1、钢结构设计原理第一章 钢结构的基本性能建筑工程中，钢结构所用的钢材都是塑性比较好的材料，在拉力作用下，应力-应变曲线在超过弹性后有明显的屈服点和一段屈服平台，然后进入强化阶段。传统的钢结构设计，以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。目前利用塑性的设计方法已经提上了日程。钢材和其他建筑结构材料相比，强度要高得多。在同样的荷载条件下，钢结构构件截面小，截面组成部分的厚度也小。因此，稳定问题在钢结构设计中是一个突出的问题。建筑结构钢材有较好的韧性。因此，钢结构是承受动荷载的重要结构。钢材的韧性也不是一成不变的。材质、板厚、受力状态、温度等都会对它产生影响。【钢材的生产及其对材性
2、的影响】建筑结构所用的钢材包括两大类：一类是热轧型钢和钢板；另一类是冷成型（冷弯、冷冲、冷轧）的薄壁型钢和压型钢板。一、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。炼钢的原料为99%钢水+废钢+合金元素。平炉炼钢的质量优于转炉炼钢的质量。目前，我国采用转炉炼钢，转炉钢具有投资少、建厂快、生产效率高、原料适应性强等优点。二、钢的脱氧脱氧的手段是在钢液中加入和氧的亲和力比铁高的锰、硅和铝。脱氧的程度对钢材的质量颇有影响。锰是弱脱氧剂。硅是较强的脱氧剂。铝是强脱氧剂。钢液中含有较多的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，这种钢称之为沸腾钢。它夹杂较多
3、FeO，冷却后有许多气泡。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，所得钢锭称之为镇静钢。冷却后因体积收缩而在上部形成较大缩孔，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%。对冲击韧性（尤其是低温冲击韧性）要求高的重要结构，如寒冷地区的露天结构，钢材宜用硅脱氧后再用铝补充脱氧的特殊镇静钢。这种钢比一般镇静钢具有更高的室温冲击韧性和更低的冷脆倾向性和时效倾向性。镇静钢的质量好于沸腾钢。镇静钢成本高。镇静钢偏析小。镇静钢的性能优于沸腾钢，主要表现在容易保证必要的冲击韧性，包括低温冲击和时效冲击，冲击韧性好可以承受动荷载和处
4、于低温的结构。GB50017-2003规范规定沸腾钢不能用于下列焊接结构：需要验算疲劳者；处于-30和更低温度者；工作温度低于-20并直接承受动力荷载（但不需验算疲劳）者。鉴定镇静钢和沸腾钢，可以通过硅的含量来进行。GB700-88规定，Q235钢分为A、B、C、D四级。前两级可以是沸腾钢、半镇静钢或镇静钢，C级必须是镇静钢。三、钢的轧制辊轧是型钢和钢板成型的工序，是二次熔炼的过程，可以改善钢材的性能。辊轧分热轧和冷轧，以前者为主。冷轧只用于生产小号型钢和薄板。经过热轧后，钢材组织密实，力学性能得到改善。这种改善主要表现在沿轧制方向上，从而使钢材在一定程度上不再是各向同性体。经过轧制之后，钢材
5、内部的非金属夹杂物被压成薄片，出现分层现象。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是屈服点应变的数倍。型钢和扁钢总是沿辊轧方向受力，不存在非各向同性问题。钢板则不同，垂直于辊轧方向受力，因此钢板拉力试验的试样应垂直与轧制方向切去。轧制影响钢材的塑性和韧性，产生残余应力，同时加工、切割、焊接也产生残余应力。热轧钢材厚度小的强度高于厚度大的，而且塑性及冲击韧性也比较好。因此钢材的机械性能要按厚度分级。热轧是不均匀冷却造成的残余应力。在没有外力作用下内部自相平衡的应力叫做残余应力。板的尺寸越大，冷却后的应力也越大。各种截面的热轧型钢都有这类
6、残余应力，不过随截面形式和尺寸不同，残余应力的分布有所区别。一般地说，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，对钢构件在外力作用下的性能有一定影响。残余应力影响变形、稳定性、疲劳、低温脆断等。轧制普通工字钢的轧机只有两个水平轧辊。滚轧成型时，腹板所受压力大于翼缘，翼缘所受压力和它内侧的斜度有关。腹板的性能优于翼缘。当工字钢作受弯构件时，翼缘的应力大于腹板，承载能力主要取决于翼缘的性能。我国规定，各类型钢拉力试验和冲击试验的样坯都从翼缘上切取，不过，槽钢和工字钢拉伸试件也可以在腹板取样。判断钢结构事故应考虑以下几个方面，化学成分不均匀；C、S、P偏析，含量外多、内少；厚钢板要抽查
