钢 结 构

    第一节  钢结构的材料

一、钢的种类

  钢结构所用的钢材主要为碳素钢和低合金钢二类。钢结构所用钢种如下：

   碳素钢：普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、锅炉用碳素钢

   低合金钢：低合金高强度结构钢、焊接结构用耐候钢、高耐候性结构钢、桥梁用结构钢、锅炉用低合金钢

二、钢材的力学性能

(一)强度

1，钢材均匀受拉的工作特性

    (1)弹性阶段——OAE段

    OA段为线弹性工作阶段，fp为比例极限；AE段为非线弹性工作阶段，fe为弹性极限。

(2)弹塑性阶段--EC段

σ与ε不呈比例，除弹性变形外还有靼性变形，fy为屈服强度，又叫屈服点、流限。

(3)屈服阶段——CF段

钢材(试件)完全屈服，σ不增加(保持fy)而ε骤增。

(4)强化阶段——FB段

钢材内部组织滑动后，重新排列和建立了新的平衡，弹性未完全恢复故塑性特性明显。

(5)颈缩阶段——BD段

应力超过fu后，试件出现“颈缩”而断裂，人为抗拉强度，又叫极限强度、抗拉极限。

2．重要的工作特性：

(1)强度指标fp、fe、fy很接近，且在屈服前应变很小，对Q235εp≈0.1％(εy≈0.15％)，可以把三点看作为一点，并以屈服点fy作为代表。

(2)应力小于fy时，钢材处于弹性阶段工作，而当应力达到人后，钢材因屈服而产生很大变形，在构件设计中一般将人作为确定钢材设计强度的依据。

(3)应力大于fy但小于fu，材料尚未最后破坏，当应力大于fu则造成破坏。比值fu／fy可以看作是衡量钢材强度储备的一个系数。

(4)钢材在屈服点前的性质接近理想的弹性体，而屈服点后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅的范围又是足够大(对Q235ε=0.15％～2.5％)，故可认为钢材是最理想的弹性—塑性体。

 注：(1)以上工作特性是由单向均匀受拉静力试验结果得出。对于受力情况复杂的实际构件仅供参考。

 (2)强度指标是重要依据之一，但单凭这一指标不足以完全判定结构是否安全可靠。

 (二) 塑性

 塑性：一般指钢材受力屈服后，能产生显著的残余变形(塑性变形)而不立即断裂的性质。

塑性指标：衡量钢材塑性好坏的主要指标是伸长率δ和断面收缩率Ψ

δ=(l1-l0)/ l0 *100%          Ψ=(A0-A1)/ A0 *100%

式中  lo——试件拉伸前标距长度；

    11--试件拉断后原标距间长度；

    Ao--试件截面面积；

    Al--拉断后颈缩区的截面面积。

δ是标距l0范围内的平均值(包括颈缩区和非颈缩区)，不完全代表颈缩区的钢材的最大塑性变形能力，但容易测量。

Ψ是衡量钢材塑性的一个比较真实和稳定的指标，表示复杂应力的颈缩区的最大塑性变形量，但测量误差大。

注：(1)由于实际结构承受的复杂应力、冲击或振动应力、局部应力高峰等，要求钢材具有良好的塑性才能进行“塑性内力重分配”和避免脆性断裂。

(2)钢材塑性好坏对于承受活动荷载特别是动力荷载的结构是决定结构是否安全的主要因素之一。在这种意义下可以说钢材塑性指标比强度指标更为重要。

(三)韧性

韧性：钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。

韧性指标：冲击韧性

    ak=AK/A N.m／cm2

式中: Ax——试验机的冲击功N.m；

    A——缺口处净截面面积cm2。

注：

(1)韧性是反映强度与塑性的综合表现的指标。

(2)韧性的显著特点在于它表示钢材抵抗冲击荷载的能力。

(3)为了使韧性指标更有实用价值，除了以冲击试验代替静力试验外，试件做成有缺口的(应力集中严重)。

(4)目前国际上有三类缺口型式：V形、钥孔形和U形。我国国家标准规定v形。

(5)钢材的韧性与温度有关。

(6)钢材的韧性与轧制方向有关。

(四)冷弯性能

冷弯性能：钢材在冷加工产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。

冷弯性能指标：冷弯试验通过冷弯冲头加压(d=1a:2a)当试件弯曲至某一规定角度。时(一般a=1800)，检查弯曲部分的外面、里面、侧面，如无裂纹、裂断、分层等即合格。

冷弯试验一方面是检验钢材能否适应构件制作中的冷加工工艺过程，另一方面通过试  验还能暴露出钢材的内部缺陷(颗粒组织、结晶情况和非金属夹杂物分布等缺陷)，鉴定钢材的塑性和可焊性。

(五)沿板厚方向性能

在焊接承重结构中，对沿厚度方向受拉的接头，必须防止钢材的层状撕裂。对于板厚大于40mm的钢板需进行沿板厚方向性能试验。

试件应取沿板厚方向，检查断面收缩率Ψ是否满足正方向性能等级要求，其含硫量比一般结构用钢的含硫量严格，要求不大于0.1％。

(六)可焊性

可焊性：在一定材料，工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头  的性能。

可焊性又分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。施工上的可焊性，指(焊接接头的)焊缝金属产生裂纹的敏感性，以及由于焊接加热的影响，近缝区钢材的硬化和产生裂纹的敏感性，可焊性好就不产生裂纹。使用性能上的可焊性，指焊接接头和焊缝的缺口冲击韧性和热影响区的延伸性(塑性)，要求焊接结构在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能。

