钢结构基础知识归纳

1、建筑钢材有两种可能的破坏形式

塑性破坏和脆性破坏，二者的特征可从塑性变形、名义应力、断口形式三方面来理解。影响脆性破坏的因素有有害化学元素、冶金缺陷等，但总的来看，钢材的质量、应力集中和低温的影响比较大。防止脆性破坏必须合理设计、正确制造和正确使用三者的相互配合。

2、钢材的σ－ε曲线在下列标准条件下获得的：

Ⅰ）标准试件（无应力集中）；

Ⅱ）静荷载一次拉伸到破坏；

Ⅲ）试验温度为20°C。

按建筑钢材的σ－ε曲线其工作可分为弹性、弹塑性、塑性和强化四个阶段，并将其简化成理想弹塑性体。从拉伸试验得到抗拉强度fu、屈服强度fy、伸长率δ5三个钢材基本性能指标，fu、fy是静力强度指标，δ5是钢材在静荷载作用下塑性性能指标。承重结构钢材都应具有这三个指标合格的保证，对重要或需要冷加工的构件，其钢材尚应具有冷弯试验的合格保证。

3、冲击韧性Cv

冲击韧性Cv是表示钢材在动力荷载作用下抵抗脆性断裂能力指标，对直接承受较大动力荷载的结构应提出相应冲击韧性要求。

4、应力

钢材在静荷载作用下，单向应力时，要求截面最大应力不超过屈服点；复杂应力状态时，要求折算应力δeq不超过fy。

5、理解各种因素对钢材性能的不利影响

对化学成分要分清有利元素和有害元素，应特别注意碳、硫、磷的影响。重视应力集中产生的影响，其后果是导致局部产生双向或三向受拉的应力状态，使钢材变脆。应通过合理的构造措施（如平缓过度）尽量避免应力集中。

6、正确选择钢材和提出合理指标要求

规范推荐Q235、16Mn、16Mnq、15MnV、15MnVq钢为承重结构钢，理解它们牌号的表示方法，冶金工厂对材质应保证的项目和能附加保证的项目，掌握根据设计结构的具体条件正确选择钢材和提出合理指标要求的方法。

7、掌握钢板和型钢的表示方法

见附录。

附：钢结构牌号

钢结构牌号

GB/T5613-1995标准中对铸钢规定了两种牌号表示方法

1）以屈服强度和抗拉强度力学性能为主的牌号表示方法，如ZG200-400等。ZG是代表铸钢的符号，200和400分别是屈服强度和抗拉强度的最低值（ MPa）.

2)以化学成分为主的牌号表示方法，如ZG20Cr13等。Cr为铬元素符号，20为平均碳含量（以万分之几计），13为铬平均含量（质量分数）（％）。

另加一些字母和符号分别表示不同的含义，如ZD345―570为一般工程与结构用低合金铸钢；ZG200―400H为焊接结构有用碳素铸钢；ZGMn 13为铸钢。

拓展

钢结构用钢主要有两种：低碳素结构钢和低合金高强度结构钢。

低合金高强结构钢的牌号最低由Q295开始，而碳素结构钢最高的牌号是Q275截止，尽管对公称屈服点的含义解释相同，但数值并无重复且恰好衔接。

1、碳素结构钢的牌号为：Q×××（A~D）+脱氧方式。其中Q×××表示屈服强度；A~D表示冲击韧性质量等级由底到高；在灌注过程中，由脱氧程度不同分镇静钢〖TZ、Z〗，半镇静钢〖b〗，沸腾钢〖F〗。对于Q235来说，A、B两级可以是(Z、b、F)，C级只能是(Z)，D级只能是(TZ)。

2、低合金高强度结构钢：在冶炼过程中添加少量几种合金元素，使钢的强度明显提高，其中合金含量低于5%，故称为低合金高强度结构钢；牌号表示与碳素结构钢相同，质量等级按冲击韧性分为 A~E 5个等级。低合金高强度结构钢的A、B级为镇静钢，C、D、E级为特殊镇静钢。