7、检验是否有层间撕裂，利用超声波或X射线探伤。 四、矫直和热处理钢材热轧冷却后存在残余应力，因此矫直后的残余应力应是对原始残余应力进行重新分布。重分布使翼缘原始残余应力峰值有所降低，将减轻用作压杆时的不利作用。矫直有两种方法，辊床调直和顶直。热处理可以改变钢材性能，建筑钢材一般以热轧状态交货，不进行热处理。热处理包括调质热处理和正火。调质热处理包括淬火和高温回火两道工序。五、钢材的匀质和等向性钢材内部化学元素的分布不是完全均匀的。钢锭的四周部分含碳减少，从周边到中心碳逐渐增多，硫、磷等杂质也聚集在冷却较慢的部分，形成偏析。型钢截面上不同部分的屈服点有差别，是力学性质上的一种非匀质现象。测试力学性
8、能的方法是在翼缘上切取试样确定屈服点比在腹板上取样更能反映材料的实际性能。钢材内部存在残余应力，从力学角度来说也是一种不均匀性。钢板的各向异性，表现在三个方向的受力性能。沿轧制方向力学性能最好，横向稍差。钢板如有分层，则沿厚度方向性能最差。是否分层，需用超声波等手段探伤。对于比较重要的结构，一是对钢材进行探伤检查，并限制局部分层的面积，二是在设计时注意避免垂直于板面受拉和焊缝收缩造成层间撕裂。【加工对钢构件性能的影响】一、加工对钢构件性能的影响钢结构的建造过程分为热加工、冷加工和冷作硬化。热加工，如钻孔切割，影响残余应力。冷加工使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。1、冷加工的影响冷加工考虑的因素
9、有屈服强度、抗拉强度、冷弯性能。冷加工后，钢材的强度有所提高，但塑性和冲击韧性降低。韧性降低的原因包括冷加工和时效两种因素。钢材的剪切和冲孔，使剪断的边缘和冲出的孔壁严重硬化，甚至出现微细裂纹。对于比较重要的结构，剪断处需要刨边；冲孔只能用较小的冲头，冲完再进行扩孔。目的都是把硬化部分除掉，以免裂纹在一定条件下扩展。冷弯成型后弯角部分屈服点大幅度提高，同时抗拉强度也有所提高，但塑性降低。外侧沿圆弧方向为拉伸，沿半径方向为压缩，内侧沿弧线方向压缩，沿半径方向拉伸。当材料弯成圆角时半径和板厚之比越小，塑性应变越大，屈服点提高幅度越大。Q345-16Mn，在15以下不要冷加工，容易产生脆性断裂。Q2
10、35-A3，在20以下不要冷加工，容易产生脆性断裂。2、热加工的影响热加工包括火焰切割、乙炔切割和焊接。焊接和焰割对钢材焊接造成以下后果，焊缝金属具有铸造组织，不同于轧制钢材，焊缝性能不如母材好，但强度高；焊弧的高温使邻近焊缝的钢材发生组织变化，焊缝附近性能不好，形成热影响区，热影响区包括过热区、正火区和部分重结晶区，在疲劳情况下，热影响区容易破坏；局部性的高温使钢材发生塑性变形，冷却后存在残余应力，残余应力产生的原因是熔化铁水膨胀，未熔化部分对其产生的应力。焊缝金属的碳含量稍低，而氮、氢、氧稍高。采用短弧焊、埋弧焊和气体保护焊使熔化金属和空气更好的隔离，可以不同程度地氮和氧的含量。焊缝金属含
11、氢量高来源于大气和焊条药皮，包括药皮的有机物成分和吸收的水分。当冷却快时氢能使焊缝金属内部出现微观裂纹。因此，受潮的焊条必须烘干后才能使用，重要结构还要用低氢型焊条，以避免出现裂纹。焊接构件的残余应力和热轧构件的一样，在整个截面上拉压两部分应力自相平衡，不同的是焊接构件在焊缝及其近旁的残余拉应力特别高。三条焊缝情况要避免交叉，如不能避免，将次要焊缝断开，不要贯通。在制造厂对焊接结构的零件下料时，要考虑施焊后冷却的收缩而把材料适当放长。如果两个构件受到相连的刚性部分牵制而不能收缩，则整个构件将产生拉应力，这是另一种残余应力，叫做反作用残余应力。3、热矫正和热成型常用的矫正方法是进行局部加热，使其
12、冷却后产生反向变形。为了防止淬火效应，加热温度不应超过900，钢结构规范规定，低合金钢在加热矫正后应自然冷却。热加工成型的构件需要加热到9001000。二、制造和安装的偏差对钢结构性能的影响存在初始弯曲的轴心压杆，受压能力降低，既受压又受弯。存在初始弯曲的轴心拉杆，不降低承受拉力的能力。杆长度的偏差会使体系内压力和拉力在体系内自相平衡。由于出现在承受荷载之前，称为残余内力。当残余内力和载荷引起的内力同号时，将使承载能力降低。【外界作用对钢结构性能的影响】外界作用包括钢结构建成后的使用荷载和大气作用等。一、多轴应力的影响钢材在双向拉力作用下屈服应力和抗拉强度提高，延伸率降低。在异号双向应力作用下
