一级注册结构工程师资格考试培训讲稿简化版.doc

一级注册结构工程师资格考试培训班钢结构复习讲稿第1节考试大纲及授课安排1.1 钢结构考试大纲1 掌握钢结构体系的布置原则和主要构造。2 掌握受弯构件的强度及其整体稳定和局部稳定计算；掌握轴心受力构件和拉弯、压弯构件的计算。3 掌握构件的连接计算、构造要求及其连接材料的选用。4 熟悉钢与混凝土组合梁、钢与混凝土组合结构的特点及其设计原理。5 掌握钢结构疲劳计算及其构造要求。6 熟悉塑性设计的适用范围和计算方法。7 熟悉钢结构的防锈、隔热和防火措施。8 了解对钢结构制作、焊接、运输和安装方面的要求。1.2 授课安排1考试大纲要求分三个层次要求最高的第一层次为掌握，包括钢结构体系的布置原则和主要构造、基本构件的计算、连接和疲劳构造和计算；要求次之的第二层次为熟悉，包括钢与混凝土组合梁的计算、塑性设计、钢结构的防锈、隔热和防火措施；要求最低的第三层次为了解，主要包括钢结构制作、焊接、运输和安装方面的要求。2授课安排在这一天半的时间里，着重讲解第一层次要求掌握的内容，其中主要是钢结构材料、基本构件的计算、连接和疲劳构造和计算的部分，钢结构体系的布置原则和主要构造则不专列介绍，而是融合到前述的内容里起介绍。第二层次的内容则作一般介绍，侧重于钢与混凝土组合梁的计算、塑性设计，简单介绍钢结构的防锈、隔热和防火措施。第三层次的钢结构制作、焊接、运输和安装方面的要求只作简单介绍。第2节钢材2.1 钢材的破坏形式所谓塑性材料是指由于材料原始性能以及在常温、静载并一次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料。但钢材的塑性变形能力不仅取决于钢材的化学成份，熔炼与轧制过程，也取决于所处的工作条件。即使原来塑性表现极好的钢材，在很低的温度之下受冲击作用等情况下，也完全可能呈现脆性破坏。所以，不宜把钢材划分为塑性和弹性材料，而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。1. 塑性破坏(也称为延性破坏)破坏前有很大的塑性变形和“缩颈”现象，破坏的断口常为杯形(有与受力方向成45和垂直的两部分组成)，45断面呈纤维状，破坏前有明显预兆。2. 脆性破坏没有塑性变形或只有很小塑性变形即发生的破坏，断口平直，断面呈晶粒状。由于变形极小易造成突然破坏。2.2 基本性能及指标1. 强度：钢材在外力作用下，抵抗过大(塑性)变形和断裂的能力。应力所能达到的某些最大值，也是材料本构关系曲线上的某些应力特征点。指标：屈服点fy(s) 极限强度fu(b)弹性：钢材在外力作用下产生变形，在外力取消后恢复原状的性能。指标：比例极限fp，弹性极限fe，弹性模量Efy理想的弹性体：变形小且可恢复，且有强度储备 fy理想的塑性体：变形大且不可恢复，也没有强度储备所以一般可将钢材视为理想的弹塑性材料。通常取屈服点作为强度标准值，而且取受拉和受压的屈服点相同。一则极限强度与屈服点之间的强度差作为储备，留有强度余地；二则屈服点对应的应变(宏观为变形)很小，可以满足正常使用的要求，而极限强度对应的应变(变形)很要大近20倍左右，无法满足正常使用的要求。2. 塑性：钢材受力断裂过程中发生不能恢复的残余变形的能力。指标：伸长率 说明：因标距不同，有5(l0=5d)和10(l0=10d)，但后一种已基本上不再采用，一则两者共存容易产生混淆，二则可节省试件钢材。断面收缩率 后者与标距无关，表征塑性较前者更好，但测量误差较大。塑性越好，越不容易发生脆性断裂，受力过程中，应力和内力重分布就越充分，设计就越安全，破坏前的预兆越明显。Z向(厚度方向性能)钢板就是采用厚度方向拉伸的断面收缩率作为性能级别的划分依据。3. 冷弯性能：常温下钢材承受弯曲加工变形的能力。将试件冷弯180o而不出现裂纹或分层。定性指标：合格或不合格。冷弯性能合格的钢材才具有良好的常温加工工艺性能。4. 韧性：钢材在冲击荷载作用下，变形和断裂过程中吸收机械能的能力。综合反映钢材的内在质量及力学性能，是强度和塑性的综合指标(曲线和坐标轴围成的面积)。是衡量钢材抵抗因低温、应力集中、冲击荷载等作用而脆性断裂的能力。指标：冲击功Akv原为梅氏(Mesnager)U形缺口试件，现采用夏比(Charpy) V形缺口试件。5. 可焊性：反映钢材焊接的可行性及焊缝的受力性能。包含施工工艺和受力性能两个方面的可焊性。指标：碳当量。建筑钢结构焊接技术规程JGJ 81-2002、J 218-2002的2.0.1：建筑钢结构工程焊接难度可分为一般、较难和难三种情况。施工单位在承担钢结构焊接工程时应具备与焊接难度相适应的技术条件。建筑钢结构工程的焊接难度可按下表区分 。表2.0.1 建筑钢结构工程的焊接难度区分原则焊接难度 影响因素焊接难度节点复杂程度和拘束度板厚(mm)受力状态钢材碳当量Ceq(%)一般简单对接、角接，焊缝能自由收缩t30一般静载拉、压0.38较难复杂节点或已施加限制收缩变形的措施30 t 80静载且板厚方向受拉或间接动载0.380.45难复杂节点或局部返修条件而使焊缝不能自由收缩t80直接动载、抗震设防烈度大于8度0.45注：按国际焊接学会(IIW)计算公式，(适用于非调质钢)6. 耐久性：钢材在长期使用后的力学性能。