第六章 钢结构

　 钢结构的特点和应用

　　用H型钢、工字钢、槽钢、角钢等热轧型钢和钢板组成的以及用冷弯薄壁型钢制成的承重构件或承重结构统称为钢结构，如钢梁、钢屋架、钢框架、钢网架、钢塔架等都是最常见的钢结构。

　　一、钢结构的特点与应用

　　最为广泛的混凝土结构相比，钢结构具有如下一些主要特点：

　　(l)强度高，重量轻。由于钢材的强密比(强度与质量密度之比值)较钢筋混凝土大近7倍，因此在相同承载力下，以钢构件的截面为小，重量为轻。例如，在跨度和荷载相同的条件下，钢屋架的重量约为钢筋混凝土屋架的1/3一1/4。由此带来的优点是：便于构件的运输和吊装，基础和地基处理的费用与工程量也可大大减少。

　　(2)质地均匀，各向同性。钢材的这个性质符合结构计算时通常所作的假定，因而钢结构的计算结果与其实际情况最为相符，计算可靠;钢材的弹性模量较大，结构在荷载作用下的变形就较小;钢材有良好的塑性性能，可自动调节构件中可能出现的局部应力高峰，且结构在破坏前一般都会产生显著的变形，事故有预告，可及时防患;钢材还具有良好的韧性，对承受动力荷载适应性强。钢结构抗震性能好。

　　(3)施工质量好，且工期短。钢结构一般都在专业工厂由机械化生产制造，而后运至工地现场安装，工业化生产程度高，质量容易监控和保证。工地占地面积少和环境污染少，适于都市市区建造。工期短，效益好。

　　(4)密闭性好。

　　(5)用螺栓连接的钢结构，可装拆，适用于移动性结构。

　　由于以上特点，钢结构的应用范围极广，有些情况下无法用其他建筑材料的结构代替。

　　二、钢结构应用的注意点在选用钢结构后要注意以下几个方面：

　　(1)防腐。钢材的耐腐蚀性较差，因而需采取防腐措施，我国钢结构设计规范对钢结构的防护作了如下规定：“钢结构除必须采取防锈措施(除锈后涂以油漆或金属镀层等)外，尚应在构造上尽量避免出现难于检查、清刷和油漆之处以及能积留湿气和大量灰尘的死角或凹槽。闭口截面构件应沿全长和端部焊接封闭。“钢结构防锈和防腐蚀采用的涂料、钢材表面的除锈等级以及防腐蚀对钢结构的构造要求等应符合现行国家标准《工业建筑防腐蚀设计规范》(GB 50046)和《涂装前钢材表面锈蚀和除锈等级》(GB 8923)的规定。在设计文件中应注明所要求的钢材除锈等级和涂料(或镀层)及涂(镀)层厚度。”

　　(2)防火。钢结构有一定的耐热性但不防火，当其温度到达450℃—650℃时，强度下降极快，在600℃时已不能承重，只有在200℃以下时钢材的性质变化不大。因此钢结构当表面长期受辐射热≥150℃或在短期内可能受到火焰作用时，应采取有效的防护措施。

　　(3)防失稳。由于钢材强度大、构件截面小、厚度薄，因而在压力和弯矩等作用下带来了构件甚至整个结构的稳定问题。在设计中考虑如何防止结构或构件失稳，是钢结构设计的一个重要特点。

　　(4)防脆断。前面介绍钢结构的特点中曾言及钢材具有良好的塑性性能，但要注意这只是一个方面。当钢材处于复杂受力状态且为承受三向或二向同号应力时，当钢材处于低温工作条件下或受有较大应力集中时，钢材均会由塑性转变为脆性，产生突然的脆性破坏，这是很危险的。因此设计钢结构时如何防止钢材的脆性破坏又是一个必须重视的问题。

　　钢结构的材料及其性能

　　一、钢材的五个力学性能指标

　　为使所设计的钢结构满足承载能力和正常使用要求，我国新规范《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)(以下简称规范)提出了对承重结构钢材的质量要求，包括五个力学性能指标和碳、硫、磷的含量要求。这五个力学性能指标是抗拉强度、伸长率、屈服强度、冷弯试验(性能)和冲击韧性。

　　抗拉强度fu，是钢材抵抗被拉断的性能指标，同时还能反映钢材内部组织的优劣，并与钢材的疲劳强度大小密切相关。

　　伸长率δ(δ5或δ10)，是衡量钢材塑性性能的一个指标，钢材的塑性性能能使应力集中处的应力高峰平缓，使该截面处的应力分布趋向均匀，能减少钢材脆性断裂的危险和易于冷加工。δ5或δ10分别是由短试件和长试件求得的伸长率，对同一钢材由短试件求得的δ5应大于长试件求得的δ10。

　　屈服强度fy，是确定钢材强度设计值的主要指标。

　　冷弯试验(性能)合格，是衡量钢材塑性的指标，同时也是衡量钢材质量的一个综合性指标。

　　冲击韧性AKV，也叫做缺口韧性，是衡量钢材突然断裂时所吸收的功的指标，其值随金属组织和结晶状态的改变而急剧地变化。钢中的非金属夹杂物、带状组织、脱氧不良等都影响钢材的冲击韧性。必须注意的是：钢材的冲击韧性随温度而不同，低温时冲击韧性将明显降低。冲击韧性是钢材在冲击荷载或三轴向应力下具有可靠性的保证。

