钢结构课件1

第一节 概论

钢结构在国民经济建设的应用范围很广 钢结构的优点：

1、钢结构的抗拉、抗压、抗剪强度相对来说较高，钢结构构件结构断面小、自重轻。 2、钢结构结构有比较好的延性，抗震性能好。

3、钢结构占有面积(或称为结构平面密度)小，实际上是增加了使用面积。

4、钢结构制作简便，施工工期短且易于加固、改建和拆迁，是环保型建筑，可以重复利用。 5、钢结构的材质均匀性好，可靠性高。 钢结构的缺点：

1、耐锈蚀性差。新建造的钢结构一般隔一定时间要重新刷涂料，维护费用较高。 2、耐火性差。在火灾中，未加防护的钢结构一般只能维持20分钟左右。 分项工程检验批合格质量标准应符合下列规定： 1、主控项目必须符合规范合格质量标准的要求；

2、一般项目其检验结果应有80%及以上的检查点(值)符合本规范合格质量标准的要求，且最大值不应超过其允许偏差值的1.2倍。

3、质量检查记录、质量证明文件等资料应完整。

当钢结构工程施工质量不符合规范要求时，应按下列规定进行处理: 1、经返工重做或更换构(配)件的检验批，应重新进行验收；

2、经有资质的检测单位检测鉴定能够达到设计要求的检验批，应予以验收；

3、经有资质的检测单位检测鉴定达不到设计要求，但经原设计单位核算认可能够满足结构安全和使用功能的检验批，可予以验收；

4、经返修或加固处理的分项、分部工程，虽然改变外形尺寸但仍能满足安全使用要求，可按处理技术方案和协商文件进行验收；

5、通过返修或加固处理仍不能满足安全使用要求的钢结构分部工程，严禁验收。 钢结构检测的分类 在建钢结构检测

1、在钢结构材料检查或施工验收过程中需了解质量状况 2、对施工质量或材料质量有怀疑或者争议

3、对工程事故，需要通过检测，分析事故原因以及对钢结构结构可靠性的影响。 既有钢结构的检测

1、钢结构的安全性鉴定 2、钢结构的抗震鉴定 3、大修前的可靠性鉴定

4、建筑改变使用用途、改造、加层、扩建前的鉴定 5、受到灾害、环境腐蚀等影响的鉴定 6、对钢结构的可靠性产生怀疑或争议时。 检测工作程序 1、接受委托 2、现场调查 3、制定检测方案

4、确定检测方案、签订检测合同 5、确定仪器设备状况

6、现场检测（如需要进行补充检测） 7、计算与结果评价 8、检测报告

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

第二节 钢材的力学性能

1、钢结构对材料性能的要求

钢结构对材料性能的要求是多方面的 (1)强度

钢材的强度指标有比例极限σp、弹性极限σe、屈服点fy和抗拉强度fu。前三个指标实际上可以用屈服点fy作为代表，设计时认为这是钢材可以达到的最大应力，抗拉强度fu是钢材破坏前能够承受的最大拉应力，虽然在达到这个应力时，钢材已由于产生多大的塑性变形而失去使用性能，但抗拉强度高则可增加结构的安全保障，故fu/fy的值可以看做是钢材强度储备的一个系数。 (2)塑性

塑性一般指钢材受力屈服后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。衡量钢材塑性好坏的主要指标是伸长率δ和断面收缩率ψ。 (3)冷弯性能

冷弯性能是钢材在冷加工产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。冷弯性能指标：冷弯试验通过冷弯冲头加压，当试件弯曲至某一规定角度α时检查弯曲部分的外面、里面、侧面，如无裂纹、裂断、分层等即合格。 (4)另外，还有韧性、可焊性、耐久性、沿板厚度方向的性能等 2、影响钢材力学性能的因素 化学成分的影响

钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。 结构用钢的基本元素是铁（Fe），约占99％ 有益的元素有：碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等，

合金元素，如镍Ni、铬Cr、铜Cu、钒V、钼M0、铝Al、钛Ti等 有害元素有：硫（s）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等，它在冶炼中不易除尽 （1）碳（C）：碳的含量提高，钢材的屈服强度和抗拉极限强度提高，但塑性和韧性、特别是低温冲击韧性下降。钢材的可焊性、疲劳强度和冷弯性能也会下降。