13、屈服应力和抗拉强度降低，延性率增大。三向受拉塑性比双向受拉还低，破坏将是脆性的。三轴拉应力对钢结构是十分不利的。二、加荷速率的影响建筑结构钢材在冲击性的快速加载作用下保持良好的强度和塑性变形能力。即在20左右的室温环境下，钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率的增大而提高，塑性变形能力也提高。不利方面是脆性转变温度随加荷速率增加而提高。三、循环加载的影响钢材在多次重复荷载的循环荷载作用下滞回环丰满而稳定，这种好的性能为钢结构在地震作用下耗能能力提供了基础。四、低温和腐蚀性介质的影响低温使钢材韧性降低，温度降低到一定程度时钢材在冲击荷载作用下完全是脆性断裂，腐蚀性介质也会促成脆性断裂并影响疲劳强度。五
14、、高温的影响除了有热源的生产车间外，钢结构可能遭受的高温主要来自火灾。如果应力较高，且温度接近600，则高温软化可以导致压杆屈曲和拉杆出现颈缩，需要修复、加固或更换。如果火灾后构件没有新的变形，一般都可以继续安全承载。防止钢结构火灾损伤的途径，一是用放火材料加以保护，二是应用耐火钢材。第二章 钢结构稳定问题概述钢结构承载能力极限状态可以出现于下列六种情况：1、整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（如倾复）；2、结构构件或连接因材料强度被超过而破坏；3、结构转变为机动体系（倒塌）；4、结构或构件丧失稳定（屈曲等）；5、结构出现过度的塑性变形，而不适于继续承载；6、在重复荷载作用下构件疲劳断裂。【钢
15、结构的失稳破坏】建筑结构用的钢材具有很大的塑性变形能力。当结构因抗拉强度不足而破坏时，破坏前呈现较大变形。但是当结构因受压稳定性不足而破坏时，可能在失稳前只有很小的变形，即呈脆性破坏的特征。脆性破坏具有突发性，不能由变形发展的征兆及时防止，所以比塑性破坏危险。按国家标准，脆性破坏的构件的可靠指标应比延性破坏者提高一级，即安全等级为二级的构件值由3.2提高到3.7。【失稳类别】一、钢结构的稳定问题分为两类：1、第一类稳定问题或具有平衡分岔的稳定问题（也叫分支点失稳）。完善直杆轴心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。2、第二类稳定问题或无平衡分岔稳定的问题（也叫极值点失稳）。由建筑
16、钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的承载能力，属于这一类。但某些结构如坦拱，即使是完全弹性的，也没有平衡分岔。二、弹性稳定可以分为以下三类：1、稳定分岔屈曲。结构在达到临界状态时，从未屈曲的平衡位形过渡到无限邻近的屈曲平衡位形，即由直杆而出现微弯。此后，变形的进一步增大，要求荷载增加。直杆轴心受压和平板在中面受压都属于这种情况。2、不稳定分岔屈曲。结构屈曲后只能在比临界荷载低的荷载下才能维持平衡位形。属于这种情况的有承受轴向荷载的圆柱壳和承受均匀外压力的全球壳，钢结构常用的缀条柱和圆柱壳很相似。薄壁型钢方管压杆也在一定条件下表现出类似特性。3、越跃屈曲。这种屈曲的特点是：结
17、构由一个平衡位形突然跳到另一个平衡位形，其间出现很大的变形。属于这种情况的有铰接坦拱和油罐的扁球壳顶盖。虽然在发生越跃后荷载可以大于临界值，但实际工程中允许出现这样大的变形，因此，应该以临界荷载作为承载的极限。越跃屈曲虽然没有平衡分岔，却和不稳定分岔屈曲有相似之处，都是从丧失稳定平衡后经历一段不稳定平衡，然后重新获得稳定平衡。当构件有几何缺陷时荷载和变形的关系。对于稳定分岔屈曲，虽然有缺陷，荷载仍然可以高于临界值；对于不稳定分岔屈曲，缺陷使承载能力受到很大伤害，荷载的极限值比无缺陷时的临界值大幅度降低。由此可见，屈曲为不稳定分岔的结构对缺陷特别敏感。对于非对称结构，可能出现一种特殊的非对称特性
18、：屈曲时向某一方向变形时呈稳定分岔，向另一个方向变形时呈不稳定分岔。【结构稳定问题的特点】一、考虑变形对外力效应的影响在分析结构内力以求解算它的强度时，除由柔索组成的结构外，按未变形的结构来分析它的平衡经常可以获得足够精确的结果。分析结构的稳定问题则不同，必然涉及到结构变形后的位形和变形对外力效应（即二阶效应）。针对未变形的结构来分析它的平衡，不考虑变形对外力效应的影响，叫做一阶分析；针对已变形的结构来分析它的平衡，则是二阶分析。应力问题通常都是一阶分析，只有少数特殊的结构如悬索屋盖、桅杆结构和悬索桥，因为变形对内力影响很大，才需要用二阶分析。一般解算超静定结构的内力，虽然要考虑变形协调关系，
