鋼結(jié)構(gòu)的基本性能

第一章 鋼構(gòu)造的根本性能打算的。外界作用：各類荷載和氣象環(huán)境對(duì)它的性能也有不行無視的影響。鋼構(gòu)造所用鋼材：塑性較好，拉力作用下，應(yīng)力—應(yīng)變曲線有明顯的屈服點(diǎn)和屈服平臺(tái)，然后進(jìn)入強(qiáng)化階段。鋼構(gòu)造設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：屈服點(diǎn)作為鋼材強(qiáng)度的極限，并把局部屈服作為承載力量的準(zhǔn)則〔薄腹梁不同。鋼材塑性性能：在肯定條件下是可以利用的：簡(jiǎn)支梁可以允許塑性在彎矩最大截面上進(jìn)展；連續(xù)梁和框架的塑性設(shè)計(jì)方法，允許在構(gòu)造中消滅塑性鉸以及繼之而來的內(nèi)力重分布。這種利用塑性的設(shè)計(jì)方法已提到日程。穩(wěn)定問題：一個(gè)突出的問題。構(gòu)件及其局部有受壓的可能，在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮如何防止失穩(wěn)。有時(shí)，局部性的失穩(wěn)還不是構(gòu)件承載力量的極限，則可以不加防止，并對(duì)屈曲后強(qiáng)度加以利用。動(dòng)力作用的重要構(gòu)造承受鋼構(gòu)造。應(yīng)從計(jì)算、構(gòu)造和施工幾個(gè)方面來考慮疲乏問題。鋼材的韌性并不是一成不變的。材質(zhì)、板厚、受力狀態(tài)、溫度等都會(huì)對(duì)它有所影響。鋼構(gòu)造曾經(jīng)有過脆性斷裂的事故，脆斷始終1成為一個(gè)引人注目的問題。鋼材的生產(chǎn)及其對(duì)材性的影響建筑構(gòu)造所用的鋼材包括兩大類：熱軋型鋼和鋼板〔冷成型〔冷彎、冷沖、冷軋〕的薄壁型鋼和壓型鋼板〔1.2。1.1熱軋鋼材1.2冷彎型鋼成鋼材。冶煉、脫氧、輥軋等環(huán)節(jié)都對(duì)鋼材的性能有很大影響。鋼的熔煉冶煉按需要生產(chǎn)的鋼號(hào)進(jìn)展，它打算鋼材的主要化學(xué)成分。者質(zhì)量不相上下?？諝馐逛撘状?，并對(duì)時(shí)效敏感。轉(zhuǎn)爐鋼用氧氣吹煉，大大改善質(zhì)量。假設(shè)吹入的氧氣純度高于99.5％，則鋼材的綜合性能優(yōu)于平爐鋼：含氮量低，沖擊韌性高220％～30％。鋼的脫氧鋼的熔煉是把鐵水中過多的碳和有害元素硫、磷加以氧化而脫去，不行避開有少量的鐵也氧化，形成氧化鐵Fe氧。脫氧方法：在鋼液中參加和氧親合力比鐵高的錳、硅或鋁。脫氧的程度對(duì)鋼材質(zhì)量頗有影響。FeO，澆稱之為沸騰鋼。沸騰鋼在鋼錠模中冷卻很快，氣體只能逸出局部，F(xiàn)e，冷卻后有很多氣泡［l.〔a。參加適量的硅〔硅鐵在復(fù)原氧化鐵的過程中放出熱量，使鋼液冷卻緩慢，氣體大多可以逸出，所得鋼錠稱為冷靜鋼［1.3〔b。這種鋼錠在緩慢冷卻和凝固過程中消滅的晶粒多，晶粒上部形成較大縮孔，縮孔的孔壁有些氧化，在輥軋時(shí)不能焊合，必需先把鋼錠頭部切去。切頭后實(shí)得80％～85％。3l.3鋼錠剖面沸騰鋼質(zhì)量比冷靜鋼差，雜質(zhì)多而組織欠均勻，氣泡四周簡(jiǎn)潔消耗脫氧劑少，軋鋼時(shí)切頭很小，成品率高，因此本錢低廉。擊和時(shí)效沖擊。靜力作用下，屈服點(diǎn)比沸騰鋼稍高。沸騰鋼易存在硫偏析，焊接構(gòu)造中硫偏析可能引起熱裂紋。