《建筑工程钢结构》.ppt

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1、钢钢结结构构翟爱良翟爱良翟爱良翟爱良82418658241865，钢结构课程的学习方法钢结构课程的学习方法v本课程的特点是：大家对钢结构的感性本课程的特点是：大家对钢结构的感性认识少，结构构造复杂，理论性强（特认识少，结构构造复杂，理论性强（特别是稳定理论）别是稳定理论）,学习难度大；学习难度大；v受课时限制，不能过多的讲理论、讲公受课时限制，不能过多的讲理论、讲公式产生、详解例题；式产生、详解例题；v加强课前预习与课后复习加强课前预习与课后复习;v认真听好课，认真听好课，要记好笔记；要记好笔记；v多作习题与思考题，避免眼高手低。多作习题与思考题，避免眼高手低。第第1章章绪绪论论v第一节第一节

2、我国钢结构的概况我国钢结构的概况1、古代钢结构、古代钢结构我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的原因我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的原因致使现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比，致使现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比，已有相当大的差距，最大的差距在于建筑钢结构。已有相当大的差距，最大的差距在于建筑钢结构。铁链桥铁链桥兰津桥（西南地区）兰津桥（西南地区）四川泸定大渡河桥四川泸定大渡河桥第1章 绪论32 2、现代钢结构、现代钢结构什么是钢结构？什么是钢结构？钢结构是钢结构是钢材（钢板和型钢）钢材（钢板和型钢）经过经过设计设计、加工，加工，形成形成各种基本构件，如拉杆（有时还包括钢索

3、）、压杆、各种基本构件，如拉杆（有时还包括钢索）、压杆、梁、柱及桁架等，然后将这些基本构件按一定的方式梁、柱及桁架等，然后将这些基本构件按一定的方式通过焊接和螺栓等方式连接组成的通过焊接和螺栓等方式连接组成的工程结构形式工程结构形式。五大结构形式之一五大结构形式之一：钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构砌体结构砌体结构木木结构结构钢结构钢结构组合结构。组合结构。随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术的迅猛随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术的迅猛发展，各地建成了大量的高层钢结构建筑、轻钢结构、发展，各地建成了大量的高层钢结构建筑、轻钢结构、高耸结构、市政设施等。高耸结构、市政设施等。第1章 绪论

4、4钢结构的主要形式及应用钢结构的主要形式及应用（1 1）桁架）桁架 平面桁架平面桁架 空间桁架空间桁架(网架网架)（2 2）框架）框架（3 3）拱架）拱架（4 4）索）索（5 5）壳体）壳体轻质高强轻质高强钢与混凝土、木材相比，虽然质量密度较大，但其钢与混凝土、木材相比，虽然质量密度较大，但其屈服点强度较混凝土和木材要高得多，其质量密度屈服点强度较混凝土和木材要高得多，其质量密度与屈服点强度的比值相对较低。在承载力相同的条与屈服点强度的比值相对较低。在承载力相同的条件下，钢结构与钢筋混凝土结构、木结构相比，构件下，钢结构与钢筋混凝土结构、木结构相比，构件较小，重量较轻，便于运输和安装。件较小，

5、重量较轻，便于运输和安装。第二节第二节钢结构的特点和应用范围钢结构的特点和应用范围1、特点、特点容量：容量：kN/mkN/m3 3设计强度设计强度/MPaMPa拉拉压压钢材钢材76.976.9220220360360220220360360混凝土混凝土22.6 22.6 1.051.052.652.658.508.5032.532.5钢和混凝土容重比：钢和混凝土容重比：3.4强度比：强度比：210136所以重量轻。所以重量轻。钢材质地均匀，各向同性，弹性模量大，有钢材质地均匀，各向同性，弹性模量大，有良好的塑性和韧性，为理想的弹塑性体，完良好的塑性和韧性，为理想的弹塑性体，完全符合目前所采用的

6、计算方法和基本理论。全符合目前所采用的计算方法和基本理论。材质性能好可靠性高由于焊接结构可以做到完全密封，一些要求气密性由于焊接结构可以做到完全密封，一些要求气密性和水密性好的高压容器及大型油库、气柜、管道等和水密性好的高压容器及大型油库、气柜、管道等板壳结构都采用钢结构。板壳结构都采用钢结构。密封性好钢结构因自重轻、质地均匀，具有较好的延性，因钢结构因自重轻、质地均匀，具有较好的延性，因而抗震及抗动力荷载性能好而抗震及抗动力荷载性能好。抗震性能好生产、安装工业化程度高，施工周期短。生产、安装工业化程度高，施工周期短。钢结构生产具备成批大件生产和高度准确性的特点，钢结构生产具备成批大件生产和高

