第一章概论 第一节钢结构的特点和应用 钢结构的特点: 钢结构构件较小,质量较轻,便于运输和安装,便于装拆、扩建。 适用于跨度大、高度高,承载重的结构 1.钢材的材质均匀,质量稳定,可靠度高 2.钢材的强度高,塑性和韧性好,抗冲击和抗振动能力强 3.钢结构工业化程度高,工厂制造,工地安装,加工精度高,制造周期短,生产效率 高,建造速度快 4.钢结构抗震性能好 耐腐蚀和耐火性差 第二节钢结构的应用范围 、大跨度结构: 体育场、馆、会展中心、会堂、剧场、飞机库、机车库等。 高层建筑: 纽约的西尔斯大厦共110层,总高443m 深圳的地王商业大厦总高368m; 上海金茂大厦共88层,总高420.5m。 、工业建筑 设有大吨位吊车,炼钢车间,船体车间,水压机车间 四、轻钢结构 后面重点讲解。 五、高耸结构(塔槍结构) 高压输电塔,微波站,雷达站,火箭发射塔,海洋石油平台。 随着现代建筑技术发展,塔桅结构由单一功能向多功能方向发展,如加拿大多伦多的 电视塔为全钢结构,我国黑龙江省336m高的全钢结构多功能电视塔 六、活动式结构 水工钢闸门,升船机,三峡的升船机120×18×3.5m,最大提升高度113m,重11800T。 七、可拆卸或移动的结构 钢栈桥、移动式平台,发挥钢结构重量轻,便于运输和安装的优点
- 1 - 第一章 概论 第一节 钢结构的特点和应用 钢结构的特点： 钢结构构件较小，质量较轻，便于运输和安装，便于装拆、扩建。 适用于跨度大、高度高，承载重的结构。 1.钢材的材质均匀，质量稳定，可靠度高； 2.钢材的强度高，塑性和韧性好，抗冲击和抗振动能力强； 3.钢结构工业化程度高，工厂制造，工地安装，加工精度高，制造周期短，生产效率 高，建造速度快； 4.钢结构抗震性能好； 5.耐腐蚀和耐火性差。 第二节 钢结构的应用范围 一、大跨度结构： 体育场、馆、会展中心、会堂、剧场、飞机库、机车库等。 二、高层建筑： 纽约的西尔斯大厦共 110 层，总高 443m； 深圳的地王商业大厦总高 368m； 上海金茂大厦共 88 层，总高 420.5m。 三、工业建筑 设有大吨位吊车，炼钢车间，船体车间，水压机车间。 四、轻钢结构 后面重点讲解。 五、高耸结构(塔桅结构) 高压输电塔，微波站，雷达站，火箭发射塔，海洋石油平台。 随着现代建筑技术发展，塔桅结构由单一功能向多功能方向发展，如加拿大多伦多的 电视塔为全钢结构，我国黑龙江省 336m 高的全钢结构多功能电视塔。 六、活动式结构 水工钢闸门，升船机，三峡的升船机 120×18×3.5m，最大提升高度 113m，重 11800T。 七、可拆卸或移动的结构 钢栈桥、移动式平台，发挥钢结构重量轻，便于运输和安装的优点
加拿大已建成120多万吨,可容纳5000多人的海上采油平台 八、高压容器和大直径管道 三峡水利枢纽工程中的发电机组压力钢管内径达12.4m,钢管壁厚60m。 九、抗震要求高的结构 十、特种结构 钢烟囱、钢水塔,纪念性建筑(北京的中华世纪坛)城市大型雕塑(南海大佛)。 第三节现代建筑钢材的发展 、高强度钢材 随着人们对结构性能要求的提高,硏制和应用高强度钢材、优质钢和各种低合金钢 Q345(16锰钢)、Q390(15锰钒钢)、Q420(15锰钒氮钢),有些西方国家已把钢材的 屈服强度为700~800Mpa或更高强度的低合金钢列入设计规范。 、耐候钢 美国在优质碳素钢或低合金钢中加入铜铬镍等合金元素试制耐大气腐蚀的用钢,其抗 腐蚀性能可提高2~4倍。 我国在80年代开始研制成功可焊接耐候钢 三、耐火钢 美国在优质碳素钢中加入铜等其他合金元素,研制成耐火钢,耐火可达600℃ 我国宝钢武钢都已生产耐火钢,主要应用在列车上 四、不锈钢 1.