(七)耐久性

耐腐蚀性：通过油漆等表面防护措施提高钢材的耐腐蚀能力。

耐老化性：随着时间的增长，钢材出现所谓“时效”现象，即“老化”现象。

耐长期高温性：在长期高温条件下工作的钢材，其破坏强度比静力拉伸试验的强度低得多，应另行测定“持久强度”。

耐疲劳性：钢结构或构件在长期连续的交变荷载或重复荷载作用下，虽应力低于人也往往会发生破坏，叫“疲劳破坏”。

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三、影响钢材力学性能的因素

钢材的两种破坏形式：

(1)塑性破坏——构件的应力超过屈服点fy，并达到fu后，构件产生很大的变形和明显的“颈缩”现象。破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。

特点：破坏前有明显的预兆，破坏常可以预防和避免；破坏前有很大塑性变形，导致内力重分布，对构件有利。

(2)脆性破坏——破坏前构件变形很小，平均应力亦小(一般都小于屈服点fy)。破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直和呈有光泽的晶粒状。

特点：在构件的缺口、裂缝处应力集中而引起破坏，后果严重，损失较大，应努力防止脆性破坏。

影响钢材力学性能的主要因素有钢材的化学成分，钢材的冶金和轧制过程，时效、冷作硬化，工作温度，复杂应力，加荷速度，焊接影响和制作技术，应力集中和疲劳现象等。   

(一)化学成分的影响

钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。

结构用钢的基本元素是铁(Fe)，约占99％。此外还有其他元素。

有益的元素有：

碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)等，还有合金元素，如镍Ni、铬Cr、铜Cu、钒v、钼Mo、铝Al、钛Ti等，其总量不超过1.5％。

有害元素有：

硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)等，它在冶炼中不易除尽，其总量不超过0.95％0。

1．碳(C)

碳是除铁以外最主要的元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳的含量提高，钢材的屈服强度和抗拉极限强度提高，但塑性和韧性、特别是低温冲击韧性下降。钢材的可焊性、疲劳强度和冷弯性能也会下降。因此结构用钢的含碳量不宜太高，一般不超过0.22％，在焊接结构中则低于0.2％。

2．锰(Mn)：弱脱氧剂，锰与铁、碳的化合物能溶解于纯铁体、渗碳体中，起强化作用。一般含量0.3％--0.8％，含量过高(达1.6％以上)会使钢材变脆。

3．硅(Si：一般作脱氧剂加入，含量0.10％--0.30％，能使纯铁体结晶均匀，晶粒细致，它能使强度提高而塑性、韧性等不降低。含量过高(达≥1.0％时)则会使钢材变脆。

4．硫(S)：有害元素，使钢材“热脆”。

硫与铁化合为硫化铁(FeS)，散布在纯铁体晶粒间层中，含硫量大时，钢材的塑性、

韧性、疲劳强度等降低，高温时(800—12000C)如焊、铆、热加工等，硫化铁即熔化(熔点为9850C)，造成晶界开裂，称为“热脆”，一般结构控制≤0.055％；焊接结构≤0.050％。

5．磷(P)：有害元素，使钢材“冷脆”。

磷与纯铁体结成不稳定的固溶体，有增大纯铁体晶粒的害处。磷可使钢的强度提高，但大大降低塑性和韧性，使钢在低温时变得很脆，即“冷脆”，一般含量≤0.050％，焊接结构≤0.045％。

6．氧(O)：残留杂质，作用与硫s相似，“热脆”。

7．氮(N)：残留杂质，作用与磷P相似，“冷脆”。    

硫、磷含量严重影响钢材质量：    

普通碳素钢：硫S≤0．055％；磷P≤0．045％。

优质碳素钢：硫S≤0．040％一0．030％；磷P≤0．040％一0．035％。

高级优质碳素钢：硫S≤0．030％一0．020％；

    磷P≤0．035％一0．030％。

为了改善钢材的力学性能，可以掺入一定数量的合金元素，这种钢称为合金钢。钢材  中掺入的合金元素含量较少，称为低合金钢，它可提高钢材强度，对其他性能均无不利影  响。

(二)钢材生产过程的影响    

结构用钢需经过冶炼、浇铸、轧制和矫正等工序才能成材，分述如下：

1．冶炼

目前冶炼方法根据炼钢炉种不同有三种冶炼方法：

氧气顶吹转炉——质量好，成本低，投资少、生产效率高、建厂快

平炉——质量好、成本高、建厂投资大，目前逐渐被氧气顶吹转炉代替

电炉——质量好、成本最高、冶炼低合金钢

冶炼方法中还有侧吹空气转炉和底吹空气转炉。因冶炼质量差，国内已不使用。

2．浇注

钢液出炉后，将铸成钢锭，它是一种脱氧工艺。钢液放在钢罐中使用的脱氧剂种类有：锰、硅、铝(钛)。脱氧能力为1：5：90。

根据加入脱氧剂的不同，形成如下四种类型的钢：

沸腾钢：仅用锰脱氧、脱氧不充分、氧、氮和一氧化碳等气体从钢中逸出，呈沸腾现    象。冷却快，有害气体来不及逸出，钢的构造不均匀，晶粒粗细不匀、质地差、偏析度大。生产率高、成本低。

镇静钢：除用锰外，再加入硅、铝等补充脱氧。脱氧完全、冷却较慢，各种有害物质易于逸出、品质较纯，构造均匀，晶粒组织紧密坚实。偏析度小。切头损耗大(约20％)，收得率低，成本高。

半镇静钢：介于二者之间，用以代替沸腾钢，国内甚少。    

特殊镇静钢：用TZ表示，它是在采用锰和硅脱氧之后，再用铝或钛进行补充脱氧，钢材质量比镇静钢还好。

四种类型钢材的质量，由低到高依次为：

沸腾钢(F)，半镇静钢(b)，镇静钢(z)，特殊镇静钢(TZ)。

3．轧制

轧制是将钢锭热轧成钢板或型钢，它可改善钢材的内部组织，改善钢材的力学性能。  一般来讲，钢材愈薄强度愈高。

(三)时效的影响

随着时间的增长钢材变脆的现象，称为时效。时效的后果是钢材的强度(屈服点和抗拉强度)提高，但塑性(伸长率)降低，特别是冲击韧性大大降低。在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，容易引起时效。

