1、全 国 高 等 教 育 自 学 考 试 指 定 教 材建 筑 工 程 专 业 ( 独 立 本 科 段 )钢 结 构( 2005 年 版 )( 附 : 钢 结 构 自 学 考 试 大 纲 )全 国 高 等 教 育 自 学 考 试 指 导 委 员 会 组 编 主 编 钟 善 桐武 汉 大 学 出 版 社图 书 在 版 编 目 ( CIP ) 数 据钢 结 构 : 2005 年 版 / 全 国 高 等 教 育 自 学 考 试 指 导 委 员 会 组 编 ; 钟 善 桐 主 编 .武 汉 : 武 汉 大 学 出 版 社 , 2005. 4全 国 高 等 教 育 自 学 考 试 指 定 教 材 . 建
2、筑 工 程 专 业 ( 独 立 本 科 段 )ISBN 7- 307- 04459-5 . 钢 . 钟 . 钢 结 构 高 等 学 校 教 材 . T U 391中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 ( 2005) 第 010597 号责 任 编 辑 : 瞿 扬 清 责 任 校 对 : 王 建 版 式 设 计 : 支 笛 出 版 发 行 : 武 汉 大 学 出 版 社 ( 430072 武 昌 珞 珈 山 )( 电 子 邮 件 : wdp4 whu. edu. cn 网 址 : ww w . wdp. whu . edu. cn )印 刷 :开 本 : 787 1092 1/ 1
3、6 印 张 : 24. 625 插 页 : 1 插 图 : 1版 次 : 2005 年 4 月 第 1 版 2005 年 4 月 第 1 次 印 刷 字 数 : 590 千 字 印 数 :I SBN 7-307- 04459-5/ T U 55 定 价 : 34. 00 元版 权 所 有 , 不 得 翻 印 ; 所 购 教 材 , 如有 缺 页 、 倒 页 、 脱 页 等 质 量 问 题 , 请 与 当 地 教 材 供 应 部 门 联 系 调 换 。编 者 的 话钢 结 构 课 程 是 全 国 高 等 教 育 自 学 考 试 土 木 建 筑 类 建 筑 工 程 专 业 ( 独 立 本 科 段
4、) 的 专 业 课 , 是 为 培 养 和 检 测 自 学 应 考 者 在 建 筑 钢 结 构 方 面 的 基 本 理 论 知 识 和 应 用 设 计 能 力 而 设 置 的 一 门 课 程 。本 书 是 按 照 钢 结 构 设 计 规 范 GBJ 17 88 编 写 的 , 但 钢 材 牌 号 则 根 据 碳 素 结 构 钢GB70088 和 低 合 金 高 强 度 结 构 钢 GB/ T 1591 94 等 国 家 标 准 作 了 改 动 。 全 书 共 分 七 章 。 第 一 、 二 、 四 章 由 哈 尔 滨 工 业 大 学 钟 善 桐 教 授 执 笔 , 第 三 章 由 哈 尔 滨
5、工 业大 学 张 连 一 副 教 授 执 笔 , 第 五 、 六 章 由 华 南 理 工 大 学 王 仕 统 教 授 执 笔 , 第 七 章 由 沈 阳 建 筑 工 程学 院 周 广 师 副 教 授 执 笔 。 钟 善 桐 主 编 。 清 华 大 学 王 国 周 教 授 主 审 , 浙 江 大 学 夏 志 斌 教 授 和 东南 大 学 张 寿 庠 教 授 参 审 , 谨 此 表 示 感 谢 。为 了 配 合 2003 年 12 月 1 日 颁 布 实 施 的 钢 结 构 设 计 规 范 GB 500172003 , 本 书 由 钟 善桐 教 授 和 张 连 一 副 教 授 对 1999 年 版
6、 本 的 有 关 章 节 进 行 了 修 改 , 并 经 哈 尔 滨 工 业 大 学 张 耀 春 教 授 主 审 , 清 华 大 学 石 永 久 教 授 和 苏 州 科 技 学 院 顾 强 教 授 参 审 , 谨 此 表 示 感 谢 。由 于 水 平 所 限 , 有 不 当 之 处 , 望 读 者 指 正 。作 者 谨 识2004 . 81目 录第 一 章 概 述 1第 一 节 钢 结 构 在 我 国 的 发 展 概 况 1第 二 节 钢 结 构 的 特 点 和 合 理 应 用 范 围 5第 三 节 钢 结 构 的 设 计 方 法 10第 四 节 钢 结 构 的 发 展 14习 题 一 19第
