【正文】 一級注冊結(jié)構(gòu)工程師考試《鋼結(jié)構(gòu)》復(fù)習(xí)講稿一級注冊結(jié)構(gòu)工程師資格考試培訓(xùn)班《鋼結(jié)構(gòu)》復(fù)習(xí)講稿第1節(jié)　考試大綱及授課安排 鋼結(jié)構(gòu)考試大綱1 掌握鋼結(jié)構(gòu)體系的布置原則和主要構(gòu)造。2 掌握受彎構(gòu)件的強度及其整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定計算；掌握軸心受力構(gòu)件和拉彎、壓彎構(gòu)件的計算。3 掌握構(gòu)件的連接計算、構(gòu)造要求及其連接材料的選用。4 熟悉鋼與混凝土組合梁、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的特點及其設(shè)計原理。5 掌握鋼結(jié)構(gòu)疲勞計算及其構(gòu)造要求。6 熟悉塑性設(shè)計的適用范圍和計算方法。7 熟悉鋼結(jié)構(gòu)的防銹、隔熱和防火措施。8 了解對鋼結(jié)構(gòu)制作、焊接、運輸和安裝方面的要求。 授課安排1．考試大綱要求分三個層次要求最高的第一層次為掌握，包括鋼結(jié)構(gòu)體系的布置原則和主要構(gòu)造、基本構(gòu)件的計算、連接和疲勞構(gòu)造和計算；要求次之的第二層次為熟悉，包括鋼與混凝土組合梁的計算、塑性設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)的防銹、隔熱和防火措施；要求最低的第三層次為了解，主要包括鋼結(jié)構(gòu)制作、焊接、運輸和安裝方面的要求。2．授課安排在這一天半的時間里，著重講解第一層次要求掌握的內(nèi)容，其中主要是鋼結(jié)構(gòu)材料、基本構(gòu)件的計算、連接和疲勞構(gòu)造和計算的部分，鋼結(jié)構(gòu)體系的布置原則和主要構(gòu)造則不專列介紹，而是融合到前述的內(nèi)容里起介紹。第二層次的內(nèi)容則作一般介紹，側(cè)重于鋼與混凝土組合梁的計算、塑性設(shè)計，簡單介紹鋼結(jié)構(gòu)的防銹、隔熱和防火措施。第三層次的鋼結(jié)構(gòu)制作、焊接、運輸和安裝方面的要求只作簡單介紹。第2節(jié)　　鋼材 鋼材的破壞形式所謂塑性材料是指由于材料原始性能以及在常溫、靜載并一次加荷的工作條件之下能在破壞前發(fā)生較大塑性變形的材料。但鋼材的塑性變形能力不僅取決于鋼材的化學(xué)成份，熔煉與軋制過程，也取決于所處的工作條件。即使原來塑性表現(xiàn)極好的鋼材，在很低的溫度之下受沖擊作用等情況下，也完全可能呈現(xiàn)脆性破壞。所以，不宜把鋼材劃分為塑性和彈性材料，而應(yīng)該區(qū)分材料可能發(fā)生的塑性破壞與脆性破壞。1. 塑性破壞(也稱為延性破壞)破壞前有很大的塑性變形和“縮頸”現(xiàn)象，破壞的斷口常為杯形(有與受力方向成45176。和垂直的兩部分組成)，45176。斷面呈纖維狀，破壞前有明顯預(yù)兆。2. 脆性破壞沒有塑性變形或只有很小塑性變形即發(fā)生的破壞，斷口平直，斷面呈晶粒狀。由于變形極小易造成突然破壞。 基本性能及指標(biāo)1. 強度：鋼材在外力作用下，抵抗過大(塑性)變形和斷裂的能力。應(yīng)力所能達(dá)到的某些最大值，也是材料本構(gòu)關(guān)系曲線上的某些應(yīng)力特征點。指標(biāo)：屈服點fy(σs) 極限強度fu(σb)彈性：鋼材在外力作用下產(chǎn)生變形，在外力取消后恢復(fù)原狀的性能。指標(biāo)：比例極限fp，彈性極限fe，彈性模量Eσ＜fy　理想的彈性體：變形小且可恢復(fù)，且有強度儲備σ≥ fy　理想的塑性體：變形大且不可恢復(fù)，也沒有強度儲備所以一般可將鋼材視為理想的彈塑性材料。