7、度准确性的特点，可以采用工厂制作、工地安装的施工方法，所以其可以采用工厂制作、工地安装的施工方法，所以其生产作业面多，可缩短施工周期，进而为降低造价、生产作业面多，可缩短施工周期，进而为降低造价、提高效益创造条件。提高效益创造条件。工业化程度高、工期短耐热但不耐火抗腐蚀性较差造价稍高抗腐蚀性较差抗腐蚀性较差钢结构的最大缺点是易于锈蚀。新建造的钢结构钢结构的最大缺点是易于锈蚀。新建造的钢结构一般都需仔细除锈、镀锌或刷涂料。以后隔一定一般都需仔细除锈、镀锌或刷涂料。以后隔一定时间又要重新刷涂料，维护费用较高。目前国内时间又要重新刷涂料，维护费用较高。目前国内外正在发展不易锈蚀的耐候钢，可大量节省维

8、护外正在发展不易锈蚀的耐候钢，可大量节省维护费用，但还未能广泛采用。费用，但还未能广泛采用。往往会影响业主选择，工程造价略有增加，但往往会影响业主选择，工程造价略有增加，但与基础、工期等因素综合考虑后，造价并不一与基础、工期等因素综合考虑后，造价并不一定比混凝土结构真正地高。定比混凝土结构真正地高。温度在温度在250250以内，钢的性质变化很小；以内，钢的性质变化很小；温度达到温度达到300300以上，强度逐渐下降；以上，强度逐渐下降；达到达到450450650650时，强度降为零。时，强度降为零。因此，钢结构可用于温度不高于因此，钢结构可用于温度不高于250250的场合的场合。2、应用范围、

9、应用范围重型厂房、受振动荷载作用的厂房结构重型厂房、受振动荷载作用的厂房结构大跨度建筑物大跨度建筑物体育馆、展览馆、影剧院、会议中心、机库体育馆、展览馆、影剧院、会议中心、机库多层多层、高层和超高层建筑、高层和超高层建筑轻轻型钢结构型钢结构没有严格的定义。没有严格的定义。由冷弯薄壁型钢组成的结构；由冷弯薄壁型钢组成的结构；由热轧轻型型钢（工由热轧轻型型钢（工字钢、槽钢、字钢、槽钢、H型钢、型钢、L型钢、型钢、T型钢等）组成的结构；型钢等）组成的结构；由焊接轻型型钢由焊接轻型型钢（工字钢、槽钢、（工字钢、槽钢、H型钢、型钢、L型钢、型钢、T型钢等）组成的结构；型钢等）组成的结构；由圆管、方由圆管

10、、方管、矩形管组成的结构；管、矩形管组成的结构；由薄钢板焊成的构件组成的结构。由薄钢板焊成的构件组成的结构。塔塔桅结构桅结构电视塔、天线、发射架电视塔、天线、发射架、海洋平海洋平台台可拆卸和搬迁的结构可拆卸和搬迁的结构流动流动展览馆、展览馆、舞台、舞台、施工施工时的临时房屋、时的临时房屋、温室大棚等温室大棚等板壳结构板壳结构储油库、煤气库、高炉等各种容器储油库、煤气库、高炉等各种容器大跨度桥梁大跨度桥梁特种结构特种结构海洋平台、水工闸门、锅炉骨架、起重海洋平台、水工闸门、锅炉骨架、起重机、栈桥、管道支架井架机、栈桥、管道支架井架1.0701.2801.5101.8202.2012.7203.3

11、00中国钢产量第三节钢结构的发展方向第三节钢结构的发展方向一、研制高强度、特种钢材一、研制高强度、特种钢材高强度Q420:高强度,高韧性,焊接性能,加工性能,并有高超的耐磨损 和腐蚀性 耐候钢:耐候性是耐大气腐蚀性能,为普通钢材的28倍耐火钢，600度时屈服点不低于2/3Z向钢,抗层状撕裂能力强二、推广应用新型钢材成品二、推广应用新型钢材成品（1）H型钢、T型钢（2）彩（色）涂（层）钢板、热镀锌或镀铝锌钢板（3）冷弯（薄壁）型钢三、改进设计方法 建筑科学研究院PKPM（STS）、冶金部建筑研究总院PS2000等四、新型结构体系的应用和发展新型结构体系的应用和发展 1、大跨空间结构网架和网壳结构

12、，悬挂结构 2、钢-混凝土组合结构和混合结构 3、索膜结构：膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。4、预应力钢结构 第四节第四节钢结构设计和设计规范钢结构设计和设计规范一、钢结构设计内容1、结构选型和结构布置；2、确定选用的钢材牌号；3、建立计算简图，确定其所受的各类荷载；4、结构内力分析，确定各构件在最不利组合下的最大内力；5、构件的截面设计；6、构件相互间的连接设计；7、绘制施工详图，编制材料表。第四节第四节钢结构设计和设计规范钢结构

