曲。結(jié)構(gòu)屈曲后只能在比臨界荷載低的荷載下才能維持平衡位形。屬于這種情況的有承受軸向荷載的圓柱殼和承受均勻外壓力的全球殼，鋼結(jié)構(gòu)常用的綴條柱和圓柱殼很相似。薄壁型鋼方管壓桿也在一定條件下表現(xiàn)出類似特性。3、越躍屈曲。這種屈曲的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)由一個(gè)平衡位形突然跳到另一個(gè)平衡位形，其間出現(xiàn)很大的變形。屬于這種情況的有鉸接坦拱和油罐的扁球殼頂蓋。雖然在發(fā)生越躍后荷載可以大于臨界值，但實(shí)際工程中允許出現(xiàn)這樣大的變形，因此，應(yīng)該以臨界荷載作為承載的極限。越躍屈曲雖然沒(méi)有平衡分岔，卻和不穩(wěn)定分岔屈曲有相似之處，都是從喪失穩(wěn)定平衡后經(jīng)歷一段不穩(wěn)定平衡，然后重新獲得穩(wěn)定平衡。當(dāng)構(gòu)件有幾何缺陷時(shí)荷載和變形的關(guān)系。對(duì)于穩(wěn)定分岔屈曲，雖然有缺陷，荷載仍然可以高于臨界值；對(duì)于不穩(wěn)定分岔屈曲，缺陷使承載能力受到很大傷害，荷載的極限值比無(wú)缺陷時(shí)的臨界值大幅度降低。由此可見(jiàn)，屈曲為不穩(wěn)定分岔的結(jié)構(gòu)對(duì)缺陷特別敏感。對(duì)于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可能出現(xiàn)一種特殊的非對(duì)稱特性：屈曲時(shí)向某一方向變形時(shí)呈穩(wěn)定分岔，向另一個(gè)方向變形時(shí)呈不穩(wěn)定分岔。【結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題的特點(diǎn)】一、考慮變形對(duì)外力效應(yīng)的影響在分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力以求解算它的強(qiáng)度時(shí)，除由柔索組成的結(jié)構(gòu)外，按未變形的結(jié)構(gòu)來(lái)分析它的平衡經(jīng)常可以獲得足夠精確的結(jié)果。分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題則不同，必然涉及到結(jié)構(gòu)變形后的位形和變形對(duì)外力效應(yīng)（即二階效應(yīng)）。針對(duì)未變形的結(jié)構(gòu)來(lái)分析它的平衡，不考慮變形對(duì)外力效應(yīng)的影響，叫做一階分析；針對(duì)已變形的結(jié)構(gòu)來(lái)分析它的平衡，則是二階分析。應(yīng)力問(wèn)題通常都是一階分析，只有少數(shù)特殊的結(jié)構(gòu)如懸索屋蓋、桅桿結(jié)構(gòu)和懸索橋，因?yàn)樽冃螌?duì)內(nèi)力影響很大，才需要用二階分析。一般解算超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，雖然要考慮變形協(xié)調(diào)關(guān)系，并沒(méi)有全面考慮變形對(duì)外力效應(yīng)的影響。穩(wěn)定問(wèn)題原則上都應(yīng)該用二階分析。但是，目前在計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)，確定計(jì)算長(zhǎng)度雖然以已變形的結(jié)構(gòu)為依據(jù)，而柱內(nèi)力卻是按一階分析算得的。如果要分析大變形、大撓度問(wèn)題，曲率要用更精確的表達(dá)式，這時(shí)曲率和位移導(dǎo)數(shù)之間不再存在線性關(guān)系，稱為三階分析。二、靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的區(qū)分失去意義靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的劃分，是適應(yīng)應(yīng)力問(wèn)題的需要而做出的：靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析只用靜力平衡關(guān)系就夠了；超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，則還需加上變形協(xié)調(diào)關(guān)系。三、疊加原理不適用疊加原理普遍用于應(yīng)力問(wèn)題。它的應(yīng)用以滿足下列兩個(gè)條件為前提：1、材料服從胡克定律，亦即應(yīng)力與應(yīng)變成正比；2、結(jié)構(gòu)的變形很小，可以用一階分析來(lái)進(jìn)行計(jì)算。概括地說(shuō)，也就是它既不存在物理的非線性，也不存在幾何的非線性。穩(wěn)定問(wèn)題一般不符合第二個(gè)前提，因?yàn)樗枰枚A分析來(lái)計(jì)算。二階分析在曲率和位移導(dǎo)數(shù)之間雖然可以看成存在線性關(guān)系，但內(nèi)力和變形之間常常是非線性關(guān)系。疊加原理不適用于二階分析?！痉€(wěn)定計(jì)算中的整體觀點(diǎn)】結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載能力，和它的剛度密切相關(guān)。梁屈曲時(shí)兼有側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種變形。由于驗(yàn)算構(gòu)件穩(wěn)定時(shí)形式上似乎是驗(yàn)算某一截面，往往使人對(duì)強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算的實(shí)質(zhì)分辨不清。二者之間的原則區(qū)別是：強(qiáng)度是某一個(gè)截面的問(wèn)題，而穩(wěn)定則是構(gòu)件整體問(wèn)題，因?yàn)闃?gòu)件的剛度是它的整體組成所決定的，包括截面剛度和構(gòu)件長(zhǎng)度。在處理穩(wěn)定問(wèn)題時(shí)，必須具有整體觀點(diǎn)。從整體上看框架的側(cè)向剛度只能由懸臂柱提供，鉸接柱毫無(wú)抗側(cè)移的能力。因此懸臂柱對(duì)左柱上端提供彈性支座的作用，它的任務(wù)就不僅僅是承受本身的一半壓力，而是還要包括對(duì)左柱的支援作用，這種作用表現(xiàn)在承受水平力。水平力和壓力的合力是一個(gè)斜向作用力。處理穩(wěn)定問(wèn)題應(yīng)該有整體的觀點(diǎn)，還可以從局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系來(lái)說(shuō)明。