耐腐蚀性耐老化(时效硬化)耐长期高温耐疲劳普通钢材供应提供的材性保证：三项保证：屈服点fy(s)、极限强度fu(b)、伸长率 四项保证：屈服点fy(s)、极限强度fu(b)、伸长率、180冷弯五项保证：屈服点fy(s)、极限强度fu(b)、伸长率、180冷弯、冲击功提供保证的材性越多，钢材的价格也越贵。2.3 影响钢材力学性能的主要因素决定钢材机械和加工工艺等性能的主要因素是钢材的化学成分及其微观组织结构，与钢材的冶炼、浇注、轧制等生产工艺过程也有密切的关系。此外，钢结构的加工、构造、尺寸、受力状态、及其所处的环境温度等对其钢材的机械性能也有重要的影响。1. 化学成分钢的主要化学成分是铁(Fe)，在普通碳素钢中约占99。碳是影响钢性能的主要元素。碳含量增加，钢材的抗拉强度和屈服强度提高；但塑性、冷弯性能和冲击韧性、特别是低温冲击韧性和可焊接性降低。焊接结构钢材的碳含量通常不超过0.22%。锰在碳素钢中是作为脱氧剂加入的元素，通常含量为0.30.8%；在低合金锰钢中是作为合金元素。适量的锰能显著改善钢材的冷脆性能，并提高屈服强度和抗拉强度，不明显降低塑性和冲击韧性；锰不仅对脱氧有益，还能与钢中的硫在高温下化合成熔点很高(约1600)的硫化锰(MnS)，减少“热脆”现象。但是过量的锰含量会使钢材塑性降低。硅是熔炼镇静钢的常用脱氧剂，且能使钢中纯铁体晶粒细小和散布均匀，适量的硅可提高钢材的强度，对塑性、冷弯性能、冲击韧性和焊接性无显著不良影响。过量的硅则将降低钢材的塑性、冲击韧性、抗锈蚀能力和焊接性。结构钢中硅含量一般不超过0.3%(Q235钢)或0.6%(Q345钢)。钒是熔炼锰钒低合金钢时添加的一种合金元素，可提高钢材强度和细化钢的晶粒；钒的化合物具有高温稳定性，使钢的高温硬度提高。硫是钢中一种十分有害的元素。含硫量高的钢材在8001200热轧时很出现裂纹，称为“热脆”现象。硫还将降低钢材的塑性、冲击韧性和可焊性。焊接结构钢材的硫含量，一般要求不超过0.0350.050%。磷也是一种有害的元素，其有害作用主要是使钢在低温时韧性降低容易产生脆性破坏，称为“冷脆”现象；在高温时也使塑性变差。因此，结构钢材中也应严格限制磷含量，一般要求不超过0.0350.045%。氧、氮、氢均是有害的元素，通常是在钢熔融时从空气或水分子分解等进入钢液。氧的有害作用同硫且更甚，增加钢的脆性；氮的作用类似于磷，能显著降低钢材的塑性、冲击韧性并增大其“冷脆”性；氢在低温时易使钢呈脆性破坏，产生所谓“氢脆”破坏现象。因此，较重要的钢结构，尤其是在低温下承受动力荷载的钢结构用钢的上述元素含量也常要求加以限制。2. 冶炼、浇注、轧制过程目前钢结构用钢主要是由氧气转炉冶炼而成的。钢冶炼后因浇注方法(脱氧程度或方法)的不同而分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢是在炉中和盛钢桶中的熔炼钢液中仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧，铸锭时钢液中仍有一氧化碳(CO)等气体大量逸出，致使钢液剧烈“沸腾”，故称沸腾钢。这种钢铸锭后冷却速度快，易使气泡残留在钢锭内；同时存在硫、磷等杂质“偏析”现象，而且易使轧制钢材产生分层易层状撕裂。但是，沸腾钢生产工艺简单价格便宜，质量能满足一般次要承重钢结构的要求，因而还在继续应用。镇静钢是在熔炼钢液中加入适量的强脱氧剂硅(或铝)和锰等，进行较彻底脱氧，因而钢液铸锭时不再发生沸腾现象，故称镇静钢。由于冷却速度较慢，气体易逸出，因而质量优良且均匀，组织致密，杂质少，偏析小。与沸腾钢相比，其冲击韧性和焊接性较好，冷脆和时效敏感性较小，强度和塑性也略高。但镇静钢需要用强脱氧剂，铸锭时要保温，切头率较高，因而价格较高。半镇静钢是在熔炼钢液中加入少量强脱氧剂硅(或铝)，脱氧程度、质量和价格介于沸腾钢和镇静钢之间。特殊镇静钢通常是用硅脱氧后再用铝补充脱氧，并能形成细晶粒。我国碳素结构钢中的Q235D钢，以及桥梁用钢如Q345q钢等属特殊镇静钢。由铸锭轧制钢材，是把钢锭再加热至12001300的高温后进行的。这时钢具有较好的热塑性和可锻焊性。轧钢机压力的作用可使钢锭中的小气泡和质地较疏松部分锻焊密实起来，消除铸造显微组织缺陷和细化钢的晶粒。因此，轧制钢材比同种类铸钢质量好，而且压缩比(钢坯与轧成钢材厚度之比)愈大时其强度和冲击韧性等也愈高。规范对各钢种钢材按厚度或直径进行分组：厚度或直径越小的钢材，强度就越高。见表3.4.1-1。现在一般都采用连铸连轧生产工艺，为保证质量，镇静钢的生产比重已经越来越高。3. 残余应力热轧型钢中的热轧残余应力是因其热轧后不均匀冷却而产生的，先冷却部位要阻止后冷却部位的自由收缩，从而产生复杂的残余应力分布。焊接过程则会在钢构件或钢结构中产生比轧制更严重的残余应力。热轧和焊接残余应力统称为热残余应力，其一般分布规律是未升温或先冷却的部位是残余压应力，后冷却的部位是残余拉应力。别外钢材的调直和加工也会以产生残余应力。残余应力是一种自相平衡(每个截面的内力和力矩自相平衡)的应力。残余应力不影响构件的静务强度，但会降低构件的刚度，从而降低稳定性，还会降低韧性和疲劳强度。4. 温度的影响当温度升高时，钢材的屈服强度fy、抗拉强度fu和弹性模量E的总趋势是降低的，但在150以下时变化不大。当温度在250左右时，钢材fu的反而有较大提高，但这时的相应伸长率较低、冲击韧性变差，钢材呈脆性特征，称为“蓝脆”。当温度超过300时，钢材的fy、fu和E开始显著下降，而开始显著增大，钢材产生徐变；当温度超过400时，强度和弹性模量都急剧降低；到600时其承载能力几乎完全丧失。