（2）硫（S）氧（O） ：有害元素，使钢材“热脆”。 （3）磷（P）氮（N） ：有害元素，使钢材“冷脆”。 3、钢材力学性能的检验

对于下列情况之一的钢材，应进行抽样复验，复验结果应符合现行国家产品标准和设计要求。 a. 国外进口钢材； b. 钢材混批；

c. 板厚等于或大于40mm 且设计有Z向性能要求的厚板；

d．建筑结构安全等级为一级大跨度钢结构中主要受力构件所采用的钢材； e．设计有复验要求的钢材； f．对质量有疑义的钢材；

钢材的表面外观质量除应符合国家现行有关标准的规定外尚应符合下列规定:

a. 当钢材的表面有锈蚀麻点或划痕等缺陷时，其深度不得大于该钢材厚度负允许偏差值的1/2；

b. 钢材表面的锈蚀等级应符合现行国家标准涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级GB 8923 规定的C 级及C 级以上； c. 钢材端边或断口处不应有分层夹渣等缺陷； （1）钢材试样制备 取样的一般规定

取样在产品不同位置取样时，力学性能会有差异。应该依据《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》GB/T 2975 附录A规定的位置取样，则认为具有代表性。 取样位置

需要注意的是，应在钢产品表面切取弯曲样坯，弯曲试样应至少保留一个表面，当机加工和试验机能力允许时，应制备全截面或全厚度弯曲试样。当要求取一个以上试样时，可在规定位置相邻处取样。

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

要求记忆的是常用的型钢和钢板的取样位置

抽样数量

钢材应成批验收，每一批由同一牌号、同一炉号、同一质量等级的、同一品种、同一尺寸、同一交货状态的钢材组成，每批重量应不大于60t。一般每一检验批，拉伸、冷弯取样数量为一个，冲击试验取样数量为3个。 （2） 拉伸试验 伸长率

原始标距的伸长与原始标距（Lo）之比的百分率。 断后伸长率（A） 总伸长率（At）

最大力总伸长率（Agt） 最大力非比例伸长率（Ag）

断面收缩率（Z）断裂后试样横截面积的最大缩减量（So—Su）与原始横截面积（So）之比的百分率。 屈服强度

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性发生而力不增加的应力点，应区分上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。

规定非比例延伸强度

非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力。使用的符号应符以下脚注说明所规定的百分率，例如RP0.2，表示规定非比例延伸率为0.2%时的应力。 试验仪器要求

试验机应按照GB/T16825进行检验，并应为1级或优于1级准确度。

测定上屈服强度、下屈服强度、屈服点延伸率、规定非比例延伸强度、规定总延伸强度、规定残余延伸强度，以及规定残余延伸强度的验证试验，应使用不劣于1级准确度的引伸计；

测定其他具有较大延伸率的性能，例如抗拉强度、最大力总延伸率和最大力非比例延伸率、断裂总伸长率，以及断后伸长率，应使用不劣于2级准确度的引伸计。 屈服强度的测定。

仲裁试验采用图解方法：试验时记录力-延伸曲线或力-位移曲线。从曲线图读取力首次降前的最大力和不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小力或屈服平台的恒定力。将其分别除以试样原始横截面积（So）得到上屈服强度和下屈服强度。 指针方法：试验时，读取测力度盘指针首次回转前指示的最大力和不计初始瞬时效应时屈服阶段中指示的最小力或首次停止转动指示的恒定力。将其分别除以试样原始横截面积（So）得到上屈服强度和下屈服强度。 抗拉强度(Rm)的测定

采用图解方法或指针方法测定抗拉强度。对于呈现明显屈服（不连续屈服）现象的金属材料，从记录的力-延伸或力-位移曲线图，或从测力度盘，读取过了屈服阶段之后的最大力（见图8-18）；对于呈现无明显屈服（连续屈服）现象的金属材料，从记录的力-延伸或力-位移曲线图，或从测力度盘，读取试验过程中的最大力。最大力除以试样原始横截面积(So)得到抗拉强度。 断面收缩率（Z）的测定

对于圆形横截面试样，在缩颈最小处相互垂直方向测量直径，取其算术平均值计算最小横截面积；对于矩形横截面试样，测量缩颈处的最大宽度和最小厚度，两者之乘积为断后最小横截面积。原始横截面积(So)与断后最小横截面积(Su)之差除以原始横截面积的百分率得到断面收缩率。 断后伸长率（A）测定

将试样断裂的部分仔细地配接在一起使其轴线处于同一直线上，并采取特别措施确保试样断裂部分适当接触后测量试样断后标距。应使用分辨率力优于0.1mm的量具或测量装置测定断后标距（LU），准确到±0.25mm。原则上只有断裂处与最接近的标距标记的距离不小于原始标距的三分之一情况方为有效。但断后伸长率大于或等于规定值，不管断裂位置处于何处测量均为有效。 （3）冷弯试验

