关于钢材正温范围的性能和结构设计

1.温度的影响

钢材内部的晶体结构对温度十分敏感，温度变化会引起钢材性能的变化，总的趋势是：随着温度的升高，钢材的强度和弹性模量下降，变形增大；而随着温度的降低，钢材的强度和弹性模量略有增加，但塑性和韧性下降，变脆。

1、在正温度范围内，钢材在250℃以下时，其强度和弹性模量变化不大。当温度超过250℃时，出现“塑性流动”，超过300℃后，应力-应变关系曲线无明显的屈服极限和屈服平台。在430-540℃之间强度急剧下降，在600℃时完全变为塑性，强度很低，丧失大部分抵抗外力的能力。另外，在250-300℃时，钢材的抗拉强度略有提高，而塑性和韧性下降。材料有变脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色，称为蓝脆现象。因此，钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。在260-320℃时有蠕变现象。了解钢材在正温度范围内的性能，有助于高温下结构设计的合理处理。

2、在负温度范围内，当温度降到某一值时，钢材的冲击韧性突然下降，在冲击载荷作用下完全脆性断裂，这种现象称为低温冷脆。通过一系列的温度冲击试验，可以画出一条冲击功与温度关系的曲线，曲线转折点所对应的温度称为冷脆转变温度。结构在使用过程中可能出现的最低温度必须高于钢材的冷脆转变温度。在工作环境温度较低的地区设计承重结构时，结构工程师应选用塑性、韧性好的钢材；构件、节点设计应避免存在双向、三向复杂应力状态，尽量避免焊缝过分集中和多条粗焊缝相交于一处，避免产生焊接残余应力。 除上述要求外，在钢结构设计、施工图中还应要求钢结构应在室内正温度下加工制作，严格控制硬化、裂纹、气孔、夹渣、划痕等缺陷的影响；构件在运输、装卸和贮存过程中，应采取措施防止结构变形和损坏。

2、腐蚀介质的影响

钢结构在具有许多优良性能的同时，也存在着耐腐蚀性能差的弱点。腐蚀环境对钢材的影响主要是锈蚀和应力腐蚀开裂，从而引起结构承载能力的降低。钢结构的腐蚀与环境的相对湿度和大气中腐蚀介质的含量密切相关。钢结构是在大气（包括工业大气和海洋大气）环境中使用的，钢材表面水分和氧气的存在，再加上其他腐蚀介质的存在和钢材化学成分的不均匀，在钢材表面形成许多微小的局部电池，这些电化学反应的结果导致钢材腐蚀。大气中的水分在钢材表面吸附而形成的水膜是钢材腐蚀的决定因素，而环境的相对湿度和介质的浓度则是影响大气腐蚀程度的重要因素。腐蚀使结构杆件的截面减小，承载能力降低，缩短结构的使用寿命，尤其对轻钢结构影响更大。 杆材的不均匀锈蚀和“锈蚀坑”对构件的危害最大，容易发生脆性破坏。腐蚀环境也会加速钢材裂纹的产生。构件在腐蚀介质中容易发生脆性破坏，

在拉应力（包括残余应力和工作应力）的综合作用下，经过一定时间后会产生不同形式的腐蚀裂纹，降低构件发生脆性断裂的临界应力，导致构件应力达不到材料的抗拉强度，甚至低于屈服点就会发生脆性破坏。

钢筋腐蚀给社会带来很大的经济损失。据中国工程院专题研究报告显示，我国每年船舶、车辆、设备、建筑物等的总损失约占国民生产总值的4%，其中土木工程的腐蚀损失占20%以上。经验表明，只要规范地采取适当的防腐措施，就能明显减少腐蚀，延长结构的寿命。如宝钢所有厂房建筑、特殊结构、连廊、支架等均采用钢结构，用钢量巨大。并采用了先进的涂装技术。在腐蚀环境较好的厂房中，钢结构使用时间已达10年以上，锈​​蚀率为1%~2%，基本达到了涂装体系使用寿命的预期目标。因此，钢结构设计应重视防腐设防的要求，应按照有关规范要求，遵循预防为主、保护相结合的原则。 在对建筑物整个寿命进行经济分析的基础上，应采取长效防腐涂层、加强维护等综合措施进行防护。