3、合金结构钢：包括优质钢、高级优质钢和特级优质钢；合金结构钢的牌号共77个，按主加合金元素划分为24个钢组。

牌号含义：合金结构钢的牌号由数字和合金元素化学符号组成。数字表示此钢平均含碳量是万分之几；继后的化学符号代表所加的合金元素，并后缀此元素平均含量的代表数码（对各合金元素平均含量代码的规定：当小于1.5%时一般不写，但当如此表示发生牌号雷同时须将合金元素含量高的后边标1，以示区别；当含量为1.5%~2.49%、2.50%~3.49%、3.50%~4.49%时分别写出2、3、4标示，含量再高时，以此类推）。

质量等级标记：在钢的牌号末尾应将所属冶金质量划定的等级按规定加注标记，优质钢不加、高级优质钢加 A 、特级优质钢加 E。

Q

钢材选择时要做到结构安全可靠，同时用材经济合理。影响钢材选择的因素：

A

1、结构或构件的重要性；

2、荷载性质（静载or动载）；

3、连接方法（焊接、铆接or螺栓连接）；

4、工作条件（温度or腐蚀介质）

对于重要结构、直接承受动荷载、处于低温条件下的结构及焊接结构，应选用质量较高的钢材。

轻钢与重钢的区别？ 

首先，没有轻钢的叫法，轻钢相对于普钢。

轻型钢结构是一个很模糊的概念，没有严格的定义。　　

判定结构为普钢与轻钢结构确实没有一个统一的标准，很多有经验的设计师或项目经理也常常不能完全说明白，但我们可以以一些数据综合考虑并加以判断： 

1、厂房行车起吊重量：大于等于25吨，可以认为为普钢结构了。 

2、每平米用钢量：大于等于50KG/M2，可认为是普钢结构。 

3、主要构件钢板厚度：大于等于10MM，轻钢结构用的较少。 

另外，还有一些参考值：如每平米造价，最大构件重量，最大跨度，结构形式，檐高等，以上这些在判断厂房是否为普钢或轻钢时可以提供经验数据，当然现在很多建筑都是轻、普钢都有。

但有一些我们可以较肯定的说是普钢，如：石化厂房设施、电厂厂房、大跨度的体育场馆、展览中心，高层或超高层钢结构。 

普通钢结构的范围很广，可以包含各种钢结构，不管荷载大小，甚至包括轻型钢结构的许多内容，轻型房屋钢结构技术规程只是针对其“轻”的特点而规定了一些更具体的内容，而且范围只局限在单层门式刚架。 

轻型钢结构是一个很模糊的概念，没有严格的定义。　　

一般可以有两种理解。一种是现行《钢结构设计规范》中第十一章“圆钢、小角钢的轻型钢结构”，是指用圆钢和小于L45×4和L56×36×4的角钢制作的轻型钢结构，主要在钢材缺乏年代时用于不宜用钢筋混凝土结构制造的小型结构，现已基本上不大采用，所以这次钢结构设计规范修订中已基本上倾向去掉。

另一种是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》所规定的具有轻型屋盖和轻型外墙的单层实腹门式刚架结构，这里的轻型主要是指围护是用轻质材料。

由此可见，轻钢与普钢之分不在结构本身的轻重，而在所承受的围护材料的轻重，而在结构设计概念上还是一致的。

  H型钢与工字钢的区别

1、工字型钢主要不论是普通型还是轻型的，由于截面尺寸均相对较高、较窄，故对截面两个主袖的惯性矩相差较大*因此，一般仅能直接用于在其腹板平面内受弯的构件或将其组成格构式受力构件。对轴心受压构件或在垂直于腹板平面还有弯曲的构件均不宜采用，这就使其在应用范围上有着很大的局限

2、 H型钢属于高效经济裁面型材(其它还有冷弯薄壁型钢、压型钢板等)，由于 截面形状合理，它们能使钢材更高地发挥效能，提高承裁能力。不同于普通工字型的是H型钢的翼绣进行了加宽，且内、外表面通常是平行的，这样可便于用高强度螺桂和其他构件连接。其尺寸构成合理系列，型号齐全，便于设计选用。H型钢的轧制不同于普通工字钢仅用一套水平轧辊，由于其翼绦较宽且无斜度(或斜度很小)，故须增设一组立式轧辊同时进行辊轧。因此，其轧制工艺和设备都比普通轧机复杂。 

