結(jié)構(gòu)設(shè)計原理-第18章

第18章

鋼結(jié)構(gòu)的概念與材料葉見曙

張娟秀馬瑩編本章目錄18.1鋼結(jié)構(gòu)的特點及應(yīng)用18.2鋼材的主要力學(xué)性能18.3影響鋼材性能的因素18.4鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的工作性能18.5鋼材種類、規(guī)格及選用2教學(xué)要求了解鋼結(jié)構(gòu)的特點。掌握鋼材在正常情況下的主要靜力工作性能，理解鋼材的疲勞和脆性斷裂，理解復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件。熟悉鋼材的種類，掌握鋼材的正確選用。18.1鋼結(jié)構(gòu)的特點及應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)是由型鋼和鋼板采用焊接或螺栓連接方法制作成基本構(gòu)件并按照設(shè)計構(gòu)造要求連接組成的承重結(jié)構(gòu)。4(1)材質(zhì)均勻，可靠性高;(2)材料強度高，質(zhì)量輕;(3)材料塑性和韌性好;(4)制造與安裝方便；(5)具有可焊性和密封性；(6)耐熱性較好。(1)耐火性差；(2)耐腐蝕性差。結(jié)構(gòu)使用優(yōu)點:

結(jié)構(gòu)使用缺點：鋼結(jié)構(gòu)是土木工程的主要結(jié)構(gòu)類型之一，在房屋建筑、地下建筑、橋梁、塔桅、海洋平臺等都得到廣泛采用。18.2鋼材的主要力學(xué)性能518.2.1鋼材在單向均勻受拉時的工作性能

鋼材的拉伸試驗通常是用規(guī)定形狀和尺寸的標準試件，在常溫20℃左右下以規(guī)定的應(yīng)力或應(yīng)變速度施加荷載進行的。圖18-1碳素結(jié)構(gòu)鋼（Q235鋼）單向拉伸曲線a)試件拉伸的應(yīng)力—應(yīng)變曲線；b)局部放大a）

b）伸長率越大，表示鋼材破斷前產(chǎn)生的永久塑性變形和吸收能量的能力越強。鋼材的抗拉強度fu是鋼材抗破斷能力的極限。鋼材的屈服強度fy、抗拉強度fu、以及伸長率d是橋梁結(jié)構(gòu)用鋼材的三項主要力學(xué)性能指標。618.2.2鋼材的冷彎性能檢驗鋼材能否適應(yīng)構(gòu)件制作中的冷加工工藝過程，暴露鋼材的內(nèi)部冶金和軋制缺陷，是鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下塑性變形能力和質(zhì)量的一項綜合指標。圖18-2鋼材冷彎試驗用具有彎心直徑d的沖頭對標準試件中部施加荷載使之彎曲180°，要求彎曲部位不出現(xiàn)裂紋或分層現(xiàn)象。鋼材的冷彎性能取決于鋼材的質(zhì)量和彎心直徑d對鋼材厚度a的比值。

7鋼材的冷彎性能是衡量鋼材在常溫下彎曲加工產(chǎn)生塑性變形時對出現(xiàn)裂紋的抵抗能力的一項指標。18.2.3鋼材的沖擊韌性

圖18-3鋼材沖擊韌性試驗（尺寸單位：mm）a）V形缺口試件；b）U形缺口試件a)b)8鋼材的沖擊韌性是鋼材在沖擊荷載作用下吸收機械能的能力，是衡量鋼材抵抗可能因低溫、應(yīng)力集中、沖擊作用而導(dǎo)致脆性斷裂的一項力學(xué)性能指標。鋼材的沖擊韌性通常采用有特定缺口的標準試件，在試驗機上進行沖擊荷載試驗使構(gòu)件斷裂來測定。V形缺口試件的沖擊韌性指標用試件被沖擊破壞時斷面單位面積上所吸收的能量表示，其單位為J（N·m）。

鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)選用無缺陷，特別是無缺口和裂紋的鋼材；

在負溫條件下使用的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采用較小厚度的鋼材；

對在常溫或低溫下工作的結(jié)構(gòu)用鋼材應(yīng)滿足其沖擊韌性的要求。鋼材牌號Q235Q345Q390Q420質(zhì)量等級CDCDECDECDE試驗溫度（℃）0-200-20-400-20-400-20-40沖擊韌性（J）2727343427343427343427鋼材沖擊韌性表18-1918.2.4鋼材的可焊性10鋼材的可焊性好是指在一定的工藝和構(gòu)造條件下，鋼材經(jīng)過焊接后能夠獲得良好的性能。主要表現(xiàn)為焊接安全、可靠、不會發(fā)生焊接裂縫，焊接接頭和焊縫的沖擊韌性以及熱影響區(qū)的延伸性和力學(xué)性能都不低于母材。鋼材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影響。與母材的厚度、焊接方法、焊接工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。鋼材的可焊性可以采用可焊性試驗方法獲得。18.3影響鋼材性能的因素1118.3.1化學(xué)成分的影響

