第一章 钢结构的基本性能 - dy.pdfVIP

第一章 钢结构的基本性能 钢结构的内在特性：所用的原材料、所经受的一系列加工过 程决定的。 外界作用：各类荷载和气象环境对它的性能也有不可忽视的 影响。 钢结构所用钢材：塑性较好，拉力作用下，应力—应变曲线 有明显的屈服点和屈服平台，然后进入强化阶段。 钢结构设计准则：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。 钢材塑性性能：在一定条件下是可以利用的：简支梁可以允 许塑性在弯矩最大截面上发展；连续梁和框架的塑性设计方法， 允许在结构中出现塑性铰以及继之而来的内力重分布。这种利用 塑性的设计方法已经提到日程上来了。 稳定问题：一个突出的问题。构件及其局部有受压的可能， 在设计时就应考虑如何防止失稳。有时，局部性的失稳还不是构 件承载能力的极限，则可以不加防止，并对屈曲后强度加以利用。 建筑结构钢材有较好的韧性。因此，有动力作用的重要结构 经常用钢来做。但设计这类钢结构，还必须正确选用钢材，当荷 载多次重复时，还应从计算、构造和施工几个方面来考虑疲劳问 题。 1 钢材的韧性并不是一成不变的。材质、板厚、受力状态、温 度等都会对它有所影响。钢结构曾经有过脆性断裂的事故，脆断 一直成为一个引人注目的问题。 1.1 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：热轧型钢和钢板（图 1.1）； 冷成型（冷弯、冷冲、冷轧）的薄壁型钢和压型钢板（图 1.2）。 图 1.1 热轧钢材 图 1.2 冷弯型钢 钢在熔炼炉中炼成后，先浇注成钢锭，然后经过多次辊轧才 形成钢材。冶炼、脱氧、辊轧等环节都对钢材的性能有很大影响。 1.1.1 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。 冶炼炉种不同，所得钢材也有差异。平炉钢和氧气转炉钢， 二者质量不相上下。 早期转炉钢都用空气吹炼，所含有害杂质多，尤其是含氮较 2 多，使钢易脆，并对时效敏感。 转炉钢用氧气吹炼，大大改善质量。如果吹入的氧气纯度高 于 99.5 ％，则钢材的综合性能优于平炉钢：含氮量低，冲击韧性 高 20 ％～30 ％。 1.1.2 钢的脱氧 钢的熔炼是把铁水中过多的碳和有害元素硫、磷加以氧化而 脱去，不可避免有少量的铁也氧化，形成氧化铁（FeO ），需要进 行脱氧。 脱氧方法：在钢液中加入和氧亲合力比铁高的锰、硅或铝。 脱氧的程度对钢材质量颇有影响。 锰是弱脱氧剂，脱氧很不充分。钢液中还含有较多的 FeO ， 浇注时 FeO 和碳相互作用，形成 CO 气体逸出，引起钢液的剧烈 沸腾，称之为沸腾钢。沸腾钢在钢锭模中冷却很快，气体只能逸 出部分，夹杂有较多的FeO ，冷却后有许多气泡［图 l.3 （a ）］。 硅是较强脱氧剂，加入适量的硅（硅铁），脱氧即比较充分。 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，所得钢锭称为镇静钢［图 1.3 （b ）］。这种钢锭在缓慢 冷却和凝固过程中出现的晶粒多，晶粒上部形成较大缩孔，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 ％。 3 图l.3 钢锭剖面 沸腾钢质量比镇静钢差，杂质多而组织欠均匀，气泡周围容 易集中硫化物，形成硫偏析，组织也不够致密。但沸腾钢生产周 期短，消耗脱氧剂少，轧钢时切头很小，成品率高，因此成本低 廉。 镇静钢性能优于沸腾钢：易保证必要的冲击韧性，包括低温 冲击和时效冲击。静力作用下，屈服点比沸腾钢稍高。 沸腾钢易存在硫偏析，焊接结构中硫偏析可能引起热裂纹。 因此欧洲一些国家规定：当不能避免在偏析区施焊时，不应采用 非镇静钢。 英国焊接结构规定都用镇静钢或半镇静钢，沸腾钢只能用