3.应力集中

钢结构构件中，钢材在冶炼、轧制过程中，不可避免地会存在孔洞、缺口、凹角、截面突变、几何缺陷等，这些缺陷容易引起应力集中。此时构件内的应力分布将不再保持均匀，而会在某些区域产生局部峰值应力，而另一些区域应力减小，形成所谓的应力集中现象。峰值区域的最大应力与净截面平均应力之比称为应力集中系数。研究表明，在应力峰值区域内，总存在着同号的双轴或三轴应力。这是因为峰值拉应力引起的截面横向收缩会受到附近应力区域的阻碍，而引起垂直于内力方向的拉应力，使材料处于复杂的应力状态。根据能量强度理论，这种同号的平面或三维应力场有使钢材变脆的趋势。应力集中系数越大，脆性趋势越严重，抗疲劳性能越差。 建筑钢材的塑性虽然较好，在一定程度上能促使应力重新分布，使应力分布严重不均匀的现象趋于平缓。对于常温下承受静载荷的构件，计算中可以忽略应力集中的影响。但对于在负温或动载荷下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出，这往往是脆性产生和疲劳破坏的根本原因。因此，在钢结构设计时，结构设计应与计算图一致，力传递明确，减少应力集中。对于承受循环载荷和低温作用的结构，设计人员应更加重视结构的细部构造，尤其要从提高疲劳寿命、避免脆性断裂的角度考虑，应选择应力集中小的结构方案。

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4. 重复加载

在重复荷载作用下，钢结构构件及其连接件的抗力和性能将发生显著变化。尽管结构的平均应力低于抗拉强度，甚至低于屈服点，但仍然会发生疲劳破坏。疲劳破坏有其特殊的发展过程，即裂纹形成、缓慢裂纹扩展和突然断裂。对于建筑钢结构，严格地说，不存在裂纹形成阶段，因为建筑钢结构材料和制造工艺中不可避免地存在各种缺陷（裂纹状）。此外，由于构件截面形状的变化和连接构件的不均匀，局部区域会产生应力集中。峰值往往是平均应力的几倍，足以在很小的范围内引起塑性变形，在重复荷载作用下逐渐形成微裂纹。这些微裂纹会随着应力的反复作用而扩展为宏观裂纹，裂纹两侧的材料有时相互挤压，有时分离，形成一个光滑区域。裂纹扩展的结果使截面变弱，最后导致构件突然断裂。 此特点与脆性断裂相同，但疲劳破坏的断口在靠近裂纹源处为灰色光滑区域，在较远处为粗糙的晶粒形状。脆性断裂的断口大多呈闪动晶粒状。实践证明，如果荷载值变化不大或重复次数不大，钢结构中未出现重复荷载引起的应力，一般不会发生疲劳破坏，结构计算中无须考虑疲劳的影响。但对于长期承受频繁重复荷载的结构及其连接，如重型（CA6~A8）起重机及重、中型起重机的吊车梁等，不宜采用钢结构。

对于工作制（A4~A5级）的起重机构架，在结构设计时必须考虑结构疲劳。

国家标准《钢结构设计标准》GB 50017-2017规定，对使用年限内应力变化循环次数等于或大于5X100000次的构件，应按允许应力幅法进行疲劳计算。设计时应根据构件及连接类别严格控制允许应力幅，进行合理的结构设计。建筑钢结构因疲劳损伤而发生事故最多的是工厂重型起重机（特别是硬钩起重机）的吊车梁。工程师在进行疲劳设计时应注意以下几点：

1.现行国家标准中疲劳计算章节仍沿用过去的许用应力法，静强度和稳定性计算均采用基于概率理论的极限状态设计方法；

2、疲劳计算所用荷载采用标准值，不考虑荷载分项系数。疲劳计算所有数据均来自试验，已考虑动态影响。计算疲劳时，动荷载不乘以动态系数；

3、建筑钢结构很少遇到疲劳问题，标准规定的疲劳计算最常用于重载工作制的吊车梁和重、中载工作制的吊车框架的计算，对于其他变幅疲劳，在缺乏可用数据时，也可按正常幅疲劳相对安全地计算变幅疲劳；

4、试验证明，结构和连接类别的允许应力幅与钢材等级特别相关。因此，受疲劳控制的构件不宜采用强度较高的钢材，否则不经济。

5. 变形效果

钢结构的主要特点之一是强度高、塑性和韧性好、截面小、厚度薄。在生产和使用过程中易出现的变形问题应引起足够的重视。设计人员应了解结构的变形及其影响，并在设计文件中注明控制变形的要求。

1、制造安装变形的影响。钢结构在制造安装过程中允许有一定的偏差，其允许偏差值应符合现行《钢结构施工质量验收规范》国家标准的要求。焊接残余变形在钢结构制造中表现得比较突出，焊接构件在局部加热、冷却后会产生各种变形，如纵向和横向的收缩变形、角变形、弯曲变形、扭转变形、波浪变形等。这些变形加上构件在装配安装过程中的初始缺陷，对不同的构件产生不同的影响。例如，存在焊接残余角变形的对接、搭接构件在受拉时将会引起附加弯矩，这种附加应力严重时可能导致构件破坏；构件对轴向受压杆的初始挠度随压力的增加而增大。构件既受压又受弯，附加弯矩会破坏构件的抗压能力。