局部和整體的相關(guān)關(guān)系可以概括為：整體缺陷促使截面局部弱化，局部弱化反過(guò)來(lái)又影響整體承載能力。最優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)總是對(duì)缺陷很敏感的。只要有一點(diǎn)偏差，結(jié)構(gòu)的承載能力就要下降。整體和局部等穩(wěn)，是最優(yōu)化原理在壓桿設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，它充分表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)對(duì)缺陷的敏感性。缺陷可以使承載能力降低很多?！痉€(wěn)定設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)原則】一、在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了保證結(jié)構(gòu)不喪失穩(wěn)定，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)體系及其組成部分的穩(wěn)定性要求。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來(lái)解決，亦即設(shè)置必要的支撐構(gòu)件。平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計(jì)算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。2、桿件穩(wěn)定計(jì)算的常用方法，往往是依據(jù)一定的簡(jiǎn)化假設(shè)或典型情況得出的，設(shè)計(jì)者必須確知所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時(shí)才能正確應(yīng)用。3、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相互配合，使二者有一致性。第三章 鋼結(jié)構(gòu)的斷裂【鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞及其原因】冷加工和鑿痕是引起脆性破壞的部分原因。焊接結(jié)構(gòu)的脆性破壞也有和鉚接結(jié)構(gòu)共同之處，那就是經(jīng)常發(fā)生在氣溫較低的情況，結(jié)構(gòu)的鋼材厚度較大，一般處在靜力荷載作用下，而且應(yīng)力常常并未達(dá)到設(shè)計(jì)應(yīng)力，或雖達(dá)設(shè)計(jì)應(yīng)力但和材料的屈服點(diǎn)還有一段距離。破壞時(shí)結(jié)構(gòu)并未超載，表明脆性破壞是鋼結(jié)構(gòu)的一種特殊問(wèn)題。綜上所述，造成脆斷的原因有：材質(zhì)不合格，低溫沖擊韌性差，以及匯交于節(jié)點(diǎn)板上各桿之間的空隙過(guò)小，低溫焊接產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力。在屋蓋結(jié)構(gòu)中，桁架比實(shí)腹構(gòu)件更容易脆斷。鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞事故不斷發(fā)生，除了采用焊接外，還有以下原因：結(jié)構(gòu)比過(guò)去復(fù)雜，有的使用條件惡劣（如海洋結(jié)構(gòu)），有的荷載很大，鋼材強(qiáng)度和鋼板厚度都趨于提高和增大，設(shè)計(jì)時(shí)采用更精細(xì)的計(jì)算方法并利用材料非彈性性能以盡量降低造價(jià)，致使結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全儲(chǔ)備比過(guò)去有所降低。【斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)】斷裂是在荷載和侵蝕性環(huán)境的作用下，裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)發(fā)生的。焊接過(guò)程中可能出現(xiàn)的缺陷，包括宏觀裂紋，如角焊縫可能存在的缺陷，咬邊、未熔合、未焊透及氣孔等，其中以咬邊最為不利。結(jié)構(gòu)的無(wú)損探傷只有一定的靈敏度，太小的缺陷發(fā)現(xiàn)不了。所以，即使經(jīng)過(guò)探傷，也不能說(shuō)構(gòu)件就不含有裂紋。按照線彈性斷裂力學(xué)，應(yīng)力強(qiáng)度因子，裂紋尺寸a越大，構(gòu)件所能安全承受的應(yīng)力就越小。裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展，和構(gòu)件壓屈失穩(wěn)有些相似之處。壓桿所能承受的應(yīng)力為，長(zhǎng)細(xì)比越大，越低；帶裂紋拉桿拉斷應(yīng)力，裂紋尺寸a越大，越低。建筑結(jié)構(gòu)所用鋼材屬于強(qiáng)度不高而韌性較好的鋼材，當(dāng)要解決低應(yīng)力脆斷問(wèn)題時(shí)，需要用彈塑性斷裂力學(xué)代替斷裂力學(xué)來(lái)解決低應(yīng)力脆斷問(wèn)題。目前可以用來(lái)衡量高韌性材料抵抗斷裂的能力的有裂紋張開(kāi)位移理論（即COD理論）。按照這種理論當(dāng)薄板受拉滿足條件構(gòu)建即將開(kāi)裂：公式左端代表裂紋頂端張開(kāi)位移，右端是位移失穩(wěn)臨界值，和一樣，屬于材料的固有特性。簡(jiǎn)化后整理得，這就是說(shuō)，韌性好的材料制成的構(gòu)件什么時(shí)候出現(xiàn)斷裂，也和、兩個(gè)因素相關(guān)。由于容易實(shí)驗(yàn)，試件不要求很厚，故可由的試驗(yàn)值推算。應(yīng)力所起的作用應(yīng)該從能量的角度來(lái)理解。因裂紋出現(xiàn)而板單位厚度釋放出的應(yīng)變能是，則能量釋放率為。根據(jù)精確計(jì)算，的數(shù)值應(yīng)是：平面應(yīng)力狀態(tài)=；平面應(yīng)變狀態(tài)=。造成裂紋需要做一定的功W，它的數(shù)值和裂紋尺寸a成正比，即=常數(shù)，出現(xiàn)裂紋過(guò)程中能量的總變化是。以裂紋出現(xiàn)和擴(kuò)展所需要的能量W為正，在此過(guò)程中釋放出的能量U為負(fù)。若，即穩(wěn)定擴(kuò)展階段；若，失穩(wěn)擴(kuò)展階段。