不锈钢的分类 不锈钢的定义是各式各样的,因此不锈钢钢种的范围也是不固定的,根据比较标准的 定义,不锈钢是指在钢中加铬元素,且形成钝化状态,具有不锈钢特性的钢材。另一种定 义是根据塔曼耐酸法而作出的,认为不锈钢是含铬量在13%(严格讲,是11.74%)以上的 钢材 对不锈钢的分类,因上述定义的关系,也不是十分清楚的,通常,根据不锈钢的成份, 将大致地分为铬系和铬镍系两类。 提高耐蚀性一降低含碳量一低碳铬13 铬系一铬13 (铁素体系)一增加含铬量一低碳铬18 提高淬火硬度一增加含碳量一高碳铬13 同时提高耐蚀性(马氏体系)一增加含碳量一高碳铬18 镍铬系一18-8—提高耐蚀性一降低含碳量一低碳18-8 无磁性(奥氏体系)一添加其他元素-18-8Mg 但更为常用和具有实用意义的,是根据不锈钢在经900-1100℃高温淬火处理后的反应 和微观组织。将其分为三类:即淬火后硬化的马氏体系,淬火后不硬化的铁素体系,高镍
- 2 - 加拿大已建成 120 多万吨，可容纳 5000 多人的海上采油平台。 八、高压容器和大直径管道 三峡水利枢纽工程中的发电机组压力钢管内径达 12.4m，钢管壁厚 60mm。 九、抗震要求高的结构 十、特种结构 钢烟囱、钢水塔，纪念性建筑（北京的中华世纪坛）城市大型雕塑（南海大佛）。 第三节 现代建筑钢材的发展 一、高强度钢材 随着人们对结构性能要求的提高，研制和应用高强度钢材、优质钢和各种低合金钢， 如 Q345（16 锰钢）、Q390（15 锰钒钢）、Q420（15 锰钒氮钢），有些西方国家已把钢材的 屈服强度为 700～800Mpa 或更高强度的低合金钢列入设计规范。 二、耐候钢 美国在优质碳素钢或低合金钢中加入铜铬镍等合金元素试制耐大气腐蚀的用钢，其抗 腐蚀性能可提高 2～4 倍。 我国在 80 年代开始研制成功可焊接耐候钢。 三、耐火钢 美国在优质碳素钢中加入铜等其他合金元素，研制成耐火钢，耐火可达 600℃。 我国宝钢武钢都已生产耐火钢，主要应用在列车上。 四、不锈钢 1.不锈钢的分类 不锈钢的定义是各式各样的，因此不锈钢钢种的范围也是不固定的，根据比较标准的 定义，不锈钢是指在钢中加铬元素，且形成钝化状态，具有不锈钢特性的钢材。另一种定 义是根据塔曼耐酸法而作出的，认为不锈钢是含铬量在 12%（严格讲，是 11.74%）以上的 钢材。 对不锈钢的分类，因上述定义的关系，也不是十分清楚的，通常，根据不锈钢的成份， 将大致地分为铬系和铬镍系两类。 提高耐蚀性—降低含碳量—低碳铬 13 （铁素体系）—增加含铬量—低碳铬 18 提高淬火硬度—增加含碳量—高碳铬 13 同时提高耐蚀性（马氏体系）—增加含碳量—高碳铬 18 镍铬系—18-8—提高耐蚀性—降低含碳量—低碳 18-8 无磁性（奥氏体系）—添加其他元素—18-8Mg 但更为常用和具有实用意义的，是根据不锈钢在经 900-1100℃高温淬火处理后的反应 和微观组织。将其分为三类：即淬火后硬化的马氏体系，淬火后不硬化的铁素体系，高镍 铬系—铬 13
