鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用

用H型鋼、工字鋼、槽鋼、角鋼等熱軋型鋼和鋼板組成的以及用冷彎薄壁型鋼制成的承重構(gòu)件或承重結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為鋼結(jié)構(gòu)，如鋼梁、鋼屋架、鋼框架、鋼網(wǎng)架、鋼塔架等都是最常見(jiàn)的鋼結(jié)構(gòu)。

一、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與應(yīng)用

最為廣泛的混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有如下一些主要特點(diǎn)：

和其他材料的結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：

1.鋼材的強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)的重量輕

鋼材的密度雖然比其他建筑材料大，但它的強(qiáng)度很高，同樣受力情況下，鋼結(jié)構(gòu)自重小，可以做成跨度較大的結(jié)構(gòu)。

2.鋼材的塑性韌性好

鋼材的塑性好，結(jié)構(gòu)在一般情況下不會(huì)因偶然超載或局部超載而突然斷裂。鋼材的韌性好，使結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)荷載的適應(yīng)性較強(qiáng)。

3.鋼材的材質(zhì)均勻，可靠性高

鋼材內(nèi)部組織均勻、各向同性。鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能與所采用的理論計(jì)算結(jié)果符合程度好，因此，結(jié)構(gòu)的可靠性高。

4.鋼材具有可焊性

由于鋼材具有可焊性，使鋼結(jié)構(gòu)的連接大為簡(jiǎn)化，適應(yīng)于制造各種復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)。

5.鋼結(jié)構(gòu)制作、安裝的工業(yè)化程度高

鋼結(jié)構(gòu)的制作主要是在專業(yè)化金屬結(jié)構(gòu)廠進(jìn)行，因而制作簡(jiǎn)便，精度高。制成的構(gòu)件運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)安裝，裝配化程度高，安裝速度快，工期短。

6.鋼結(jié)構(gòu)的密封性好

鋼材內(nèi)部組織很致密，當(dāng)采用焊接連接，甚至采用鉚釘或螺栓連接時(shí)，都容易做到緊密不滲漏。

7.鋼結(jié)構(gòu)耐熱，不耐火

當(dāng)鋼材表面溫度在1500C以內(nèi)時(shí)，鋼材的強(qiáng)度變化很小，因此鋼結(jié)構(gòu)適用于熱車間。當(dāng)溫度超過(guò)1500C時(shí)，其強(qiáng)度明顯下降。當(dāng)溫度達(dá)到500—600t時(shí)，強(qiáng)度幾乎為零。所以，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間較短，會(huì)發(fā)生突然的坍塌。對(duì)有特殊要求的鋼結(jié)構(gòu).要采取隔熱和耐火措施。

8.鋼材的耐腐蝕性差

鋼材在潮濕環(huán)境中，特別是處于有腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中容易銹蝕，需要定期維護(hù)，增加了維護(hù)費(fèi)用。

由于以上特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍極廣，有些情況下無(wú)法用其他建筑材料的結(jié)構(gòu)代替。

二、鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的注意點(diǎn)在選用鋼結(jié)構(gòu)后要注意以下幾個(gè)方面：

(1)防腐。鋼材的耐腐蝕性較差，因而需采取防腐措施，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)作了如下規(guī)定：“鋼結(jié)構(gòu)除必須采取防銹措施(除銹后涂以油漆或金屬鍍層等)外，尚應(yīng)在構(gòu)造上盡量避免出現(xiàn)難于檢查、清刷和油漆之處以及能積留濕氣和大量灰塵的死角或凹槽。閉口截面構(gòu)件應(yīng)沿全長(zhǎng)和端部焊接封閉。“鋼結(jié)構(gòu)防銹和防腐蝕采用的涂料、鋼材表面的除銹等級(jí)以及防腐蝕對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求等應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50046)和《涂裝前鋼材表面銹蝕和除銹等級(jí)》(GB 8923)的規(guī)定。在設(shè)計(jì)文件中應(yīng)注明所要求的鋼材除銹等級(jí)和涂料(或鍍層)及涂(鍍)層厚度。”

(2)防火。鋼結(jié)構(gòu)有一定的耐熱性但不防火，當(dāng)其溫度到達(dá)450℃—650℃時(shí)，強(qiáng)度下降極快，在600℃時(shí)已不能承重，只有在200℃以下時(shí)鋼材的性質(zhì)變化不大。因此鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)表面長(zhǎng)期受輻射熱≥150℃或在短期內(nèi)可能受到火焰作用時(shí)，應(yīng)采取有效的防護(hù)措施。