(四)冷作硬化的影响

钢结构的冷加工包括剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等，使钢材内部发生冷作硬化现象。后果是强度提高，但是降低了塑性和冲击韧性，增加了出现脆性破坏的危险性。

(五)温度的影响

当温度从常温下降时，钢材的强度略有提高而塑性和韧性降低(变脆)，特别是当温度下降到某一数值时，钢材的冲击韧性急剧下降，这种现象称为低温冷脆现象。这个转变温度叫冷脆转变温度(或叫冷脆临界温度)。钢材在整个使用过程中，可能出现的最低工作温度，应高于钢材的冷脆转变温度。    

(六)应力集中的影响

在钢结构构件中不可避免地存在着孔洞，槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等，此时钢材中的应力不再保持均匀分布，而是在某些区域产生局部高峰应力，在另一些区域则应力降低，形成所谓应力集中现象。

靠近高峰应力的区域总是存在着同号平面或立体应力场，因而促使该区域钢材转变为脆性状态，而另一些区域可能提早出现塑性变形。

(七)钢材疲劳的影响

在动力荷载、连续反复荷载或循环荷载作用下的构件及其连接，当应力变化的循环次数n等于或大于5x104次时，虽然应力还低于极限强度(抗拉强度)，甚至还低于屈服强度，也会发生破坏，这种现象称为钢材的疲劳现象或疲劳破坏。在疲劳破坏之前并不出现明显的变形和局部收缩，它和脆性破坏一样，是一种突然发生的断裂。

四、钢材的晶种、牌号和选用

(一)钢材的品种和牌号

钢材的品种繁多，性能各异，在钢结构中采用的钢材主要有二个种类，一是碳素结构钢(或称普通碳素钢)，二是低合金钢。

1．碳素结构钢

我国碳素结构钢有五种牌号，Q235是钢结构常用的钢材品种。其中Q是屈服点的意思，235代表钢材屈服强度(单位为N／mm2)。

Q235按质量等级、脱氧方法不同，分别表示如下：

AB(F, b, Z).   C(Z).     D(TZ)

ABCD表示质量等级

Q235质量等级分为A、B、C、D四级，由A到D表示质量由低到高。不同质量等级要求如下：

A——提供S、P、C、Mn、Si化学成分和fu、fy、δ5(δ10)，根据买方需要可提供1800冷弯试验，但无冲击功规定，含炭量和含锰量不作为交货条件。

B--提供S、P、C、Mn、Si化学成分和fu、fy、δ5(δ10),冷弯180'试验。还提供+200C时冲击功Ak≥27J

C--除与B级要求一样外，还提供00C时冲击功Ak≥27J。

D----除与B级要求一样外，还提供-200C时冲击功Ak≥27J

根据脱氧方法不同，钢材分为沸腾钢(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(z)和特殊镇静钢(TZ)，对Q235来说，A、B两级钢的脱氧方法可以是Z、F、b，C级钢只能是Z，D级钢只能是TZ，表示牌号时Z和TZ可以省略。

例：

Q235A--fy=235N／mm2、A级镇静钢；

Q235Bb----- fy =235N／mm2、B级半镇静钢；

Q235D----- fy =235N／mm2、D级特殊镇静钢。

2．低合金钢

在钢结构中采用低合金钢品种有Q345、Q390和Q420等。屈服点分别为345N／mm2，390N／mm2 , 420 N／mm2,  Q345、Q390、Q420按质量等级用下式表示：

质量等级分为五级由A到E表示质量由低到高，各级要求如下：

A--提供P、S、C、Mn、Si、V、Nb、Ti化学成分和fu、fy、δ5(δ10))，根据买方需要提供1800冷弯试验。无冲击功要求；

B--提供P、S、C、Mn、Si、V、Nb、Ti化学成分和fu、fy、δ5(δ10))、1800冷弯试验+200C时冲击功Ak≥34J；

C——除与B级要求一样外，还提供00C 2时冲击功Ak≥34J；

D—除与B级要求一样外，还提供-200C时冲击功Ak≥34J；

E——除与B级要求一样外，还提供-400C时冲击功Ak≥27J。

脱氧方法为镇静钢和特殊镇静钢时，可省略Z、TZ记号。

例：

Q345D—fy =345N／mm2、D级特殊镇静钢；

Q390A——fy =390N／mm2、A级镇静钢；

Q420E——fy =420N／mm2、E级特殊镇静钢。

(二)选用钢材的原则

选定钢材的标号和对钢材的质量提出要求时，应考虑下列结构特点：

1．结构的类型及重要性

由于使用条件、结构所处部位等方面的不同，结构可以分为重要、一般和次要的三类。应根据不同情况，有区别地选用钢材，并对钢材质量提出不同保证项目。

2．荷载的性质

按所承受荷载的性质，结构可分为承受静立节载和承翼动力荷载两种。在承受动力荷载的结构或构件中，又有经常满载和不经常满载莳巨前三因此；飞酝画画质禾同，就应选用不同的钢材，并提出不同的质量保证项目。例如对重级工作制吊车梁，就要选用冲击韧性疲劳性能好的钢材，如Q345C或Q235C。而对于一般承受静力荷载的结构或构件，如普通屋架及柱等(在常温条件下)，就可以选用Q235A。

3．连接方法

连接方法不同，对钢材质量要求也不同。例如焊接结构的钢材，由于焊接过程中不可避免地会产生焊接应力、焊接变形和焊接缺陷，在受力性质改变和温度变化的情况下，容易引起缺口敏感，导致构件产生裂纹或裂缝，甚至发生脆性断裂。所以焊接钢结构对钢材的化学成分，力学性能和可焊性都有较高的要求。如钢材中的碳、硫、磷的含量要低、塑性、韧性指标要高，可焊性要好等。但对非焊接结构(如用高强度螺栓或铆钉连接的结构)，这些要求就可以放宽。