　　二、影响钢材性能的主要因素

　　钢的种类极多，依照用途不同而有不同的性能。用以建造钢结构的称为结构钢，它必须同时具有较高的强度、塑性和韧性，还必须具有良好的加工性能，对焊接结构还应保证其可焊性(即在一定的焊接工艺条件下焊接后，焊缝金属和近焊缝区的钢材不产生裂纹，施焊后焊缝的力学性能不低于焊接母材的力学性能)。强度高，可减小结构的截面积而节省钢材。塑性、韧性好可保证结构的安全，减少结构产生脆断的危险性。结构钢主要有两类，一是碳素结构钢中的低碳钢，另一是低合金高强度结构钢(合金成分低于5%时称为低合金钢)。

　　影响钢材性能的因素较多，主要是钢的化学成分的影响和生产过程不同的影响。

　　1.化学成分的影响

　　(1)碳素钢主要是铁和碳的合金。钢因含碳量不同而区分为低碳钢(C<0.25%)、中碳钢(C=0.25%～0.60%)和高碳钢(C=0.60%～1.7%)。碳的含量愈高，钢的强度也愈高，但其塑性、韧性和可焊性却显著降低，因而用作建造钢结构材料的只能是低碳钢，要求C≤0.22%。对焊接结构，为了使其有良好的可焊性，通常须限制C≤0.20%。

　　(2)为了得到较Q235钢更高的强度，可在低碳钢的基础上冶炼时加入为提高钢材强度的合金元素如锰、钒等，得到低合金钢。加入适量的合金成分后，可提高强度又不损害塑性与韧性。这与碳素钢依靠增加碳的含量而提高强度完全不同。

　　(3)钢中除铁与碳及有意加入的合金元素之外，尚含有少量的其他元素如锰、硅、硫及磷等，此外，也还可能存在钢冶炼过程中不易除尽的氧、氮和氢等。

　　锰对钢是有益元素，是钢液的弱脱氧剂。含适量的锰，可提高钢的强度同时不影响钢的塑性和冲击韧性。

　　硅对钢也是一种有益元素，是钢液的强脱氧剂。钢中含适量的硅，可提高钢的强度而不影响其塑性、韧性和可焊性。在低碳钢中其含量应为Si≤0.30写，在低合金钢中应为Si=0.20%～0.55%。

　　硫和磷都是钢中的有害杂质。含硫量增大，会降低钢的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等;当对钢材进行轧制等热加工或电焊时，会使钢内形成微小裂纹，称为“热脆”。磷的存在虽可提高钢的强度和抗锈性，但会降低钢的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性等。特别是磷能使钢材在低温时变脆，称为“冷脆”。因此，规范中规定承重结构的钢材应具有硫和磷含量的合格保证。

　　氧、氮和氢也都是有害杂质。氧与硫一样会使钢热脆，氮则与磷相似会使钢冷脆，氢能使钢产生裂纹。

　　2.生产过程对钢材性能的影响

　　生产过程的影响包括冶炼时的炉种、浇注前的脱氧和热轧等的影响。

　　我国目前钢结构用的钢材，主要是由平炉和氧气转炉冶炼而成，现在这两种冶炼方法炼制的钢的质量大致相当，可以同样看待。

　　浇注钢锭时在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧，可大大改善钢材的质量。因脱氧程度不同，钢可分成沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢四类。沸腾钢采用锰作为脱氧剂，脱氧不完全，其冲击韧性较低和脆性转变温度较高，抵抗冷脆性能差，抗疲劳性能也较镇静钢为差，但沸腾钢的强度和塑性(例如屈服点和伸长率)并不比镇静钢低多少(特别是薄钢板)。

　　镇静钢除采用锰外另增加一定数量的硅作为脱氧剂，脱氧充分，因而材质好，但成本高于沸腾钢。

　　半镇静钢的脱氧程度介于沸腾钢与镇静钢之间，故名半镇静钢。钢材的质量比沸腾钢好，价格则较镇静钢便宜，但我国目前生产不是最多。

　　特殊镇静钢采用硅脱氧后再用更强的脱氧剂铝补充脱氧，因而脱氧彻底，质量最好，其冲击韧性特别是低温冲击韧性都较高。

　　目前因轧制钢材的钢坯推广采用连续铸锭法生产，钢材必然为镇静钢。因而镇静钢的应用已大大增多。

　　我国的钢材大都是热轧型钢和热轧钢板。钢材热轧成型，同时也可细化钢的晶粒使组织紧密，原存在于钢锭内的一些微观缺陷如小气泡和裂纹等经过多次辊轧而弥合，改进了钢的质量，如图6-1所示。因而薄型材和薄钢板的屈服点和伸长率等就大于厚材，即钢材的屈服点和伸长率随厚度不同而变化。

　　上面简单说明影响钢材力学性能的主要因素，只是涉及钢材在出钢厂以前的有关因素。钢材出钢厂以后，在制造和使用时还会有许多因素影响钢的力学性能，例如下面将介绍的钢在冷加工时发生的应变硬化和时效硬化。

　　3.钢材的硬化

　　钢材的硬化包括冷加工硬化(应变硬化)和时效硬化。

　　钢材经冷拉、冷弯等冷加工而产生塑性变形，卸荷后重新加荷，可使钢材的屈服点得到提高，但钢材的塑性和韧性却大大降低，这种现象称为冷加工硬化或应变硬化。在钢结构中由于对钢材的塑性和韧性要求较高，因此一般不利用这现象以提高钢材的屈服点。

　　时效硬化是指随时间的增长钢材强度提高而塑性和冲击韧性降低的现象。这也是一个对钢结构的不利因素。时效过程可长达几年，但如在塑性变形后对钢材加热到200——300℃，可使时效在几小时内完成，这称为人工时效。有些重要结构常需进行人工时效，然后再测定其冲击韧性，以保证钢材长期具有较好的韧性。