13、设计和设计规范二、钢结构设计规范1、钢结构设计规范GB500l72003是我国进行房屋建筑和一般构筑物钢结构设计必须遵循的国家标准。2、冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002；3、钢结构工程施工及验收规范GB50205；三、本课程基本内容三、本课程基本内容（1 1）钢结构的特点和应用范围。）钢结构的特点和应用范围。（2 2）结构钢材的基本性能及影响性能的主要因素，钢）结构钢材的基本性能及影响性能的主要因素，钢 材牌号的正确选用。材牌号的正确选用。（3 3）钢结构的设计原则。）钢结构的设计原则。（4 4）钢结构的连接方法及其计算。钢结构的连接方法及其计算。（5 5）基本构件的截面形式、

14、破坏特征、工作性能、构基本构件的截面形式、破坏特征、工作性能、构造要求及计算方法等。造要求及计算方法等。（6 6）构件间的连接构造及计算，包括柱头、柱脚、梁与梁的）构件间的连接构造及计算，包括柱头、柱脚、梁与梁的连接、梁与柱的连接等。连接、梁与柱的连接等。（7 7）钢屋架设计。）钢屋架设计。（8 8）钢结构疲劳计算、吊车梁设计等。）钢结构疲劳计算、吊车梁设计等。第5节 钢结构的设计方法一、一、结构设计的目的结构设计的目的 在经济合理的前提下使所设计的结构满足各种预定的功能。建筑结构的功能：结构应能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用；在偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定

15、性。在正常使用荷载情况下，结构具有良好的工作性能，满足正常的使用要求，例如不发生影响正常使用的过大变形等。在正常维护下，结构应具有足够的耐久性能，如不发生严重的锈蚀而影响结构的使用寿命等。二、结构的设计方法v容许应力应力法:v设计应力必须小于或等于容许应力，表达式为：v结构概率极限状态设计法：承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态。正常使用极限状态结构或构件达到正常使用的某项规定的限值时的极限状态。v(1)结构的极限状态v(2)结构的可靠度功能函数Z=R-S的正态分布图(3)(3)可靠指标可靠指标 表 正态分布随机函数的可靠指标与失效概率pf的对应值三

16、、钢结构设计采用的方法三、钢结构设计采用的方法 建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068GB50068）规定采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，要保证结构具有必要的可靠度，以一定的概率保证所设计的结构不超过极限状态。实用设计表达式为对于承载能力极限状态对于承载能力极限状态（1）由可变荷载效应控制的组合（2）由永久荷载效应控制的组合 对于承载能力极限状态对于承载能力极限状态 对于一般排架、框架结构，可采用简化规则，并应从下列组合值中取最不利值确定：（2）由永久荷载效应控制的组合仍相同式采用。（1）由可变荷载效应控

17、制的组合基本组合的荷载分项系数，应按下列规定采用：基本组合的荷载分项系数，应按下列规定采用：v永久荷载的分项系数永久荷载的分项系数1）当其效应对结构不利时：）当其效应对结构不利时：对由可变荷载效应控制的组合，取对由可变荷载效应控制的组合，取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，取对由永久荷载效应控制的组合，取1.35；2）当其效应对结构有利时：）当其效应对结构有利时：一般情况下取一般情况下取1.0；对结构的倾覆、滑移和漂浮验算，取对结构的倾覆、滑移和漂浮验算，取0.9。v可变荷载的分项系数可变荷载的分项系数1）一般情况下取）一般情况下取1.4；2）对标准值大于）对标准值大于4KN/m2的工业房屋

18、楼面结构的活荷的工业房屋楼面结构的活荷载取载取1.3。对于正常使用极限状态对于正常使用极限状态 根据不同的设计要求，采用荷载效应的标准组合、准永久组合，并按下列设计表达式进行设计：SC 正常使用极限状态的设计表达式与下式相同，但取结构重要性系数=1.0，各种荷载的分项系数等也一律取为1.0。第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料v对钢结构用材的要求v钢材的主要性能v影响钢材性能的因素v钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加载v建筑钢材的类别及钢材的选用主要内容：主要内容：主要内容：主要内容：重点：重点：重点：重点：v对钢结构用材的要求v建筑钢材的类别及钢材的选用2.1 2.1 对钢结构用

19、材的要求对钢结构用材的要求v较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。v足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。v良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。v适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)使用环境,具有承受重复荷载作用的性能。v容易生产，价格便宜。钢结构设计规范(GB500172002)推荐:普通碳素结构钢Q235钢 低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420 符合上述要求的。2.2 2.2 钢材的主要性能钢材的主要性能图图2.1钢材的一次拉伸应力应变曲线钢材的一次拉伸应力应变曲线2.2.1 2.2.1 单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能 条件：常温、静载条件下一次拉伸

