主 编：孟 华 赵爱书

1. 主 编：孟 华 赵爱书 9 钢结构

2. 9.1 钢结构的材料 9.2 钢结构的连接 9.3 钢结构构件 9.4 钢屋盖 目 录 9 钢结构

3. 9 钢屋盖 1掌握钢材的主要力学性能及影响因素； 2掌握钢结构的连接方法及受力特点； 3掌握钢结构基本受力构件的构造要求； 4掌握钢屋盖结构的组成与结构形式； 5了解门式刚架的组成与构造。 www.techbook.com.cn

4. 9.1 钢结构的材料

5. 9.1.1 钢材的主要力学性能及影响因素 9.1 钢结构的材料 • 钢材种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的钢材仅是其中的一小部分。 • 用作钢结构的钢材必须具备下列性能：较高的强度，较强的变形能力，良好的加工性能。此外，根据结构的具体工作条件，还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。同时，钢结构中使用的钢材还应价格便宜，以降低工程造价。

6. 9.1 钢结构的材料 • 9.1.1.1 钢材的主要力学性能 • 钢材的主要力学性能反映了钢材的内在质量及受力后的特性，需经拉伸试验、冷弯试验和冲击韧性试验测定。 • （1）强度和塑性 • 强度是材料受力时抵抗破坏的能力。图9.1为低碳钢在常温、静载条件下，单向拉伸试验时的应力应变曲线。拉伸试验提供三项机械性能指标：屈服点、抗拉强度和伸长率。

7. 9.1 钢结构的材料 图9.1 钢材的一次拉伸应力-应变曲线

8. 9.1 钢结构的材料 • ①屈服点fy • 钢材的屈服点（屈服强度）是衡量结构承载能力和确定强度设计值的指标。如图9.1所示，当应力达到屈服点之后，钢材便产生了较大且明显的应变，使结构的变形迅速增加而不能继续使用。因而，设计时取屈服点fy作为确定材料强度设计值的依据。 • ②抗拉强度fu • 抗拉强度是应力-应变曲线上的最高点对应的应力值，是钢材能够达到的最大应力值。屈服强度与抗拉强度的比值能够反映钢材的强度储备。

9. 9.1 钢结构的材料 • ③伸长率δ • 伸长率是反映钢材塑性性能的重要指标，伸长率用试件被拉断时的最大伸长值（塑性变形值）与原标距之比的百分数表示，即： • 式中l1——试件拉断后的标距长度； l0——试件原标距长度，一般取5d 或10d（d为试件 直径）； δ——伸长率，对不同标距用下标区别，如δ5、 δ10。 • 伸长率越大，说明材料破坏前产生的变形越大，塑性性能越好。 (9.1)

10. 9.1 钢结构的材料 • （2）冷弯性能 • 冷弯试验如图9.2所示。在试验机上，按规定的弯心直径d将试件冷弯180°，观察试件外表面有无裂纹、分层等。 • 冷弯性能是衡量钢材在常温下经受冷加工的能力，是衡量钢材质量的综合指标。

11. 9.1 钢结构的材料 图9.2 钢材冷弯试验

12. 9.1 钢结构的材料 • （3）冲击韧性 • 冲击韧性反映钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量来量度。冲击韧性值受温度影响较大，温度过低其值剧降。 • 冲击韧性是衡量钢材强度和塑性的综合性能指标。

13. 9.1 钢结构的材料 • （4）可焊性 • 钢材的可焊性是指在一定工艺和结构条件下，钢材经过焊接能获得良好的焊接接头的性能。可焊性良好的钢材，用普通的焊接方法焊接后，焊接金属及其附近的热影响区金属不产生裂纹，并且它们的机械性能不低于母材。

14. 9.1 钢结构的材料 • 9.1.1.2 影响钢材性能的因素 • 影响钢材性能的因素有很多，其中以钢材的化学成分影响最大，而冶炼、轧制、冷加工、热处理、温度等的影响也不能忽视，现分述如下： • （1）化学成分 • 钢材的基本化学元素是铁。钢结构所用钢材包括碳素结构钢中的低碳钢和低合金钢。碳素结构钢由纯铁及其他元素组成，其中纯铁占99%，碳及其他元素仅占1%左右，其他元素包括硅（Si）、锰(Mn)、硫(S)、磷(P)、氮(N)、氧(O)等。