19、并没有全面考虑变形对外力效应的影响。稳定问题原则上都应该用二阶分析。但是，目前在计算框架柱稳定时，确定计算长度虽然以已变形的结构为依据，而柱内力却是按一阶分析算得的。如果要分析大变形、大挠度问题，曲率要用更精确的表达式，这时曲率和位移导数之间不再存在线性关系，称为三阶分析。二、静定和超静定结构的区分失去意义静定和超静定结构的划分，是适应应力问题的需要而做出的：静定结构的内力分析只用静力平衡关系就够了；超静定结构的内力分析，则还需加上变形协调关系。三、叠加原理不适用叠加原理普遍用于应力问题。它的应用以满足下列两个条件为前提：1、材料服从胡克定律，亦即应力与应变成正比；2、结构的变形很小，可以用一
20、阶分析来进行计算。概括地说，也就是它既不存在物理的非线性，也不存在几何的非线性。稳定问题一般不符合第二个前提，因为它需要用二阶分析来计算。二阶分析在曲率和位移导数之间虽然可以看成存在线性关系，但内力和变形之间常常是非线性关系。叠加原理不适用于二阶分析。【稳定计算中的整体观点】结构的稳定承载能力，和它的刚度密切相关。梁屈曲时兼有侧向弯曲和扭转两种变形。由于验算构件稳定时形式上似乎是验算某一截面，往往使人对强度和稳定计算的实质分辨不清。二者之间的原则区别是：强度是某一个截面的问题，而稳定则是构件整体问题，因为构件的刚度是它的整体组成所决定的，包括截面刚度和构件长度。在处理稳定问题时，必须具有整体观
21、点。从整体上看框架的侧向刚度只能由悬臂柱提供，铰接柱毫无抗侧移的能力。因此悬臂柱对左柱上端提供弹性支座的作用，它的任务就不仅仅是承受本身的一半压力，而是还要包括对左柱的支援作用，这种作用表现在承受水平力。水平力和压力的合力是一个斜向作用力。处理稳定问题应该有整体的观点，还可以从局部稳定和整体稳定的相关关系来说明。局部和整体的相关关系可以概括为：整体缺陷促使截面局部弱化，局部弱化反过来又影响整体承载能力。最优化设计的结构总是对缺陷很敏感的。只要有一点偏差，结构的承载能力就要下降。整体和局部等稳，是最优化原理在压杆设计中的应用，它充分表明优化结构对缺陷的敏感性。缺陷可以使承载能力降低很多。【稳定设
22、计的几项原则】一、在钢结构设计中，为了保证结构不丧失稳定，还应注意以下几点：1、结构整体布置必须考虑整个体系及其组成部分的稳定性要求。保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设置必要的支撑构件。平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。2、杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的简化假设或典型情况得出的，设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。3、设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。第三章 钢结构的断裂【钢结构脆性破坏及其原因】冷加工和凿痕是引起脆性破坏的部分原因。焊接结构的脆性破坏也有和铆接结构共同之处，那就是经常发生在
23、气温较低的情况，结构的钢材厚度较大，一般处在静力荷载作用下，而且应力常常并未达到设计应力，或虽达设计应力但和材料的屈服点还有一段距离。破坏时结构并未超载，表明脆性破坏是钢结构的一种特殊问题。综上所述，造成脆断的原因有：材质不合格，低温冲击韧性差，以及汇交于节点板上各杆之间的空隙过小，低温焊接产生了较大的残余应力。在屋盖结构中，桁架比实腹构件更容易脆断。钢结构脆性破坏事故不断发生，除了采用焊接外，还有以下原因：结构比过去复杂，有的使用条件恶劣（如海洋结构），有的荷载很大，钢材强度和钢板厚度都趋于提高和增大，设计时采用更精细的计算方法并利用材料非弹性性能以尽量降低造价，致使结构的实际安全储备比过去
24、有所降低。【断裂力学的观点】断裂是在荷载和侵蚀性环境的作用下，裂纹扩展到临界尺寸时发生的。焊接过程中可能出现的缺陷，包括宏观裂纹，如角焊缝可能存在的缺陷，咬边、未熔合、未焊透及气孔等，其中以咬边最为不利。结构的无损探伤只有一定的灵敏度，太小的缺陷发现不了。所以，即使经过探伤，也不能说构件就不含有裂纹。按照线弹性断裂力学，应力强度因子，裂纹尺寸a越大，构件所能安全承受的应力就越小。裂纹的失稳扩展，和构件压屈失稳有些相似之处。压杆所能承受的应力为，长细比越大，越低；带裂纹拉杆拉断应力，裂纹尺寸a越大，越低。建筑结构所用钢材属于强度不高而韧性较好的钢材，当要解决低应力脆断问题时，需要用弹塑性断裂力学
