搞工程的都應該懂的鋼結構超全概念知識要點

知識點

1、建築鋼材有兩種可能的破壞形式

塑性破壞和脆性破壞，二者的特徵可從塑性變形、名義應力、斷口形式三方面來理解。影響脆性破壞的因素有有害化學元素、冶金缺陷等，但總的來看，鋼材的質量、應力集中和低溫的影響比較大。防止脆性破壞必須合理設計、正確製造和正確使用三者的相互配合。

2、鋼材的σ－ε曲線在下列標準條件下獲得的：

Ⅰ）標準試件（無應力集中）；

Ⅱ）靜荷載一次拉伸到破壞；

Ⅲ）試驗溫度為20°C。

按建築鋼材的σ－ε曲線其工作可分為彈性、彈塑性、塑性和強化四個階段，並將其簡化成理想彈塑性體。從拉伸試驗得到抗拉強度fu、屈服強度fy、伸長率δ5三個鋼材基本效能指標，fu、fy是靜力強度指標，δ5是鋼材在靜荷載作用下塑性效能指標。承重結構鋼材都應具有這三個指標合格的保證，對重要或需要冷加工的構件，其鋼材尚應具有冷彎試驗的合格保證。

3、衝擊韌性Cv

衝擊韌性Cv是表示鋼材在動力荷載作用下抵抗脆性斷裂能力指標，對直接承受較大動力荷載的結構應提出相應衝擊韌性要求。

4、應力

鋼材在靜荷載作用下，單向應力時，要求截面最大應力不超過屈服點；複雜應力狀態時，要求折算應力δeq不超過fy。

5、理解各種因素對鋼材效能的不利影響

對化學成分要分清有利元素和有害元素，應特別注意碳、硫、磷的影響。重視應力集中產生的影響，其後果是導致區域性產生雙向或三向受拉的應力狀態，使鋼材變脆。應透過合理的構造措施（如平緩過度）儘量避免應力集中。

6、正確選擇鋼材和提出合理指標要求

規範推薦Q235、16Mn、16Mnq、15MnV、15MnVq鋼為承重結構鋼，理解它們牌號的表示方法，冶金工廠對材質應保證的專案和能附加保證的專案，掌握根據設計結構的具體條件正確選擇鋼材和提出合理指標要求的方法。

7、掌握鋼板和型鋼的表示方法

附：鋼結構牌號

鋼結構牌號

GB/T5613-1995標準中對鑄鋼規定了兩種牌號表示方法

1）以屈服強度和抗拉強度力學效能為主的牌號表示方法，如ZG200-400等。ZG是代表鑄鋼的符號，200和400分別是屈服強度和抗拉強度的最低值（ MPa）。

2）以化學成分為主的牌號表示方法，如ZG20Cr13等。Cr為鉻元素符號，20為平均碳含量（以萬分之幾計），13為鉻平均含量（質量分數）（％）。

另加一些字母和符號分別表示不同的含義，如ZD345―570為一般工程與結構用低合金鑄鋼；ZG200―400H為焊接結構有用碳素鑄鋼；ZGMn 13為鑄鋼。

拓展

鋼結構用鋼主要有兩種：低碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼。

低合金高強結構鋼的牌號最低由Q295開始，而碳素結構鋼最高的牌號是Q275截止，儘管對公稱屈服點的含義解釋相同，但數值並無重複且恰好銜接。

1、碳素結構鋼的牌號為：Q×××（A~D）+脫氧方式。其中Q×××表示屈服強度；A~D表示衝擊韌性質量等級由底到高；在灌注過程中，由脫氧程度不同分鎮靜鋼〖TZ、Z〗，半鎮靜鋼〖b〗，沸騰鋼〖F〗。對於Q235來說，A、B兩級可以是（Z、b、F），C級只能是（Z），D級只能是（TZ）。

2、低合金高強度結構鋼：在冶煉過程中新增少量幾種合金元素，使鋼的強度明顯提高，其中合金含量低於5%，故稱為低合金高強度結構鋼；牌號表示與碳素結構鋼相同，質量等級按衝擊韌性分為 A~E 5個等級。低合金高強度結構鋼的A、B級為鎮靜鋼，C、D、E級為特殊鎮靜鋼。