(3)防失穩(wěn)。由于鋼材強(qiáng)度大、構(gòu)件截面小、厚度薄，因而在壓力和彎矩等作用下帶來(lái)了構(gòu)件甚至整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題。在設(shè)計(jì)中考慮如何防止結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要特點(diǎn)。

(4)防脆斷。前面介紹鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)中曾言及鋼材具有良好的塑性性能，但要注意這只是一個(gè)方面。當(dāng)鋼材處于復(fù)雜受力狀態(tài)且為承受三向或二向同號(hào)應(yīng)力時(shí)，當(dāng)鋼材處于低溫工作條件下或受有較大應(yīng)力集中時(shí)，鋼材均會(huì)由塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?，產(chǎn)生突然的脆性破壞，這是很危險(xiǎn)的。因此設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)如何防止鋼材的脆性破壞又是一個(gè)必須重視的問(wèn)題。

三、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍：

1.大跨度結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)跨度越大，自重在全部荷載中所占比重也就越大，減輕結(jié)構(gòu)自重可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效果。鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高而重量輕，特別適合于大跨結(jié)構(gòu)，如大會(huì)堂、體育館、飛機(jī)裝配車間以及鐵路、公路橋梁等。

2.重型工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)

在跨度、柱距較大，有大噸位吊車的重型工業(yè)廠房以及某些高溫車間，可以部分采用鋼結(jié)構(gòu)(如鋼屋架、鋼吊車梁)或全部采用鋼結(jié)構(gòu)(如冶金廠的平爐車間，重型機(jī)器廠的鑄鋼車間，造船廠的船臺(tái)車間等)。

3.受動(dòng)力荷載影響的結(jié)構(gòu)

設(shè)有較大鍛錘或產(chǎn)生動(dòng)力作用的廠房，或?qū)拐鹦阅芤蟾叩慕Y(jié)構(gòu)，宜采用鋼結(jié)構(gòu)，因鋼材有良好的韌性。

4.高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)

當(dāng)房屋層數(shù)多和高度大時(shí)，采用其他材料的結(jié)構(gòu)，給設(shè)計(jì)和施工增加困難。因此，高層建筑的骨架宜采用鋼結(jié)構(gòu)。

高聳結(jié)構(gòu)包括塔架和桅桿結(jié)構(gòu)，如高壓電線路的塔架、廣播和電視發(fā)射用的塔架、桅桿等，宜采用鋼結(jié)構(gòu)。

5.可拆卸的移動(dòng)結(jié)構(gòu)

需要搬遷的結(jié)構(gòu)，如建筑工地生產(chǎn)和生活用房的骨架、臨時(shí)性展覽館等，用鋼結(jié)構(gòu)最為適宜，因鋼結(jié)構(gòu)重量輕，而且便于拆裝。

6.容器和其他構(gòu)筑物

冶金、石油、化工企業(yè)大量采用鋼板制作容器，包括油灌、氣罐、熱風(fēng)爐、高爐等。此外，經(jīng)常使用的還有皮帶通廊棧橋、管道支架等鋼構(gòu)筑物。

7.輕型鋼結(jié)構(gòu)

當(dāng)荷載較小時(shí)，小跨度結(jié)構(gòu)的自重也就成為一個(gè)重要因素，這時(shí)采用鋼結(jié)構(gòu)較為合理。這類結(jié)構(gòu)多用圓鋼、小角鋼或冷彎薄壁型鋼制作。

鋼結(jié)構(gòu)的材料及其性能

一、鋼材的五個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)

為使所設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)滿足承載能力和正常使用要求，我國(guó)新規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017-2003)(以下簡(jiǎn)稱規(guī)范)提出了對(duì)承重結(jié)構(gòu)鋼材的質(zhì)量要求，包括五個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)和碳、硫、磷的含量要求。這五個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)是抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度、冷彎試驗(yàn)(性能)和沖擊韌性。

抗拉強(qiáng)度f(wàn)u，是鋼材抵抗被拉斷的性能指標(biāo)，同時(shí)還能反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣，并與鋼材的疲勞強(qiáng)度大小密切相關(guān)。

