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鋼結構設計與鋼材的選用

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （清華大學土木工程系 李少甫）
    一、引言
    鋼結構是用鋼材經過加工、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境和人為環境作用，并應滿足各種預定功能要求和具有足夠的可靠性及良好的社會經濟效益。
    鋼結構的特點：結構自重輕，抗震好，耐沖擊，品質好，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，并與其社會經濟效益取得最佳平衡。精心設計是根本，悉心施工是保證。
    鋼結構設計的關鍵：是選擇方案，其內容應包括鋼結構的類型、體系、節點型式、連接方法和鋼材種類、性質的選擇及確定。其中，鋼材種類、性質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密不可分。鋼結構所用結構鋼材種類、性質的選擇及確定又與鋼結構的類型、體系、節點型式、連接方法以及結構所處的環境等相互關聯。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和性質具有重要意義。
    二、 鋼結構的類型
    鋼結構可以考慮從不同角度進行其分類，以下列出幾種：
    1、按應用領域分類
    鋼結構在許多工程建設領域都有應用,并可將其分類列屬于：
    （1）建筑工程：工、農業，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，城市過街、立交橋等；
    （3）水利工程： 水工閘門，壓力鋼管，施工棧橋等；
    （4）海洋工程： 海洋石油平臺、設施，海底輸油管線等；
    （5）特種工程： 輸電、發射塔架，液、氣儲存罐及其輸送管線，大型起重機架等。
    不同領域應用的鋼結構常稱為該領域的鋼結構，如：建筑鋼結構，橋梁鋼結構，海洋鋼結構等。由于應用領域、所處環境和使用要求的不同，各種鋼結構所受自然環境和人為環境的作用也有差異。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
    鋼結構的加工、制造、受力工作性能以及破壞形態等，除與其所用結構鋼材種類、性質等有關外，尚與所用鋼材的厚薄、規格有關，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，各種類型的鋼結構除滿足其使用要求外，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經濟效益。
    3、按鋼結構體系工作特征分類
    （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）網架結構，主要受拉或壓的桿件組成的平面型網狀結構；
    （6）網殼結構，主要受拉或壓的桿件組成的曲面型網狀結構；
    （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,但長細比大時,需考慮穩定性問題；軸心受拉構件不僅截面應力均勻，而且不會失穩,可最充分利用其材料強度性能。
    三、 鋼結構破壞的性質、形態與防止對策
    1、結構鋼材的兩種性質的破壞：
    （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取決于鋼材本身的性質及其所處的環境條件和受力狀況。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。特殊工藝處理的優質高強度鋼材的塑性、韌性好，通常情況下，其破壞常會是塑性的；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、 鋼構件的破壞形態及其防止對策
    鋼構件是由型鋼或/和鋼板經過加工連接組成的，其破壞可發生在桿身或連接處，破壞性質和形態與鋼材、連接方法、受力狀況等有關，起因可能是由于其截面幾何特性不能滿足受力要求，板件或連接受力超過其極限承載力而失效退出工作，致使鋼構件或/和連接破壞，其破壞形態及其防止對策主要有：
    （1）強度破壞：因作用力或應力超過構件或/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?作用應力循環次數。
    （4）脆斷破壞：因含裂紋（或類裂紋）性缺陷的構件，在裂紋張開性拉應力或復合應力作用下，裂紋失穩發展而發生破壞。
    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力斷裂韌性（K1C或K1d）：
    K1=Yσa1/2≤K1C（靜力）或K1d（動力） （3.4）
    其中：σ?裂紋場應力；a?裂紋長度；Y?與裂紋有關的參數。
    （5）過大塑性變形：因構件的過大不可恢復變形，導致構件產生繼發性的上列（1）、（2）、（3）或（4）類形態的可能破壞。
    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還與所選用結構鋼材有關，其破壞性質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，質量等級，品質狀況；加工偏差、缺陷，焊接、裝配殘余應力的大小和狀況；作用力的性質是靜力、動力、或沖擊性的,單次或多次反復作用的；作用應力的高、低；是簡單應力或是復雜應力；構件所處環境好壞等。當所用鋼材強度級別高、等級差、品質次，類裂紋性缺陷及殘余應力嚴重，承受有動或沖擊荷載，且應力水平較高、狀況復雜或/和構件處于低溫惡劣環境時，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生突然間的脆性破壞。