15. 9.1 钢结构的材料 • 低合金钢中除上述元素外，还有一些约占3%的合金元素，如铜(Cu)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、铬(Cr)等。碳和其他元素所占比例虽然不大，却对钢材性能起决定性作用。 • 碳含量对钢材强度、塑性、韧性和可焊性有极大影响。含碳量提高，钢材的强度增加，但塑性、冲击韧性下降，可焊性和抗锈蚀性能变差。 • 锰和硅是有益元素，是炼钢的脱氧剂。适量的锰和硅可提高钢材强度，对塑性和韧性无明显的不良影响。

16. 9.1 钢结构的材料 • 钒和钛作为合金元素添加到钢中，可以提高钢材的强度和抗锈蚀能力，而不显著降低塑性。 • 硫和磷是钢中的有害元素，尤其是硫。它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。硫使钢材在高温（800~1000℃）下变脆，称为“热脆”；磷使钢材低温时变脆，称为“冷脆”。但是，磷可以提高钢材的强度和抗锈蚀能力。 • 氧和氮属有害元素，但含量较少。氧的作用类似于硫，使钢材产生热脆；氮的作用与磷相似，使钢材产生冷脆。

17. 9.1 钢结构的材料 • （2）钢材的缺陷 • 钢材在冶炼、浇铸和轧制过程中会产生偏析、非金属夹杂、裂纹、气孔和分层等缺陷。上述缺陷降低了钢材的塑性、韧性、可焊性和抗锈蚀性。 • （3）钢材的硬化 • 钢材硬化使钢材强度提高，但塑性和韧性降低。硬化有三种情况：时效硬化、冷作硬化和应变时效。

18. 9.1 钢结构的材料 • ①时效硬化就是钢材在热处理后的放置过程中内部组织发生变化，导致钢材在放置后比放置前变硬的现象。 • ②冷作硬化是钢材在常温或在结晶温度以下进行加工后，强度和硬度显著提高，塑性和冲击韧性降低的现象。 • ③应变时效是钢材在应变力作用下，材料的组织性能随时间发生变化，从而导致钢材强度提高，塑性和韧性急剧下降的现象。

19. 9.1 钢结构的材料 • （4）温度的影响 • 钢材的机械性能随温度变化将有所改变。 • 钢材有一定的耐高温性能，但是耐火性差。钢材的性能随温度的升高呈强度降低、变形增大趋势。当温度在200℃以内时，钢材的性能变化不大。温度超过350℃后，钢材的强度开始大幅度下降，变形急剧增加。当达到600℃时，钢材的屈服强度、抗拉强度和弹性模量几乎均降至零。

20. 9.1 钢结构的材料 • 当温度从常温开始下降时，随着温度的降低，钢材的屈服强度和抗拉强度略有提高，但塑性、韧性下降，材料逐渐变脆。当温度降至某一特定值（转变温度）时，材料将会发生脆性断裂，称为低温冷脆现象。

21. 9.1 钢结构的材料 • 9.1.1.3 钢材强度设计指标 • 钢材的强度设计值见表9.1。

22. 9.1 钢结构的材料 表9.1 钢材的强度设计值（N/mm2） 注：附表中厚度系指计算点的钢材厚度，对轴心受拉和轴心受压构件系指截面中较厚板件的厚度。

23. 9.1.2 钢材的规格、品种及选用 9.1 钢结构的材料 • 9.1.2.1钢材的规格 • 钢结构所用的钢材品种主要有热轧钢板和型钢（图9.3），以及冷弯薄壁型钢和压型钢板。 图9.3 型钢的规格 (a)钢板；(b)等边角钢；(c)不等边角钢；(d)钢管； (e)槽钢；(f)工字钢;(g)H型钢;(h)T型钢

24. 9.1 钢结构的材料 • （1）钢板 • 钢板有薄钢板、厚钢板和扁钢。钢板用“宽×厚×长”或“宽×厚”表示，单位为mm，如450×8×3100，450×8。 • （2）型钢 • ①角钢：分等肢（边）角钢和不等肢（边）角钢两种。等肢角钢的表示方法：“肢宽×肢厚”。如110×8，表示肢宽110mm、肢厚8mm的等肢角钢。不等肢角钢的表示方法：100×80×10，表示长肢宽100mm、短肢宽80mm、肢厚10mm的不等肢角钢。