7、 二 章 结 构 钢 材 及 其 性 能 20第 一 节 结 构 钢 材 一 次 拉 伸 时 的 力 学 性 能 20第 二 节 结 构 钢 材 的 力 学 性 能 指 标 22第 三 节 结 构 钢 材 的 脆 性 破 坏 32第 四 节 钢 材 种 类 和 规 格 35习 题 二 39第 三 章 钢 结 构 的 连 接 41第 一 节 钢 结 构 连 接 的 种 类 和 特 点 41第 二 节 对 接 焊 缝 及 其 连 接 47第 三 节 角 焊 缝 及 其 连 接 55第 四 节 焊 接 应 力 和 焊 接 变 形 78第 五 节 普 通 螺 栓 连 接 83第 六 节 高 强 度 螺
8、 栓 连 接 98第 七 节 连 接 的 疲 劳 计 算 106习 题 三 108第 四 章 轴 心 受 力 构 件 113第 一 节 轴 心 受 力 构 件 的 特 点 和 截 面 形 式 113第 二 节 轴 心 受 拉 构 件 114第 三 节 实 腹 式 轴 心 受 压 构 件 116第 四 节 格 构 式 轴 心 受 压 构 件 139第 五 节 柱 头 和 柱 脚 153习 题 四 1661第 一 章 概 述第 一 节 钢 结 构 在 我 国 的 发 展 概 况当 我 们 开 始 学 习 钢 结 构 课 程 时 , 应 该 对 这 种 结 构 在 我 国 的 发 展 历 史 , 当
9、 前 在 社 会 主 义 建 设 进 程 中 所 起 的 作 用 和 地 位 , 以 及 今 后 的 发 展 方 向 有 一 个 概 要 的 了 解 。在 钢 结 构 的 应 用 和 发 展 方 面 , 我 们 的 祖 先 曾 经 拥 有 光 辉 的 历 史 。 我 国 东 面 临 海 , 惟 有 西 面 经 陆 路 可 与 外 界 相 通 。 据 历 史 记 载 , 在 公 元 1 世 纪 50 60 年 代 , 为 了 与 西 方 国 家 通 商 和 进 行文 化 及 宗 教 上 的 交 流 , 在 我 国 西 南 地 区 通 往 南 亚 诸 国 的 通 道 上 , 跨 越 激 流 深 谷
10、 , 成 功 地 建 造 了一 些 铁 索 桥 。 例 如 , 我 国 云 南 省 景 东 地 区 澜 沧 江 上 的 兰 津 桥 , 建 于 公 元 58 75 年 , 是 世 界 上 最 早 的 一 座 铁 索 桥 , 它 比 欧 洲 最 早 出 现 的 铁 索 桥 要 早 70 年 。 随 后 陆 续 建 造 的 有 云 南 省 的 沅 江 桥( 建 于 400 多 年 前 ) 、 贵 州 省 的 盘 江 桥 ( 建 于 300 多 年 前 ) 以 及 四 川 的 大 渡 河 桥 等 , 无 论 在 工 程 规 模 上 还 是 建 造 技 术 上 , 当 时 都 处 于 世 界 领 先
11、水 平 。我 国 著 名 的 四 川 省 泸 定 县 大 渡 河 铁 链 桥 建 于 1696 年 , 比 英 国 1779 年 用 铸 铁 建 造 的 第 一座 31m 跨 度 的 拱 桥 早 83 年 , 比 美 洲 1801 年 建 造 的 70 英 尺 ( 21 . 34m ) 跨 度 的 第 一 座 铁 索 桥 早105 年 。 大 渡 河 桥 由 九 根 桥 面 铁 链 、 四 根 桥 栏 铁 链 构 成 , 净 长 100m , 桥 宽 2 . 8m , 可 同 时 通 行 两辆马 车 。 桥 下 是 奔 腾 的 激 流 , 两 岸 是 陡 峭 的 山 崖 , 铁 链 锚 定 在
12、 直 径 为 20 cm、 长 4m 的 锚 桩 上 。 每 根 铁 链 重 达 1 . 5 t。 很 难 想 象 , 在 当 时 没 有 现 代 化 起 重 设 备 的 技 术 条 件 下 , 该 桥 是 如 何 架 成的 。此外 , 我 国 古 代 在 各 地 还 建 造 了 不 少 铁 塔 。 如 湖 北 省 当 阳 的 玉 泉 寺 铁 塔 , 计 13 层 , 高17 . 5m , 建 于 1061 年 ; 江 苏 省 镇 江 的 甘 露 寺 铁 塔 , 原 为 9 层 , 现 存 4 层 , 建 于 1078 年 ; 山 东 省 济宁 的 铁 塔 寺 铁 塔 , 建 于 1105 年