伸長(zhǎng)率δ(δ5或δ10)，是衡量鋼材塑性性能的一個(gè)指標(biāo)，鋼材的塑性性能能使應(yīng)力集中處的應(yīng)力高峰平緩，使該截面處的應(yīng)力分布趨向均勻，能減少鋼材脆性斷裂的危險(xiǎn)和易于冷加工。δ5或δ10分別是由短試件和長(zhǎng)試件求得的伸長(zhǎng)率，對(duì)同一鋼材由短試件求得的δ5應(yīng)大于長(zhǎng)試件求得的δ10。

屈服強(qiáng)度f(wàn)y，是確定鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的主要指標(biāo)。

冷彎試驗(yàn)(性能)合格，是衡量鋼材塑性的指標(biāo)，同時(shí)也是衡量鋼材質(zhì)量的一個(gè)綜合性指標(biāo)。

沖擊韌性AKV，也叫做缺口韌性，是衡量鋼材突然斷裂時(shí)所吸收的功的指標(biāo)，其值隨金屬組織和結(jié)晶狀態(tài)的改變而急劇地變化。鋼中的非金屬夾雜物、帶狀組織、脫氧不良等都影響鋼材的沖擊韌性。必須注意的是：鋼材的沖擊韌性隨溫度而不同，低溫時(shí)沖擊韌性將明顯降低。沖擊韌性是鋼材在沖擊荷載或三軸向應(yīng)力下具有可靠性的保證。

二、影響鋼材性能的主要因素

鋼的種類極多，依照用途不同而有不同的性能。用以建造鋼結(jié)構(gòu)的稱為結(jié)構(gòu)鋼，它必須同時(shí)具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性，還必須具有良好的加工性能，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)保證其可焊性(即在一定的焊接工藝條件下焊接后，焊縫金屬和近焊縫區(qū)的鋼材不產(chǎn)生裂紋，施焊后焊縫的力學(xué)性能不低于焊接母材的力學(xué)性能)。強(qiáng)度高，可減小結(jié)構(gòu)的截面積而節(jié)省鋼材。塑性、韌性好可保證結(jié)構(gòu)的安全，減少結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆斷的危險(xiǎn)性。結(jié)構(gòu)鋼主要有兩類，一是碳素結(jié)構(gòu)鋼中的低碳鋼，另一是低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼(合金成分低于5%時(shí)稱為低合金鋼)。

影響鋼材性能的因素較多，主要是鋼的化學(xué)成分的影響和生產(chǎn)過(guò)程不同的影響。

1.化學(xué)成分的影響

(1)碳素鋼主要是鐵和碳的合金。鋼因含碳量不同而區(qū)分為低碳鋼(C<0.25%)、中碳鋼(C=0.25%～0.60%)和高碳鋼(C=0.60%～1.7%)。碳的含量愈高，鋼的強(qiáng)度也愈高，但其塑性、韌性和可焊性卻顯著降低，因而用作建造鋼結(jié)構(gòu)材料的只能是低碳鋼，要求C≤0.22%。對(duì)焊接結(jié)構(gòu)，為了使其有良好的可焊性，通常須限制C≤0.20%。

(2)為了得到較Q235鋼更高的強(qiáng)度，可在低碳鋼的基礎(chǔ)上冶煉時(shí)加入為提高鋼材強(qiáng)度的合金元素如錳、釩等，得到低合金鋼。加入適量的合金成分后，可提高強(qiáng)度又不損害塑性與韌性。這與碳素鋼依靠增加碳的含量而提高強(qiáng)度完全不同。

(3)鋼中除鐵與碳及有意加入的合金元素之外，尚含有少量的其他元素如錳、硅、硫及磷等，此外，也還可能存在鋼冶煉過(guò)程中不易除盡的氧、氮和氫等。

錳對(duì)鋼是有益元素，是鋼液的弱脫氧劑。含適量的錳，可提高鋼的強(qiáng)度同時(shí)不影響鋼的塑性和沖擊韌性。

硅對(duì)鋼也是一種有益元素，是鋼液的強(qiáng)脫氧劑。鋼中含適量的硅，可提高鋼的強(qiáng)度而不影響其塑性、韌性和可焊性。在低碳鋼中其含量應(yīng)為Si≤0.30寫(xiě)，在低合金鋼中應(yīng)為Si=0.20%～0.55%。

