鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理全套PPT完整教學(xué)課件

第1章鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理概述鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理概述鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的連接受彎構(gòu)件軸心受力構(gòu)件拉彎、壓彎構(gòu)件全套PPT課件學(xué)習(xí)目標(biāo)（1）掌握鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。（2）了解鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢(shì)。（3）了解鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中可靠性的含義、極限

狀態(tài)的分類。（4）熟悉承載能力和正常使用狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式。鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用1.11.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用1.1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)5.工業(yè)化程度高6.耐腐蝕性差7.耐熱性好，但耐火性差8.低溫脆性1.自重輕而承載力高2.塑性和韌性好3.材質(zhì)均勻，最接近勻質(zhì)等向體4.密封性好

鋼結(jié)構(gòu)是由鋼板和各種型鋼等鋼制構(gòu)件連接組合而成的結(jié)構(gòu)，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用1.1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的領(lǐng)域和廣度不僅與鋼結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)有關(guān)，還受到我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況的極大影響。中華人民共和國(guó)成立初期，我國(guó)鋼產(chǎn)量每年只有十幾萬(wàn)噸，鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用受到了一定的限制。但近年來(lái)，我國(guó)鋼產(chǎn)量有了突飛猛進(jìn)的提高，鋼產(chǎn)量的增加以及鋼結(jié)構(gòu)施工、連接技術(shù)的進(jìn)步，使得鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域如下：1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用1.1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

1.大跨度結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)因具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，故最適于建造大跨度的結(jié)構(gòu)，如上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)（見(jiàn)圖1-1）、鳥巢體育館（見(jiàn)圖1-2）、國(guó)家大劇院、廣州會(huì)展中心等。拓展閱讀國(guó)家體育場(chǎng)（鳥巢）是第29屆夏季奧運(yùn)會(huì)的主體育場(chǎng)，位于北京奧林匹克公園中心區(qū)，占地20.4公頃，建筑面積25.8萬(wàn)平方米，可容納觀眾9.1萬(wàn)人。2008年，被譽(yù)為新建筑奇跡的國(guó)家體育場(chǎng)（鳥巢）見(jiàn)證了一屆無(wú)與倫比的夏季奧運(yùn)會(huì)；2015年，鳥巢又成功舉辦了世界田徑錦標(biāo)賽；2019年，亞洲文明對(duì)話大會(huì)的重點(diǎn)活動(dòng)——亞洲文化嘉年華再次將世界目光聚焦鳥巢。2022年，鳥巢還將成為北京冬奧會(huì)、冬殘奧會(huì)開(kāi)閉幕式場(chǎng)地。作為史上首個(gè)舉辦過(guò)夏季和冬季奧運(yùn)會(huì)開(kāi)閉幕式的體育場(chǎng)，鳥巢已成為代表國(guó)家形象的標(biāo)志性建筑，超越了純粹的體育或建筑概念，被賦予更加神圣而深邃的社會(huì)意義。國(guó)家體育場(chǎng)工程為特級(jí)體育建筑，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限

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年，主體建筑是由一系列鋼桁架圍繞碗狀坐席區(qū)編制而成的橢圓鳥巢外形，南北長(zhǎng)333米、東西寬296米，最高處高69米。國(guó)家體育場(chǎng)2003年12月24日開(kāi)工建設(shè)，2008年6月28日落成。

國(guó)家體育場(chǎng)坐落在由地面緩緩坡起的基座平臺(tái)上，觀眾可由奧林匹克公園沿基座平臺(tái)到達(dá)體育場(chǎng)?；眰?cè)為下沉式的熱身場(chǎng)地，通過(guò)運(yùn)動(dòng)員通道與主場(chǎng)內(nèi)的比賽場(chǎng)地連通。體育場(chǎng)基座以上部分共七層，設(shè)有觀眾服務(wù)設(shè)施、媒體工作區(qū)、貴賓接待區(qū)以及商業(yè)區(qū)等。基座以下部分共三層，設(shè)有零層內(nèi)部環(huán)路、停車場(chǎng)和大量功能用房。碗型看臺(tái)分為上、中、下三層，并在上、中層看臺(tái)之間設(shè)置包廂及其座位區(qū)。國(guó)家體育場(chǎng)在建設(shè)中采用了先進(jìn)的節(jié)能設(shè)計(jì)和環(huán)保措施，比如良好的自然通風(fēng)和自然采光、雨水的全面回收、可再生地?zé)崮茉吹睦?、太?yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用等，是名副其實(shí)的大型“綠色建筑”。國(guó)家體育場(chǎng)拓展閱讀中國(guó)國(guó)家大劇院（NationalCentreforthePerformingArtsofChina）是新“北京十六景”之一的地標(biāo)性建筑，位于北京市中心天安門廣場(chǎng)西，人民大會(huì)堂西側(cè)，由主體建筑及南北兩側(cè)的水下長(zhǎng)廊、地下停車場(chǎng)、人工湖、綠地組成。中國(guó)國(guó)家大劇院由法國(guó)建筑師保羅·安德魯主持設(shè)計(jì)，是亞洲最大的劇院綜合體。國(guó)家大劇院外觀呈半橢球形，東西方向長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為212.20米，南北方向短軸長(zhǎng)度為143.64米，建筑物高度為46.285米，占地11.89萬(wàn)平方米，總建筑面積約16.5萬(wàn)平方米，其中主體建筑10.5萬(wàn)平方米，地下附屬設(shè)施6萬(wàn)平方米，總造價(jià)30.67億元。設(shè)有歌劇院、音樂(lè)廳、戲劇場(chǎng)以及藝術(shù)展廳、餐廳、音像商店等配套設(shè)施。中國(guó)國(guó)家大劇院于1958年被定為國(guó)慶十周年十大建筑之一；2008年12月19日獲“魯班獎(jiǎng)”；2009年10月28日入選新中國(guó)成立60周年“百項(xiàng)經(jīng)典暨精品工程”。國(guó)家大劇院1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用1.1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

此外，鋼結(jié)構(gòu)還廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，尤其是大跨度的橋梁，如金門大橋、西陵長(zhǎng)江大橋、徐浦大橋（見(jiàn)圖1-3）、汕頭海灣大橋等。拓展閱讀徐浦大橋徐浦大橋（XupuBridge）是中國(guó)上海市境內(nèi)連接閔行區(qū)與浦東新區(qū)的過(guò)江通道，位于黃浦江水道之上，為上海外環(huán)高速公路組成部分之一。徐浦大橋始建于1994年4月，于1996月12日完成主梁合龍，于1997年6月24日通車運(yùn)營(yíng)；徐浦大橋西起龍吳路立交，上跨黃浦江水道，東至濟(jì)陽(yáng)跨線立交；線路全長(zhǎng)6017米，主橋全長(zhǎng)1074米，寬35.95米；橋面為雙向八車道城市快速路，工程總投資20億人民幣。整體布局徐浦大橋分別由水上主橋、陸地浦東、浦西引橋、A形橋塔、及其立交匝道組成，主橋路段呈正西至正東方向布置。徐浦大橋呈正西至正東方向布置拓展閱讀設(shè)計(jì)理念徐浦大橋建筑色彩以明快為主，在總體建筑造型力求有新意，并與南浦大橋、楊浦大橋有所區(qū)別，滿足結(jié)構(gòu)受力、使用功能要求和構(gòu)造簡(jiǎn)單、方便施工的條件下，選擇新的塔型和拉索索面型式及建筑色彩上形成新的風(fēng)格，并與四周的環(huán)境相協(xié)調(diào)。徐浦大橋建筑色彩以明快為主拓展閱讀設(shè)計(jì)特點(diǎn)徐浦大橋是上海市的第三座跨越黃浦江的特大型橋梁，主橋采用雙塔空間雙索面、邊跨砼梁與中跨鋼砼疊合梁混合型斜拉橋結(jié)構(gòu)；主梁縱向可自由移動(dòng)，橫向設(shè)有限位和抗震裝置，邊渡孔簡(jiǎn)支T梁支承載邊墩和斜拉橋邊跨尾部的端橫梁上；主塔呈A字型，基礎(chǔ)采用Φ900鋼管樁，以灰色礫中細(xì)沙或灰色粉細(xì)沙作為持力層；鋼主梁兩片為H形，鋼梁采用高強(qiáng)度螺栓現(xiàn)場(chǎng)拼接；橋面板采用C60混凝土，橋面板中設(shè)置縱向、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束；拉索采用空間扇形索面布置；岸跨采用預(yù)應(yīng)力棍凝土梁；中間的梁采用工字形斷而，邊跨梁設(shè)置縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力鋼束，選用鋼鉸線及相應(yīng)配套的各種錨具，過(guò)渡孔為預(yù)制T型簡(jiǎn)支梁。徐浦大橋一跨過(guò)江設(shè)計(jì)參數(shù)徐浦大橋線路全長(zhǎng)6017米，主橋全長(zhǎng)1070米，采用“40米（過(guò)渡孔）+40米+3X39米+45米+590米（中跨）+45米+3X39米+40米+40米（過(guò)渡孔）”跨徑布置，中間設(shè)半徑12000米的豎曲線，橋面縱坡3.5%，橋面橫坡2%；橋面寬度為35.95米，過(guò)渡孔總寬33.95米；主塔高221米，斷面尺寸為順橋向長(zhǎng)13.0至9.0米，橫橋向?qū)?.3至5.0米，壁厚0.0至1.6米；全橋共有240根斜拉索，梁上標(biāo)準(zhǔn)索距：中跨9.0米，邊跨6.5米，塔上索距2.1米；大橋主路段為雙向八車道城市快速路，采用一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)。1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用1.1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

2.大型、重型工業(yè)廠房當(dāng)廠房的柱距和跨度都比較大時(shí)，一般設(shè)有重級(jí)工作制吊車，往往還要承受動(dòng)力荷載，因此宜采用鋼柱、鋼屋架、鋼吊車梁等構(gòu)件。寶山鋼鐵公司的很多車間、各冶金工廠及重型機(jī)器制造廠的車間等，如圖1-4所示。1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用1.1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