（41）用高強(qiáng)度鋼材做成的結(jié)構(gòu)，構(gòu)件中儲(chǔ)存的應(yīng)變能高，斷裂的危險(xiǎn)性也就大于用普通鋼材的結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)高強(qiáng)鋼材的韌性應(yīng)該要求更高一些。一般建筑結(jié)構(gòu)用的鋼材在室溫下的斷裂韌性值的測(cè)試，要求很厚的試件才能滿足平面應(yīng)變的條件，所以難以直接測(cè)得。鋼材的韌性目前還是以缺口沖擊韌性作為衡量的準(zhǔn)則，并用夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)值。實(shí)驗(yàn)表明，和的變化規(guī)律有一定的相似性，尤其是動(dòng)力荷載作用下更為類似，脆性轉(zhuǎn)變溫度也很接近?！痉乐勾嘈詳嗔选恳?、裂紋原始裂紋尺寸的控制主要由保證施工質(zhì)量和強(qiáng)檢驗(yàn)來(lái)解決。裂紋質(zhì)量不僅涉及到裂紋，還涉及到咬邊、欠焊、夾渣和氣孔等缺陷。因?yàn)檫@些缺陷或者本身就起裂紋的作用，或者能夠引發(fā)裂紋。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷超過(guò)允許限度，就需要加以補(bǔ)救。在工程實(shí)際上，焊縫長(zhǎng)度小于6mm的裂紋在檢驗(yàn)時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)焊接兩板時(shí)，需要在兩板之間墊上軟鋼絲留出縫隙，焊縫有收縮余地，裂紋就不會(huì)出現(xiàn)。在焊接過(guò)程中，把角焊縫的表面做成凹形，有利于緩和應(yīng)力集中，但是經(jīng)驗(yàn)表明，凹形表面的焊縫，焊后比凸形的容易開(kāi)裂，在凹形焊縫開(kāi)裂的條件下，改用凸形縫，就不再開(kāi)裂。焊縫的收縮作用還有可能引起板的層間撕裂。綜上所述，控制焊接結(jié)構(gòu)的初始裂紋需要在焊縫設(shè)計(jì)、施焊工藝和焊后檢驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)加以注意。二、應(yīng)力考察斷裂問(wèn)題時(shí)，應(yīng)力應(yīng)是構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力，它不僅僅和荷載大小有關(guān)，也和構(gòu)造形狀及施焊條件有關(guān)。三軸同號(hào)應(yīng)力狀態(tài)的脆性破壞最為危險(xiǎn)。應(yīng)力不僅要看它的大小，更重要的是要看應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)，避免焊縫過(guò)于集中和避免截面突然變化，這樣都有助于防止脆斷。三、材料韌性規(guī)定以夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)作為材料韌性的判據(jù)。V形缺口試件吸收的功較少，脆性轉(zhuǎn)變溫度則稍高。鋼材的斷裂有幾種不同的表現(xiàn)，即可以是脆性斷裂、韌性斷裂或兼有脆性和韌性的斷裂。脆性斷裂的宏觀特征是沒(méi)有塑性變形，斷口表面呈顆粒狀，平齊而光亮，斷面和拉伸應(yīng)力的方向垂直；韌性斷裂則有明顯的宏觀塑性變形，并出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，斷口呈纖維狀，其斷裂機(jī)理是剪切斷裂過(guò)程。有塑性變形就要吸收較多的能量。材料斷裂時(shí)吸收的能量和溫度有密切關(guān)系。吸收的能量可以劃分為三個(gè)區(qū)域，即變形是塑性的、彈塑性的和彈性的。后者屬于完全脆性的斷裂，也屬于平面應(yīng)變狀態(tài)。所以沖擊韌性的指標(biāo)宜在彈塑性區(qū)域。加荷速率也是一個(gè)影響能量吸收額的頗為重要的因素。隨著加荷速率的減小，曲線向溫度較低的方向移動(dòng)。有些結(jié)構(gòu)的鋼材在工作溫度下沖擊韌性很低，但仍能保持完好，就可以由加荷速率來(lái)說(shuō)明。對(duì)于同一沖擊韌性的材料，當(dāng)設(shè)計(jì)承受動(dòng)力荷載時(shí)，允許最低的使用溫度要比承受靜力荷載高得多。加荷速率分為三級(jí)，緩慢加荷=10-5s-1，中速加荷=10-3s-1，動(dòng)力加荷=10s-1。當(dāng)應(yīng)變率低于緩慢加荷10-3s-1時(shí)屬于準(zhǔn)靜態(tài)情況，應(yīng)變率效應(yīng)可以略去不計(jì)。把加荷速率分為二級(jí)，其中R1為靜力及緩慢加載，適合于承受自重、樓面荷載、車輛荷載、風(fēng)及波浪荷載以及提升荷載的結(jié)構(gòu)；R2級(jí)為沖擊荷載，適用于高應(yīng)變速率如爆炸和沖撞荷載。因此，除遭強(qiáng)烈地震作用襲擊外，建筑結(jié)構(gòu)通常都可列為準(zhǔn)靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，即在考慮荷載的動(dòng)力系數(shù)后按靜態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)待，不過(guò)承受多次循環(huán)荷載時(shí)需要進(jìn)行疲勞計(jì)算。鋼材的厚度對(duì)它的韌性也有影響。薄板斷裂時(shí)幾乎呈完全韌性的剪切斷口，厚度稍大則呈韌性和脆性混合的斷口；厚板呈脆性的平斷口。作為材料的韌性指標(biāo)值，應(yīng)取平面應(yīng)變狀態(tài)的斷裂韌性KIC。12mm和更厚的板，沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣都是10mm55mm55mm。不同板厚的板用于同一截面尺寸的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，反映不出帶切口厚板處于平面應(yīng)變狀態(tài)的不利情況。缺點(diǎn)一是當(dāng)厚板和薄板的沖擊韌性相同時(shí)，厚板的韌性比薄板的低。另一個(gè)缺點(diǎn)是難于把裂紋擴(kuò)展和裂紋形成區(qū)分開(kāi)來(lái)。為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，可以采用全厚度的試樣做靜力拉伸試驗(yàn)或落錘試驗(yàn)。靜力拉伸試驗(yàn)的試樣兩側(cè)都有V形缺口，在不同溫度下進(jìn)行這種試驗(yàn)，可以通過(guò)斷口顆粒狀部分所占百分比的變化來(lái)確定材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，也可以通過(guò)試樣拉斷的延伸率、厚度縮減率或拉伸圖所包的能量來(lái)考察向脆性的轉(zhuǎn)化。