总之H型钢是工字钢的换代产品，所以两者在实际应用中选择使用的标准是：尽量不用工字钢。

热轧和冷轧的区别

1、冷轧成型钢允许截面出现局部屈曲，从而可以充分利用杆件屈曲后的承载力；而热轧型钢不允许截面发生局部屈曲。 

2、热轧型钢和冷轧型钢残余应力产生的原因不同，所以截面上的分布也有很大差异。冷弯薄壁型钢截面上的残余应力分布是弯曲型的，而热扎型钢或焊接型钢截面上残余应力分布是薄膜型 。

3、热轧型钢的自由扭转刚度比冷轧型钢高，所以热轧型钢的抗扭性能要优于冷轧型钢。

拓展

热轧优点

热轧的优点是可以破坏钢锭的铸造组织，细化钢材的晶粒，并消除显微组织的缺陷，从而使钢材组织密实，力学性能得到改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使钢材在一定程度上不再是各向同性体；浇注时形成的气泡、裂纹和疏松，也可在高温和压力作用下被焊合。 

热轧缺点

一是经过热轧之后，钢材内部的非金属夹杂物（主要是硫化物和氧化物，还有硅酸盐）被压成薄片，出现分层（夹层）现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。焊缝收缩诱发的局部应变时常达到屈服点应变的数倍，比荷载引起的应变大得多。

二是不均匀冷却造成的残余应力。残余应力是在没有外力作用下内部自相平衡的应力，各种截面的热轧型钢都有这类残余应力，一般型钢截面尺寸越大，残余应力也越大。残余应力虽然是自相平衡的，但对钢构件在外力作用下的性能还是有一定影响。如对变形、稳定性、抗疲劳等方面都可能产生不利的作用。 

冷轧是指在常温下，经过冷拉、冷弯、冷拔等冷加工把钢板或钢带加工成各种型式的钢材。

冷轧优点

优点是成型速度快、产量高，且不损伤涂层，可以做成多种多样的截面形式，以适应使用条件的需要；冷轧可以使钢材产生很大的塑性变形，从而提高了钢材的屈服点。 

冷轧缺点

缺点一是虽然成型过程中没有经过热态塑性压缩，但截面内仍然存在残余应力，对钢材整体和局部屈曲的特性必然产生影响。 

二是冷轧型钢样式一般为开口截面，使得截面的自由扭转刚度较低。在受弯时容易出现扭转，受压时容易出现弯扭屈曲，抗扭性能较差。

 三是冷轧成型钢壁厚较小，在板件衔接的转角处又没有加厚，承受局部性的集中荷载的能力弱。

（基本的焊接符号）

1、焊接是钢结构最主要的连接方式，有对接焊缝和角焊缝两种基本形式。

常用的焊接方法有手工焊、自动（或半自动）埋弧焊。手工焊焊条型号应与主体金属强度相适应。施焊过程中可能产生裂纹、气孔、烧穿、弧坑等缺陷。为保证焊缝质量，应根据焊缝等级按各自不同的检验标准进行质量检查。

2、焊缝

为保证焊缝质量和便于施焊，对接焊缝要求按焊件厚度采用不同形式的坡口，坡口形式有I形、单边V形、V形、U形、K形、X形等。对于没有采用引弧板的焊缝，计算时焊缝长度要考虑起落弧的影响。对接焊缝截面上的应力分布与母材相同，强度计算公式也相同，轴力作用下一般采用直缝，强度不足时可采用斜焊缝，当倾斜角度θ≤56°时，可不进行焊缝强度计算，在弯矩、剪力共同作用下的计算公式也可采用材料力学公式。

3、角焊缝受力复杂，按受力不同分为侧焊缝和端焊缝

为保证焊接质量，规范对焊脚尺寸hf及焊缝计算长度lw等都作了构造规定。角焊缝计算以最小焊缝截面为计算截面，且不论抗拉、抗压及抗剪均采用同一强度设计值￡fw。对角焊缝在轴心力、弯矩、扭矩、剪力及几个力共同作用下的受力进行了分析并推导出不同情况下的计算公式，应熟练掌握。

