一级注册结构工程师资格考试培训班

一级注册结构工程师考试《钢结构》复习讲稿

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《钢结构》复习讲稿

第一节 考试大纲及授课安排

1.1 钢结构考试大纲

1 掌握钢结构体系的布置原则和主要构造。

2 掌握受弯构件的强度及其整体稳定和局部稳定计算；掌握轴心受力构件和拉弯、压弯构件的计算。

3 掌握构件的连接计算、构造要求及其连接材料的选用。

4 熟悉钢与混凝土组合梁`、钢与混凝土组合结构的特点及其设计原理。 5 掌握钢结构疲劳计算及其构造要求。 6 熟悉塑性设计的适用范围和计算方法。 7 熟悉钢结构的防锈、隔热和防火措施。

8 了解对钢结构制作、焊接、运输和安装方面的要求。

1.2 授课安排

1．考试大纲要求分三个层次 要求最高的第一层次为掌握，包括钢结构体系的布置原则和主要构造、基本构件的计算、连接和疲劳构造和计算；

要求次之的第二层次为熟悉，包括钢与混凝土组合梁的计算、塑性设计、钢结构的防锈、隔热和防火措施；

要求最低的第三层次为了解，主要包括钢结构制作、焊接、运输和安装方面的要求。 2．授课安排

在这一天半的时间里，着重讲解第一层次要求掌握的内容，其中主要是钢结构材料、基本构件的计算、连接和疲劳构造和计算的部分，钢结构体系的布置原则和主要构造则不专列介绍，而是融合到前述的内容里起介绍。

第二层次的内容则作一般介绍，侧重于钢与混凝土组合梁的计算、塑性设计，简单介绍钢结构的防锈、隔热和防火措施。

第三层次的钢结构制作、焊接、运输和安装方面的要求只作简单介绍。

第二节 钢材

2.1 钢材的破坏形式

所谓塑性材料是指由于材料原始性能以及在常温、静载并一次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料。但钢材的塑性变形能力不仅取决于钢材的化学成份，熔炼与轧制过程，也取决于所处的工作条件。即使原来塑性表现极好的钢材，在很低的温度之下受冲击作用等情况下，也完全可能呈现脆性破坏。所以，不宜把钢材划分为塑性和弹性材料，而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。

1. 塑性破坏(也称为延性破坏)

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破坏前有很大的塑性变形和“缩颈”现象，破坏的断口常为杯形(有与受力方向成45°和垂直的两部分组成)，45°断面呈纤维状，破坏前有明显预兆。

2. 脆性破坏

没有塑性变形或只有很小塑性变形即发生的破坏，断口平直，断面呈晶粒状。由于变形极小易造成突然破坏。

2.2 基本性能及指标

1. 强度：钢材在外力作用下，抵抗过大(塑性)变形和断裂的能力。应力所能达到的某些最大值，也是材料本构关系曲线上的某些应力特征点。

指标：屈服点fy(ζs)

极限强度fu(ζb)

弹性：钢材在外力作用下产生变形，在外力取消后恢复原状的性能。 指标：比例极限fp，弹性极限fe，弹性模量E

ζ＜fy 理想的弹性体：变形小且可恢复，且有强度储备

ζ≥ fy 理想的塑性体：变形大且不可恢复，也没有强度储备

所以一般可将钢材视为理想的弹塑性材料。通常取屈服点作为强度标准值，而且取受拉和受压的屈服点相同。一则极限强度与屈服点之间的强度差作为储备，留有强度余地；二则屈服点对应的应变(宏观为变形)很小，可以满足正常使用的要求，而极限强度对应的应变(变形)很要大近20倍左右，无法满足正常使用的要求。

2. 塑性：钢材受力断裂过程中发生不能恢复的残余变形的能力。

l?l指标：伸长率 ??10?100%

l0 说明：因标距不同，有δ5(l0=5d)和δ10(l0=10d)，但后一种已基本上不再采用，一则两者共存容易产生混淆，二则可节省试件钢材。

A?A1断面收缩率 ??0?100%

A0后者与标距无关，表征塑性较前者更好，但测量误差较大。塑性越好，越不容易发生脆性断裂，受力过程中，应力和内力重分布就越充分，设计就越安全，破坏前的预兆越明显。Z向(厚度方向性能)钢板就是采用厚度方向拉伸的断面收缩率作为性能级别的划分依据。