無(wú)韌性溫度NDT值比V形缺口沖擊試驗(yàn)所得的轉(zhuǎn)變溫度高15-25，因?yàn)槁溴N試驗(yàn)的動(dòng)力效應(yīng)大。對(duì)于厚度不大而韌性又高的鋼材，夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)這一指標(biāo)是可靠的。四、結(jié)構(gòu)形式優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式可以減小斷裂的不良后果。由于脆斷時(shí)應(yīng)力一般沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)應(yīng)力，重分布后結(jié)構(gòu)仍可安全承載。當(dāng)把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成超靜定的，即有贅余構(gòu)件的，可以減少斷裂造成的損失。當(dāng)把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成靜定結(jié)構(gòu)時(shí)，注意使荷載能夠多路徑傳遞。多路徑不容易整體破壞，同時(shí)次要構(gòu)件和主要構(gòu)件同樣可以對(duì)多路徑傳遞作出貢獻(xiàn)。從控制脆斷的角度考慮，多路徑傳遞優(yōu)于單路徑傳遞。當(dāng)對(duì)梁做防斷裂設(shè)計(jì)時(shí)，如果受拉翼緣由一塊厚板組成，材料的韌性要求應(yīng)優(yōu)于多層較薄的板，才能夠得到統(tǒng)一的安全保證。當(dāng)腹板與翼緣板之間有間隙連接時(shí)，有利于裂縫到縫隙處停止。梁腹板和翼緣之間不受垂直于間隙的拉力，這是允許間隙存在的一個(gè)條件。五、鋼材選用設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)，鋼材的選用也是防止脆斷的因素之一?！緫?yīng)力腐蝕開(kāi)裂】用作為判斷構(gòu)件是否會(huì)斷裂的準(zhǔn)則，只適用于處于非腐蝕性環(huán)境的構(gòu)件。在腐蝕性介質(zhì)中，雖然應(yīng)力低于值，經(jīng)過(guò)一定時(shí)期也會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂。這種現(xiàn)象叫做應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，也叫做滯后斷裂或延遲斷裂。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：構(gòu)件中原來(lái)存在的小裂紋在腐蝕性介質(zhì)作用下隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸擴(kuò)展，待達(dá)到臨界尺寸時(shí)，構(gòu)件就會(huì)突然脆斷。應(yīng)力腐蝕斷裂主要發(fā)生在高強(qiáng)度材料，高強(qiáng)螺栓在使用過(guò)程中就有可能出現(xiàn)延遲斷裂的現(xiàn)象。在腐蝕性介質(zhì)中做試驗(yàn)來(lái)測(cè)定材料的斷裂韌性，所得結(jié)果要比在無(wú)腐蝕性介質(zhì)的大氣中測(cè)得的低。當(dāng)按原始裂紋算得的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子低于它的臨界值時(shí)，不論時(shí)間多長(zhǎng)，試件都不會(huì)斷裂。每一種材料在特定的腐蝕介質(zhì)中的是個(gè)常數(shù)，一般。鋼材的含碳量越高，則韌性越低，抵抗應(yīng)力腐蝕斷裂的性能也越差。第四章 疲勞破壞【影響疲勞破損的因素】一、疲勞荷載鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破損是裂紋在重復(fù)或交變荷載作用下的不斷開(kāi)展以及最后達(dá)到臨界尺寸而出現(xiàn)的斷裂。二、疲勞破壞的過(guò)程一般地說(shuō)，疲勞破壞經(jīng)歷三個(gè)階段：裂紋的形成，裂紋的緩慢擴(kuò)展和最后迅速斷裂。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，實(shí)際上只有后兩個(gè)階段，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)總會(huì)有內(nèi)在的微小缺陷，這些缺陷本身就起著裂紋的作用。疲勞破壞的起始點(diǎn)多數(shù)在構(gòu)件的表面。對(duì)非焊接構(gòu)件，表面上的刻痕、軋鐵皮的凸凹、軋鋼缺陷和分層以及焰割邊不平整、沖孔壁上的裂紋，都是裂源可能出現(xiàn)的地方。對(duì)焊接構(gòu)件，最經(jīng)常的裂源出現(xiàn)在焊縫趾處，那里常有焊渣侵入。有些焊接構(gòu)件疲勞破壞起源于焊縫內(nèi)部缺陷，如氣孔、欠焊、夾渣等。疲勞裂紋經(jīng)歷長(zhǎng)期的荷載循環(huán)，擴(kuò)展十分緩慢；而脆性斷裂不經(jīng)長(zhǎng)期的荷載循環(huán)。當(dāng)構(gòu)件應(yīng)力較小時(shí)，擴(kuò)展區(qū)所占范圍較大，而當(dāng)構(gòu)件應(yīng)力很大時(shí)，擴(kuò)展區(qū)就比較小。擴(kuò)展區(qū)的表面光滑，而且是愈近裂源愈光，這是因?yàn)榱鸭y經(jīng)過(guò)多次開(kāi)合的緣故。拉斷區(qū)可以是脆性的顆粒狀斷口，也可以時(shí)帶有一定韌性的斷口。三、疲勞試驗(yàn)的結(jié)果光滑試件的疲勞強(qiáng)度明顯高于帶槽試件，這是因?yàn)閹Р墼嚰膽?yīng)力集中使疲勞強(qiáng)度降低。因此，應(yīng)力集中是研究疲勞問(wèn)題的重要因素。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力集中的程度由構(gòu)造細(xì)節(jié)決定。有橫向?qū)雍缚p的試件的疲勞強(qiáng)度隨焊縫余高角度的變化情況：角度愈小，應(yīng)力集中愈嚴(yán)重，疲勞強(qiáng)度愈低。應(yīng)力循環(huán)的特征可以由最小、最大應(yīng)力的比值來(lái)表示，以拉應(yīng)力為正。四、斷裂力學(xué)的分析用斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)考察疲勞問(wèn)題，首先是分析裂紋擴(kuò)展速率。