4．结构的工作温度

结构所处的环境和工作条件，例如室内、室外温度变化、腐蚀作用情况等对钢材的影响很大。钢材有随着温度下降而发生脆断(低温冷脆)的特性。钢材的塑性、冲击韧性都随着温度的下降而降低，当下降到冷脆转变温度时，钢材处于脆性状态，随时都可能突然发生脆性断裂。国内外都有这样的工程事故的实例。而经常在低温条件下工作的焊接结构则更为敏感，选材时必须慎重考虑。

5．构件的受力性质

结构的低温脆断事故，绝大部分是发生在构件内部有局部缺陷(如缺口、刻痕、裂纹、夹渣等)的部位。但同样的缺陷对拉应力比压应力影响更大。因此，经常承受拉力的构件，应选用质量较好的钢材。

此外，在设计文件和施工图纸上，对所选用的钢材，除了选定钢材的标号(包括钢类、炉种、钢号和浇注方法)外，还应明确提出所必需的保证条件。

(三)钢材的规格和表示方法

钢结构所用的钢材主要为热轧成型的钢板和型钢，以及冷弯成型的薄壁型钢，有时也采用圆钢和无缝钢管。

1．钢板

钢板有厚钢板、薄钢板和扁钢(带钢)之分。其规格如下：

厚钢板：厚度4．5--60mm，宽度600--3000mm，长度4--12m；

薄钢板：厚度1．0--4mm，宽度500--1500mm，长度0．5--4m；

扁  钢：厚度3--60mm，宽度l0~200mm，长度3--9m。

图纸中对钢板规格采用“—宽x厚x长”或“—宽x厚”表示。

例：-450×8×3100

2．型钢

钢结构常用的型钢是角钢，槽钢、工形钢、宽冀缘H钢、T型钢和钢管等。普通型钢是由钢材热轧而成。

(1)角钢

角钢有等边角钢和不等边角钢图纸中对角钢规格采用如下表示：

L180×8(等边角钢)

    (宽×厚)

L180×90×8(不等肢角钢)

    (长肢宽×短肢宽×厚)

(2)圆钢管

圆钢管分为无缝钢管和有缝钢管。

其表示方法为

ф180×4(外径×壁厚)

(3)槽钢

槽钢表示方法为：

[20表示槽钢高度200mm，其余尺寸查规格表。

(4)工形型钢

工字钢表示方法为：

I40，表示400mm高度，其尺寸查有关规格表。

(5)H型钢

H型钢表示方法为：

H340x250x9x4

(高x宽x腹板厚x冀缘厚)

(6)T型钢

T型钢由H型钢切割而成，其表示为：

T100x200X9X12

(高x宽x腹板厚x翼缘厚)

3．薄壁型钢

薄壁型钢系用薄钢板经模压或冷弯制成，其截面形式及尺寸可按合理方案设计。薄壁  型钢能充分利用钢材的强度，节约钢材，所以已在我国逐步推广使用。

薄壁型钢的壁厚一般为1．5--5mm，但承重结构受力构件的壁厚不宜小于2mm。常用  薄壁型钢的截面形式：

卷边Z形钢表示为：

Z120 X 60X20X3

(高x宽x肋x厚)

卷边槽钢表示为：

C120 X 60X20X3

(高x宽x肋x厚)

【例15-1-1】有四种厚度不同的Q235钢板,其中( )厚度的钢板强度设计值 最高。

A. 12mm     B. 17mm    C. 26mm    D. 30mm

【解】钢材的强度(抗拉、抗压、抗剪强度)随厚度增厚其强度下降,对Q235当厚度≤16mm时,其强度最大,对其他Q345、Q390、Q420钢当厚度≤16mm时,其对应的强度也为最大。故应选A项。

【例15-1-2】直接承受动力荷载的钢结构,在计算疲劳和正常使用极限状态的变形 时,其荷载取值为( )。 

A.均采用设计值,应乘动力系数B.均采用设计值,不乘动力系数 C.均采用标准值,应乘动力系数D.均采用标准值,不乘动力系数 

【解】钢结构计算疲劳和变形时,均采用标准值,对于动力荷载标准值不乘动力系 数;但在计算强度和稳定性时,应取动力荷载设计值,并应乘以动力系数。所以,本题应 选D项。

第二节  钢结构的构件

一、受弯构件——梁

33104141钢梁在工业与民用建筑结构中应用甚广，主要用以承受横向荷载，故又称受弯构件。受弯构件包括实腹式(梁)和格构式(桁架)两类。本章只介绍梁，桁架将在后面另立一节。

钢梁最常用于工作平台梁、楼盖梁、墙架梁、吊车梁、框架梁等。钢梁按材料和制作方法可分为型钢梁和组合梁两大类。型钢梁加工简单、制造方便、成本较低，因而广泛用作中小型钢梁。当荷载或跨度相当大时，由于工厂轧制条件的，型钢梁的尺寸有限，不能满足构件承载能力和刚度的要求，因此必须采用组合梁。

型钢梁常用工字钢或槽钢制成。工字钢的截面材料分布比较符合平面弯曲的特点，用料比较经济，应用最广。槽钢的翼缘较小，材料在截面上的分布不如工字钢合理，而且它的截面不对称，剪力中心在腹板的外侧，弯曲时常同时产生扭转，受力性能较差，应用不如工字钢广泛。用槽钢时应采取措施使荷载的作用线接近剪力中心，或采取构造措施使截面不会产生扭转。

薄壁型钢可用作某些受力不大的受弯构件，如檩条和墙梁等，用料比较经济，但因薄壁断面，防锈要求较高，也要防止杆件的扭转和屈曲。

组合梁由钢板、型钢用焊缝、铆钉或螺栓连接而成。它的截面组成比较灵活，可使材料在截面上的分布更为合理，节约用料。它常用作荷载或跨度较大的梁。用三块钢板焊成的工字型组合梁构造最简单，制作方便，应用最广泛。有时限于钢板厚度，偶有采用双层翼缘板的组合梁。承受动力荷载的梁，如钢材质量不能满足焊接结构的要求，可采用铆接或高强度螺栓连接。用T型钢和钢板也可焊成工字形梁。当梁承受的荷载很大而其截面高度受到时，或承受双向弯矩(Mx和My)时，或承受很大的扭矩时，可采用箱形截面梁。

