一、引言

     鋼結(jié)構(gòu)是用鋼材經(jīng)過(guò)加工、連接、安裝而建成的一種工程結(jié)構(gòu)，它需要承受各種可能的自然環(huán)境和人為環(huán)境作用，并應(yīng)滿足各種預(yù)定功能要求和具有足夠的可靠性及良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

     鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)自重輕，抗震好，耐沖擊，品質(zhì)好，建造快；易銹蝕，耐火差。重要的是，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)該精心設(shè)計(jì)和悉心施工，才能揚(yáng)長(zhǎng)避短，使所設(shè)計(jì)的構(gòu)筑物，建成后具有足夠的可靠性，并與其社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益取得最佳平衡。精心設(shè)計(jì)是根本，悉心施工是保證。

     鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵：是選擇方案，其內(nèi)容應(yīng)包括鋼結(jié)構(gòu)的類型、體系、節(jié)點(diǎn)型式、連接方法和鋼材種類、性質(zhì)的選擇及確定。其中，鋼材種類、性質(zhì)的選擇及確定具有十分重要意義，這是由于鋼結(jié)構(gòu)的上述特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)鋼材的強(qiáng)度高低，塑性大小，韌性好壞，銹蝕難易和耐熱強(qiáng)弱等的性質(zhì)密不可分。鋼結(jié)構(gòu)所用結(jié)構(gòu)鋼材種類、性質(zhì)的選擇及確定又與鋼結(jié)構(gòu)的類型、體系、節(jié)點(diǎn)型式、連接方法以及結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境等相互關(guān)聯(lián)。因此根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的特性選用與其相匹配的結(jié)構(gòu)鋼材的種類和性質(zhì)具有重要意義。

     二、 鋼結(jié)構(gòu)的類型

     鋼結(jié)構(gòu)可以考慮從不同角度進(jìn)行其分類，以下列出幾種：

     1、按應(yīng)用領(lǐng)域分類

     鋼結(jié)構(gòu)在許多工程建設(shè)領(lǐng)域都有應(yīng)用,并可將其分類列屬于：

     （1）建筑工程：工、農(nóng)業(yè)，民用、公共房屋，紀(jì)念性建筑物的支承骨架；
     （2）橋梁工程： 鐵路、公路橋，城市過(guò)街、立交橋等；
     （3）水利工程： 水工閘門，壓力鋼管，施工棧橋等；
     （4）海洋工程： 海洋石油平臺(tái)、設(shè)施，海底輸油管線等；
     （5）特種工程： 輸電、發(fā)射塔架，液、氣儲(chǔ)存罐及其輸送管線，大型起重機(jī)架等。

     不同領(lǐng)域應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)常稱為該領(lǐng)域的鋼結(jié)構(gòu)，如：建筑鋼結(jié)構(gòu)，橋梁鋼結(jié)構(gòu)，海洋鋼結(jié)構(gòu)等。由于應(yīng)用領(lǐng)域、所處環(huán)境和使用要求的不同，各種鋼結(jié)構(gòu)所受自然環(huán)境和人為環(huán)境的作用也有差異。其設(shè)計(jì)，施工和使用雖有所區(qū)別，但是其基本屬性和特征及其總的設(shè)計(jì)理念、原理、方法和所依據(jù)的理論基礎(chǔ)等均雷同。

     2、按所用鋼材規(guī)格分類

     鋼結(jié)構(gòu)的加工、制造、受力工作性能以及破壞形態(tài)等，除與其所用結(jié)構(gòu)鋼材種類、性質(zhì)等有關(guān)外，尚與所用鋼材的厚薄、規(guī)格有關(guān)，故尚可按其組成中所用主要鋼材的厚薄及規(guī)格（型號(hào)大�。┓譃椋�

     （1）輕型鋼結(jié)構(gòu)：厚度1.5～6mm的鋼板和小圓鋼、型鋼組成的鋼結(jié)構(gòu)；
     （2）普通鋼結(jié)構(gòu)：厚度約8～40mm的鋼板和普通型鋼組成的鋼結(jié)構(gòu)；
     （3）重型鋼結(jié)構(gòu)：厚度介于40mm～100mm鋼板和特大型號(hào)鋼材組成的鋼結(jié)構(gòu)。

     用厚度小于1.5mm的鋼板制成的鋼結(jié)構(gòu)也可稱為超輕型鋼結(jié)構(gòu)；厚度大于100mm鋼板和特殊型號(hào)鋼材組成的鋼結(jié)構(gòu)也可稱為超重型鋼結(jié)構(gòu)。輕型、超輕型鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和缺陷敏感性問題較為突出；重型鋼結(jié)中焊接殘余應(yīng)力、鋼板層狀撕裂以及疲勞和脆性斷裂等對(duì)其正常工作的影響較大。不言而喻，各種類型的鋼結(jié)構(gòu)除滿足其使用要求外，都必須具有足夠的可靠性，即安全性、適用性、耐久性和良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