制样时保留一侧原表面。弯曲试验时试样保留的原表面应位于受拉变形一侧。 试验结果评定

应按照相关产品标准的要求评定弯曲试验结果。如未规定具体要求，弯曲试验后试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹应评定为合格。

相关产品标准规定的弯曲角度认作为最小值，规定的弯曲半径认作为最大值。 （4）冲击试验

冲击试验的主要用途如下：

a）评价材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性。缺口造成应力集中，承受冲击能量的能力变差。由于不同材料对缺口的敏感程度不同，用拉伸试验中测定的强度和塑性指标往往不能评定材料对缺口是否敏感。

b）通过冲击吸收能量和对试样进行断口分析，可显示材料的夹渣、偏析、白点、裂纹以及非金属夹杂物等冶金缺陷；也可检查过热、过烧、焊接、热处理等热加工缺陷。 c）评定材料在高、低温条件下的韧脆转变特性。

摆锤刀刃半径应为2mm和8mm两种。用符号的下标数字表示：KV2或KV8。

对于低能量的冲击试验，一些材料用2mm和8mm摆锤刀刃试验测定的结果有明显不同，2mm摆锤刀刃的结果可能高

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

于8mm摆锤刀刃的结果。 试验机能力范围

试样吸收能量K不应超过实际初始势能KP的80%，如果试样吸收能超过此值，在试验报告中应报告为近似值并注明超过试验机能力的80%。建议试样吸收能量K的下限应不低于试验机最小分辨力的25倍。 制样要求

对缺口的制备应仔细，以保证缺口根部处没有影响吸收能的加工痕迹。缺口对称面应垂直于试样纵向轴线。 V型缺口应有45°夹角，其深度为2mm，底部曲率半径为0.25mm U型缺口深度应为2mm或5mm（除非另有规定），底部曲率半径为1mm。

试样标记应远离缺口，不应标在与支座、砧座或摆锤刀刃接触的面上。试样标记应避免塑性变形和表面不连续性对冲击吸收能量的影响。 试验结果

试样未完全断裂

对于试样试验后没有完全断裂，可以报出冲击吸收能量，或与完全断裂后试样结果平均后报出。由于试验机打击能量不足，试样未完全断开，吸收能量不能确定，试验报告应注明用×J的试验机试验，试样未断开。 试样卡锤

如果试样卡在试验机上，试验结果无效，应彻底检查试验机。

如断裂后检查显示出试样标记是在明显的变形部位，试验结果可能不代表材料的性能，应在试验报告中注明。 (5) 洛氏硬度试验

洛氏硬度试验是采用测量压痕深度的方法来表示材料的硬度。

将压头（120°金刚石圆锥体或一定直径的硬质合金球）分两个步骤压入试样表面，经规定保持时间后，卸除主试验力F1，测量初试验力下的压痕深度h。 试样

试样的表面应平坦光滑，并且不应有氧化皮及外界污物，尤其不应有油脂。一般试样表面粗糙度Ra应不大于0.8μm 对于用金刚石圆锥压头进行的试验，试样或试验层厚度至少应为残余压痕深度的10倍；对于用球压头进行的试验，试样或试验层厚度至少应为残余压痕深度的15倍。

在洛氏硬度试验中，用A、C和D标尺测定硬度时，使用金刚石圆锥压头，在进行B、F、G和E、H、K标尺试验时，分别使用直径1.588mm和3.175mm的硬质合金球。

HRB常用于测定低合金钢、软合金、铜合金、铝合金及可锻铁等中、低硬度材料。

HRC主要用于测定一般钢材、硬度较高的铸件、珠光体可锻铁及淬火+回火的合金钢等硬度。 压痕间距

在洛氏硬度试验中，应按规定要求适当保持压痕之间的距离。两压痕中心间距离至少应为压痕直径的4倍，并且不应小于2mm；任一压痕中心距试样边缘距离至少应为压痕直径的2.5倍，并且不应小于1mm。