13、 等 。 有 的 一 直 保 存 到 现 在 。人 类 采 用 钢 铁 材 料 建 造 各 类 结 构 工 程 的 历 史 , 显 然 和 冶 金 技 术 的 发 展 有 着 密 切 的 关 系 。 我 国 古 代 采 用 钢 铁 结 构 的 光 辉 史 绩 , 充 分 说 明 了 我 国 古 代 在 冶 金 技 术 方 面 是 领 先 的 。 但 是 , 到 了 18 世 纪 欧 洲 兴 起 工 业 革 命 以 后 , 由 于 钢 铁 冶 炼 技 术 的 迅 速 发 展 , 钢 结 构 在 欧 美 一 些 国 家 的应 用 较 广 泛 , 不 断 地 出 现 采 用 钢 结 构 的 工 业
14、与 民 用 建 筑 物 。 不 但 在 数 量 上 日 渐 增 多 , 而 且 应 用 范 围 也 不 断 扩 大 。 可 是 , 在 那 一 时 期 , 我 国 则 长 期 处 于 封 建 落 后 状 态 , 特 别 是 1840 年 鸦 片 战 争 以 后 , 沦 为 半 封 建 半 殖 民 地 , 备 受 帝 国 主 义 、 封 建 主 义 和 官 僚 资 本 主 义 的 压 迫 和 剥 削 , 生 产 十 分 落 后 。 那 一 时 期 , 在 全 国 只 建 造 了 少 量 的 民 用 与 工 业 建 筑 ( 如 上 海 18 层 的 国 际 饭 店 ) 和 一 些 公 路 和 铁
15、路 钢 桥 , 远 远 落 后 于 一 些 工 业 国 。值 得 一 提 的 是 : 1937 年 建 成 的 杭 州 钱 塘 江 大 桥 , 这 是 我 国 自 行 设 计 和 建 造 的 第 一 座 公 路铁 路 两 用 钢 桥 , 安 全 使 用 到 现 在 。新 中 国 成 立 后 , 生 产 力 获 得 解 放 , 各 项 建 设 事 业 都 有 了 飞 速 的 发 展 , 包 括 冶 金 工 业 的 发 展和 钢 铁 产 量 的 增 长 , 为 我 国 钢 结 构 的 发 展 创 造 了 条 件 。第 一 个 五 年 计 划 期 间 , 我 国 建 设 了 各 类 工 业 企 业
16、, 包 括 冶 金 , 重 型 机 械 制 造 , 航 空 , 汽 车 制造 , 动 力 设 备 制 造 , 造 船 和 一 些 轻 、 化 工 业 等 。 在 这 一 伟 大 的 社 会 主 义 建 设 事 业 中 , 钢 结 构 的 采 用 起 了 很 大 的 作 用 。 在 短 短 的 几 年 时 间 内 , 建 造 了 大 批 钢 结 构 厂 房 和 矿 场 , 其 中 主 要 的 有 : 新 建 的 太 原 和 富 拉 尔 基 重 型 机 器 制 造 厂 , 哈 尔 滨 三 大 动 力 厂 , 长 春 第 一 汽 车 制 造 厂 , 洛 阳 拖 拉 机厂 , 沈 阳 和 哈 尔 滨
17、的 一 些 飞 机 制 造 厂 等 ; 扩 建 和 恢 复 的 有 鞍 山 钢 铁 公 司 , 武 汉 钢 铁 公 司 和 大 连造 船 厂 等 。 此 外 , 还 新 建 了 汉 阳 铁 路 桥 和 武 汉 长 江 大 桥 等 。 这 一 时 期 , 可 称 为 我 国 钢 结 构 的 发 展 时 期 。图 1 . 1 广 州 电 视 塔上 面 已 经 提 到 过 , 钢 结 构 的 应 用 和 钢 产 量 有 关 。 新中 国 成 立 后 , 我 国 的 冶 金 工 业 虽 有 了 较 大 发 展 , 但 钢 产量 并 不 高 , 钢 结 构 的 建 造 主 要 靠 进 口 钢 材 。 因
18、 而 , 到 了 20 世 纪 60 年 代 , 受 到 客 观 条 件 的 限 制 , 不 得 不 控 制 钢 结 构 的 采 用 , 而 以 钢 筋 混 凝 土 结 构 为 主 。 国 家 作 出 明 确规 定 , 为 了 节 约 钢 材 , 严 格 限 制 建 筑 中 采 用 钢 结 构 , 只 在 必 须 采 用 钢 结 构 的 重 要 或 重 型 工 程 中 才 能 采 用 。 例 如 , 1959 年 在 北 京 建 成 的 人 民 大 会 堂 , 采 用 了 跨 度 达60 . 9m、 高 达 7m 的 钢 屋 架 和 分 别 挑 出 15 . 5m 和 16 . 4m 的 看
19、台 箱 形 钢 梁 。 1961 年 建 成 的 北 京 工 人 体 育 馆 , 屋 盖 采 用 了 直 径 为 94m 的 车 辐 式 悬 索 结 构 , 能 容 纳 观 众 15 000 人 。 1965 年 在 广 州 建 成 的 第 一 座 高 200m 的 电 视 塔 , 截 面 为 八 角 形 , 八 根 立 柱 各 由 三 根 圆 钢 组 成 , 缀 条 也 采 用 了 圆 钢 组 合 截 面 , 用 了 国 产 16M n 钢 ( 现 Q345 钢 ) , 全 部 为 焊 接 结 构 。 由 于 采 用 了 圆 钢 组 合 杆 件 , 减 小 了 风 荷 载 , 用 钢 量 不