25、代替断裂力学来解决低应力脆断问题。目前可以用来衡量高韧性材料抵抗断裂的能力的有裂纹张开位移理论（即COD理论）。按照这种理论当薄板受拉满足条件构建即将开裂：公式左端代表裂纹顶端张开位移，右端是位移失稳临界值，和一样，属于材料的固有特性。简化后整理得，这就是说，韧性好的材料制成的构件什么时候出现断裂，也和、两个因素相关。由于容易实验，试件不要求很厚，故可由的试验值推算。应力所起的作用应该从能量的角度来理解。因裂纹出现而板单位厚度释放出的应变能是，则能量释放率为。根据精确计算，的数值应是：平面应力状态=；平面应变状态=。造成裂纹需要做一定的功W，它的数值和裂纹尺寸a成正比，即=常数，出现裂纹过程中
26、能量的总变化是。以裂纹出现和扩展所需要的能量W为正，在此过程中释放出的能量U为负。若，即稳定扩展阶段；若，失稳扩展阶段。（41）用高强度钢材做成的结构，构件中储存的应变能高，断裂的危险性也就大于用普通钢材的结构。因此，对高强钢材的韧性应该要求更高一些。一般建筑结构用的钢材在室温下的断裂韧性值的测试，要求很厚的试件才能满足平面应变的条件，所以难以直接测得。钢材的韧性目前还是以缺口冲击韧性作为衡量的准则，并用夏比V形缺口冲击试验值。实验表明，和的变化规律有一定的相似性，尤其是动力荷载作用下更为类似，脆性转变温度也很接近。【防止脆性断裂】一、裂纹原始裂纹尺寸的控制主要由保证施工质量和强检验来解决。裂
27、纹质量不仅涉及到裂纹，还涉及到咬边、欠焊、夹渣和气孔等缺陷。因为这些缺陷或者本身就起裂纹的作用，或者能够引发裂纹。检验发现缺陷超过允许限度，就需要加以补救。在工程实际上，焊缝长度小于6mm的裂纹在检验时不易被发现。当焊接两板时，需要在两板之间垫上软钢丝留出缝隙，焊缝有收缩余地，裂纹就不会出现。在焊接过程中，把角焊缝的表面做成凹形，有利于缓和应力集中，但是经验表明，凹形表面的焊缝，焊后比凸形的容易开裂，在凹形焊缝开裂的条件下，改用凸形缝，就不再开裂。焊缝的收缩作用还有可能引起板的层间撕裂。综上所述，控制焊接结构的初始裂纹需要在焊缝设计、施焊工艺和焊后检验各个环节加以注意。二、应力考察断裂问题时，
28、应力应是构件的实际应力，它不仅仅和荷载大小有关，也和构造形状及施焊条件有关。三轴同号应力状态的脆性破坏最为危险。应力不仅要看它的大小，更重要的是要看应力状态。同时，避免焊缝过于集中和避免截面突然变化，这样都有助于防止脆断。三、材料韧性规定以夏比V形缺口冲击试验作为材料韧性的判据。V形缺口试件吸收的功较少，脆性转变温度则稍高。钢材的断裂有几种不同的表现，即可以是脆性断裂、韧性断裂或兼有脆性和韧性的断裂。脆性断裂的宏观特征是没有塑性变形，断口表面呈颗粒状，平齐而光亮，断面和拉伸应力的方向垂直；韧性断裂则有明显的宏观塑性变形，并出现颈缩现象，断口呈纤维状，其断裂机理是剪切断裂过程。有塑性变形就要吸收
29、较多的能量。材料断裂时吸收的能量和温度有密切关系。吸收的能量可以划分为三个区域，即变形是塑性的、弹塑性的和弹性的。后者属于完全脆性的断裂，也属于平面应变状态。所以冲击韧性的指标宜在弹塑性区域。加荷速率也是一个影响能量吸收额的颇为重要的因素。随着加荷速率的减小，曲线向温度较低的方向移动。有些结构的钢材在工作温度下冲击韧性很低，但仍能保持完好，就可以由加荷速率来说明。对于同一冲击韧性的材料，当设计承受动力荷载时，允许最低的使用温度要比承受静力荷载高得多。加荷速率分为三级，缓慢加荷=10-5s-1，中速加荷=10-3s-1，动力加荷=10s-1。当应变率低于缓慢加荷10-3s-1时属于准静态情况，应
30、变率效应可以略去不计。把加荷速率分为二级，其中R1为静力及缓慢加载，适合于承受自重、楼面荷载、车辆荷载、风及波浪荷载以及提升荷载的结构；R2级为冲击荷载，适用于高应变速率如爆炸和冲撞荷载。因此，除遭强烈地震作用袭击外，建筑结构通常都可列为准静态的结构，即在考虑荷载的动力系数后按静态结构对待，不过承受多次循环荷载时需要进行疲劳计算。钢材的厚度对它的韧性也有影响。薄板断裂时几乎呈完全韧性的剪切断口，厚度稍大则呈韧性和脆性混合的断口；厚板呈脆性的平断口。作为材料的韧性指标值，应取平面应变状态的断裂韧性KIC。12mm和更厚的板，冲击试验的标准试样都是10mm55mm55mm。不同板厚的板用于同一截面