因此歐洲一些國家規(guī)定：當(dāng)不能避開在偏析區(qū)施焊時(shí)，不應(yīng)承受非冷靜鋼。英國焊接構(gòu)造規(guī)定都用冷靜鋼或半冷靜鋼，沸騰鋼只能用于厚5mm以下個(gè)別狀況。半冷靜鋼是介于沸騰鋼和冷靜鋼之間的鋼材。性能比沸騰鋼好，價(jià)格比冷靜鋼廉價(jià)。《碳素構(gòu)造鋼》〔GB700-88〕規(guī)定：沸騰鋼含硅量不超過0.07％，實(shí)際上常低于0.12％～0.30％間，實(shí)際下限常在0.17%，0.10%～0.12％。GB700-884C級(jí)必需是冷靜鋼。對(duì)沖擊韌性〔尤其是低溫沖擊韌性〕要求高的重要構(gòu)造，如寒冷地區(qū)的露天構(gòu)造，鋼材宜用以硅脫氧后再用鋁補(bǔ)充脫氧的特別冷靜Q235D鋼，即屬于特別冷靜鋼，要求含0.015〔0.02％求-20oC或-40oC沖擊韌性者，也有類似要求。低的冷脆傾向性和時(shí)效傾向性。冶金工廠承載運(yùn)轉(zhuǎn)特別繁重的硬鉤吊車的吊車梁，承受這種鋼用鋁脫氧也使鋼材本錢進(jìn)一步提高。圖1.4給出化學(xué)成分〔除硅外〕格外接近的冷靜鋼板和沸騰鋼板沖擊韌性0.20％〔鋼液化驗(yàn)的數(shù)字，鋼0.23110m-60oC218mm，為沸騰鋼，它的脆性轉(zhuǎn)變溫度為-10oC。5高強(qiáng)度低合金鋼一般都是冷靜鋼，我國過去的一般低合金構(gòu)造GB1591-8818鈮。鋼的軋制輥軋是型鋼和鋼板成型的工序，給鋼材組織和性能很大影響。輥軋有熱軋和冷軋之分，以前者為主。冷軋只用于生產(chǎn)小號(hào)型鋼和薄板。熱軋可以破壞鋼錠的鑄造組織，細(xì)化鋼材的晶粒〔1.，并消退顯微組織的缺陷。澆注時(shí)形成的氣泡、裂紋和疏松，可在高溫順壓力作用下焊合。經(jīng)過熱軋后，鋼材組織密實(shí)，力學(xué)性能得到改善。這種改善主要表達(dá)在沿軋制方向上，從而使鋼材在肯定程度上不再是各向同性體。經(jīng)過軋制之后，鋼材內(nèi)部的非金屬夾雜物〔主〕被壓成薄片，消滅分層〔夾層〕現(xiàn)象。分層使鋼材沿厚度方向受拉的性能大大惡化，并且有可能在焊縫收縮時(shí)消滅層間撕裂〔1.6。焊縫收縮誘發(fā)的局部應(yīng)變時(shí)常到達(dá)屈服點(diǎn)應(yīng)變的數(shù)倍，比荷載引起的應(yīng)變大得多。6對(duì)于型鋼和扁鋼，軋制形成的非各向同性并不引起什么問題，由于它們總是沿軋方向受力的，對(duì)鋼板則有所不同，下料切成小塊因此鋼板拉力試驗(yàn)的試樣應(yīng)垂直于軋制方向切取〔1.。沖擊試驗(yàn)則只作縱向試樣。實(shí)踐說明，熱軋鋼材厚度小者強(qiáng)度高于厚度大者，而且塑性及沖擊韌性也比較好。因此鋼材的機(jī)械性能要按厚度分級(jí)。如Q235鋼只是在厚度不超過16mm235N/mm2l6mm時(shí)軋制的壓縮比大。厚度很大的鋼材，壓縮比過小，內(nèi)部組織不如壓縮比大的鋼材，機(jī)械性能較差，尤其是沖擊韌性差異最為顯著。同一根熱軋型鋼的不同局部，因壓軋條件不同，機(jī)械性能也會(huì)有差異。軋制一般工字鋼的軋機(jī)只有兩個(gè)水平軋輥〔1.8成型時(shí)，腹板所受壓力大于翼緣，翼緣所受壓力和它內(nèi)側(cè)的斜度有7關(guān)。壓力不同，其結(jié)果是翼緣和腹板在組織上有差異，機(jī)械性能隨翼緣的應(yīng)力大于腹板，承載力量主要取決于翼緣的性能。因此，拉力試樣如能在翼緣上取樣，將更為合理，但翼緣內(nèi)側(cè)有坡度，不便做試樣。