钢梁上常浇有钢筋混凝土楼板，通过连接件(圆柱头焊钉，弯起短钢筋等)将钢梁和混凝土板连接成钢与混凝土组合梁，利用混凝土受压，利用钢材受拉而达到更为经济的效果。

在跨度很大而荷载不大时(弯矩很大而剪力较小)，将H型钢(宽翼缘工字钢)沿腹板的折线割开再焊成空腹的蜂窝形梁，是一种经济、合理的形式。

根据弯曲变形情况，可分为在一个主平面内弯曲的单向受弯梁和两个主平面内弯曲的双向受弯梁（或称斜弯曲梁）。根据梁的支撑情况，可分为简支梁和连续梁。钢梁一般都用简支梁。简支梁制造简单，安装方便，且可避免支座不均匀沉陷所产生的不利影响。

(二)梁格布置

梁格是由许多梁排列而成的平面体系，例如楼盖和工作平台等。梁格上的荷载一般先由铺板传给次梁，再由次梁传给主梁，然后传到柱或墙，最后传给基础和地基。

根据梁的排列方式，梁格可分成下列三种典型的形式：

(1)简式梁格只有主梁，适用于梁跨度较小的情况；

(2)普通式梁格有次梁和主梁，次梁支承于主粱上；

(3)复式梁格除主梁和纵向次梁外，还有支承于纵向次梁上的横向次梁。铺板可采用钢筋混凝土板或钢板，目前大多采用钢筋混凝土板。铺板宜与梁牢固连接使两者共同工作，分担梁的受力，节约钢材，并能增强梁的整体稳定性。

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(三)受弯构件的计算

受弯构件应进行强度、整体稳定、局部稳定和刚度等计算，才能保证构件的安全。

1．强度计算

受弯构件应进行正应力、剪应力、局部承压应力和折算应力等四个方面计算，其中由弯矩产生的正应力和由剪力产生剪应力一般情况都需计算，而局部承压应力和折算应力根据截面构造、受力状态等情况确定是否进行计算。

(1)正应力计算   

在主平面内受弯的实腹构件(腹板不发生局部失稳)，其正应力强度计算公式：

    单向受弯构件

    ≤f    (15-2-1)

    双向受弯构件

+≤f    (15-2-2)

式中  Wnx，Wny——对x轴和y轴的净截面模量；

Mx，My——绕x轴和y轴的弯矩(对工字形截面：x轴为强轴、y轴为弱轴，)；

γx，γy——截面塑性发展系数，γx=γy =1不考虑塑性发展，) γx、γy其他情况可查阅钢结构设计规范(GB 50017—2003)

f—钢材的抗弯强度设计值。

(2)剪应力计算

在主平面内受弯的实腹构件(腹板不发生局部失稳)，其抗剪强度计算公式：

    =≤fv    (15-2—3)

式中  V——计算截面沿腹板平面作用的剪力；    

    S-----计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩；  

    I----毛截面惯性矩；

    tw------腹板厚度；

    fv——钢材的抗剪强度设计值。

对于腹板高厚比(h0／tw)比较大(170 < h0／tw≤250)而考虑屈曲后强度的工字形截面焊接组合梁，应按下式验算梁的抗弯和抗剪承载能力：

   (-1)2+≤f                 (15-2-4)

Mf=(Af1+Af2h2)f                              (15-2-5)

式中    M、V------梁的同一截面上同时产生的弯矩和剪力设计值；计算时，

当  V<0.5Vu取V=0.5Vu

M   Mf厂梁两翼缘所承担的弯矩设计值；

    Afl、h1-----较大翼缘的截面积及其形心至梁中和轴的距离；

    Af2、h2--较小翼缘的截面积及其形心至梁中和轴的距离；

    Meu、Vu-----梁的抗弯和抗剪承载力设计值按钢结构设计规范

式(15-2-4)、式(15-2-5)考虑了腹板屈曲后强度，仅用于承受静力荷载的工字形单向受弯梁。

(3)局部承压应力计算

当梁上翼缘受有沿腹板平面作用的集中荷载，且该荷载处又未设置支承加劲肋时，在    腹板与上翼缘相交处，腹板需进行局部承压计算，其计算公式为：

σc=≤f    

式中  F——集中荷载，对动力荷载应考虑动力系数；

Ψ——集中荷载增大系数，对重级工作制吊车梁，Ψ=1.35，其他梁Ψ=1．0；

f——钢材强度设计值；

 tw——腹板的厚度；

 lz——集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度，按下式计算

    lz=a+5hy+2hR    (15-2-7)

a——集中荷载沿梁跨度方向的支承长度，对钢轨上的轮压取a=50mm；

hy--自梁顶面至腹板计算高度上边缘的距离；

hR--------轨道的高度，对染顶无轨道的梁hR=0。

(4)折算应力计算：

腹板计算高度边缘同时受到较大正应力、剪应力和局部承压应力时，其折算应力应按下式计算：

    ≤β1f    (15—2-8)

σc=0(无局部承压应力)时

≤β1f                (15—2-9)