3.高層建筑

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的高層建筑不僅如雨后春筍般拔地而起，而且也越來(lái)越高，使鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中得到廣泛的應(yīng)用，如深圳地王大廈（見(jiàn)圖1-5）、上海金茂大廈（見(jiàn)圖1-6）、上海環(huán)球金融中心等。拓展閱讀上海環(huán)球金融中心像一塊強(qiáng)有力的“磁石”，具有磁引力、能形成磁流、產(chǎn)生磁影響、指引前進(jìn)的方向。這里吸引著兼具成長(zhǎng)意識(shí)和變革魄力的引導(dǎo)世界潮流的專業(yè)人士，他們?cè)谶@里相聚相會(huì)、溝通交流、運(yùn)用新的信息，產(chǎn)生通向未來(lái)的新價(jià)值和可能。磁石周圍無(wú)形的磁場(chǎng)形成“磁流”，信息與金融兩大潮流于此匯合分流。經(jīng)濟(jì)與文化、東方與西方、知識(shí)與潛能等多種“磁流”在此相遇、交匯，促成積極的對(duì)話，形成推動(dòng)時(shí)代發(fā)展的新潮流。磁石會(huì)對(duì)周圍產(chǎn)生磁影響。上海環(huán)球金融中心是一座能吸引全球權(quán)威人士匯聚于此，啟迪無(wú)限智慧，孕育多樣文化的“城市”，形成一股向周邊發(fā)散的影響力。磁石也可以作為指南針指引前進(jìn)的方向。在這里誕生的磁力，可以為上海、中國(guó)、亞洲乃至全世界，指引一條更加美好的未來(lái)之路。這就是上海環(huán)球金融中心的追求。上海環(huán)球金融中心1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用1.1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

4.高聳結(jié)構(gòu)高聳結(jié)構(gòu)包括高壓輸電線路塔、變電架構(gòu)、廣播和電視發(fā)射塔、桅桿等。這些結(jié)構(gòu)主要承受風(fēng)荷載，而鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面小、輕質(zhì)高強(qiáng)，便于安裝施工，能夠取得較大的降級(jí)效益。例如，2009年竣工的廣州新電視塔，高達(dá)600m。

5.可拆卸或移動(dòng)的結(jié)構(gòu)流動(dòng)式的展館及建筑工地的臨時(shí)房屋等，最適宜采用鋼結(jié)構(gòu)。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)便于裝配、拆卸和搬遷。拓展閱讀廣州塔（英語(yǔ)：CantonTower）又稱廣州新電視塔，昵稱小蠻腰。位于廣州市海珠區(qū)（藝洲島）赤崗塔附近，距離珠江南岸125米，與珠江新城、花城廣場(chǎng)、海心沙島隔江相望。廣州塔塔身主體高454米，天線桅桿高146米，總高度600米。是中國(guó)第一高塔，世界第二高塔，僅次于東京晴空塔，是國(guó)家AAAA級(jí)旅游景區(qū)。廣州塔塔身168~334.4米處設(shè)有“蜘蛛俠棧道”，是世界最高最長(zhǎng)的空中漫步云梯。塔身422.8米處設(shè)有旋轉(zhuǎn)餐廳，是世界最高的旋轉(zhuǎn)餐廳。塔身頂部450~454米處設(shè)有摩天輪，是世界最高摩天輪。天線桅桿455~485米處設(shè)有“極速云霄”速降游樂(lè)項(xiàng)目，是世界最高的垂直速降游樂(lè)項(xiàng)目。天線桅桿488米處設(shè)有戶外攝影觀景平臺(tái)，是世界最高的戶外觀景平臺(tái)，超越了迪拜哈利法塔的442米室外觀景平臺(tái)，以及加拿大國(guó)家電視塔447米的“天空之蓋”的高度。廣州塔隸屬?gòu)V州城投集團(tuán)，由廣州市建筑集團(tuán)有限公司和上海建工集團(tuán)負(fù)責(zé)施工，總建筑面積114054平方米，2009年9月竣工，2010年9月30日正式對(duì)外開(kāi)放，2010年10月1日正式公開(kāi)售票接待游客。廣州塔有5個(gè)功能區(qū)和多種游樂(lè)設(shè)施，包括戶外觀景平臺(tái)、摩天輪、極速云霄游樂(lè)項(xiàng)目，有2個(gè)觀光大廳，有懸空走廊，天梯，4D和3D動(dòng)感影院，中西美食，會(huì)展設(shè)施，購(gòu)物商場(chǎng)及科普展示廳。2018年春節(jié)花城廣場(chǎng)燈光音樂(lè)會(huì)于2月13日至3月2日每晚舉辦

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，每半小時(shí)以廣州塔為中心，珠江兩岸和新中軸線夜景為背景，聯(lián)動(dòng)花城廣場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)音樂(lè)上演大型城市燈光表演，打造節(jié)日視覺(jué)盛宴。廣州新電視塔1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用1.1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

6.輕型鋼結(jié)構(gòu)門式剛架結(jié)構(gòu)及薄壁型鋼組成的輕型鋼結(jié)構(gòu)（如輕型屋面的鋼屋架等）具有自重輕、建造速度快、用鋼量省等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。

7.容器和管道鋼材因強(qiáng)度高、韌性好且密閉性良好，故廣泛用于高壓氣罐和管道、煤氣罐、鍋爐等。

8.其他結(jié)構(gòu)

運(yùn)輸通廊、各種管道支架、海上鉆探平臺(tái)、城市的人行過(guò)街天橋等，通常也都采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.21.2

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.2.1鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程

人類采用鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史和煉鐵、煉鋼技術(shù)的發(fā)展關(guān)系密切，對(duì)于一個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)，還和本國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量有關(guān)。我國(guó)是最早用鐵建造承重結(jié)構(gòu)的國(guó)家。早在秦始皇時(shí)代（公元前200多年），就已經(jīng)用鐵建造橋墩。在公元前六七十年，就成功地用熟鐵建造鐵鏈橋。1696年，我國(guó)采用鑄鐵建成了著名的四川瀘定大渡河鏈橋，其由9根橋面鐵鏈和4根橋欄鐵鏈構(gòu)成，凈跨長(zhǎng)達(dá)100m，橋?qū)?.8m。無(wú)論是工程規(guī)模還是施工技術(shù)，我國(guó)當(dāng)時(shí)都處于世界領(lǐng)先水平。

此外，我國(guó)古代還建造了不少鐵塔。例如，湖北荊州玉泉寺鐵塔，共13層，高17.9m，位于湖北當(dāng)陽(yáng)城西15km的玉泉山東麓，始建于北宋嘉祐六年（1061年），為我國(guó)歷代著名的佛教寺院之一；江蘇省鎮(zhèn)江的甘露寺鐵塔；山東濟(jì)寧寺鐵塔；等等。這些古代建筑物都表明了我國(guó)在冶金技術(shù)方面具有較高水平。

中華人民共和國(guó)成立后，我國(guó)各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)都有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，冶金工業(yè)的飛速發(fā)展和鋼鐵產(chǎn)能的急劇增長(zhǎng)，為我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展提供了良好的條件。拓展閱讀玉泉寺鐵塔位于湖北省當(dāng)陽(yáng)縣城西15公里的覆船山東麓玉泉寺門前，全稱“如來(lái)舍利寶塔”，又稱當(dāng)陽(yáng)鐵塔。始建于北宋嘉祐六年（公元1061年），由玉泉寺僧務(wù)本禪師領(lǐng)工鑄建，它是我國(guó)目前最高（七丈十三層）、最重（十萬(wàn)六千六百斤）和保存最完整的鐵塔。工藝精湛，造型挺秀典雅。1982年定為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。玉泉鐵塔寺1.2

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.2.1鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程

在建筑方面，第一個(gè)五年計(jì)劃期間，我國(guó)很快出現(xiàn)了自己的鋼鐵冶金企業(yè)、重型機(jī)器制造業(yè)、汽車制造工業(yè)、動(dòng)力設(shè)備制造工業(yè)及一些輕化工業(yè)等。在這些建設(shè)事業(yè)中，很多廠房都采用了規(guī)模巨大的鋼結(jié)構(gòu)，其中主要恢復(fù)和擴(kuò)建了鞍山鋼鐵公司、武漢鋼鐵公司和大連船廠等，新建了富拉爾基重型機(jī)器制造廠、長(zhǎng)春汽車制造廠、哈爾濱和四川的三大動(dòng)力廠、洛陽(yáng)拖拉機(jī)廠及一些飛機(jī)制造廠，等等。武漢長(zhǎng)江大橋、漢陽(yáng)鐵路橋都是在這一時(shí)期建造的，這一時(shí)期是我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展時(shí)期。

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展有賴于鋼產(chǎn)量的提高，我國(guó)的冶金工業(yè)雖然在中華人民共和國(guó)成立后有了很大的發(fā)展，但是產(chǎn)量并不高，使得鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的采用受到了客觀條件的限制。20世紀(jì)60年代，為節(jié)約鋼材，只在必須采用鋼結(jié)構(gòu)的重要或重型建筑中才采用鋼結(jié)構(gòu)，如1959年建成的人民大會(huì)堂，鋼屋架的跨度達(dá)60.9m；1961年建成的北京工人體育館（見(jiàn)圖1-7），屋蓋采用了94m直徑的懸索結(jié)構(gòu)；1965年建成的廣州塔（見(jiàn)圖1-8），塔身主體高454m。還有1968年建成的南京長(zhǎng)江大橋，1973年建成的上海萬(wàn)人體育館。1.2

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.2.1鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程

黨的十一屆三中全會(huì)以來(lái)，國(guó)家將工作重心轉(zhuǎn)移到經(jīng)濟(jì)建設(shè)上來(lái)。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展和鋼產(chǎn)量的提高，鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)建設(shè)事業(yè)中得到了更加廣泛的應(yīng)用。我國(guó)陸續(xù)建成了一批世界著名的高層建筑，如1998年建成的上海金茂大廈，高達(dá)420.5m；2008年建成的上海環(huán)球金融中心，高492m；2016年竣工的上海中心大廈，高632m。這些高層建筑標(biāo)志著我國(guó)超高層鋼結(jié)構(gòu)已進(jìn)入世界前列。1.2