20、1.比例极限比例极限 P这是应力这是应力-应变图中直线段的最大应力值。应变图中直线段的最大应力值。严格地说，比严格地说，比 P略高处还有弹性极限，但弹性略高处还有弹性极限，但弹性极限与极限与 P极其接近，所以通常略去弹性极限的极其接近，所以通常略去弹性极限的点，把点，把 P看做是弹性极限。看做是弹性极限。2.屈服点屈服点 y应变应变 在在 P之后不再与应力成正比，而是渐之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应力渐加大，应力-应变间成曲线关系，一直到屈服应变间成曲线关系，一直到屈服点。点。3.抗拉强度抗拉强度(极限强度极限强度)u屈服平台之后，应变增长时又需有应力的屈服平台之后，应变增长时又需有应

21、力的增长，但相对地说应变增加得快，呈现曲线关增长，但相对地说应变增加得快，呈现曲线关系直到最高点。系直到最高点。4.伸长率5和10 伸长率是断裂后试件的永久变形与原标定长度的百分比。取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度，其相应的伸长率用5和10表示，伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。屈服点、极限强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，其意义屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，其意义是是：1作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。可以认为应力达到y时为弹性变形的终点。同时，

22、达到y 后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加，表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力，故此以y作为弹性计算时强度的标准。2y之前，钢材近于理想弹性体，y之后，塑性应变范围很大而应力保持不增长，所以接近理想塑性体。因此，可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的应力-应变模型。钢结构设计规范对塑性设计的规定，就以材料是理想弹塑性体的假设为依据，忽略了应变硬化的有利作用。3.钢材的塑性塑性为当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用伸长率伸长率 和断面断面收缩率收缩率 表示。通过静力拉伸试验得到。伸长率伸长率 根据试件原标距长度 l0与试件中间部分的直径d

23、0 的比值为10或5而分为10或5，为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百分率。式中：l1 为试件拉断后标距间长度。断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率。式中：A0 试件原来的断面面积；A1 试件拉断后颈缩区的断面面积；结构或构件在受力时（尤其承受动力荷载时）材料塑性好坏往往决定了结构是否安全可靠，因此钢材塑性指标比强度指标更为重要。图图2.2钢材的冷弯试验钢材的冷弯试验2.2.2 2.2.2 冷弯性能冷弯性能 根据根据试样厚度，按厚度，按规定的弯心直径定的弯心直径将将试样弯曲弯曲180度，其表面及度，其表面及侧面无裂面无裂纹或分或分层则为“冷弯冷弯

24、试验合格合格”。“冷弯冷弯试验合格合格”一方面同伸一方面同伸长率一率一样，表示材料塑性，表示材料塑性变形能力符合要求，形能力符合要求，另一方面表示另一方面表示钢材的冶金材的冶金质量量(颗粒粒结晶及非金属晶及非金属夹杂分布，甚至在一定程度分布，甚至在一定程度上包括可上包括可焊性性)符合要求，因此，冷弯符合要求，因此，冷弯性能是判性能是判别钢材塑性材塑性变形能力及冶金形能力及冶金质量的量的综合指合指标。重要重要结构中需要有良好的冷构中需要有良好的冷热加工加工工工艺性能，性能，应有冷弯有冷弯试验合格保合格保证2.2.3 2.2.3 冲击韧性冲击韧性 韧性是性是钢材断裂材断裂时吸收机械能能力的量度。是

25、吸收机械能能力的量度。是与抵抗与抵抗冲冲击作用有关的性能。作用有关的性能。吸收吸收较多能量才断裂的多能量才断裂的钢材，是材，是韧性好的性好的钢材。材。钢材在一次拉伸静材在一次拉伸静载作用下断裂作用下断裂时所吸收的能量，等所吸收的能量，等于于应力力-应变曲曲线下的面下的面积。塑性好的。塑性好的钢材，其材，其应力力-应变曲曲线下的面下的面积大，所以大，所以韧性性值大。大。实际工作中，而用冲工作中，而用冲击韧性衡量性衡量钢材抗材抗冲冲击性能。因性能。因为实际结构中脆性断裂并不构中脆性断裂并不发生在生在单向受拉的地方，而向受拉的地方，而总是是发生在有缺口高峰生在有缺口高峰应力的地方，在缺口高峰力的地方

26、，在缺口高峰应力的地方力的地方常呈三向受拉的常呈三向受拉的应力状力状态。AkV冲击功。夏比V形 缺口，单位J图图钢材的冲击试钢材的冲击试验验 缺口缺口韧性性值受温度影响，温度低于某受温度影响，温度低于某值时将急将急剧降降低。低。设计处于不同于不同环境温度的重要境温度的重要结构，尤其是受构，尤其是受动载作用的作用的结构构时，要根据相，要根据相应的的环境温度境温度对应提出冲提出冲击韧性的保性的保证要求。要求。2.2.4 2.2.4 可焊性可焊性 可可焊性是指采用一般性是指采用一般焊接工接工艺就可完成合格就可完成合格(无裂无裂纹的的)焊缝的性能。的性能。钢材的可材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响

