鋼結構設計原理
第一章鋼結構的基本效能
建築工程中，鋼結構所用的鋼材都是塑性比較好的材料，在拉力作用下，應力-應變曲線在超過彈性後有明顯的屈服點和一段屈服平台，然後進入強化階段。傳統的鋼結構設計，以屈服點作為鋼材強度的極限，並把區域性屈服作為承載能力的準則。目前利用塑性的設計方法已經提上了日程。
鋼材和其他建築結構材料相比，強度要高得多。在同樣的荷載條件下，鋼結構構件截面小，截面組成部分的厚度也小。因此，穩定問題在鋼結構設計中是乙個突出的問題。
建築結構鋼材有較好的韌性。因此，鋼結構是承受動荷載的重要結構。鋼材的韌性也不是一成不變的。材質、板厚、受力狀態、溫度等都會對它產生影響。
【鋼材的生產及其對材性的影響】
建築結構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
冶煉按需要生產的鋼號進行，它決定鋼材的主要化學成分。煉鋼的原料為99%鋼水+廢鋼+合金元素。平爐煉鋼的質量優於轉爐煉鋼的質量。
目前，我國採用轉爐煉鋼，轉爐鋼具有投資少、建廠快、生產效率高、原料適應性強等優點。
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、矽和鋁。脫氧的程度對鋼材的質量頗有影響。
錳是弱脫氧劑。矽是較強的脫氧劑。鋁是強脫氧劑。
鋼液中含有較多的feo，澆注時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，冷卻後有許多氣泡。矽在還原氧化鐵的過程中放出熱量，使鋼液冷卻緩慢，氣體大多可以逸出，所得鋼錠稱之為鎮靜鋼。
冷卻後因體積收縮而在上部形成較大縮孔，縮孔的孔壁有些氧化，在輥軋時不能焊合，必須先把鋼錠頭部切去。切頭後實得鋼材僅為鋼錠的80%~85%。對衝擊韌性（尤其是低溫衝擊韌性）要求高的重要結構，如寒冷地區的露天結構，鋼材宜用矽脫氧後再用鋁補充脫氧的特殊鎮靜鋼。
這種鋼比一般鎮靜鋼具有更高的室溫衝擊韌性和更低的冷脆傾向性和時效傾向性。
鎮靜鋼的***於沸騰鋼。鎮靜鋼成本高。鎮靜鋼偏析小。鎮靜鋼的效能優於沸騰鋼，主要表現在容易保證必要的衝擊韌性，包括低溫衝擊和時效衝擊，衝擊韌性好可以承受動荷載和處於低溫的結構。
gb50017-2003規範規定沸騰鋼不能用於下列焊接結構：需要驗算疲勞者；處於-30℃和更低溫度者；工作溫度低於-20℃並直接承受動力荷載（但不需驗算疲勞）者。鑑定鎮靜鋼和沸騰鋼，可以通過矽的含量來進行。
gb700-88規定，q235鋼分為a、b、c、d四級。前兩級可以是沸騰鋼、半鎮靜鋼或鎮靜鋼，c級必須是鎮靜鋼。
三、鋼的軋制
輥軋是型鋼和鋼板成型的工序，是二次熔煉的過程，可以改善鋼材的效能。輥軋分熱軋和冷軋，以前者為主。冷軋只用於生產小號型鋼和薄板。
經過熱軋後，鋼材組織密實，力學效能得到改善。這種改善主要表現在沿軋制方向上，從而使鋼材在一定程度上不再是各向同性體。經過軋制之後，鋼材內部的非金屬夾雜物被壓成薄片，出現分層現象。
分層使鋼材沿厚度方向受拉的效能大大惡化，並且有可能在焊縫收縮時出現層間撕裂。焊縫收縮誘發的區域性應變是屈服點應變的數倍。
型鋼和扁鋼總是沿輥軋方向受力，不存在非各向同性問題。鋼板則不同，垂直於輥軋方向受力，因此鋼板拉力試驗的試樣應垂直與軋制方向切去。
軋制影響鋼材的塑性和韌性，產生殘餘應力，同時加工、切割、焊接也產生殘餘應力。熱軋鋼材厚度小的強度高於厚度大的，而且塑性及衝擊韌性也比較好。因此鋼材的機械效能要按厚度分級。
熱軋是不均勻冷卻造成的殘餘應力。在沒有外力作用下內部自相平衡的應力叫做殘餘應力。板的尺寸越大，冷卻後的應力也越大。
各種截面的熱軋型鋼都有這類殘餘應力，不過隨截面形式和尺寸不同，殘餘應力的分布有所區別。一般地說，截面尺寸越大，殘餘應力也越大。殘餘應力雖然是自相平衡的，對鋼構件在外力作用下的效能有一定影響。