因此，我國目前規(guī)定，工字鋼和槽鋼拉力試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)1.9〔a，b。不過，沖擊韌性試樣從BS4360:1979規(guī)定：工字鋼拉伸試驗(yàn)可以在翼緣或腹板取樣，而沖擊試驗(yàn)則必需在翼緣取樣［1.9d。82個(gè)水平軋〔1.10要比一般工字鋼好得多。但由于厚度不同，翼緣和腹板的性能還會(huì)有差異。差異的幅度，不同的試驗(yàn)報(bào)告有一些出入。B.W.Young所得的結(jié)果是：翼緣的屈服點(diǎn)變動(dòng)在腹板屈服點(diǎn)的76％～98％之間D.J.L.Kennedy和M.G.Aly在分析寬翼緣工字鋼的統(tǒng)計(jì)參數(shù)時(shí)取翼緣屈服點(diǎn)為腹板的0.95。的鋼板而言，板的兩邊和空氣接觸的面積大，冷卻得快，中部則相反，在邊部已經(jīng)完全冷卻后還保持肯定溫度。這時(shí)，中部的收縮受到邊部的約束，形成拉應(yīng)力，而邊部則有與之相平衡的壓應(yīng)力。板的尺寸越大，冷卻后的應(yīng)力也越大。這種在沒有外力作用下內(nèi)部自相平衡的應(yīng)力叫做剩余應(yīng)力。各種截面的熱軋型鋼都有這類剩余應(yīng)力，隨截面形式和尺寸不同，剩余應(yīng)力的分布有所區(qū)分。一般工字9鋼翼緣厚而窄，冷卻得慢，最終呈現(xiàn)剩余拉應(yīng)力，而腹板大局部是冷卻最慢，其翼緣剩余應(yīng)力分布和極類似，但腹板兩邊受拉，分布圖形和一般工字鋼相像[1.11(c)]。一般地說，截面尺寸越大，剩余應(yīng)力也越大。剩余應(yīng)力雖然是自相平衡的，對(duì)鋼構(gòu)件在外力作用下的性能還是有肯定影響。如對(duì)變形、穩(wěn)定性、抗疲乏等方面都可能產(chǎn)生不利的作用。熱軋鋼材剩余應(yīng)力確實(shí)定值和屈服點(diǎn)無關(guān)，因此對(duì)屈服點(diǎn)高的鋼材來說，剩余應(yīng)力和屈服點(diǎn)的比值要小些。矯直和熱處理鋼材在熱軋成型之后往往需要矯直。矯正原有的彎曲，必需反彎至消滅塑性變形1.12所示寬翼緣工字鋼繞弱軸有原始彎曲，給以反彎曲時(shí)沿翼緣寬度的應(yīng)力分布如圖中折線ABCDE所示，AB和DE線彈性規(guī)律變化，即相當(dāng)于從ABCDE應(yīng)力圖中減去MCN應(yīng)力。10以上分析是按鋼材不存在初始剩余應(yīng)力的條件做出的。實(shí)際上，鋼材熱軋冷卻后存在剩余應(yīng)力，因此矯直后的剩余應(yīng)力應(yīng)是對(duì)原始剩余輥床調(diào)直和頂直。前法使整個(gè)桿長(zhǎng)原始剩余應(yīng)力都重分布，后法則重分布只發(fā)生在中部較短范圍內(nèi)。熱處理是改善鋼材性能的重要手段之一。建筑構(gòu)造用的鋼材，400N/mm2的低合金鋼常常要進(jìn)展調(diào)質(zhì)處理或正火處理。調(diào)質(zhì)熱處理包括淬火和高溫回火兩道工序。淬火時(shí)把鋼材加熱至900oC以上，保溫肯定時(shí)間．然后放入水或油中快速冷卻。淬火使鋼材的強(qiáng)度提高，但卻使塑性和韌性降低。500～650oC范圍內(nèi)進(jìn)行高溫回火，即升溫后保持一段時(shí)間，然后在空氣中冷卻?；鼗鹂蓮亩玫捷^好的綜合力學(xué)性能。國外屈服強(qiáng)度為550N/mm2以上的合金鋼，都經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理。