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鋼結構設計與鋼材的選用

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （清華大學(xué)土木工程系 李少甫）
    一、引言
    鋼結構是用鋼材經(jīng)過(guò)加工、連接、安裝而建成的一種工程結構，它需要承受各種可能的自然環(huán)境和人為環(huán)境作用，并應滿(mǎn)足各種預定功能要求和具有足夠的可靠性及良好的社會(huì )經(jīng)濟效益。
    鋼結構的特點(diǎn)：結構自重輕，抗震好，耐沖擊，品質(zhì)好，建造快；易銹蝕，耐火差。重要的是，鋼結構應該精心設計和悉心施工，才能揚長(cháng)避短，使所設計的構筑物，建成后具有足夠的可靠性，并與其社會(huì )經(jīng)濟效益取得最佳平衡。精心設計是根本，悉心施工是保證。
    鋼結構設計的關(guān)鍵：是選擇方案，其內容應包括鋼結構的類(lèi)型、體系、節點(diǎn)型式、連接方法和鋼材種類(lèi)、性質(zhì)的選擇及確定。其中，鋼材種類(lèi)、性質(zhì)的選擇及確定具有十分重要意義，這是由于鋼結構的上述特點(diǎn)與結構鋼材的強度高低，塑性大小，韌性好壞，銹蝕難易和耐熱強弱等的性質(zhì)密不可分。鋼結構所用結構鋼材種類(lèi)、性質(zhì)的選擇及確定又與鋼結構的類(lèi)型、體系、節點(diǎn)型式、連接方法以及結構所處的環(huán)境等相互關(guān)聯(lián)。因此根據鋼結構設計要求的特性選用與其相匹配的結構鋼材的種類(lèi)和性質(zhì)具有重要意義。
    二、 鋼結構的類(lèi)型
    鋼結構可以考慮從不同角度進(jìn)行其分類(lèi)，以下列出幾種：
    1、按應用領(lǐng)域分類(lèi)
    鋼結構在許多工程建設領(lǐng)域都有應用,并可將其分類(lèi)列屬于：
    （1）建筑工程：工、農業(yè)，民用、公共房屋，紀念性建筑物的支承骨架；
    （2）橋梁工程： 鐵路、公路橋，城市過(guò)街、立交橋等；
    （3）水利工程： 水工閘門(mén)，壓力鋼管，施工棧橋等；
    （4）海洋工程： 海洋石油平臺、設施，海底輸油管線(xiàn)等；
    （5）特種工程： 輸電、發(fā)射塔架，液、氣儲存罐及其輸送管線(xiàn)，大型起重機架等。
    不同領(lǐng)域應用的鋼結構常稱(chēng)為該領(lǐng)域的鋼結構，如：建筑鋼結構，橋梁鋼結構，海洋鋼結構等。由于應用領(lǐng)域、所處環(huán)境和使用要求的不同，各種鋼結構所受自然環(huán)境和人為環(huán)境的作用也有差異。其設計，施工和使用雖有所區別，但是其基本屬性和特征及其總的設計理念、原理、方法和所依據的理論基礎等均雷同。
    2、按所用鋼材規格分類(lèi)
    鋼結構的加工、制造、受力工作性能以及破壞形態(tài)等，除與其所用結構鋼材種類(lèi)、性質(zhì)等有關(guān)外，尚與所用鋼材的厚薄、規格有關(guān)，故尚可按其組成中所用主要鋼材的厚薄及規格(型號大小)分為：
    （1）輕型鋼結構：厚度1.5～6mm的鋼板和小圓鋼、型鋼組成的鋼結構；
    （2）普通鋼結構：厚度約8～40mm的鋼板和普通型鋼組成的鋼結構；
    （3）重型鋼結構：厚度介于40mm～100mm鋼板和特大型號鋼材組成的鋼結構。