4、焊接

施焊时，由于不均匀的温度场，使杆件产生焊接变形和焊接应力，这对结构在常温、静载作用下的承载力没有影响，但增大了结构的变形，降低了结构的刚度、疲劳强度以及稳定承载力。从设计和施工方面应采取不同措施减小或消除残余应力和残余变形，如设计上尽量使焊缝对称布置；施焊时应采用合理的施焊次序等。

5、螺栓排列

普通螺栓排列时，规范根据受力、构造和施工三方面的要求规定了容许距离，针对螺栓几种可能的排列形式，提出了不同的防止措施，在确定单个螺栓承载力设计值的基础上，分析了螺栓群在不同荷载作用下的受力和计算方法。

6、高强度螺栓

高强度螺栓是通过特制扳手拧紧螺帽，使螺杆产生很大的预拉力，将板件压紧。在外力作用下，板件间产生很大的摩擦力。摩擦型高强螺栓就是依靠摩擦力传递剪力的。当剪力等于摩擦力时，连接应定达到极限状态。掌握其受力性能，传力方式及各种计算方法，并与普通螺栓加以对照理解分析。

附录：

焊接符号单元的位置

带坡口焊缝符号使用范例

箭头侧的卷边焊缝符号范例

接头类型不止一种时采用组合焊缝符号范例

画有圆圈的焊缝及符号范例

封底和打底焊道的符号

Q

什么因素决定了角焊缝的尺寸？

A

角焊缝尺寸由焊缝尺寸中最短的焊脚高来决定

钢结构中的残余应力就是指的焊接残余应力吗？还是焊接残余应力只是其中的主要部分？

1,钢结构的焊接过程是在焊件局部区域加热熔化,然后冷却凝固的热过程,由于不均匀的温度场,导致构件不均匀的膨胀和收缩,从而使构件内部残存应力并引起变形,通称的焊接残余应力和残余变形.

2,残余应力是钢材在热轧、氧割、焊接的加热和冷却过程中产生的，先冷却部分形成压应力，后冷却部分形成拉应力。

3,焊接残余应力按其方向可划分为纵向残余应力、横向残余应力和厚度方向残余应力三种。

4,焊接残余应力和焊接残余变形的影响

<1>，刚度——由于在残余拉应力区域提前进入塑性状态而刚度降为零，继续增加的外力仅由弹性区承担，因此构件变形必然增大，刚度减小。

<2>，静力强度——残余应力对静力强度并无影响。

<3>，压杆的稳定承载力——有残余应力的压杆，在残余应力区提前进入塑性状态，截面的弹性区减小，杆件的抗弯刚度也相应减小，因此其稳定承载力降低。

<4>，疲劳强度和温度冷脆——由于塑性变形受到约束，材料变脆，使裂纹容易产生和开展，疲劳强度也会降低，在低温情况下，更容易形成冷脆裂纹。

5，焊接残余变形对结构的影响

焊接残余变形不仅影响结构的尺寸，使装配困难，而且使构件产生初偏心和初弯曲等初始缺陷，在受荷载时引起附加内力，影响其承载能力。

6，焊接残余应力的分布与大小

残余应力的分布、大小与截面的形状、尺寸、制造方法和加工过程等有关，而与钢材的强度等级关系不大。

7，减少焊接残余应力和残余变形的方法：

如上所述，焊接残余应力和残余变形对结构性能均有不利影响，故应减小残余应力并控制残余变形过大，使其符合〈施工规范〉的规定，否则应进行矫正。残余应力和残余变形在焊接过程中是相互关连的。为了减小残余变形，在施焊时应对焊件进行加强约束。