3. 冷弯性能：常温下钢材承受弯曲加工变形的能力。 将试件冷弯180o而不出现裂纹或分层。 定性指标：合格或不合格。

冷弯性能合格的钢材才具有良好的常温加工工艺性能。

4. 韧性：钢材在冲击荷载作用下，变形和断裂过程中吸收机械能的能力。 综合反映钢材的内在质量及力学性能，是强度和塑性的综合指标(ζ～ε曲线和坐标轴围成的面积)。是衡量钢材抵抗因低温、应力集中、冲击荷载等作用而脆性断裂的能力。

指标：冲击功Akv

原为梅氏(Mesnager)U形缺口试件，现采用夏比(Charpy) V形缺口试件。 5. 可焊性：反映钢材焊接的可行性及焊缝的受力性能。 包含施工工艺和受力性能两个方面的可焊性。 指标：碳当量。

《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ 81-2002、J 218-2002的§2.0.1：建筑钢结构工程焊接难度可分为一般、较难和难三种情况。施工单位在承担钢结构焊接工程时应具备与焊接难度相适应的技术条件。建筑钢结构工程的焊接难度可按下表区分 。

表2.0.1 建筑钢结构工程的焊接难度区分原则

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焊接难度 影响因素 焊接难度 一般 较难 节点复杂程 度和拘束度 简单对接、角接，焊缝能自由收缩 钢材碳当量① Ceq(%) ＜0.38 0.38～0.45 板厚(mm) 受力状态 t＜30 一般静载拉、压 复杂节点或已施加静载且板厚方向30 ≤ t ≤ 80 限制收缩变形的措施 受拉或间接动载 复杂节点或局部返修条件而使焊缝不能自由收缩 t＞80 直接动载、抗震设防烈度大于8度 难 ＞0.45 注：①按国际焊接学会(IIW)计算公式，Ceq?%?=C+(适用于非调质钢) MnCr+Mo+VCu+Ni++?%? 6515 6. 耐久性：钢材在长期使用后的力学性能。 耐腐蚀性

耐老化(时效硬化) 耐长期高温 耐疲劳

普通钢材供应提供的材性保证：

三项保证：屈服点fy(ζs)、极限强度fu(ζb)、伸长率?5

四项保证：屈服点fy(ζs)、极限强度fu(ζb)、伸长率?5、180°冷弯 五项保证：屈服点fy(ζs)、极限强度fu(ζb)、伸长率?5、180°冷弯、冲击功Akv 提供保证的材性越多，钢材的价格也越贵。

2.3 影响钢材力学性能的主要因素

决定钢材机械和加工工艺等性能的主要因素是钢材的化学成分及其微观组织结构，与钢材的冶炼、浇注、轧制等生产工艺过程也有密切的关系。此外，钢结构的加工、构造、尺寸、受力状态、及其所处的环境温度等对其钢材的机械性能也有重要的影响。

1. 化学成分

钢的主要化学成分是铁(Fe，在普通碳素钢中约占99％)和少量的碳(C)。此外有锰(Mn)、硅(Si)等有利元素，以及熔炼中很难除尽或混入的硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)、氢(H)等有害杂质元素。在合金钢中还有特意添加以改善钢材性能的某些合金元素，如锰、钒(V)等。碳、锰、硅和杂质元素以及合金元素的含量虽少，但对钢材性能有很大的影响。

碳含量对钢的强度、塑性、韧性和焊接性有决定性的影响。随着碳含量的增加，钢材的抗拉强度和屈服强度提高；但其塑性、冷弯性能和冲击韧性、特别是低温冲击韧性降低，可焊接性也变坏。结构钢材的碳含量不能过高，通常不超过0.22%。

锰在碳素钢中多是炼钢时作为脱氧剂加入钢液的元素，通常含量为0.3～0.8%；在低合金锰钢中是作为合金元素。钢的锰含量不太多时，能显著改善钢材的冷脆性能，并提高其屈服强度和抗拉强度，而又不过多地降低塑性和冲击韧性；锰对脱除钢中有害元素氧的含量有益；锰还能与钢中的硫在高温下化合成熔点很高(约1600℃)的硫化锰(MnS)，使钢材热加工时因硫而产生裂纹的“热脆”现象减少。但是过量的锰含量会使钢材塑性降低。

硅与钢液中的氧有较强的化合作用，且能使钢中纯铁体晶粒细小和散布均匀，是熔炼有较好性能的镇静钢的一种常用的脱氧剂(适量的硅可提高钢材的强度，而对其塑性、冷弯性能、冲击韧性和焊接性无显著的不良影响。过量的硅将降低钢材的塑性和冲击韧性，恶化其抗锈

