《钢结构设计原理》讲义教案 钢结构的特点、设计方法和材料 一、钢结构的特点 （1）强度高，塑性和韧性好 强度高，适用于建造跨度大、承载重的结构。 塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然破坏。 韧性好，适宜在动力荷载下工作。 （2）重量轻 （3）材质均匀，和力学计算的假定比较符合 钢材内部组织比较均匀，接近各向同性，实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。 （4）钢结构制作简便，施工工期短 钢结构加工制作简便，连接简单，安装方便，施工周期短。 （5）钢结构密闭性较好 水密性和气密性较好，适宜建造密闭的板壳结构。 （6）钢结构耐腐蚀性差 容易腐蚀，处于较强腐蚀性介质内的建筑物不宜采用钢结构。 （7）钢材耐热但不耐火 温度在200℃以内时，钢材主要力学性能降低不多。温度超过200℃后，不仅强度逐步降低，还会发生兰脆和徐变现象。温度达600℃时，钢材进入塑性状态不能继续承载。 （8）在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂。 二、钢结构的设计方法和设计表达式 《钢结构设计规范》除疲劳计算外，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计算。 1．极限状态 当结构或其组成部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态就称为该功能的极限状态。 （1)承载能力极限状态 包括构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆。 （2)正常使用极限状态 包括影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形，影响正常使用的振动，影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括混凝土裂缝）。 以结构构件的荷载效应S和抗力R这两个随机变量来表达结构的功能函数，则 Z＝g(R，S)＝R-S (1) 在实际工程中，可能出现下列三种情况： Z＞0 结构处于可靠状态； Z＝0 结构达到临界状态，即极限状态； Z＜0 结构处于失效状态。 按照概率极限状态设计方法，结构的可靠度定义为：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。这里所说“完成预定功能”就是对于规定的某种功能来说结构不失效(Z≥0)。这样结构的失效概率fp表示为 )0(ZPpf (2)
可靠指标与fp存在对应的关系，增大，fp减小；减小，fp增大。 2．分项系数的设计表达式 对于承载能力极限状态荷载效应的基本组合按下列设计表达式中最不利值确定
可变荷载效应控制的组合： fniQiKciQiKQQGKG2110 （3）
永久荷载效应控制的组合： fniQiKciQiGKG10 （4） 式中 0— 结构重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年及结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年结构构件，不应小于0.9；
GK——永久荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力；
KQ1——起控制作用的第一个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力
（该值使计算结果为最大）； QiK——其他第i个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力； G——永久荷载分项系数，当永久荷载效应对结构构件的承载力不利时取1.2，但对
式（4）则取1.35。当永久荷载效应对结构构件的承载力有利时取1.0；验算结构倾覆、滑移或漂浮时取0.9；
1Q、Qi——第1个和其他第i个可变荷载分项系数，当可变荷载效应对结构构件的
承载力不利时取1.4（当楼面活荷载大于4.02m/kN时，取1.3）；有利时，取为0；
ci——第i个可变荷载组合值系数，可按荷载规范的规定采取。
对于一般排架、框架结构，可采用简化式计算。. 由可变荷载效应控制的组合： fniQiKQiGKG
10
（5）
由永久荷载效应控制的组合，仍按式（4）进行计算。 式中 ——简化式中采用的荷载组合值系数，一般情况下可采用0.9；当只有1个可变荷载时，取为1.0。 对于正常使用极限状态，采用荷载的标准组合进行设计，并使变形等设计不超过相应的规定限值。设计式为：
niQiKciKQGK21 （6）
式中 GK——永久荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值； KQ1——起控制作用的第一个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值
（该值使计算结果为最大）； QiK——其他第i个可变荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值；
——结构或结构构件的容许变形值。
三、钢结构的材料 1．对钢结构用钢的基本要求 （1）较高的抗拉强度uf和屈服点yf ； （2）较高的塑性和韧性 ； （3）良好的工艺性能； （4）根据具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。 2．钢材的主要性能
（1）强度性能 比例极限：OP段为直线，表示钢材具有完全弹性性质，P点应力pf称为比例极限。 屈服点：随着荷载的增加，曲线出现ES段，S点的应力yf称为屈服点。 抗拉强度或极限强度：超过屈服台阶，材料出现应变硬化，曲线上升，直至曲线最高处的B点，这点的应力uf称为抗拉强度或极限强度。 当以屈服点的应力yf作为强度限值时，抗拉强度uf成为材料的强度储备。 （2）塑性性能 伸长率：试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，称为伸长率。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。 （3） 冷弯性能 冷弯性能由冷弯试验确定。试验时使试件弯成l80°，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。 （4） 冲击韧性 韧性是钢材强度和塑性的综合指标。 由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区建造的结构不但要求钢材具有常温（20℃）冲击韧性指标，还要求具有负温（0℃、-20℃或-40℃）冲击韧性指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。 3．各种因素对钢材主要性能的影响 （1）化学成分 碳直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳含量增加，钢的强度提高，而塑性、 韧性和疲劳强度下降，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性。 硫和磷是钢中的有害成分，它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。在高温时，硫使钢变脆，称之热脆；在低温时，磷使钢变脆，称之冷脆。 （2）冶金缺陷 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。 （3）钢材硬化 冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）。 在一般钢结构中，不利用硬化所提高的强度，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。另外，应将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。 （4）温度影响 钢材性能随温度变动而有所变化。总的趋势是温度升高，钢材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆。 在250℃左右，钢材的强度略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色，称为蓝脆现象。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。 当温度在260℃～320℃时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变现象。 当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。 （5）应力集中 构件中有时存在着孔洞、槽口、凹角、截面突然改变以及钢材内部缺陷等。此时，构件中的应力分布将不再保持均匀，而是在某些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成应力集中现象。 承受静力荷载作用的构件在常温下工作时，在计算中可不考虑应力集中的影响。但在负温或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破坏的根源，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。 （6）反复荷载作用 在直接的连续反复的动力荷载作用下，钢材的强度将降低，低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度，这种现象称为钢材的疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。 材料总是有“缺陷”的，在反复荷载作用下，先在其缺陷发生塑性变形和硬化而生成一些极小的裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂纹，试件截面削弱，而在裂纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破坏，并表现为突然的脆性断裂。 4．钢材的破坏形式 塑性破坏：变形超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度uf后才发生。塑性破坏前，由于总有较大的塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时发现而采取措施予以补救，不致引起严重后果。 脆性破坏：破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点，断裂从应力集中处开始。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察和采取补救措施。 5．钢材的疲劳计算 钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。 钢材的疲劳强度取决于应力集中和应力循环次数。 循环次数N≥5x104，应进行疲劳计算。 （1）常幅疲劳 应力幅为应力谱中最大应力与最小应力之差，即
minmax
式中：max——每次应力循环中的最大拉应力（取正值）； min——每次应力循环中的最小拉应力（取正值）或压应力（取负值）。
如果重复作用的荷载数值不随时间变化，则在所有应力循环内的应力幅将保持常量，称之为常幅疲劳。 根据试验数据可以画出构件或连接的应力幅与相应的致损循环次数N的关系曲线。目前国内外都常用双对数坐标轴的方法使曲线改为直线以便工作。在双对数坐标图中，疲劳直线方程为： )lg(lg1bN （7）
或
1110)(CNb
式中 ——直线对纵坐标的斜率；