正火是熱處理的另一種形式，把鋼材加熱至高于900oC后保持一段時(shí)目的在于改善鋼材的組織和細(xì)化晶粒。一般熱軋型鋼和鋼板以熱軋狀態(tài)交貨，實(shí)際上是軋后在空氣中冷卻11〔850o消滅帶狀組織，使鋼材各向異性。因此對(duì)質(zhì)量要求高的鋼材如橋梁鋼，需要另行正火處理，或是承受掌握軋制的方法來保證質(zhì)量。我國對(duì)屈服點(diǎn)不超過450N/mm2的高強(qiáng)度低合金鋼都規(guī)定以熱軋狀態(tài)是指熱處理狀態(tài)的。鋼材的勻質(zhì)和等向性一般認(rèn)為鋼材內(nèi)部組織比較接近于勻質(zhì)和各向同性體，所以鋼構(gòu)造的實(shí)際受力狀況和工程力學(xué)計(jì)算比較符合。明顯鋼材質(zhì)地均勻的程度比混凝土好，各向同性的程度比木材好。但是，這只是問題則還必需了解鋼材在勻質(zhì)和等向性方面有那些缺乏，才能擅長(zhǎng)使用鋼材。鋼材內(nèi)部化學(xué)元素的分布并不是完全均勻的。鋼錠的四周局部含碳較少，從周邊到中心碳漸漸增多，硫、磷等雜質(zhì)也聚攏在冷卻較慢的局部，形成偏析。沸騰鋼偏析比冷靜鋼嚴(yán)峻。由圖1.13所示鋼錠中硫的偏析，可見沸騰鋼偏析的嚴(yán)峻程度。偏析并不因軋制而有所改善。偏析嚴(yán)峻的鋼錠，軋制成材后偏析區(qū)的分布如圖1.14所示。沸騰鋼錠的偏析，頭部比底部嚴(yán)峻得多。因此軋成型鋼或鋼板的偏析程度和它來自鋼錠的那一局部有關(guān)。重要的焊接構(gòu)造，為了CaO的堿性焊條施焊，可以對(duì)焊縫的熔化金屬進(jìn)展脫硫，但這種焊條工藝性能比12較差，要求焊工具有較高的技術(shù)。型鋼截面上不同局部的屈服點(diǎn)有差異，是力學(xué)性質(zhì)上的一種非勻質(zhì)現(xiàn)象。H型鋼不僅翼緣和腹板的屈服點(diǎn)有差異，它的翼緣也并14％。前面說過，在翼緣上切取試樣確定屈服點(diǎn)比在腹板上取樣更能反映材料的實(shí)際性能。測(cè)出有代表性的力學(xué)性能的另一個(gè)方法是做型鋼短段的壓縮試驗(yàn)來測(cè)定它的平均屈服點(diǎn)。當(dāng)構(gòu)件受壓時(shí)，剩余壓應(yīng)力最大處將首先屈服，此后連續(xù)加壓，已屈服局部不再分擔(dān)更多的壓力，外力在截面上分布就不均勻了。鋼板的各向異性，表現(xiàn)在三個(gè)方向的受力性能。沿軋制方向力131.15給出一種鍋爐鋼板縱向和橫向沖擊韌性值的比照，差異格外明顯。鋼板假設(shè)有分層，則沿厚度方向性能最差。是否有分層，分層的狀況如何可以通過超聲波等探傷手段去提醒。用一般質(zhì)量的鋼軋成較厚的板，局部性的分層往往難于避開。因此，對(duì)于比較重要的構(gòu)造，一要對(duì)鋼材進(jìn)展探傷檢查，并限制局局部層的面積，二要在設(shè)計(jì)時(shí)留意避開垂直于板面受拉和名為Z向鋼。這種鋼材含硫量在0.01％以下，沿厚度方向受拉時(shí)表現(xiàn)較好的塑性，截面收縮率在15％以上。這種鋼能夠適用于荷載大而有動(dòng)力作用和氣象環(huán)境惡劣的構(gòu)造如海上采油平臺(tái)。我國已制訂國〔GBS313-85，適用于厚度為15~150mm500MPa標(biāo)準(zhǔn)要求鋼板滿足保證厚度方性能的補(bǔ)充規(guī)定，主要是含硫量的限制和厚度方向拉伸的斷面收縮率，并分為三種級(jí)別，1.1。表1.1 厚度方向性能鋼板的級(jí)別含硫量〔%〕級(jí)別〔不大于〕

