《钢结构设计原理》陈绍蕃讲义

钢结构设计原理第一章 钢结构的基本性能建筑工程中,钢结构所用的钢材都就是塑性比较好的材料,在拉力作用下,应力-应变曲线 在超过弹性后有明显的屈服点与一段屈服平台,然后进入强化阶段。传统的钢结构设计,以屈 服点作为钢材强度的极限,并把局部屈服作为承载能力的准则。目前利用塑性的设计方法已 经提上了日程。钢材与其她建筑结构材料相比,强度要高得多。在同样的荷载条件下,钢结构构件截面小, 截面组成部分的厚度也小。因此,稳定问题在钢结构设计中就是一个突出的问题。建筑结构钢材有较好的韧性。因此,钢结构就是承受动荷载的重要结构。钢材的韧性也 不就是一成不变的。材质、板厚、受力状态、温度等都会对它产生影响。【钢材的生产及其对材性的影响】建筑结构所用的钢材包括两大类:一类就是热轧型钢与钢板;另一类就是冷成型（冷弯、冷 冲、冷轧）的薄壁型钢与压型钢板。一、钢的熔炼冶炼按需要生产的钢号进行,它决定钢材的主要化学成分。炼钢的原料为99%钢水+废钢 +合金元素。平炉炼钢的质量优于转炉炼钢的质量。目前,我国采用转炉炼钢,转炉钢具有投 资少、建厂快、生产效率高、原料适应性强等优点。二、钢的脱氧 脱氧的手段就是在钢液中加入与氧的亲与力比铁高的锰、硅与铝。脱氧的程度对钢材的 质量颇有影响。锰就是弱脱氧剂。硅就是较强的脱氧剂。铝就是强脱氧剂。钢液中含有较多的FeO,浇注时FeO与碳相互作用，形成CO气体逸出，引起钢液的剧烈沸 腾,这种钢称之为沸腾钢。它夹杂较多FeO,冷却后有许多气泡。硅在还原氧化铁的过程中放 出热量,使钢液冷却缓慢,气体大多可以逸出,所得钢锭称之为镇静钢。冷却后因体积收缩而在 上部形成较大缩孔,缩孔的孔壁有些氧化,在辊轧时不能焊合,必须先把钢锭头部切去。切头后 实得钢材仅为钢锭的 80%85%。对冲击韧性（尤其就是低温冲击韧性）要求高的重要结构,如 寒冷地区的露天结构,钢材宜用硅脱氧后再用铝补充脱氧的特殊镇静钢。这种钢比一般镇静 钢具有更高的室温冲击韧性与更低的冷脆倾向性与时效倾向性。镇静钢的质量好于沸腾钢。镇静钢成本高。镇静钢偏析小。镇静钢的性能优于沸腾钢, 主要表现在容易保证必要的冲击韧性,包括低温冲击与时效冲击,冲击韧性好可以承受动荷载 与处于低温的结构。GB50017-2003规范规定沸腾钢不能用于下列焊接结构:需要验算疲劳者;处于-30C与更 低温度者;工作温度低于-20C并直接承受动力荷载（但不需验算疲劳）者。鉴定镇静钢与沸腾 钢,可以通过硅的含量来进行。GB700-88规定,Q235钢分为A、B、C、D四级。前两级可以就是沸腾钢、半镇静钢或 镇静钢,C级必须就是镇静钢。三、钢的轧制辊轧就是型钢与钢板成型的工序,就是二次熔炼的过程,可以改善钢材的性能。辊轧分热 轧与冷轧,以前者为主。冷轧只用于生产小号型钢与薄板。经过热轧后,钢材组织密实,力学性能得到改善。这种改善主要表现在沿轧制方向上,从而 使钢材在一定程度上不再就是各向同性体。经过轧制之后,钢材内部的非金属夹杂物被压成 薄片,出现分层现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化,并且有可能在焊缝收缩时 出现层间撕裂。焊缝收缩诱发的局部应变就是屈服点应变的数倍。型钢与扁钢总就是沿辊轧方向受力,不存在非各向同性问题。钢板则不同,垂直于辊轧方 向受力,因此钢板拉力试验的试样应垂直与轧制方向切去。轧制影响钢材的塑性与韧性,产生残余应力,同时加工、切割、焊接也产生残余应力。热 轧钢材厚度小的强度高于厚度大的,而且塑性及冲击韧性也比较好。因此钢材的机械性能要 按厚度分级。热轧就是不均匀冷却造成的残余应力。在没有外力作用下内部自相平衡的应力 叫做残余应力。板的尺寸越大,冷却后的应力也越大。各种截面的热轧型钢都有这类残余应 力,不过随截面形式与尺寸不同,残余应力的分布有所区别。一般地说,截面尺寸越大,残余应力 也越大。残余应力虽然就是自相平衡的,对钢构件在外力作用下的性能有一定影响。残余应 力影响变形、稳定性、疲劳、低温脆断等。轧制普通工字钢的轧机只有两个水平轧辊。滚轧成型时,腹板所受压力大于翼缘,翼缘所 受压力与它内侧的斜度有关。腹板的性能优于翼缘。当工字钢作受弯构件时,翼缘的应力大 于腹板,承载能力主要取决于翼缘的性能。我国规定,各类型钢拉力试验与冲击试验的样坯都 从翼缘上切取,不过,槽钢与工字钢拉伸试件也可以在腹板取样。判断钢结构事故应考虑以下几个方面，化学成分不均匀；c、S、P偏析，含量外多、内少;厚钢板要抽查检验就是否有层间撕裂,利用超声波或 X 射线探伤。四、矫直与热处理钢材热轧冷却后存在残余应力，因此矫直后的残余应力应就是对原始残余应力进行重新 分布。重分布使翼缘原始残余应力峰值有所降低，将减轻用作压杆时的不利作用。矫直有两种方法，辊床调直与顶直。