如无其他规定，每个试样上的试验点数不少于4点，第一点不计。对于大批量试样的检验，点数可以适当减少。 1、焊缝常见的缺陷

（1）气孔：是指在焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而形成的空穴。

产生气孔的主要原因有：坡口边缘不清洁，有水份、油污和锈迹；焊条或焊剂未按规定进行焙烘，焊芯锈蚀或药皮变质、剥落等。

预防产生气孔的办法是：选择合适的焊接电流和焊接速度，认真清理坡口边缘水份、油污和锈迹。严格按规定保管、清理和焙烘焊接材料。不使用变质焊条

（2）夹渣： 夹渣就是残留在焊缝中的熔渣。夹渣也会降低焊缝的强度和致密性。

产生夹渣的原因主要是焊缝边缘有氧割或碳弧气刨残留的熔渣；坡口角度或焊接电流太小，或焊接速度过快。

防止产生夹渣的措施是：正确选取坡口尺寸，认真清理坡口边缘，选用合适的焊接电流和焊接速度，运条摆动要适当。多层焊每一焊层都要认真清理焊渣。

（3）咬边： 焊缝边缘留下的凹陷，称为咬边。

产生咬边的原因：是由于焊接电流过大、运条速度快、电弧拉得太长或焊条角度不当等。

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

防止产生咬边的办法是：选择合适的焊接电流和运条手法，随时注意控制焊条角度和电弧长度；埋弧焊工艺参数要合适，特别要注意焊接速度不宜过高

（4）未焊透、未熔合：焊接时，接头根部未完全熔透的现象，称为未焊透；在焊件与焊缝金属或焊缝层间有局部未熔透现象，称为未熔合。未焊透或未熔合是一种比较严重的缺陷，由于未焊透或未熔合，焊缝会出现间断或突变，焊缝强度大大降低 。

未焊透和未熔合的产生原因是焊件装配间隙或坡口角度太小、钝边太厚、焊条直径太大、电流过小、速度太快及电弧过长等。焊件坡口表面氧化膜、油污等没有清除干净，或在焊接时该处流入熔渣妨碍了金属之间的熔合或运条手法不当，电弧偏在坡口一边等原因，都会造成边缘不熔合。

防止未焊透或未熔合的方法是正确选取坡口尺寸，合理选用焊接电流和速度，坡口表面氧化皮和油污要清除干净；封底焊清根要彻底，运条摆动要适当，密切注意坡口两侧的熔合情况。

（5）裂纹：焊接裂纹是一种非常严重的缺陷。焊接裂纹有热裂纹、冷裂纹。焊缝金属由液态到固态的结晶过程中产生的裂纹称为热裂纹，其特征是焊后立即可见，且多发生在焊缝中心，沿焊缝长度方向分布。焊缝金属在冷却过程或冷却以后，在母材或母材与焊缝交界的熔合线上产生的裂纹称为冷裂纹。这类裂纹有可能在焊后立即出现，也有可能在焊后几小时、几天甚至更长时间才出现。

防止产生热裂纹的措施是：一要严格控制焊接工艺参数，减慢冷却速度，适当提高焊缝形状系数，尽可能采用小电流多层多道焊，以避免焊缝中心产生裂纹；二是认真执行工艺规程，选取合理的焊接程序。 防止产生冷裂纹的措施有：

1)选用低氢型焊条，减少焊缝中扩散氢的含量；

2)严格遵守焊接材料(焊条、焊剂)的保管、烘焙、使用制度，谨防受潮； 3)仔细清理坡口边缘的油污、水份和锈迹，减少氢的来源；

4)根据材料等级、碳当量、构件厚度、施焊环境等，选择合理的焊接工艺参数和线能量，如焊前预热、焊后缓冷，采取多层多道焊接，控制一定的层间温度等；

5)紧急后热处理，以去氢、消除内应力和淬硬组织回火，改善接头韧性； 6)采用合理的施焊程序，采用分段退焊法等，以减少焊接应力。 （6）其他缺陷

焊接中还常见到一些焊瘤、弧坑及焊缝外形尺寸和形状上的缺陷。

产生焊瘤的主要原因是运条不均，造成熔池温度过高，液态金属凝固缓慢下坠，因而在焊缝表面形成金属瘤。 产生弧坑的原因是熄弧时间过短，或焊接突然中断，或焊接薄板时电流过大等。

防止产生焊瘤的主要措施严格控制熔池温度，防止产生弧坑的主要措施是在手工焊收弧时，焊条应作短时间停留或作几次环形运条。

2、焊缝缺陷的检测方法

（1）目视检测：在焊缝清理完毕后进行，应包括焊缝的外观质量、焊缝尺寸等内容。可使用放大镜。 焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷，一、二级焊缝不得有表面气孔、夹渣、弧坑裂纹、电弧擦伤等缺陷。 （2）无损检测：当外观质量检查有疑义时，采用渗透或磁粉探伤。