殘餘應力影響變形、穩定性、疲勞、低溫脆斷等。
軋制普通工字鋼的軋機只有兩個水平軋輥。滾軋成型時，腹板所受壓力大於翼緣，翼緣所受壓力和它內側的斜度有關。腹板的效能優於翼緣。
當工字鋼作受彎構件時，翼緣的應力大於腹板，承載能力主要取決於翼緣的效能。我國規定，各類型鋼拉力試驗和衝擊試驗的樣坯都從翼緣上切取，不過，槽鋼和工字鋼拉伸試件也可以在腹板取樣。
判斷鋼結構事故應考慮以下幾個方面，化學成分不均勻；c、s、p偏析，含量外多、內少；厚鋼板要抽查檢驗是否有層間撕裂，利用超聲波或x射線探傷。
四、矯直和熱處理
鋼材熱軋冷卻後存在殘餘應力，因此矯直後的殘餘應力應是對原始殘餘應力進行重新分布。重分布使翼緣原始殘餘應力峰值有所降低，將減輕用作壓桿時的不利作用。
矯直有兩種方法，輥床調直和頂直。
熱處理可以改變鋼材效能，建築鋼材一般以熱軋狀態交貨，不進行熱處理。熱處理包括調質熱處理和正火。調質熱處理包括淬火和高溫回火兩道工序。
五、鋼材的勻質和等向性
鋼材內部化學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有差別，是力學性質上的一種非勻質現象。
測試力學效能的方法是在翼緣上切取試樣確定屈服點比在腹板上取樣更能反映材料的實際效能。
鋼材內部存在殘餘應力，從力學角度來說也是一種不均勻性。鋼板的各向異性，表現在三個方向的受力效能。沿軋制方向力學效能最好，橫向稍差。
鋼板如有分層，則沿厚度方向效能最差。是否分層，需用超聲波等手段探傷。對於比較重要的結構，一是對鋼材進行探傷檢查，並限制區域性分層的面積，二是在設計時注意避免垂直於板麵受拉和焊縫收縮造成層間撕裂。
【加工對鋼構件效能的影響】
一、加工對鋼構件效能的影響
鋼結構的建造過程分為熱加工、冷加工和冷作硬化。熱加工，如鑽孔切割，影響殘餘應力。冷加工使鋼材的強度提高，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度、抗拉強度、冷彎效能。冷加工後，鋼材的強度有所提高，但塑性和衝擊韌性降低。韌性降低的原因包括冷加工和時效兩種因素。
鋼材的剪下和沖孔，使剪斷的邊緣和衝出的孔壁嚴重硬化，甚至出現微細裂紋。對於比較重要的結構，剪斷處需要刨邊；沖孔只能用較小的衝頭，衝完再進行擴孔。目的都是把硬化部分除掉，以免裂紋在一定條件下擴充套件。
冷彎成型後彎角部分屈服點大幅度提高，同時抗拉強度也有所提高，但塑性降低。外側沿圓弧方向為拉伸，沿半徑方向為壓縮，內側沿弧線方向壓縮，沿半徑方向拉伸。當材料彎成圓角時半徑和板厚之比越小，塑性應變越大，屈服點提高幅度越大。
q345-16mn，在－15℃以下不要冷加工，容易產生脆性斷裂。q235-a3，在－20℃以下不要冷加工，容易產生脆性斷裂。
2、熱加工的影響
熱加工包括火焰切割、乙炔切割和焊接。
焊接和焰割對鋼材焊接造成以下後果，焊縫金屬具有鑄造組織，不同於軋制鋼材，焊縫效能不如母材好，但強度高；焊弧的高溫使鄰近焊縫的鋼材發生組織變化，焊縫附近效能不好，形成熱影響區，熱影響區包括過熱區、正火區和部分重結晶區，在疲勞情況下，熱影響區容易破壞；區域性性的高溫使鋼材發生塑性變形，冷卻後存在殘餘應力，殘餘應力產生的原因是熔化鐵水膨脹，未熔化部分對其產生的應力。
焊縫金屬的碳含量稍低，而氮、氫、氧稍高。採用短弧焊、埋弧焊和氣體保護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**於大氣和焊條藥皮，包括藥皮的有機物成分和吸收的水分。
當冷卻快時氫能使焊縫金屬內部出現微觀裂紋。因此，受潮的焊條必須烘乾後才能使用，重要結構還要用低氫型焊條，以避免出現裂紋。
焊接構件的殘餘應力和熱軋構件的一樣，在整個截面上拉壓兩部分應力自相平衡，不同的是焊接構件在焊縫及其近旁的殘餘拉應力特別高。