20、 到 600t , 在 世 界 上 同 类 结 构 中 是 用钢 量 较 少 的 ( 见 图 1 . 1 ) 。 1967 年 建 成 的 首 都 体 育 馆 , 屋 盖 采 用 了 平 板 网 架 结 构 , 跨 度 达 99m , 可 容 纳 观 众 15 000 人 。随 后 , 在 “文 化 大 革 命 ”时 期 , 我 国 的 基 本 建 设 几 乎 陷 于 完 全 停 滞 状 态 。 这 期 间 , 只 建 成 少 数 几 个 钢 结 构 工程 。 如 1968 年 建 成 的 南 京 长 江 大 桥 , 采 用 了 三 跨 连 续桁 架 , 并 适 当 降 低 中 间 支 座 ,
21、 调 整 桁 架 内 力 , 取 得 了 节 约钢 材 10 % 的 经 济 效 果 。 1973 年 建 成 的 上 海 万 人 体 育 馆 , 屋 盖 采 用 了 直 径 达 110m 的 圆 形 平 板网 架 。 1978 年 建 成 的 武 汉 钢 铁 公 司 一 米 七 轧 钢 厂 , 采 用 的 钢 结 构 用 钢 量 达 5 万 t。 在 这 十 年中 , 我 国 无 论 是 钢 结 构 的 理 论 研 究 , 还 是 工 程 应 用 , 基 本 上 处 于 停 滞 状 态 , 进 展 缓 慢 。1978 年 党 的 十 一 届 三 中 全 会 以 后 , 国 家 的 工 作 重
22、 点 转 移 到 经 济 建 设 上 来 , 从 此 , 我 国 的 社会 主 义 建 设 进 入 了 改 革 开 放 的 新 时 代 , 各 行 各 业 都 出 现 了 蓬 勃 发 展 的 新 形 势 。 特 别 是 钢 产 量逐 年 迅 速 增 长 , 从 1985 年 的 4 666 万 t , 1987 年 的 5 602 万 t , 到 1997 年 达 到 1 亿 t , 并 连 续 7 年 超 1 亿 t。 到 2003 年 , 全 国 的 钢 产 量 已 超 过 2 亿 t , 成 为 世 界 第 一 产 钢 大 国 , 由 此 大 大 地 促 进2了 钢 结 构 的 应 用
23、和 发 展 。 由 于 钢 结 构 本 身 具 有 的 优 点 , 如 科 技 含 量 高 , 建 造 速 度 快 , 符 合 环 保要 求 , 以 及 可 再 生 利 用 等 , 因 而 应 用 日 渐 广 泛 。 我 国 有 关 部 门 对 采 用 钢 结 构 的 政 策 , 也 由 严 格控 制 , 限 制 采 用 , 转 变 为 综 合 考 虑 , 合 理 采 用 , 进 而 又 改 变 为 鼓 励 采 用 。 2000 年 5 月 , 建 设 部 和国 家 冶 金 工 业 局 建 筑 用 钢 协 调 组 召 开 了 全 国 建 筑 钢 结 构 技 术 发 展 研 讨 会 , 成 立
24、了 全 国 钢 结 构专 家 组 , 讨 论 了 国 家 建 筑 钢 结 构 产 业 “ 十 五 ”计 划 和 2010 年 建 筑 钢 结 构 用 材 分 别 达 到 钢 材 产 量 的 3 % 和 6 % 的 目 标 , 争 取 达 到 世 界 发 达 国 家 目 前 的 水 平 。 专 家 们 还 提 出 把 建 筑 钢 结 构 归 纳为 : 高 层 重 型 钢 结 构 , 空 间 大 跨 度 钢 结 构 , 轻 型 钢 结 构 , 钢 混 凝 土 组 合 结 构 和 住 宅 钢 结 构 等 五 大 类 。 “十 五” 期 间 则 以 住 宅 钢 结 构 为 发 展 重 点 。在 生 产
25、 发 展 需 要 和 国 家 技 术 政 策 的 指 导 下 , 钢 结 构 在 我 国 的 应 用 步 入 了 新 时 期 。 从 20 世 纪 80 年 代 起 , 建 成 的 主 要 大 型 钢 结 构 工 程 有 : 上 海 宝 山 钢 铁 公 司 一 期 、 二 期 工 程 , 北 京 香 格 里 拉 饭 店 , 高 82 . 75m ( 1986 年 ) 。 深 圳 发 展 中 心 大 厦 , 高 154m ( 1987 年 ) 。 北 京 京 广 中 心 , 高 208m ( 1990 年 ) 。北 京 京 城 大 厦 , 高 182m ( 1991 年 ) 。 上 海 世 界