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.2.2鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)正處于迅速發(fā)展的前期，可以預(yù)計(jì)今后我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.研發(fā)和推廣應(yīng)用高效鋼材

使用高強(qiáng)度和高質(zhì)量鋼材，可有效減輕結(jié)構(gòu)自重，對(duì)結(jié)構(gòu)十分有利。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017—2017）規(guī)定鋼材宜采用Q235、Q345、Q390、Q420、Q460及Q345GJ鋼，它在原有《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017—2003）的基礎(chǔ)上增列了近年來(lái)已成功使用的Q460鋼及《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》（GB/T19879—2015）中的建筑結(jié)構(gòu)用鋼板（簡(jiǎn)稱GJ鋼板）。在我國(guó)標(biāo)志性建筑［如國(guó)家體育場(chǎng)（鳥巢）、中央電視臺(tái)總部大樓、首都新機(jī)場(chǎng)、上海環(huán)球金融中心等］的重要構(gòu)件中，建筑結(jié)構(gòu)用鋼板和在厚度方向上具有抗層狀撕裂性能的厚鋼板（簡(jiǎn)稱Z向鋼板）均有應(yīng)用，如Q460GJEZ35、Q390GJEZ25、Q345GJDZ15、Q345GJDZ25。

鋼構(gòu)件的應(yīng)用由傳統(tǒng)型鋼（如工字鋼、槽鋼、角鋼）向新型H型鋼、T型鋼轉(zhuǎn)變。此外，冷彎薄壁型鋼、熱鍍鋅或鍍鋁鋅鋼板、耐候鋼、耐火鋼，以及高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度低合金冷彎型鋼的市場(chǎng)需求不斷增多，市場(chǎng)前景將十分廣闊。拓展閱讀中央電視臺(tái)總部大樓（CCTVHeadquarters），位于北京市朝陽(yáng)區(qū)東三環(huán)中路32號(hào)，地處北京商務(wù)中心區(qū)（CBD），比鄰北京國(guó)貿(mào)大廈。園區(qū)共由三個(gè)建筑物組成：位于西南側(cè)的中央電視臺(tái)總部大樓（主樓）、位于西北側(cè)的電視文化中心（北配樓）以及位于東北角的能源服務(wù)中心。中央電視臺(tái)總部大樓占地面積18.7萬(wàn)平方米，總建筑面積約55萬(wàn)平方米，其中主樓為兩棟分別為52層234米高和44層194米高的塔樓組成，設(shè)10層裙樓，并由在162米高空大跨度外伸，高14層重1.8萬(wàn)噸的鋼結(jié)構(gòu)大懸臂相交對(duì)接，總用鋼量達(dá)14萬(wàn)噸。北配樓高159米，主樓為30層，裙樓為5層。于2004年10月21日動(dòng)工建設(shè)，2012年5月16日全部竣工交付使用。中央電視臺(tái)總部大樓于2007年12月24日被美國(guó)《時(shí)代》周刊雜志評(píng)選為2007年世界十大建筑奇跡之一；2013年11月7日獲世界高層都市建筑學(xué)會(huì)（CTBUH）“2013年度全球最佳高層建筑獎(jiǎng)”；2014年4月入圍十大當(dāng)代建筑之一。中央電視臺(tái)總部大樓1.2

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.2.2鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

2.改進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法在構(gòu)件設(shè)計(jì)上仍采用當(dāng)前國(guó)際上最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法——以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，但由這個(gè)方法計(jì)算出的可靠度只是構(gòu)件或某一截面的可靠度，而不是整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的可靠度，其整體性能的研究方法有待發(fā)展。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算，由于疲勞極限狀態(tài)的概念還不夠確切，對(duì)各種有關(guān)因素的研究還不夠，因此只能沿用傳統(tǒng)的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮優(yōu)化理論的應(yīng)用與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及繪圖都得到很大的發(fā)展。1.2

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.2.2鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)3.應(yīng)用新型鋼結(jié)構(gòu)形式今后，鋼結(jié)構(gòu)將在超高層、大跨度及特種結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，這對(duì)鋼結(jié)構(gòu)形式提出了更高的要求，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等新型鋼結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用也將更為廣泛。（1）預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)承受荷載前對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用一定的方法（如鋼索張拉法、支座位移法、彈性變形法等）預(yù)加初應(yīng)力，從而提高結(jié)構(gòu)的承載力，改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。目前，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在大跨度建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如，1994年建成的攀枝花市體育館采用的是預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼屋蓋，2011年建成的內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯體育中心采用的是巨拱、預(yù)應(yīng)力鋼索加空間桁架結(jié)構(gòu)體系穹頂屋蓋。在高層建筑中也有采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)例，如南非約翰內(nèi)斯堡市的發(fā)展銀行大樓、北京電視中心綜合業(yè)務(wù)樓及北京新保利大廈等。在橋梁結(jié)構(gòu)方面，預(yù)應(yīng)力應(yīng)用得也比較多，國(guó)內(nèi)外許多懸索橋、斜拉橋都是預(yù)應(yīng)力技術(shù)成熟的工程實(shí)踐成果。1.2

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.2.2鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

（2）空間結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，以網(wǎng)架和網(wǎng)殼為代表的空間結(jié)構(gòu)有較大發(fā)展，不僅用于民用建筑，而且廣泛用于工業(yè)廠房、機(jī)庫(kù)、體育館、展覽中心、大劇院等，如北京奧運(yùn)會(huì)國(guó)家體育館、上海世博會(huì)場(chǎng)、廣州亞運(yùn)會(huì)體育場(chǎng)館等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前網(wǎng)架和網(wǎng)殼的生產(chǎn)已趨于平穩(wěn)狀態(tài)，每年大約250×104m2。

懸索結(jié)構(gòu)是以一系列受拉的索為主要承重構(gòu)件，這些索按一定規(guī)律組成各種不同形式的體系懸掛在邊緣構(gòu)件或支承構(gòu)件上而形成的一種空間結(jié)構(gòu)。懸索結(jié)構(gòu)形式多樣、布置靈活，能適應(yīng)多種建筑平面，可充分利用鋼材的強(qiáng)度，最大限度地利用材料，用鋼量很低。目前，懸索結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的加工技術(shù)和錨固系統(tǒng)已經(jīng)比較完善，預(yù)應(yīng)力張拉工藝及控制技術(shù)也非常成熟，但在我國(guó)房屋建筑方面的應(yīng)用還較少，還需做進(jìn)一步的推廣。

（3）膜結(jié)構(gòu)。膜結(jié)構(gòu)是用高強(qiáng)度柔性薄膜材料與支撐體系相結(jié)合形成具有一定剛度的穩(wěn)定曲面，能承受一定外荷載的空間結(jié)構(gòu)形式。其造型自由輕巧、安裝快捷、易于使用。膜結(jié)構(gòu)重量輕，自重為0.02~0.15kN/m2，抗拉強(qiáng)度高，可達(dá)1400kN/m2。膜結(jié)構(gòu)可分為充氣膜結(jié)構(gòu)和張拉膜結(jié)構(gòu)。前者是通過(guò)不斷充氣使膜結(jié)構(gòu)內(nèi)外保持一定的壓力差，以保證膜結(jié)構(gòu)體系的剛度，維持所設(shè)計(jì)的形狀。后者是通過(guò)柱及鋼架支承鋼索張拉成型。1.2

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.2.2鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

（4）組合結(jié)構(gòu)。將混凝土和鋼材兩者組合在一起共同受力，發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，可有效節(jié)約材料。鋼與混凝土的組合結(jié)構(gòu)主要有壓型鋼板與混凝土組合板、鋼與混凝土組合梁、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)五大類。

壓型鋼板與混凝土組合板（見(jiàn)圖1-9）是在壓型鋼板上澆灌混凝土，壓型鋼板既可以作為現(xiàn)澆混凝土的永久性模板，又可以作為樓板的底筋使用，這種結(jié)構(gòu)一般用于高層建筑的組合樓蓋。1.2

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.2.2鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

鋼與混凝土組合梁是將鋼梁與鋼筋混凝土翼板通過(guò)抗剪連接件（圓柱頭焊釘或槽鋼）相連在一起共同工作，形成T形梁。按照混凝土翼板的類型來(lái)分，鋼與混凝土組合梁有現(xiàn)澆混凝土板組合梁（見(jiàn)圖1-10）、預(yù)應(yīng)力混凝土板組合梁、壓型鋼板組合梁（見(jiàn)圖1-11）等。在鋼與混凝土組合梁中，混凝土受壓，鋼梁主要受拉與受剪，受力合理，并且側(cè)向剛度大的混凝土板與鋼梁連接在一起，很大程度上克服了鋼結(jié)構(gòu)容易發(fā)生整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)的弱點(diǎn)。1.2

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.2.2鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)又稱鋼骨混凝土或勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，是在混凝土中主要配置型鋼并配有一定縱向鋼筋和箍筋的結(jié)構(gòu)。其中，型鋼可軋制也可焊接，一般在大型建筑中經(jīng)常配置焊接型鋼，可靈活選擇各個(gè)板件的寬度和厚度。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的截面形式如圖1-12所示。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)省了大量鋼材，不僅強(qiáng)度和剛度明顯增加，而且延性獲得了很大的提高，是一種抗震性能很好的結(jié)構(gòu)，尤其適用于地震區(qū)。1.2

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.2.2鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在鋼管內(nèi)填充混凝土而形成的結(jié)構(gòu)。在鋼管內(nèi)可以配置鋼筋，也可以只填充混凝土。按截面形式的不同，鋼管混凝土可分為圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土。由于柱中混凝土被鋼管約束，能很好地共同工作，因此鋼管混凝土的整體強(qiáng)度大大提高，并且具有良好的塑性和韌性。

