鋼結(jié)構(gòu)基本原理

關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)基本原理第1頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼材的種類很多，其化學(xué)成分不同，性能各異。鋼材的性能主要有：力學(xué)性能、加工性能和抗侵蝕等性能。因此，必須了解鋼材的強度、塑性、冷彎、韌性、可焊性以及影響鋼材性能變化的各種因素，才能根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)所受的荷載、工作環(huán)境，選擇符合要求的鋼材。2.1鋼材的主要力學(xué)性能第2頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.1鋼材的強度指標和塑性指標（1）單向均勻受拉的工作特性

在常溫靜載情況下，Q235鋼材標準試件（圖2.1）受單向拉伸試驗時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2.2。圖2.1標準試件圖2.2Q235鋼單向受拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線第3頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

拉伸曲線反映了鋼材的力學(xué)特性，描述如下：1)彈性階段：OAE段

OA直線的斜率稱為彈性模量E，fp稱為比例極限，，fe稱為彈性極限。2)彈塑性階段：EC段

σ與ε不呈比例，除彈性變形外還有塑性變形，fy稱為屈服強度，又叫屈服點（yieldpoint，材料力學(xué)中用σs表示）。工作特性單向受拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線第4頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3)屈服階段：CF段鋼材完全屈服，σ不增加（保持fy），而ε驟增。4)強化階段：FB段經(jīng)過屈服階段后，鋼材內(nèi)部組織重新排列，抵抗外力的能力增強。5)頸縮階段：BD段應(yīng)力超過fu后，試件出現(xiàn)“頸縮”而斷裂，fu稱為抗拉強度(tensilestrength，材料力學(xué)中用σb表示）。工作特性單向受拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線

根據(jù)上述特性，可確定鋼材的強度指標和塑性指標。第5頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)強度指標

由于fy、fp、fe很接近，應(yīng)變很小，ε≈0.1%(εy≈0.15%)可以把三點看作為一點，并以屈服點fy作為代表。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，把鋼材的屈服點fy作為鋼材的強度標準值fk＝fy。

常用結(jié)構(gòu)鋼材的強度設(shè)計值f（designvalue）可查材料手冊（見附表1.1）。彈性設(shè)計時，構(gòu)件的應(yīng)力不能大于f值。

抗拉強度fu在實際構(gòu)件中是不允許達到的，鋼材的抗拉強度fu值高，可以增加結(jié)構(gòu)的安全保障。

第6頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

另外，Q235鋼材在屈服前接近理想的彈性體，而屈服后的流變現(xiàn)象接近理想的塑性體，且流變的范圍很大（0.15%～2.5%）。因此，可認為鋼材是理想的彈-塑性體（圖2.3）。即假定鋼材應(yīng)力小于fy時是完全彈性的，應(yīng)力超過fy后則是完全塑性的。利用鋼材理想彈－塑性假定，可以簡化鋼構(gòu)件的彈塑性分析計算。

強度指標圖2.3理想彈－塑性的應(yīng)力－應(yīng)變曲線第7頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

高強度鋼材沒有明顯的屈服臺階，這類鋼的屈服點是根據(jù)實驗分析結(jié)果人為規(guī)定的，稱為條件屈服（用f0.2表示，定義為試件卸載后其殘余應(yīng)變?yōu)?%時所對應(yīng)的應(yīng)力）。這類鋼材在設(shè)計中不宜利用塑性。

圖2.4高強度鋼的應(yīng)力－應(yīng)變曲線強度指標第8頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

鋼材在單向受壓時（短試件），抗壓強度與單向受拉時相同。鋼材受扭轉(zhuǎn)時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線也與受拉時相似，但剪切屈服點和抗剪強度低于fy和fu；剪變模量G也低于彈性模量E。鋼材和鑄鋼件的彈性模量、剪變模量、線膨脹系數(shù)α和質(zhì)量密度ρ列于表2.1。

強度指標第9頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月斷面收縮率：式中l(wèi)0——試件拉伸前標距長度;l1——試件拉斷后原標距間長度;A0——試件截面面積;A1——拉斷后頸縮區(qū)的截面面積。鋼材的伸長率愈大，鋼材塑性愈好(3)塑性指標延伸率：第10頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2冷彎性能

冷彎性能是指鋼材在冷加工產(chǎn)生塑性變形（deformed）時，對產(chǎn)生裂縫的抵抗能力。如圖2.3所示將試件彎曲成規(guī)定的角度后,檢查試件彎曲部分的表面有無裂縫、裂斷、分層等，沒有即為合格。