27、。碳含性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在量在0.120.20范范围内的碳素内的碳素钢，可，可焊性最好。碳含量性最好。碳含量再高可使再高可使焊缝和和热影响区影响区变脆。脆。2.3 2.3 影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素 钢是含碳量小于钢是含碳量小于2的铁碳合金，碳大的铁碳合金，碳大于于2时则为铸铁。时则为铸铁。钢结构钢结构:碳素钢及低合金钢碳素钢及低合金钢。碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占成，其中纯铁约占99，碳及杂质元素约，碳及杂质元素约占占1。低合金结构钢中，除上述元素外还加低合金结构钢中，除上述元素外还加入合金元素，后者总量通常不

28、超过入合金元素，后者总量通常不超过3。碳。碳及其他元素虽然所占比重不大，但对钢材及其他元素虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响。性能却有重要影响。2.3.1 2.3.1 化学成分的影响化学成分的影响v碳（碳（C）v碳是碳素结构钢中碳是碳素结构钢中仅次于铁仅次于铁的主要元素，的主要元素，是影响是影响钢材强度钢材强度的主要因素。随着含碳量的主要因素。随着含碳量的增加，钢材强度提高，而塑性和韧性、的增加，钢材强度提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应

29、超过用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊，对焊接结构应低于接结构应低于0.2%。v锰（锰（Mn）v锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材强度，又能消除硫、氧对钢效地提高钢材强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为，在低合金钢中一般为1.0%-1.7%。v硅（硅（Si）硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响。但硅含量过大时，会降低钢材的塑性

30、、韧性、抗锈蚀性和可焊性。v钒钒(V)、铌、铌(Nb)、钛、钛(Ti)我国的低合金钢都含有这三种元素。钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。v铝铝(Al)、铬、铬(Cr)、镍、镍(Ni)铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。v硫（硫（S）硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等。在高温时使钢材变脆，即热脆。钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。v磷磷(P)磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷

31、是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。v氧氧(O)、氮、氮(N)氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈。氮能使钢冷脆，与磷相似。2.3.2 2.3.2 成材过程的影响成材过程的影响 1冶冶炼 钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢及电炉炼钢。炉炼钢及电炉炼钢。电炉钢质量最佳，但耗电量很大，费用较贵；电炉钢质量最佳，但耗电量很大，费用较贵；电炉钢质量最佳，但耗电量很大，费用较贵；电炉钢质量最佳，但耗电量很大，费用较贵；平炉钢的

32、冶炼工艺容易控制，钢产量高，质量平炉钢的冶炼工艺容易控制，钢产量高，质量平炉钢的冶炼工艺容易控制，钢产量高，质量平炉钢的冶炼工艺容易控制，钢产量高，质量均匀，用于各种重要的结构。均匀，用于各种重要的结构。均匀，用于各种重要的结构。均匀，用于各种重要的结构。氧气转炉钢所含有害元素及夹杂物少，钢材的氧气转炉钢所含有害元素及夹杂物少，钢材的氧气转炉钢所含有害元素及夹杂物少，钢材的氧气转炉钢所含有害元素及夹杂物少，钢材的质量较好，且生产效率高、成本低。质量较好，且生产效率高、成本低。质量较好，且生产效率高、成本低。质量较好，且生产效率高、成本低。在建筑钢结构中，主要使用氧气顶吹转炉钢的在建筑钢结构中，

33、主要使用氧气顶吹转炉钢的质量，由于生产技术的提高，已不低于平炉钢的质量，由于生产技术的提高，已不低于平炉钢的质量。质量。2.3.2 2.3.2 成材过程的影响成材过程的影响 2 2浇铸浇铸 把熔炼好的钢水浇入铸模做成钢锭。铸锭过把熔炼好的钢水浇入铸模做成钢锭。铸锭过程中因脱氧程度不同，最终成为镇静钢、半镇静程中因脱氧程度不同，最终成为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。钢与沸腾钢。锰锰锰锰为弱脱氧剂，脱氧不完全，浇注后钢液中为弱脱氧剂，脱氧不完全，浇注后钢液中为弱脱氧剂，脱氧不完全，浇注后钢液中为弱脱氧剂，脱氧不完全，浇注后钢液中残留的氧化铁与钢液中的碳相互作用生成一氧化残留的氧化铁与钢液中的碳相互作用