25. 9.1 钢结构的材料 • ②槽钢：分普通槽钢和轻型槽钢两种。 • 普通槽钢用代表槽钢的符号及截面高度的厘米数表示：如30a表示截面高度300mm，肢板厚度较薄的普通槽钢；轻型槽钢的表示方法是在前述普通槽钢符号后加“Q”，即表示轻型槽钢。如25Q表示截面高度为250mm的轻型槽钢。因轻型槽钢腹板均较薄，故不再按厚度划分。 • ③工字钢：工字钢也分普通工字钢和轻型工字钢两种。其表示方法与槽钢类似。如32a表示截面高度为320mm、腹板较薄的普通工字钢。32Q表示截面高度为320mm的轻型工字钢。

26. 9.1 钢结构的材料 • ④H型钢：H型钢是世界各国广泛使用的热轧型钢，与普通工字钢相比，其翼缘内外两侧平行，便于与其他构件相连。它分为宽翼缘H型钢（代号HW）、中翼缘H型钢（代号HM）和窄翼缘H型钢（代号HN）。各种H型钢均可剖分为T型钢使用，代号分别为TW、TM和TN。H型钢和T型钢的表示方法：高度H×宽度B×腹板厚度t1×翼缘厚度t2。如HM340×250×9×14，其剖分T型钢为TM170×250×9×14，单位均为mm。 • ⑤钢管：分无缝钢管及焊接钢管两种。以“”后面加“外径×厚度”（mm）表示，如400×6，表示外径为 400mm、厚度为6mm的钢管。 Φ Φ

27. 9.1 钢结构的材料 • （3）冷弯薄壁型钢和压型钢板 • 薄壁型钢是用15~6mm薄钢板经冷弯或模压而成型的。压型钢板（图9.4）是薄壁型钢的一种形式，用厚度为0.4~2mm的薄钢板、镀锌钢板或表面涂有彩色油漆的彩色涂层钢板经冷轧（压）成型，是近年发展起来的一种新型板材，多用做轻型屋面板等构件。 • 薄壁型钢和压型钢板自重轻，节省材料，十分经济，但薄壁对锈蚀的影响比较敏感。

28. 9.1 钢结构的材料 图9.4 冷弯薄壁型钢 （a）等边角钢；（b）卷边等边角钢；（c）Z形钢； （d）卷边Z形钢；（e）槽钢；（f）卷边槽钢； （g）向外卷边槽钢（帽形钢）； （h）方管；（i）圆管；（j）压型板

29. 9.1 钢结构的材料 • 9.1.2.2 钢材的品种 • 钢材的种类繁多，按化学成分可分为碳素钢和低合金钢；按用途可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢；按冶炼方法可分为平炉钢、氧气转炉钢等；按浇铸方法可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。我国建筑结构用钢中常见的钢材是碳素结构钢和低合金钢。 • 碳素结构钢的牌号由屈服点的汉语拼音开头字母Q、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧方法符号四个部分按顺序组成，如Q235-A·F代表屈服点为235N/mm2、质量等级为A级的沸腾钢；Q235- B代表屈服点为235N/mm2、质量等级为B级的镇静钢。

30. 9.1 钢结构的材料 • 9.1.2.3 钢材的选用 • 钢材选用的原则是：结构安全可靠，用材经济合理。一般应考虑以下几点： • ①结构的重要性。重要结构或构件对钢材要求高。 • ②荷载的特征。承受动力荷载的结构对钢材要求较高。 • ③连接方法。焊接结构要求钢材具有可焊性。 • ④工作条件。如环境温度对钢材的要求。 • ⑤钢材厚度。钢材机械性能一般随厚度增大而降低，钢材经多次轧制后，钢的内部组织更为紧密，强度更高，质量更好。