热处理可以改变钢材性能，建筑钢材一般以热轧状态交货，不进行热处理。热处理包括调 质热处理与正火。调质热处理包括淬火与高温回火两道工序。五、钢材的匀质与等向性钢材内部化学元素的分布不就是完全均匀的。钢锭的四周部分含碳减少，从周边到中心 碳逐渐增多，硫、磷等杂质也聚集在冷却较慢的部分，形成偏析。型钢截面上不同部分的屈服 点有差别，就是力学性质上的一种非匀质现象。测试力学性能的方法就是在翼缘上切取试样 确定屈服点比在腹板上取样更能反映材料的实际性能。钢材内部存在残余应力，从力学角度来说也就是一种不均匀性。钢板的各向异性，表现在 三个方向的受力性能。沿轧制方向力学性能最好，横向稍差。钢板如有分层，则沿厚度方向性 能最差。就是否分层，需用超声波等手段探伤。对于比较重要的结构，一就是对钢材进行探伤 检查，并限制局部分层的面积，二就是在设计时注意避免垂直于板面受拉与焊缝收缩造成层间 撕裂。【加工对钢构件性能的影响】一、加工对钢构件性能的影响钢结构的建造过程分为热加工、冷加工与冷作硬化。热加工，如钻孔切割，影响残余应力。 冷加工使钢材的强度提高，塑性与韧性下降。1、冷加工的影响冷加工考虑的因素有屈服强度、抗拉强度、冷弯性能。冷加工后，钢材的强度有所提高， 但塑性与冲击韧性降低。韧性降低的原因包括冷加工与时效两种因素。钢材的剪切与冲孔， 使剪断的边缘与冲出的孔壁严重硬化，甚至出现微细裂纹。对于比较重要的结构，剪断处需要 刨边;冲孔只能用较小的冲头，冲完再进行扩孔。目的都就是把硬化部分除掉，以免裂纹在一定 条件下扩展。冷弯成型后弯角部分屈服点大幅度提高,同时抗拉强度也有所提高,但塑性降低。外侧沿 圆弧方向为拉伸,沿半径方向为压缩,内侧沿弧线方向压缩,沿半径方向拉伸。当材料弯成圆角 时半径与板厚之比越小,塑性应变越大,屈服点提高幅度越大。Q345-16Mn,在一15C以下不要冷加工,容易产生脆性断裂。Q235-A3,在一20C以下不要 冷加工,容易产生脆性断裂。2、热加工的影响热加工包括火焰切割、乙炔切割与焊接。焊接与焰割对钢材焊接造成以下后果,焊缝金属具有铸造组织,不同于轧制钢材,焊缝性 能不如母材好,但强度高;焊弧的高温使邻近焊缝的钢材发生组织变化,焊缝附近性能不好, 形成热影响区,热影响区包括过热区、正火区与部分重结晶区,在疲劳情况下,热影响区容易 破坏;局部性的高温使钢材发生塑性变形,冷却后存在残余应力,残余应力产生的原因就是熔 化铁水膨胀,未熔化部分对其产生的应力。焊缝金属的碳含量稍低,而氮、氢、氧稍高。采用短弧焊、埋弧焊与气体保护焊使熔化 金属与空气更好的隔离,可以不同程度地氮与氧的含量。焊缝金属含氢量高来源于大气与焊 条药皮,包括药皮的有机物成分与吸收的水分。当冷却快时氢能使焊缝金属内部出现微观裂 纹。因此,受潮的焊条必须烘干后才能使用,重要结构还要用低氢型焊条,以避免出现裂纹。焊接构件的残余应力与热轧构件的一样 ,在整个截面上拉压两部分应力自相平衡,不同 的就是焊接构件在焊缝及其近旁的残余拉应力特别高。三条焊缝情况要避免交叉,如不能避免,将次要焊缝断开,不要贯通。在制造厂对焊接结构的零件下料时,要考虑施焊后冷却的收缩而把材料适当放长。如果 两个构件受到相连的刚性部分牵制而不能收缩 ,则整个构件将产生拉应力,这就是另一种残 余应力,叫做反作用残余应力。3、热矫正与热成型常用的矫正方法就是进行局部加热,使其冷却后产生反向变形。为了防止淬火效应,加热 温度不应超过900C,钢结构规范规定，低合金钢在加热矫正后应自然冷却。热加工成型的构件需要加热到9001000C。二、制造与安装的偏差对钢结构性能的影响存在初始弯曲的轴心压杆,受压能力降低,既受压又受弯。存在初始弯曲的轴心拉杆,不降 低承受拉力的能力。杆长度的偏差会使体系内压力与拉力在体系内自相平衡。由于出现在承 受荷载之前,称为残余内力。当残余内力与载荷引起的内力同号时,将使承载能力降低。【外界作用对钢结构性能的影响】外界作用包括钢结构建成后的使用荷载与大气作用等。一、多轴应力的影响钢材在双向拉力作用下屈服应力与抗拉强度提高,延伸率降低。在异号双向应力作用下 屈服应力与抗拉强度降低,延性率增大。三向受拉塑性比双向受拉还低,破坏将就是脆性的。 三轴拉应力对钢结构就是十分不利的。二、加荷速率的影响建筑结构钢材在冲击性的快速加载作用下保持良好的强度与塑性变形能力。即在 20C 左右的室温环境下,钢材的屈服点与抗拉强度随应变速率的增大而提高 ,塑性变形能力也提 高。不利方面就是脆性转变温度随加荷速率增加而提高。三、循环加载的影响钢材在多次重复荷载的循环荷载作用下滞回环丰满而稳定,这种好的性能为钢结构在地 震作用下耗能能力提供了基础。钢结构设计原理陈绍蕃讲义四、低温与腐蚀性介质的影响低温使钢材韧性降低,温度降低到一定程度时钢材在冲击荷载作用下完全就是脆性断裂,腐蚀性介质也会促成脆性断裂并影响疲劳强度。