帶裂紋的鋼構(gòu)件是否進(jìn)一步開(kāi)裂，取決于應(yīng)力強(qiáng)度因子是否超過(guò)材料的斷裂韌性。應(yīng)力強(qiáng)度因子是對(duì)裂紋頂端周圍應(yīng)力和應(yīng)變的一個(gè)度量。裂紋的擴(kuò)展速率取決于K的變化幅度，即，此式常稱為Paris定律，式中n和C為與材料有關(guān)的常數(shù)。由于工程設(shè)計(jì)中用名義應(yīng)力計(jì)算，不計(jì)入應(yīng)力集中系數(shù)和殘余應(yīng)力影響，C還和構(gòu)造細(xì)節(jié)有關(guān)。嚴(yán)格地說(shuō)，C，n不僅和材料有關(guān)，也和平均應(yīng)力及環(huán)境有一定關(guān)系。對(duì)于擴(kuò)展速率受R值影響的區(qū)域，可以用有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅代替，則疲勞壽命的表達(dá)式為，式中a1和a2分別是裂紋的初始尺寸和裂紋緩慢擴(kuò)展階段結(jié)束時(shí)的尺寸。用來(lái)表示應(yīng)力幅，即，則有。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，n值常在2.53.5之間，可取為3.0。GB50017規(guī)范規(guī)定允許應(yīng)力幅的計(jì)算公式是。五、環(huán)境的影響對(duì)于長(zhǎng)壽命的疲勞，腐蝕的不利影響要比短壽命疲勞嚴(yán)重的多。腐蝕對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展速率的影響和疲勞荷載的頻率有關(guān)：頻率愈低影響愈大，但在擴(kuò)展速率低的范圍內(nèi)無(wú)明顯影響。六、提高疲勞壽命在同樣的應(yīng)力幅作用下，結(jié)構(gòu)沒(méi)有焊縫（也沒(méi)有截面變化）的部位，疲勞破壞前的循環(huán)次數(shù)高于有對(duì)接焊縫的部位，后者又高于有角焊縫的部位。延長(zhǎng)疲勞壽命有三種方法。首先是減小初始裂紋尺寸，如果把減小為，則構(gòu)件所能承受的循環(huán)次數(shù)增加。這個(gè)增加頗為樂(lè)觀，原因是在裂紋尺寸很小時(shí)，擴(kuò)展速率很低。其他兩種方法是降低構(gòu)件所承受的應(yīng)力和采用韌性較好的材料?！酒谠O(shè)計(jì)準(zhǔn)則】一、基本原則在實(shí)際工程中，安全壽命法和破損安全法往往是結(jié)合在一起的。首先按安全壽命法的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，爭(zhēng)取在使用期限不出現(xiàn)裂紋，同時(shí)也注意荷載的多路徑傳遞和結(jié)構(gòu)各部分都易于檢查，在意外地出現(xiàn)裂縫時(shí)依然保證安全。土建結(jié)構(gòu)的疲勞破壞可以采用使用壽命法來(lái)代替安全壽命法。兩者的差別是，前者在結(jié)構(gòu)達(dá)到安全使用壽命時(shí)不立即報(bào)廢，并且承認(rèn)在達(dá)到安全壽命前有可能出現(xiàn)疲勞裂縫。在使用壽命期間還需要注意的一個(gè)問(wèn)題，就是荷載有無(wú)變化。如果造成疲勞的荷載比設(shè)計(jì)值增大，就需要對(duì)壽命做出新的估算。二、應(yīng)力比準(zhǔn)則和應(yīng)力幅準(zhǔn)則自從焊接結(jié)構(gòu)用于承受疲勞荷載以來(lái)，工程界從實(shí)踐中逐漸認(rèn)識(shí)到和這類結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度密切相關(guān)的不是應(yīng)力比R，而是應(yīng)力幅。應(yīng)力幅準(zhǔn)則的計(jì)算公式是，是容許應(yīng)力幅，它隨構(gòu)造細(xì)節(jié)而不同，也隨破壞前循環(huán)次數(shù)變化。焊接結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算宜以應(yīng)力幅為準(zhǔn)則，原因在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的殘余應(yīng)力。如前面所述，疲勞裂紋的起源常在焊趾或焊縫內(nèi)部的缺陷，而焊縫及其近旁經(jīng)常存在高達(dá)材料屈服點(diǎn)的拉伸殘余應(yīng)力。焊縫旁實(shí)際應(yīng)力的變化范圍：不論脈沖循環(huán)還是對(duì)稱循環(huán)，只要應(yīng)力幅相同，對(duì)構(gòu)件疲勞的實(shí)際效果就相同，而和應(yīng)力循環(huán)特征R或平均應(yīng)力無(wú)關(guān)。裂紋擴(kuò)展只取決于施加的應(yīng)力幅。有縱向角焊縫的試件在疲勞強(qiáng)度時(shí)，對(duì)R0的試件，殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響大，而對(duì)R0的試件影響不大。對(duì)于R0的應(yīng)力循環(huán)，應(yīng)力幅準(zhǔn)則完全適用，因?yàn)橛袣堄鄳?yīng)力和無(wú)殘余應(yīng)力的構(gòu)件疲勞強(qiáng)度相差不大。對(duì)于R0的應(yīng)力循環(huán)，采用應(yīng)力幅準(zhǔn)則偏于安全較多。GB50017規(guī)范對(duì)非焊接結(jié)構(gòu)一律取下列有效應(yīng)力幅：，此式在應(yīng)力循環(huán)不變號(hào)時(shí)稍偏安全，但一般并不過(guò)分安全。三、構(gòu)造細(xì)節(jié)分類和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)構(gòu)件和連接的焊縫及其近旁有很高的殘余拉應(yīng)力。因此，即使施加的應(yīng)力循環(huán)完全在壓力范圍內(nèi)，實(shí)際的應(yīng)力波動(dòng)仍然是在拉力范圍內(nèi)。在這樣的條件下，壓力范圍內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)仍然有可能造成疲勞裂紋。但是，裂紋一旦出現(xiàn)，殘余應(yīng)力得到釋放，就不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展。因此，GB50017規(guī)范規(guī)定：在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位可不計(jì)算疲勞。