34、生成一氧化残留的氧化铁与钢液中的碳相互作用生成一氧化残留的氧化铁与钢液中的碳相互作用生成一氧化碳气体，从钢液中逸出时使钢液在钢锭模中产生碳气体，从钢液中逸出时使钢液在钢锭模中产生碳气体，从钢液中逸出时使钢液在钢锭模中产生碳气体，从钢液中逸出时使钢液在钢锭模中产生“沸腾沸腾沸腾沸腾”，故名沸腾钢。，故名沸腾钢。，故名沸腾钢。，故名沸腾钢。沸腾钢价格便宜。但组织不够细密，并有较沸腾钢价格便宜。但组织不够细密，并有较沸腾钢价格便宜。但组织不够细密，并有较沸腾钢价格便宜。但组织不够细密，并有较多的氧化铁夹杂，化学成分不够均匀。这些缺陷多的氧化铁夹杂，化学成分不够均匀。这些缺陷多的氧化铁夹杂，化学成分不

35、够均匀。这些缺陷多的氧化铁夹杂，化学成分不够均匀。这些缺陷可使钢的冲击韧性较低，抵抗冷脆性能差，抗疲可使钢的冲击韧性较低，抵抗冷脆性能差，抗疲可使钢的冲击韧性较低，抵抗冷脆性能差，抗疲可使钢的冲击韧性较低，抵抗冷脆性能差，抗疲劳性能也较镇静钢为差。劳性能也较镇静钢为差。劳性能也较镇静钢为差。劳性能也较镇静钢为差。硅硅硅硅为强脱氧剂。脱氧充分，硅与氧化铁起作用时，产生较为强脱氧剂。脱氧充分，硅与氧化铁起作用时，产生较为强脱氧剂。脱氧充分，硅与氧化铁起作用时，产生较为强脱氧剂。脱氧充分，硅与氧化铁起作用时，产生较多热量。在钢锭模中的钢液冷却较慢，大部分气体可以析出。多热量。在钢锭模中的钢液冷却较慢

36、，大部分气体可以析出。多热量。在钢锭模中的钢液冷却较慢，大部分气体可以析出。多热量。在钢锭模中的钢液冷却较慢，大部分气体可以析出。钢液在平静状态下凝固，故名镇静钢。钢液在平静状态下凝固，故名镇静钢。钢液在平静状态下凝固，故名镇静钢。钢液在平静状态下凝固，故名镇静钢。镇静钢的化学成分较均匀，晶粒细而均匀，组织密实，含镇静钢的化学成分较均匀，晶粒细而均匀，组织密实，含镇静钢的化学成分较均匀，晶粒细而均匀，组织密实，含镇静钢的化学成分较均匀，晶粒细而均匀，组织密实，含气泡和有害氧化物等夹杂少，因而冲击韧性较高，特别是低温气泡和有害氧化物等夹杂少，因而冲击韧性较高，特别是低温气泡和有害氧化物等夹杂少，

37、因而冲击韧性较高，特别是低温气泡和有害氧化物等夹杂少，因而冲击韧性较高，特别是低温时的韧性大大高于沸腾钢，抗低温冷脆能力和抗疲劳性能都较时的韧性大大高于沸腾钢，抗低温冷脆能力和抗疲劳性能都较时的韧性大大高于沸腾钢，抗低温冷脆能力和抗疲劳性能都较时的韧性大大高于沸腾钢，抗低温冷脆能力和抗疲劳性能都较强。强。强。强。半镇静钢半镇静钢半镇静钢半镇静钢的脱氧程度介乎沸腾钢与镇静钢之间，钢材的质的脱氧程度介乎沸腾钢与镇静钢之间，钢材的质的脱氧程度介乎沸腾钢与镇静钢之间，钢材的质的脱氧程度介乎沸腾钢与镇静钢之间，钢材的质量比沸腾钢好，价格则较镇静钢便宜。量比沸腾钢好，价格则较镇静钢便宜。量比沸腾钢好，价格

38、则较镇静钢便宜。量比沸腾钢好，价格则较镇静钢便宜。特殊镇静钢特殊镇静钢特殊镇静钢特殊镇静钢用硅脱氧后再用更强的脱氧剂铝补充脱氧。其用硅脱氧后再用更强的脱氧剂铝补充脱氧。其用硅脱氧后再用更强的脱氧剂铝补充脱氧。其用硅脱氧后再用更强的脱氧剂铝补充脱氧。其冲击韧性持别是低温冲击韧性都较高。桥梁用冲击韧性持别是低温冲击韧性都较高。桥梁用冲击韧性持别是低温冲击韧性都较高。桥梁用冲击韧性持别是低温冲击韧性都较高。桥梁用16Mnq16Mnq16Mnq16Mnq钢和钢和钢和钢和15Mnvq15Mnvq15Mnvq15Mnvq钢属于特殊镇静钢而普通低合金钢则大多为镇静钢。钢属于特殊镇静钢而普通低合金钢则大多为镇