斷面收縮率〔%，不小于三個(gè)試樣平均值 Z150.0101510Z250.0072520Z350.005353014而正確地生疏材料性能對(duì)于一個(gè)鋼構(gòu)造設(shè)計(jì)工作者卻是至關(guān)重要的。缺乏正確的生疏，有可能導(dǎo)致失敗的設(shè)計(jì)。加拿大一座倉庫的屋蓋塌落，有多方面的緣由。其中之一是設(shè)25%，而拉力試樣取自工字鋼的腹板。鋼構(gòu)造的建筑過程及其對(duì)構(gòu)件性能的影響鋼構(gòu)造的建筑過程型鋼加固構(gòu)件或構(gòu)體〔構(gòu)件的集合體，然后運(yùn)到工地安裝而成。工廠制造包括以下工序：鋼材的驗(yàn)收、整理和保管，包括必要的矯正。按施工圖放樣，做出樣板、樣桿，并據(jù)此劃線和下料?！惭娓睢层@孔和刨邊等項(xiàng)加工；非平直的零件則需通過煨彎和輥圓等工序來成型。〔輥平、頂平。把零件按圖裝配成構(gòu)件，并加以焊接〔鉚接。除銹和涂漆。工地安裝工作包括：現(xiàn)場(chǎng)的擴(kuò)大拼裝，即把工廠運(yùn)來的構(gòu)件〔或大構(gòu)件的一局部〕15集合成較大的構(gòu)件或構(gòu)體。〔體〕一一吊裝就位，相互連接，加以臨時(shí)固定。調(diào)整各局部的相對(duì)位置，使符合安裝精度的要求，并做最終固定。加工對(duì)鋼構(gòu)件性能的影響加工對(duì)鋼構(gòu)件性能的影響主要表現(xiàn)為兩類：其一是常溫下加工響，主要是焊接的影響，也有氧氣切割的影響。冷加工的影響〔1.16〕可見，當(dāng)材料經(jīng)受的塑性變形不大，如拉伸圖中的B點(diǎn)，則屈服點(diǎn)沒有提高，塑性和韌性只是稍C點(diǎn)，則屈服點(diǎn)將有所提高，而塑性及韌性則降低很大。塑性和韌性降低，屬于不利后果。〔GB50205-95〕對(duì)冷彎曲的曲1.1716中可以看出，沸騰鋼板人工時(shí)效使沖擊韌性降低的狀況。人工時(shí)效20250oC1-10oC上升鋼〔1.15，沖擊韌性雖有所降低，但脆性轉(zhuǎn)變溫度無大變化。鋼材的剪切和沖孔，使剪斷的邊緣和沖出的孔壁嚴(yán)峻硬化，甚至消滅微細(xì)裂紋。對(duì)于比較重要的構(gòu)造，剪斷處需要刨邊；沖孔只能用較小的沖頭，沖完再行擴(kuò)鉆。目的都是把硬化局部除掉，以免裂紋在肯定條件下擴(kuò)展。例如，焊接構(gòu)造的工地安裝孔，假設(shè)在沖200～450oC，使時(shí)效很快完成，孔壁裂紋就有擴(kuò)展危急。鋼板剪斷的邊緣假設(shè)以后還焊焊縫，可以不刨邊。由于硬化局部會(huì)受熱熔化。1.2所示冷彎型鋼，是用軋制好的薄鋼板加工彎成的。冷彎成型的方法有冷軋、模壓和無模壓彎。不管承受哪種方法，鋼板都1.18所示卷邊槽鋼，冷彎成型后彎角局部屈服點(diǎn)大幅度提高，抗拉強(qiáng)度也有所提高，但17局部屈服點(diǎn)沒有明顯提高。于構(gòu)件受力方向的，對(duì)構(gòu)件抗拉和抗壓性能的影響一樣。r/tKWKarren的爭(zhēng)論，圓角材料的屈服點(diǎn)由原來的fy提高到f bfye y