26、金 融 大 厦 , 高 189m ( 1996 年 ) 。 上 海 浦 东 金 茂 大 厦 , 高 420m ( 1998 年 ) 。 深 圳 赛格 广 场 大 厦 , 高 291 . 6m ( 1999 年 ) 。 金茂大 厦 是 当 前 世 界 第 三 高 的 高 层 建 筑 , 2004 年 初 在 台 北 市 建 成 的 101 层 台 北 金 融 大 楼 , 高 508m , 已 成 为 当 前 世 界 第 一 高楼 。 据 不 完 全 统 计 , 自 20 世 纪 80 年 代 迄今 , 全 国 各 地 兴 建 的 百 米 以 上 的 高 层 建 筑 已 有 数 十 座 , 其 中
27、 大 都 采 用 钢 结 构 。 图1 . 2 为 上 海 金 茂 大 厦 外 貌 。应 该 指 出 的 是 , 由 于 科 学 技 术 的 进 步 , 在 钢 结 构 的 理 论 研 究 和 设 计 方 面 也 有 较 快 的 发 展 。 高 层 建 筑 钢 结 构 的 耗 钢 量 已 由 20 世 纪 50 年 代 的 160 180kg/ m2 , 降 到 当 前的 110 120kg/ m2 , 已 经 接 近 高 层 钢 筋混 凝 土 结 构 的 耗 钢 量 , 而 且 还 在 不 断 改 进中 。图 1 . 2 上 海 金 茂 大 厦此 外 , 各 地 的 体 育 馆 建 筑 ,
28、采 用 了 各 种 新 型 大 跨 空 间 结 构 体 系 。 如 北 京 石 景 山 体 育 馆 , 建 筑 面 积 8 429m2 , 可 容 纳 3 000 名 观 众 ; 北 京 朝 阳 体 育 馆 , 屋 盖 由 两 片 预 应 力 索 网 组 成 , 索 网 悬挂 在 中 央 的 索 拱 结 构 及 外 侧 边 缘 构 件 之 间 ( 见 图 1 . 3 ( a ) ) , 以 及 四 川 攀 枝 花 体 育 馆 ( 见 图 1 . 3 ( b) ) 等 不 下 40 座 。3图 1 . 3 朝 阳 体 育 馆 和 攀 枝 花 体 育 馆 屋 盖 结 构攀 枝 花 体 育 馆 是
29、外 形 呈 八 角 花 瓣 形 的 钢 网 壳 结 构 , 跨 度 60m , 支 承 在 标 高 为 16 . 35m 的 八 根 钢 筋 混 凝 土 柱 上 , 还 将 屋 盖 向 柱 外 悬 挑 2 . 4 7 . 4m , 并 采 用 了 预 应 力 技 术 。 建 筑 面 积 4 130m2 , 能 容 纳 3 800 多 名 观 众 。为 了 迎 接 2008 年 将 在 我 国 举 行 的 奥 运 会 , 北 京 还 将 兴 建 大 批 体 育 场 馆 , 这 些 体 育 场 馆 都将 采 用 大 跨 空 间 钢 结 构 。图 1 . 4 是 2000 年 建 成 的 哈 尔 滨
30、 电 视 塔 , 连 天 线 总 高 336m , 是 目 前 我 国 最 高 的 钢 电 视 塔 ,也 是 迄 今 世 界 第 二 高 的 钢 电 视 塔 。此 外 , 轻 型 钢 结 构 的 发 展 也 很 快 , 据 不 完 全 统 计 , 进 入 20 世 纪 90 年 代 后 期 , 每 年 建 成 的 工 程 多 达 300 万 m2 。综 上 所 述 , 钢 结 构 虽 然 造 价 较 高 , 但 由 于 本 身 的 特 点 , 如 轻 质 高 强 , 抗 震 性 能 好 , 建 造 速 度快 , 工 期 短 , 综 合 经 济 效 益 好 等 而 获 得 广 泛 应 用 。 可
31、 以 预 期 , 随 着 我 国 经 济 建 设 的 不 断 发 展 , 钢 结 构 的 应 用 将 日 益 广 泛 , 并 将 进 入 新 的 更 高 的 发 展 阶 段 。 正 如 建 设 部 原 总 工 程 师 姚 兵 同 志 在世 纪 之 交 时 曾 经 指 出 的“ : 21 世 纪 的 建 筑 结 构 是 金 属 结 构 的 世 纪 。 ”这 是 对 钢 结 构 在 我 国 发 展的 科 学 预 见 和 肯 定 , 要 求 从 事 建 筑 工 程 工 作 的 广 大 技 术 人 员 重 视 钢 结 构 的 学 习 , 打 好 专 业 基础 。4图 1 . 4 哈 尔 滨 电 视 塔