钢材的温度由常温下降特别是在负温度范围内时，钢材的强度(fy、fu)等虽有提高，但塑性和韧性降低、脆性增加。钢结构设计中选用钢材时应使其脆性转变温度区的下限温度低于结构所处的工作环境温度，且具有足够的冲击韧性值。5. 冷加工和时效硬化钢材应力超过弹性范围后，其屈服强度会提高，塑性和伸长率会降低，称为冷作硬化或应变硬化。钢材在冷拉、冷拔、冷弯、冲孔、剪切等冷加工时都会产生冷作硬化。冷作硬化对钢结构特别是承受动力荷载的钢结构是不利的。因此，钢结构设计中一般不利用冷作硬化对钢材屈服强度的提高，而且对直接承受较大动力荷载的钢结构还应设法免除冷作硬化的影响，例如刨去钢板因剪切形成的冷作硬化边缘金属等。钢材随时间进展将使屈服强度和抗拉强度提高、伸长率和冲击韧性降低，称为时效硬化。这是由于钢在高温时溶于其纯铁体中极少量的氮等，随着时间的延长从纯铁体中析出，并形成自由氨化物而存在于纯铁体晶粒间的滑动面上，阻止了纯铁体晶粒间的滑移，因而约束了塑性发展的缘故。不同种类钢材的时效硬化过程的时间长短很不相同，可从几小时到数十年。为加快测定钢材时效后的机械性能，常先使钢材产生约10的塑性变形、再加热到一定的温度、然后冷却到室温进行试验，这样可大大缩短钢材的时效过程，这称为人工时效。6. 应力集中实际钢结构中常有孔洞、缺口等，致使构件截面突然改变。在荷载作用下，在截面突变处的某些部位(孔洞边缘或缺口尖端等处)会产生局部高峰应力，其余部位应力较低且分布极不均匀，这种现象称应力集中。通常把截面高峰应力与平均应力(当截面受轴心力作用时)的比值称为应力集中系数，它取决于构件截面突然改变的急剧程度。一般平面问题的圆孔边应力集中系数为3，槽孔尖端处的应力集中程度比圆孔边缘要高得多 = 1+(a/b)，a和b分别为椭圆的长短半轴。在应力集中的高峰应力区内，通常存在着同号的平面或立体(三维)应力状态，这种应力状态常使钢材的变形发展困难而导致脆性状态破坏。截面改变越急剧，应力集中程度就越高，其抗拉强度越高，但塑性越差、脆性破坏的可能性就越大。应力集中引起孔槽边缘处局部的应力高峰；当结构所受静力荷载(轴心拉力为例)时，应力集中一般不影响截面的静力塑性承载力，但是较严重的应力集中、特别是在动力荷载作用下，加上残余应力和钢材加工的冷作硬化等不利因素的影响，常是结构、尤其在低温环境下工作的结构发生脆性破坏的重要原因。所以设计时应尽量减免构件截面的急剧改变，以减小应力集中，从构造上防止构件的脆性破坏。例如：快餐面的汤料包的锯齿形边、消闲果的包装袋的剪口、易拉罐的拉环开槽都是利用应力集中来轻易破坏包装的。又如汽车挡风玻璃有裂纹时，在裂纹尖端开圆孔以减小应力集中程度，以免裂纹继续发展，还有船舶和飞机等的开孔都是圆孔，即使开形孔，也在四角用圆孤过渡，并在四周加强。规范8.2.4 在对接焊缝的拼接处：当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5的斜角；当厚度不同时，焊缝坡口形式应根据较薄焊件厚度取用。但注：直接承受动力荷载且需要进行疲劳计算的结构，斜角坡度不应大于l:4(保留88规范规定)。7. 复杂应力状态钢材的屈服强度fy可视为钢材在单向拉伸(或压缩、弯曲)下弹性与塑性工作的分界标志：亦即当正应力。fy时钢材在弹性状态下工作；当 fy时则在塑性状态下工作。在实际钢结构中，钢材常是在双向或三向的复杂应力状态下工作，这时钢材的屈服与六个应力分量都有关。试验表明，第四强度理论即形状改变能密度理论给出的屈服条件能够较好地描述接近于理想弹塑性体的钢材的弹-塑性工作性能。外荷载做功使单元体发生应变从而引起体积和形状改变，单元体内相应聚积体积改变和形状改变两种应变能。形状改变能量强度理论认为外荷载对单元体单位体积所做的形状改变功或单元体单位体积内所聚积的形状改变应变能达到一定数量时就会引起钢材的屈服。或eqfy 材料处于弹性工作状态eq fy 材料进入塑性工作状态eq为折算应力fy为钢材单向拉伸(压缩)的屈服点。讨论：(1) 如果在六个应力分量x、y、z、xy、yz、zx中有的不存在，则计算时取其0；(2) 钢材的屈服仅取决于三向主应力的差的平方和的大小，而不是三向主应力的自身值。当xy=yz=zx=0 x=y=z=10 fy 或x=y=z=10 fy eq=0fy 钢材处于弹性工作状态这时单元体的变形主要是各向相同的伸长或缩短引起的体积改变，其形状基本保持不变，故其形状改变应变能密度很小，致使塑性变形遭到遏制。因而，即使各主应力值很高，材料也很难进入屈服和有明显的变形。但是，由于高应力会在钢材中聚积很大的体积改变应变能，一旦应力达到材料极限强度时，便发生无明显变形征兆的突然剧烈的脆性破坏。当xy=yz=zx=0 x=0.60 fyy =0z=0.6 fy eq=1.039 fyfy 钢材进入塑性工作状态说明，同号应力场作用，钢材的强度提高，但塑性下降；异号应力场作用，钢材的强度下降，但塑性提高。应力集中不仅使应力成倍地提高，而且产生的是同号应力场，所以十分不利。(3) 令单元体只承受一个切应力，如xy=，yz=zx=x=y=z=0则 当不断增大，一直到，这时的就是钢材的剪切屈服点fvy，即同样考虑抗力分项系数后，得说明：3.4.1中表3.4.1-1中钢材的抗剪强度设计值即按该式计算。当结构设计中采用不锈钢时，也可用该式计算抗剪强度设计值(抗力分项系数R1.15)。