通常取屈服點作為強度標(biāo)準(zhǔn)值，而且取受拉和受壓的屈服點相同。一則極限強度與屈服點之間的強度差作為儲備，留有強度余地；二則屈服點對應(yīng)的應(yīng)變(宏觀為變形)很小，可以滿足正常使用的要求，而極限強度對應(yīng)的應(yīng)變(變形)很要大近20倍左右，無法滿足正常使用的要求。2. 塑性：鋼材受力斷裂過程中發(fā)生不能恢復(fù)的殘余變形的能力。指標(biāo)：伸長率　 　　　說明：因標(biāo)距不同，有δ5(l0=5d)和δ10(l0=10d)，但后一種已基本上不再采用，一則兩者共存容易產(chǎn)生混淆，二則可節(jié)省試件鋼材。斷面收縮率　 后者與標(biāo)距無關(guān)，表征塑性較前者更好，但測量誤差較大。塑性越好，越不容易發(fā)生脆性斷裂，受力過程中，應(yīng)力和內(nèi)力重分布就越充分，設(shè)計就越安全，破壞前的預(yù)兆越明顯。Z向(厚度方向性能)鋼板就是采用厚度方向拉伸的斷面收縮率作為性能級別的劃分依據(jù)。3. 冷彎性能：常溫下鋼材承受彎曲加工變形的能力。將試件冷彎180o而不出現(xiàn)裂紋或分層。定性指標(biāo)：合格或不合格。冷彎性能合格的鋼材才具有良好的常溫加工工藝性能。4. 韌性：鋼材在沖擊荷載作用下，變形和斷裂過程中吸收機械能的能力。綜合反映鋼材的內(nèi)在質(zhì)量及力學(xué)性能，是強度和塑性的綜合指標(biāo)(σ～ε曲線和坐標(biāo)軸圍成的面積)。是衡量鋼材抵抗因低溫、應(yīng)力集中、沖擊荷載等作用而脆性斷裂的能力。指標(biāo)：沖擊功Akv原為梅氏(Mesnager)U形缺口試件，現(xiàn)采用夏比(Charpy) V形缺口試件。5. 可焊性：反映鋼材焊接的可行性及焊縫的受力性能?！　　“┕すに嚭褪芰π阅軆蓚€方面的可焊性。指標(biāo)：碳當(dāng)量?！督ㄖ摻Y(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》JGJ 81200J 2182002的167。：建筑鋼結(jié)構(gòu)工程焊接難度可分為一般、較難和難三種情況。施工單位在承擔(dān)鋼結(jié)構(gòu)焊接工程時應(yīng)具備與焊接難度相適應(yīng)的技術(shù)條件。建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接難度可按下表區(qū)分 。 建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接難度區(qū)分原則焊接難度 影響因素焊接難度節(jié)點復(fù)雜程度和拘束度板厚(mm)受力狀態(tài)鋼材碳當(dāng)量①Ceq(%)一般簡單對接、角接，焊縫能自由收縮t＜30一般靜載拉、壓＜較難復(fù)雜節(jié)點或已施加限制收縮變形的措施30 ≤ t ≤ 80靜載且板厚方向受拉或間接動載～難復(fù)雜節(jié)點或局部返修條件而使焊縫不能自由收縮t＞80直接動載、抗震設(shè)防烈度大于8度＞注：①按國際焊接學(xué)會(IIW)計算公式，(適用于非調(diào)質(zhì)鋼)6. 耐久性：鋼材在長期使用后的力學(xué)性能?！　　∧透g性　　　　　耐老化(時效硬化)　　　　　耐長期高溫　　　　　耐疲勞　普通鋼材供應(yīng)提供的材性保證：三項保證：屈服點fy(σs)、極限強度fu(σb)、伸長率 四項保證：屈服點fy(σs)、極限強度fu(σb)、伸長率、180176。冷彎五項保證：屈服點fy(σs)、極限強度fu(σb)、伸長率、180176。冷彎、沖擊功提供保證的材性越多，鋼材的價格也越貴。 