式中σ, τ, σc腹板计算高度边缘同一点上同时产生的正应力、剪应力和局部压应力，σc按式(15-2-6)计算；

   σ= M*y1/In

    τ=

σ, σc以拉应力为正值，压应力为负值

   In——梁的净截面惯性矩；

   Sl——计算剪应力处毛截面对中和轴的面积矩；

   y1--所计算点至梁中和轴的距离；

   β1--计算折算应力的强度设计值增大系数，当σ 与 σc异号时，取卢β1=1.2

当σ 与 σc同号或σc=0时，取β1=1．1

式(15-2-8)和式(15-2-9)在如下条件之一者需进行计算：

(1)梁上集中力作用处，且弯矩和剪力都较大；

(2)连续梁中部支座处；

(3)梁的翼缘截面改变处。

对于吊车梁应按式(15-2-8)计算，一般梁(σc=0)按式(15-2-9)计算

2．梁的刚度计算

梁的挠度过大常会使人感到不舒服，甚至感到不安全，或者影响设备的正常使用。梁的挠度与其跨度的比值应有一定限值。

受弯构件的刚度计算公式

    w≤[w]    (15-2-10)

式中  w --梁的挠度(按毛截面计算)；

    [w]——梁的容许挠度值。

钢结构设计规范(GB 50017—2003)附录A．1列出了挠度容许值，可供设计计算时参考。

×××××××××××××××××××××××××××××××××××

3．梁的整体稳定计算

有些梁在外荷载作用下，虽然截面强度都满足要求，但是仍然会发生侧向弯曲和扭转 (图15-2-8)。这就是梁的整体失稳。

判别梁是否稳定的条件是：M≤Mcr，(临界弯矩)，Mcr与下列因素有关：(1)侧向刚度(EIy)；(2)抗扭刚度(GIt)；(3)受压边侧向支点的间距大小。

单向受弯时，受弯构件整体稳定公式：

    ≤f   (15—2—11)

式中  Mx——绕强轴作用的最大弯矩；

    Wx——按受压纤维确定的梁毛截面模量；

    φb一梁的整体稳定性系数，φb=详见钢结构设计规范(GB 50017--2003)附录B

当梁符合下列情况之一时，可不计算梁的整体稳定性：

(1)当有铺板(各种钢筋混凝土板或钢板)密铺在梁的受压翼缘上与其牢固相连，能阻止梁受压翼缘的侧向位移时。

(2)H型钢或者等截面工字形简支梁受压翼缘的自由长度l1与其宽度b1之比。不超过表15-2-1所规定的数值时。

粱的支座处，应采取构造措施以防止粱端截面的扭转。

(3)箱形截面简支梁，其截面尺寸应满足：

   h/b≤6

l1/b0 ≤95(235/fy)              (15-2-12)

4．局部稳定计算

当梁的截面上承受压应力，而且翼缘与腹板的厚度较薄时，在压应力作用下发生波状    的局部屈曲，这种现象称为局部失稳。实际上梁的局部失稳就是板的失稳，它用宽厚比来控制。

梁的局部稳定计算分翼缘部分和腹板部分，翼缘部分通过控制宽厚比来满足局部稳定要求，腹板部分通过设置纵向和横向加劲肋来满足局部稳定要求。

(1)冀缘局部稳定计算

b/t≤13 (γ>1,考虑塑形设计)

b/t≤15 (γ>1,不考虑塑形设计)   （15-2-13）

b0/t≤40   （15-2-13）

箱形截面

式中：b---梁受压翼缘自由外伸宽度

t---------梁受压翼缘的厚度

b0-----------箱形截面梁受压翼缘板在两腹板之间的无支撑宽度

(2)腹板局部稳定计算

腹板局部稳定计算分考虑屈服后强度和不考虑屈服后强度两种。考虑腹板屈服后强度，按式（15-2-4）和（15-2-5）计算。不考虑腹板屈服后强度，从经济角度出发而采用较薄的腹板，用设置横向加劲肋的纵向加劲肋来保证腹板的局部稳定。

不考虑腹板屈服后强度时腹板加劲肋布置原则，按下列规定：

(1)当h0/tw≤80时，对有局部压应力的梁，宜按构造配置横向加劲肋；但对无局部压力的梁，可不配置加劲肋。

横向加劲肋的间距(a)应满足如下要求：

0.5h0≤a≤2h0             (h0/tw>100)

2.5h0                    (h0/tw≤100)

(2) 当h0/tw>80时，应配置横向加劲肋并进行验算。

(3) 当h0/tw>170 (受压翼缘扭转受到约束)；150 (受压翼缘扭转未受到约束)时，按计算需要应配置纵、横向加劲肋，当局部压力很大时，必要时尚宜设置短加劲肋。

(4)梁的支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处，宜设置支撑加劲肋。

梁的腹板主要承受正应力、剪应力和局部乘压力作用，其局部稳定计算参阅钢结构设计规范。

腹板的横向加劲肋和纵向加劲肋的截面尺寸应满足规范第4．3．6条要求。

×××××××××××××××××××××××××××××××××××××

5．梁的截面选择

梁的截面设计前已知截面型式(工字形或箱形等)，梁的跨度、内力(M、y等)和钢材的设计强度。组合工字形截面简支粱的截面选择按下列步骤进行：

 (1)确定梁的高度(A)

  1)梁的最大高度hmax。

在设计和选择梁的截面时，建筑上根据工艺设计和使用要求，先确定了建筑物的楼层高度和楼层间的净空要求。楼层高度减去净空高度，再扣除楼板结构等的高度，剩下的就是允许梁占据的最大高度hmax。梁的设计高度如果超过最大高度hmax，势必降低了净空而影响生产工艺要求或使用要求。否则就要提高层高，从而增加建筑物的造价。因此，梁的设计高度不能超过最大高度hmax。

2)梁的经济高度。

梁的用钢量(即重量G)与截面面积A成正比，而梁的承载力则与截面模量w成正比，两者的比值ρ=W/A可以作为经济指标。即同样都满足安全、适用的梁，ρ值愈大愈经济。    当然不能采用设计很多不同截面的粱，再从中选择一个ρ值最大值，而是根据经济条件，经过理论分析和经验总结，在开始设计时就能选择经济合适的高度he，梁的高度太大则腹板用钢量Gp大而翼缘用钢量Gt可小些，反之则梁腹板用钢量小而翼缘用钢量大。最经济是梁的腹板加翼缘总的用钢量(即总重量G)最小。

