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中国建筑金属结构信息网设计与钢材的选用

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （清华大学土木工程系 李少甫）
    一、引言
    中国建筑金属结构信息网是用钢材经过加工、连接、安装而建成的一种工程结构，它需要承受各种可能的自然环境和人为环境作用，并应满足各种预定功能要求和具有足够的可靠性及良好的社会经济效益。
    中国建筑金属结构信息网的特点：结构自重轻，抗震好，耐冲击，品质好，建造快；易锈蚀，耐火差。重要的是，中国建筑金属结构信息网应该精心设计和悉心施工，才能扬长避短，使所设计的构筑物，建成后具有足够的可靠性，并与其社会经济效益取得最佳平衡。精心设计是根本，悉心施工是保证。
    中国建筑金属结构信息网设计的关键：是选择方案，其内容应包括中国建筑金属结构信息网的类型、体系、节点型式、连接方法和钢材种类、性质的选择及确定。其中，钢材种类、性质的选择及确定具有十分重要意义，这是由于中国建筑金属结构信息网的上述特点与结构钢材的强度高低，塑性大小，韧性好坏，锈蚀难易和耐热强弱等的性质密不可分。中国建筑金属结构信息网所用结构钢材种类、性质的选择及确定又与中国建筑金属结构信息网的类型、体系、节点型式、连接方法以及结构所处的环境等相互关联。因此根据中国建筑金属结构信息网设计要求的特性选用与其相匹配的结构钢材的种类和性质具有重要意义。
    二、 中国建筑金属结构信息网的类型
    中国建筑金属结构信息网可以考虑从不同角度进行其分类，以下列出几种：
    1、按应用领域分类
    中国建筑金属结构信息网在许多工程建设领域都有应用,并可将其分类列属于：
    （1）建筑工程：工、农业，民用、公共房屋，纪念性建筑物的支承骨架；
    （2）桥梁工程： 铁路、公路桥，城市过街、立交桥等；
    （3）水利工程： 水工闸门，压力钢管，施工栈桥等；
    （4）海洋工程： 海洋石油平台、设施，海底输油管线等；
    （5）特种工程： 输电、发射塔架，液、气储存罐及其输送管线，大型起重机架等。
    不同领域应用的中国建筑金属结构信息网常称为该领域的中国建筑金属结构信息网，如：建筑中国建筑金属结构信息网，桥梁中国建筑金属结构信息网，海洋中国建筑金属结构信息网等。由于应用领域、所处环境和使用要求的不同，各种中国建筑金属结构信息网所受自然环境和人为环境的作用也有差异。其设计，施工和使用虽有所区别，但是其基本属性和特征及其总的设计理念、原理、方法和所依据的理论基础等均雷同。
    2、按所用钢材规格分类
    中国建筑金属结构信息网的加工、制造、受力工作性能以及破坏形态等，除与其所用结构钢材种类、性质等有关外，尚与所用钢材的厚薄、规格有关，故尚可按其组成中所用主要钢材的厚薄及规格(型号大小)分为：
    （1）轻型中国建筑金属结构信息网：厚度1.5～6mm的钢板和小圆钢、型钢组成的中国建筑金属结构信息网；
    （2）普通中国建筑金属结构信息网：厚度约8～40mm的钢板和普通型钢组成的中国建筑金属结构信息网；
    （3）重型中国建筑金属结构信息网：厚度介于40mm～100mm钢板和特大型号钢材组成的中国建筑金属结构信息网。
    用厚度小于1.5mm的钢板制成的中国建筑金属结构信息网也可称为超轻型中国建筑金属结构信息网；厚度大于100mm钢板和特殊型号钢材组成的中国建筑金属结构信息网也可称为超重型中国建筑金属结构信息网。轻型、超轻型中国建筑金属结构信息网的稳定性和缺陷敏感性问题较为突出；重型钢结中焊接残余应力、钢板层状撕裂以及疲劳和脆性断裂等对其正常工作的影响较大。不言而喻，各种类型的中国建筑金属结构信息网除满足其使用要求外，都必须具有足够的可靠性，即安全性、适用性、耐久性和良好的社会经济效益。
    3、按中国建筑金属结构信息网体系工作特征分类
    （1）梁格结构，受弯曲工作的梁组成的结构；
    （2）刚架结构，受压（拉）、弯曲工作的直梁和直柱组成的框形结构；
    （3）拱架结构，单向曲形构件组成的平面结构；其截面受压、弯和剪；