五、高温的影响除了有热源的生产车间外,钢结构可能遭受的高温主要来自火灾。如果应力较高,且温度接近600C，则高温软化可以导致压杆屈曲与拉杆出现颈缩，需要修复、加固或更换。如果火 灾后构件没有新的变形,一般都可以继续安全承载。防止钢结构火灾损伤的途径,一就是用放火材料加以保护,二就是应用耐火钢材。第二章 钢结构稳定问题概述钢结构承载能力极限状态可以出现于下列六种情况:1、整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（如倾复）;2、结构构件或连接因材料强度被超过而破坏;3、结构转变为机动体系（倒塌）;4、结构或构件丧失稳定（屈曲等）;5、结构出现过度的塑性变形,而不适于继续承载;6、在重复荷载作用下构件疲劳断裂。【钢结构的失稳破坏】 建筑结构用的钢材具有很大的塑性变形能力。当结构因抗拉强度不足而破坏时,破坏前 呈现较大变形。但就是当结构因受压稳定性不足而破坏时,可能在失稳前只有很小的变形,即 呈脆性破坏的特征。脆性破坏具有突发性,不能由变形发展的征兆及时防止,所以比塑性破坏 危险。按国家标准,脆性破坏的构件的可靠指标应比延性破坏者提高一级,即安全等级为二级 的构件 值由 3、 2 提高到 3、 7。【失稳类别】一、钢结构的稳定问题分为两类:1、第一类稳定问题或具有平衡分岔的稳定问题（也叫分支点失稳）。完善直杆轴心受压时的 屈曲与完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。2、第二类稳定问题或无平衡分岔稳定的问题（也叫极值点失稳）。由建筑钢材做成的偏心受 压构件,在塑性发展到一定程度时丧失稳定的承载能力,属于这一类。但某些结构如坦拱,即使 就是完全弹性的,也没有平衡分岔。二、弹性稳定可以分为以下三类:1、稳定分岔屈曲。结构在达到临界状态时,从未屈曲的平衡位形过渡到无限邻近的屈曲平 衡位形,即由直杆而出现微弯。此后,变形的进一步增大,要求荷载增加。直杆轴心受压与平板 在中面受压都属于这种情况。2、不稳定分岔屈曲。结构屈曲后只能在比临界荷载低的荷载下才能维持平衡位形。属于这 种情况的有承受轴向荷载的圆柱壳与承受均匀外压力的全球壳,钢结构常用的缀条柱与圆柱 壳很相似。薄壁型钢方管压杆也在一定条件下表现出类似特性。3、越跃屈曲。这种屈曲的特点就是:结构由一个平衡位形突然跳到另一个平衡位形,其间出 现很大的变形。属于这种情况的有铰接坦拱与油罐的扁球壳顶盖。虽然在发生越跃后荷载可以大于临界值,但实际工程中允许出现这样大的变形,因此,应该以临界荷载作为承载的极限。 越跃屈曲虽然没有平衡分岔,却与不稳定分岔屈曲有相似之处,都就是从丧失稳定平衡后经历 一段不稳定平衡,然后重新获得稳定平衡。当构件有几何缺陷时荷载与变形的关系。对于稳定分岔屈曲,虽然有缺陷,荷载仍然可以 高于临界值;对于不稳定分岔屈曲,缺陷使承载能力受到很大伤害,荷载的极限值比无缺陷时 的临界值大幅度降低。由此可见,屈曲为不稳定分岔的结构对缺陷特别敏感。对于非对称结构,可能出现一种特殊的非对称特性:屈曲时向某一方向变形时呈稳定分岔, 向另一个方向变形时呈不稳定分岔。【结构稳定问题的特点】一、考虑变形对外力效应的影响在分析结构内力以求解算它的强度时,除由柔索组成的结构外,按未变形的结构来分析它 的平衡经常可以获得足够精确的结果。分析结构的稳定问题则不同,必然涉及到结构变形后 的位形与变形对外力效应（即二阶效应）。针对未变形的结构来分析它的平衡 ,不考虑变形对外力效应的影响,叫做一阶分析;针对 已变形的结构来分析它的平衡,则就是二阶分析。应力问题通常都就是一阶分析,只有少数特 殊的结构如悬索屋盖、桅杆结构与悬索桥,因为变形对内力影响很大,才需要用二阶分析。一 般解算超静定结构的内力 ,虽然要考虑变形协调关系 ,并没有全面考虑变形对外力效应的影 响。稳定问题原则上都应该用二阶分析。但就是,目前在计算框架柱稳定时,确定计算长度虽 然以已变形的结构为依据,而柱内力却就是按一阶分析算得的。如果要分析大变形、大挠度 问题,曲率要用更精确的表达式,这时曲率与位移导数之间不再存在线性关系,称为三阶分析。二、静定与超静定结构的区分失去意义静定与超静定结构的划分,就是适应应力问题的需要而做出的:静定结构的内力分析只用 静力平衡关系就够了;超静定结构的内力分析,则还需加上变形协调关系。三、叠加原理不适用叠加原理普遍用于应力问题。它的应用以满足下列两个条件为前提: 1、材料服从胡克定律,亦即应力与应变成正比;2、结构的变形很小,可以用一阶分析来进行计算。概括地说,也就就是它既不存在物理的非线性,也不存在几何的非线性。稳定问题一般不 符合第二个前提,因为它需要用二阶分析来计算。