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蚀能力和焊接性。结构钢中硅含量一段不超过0.3%(Q235钢)或0.6%(Q345钢)。

钒是熔炼锰钒低合金钢时特意添加的一种合金元素，可提高钢材强度和细化钢的晶粒；钒的化合物具有高温稳定性，使钢的高温硬度提高。

硫是钢中一种十分有害的元素。硫与铁化合生成硫化铁(FeS)，散布在纯铁体的间层中，当温度在800～1200℃时熔化而使钢材出现裂纹，称为“热脆”现象，使钢的热轧性能和可焊性变坏；硫还将降低钢材的塑性和冲击韧性。因此，应严格限制结构尤其是焊接结构钢材的硫含量，一般要求不超过0.035～0.050%。

磷也是一种有害的元素，其有害作用主要是使钢在低温时韧性降低并容易产生脆性破坏，称为“冷脆”现象；在高温时也使塑性变差。因此，结构钢材中也应严格限制磷含量，一般要求不超过0.035～0.045%。

氧、氮、氢通常是在钢熔融时从空气或水分子分解等进入钢液，在冷却后余留下来的极其有害的元素。氧的有害作用同硫且更甚，增加钢的脆性；氮的作用类似于磷，能显著降低钢材的塑性、冲击韧性并增大其“冷脆”性；氢在低温时易使钢呈脆性破坏，产生所谓“氢脆”破坏现象。因此，较重要的钢结构，尤其是在低温下承受动力荷载的钢结构用钢的上述元素含量也常要求加以限制。

2. 冶炼、浇注、轧制过程

目前钢结构用钢主要是由氧气转炉冶炼而成的。电炉钢质量精良，但成本高、电耗大，钢结构中一般也不采用。

钢冶炼后因浇注方法(脱氧程度或方法)的不同而分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。

沸腾钢是在炉中和盛钢桶中的熔炼钢液中仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧。当钢液铸锭时，钢液中仍保留有相当多的氧化铁，与其中的碳等化合生成一氧化碳(CO)等气体大量逸出，致使钢液剧烈“沸腾”，故称沸腾钢。这种钢铸锭后冷却速度快，溶于钢液中的气体不能全部逸出，且易形成气泡包在钢锭内；还使硫、磷杂质分布不匀，出现其局部富集的所谓“偏析”现象。不但使钢材质量不均匀，而且常使轧制钢材产生分层，降低钢材、特别是厚钢板的抗层状撕裂(即钢板在厚度方向受拉而分层破坏)的能力。但是，沸腾钢生产工艺简单价格便宜，质量能满足一般次要承重钢结构的要求，因而还在继续应用。

镇静钢是在熔炼钢液中加入适量的强脱氧剂硅(或铝)和锰等，进行较彻底脱氧，因而钢液铸锭时不再发生沸腾现象而在锭模内平静地逐渐冷却，故称镇静钢。由于钢液不沸腾、冷却速度较慢，残留气体较易逸出，因而质量优良且均匀，组织致密，杂质少，偏析小。与沸腾钢相比，其冲击韧性和焊接性较好。冷脆和时效敏感性较小，强度和塑性也略高。但镇静钢需要一定量的强脱氧剂，铸锭时需要适当保温，因而工艺过程较复杂，冷却后钢锭头部缩凹而需要切除的部分较多，致使收得率低(约80％)，因而价格较高。

半镇静钢是在熔炼钢液中加入少量强脱氧剂硅(或铝)，脱氧程度、质量和价格介于沸腾钢和镇静钢之间。

特殊镇静钢的脱氧要求比镇静钢更高，一般并应含有足够的形成细晶粒结构的元素如铝等，通常是用硅脱氧后再用铝补充脱氧。我国碳素结构钢中的Q235－D钢，以及桥梁用钢如 Q345q钢等属特殊镇静钢。

由铸锭轧制钢材，是把钢锭再加热至1200～1300℃的高温后进行的。这时钢具有较好的热塑性和可锻焊性。轧钢机压力的作用可使钢锭中的小气泡和质地较疏松部分锻焊密实起来，消除铸造显微组织缺陷和细化钢的晶粒。因此，轧制钢材比同种类铸钢质量好，而且压缩比(钢坯与轧成钢材厚度之比)愈大时其强度和冲击韧性等也愈高。规范对各钢种钢材按厚度或直径进行分组：厚度或直径越小的钢材，强度就越高。见表3.4.1-1。

现在一般都采用连铸连轧生产工艺，为保证质量，镇静钢的生产比重已经越来越高。

3. 残余应力

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