32、第 二 节 钢 结 构 的 特 点 和 合 理 应 用 范 围钢 结 构 是 用 钢 板 和 各 种 型 钢 , 如 角 钢 、 工 字 钢 、 槽 钢 、 钢 管 和 薄 壁 型 钢 等 制 成 的 结 构 , 在 钢 结 构 制 造 厂 中 加 工 制 造 , 运 到 现 场 进 行 安 装 。一 、 钢 结 构 的 特 点和 其 他 结 构 相 比 , 钢 结 构 具 有 下 列 特 点 。(1 ) 钢 结 构 自 重 轻 而 承 载 力 高 钢 材 的 容 重 虽 比 其 他 建 筑 材 料 大 , 但 强 度 却 高 得 多 , 属 于轻 质 高 强 材 料 。 在 相 同 的 荷
33、载 条 件 下 , 采 用 钢 结 构 时 , 结 构 自 重 常 较 小 。 例 如 , 当 跨 度 和 荷 载相 同 时 , 钢 屋 架 的 重 量 只 有 钢 筋 混 凝 土 屋 架 重 量 的 1 1 ; 若 采 用 薄 壁 型 钢 屋 架 , 则 将 更 轻 , 便4 3于 运 输 和 吊 装 。 因 此 , 钢 结 构 能 承 受 更 大 的 荷 载 , 跨 越 更 大 的 跨 度 。据 北 京 市 的 统 计 , 百 米 左 右 的 高 层 建 筑 , 和 钢 筋 混 凝 土 结 构 相 比 , 钢 结 构 的 自 重 可 减 1/ 3 ,5每 根 柱 子 的 轴 心 压 力 可
34、 减 小 6 000 7 000kN , 因 而 地 震 作 用 反 应 可 减 小 30 % 40 % , 同 时 对地 基 压 力 可 减 少 25 % 以 上 。 显 然 , 在 地 震 区 , 特 别 是 软 弱 地 基 的 地 区 , 采 用 钢 结 构 可 以 取 得 很大 的 经 济 效 益 。此 外 , 钢 柱 的 承 载 力 高 , 柱 子 截 面 比 钢 筋 混 凝 土 柱 小 。 据 统 计 , 在 高 层 建 筑 中 采 用 钢 柱 , 比 采 用 钢 筋 混 凝 土 柱 可 增 加 有 效 使 用 面 积 3 % 6 % 。(2 ) 钢 材 最 接 近 于 匀 质 等
35、 向 体 把 钢 材 分 割 成 细 微 小 块 , 每 小 块 都 将 具 有 大 致 相 同 的 力 学 性 能 , 而 且 在 各 方 向 的 性 能 也 大 致 一 样 。 这 种 匀 质 等 向 性 是 固 体 力 学 的 基 础 。在使 用 应 力 阶 段 , 钢 材 属 于 理 想 弹 性 体 , 弹 性 模 量 高 达 206 103 N/ mm2 , 因 而 变 形 很 小 , 可 应 用 应 力 叠 加 原 理 , 简 化 计 算 。 这 些 性 能 和 力 学 计 算 中 采 用 的 假 定 符 合 程 度 很 好 , 所 以 钢 结 构 的 实 际 受 力 情 况 和
36、力 学 计 算 结 果 最 相 符 合 。(3 ) 钢 材 的 塑 性 和 韧 性 好 由 建 筑 钢 材 标 准 拉 伸 试 件 的 应 力 应 变 图 ( 参 看 图 2 . 1 和 图2 . 2) 可 见 , 在 静 力 荷 载 作 用 下 , 钢 材 具 有 很 好 的 塑 性 变 形 能 力 。 达 屈 服 点 应 力 时 , 可 有 2 % 3 % 的 应 变 , 达 拉 伸 极 限 而 破 坏 时 , 应 变 可 达 20 % 30 % 。 所 以 , 在 一 般 情 况 下 , 钢 结 构 不 会 因偶 然 超 载 或 局 部 超 载 而 突 然 断 裂 破 坏 。 在 冲 击
37、 荷 载 作 用 下 , 带 有 缺 口 的 试 件 能 吸 收 相 当 大 的冲 击 功 , 保 证 钢 材 有 一 定 的 抗 冲 击 脆 断 的 能 力 , 说 明 钢 材 的 韧 性 也 很 好 ( 参 看 第 二 章 第 二 节 和图 2 . 7) 。(4 ) 钢 材 具 有 良 好 的 焊 接 性 能 由 于 焊 接 技 术 的 发 展 , 焊 接 结 构 的 采 用 , 使 钢 结 构 的 连 接大 为 简 化 , 还 可 满 足 制 造 各 种 复 杂 形 状 结 构 的 需 要 , 这 是 促 进 近 代 钢 结 构 发 展 的 重 要 因 素 之一 。所 谓 “焊 接 性