二阶分析在曲率与位移导数之间虽然可以 瞧成存在线性关系,但内力与变形之间常常就是非线性关系。叠加原理不适用于二阶分析。【稳定计算中的整体观点】结构的稳定承载能力,与它的刚度密切相关。梁屈曲时兼有侧向弯曲与扭转两种变形。 由于验算构件稳定时形式上似乎就是验算某一截面,往往使人对强度与稳定计算的实质分辨 不清。二者之间的原则区别就是:强度就是某一个截面的问题,而稳定则就是构件整体问题, 因为构件的刚度就是它的整体组成所决定的,包括截面刚度与构件长度。在处理稳定问题时, 必须具有整体观点。从整体上瞧框架的侧向刚度只能由悬臂柱提供,铰接柱毫无抗侧移的能力。因此悬臂柱 对左柱上端提供弹性支座的作用,它的任务就不仅仅就是承受本身的一半压力,而就是还要包 括对左柱的支援作用,这种作用表现在承受水平力。水平力与压力的合力就是一个斜向作用 力。处理稳定问题应该有整体的观点,还可以从局部稳定与整体稳定的相关关系来说明。局 部与整体的相关关系可以概括为:整体缺陷促使截面局部弱化,局部弱化反过来又影响整体承 载能力。最优化设计的结构总就是对缺陷很敏感的。只要有一点偏差,结构的承载能力就要下降。 整体与局部等稳,就是最优化原理在压杆设计中的应用 ,它充分表明优化结构对缺陷的敏感 性。缺陷可以使承载能力降低很多。【稳定设计的几项原则】一、在钢结构设计中,为了保证结构不丧失稳定,还应注意以下几点: 1、结构整体布置必须考虑整个体系及其组成部分的稳定性要求。保证这些平面结构不致出平面失稳,需要从结构整体布置来解决,亦即设置必要的支撑构 件。平面结构构件的出平面稳定计算必须与结构布置相一致。2、杆件稳定计算的常用方法,往往就是依据一定的简化假设或典型情况得出的,设计者必须 确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。3、设计结构的细部构造与构件的稳定计算必须相互配合,使二者有一致性。第三章 钢结构的断裂【钢结构脆性破坏及其原因】冷加工与凿痕就是引起脆性破坏的部分原因。焊接结构的脆性破坏也有与铆接结构共同 之处,那就就是经常发生在气温较低的情况,结构的钢材厚度较大,一般处在静力荷载作用下, 而且应力常常并未达到设计应力,或虽达设计应力但与材料的屈服点还有一段距离。破坏时 结构并未超载,表明脆性破坏就是钢结构的一种特殊问题。综上所述,造成脆断的原因有:材质 不合格,低温冲击韧性差,以及汇交于节点板上各杆之间的空隙过小 ,低温焊接产生了较大的 残余应力。在屋盖结构中,桁架比实腹构件更容易脆断。钢结构脆性破坏事故不断发生,除了采用焊 接外,还有以下原因:结构比过去复杂,有的使用条件恶劣（如海洋结构）,有的荷载很大,钢材强 度与钢板厚度都趋于提高与增大,设计时采用更精细的计算方法并利用材料非弹性性能以尽 量降低造价,致使结构的实际安全储备比过去有所降低。【断裂力学的观点】断裂就是在荷载与侵蚀性环境的作用下,裂纹扩展到临界尺寸时发生的。焊接过程中可 能出现的缺陷,包括宏观裂纹,如角焊缝可能存在的缺陷,咬边、未熔合、未焊透及气孔等,其中 以咬边最为不利。结构的无损探伤只有一定的灵敏度,太小的缺陷发现不了。所以,即使经过 探伤,也不能说构件就不含有裂纹。按照线弹性断裂力学，应力强度因子K 莎K，裂纹尺寸a越大，构件所能安IIC全承受的应力b就越小。裂纹的失稳扩展，与构件压屈失稳有些相似之处。压杆所能承受的应力为b二兀2E/九2,长细比九越大,b越低;带裂纹拉杆拉断应力b = K /（aja）,裂CCCIC纹尺寸a越大,b越低。C建筑结构所用钢材属于强度不高而韧性较好的钢材,当要解决低应力脆断问题时,需要用 弹塑性断裂力学代替断裂力学来解决低应力脆断问题。目前可以用来衡量高韧性材料抵抗断 裂的能力的有裂纹张开位移理论 （即 COD 理论）。按照这种理论当薄板受拉满足条件8 f a/兀g、y lnsec( ) 构建即将开裂:公式左端代表裂纹顶端张开位移，右端就是位移失稳 兀 E2 fCy临界值,与% 一样，属于材料的固有特性。简化后整理得、沅a g 尹也，这就就是说,韧性好的材料制成的构件什么时候出现断裂，也与a、G两个因素相关。由于5容易实验,C试件不要求很厚,故可由5的试验值推算K。CIC应力所起的作用应该从能量的角度来理解。因裂纹出现而板单位厚度释放出的应变能就g 2 cdU 2g 2 cc是U = 卩a2,则能量释放率为G =卩a。根据精确计算，卩的数值应就是:平面EdaE应力状态卩；平面应变状态卩=兀(1-v 2)。造成裂纹需要做一定的功W；它的数值与裂纹dW尺寸a成正比，即=R =常数,出现裂纹过程中能量的总变化就是W + U。以裂纹出现与dadW dU d (W + U)门 扩展所需要的能量w为正，在此过程中释放出的能量u为负。若+= 0,da dadad (W + U)即稳定扩展阶段;若 0,失稳扩展阶段。