影響鋼材力學(xué)性能的主要因素決定鋼材機械和加工工藝等性能的主要因素是鋼材的化學(xué)成分及其微觀組織結(jié)構(gòu)，與鋼材的冶煉、澆注、軋制等生產(chǎn)工藝過程也有密切的關(guān)系。此外，鋼結(jié)構(gòu)的加工、構(gòu)造、尺寸、受力狀態(tài)、及其所處的環(huán)境溫度等對其鋼材的機械性能也有重要的影響。1. 化學(xué)成分鋼的主要化學(xué)成分是鐵(Fe)，在普通碳素鋼中約占99％。碳是影響鋼性能的主要元素。碳含量增加，鋼材的抗拉強度和屈服強度提高；但塑性、冷彎性能和沖擊韌性、特別是低溫沖擊韌性和可焊接性降低。%。錳在碳素鋼中是作為脫氧劑加入的元素，～%；在低合金錳鋼中是作為合金元素。適量的錳能顯著改善鋼材的冷脆性能，并提高屈服強度和抗拉強度，不明顯降低塑性和沖擊韌性；錳不僅對脫氧有益，還能與鋼中的硫在高溫下化合成熔點很高(約1600℃)的硫化錳(MnS)，減少“熱脆”現(xiàn)象。但是過量的錳含量會使鋼材塑性降低。硅是熔煉鎮(zhèn)靜鋼的常用脫氧劑，且能使鋼中純鐵體晶粒細(xì)小和散布均勻，適量的硅可提高鋼材的強度，對塑性、冷彎性能、沖擊韌性和焊接性無顯著不良影響。過量的硅則將降低鋼材的塑性、沖擊韌性、抗銹蝕能力和焊接性。%(Q235鋼)%(Q345鋼)。釩是熔煉錳釩低合金鋼時添加的一種合金元素，可提高鋼材強度和細(xì)化鋼的晶粒；釩的化合物具有高溫穩(wěn)定性，使鋼的高溫硬度提高。硫是鋼中一種十分有害的元素。含硫量高的鋼材在800～1200℃熱軋時很出現(xiàn)裂紋，稱為“熱脆”現(xiàn)象。硫還將降低鋼材的塑性、沖擊韌性和可焊性。焊接結(jié)構(gòu)鋼材的硫含量，～%。磷也是一種有害的元素，其有害作用主要是使鋼在低溫時韌性降低容易產(chǎn)生脆性破壞，稱為“冷脆”現(xiàn)象；在高溫時也使塑性變差。因此，結(jié)構(gòu)鋼材中也應(yīng)嚴(yán)格限制磷含量，～%。氧、氮、氫均是有害的元素，通常是在鋼熔融時從空氣或水分子分解等進(jìn)入鋼液。氧的有害作用同硫且更甚，增加鋼的脆性；氮的作用類似于磷，能顯著降低鋼材的塑性、沖擊韌性并增大其“冷脆”性；氫在低溫時易使鋼呈脆性破壞，產(chǎn)生所謂“氫脆”破壞現(xiàn)象。因此，較重要的鋼結(jié)構(gòu)，尤其是在低溫下承受動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)用鋼的上述元素含量也常要求加以限制。2. 冶煉、澆注、軋制過程目前鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是由氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉而成的。鋼冶煉后因澆注方法(脫氧程度或方法)的不同而分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼是在爐中和盛鋼桶中的熔煉鋼液中僅用弱脫氧劑錳鐵進(jìn)行脫氧，鑄錠時鋼液中仍有一氧化碳(CO)等氣體大量逸出，致使鋼液劇烈“沸騰”，故稱沸騰鋼。這種鋼鑄錠后冷卻速度快，易使氣泡殘留在鋼錠內(nèi)；同時存在硫、磷等雜質(zhì)“偏析”現(xiàn)象，而且易使軋制鋼材產(chǎn)生分層易層狀撕裂。但是，沸騰鋼生產(chǎn)工藝簡單價格便宜，質(zhì)量能滿足一般次要承重鋼結(jié)構(gòu)的要求，因而還在繼續(xù)應(yīng)用。鎮(zhèn)靜鋼是在熔煉鋼液中加入適量的強脫氧劑硅(或鋁)和錳等，進(jìn)行較徹底脫氧，因而鋼液鑄錠時不再發(fā)生沸騰現(xiàn)象，故稱鎮(zhèn)靜鋼。由于冷卻速度較慢，氣體易逸出，因而質(zhì)量優(yōu)良且均勻，組織致密，雜質(zhì)少，偏析小。與沸騰鋼相比，其沖擊韌性和焊接性較好，冷脆和時效敏感性較小，強度和塑性也略高。