3、合金結構鋼：包括優質鋼、高階優質鋼和特級優質鋼；合金結構鋼的牌號共77個，按主加合金元素劃分為24個鋼組。

牌號含義：合金結構鋼的牌號由數字和合金元素化學符號組成。數字表示此鋼平均含碳量是萬分之幾；繼後的化學符號代表所加的合金元素，並字尾此元素平均含量的代表數碼（對各合金元素平均含量程式碼的規定：當小於1。5%時一般不寫，但當如此表示發生牌號雷同時須將合金元素含量高的後邊標1，以示區別；當含量為1。5%~2。49%、2。50%~3。49%、3。50%~4。49%時分別寫出2、3、4標示，含量再高時，以此類推）。

質量等級標記：在鋼的牌號末尾應將所屬冶金質量劃定的等級按規定加註標記，優質鋼不加、高階優質鋼加 A 、特級優質鋼加 E。

Q、鋼材選擇時要做到結構安全可靠，同時用材經濟合理。影響鋼材選擇的因素：

A

1、結構或構件的重要性；

2、荷載性質（靜載or動載）；

3、連線方法（焊接、鉚接or螺栓連線）；

4、工作條件（溫度or腐蝕介質）

對於重要結構、直接承受動荷載、處於低溫條件下的結構及焊接結構，應選用質量較高的鋼材。

輕鋼與重鋼的區別？

首先，沒有輕鋼的叫法，輕鋼相對於普鋼。

輕型鋼結構是一個很模糊的概念，沒有嚴格的定義。

判定結構為普鋼與輕鋼結構確實沒有一個統一的標準，很多有經驗的設計師或專案經理也常常不能完全說明白，但我們可以以一些資料綜合考慮並加以判斷：

1、廠房行車起吊重量：大於等於25噸，可以認為為普鋼結構了。

2、每平米用鋼量：大於等於50KG/M2，可認為是普鋼結構。

3、主要構件鋼板厚度：大於等於10MM，輕鋼結構用的較少。

另外，還有一些參考值：如每平米造價，最大構件重量，最大跨度，結構形式，簷高等，以上這些在判斷廠房是否為普鋼或輕鋼時可以提供經驗資料，當然現在很多建築都是輕、普鋼都有。

但有一些我們可以較肯定的說是普鋼，如：石化廠房設施、電廠廠房、大跨度的體育場館、展覽中心，高層或超高層鋼結構。

普通鋼結構的範圍很廣，可以包含各種鋼結構，不管荷載大小，甚至包括輕型鋼結構的許多內容，輕型房屋鋼結構技術規程只是針對其“輕”的特點而規定了一些更具體的內容，而且範圍只侷限在單層門式剛架。

輕型鋼結構是一個很模糊的概念，沒有嚴格的定義。

一般可以有兩種理解。一種是現行《鋼結構設計規範》中第十一章“圓鋼、小角鋼的輕型鋼結構”，是指用圓鋼和小於L45×4和L56×36×4的角鋼製作的輕型鋼結構，主要在鋼材缺乏年代時用於不宜用鋼筋混凝土結構製造的小型結構，現已基本上不大采用，所以這次鋼結構設計規範修訂中已基本上傾向去掉。

另一種是《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》所規定的具有輕型屋蓋和輕型外牆的單層實腹門式剛架結構，這裡的輕型主要是指圍護是用輕質材料。

由此可見，輕鋼與普鋼之分不在結構本身的輕重，而在所承受的圍護材料的輕重，而在結構設計概念上還是一致的。

H型鋼與工字鋼的區別

1、工字型鋼主要不論是普通型還是輕型的，由於截面尺寸均相對較高、較窄，故對截面兩個主袖的慣性矩相差較大*因此，一般僅能直接用於在其腹板平面內受彎的構件或將其組成格構式受力構件。對軸心受壓構件或在垂直於腹板平面還有彎曲的構件均不宜採用，這就使其在應用範圍上有著很大的侷限

2、 H型鋼屬於高效經濟裁面型材（其它還有冷彎薄壁型鋼、壓型鋼板等），由於 截面形狀合理，它們能使鋼材更高地發揮效能，提高承裁能力。不同於普通工字型的是H型鋼的翼繡進行了加寬，且內、外表面通常是平行的，這樣可便於用高強度螺桂和其他構件連線。其尺寸構成合理系列，型號齊全，便於設計選用。H型鋼的軋製不同於普通工字鋼僅用一套水平軋輥，由於其翼絛較寬且無斜度（或斜度很小），故須增設一組立式軋輥同時進行輥軋。因此，其軋製工藝和裝置都比普通軋機複雜。