(41)da用高强度钢材做成的结构,构件中储存的应变能高,断裂的危险性也就大于用普通钢材的 结构。因此,对高强钢材的韧性应该要求更高一些。一般建筑结构用的钢材在室温下的断裂 韧性 K 值的测试,要求很厚的试件才能满足平面应变的条件,所以难以直接测得。钢材的韧IC性目前还就是以缺口冲击韧性作为衡量的准则，并用夏比V形缺口冲击试验值C。实验表v明, K 与 C 的变化规律有一定的相似性,尤其就是动力荷载作用下更为类似,脆性转变温度IC v也很接近。【防止脆性断裂】一、裂纹原始裂纹尺寸的控制主要由保证施工质量与强检验来解决。裂纹质量不仅涉及到裂纹, 还涉及到咬边、欠焊、夹渣与气孔等缺陷。因为这些缺陷或者本身就起裂纹的作用,或者能 够引发裂纹。检验发现缺陷超过允许限度 ,就需要加以补救。在工程实际上 ,焊缝长度小于 6mm 的裂纹在检验时不易被发现。当焊接两板时,需要在两板之间垫上软钢丝留出缝隙,焊缝 有收缩余地,裂纹就不会出现。在焊接过程中,把角焊缝的表面做成凹形,有利于缓与应力集中, 但就是经验表明,凹形表面的焊缝,焊后比凸形的容易开裂,在凹形焊缝开裂的条件下,改用凸 形缝,就不再开裂。焊缝的收缩作用还有可能引起板的层间撕裂。综上所述,控制焊接结构的 初始裂纹需要在焊缝设计、施焊工艺与焊后检验各个环节加以注意。二、应力考察断裂问题时,应力 g 应就是构件的实际应力 ,它不仅仅与荷载大小有关,也与构造形 状及施焊条件有关。三轴同号应力状态的脆性破坏最为危险。应力不仅要瞧它的大小,更重 要的就是要瞧应力状态。同时,避免焊缝过于集中与避免截面突然变化,这样都有助于防止脆 断。三、材料韧性规定以夏比V形缺口冲击试验作为材料韧性的判据。V形缺口试件吸收的功较少，脆性 转变温度则稍高。钢材的断裂有几种不同的表现,即可以就是脆性断裂、韧性断裂或兼有脆 性与韧性的断裂。脆性断裂的宏观特征就是没有塑性变形 ，断口表面呈颗粒状，平齐而光亮， 断面与拉伸应力的方向垂直;韧性断裂则有明显的宏观塑性变形 ，并出现颈缩现象，断口呈纤 维状，其断裂机理就是剪切断裂过程。有塑性变形就要吸收较多的能量。材料断裂时吸收的能量与温度有密切关系。吸收的能量可以划分为三个区域，即变形就 是塑性的、弹塑性的与弹性的。后者属于完全脆性的断裂，也属于平面应变状态。所以冲击 韧性的指标宜在弹塑性区域。加荷速率也就是一个影响能量吸收额的颇为重要的因素。随着加荷速率的减小，曲线向 温度较低的方向移动。有些结构的钢材在工作温度下冲击韧性很低，但仍能保持完好，就可以 由加荷速率来说明。对于同一冲击韧性的材料，当设计承受动力荷载时，允许最低的使用温度 要比承受静力荷载高得多。加荷速率分为三级，缓慢加荷 =10-5S-l，中速加荷 =1O-3S-1,动力加 荷 =10S-1。当应变率低于缓慢加荷10-3S-1时属于准静态情况，应变率效应可以略去不计。把 加荷速率分为二级，其中 R1 为静力及缓慢加载，适合于承受自重、楼面荷载、车辆荷载、风 及波浪荷载以及提升荷载的结构;R2级为冲击荷载，适用于高应变速率如爆炸与冲撞荷载。因 此，除遭强烈地震作用袭击外，建筑结构通常都可列为准静态的结构 ，即在考虑荷载的动力系 数后按静态结构对待，不过承受多次循环荷载时需要进行疲劳计算。钢材的厚度对它的韧性也有影响。薄板断裂时几乎呈完全韧性的剪切断口，厚度稍大则 呈韧性与脆性混合的断口;厚板呈脆性的平断口。作为材料的韧性指标值，应取平面应变状态 的断裂韧性KC。12mm与更厚的板,冲击试验的标准试样都就是10mmX55mmX55mm。不同 板厚的板用于同一截面尺寸的试样进行试验,反映不出带切口厚板处于平面应变状态的不利 情况。缺点一就是当厚板与薄板的冲击韧性相同时,厚板的韧性比薄板的低。另一个缺点就 是难于把裂纹扩展与裂纹形成区分开来。为了弥补这一缺点,可以采用全厚度的试样做静力 拉伸试验或落锤试验。静力拉伸试验的试样两侧都有V形缺口，在不同温度下进行这种试验， 可以通过断口颗粒状部分所占百分比的变化来确定材料的脆性转变温度,也可以通过试样拉 断的延伸率、厚度缩减率或拉伸图所包的能量来考察向脆性的转化。无韧性温度NDT值比V 形缺口冲击试验所得的转变温度高15-25C，因为落锤试验的动力效应大。对于厚度不大而 韧性又高的钢材，夏比 V 形缺口冲击试验这一指标就是可靠的。四、结构形式优良的结构形式可以减小断裂的不良后果。由于脆断时应力一般没有达到设计设计应力， 重分布后结构仍可安全承载。当把结构设计成超静定的，即有赘余构件的，可以减少断裂造成 的损失。当把结构设计成静定结构时，注意使荷载能够多路径传递。多路径不容易整体破坏， 同时次要构件与主要构件同样可以对多路径传递作出贡献。从控制脆断的角度考虑，多路径 传递优于单路径传递。