冷彎試驗是鑒定鋼材質(zhì)量的一種良好方法，常作為靜力拉伸試驗和沖擊試驗的一種補充試驗，是一項衡量鋼材力學(xué)性能的綜合指標。

圖2.5冷彎1800試件

第11頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.3沖擊韌性

沖擊韌性是衡量鋼材強度、塑性及材質(zhì)的一項綜合指標。鋼材的韌性與軋制方法、環(huán)境溫度有關(guān)。沖擊韌性由沖擊試驗測定。

沖擊韌性：(N?m/cm2)

式中：AK—試驗機的沖擊功（N?m)；

A—缺口處凈截面面積(cm2)。

圖2.6沖擊韌性試驗第12頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.4可焊性焊接后焊縫金屬及其附近的熱影響區(qū)金屬不產(chǎn)生裂紋，并且焊縫的力學(xué)性能不低于母材的力學(xué)性能。2.1.5耐久性

耐腐蝕性：鋼材耐腐蝕性較差，必須采取防護措施，新建結(jié)構(gòu)需要油漆，已建成的結(jié)構(gòu)需定期維護。

耐老化性：隨著時間的增長，鋼材的力學(xué)性能有所改變，出現(xiàn)“時效”現(xiàn)象，即“老化”?！皶r效”使鋼材變脆。

耐長期高溫性：在長期高溫條件下工作的鋼材，其破壞強度比常溫拉伸試驗的強度低得多，應(yīng)另行測定“強度”。

耐疲勞性：鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在長期連續(xù)的交變荷載或重復(fù)荷載作用下，應(yīng)力雖低于fy也會發(fā)生破壞，稱為“疲勞破壞”。第13頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.6鋼構(gòu)件的兩種破壞形式1)塑性破壞——構(gòu)件破壞前有明顯的變形或破壞前兆。塑性破壞容易被發(fā)現(xiàn)而采取補救措施,可避免造成嚴重后果.2)脆性破壞——破壞前構(gòu)件變形很小,平均應(yīng)力一般都小于屈服點fy,破壞始于應(yīng)力集中處,如缺口、裂紋、凹角和多向受拉區(qū)域.破壞前沒有任何預(yù)兆,無法及時被發(fā)現(xiàn)和采取補救措施,危及生命財產(chǎn)安全,后果嚴重。因此，設(shè)計時應(yīng)盡量避免構(gòu)件出現(xiàn)脆性破壞。BACK第14頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2.1化學(xué)成分的影響主要化學(xué)成分——鐵（Fe，在碳素結(jié)構(gòu)鋼中約占99%）少量元素——碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、鈦（Ti）、釩（V）⑴碳碳是決定鋼材性能的最重要元素。建筑用鋼一般多用碳素結(jié)構(gòu)鋼，屬于低碳鋼，含碳量小于0.25%；工程所用低合金鋼，其含碳量小于0.52%。2.2影響鋼材性能的因素第15頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

⑵硅

硅是作為脫氧劑存在鋼中，是鋼中的有益元素。硅含量較低（小于1.0%）時，能提高鋼材的強度，而對塑性和韌性無明顯影響。

⑶錳

錳是煉鋼時用來脫氧去硫而存在于鋼中的，是鋼中的有益元素。錳具有很強的脫氧去硫能力，能消除或減輕氧、硫所引起的熱脆性，能提高鋼材的強度和硬度。

⑷磷

磷是鋼中很有害的元素。隨著磷含量的增加，鋼材的強度、屈強比、硬度均提高，而塑性和韌性顯著降低。特別是溫度愈低，對塑性和韌性的影響愈大，加大鋼材的冷脆性。

影響因素第16頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月⑸硫硫是鋼中很有害的元素。硫的存在會加大鋼材的熱脆性，降低鋼材的各種機械性能，也使鋼材的可焊性、沖擊韌性、耐疲勞性和抗腐蝕性等均降低。⑹氧氧是鋼中的有害元素。隨著氧含量的增加，鋼材的強度有所提高，但塑性特別是韌性顯著降低，可焊性變差。氧的存在會造成鋼材的熱脆性。⑺氮氮對鋼材性能的影響與碳、磷相似，隨著氮含量的增加，可使鋼材的強度提高，塑性特別是韌性顯著降低，可焊性變差，冷脆性加劇。氮在鋁、鈮、釩等元素的配合下可以減少其不利影響，改善鋼材性能，可作為低合金鋼的合金元素使用。影響因素第17頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月⑻鈦