三條焊縫情況要避免交叉，如不能避免，將次要焊縫斷開，不要貫通。
在製造廠對焊接結構的零件下料時，要考慮施焊後冷卻的收縮而把材料適當放長。如果兩個構件受到相連的剛性部分牽制而不能收縮，則整個構件將產生拉應力，這是另一種殘餘應力，叫做反作用殘餘應力。
3、熱矯正和熱成型
常用的矯正方法是進行區域性加熱，使其冷卻後產生反向變形。為了防止淬火效應，加熱溫度不應超過900℃，鋼結構規範規定，低合金鋼在加熱矯正後應自然冷卻。
熱加工成型的構件需要加熱到900～1000℃。
二、製造和安裝的偏差對鋼結構效能的影響
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。杆長度的偏差會使體系內壓力和拉力在體系內自相平衡。
由於出現在承受荷載之前，稱為殘餘內力。當殘餘內力和載荷引起的內力同號時，將使承載能力降低。
【外界作用對鋼結構效能的影響】
外界作用包括鋼結構建成後的使用荷載和大氣作用等。
一、多軸應力的影響
鋼材在雙向拉力作用下屈服應力和抗拉強度提高，延伸率降低。在異號雙向應力作用下屈服應力和抗拉強度降低，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。
三軸拉應力對鋼結構是十分不利的。
二、加荷速率的影響
建築結構鋼材在衝擊性的快速載入作用下保持良好的強度和塑性變形能力。即在20℃左右的室溫環境下，鋼材的屈服點和抗拉強度隨應變速率的增大而提高，塑性變形能力也提高。不利方面是脆性轉變溫度隨加荷速率增加而提高。
三、迴圈載入的影響
鋼材在多次重複荷載的迴圈荷載作用下滯回環豐滿而穩定，這種好的效能為鋼結構在**作用下耗能能力提供了基礎。
四、低溫和腐蝕性介質的影響
低溫使鋼材韌性降低，溫度降低到一定程度時鋼材在衝擊荷載作用下完全是脆性斷裂，腐蝕性介質也會促成脆性斷裂並影響疲勞強度。
五、高溫的影響
除了有熱源的生產車間外，鋼結構可能遭受的高溫主要來自火災。如果應力較高，且溫度接近600℃，則高溫軟化可以導致壓桿屈曲和拉桿出現頸縮，需要修復、加固或更換。如果火災後構件沒有新的變形，一般都可以繼續安全承載。
防止鋼結構火災損傷的途徑，一是用放火材料加以保護，二是應用耐火鋼材。
第二章鋼結構穩定問題概述
鋼結構承載能力極限狀態可以出現於下列六種情況：
1、整個結構或其一部分作為剛體失去平衡（如傾復）；
2、結構構件或連線因材料強度被超過而破壞；
3、結構轉變為機動體系（倒塌）；
4、結構或構件喪失穩定（屈曲等）；
鋼結構設計原理複習
第一章緒論 1 鋼結構的特點 前5為優點，後三為缺點 1 強度高 重量輕 2 材質均勻，塑性 韌性好 3 良好的加工效能和焊接效能 易於工廠化生產，施工周期短，效率高 4 密封效能好 5 可重複性使用性 6 耐熱性較好，耐火性差 7 耐腐蝕性差 8 低溫冷脆傾向 2 鋼結構的應用 1 大跨結構 鋼材...
鋼結構設計原理試卷A
一 填空題 每空4分，共40分 1.鋼結構計算的兩種極限狀態是和 2.提高鋼梁整體穩定性的有效途徑是和 3.鋼材的破壞形式有和 4.焊接組合工字梁，翼緣的區域性穩定常採用的方法來保證，而腹板的區域性穩定則常採用的方法來解決。5.角焊縫的計算長度不得小於也不得小於側面角焊縫承受靜載時，其計算長度不宜大...
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鋼結構複習整理 選擇題範圍 1 鋼結構應用範圍 特點 輕質高強，良好的塑性和韌性，材質均勻，不滲漏性，施工簡單，不耐腐蝕，耐熱不耐火。應用範圍 大跨空間，重型廠房，受動力荷載的結構，可卸的移動結構，高聳高層，輕鋼結構，容器及其他構築物 2 鋼結構設計原則p4 一次二階矩法，近似概率設計法。承載能力極...