碳含量對鋼材的強度、塑性、韌性和焊接性能有著決定性的影響。

適量的硅可提高鋼材的強度，且對其塑性、冷彎性能、沖擊韌性和可焊性能無明顯的不良影響。

適量的錳能顯著改善鋼材的冷脆性能，并可提高其屈服強度和抗拉強度，且對鋼材的塑性和沖擊韌性無明顯影響?？蓽p少鋼材熱加工時因為硫而產(chǎn)生裂紋的“熱脆”現(xiàn)象。

釩的化合物具有高溫穩(wěn)定性，可使鋼材的高溫硬度提高。

硫是鋼材中的有害元素。

硫的含量過大不利于鋼材的焊接和熱加工，還使鋼材塑性、沖擊韌性、疲勞強度和抗銹蝕性能大大降低。

應(yīng)嚴格控制鋼材中硫的含量，一般不應(yīng)超過0.05%，在焊接結(jié)構(gòu)中不超過0.045%。

磷也是鋼材中的一種有害元素。

磷的含量過高將嚴重地降低鋼材的塑性、沖擊韌性、冷彎性能和可焊性能等。對磷的含量要嚴格控制，一般不應(yīng)超過0.05%，在焊接結(jié)構(gòu)中不超過0.045%。但磷能提高鋼材的強度和抗銹蝕性能。1218.3.2鋼材生產(chǎn)過程的影響

鋼材需經(jīng)過冶煉、澆鑄、軋制和矯正等工序才能成材，生產(chǎn)過程中的冶金缺陷有偏析（鋼材的化學(xué)成分的不均勻性）、非金屬夾雜、裂紋、氣孔和分層等，它們都對鋼材的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

（1）澆鑄過程

沸騰鋼采用錳作為脫氧劑；

鎮(zhèn)靜鋼采用硅作為脫氧劑；

半鎮(zhèn)靜鋼是在鋼液中加入少量強脫氧劑，其脫氧程度和性能均介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間；

特殊鎮(zhèn)靜鋼是在采用錳和硅脫氧之后，再用鋁或鈦進行補充脫氧。

鋼液出爐后，先放在鋼罐中再鑄成鋼錠。由于析出的氧和鐵化合成氧化鐵，以雜質(zhì)形式混雜在鋼中，降低鋼材力學(xué)性能并會在軋制過程產(chǎn)生裂紋。排除氧化鐵的方法是向盛鋼液的鋼罐內(nèi)投入脫氧劑13

(2)

軋制

軋制是在高溫（1200～1300℃）和壓力作用下將鋼錠熱軋成鋼板和型鋼的生產(chǎn)工藝。軋制工藝不僅改變鋼的形狀及尺寸，而且能消除鋼錠中的小氣泡、裂紋、疏松等缺陷，使金屬組織更加致密，改善了鋼材的內(nèi)部組織，從而改善鋼材的力學(xué)性能。

鋼材的力學(xué)性能與軋制方向有關(guān)，沿軋制方向比垂直軋制方向的強度高。

經(jīng)過軋制的鋼材，由于其內(nèi)部的非金屬夾雜物被壓成薄片，在較厚的鋼板中會出現(xiàn)夾層現(xiàn)象，夾層使鋼材沿厚度方向的受拉性能大大降低。1418.3.3冷作硬化和時效硬化的影響

15鋼結(jié)構(gòu)制造時，在冷（常溫）加工過程中引起的鋼材硬化現(xiàn)象，稱為冷作硬化。表現(xiàn)在鋼材的屈服強度和抗拉強度提高、塑性和伸長率降低、沖擊韌性下降。鋼材在冷彎、沖孔、剪切等冷加工時，都存在較大的塑性變形，因此產(chǎn)生冷作硬化。鋼材隨時間的進展而產(chǎn)生的屈服強度和抗拉強度提高、伸長率和沖擊韌性降低的效應(yīng)，稱為時效硬化。時效硬化會造成鋼材變脆。18.3.4溫度的影響16當(dāng)溫度下降時，鋼材的強度略有提高而塑性和沖擊韌性有所降低，即鋼材的脆性傾向逐漸增大。當(dāng)溫度降低到某一數(shù)值時（冷脆臨界溫度），鋼材的沖擊韌性急劇下降，鋼材的破壞特征明顯地由塑性破壞變?yōu)榇嘈云茐模@種現(xiàn)象稱為鋼材的低溫冷脆現(xiàn)象。冷脆臨界溫度與鋼材的韌性有關(guān)，韌性越好的鋼材冷脆臨界溫度越低。