在用應(yīng)力幅準(zhǔn)則驗(yàn)算時(shí)，按有關(guān)規(guī)范中構(gòu)造細(xì)節(jié)分類的規(guī)定來(lái)查用。按一般計(jì)算方法確定，不必計(jì)算殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中，因?yàn)閾?jù)以確定的試件都含有殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中。特殊情況，橫向?qū)雍缚p上鉆孔，而按焊接連接去查用時(shí)，就必須乘以相應(yīng)集中系數(shù)。四、變幅疲勞荷載荷載變幅的疲勞問(wèn)題，可以由式表達(dá)的線性累積損傷準(zhǔn)則來(lái)計(jì)算。式中：為應(yīng)力幅對(duì)結(jié)構(gòu)的作用次數(shù)；為應(yīng)力幅常幅作用下結(jié)構(gòu)的預(yù)期壽命。幾種不同應(yīng)力幅對(duì)結(jié)構(gòu)作用的先后順序不影響疲勞壽命。對(duì)于焊接構(gòu)件，常大于1，則用線性累積損傷準(zhǔn)則計(jì)算的一般能保證安全。線性累積損傷準(zhǔn)則則由于使用方便，現(xiàn)在還是最通行的方法。在具體應(yīng)用這一準(zhǔn)則時(shí)，可以采用等效常應(yīng)力幅代替變動(dòng)的應(yīng)力幅。等效應(yīng)力幅，把等效應(yīng)力幅除以滿載時(shí)的應(yīng)力幅可得應(yīng)力幅降低系數(shù)（也叫次載系數(shù)）。上式就是GB50017規(guī)范的公式，只是符號(hào)略有不同。在變幅疲勞的計(jì)算中還需要解決一個(gè)問(wèn)題，即如何確定各應(yīng)力幅的作用頻數(shù)目前存在多種計(jì)算法。其中最常用的是雨流法。【疲勞試驗(yàn)和檢驗(yàn)】試驗(yàn)研究可以分為兩類，一類是典型的連接細(xì)節(jié)的疲勞試驗(yàn)，目的在確定-N曲線以及在細(xì)節(jié)分類中的歸屬等。另一類是整個(gè)構(gòu)件的疲勞試驗(yàn)，目的在檢驗(yàn)一項(xiàng)具體設(shè)計(jì)的抗疲勞性能。有時(shí)這類試驗(yàn)也用來(lái)考察某一典型連接細(xì)節(jié)的疲勞性能。從彎曲疲勞試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，小尺寸試件的疲勞強(qiáng)度比大尺寸試件稍高。另外，厚度很大的板質(zhì)量也不如中、小厚度板。對(duì)承受疲勞荷載的構(gòu)件，特別是容易開(kāi)展疲勞裂紋的部位必須加強(qiáng)檢驗(yàn)。檢驗(yàn)包括外觀檢查和無(wú)損檢查。外觀檢查要求仔細(xì)查看焊體周圍區(qū)域和平行于焊縫的板邊緣，尋找有無(wú)裂紋和層間撕裂。檢查人員要有豐富經(jīng)驗(yàn)，并借助放大鏡和照明設(shè)備進(jìn)行工作，才能發(fā)現(xiàn)微細(xì)裂紋。外觀檢查是質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，表面完好往往是焊接工作做的不錯(cuò)的標(biāo)志。無(wú)損檢查有多種方法，包括磁性顆粒法、染色體滲透法、射線照相檢查、超聲探傷法。磁性顆粒法可用以檢查出金屬表面裂紋或緊靠表面的內(nèi)部缺陷，最適合于壁厚不超過(guò)6.5mm的小型鋼管連接。在檢驗(yàn)時(shí)對(duì)焊縫區(qū)施以強(qiáng)大磁場(chǎng)，并鋪一層磁鐵顆粒。裂紋和夾雜等缺陷切斷磁力線，使粉末集中在這些區(qū)域。焊接產(chǎn)生的磁力性能的差異時(shí)?？梢圆槐厥┘哟艌?chǎng)而也能用磁性顆粒來(lái)檢驗(yàn)。裂紋的深度可以通過(guò)打磨或超聲方法來(lái)測(cè)出。染色液體滲入法是使帶染料的液體滲入表面的細(xì)裂紋，然后通過(guò)顯色劑，把染料吸上來(lái)以顯示裂紋輪廓。射線照相檢查是依靠電磁射線來(lái)確定焊縫是否完好。光線和射線都能穿透像焊縫這樣的非透明體。在焊縫背后放上敏感膠片，即可取得焊縫結(jié)構(gòu)的永久記錄。射線照相法雖然是探查氣孔和夾渣等缺陷極好的辦法，但在實(shí)踐中對(duì)檢查某些焊縫連接不適用。超聲探傷從20世紀(jì)60年代以來(lái)逐漸成為焊接結(jié)構(gòu)連接無(wú)損檢查的最重要方法。此法利用高頻率聲波來(lái)檢查和測(cè)定母材在焊接前的缺陷和焊接連接的缺陷，它對(duì)表面裂紋和內(nèi)部裂紋都很敏感。此法對(duì)查找線缺陷和平面缺陷諸如未焊透、分層和裂紋十分靈敏。超聲檢驗(yàn)也受到一些限制，粗糙的表面會(huì)使靈敏度和可靠度降低，它不能像射線照相法那樣提供永久性記錄。此外，氣泡、夾渣等球狀缺陷不那么容易檢查出來(lái)，因?yàn)槌暡ㄓ龅剿鼈儠r(shí)會(huì)從旁邊繞過(guò)而不是像遇到線性缺陷那樣被反射回去。超聲技術(shù)在實(shí)踐中只限于用在板厚9.5mm以上的連接。承受疲勞作用的結(jié)構(gòu)在服役期間需要定期檢查。一旦發(fā)生裂紋后，檢查間隔時(shí)間應(yīng)不斷縮短，原因是隨著裂紋尺寸擴(kuò)展，開(kāi)裂速度加快，對(duì)應(yīng)于同一裂紋擴(kuò)展量，時(shí)間間隔越來(lái)越短。【提高疲勞性能的工藝措施】工藝措施的目的是緩和應(yīng)力集中程度、消除切口，或是在表層形成壓縮殘余應(yīng)力。緩和應(yīng)力集中的最普遍方法是磨去焊縫的表面部分，如對(duì)接焊縫的余高。對(duì)角焊縫打磨焊趾，可以改善它的疲勞性能。焊縫的趾部經(jīng)常存在咬邊形成的切口，并且還有焊渣侵入。打磨后的表面不應(yīng)存在明顯的刻痕。對(duì)于角焊縫的趾部用氣體保護(hù)鎢弧使重新熔化，可以起消除切口的作用。這種方法在不同應(yīng)力幅情況下疲勞壽命都能同樣提高。在焊縫和近旁金屬的表層形成壓縮殘余應(yīng)力，是改善疲勞性能的一個(gè)有效方法。用噴射金屬丸?；蝈N擊進(jìn)行敲打。梁的疲勞試驗(yàn)表明，當(dāng)在它未承受荷載前進(jìn)行敲擊處理，不如在承受荷載后處理的效果好。上述各種措施對(duì)不同的連接構(gòu)造疲勞性能的提高，其效果不盡相同。這些措施對(duì)高于400N/mm2的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)，要比普通碳素鋼更為有效。這是因?yàn)椋海?）高強(qiáng)鋼材試件的疲勞強(qiáng)度高于低碳素鋼，原因是它的裂紋形成階段比后者長(zhǎng)。