    用厚度小于1.5mm的鋼板制成的鋼結構也可稱(chēng)為超輕型鋼結構；厚度大于100mm鋼板和特殊型號鋼材組成的鋼結構也可稱(chēng)為超重型鋼結構。輕型、超輕型鋼結構的穩定性和缺陷敏感性問(wèn)題較為突出；重型鋼結中焊接殘余應力、鋼板層狀撕裂以及疲勞和脆性斷裂等對其正常工作的影響較大。不言而喻，各種類(lèi)型的鋼結構除滿(mǎn)足其使用要求外，都必須具有足夠的可靠性，即安全性、適用性、耐久性和良好的社會(huì )經(jīng)濟效益。
    3、按鋼結構體系工作特征分類(lèi)
    （1）梁格結構，受彎曲工作的梁組成的結構；
    （2）剛架結構，受壓（拉）、彎曲工作的直梁和直柱組成的框形結構；
    （3）拱架結構，單向曲形構件組成的平面結構；其截面受壓、彎和剪；
    （4）桁架結構，主要受拉或壓的桿件組成的結構；
    （5）網(wǎng)架結構，主要受拉或壓的桿件組成的平面型網(wǎng)狀結構；
    （6）網(wǎng)殼結構，主要受拉或壓的桿件組成的曲面型網(wǎng)狀結構；
    （7）索桿結構，張力索（或鏈桿）和受壓桿件組成的結構；
    （8）拉索結構，張拉索為主組成的結構；
    （9）混合結構，（1）～（7）中兩種及其以上結構組成的結構；
    （10）雜交結構，（1）～（7）中兩種及其以上結構構件組成的新型結構；
    （11）預應力結構，對（1）～（10）施加有預應力的結構。
    上述結構體系，通常在相同空間和環(huán)境條件作用下其結構自重依次較輕,特別是對于大空間，復雜環(huán)境條件作用下的建筑物的支承結構,其自重的減輕程度更是這樣。這是因為，受彎曲或壓?彎構件的截面應力不均勻,按邊緣最大應力確定的截面,不能充分利用其材料強度性能；軸心受壓構件的截面應力均勻，可較充分利用其材料強度性能,但長(cháng)細比大時(shí),需考慮穩定性問(wèn)題；軸心受拉構件不僅截面應力均勻，而且不會(huì )失穩,可最充分利用其材料強度性能。
    三、 鋼結構破壞的性質(zhì)、形態(tài)與防止對策
    1、結構鋼材的兩種性質(zhì)的破壞：
    （1）伴有明顯不可恢復性的塑性變形的塑性破壞；
    （2）無(wú)明顯不可恢復性的塑性變形的脆性破壞。
    結構鋼材的破壞性質(zhì)取決于鋼材本身的性質(zhì)及其所處的環(huán)境條件和受力狀況。一般結構鋼材，在常溫、單向、一次、緩慢、或/和均勻拉伸的情況下，其破壞通常是塑性的；但是，在低溫、雙向（或三向）、多次、快速、或/和非均勻拉伸的情況下，其破壞常是脆性的。普通高強度鋼材的塑性、韌性較差，其破壞常是脆性的。特殊工藝處理的優(yōu)質(zhì)高強度鋼材的塑性、韌性好，通常情況下，其破壞常會(huì )是塑性的；但是，在特殊情況下，如脆性轉變溫度以下的低溫、雙向（或三向）、多次、快速、或/和非均勻拉伸下其破壞常是呈脆性的。
    2、 鋼構件的破壞形態(tài)及其防止對策
    鋼構件是由型鋼或/和鋼板經(jīng)過(guò)加工連接組成的，其破壞可發(fā)生在桿身或連接處，破壞性質(zhì)和形態(tài)與鋼材、連接方法、受力狀況等有關(guān)，起因可能是由于其截面幾何特性不能滿(mǎn)足受力要求，板件或連接受力超過(guò)其極限承載力而失效退出工作，致使鋼構件或/和連接破壞，其破壞形態(tài)及其防止對策主要有：
    （1）強度破壞：因作用力或應力超過(guò)構件或/和連接最大極限承載能力或鋼材強度。
    主要防止對策：增大板件截面積，加強連接，選用較高強度鋼材，使其折算應力σeq不大于鋼材的設計值ƒy/γR，（γR為抗力分項系數）即：
    σeq≤[σ2x+σ2y+σ2z-(σxσy+σyσz+σzσx)+3(τxy+τyzτzx)]1/2≤ƒy/γR （3.1）