8. 重复荷载在重复荷载作用下，钢材容易产生疲劳破坏。2.4 钢材的品种、牌号及其选用1. 品种和牌号(1) 碳素结构钢Q235A(B、C、D)F(Z、TZ)质量等级：A没有韧性(冲击功)要求B 20 冲击功Akv27JC 0冲击功Akv27JD20冲击功Akv27J脱氧程度：F沸腾钢Z镇静钢，一般省略不标，代表A、B、C三级TZ 特殊镇静钢，一般省略不标，代表D级(2) 低合金(高强度)结构钢Q345(Q390、Q420)A(B、C、D、E) 质量等级：A没有韧性(冲击功)要求B 20 冲击功Akv34JC 0冲击功Akv34JD20冲击功Akv34JE40冲击功Akv27J脱氧程度：A、B、C级都是镇静钢D、E都是特殊镇静钢。另外还有规范没正式列入的Q295、Q460。 在受力大的承重钢结构中采用Q345，可较Q235钢节省钢材1525%。(3) 高层建筑结构用钢板Q235GJ、(Q345 GJ、Q235GJZ、Q345 GJZ)C(D、E) 质量等级：C 0冲击功Akv34JD20冲击功Akv34JE40冲击功Akv34J Z为厚度方向性能级别Z15、Z25和Z35的缩写。并将增加两个级别的Q390、Q420高层建筑结构用钢板。(4) 宝钢集团新开发的耐火耐候钢，其耐候性为普通钢的28倍，其耐火性能为600时，钢材的屈服点降低幅度不超过30%，而价格只比普通钢贵10%。有条件时，应优先采用耐为耐候钢，以提高结构的安全性和耐久性。2. 钢材选用(1) 钢材选用的基本原则(3.3.1，主要是防止脆性断裂)1) 结构的重要性安全等级高者应选用较好的钢材。2) 荷载特征 结构所受荷载可为静力或动力的；经常作用、有时作用或偶然出现(如地震)的；经常满载或不经常满载的等。应根据荷载的上述特点选用适当的钢材，并提出必要的质量保证项目要求。对直接承受动力荷载的结构构件应选用质量和韧性较好的钢材；对承受静力或间接动力荷载的结构构件可采用一般质量的钢材。3) 结构形式静定结构还是超静定结构、结构的跨度、传力路径的多少。静定结构没有内力重分布，应选用较好的钢材，而超静定结构可以利用塑性内力重分布，可选用一般质量钢材。跨度大的应该选用好的钢材。单路径传力应选用优质钢材，而多路径传力时可选用普通钢材。4) 应力状态拉应力容易使构件断裂，所以受拉和受弯的构件应选用较好的钢材，而受压或压弯构件的钢材可选用一般质量钢材。5) 连接方法 钢结构连接可为焊接或非焊接(螺栓或铆钉)。对于焊接结构，焊接使构件内产生很高的焊接残余应力；焊接构造和很难避免的焊接缺陷常使结构存在类裂纹性损伤；焊接结构的整体连续性和刚性较好易使缺陷或裂纹互相贯穿扩展；此外，碳和硫的含量过高会严重影响钢材的焊接性。因此，焊接结构钢材的质量要求应高于同样情况的非焊接结构钢材，碳、硫、磷等有害元素的含量应较低，塑性和韧性应较好。6) 钢材厚度厚度大的钢材由于轧制时压缩比小，其强度、冲击韧性和焊接性能都较差；且易产生三向残余应力。因此，构件厚度大的焊接结构应采用质量好的钢材。7) 结构的工作环境温度钢材的塑性和韧性随温度的降低而降低，在低温尤其是脆性转变温度区时韧性急剧降低，容易发生脆性断裂。因此，对经常处于或可能处于较低负温下工作的钢结构、尤其是焊接结构，应选用化学成分和机械性能质量较好和脆性转变温度低于结构工作环境温度的钢材。(3) 钢结构的钢材选用和保证项目要求1) 3.3.2不应采用Q235沸腾钢的承重结构和构件；2) 3.3.3强制性条文，明确承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。3) 3.3.4对需要验算疲劳的焊接和非焊接结构分别提出了对韧性的要求。2.5 常用钢材的规格由工厂生产供应的钢板和型钢等有成套的截面型式和一定的尺寸间隔，称为钢材规格。钢结构所用钢材主要是热轧成型的钢板和型钢等，还有采用冷加工成型的冷弯薄壁型钢，近年来还发展生产了冷压或冷轧成型的压型钢板，用于屋面板、楼板和墙板等，常有很好的效果。1. 钢板钢板分厚钢板(厚度4mm)和薄钢板(厚度4mm)两种，尺寸规格以钢板符号和宽度厚度(mm)表示，如2008。钢结构中主要用热轧厚钢板。薄钢板用于制作冷弯薄壁型钢或轻型结构中受力较小零件；通常为热轧，也可冷轧成型；可以平板状态或卷状(称为钢带)交货。扁钢是宽度两边均为轧制边的钢板型式，宽度10200mm，厚度330mm。使用时宽度边可不再切割加工，常用于组合截面梁、柱的翼缘板和等宽度的构件连接板、节点板等。2. 热轧型钢常用热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢等。供应最大长度约19m。(1) 角钢分等边和不等边角钢两种，规格以角钢符号L和边宽厚度(等边角钢)或长边宽短边宽厚度(不等边角钢)(均为mm)表示，如L906和L125808。我国生产的最大规格为L20024和L20012518。(2) 工字钢和H型钢分普通、轻型和宽翼缘工字钢三种，其中宽翼缘工字钢常称H型钢。普通、轻型工字钢截面的宽度比高度小得多，故宽度方向(即对弱轴)的截面惯性矩和回转半径比高度方向(即对强轴)小得多。规格以工字钢符号(轻型时前面加注“Q”)和截面高度(cm)表示，如 I50a(普通)、QI50(轻型)。两种工字钢的高度相同时，其宽度大体相当，而轻型工字钢的翼缘和腹板稍薄。