當(dāng)溫度升高時，鋼材的屈服強度、抗拉強度和彈性模量等均隨著降低，但在150℃以下時變化不大。當(dāng)溫度在250℃左右時，鋼材的抗拉強度反而有較大的提高，但伸長率和沖擊韌性變差，呈脆性破壞特征，稱為“藍脆”。當(dāng)溫度超過300℃時，鋼材的屈服強度、抗拉強度和彈性模量開始顯著下降，而伸長率明顯增大。當(dāng)溫度超過400℃時，鋼材的強度和彈性模量都開始急劇降低，當(dāng)溫度達到600℃時其強度幾乎完全喪失。1718.3.5應(yīng)力集中的影響

圖18-4孔洞及槽孔處的應(yīng)力集中現(xiàn)象18在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中不可避免地存在孔洞、槽口、裂縫、厚度變化以及內(nèi)部缺陷等，致使構(gòu)件截面突然改變。在外力作用下，這些截面突變的某些部位將產(chǎn)生局部峰值應(yīng)力，而同一截面其余部位的應(yīng)力卻較低且分布極不均勻，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。

應(yīng)力集中的嚴重程度取決于構(gòu)件截面形狀變化的急劇程度，以應(yīng)力集中系數(shù)

x來表示，應(yīng)力集中系數(shù)x的表達式為：

由于應(yīng)力集中處應(yīng)力線曲折，應(yīng)力的方向與構(gòu)件受力的方向不一致，從而除產(chǎn)生縱向應(yīng)力sx外，還產(chǎn)生橫向應(yīng)力sy；若構(gòu)件較厚，還將產(chǎn)生垂直于xy平面的橫向應(yīng)力sz。

在雙向或三向同號應(yīng)力狀態(tài)下，鋼材不易進入塑性狀態(tài)而導(dǎo)致脆性增加，截面變化越急劇，應(yīng)力集中就愈嚴重，鋼材變脆的程度也就愈厲害。軸向拉力

除以構(gòu)件的凈截面面積

的平均應(yīng)力孔洞邊緣的最大應(yīng)力19(18-3)

應(yīng)力集中現(xiàn)象在實際結(jié)構(gòu)中是不可能完全避免的。

應(yīng)力集中一般不影響截面的靜力極限承載力，只要在構(gòu)造上盡可能使截面的變化比較平緩，設(shè)計時可不予考慮。

但在動力荷載和反復(fù)荷載作用下，應(yīng)力集中是鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的重要原因之一。2018.3.6反復(fù)荷載的影響

21鋼材在連續(xù)反復(fù)荷載作用下，應(yīng)力沒有達到抗拉強度，甚至還低于屈服強度，也可能發(fā)生突然破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。鋼材在疲勞破壞之前，沒有明顯的變形，是一種突然發(fā)生的斷裂，所以疲勞破壞屬于反復(fù)荷載作用下的脆性破壞。破壞過程分為三個階段：裂紋的形成、裂紋緩慢擴展、最后迅速斷裂而破壞。鋼材的疲勞破壞首先是由于鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻和應(yīng)力分布不均勻所引起的，而應(yīng)力集中可以使個別晶粒很快出現(xiàn)塑性變形及硬化，從而大大降低鋼材的疲勞強度。（1）應(yīng)力集中的程度應(yīng)力集中越大，疲勞強度就降低越多。（2）應(yīng)力比和應(yīng)力幅循環(huán)中絕對值最小的峰值應(yīng)smin與絕對值最大峰值應(yīng)力smax之比稱為應(yīng)力比r=smin/smax。當(dāng)為拉應(yīng)力時，smax或smin取正號；當(dāng)為壓應(yīng)力時，smax或smin取負號。圖18-5應(yīng)力循環(huán)的形式221）影響鋼材疲勞強度的主要因素對于軋制鋼材和非焊接結(jié)構(gòu)，r值越小疲勞強度越低，反之則越高。對于焊接結(jié)構(gòu)，由于焊縫附近存在著很大的焊接殘余應(yīng)力峰值，其數(shù)值甚至達到鋼材屈服強度fy，名義上的應(yīng)力比r=smin/smax并不能表示疲勞裂縫出現(xiàn)處的應(yīng)力狀態(tài)。實際上的應(yīng)力循環(huán)是從受拉屈服強度fy開始，變動一個應(yīng)力幅Δs=smax-smin（此處smax為最大拉應(yīng)力，smin為最小應(yīng)力，拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負值）。因此，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能直接與應(yīng)力幅Δs=smax-smin有關(guān)，而與應(yīng)力比r的關(guān)系不是非常密切。23（3）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n當(dāng)應(yīng)力循環(huán)的形式不變，鋼材的疲勞強度與應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)（疲勞壽命）n有關(guān)。當(dāng)r保持值不變，由試驗資料繪出圖18-6所示的疲勞曲線。圖18-6疲勞強度與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系24構(gòu)件的應(yīng)力越小，其破壞時的循環(huán)次數(shù)n就越多，但當(dāng)應(yīng)力小到某一極限sf（平行于n軸的漸近線）時，循環(huán)次數(shù)再多，試件也不會發(fā)生破壞，sf即為材料在該值時的疲勞極限。由無殘余應(yīng)力的小試件疲勞試驗（循環(huán)次數(shù)n=2×106）結(jié)果，疲勞曲線可近似地表示成直線ABCD，同時以fy作為疲勞強度smax的上限。針對每種類型的構(gòu)件，由試驗找出對應(yīng)于r=-1的最大應(yīng)力s-1及對應(yīng)于s