当对梁做防断裂设计时，如果受拉翼缘由一块厚板组成，材料的韧性要 求应优于多层较薄的板，才能够得到统一的安全保证。当腹板与翼缘板之间有间隙连接时，有 利于裂缝到缝隙处停止。梁腹板与翼缘之间不受垂直于间隙的拉力，这就是允许间隙存在的 一个条件。五、钢材选用设计焊接结构，钢材的选用也就是防止脆断的因素之一。【应力腐蚀开裂】用K R 而K作为判断构件就是否会断裂的准则，只适用于处于非腐蚀性环IIC境的构件。在腐蚀性介质中,虽然应力低于K值，经过一定时期也会出现脆性断裂。这种现象I叫做应力腐蚀开裂,也叫做滞后断裂或延迟断裂。出现这种现象的原因就是:构件中原来存在 的小裂纹在腐蚀性介质作用下随着时间的增长而逐渐扩展,待达到临界尺寸时,构件就会突然 脆断。应力腐蚀断裂主要发生在高强度材料,高强螺栓在使用过程中就有可能出现延迟断裂 的现象。在腐蚀性介质中做试验来测定材料的断裂韧性,所得结果要比在无腐蚀性介质的大气中测得的低。当按原始裂纹算得的应力场强度因子低于它的临界值K时,不论时间多长，试件Iscc都不会断裂。每一种材料在特定的腐蚀介质中的K 就是个常数，一般IsccK 二（1/21/5）K 。钢材的含碳量越高，则韧性越低，抵抗应力腐蚀断裂的性能也越差。IsccIC第四章 疲劳破坏【影响疲劳破损的因素】一、疲劳荷载 钢结构的疲劳破损就是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开展以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。二、疲劳破坏的过程 一般地说，疲劳破坏经历三个阶段:裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展与最后迅速断裂。对于钢结构，实际上只有后两个阶段，因为结构总会有内在的微小缺陷，这些缺陷本身就起着裂纹的 作用。疲劳破坏的起始点多数在构件的表面。对非焊接构件，表面上的刻痕、轧铁皮的凸凹、 轧钢缺陷与分层以及焰割边不平整、冲孔壁上的裂纹，都就是裂源可能出现的地方。对焊接 构件，最经常的裂源出现在焊缝趾处，那里常有焊渣侵入。有些焊接构件疲劳破坏起源于焊缝 内部缺陷，如气孔、欠焊、夹渣等。疲劳裂纹经历长期的荷载循环，扩展十分缓慢;而脆性断裂 不经长期的荷载循环。当构件应力较小时，扩展区所占范围较大，而当构件应力很大时，扩展区就比较小。扩展区 的表面光滑，而且就是愈近裂源愈光，这就是因为裂纹经过多次开合的缘故。拉断区可以就是 脆性的颗粒状断口，也可以时带有一定韧性的断口。三、疲劳试验的结果 光滑试件的疲劳强度明显高于带槽试件，这就是因为带槽试件的应力集中使疲劳强度降低。因此，应力集中就是研究疲劳问题的重要因素。在实际结构中，应力集中的程度由构造细 节决定。有横向对接焊缝的试件的疲劳强度b 随焊缝余高角度0的变化情况:角度0愈小，应 max力集中愈严重，疲劳强度愈低。应力循环的特征可以由最小、最大应力的比值R = b / b 来表示，以拉应力为正。min max四、断裂力学的分析用断裂力学的观点考察疲劳问题,首先就是分析裂纹扩展速率。带裂纹的钢构件就是否进一步开裂,取决于应力强度因子K =a、证就是否超过材料的断裂韧性K。应力强度 IIC因子就是对裂纹顶端周围应力与应变的一个度量。裂纹的扩展速率取决于 K 的变化幅度AK = K- K ，即 =C(AK)n，此式常称为Paris定律，式中n与C为与材料有关的常max min dN数。由于工程设计中用名义应力计算，不计入应力集中系数与残余应力影响,C还与构造细节 有关。严格地说,C,n不仅与材料有关，也与平均应力及环境有一定关系。对于扩展速率受R 值影响的区域,可以用有效应力强度因子幅AK代替AK ,则疲劳寿命的表达式为 e1 daN二产a2，式中a1与a2分别就是裂纹的初始尺寸与裂纹缓慢扩展阶段结束时的尺C a (AK )n12a da a2 -.1 （a* 兀 a ）n。对于钢寸。用Ab来表示应力幅，即Aq=q /a ，则有N = (Ao)-n imin maxC结构,n值常在2、53、5之间,可取为3、0。GB50017规范规定允许应力幅的计算公式就是Aa = ()i 0。n五、环境的影响 对于长寿命的疲劳,腐蚀的不利影响要比短寿命疲劳严重的多。 腐蚀对疲劳裂纹的扩展速率的影响与疲劳荷载的频率有关:频率愈低影响愈大,但在扩展速率低的范围内无明显影响。六、提高疲劳寿命 在同样的应力幅作用下,结构没有焊缝(也没有截面变化)的部位,疲劳破坏前的循环次数高于有对接焊缝的部位,后者又高于有角焊缝的部位。延长疲劳寿命有三种方法。首先就是减小初始裂纹尺寸a，如果把a减小为a / 2 ,则构1 1 1件所能承受的循环次数增加ani。这个增加颇为乐观，原因就是在裂纹尺寸很小时，扩展速率 da/dN 很低。