硫和磷都是鋼中的有害雜質(zhì)。含硫量增大，會(huì)降低鋼的塑性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度和抗銹性等;當(dāng)對(duì)鋼材進(jìn)行軋制等熱加工或電焊時(shí)，會(huì)使鋼內(nèi)形成微小裂紋，稱為“熱脆”。磷的存在雖可提高鋼的強(qiáng)度和抗銹性，但會(huì)降低鋼的塑性、沖擊韌性、冷彎性能和可焊性等。特別是磷能使鋼材在低溫時(shí)變脆，稱為“冷脆”。因此，規(guī)范中規(guī)定承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有硫和磷含量的合格保證。

氧、氮和氫也都是有害雜質(zhì)。氧與硫一樣會(huì)使鋼熱脆，氮?jiǎng)t與磷相似會(huì)使鋼冷脆，氫能使鋼產(chǎn)生裂紋。

2.生產(chǎn)過(guò)程對(duì)鋼材性能的影響

生產(chǎn)過(guò)程的影響包括冶煉時(shí)的爐種、澆注前的脫氧和熱軋等的影響。

我國(guó)目前鋼結(jié)構(gòu)用的鋼材，主要是由平爐和氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉而成，現(xiàn)在這兩種冶煉方法煉制的鋼的質(zhì)量大致相當(dāng)，可以同樣看待。

澆注鋼錠時(shí)在爐中或盛鋼桶中加入脫氧劑以消除氧，可大大改善鋼材的質(zhì)量。因脫氧程度不同，鋼可分成沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼四類。沸騰鋼采用錳作為脫氧劑，脫氧不完全，其沖擊韌性較低和脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，抵抗冷脆性能差，抗疲勞性能也較鎮(zhèn)靜鋼為差，但沸騰鋼的強(qiáng)度和塑性(例如屈服點(diǎn)和伸長(zhǎng)率)并不比鎮(zhèn)靜鋼低多少(特別是薄鋼板)。

鎮(zhèn)靜鋼除采用錳外另增加一定數(shù)量的硅作為脫氧劑，脫氧充分，因而材質(zhì)好，但成本高于沸騰鋼。

半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介于沸騰鋼與鎮(zhèn)靜鋼之間，故名半鎮(zhèn)靜鋼。鋼材的質(zhì)量比沸騰鋼好，價(jià)格則較鎮(zhèn)靜鋼便宜，但我國(guó)目前生產(chǎn)不是最多。

特殊鎮(zhèn)靜鋼采用硅脫氧后再用更強(qiáng)的脫氧劑鋁補(bǔ)充脫氧，因而脫氧徹底，質(zhì)量最好，其沖擊韌性特別是低溫沖擊韌性都較高。

目前因軋制鋼材的鋼坯推廣采用連續(xù)鑄錠法生產(chǎn)，鋼材必然為鎮(zhèn)靜鋼。因而鎮(zhèn)靜鋼的應(yīng)用已大大增多。

我國(guó)的鋼材大都是熱軋型鋼和熱軋鋼板。鋼材熱軋成型，同時(shí)也可細(xì)化鋼的晶粒使組織緊密，原存在于鋼錠內(nèi)的一些微觀缺陷如小氣泡和裂紋等經(jīng)過(guò)多次輥軋而彌合，改進(jìn)了鋼的質(zhì)量，如圖6-1所示。因而薄型材和薄鋼板的屈服點(diǎn)和伸長(zhǎng)率等就大于厚材，即鋼材的屈服點(diǎn)和伸長(zhǎng)率隨厚度不同而變化。

上面簡(jiǎn)單說(shuō)明影響鋼材力學(xué)性能的主要因素，只是涉及鋼材在出鋼廠以前的有關(guān)因素。鋼材出鋼廠以后，在制造和使用時(shí)還會(huì)有許多因素影響鋼的力學(xué)性能，例如下面將介紹的鋼在冷加工時(shí)發(fā)生的應(yīng)變硬化和時(shí)效硬化。

3.鋼材的硬化

鋼材的硬化包括冷加工硬化(應(yīng)變硬化)和時(shí)效硬化。

鋼材經(jīng)冷拉、冷彎等冷加工而產(chǎn)生塑性變形，卸荷后重新加荷，可使鋼材的屈服點(diǎn)得到提高，但鋼材的塑性和韌性卻大大降低，這種現(xiàn)象稱為冷加工硬化或應(yīng)變硬化。在鋼結(jié)構(gòu)中由于對(duì)鋼材的塑性和韌性要求較高，因此一般不利用這現(xiàn)象以提高鋼材的屈服點(diǎn)。