31、尺寸的试样进行试验，反映不出带切口厚板处于平面应变状态的不利情况。缺点一是当厚板和薄板的冲击韧性相同时，厚板的韧性比薄板的低。另一个缺点是难于把裂纹扩展和裂纹形成区分开来。为了弥补这一缺点，可以采用全厚度的试样做静力拉伸试验或落锤试验。静力拉伸试验的试样两侧都有V形缺口，在不同温度下进行这种试验，可以通过断口颗粒状部分所占百分比的变化来确定材料的脆性转变温度，也可以通过试样拉断的延伸率、厚度缩减率或拉伸图所包的能量来考察向脆性的转化。无韧性温度NDT值比V形缺口冲击试验所得的转变温度高15-25，因为落锤试验的动力效应大。对于厚度不大而韧性又高的钢材，夏比V形缺口冲击试验这一指标是可靠的。四、
32、结构形式优良的结构形式可以减小断裂的不良后果。由于脆断时应力一般没有达到设计设计应力，重分布后结构仍可安全承载。当把结构设计成超静定的，即有赘余构件的，可以减少断裂造成的损失。当把结构设计成静定结构时，注意使荷载能够多路径传递。多路径不容易整体破坏，同时次要构件和主要构件同样可以对多路径传递作出贡献。从控制脆断的角度考虑，多路径传递优于单路径传递。当对梁做防断裂设计时，如果受拉翼缘由一块厚板组成，材料的韧性要求应优于多层较薄的板，才能够得到统一的安全保证。当腹板与翼缘板之间有间隙连接时，有利于裂缝到缝隙处停止。梁腹板和翼缘之间不受垂直于间隙的拉力，这是允许间隙存在的一个条件。五、钢材选用设计焊
33、接结构，钢材的选用也是防止脆断的因素之一。【应力腐蚀开裂】用作为判断构件是否会断裂的准则，只适用于处于非腐蚀性环境的构件。在腐蚀性介质中，虽然应力低于值，经过一定时期也会出现脆性断裂。这种现象叫做应力腐蚀开裂，也叫做滞后断裂或延迟断裂。出现这种现象的原因是：构件中原来存在的小裂纹在腐蚀性介质作用下随着时间的增长而逐渐扩展，待达到临界尺寸时，构件就会突然脆断。应力腐蚀断裂主要发生在高强度材料，高强螺栓在使用过程中就有可能出现延迟断裂的现象。在腐蚀性介质中做试验来测定材料的断裂韧性，所得结果要比在无腐蚀性介质的大气中测得的低。当按原始裂纹算得的应力场强度因子低于它的临界值时，不论时间多长，试件都不
34、会断裂。每一种材料在特定的腐蚀介质中的是个常数，一般。钢材的含碳量越高，则韧性越低，抵抗应力腐蚀断裂的性能也越差。第四章 疲劳破坏【影响疲劳破损的因素】一、疲劳荷载钢结构的疲劳破损是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开展以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。二、疲劳破坏的过程一般地说，疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构，实际上只有后两个阶段，因为结构总会有内在的微小缺陷，这些缺陷本身就起着裂纹的作用。疲劳破坏的起始点多数在构件的表面。对非焊接构件，表面上的刻痕、轧铁皮的凸凹、轧钢缺陷和分层以及焰割边不平整、冲孔壁上的裂纹，都是裂源可能出现的地方。对焊接构件，最
35、经常的裂源出现在焊缝趾处，那里常有焊渣侵入。有些焊接构件疲劳破坏起源于焊缝内部缺陷，如气孔、欠焊、夹渣等。疲劳裂纹经历长期的荷载循环，扩展十分缓慢；而脆性断裂不经长期的荷载循环。当构件应力较小时，扩展区所占范围较大，而当构件应力很大时，扩展区就比较小。扩展区的表面光滑，而且是愈近裂源愈光，这是因为裂纹经过多次开合的缘故。拉断区可以是脆性的颗粒状断口，也可以时带有一定韧性的断口。三、疲劳试验的结果光滑试件的疲劳强度明显高于带槽试件，这是因为带槽试件的应力集中使疲劳强度降低。因此，应力集中是研究疲劳问题的重要因素。在实际结构中，应力集中的程度由构造细节决定。有横向对接焊缝的试件的疲劳强度随焊缝余高
36、角度的变化情况：角度愈小，应力集中愈严重，疲劳强度愈低。应力循环的特征可以由最小、最大应力的比值来表示，以拉应力为正。四、断裂力学的分析用断裂力学的观点考察疲劳问题，首先是分析裂纹扩展速率。带裂纹的钢构件是否进一步开裂，取决于应力强度因子是否超过材料的断裂韧性。应力强度因子是对裂纹顶端周围应力和应变的一个度量。裂纹的扩展速率取决于K的变化幅度，即，此式常称为Paris定律，式中n和C为与材料有关的常数。由于工程设计中用名义应力计算，不计入应力集中系数和残余应力影响，C还和构造细节有关。严格地说，C，n不仅和材料有关，也和平均应力及环境有一定关系。对于扩展速率受R值影响的区域，可以用有效应力强度