其她两种方法就是降低构件所承受的应力与采用韧性较好的材料。【疲劳设计准则】一、基本原则 在实际工程中，安全寿命法与破损安全法往往就是结合在一起的。首先按安全寿命法的思路进行设计，争取在使用期限不出现裂纹，同时也注意荷载的多路径传递与结构各部分都易 于检查，在意外地出现裂缝时依然保证安全。土建结构的疲劳破坏可以采用使用寿命法来代替安全寿命法。两者的差别就是，前者在 结构达到安全使用寿命时不立即报废，并且承认在达到安全寿命前有可能出现疲劳裂缝。在使用寿命期间还需要注意的一个问题，就就是荷载有无变化。如果造成疲劳的荷载比 设计值增大，就需要对寿命做出新的估算。二、应力比准则与应力幅准则 自从焊接结构用于承受疲劳荷载以来，工程界从实践中逐渐认识到与这类结构疲劳强度密切相关的不就是应力比R,而就是应力幅Aa。应力幅准则的计算公式就是Aqaq,aq就是容许应力幅,它随构造细节而不同, 也随破坏前循环次数变化。焊接结构疲劳计算宜以应力幅为准则,原因在于结构内部的残余应力。如前面所述,疲劳 裂纹的起源常在焊趾或焊缝内部的缺陷,而焊缝及其近旁经常存在高达材料屈服点的拉伸残 余应力。焊缝旁实际应力的变化范围:不论脉冲循环还就是对称循环,只要应力幅相同,对构件 疲劳的实际效果就相同，而与应力循环特征R或平均应力无关。裂纹扩展只取决于施加的应 力幅。有纵向角焊缝的试件在疲劳强度时,对 R A = 0.78A ； Q345 钢,A A = 0.92A Q235 钢拉杆n 1.60n 1.36般不会由净截面强度控制，因为A /A通常不低于0、80。对Q345钢的构件，如果要毛截面屈n服控制,排列螺栓时需要注意在垂直拉力的方向不能太密。屈强比 f / f 一般随材料强度的uy提高而降低。初始弯曲与残余应力对有孔拉杆的影响与无孔拉杆的影响没有区别。有孔拉杆受力的一 个特殊情况,就是孔洞造成的应力集中。当结构承载静力荷载时,只要材料有足够的塑性与韧 性,则在应力高峰处材料屈服后,应变增大而不断裂,应力分布逐渐平缓。最后,净截面全部屈 服,与没有应力集中的情况一样。残余应力与应力集中不降低拉杆的静力强度,靠的都就是钢 材的塑性。由此可见,塑性变形的性能对钢结构十分重要。孔旁应力集中不影响杆的强度。【净截面的效率】设计拉杆的拼接一般都注意截面的各部分尽量能得到直接拼接。直接传力的条件下,净 截面全部有效。在节点上用两块节点板连于翼缘,而腹板没有任何连接。这时,净截面的强度就不能完全发挥出来。设拉断力为N,A与A分别就是毛截面与净截面面积，即N Af，以n n uA = N /f作为有效净截面，则净截面的效率耳=A / A ,H的数值与很多因素有关,其中一e u e n 个重要因素就就是构件截面上的材料相对于节点板的分布情况。材料贴于节点板并与节点板 相连的部分占的比重越大就接近于1。这部分比重可以由构件截面形心到节点板的距离来 衡量。偏心距越大,则未直接连接于节点板的部分越大,分布情况越不利。对于双节点板的连 接,每块节点板分担构件内力的一半。因此,距离为半截面形心至节点板的距离。根据试验资料，净截面的效率还与连接长度l有关。l值大者效率比小者高。杆宽度越大 而连接长度越小,则危险截面处的应力分布越不均匀。构件拉断时,危险截面的应力还不能完 全均匀,从而使构件承载能力降低。这种不均匀的现象起因于正应力就是靠剪力的作用逐渐 由集中而转化为均匀的。板的宽度越小,即需要传播的范围越窄,均匀分布也就能够在越短的 距离内实现。这种正应力分布不均匀现象称为剪切滞后。影响净截面效率的还有一些其她因素,如材料的塑性、制孔的方法与紧固件的排列等。强度高而塑性低的材料，净截面效率H比式耳=1 -a /1的低。采用冲成的栓孔,也会使H降低, 需要在耳=1 -a/1的基础上乘以0、85。紧固件排列的影响主要体现在行距g与孔距d的比 值。行距大者效率较低。综上所述,在按净截面拉断设计拉杆时,不仅要用净截面进行计算,还要注意净截面就是 否全部有效，并引进必要的系数H。无孔拉杆虽然不以净截面拉断作为极限状态,但在截面仅部分直接连接的情况下,端部仍 然存在剪切滞后现象。【角钢拉杆】内力不大的拉杆，常用角钢来做。其中最简单的就是单角钢拉杆。这种拉杆可以贴于节 点板的一侧，构造简单，但连接有偏心作用;也可以对称于节点板放置，其连接没有偏心，但需要 在杆端开槽或节点板上开槽，才能插入。双角钢拉杆就是角钢拉杆中最常见的形式。两根角 钢或就是共同连于一块节点板，或就是分别连于两块节点板。后一情况，两角钢应该用缀材加 以联系。、单角钢拉杆贴于节点板一侧的单角钢拉杆构造简单,但受力情况却比较复杂。由于只有一个肢与节点板连接,节点板传来的力不经过截面形心,角钢偏心受拉,并且绕截面两主轴都有弯矩。