外观质量检查合格，对设计要求全焊透的一、二级焊缝应采用超声波进行内部缺陷的检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤。

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

（3）无损检测的人员要求

检测人员应经过培训取得上岗资格，从事钢结构无损检测的人员应达到《无损检测 人员资格鉴定与认证》GB/T9445所规定的要求，取得相应的检测资格证书。

从事钢结构无损检测的人员，视力必须满足下列要求：

1 每年应检查一次视力，无论是否经过矫正，在不小于300mm距离处，一只眼或两只眼的近视力应能读出Times New Roman4.5。

2 从事磁粉、渗透检测的人员，不得有色盲。 现场检测工作应由两名或两名以上检测人员承担。 3、超声波物理基础 (1)超声波的概念

声波是指人耳能感受到的一种机械波，其频率范围为16Hz~2KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于2KHz则称为超声波。一般把频率在2KHz到25MHz范围的声波叫做超声波。 其必要条件是要有振动源和能传递机械振动的弹性介质（气体、液体和固体），它能透入物体内部并可以在物体中传播。 超声波具有如下特性：

1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2）超声波可传递很强的能量。

3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

纵波 （Longitudional Wave，简称L波，又称作压缩波、疏密波） 纵波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向相同.

横波（Shear Wave，简称S波，又称作Transverse wave，简称T波，也称为切变波或剪切波），横波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向垂直。

(2)波速:超声波在介质中的传播速度C C=λ·f。

在不同介质中以及不同的超声波波型具有不同的传播速度。波型相同，在同一介质中波速是常数。（温度相同时） (3)超声波的反射与折射特性

在弹性介质中传播的超声波遇到异质界面时会发生反射与折射，并有波型转换发生。 sinα/C1=sinβ/C2

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

(4)超声波的衰减特性 扩散衰减 吸收衰减。

(5)超声场:超声波所占的空间称为超声场.

(6)超声场的特征值

超声场具有一定的空间大小和形状，只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现。描述超声场的特征植（即物理量）主要有声压、声强和声阻抗。 声压P

超声场中某一点在某一时刻所具有的压强P1与没有超声波存在时的静态压强P0之差，称为该点的声压，用P表示（P = P1 - P0）。 声阻抗Z

超声场中任一点的声压P与该处质点振动速度u之比称为声阻抗，常用Z表示。Z = P / u

同一声压下，Z增加，质点的振动速度下降。因此声阻抗Z可理解为介质对质点振动的阻碍作用。 声强I

单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强，常用I表示。 I = Z u2/2

声波的声强与频率平方成正比，而超声波的频率远大于可闻声波。因此超声波的声强也远大于可闻声波的声强。这是超声波能用于探伤的重要原因。

在同一介质中，超声波的声强与声压的平方成正比。 （7）分贝

由于在生产和科学实验中，所遇到的声强数量级往往相差悬殊，如引起听觉的声强范围为10-16~10–4 瓦/厘米2，最大值与最小值相差12个数量级。

通常规定引起听觉的最弱声强为I1 = 10–16瓦/厘米2作为声强的标准，另一声强I2与标准声强I1 之比的常用对数称为声强级，单位是贝尔(BeL)。实际应用时贝尔太大，故常取1/10贝尔即分贝（dB）来作单位。

△= lg(I2/I1) (Bel)

=10lg(I2/I1) = 20lg(P2/P1) (dB)

在超声波探伤中，当超声波探伤仪的垂直线性较好时，仪器屏幕上的波高与声压成正比。这时有 △= 20lg(P2/P1) = 20lg(H2/H1) (dB)

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

山东舜泰工程检测鉴定有限公司

屏上一波高为80％，另一波高为20％，则前者比后者高 △ = 20lg(H2/H1) = 20 lg(80/20) = 12 （dB） （8） 脉冲反射法

超声波探伤仪的高频脉冲电路产生高频脉冲振荡电流施加到超声换能器（探头）中的压电晶体上，激发出超声波并传入被检工件，超声波在被检工件中传播时，若在声路上遇到缺陷时，将会在界面上产生反射，反射回波被探头接收转换成高频脉冲电信号输入探伤仪的接收放大电路，经过处理后在探伤仪的显示屏上显示出与回波声压大小成正比的回波波形，根据显示的回波幅度大小可以评估缺陷大小，显示屏上的水平扫描线（时基线）可以调整为与超声波在该介质中传播时间（距离）成正比然后就可以根据回波在显示屏水平扫描线上的位置判定缺陷在工件中的位置。

山东舜泰工程检测鉴定有限公司