38、能” 好 , 是 指 钢 材 在 焊 接 过 程 中 和 焊 接 后 , 都 能 保 持 焊 接 部 分 不 开 裂 的 完 整 性 的 性 质 。 钢 材 的 这 种 性 质 为 采 用 焊 接 结 构 创 造 了 条 件 。(5 ) 钢 结 构 具 有 不 渗 漏 的 特 性 不 论 采 用 焊 接 、 铆 接 或 螺 栓 连 接 , 钢 结 构 都 可 做 到 密 闭 而 不 渗 漏 。 因 而 钢 材 是 制 造 各 种 容 器 , 特 别 是 高 压 容 器 的 良 好 材 料 。(6 ) 钢 结 构 制 造 工 厂 化 、 施 工 装 配 化 钢 结 构 是 由 各 种 型 材 组
39、 成 的 一 些 构 件 组 成 的 , 构 件 在 专 业 化 的 金 属 结 构 制 造 厂 中 制 造 , 加 工 简 便 , 成 品 的 精 确 度 高 。 制 成 的 构 件 运 到 现 场 吊 装 , 采 用 螺 栓 或 焊 接 连 接 , 构 件 又 较 轻 , 故 施 工 方 便 , 现 场 占 地 小 , 施 工 周 期 也 短 , 还 便 于 拆 除 、 加 固 和 改 扩 建 。(7 ) 钢 材 耐 腐 蚀 性 差 , 应 采 取 防 护 措 施 钢 材 在 湿 度 大 、 有 侵 蚀 介 质 的 环 境 中 , 易 锈 蚀 , 截 面 不 断 削 弱 , 使 结 构 受
40、 损 , 影 响 使 用 寿 命 , 因 而 钢 结 构 需 要 定 期 维 护 。 为 了 减 少 维 护 费 用 , 应 采 用 高 效 能 防 护 漆 , 其 防 锈 效 果 和 喷 ( 镀 ) 锌 差 不 多 , 可 维 持 20 年 以 上 , 可 节 约 维 护 费 用 。 如 JM 高 渗 透 性 带 锈 防 锈 漆 , 只 要 除 去 表 面 浮 锈 和 油 污 , 可 带 锈 涂 刷 , 方 便 而 高 效 。 近 年 来 , 在 一 些 钢 桥 中 开 始 采 用 喷 涂 玻 璃 钢 , 如 四 川 武 隆 县 峡 门 口 的 乌 江 大 桥 ( 采 用 了 钢 管 混 凝
41、 土 集 束 拱 ) , 可 维 持 40 年 以 上 。 然 而 , 这 些 防 锈 蚀 方 法 由 于 造 价 高 , 尚 未 能 广 泛 应 用 。1983 年 我 国 已 研 制 成 功 焊 接 结 构 耐 候 钢 和 高 耐 候 结 构 钢 , 防 腐 能 力 比 低 碳 钢 提 高 了 2 4倍 , 而 强 度 却 相 同 , 但 产 量 不 多 , 价 格 也 较 高 。(8 ) 钢 结 构 耐 热 性 能 好 , 但 防 火 性 能 差 实 验 证 明 , 钢 材 从 常 温 到 150 时 , 性 能 变 化 不 大 , 超 过 150 后 , 强 度 和 塑 性 变 化 都
42、 很 大 ; 到 达 600 时 , 强 度 降 至 零 , 完 全 失 去 承 载 力 。 因此 , 钢 结 构 耐 热 , 却 不 耐 火 。 规 范 规 定 : 当 结 构 的 表 面 长 期 受 辐 射 热 达 150 以 上 , 或 在 短 时 间内 可 能 受 到 火 焰 作 用 时 , 应 采 用 有 效 的 防 护 措 施 , 如 加 隔 热 层 或 水 套 等 。6如 一 旦 发 生 火 灾 , 无 防 护 的 钢 结 构 的 耐 火 时 间 只 有 15 30min , 时 间 一 长 就 会 发 生 崩 溃 坠 毁 。 为 了 提 高 钢 结 构 的 耐 火 等 级 ,
43、一 般 常 用 混 凝 土 或 砖 把 结 构 包 裹 起 来 。 这 样 既 增 加 了 结 构 所 占 空 间 , 又 增 大 了 结 构 自 重 。 1985 年 公 安 部 四 川 消 防 科 学 研 究 所 制 成 了 T N - LG 钢 结 构 防 火 隔 热 涂 料 , 按 GN15 82 标 准 试 验 , 当 防 火 涂 层 厚 15mm 时 , 钢 构 件 的 耐 火 极 限 达 1 . 5h。 对一 级 耐 火 要 求 的 高 层 建 筑 中 的 钢 柱 , 则 需 涂 层 厚 度 为 50mm。 近 年 来 , 四 川 消 防 科 学 研 究 所 又 研 制 成 功