在弹性范围内截面任一点的应力b，其中仏为对xy1 e I x e I y+ (y xy) +l (x xy )A II IImxy myxI I I2I I I2轴的惯性积I =亠 亠,I = J 守。通常拉力N作用在节点板的中平面内，即距 mx I my Iyx离角钢背ab半个节点板厚度。N位于角钢肢宽一半处时截面上最大应力的绝对值最小受力 情况最有利。这就就是说,角钢肢尖与肢背的连接焊缝宜各取需要焊缝总量的一半,而不就是 像双角钢拉杆那样按0、3与 0、7 分配。单角钢拉杆在偏心受力的状态下,如果杆端连接有足够强度,杆件最后将在连接焊缝端部 拉断。拉断前虽然截面能够完全屈服,但终因弯矩存在而使完全屈服的拉力与极限拉力都稍 低于轴心压杆。我国轻型钢结构小组完成的试验表明,单肢连接的单角钢拉杆的极限拉力与 轴心拉力的相差不很悬殊,一般都能达到轴心拉杆承载能力的 80%以上,因此,设计时可以当 作轴心拉杆计算,不过要把构件及其连接的强度设计值乘以0、85。 GB50017 规范就就是这 样规定的。二、双角钢拉杆为了防止缀板受压屈曲,双角钢拉杆必须有足够的厚度,同时缀板应尽量靠近杆端,以保 证节点连接的良好性能。三、桁架单角钢腹杆的布置单角钢经常用作轻型桁架的腹杆。 T 形钢作为弦杆的轻型桁架的两种不同的腹杆布置: 一种就是腹杆连在弦杆的同侧,另一种则在两侧交替布置。在两侧交替布置,腹杆轴线在桁架 平面内可以汇交于弦杆轴线,不对后者造成偏心受力,似乎就是可取的。在桁架平面外的偏心 力矩只能由腹杆承担,因为弦杆的抗扭刚度很小。因此腹杆在弦杆两侧交替布置时,腹杆的弯 曲应力要比同侧布置大很多。【螺纹拉杆】用圆钢做成的拉杆,当长度较大时,很容易因自重而下垂。如果杆端部有螺纹,或中部设置 花篮螺栓,使通过扭紧螺帽而产生一点预拉力,就能防止下垂。兀p有效截面积在净截面积与毛截面积之间，可以按下式计算:A =万D2(1 k )，式中,D e 4D为螺杆公称直径;P为螺距;k为系数，对公制粗牙螺纹可取0、9382。上式相对于有效直径为D = D 0.9382p。e第六章 轴 心 压 杆【轴心压杆的极限状态】一、轴心压杆的失稳形式轴心压杆承载能力的极限状态就是丧失稳定，完善弹性直杆失稳的临界力，可由欧拉公式得出，欧拉公式给出的临界力N二兀2EI / 12,就是杆件能够继续保持直线平衡形式的极限荷E载，达到这一荷载后杆件就发生弯曲变形。丧失直线形式的平衡并不一定就是由直变弯，也可 能由直变扭,即呈扭转屈曲。根据弹性稳定理论,两端铰支且翘曲无约束的杆,当截面为双轴对称或极对称时，扭转屈曲的临界力N = （GI十兀2EI /12）/i2,其中,GI就是杆自由扭转刚9tw0t度;EI就是杆约束扭转刚度;i就是截面关于剪心的极回转半径。 w0一根具体的轴心压杆,达到承载能力的极限状态时究竟呈弯曲屈曲还就是扭转屈曲,要瞧它的材料与截面特征EI、EI、GI以及长度1的大小。y w t除了弯曲屈曲与扭转屈曲外,轴心压杆还有另外一种可能的失稳形式,即弯曲与扭转同时发生的 弯扭 屈 曲 。 对 两端铰支且翘曲 无约 束 的 弹性杆 , 弯扭 屈 曲 临 界 力 N , 即y9i2（N 一N ）（N -N ）-N2 y2 = 0。其中,N为按欧拉公式计算的绕y轴弯曲屈曲的临0 yy 9 9y 9y9 sy界力; N 为扭转屈曲临界力; y 为剪心坐标。9s当截面绕对称轴弯曲刚度较小,扭转刚度也不大时,弯扭屈曲成为这种杆件承载能力的极 限状态。用作轴心压杆的单轴对称截面,常见的有 T 形截面,可以就是轧制的、焊接的或由 H 型钢一分为二切成的。这种截面用作桁架弦杆构造方便,可以省去节点板。双角钢组合而成 的 T 行截面也就是桁架常见的截面。单角钢不仅用于轻型桁架的腹杆,而且大量用于塔架。 轴心压杆采用没有对称轴的截面,绕两主轴弯曲都会伴随有扭转,使临界荷载总就是低于弯曲 屈曲临界力,也低于扭转屈曲临界力。不等边的单角钢就属于这种情况。设计单角钢轴心压 杆,应注意,除了垂直于对称轴的主轴 x 外,绕其她轴弯曲都会受到扭转的影响。据电力建设研 究所的试验资料,临界力因扭转而降低的相当于计算长度增大10%20%。二、缺陷的影响轴心压杆三种不同失稳形式的临界力。三种不同失稳形式针对完全弹性的材料与完善而 无缺陷的杆推得的,还不能直接用于设计计算。现实的钢压杆就是用弹性材料制成的,它既有 几何缺陷又有力学缺陷。几何缺陷主要就是杆件并非直杆,或多或少有一点初始弯曲,也可能 有一点初始扭曲。另外,截面并非完全对称,从而形成初始偏心。力学缺陷包括屈服点在整个 截面上并非均匀以及残留应力。对压杆性能影响最大的就是初始弯曲与残余应力。初始偏心的影响与初始弯曲大体相同, 常与残余应力并在一起考虑。初弯曲的存在使轴心压杆丧失稳定的性质发生了改变。直杆在荷载达到临界力时失稳, 属于平衡分岔问题,在弹性范围内。随着荷载与挠度的增大,部分截面进入塑性,杆件的刚