系不锈钢所具有的奥氏组织。这三类不锈钢的成份与性能见下表 三类不锈钢的成份与性能 大致成份(%) 分类 淬硬性耐腐蚀性加工性可焊性磁性 马氏体系11~25 1.2以下 不可 铁素体系 16~2 0.35以下 有一无无 尚佳 有一有无 奥氏体系16以上7以上0.25以下 优 优 可一优 2.不锈钢的性能 不锈钢的性能与普通碳素钢的性能不同。各种类型不锈钢的性能也不完全相同。在物 理性能方面,马氏体系不锈钢和铁素体系不锈钢的线膨胀系数接近低碳钢的数值(12 10°),而奥氏体系不锈钢大约是碳素钢的150%(8×10°)。铁素体系不锈钢和马氏体系不 锈钢导热系数纸为普通低碳素钢的1/2左右,而奥氏体系不锈钢的导热系数仅达普通低碳 钢的1/3左右。不锈钢的弹性模量、密度及比热等方面与普通低碳钢基本上是同等程度的 由此可看出,不锈钢的这些特点会对其机械性能和加工性能产生直接或间接的影响。从机 械性能角度来看,铁素体系不锈钢与马氏体系不锈钢具有与低碳钢较类似的性能。这两种 不锈钢的抗拉强度要较普通低碳钢高,而其屈服点一般不像低碳钢那样明显。这两种不锈 钢的抗冲击能力是不一样的,铁素体系不锈钢的抗冲击能力较差,而马氏体系不锈钢在常 温下则有着优良的韧性。奥氏体系不锈钢在机械性能方面的特点是其屈服强度比较低,而 伸长率与断面收缩率先及抗击值比较高,具有优良的韧性。对焊接来说,马氏体系不锈钢 与铁素体系不锈钢在焊接时冷却速度要普通钢慢得多;而奥氏体系不锈钢焊接时,其变形 的增大要比普通低碳钢大得多 对不锈钢的耐腐蚀性能要有正确的认识。不锈钢肯有优良的耐腐性,是以在耐腐蚀方 面的应用为其目的和特点的钢种。为了在工程中安全地使用不锈钢,建立起不锈钢并不 定都具有优良的耐腐蚀性这一观点是十分必要的。应该清楚地认识到,现实中存在着各式 各样的腐蚀,不同类型的不锈钢对于不同类型的腐蚀的耐蚀性是很不相同的。因此,根据 腐蚀的具体类型来判断不锈钢的耐蚀性是十分重要的。 一般来说,不锈钢是依靠其表面的钝化膜来发挥其耐蚀性能的。因此,不锈钢的耐蚀 性能的好坏与其表面的钝化情况有关。从这种观点出发,对于强氧化性的酸来说,即使是 像硝酸那样的强酸,不锈钢也能具有优良的耐蚀性能,甚至耐蚀性能较差的铁素体不锈钢 也可被允许使用。但是对于像稀硫酸、醋酸之类非氧化性或还原性的酸来说,由于此时不 能发挥上述钝化膜的作用,而不锈钢与铁的电极度电位几乎是相同的,所以表现出不锈钢 不能耐腐蚀,即使是耐蚀性最好的奥氏体不锈钢,其耐腐蚀性能也是不够好的。在这种情 况下,应动用含镍量较高(标准型奥氏不锈钢为0Cr18Ni18),或含有铜等添加元素的不锈 钢,这些添加元素改善了不锈钢的耐蚀性。另外,选择含有钼和硅元素的不锈钢也能取得
- 3 - 系不锈钢所具有的奥氏组织。这三类不锈钢的成份与性能见下表 三类不锈钢的成份与性能 分类 大致成份（%） 淬硬性 耐腐蚀性 加工性 可焊性 磁性 Cr Ni C 马氏体系 11～25 — 1.2 以下 有 可 可 不可 有 铁素体系 16～27 — 0.35 以下 无 佳 尚佳 尚可 有 奥氏体系 16 以上 7 以上 0.25 以下 无 优 优 优 无 2.不锈钢的性能 不锈钢的性能与普通碳素钢的性能不同。各种类型不锈钢的性能也不完全相同。在物 理性能方面，马氏体系不锈钢和铁素体系不锈钢的线膨胀系数接近低碳钢的数值（12× 10-6），而奥氏体系不锈钢大约是碳素钢的 150%（8×10-6）。铁素体系不锈钢和马氏体系不 锈钢导热系数纸为普通低碳素钢的 1/2 左右，而奥氏体系不锈钢的导热系数仅达普通低碳 钢的 1/3 左右。不锈钢的弹性模量、密度及比热等方面与普通低碳钢基本上是同等程度的。 由此可看出，不锈钢的这些特点会对其机械性能和加工性能产生直接或间接的影响。从机 械性能角度来看，铁素体系不锈钢与马氏体系不锈钢具有与低碳钢较类似的性能。这两种 不锈钢的抗拉强度要较普通低碳钢高，而其屈服点一般不像低碳钢那样明显。这两种不锈 钢的抗冲击能力是不一样的，铁素体系不锈钢的抗冲击能力较差，而马氏体系不锈钢在常 温下则有着优良的韧性。