    并使其連接具有足夠承載力。
    （2）喪失穩定：因作用力達到或超出構件臨界力，或者其部分板件所受壓力超過(guò)其臨界力失去穩定退出工作，導致構件喪失繼續承載的能力。
    主要防止對策：調整構件截面幾何特性、邊界支承條件，減小板件的寬厚比、長(cháng)細比，使其名義應力σnomin小于其臨界應力設計值σcr/γR ，即：σnomin≤σcr/γR （3.2）
    （3）疲勞破壞：因構件在荷載反復作用下，裂紋萌生、擴展、以致失穩擴展使構件失去承載力。
    主要防止對策：選用塑性、韌性好的鋼材,減小缺陷,減小應力集中，降低應力幅Δσ，并使符合式（3.3）的要求：
    Δσ=σmax-σmin≤[Δσ]=（C/N）1/β （3.3）
    其中：σmax，σmin?最大，最小作用應力；β，C?疲勞特征參數；
    N?作用應力循環(huán)次數。
    （4）脆斷破壞：因含裂紋（或類(lèi)裂紋）性缺陷的構件，在裂紋張開(kāi)性拉應力或復合應力作用下，裂紋失穩發(fā)展而發(fā)生破壞。
    主要防止對策：選用塑性、韌性好的鋼材,減小裂紋性缺陷、降低應力水平，并使應力強度因子K1不大于與鋼材的靜力或動(dòng)力斷裂韌性（K1C或K1d）：
    K1=Yσa1/2≤K1C（靜力）或K1d（動(dòng)力） （3.4）
    其中：σ?裂紋場(chǎng)應力；a?裂紋長(cháng)度；Y?與裂紋有關(guān)的參數。
    （5）過(guò)大塑性變形：因構件的過(guò)大不可恢復變形，導致構件產(chǎn)生繼發(fā)性的上列（1）、（2）、（3）或（4）類(lèi)形態(tài)的可能破壞。
    主要防止對策：改善構件的邊界及受力條件;增大構件剛度或/和選用高強度鋼材。
    上列鋼構件的破壞形態(tài)還與所選用結構鋼材有關(guān)，其破壞性質(zhì)可能是塑性的或脆性的，這要取決于結構所用鋼材的強度級別，質(zhì)量等級，品質(zhì)狀況；加工偏差、缺陷，焊接、裝配殘余應力的大小和狀況；作用力的性質(zhì)是靜力、動(dòng)力、或沖擊性的,單次或多次反復作用的；作用應力的高、低；是簡(jiǎn)單應力或是復雜應力；構件所處環(huán)境好壞等。當所用鋼材強度級別高、等級差、品質(zhì)次，類(lèi)裂紋性缺陷及殘余應力嚴重，承受有動(dòng)或沖擊荷載，且應力水平較高、狀況復雜或/和構件處于低溫惡劣環(huán)境時(shí)，其破壞常是脆性的；反之，在一般情況下，其破壞常是塑性的。
    鋼結構設計，首先是保證結構安全和防止其發(fā)生突然間的脆性破壞。
    3、鋼結構的破壞形態(tài)
    鋼結構是用鋼材經(jīng)過(guò)加工、連接、安裝組成的工程結構。它是許多鋼構件的組合成的工程結構體系。它破壞的形態(tài)有以下幾方面的特點(diǎn)：
    （1）破壞部位：可在局部連接,節點(diǎn),構件,或是由這些局部的破壞開(kāi)始,逐步擴展致使結 構的部分或總體毀壞倒塌。
    （2）破壞形態(tài)：其類(lèi)別，基本上與鋼構件的類(lèi)似，但是，其破壞更具有結構體系性的特征，即可能是局部性的，整體性的，或其相互影響發(fā)展為總體性的。
    （3）破壞性質(zhì)：可能是塑性的或脆性的；
    （4）破壞路徑：多樣；
    （5）破壞原因：是鋼材性能、品質(zhì)差；結構類(lèi)別、體系選擇、布置不當；截面幾何特性、節點(diǎn)構造、連接不合理；受力狀況復雜，結構計算簡(jiǎn)圖及受力分析錯誤；制造、安裝偏差缺陷嚴重等復雜因素的單獨或綜合作用的結果。