時(shí)效硬化是指隨時(shí)間的增長(zhǎng)鋼材強(qiáng)度提高而塑性和沖擊韌性降低的現(xiàn)象。這也是一個(gè)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的不利因素。時(shí)效過(guò)程可長(zhǎng)達(dá)幾年，但如在塑性變形后對(duì)鋼材加熱到200——300℃，可使時(shí)效在幾小時(shí)內(nèi)完成，這稱為人工時(shí)效。有些重要結(jié)構(gòu)常需進(jìn)行人工時(shí)效，然后再測(cè)定其沖擊韌性，以保證鋼材長(zhǎng)期具有較好的韌性。

四、鋼材的脆性斷裂(冷脆)

鋼材在一般情況下是彈塑性材料，但特殊條件下可以轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧?，因而鋼材的破壞可區(qū)分為塑性破壞和脆性破壞兩種方式，脆性斷裂只發(fā)生在承受拉伸時(shí)。鋼材拉伸時(shí)的塑性破壞特征是：

(1)破壞前有較大的塑性變形，有明顯的頸縮現(xiàn)象，因而易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，危險(xiǎn)性小。

(2)構(gòu)件斷裂發(fā)生在應(yīng)力到達(dá)鋼材的抗拉強(qiáng)度f(wàn)u時(shí)。

脆性破壞特征是：

(1)破壞前的變形很小，破壞系突然發(fā)生，事先無(wú)警告，因而危險(xiǎn)性大。

(2)破壞時(shí)的應(yīng)力常小于鋼材的屈服點(diǎn)fy。

(3)斷口平直，呈有光澤的晶粒狀。

影響鋼材脆斷的因素主要有下列幾種：①鋼材的質(zhì)量;②鋼板的厚度;③加荷的速度;④應(yīng)力的性質(zhì)(拉、彎等)和大小;⑤最低使用溫度;⑥連接的方法(焊接);⑦應(yīng)力集中程度等。

鋼材的斷裂，來(lái)源于早已存在于鋼材的一些微小裂紋。因此，要防止脆性斷裂，就應(yīng)盡量設(shè)法消除或減少鋼材中的微裂紋。從事故的分析中，還可看到事故都是在低溫下發(fā)生，溫度愈低，愈易脆斷，而且大多數(shù)是焊接結(jié)構(gòu)。焊接裂紋是鋼材中存在微裂紋的重要原因。因此對(duì)低溫地區(qū)的焊接結(jié)構(gòu)要特別注意。

下面列舉防止鋼材脆斷的一些措施：

(1)對(duì)低溫地區(qū)的焊接結(jié)構(gòu)要注意選用質(zhì)量等級(jí)較高的鋼材。

(2)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)特別是低溫地區(qū)，設(shè)計(jì)時(shí)要注意焊縫的正確布置和施焊時(shí)注意焊縫的質(zhì)量。

(3)力求避免應(yīng)力集中。當(dāng)構(gòu)件的截面發(fā)生急劇改變，則該處將產(chǎn)生應(yīng)力高峰，此現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中，舉例如下：圖6-2(a)表示承受均勻拉力的一鋼板當(dāng)板中部有一圓孔時(shí)板內(nèi)的應(yīng)力分布情況。在遠(yuǎn)離圓孔的截面1-1處，板中應(yīng)力線基本相互平行，截面上的應(yīng)力均勻分布，如圖6-2(b)所示。當(dāng)各種不利因素集中在一起，如應(yīng)力集中程度較高，地處低溫地區(qū)及材質(zhì)又較差時(shí)，應(yīng)力集中就將是造成脆性斷裂的因素之一。

(4)結(jié)構(gòu)在使用時(shí)應(yīng)避免使其突然受力，要使加荷的速度不致過(guò)大。加荷速度愈大，脆斷的可能性也愈大。減小荷載的沖擊和降低應(yīng)力水平，也是防止鋼材脆性斷裂的一個(gè)措施。

五、鋼材的層狀撕裂

鋼材的層狀撕裂也是一種脆性斷裂，主要發(fā)生在厚板中，是近30多年才引起注意的一種鋼材破壞形式。鋼材軋制時(shí)，在順軋制方向的材質(zhì)最強(qiáng)，橫軋制方向略次，而在厚度方向?yàn)樽畈?厚板在厚度方向常起層狀)。當(dāng)鋼材在厚度方向產(chǎn)生應(yīng)變而變形又不受約束時(shí)，將使板彎曲如圖6-3(a)所示;當(dāng)變形受到約束時(shí)如厚板連接，就有可能在厚板中產(chǎn)生層狀撕裂，如圖6-3(b)所示。圖中沿板厚度方向的應(yīng)變是由于焊縫冷卻時(shí)的橫向收縮所引起。