/(r/t)m 〔1.1〕bmfufy的比有關(guān)的系數(shù)：b3.69(fu

/f)0.819(fy

/f)21.79 〔1.2〕ym0.192(fu

/f)0.068 〔1.3〕y1.16fyfufy高的越多則應(yīng)變發(fā)生后fybm兩個(gè)系數(shù)都由比fu/fy確定。從以上論述可見，冷彎型鋼也是力學(xué)非勻質(zhì)的?？紤]到冷彎型鋼壁厚很小，允許承受較小的r/t值，因此屈服點(diǎn)提高幅度頗大，設(shè)計(jì)時(shí)在肯定條件下可以利用圓角強(qiáng)化的性能。如軸心受拉和軸心受18壓構(gòu)件，其屈服點(diǎn)可以取整個(gè)截面的加權(quán)平均值，即f cfyp ce

(1c)fy

〔1.4〕c是截面中圓角所占面積和整個(gè)面積的比。式〔1.1〕fu/fy1.2r/t7的狀況。同時(shí)，假設(shè)〔即平板局部先喪失局部穩(wěn)定圓角屈服點(diǎn)的提高。假設(shè)構(gòu)件是冷軋成型的，它的平板局部的屈服點(diǎn)也明顯提高，則式〔1.4〕的fy可以改用通過試驗(yàn)測(cè)定的平板局部平均屈服點(diǎn)。黑龍江省低溫建筑爭(zhēng)論所運(yùn)用塑性理論，得出圓角強(qiáng)化后屈服平均屈服點(diǎn)由下式給出： i f i

f

〔1.5〕yp

l

y y式中： 為成型方式系數(shù)，對(duì)于冷彎高頻焊〔圓變〕方、矩形管取 1.7，對(duì)于圓管和開口型鋼取 1.0；

u/f，對(duì)yQ2351.58161.48；l為型鋼截面中心線長(zhǎng)度，y可取型鋼截面積與其厚度的比值n為型鋼截面所含棱角數(shù)目 為ii個(gè)棱角所對(duì)應(yīng)的圓周角rad。90o圓角時(shí)，4i1