鈦是強脫氧劑。鈦能顯著提高強度，改善韌性、可焊性，但稍降低塑性。鈦是常用的微量合金元素。⑼釩釩是弱脫氧劑。釩加入鋼中可減弱碳和氮的不利影響，有效地提高強度，但有時也會增加焊接淬硬傾向，釩也是常用的微量合金元素。影響因素第18頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2冶煉、澆鑄、軋制的影響(1)冶煉我國目前鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是平爐和氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉而成，兩種冶煉方法煉制的鋼質(zhì)量大體相當。影響因素第19頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)脫氧方法

用錳、硅、鋁作為脫氧劑進行脫氧（deoxidize）.它們之間的脫氧能力比為錳:硅:鋁=1:5:90。按脫氧程度或方法不同而分為沸騰鋼(F)、鎮(zhèn)定鋼(Z)、半鎮(zhèn)定鋼(b)和特殊鎮(zhèn)定鋼(TZ)。沸騰鋼組織不夠致密，成分不太均勻，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴重，故質(zhì)量較差。但因其成本低、產(chǎn)量高，故被廣泛用于一般工程。鎮(zhèn)靜鋼成本較高，但其組織致密，成分均勻，含硫量較少，性能穩(wěn)定，故質(zhì)量好。適用于預(yù)應(yīng)力混凝土等重要結(jié)構(gòu)工程。半鎮(zhèn)靜鋼質(zhì)量較好。特殊鎮(zhèn)靜鋼質(zhì)量最好，適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。影響因素第20頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）軋制

軋制（rolling）鋼材是把鋼錠加熱到1200℃-1300℃高溫時進行，這時鋼具有較好的熱塑性，利用軋鋼機壓力的作用，可使鋼錠中的小氣泡、裂紋和質(zhì)地較疏松部分壓合密實，消除組織缺陷和細化鋼的晶粒。因此，軋制鋼比鑄鋼質(zhì)量好。壓縮比越大，鋼材的力學(xué)性能越好。此外，由于軋輥的壓延作用，鋼材順軋輥軋制方向的性能比橫向的性能好。影響因素第21頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.3殘余應(yīng)力的影響

熱軋型鋼中的殘余應(yīng)力（remainingstress）是因不均勻冷卻而產(chǎn)生的。型鋼冷卻時其邊緣、尖角及薄細部位因與空氣接觸多而冷卻快，先冷卻部位常形成強勁的約束（constraint），阻止后冷卻部位的自由收縮，從而使后冷卻部位受拉，形成自相平衡的復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布。此后鋼材的調(diào)直和加工（剪切、氣割、焊接等）還將改變這種分布。構(gòu)件承受荷載時，荷載引起的應(yīng)力將與殘余應(yīng)力疊加（superposition），使構(gòu)件有些部位提前達到屈服并發(fā)展塑性變形，使截面的彈性區(qū)域減少。因此殘余應(yīng)力將降低構(gòu)件的剛度（stiffness）和穩(wěn)定性，而對構(gòu)件的強度不產(chǎn)生影響。影響因素第22頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2.4溫度的影響

(1)溫度升高當溫度升高，鋼材的強度和彈性模量的總趨勢是降低，但在150℃以下時變化不大。當溫度在250℃時，鋼材的抗拉強度有較大的提高，但塑性、韌性變差，此時的破壞為脆性破壞，稱為“藍脆”。當溫度超過300℃時，其強度和彈性模量開始顯著下降，而塑性開始顯著增大，鋼材產(chǎn)生徐變。達到600℃時，強度幾乎為零。

影響因素第23頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)溫度降低溫度下降到負溫時，鋼材的強度雖有提高，但塑性和韌性降低、脆性增加，出現(xiàn)脆性轉(zhuǎn)變溫度。以韌性指標為例（右圖），反彎點對應(yīng)的溫度T0即為脆性轉(zhuǎn)變溫度。選用鋼材時應(yīng)使結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度高于脆性轉(zhuǎn)變溫度的下限值T1，且在環(huán)境溫度下具有足夠的沖擊韌性值。影響因素第24頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.5鋼材硬化的影響(1)冷作硬化