经分析梁的经济高度he为

   he=3Wx2/5     (15-2-15)

经济高度亦可用下列经验公式计算(以cm计)

   he=7-30cm     (15-2-16)

式中 he，Wx--梁的经济高度和截面模量，以cm计。Wx根据梁的最大应力，σmax=f的条件确定。

3)梁的最小高度hmin。

刚度条件决定了梁的最小高度hmin。刚度条件是要求梁的挠度不大于容许挠度[w]，即w≤[w]，而[w]为根据使用要求确定的值。

设计时对梁的高度选择，应小于最大高度hmax，大于最小高度hmin，而接近或略小于hmin经济高度he,由于梁的高度在经济高度he附近略有变动对梁的重量G的影响不大。既然不影响梁的重量G，则梁的高度小些，腹板的局部稳定性也好些，建筑物的实际净空也可增加些。所以在选择梁的高度时常取略小于he值(不超过10％)。

由于某种特殊原因，设计选用的梁的高度只能小于经济高度he又小于最小高度hmin，只要逐项验算(强度、整体稳定、刚度、局部稳定等)都能合格，也是安全可用的。但这样的梁肯定是不经济的。设计选用的梁的高度如果大于最大高度hmax，是不能容许的，除非工艺设计和使用要求变更。

梁的高度一般是指梁的截面高度h，但考虑到腹板是由钢板制作的，腹板高度hw数值若不是整数，则钢板下料常费工费时而且多废料。所以设计时应根据钢板的规格，适当选取腹板高度hw为整数值(取10mm的倍数)，使钢板下料最经济，废料最少。    

 (2)确定腹板厚度(tw)

梁的腹板取得薄一些比较经济，但应满足抗剪强度和局部稳定的要求。

考虑抗剪强度要求时，可近似地假定最大剪应力为腹板平均剪应力的1．2倍，即

    tw≥

考虑局部稳定和构造等因素，腹板厚度可用下列经验公式估算：

    tw=    (15-2-17)

式中 tw和hw的单位均为cm。实际采用的腹板厚度应不小于由式(15-2-17)求得的数值，并应符合钢板的现有规格。腹板的厚度太小，容易因锈蚀而降低承载能力，而且在制造过程中易发生较大的翘曲变形，因此厚度一般不应太小，小跨度的梁有时可采用6rnm。厚度太大则既不经济，又增加制造上的困难，一般不超过22mm。但近年广泛应用的轻型门式刚架梁可以采用更薄的腹板厚度。

(3)确定翼缘尺寸

确定腹板尺寸后，可由下式求出需要的翼缘面积。 

    A1=-twhw    (15—2—18)

选定翼缘的宽度b或厚度t；中的任一数值，即可求出另一数值。宽度太小不易保证梁的整体稳定，太大则冀缘中应力分布不均匀性比较严重，一般冀缘宽度b=(1／3--1／5)h。焊接梁的翼缘尽量用一层钢板，当一层钢板不能满足设计、施工要求时，可由两层钢板组成，此时，外层板与内层板厚度之比宜为0.5—1.0。为保证受压翼缘的局部稳定，其自由外伸宽度与厚度之比不超过15。对吊车梁，上翼缘的宽度不宜小于300mm，以便于与轨道连接。为了承受吊车的水平荷载，有时将上翼缘加宽，做成单轴对称的工字形截面。在选择翼缘板尺寸时，同样应符合钢板的规格，宽度取10mm的倍数，厚度取2mm的倍数。

【例15-3-3】单向工字形受弯构件的抗弯强度σ＝≤f,式中=1. 0时,为使翼缘不先丧失局部稳定,应使翼缘外伸宽度与厚度之比b/t不超过( )。 

A.9 B. 13:

C. 15 D. 40

【解】本题属于记忆理解题型。注意题目条件=1.0,则b/t≤15;当=1.05, h/t≤13。故应选C项。

习题：

1.承重结构用钢材应保证的基本力学性能是(C)。 

A.抗拉强度、伸长率

B.抗拉强度、屈服强度、冷弯性能 

C.抗拉强度、屈服强度、伸长率

D.屈服强度、冷弯性能、伸长率 

2.钢结构设计中,取钢材的(B)作为钢结构构件强度设计的标准值。 

A.比例极限

B.屈服强度

C极限强度

D.弹性极限

3.随着时间的延长,钢材内部性质略有改变,称为时效或称"老化"、"时效"的后果是(C)。 

A.强度降低,塑性、韧性提高

B.强度提高,塑性、韧性提高 

C.强度提高,塑性、韧性降低

D.强度降低,塑性、韧性提高 

4.钢材的塑性是指(D)。

A.在塑性变形和断裂过程中能吸收很大能量的性能

B.不会产生过度变形的性能

C.在塑性变形时不会产生裂缝的性能 

D.应力超过屈服强度后能产生显著的残余变形而不立即断裂的性能 

5.钢结构对动荷载的适应性较强,这主要是由于钢材具有(B)。 

A.良好的塑性

B.良好的韧性

C.均匀的内部组织

D.良好的弹性

6.下列因素中,与钢构件发生脆性破坏无直接关系的是(D)。 

A.钢材含碳量

B.负温环境

C.应力集中

D.钢材屈服点的大小 

7.在碳素结构钢的化学成分中,随碳的含量增加,则(B)。 

A.强度降低,塑性和韧性降低B.强度提高,塑性和韧性降低 

C.强度提高,塑性和韧性提高D.强度降低,塑性和韧性提高 

8.影响钢材力学性能的有害化学元素为(B)。 

A.锤、铝、硅、棚

B.硫、磷、氧、氮 

C.稀土元素

D.铭、镇、铜

9.衡量钢材塑性好坏的主要指标是(C)。 

A.极限强度与屈服强度的比值

B.伸长率和冷弯性能 

C.伸长率和断面收缩率

D.极限强度

10.钢材冷弯性能是指(B)。

A.在低温下抵抗弯曲的能力

B.在常温下加工时,对塑性变形的抵抗能力 

C.在常温下加工时,对产生裂缝的抵抗能力 

D.在低温下承受弯曲时,对产生裂缝的抵抗能力

11. Q420钢材中的"420"表示钢材的(C)强度。 

A.比例极限B.极限强度 C.屈服强度D.断裂强度

12.起重量50t的中级工作制处于－18°C地区的露天料场的钢吊车梁,宜采用 (D)钢。

A. Q235A    

B. Q235BF    

C. Q235C    

D. Q235D

13.对于常温工作环境下承受静荷载的钢屋架,下列说法不正确的是(C)。

A.可选择Q235钢 

B.可选择Q345钢

C.钢材应有冲击韧性的保证

D.钢材应有三项基本保证

14.有四种厚度不同的Q345钢钢板,其中(A)厚度的钢板强度设计值最高。

A.12mm    

B.17mm    

C.26mm    

D.30mm

15.钢材在复杂应力状态下的屈服条件是由(D)等于单向拉伸的屈服点确定的。

A.最大主拉应力σ1   

B.最大剪应力τ1

C.最大主压应力σ3   

D.折算应力引

16.钢结构在计算疲劳和正常使用极限状态的变形时,其荷载取值为(D)。 

A.均采用设计值

B.疲劳计算采用设计值,变形验算采用标准值 

C.疲劳计算采用标准值,变形验算采用标准并考虑长期作用的影响

D.均采用标准值

17.钢材在反复荷载作用下,当应力变化的循环次数n≥5×104时,可能发生疲劳破坏,疲劳破坏属于(D)。

A.塑材破坏

B.韧性破坏 

C.简单拉伸破坏

D.脆性破坏

18.钢结构设计时,考虑风吸力的荷载组合时,永久荷载的分项系数为(A)。

A.1. 0    

B.1. 2    

C.1. 3    

D.1. 4

19.某冶炼车间钢结构工作平台,主梁以上结构自重4kN/时,活荷载按最大检修材料所产生的荷载3.5kN/m2考虑,简支主梁跨度8m,间距4m,主梁跨中弯矩设计值为(A)kN· m。

A.287    

B.298    

C.309    

D.329

20.某金工车间钢结构工作平台,主梁以上结构自重5kN/时,活荷载按最大检修材料所产生的荷载20kN/m2考虑,简支主梁跨度8m,间距4m,主梁跨中弯矩设计值为 (C)kN · m。

A.1280

B.1068    

C.9    

D.809

21.对直接承受动荷载的受弯构件,进行强度计算时,下列方法中正确的是(A)。 

A.工作级别为A6、A7吊车梁的强度计算时,动力系数取1. 35 

B.工作级别为A1~A5吊车梁的强度计算时,不考虑动力系数 

C.工作级别为A6、A7吊车梁的强度计算时,取Yx=Yy=1. 0 

D.工作级别为A1~A5吊车梁的强度计算时,取Yx=Yy=1. 05

22.一简支梁,跨度7.5m,计算荷载(包括梁的自重)及梁的载面尺寸如图所示。已知钢材为Q235,强度设计值f=215MPa,该梁最大正应力接近(B)N/mm2。

A. 230

 B. 205 

C. 200 

D. 215

23.如上图所示,该梁最大剪应力接近(B) N/mm2。

A. 140    

B. 91. 9    

C. 158. 7    

D. 125. 0

24.如上图所示,该梁至α点折算应力(不考虑局部承压应力)接近(A ) N/mm2。

A.215   

B.195  

C. 315    

D. 208

25.梁的经济高度按(A)原则确定。 

A.用钢量最省、

B.建筑构造要求

C.容许挠度要求

D.加工的要求 

26..

单向受弯构件的抗弯强度σ= Mx/()≤f,式中=1.05时,为使翼缘不先 丧失局部稳定,应使翼缘外伸宽度与厚度之比b/t为()。

A. 13   

B. 9;

C. 15  

D. 40

A

27.

焊接工字形等截面简支梁,整体稳定系数最高时的截面类型为(　)。 

A.梁沿全长为等截面

B.梁截面沿长度变化 

C.加强受压翼缘

D.加强受拉翼缘C

28.提高梁整体稳定的措施是(D)。 

A.增加梁的高度

B.增加受拉翼缘宽度 

C.增加腹板厚度

D.增加受压翼缘宽度 

29.工字形截面梁受压翼缘,保证局部稳定的宽厚比限值对Q235钢为b1/t≤15,对Q345钢,此宽厚比为(A)。

A.小于15   

B.大于15   

C.等于15  

D.无法确定

30.下图为一般焊接工字形钢梁支座(未设支承加劲肋) ,钢材为Q235钢。为满足局部压力设计要求,支座反力设计值F应小于等于(B) kN。

A.172   

B.258  

C.216   

D.225

31.焊接工字形等截面简支梁在下列(A)项时, 其整体稳定系数最高。

A.跨度中一个集中荷载作用时

B.跨间三分点处各有一个集中荷载作用时

C.全跨均布荷载作用时 

D.梁两端有使其产生同向曲率、数值相等的端弯矩的荷载作用时 

32.双轴对称工字形截面简支梁,跨中有集中荷截作用腹板平面内,作用点位于 (B)时整体稳定性最好。

A.形心

B.下翼缘 

C.上翼缘

D.形心与上翼缘之间 

33.

计算梁的整体稳定性时,当整体稳定系数大于(　)时,应以(弹塑性工作阶段整体稳定系数)代替。

A.0. 8    

B. 0. 7    

C.0. 6  

D.0. 5

C

34.

梁整体稳定系数>0.6时,用代替是因为(　)。

A.梁巳退出工作

B.梁已进入弹塑性工作阶段 

C.梁已整体失稳

D.梁已发生局部失稳破坏 

B