我国生产的普通工字钢规格有I1063a；20或32号以上时同一型号中又分为a、b上或a、b、c规格，其中每级的腹板和相应翼缘宽度递增2mm。轻型I字钢规格有QI1070b；1830号和 70号另有翼缘宽度和厚度或腹板厚度略为增大的a或a、b规格。H型钢的翼缘较为宽展(宽度较大规格中可与高度相等)并为等厚度。因此H型钢在宽度方向(即对弱轴)的惯性矩和回转半径比前两种工字钢显著增大，相应的刚度和稳定性也显著增大(但仍弱于高度方向)。我国 H型钢分宽翼缘H型钢(HW)、中翼缘H型钢(HM)和窄翼缘H型钢(HN)，还有H型钢桩(HP)。型号用截面公称高度(mm)表示，也可用高度H宽度B腹板厚度d翼缘厚度t(mm)表示。(3) 槽钢截面宽度比高度小得多，故宽度方向的截面惯性矩和回转半径比高度方向小得多。规格以槽钢符号和截面高度(cm)表示，如20a，3. 钢管钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管，规格以外径壁厚(mm)表示，如1025。焊接钢管由钢带弯曲焊成，价格相对较低。钢管截面对称并面积分布合理，各方向的惯性矩和回转半径相同且较大，故受力性能尤其是轴心受压时较好；同时其曲线外形使其对风、浪、冰的阻力较小；但价格较贵且连接构造常较复杂。4. 热轧圆钢轻型钢结构中常用圆钢，规格以直径表示，如16。5. 冷弯薄壁型钢钢结构的冷弯薄壁型钢由厚度1.56mm热轧钢板或钢带经冷加工成型，同一截面各部分的厚度相同，截面各角顶处呈圆弧形。冷弯薄壁型钢的截面型式和尺寸可按工程要求合理设计；与相同截面积的热轧型钢相比，其截面轮廓尺寸相对较大而壁较薄，使截面惯性矩和回转半径较大，因而受力性能较好并节省钢材。但因壁较薄，对锈蚀影响较为敏感。冷弯薄壁型钢的规格用字母“B”(薄)、形状符号和“长边宽(或高度)短边宽(或宽度)卷边宽度厚度”(长短边宽相等时只注一个边宽，卷边宽度只用于卷边型钢)。如等边角钢BL602，正方钢管B口602，圆钢管602，不等边角钢B L60402.5，长方钢管B口80602，槽钢BC120402.5；卷边等边角钢BL60202，卷边不等边角钢BL6040202，卷边槽钢B C12050202.5，卷边Z形钢BZ12050202.5。6. 压型钢板由热轧薄钢板经冷压或冷轧成型，具有较大宽度，其曲折外形大大增加了钢板在其平面外的惯性矩、刚度和抗弯能力，应用日渐广泛。主要用于屋面板、墙板、楼板(常在其上另浇混凝土或钢筋混凝土叠合面层成为组合楼板，用于多层及高层房屋结构)等。它具有重量轻、强度和刚度大、施工简便和美观等优点。压型钢板表面可以涂漆、镀锌、涂有机层(亦称彩色钢板)；有保温要求时尚可与保温材料结合制成组合板也称复合板或夹心板)。压型钢板通常可压或轧成V形、肋形、加劲的肋形、波形或其它需要的外形。板厚对屋面板和墙板通常用0.41.6mm，对楼板可达23mm以上；波高一般为10200mm；由承重和使用要求确定。2.6 基本设计规定1. 设计原则(两个极限状态)：承载能力的极限状态：强度和稳定(采用荷载设计值计算)、疲劳(却仍然采用荷载标准值计算)；正常使用的极限状态：变形(采用荷载设计值计算)2. 荷载和荷载效应计算(1) 3.2.1 强制性条文，规定设计钢结构时，应按现行国家标准建筑结构荷载规范规定采用荷载的标准值、荷载分项系数、荷载组合值系数、动力荷载的动力系数等。对设计使用年限为25 年的结构构件，结构的重要性系数0不应小于0.95。注：对支承轻屋面的构件或结构(檩条、屋架、框架等)，当仅有一个可变荷载且受荷水平投影面积超过60m2时，屋面均布活荷载标准值应取为0.3kN/ m2。(2) 3.2.2 新增计算重级工作制吊车梁(或吊车桁架)及其制动结构的强度、稳定性以及连接(吊车梁或吊车桁架、制动结构、柱相互间的连接)的强度时，应考虑由吊车摆动引起的横向水平力(此水平力不与荷载规范规定的横向水平荷载同时考虑)注：现行国家标准起重机设计规范GB/ T3811将吊车工作级别划分为AlA8级。在一般情况下，本规范中的轻级工作制相当于AlA3 级；中级工作制相当于A4A5级；重级工作制相当于A6A8级，其中A8属于特重级。3.2.4 计算冶炼车间或其他类似车间的工作平台结构时，由检修材料所产生的荷载，可乘以下列折减系数：主梁： 0.85；柱(包括基础): 0.75。3.2.5 结构的计算模型和基本假定应尽量与构件连接的实际性能相符合。3.2.6 建筑结构的内力一般按结构静力学方法进行弹性分析，符合本规范第9 章的超静定结构，可采用塑性分析。采用弹性分析的结构中，构件截面允许有塑性变形发展。3.2.7 框架结构中，梁与柱的刚性连接应符合受力过程中梁柱间交角不变的假定，同时连接应具有充分的强度承受交汇构件端部传递的所有最不利内力。梁与柱铰接时，应使连接具有充分的转动能力，且能有效地传递横向剪力与轴心力。梁与柱的半刚性连接只具有有限的转动刚度，在承受弯矩的同时会产生相应的交角变化，在内力分析时，必须预先确定连接的弯矩-转角特性曲线，以便考虑连接变形的影响。但该条实行起来比较困难，国家鸟巢体育馆就已经做了相应的节点性能试验。3.2.8 框架结构内力分析宜符合下列规定：1) 框架结构可采用一阶弹性分析。2) 对的框架结构宜采用二阶弹性分析，此时应在每层柱顶附加考虑由公式(3.2.8-1)计算的假想水平力Hni 。说明：l 当按公式(3.2.8-3)计算的2i1.33 时，即，说明框架侧向刚度太小，二阶效应太大，宜增大框架结构的刚度。