若把焊接結(jié)構(gòu)的初始缺陷消除，效果就十分可觀。（2）高強(qiáng)鋼材焊接后殘余拉應(yīng)力高于低碳鋼的。施加殘余壓應(yīng)力以改善連接的疲勞性能，也優(yōu)于低碳鋼。第五章 拉 桿【拉桿的極限狀態(tài)】一、無(wú)孔拉桿焊接結(jié)構(gòu)中的拉桿，完全沒(méi)有螺栓孔（或鉚釘孔）者，屬于無(wú)孔拉桿。實(shí)際工程中的構(gòu)件總會(huì)有些幾何尺寸的偏差，其中包括初始彎曲和力作用點(diǎn)的偏差；另外，還會(huì)有殘余應(yīng)力。初始彎曲并不降低拉桿承載能力，只不過(guò)要使拉桿變形增大。在不產(chǎn)生疲勞的靜力荷載作用下，殘余應(yīng)力對(duì)拉桿的承載能力也沒(méi)有影響。構(gòu)件中的殘余應(yīng)力不論是熱軋引起的，還是焊接造成的，也不論其分布圖形如何，都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是拉、壓兩種殘余應(yīng)力在截面上相互平衡。拉桿截面如果有突然變化，則應(yīng)力在變化處的分布不再是均勻的。設(shè)計(jì)拉桿應(yīng)該以屈服作為承載能力的極限狀態(tài)。屈服結(jié)束進(jìn)入應(yīng)變硬化時(shí)的應(yīng)變值，據(jù)國(guó)內(nèi)試驗(yàn)資料是的8.916.9倍。如按12倍計(jì)算，則=121.1510-3=0.0138，即屈服使材料每米伸長(zhǎng)13.8mm。二、有孔拉桿有孔拉桿可以分為兩種類型：一種是鉚接結(jié)構(gòu)中的組合構(gòu)件，沿整個(gè)長(zhǎng)度都分布有鉚釘；另一種是型鋼和焊接結(jié)構(gòu)，僅在端部和其他構(gòu)件用螺栓或鉚釘連接。前一種構(gòu)件應(yīng)該以凈截面屈服為承載能力的極限狀態(tài)，目前很少使用，后一種構(gòu)件應(yīng)用較多。它的承載能力極限狀態(tài)要從毛截面和凈截面兩方面來(lái)考慮。就毛截面來(lái)說(shuō)，極限狀態(tài)仍然是應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)；就凈截面來(lái)說(shuō)，則應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)才是極限狀態(tài)。毛截面屈服和凈截面拉斷何者控制設(shè)計(jì)，要經(jīng)過(guò)比較，比較時(shí)注意對(duì)二者采用不同的安全系數(shù)。凈截面應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度，構(gòu)件就要被拉斷?？梢愿郊右粋€(gè)系數(shù)=1.21.3。因此，設(shè)計(jì)拉桿時(shí)拉力不應(yīng)超過(guò)和，是抗力分項(xiàng)系數(shù)，A和分別是毛截面和凈截面面積。由毛截面控制設(shè)計(jì)的條件是鋼，；鋼，。Q235鋼拉桿一般不會(huì)由凈截面強(qiáng)度控制，因?yàn)?A通常不低于0.80。對(duì)Q345鋼的構(gòu)件，如果要毛截面屈服控制，排列螺栓時(shí)需要注意在垂直拉力的方向不能太密。屈強(qiáng)比一般隨材料強(qiáng)度的提高而降低。初始彎曲和殘余應(yīng)力對(duì)有孔拉桿的影響和無(wú)孔拉桿的影響沒(méi)有區(qū)別。有孔拉桿受力的一個(gè)特殊情況，是孔洞造成的應(yīng)力集中。當(dāng)結(jié)構(gòu)承載靜力荷載時(shí)，只要材料有足夠的塑性和韌性，則在應(yīng)力高峰處材料屈服后，應(yīng)變?cè)龃蠖粩嗔眩瑧?yīng)力分布逐漸平緩。最后，凈截面全部屈服，和沒(méi)有應(yīng)力集中的情況一樣。殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中不降低拉桿的靜力強(qiáng)度，靠的都是鋼材的塑性。由此可見(jiàn)，塑性變形的性能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)十分重要?？着詰?yīng)力集中不影響桿的強(qiáng)度?！緝艚孛娴男省吭O(shè)計(jì)拉桿的拼接一般都注意截面的各部分盡量能得到直接拼接。直接傳力的條件下，凈截面全部有效。在節(jié)點(diǎn)上用兩塊節(jié)點(diǎn)板連于翼緣，而腹板沒(méi)有任何連接。這時(shí)，凈截面的強(qiáng)度就不能完全發(fā)揮出來(lái)。設(shè)拉斷力為N，A和分別是毛截面和凈截面面積，即，以作為有效凈截面，則凈截面的效率，的數(shù)值和很多因素有關(guān)，其中一個(gè)重要因素就是構(gòu)件截面上的材料相對(duì)于節(jié)點(diǎn)板的分布情況。材料貼于節(jié)點(diǎn)板并和節(jié)點(diǎn)板相連的部分占的比重越大，就接近于1。這部分比重可以由構(gòu)件截面形心到節(jié)點(diǎn)板的距離來(lái)衡量。偏心距越大，則未直接連接于節(jié)點(diǎn)板的部分越大，分布情況越不利。對(duì)于雙節(jié)點(diǎn)板的連接，每塊節(jié)點(diǎn)板分擔(dān)構(gòu)件內(nèi)力的一半。因此，距離為半截面形心至節(jié)點(diǎn)板的距離。根據(jù)試驗(yàn)資料，凈截面的效率還和連接長(zhǎng)度有關(guān)。值大者效率比小者高。桿寬度越大而連接長(zhǎng)度越小，則危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力分布越不均勻。構(gòu)件拉斷時(shí)，危險(xiǎn)截面的應(yīng)力還不能完全均勻，從而使構(gòu)件承載能力降低。這種不均勻的現(xiàn)象起因于正應(yīng)力是靠剪力的作用逐漸由集中而轉(zhuǎn)化為均勻的。板的寬度越小，即需要傳播的范圍越窄，均勻分布也就能夠在越短的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這種正應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象稱為剪切滯后。影響凈截面效率的還有一些其他因素，如材料的塑性、制孔的方法和緊固件的排列等。強(qiáng)度高而塑性低的材料，凈截面效率比式的低。采用沖成的栓孔，也會(huì)使降低，需要在的基礎(chǔ)上乘以0.85。緊固件排列的影響主要體現(xiàn)在行距g和孔距d的比值。行距大者效率較低。綜上所述，在按凈截面拉斷設(shè)計(jì)拉桿時(shí)，不僅要用凈截面進(jìn)行計(jì)算，還要注意凈截面是否全部有效，并引進(jìn)必要的系數(shù)。