    3、鋼結構的破壞形態
    鋼結構是用鋼材經過加工、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。它破壞的形態有以下幾方面的特點：
    （1）破壞部位：可在局部連接,節點,構件,或是由這些局部的破壞開始,逐步擴展致使結 構的部分或總體毀壞倒塌。
    （2）破壞形態：其類別，基本上與鋼構件的類似，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，或其相互影響發展為總體性的。
    （3）破壞性質：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、品質差；結構類別、體系選擇、布置不當；截面幾何特性、節點構造、連接不合理；受力狀況復雜，結構計算簡圖及受力分析錯誤；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生突然間的脆性破壞。
    4、各類型鋼結構的主導性破壞形態
    總體而論，各種類型鋼結構的各種破壞形態都可能發生，但是，不同類型和不同環境下的鋼結構，通常發生的主導性破壞形態也有差別，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、性質、路徑和歷程也會有較大差異。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使結構處于高應力狀態，其破壞常可能是突發性的、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性能與鋼結構設計
    •屈服強度fy：結構設計中線彈性分析以及強度、穩定性計算的限值標準。
    •抗拉強度fu：受拉破壞的極限。強屈比是衡量強度儲備的重要標志。
    •伸長率δ5(δ10)：鋼材單向拉伸的塑性性質表現。
    •冷彎角α：鋼材彎曲擠壓時的塑性性質表現，和對鋼材內部缺陷的揭示。
    •斷面收縮率ψ：鋼材復雜受力狀態下的塑性體現。
    •沖擊韌性AK：鋼材破壞所需動能的一種量度。
    •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、質量等級：
    •鋼種：碳素鋼，低合金鋼；普通鋼，優質鋼，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…。
    •質量等級：標準規定交貨時，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，則價格越貴。
    3、選用結構鋼材性質的基本原則：足夠可靠，滿足需要（防止因材質差而脆斷破壞）工藝性能良好和價格低廉。
    4、結構鋼材性質選用須要考慮的主要因素：結構重要性；結構類型；連接方法；節點構造；受力狀態；環境狀況。
    5、鋼結構的鋼材選用
    （1）質量等級的選擇
    •一般非焊接的鋼結構可選用A級鋼；
    •焊接鋼結構，靜載作用時應選用B級鋼；
    •焊接鋼結構，動載作用時，應根據結構所處環境溫度，選用C，D，E級的或特級鋼，務必使鋼材的脆性轉換溫度低于結構所處環境溫度。
    •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。
    •對節點構造及受力狀況復雜、工作環境條件惡劣的重型焊接鋼結構，應提高對鋼材質量標準的要求。
    •重要鋼結構鋼材的質量等級選擇宜提高。
    （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，非焊接時可用A級，焊接時應用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；當鎖縫連接時應有良好的冷彎性能，必要時可補做多層卷筒壓扁無損傷合格試驗；當為壓扣連接時宜選較高強度級別和韌性好的鋼材。
    五、 結束語
    鋼結構自重輕，抗震好，耐沖擊等優良品質的展現，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；根據結構類型、所處環境、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具有重要作用。鋼結構設計選用鋼材牌號的關鍵是，把握使其強度級別足夠、質量等級適當、具有良好的塑性和韌性且價格較低，即使其性價比最優。
    由于筆者水平所限，上述管見，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。清華大學出版社。1995.10.。
    2、 江見鯨等。 建筑工程事故分析與處理。中國建筑工業出版社。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。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規范(GB 50018?2002)。
    9、中華人民共和國行業標準。高層民用建筑鋼結構技術規程(JGJ 99?98)。
    10、中國工程建設標準化協會標準。門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程(CECS 102:2002 )。
    11、中國工程建設標準化協會標準。拱形波紋鋼屋蓋結構技術規程(CECS 167:2004)。
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