但鎮(zhèn)靜鋼需要用強脫氧劑，鑄錠時要保溫，切頭率較高，因而價格較高。半鎮(zhèn)靜鋼是在熔煉鋼液中加入少量強脫氧劑硅(或鋁)，脫氧程度、質(zhì)量和價格介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。特殊鎮(zhèn)靜鋼通常是用硅脫氧后再用鋁補充脫氧，并能形成細(xì)晶粒。我國碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235－D鋼，以及橋梁用鋼如Q345q鋼等屬特殊鎮(zhèn)靜鋼。由鑄錠軋制鋼材，是把鋼錠再加熱至1200～1300℃的高溫后進(jìn)行的。這時鋼具有較好的熱塑性和可鍛焊性。軋鋼機壓力的作用可使鋼錠中的小氣泡和質(zhì)地較疏松部分鍛焊密實起來，消除鑄造顯微組織缺陷和細(xì)化鋼的晶粒。因此，軋制鋼材比同種類鑄鋼質(zhì)量好，而且壓縮比(鋼坯與軋成鋼材厚度之比)愈大時其強度和沖擊韌性等也愈高。規(guī)范對各鋼種鋼材按厚度或直徑進(jìn)行分組：厚度或直徑越小的鋼材，強度就越高?，F(xiàn)在一般都采用連鑄連軋生產(chǎn)工藝，為保證質(zhì)量，鎮(zhèn)靜鋼的生產(chǎn)比重已經(jīng)越來越高。3. 殘余應(yīng)力熱軋型鋼中的熱軋殘余應(yīng)力是因其熱軋后不均勻冷卻而產(chǎn)生的，先冷卻部位要阻止后冷卻部位的自由收縮，從而產(chǎn)生復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布。焊接過程則會在鋼構(gòu)件或鋼結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生比軋制更嚴(yán)重的殘余應(yīng)力。熱軋和焊接殘余應(yīng)力統(tǒng)稱為熱殘余應(yīng)力，其一般分布規(guī)律是未升溫或先冷卻的部位是殘余壓應(yīng)力，后冷卻的部位是殘余拉應(yīng)力。別外鋼材的調(diào)直和加工也會以產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是一種自相平衡(每個截面的內(nèi)力和力矩自相平衡)的應(yīng)力。殘余應(yīng)力不影響構(gòu)件的靜務(wù)強度，但會降低構(gòu)件的剛度，從而降低穩(wěn)定性，還會降低韌性和疲勞強度。4. 溫度的影響當(dāng)溫度升高時，鋼材的屈服強度fy、抗拉強度fu和彈性模量E的總趨勢是降低的，但在150℃以下時變化不大。當(dāng)溫度在250℃左右時，鋼材fu的反而有較大提高，但這時的相應(yīng)伸長率δ較低、沖擊韌性變差，鋼材呈脆性特征，稱為“藍(lán)脆”。當(dāng)溫度超過300℃時，鋼材的fy、fu和E開始顯著下降，而δ開始顯著增大，鋼材產(chǎn)生徐變；當(dāng)溫度超過400℃時，強度和彈性模量都急劇降低；到600℃時其承載能力幾乎完全喪失。鋼材的溫度由常溫下降特別是在負(fù)溫度范圍內(nèi)時，鋼材的強度(fy、fu)等雖有提高，但塑性和韌性降低、脆性增加。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中選用鋼材時應(yīng)使其脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的下限溫度低于結(jié)構(gòu)所處的工作環(huán)境溫度，且具有足夠的沖擊韌性值。5. 冷加工和時效硬化鋼材應(yīng)力超過彈性范圍后，其屈服強度會提高，塑性和伸長率會降低，稱為冷作硬化或應(yīng)變硬化。鋼材在冷拉、冷拔、冷彎、沖孔、剪切等冷加工時都會產(chǎn)生冷作硬化。