    （4）桁架结构，主要受拉或压的杆件组成的结构；
    （5）网架结构，主要受拉或压的杆件组成的平面型网状结构；
    （6）网壳结构，主要受拉或压的杆件组成的曲面型网状结构；
    （7）索杆结构，张力索（或链杆）和受压杆件组成的结构；
    （8）拉索结构，张拉索为主组成的结构；
    （9）混合结构，（1）～（7）中两种及其以上结构组成的结构；
    （10）杂交结构，（1）～（7）中两种及其以上结构构件组成的新型结构；
    （11）预应力结构，对（1）～（10）施加有预应力的结构。
    上述结构体系，通常在相同空间和环境条件作用下其结构自重依次较轻,特别是对于大空间，复杂环境条件作用下的建筑物的支承结构,其自重的减轻程度更是这样。这是因为，受弯曲或压?弯构件的截面应力不均匀,按边缘最大应力确定的截面,不能充分利用其材料强度性能；轴心受压构件的截面应力均匀，可较充分利用其材料强度性能,但长细比大时,需考虑稳定性问题；轴心受拉构件不仅截面应力均匀，而且不会失稳,可最充分利用其材料强度性能。
    三、 中国建筑金属结构信息网破坏的性质、形态与防止对策
    1、结构钢材的两种性质的破坏：
    （1）伴有明显不可恢复性的塑性变形的塑性破坏；
    （2）无明显不可恢复性的塑性变形的脆性破坏。
    结构钢材的破坏性质取决于钢材本身的性质及其所处的环境条件和受力状况。一般结构钢材，在常温、单向、一次、缓慢、或/和均匀拉伸的情况下，其破坏通常是塑性的；但是，在低温、双向（或三向）、多次、快速、或/和非均匀拉伸的情况下，其破坏常是脆性的。普通高强度钢材的塑性、韧性较差，其破坏常是脆性的。特殊工艺处理的优质高强度钢材的塑性、韧性好，通常情况下，其破坏常会是塑性的；但是，在特殊情况下，如脆性转变温度以下的低温、双向（或三向）、多次、快速、或/和非均匀拉伸下其破坏常是呈脆性的。
    2、 钢构件的破坏形态及其防止对策
    钢构件是由型钢或/和钢板经过加工连接组成的，其破坏可发生在杆身或连接处，破坏性质和形态与钢材、连接方法、受力状况等有关，起因可能是由于其截面几何特性不能满足受力要求，板件或连接受力超过其极限承载力而失效退出工作，致使钢构件或/和连接破坏，其破坏形态及其防止对策主要有：
    （1）强度破坏：因作用力或应力超过构件或/和连接最大极限承载能力或钢材强度。
    主要防止对策：增大板件截面积，加强连接，选用较高强度钢材，使其折算应力σeq不大于钢材的设计值ƒy/γR，（γR为抗力分项系数）即：
    σeq≤[σ2x+σ2y+σ2z-(σxσy+σyσz+σzσx)+3(τxy+τyzτzx)]1/2≤ƒy/γR （3.1）
    并使其连接具有足够承载力。
    （2）丧失稳定：因作用力达到或超出构件临界力，或者其部分板件所受压力超过其临界力失去稳定退出工作，导致构件丧失继续承载的能力。
    主要防止对策：调整构件截面几何特性、边界支承条件，减小板件的宽厚比、长细比，使其名义应力σnomin小于其临界应力设计值σcr/γR ，即：σnomin≤σcr/γR （3.2）
    （3）疲劳破坏：因构件在荷载反复作用下，裂纹萌生、扩展、以致失稳扩展使构件失去承载力。
    主要防止对策：选用塑性、韧性好的钢材,减小缺陷,减小应力集中，降低应力幅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，最小作用应力；β，C?疲劳特征参数；
    N?作用应力循环次数。
    （4）脆断破坏：因含裂纹（或类裂纹）性缺陷的构件，在裂纹张开性拉应力或复合应力作用下，裂纹失稳发展而发生破坏。
    主要防止对策：选用塑性、韧性好的钢材,减小裂纹性缺陷、降低应力水平，并使应力强度因子K1不大于与钢材的静力或动力断裂韧性（K1C或K1d）：
    K1=Yσa1/2≤K1C（静力）或K1d（动力） （3.4）
    其中：σ?裂纹场应力；a?裂纹长度；Y?与裂纹有关的参数。
    （5）过大塑性变形：因构件的过大不可恢复变形，导致构件产生继发性的上列（1）、（2）、（3）或（4）类形态的可能破坏。