總之H型鋼是工字鋼的換代產品，所以兩者在實際應用中選擇使用的標準是：儘量不用工字鋼。

熱軋和冷軋的區別

1、冷軋成型鋼允許截面出現區域性屈曲，從而可以充分利用杆件屈曲後的承載力；而熱軋型鋼不允許截面發生區域性屈曲。

2、熱軋型鋼和冷軋型鋼殘餘應力產生的原因不同，所以截面上的分佈也有很大差異。冷彎薄壁型鋼截面上的殘餘應力分佈是彎曲型的，而熱扎型鋼或焊接型鋼截面上殘餘應力分佈是薄膜型 。

3、熱軋型鋼的自由扭轉剛度比冷軋型鋼高，所以熱軋型鋼的抗扭效能要優於冷軋型鋼。

拓展

熱軋優點

熱軋的優點是可以破壞鋼錠的鑄造組織，細化鋼材的晶粒，並消除顯微組織的缺陷，從而使鋼材組織密實，力學效能得到改善。這種改善主要體現在沿軋製方向上，從而使鋼材在一定程度上不再是各向同性體；澆注時形成的氣泡、裂紋和疏鬆，也可在高溫和壓力作用下被焊合。

熱軋缺點

一是經過熱軋之後，鋼材內部的非金屬夾雜物（主要是硫化物和氧化物，還有矽酸鹽）被壓成薄片，出現分層（夾層）現象。分層使鋼材沿厚度方向受拉的效能大大惡化，並且有可能在焊縫收縮時出現層間撕裂。焊縫收縮誘發的區域性應變時常達到屈服點應變的數倍，比荷載引起的應變大得多。

二是不均勻冷卻造成的殘餘應力。殘餘應力是在沒有外力作用下內部自相平衡的應力，各種截面的熱軋型鋼都有這類殘餘應力，一般型鋼截面尺寸越大，殘餘應力也越大。殘餘應力雖然是自相平衡的，但對鋼構件在外力作用下的效能還是有一定影響。如對變形、穩定性、抗疲勞等方面都可能產生不利的作用。

冷軋是指在常溫下，經過冷拉、冷彎、冷拔等冷加工把鋼板或鋼帶加工成各種型式的鋼材。

冷軋優點

優點是成型速度快、產量高，且不損傷塗層，可以做成多種多樣的截面形式，以適應使用條件的需要；冷軋可以使鋼材產生很大的塑性變形，從而提高了鋼材的屈服點。

冷軋缺點

缺點一是雖然成型過程中沒有經過熱態塑性壓縮，但截面內仍然存在殘餘應力，對鋼材整體和區域性屈曲的特性必然產生影響。

二是冷軋型鋼樣式一般為開口截面，使得截面的自由扭轉剛度較低。在受彎時容易出現扭轉，受壓時容易出現彎扭屈曲，抗扭效能較差。

三是冷軋成型鋼壁厚較小，在板件銜接的轉角處又沒有加厚，承受區域性性的集中荷載的能力弱。

（基本的焊接符號）

知識點

1、焊接是鋼結構最主要的連線方式，有對接焊縫和角焊縫兩種基本形式。

常用的焊接方法有手工焊、自動（或半自動）埋弧焊。手工焊焊條型號應與主體金屬強度相適應。施焊過程中可能產生裂紋、氣孔、燒穿、弧坑等缺陷。為保證焊縫質量，應根據焊縫等級按各自不同的檢驗標準進行質量檢查。

2、焊縫

為保證焊縫質量和便於施焊，對接焊縫要求按焊件厚度採用不同形式的坡口，坡口形式有I形、單邊V形、V形、U形、K形、X形等。對於沒有采用引弧板的焊縫，計算時焊縫長度要考慮起落弧的影響。對接焊縫截面上的應力分佈與母材相同，強度計算公式也相同，軸力作用下一般採用直縫，強度不足時可採用斜焊縫，當傾斜角度θ≤56°時，可不進行焊縫強度計算，在彎矩、剪力共同作用下的計算公式也可採用材料力學公式。

3、角焊縫受力複雜，按受力不同分為側焊縫和端焊縫

為保證焊接質量，規範對焊腳尺寸hf及焊縫計算長度lw等都作了構造規定。角焊縫計算以最小焊縫截面為計算截面，且不論抗拉、抗壓及抗剪均採用同一強度設計值￡fw。對角焊縫在軸心力、彎矩、扭矩、剪力及幾個力共同作用下的受力進行了分析並推匯出不同情況下的計算公式，應熟練掌握。