冷作硬化對鋼結(jié)構(gòu)特別是承受動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)是不利的。因此，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般不利用冷作硬化對鋼材屈服強度的提高，而且對直接承受較大動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)還應(yīng)設(shè)法免除冷作硬化的影響，例如刨去鋼板因剪切形成的冷作硬化邊緣金屬等。鋼材隨時間進(jìn)展將使屈服強度和抗拉強度提高、伸長率和沖擊韌性降低，稱為時效硬化。這是由于鋼在高溫時溶于其純鐵體中極少量的氮等，隨著時間的延長從純鐵體中析出，并形成自由氨化物而存在于純鐵體晶粒間的滑動面上，阻止了純鐵體晶粒間的滑移，因而約束了塑性發(fā)展的緣故。不同種類鋼材的時效硬化過程的時間長短很不相同，可從幾小時到數(shù)十年。為加快測定鋼材時效后的機械性能，常先使鋼材產(chǎn)生約10％的塑性變形、再加熱到一定的溫度、然后冷卻到室溫進(jìn)行試驗，這樣可大大縮短鋼材的時效過程，這稱為人工時效。6. 應(yīng)力集中實際鋼結(jié)構(gòu)中常有孔洞、缺口等，致使構(gòu)件截面突然改變。在荷載作用下，在截面突變處的某些部位(孔洞邊緣或缺口尖端等處)會產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，其余部位應(yīng)力較低且分布極不均勻，這種現(xiàn)象稱應(yīng)力集中。通常把截面高峰應(yīng)力與平均應(yīng)力(當(dāng)截面受軸心力作用時)的比值稱為應(yīng)力集中系數(shù)β，它取決于構(gòu)件截面突然改變的急劇程度。一般平面問題的圓孔邊應(yīng)力集中系數(shù)為3，槽孔尖端處的應(yīng)力集中程度比圓孔邊緣要高得多[β = 1+(a/b)，a和b分別為橢圓的長短半軸]。在應(yīng)力集中的高峰應(yīng)力區(qū)內(nèi)，通常存在著同號的平面或立體(三維)應(yīng)力狀態(tài)，這種應(yīng)力狀態(tài)常使鋼材的變形發(fā)展困難而導(dǎo)致脆性狀態(tài)破壞。截面改變越急劇，應(yīng)力集中程度就越高，其抗拉強度越高，但塑性越差、脆性破壞的可能性就越大。應(yīng)力集中引起孔槽邊緣處局部的應(yīng)力高峰；當(dāng)結(jié)構(gòu)所受靜力荷載(軸心拉力為例)時，應(yīng)力集中一般不影響截面的靜力塑性承載力，但是較嚴(yán)重的應(yīng)力集中、特別是在動力荷載作用下，加上殘余應(yīng)力和鋼材加工的冷作硬化等不利因素的影響，常是結(jié)構(gòu)、尤其在低溫環(huán)境下工作的結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的重要原因。所以設(shè)計時應(yīng)盡量減免構(gòu)件截面的急劇改變，以減小應(yīng)力集中，從構(gòu)造上防止構(gòu)件的脆性破壞。例如：快餐面的湯料包的鋸齒形邊、消閑果的包裝袋的剪口、易拉罐的拉環(huán)開槽都是利用應(yīng)力集中來輕易破壞包裝的。又如汽車擋風(fēng)玻璃有裂紋時，在裂紋尖端開圓孔以減小應(yīng)力集中程度，以免裂紋繼續(xù)發(fā)展，還有船舶和飛機等的開孔都是圓孔，即使開形孔，也在四角用圓孤過渡，并在四周加強。規(guī)范167。 在對接焊縫的拼接處：當(dāng)焊件的寬度不同或厚度在一側(cè)相差4mm以上時，應(yīng)分別在寬度方向或厚度方向從一側(cè)或兩側(cè)做成坡度不大于1:；當(dāng)厚度不同時，焊縫坡口形式應(yīng)根據(jù)較薄焊件厚度取用。但注：直接承受動力荷載且