鋼材在常溫下冷加工（拉、拔、彎、沖切、剪切等）的過程。當加載到強化區(qū)間卸載后，鋼材的塑性變形不能恢復(fù)，再次加時，鋼材的屈服強度提高，彈性范圍增加，但塑性和伸長率降低。這一性質(zhì)稱為冷作硬化（stiffening）。第25頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)時效硬化

鋼材隨存放時間延長，會出現(xiàn)屈服強度提高，彈性范圍增加，伸長率降低，這一性質(zhì)稱為時效effectivenessforagivenperiodoftime）硬化。這是因為隨著時間的推移，鋼材化學(xué)成分中的氮和碳逐漸析出，形成了自由的氮化物和碳化物，他們能起到阻止純鐵體晶粒間的滑移，約束塑性發(fā)展，從而提高鋼材的強度，降低塑性。人工加載讓鋼試件先產(chǎn)生10%左右的塑性變形，然后加熱至250℃，并保溫一小時后自然冷卻（cooling），這一方法能加速時效進程，稱為人工時效。第26頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.6應(yīng)力集中的影響在構(gòu)件截面發(fā)生變化的區(qū)域，截面應(yīng)力分布并不均勻，突變處將產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，這種因截面尺寸顯著變化而引起應(yīng)力局部增大的現(xiàn)象稱應(yīng)力集中（stressconcentration）。分析表明：應(yīng)力集中產(chǎn)生的高峰應(yīng)力區(qū)附近總是存在平面或三維應(yīng)力場，使鋼材性能變脆而引發(fā)脆性破壞。鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中現(xiàn)象不可避免，但只要在設(shè)計和施工時注意采取合理的構(gòu)件形狀和構(gòu)造措施，使截面的變化平緩過渡，就能降低應(yīng)力集中的影響。另外，在常溫下承受靜力荷載作用的鋼結(jié)構(gòu)，由于建筑鋼材的塑性較好，當應(yīng)力在局部達到屈服應(yīng)力后，鋼材的塑性變形使應(yīng)力重分布，應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象也會趨于平緩。因此，只要符合設(shè)計與施工規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，計算時可不考慮應(yīng)力集中的影響。BACK第27頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3復(fù)雜應(yīng)力下的屈服條件

鋼材在單向拉伸時，以屈服點為臨界點，應(yīng)力小于屈服點為彈性工作狀態(tài)，大于屈服點為塑性狀態(tài)。實際鋼結(jié)構(gòu)中，鋼材常是在兩向或三向的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下工作，這時鋼材的屈服并不取決于某一個方向的應(yīng)力，而是由反映各方向應(yīng)力綜合影響的相當應(yīng)力（也稱折算應(yīng)力）來表示。

當σeq<fy時，鋼材處于彈性階段；

當σeq≥

fy時，鋼材處于塑性階段。

根據(jù)強度理論，三維應(yīng)力場的相當應(yīng)力（equivalentstress）計算表達式為：

第28頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

由相當應(yīng)力計算公式可知，鋼材處于同號應(yīng)力場時，若三個主應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且應(yīng)力值都接近單向拉伸時的屈服極限fy，而相當應(yīng)力卻始終小于屈服點，鋼材拉斷了也不會有明顯的塑性變形。因此，在構(gòu)件中如果出現(xiàn)多向拉應(yīng)力作用的區(qū)域，總是發(fā)生脆性破壞。

只有兩向應(yīng)力作用時，如：σz=τxz=τyz=0

受純剪時：

第29頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)時的則BACK第30頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和疲勞計算2.4.1疲勞破壞

試驗表明，鋼構(gòu)件在連續(xù)反復(fù)荷載作用下，盡管應(yīng)力低于抗拉強度，甚至低于屈服點，但經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，也會發(fā)生斷裂破壞。這種經(jīng)歷長期反復(fù)荷載作用而發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，稱為疲勞破壞。疲勞破壞前構(gòu)件沒有明顯的變形特征，屬于脆性破壞。破壞原因:鋼構(gòu)件上難免有微觀裂紋（crack），如非金屬雜質(zhì)、扎制或加工時造成的微小裂紋等。在荷載作用下，受拉區(qū)的微裂紋尖端因應(yīng)力集中而出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)，并伴隨雙向或三向拉應(yīng)力場，使鋼材的塑性發(fā)展受到限制。在工作初期，由于應(yīng)力較小，這些微小裂紋不會立刻引起構(gòu)件斷裂。但在長期反復(fù)荷載作用下，裂紋尖端的拉應(yīng)力使裂紋有逐步擴展的趨勢并緩慢地擴展，與此同時，構(gòu)件的有效截面也逐步第31頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月減小。經(jīng)過一定的循環(huán)（circle）次數(shù)后，一旦裂紋擴展到構(gòu)件截面不能承受荷載時，構(gòu)件出現(xiàn)突然斷裂。第32頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.4.2鋼材的疲勞強度極限