外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)是在外部配置型鋼的混凝土結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1-13）。構(gòu)件中的受力主筋一般由角鋼代替并設(shè)置在構(gòu)件四角，角鋼的外表面與混凝土表面取平，或稍突出混凝土表面，橫向箍筋與角鋼焊成骨架，為了滿足箍筋保護(hù)層厚度的要求，可將箍筋兩端墩成球形，再與角鋼內(nèi)側(cè)焊接，橫向箍筋也可用小角鋼代替。這種結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單、連接方便、承載能力高、延性高、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好，耐火性比鋼結(jié)構(gòu)好，但也存在一些缺點(diǎn)，如角鋼外露、鋼材易發(fā)生腐蝕。1.2

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.2.2鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.31.3鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.1結(jié)構(gòu)的功能要求結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，應(yīng)滿足安全性、適用性、耐久性等功能要求。

1.安全性結(jié)構(gòu)在正常施工和正常使用時(shí)，應(yīng)能承受可能出現(xiàn)的各種荷載及外部作用，以及在偶然事件發(fā)生時(shí)和發(fā)生后，能保持必需的整體穩(wěn)定性。

2.適用性結(jié)構(gòu)在正常使用時(shí)有良好的工作性能，能滿足預(yù)定的使用要求。

3.耐久性結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)的情況下，材料性能雖隨時(shí)間變化，但仍能滿足預(yù)定功能要求。1.3

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.2結(jié)構(gòu)的作用及抗力

結(jié)構(gòu)在施工和使用期內(nèi)，除了自重外，還需要承受人群活荷載、設(shè)備機(jī)械荷載，以及風(fēng)、雪、地震、溫度等其他作用。這些使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形的原因統(tǒng)稱為作用。施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或均布力稱為直接作用，即我們常說(shuō)的荷載。引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的其他原因，稱為間接作用，包括地震、溫度變化、基礎(chǔ)不均勻沉降等。

施加于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的若干種作用所引起的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力和變形，稱為作用效應(yīng)，習(xí)慣也常稱為荷載效應(yīng)，如彎矩、軸力、剪力、撓度等。作用效應(yīng)取決于作用的方式、支承條件、構(gòu)件的集合參數(shù)等。作用和作用效應(yīng)都具有不確定性，是隨機(jī)變量。

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力，稱為抗力。它與材料性能、構(gòu)件截面幾何參數(shù)、計(jì)算模式等因素有關(guān)。結(jié)構(gòu)由于構(gòu)件的制造誤差、安裝誤差、生產(chǎn)工藝等的影響，其抗力具有不確定性，因此也是隨機(jī)變量。1.3

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.3結(jié)構(gòu)的可靠性和可靠度

結(jié)構(gòu)的可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力。這種能力既取決于結(jié)構(gòu)的作用和作用效應(yīng)，也取決于結(jié)構(gòu)的抗力。

結(jié)構(gòu)的可靠度是對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間（設(shè)計(jì)使用年限）內(nèi)和規(guī)定的條件下（正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用）完成預(yù)定功能的概率。1.3

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.4極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法除疲勞計(jì)算外，我國(guó)采用的是以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，它是由結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變而來(lái)的。如果直接按照可靠指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)很多設(shè)計(jì)工作者來(lái)說(shuō)太過(guò)復(fù)雜，為此《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017—2017）規(guī)定采用分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。1.3

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.4極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法

1.結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)

整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)是結(jié)構(gòu)滿足某一特定功能的臨界狀態(tài)。對(duì)于結(jié)構(gòu)的各種極限狀態(tài)均應(yīng)規(guī)定明確的標(biāo)志和限值，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。（1）承載能力極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)應(yīng)包括：構(gòu)件或連接的強(qiáng)度破壞、脆性斷裂，因過(guò)度變形而不適用于繼續(xù)承載，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系和結(jié)構(gòu)傾覆。

承載能力極限狀態(tài)大體來(lái)說(shuō)是指三種情況：一是指某一截面或連接部位的應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度；二是指構(gòu)件整體失去穩(wěn)定性；三是指構(gòu)件或連接雖未出現(xiàn)破壞但產(chǎn)生了不適于繼續(xù)承載的變形。1.3

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.4極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法

（2）正常使用極限狀態(tài)。這種極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值。正常使用極限狀態(tài)應(yīng)包括：影響結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用或外觀變形，影響正常使用的振動(dòng)，影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括混凝土裂縫）。

由以上可知，結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)考慮了結(jié)構(gòu)的安全性功能，若結(jié)構(gòu)超過(guò)承載能力極限狀態(tài)，則可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全性，甚至發(fā)生破壞，造成生命財(cái)產(chǎn)的損失。而結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)考慮了結(jié)構(gòu)的適用性和耐久性，即使結(jié)構(gòu)超出正常使用極限狀態(tài)，也不會(huì)威脅結(jié)構(gòu)的安全。因此，對(duì)承載能力極限狀態(tài)的失效概率的控制比正常使用極限狀態(tài)更為嚴(yán)格。1.3

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.4極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法

2.承載能力極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)表達(dá)式按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的基本組合，必要時(shí)尚應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的偶然組合，并應(yīng)采用下列設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

式中，γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)安全等級(jí)為一級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.1，對(duì)安全等級(jí)為二級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.0，對(duì)安全等級(jí)為三級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為5年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于0.9；Sd為荷載基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；Rd為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計(jì)值。荷載基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sd在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中習(xí)慣用應(yīng)力表達(dá)，對(duì)于承載能力極限狀態(tài)，Sd應(yīng)按下列極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式中的最不利值確定。1.3

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.4極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法由可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值：由永久荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值：1.3

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.4極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法

式中，γG為永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，對(duì)由可變荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.2，對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.35，當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)，不應(yīng)大于1.0；γQ1、γQi為第1個(gè)和第i個(gè)可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，一般情況下應(yīng)取1.4，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載，應(yīng)取1.3；σGk為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)值；σQ1k為基本組合中起控制作用的一個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；σQik為第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；ψci為可變荷載Qi的組合值系數(shù)，對(duì)民用建筑樓、屋面均布活荷載，一般取0.7，具體可查閱《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012）；f為結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（見(jiàn)表1-1和表1-2）；fk為材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值；γR為抗力分項(xiàng)系數(shù)（見(jiàn)表1-3和表1-4）。1.3

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.4極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法1.3

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.4極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法續(xù)表1.3

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.4極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法1.3

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.4極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法

對(duì)于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，由可變荷載效應(yīng)控制的組合可采用下列簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)表達(dá)式與式（1-3）同時(shí)使用。1.3

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.4極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法

3.正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)表達(dá)式按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，對(duì)鋼與混凝土組合梁，尚應(yīng)考慮準(zhǔn)永久組合，并應(yīng)采用下列設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

式中，C為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用要求的規(guī)定限值，如變形、裂縫、振幅等的限值。

（1）荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sd應(yīng)按式（1-6）計(jì)算。

式中，SGk為永久荷載的標(biāo)準(zhǔn)值Gk在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；SQ1k為起控制作用的第1個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Q1k在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；SQik為其他的第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qik在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；S為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中的容許變形值。1.3

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3.4極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法（2）荷載準(zhǔn)永久組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sd應(yīng)按式（1-7）計(jì)算。

式中，ψqi為第i個(gè)可變荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)，具體可查閱《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012）。思考與練習(xí)

（1）與其他結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)有哪些特點(diǎn)？

（2）在我國(guó)，鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？

（3）高效鋼材包括哪些種類？

（4）分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式中分項(xiàng)符號(hào)的含義是什么？

（5）結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)包括哪些計(jì)算內(nèi)容？正常使用極限狀態(tài)包括哪些計(jì)算內(nèi)容？

（6）某鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，主梁上的結(jié)構(gòu)自重為5kN/m，檢修時(shí)可能產(chǎn)生的最大活荷載為18kN/m，跨度為8m，主梁按兩端簡(jiǎn)支條件，求該梁跨中的彎矩設(shè)計(jì)值。THANKYOU感謝觀看第2章鋼結(jié)構(gòu)的材料學(xué)習(xí)目標(biāo)Hereyourtitle（1）了解鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的基本要求。（2）掌握鋼材的主要性能，以及影響鋼材性能

和脆性破壞的主要因素。（3）了解鋼材的兩種破壞形式。（4）了解鋼結(jié)構(gòu)疲勞的基本概念、影響疲勞強(qiáng)

度的主要因素、疲勞的計(jì)算方法。（5）掌握建筑用鋼材的種類、規(guī)格和表示方法。（6）了解鋼結(jié)構(gòu)材料的選用原則。鋼結(jié)構(gòu)材料概述2.12.1

鋼結(jié)構(gòu)材料概述

建筑鋼結(jié)構(gòu)承受著各種荷載，且工作環(huán)境和情況各不相同?？傮w來(lái)說(shuō)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材性能有以下要求：

1.較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度是衡量鋼材承載能力的指標(biāo)。屈服強(qiáng)度高可以減小構(gòu)件的截面，從而減輕結(jié)構(gòu)自重、節(jié)約鋼材、降低造價(jià)?？估瓘?qiáng)度是衡量鋼材極限抗拉能力的指標(biāo)，它直接反映了鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣。抗拉強(qiáng)度高可以增加鋼材的安全保障。

2.良好的塑性和韌性鋼材塑性好，能在結(jié)構(gòu)破壞前產(chǎn)生明顯的塑形變形，不易發(fā)生脆性破壞，同時(shí)還能調(diào)整局部應(yīng)力高峰，使應(yīng)力重分布且趨于均勻；韌性好的鋼材具有較強(qiáng)的抵抗脆性破壞的能力，有利于承受動(dòng)力荷載。2.1

鋼結(jié)構(gòu)材料概述

3.良好的加工和可焊性能鋼結(jié)構(gòu)使用的鋼材具有良好的加工和可焊性能是指鋼材在經(jīng)過(guò)多道工序（冷加工、熱加工、焊接等）后，其材料性能（強(qiáng)度、塑性、韌性等）不會(huì)發(fā)生明顯的改變，否則會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