無(wú)孔拉桿雖然不以凈截面拉斷作為極限狀態(tài)，但在截面僅部分直接連接的情況下，端部仍然存在剪切滯后現(xiàn)象?！窘卿摾瓧U】?jī)?nèi)力不大的拉桿，常用角鋼來(lái)做。其中最簡(jiǎn)單的是單角鋼拉桿。這種拉桿可以貼于節(jié)點(diǎn)板的一側(cè)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，但連接有偏心作用；也可以對(duì)稱于節(jié)點(diǎn)板放置，其連接沒(méi)有偏心，但需要在桿端開(kāi)槽或節(jié)點(diǎn)板上開(kāi)槽，才能插入。雙角鋼拉桿是角鋼拉桿中最常見(jiàn)的形式。兩根角鋼或是共同連于一塊節(jié)點(diǎn)板，或是分別連于兩塊節(jié)點(diǎn)板。后一情況，兩角鋼應(yīng)該用綴材加以聯(lián)系。一、單角鋼拉桿貼于節(jié)點(diǎn)板一側(cè)的單角鋼拉桿構(gòu)造簡(jiǎn)單，但受力情況卻比較復(fù)雜。由于只有一個(gè)肢和節(jié)點(diǎn)板連接，節(jié)點(diǎn)板傳來(lái)的力不經(jīng)過(guò)截面形心，角鋼偏心受拉，并且繞截面兩主軸都有彎矩。在彈性范圍內(nèi)截面任一點(diǎn)的應(yīng)力，其中，為對(duì)xy軸的慣性積，。通常拉力N作用在節(jié)點(diǎn)板的中平面內(nèi)，即距離角鋼背ab半個(gè)節(jié)點(diǎn)板厚度。N位于角鋼肢寬一半處時(shí)截面上最大應(yīng)力的絕對(duì)值最小，受力情況最有利。這就是說(shuō)，角鋼肢尖和肢背的連接焊縫宜各取需要焊縫總量的一半，而不是像雙角鋼拉桿那樣按0.3和0.7分配。單角鋼拉桿在偏心受力的狀態(tài)下，如果桿端連接有足夠強(qiáng)度，桿件最后將在連接焊縫端部拉斷。拉斷前雖然截面能夠完全屈服，但終因彎矩存在而使完全屈服的拉力和極限拉力都稍低于軸心壓桿。我國(guó)輕型鋼結(jié)構(gòu)小組完成的試驗(yàn)表明，單肢連接的單角鋼拉桿的極限拉力和軸心拉力的相差不很懸殊，一般都能達(dá)到軸心拉桿承載能力的80%以上，因此，設(shè)計(jì)時(shí)可以當(dāng)作軸心拉桿計(jì)算，不過(guò)要把構(gòu)件及其連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以0.85。GB50017規(guī)范就是這樣規(guī)定的。二、雙角鋼拉桿為了防止綴板受壓屈曲，雙角鋼拉桿必須有足夠的厚度，同時(shí)綴板應(yīng)盡量靠近桿端，以保證節(jié)點(diǎn)連接的良好性能。三、桁架單角鋼腹桿的布置單角鋼經(jīng)常用作輕型桁架的腹桿。T形鋼作為弦桿的輕型桁架的兩種不同的腹桿布置：一種是腹桿連在弦桿的同側(cè)，另一種則在兩側(cè)交替布置。在兩側(cè)交替布置，腹桿軸線在桁架平面內(nèi)可以匯交于弦桿軸線，不對(duì)后者造成偏心受力，似乎是可取的。在桁架平面外的偏心力矩只能由腹桿承擔(dān)，因?yàn)橄覘U的抗扭剛度很小。因此腹桿在弦桿兩側(cè)交替布置時(shí)，腹桿的彎曲應(yīng)力要比同側(cè)布置大很多?！韭菁y拉桿】用圓鋼做成的拉桿，當(dāng)長(zhǎng)度較大時(shí)，很容易因自重而下垂。如果桿端部有螺紋，或中部設(shè)置花籃螺栓，使通過(guò)扭緊螺帽而產(chǎn)生一點(diǎn)預(yù)拉力，就能防止下垂。有效截面積在凈截面積和毛截面積之間，可以按下式計(jì)算：，式中，D為螺桿公稱直徑；p為螺距；k為系數(shù)，對(duì)公制粗牙螺紋可取0.9382。上式相對(duì)于有效直徑為。第六章 軸 心 壓 桿【軸心壓桿的極限狀態(tài)】一、軸心壓桿的失穩(wěn)形式軸心壓桿承載能力的極限狀態(tài)是喪失穩(wěn)定，完善彈性直桿失穩(wěn)的臨界力，可由歐拉公式得出，歐拉公式給出的臨界力，是桿件能夠繼續(xù)保持直線平衡形式的極限荷載，達(dá)到這一荷載后桿件就發(fā)生彎曲變形。喪失直線形式的平衡并不一定是由直變彎，也可能由直變扭，即呈扭轉(zhuǎn)屈曲。根據(jù)彈性穩(wěn)定理論，兩端鉸支且翹曲無(wú)約束的桿，當(dāng)截面為雙軸對(duì)稱或極對(duì)稱時(shí)，扭轉(zhuǎn)屈曲的臨界力，其中，是桿自由扭轉(zhuǎn)剛度；是桿約束扭轉(zhuǎn)剛度；是截面關(guān)于剪心的極回轉(zhuǎn)半徑。一根具體的軸心壓桿，達(dá)到承載能力的極限狀態(tài)時(shí)究竟呈彎曲屈曲還是扭轉(zhuǎn)屈曲，要看它的材料和截面特征、以及長(zhǎng)度的大小。除了彎曲屈曲和扭轉(zhuǎn)屈曲外，軸心壓桿還有另外一種可能的失穩(wěn)形式，即彎曲和扭轉(zhuǎn)同時(shí)發(fā)生的彎扭屈曲。對(duì)兩端鉸支且翹曲無(wú)約束的彈性桿，彎扭屈曲臨界力，即。其中，為按歐拉公式計(jì)算的繞y軸彎曲屈曲的臨界力；為扭轉(zhuǎn)屈曲臨界力；為剪心坐標(biāo)。當(dāng)截面繞對(duì)稱軸彎曲剛度較小，扭轉(zhuǎn)剛度也不大時(shí)，彎扭屈曲成為這種桿件承載能力的極限狀態(tài)。用作軸心壓桿的單軸對(duì)稱截面，常見(jiàn)的有T形截面，可以是軋制的、焊接的或由H型鋼一分為二切成的。這種截面用作桁架弦桿構(gòu)造方便，可以省去節(jié)點(diǎn)板。雙角鋼組合而成的T行截面也是桁架常見(jiàn)的截面。單角鋼不僅用于輕型桁架的腹桿，而且大量用于塔架。軸心壓桿采用沒(méi)有對(duì)稱軸的截面，繞兩主軸彎曲都會(huì)伴隨有扭轉(zhuǎn)，使臨界荷載總是低于彎曲屈曲臨界力，也低于扭轉(zhuǎn)屈曲臨界力。不等邊的單角鋼就屬于這種情況。設(shè)計(jì)單角鋼軸心壓桿，應(yīng)注意，除了垂直于對(duì)稱軸的主軸x外，繞其他軸彎曲都會(huì)受到扭轉(zhuǎn)的影響。據(jù)電力建設(shè)研究所的試驗(yàn)資料，臨界力因扭轉(zhuǎn)而降低的相當(dāng)于計(jì)算長(zhǎng)度增大10%20%。二、缺陷的影響軸心壓桿三種不同失穩(wěn)形式的臨界力。三種不同失穩(wěn)形式針對(duì)完全彈性的材料和完善而無(wú)缺陷的桿推得的，還不能直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算。現(xiàn)實(shí)的鋼壓桿是用彈性材料制成的，它既有幾何缺陷又有力學(xué)缺陷。幾何缺陷主要是桿件并非直桿，或多或少有一點(diǎn)初始彎曲，也可能有一點(diǎn)初始扭曲。另外，截面并非完全對(duì)稱，從而形成初始偏心。力學(xué)缺陷包括屈服點(diǎn)在整個(gè)截面上并非均勻以及殘留應(yīng)力。對(duì)壓桿性能影響最大的是初