为了减小我们应考虑以下两个方面：

〈1〉设计方面

〈2〉制造、焊接工艺方面。

焊接残余应力分类及影响：

焊接残余变形：焊接的不均匀加热和高温区的热态塑性压缩，使构件冷却后产生一些残余变形，如纵向缩短，横向缩短，弯曲变形，角变形和扭曲变形等。

焊接残余应力分类：

1）纵向焊接残余应力；

2）横向残余应力；

3）沿焊缝厚度方向的残余应力；

4）约束状态下产生的焊接应力。

焊接残余应力的影响

1）对结构静力强度的影响：对于具有一定塑性的材料，在静力荷载作用下，焊接残余应力是不会影响结构强度的；

2）对刚度的影响：焊接残余应力会降低结构的刚度；

3）对压杆稳定的影响：焊接残余应力会使压杆的挠曲刚度减小，从而必定降低其稳定承载力；

4）对低温冷脆的影响：在厚板和有三轴交叉焊缝的情况下，将产生三轴焊接残余应力，阻碍塑性变形，在低温下使裂纹容易发生和发展，加速构件的脆性破坏；

5）对疲劳的影响：焊接残余应力对疲劳强度有不利影响，使焊缝及其附近产生高额残余拉应力。

 减少焊接残余应力和焊接变形的方法

1）采用合理的施焊次序：例如钢板对接时采用分段退焊，厚焊缝采用分层焊，工字形截面按对角跳焊等；

2）施焊前给构件一个和焊接变形相反的预变形，使构件在焊后产生的焊接变形与之正好抵消；

3）对于小尺寸焊件，在施焊前预热，或施焊后回火（加热至600°C左右，然后缓慢冷却），可以消除焊接残余应力。也可以用机械方法或氧炔焰局部加热反弯以消除焊接变形。

合理的焊缝设计

为了减少焊接应力与焊接变形，设计时在构造上采取一些措施：

1）焊接的位置要合理，焊缝的布置应尽可能对称于构件重心，以减少焊接变形。

2）焊缝尺寸要适当，在允许范围内，可以采用较小焊脚尺寸，并加大焊缝长度，使需要的焊缝总面积不变，以免因焊脚尺寸过大而引起过大的焊接残余应力。焊缝过厚还可能引起施焊时烧穿、过热等现象。

3）焊缝不宜过度集中。

4）应尽量避免三向焊缝相交，为此可使次要焊缝中断，主要焊缝连续通过。

5）要考虑钢板的分层问题，避免垂直于板面传递拉力。

此外，为了保证焊接质量，还应注意：焊缝连接构造要尽可能避免仰焊，并且施焊时焊条易于到达。

拓展

残余应力的简图一般用直线或不太复杂的曲线组成。

◆    1、轧制普通工字钢：翼缘厚度比腹板的厚度大的多，腹板在型钢热轧后先冷却，翼缘在冷却的过程中受到与其连接的腹板的牵制作用，因此翼缘产生拉应力，而腹板的中部受到压缩产生压应力；

◆    2、轧制H型钢：翼缘的尖端先冷却，因此具有较高的残余压应力；

◆    3、焊接工字钢：翼缘具有轧制边或火焰切割以后又经过刨边的焊接工字形截面，其残余应力与H型钢类似，只是翼缘与腹板连接处的残余拉应力可能达到屈服强度；

◆    4、具有火焰切割翼缘的焊接工字型截面：翼缘切割时的温度场和焊缝施焊时类似，因此边缘产生拉应力，翼缘与腹板连接处的残余拉应力经常达到屈服强度；

◆    5、用很厚的翼缘板组成的焊接工字型截面：沿翼缘的厚度残余应力也有很大变化，板的外表具有残余压应力，板端的应力很高可达到屈服强度，而板的内表在腹板连接焊缝处具有很高的残余拉应力；

◆    6、焊接箱型截面：在连接焊缝处具有高达屈服强度的残余拉应力，而在截面的中部残余压应力随板件的宽厚比和焊缝的大小而变化，当宽厚比放大到40时残余压应力只有0.2fy左右；

◆    7、等边角钢：等边角钢的残余应力，其峰值与角钢边的长度有关；

◆    8、轧制钢管：轧制钢管沿壁厚变化的残余应力，他的内表面在冷却时因受到先已冷却的外表面的约束故有残余拉应力，而外表面具有残余压应力。（热轧圆管的拉压残余应力都比较小）

残余应力使构件刚度降低，对压杆的承载能力有不利影响，残余应力的分布情况不同，影响程度也不同。此外，残余应力对两端铰接的等截面挺直杆的影响和对有初弯曲柱的影响也是不同的。柱的长度不同，残余应力的影响也不相同。