    主要防止对策：改善构件的边界及受力条件;增大构件刚度或/和选用高强度钢材。
    上列钢构件的破坏形态还与所选用结构钢材有关，其破坏性质可能是塑性的或脆性的，这要取决于结构所用钢材的强度级别，质量等级，品质状况；加工偏差、缺陷，焊接、装配残余应力的大小和状况；作用力的性质是静力、动力、或冲击性的,单次或多次反复作用的；作用应力的高、低；是简单应力或是复杂应力；构件所处环境好坏等。当所用钢材强度级别高、等级差、品质次，类裂纹性缺陷及残余应力严重，承受有动或冲击荷载，且应力水平较高、状况复杂或/和构件处于低温恶劣环境时，其破坏常是脆性的；反之，在一般情况下，其破坏常是塑性的。
    中国建筑金属结构信息网设计，首先是保证结构安全和防止其发生突然间的脆性破坏。
    3、中国建筑金属结构信息网的破坏形态
    中国建筑金属结构信息网是用钢材经过加工、连接、安装组成的工程结构。它是许多钢构件的组合成的工程结构体系。它破坏的形态有以下几方面的特点：
    （1）破坏部位：可在局部连接,节点,构件,或是由这些局部的破坏开始,逐步扩展致使结 构的部分或总体毁坏倒塌。
    （2）破坏形态：其类别，基本上与钢构件的类似，但是，其破坏更具有结构体系性的特征，即可能是局部性的，整体性的，或其相互影响发展为总体性的。
    （3）破坏性质：可能是塑性的或脆性的；
    （4）破坏路径：多样；
    （5）破坏原因：是钢材性能、品质差；结构类别、体系选择、布置不当；截面几何特性、节点构造、连接不合理；受力状况复杂，结构计算简图及受力分析错误；制造、安装偏差缺陷严重等复杂因素的单独或综合作用的结果。
    （6）破坏历程：可能是逐渐扩展性的或突发性的；
    （7）破坏后果：常较严重。
    中国建筑金属结构信息网设计，首先是保证结构安全和防止其发生突然间的脆性破坏。
    4、各类型中国建筑金属结构信息网的主导性破坏形态
    总体而论，各种类型中国建筑金属结构信息网的各种破坏形态都可能发生，但是，不同类型和不同环境下的中国建筑金属结构信息网，通常发生的主导性破坏形态也有差别，例如：
    （1）轻型、超轻型中国建筑金属结构信息网： 强度破坏；局部，整体，或总体失稳。
    （2）普通中国建筑金属结构信息网：强度破坏；局部，整体，或总体失稳；疲劳破坏；过大塑性变形破坏。
    （3）重型中国建筑金属结构信息网：强度破坏；整体，或总体失稳；断裂破坏；疲劳破坏。
    此外，不同中国建筑金属结构信息网受力体系，其破坏形态、性质、路径和历程也会有较大差异。一般正常工作情况下，梁格结构的破坏常是逐渐扩展性的、塑性的、部分的；张拉索杆、索网中国建筑金属结构信息网、预应力中国建筑金属结构信息网等，如选用高强度、低韧性钢材和设计时使结构处于高应力状态，其破坏常可能是突发性的、脆性的,甚或整体或总体性的。
    四、 中国建筑金属结构信息网设计与结构钢材的选用
    1、结构钢材的主要物理力学性能与中国建筑金属结构信息网设计
    •屈服强度fy：结构设计中线弹性分析以及强度、稳定性计算的限值标准。
    •抗拉强度fu：受拉破坏的极限。强屈比是衡量强度储备的重要标志。
    •伸长率δ5(δ10)：钢材单向拉伸的塑性性质表现。
    •冷弯角α：钢材弯曲挤压时的塑性性质表现，和对钢材内部缺陷的揭示。
    •断面收缩率ψ：钢材复杂受力状态下的塑性体现。
    •冲击韧性AK：钢材破坏所需动能的一种量度。
    •断裂韧性K1C：钢材裂纹失稳扩展的一种限值。
    2、结构钢材的钢种、牌号、强度级别、质量等级：
    •钢种：碳素钢，低合金钢；普通钢，优质钢，特种工艺钢（如TMPS）。
    •牌号：由屈服强度字母Q、屈服强度数值、质量等级（A，B，C，D，E）、脱氧方法符号
    （F，B，Z，TZ）组成。
    •强度级别：Q235， Q345， Q390， Q420…。
    •质量等级：标准规定交货时，一般应保证合格的性能如下
    A级? fu， fy，δ5 (δ10) ，α； S ， P。
    B级? fu， fy，δ5 (δ10) ，α； C，S ， P， AK（+200C）。