4.專用的特種性能專用的特種性能主要是指鋼材的耐候性、耐火性、Z向性能（鋼板沿厚度方向的受力性能，即抗層狀撕裂性能）。在露天工作環(huán)境或有害介質(zhì)作用下，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有較高的防腐要求，對(duì)重要鋼結(jié)構(gòu)建筑物還有較高的防火要求。若鋼材自身具有耐候性、耐火性，則有利于鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。對(duì)厚度較大的鋼板（如高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中的鋼板）有Z向性能要求，即沿厚度方向具有抗層狀撕裂的能力。鋼材的主要性能2.22.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學(xué)性能和工藝性能

1.強(qiáng)度鋼材的主要強(qiáng)度指標(biāo)和變形性能是根據(jù)靜載單向拉伸試驗(yàn)確定的。將標(biāo)準(zhǔn)試件（見(jiàn)圖2-1，l0/d=5或10）在常溫（20℃±5℃）下緩慢勻速加載，一次完成，可得到鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）曲線，由此曲線可獲得許多鋼材性能的信息。2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學(xué)性能和工藝性能低碳鋼（碳含量不大于0.25%）單向拉伸試驗(yàn)的σ-ε曲線如圖2-2所示。拓展閱讀低碳鋼（mildsteel）為碳含量低于0.25%的碳素鋼，因其強(qiáng)度低、硬度低而軟，故又稱軟鋼。它包括大部分普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和一部分優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，大多不經(jīng)熱處理用于工程結(jié)構(gòu)件，有的經(jīng)滲碳和其他熱處理用于要求耐磨的機(jī)械零件。低碳鋼退火組織為鐵素體和少量珠光體，其強(qiáng)度和硬度較低，塑性和韌性較好。因此，其冷成形性良好，可采用卷邊、折彎、沖壓等方法進(jìn)行冷成形。這種鋼還具有良好的焊接性。含碳量從0.10%至0.30%低碳鋼易于接受各種加工如鍛造，焊接和切削，常用于制造鏈條、鉚釘、螺栓、軸等。低碳鋼退火組織為鐵素體和少量珠光體，其強(qiáng)度和硬度較低，塑性和韌性較好。因此，其冷成形性良好可采用卷邊、折彎、沖壓等方法進(jìn)行冷成形。這種鋼材具有良好的焊接性。碳含量很低的低碳鋼硬度很低，切削加工性不佳，正火處理可以改善其切削加工性。低碳鋼有較大的時(shí)效傾向，既有淬火時(shí)效傾向，還有形變時(shí)效傾向。當(dāng)鋼從高溫較快冷卻時(shí)，鐵素體中碳、氮處于過(guò)飽和狀態(tài)，它在常溫也能緩慢地形成鐵的碳氮物，因而鋼的強(qiáng)度和硬度提高，而塑性和韌性降低，這種現(xiàn)象稱為淬火時(shí)效。低碳鋼即使不淬火而空冷也會(huì)產(chǎn)生時(shí)效。低碳鋼經(jīng)形變產(chǎn)生大量位錯(cuò)，鐵素體中的碳、氮原子與位錯(cuò)發(fā)生彈性交互作用，碳、氮原子聚集在位錯(cuò)線周圍。這種碳、氮原子與位錯(cuò)線的結(jié)合體稱歲柯氏氣團(tuán)（柯垂耳氣團(tuán)）。它會(huì)使鋼的強(qiáng)度和硬度提高而塑性和韌性降低，這種現(xiàn)象稱為形變時(shí)效。形變時(shí)效比淬火時(shí)效對(duì)低碳鋼的塑性和韌性有更大的危害性，在低碳鋼的拉伸曲線上有明顯的上、下兩個(gè)屈服點(diǎn)。自上屈服點(diǎn)出現(xiàn)直到屈服延伸結(jié)束，在試樣表面出現(xiàn)由于不均勻變形而形成的表面皺褶帶，稱為呂德斯帶。不少?zèng)_壓件往往因此而報(bào)廢。其防止方法有兩種。一種高預(yù)形變法，預(yù)形變的鋼放置一段時(shí)間后沖壓時(shí)也會(huì)產(chǎn)生呂德斯帶，因此預(yù)形變的鋼在沖壓之前放置時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。另一種是鋼中加入鋁或鈦，使其與氮形成穩(wěn)定的化合物，防止形成柯氏氣團(tuán)引起的形變時(shí)效。低碳鋼低碳鋼拉伸試驗(yàn)2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學(xué)性能和工藝性能

低碳鋼的σ-ε曲線有明顯屈服點(diǎn)。該曲線可以分為4個(gè)階段：

（1）彈性段（OB段）。OB段為一直線，材料處于彈性狀態(tài)，此階段的變形稱為彈性變形。應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比值為常數(shù)，E=σ/ε，E稱為彈性鋼材的彈性模量，一般可取值為2.06×105MPa。彈性模量反映鋼材抵抗彈性變形的能力。

（2）彈塑性段（BD段）。應(yīng)力超過(guò)B點(diǎn)后，材料開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形，應(yīng)力與應(yīng)變不再成正比關(guān)系，應(yīng)力的增長(zhǎng)滯后于應(yīng)變的增長(zhǎng)，σ-ε曲線上下波動(dòng)，應(yīng)力逐漸趨于平穩(wěn)，應(yīng)變迅速增加，直到D點(diǎn)，這就是鋼材的屈服階段。屈服階段曲線的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別稱為上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度，因?yàn)橄虑?qiáng)度較穩(wěn)定，容易測(cè)定，所以取之為屈服點(diǎn)fy。在拉伸過(guò)程中無(wú)明顯屈服臺(tái)階的鋼材（如經(jīng)熱處理的制造高強(qiáng)度螺栓的鋼材，見(jiàn)圖2-3），塑性變形小，設(shè)計(jì)時(shí)取相當(dāng)于殘余變形為0.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為屈服點(diǎn)，這稱為條件屈服點(diǎn)或名義屈服點(diǎn)。低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學(xué)性能和工藝性能

鋼材所受力大于屈服點(diǎn)之后，會(huì)出現(xiàn)較大的變形，已不能滿足使用要求。因此，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般取fy作為鋼材強(qiáng)度取值的依據(jù)。fy是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的重要指標(biāo)。2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學(xué)性能和工藝性能

（3）強(qiáng)化段（DU段）。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度后，鋼材的內(nèi)部組織發(fā)生了改變，鋼材得到強(qiáng)化，鋼材抵抗塑性變形的能力部分恢復(fù)，隨著荷載的增加，σ緩慢增大，但ε增加較快。曲線最高點(diǎn)處的應(yīng)力fu稱為抗拉強(qiáng)度或極限強(qiáng)度。

fu是鋼材在破壞前所能承受的最大應(yīng)力，它可以直接反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣，同時(shí)還可以作為鋼材的強(qiáng)度儲(chǔ)備。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)采用塑性設(shè)計(jì)時(shí)，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017—2017）規(guī)定鋼材應(yīng)滿足屈強(qiáng)比2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學(xué)性能和工藝性能

（4）頸縮破壞階段（UF段）。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到fu時(shí)，試件被拉長(zhǎng)，斷面急劇縮小，荷載下降，直至斷裂。

通過(guò)靜力拉伸試驗(yàn)可見(jiàn)，在fy之前，ε很小；在fy之后，ε急劇增長(zhǎng)。因此，通常將σ達(dá)到fy之前的材料視為完全弾性體，將σ超過(guò)fy之后的材料視為完全塑性材料，從而將鋼材視為理想的彈-塑性材料。理想的彈-塑性材料的σ-ε曲線如圖2-4所示。2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學(xué)性能和工藝性能

2.塑性

塑性是指鋼材破壞前產(chǎn)生塑性變形的能力。通過(guò)靜力拉伸試驗(yàn)可得到衡量塑性的兩個(gè)指標(biāo)：伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ。伸長(zhǎng)率δ等于試件斷裂前的永久變形（及伸長(zhǎng)值）與原標(biāo)定長(zhǎng)度的百分比。試件有兩種標(biāo)距（l0/d=5和l0/d=10），相應(yīng)的伸長(zhǎng)率用δ5和δ10表示，標(biāo)準(zhǔn)試件一般取δ5。伸長(zhǎng)率δ的計(jì)算公式為式中，l0為試件原標(biāo)距長(zhǎng)度（見(jiàn)圖2-1）；l1為試件拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度。2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學(xué)性能和工藝性能

斷面收縮率ψ是指試件被拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分比。斷面收縮率ψ的計(jì)算公式為式中，A0為試件原斷面面積；A1為試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積。

伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ越大，鋼材的塑性越好。由于在測(cè)量試件的斷面面積時(shí)容易產(chǎn)生較大的誤差，因而鋼材塑性指標(biāo)仍然采用伸長(zhǎng)率作為保證要求。2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學(xué)性能和工藝性能

3.Z向性能Z向性能可用厚度方向（Z向）的斷面收縮率ψz進(jìn)行衡量，Z向收縮率試驗(yàn)的試件采用圓柱體，直徑d0=10mm（板厚大于25mm），長(zhǎng)度L0不小于1.5d0，并沿鋼板軋制方向的任一端的中部截取。試件被拉斷后，其斷口處橫截面面積A1比原橫截面面積A0的縮減百分比值ψz，稱為厚度方向的斷面收縮率。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》（GB/T19879—2015）的規(guī)定，對(duì)于厚度方向的鋼板，可分為3種厚度方向性能級(jí)別，即Z15、Z25和Z35（字母Z后面的數(shù)字為斷面收縮率的指標(biāo)），它們分別表示ψz≥15%、ψz≥25%和ψz≥35%。2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學(xué)性能和工藝性能

4.沖擊韌性鋼材的沖擊韌性用沖擊試驗(yàn)來(lái)確定。沖擊韌性是衡量鋼材在沖擊荷載（動(dòng)力）作用下抵抗脆性破壞的力學(xué)性能指標(biāo)。沖擊韌性反映了鋼材在塑形變形和斷裂中吸收能量的能力，用斷裂時(shí)吸收的沖擊功Akv（單位為J）來(lái)表示。其試驗(yàn)原理是用擺錘將帶有V形缺口的長(zhǎng)方形試件（試件的截面尺寸為10mm×10mm，長(zhǎng)度為55mm）擊斷，將計(jì)算出的擊斷所需的沖擊功Akv作為沖擊韌性指標(biāo)。Akv越大，表明鋼材的沖擊韌性越好。沖擊韌性試驗(yàn)裝置如圖2-5所示。2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學(xué)性能和工藝性能2.2