    （6）破壞歷程：可能是逐漸擴展性的或突發(fā)性的；
    （7）破壞后果：常較嚴重。
    鋼結構設計，首先是保證結構安全和防止其發(fā)生突然間的脆性破壞。
    4、各類(lèi)型鋼結構的主導性破壞形態(tài)
    總體而論，各種類(lèi)型鋼結構的各種破壞形態(tài)都可能發(fā)生，但是，不同類(lèi)型和不同環(huán)境下的鋼結構，通常發(fā)生的主導性破壞形態(tài)也有差別，例如：
    （1）輕型、超輕型鋼結構： 強度破壞；局部，整體，或總體失穩。
    （2）普通鋼結構：強度破壞；局部，整體，或總體失穩；疲勞破壞；過(guò)大塑性變形破壞。
    （3）重型鋼結構：強度破壞；整體，或總體失穩；斷裂破壞；疲勞破壞。
    此外，不同鋼結構受力體系，其破壞形態(tài)、性質(zhì)、路徑和歷程也會(huì )有較大差異。一般正常工作情況下，梁格結構的破壞常是逐漸擴展性的、塑性的、部分的；張拉索桿、索網(wǎng)鋼結構、預應力鋼結構等，如選用高強度、低韌性鋼材和設計時(shí)使結構處于高應力狀態(tài)，其破壞?？赡苁峭话l(fā)性的、脆性的,甚或整體或總體性的。
    四、 鋼結構設計與結構鋼材的選用
    1、結構鋼材的主要物理力學(xué)性能與鋼結構設計
    •屈服強度f(wàn)y：結構設計中線(xiàn)彈性分析以及強度、穩定性計算的限值標準。
    •抗拉強度f(wàn)u：受拉破壞的極限。強屈比是衡量強度儲備的重要標志。
    •伸長(cháng)率δ5(δ10)：鋼材單向拉伸的塑性性質(zhì)表現。
    •冷彎角α：鋼材彎曲擠壓時(shí)的塑性性質(zhì)表現，和對鋼材內部缺陷的揭示。
    •斷面收縮率ψ：鋼材復雜受力狀態(tài)下的塑性體現。
    •沖擊韌性AK：鋼材破壞所需動(dòng)能的一種量度。
    •斷裂韌性K1C：鋼材裂紋失穩擴展的一種限值。
    2、結構鋼材的鋼種、牌號、強度級別、質(zhì)量等級：
    •鋼種：碳素鋼，低合金鋼；普通鋼，優(yōu)質(zhì)鋼，特種工藝鋼（如TMPS）。
    •牌號：由屈服強度字母Q、屈服強度數值、質(zhì)量等級（A，B，C，D，E）、脫氧方法符號
    （F，B，Z，TZ）組成。
    •強度級別：Q235， Q345， Q390， Q420…。
    •質(zhì)量等級：標準規定交貨時(shí)，一般應保證合格的性能如下
    A級? fu， fy，δ5 (δ10) ，α； S ， P。
    B級? fu， fy，δ5 (δ10) ，α； C，S ， P， AK（+200C）。
    C級? fu， fy，δ5 (δ10) ，α； C，S ， P， AK（ 00C）。
    D級? fu， fy，δ5 (δ10) ，α； C，S ， P， AK（-200C）。
    E級? fu， fy，δ5 (δ10) ，α； C，S ， P， AK（-400C）。
    其它性能指標要求，須由設計提出，并與供貨方協(xié)約確定。但是，要求的級別、等級越高， 附加條件越多、越苛刻，則價(jià)格越貴。
    3、選用結構鋼材性質(zhì)的基本原則：足夠可靠，滿(mǎn)足需要（防止因材質(zhì)差而脆斷破壞）工藝性能良好和價(jià)格低廉。
    4、結構鋼材性質(zhì)選用須要考慮的主要因素：結構重要性；結構類(lèi)型；連接方法；節點(diǎn)構造；受力狀態(tài)；環(huán)境狀況。