2、变形对使用的影响。构件的过度变形影响结构的正常使用和外观，而摇摆则使居住者感到不舒适或损坏建筑内部装饰和非结构构件。为了避免上述现象的发生，需要对结构的变形进行限制。《钢结构设计标准》GB 50017-2017规定，框架和受弯构件的变形值不得超过允许变形限值。对于高层和超高层钢结构建筑，在阵风荷载作用下，较大的摆动或扭转会使人感到不舒适，有时甚至难以忍受。地震时振幅过大，将对结构造成严重破坏，因此相关标准规定了框架顶点在风荷载作用下的最大加速度限值和地震作用下顶点位移的限值，以确保建筑的舒适性和安全性。

3、变形对结构内力的影响。多层框架结构一般侧向刚度较大，通常按未变形结构图计算内力，忽略变形对内力的影响。对于高层、超高层建筑，随着楼层数的增加和建筑高宽比的增大，钢结构设计必须考虑变形对内力的影响。当结构在风荷载或地震水平力作用下，水平位移增大时，不能忽略竖向荷载的二阶效应，其主要作用是侧向位移引起的竖向荷载偏心产生附加弯矩，附加弯矩使侧向位移进一步增大。对于非对称结构，还会引起附加扭矩。如果此作用不能与竖向荷载相平衡，结构将发生P-.1效应引起的整体失稳。

六、限制

在结构体系中或连接节点中，结构与结构之间或构件之间、构件与构件之间或板与板之间，由于相互连接而不能自由变形而产生的相互约束称为约束，约束的强度称为约束度。约束可分为结构在受荷时因内力作用而产生的节点内约束和因温差作用而产生的结构间或节点内约束。

前者是形成不同类型的结构，设计者预设不同程度的约束，即不同程度的嵌入、刚性连接、半刚性连接等节点构造，形成节点架、框架等；后者是设计者未曾料到的、不利于结构受力的约束，如纵向柱排对温差自由变形的约束，将对柱产生附加内力；当焊接构造不合理造成节点焊接部位的约束过大，将导致焊接板产生裂纹。在设计和施工时应采取措施，避免或减轻此类约束的不利影响。

1 节点内力约束

建筑结构的组合形式多种多样，其节点处内力的约束也多种多样。例如单层厂房横向框架中，梁与柱连接处为刚性节点，厂房柱对屋面梁起约束作用，屋面梁在外力作用下的变形受到柱的约束，屋面梁使柱产生弹性侧向位移，柱给予屋面梁弹性压缩，减小屋面梁的变形，这样就形成了柱与梁之间的约束。例如横向框架中，柱脚完全受到基础的约束，柱在外力作用下不能转动，只产生约束力。结构工程师在结构设计中可以利用约束作用，保证构件的嵌入和力的传递，减少结构变形。

2. 温度影响约束效果

温度影响约束的性质不同于一般荷载，无法“抵抗”，只能适当“释放”，只要结构构件及连接件具有适当的伸缩能力，就可以减小温度影响约束。以单层钢结构厂房为例，当厂房纵向长度超过《钢结构设计标准》GB 50017-2017规定的纵向温度段长度时，应设置横向温度缝，在温度缝两侧设置双柱。根据传力需要，在纵向温度段设置一至两根柱支撑。通过支撑的弹性预埋约束，既能保证厂房框架的整体稳定性和纵向刚度，又能将纵向水平力（风力、起重机纵向制动力、纵向地震力）传递到柱基础。

当厂房水平宽度较大时，也宜考虑采用“松弛”法解决温度影响的约束，即在边柱处采用柔性柱（上部柱截面宽度减小，屋架与柱靠得更近）解决，并尽量避免设置水平温度缝。

结构工程师在结构设计中可以采用“松弛”方法来解决建筑钢结构超长、超宽平面布置带来的温度限制。

钢构件焊接后会产生残余变形和残余应力，这是不可避免的客观规律。对于刚度较大、板厚较大的构件，焊接后会产生较大的内应力。当结构载荷作用时，内力在重新分布过程中往往会导致塑性变形区扩大、材料局部塑性下降，对处于动载荷和双向应力状态下的结构产生不利影响。

因此，对于一些截面较大、板厚较大、节点复杂、约束较大、钢材强度水平较高的重要结构，在焊接过程中应采取措施，减少约束作用，以降低应力峰值，并使其分布均匀。