奥氏体系不锈钢在机械性能方面的特点是其屈服强度比较低，而 伸长率与断面收缩率先及抗击值比较高，具有优良的韧性。对焊接来说，马氏体系不锈钢 与铁素体系不锈钢在焊接时冷却速度要普通钢慢得多；而奥氏体系不锈钢焊接时，其变形 的增大要比普通低碳钢大得多。 对不锈钢的耐腐蚀性能要有正确的认识。不锈钢肯有优良的耐腐性，是以在耐腐蚀方 面的应用为其目的和特点的钢种。为了在工程中安全地使用不锈钢，建立起不锈钢并不一 定都具有优良的耐腐蚀性这一观点是十分必要的。应该清楚地认识到，现实中存在着各式 各样的腐蚀，不同类型的不锈钢对于不同类型的腐蚀的耐蚀性是很不相同的。因此，根据 腐蚀的具体类型来判断不锈钢的耐蚀性是十分重要的。 一般来说，不锈钢是依靠其表面的钝化膜来发挥其耐蚀性能的。因此，不锈钢的耐蚀 性能的好坏与其表面的钝化情况有关。从这种观点出发，对于强氧化性的酸来说，即使是 像硝酸那样的强酸，不锈钢也能具有优良的耐蚀性能，甚至耐蚀性能较差的铁素体不锈钢 也可被允许使用。但是对于像稀硫酸、醋酸之类非氧化性或还原性的酸来说，由于此时不 能发挥上述钝化膜的作用，而不锈钢与铁的电极度电位几乎是相同的，所以表现出不锈钢 不能耐腐蚀，即使是耐蚀性最好的奥氏体不锈钢，其耐腐蚀性能也是不够好的。在这种情 况下，应动用含镍量较高（标准型奥氏不锈钢为 OCr18Ni18），或含有铜等添加元素的不锈 钢，这些添加元素改善了不锈钢的耐蚀性。另外，选择含有钼和硅元素的不锈钢也能取得
良好的效果,钼和硅元素的存在,不仅使不锈钢的总体耐腐蚀性提高,而且还使不锈钢发 生腐蚀的可能性大大降低。对于奥氏不锈钢的使用,尚需特别注意晶间腐蚀和应力腐蚀问 题的发生 3.不锈钢的机械性能 不锈钢应按不同分类不同牌号根据机械性能和合金元素进行设计和选用相应的焊条 (1)机械性能 屈服强度 抗拉强度 伸长率 o(MPa) 65(%0) 480~520 35~40 (2)物理性质 弹性模量 剪变模量 线胀系数 泊松比 E(MPa) G(MPa) a(每℃计) 180×103 1.8×10°(奥氏体) 0.3 第二章钢结构的材料 第一节钢结构对所用材料的要求 、钢材的破坏形式 要深入了解钢结构的性能,首先要从钢结构的材料开始,掌握钢材在各种应力状态 不同生产过程和不同使用条件下的工作性能,从而能够选择合适的钢材,不仅使结构安 全可靠和满足使用要求,以能最大可能地节约钢材和降低造价 钢材的断裂破坏通常是在受拉状态下发生的,可分为塑性破坏和脆性破坏两种方式 钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破坏,也称为延性破坏。破坏发生时 应力达抗拉强度∫构件有明显的劲缩现象。由于塑性破坏发生前有明显的变形,并且有较 长的变形持续时间,因而易及时发现和补救。在钢结构中未经发现和补救而真正发生的塑 性破坏是很少见的。钢材在变形很小的情况下,突然发生断裂破坏称为脆性破坏。脆性破 坏发生时的应力常小于钢材的屈服强度∫断口平直,呈有光泽的晶粒状。由于破坏前变 形很小且突然发生,事先不易发现,难以采取补救措施,因而危险性很大。 、钢结构对所有材料的要求 钢材的种类繁多,碳素钢有上百种,合金钢有300余种,性能差别很大,符合钢结