39、静钢。钢属于特殊镇静钢而普通低合金钢则大多为镇静钢。钢属于特殊镇静钢而普通低合金钢则大多为镇静钢。2.3.2 2.3.2 成材过程的影响成材过程的影响2.3.2 2.3.2 成材过程的影响成材过程的影响 3轧制制 钢材的材的轧制能使金属的晶粒制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂，也能使气泡、裂纹等等焊合，因而改善了合，因而改善了钢材的力学性能。薄板因材的力学性能。薄板因辊轧次数多，其次数多，其强度比厚板略高。度比厚板略高。但但浇铸时的非金属的非金属夹杂物在物在轧制后能造成制后能造成钢材的分材的分层，所，所以分以分层是是钢材材(尤其是厚板尤其是厚板)的一种缺陷。的一种缺陷。设计时应尽量避免尽量避

40、免拉力垂直于板面的情况，以防止拉力垂直于板面的情况，以防止层间撕裂。撕裂。4热处理理 热处理的目的在于取得高理的目的在于取得高强度的同度的同时能能够保持保持良好的塑性和良好的塑性和韧性。性。正火属于最正火属于最简单的的热处理：把理：把钢材加材加热至至850900oC并保持一段并保持一段时间后在空气中自然冷却后在空气中自然冷却即即为正火；正火；回火是将回火是将钢材重新加材重新加热至至650oC并保温一段并保温一段时间，然后在空气中自然冷却；，然后在空气中自然冷却；淬火也称淬火也称调质处理。淬火是把理。淬火是把钢材加材加热至至900oC以上，保温一段以上，保温一段时间，然后放入水或油中快速，然后放

41、入水或油中快速冷却。冷却。强度很高的度很高的钢材，包括高材，包括高强度螺栓的材料度螺栓的材料都要都要经过调质处理。理。2.3.3 2.3.3 影响钢材性能的其它因素影响钢材性能的其它因素 1.冷加工硬化冷加工硬化(应变硬化硬化)在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等。减小了塑性和剪切等。减小了塑性和韧性性能，但性性能，但强度有所提高。度有所提高。普通普通钢结构中不利用硬化构中不利用硬化现象所提高的象所提高的强度。重要度。重要结构构还把把钢板因剪切而硬化的板因剪切而硬化的边缘部分刨去。部分刨去。用作冷弯薄壁型用作冷弯薄壁型钢结构的冷弯型构的

42、冷弯型钢，是由，是由钢板或板或钢带经冷冷轧成型的，薄壁型成型的，薄壁型钢结构构设计中允中允许利用因局部利用因局部冷加工而提高的冷加工而提高的强度度。此外，还有性质类似的时效硬化。时效硬化指钢此外，还有性质类似的时效硬化。时效硬化指钢材仅随时间的增长而转脆，为不利因素。材仅随时间的增长而转脆，为不利因素。所以有些重要结构要求对钢材进行人工时效。所以有些重要结构要求对钢材进行人工时效。时效过程可长达几年。但加热到时效过程可长达几年。但加热到2003000C，可使时效在几小时完成。然后测定其冲击韧性，以保可使时效在几小时完成。然后测定其冲击韧性，以保证结构具有长期的抗脆性破坏能力。证结构具有长期的抗

43、脆性破坏能力。2.温度的影响温度的影响钢材材对温度相当敏感，温度升高与降低都使温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能材性能发生生变化。相比之下，低温性能更重要。化。相比之下，低温性能更重要。正温范正温范围：总趋势是随着温度升高，是随着温度升高，钢材材强度降低，度降低，变形增大。形增大。约在在200oC以内以内钢材性能没有很大材性能没有很大变化，化，430-540oC之之间则强度度(fy与与fu)急急剧下降；到下降；到600oC时强度很低不度很低不能承担荷能承担荷载。此外，。此外，250oC附近有附近有兰脆脆现象，象，约260-320oC时有徐有徐变现象。象。兰脆脆现象指温度在象指温度在250

44、oC左右的区左右的区间内，内，fu有局部性提有局部性提高，高，fy也有回升也有回升现象，同象，同时塑性有所降低，材料有塑性有所降低，材料有转脆脆倾向。向。徐徐变现象指在象指在应力持力持续不不变的情况下的情况下钢材以很材以很缓慢的慢的速度速度继续变形的形的现象。象。设计时以以规定定150oC内内为适宜，超适宜，超过之后之后结构表面即构表面即需加需加设隔隔热保保护层。负温范围：负温范围：fy与与fu都增高，但塑性变形能力减小，都增高，但塑性变形能力减小，材料转脆（冷脆），对冲击韧性不利影响也材料转脆（冷脆），对冲击韧性不利影响也十分突出。十分突出。材料由韧性破坏转到脆性破坏时的温度材料由韧性破坏转