要避免層狀撕裂，焊縫的正確布置極為重要。圖6-4給出了由兩塊鋼板組成的兩個(gè)角結(jié)點(diǎn)的兩種焊縫布置。圖6-4(a)、(c)的布置形式，易使鋼板產(chǎn)生層狀撕裂。改成圖6-4(bd)所示的形式后就不易產(chǎn)生層狀撕裂。

在高層建筑的梁、柱剛性焊接連接中，在負(fù)彎矩產(chǎn)生的拉力作用下，梁上翼緣水平處的H形截面柱翼緣厚鋼板上將產(chǎn)生沿厚度方向的拉力作用而易發(fā)生層狀撕裂。在此情況下，當(dāng)鋼板厚度大于40mm時(shí)，宜采用在厚度方向有抗層狀撕裂性能的Z向鋼板。這種鋼板的我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是《厚度方向性能鋼板》(GB/T 5313)，適用于厚度為15-150mm、屈服點(diǎn)不大于500N/mm2的鎮(zhèn)靜鋼鋼板。鋼板的抗層狀撕裂性能采用厚度方向的拉力試驗(yàn)的斷面收縮率大小來(lái)評(píng)定。

六、鋼材的牌號(hào)和選用

規(guī)范推薦的承重結(jié)構(gòu)用鋼材主要是碳素結(jié)構(gòu)鋼中的低碳鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼兩類，包括Q235、Q345、Q390和Q420四種，各有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其牌號(hào)的表示方法和技術(shù)條件等作出規(guī)定。

1.鋼材的牌號(hào)與質(zhì)量等級(jí)

對(duì)應(yīng)用較廣的碳素結(jié)構(gòu)鋼，我國(guó)的現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 700-2006，其中的一些主要規(guī)定介紹如下。

(1)牌號(hào)的表示方法。以Q235鋼為例，其牌號(hào)的完整表示方法為：

Q235——質(zhì)量等級(jí)符號(hào)·脫氧方法符號(hào)

質(zhì)量等級(jí)分A、B、C、D四級(jí)，依次以A級(jí)質(zhì)量較差，D級(jí)質(zhì)量最高。脫氧方法符號(hào)為F、b、Z和TZ，分別表示沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼，但在牌號(hào)表示方法中，Z和TZ的符號(hào)可以省略。

(2)鋼材的質(zhì)量等級(jí)不同，其化學(xué)成分、脫氧要求和沖擊韌性要求將有所不同，但由拉伸試驗(yàn)確定的力學(xué)性能(包括抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)和伸長(zhǎng)率)則與等級(jí)無(wú)關(guān)。屈服點(diǎn)隨鋼材厚度分級(jí)降低，牌號(hào)中的235N/mm2是鋼板厚度小于或等于16mm時(shí)的屈服點(diǎn)值。

A級(jí)和B級(jí)鋼各有F、b和Z三種脫氧方法，C級(jí)鋼只有鎮(zhèn)靜鋼，D級(jí)鋼只有特殊鎮(zhèn)靜鋼。

(3)沖擊韌性要求為：

Q235——A不作沖擊韌性試驗(yàn)要求;

Q235——B作常溫(20℃)沖擊韌性試驗(yàn);

Q235——C作0℃沖擊韌性試驗(yàn);

Q235——D作-20℃沖擊韌性試驗(yàn)。

沖擊韌性試驗(yàn)采用夏比V形缺口試件。沖擊韌性指標(biāo)為Akv。對(duì)上述B、C、D級(jí)鋼在其各自不同溫度要求下，都要求達(dá)到Akv≥27J(1J=1N·m)。

(4)基本上都要求同時(shí)保證力學(xué)性能與化學(xué)成分和規(guī)定采用平爐或氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉，故牌號(hào)中無(wú)老標(biāo)準(zhǔn)要求的鋼類和爐種符號(hào)。

(5)A級(jí)鋼除保證力學(xué)性能外，其含碳量和含錳量不作為交貨條件，但可在質(zhì)量證明書(shū)中注明其含量。A級(jí)鋼的冷彎試驗(yàn)在需方有要求時(shí)才進(jìn)行。