4、焊接

施焊時，由於不均勻的溫度場，使杆件產生焊接變形和焊接應力，這對結構在常溫、靜載作用下的承載力沒有影響，但增大了結構的變形，降低了結構的剛度、疲勞強度以及穩定承載力。從設計和施工方面應採取不同措施減小或消除殘餘應力和殘餘變形，如設計上儘量使焊縫對稱佈置；施焊時應採用合理的施焊次序等。

5、螺栓排列

普通螺栓排列時，規範根據受力、構造和施工三方面的要求規定了容許距離，針對螺栓幾種可能的排列形式，提出了不同的防止措施，在確定單個螺栓承載力設計值的基礎上，分析了螺栓群在不同荷載作用下的受力和計算方法。

6、高強度螺栓

高強度螺栓是透過特製扳手擰緊螺帽，使螺桿產生很大的預拉力，將板件壓緊。在外力作用下，板件間產生很大的摩擦力。摩擦型高強螺栓就是依靠摩擦力傳遞剪力的。當剪力等於摩擦力時，連線應定達到極限狀態。掌握其受力效能，傳力方式及各種計算方法，並與普通螺栓加以對照理解分析。

附錄：

焊接符號單元的位置

帶坡口焊縫符號使用範例

箭頭側的卷邊焊縫符號範例

接頭型別不止一種時採用組合焊縫符號範例

畫有圓圈的焊縫及符號範例

封底和打底焊道的符號

角焊縫的尺寸標註

什麼因素決定了角焊縫的尺寸？

答：角焊縫尺寸由焊縫尺寸中最短的焊腳高來決定

鋼結構中的殘餘應力就是指的焊接殘餘應力嗎？還是焊接殘餘應力只是其中的主要部分？

1，鋼結構的焊接過程是在焊件區域性區域加熱熔化，然後冷卻凝固的熱過程，由於不均勻的溫度場，導致構件不均勻的膨脹和收縮，從而使構件內部殘存應力並引起變形，通稱的焊接殘餘應力和殘餘變形。

2，殘餘應力是鋼材在熱軋、氧割、焊接的加熱和冷卻過程中產生的，先冷卻部分形成壓應力，後冷卻部分形成拉應力。

3，焊接殘餘應力按其方向可劃分為縱向殘餘應力、橫向殘餘應力和厚度方向殘餘應力三種。

4，焊接殘餘應力和焊接殘餘變形的影響

<1>，剛度——由於在殘餘拉應力區域提前進入塑性狀態而剛度降為零，繼續增加的外力僅由彈性區承擔，因此構件變形必然增大，剛度減小。

<2>，靜力強度——殘餘應力對靜力強度並無影響。

<3>，壓桿的穩定承載力——有殘餘應力的壓桿，在殘餘應力區提前進入塑性狀態，截面的彈性區減小，杆件的抗彎剛度也相應減小，因此其穩定承載力降低。

<4>，疲勞強度和溫度冷脆——由於塑性變形受到約束，材料變脆，使裂紋容易產生和開展，疲勞強度也會降低，在低溫情況下，更容易形成冷脆裂紋。

5，焊接殘餘變形對結構的影響

焊接殘餘變形不僅影響結構的尺寸，使裝配困難，而且使構件產生初偏心和初彎曲等初始缺陷，在受荷載時引起附加內力，影響其承載能力。

6，焊接殘餘應力的分佈與大小

殘餘應力的分佈、大小與截面的形狀、尺寸、製造方法和加工過程等有關，而與鋼材的強度等級關係不大。

7，減少焊接殘餘應力和殘餘變形的方法：

如上所述，焊接殘餘應力和殘餘變形對結構效能均有不利影響，故應減小殘餘應力並控制殘餘變形過大，使其符合〈施工規範〉的規定，否則應進行矯正。殘餘應力和殘餘變形在焊接過程中是相互關連的。為了減小殘餘變形，在施焊時應對焊件進行加強約束。