鋼材的主要性能2.2.1鋼材的力學(xué)性能和工藝性能

5.冷彎性能冷彎性能是描述鋼材在冷加工下（常溫下加工）產(chǎn)生塑性變形時(shí)，對(duì)發(fā)生裂縫的抵抗能力。冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量（如非金屬夾雜和分層等）的綜合指標(biāo)。

在常溫下根據(jù)試樣厚度，按規(guī)定的彎心直徑d將試件彎曲180°，檢查試件的外表面，若無(wú)裂縫、裂斷或分層，則冷彎試驗(yàn)合格，如圖2-6所示。冷彎試驗(yàn)是比單向拉伸試驗(yàn)更為嚴(yán)格的一種試驗(yàn)方法，常作為拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的補(bǔ)充試驗(yàn)方法。2.2

鋼材的主要性能2.2.2鋼材的可焊性能

鋼材的焊接是指將焊縫及其附近的母材金屬升溫熔化，再冷卻凝結(jié)成一體的過(guò)程。鋼材的可焊性則指在一定的焊接工藝條件下，所施焊的焊縫溶敷金屬和母材金屬均不產(chǎn)生裂紋，且焊接頭的力學(xué)性能不低于母材的力學(xué)性能。鋼材可焊性的優(yōu)劣實(shí)際上是指鋼材在采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)及一定的結(jié)構(gòu)形式等條件下，獲得合格焊縫的難易程度。

影響鋼材可焊性的因素很多，除與品種（是非合金鋼還是低合金鋼、合金鋼）、化學(xué)成分（碳、錳、合金元素、有害元素等）、規(guī)格（是厚板還是薄板）等內(nèi)在因素有關(guān)外，還與節(jié)點(diǎn)復(fù)雜程度（是簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn)還是復(fù)雜節(jié)點(diǎn)）、約束程度（焊縫能否自由收縮）、焊接的環(huán)境溫度（是常溫還是負(fù)溫）、焊接材料（焊條、焊劑等是否與母材匹配等）、焊接工藝（焊接方法、坡口形式和尺寸、焊前預(yù)熱和焊后熱處理等）等外在因素相關(guān)。

《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB50661—2011）根據(jù)鋼材分類、受力狀態(tài)、板厚和鋼材的碳當(dāng)量，將焊接難度分為易、一般、較難和難四個(gè)等級(jí)。對(duì)于難焊鋼材，需采取預(yù)熱措施和控制施焊工藝來(lái)獲得合格的焊縫。2.2

鋼材的主要性能2.2.3鋼材的耐火、耐候性能

1.耐火性能具有耐火性能的鋼結(jié)構(gòu)能在一定的高溫下保持結(jié)構(gòu)在一定時(shí)間內(nèi)不垮塌，以保證人員和物資安全撤離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。保證建筑物安全性的一個(gè)許用指標(biāo)是鋼材在600℃高溫時(shí)，屈服點(diǎn)應(yīng)具有常溫屈服點(diǎn)的2/3。耐火鋼一般是在低碳鋼中添加釩、鈦、鈮合金元素。當(dāng)有防火要求時(shí)，使用具有耐火性能的鋼材，減少或減薄防火涂料的用量，可以達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效果。

目前，國(guó)內(nèi)外都已開(kāi)發(fā)出具有一定耐火性能的鋼材。寶山鋼鐵集團(tuán)的耐火鋼系列和耐候耐火鋼系列在600℃高溫下，屈服點(diǎn)的下降幅度不大于其標(biāo)準(zhǔn)值的1/3，可以減少使用或省去外涂或外包防火材料。2.2

鋼材的主要性能2.2.3鋼材的耐火、耐候性能

2.耐候性能普通鋼材在自然環(huán)境下每5年的腐蝕厚度可達(dá)0.1~1mm，若處于腐蝕的氣體環(huán)境中，則更為嚴(yán)重。對(duì)建筑鋼材的耐候性能要求是：在自然環(huán)境下保證結(jié)構(gòu)可裸露使用，耐候性是普通鋼材的2~8倍。耐候鋼一般是在低碳鋼或低合金鋼中添加銅、磷、鉻、鋰等合金元素，以提高抗腐蝕能力。鋼材表面也可先鍍鋅或鍍鋁鋅，再涂彩色聚酯類涂料，以提高鋼材的耐候性能，但這種工藝只能用來(lái)生產(chǎn)彩涂薄鋼板。國(guó)內(nèi)常用的耐候鋼標(biāo)準(zhǔn)有《耐候結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T4171—2008）和《鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼》（TB/T1979—2014）。鋼材的破壞形式2.32.3

鋼材的破壞形式

鋼材的破壞形式有塑性破壞和脆性破壞。

1.塑性破壞

塑性破壞也稱延性破壞，是由于構(gòu)件應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)，并且達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度f(wàn)u后，構(gòu)件產(chǎn)生明顯的變形并斷裂。塑性破壞前，構(gòu)件有明顯的變形，破壞歷時(shí)長(zhǎng)，斷口發(fā)暗，易于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和采取措施進(jìn)行補(bǔ)救，不至于引起嚴(yán)重后果。另外，構(gòu)件在塑性變形后出現(xiàn)內(nèi)力重分布，使結(jié)構(gòu)中原先應(yīng)力不均勻的部分趨于均勻，有可能提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

2.脆性破壞脆性破壞前沒(méi)有明顯的變形和征兆，破壞時(shí)產(chǎn)生的變形遠(yuǎn)比材料應(yīng)有的變形能力小，破壞時(shí)的應(yīng)力常小于鋼材的屈服強(qiáng)度f(wàn)y，破壞發(fā)生突然，斷口平齊，具有光澤的晶粒狀，無(wú)法及時(shí)察覺(jué)和采取補(bǔ)救措施，會(huì)引起嚴(yán)重后果，危及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。在設(shè)計(jì)、制作和使用構(gòu)件的過(guò)程中，應(yīng)充分考慮各方面因素，盡量發(fā)揮材料的塑性，避免脆性破壞發(fā)生的可能性。影響鋼材性能的因素2.42.4

影響鋼材性能的因素2.4.1化學(xué)成分的影響

鋼是以鐵（Fe）和碳（C）為主要成分的合金，雖然碳和其他元素［包括硅（Si）、錳（Mn）、硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等］在鋼中所占比例甚少，但對(duì)鋼材的性能特別是力學(xué)性能產(chǎn)生重要的影響。普通碳素鋼中，鐵占99%，碳和其他元素占1%；普通低合金鋼中還含有小于5%的合金元素，如銅（Tu）、釩（V）、鈦（Ti）、鈮（Nb）、鉻（Cr）等。

碳是各種鋼中最主要的元素之一。隨著含碳量的提高，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸變大，而塑性和韌性特別是低溫沖擊韌性下降，冷彎性能、焊接性能和抗銹蝕性能等也變差。規(guī)范推薦的鋼材的含碳量均不超過(guò)0.22％，對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)則嚴(yán)格控制在0.2％以內(nèi)，即在低碳鋼范圍內(nèi)。

硫是有害元素，常以硫化鐵形式夾雜于鋼中。當(dāng)溫度達(dá)800~1000℃時(shí)，鋼材會(huì)因硫化鐵熔化而變脆，在進(jìn)行焊接或熱加工時(shí)極可能出現(xiàn)熱裂紋，這種現(xiàn)象稱為熱脆現(xiàn)象。此外，硫還會(huì)降低鋼材的沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、抗銹蝕性能和焊接性能等，因此應(yīng)嚴(yán)格控制鋼材中硫的含量，碳素結(jié)構(gòu)鋼的硫含量一般不大于0.035%～0.050%，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的硫含量一般不大于0.020%～0.035%。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.1化學(xué)成分的影響

磷可提高鋼的強(qiáng)度和抗銹蝕能力，但會(huì)嚴(yán)重地降低鋼的塑性、韌性、冷彎性能和焊接性能，特別是在溫度較低時(shí)會(huì)促使鋼材變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆現(xiàn)象。因此，磷的含量也要嚴(yán)格控制，碳素結(jié)構(gòu)鋼的磷含量一般不大于0.035%～0.045%，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的磷含量一般不大于0.025%～0.035%。

錳是有益元素，在普通碳素鋼中，它是一種弱脫氧劑，當(dāng)錳含量在合理范圍內(nèi)時(shí)，可以提高鋼材強(qiáng)度，消除硫、氧對(duì)鋼材的熱脆影響，改善鋼的冷脆傾向，同時(shí)不顯著降低塑性和韌性。但隨著錳含量的增加，鋼材的焊接性能也隨之降低，因此錳含量也不宜過(guò)多，碳素結(jié)構(gòu)鋼的錳含量一般不大于1.4%，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的錳含量一般不大于1.7%。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.1化學(xué)成分的影響

硅是有益元素，在普通碳素鋼中，它是一種強(qiáng)脫氧劑，常與錳共同除氧，生產(chǎn)鎮(zhèn)靜鋼。適量的硅，可以細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)度，并且對(duì)塑性、韌性、冷彎性能和焊接性能無(wú)顯著不良影響。硅的含量在碳素結(jié)構(gòu)鋼中不應(yīng)大于0.35％，在低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼中不應(yīng)大于0.5％。過(guò)量的硅會(huì)惡化焊接性能和抗銹蝕性能。

釩、鈮、鈦等元素在鋼中形成微細(xì)碳化物，適量加入，能起細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化的作用，從而提高鋼材的強(qiáng)度和韌性，又可保持良好的塑性。鉻、鎳是提高鋼材強(qiáng)度和耐熱性的合金元素。