37、因子幅代替，则疲劳寿命的表达式为，式中a1和a2分别是裂纹的初始尺寸和裂纹缓慢扩展阶段结束时的尺寸。用来表示应力幅，即，则有。对于钢结构，n值常在2.53.5之间，可取为3.0。GB50017规范规定允许应力幅的计算公式是。五、环境的影响对于长寿命的疲劳，腐蚀的不利影响要比短寿命疲劳严重的多。腐蚀对疲劳裂纹的扩展速率的影响和疲劳荷载的频率有关：频率愈低影响愈大，但在扩展速率低的范围内无明显影响。六、提高疲劳寿命在同样的应力幅作用下，结构没有焊缝（也没有截面变化）的部位，疲劳破坏前的循环次数高于有对接焊缝的部位，后者又高于有角焊缝的部位。延长疲劳寿命有三种方法。首先是减小初始裂纹尺寸，如果把减小
38、为，则构件所能承受的循环次数增加。这个增加颇为乐观，原因是在裂纹尺寸很小时，扩展速率很低。其他两种方法是降低构件所承受的应力和采用韧性较好的材料。【疲劳设计准则】一、基本原则在实际工程中，安全寿命法和破损安全法往往是结合在一起的。首先按安全寿命法的思路进行设计，争取在使用期限不出现裂纹，同时也注意荷载的多路径传递和结构各部分都易于检查，在意外地出现裂缝时依然保证安全。土建结构的疲劳破坏可以采用使用寿命法来代替安全寿命法。两者的差别是，前者在结构达到安全使用寿命时不立即报废，并且承认在达到安全寿命前有可能出现疲劳裂缝。在使用寿命期间还需要注意的一个问题，就是荷载有无变化。如果造成疲劳的荷载比设计
39、值增大，就需要对寿命做出新的估算。二、应力比准则和应力幅准则自从焊接结构用于承受疲劳荷载以来，工程界从实践中逐渐认识到和这类结构疲劳强度密切相关的不是应力比R，而是应力幅。应力幅准则的计算公式是，是容许应力幅，它随构造细节而不同，也随破坏前循环次数变化。焊接结构疲劳计算宜以应力幅为准则，原因在于结构内部的残余应力。如前面所述，疲劳裂纹的起源常在焊趾或焊缝内部的缺陷，而焊缝及其近旁经常存在高达材料屈服点的拉伸残余应力。焊缝旁实际应力的变化范围：不论脉冲循环还是对称循环，只要应力幅相同，对构件疲劳的实际效果就相同，而和应力循环特征R或平均应力无关。裂纹扩展只取决于施加的应力幅。有纵向角焊缝的试件在
40、疲劳强度时，对R0的试件，残余应力对疲劳强度的影响大，而对R0的试件影响不大。对于R0的应力循环，应力幅准则完全适用，因为有残余应力和无残余应力的构件疲劳强度相差不大。对于R0的应力循环，采用应力幅准则偏于安全较多。GB50017规范对非焊接结构一律取下列有效应力幅：，此式在应力循环不变号时稍偏安全，但一般并不过分安全。三、构造细节分类和应力循环次数构件和连接的焊缝及其近旁有很高的残余拉应力。因此，即使施加的应力循环完全在压力范围内，实际的应力波动仍然是在拉力范围内。在这样的条件下，压力范围内的应力循环仍然有可能造成疲劳裂纹。但是，裂纹一旦出现，残余应力得到释放，就不会继续扩展。因此，GB50
41、017规范规定：在应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳。在用应力幅准则验算时，按有关规范中构造细节分类的规定来查用。按一般计算方法确定，不必计算残余应力和应力集中，因为据以确定的试件都含有残余应力和应力集中。特殊情况，横向对接焊缝上钻孔，而按焊接连接去查用时，就必须乘以相应集中系数。四、变幅疲劳荷载荷载变幅的疲劳问题，可以由式表达的线性累积损伤准则来计算。式中：为应力幅对结构的作用次数；为应力幅常幅作用下结构的预期寿命。几种不同应力幅对结构作用的先后顺序不影响疲劳寿命。对于焊接构件，常大于1，则用线性累积损伤准则计算的一般能保证安全。线性累积损伤准则则由于使用方便，现在还是最通行的方法。在
42、具体应用这一准则时，可以采用等效常应力幅代替变动的应力幅。等效应力幅，把等效应力幅除以满载时的应力幅可得应力幅降低系数（也叫次载系数）。上式就是GB50017规范的公式，只是符号略有不同。在变幅疲劳的计算中还需要解决一个问题，即如何确定各应力幅的作用频数目前存在多种计算法。其中最常用的是雨流法。【疲劳试验和检验】试验研究可以分为两类，一类是典型的连接细节的疲劳试验，目的在确定-N曲线以及在细节分类中的归属等。另一类是整个构件的疲劳试验，目的在检验一项具体设计的抗疲劳性能。有时这类试验也用来考察某一典型连接细节的疲劳性能。从弯曲疲劳试验的结果来看，小尺寸试件的疲劳强度比大尺寸试件稍高。另外，厚度