    5、鋼結構的鋼材選用
    （1）質(zhì)量等級的選擇
    •一般非焊接的鋼結構可選用A級鋼；
    •焊接鋼結構，靜載作用時(shí)應選用B級鋼；
    •焊接鋼結構，動(dòng)載作用時(shí)，應根據結構所處環(huán)境溫度，選用C，D，E級的或特級鋼，務(wù)必使鋼材的脆性轉換溫度低于結構所處環(huán)境溫度。
    •對于有層狀撕裂受力的結構部位的較厚鋼板，應有抗層狀撕裂的要求。
    •對節點(diǎn)構造及受力狀況復雜、工作環(huán)境條件惡劣的重型焊接鋼結構，應提高對鋼材質(zhì)量標準的要求。
    •重要鋼結構鋼材的質(zhì)量等級選擇宜提高。
    （2）強度等級的選用
    •普通鋼結構鋼材的強度等級常常選為Q235或 Q345；
    •重型、超重型鋼結構鋼材的強度等級可選為Q345，Q390，Q420或更高強度等級的特種鋼材；
    •冷彎薄壁輕型鋼結構，非焊接時(shí)可用A級，焊接時(shí)應用B級鋼；一般可選用強度等級為Q235或Q345鋼；
    •超輕型鋼結構及用于屋面、墻面的壓型板的彩色涂層鋼板可選用強度等級與Q235或 Q345相當的鋼材；當鎖縫連接時(shí)應有良好的冷彎性能，必要時(shí)可補做多層卷筒壓扁無(wú)損傷合格試驗；當為壓扣連接時(shí)宜選較高強度級別和韌性好的鋼材。
    五、 結束語(yǔ)
    鋼結構自重輕，抗震好，耐沖擊等優(yōu)良品質(zhì)的展現，在于正確設計、制造、安裝和使用，而設計方案的選擇是其根本；根據結構類(lèi)型、所處環(huán)境、施工條件，選擇鋼材品種、牌號，對保證結構正常工作，防止脆性破壞，減輕結構自重和降低結構造價(jià)具有重要作用。鋼結構設計選用鋼材牌號的關(guān)鍵是，把握使其強度級別足夠、質(zhì)量等級適當、具有良好的塑性和韌性且價(jià)格較低，即使其性?xún)r(jià)比最優(yōu)。
    由于筆者水平所限，上述管見(jiàn)，僅供參考；謬誤多有，敬請指正。


    六、 參考文獻
    1、 王國周等。鋼結構??原理與設計。清華大學(xué)出版社。1995.10.。
    2、 江見(jiàn)鯨等。 建筑工程事故分析與處理。中國建筑工業(yè)出版社。1998.2。
    3、李少甫, 王元清。 鋼結構的斷裂與疲勞分析。清華大學(xué)土工程系。1999.6。
    4、李少甫。 鋼結構的缺陷損傷破壞與研究。構結工程學(xué)。1991。
    5、李少甫。把握鋼結構屬性特征建造健康鋼結構工程。工程科技論壇??我國大型建筑工程設計的發(fā)展方向論文集。2005.5.27 北京。
    6、中華人民共和國國家標準。建筑抗震設計規范(GB 50011?2001)。
    7、中華人民共和國國家標準。鋼結構設計規范(GB 50017?2003)。
    8、中華人民共和國國家標準。冷彎薄壁型鋼結構技術(shù)規范(GB 50018?2002)。
    9、中華人民共和國行業(yè)標準。高層民用建筑鋼結構技術(shù)規程(JGJ 99?98)。
    10、中國工程建設標準化協(xié)會(huì )標準。門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程(CECS 102:2002 )。
    11、中國工程建設標準化協(xié)會(huì )標準。拱形波紋鋼屋蓋結構技術(shù)規程(CECS 167:2004)。
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