31. 9.1 钢结构的材料 • 一般钢结构的构件，多选用Q235钢，对荷载和跨度较大、低温环境以及承受较大动力荷载的构件，可选用Q345或Q390钢。建筑结构中通常采用Q235沸腾钢便可满足要求，但低温条件和较大动力荷载下不宜用沸腾钢。 • 结构用钢至少必须有屈服强度、抗拉强度和伸长率三项机械性能指标合格保证（统称三项保证），同时还应有硫、磷含量的合格保证。焊接结构还需碳含量的合格保证。

32. 9.1 钢结构的材料 • 对某些重要结构的钢材，如吊车梁、大跨度厂房的屋架、托架和柱等，应有冷弯试验的合格保证（与前三项保证合称四项保证）。 • 对重级工作制和吊车起重量大于等于50t的中级工作制吊车梁等构件的钢材，应具有常温（20℃）冲击韧性的合格保证（与前四项保证合称五项保证）。低温工作时，还需有0℃、-20℃和-40℃时低温冲击韧性的合格保证（与前五项保证合称六项保证）。

33. 9.2 钢结构的连接

34. 9.2.1 钢结构的连接方法及受力特点 9.2 钢结构的连接 • 钢结构连接的作用就是通过一定的方式将钢板或型钢组合成构件，或将若干个构件组合成整体结构，以保证其共同工作。因此，连接方式及其质量优劣直接影响钢结构的工作性能。钢结构的连接必须符合安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。连接接头应有足够的强度，要有实施连接的足够空间。

35. 9.2 钢结构的连接 • 钢结构的连接方法可分为焊接、铆钉连接和螺栓连接（图9.5）。 图9.5 钢结构的连接 （a）焊缝连接；（b）铆钉连接；（c）螺栓连接

36. 9.2 钢结构的连接 • 焊缝连接是目前钢结构最主要的连接方法。它的优点是：不削弱焊件截面，连接的刚性好，构造简单，便于制造，并且可以采用自动化操作。它的缺点是：会产生残余应力和残余变形，连接的塑性和韧性较差。 • 铆钉连接的优点是塑性和韧性较好，传力可靠，质量易于检查，适用于直接承受动力荷载结构的连接，如铁路桥梁。其缺点是构造复杂，用钢量多，目前已很少采用。

37. 9.2 钢结构的连接 • 螺栓连接又分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接。普通螺栓连接的优点是施工简单、拆卸方便，缺点是用钢量多，适用于安装连接和需要经常拆卸的结构。普通螺栓又分为C级（粗制）螺栓和A级、B级（精制）螺栓。A级与B级为精制螺栓，螺栓表面光滑，尺寸准确，对成孔质量要求高。由于精度较高，因而受剪性能较C级螺栓好。但由于其制作和安装复杂，价格较高，很少使用。C级为粗制螺栓，由未经加工的圆钢压制而成，表面粗糙。

38. 9.2 钢结构的连接 • 由于栓杆与栓孔间的间隙较大，受剪力作用时，变形较大，工作性能差，但安装方便，且能有效地传递拉力，故一般可用于沿螺栓杆受拉的连接中，以及次要结构的抗剪连接或安装时的临时固定。 • 高强度螺栓连接和普通螺栓连接的主要区别是：普通螺栓扭紧螺帽时螺栓产生的预拉力很小，由板面挤压力产生的摩擦力可以忽略不计。普通螺栓连接抗剪时是依靠孔壁承压和螺杆抗剪来传力。

39. 9.2 钢结构的连接 • 高强度螺栓除了其材料强度高之外，施工时还给螺杆施加很大的预拉力，使被连接构件的接触面之间产生挤压力，因此，板面之间垂直于螺杆方向受剪时有很大的摩擦力。高强度螺栓依靠接触面间的摩擦力来阻止其相互滑移，以达到传递外力的目的。高强度螺栓抗剪连接分为摩擦型连接和承压型连接。前者以滑移作为承载能力的极限状态，后者的极限状态和普通螺栓连接相同。

40. 9.2 钢结构的连接 • 高强度螺栓摩擦型连接只利用摩擦传力这一工作阶段，具有连接紧密、受力良好、耐疲劳、可拆换、安装简单以及动力荷载作用下不易松动等优点，在钢结构中得到广泛应用。高强度螺栓承压型连接，起初由摩擦传力，后期则依靠螺杆抗剪和承压传力，其承载能力比摩擦型的高，可以节约钢材，也具有连接紧密、可拆换、安装简单等优点，但这种连接的剪切变形较大，不能用于直接承受动力荷载的结构。