反復(fù)荷載在構(gòu)件內(nèi)引起的應(yīng)力隨時間變化的曲線稱為循環(huán)應(yīng)力譜（圖2.6）。用ρ=σmin/σmax來表示（拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負）。例如，ρ=-1表示完全對稱（symmetry）循環(huán)，ρ=0表示脈沖（pulse）循環(huán)。ρ值可以介于-1和+1之間。（a）完全對稱循環(huán)ρ=-1（b）脈動應(yīng)力循環(huán)ρ=0圖2.6循環(huán)應(yīng)力譜第33頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

應(yīng)力變化的幅度稱為應(yīng)力幅，用△σ=σmax-σmin表示。在應(yīng)力循環(huán)過程中，如果應(yīng)力幅保持為常量，稱為常幅循環(huán)應(yīng)力，否則稱變幅應(yīng)力循環(huán)。常幅疲勞試驗可以測定鋼材的疲勞強度極限。試驗用一組（10根）相同材料的光滑小試件，每次將一根試件安裝在疲勞試驗機上，第一根試件可施加較大的彎矩，使試件受純彎曲，上緣受拉，下緣受壓；圖2.7鋼材的疲勞強度極限當電機帶動試件旋轉(zhuǎn)時，試件表面各點的應(yīng)力交替出現(xiàn)拉、壓變化，轉(zhuǎn)動一圈完成一次循環(huán)，由施加的彎矩可以算出應(yīng)力幅；當經(jīng)過某一循環(huán)次數(shù)n，試件破壞，得到△σ－n曲線上的一個點（圖2.7）。疲勞極限第34頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

依次對其余試件進行實驗，并逐步減小彎矩，也即減小應(yīng)力幅△σ

，試件破壞時的循環(huán)次數(shù)將不斷增加，每一根試件得到△σ－n曲線上的一個點。當應(yīng)力幅△σ小于一定值時，即使有無限次循環(huán)，試件也不會產(chǎn)生疲勞破壞。按照有關(guān)國際標準建議，將n＝5×106所對應(yīng)的應(yīng)力幅稱為材料的疲勞極限。疲勞極限第35頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計算

鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計算是針對具體構(gòu)件或連接部位，特別是連接部位，應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力對疲勞強度影響很大，因此構(gòu)件或連接的疲勞強度都低于材料的疲勞強度。我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB500017－2003）規(guī)定，當構(gòu)件的工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n＞5×104時，應(yīng)進行疲勞計算。

另外，不同構(gòu)件或連接形式其疲勞性能各不相同，因此也不能用一個標準來衡量。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB500017－2003）將不同構(gòu)造和受力特點的鋼構(gòu)件和連接，按其疲勞性能的高低歸并為八個疲勞計算類別（見附錄6）。其中一類疲勞性能最好，八類最差。疲勞計算表達式如下：

1)常幅疲勞計算

計算公式：△σ≤[△σ]第36頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月式中△σ——應(yīng)力幅。對焊接部位，△σ=σmax-σmin；對非焊接部位，△σ=σmax-0.7σmin

。σmax——計算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力（取正值）；σmin——計算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大壓應(yīng)力（取負值）；[△σ]——常幅疲勞的容許應(yīng)力幅（N/mm2）,按下式計算：

[△σ]=(c/n)1/β

式中:n——應(yīng)力循環(huán)次；c,β——系數(shù),根據(jù)疲勞計算分類按表2.3取值。疲勞計算第37頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2)變幅疲勞計算實際工程構(gòu)件的工作應(yīng)力幅多為變化的，或稱隨機荷載，如吊車起吊荷載每次可能都不一樣，且多數(shù)工作荷載小于設(shè)計荷載。對于重級工作制吊車梁和重級、中級工作制吊車桁架，按照線性疲勞累積損傷原則，將隨機變化的應(yīng)力幅折算成等效常應(yīng)力幅按下式計算：