43、很大的板质量也不如中、小厚度板。对承受疲劳荷载的构件，特别是容易开展疲劳裂纹的部位必须加强检验。检验包括外观检查和无损检查。外观检查要求仔细查看焊体周围区域和平行于焊缝的板边缘，寻找有无裂纹和层间撕裂。检查人员要有丰富经验，并借助放大镜和照明设备进行工作，才能发现微细裂纹。外观检查是质量控制的重要环节，表面完好往往是焊接工作做的不错的标志。无损检查有多种方法，包括磁性颗粒法、染色体渗透法、射线照相检查、超声探伤法。磁性颗粒法可用以检查出金属表面裂纹或紧靠表面的内部缺陷，最适合于壁厚不超过6.5mm的小型钢管连接。在检验时对焊缝区施以强大磁场，并铺一层磁铁颗粒。裂纹和夹杂等缺陷切断磁力线，使粉末
44、集中在这些区域。焊接产生的磁力性能的差异时常可以不必施加磁场而也能用磁性颗粒来检验。裂纹的深度可以通过打磨或超声方法来测出。染色液体渗入法是使带染料的液体渗入表面的细裂纹，然后通过显色剂，把染料吸上来以显示裂纹轮廓。射线照相检查是依靠电磁射线来确定焊缝是否完好。光线和射线都能穿透像焊缝这样的非透明体。在焊缝背后放上敏感胶片，即可取得焊缝结构的永久记录。射线照相法虽然是探查气孔和夹渣等缺陷极好的办法，但在实践中对检查某些焊缝连接不适用。超声探伤从20世纪60年代以来逐渐成为焊接结构连接无损检查的最重要方法。此法利用高频率声波来检查和测定母材在焊接前的缺陷和焊接连接的缺陷，它对表面裂纹和内部裂纹都
45、很敏感。此法对查找线缺陷和平面缺陷诸如未焊透、分层和裂纹十分灵敏。超声检验也受到一些限制，粗糙的表面会使灵敏度和可靠度降低，它不能像射线照相法那样提供永久性记录。此外，气泡、夹渣等球状缺陷不那么容易检查出来，因为超声波遇到它们时会从旁边绕过而不是像遇到线性缺陷那样被反射回去。超声技术在实践中只限于用在板厚9.5mm以上的连接。承受疲劳作用的结构在服役期间需要定期检查。一旦发生裂纹后，检查间隔时间应不断缩短，原因是随着裂纹尺寸扩展，开裂速度加快，对应于同一裂纹扩展量，时间间隔越来越短。【提高疲劳性能的工艺措施】工艺措施的目的是缓和应力集中程度、消除切口，或是在表层形成压缩残余应力。缓和应力集中的
46、最普遍方法是磨去焊缝的表面部分，如对接焊缝的余高。对角焊缝打磨焊趾，可以改善它的疲劳性能。焊缝的趾部经常存在咬边形成的切口，并且还有焊渣侵入。打磨后的表面不应存在明显的刻痕。对于角焊缝的趾部用气体保护钨弧使重新熔化，可以起消除切口的作用。这种方法在不同应力幅情况下疲劳寿命都能同样提高。在焊缝和近旁金属的表层形成压缩残余应力，是改善疲劳性能的一个有效方法。用喷射金属丸粒或锤击进行敲打。梁的疲劳试验表明，当在它未承受荷载前进行敲击处理，不如在承受荷载后处理的效果好。上述各种措施对不同的连接构造疲劳性能的提高，其效果不尽相同。这些措施对高于400N/mm2的高强钢结构，要比普通碳素钢更为有效。这是因
47、为：（1）高强钢材试件的疲劳强度高于低碳素钢，原因是它的裂纹形成阶段比后者长。若把焊接结构的初始缺陷消除，效果就十分可观。（2）高强钢材焊接后残余拉应力高于低碳钢的。施加残余压应力以改善连接的疲劳性能，也优于低碳钢。第五章 拉 杆【拉杆的极限状态】一、无孔拉杆焊接结构中的拉杆，完全没有螺栓孔（或铆钉孔）者，属于无孔拉杆。实际工程中的构件总会有些几何尺寸的偏差，其中包括初始弯曲和力作用点的偏差；另外，还会有残余应力。初始弯曲并不降低拉杆承载能力，只不过要使拉杆变形增大。在不产生疲劳的静力荷载作用下，残余应力对拉杆的承载能力也没有影响。构件中的残余应力不论是热轧引起的，还是焊接造成的，也不论其分布
48、图形如何，都有一个共同的特点，就是拉、压两种残余应力在截面上相互平衡。拉杆截面如果有突然变化，则应力在变化处的分布不再是均匀的。设计拉杆应该以屈服作为承载能力的极限状态。屈服结束进入应变硬化时的应变值，据国内试验资料是的8.916.9倍。如按12倍计算，则=121.1510-3=0.0138，即屈服使材料每米伸长13.8mm。二、有孔拉杆有孔拉杆可以分为两种类型：一种是铆接结构中的组合构件，沿整个长度都分布有铆钉；另一种是型钢和焊接结构，仅在端部和其他构件用螺栓或铆钉连接。前一种构件应该以净截面屈服为承载能力的极限状态，目前很少使用，后一种构件应用较多。它的承载能力极限状态要从毛截面和净截面两方面来考虑。就毛截面来说，极限状态仍然是应力达到屈服点；就净截面来说，则应力达到抗拉强度时才是极限状态。毛截面屈服和净截面拉断何者控制设计，要经过比较，比较时注意对二者采用不同的安全系数。净截面应力达到抗拉强度，构件就要被拉断。可以附加一个系数=1.21.3。因此，设计拉杆时拉力不应超过和，是抗力分项系数
