浅谈钢结构的小特点

　　一、钢结构的特点：

　　钢结构自重轻，抗震好，耐冲击，品质好，建造快；易锈蚀，耐火差。重要的是，钢结构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。

　　钢结构设计的关键是选择方案，其内容应包括钢结构的类型、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，这是由于钢结构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。钢结构所用结构钢材种类、性质的选择及确定又与钢结构的类型、体系、节点型式、连接方法以及结构所处的环境等相互关联。因此根据钢结构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、 钢结构的类型

　　钢结构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

　　钢结构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。

　　不同领域应用的钢结构常称为该领域的钢结构，如：建筑钢结构，桥梁钢结构，海洋钢结构等。由于应用领域、所处环境和使用要求的不同，各种钢结构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

　　钢结构的加工、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)轻型钢结构：厚度1.5-6mm的钢板和小圆钢、型钢组成的钢结构；

　　(2)普通钢结构：厚度约8-40mm的钢板和普通型钢组成的钢结构；

　　(3)重型钢结构：厚度介于40mm-100mm钢板和特大型号钢材组成的钢结构。

　　用厚度小于1.5mm的钢板制成的钢结构也可称为超轻型钢结构；厚度大于100mm钢板和特殊型号钢材组成的钢结构也可称为超重型钢结构。轻型、超轻型钢结构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，各种类型的钢结构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、按钢结构体系工作

　　(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、 钢结构破坏的性质、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y/γR，(γR为抗力分项系数)即：σeq≤[σ2x+σ2y+σ2z-(σxσy+σyσz+σzσx)+3(τxy+τyzτzx)]1/2≤y/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。