氧和氮屬于有害元素。氧的作用和硫類似，使鋼熱脆。氮的作用和磷類似，使鋼冷脆。因此，氧和氮的含量均應(yīng)嚴(yán)格控制，一般氧的含量應(yīng)低于0.05%，氮的含量應(yīng)低于0.008%。拓展閱讀為了改善和提高鋼的某些性能和使之獲得某些特殊性能而有意在冶煉過(guò)程中加入的元素稱為合金元素。常用的合金元素有鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、鈷、硅、錳、鋁、銅、硼、稀土等。磷、硫、氮等在某些情況下也起到合金的作用。硅能溶于鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強(qiáng)度，其作用僅次于磷，較錳、鎳、鉻、鎢、鉬、釩等元素強(qiáng)。但含硅量超過(guò)3%時(shí)，將顯著降低鋼的塑性和韌性。硅能提高鋼的彈性極限、屈服強(qiáng)度和屈服比（σs/σb），以及疲勞強(qiáng)度和疲勞比（σ-1/σb）等。這是硅或硅錳鋼可作為彈簧鋼種的緣故。硅能降低鋼的密度、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。能促使鐵素體晶粒粗化，降低矯頑力。有減小晶體的各向異性傾向，使磁化容易，磁阻減小，可用來(lái)生產(chǎn)電工用鋼，所以硅鋼片的磁阻滯損耗較低。硅能提高鐵素體的導(dǎo)磁率，使鋼片在較弱磁場(chǎng)下有較高的磁感強(qiáng)度。但在強(qiáng)磁場(chǎng)下硅降低鋼的磁感強(qiáng)度。硅因有強(qiáng)的脫氧力，從而減少了鐵的磁時(shí)效作用。含硅的鋼在氧化氣氛中加熱時(shí)，表面將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時(shí)的抗氧化性。硅能促使鑄鋼中的柱狀晶成長(zhǎng)，降低塑性。硅鋼若加熱時(shí)冷卻較快，由于熱導(dǎo)率低，鋼的內(nèi)部和外部溫差較大，因而斷裂。硅能降低鋼的焊接性能。因?yàn)榕c氧的結(jié)合能力硅比鐵強(qiáng)，在焊接時(shí)容易生成低熔點(diǎn)的硅酸鹽，增加熔渣和融化金屬的流動(dòng)性，引起噴濺現(xiàn)象，影響焊接質(zhì)量。硅是良好的脫氧劑。用鋁脫氧時(shí)酌情加一定量的硅，能顯著提高率的脫氧性。硅在鋼中本來(lái)就有一定的殘存，這是由于煉鐵煉鋼時(shí)作為原料帶入的。在沸騰鋼中，硅限制在<0.07%，有意加入時(shí)，則在煉鋼時(shí)加入硅鐵合金。硅在鋼材中的作用2.4

影響鋼材性能的因素2.4.2冶煉、澆鑄、軋制和熱處理的影響

鋼材在生產(chǎn)過(guò)程中要經(jīng)過(guò)冶煉、澆鑄和軋制等工藝過(guò)程。冶煉是將生鐵水、廢鋼和石灰石等原料加入煉鋼爐，用燃料加熱至1650℃，使鐵水中多余的元素經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)被除去，形成符合要求的鋼種。傳統(tǒng)的澆鑄和軋制方法是在鋼煉好后，將鋼液倒入鋼錠模中制作成大的鋼錠，然后軋制成長(zhǎng)寬適當(dāng)?shù)匿撆?，再軋成各種鋼材。近20年來(lái)迅速發(fā)展的澆鑄和軋制方法是連鑄連軋，即直接將煉好的鋼水在鋼廠連鑄機(jī)中澆鑄成近終型的鋼坯，然后經(jīng)軋機(jī)連續(xù)軋制成各種鋼材。

鋼在熔煉的氧化過(guò)程中會(huì)生成氧化鐵等雜質(zhì)，使鋼的性能變差，因而在澆鑄過(guò)程中需將與氧親和力比較高的脫氧劑加入鋼液中脫氧。根據(jù)所使用的脫氧劑的不同，鋼可分為沸騰鋼（錳做脫氧劑）、鎮(zhèn)靜鋼（硅做脫氧劑）、特殊鎮(zhèn)靜鋼（硅脫氧后加鋁補(bǔ)充脫氧），其脫氧程度依次增大。拓展閱讀沸騰是沒(méi)有脫氧或脫氧不充分的鋼，鋼液澆入錠模后，隨溫度下降，鋼液中碳和氧反應(yīng)，排出大量CO氣體，產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象。這種鋼沒(méi)有集中的縮孔，所以切頭率比鎮(zhèn)靜鋼低5%～8%，但偏析大，成份不均，只適于生產(chǎn)普碳鋼。澆注前充分脫氧，澆注時(shí)鋼液平靜沒(méi)有沸騰現(xiàn)象是鎮(zhèn)靜鋼。它的組織致密，強(qiáng)度高，偏析少，成份均勻，由于形成中心縮孔而增加了切頭率，比沸騰鋼的成本高。沸騰鋼與鎮(zhèn)靜鋼的區(qū)別2.4

影響鋼材性能的因素2.4.2冶煉、澆鑄、軋制和熱處理的影響

在這些過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)化學(xué)成分偏析、非金屬夾雜物、裂紋、氣泡、分層等冶金缺陷而影響鋼材性能。

（1）偏析。金屬結(jié)晶后化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象，稱為偏析。偏析主要是硫、磷偏析，其后果是偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性、可焊性變差。

（2）非金屬夾雜物。非金屬夾雜物指鋼材中的非金屬化合物，如硫化物、氧化物。硫化物使鋼材熱脆，氧化物使鋼材的力學(xué)性能和工藝性能大大降低。

（3）裂紋。裂紋指鋼材中存在的微觀裂紋。它會(huì)嚴(yán)重降低鋼材的冷彎性能、塑性和沖擊韌性。

（4）氣泡。氣泡指澆鑄時(shí)由FeO和C作用所生成的CO氣體不能充分逸出而滯留在鋼錠里形成的微小空洞。它會(huì)影響鋼材的力學(xué)性能。

（5）分層。澆鑄時(shí)的非金屬夾雜物在軋制后可能造成鋼材分層，分層處易被銹蝕,且分層使鋼材性能變差。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.3鋼材的硬化

1.時(shí)效硬化隨著時(shí)間的增加，純鐵體中有一些數(shù)量極少的碳和氮的固熔物質(zhì)析出，使鋼材的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度提高，塑性和韌性下降，這種現(xiàn)象稱為時(shí)效硬化，如圖2-7（a）所示。時(shí)效硬化的過(guò)程一般很長(zhǎng)，但若在材料發(fā)生塑性變形后，將其加熱到250℃，則可使時(shí)效硬化加速發(fā)展，這種方法稱為人工時(shí)效硬化，如圖2-7（b）所示。對(duì)于某些重要的結(jié)構(gòu)，要求檢驗(yàn)鋼材在人工時(shí)效后的沖擊韌性，以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗脆性破壞的能力。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.3鋼材的硬化2.4

影響鋼材性能的因素2.4.3鋼材的硬化

2.冷作硬化冷加工可使鋼材產(chǎn)生很大的塑性變形，產(chǎn)生塑性變形的鋼材被重新加荷，可提高其屈服點(diǎn)，降低塑性和韌性，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化，如圖2-7（a）所示。

鋼結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中一般都需要進(jìn)行冷加工（冷拉、冷彎、沖孔、機(jī)械剪切等），這些工序會(huì)引起冷作硬化，增加發(fā)生脆性破壞的危險(xiǎn)，這對(duì)直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)尤為不利。

不管哪一種硬化，都會(huì)降低鋼材的塑性和韌性，對(duì)鋼材不利。因此，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般不利用硬化后提高的強(qiáng)度，而且對(duì)于直接承受動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)還應(yīng)設(shè)法消除硬化的影響。例如，對(duì)于經(jīng)過(guò)剪切機(jī)剪切的鋼板，為了消除其剪切邊緣的冷作硬化，可采用火焰燒烤使之“退火”或?qū)⑦吘壟偃?～5mm。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.4

溫度的影響

鋼材對(duì)溫度相當(dāng)敏感，溫度升高和降低都使鋼材的性能發(fā)生變化。

1.正溫范圍在100℃以內(nèi)，對(duì)鋼材的性能無(wú)影響；在100℃以上，隨溫度的升高，總的趨勢(shì)是鋼材的抗拉強(qiáng)度f(wàn)u、屈服強(qiáng)度f(wàn)y、彈性模量E降低，塑性增大。在250℃左右，鋼材的抗拉強(qiáng)度略有提高，塑性降低，脆性增加，即藍(lán)脆現(xiàn)象，該溫度區(qū)段稱為藍(lán)脆區(qū)，在藍(lán)脆區(qū)進(jìn)行熱加工，易引起裂紋。當(dāng)溫度超過(guò)250～350℃時(shí)，鋼材會(huì)產(chǎn)生徐變。徐變是指在應(yīng)力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)發(fā)生變形的現(xiàn)象，此時(shí)，fy、fu顯著下降，伸長(zhǎng)率δ明顯增大。在600℃左右，鋼材的彈性模量趨于零，承載能力幾乎完全喪失。溫度對(duì)鋼材性能的影響如圖28所示，總的趨勢(shì)是隨著溫度的升高，鋼材的強(qiáng)度降低，變形增大。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.4

溫度的影響2.4

影響鋼材性能的因素2.4.4

溫度的影響

2.負(fù)溫范圍當(dāng)溫度低于常溫時(shí)，鋼材的脆性會(huì)隨溫度的降低而增加，特別是負(fù)溫范圍對(duì)沖擊韌性的影響十分突出。從圖2-9中的曲線可以看出，曲線的左端和右端都比較平緩，溫度所帶來(lái)的變化較小，中間部分（T2～T1）曲線較陡，AkV急劇下降，T2與T1之間稱為溫度轉(zhuǎn)變區(qū)，材料由塑性破壞轉(zhuǎn)到脆性破壞都是在這一區(qū)間內(nèi)完成的，該區(qū)段曲線的最陡點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度TC稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。而且不同的鋼材其脆性轉(zhuǎn)變區(qū)的溫度不同，必須通過(guò)試驗(yàn)確定。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要求完全避免脆性破壞，因此，結(jié)構(gòu)所處溫度必須高于T1，但不要求一定高于T2，因?yàn)檫@樣雖然安全，但是對(duì)材料要求過(guò)嚴(yán)將會(huì)造成浪費(fèi)。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.5