45、到脆性破坏时的温度叫该种钢材的转变温度。叫该种钢材的转变温度。在结构设计中要求避免完全脆性破坏，在结构设计中要求避免完全脆性破坏，所以结构所处温度应大于脆性转变温度。所以结构所处温度应大于脆性转变温度。3.3.应力集中应力集中 当截面完整性遭到破坏，在缺陷或截面变化处附近，当截面完整性遭到破坏，在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力。这是因孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力。这是因为材料的某一点在为材料的某一点在x x方向伸长的同时，在方向伸长的同时，在y y方向方向(横

46、向横向)将将要收缩，当板厚较大时还将引起要收缩，当板厚较大时还将引起z z方向收缩。方向收缩。三向应力的应力状态，使材料三向应力的应力状态，使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束，材料变脆。很大约束，材料变脆。当为数值相等三向拉应力时，当为数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。发生没有直到材料断裂也不屈服。发生没有塑性变形的断裂，既脆性断裂。塑性变形的断裂，既脆性断裂。4.复杂应力状态下钢材的屈服条件复杂应力状态下钢材的屈服条件复杂应力状态下的屈服屈服条件（第四强度理论，折算应力）：平面应力状态的屈服条件为：平面纯剪切时的屈服条件为：单向应力3.43.

47、4钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载 有屈服现象的钢材或者虽然没有明有屈服现象的钢材或者虽然没有明显屈服现象而能发生较大塑性变形的显屈服现象而能发生较大塑性变形的钢材，一般属于塑性材料。没有屈服钢材，一般属于塑性材料。没有屈服现象或塑性变形能力很小的钢材，则现象或塑性变形能力很小的钢材，则属于脆性材料。属于脆性材料。即使原来塑性表现极好的钢材，改即使原来塑性表现极好的钢材，改变了工作条件，如在很低的温度之下变了工作条件，如在很低的温度之下受冲击作用，也完全可能呈现脆性破受冲击作用，也完全可能呈现脆性破坏。所以，严格地说，不宜把钢材划坏。所以，严格地说，不宜

48、把钢材划分为塑性和脆性材料，而应该区分材分为塑性和脆性材料，而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。3.4.1 3.4.1 延性破坏和非延性破坏延性破坏和非延性破坏塑性破坏特征是：塑性破坏特征是：（1 1）破坏前有较大的塑性变形、有明显的颈缩现象，）破坏前有较大的塑性变形、有明显的颈缩现象，因而易及时发现，危险性小。因而易及时发现，危险性小。（2 2）构件断裂发生在应力到达钢材的抗拉强度时。）构件断裂发生在应力到达钢材的抗拉强度时。脆性破坏的特征是：脆性破坏的特征是：（1 1）破坏前的变形很小，破坏系突然发生，事先无预）破坏前的变形很小，破坏系突然发生，事先

49、无预兆，危险性大。兆，危险性大。（2 2）破坏时的应力常小于钢材的屈服点）破坏时的应力常小于钢材的屈服点fyfy。（3 3）断口平直，呈有光泽的晶粒状。）断口平直，呈有光泽的晶粒状。钢材脆性断裂的机理钢材脆性断裂的机理:钢材的断裂，来源于存在于钢材中的一些微小裂纹。钢材的断裂，来源于存在于钢材中的一些微小裂纹。在荷载作用下或在侵蚀性环境下，裂纹缓慢扩展，扩展到在荷载作用下或在侵蚀性环境下，裂纹缓慢扩展，扩展到一定程度，钢材迅速突然断裂。一定程度，钢材迅速突然断裂。防止钢材脆性断裂的措施防止钢材脆性断裂的措施:1 1）对低温地区的焊接结构要注意选用钢材的材质。）对低温地区的焊接结构要注意选用钢材

50、的材质。选选用用对对冲冲击击韧韧性性有有较较高高要要求求的的镇镇静静钢钢或或特特殊殊镇镇静静钢；钢；对钢的成分特别是碳、琉、磷的含量要严格控制；对钢的成分特别是碳、琉、磷的含量要严格控制；不应采用厚度大的钢材；不应采用厚度大的钢材；如如果果对对钢钢材材进进行行冷冷加加工工，应应将将有有冷冷加加工工硬硬化化部部分分的钢材刨去等。的钢材刨去等。2 2）对对低低温温地地区区的的焊焊接接结结构构，设设计计时时要要注注意意焊焊缝缝的的正正确确布布置置和和施施焊焊时时注注意意焊焊缝缝的的质质量量。布布置置不不当当可可使使残残余余应应力力增增大大，也也可可能能在在焊焊缝缝区区产产生生三三向向同同号号应应力力