- 4 - 良好的效果，钼和硅元素的存在，不仅使不锈钢的总体耐腐蚀性提高，而且还使不锈钢发 生腐蚀的可能性大大降低。对于奥氏不锈钢的使用，尚需特别注意晶间腐蚀和应力腐蚀问 题的发生。 3.不锈钢的机械性能 不锈钢应按不同分类不同牌号根据机械性能和合金元素进行设计和选用相应的焊条。 (1)机械性能 屈 服 强 度 抗 拉 强 度 伸 长 率 牌 号 ( ) 0.2 MPa (MPa) b (%) S 177～275 480～520 35～40 (2)物理性质 弹性模量 剪变模量 线胀系数 泊松比 E(MPa) G(MPa) （每℃计） 180×103 1．8×105（奥氏体） 0.3 第二章 钢结构的材料 第一节 钢结构对所用材料的要求 一、钢材的破坏形式 要深入了解钢结构的性能，首先要从钢结构的材料开始，掌握钢材在各种应力状态， 不同生产过程和不同使用条件下的工作性能，从而能够选择合适的钢材，不仅使 结构安 全可靠和满足使用要求，以能最大可能地节约钢材和降低造价。 钢材的断裂破坏通常是在受拉状态下发生的，可分为塑性破坏和脆性破坏两种方式。 钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破坏，也称为延性破坏。破坏发生时 应力达抗拉强度 u f 构件有明显的劲缩现象。由于塑性破坏发生前有明显的变形，并且有较 长的变形持续时间，因而易及时发现和补救。在钢结构中未经发现和补救而真正发生的塑 性破坏是很少见的。钢材在变形很小的情况下，突然发生断裂破坏称为脆性破坏。脆性破 坏发生时的应力常小于钢材的屈服强度 y f 断口平直，呈有光泽的晶粒状。由于破坏前变 形很小且突然发生，事先不易发现，难以采取补救措施，因而危险性很大。 二、钢结构对所有材料的要求 钢材的种类繁多，碳素钢有上百种，合金钢有 300 余种，性能差别很大，符合钢结
构要求的钢材只是其中的小部分。用以建筑钢结构的钢材称为结构钢,它必须满足下列要 (1)抗拉强度∫和屈服强度f,较高。钢结构设计把f作为强度承载力极限状态的标 志。∫高可减轻结构自重,节约钢材和降低造价。J是钢材抗拉断能力的极限,f高可 增加结构的安装保障。 (2)塑性和韧性好。塑性和韧性好的钢材在静载和动载作用下有足够的应变能力,即 可减轻结构脆性破坏的倾向,又能通过较大的塑性变形调整局部应力,使应力得到重分布 提高构件的延性,从而提高结构的抗震能力和抵抗重复荷载作用的能力 (3)良好的加工性能。材料应适合冷、热加工,具有良好的可焊性,不致因加工而对 结构的强度、塑性和韧性等造成较大的不利影响。 (4)耐久性好。 (5)价格便宜。 此外,根据结构的具体工作条件,有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的能 力 根据上述要求,结合多年的实践经验,《钢结构设计规范》(GB50017-)主要推荐碳素 结构钢中的Q235钢、低合金结构钢中的Q345钢(16锰钢)、Q390钢(15锰钒钢)和Q20 钢(15MnWN钢),可作为结构用钢。随着研究的深入,必将有一些满足要求的其他种类材 可供使用。若选用钢结构设计规范还未推荐的钢材时,需有可靠的依据,以确保钢结构的 质量。 第二节钢材的主要机械性能 钢材的主要机械性能(也称力学性能)通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下拉 伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到,试验采用的 试件制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行 一、单向拉伸时的性能 钢材单向拉伸试验按照《金属拉伸试验方法》(GB228)的有关要求进行。钢结构所在 用钢材的标准试件在室温(10℃~35℃),以满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材 的应力~应变曲线,简化光滑曲线。