式中：——欠載效應(yīng)的等效系數(shù),查表2.4——循環(huán)次數(shù)n＝2×106的容許應(yīng)力幅,可查表2.5。疲勞計算第38頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月進行疲勞計算時需注意以下兩點：

1）目前疲勞計算仍采用容許應(yīng)力法，荷載采用標準值，不考慮分項系數(shù)和動力系數(shù)，并按彈性工作計算。

2）鋼構(gòu)件或連接的疲勞破壞是由于循環(huán)應(yīng)力反復(fù)作用下疲勞裂紋的生成和擴展而導(dǎo)致斷裂。因而疲勞允許應(yīng)力幅主要取決于應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，以及構(gòu)件或連接的具體構(gòu)造細節(jié)和應(yīng)力集中程度，鋼材強度等級對疲勞破壞應(yīng)力幅或疲勞壽命的影響并不顯著，計算時可認為疲勞容許應(yīng)力幅與鋼材種類無關(guān)。

疲勞計算BACK第39頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5鋼材的種類、選用和型鋼規(guī)格2.5.1鋼材的種類常用鋼材碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼低合金高強度橋梁用鋼耐候鋼第40頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼

按國家現(xiàn)行標準《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB700-1988)規(guī)定，碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號（brand）由代表屈服點的字母Q、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級（A、B、C、D）、脫氧方法符號（F、b、Z、TZ，分別表示沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼）四個部分順序組成。目前生產(chǎn)的碳素結(jié)構(gòu)鋼有：Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五種，含碳量越多，屈服點越高，塑性越低。Q235的含碳量低于0.22％，屬于低碳鋼，其強度適中，塑性、韌性和可焊性較好，是建筑鋼結(jié)構(gòu)常用的鋼材品種之一。第41頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號舉例：Q235A.FQ：鋼材屈服點代號235:屈服點數(shù)值（N/mm2）A:質(zhì)量等級代號(A、B、C、D)F:脫氧程度代號(F、b、Z、TZ，其中Z、TZ可以省略)第42頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)低合金高強度鋼

低合金高強度鋼是在碳素鋼中加入少量幾種合金元素，其總量雖低于5%，但鋼的強度明顯提高，故稱為低合金高強度鋼。其牌號按屈服點由小到大排列，有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五種，牌號意義和碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。不同的是，低合金高強度鋼的質(zhì)量等級分為A、B、C、D、E五級，A級對沖擊韌性無要求；B、C、D級對應(yīng)溫度200C、00C、－200C的沖擊功≥34J；E級要求－400C的沖擊功≥27J。

(3)耐大氣腐蝕用鋼（耐候鋼）

在鋼的冶煉過程中，加入少量特定的合金元素，一般指銅（Cu）、磷（p）、鉻（Cr）、鎳（Ni）等，使之在金屬基體表面形成保護層，提高鋼材耐大氣腐蝕性能，這類鋼統(tǒng)稱為耐大氣腐蝕用鋼或耐候鋼。我國目前生產(chǎn)的耐候鋼分為高耐候結(jié)構(gòu)鋼和焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼兩類。鋼材的種類第43頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1）高耐候結(jié)構(gòu)鋼其耐候性能比焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼好，故稱為高耐候結(jié)構(gòu)鋼。按其化學(xué)成分分為：銅磷鋼和銅磷鉻鎳鋼兩種。其牌號表示方法是由分別代表“屈服點”的拼音字母Q、屈服點的數(shù)值和“高耐候”拼音字母GNH順序組成，含Cr、Ni的高耐候鋼在牌號后加代號“L”。例如，Q345GNHL表示屈服點為345（N/mm2）、含有鉻鎳的高耐候鋼。若將高耐候結(jié)構(gòu)用于焊接結(jié)構(gòu)，其鋼板厚度應(yīng)不大于16mm。2）焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼這類鋼能保持良好的焊接特性，適用厚度達100mm。其表示方法是由分別代表“屈服點”拼音字母Q、屈服點的數(shù)值和“耐候”的拼音字母NH以及質(zhì)量等級（C、D、E）順序組成。耐候鋼的的化學(xué)成分、力學(xué)性能等參數(shù)可查閱國標（GB/T4171－2000）和《焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼》（GB/T4172）。鋼材的種類第44頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)橋梁用結(jié)構(gòu)鋼由于橋梁所受荷載性質(zhì)特殊，橋梁用鋼的力學(xué)性能、焊接性能等技術(shù)要求一般都嚴于房屋建筑用鋼，其牌號表達方式與其他鋼材一樣，由屈服點拼音字母Q、屈服點數(shù)值、橋梁鋼拼音字母q和質(zhì)量等級（C、D、E）四部分順序組成，如Q235qC。橋梁鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能等參數(shù)可查閱國家標準《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》。（5）厚度方向性能鋼板由于扎制工藝的原因，厚鋼板沿厚度方向（Z向）的力學(xué)性能最差。當結(jié)構(gòu)局部構(gòu)造形成有板厚方向的拉力作用時，很容易沿平行于鋼板表面層間內(nèi)出現(xiàn)層狀撕裂。因此，對于重要焊接構(gòu)件的鋼板，還要求厚度方向有良好的抗層間撕裂性能。鋼材的種類第45頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