(6)用沸騰鋼軋制的B級(jí)鋼(Q235-B·F)，其厚度(或直徑)一般不大于25mm(以免厚度大時(shí)質(zhì)量不易保證)。

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 1591-2008)中的牌號(hào)表示方法與上述碳素結(jié)構(gòu)鋼的相同，只是質(zhì)量等級(jí)分A～E共5級(jí)。由于低合金鋼一般都是鎮(zhèn)靜鋼，因而其牌號(hào)后面無(wú)脫氧方法的符號(hào)。對(duì)規(guī)范中推薦采用的三個(gè)牌號(hào)(Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼)的沖擊韌性要求是：對(duì)其A級(jí)鋼規(guī)定都不做沖擊韌性試驗(yàn);對(duì)其B、C和D級(jí)鋼規(guī)定依次各做十20℃、0℃和-20℃、-40℃時(shí)的沖擊韌性試驗(yàn)，其公稱厚度為12mm-150mm時(shí)的合格標(biāo)準(zhǔn)均為Akv=34J。

2.鋼材的選用

為了說(shuō)明鋼材的選用，應(yīng)先了解規(guī)范中對(duì)鋼材材性的要求?？蓺w納為下述4點(diǎn)：

(l)所有承重結(jié)構(gòu)的鋼材均應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。

(2)焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)的鋼材尚應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。

(3)對(duì)需驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)，不論其為焊接或非焊接，其鋼材都應(yīng)具有常溫(即20℃)沖擊韌性的合格保證。當(dāng)結(jié)構(gòu)的工作溫度等于和低于0℃時(shí)，各牌號(hào)鋼材應(yīng)按表6-1所列分別滿足不同低溫的沖擊韌性的合格保證。

(4)吊車起重量等于或大于50t的中級(jí)工作制吊車梁，對(duì)鋼材沖擊韌性的要求應(yīng)與需要驗(yàn)算疲勞的構(gòu)件相同。

上述4點(diǎn)是設(shè)計(jì)者在選用鋼材牌號(hào)時(shí)必須滿足的材性要求。要注意上述第(3)點(diǎn)規(guī)定需沖擊韌性試驗(yàn)合格保證的條件是需驗(yàn)算疲勞。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接由于一般都存在微觀裂紋，在多次加載和卸載作用下，裂紋逐漸擴(kuò)展，在其強(qiáng)度還低于抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服點(diǎn)的情況下突然斷裂，稱為疲勞破壞。這是危害性很大的一種脆性破壞，必須避免。規(guī)范規(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 X104次時(shí)應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。沖擊韌性是衡量鋼材突然斷裂時(shí)所吸收的功的指標(biāo)，可用以間接反映鋼材抵抗由于各種原因而引起脆斷的能力。規(guī)范規(guī)定需驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)必須具有各種溫度下的沖擊韌性合格保證，原因即在于此

正確選用鋼材，是保證結(jié)構(gòu)的安全使用和降低造價(jià)所必須做到的。鋼材質(zhì)量等級(jí)愈高，鋼材的價(jià)格也愈高。因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選用合適的鋼材質(zhì)量等級(jí)。一般情況下，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性(損壞帶來(lái)后果的嚴(yán)重性)、荷載特征(靜力荷載、動(dòng)力荷載等)、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力狀態(tài)(拉應(yīng)力或壓應(yīng)力)、連接方法(焊接或非焊接)、板件厚度和工作環(huán)境(低溫等)等因素綜合考慮，選用合適的鋼材牌號(hào)和材性要求。

3.鋼材的規(guī)格

鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材常由鋼廠以熱軋鋼板和熱軋型鋼供應(yīng)，由鋼結(jié)構(gòu)制造廠按設(shè)計(jì)圖紙制成結(jié)構(gòu)或擴(kuò)大的構(gòu)件，然后運(yùn)到工地現(xiàn)場(chǎng)拼裝和吊裝。下面簡(jiǎn)要介紹型鋼和鋼板的種類與規(guī)格。

(1)熱軋鋼板

鋼結(jié)構(gòu)中常用的熱軋厚板，厚度由4.5mm到60mm。厚鋼板可用以制作各種板結(jié)構(gòu)和各種焊接組合工字形或箱形截面的構(gòu)件，如圖6-5(e)～圖6-5(c)所示。此外還可用作連接用的結(jié)點(diǎn)板、支座底板、加勁肋等的構(gòu)件。除厚板外尚有熱軋扁鋼和熱軋薄板。扁鋼寬度較小(≤200 mm)，因此在結(jié)構(gòu)中用處較少。薄板厚度為0.35～4 mm，主要用以制作冷彎薄壁型鋼。