應(yīng)力集中的影響

在鋼構(gòu)件中若存在開(kāi)孔、凹槽或截面的寬度或厚度發(fā)生突然改變的情況，則構(gòu)件中的應(yīng)力分布將變得很不均勻，在缺陷或截面變化處，應(yīng)力線曲折、密集，出現(xiàn)應(yīng)力高峰，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中（見(jiàn)圖2-10）。應(yīng)力集中會(huì)造成鋼構(gòu)件塑性降低，脆性破壞的危險(xiǎn)性增加。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.5

應(yīng)力集中的影響

圖2-11為開(kāi)槽不同的4種拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出截面槽口改變?cè)酱螅瑧?yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，抗拉強(qiáng)度越高，但塑性越差，脆性破壞的傾向越大。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.5

應(yīng)力集中的影響

由于鋼結(jié)構(gòu)所采用的鋼材的塑性較好，當(dāng)內(nèi)力增大時(shí)，應(yīng)力不均勻現(xiàn)象會(huì)逐漸趨于平緩，因此不會(huì)影響界面的極限承載能力。對(duì)于承受靜力荷載作用、在常溫下工作的構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮應(yīng)力集中的影響。但是，對(duì)于低溫下直接承受動(dòng)力荷載的構(gòu)件，若應(yīng)力集中嚴(yán)重，再加上其他的不利影響，則很容易發(fā)生脆性破壞，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使截面構(gòu)造合理，如截面必須改變，則應(yīng)采取構(gòu)造措施使其平緩過(guò)渡，減小應(yīng)力集中。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.6

殘余應(yīng)力及疲勞因素的影響

鋼材在冶煉、軋制、焊接、冷加工等過(guò)程中因不均勻的冷卻、組織構(gòu)造的變化而在其內(nèi)部產(chǎn)生的不均勻應(yīng)力，稱為殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力在構(gòu)件內(nèi)部相互平衡而與外力無(wú)關(guān)，但是其存在易使鋼材發(fā)生脆性破壞的可能。殘余應(yīng)力雖對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度無(wú)影響，但會(huì)對(duì)構(gòu)件的變形（剛度）、疲勞及穩(wěn)定承載力產(chǎn)生不利影響。

鋼材在重復(fù)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，其破壞強(qiáng)度低于靜力荷載作用下的抗拉強(qiáng)度，并呈現(xiàn)脆性破壞的特征。關(guān)于鋼材的疲勞將在2.5節(jié)中詳細(xì)闡述。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.7

復(fù)雜應(yīng)力作用的影響

在單向拉伸試驗(yàn)中，當(dāng)單向應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)fy時(shí)，鋼材由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)。在復(fù)雜應(yīng)力（雙向應(yīng)力或三向應(yīng)力）作用下，鋼材的屈服不能以某一方向的應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)fy來(lái)判斷，而是要通過(guò)能量強(qiáng)度理論計(jì)算的折算應(yīng)力σeq與鋼材在單向應(yīng)力下的fy相比較來(lái)判斷。

用主應(yīng)力表示折算應(yīng)力σeq［見(jiàn)圖2-12（a）］，即用應(yīng)力分量表示折算應(yīng)力σeq［見(jiàn)圖2-12（b）］，即當(dāng)σeq<fy時(shí)，鋼材處于彈性狀態(tài)；當(dāng)σeq≥fy時(shí)，鋼材處于塑性狀態(tài)。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.7

復(fù)雜應(yīng)力作用的影響2.4

影響鋼材性能的因素2.4.7

復(fù)雜應(yīng)力作用的影響當(dāng)3個(gè)主應(yīng)力σ1、σ2、σ3同號(hào)且數(shù)值相近時(shí)，從式（2-4）中可看出，無(wú)論應(yīng)力值多么大，材料都很難進(jìn)入塑性狀態(tài)，甚至破壞時(shí)也沒(méi)有明顯的塑性變形，材料處于脆性狀態(tài)。但是當(dāng)一個(gè)方向上的應(yīng)力為異向，且同號(hào)的兩個(gè)應(yīng)力數(shù)值相差較大時(shí)，材料比較容易進(jìn)入塑性狀態(tài)。所以，在構(gòu)造設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量避免同號(hào)三向應(yīng)力，以免發(fā)生脆性破壞。當(dāng)鋼材厚度較薄時(shí)，厚度方向上的應(yīng)力可以忽略不計(jì)。2.4

影響鋼材性能的因素2.4.7

復(fù)雜應(yīng)力作用的影響

在一般梁中，只存在正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ，即σy=σz=0，且鋼材厚度較薄，故厚度方向上的應(yīng)力可忽略不計(jì)，則式（2-4）可簡(jiǎn)化為當(dāng)只有剪應(yīng)力τ時(shí)，即σ=0，則若取σeq=fy，則因此，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017—2017）規(guī)定鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fvy為抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy的0.58倍。鋼材的疲勞和疲勞計(jì)算2.5

鋼材的疲勞破壞是指在連續(xù)重復(fù)荷載作用下產(chǎn)生微觀裂縫并不斷擴(kuò)展，直至最后出現(xiàn)突發(fā)性的斷裂破壞。破壞時(shí)，塑性變形極小，應(yīng)力小于材料的極限抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度，是一種脆性破壞，危險(xiǎn)性較大。

通常，鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞屬于高周疲勞，破壞時(shí)總應(yīng)變小，荷載循環(huán)次數(shù)多。因此，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017—2017）規(guī)定：直接承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)n等于或大于5×104次時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。2.5

鋼材的疲勞和疲勞計(jì)算鋼材發(fā)生疲勞破壞時(shí)，①破壞面上的應(yīng)力低于鋼材的抗拉強(qiáng)度，甚至低于其屈服強(qiáng)度；②破壞斷口比較整齊，其表面有比較清楚的疲勞紋理，該紋理顯示以某點(diǎn)為中心向外呈半橢圓狀放射型的海濱沙灘痕跡般的現(xiàn)象；③通常構(gòu)件沒(méi)有明顯的變形，呈現(xiàn)出突然的脆性破壞特征。拓展閱讀

影響疲勞強(qiáng)度的因素有以下3種。1.微觀裂紋和應(yīng)力集中

鋼材在生產(chǎn)和制造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多局部微小缺陷，如化學(xué)成分偏析，非金屬夾雜物，軋制和加工（沖孔、切割等）產(chǎn)生的裂紋，焊接時(shí)殘留的氣孔、夾渣等，或截面幾何形狀、厚度突然改變處。在重復(fù)連續(xù)荷載作用下，這些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布不均勻，產(chǎn)生微小裂紋并逐漸開(kāi)展，截面被削弱，有效截面面積相應(yīng)地逐漸縮小。當(dāng)荷載作用達(dá)到

一定的循環(huán)次數(shù)時(shí)，截面因承受不了外部荷載而發(fā)生脆性斷裂，即疲勞破壞。

不同的連接類別，會(huì)引起不同的應(yīng)力集中，包括連接的外形變化和內(nèi)在缺陷影響。因此，連接類別也是影響疲勞強(qiáng)度的因素之一。疲勞計(jì)算的構(gòu)件和連接分類見(jiàn)附錄1，根據(jù)構(gòu)件和連接的細(xì)部構(gòu)造引起的應(yīng)力集中程度及焊接殘余應(yīng)力由低到高將構(gòu)件和連接形式分為8類。2.5

鋼材的疲勞和疲勞計(jì)算2.5.1影響疲勞強(qiáng)度的因素

2.應(yīng)力幅和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在循環(huán)荷載作用下，應(yīng)力從最大到最小重復(fù)一次為一次循環(huán)，應(yīng)力幅Δσ是每次應(yīng)力循環(huán)中最大拉應(yīng)力σmax與最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力σmin（其中，拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值）之差，即Δσ=σmax－σmin。應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅保持常量，稱為常幅（見(jiàn)圖2-13）。應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅隨機(jī)變化，則稱為變幅（見(jiàn)圖2-14）。2.5

鋼材的疲勞和疲勞計(jì)算2.5.1影響疲勞強(qiáng)度的因素

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力變化次數(shù)n稱為循環(huán)次數(shù)。應(yīng)力幅越大，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接產(chǎn)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越少，反之越多。當(dāng)應(yīng)力幅小于一定數(shù)值時(shí)，即使應(yīng)力循環(huán)次數(shù)無(wú)限多，構(gòu)件都不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。2.5

鋼材的疲勞和疲勞計(jì)算2.5.1影響疲勞強(qiáng)度的因素2.5

鋼材的疲勞和疲勞計(jì)算2.5.1影響疲勞強(qiáng)度的因素

對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，焊接會(huì)使焊縫處產(chǎn)生殘余應(yīng)力，其大小通常達(dá)到了屈服強(qiáng)度f(wàn)y，此時(shí)若施加一循環(huán)荷載，則外部應(yīng)力將從σmin增大到σmax，焊縫附近應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到fy（已進(jìn)入塑性狀態(tài)）的部分，其實(shí)際應(yīng)力為σmax=fy，塑性區(qū)有所擴(kuò)大；當(dāng)外部應(yīng)力由σmax下降到σmin時(shí)，該處的實(shí)際應(yīng)力則由fy減小到fy-Δσ，然后再升至fy，如此往復(fù)循環(huán)，應(yīng)力比由此可以看出，無(wú)論名義最小應(yīng)力σmin和名義最大應(yīng)力σmax為何值，只要應(yīng)力幅Δσ相同，其實(shí)際應(yīng)力均相同。這表明焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度與最大、最小名義應(yīng)力和應(yīng)力比無(wú)關(guān)，而與應(yīng)力幅相關(guān)。2.5

鋼材的疲勞和疲勞計(jì)算2.5.1影響疲勞