41. 9.2.2 焊接 9.2 钢结构的连接 • 9.2.2.1 焊接方法 • 电弧焊是最常用的一种焊接方法，俗称电焊。它是利用金属焊条与焊接件之间所形成的电弧产生高温，使焊件局部金属熔化（一般有1~2mm深，称为熔深），同时把熔化了的焊条金属熔滴，填充到两焊件之间的缝隙中，这样，冷却后两个构件便结成一个整体。 • 一般常用的电焊有手工电弧焊（ 图9.6）、自动（或半自动）埋弧焊（ 图9.7）以及气体保护焊。

42. 9.2 钢结构的连接 图9.6 手工电弧焊 1—电源；2—导线；3—夹具； 4—焊条；5—药皮；6—焊件

43. 9.2 钢结构的连接 图9.7 自动或半自动埋弧焊 1—焊丝转盘；2—转动焊丝的电动机；3—焊剂漏斗；4—电源； 5—熔化的焊剂；6—焊缝金属；7—焊件；8—焊剂；9—移动方向

44. 9.2 钢结构的连接 • 9.2.2.2 焊接结构的特点 • 焊缝连接有下列特点： • （1）不需要在钢材上打孔钻眼，既省工省时，又不使材料的截面积受到减损，使材料得到充分利用，节约钢材； • （2）任何形状的构件都可以直接连接，一般不需要辅助零件，使连接构造简单，传力路线短，适应面广； • （3）焊接连接的气密性和水密性都好，结构刚性也较大，结构的整体性较好；

45. 9.2 钢结构的连接 • （4）由于高温作用在焊缝附近形成热影响区，钢材的金属组织和机械性能发生变化，材质变脆； • （5）焊接的残余应力会使结构发生脆性破坏和降低压杆稳定的临界荷载，同时残余变形还会使构件尺寸和形状发生变化； • （6）焊接结构具有连续性，局部裂缝一经发生便容易扩展到整体，造成整体破坏。

46. 9.2 钢结构的连接 • 9.2.2.3 焊缝和焊缝连接形式 • 焊缝连接的形式可按不同的归类方式进行分类。 • 按被连接构件之间的相对位置，可分为平接（又称对接）、搭接、顶接（又称T形连接）和角接四种类型。 • 按焊缝的构造不同，可分为对接焊缝和角焊缝两种形式。

47. 9.2 钢结构的连接 • 按受力方向，对接焊缝又可分为正对接缝（正缝）和斜对接缝（斜缝）；角焊缝可分为正面角焊缝（端缝）和侧面角焊缝（侧缝）等基本形式 （图9.8）。 图9.8 对接焊缝与角焊缝 1—对接正焊缝；2—对接斜焊缝； 3—正面角焊缝；4—侧面角焊缝

48. 9.2 钢结构的连接 • 按照施焊的位置不同，可分为平焊、立焊、横焊和仰焊四种（ 图9.9）。其中平焊施焊条件最好，质量易保证，因此质量最好；仰焊的施焊条件最差，质量不易保证，在设计和制造时应尽量避免采用。 图9.9 焊缝施焊位置 （a）平焊；（b）立焊；（c）横焊；（d）仰焊

49. 9.2 钢结构的连接 • 9.2.2.4 焊接质量检查 • 《钢结构工程施工质量验收规范》规定，焊缝按其检验方法和质量要求分三级。其中三级焊缝只要求对全部焊缝做外观检查；二级焊缝要求在外观检查的基础上再做无损检验，用超声波检验每条焊缝的20％长度，且不小于200mm；一级焊缝要求在外观检查的基础上用超声波检验每条焊缝全部长度，以便揭示焊缝内部缺陷。

50. 9.2 钢结构的连接 • 9.2.2.5 焊缝符号 • 焊缝符号是用于表明焊缝形式、尺寸和辅助要求，由图形符号、辅助符号和引出线等部分组成。图9.10为单面焊缝的标注，图9.11为双面焊缝的标注。