鋼板的抗層間撕裂性能采用厚度方向拉伸試驗時的斷面收縮率來評定。并以此分為Z15、Z25、Z35三個級別，分別代表鋼板的厚度方向斷面收縮率Yz不小于15%、25%和35%。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)是首先提出鋼板厚度方向性能要求的建筑結(jié)構(gòu)，已頒布行業(yè)標準《高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》（YB4104-2000）。其中，對厚度方向性能有要求的鋼板，牌號由代表屈服點拼音字母Q、屈服點數(shù)值、高層建筑拼音字母GJ、質(zhì)量等級（C、D、E）和后綴字母Z組成，如Q235GJZ。第46頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.2鋼材的選用基本原則：即要保證結(jié)構(gòu)的安全可靠，又要做到用料經(jīng)濟合理。選擇鋼材時考慮的因素：1)結(jié)構(gòu)的重要性；

2)荷載的性質(zhì)；3)連接方法；4)結(jié)構(gòu)的工作溫度鋼結(jié)構(gòu)用鋼：承重結(jié)構(gòu)宜用Q235、Q345、Q390、Q420。品質(zhì)保證：承重結(jié)構(gòu)鋼材，應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服強度（通稱三項保證）和硫、磷含量的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)鋼材，除滿足上項外，還應(yīng)有碳含量合格保證，冷彎、沖擊韌性等要求；第47頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

有疲勞驗算和抗震要求的結(jié)構(gòu)鋼材，要求有沖擊韌性的合格保證。優(yōu)先選用型鋼。

圖2.8型鋼截面形式第48頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.3型鋼及規(guī)格型鋼包括：熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼、鋼索。(1)熱軋型鋼1）鋼板鋼板（plate）有厚鋼板、薄鋼板和扁鋼。厚鋼板：厚度為4.5～60mm，寬度為600～300mm，長度為4～12m；用于制作焊接組合截面構(gòu)件，如焊接工字形截面梁翼緣板、腹板等。薄鋼板：厚度為0.35～4mm，寬度為500～1500mm，長度為0.5～4m；用于制作冷彎薄壁型鋼。扁鋼：厚度為3～60mm，寬度為10～200mm，長度為3～9m。用于焊接組合截面構(gòu)件的翼緣板、連接板、桁架節(jié)點板和制作零部件等。鋼板的表示方法為“-寬度×厚度×長度”，如：“-400×12×800”。單位為mm。第49頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2)角鋼角鋼（anglesteel）分等邊角鋼和不等邊角鋼。不等邊角鋼的表示方法為，“∟長邊寬×短邊寬×厚度”，如“∟100×80×8”，等邊角鋼表示為“∟邊寬×厚度”，如∟100×8。單位為㎜。3)鋼管鋼管分無縫鋼管（seamlesssteeltube）和焊接鋼管（weldedsteelpipe）兩種，表示方法為“Ф外徑×壁厚”，如Ф180×4。單位為㎜。4)槽鋼槽鋼（channelsteel）有普通槽鋼和輕型槽鋼，用截面符號“[”和截面高度（cm）表示，高度在20以上的槽鋼，還用字母a、b、c表示不同的腹板厚度。如[30a，稱“30號”槽鋼。號數(shù)相同的輕型槽鋼與普通槽鋼相比，其翼緣寬而薄，腹板也較薄。型鋼及規(guī)格第50頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月角鋼槽鋼鋼管型鋼及規(guī)格第51頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月5）工字鋼有普通工字鋼和輕型工字鋼。用截面符號“I”和截面高度（cm）表示，高度在20以上的普通工字鋼，用字母a、b、c表示不同的腹板厚度。如I