鋼板的符號(hào)是“-厚度×寬度×長(zhǎng)度”(也有采用把寬度寫(xiě)在厚度前面的標(biāo)注方法，兩者均可)，例如：-8×400×3000，單位為“mm"，常不加注明。數(shù)字前面的一短劃線表示鋼板截面。

(2)熱軋型鋼

我國(guó)生產(chǎn)的熱軋型鋼有如圖6-5所示的等邊角鋼、不等邊角鋼、普通槽鋼、普通工字鋼、H型鋼和剖分T型鋼。

角鋼的符號(hào)為“∠邊長(zhǎng)×厚度”(等邊角鋼)或∠長(zhǎng)邊×短邊×厚度”。例如：∠1 10×10或∠90×56×6。單位毫米不必注明。

槽鋼的符號(hào)為“[型號(hào)”，例如：[22，型號(hào)22代表槽鋼的截面高度為220 mm。截面高度相同而腹板厚度不同時(shí)，則分別用a、b等予以區(qū)別。例如[32a、[32b和[32c三種截面的高度都是320mm，但其腹板厚度不同，各為8mm、10mm和12mm。

工字鋼的符號(hào)與槽鋼相同，即“I型號(hào)”，例如I63a、I63b等，型號(hào)63表示工字鋼高度為630mm,a、b等表示截面的腹板厚度有所不同。

熱軋H型鋼(見(jiàn)圖6一5f)在國(guó)外應(yīng)用較多，而在我國(guó)則剛投產(chǎn)不久。H型鋼的翼緣寬度B和截面高度H較接近，因而對(duì)截面兩個(gè)主形心軸x和y的剛度較接近，適宜作為柱截面。按照我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《熱軋H型鋼和剖分T型鋼》(GB/T 11263-1998),H型鋼有寬翼緣、中翼緣和窄翼緣三種，寬翼緣H型鋼的寬度B和高度H相同，而后兩種H型鋼的B和H不等，B小于H。H型鋼的標(biāo)注方法是“H高度×寬度×腹板厚度×翼緣厚度，例如H350×350×10×16，單位為毫米，不必標(biāo)出。

剖分T型鋼是由上述H型鋼在腹板中部一剖為二而成，圖6-5中未畫(huà)出。T型鋼的標(biāo)注方法與H型鋼相同，只要把H換成T即可。

除上面所述主要熱軋型鋼外，還有鋼管(見(jiàn)圖6-5 e)也是近年來(lái)經(jīng)常采用的截面，特別是當(dāng)前應(yīng)用較多的大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中更是用它作為構(gòu)件。此外，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中也離不開(kāi)采用鋼管。鋼管分熱軋的無(wú)縫鋼管和由鋼板焊接而成的電焊鋼管，前者的價(jià)格貴于后者。鋼管的符號(hào)為“Φ外徑×厚度”，例如Φ95×5，表示鋼管外部直徑為95，壁厚為5。

(3)冷彎薄壁型鋼

冷彎薄壁型鋼是由鋼板經(jīng)冷加工而成的型材，采用冷彎型鋼機(jī)成型、壓力機(jī)上模壓成型或在彎曲機(jī)上彎曲成型。截面種類較多，有角鋼、槽鋼、Z型鋼、帽形鋼、鋼管等，其中前三種又可帶卷邊或不帶卷邊，如圖6-6所示。這些型鋼可單獨(dú)使用，也可組合成組合截面。因厚度較薄，可使截面的剛度增大而得到更經(jīng)濟(jì)的截面。此外，目前還已生產(chǎn)有防銹涂層的彩色壓型鋼板，可用作墻面和屋面等。

冷彎薄壁型鋼目前在我國(guó)的輕型建筑鋼結(jié)構(gòu)中常有應(yīng)用。

4.鋼材和連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)根據(jù)鋼材厚度或直徑按規(guī)范表3.4.1-1采用，連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)按規(guī)范表3.4.1-3至表3.4.1-5采用。這里需注意的是，在某些不利工作情況下，規(guī)范表3.4.1-1和表3.4.1-3至表3.4.1-5中給出的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值還應(yīng)乘于相應(yīng)的折減系數(shù)，具體規(guī)定見(jiàn)規(guī)范第3.4.2條。