一阶弯矩：二阶弯矩： (常说的P-效应)二阶弯矩可等效为一假想水平力H产生一阶和二阶总弯矩：二阶弯矩示意图3. 强度设计值折减系数3.4.2单面连接的单角钢、无垫板的单面施焊对接焊缝、高空安装焊缝进行强度折减。4. 结构变形的规定第3.5节的3.5.13.5.3，总的是把变形规定放松，并给设计人员以更大的决定权。5. 一般构造规定第8.1节的8.1.18.1.4，规定钢板的最小厚度为4mm(原规定5mm)，钢管的最小厚度为3mm，角钢两边之和不宜小于90mm，最小厚度为4mm(焊接结构)和5mm(螺栓连接)。8.1.4是强制性条文。6. 温度区段的规定8.1.5单层房屋和露天结构的温度区段长度(伸缩缝的间距)，当不超过表8.1.5的数值时，一般情况可不考虑温度应力和温度变形的影响。第3节 钢材的疲劳和疲劳计算 3.1 影响钢材的疲劳强度的主要因素钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。疲劳破坏时，截面上的应力低于钢材的抗拉强度，甚至低于其屈服强度；破坏断口较整齐，其表面有较清楚的疲劳纹理，该纹理显示以某点为中心向外呈半椭圆状放射型的海滨沙滩痕迹般的现象；通常没有明显的变形，呈现出突然的脆性破坏特征。钢材的疲劳破坏除了与钢材质量、构件几何尺寸和缺陷等因素有关外，主要因素有：1. 应力集中程度(包括残余应力)2. 应力幅(焊接部位：=maxmin，非焊接部位为折算应力幅：=max0.7min，以拉为正)3. 应力比(非焊接部位，max和min分别为绝对值最大和最小应力，并常以max的应力为正)4. 应力循环次数n。钢材的疲劳试验表明，当钢材、试件、试验环境条件相同、并应力比为定值时，最大应力max随疲劳破坏时应力循环次数n的增加而降低，且曲线具有平行于n轴的渐近线。当n趋于很大时，max趋于常数，表示应力循环无穷多次试件不致发生疲劳破坏的循环应力max的极限值，称为钢材的疲劳强度极限或耐久疲劳强度。由于钢材在n5106时的疲劳强度变化已趋很小，实用上常取相应于n=5106次的疲劳强度作为钢材的耐久疲劳强度；相应于其它循环次数的疲劳强度max称条件疲劳强度。在钢材轧制和结构制造过程中，构件内将产生残余应力。尤其在焊接结构中，焊接部位常有数值很高的焊接残余应力，特别是残余拉应力的峰值常可接近或达到钢材的屈服强度fy。因此，结构承受荷载时，截面上实际应力将是荷载引起的应力与其残余应力的叠加。在残余拉应力为fy或接近fy的区域，实际应力的变化大致是由fy开始向下变动一个应力幅。考虑fy是常数，所以只有应力幅是变量。因此，对焊接结构采用应力幅来计算疲劳强度比采用名义应力比的应力和最大应力max更为合理，试验和分析研究都证实了这一点。3.2 疲劳计算1. 常幅循环应力 焊接部位为应力幅 =maxmin非焊接部位为折算应力幅 =max0.7minC和n与构件和连接的连接类别有关，根据规范附录E确定，再按表6.2.1采用说明： 是广义应力幅，不仅代表正应力幅，还代表剪应力幅，具体根据计算部位确定是正应力还是剪应力。 根据3.1.5的规定，计算疲劳时，应采用荷载的标准值，是因为实质上还在沿用容许应力设计法(容许应力幅，是现行钢结构设计规范的一大缺点)；3.1.6的规定，计算疲劳时，动力荷载标准值不乘动力系数，动力影响已经包含以试验为基础的疲劳计算公式和参数中；计算吊车梁或吊车桁架及其制动结构的疲劳和挠度时，吊车荷载应按作用在跨间内荷载效应最大的一台吊车确定。 根据6.1.1的规定，只有当应力循环次数n5104次以上时，才需要计算构件或连接的疲劳；当应力循环次数n5106次以后，一般不会再发生疲劳破坏，所以计算疲劳的最大循环次数可取5106。 容许应力幅与钢材品种和强度无关，所以如果尺寸和构造完全一样，则采用高强度钢材并不能提高其疲劳强度。 附录E中，构件和连接计算部位的应力集中越严重，残余应力越大，疲劳类别就越高，疲劳强度就越低，故应在构造和形状等方面尽量减少应力集中程度。 根据6.1.3的规定，在应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳，原因是压应力一般不会引起微裂缝的发展。2. 变幅循环应力(1) 6.2.2对变幅(应力循环内的应力幅随机变化)疲劳，若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的频率分布、应力幅水平以及频次分布总和所构成的设计应力谱，则可将其折算为等效常幅疲劳，按下式进行计算：DseDs (6.2.2-1)式中 Dse变幅疲劳的等效应力幅，按下式确定： (6.2.2-2)ni以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；ni预期寿命内应力幅水平达到Dsi的应力循环次数。实际上，由于ni较难确定，故难以用(6.2.2-2)计算Dse，实际工程设计一般采用下列近似方法计算。(2) 6.2.3重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的疲劳可作为常幅疲劳，按下式计算： 式中af欠载效应的等效系数，按表6.2.3-1采用；循环次数n为2106次的容许应力幅，按表6.2.3-2 采用。3.3 构造要求规范第8.5节的8.5.18.5.12。