由此曲线显示的钢材机械性能。(详见附图一)。 (1)弹性阶段(附图一(b)中OA段):试验表明,当应力小于比例极限厂(A点)时, σ与E呈线性关系,称该直线的斜率E为钢材的弹性模量。在钢结构设计中,对所有钢 材统一取E=2.06×103N/m2。当应力不超过某一应力值∫时,卸除荷载后试件的 变形将完全恢复。钢材的这种性质称为弹性,称∫为弹性极限。在σ达到∫之前钢材处 于弹性变形阶段,简称弹性阶段。∫略高于J二者极其接近,因而通常取比例极限厂
- 5 - 构要求的钢材只是其中的小部分。用以建筑钢结构的钢材称为结构钢，它必须满足下列要 求： (1)抗拉强度 u f 和屈服强度 y f 较高。钢结构设计把 y f 作为强度承载力极限状态的标 志。 y f 高可减轻结构自重，节约钢材和降低造价。 u f 是钢材抗拉断能力的极限， u f 高可 增加结构的安装保障。 (2)塑性和韧性好。塑性和韧性好的钢材在静载和动载作用下有足够的应变能力，即 可减轻结构脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调整局部应力，使应力得到重分布， 提高构件的延性，从而提高结构的抗震能力和抵抗重复荷载作用的能力。 (3)良好的加工性能。材料应适合冷、热加工，具有良好的可焊性，不致因加工而对 结构的强度、塑性和韧性等造成较大的不利影响。 (4)耐久性好。 (5)价格便宜。 此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的能 力。 根据上述要求，结合多年的实践经验，《钢结构设计规范》(GB50017-)主要推荐碳素 结构钢中的 Q235 钢、低合金结构钢中的 Q345 钢（16 锰钢）、Q390 钢（15 锰钒钢）和 Q420 钢（15MnVN 钢），可作为结构用钢。随着研究的深入，必将有一些满足要求的其他种类材 可供使用。若选用钢结构设计规范还未推荐的钢材时，需有可靠的依据，以确保钢结构的 质量。 第二节 钢材的主要机械性能 钢材的主要机械性能（也称力学性能）通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下拉 伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到，试验采用的 试件制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行。 一、单向拉伸时的性能 钢材单向拉伸试验按照《金属拉伸试验方法》（GB228）的有关要求进行。钢结构所在 用钢材的标准试件在室温（10℃～35℃），以满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材 的应力～应变曲线，简化光滑曲线。由此曲线显示的钢材机械性能。(详见附图一)。 (1)弹性阶段（附图一(b)中 OA 段）：试验表明，当应力 小于比例极限 p f （A 点）时， 与 呈线性关系，称该直线的斜率 E 为钢材的弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢 材统一取 5 2 E = 2.06 10 N / mm 。当应力 不超过某一应力值 e f 时，卸除荷载后试件的 变形将完全恢复。钢材的这种性质称为弹性，称 e f 为弹性极限。在 达到 e f 之前钢材处 于弹性变形阶段，简称弹性阶段。 e f 略高于 p f ，二者极其接近，因而通常取比例极限 p f