i 1，上式的提高系 簡(jiǎn)化為1(1210)tl假設(shè)t/l=1/80， 1.7， 1.58，則 1.13。

〔1.6〕公式〔1.5〕試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。國家標(biāo)準(zhǔn)《冷彎薄壁型鋼構(gòu)造19技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)〔GBJ18-87〕規(guī)定，計(jì)算全截面有效的受拉、受壓或受f”f。焊接和焰割的影響焊接，造成以下三種后果：焊縫金屬具有鑄造組織，不同于軋制鋼材。焊弧的高溫使鄰近焊縫的鋼材發(fā)生組織變化。。施焊時(shí)積存的金屬通常具有枝狀組織。當(dāng)用多層焊時(shí)，后一次用，保持積存時(shí)的鑄造組織。焊縫金屬在碳、氮、氧、氫的含量方面和軋制鋼材也有差異。碳含量稍低，而氮、氧、氫稍高。熔焊的金屬冷卻很快，和沸騰鋼可以降低氧的含量。另外，承受短弧焊、埋弧焊和氣體保護(hù)焊，使熔化金屬和空氣更好地隔離，可以不同程度地降低氮和氧的含量。物成分和吸取的水分。受潮的焊條必需烘干后才能使用，重要的構(gòu)造還要用低氫型焊條、E4316E5015，E5016，以避開消滅裂紋。20和注錠時(shí)類似，當(dāng)焊縫金屬冷卻比較緩慢時(shí)，氧和氫的含量就會(huì)削減200oC50mm36mm的低合金構(gòu)造鋼，在焊接時(shí)需要預(yù)熱，預(yù)熱溫度掌握在100～150oC。施焊后還應(yīng)進(jìn)展后熱，其溫度由試驗(yàn)確定。焊弧的熱量使主體金屬有一小局部熔化。鄰近熔化區(qū)受到高溫影響的局部叫做熱影響區(qū)。熱影響區(qū)是一個(gè)籠統(tǒng)的名稱，它包括幾1.19示意這1100oC以上，它的晶粒粗大，強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性降低，有時(shí)還會(huì)消滅韌性很低900～1000oC的區(qū)域，這一區(qū)域的力學(xué)性能很好，強(qiáng)度、塑性、韌性都較高。局部重結(jié)晶700～900oC的區(qū)域，這一區(qū)內(nèi)晶粒粗細(xì)不勻，因此力學(xué)性能不太好。承受電弧焊時(shí)，熱影響區(qū)的寬度并不大，總共不雖然熱影響區(qū)是焊接構(gòu)造中韌性較低的局部，但實(shí)際上構(gòu)造從這里開頭斷裂的并不很多。構(gòu)造的脆性斷裂往往是多種因素共同作21用的結(jié)果，而熱影響區(qū)通常沒有宏觀缺陷，而且焊接形成的剩余應(yīng)力在這一范圍內(nèi)比較低。假設(shè)熱影響區(qū)正好遇到分層，則狀況即有所不同。焊接剩余應(yīng)力的產(chǎn)生，可用以下的簡(jiǎn)潔模型來說明：三根同樣長(zhǎng)度的桿，端部由剛性構(gòu)件連在一起〔1.202T113。在冷卻過程中，中桿趨于縮短，但收縮傾向在很大程度上受到兩根邊桿的約束而不能實(shí)現(xiàn)，從而使它受到拉力。同時(shí)，中桿的收縮作用使邊桿受到壓力。明顯，對(duì)整個(gè)體系來說，拉力和壓力相互平衡。在兩板之間焊一條縱向焊縫〔圖1.21母材溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于較遠(yuǎn)局部，而且存在熱態(tài)塑性壓縮問題。圖1.21600oC以上的局部呈完全塑性。這局部在加熱時(shí)受到兩旁處在彈性狀態(tài)的材料的制約，得不到應(yīng)有的伸長(zhǎng)，也就是受到了熱態(tài)塑性壓縮。在焊后冷卻過程中，高溫的塑性壓縮局部趨向于縮得比原長(zhǎng)度要短一些。由于溫度梯度很大，而且存在局部性的塑性壓縮，冷卻后焊縫及其近旁的母材剩余拉應(yīng)力很高，常常到達(dá)材料的屈服點(diǎn)，甚至因熱效應(yīng)對(duì)材料性能的影響而比母材原有屈服點(diǎn)還高一些。焊接構(gòu)件的剩余應(yīng)力和熱軋構(gòu)件一樣，在整個(gè)截面上拉壓兩局部應(yīng)力自相平衡，不同的是焊接構(gòu)件在焊縫及其近旁的剩余拉應(yīng)力特別高。22由于有熱態(tài)塑性壓縮，焊接構(gòu)件除了剩余應(yīng)力外還存在剩余變1.21l的板在溫度降低到室溫后縮短l。在制造廠對(duì)焊接構(gòu)造的零件下料時(shí)，要考慮這種收縮而把材料適當(dāng)放長(zhǎng)。假設(shè)這兩塊板受到相連的剛性局部牽制而不能收縮，則整個(gè)構(gòu)〔1.22促使夾角減小。