=0的最大應(yīng)力s0，確定B、C兩點坐標并連成直線ABCD，即為n=2×106的近似疲勞曲線。BC線段代表以受壓為主的情況，CD線段代表以受拉為主的情況。直線BCD的方程可寫成：圖18-7疲勞強度分析圖ρ=0時的疲勞強度，由試驗取得。直線BCD的斜率，k=(σ0-σ-1)/σ-125(18-4)2）鋼材小試件的疲勞強度與應(yīng)力比r的關(guān)系18.4鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的工作性能26

在單向應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)正應(yīng)力小于屈服強度（sfy）時，鋼材在彈性范圍內(nèi)工作。

當(dāng)正應(yīng)力大于屈服強度（s>fy）以后，鋼材便進入了塑性工作狀態(tài)。

對有明顯屈服強度的材料，試驗證明應(yīng)用材料力學(xué)的第四強度理論能較好的反映鋼材的彈塑性工作狀況。

根據(jù)第四強度理論，鋼材在復(fù)雜應(yīng)力作用下不發(fā)生屈服的條件為：

因此，當(dāng)sredfy

時，鋼材處于彈性狀態(tài)；當(dāng)sred>fy時，鋼材處于塑性狀態(tài)。(18-5)

在雙向應(yīng)力作用下（sz=tyz=tzx=0）不發(fā)生屈服的條件為：

只有單向正應(yīng)力和剪應(yīng)力作用，即sx=s、txy=t和sy=sz=tyz=tzx=0時為：

只有平面剪應(yīng)力作用（受純剪）時，即txy=tyx=t

和sx=sy=sz=tyz=tzx=0時為：27(18-6)(18-7)(18-8)(18-9)18.5鋼材種類、規(guī)格及其選用2818.5.1鋼材的種類

在橋梁結(jié)構(gòu)中，主要采用碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。1）碳素結(jié)構(gòu)鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼共分為Q195、Q215、Q235和Q275四種牌號。

橋梁結(jié)構(gòu)用碳素結(jié)構(gòu)鋼主要為Q235鋼，其碳含量（0.12%～0.22%），鋼材強度、塑性、可焊性等均適中。Q235“屈服強度”中“屈”字漢語拼音的字首鋼材屈服強度的大小，單位為N/mm22）低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼是在冶煉碳素結(jié)構(gòu)鋼時加入一種或幾種適量合金元素（總量低于5%）而制成的鋼。國家標準規(guī)定低合金結(jié)構(gòu)鋼分為Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五種?！豆窐蛞?guī)》推薦使用的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼有Q345、Q390和Q420三種。3）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)過熱處理（如調(diào)質(zhì)和過火處理)得到的優(yōu)質(zhì)鋼，硫、磷含量都不大于0.035%，并且嚴格限制其他缺陷。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（如45號鋼）在鋼結(jié)構(gòu)中主要用于高強度螺栓及其連接。2918.5.2鋼材的規(guī)格30鋼結(jié)構(gòu)常用的鋼材主要為熱軋成型的鋼板和型鋼。1）鋼板鋼板包括薄鋼板、厚鋼板、特厚鋼板和扁鋼等，鋼板規(guī)格采用“—寬×厚×長”或“—寬×厚”的表示方法。薄鋼板一般采用冷軋法軋制，厚度為0.35～4mm；厚鋼板厚度為0.45～60mm；特厚鋼板厚度>60mm；扁鋼厚度為4～60mm，寬度為12～200mm。2）型鋼（1）角鋼角鋼有等邊角鋼和不等邊角鋼兩種。等邊角鋼以∟肢寬×肢厚表示，不等邊角鋼是以∟長肢寬×短肢寬×肢厚表示。∟100×80×10表示長肢寬100mm、短肢寬80mm、肢厚10mm的不等邊角鋼。

a）等邊角鋼；b）不等邊角鋼圖18-9型鋼的截面形式31

（2）工字鋼

工字鋼分為普通工字鋼和輕型工字鋼兩種。

工字鋼的型號以工字鋼符號“Ⅰ”及其高度表示，當(dāng)為輕型工字鋼時，前面加注“Q”。

（3）槽鋼