為了減小我們應考慮以下兩個方面：

〈1〉設計方面

〈2〉製造、焊接工藝方面。

焊接殘餘應力分類及影響：

焊接殘餘變形：焊接的不均勻加熱和高溫區的熱態塑性壓縮，使構件冷卻後產生一些殘餘變形，如縱向縮短，橫向縮短，彎曲變形，角變形和扭曲變形等。

焊接殘餘應力分類：

1）縱向焊接殘餘應力；

2）橫向殘餘應力；

3）沿焊縫厚度方向的殘餘應力；

4）約束狀態下產生的焊接應力。

焊接殘餘應力的影響

1）對結構靜力強度的影響：對於具有一定塑性的材料，在靜力荷載作用下，焊接殘餘應力是不會影響結構強度的；

2）對剛度的影響：焊接殘餘應力會降低結構的剛度；

3）對壓桿穩定的影響：焊接殘餘應力會使壓桿的撓曲剛度減小，從而必定降低其穩定承載力；

4）對低溫冷脆的影響：在厚板和有三軸交叉焊縫的情況下，將產生三軸焊接殘餘應力，阻礙塑性變形，在低溫下使裂紋容易發生和發展，加速構件的脆性破壞；

5）對疲勞的影響：焊接殘餘應力對疲勞強度有不利影響，使焊縫及其附近產生高額殘餘拉應力。

減少焊接殘餘應力和焊接變形的方法

1）採用合理的施焊次序：例如鋼板對接時採用分段退焊，厚焊縫採用分層焊，工字形截面按對角跳焊等；

2）施焊前給構件一個和焊接變形相反的預變形，使構件在焊後產生的焊接變形與之正好抵消；

3）對於小尺寸焊件，在施焊前預熱，或施焊後回火（加熱至600°C左右，然後緩慢冷卻），可以消除焊接殘餘應力。也可以用機械方法或氧炔焰區域性加熱反彎以消除焊接變形。

合理的焊縫設計

為了減少焊接應力與焊接變形，設計時在構造上採取一些措施：

1）焊接的位置要合理，焊縫的佈置應儘可能對稱於構件重心，以減少焊接變形。

2）焊縫尺寸要適當，在允許範圍內，可以採用較小焊腳尺寸，並加大焊縫長度，使需要的焊縫總面積不變，以免因焊腳尺寸過大而引起過大的焊接殘餘應力。焊縫過厚還可能引起施焊時燒穿、過熱等現象。

3）焊縫不宜過度集中。

4）應儘量避免三向焊縫相交，為此可使次要焊縫中斷，主要焊縫連續透過。

5）要考慮鋼板的分層問題，避免垂直於板面傳遞拉力。

此外，為了保證焊接質量，還應注意：焊縫連線構造要儘可能避免仰焊，並且施焊時焊條易於到達。

拓展

殘餘應力的簡圖一般用直線或不太複雜的曲線組成。

◆ 1、軋製普通工字鋼：翼緣厚度比腹板的厚度大的多，腹板在型鋼熱軋後先冷卻，翼緣在冷卻的過程中受到與其連線的腹板的牽制作用，因此翼緣產生拉應力，而腹板的中部受到壓縮產生壓應力；

◆ 2、軋製H型鋼：翼緣的尖端先冷卻，因此具有較高的殘餘壓應力；

◆ 3、焊接工字鋼：翼緣具有軋製邊或火焰切割以後又經過刨邊的焊接工字形截面，其殘餘應力與H型鋼類似，只是翼緣與腹板連線處的殘餘拉應力可能達到屈服強度；

◆ 4、具有火焰切割翼緣的焊接工字型截面：翼緣切割時的溫度場和焊縫施焊時類似，因此邊緣產生拉應力，翼緣與腹板連線處的殘餘拉應力經常達到屈服強度；

◆ 5、用很厚的翼緣板組成的焊接工字型截面：沿翼緣的厚度殘餘應力也有很大變化，板的外表具有殘餘壓應力，板端的應力很高可達到屈服強度，而板的內表在腹板連線焊縫處具有很高的殘餘拉應力；

◆ 6、焊接箱型截面：在連線焊縫處具有高達屈服強度的殘餘拉應力，而在截面的中部殘餘壓應力隨板件的寬厚比和焊縫的大小而變化，當寬厚比放大到40時殘餘壓應力只有0。2fy左右；

◆ 7、等邊角鋼：等邊角鋼的殘餘應力，其峰值與角鋼邊的長度有關；

◆ 8、軋製鋼管：軋製鋼管沿壁厚變化的殘餘應力，他的內表面在冷卻時因受到先已冷卻的外表面的約束故有殘餘拉應力，而外表面具有殘餘壓應力。（熱軋圓管的拉壓殘餘應力都比較小）

殘餘應力使構件剛度降低，對壓桿的承載能力有不利影響，殘餘應力的分佈情況不同，影響程度也不同。此外，殘餘應力對兩端鉸接的等截面挺直杆的影響和對有初彎曲柱的影響也是不同的。柱的長度不同，殘餘應力的影響也不相同。

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