假設(shè)這種減小受到約束而不能實(shí)現(xiàn)，則焊縫的縱截面內(nèi)將消滅反作用剩余拉應(yīng)力，這種應(yīng)力有可能使焊縫消滅裂紋。鋼板時(shí)常用氧氣切割成需要的寬度，火焰切割的高溫順焊縫一樣造成剩余應(yīng)力和變形。兩縱邊用氧氣切割的鋼板，具有如圖1.23所示的剩余應(yīng)力圖形。這種板用作焊接工形梁的翼緣時(shí)，加焊角焊1.241.23相比變化不大。23制造和安裝的偏差對(duì)鋼構(gòu)造性能的影響鋼構(gòu)造的制造和安裝都允許有一點(diǎn)偏差，偏差的最大限度應(yīng)不1/100012mm，多節(jié)1/15005mm。柱子安〔初始傾斜10米以10mm，對(duì)更高的柱不超過H/100025mm〔圖1.25。其他如構(gòu)件的長(zhǎng)度，就位后的標(biāo)高等也都有所規(guī)定。24桿，實(shí)際上是既受壓又受彎。附加彎矩的消滅和增長(zhǎng)，稱為P效應(yīng)，它必定要使桿件承受壓力的力量受到損害。處在傾斜位置的柱子，在垂直于地面的壓力作用下產(chǎn)生傾復(fù)力矩使之進(jìn)一步傾斜。這種不利影響稱為P效應(yīng)。用很多桿件組裝而成的桿系構(gòu)造，當(dāng)為靜定構(gòu)造時(shí)，桿件長(zhǎng)度的允許偏差，只不過使構(gòu)造的外形稍有變化［圖1.2〔a。當(dāng)為超靜定構(gòu)造時(shí)，狀況就不同了。如圖1.27〔b〕的體系，假設(shè)AC桿有負(fù)偏差而其他桿都是正偏差，則安裝時(shí)實(shí)行措施強(qiáng)行組裝后，周邊各由于消滅在承受荷載之前，稱為初始內(nèi)力或剩余內(nèi)力。當(dāng)時(shí)始內(nèi)力和荷載引起的內(nèi)力同號(hào)時(shí)，將使承載力量降低。澳大利亞的學(xué)者對(duì)平板網(wǎng)架進(jìn)展模型試驗(yàn)爭(zhēng)論，測(cè)得一局部桿的初始內(nèi)力為桿所能承受的力的7%~12％，初始內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)偏心、螺栓連25接處的滑移等因素合在一起，使網(wǎng)架承載力量比理論計(jì)算值低13%～37％。超靜定次數(shù)越高，差距越大。這和傳統(tǒng)的概念“超靜定次數(shù)越多安全儲(chǔ)藏越大”正好相反，由此可見施工和構(gòu)造細(xì)節(jié)對(duì)構(gòu)造性能影響之大。提出必要的合理要求。外界作用對(duì)鋼構(gòu)造性能的影響外界作用包括鋼構(gòu)造建成后的使用荷載和大氣作用等。1.3.l多軸應(yīng)力的影響反之，在異號(hào)雙向應(yīng)力作用下，屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度降低，而延長(zhǎng)1.28給出單向拉伸和雙向應(yīng)力的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的比照。假設(shè)是三向受拉，塑性比雙向受拉進(jìn)一步降低，破壞將是脆性的。因此，三軸拉應(yīng)力對(duì)鋼構(gòu)造來說格外不利。加荷速率的影響構(gòu)造在動(dòng)力作用下，加荷速率有時(shí)很高。例如，在猛烈地震作261.6x10-2～10-1s-1。鋼材在快20oC左右的室ff.y u

的增大而提高，塑性變形力量卻并未下降，反而和強(qiáng)度一樣有所提高。圖1.29給出靜力和動(dòng)力荷載下鋼材本構(gòu)關(guān)系的比照。由圖可見，在動(dòng)力作用下鋼材開頭硬化的應(yīng)變

st

略有增大。s[1.19］給出這些物理量隨應(yīng)變速率變化的公式。對(duì)于屈服點(diǎn)等235MPa的鋼材，這些公式是f”/fy yf”/fu u

..1.3060.061log....1.1240.0414log” st”/

.3.0240.406log.st.1.0950.0217log.u u式中左端帶撇〔〕的符號(hào)屬于動(dòng)力加荷，不帶撇者屬于靜力加荷。.””/f . 1.245，f”/f . 1.083，” / . 2.618，”/ . 1073yyuuststuu

101s-1時(shí)，以上公式給出27建筑構(gòu)造鋼材在沖擊性的快速加載作用下保持良好的強(qiáng)度和塑性變形力量，從一些災(zāi)難性事故中得到證明：1945年美國紐約的帝國大廈