3.4 减小疲劳破坏的措施1. 合理设计：选材，截面，焊接，形式。2. 合理制造：减小焊接应力，刨边，严格检查。3. 合理使用：受拉部位不焊接挂物。第4节 钢结构的连接 4.1 常用连接方法及其优缺点1. 焊接：对接焊缝、角焊缝优点：(1) 不需要打孔，省工省时，不削弱构件截面；(2) 构造简单，适应性强；(对接焊缝传力平顺，动力性能好，但施工较烦)(3) 密封性好，刚度大。缺点：(1) 热影响区材质变脆；(2) 焊接残余应力使钢材易脆性破坏，降低结构和构件和刚度及稳定性；焊接残余变形需进行矫正；(3) 裂缝易扩展，易低温脆断。2. 螺栓连接普通螺栓：有A级、B级和C级，其中A、B级为精制螺栓，C级为粗制螺栓。实际工程中主要采用C级普通螺栓，其优点是施工方便，便于拆迁，但剪切变形大；高强度螺栓：受拉连接，变形小，强度高。受剪连接：摩擦型连接，受力性能好，变形小，刚度大，动力性能好；承压型连接，承载力高，但变形大。4.2 对接焊缝的构造和计算1. 构造坡口：不同厚度的钢板应采用不同的坡口形式和尺寸(8.2.3)。不等宽和不等厚的对接，采用不大于1:2.5(承受动力荷载并需要计算疲劳的构件1:4)的坡度过渡，但厚度差不大于4mm时可采用焊缝找坡(8.2.4)。焊接材料的选用原则，熔敷(即焊缝)金属的强度不低于母材的强度。手工焊：Q235:采用E43系列型焊条；Q345:采用E50系列型焊条；Q390、Q420:采用E55系列型焊条。自动焊：Q235: A、B、C级F4A0-H08A，D级F4A2-H08A；Q345: F504、F501-H08A、H08MnA、H10Mn2；Q390: F501- H08MnA、H10Mn2、H08MnMoA；Q420: F601- H10Mn2、H08MnMoA。2. 计算7.1.2 对接焊缝或对接与角接组合焊缝的强度计算。(1) 在对接接头和T形接头中，垂直于轴心拉力或轴心压力的对接焊缝或对接与角接组合焊缝，其强度应按下式计算： (7.1.2-l) 式中 N轴心拉力或轴心压力；lw焊缝长度；无引弧板和引出板施焊时，每条焊缝的长度计算时应各减去2t。t在对接接头中为连接件的较小厚度；在T形接头中为腹板的厚度；、对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。焊缝质量要求：7.1.1。(2) 在对接接头和T形接头中，承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝或对接与角接组合焊缝，其正应力和剪应力应分别进行计算。但在同时受有较大正应力和剪应力处(例如梁腹板横向对接焊缝的端部)，应按下式计算折算应力： 注：l 当直缝强度不够时，可改用斜焊缝对接，只要焊缝与作用力间的夹角符合tan1.5时，其强度可不计算。2 当对接焊缝和T 形对接与角接组合焊缝无法采用引弧板和引出板施焊时，每条焊缝的长度计算时应各减去2t。4.3 角焊缝的构造和计算1. 构造(1) 角焊缝两焊脚边的夹角(8.2.6)：一般为90o(直角角焊缝)。夹角 135或 60的斜角角焊缝，不宜用作受力焊缝(钢管结构除外)。 (2) 角焊缝的尺寸应符合下列要求(8.2.7)：1) 最小焊脚尺寸 (一般焊缝)对埋弧自动焊，最小焊脚尺寸可减小1mm；对T形连接的单面角焊缝，应增加1mm。当焊件厚度等于或小于4mm 时，则最小焊脚尺寸应与焊件厚度相同。2) 最大焊脚尺寸hfmax=1.2tmin板件(厚度为t)边缘的角焊缝最大焊脚尺寸，尚应符合下列要求： 3) 侧面角焊缝或正面角焊缝的最小计算长度lwmin= 8hf 40mm。4) 侧面角焊缝的最大计算长度lwmax=60hf当实际焊缝计算长度大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。若内力沿侧面角焊缝全长分布时，其计算长度不受此限。说明：上述四条构造要求中，前三条与第4)有两点不一样： 前3条是构造限制，任何一条不满足的焊缝就不能作为受力焊缝，只能按不受力的构造焊缝处理，而第4)仅是计算限制，实际焊缝可以任意长，只是计算时其长度只能取到lwmax； 前3条对侧面角焊缝或正面角焊缝或者两者的混合都必须满足，而第(4)仅对侧面角焊缝限制(因正面角焊缝传递的内力沿焊缝长度基本上分布均匀，而侧面角焊缝传递的剪力沿焊缝长度分布不均匀，两头大，中间小。)5) 角焊缝的两焊脚尺寸一般为相等。当焊件的厚度相差较大且等焊脚尺寸不能符合第1)、2)条的要求时，可采用不等焊脚尺寸，与较薄焊件接触的焊脚边应符合hfmax的要求；与较厚焊件接触的焊脚边应hfmin的要求。(3) 角焊缝的其它构造要求见8.2.88.2.12。2. 计算(1) 角焊缝的基本计算公式(7.1.3) 式中 f按焊缝有效截面(helw)计算，flw，但f与he成45，并非真正的正应力；f按焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力，即flw，且f确是切应力；角焊缝的强度设计值；按表3.4.1-3采用f正面角焊缝的强度设计值增大系数：对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，f =1.22；对直接承受动力荷载的结构，f = 1. 0。