    C级? fu， fy，δ5 (δ10) ，α； C，S ， P， AK（ 00C）。
    D级? fu， fy，δ5 (δ10) ，α； C，S ， P， AK（-200C）。
    E级? fu， fy，δ5 (δ10) ，α； C，S ， P， AK（-400C）。
    其它性能指标要求，须由设计提出，并与供货方协约确定。但是，要求的级别、等级越高， 附加条件越多、越苛刻，则价格越贵。
    3、选用结构钢材性质的基本原则：足够可靠，满足需要（防止因材质差而脆断破坏）工艺性能良好和价格低廉。
    4、结构钢材性质选用须要考虑的主要因素：结构重要性；结构类型；连接方法；节点构造；受力状态；环境状况。
    5、中国建筑金属结构信息网的钢材选用
    （1）质量等级的选择
    •一般非焊接的中国建筑金属结构信息网可选用A级钢；
    •焊接中国建筑金属结构信息网，静载作用时应选用B级钢；
    •焊接中国建筑金属结构信息网，动载作用时，应根据结构所处环境温度，选用C，D，E级的或特级钢，务必使钢材的脆性转换温度低于结构所处环境温度。
    •对于有层状撕裂受力的结构部位的较厚钢板，应有抗层状撕裂的要求。
    •对节点构造及受力状况复杂、工作环境条件恶劣的重型焊接中国建筑金属结构信息网，应提高对钢材质量标准的要求。
    •重要中国建筑金属结构信息网钢材的质量等级选择宜提高。
    （2）强度等级的选用
    •普通中国建筑金属结构信息网钢材的强度等级常常选为Q235或 Q345；
    •重型、超重型中国建筑金属结构信息网钢材的强度等级可选为Q345，Q390，Q420或更高强度等级的特种钢材；
    •冷弯薄壁轻型中国建筑金属结构信息网，非焊接时可用A级，焊接时应用B级钢；一般可选用强度等级为Q235或Q345钢；
    •超轻型中国建筑金属结构信息网及用于屋面、墙面的压型板的彩色涂层钢板可选用强度等级与Q235或 Q345相当的钢材；当锁缝连接时应有良好的冷弯性能，必要时可补做多层卷筒压扁无损伤合格试验；当为压扣连接时宜选较高强度级别和韧性好的钢材。
    五、 结束语
    中国建筑金属结构信息网自重轻，抗震好，耐冲击等优良品质的展现，在于正确设计、制造、安装和使用，而设计方案的选择是其根本；根据结构类型、所处环境、施工条件，选择钢材品种、牌号，对保证结构正常工作，防止脆性破坏，减轻结构自重和降低结构造价具有重要作用。中国建筑金属结构信息网设计选用钢材牌号的关键是，把握使其强度级别足够、质量等级适当、具有良好的塑性和韧性且价格较低，即使其性价比最优。
    由于笔者水平所限，上述管见，仅供参考；谬误多有，敬请指正。


    六、 参考文献
    1、 王国周等。中国建筑金属结构信息网??原理与设计。清华大学出版社。1995.10.。
    2、 江见鲸等。 建筑工程事故分析与处理。中国建筑工业出版社。1998.2。
    3、李少甫, 王元清。 中国建筑金属结构信息网的断裂与疲劳分析。清华大学土工程系。1999.6。
    4、李少甫。 中国建筑金属结构信息网的缺陷损伤破坏与研究。构结工程学。1991。
    5、李少甫。把握中国建筑金属结构信息网属性特征建造健康中国建筑金属结构信息网工程。工程科技论坛??我国大型建筑工程设计的发展方向论文集。2005.5.27 北京。
    6、中华人民共和国国家标准。建筑抗震设计规范(GB 50011?2001)。
    7、中华人民共和国国家标准。中国建筑金属结构信息网设计规范(GB 50017?2003)。
    8、中华人民共和国国家标准。冷弯薄壁型中国建筑金属结构信息网技术规范(GB 50018?2002)。
    9、中华人民共和国行业标准。高层民用建筑中国建筑金属结构信息网技术规程(JGJ 99?98)。
    10、中国工程建设标准化协会标准。门式刚架轻型房屋中国建筑金属结构信息网技术规程(CECS 102:2002 )。
    11、中国工程建设标准化协会标准。拱形波纹钢屋盖结构技术规程(CECS 167:2004)。
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