44、了 一 种 薄 型 防 火 涂 料 , 但 耐 火 时 间 最 多 1 . 5h。图 1 . 5 和 表 1 . 1 所 示 为 温 度 对 钢 材 性 能 的 影 响 。 图 1 . 5 温 度 对 钢 材 性 能 的 影 响表 1 . 1 温 度 对 钢 材 性 能 的 影 响温 度 20 100 200 300 400 500 600屈 服 点 % 100 95 82 65 40 10 0弹 性 模 量 Q235 206 195 185 176 160 E103 N/ mm2 Q345 206 200 200 190 185 线 膨 胀 系 数 Q235 1 . 18 1 . 22 1
45、. 28 1 . 34 1 . 38 10 - 5 Q345 1 . 12 1 . 20 1 . 26 1 . 33 1 . 37 上 海 宝 山 钢 铁 公 司 和 武 汉 钢 铁 公 司 都 已 生 产 出 一 种 高 性 能 耐 火 耐 候 建 筑 用 钢 , 如 武 钢 的WGJ510C2 钢 , 力 学 性 能 相 应 于 Q345 钢 。 它 的 抗 锈 性 是 普 通 钢 材 的 2 8 倍 , 600 时 的 屈 服强 度 仍 保 持 2 fy/ 3 以 上 , 而 价 格 只 比 普 通 钢 高 约 15 % , 目 前 已 在 建 筑 中 采 用 ( 如 上 海 中 福 城
46、 高层 住 宅 建 筑 ) 。低 温 时 , 钢 材 的 强 度 提 高 , 而 塑 性 减 小 , 呈 脆 性 , 因 而 钢 材 具 有 低 温 脆 性 、 高 温 软 化 的 性 能 ,使 用 时 应 加 以 注 意 。二 、 钢 结 构 的 合 理 应 用 范 围根 据 上 述 钢 结 构 具 有 的 特 点 , 钢 结 构 的 合 理 应 用 范 围 如 下 。(1 ) 重 型 工 业 厂 房 跨 度 和 柱 距 都 比 较 大 , 或 设 有 繁 重 工 作 制 吊 车 或 大 吨 位 吊 车 , 或 具 有 2 3 层 吊 车 的 厂 房 , 以 及 某 些 高 温 车 间 ,
47、例 如 炼 钢 、 轧 钢 和 均 热 炉 车 间 等 , 宜 采 用 钢 吊 车 梁 、 起重 机 设 计 规 范 GB/ T 3811 规 定 吊 车 工 作 级 别 为 A1 A8 级。 A1 A3 级 对 应 于 轻 级 工 作 制 , A4级 和 A5 级 对 应 于 中 级 工 作 制 , A6 A8 级 对 应 于 重 级 工 作 制 , 其 中 A8 级 为 特 重 级 。7钢 屋 架 及 钢 柱 等 构 件 以 至 全 钢 结 构 。 如 上 节 中 提 到 的 宝 山 钢 铁 公 司 的 很 多 车 间 、 各 冶 金 工 厂 和 重 型 机 器 制 造 厂 的 车 间 等
48、 。 这 类 厂 房 的 特 点 是 荷 载 大 , 房 屋 高 , 有 的 还 受 温 度 作 用 或 设 备 的 振 动 作 用 , 如 锻 压 车 间 等 。( 2) 大 跨 度 结 构 结 构 的 跨 度 越 大 时 , 减 轻 结 构 自 重 就 有 明 显 的 经 济 效 果 。 钢 材 轻 质 高强 , 可 跨 越 很 大 的 跨 度 , 因 而 , 大 跨 度 结 构 应 采 用 钢 结 构 。近 年 来 , 我 国 各 地 建 造 的 很 多 体 育 馆 、 剧 场 和 大 会 堂 等 , 就 采 用 了 钢 网 架 结 构 或 悬 索 结 构 。 例如 : 首 都 体 育
49、馆 采 用 了 99m 112 . 2m 的 正 交 平 板 网 架 ; 1986 年 建 造 的 吉 林 滑 冰 馆 , 采 用 了双 层 悬 索 屋 盖 结 构 , 悬 索 跨 度 59m , 房 屋 跨 度 70m ; 1998 年 为 冬 运 会 建 造 的 长 春 体 育 馆 , 采 用 了 两 个 部 分 球 壳 组 成 的 长 轴 191 . 68m、 短 轴 146m 的 方 钢 管 拱 壳 屋 盖 结 构 , 高 40 . 67m , 以 及 第 一 节 中 已 经 提 到 的 体 育 馆 建 筑 等 。此外 , 还有 工业 建 筑中 的飞 机 库 、 飞 机 装 配 车 间 等 。 如 1995 年 建 造 的 首 都 机 场 四 机 位 飞 机 库 , 是 当 今 世 界 上 规 模 最 大 的 飞 机 库 , 跨 度 为 (153 + 153) m。 屋 盖 采 用 大 桥 和 多 层 四 角 锥 网 架 相 结 合 的 形 式 , 有 10 t 悬 挂 吊 车 , 屋 盖 结 构 总 重 约 5 400 t。图 1 . 6 为 网 架 平 面 图 ( 单 位 : mm ) 。图 1 . 6 首 都