正面角焊缝(作用力垂直于焊缝长度方向，这时f=0): 侧面角焊缝(作用力平行于焊缝长度方向，这时f=0): 说明角焊缝的强度设计值是根据侧面角焊缝确定的，正面角焊缝的强度要比侧面角焊缝高(f1.0)。(2) f和f计算1) 承受形心力作用(相对焊缝而言，构件是轴力或剪力) 式中 he角焊缝的计算厚度，对直角角焊缝he=0.7hf，hf为焊脚尺寸；lw角焊缝的计算长度，对每条焊缝取其实际长度减去2hf；钢管构件承受轴力，端焊缝按上式计算，而双角钢承受轴力则较复杂，具体计算如下 。 两侧边焊肢背一侧承担N1力，肢尖一侧承担N2。内力分配系数分别为k1和k2，见下表。角钢组合k1k2等边角钢0.70.3不等边角钢，长边相连0.650.35不等边角钢，短边相连0.750.25 进十法精确到10mm。 进十法精确到10mm。 三面围焊 进十法精确到10mm。 进十法精确到10mm。 L形围焊 进一法精确到4、5、6、8mm 进十法精确到10mm。2) 承受扭矩T和形心力N(横向)、V(竖向)所谓扭矩是指其平面与计算平面平行的力矩。 3) 承受弯矩M和形心力N(横向)、V(竖向)所谓弯矩是指其平面与计算平面垂直的力矩。 4.4 普通螺栓连接的构造和计算1. 构造直径：M12、M14、M16、M18、M20、M24、M27、M30螺栓孔： M12、M14、M16 d0=d+1mmM18、M20、M24 d0=d+1.5mmM27、M30 d0=d+2mm性能等级：4.6S、4.8S、5.6S、6.8S、8.8S排列考虑构造要求、受力要求和施工要求。2. 计算(1) 受剪连接1) 破坏形式：螺栓杆被剪断螺栓孔承压破坏构件端部被剪坏构件净截面强度破坏其中和通过螺栓连接计算来防止，通过限制端距来防止，通过构件净截面强度计算防止。2) 单个螺栓受剪承载力螺栓杆被剪断的承载力设计值 螺栓孔承压破坏的承载力设计值 实际计算以两者中的较小者控制： 当连接一侧两端排螺栓的距离l0较大时，与侧面角焊缝的应力分布相类似，也是两头大中间小，所以也应该进行折减：当 15d0l0 60d0时，折减系数当 l060d0时，折减系数 3) 螺栓群受剪计算 承受形心力N 一般求所需要的螺栓数： 再按排列构造要求布置螺栓。 承受形心力N(横向)和V(竖向)、扭矩T (2) 受拉连接1) 破坏形式：有螺纹的横截面面积最小，所以一般都会在该部位被拉断。2) 单个螺栓受拉承载力设计值 3) 螺栓群受拉计算 承受形心力 一般按上式计算所需要的螺栓数： 再按排列构造要求布置螺栓。 承受形心拉力N和弯矩M(一般C级普通螺栓不宜同时受拉受剪) 当0时，说明所有螺栓均受拉，按下式计算抗拉强度：当0时，说明端板与柱翼缘之间存在压力，而该压力端板与柱翼缘之间直接承压传递，螺栓反而松弛退出工作。常用的计算方法是假定受压一侧最外排螺栓轴线为中和轴，忽略端板与柱翼缘之间存在的压力影响，对中和轴取矩，按下式计算抗拉强度：4.5 高强度螺栓连接的构造和计算1. 构造直径： M20、M24、M27、M30螺栓孔： M20、M24 d0=d+1.5mmM27、M30 d0=d+2mm性能等级：8.8S、10.9S8.8S：材料为45#、35#钢，外形一般为大六角头；10.9S：材料为20MnTiB，外形为扭剪型；40B、35VB外形为大六角头；排列考虑构造要求、受力要求和施工要求，与普通螺栓相同。高强度螺栓的预拉力P 88规范取为式中考虑螺栓材质的不定性系数0.9；施工时的超张拉0.9，拧紧螺帽时螺杆所受扭转剪应力影响系数1.2。由此得出的 8.8级螺栓的P，使抗剪承载力比同直径的粗制螺栓还低，不合理，且与薄钢规范的规定不协调。由于高强度螺栓材料无明显的屈服点，现改为用抗拉强度fu代替fy作为强度控制值，再补充一个系数0.9是适宜的(对10.9S：fy= 0.9 fu，P保持不变；但对8.8S：fy= 0.8 fu，P是原来0.9 fu = 0.9fy/0.8=1.125 fy倍)。说明：承压型连接当只承受拉力时，可不建立预拉力。2. 计算(1) 摩擦型连接1) 受剪连接 破坏形式：外力超过摩擦面的极限摩擦力，连接件之间产生相对滑移。 单个螺栓受剪承载力设计值 当连接一侧两端排螺栓的距离l0较大时，也应该进行折减：当 15d0l060d0时，折减系数；当 l060d0时，折减系数 . 螺栓群计算承受形心力 一般求所需要的螺栓数： 再按排列构造要求布置螺栓。承受形心力N(横向)和V(竖向)、扭矩T 2) 受拉连接 破坏形式：被连接件即将被拉开，这时预拉力即将被外力平衡。如果连接件被拉开，当然没有任何摩擦力，也就不再是摩擦型连接了。 单个螺栓受拉承载力设计值 螺栓群受拉计算承受形心力 一般求所需要的螺栓数： 再按排列构造要求布置螺栓。承受形心力N和弯矩M 接触面不脱开，就象普通构件一样，变形符合平截面假定，所以认为中和轴不会移动。3) 同时受拉和受剪连接(2) 承压型连接1) 受剪连接 (计算与普通C级螺栓完全相同) 破坏形式：与普通螺栓相同。 单个螺栓受剪承载力设计值螺栓杆被剪断的承载力设计值 若在有螺纹处受剪螺栓孔承压破坏的承载力设计值 实际计算以两者中的较小者控制：当连接一侧两端排螺栓的距离l0较大时，承载力设计值也应该进行折减：当 15d0l060d0时，折减系数当 l060d0时，折减系数 螺栓群受剪计算承受形心力 一般求所需要的螺栓数： 再按排列构造要求布置螺栓。承受形心力N和V、扭矩T 2) 受拉连接 破坏形式：有螺纹的横截