     3、按鋼結(jié)構(gòu)體系工作特征分類

     （1）梁格結(jié)構(gòu)，受彎曲工作的梁組成的結(jié)構(gòu)；
     （2）剛架結(jié)構(gòu)，受壓（拉）、彎曲工作的直梁和直柱組成的框形結(jié)構(gòu)；
     （3）拱架結(jié)構(gòu)，單向曲形構(gòu)件組成的平面結(jié)構(gòu)；其截面受壓、彎和剪；
     （4）桁架結(jié)構(gòu)，主要受拉或壓的桿件組成的結(jié)構(gòu)；
     （5）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，主要受拉或壓的桿件組成的平面型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；
     （6）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，主要受拉或壓的桿件組成的曲面型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；
     （7）索桿結(jié)構(gòu)，張力索（或鏈桿）和受壓桿件組成的結(jié)構(gòu)；
     （8）拉索結(jié)構(gòu)，張拉索為主組成的結(jié)構(gòu)；
     （9）混合結(jié)構(gòu)，（1）～（7）中兩種及其以上結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)；
     （10）雜交結(jié)構(gòu)，（1）～（7）中兩種及其以上結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的新型結(jié)構(gòu)；
     （11）預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，對(duì)（1）～（10）施加有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)。

     上述結(jié)構(gòu)體系，通常在相同空間和環(huán)境條件作用下其結(jié)構(gòu)自重依次較輕,特別是對(duì)于大空間，復(fù)雜環(huán)境條件作用下的建筑物的支承結(jié)構(gòu),其自重的減輕程度更是這樣。這是因?yàn)�，受彎曲或壓—彎�?gòu)件的截面應(yīng)力不均勻,按邊緣最大應(yīng)力確定的截面,不能充分利用其材料強(qiáng)度性能；軸心受壓構(gòu)件的截面應(yīng)力均勻，可較充分利用其材料強(qiáng)度性能,但長(zhǎng)細(xì)比大時(shí),需考慮穩(wěn)定性問題；軸心受拉構(gòu)件不僅截面應(yīng)力均勻，而且不會(huì)失穩(wěn),可最充分利用其材料強(qiáng)度性能。

     三、 鋼結(jié)構(gòu)破壞的性質(zhì)、形態(tài)與防止對(duì)策

     1、結(jié)構(gòu)鋼材的兩種性質(zhì)的破壞：

     （1）伴有明顯不可恢復(fù)性的塑性變形的塑性破壞；
     （2）無(wú)明顯不可恢復(fù)性的塑性變形的脆性破壞。

     結(jié)構(gòu)鋼材的破壞性質(zhì)取決于鋼材本身的性質(zhì)及其所處的環(huán)境條件和受力狀況。一般結(jié)構(gòu)鋼材，在常溫、單向、一次、緩慢、或/和均勻拉伸的情況下，其破壞通常是塑性的；但是，在低溫、雙向（或三向）、多次、快速、或/和非均勻拉伸的情況下，其破壞常是脆性的。普通高強(qiáng)度鋼材的塑性、韌性較差，其破壞常是脆性的。特殊工藝處理的優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度鋼材的塑性、韌性好，通常情況下，其破壞常會(huì)是塑性的；但是，在特殊情況下，如脆性轉(zhuǎn)變溫度以下的低溫、雙向（或三向）、多次、快速、或/和非均勻拉伸下其破壞常是呈脆性的。

     2、 鋼構(gòu)件的破壞形態(tài)及其防止對(duì)策

     鋼構(gòu)件是由型鋼或/和鋼板經(jīng)過(guò)加工連接組成的，其破壞可發(fā)生在桿身或連接處，破壞性質(zhì)和形態(tài)與鋼材、連接方法、受力狀況等有關(guān)，起因可能是由于其截面幾何特性不能滿足受力要求，板件或連接受力超過(guò)其極限承載力而失效退出工作，致使鋼構(gòu)件或/和連接破壞，其破壞形態(tài)及其防止對(duì)策主要有：

     （1）強(qiáng)度破壞：因作用力或應(yīng)力超過(guò)構(gòu)件或/和連接最大極限承載能力或鋼材強(qiáng)度。

     主要防止對(duì)策：增大板件截面積，加強(qiáng)連接，選用較高強(qiáng)度鋼材，使其折算應(yīng)力σeq不大于鋼材的設(shè)計(jì)值ƒy/γR，（γR為抗力分項(xiàng)系數(shù)）即：σeq≤[σ2x+σ2y+σ2z-(σxσy+σyσz+σzσx)+3(τxy+τyzτzx)]1/2≤ƒy/γR（3.1）并使其連接具有足夠承載力。

     （2）喪失穩(wěn)定：因作用力達(dá)到或超出構(gòu)件臨界力，或者其部分板件所受壓力超過(guò)其臨界力失去穩(wěn)定退出工作，導(dǎo)致構(gòu)件喪失繼續(xù)承載的能力。

     主要防止對(duì)策：調(diào)整構(gòu)件截面幾何特性、邊界支承條件，減小板件的寬厚比、長(zhǎng)細(xì)比，使其名義應(yīng)力σnomin小于其臨界應(yīng)力設(shè)計(jì)值σcr/γR，即：σnomin≤σcr/γR   （3.2）

     （3）疲勞破壞：因構(gòu)件在荷載反復(fù)作用下，裂紋萌生、擴(kuò)展、以致失穩(wěn)擴(kuò)展使構(gòu)件失去承載力。

     主要防止對(duì)策：選用塑性、韌性好的鋼材,減小缺陷,減小應(yīng)力集中，降低應(yīng)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，最小作用應(yīng)力；β，C—疲勞特征參數(shù)；
     N—作用應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

     （4）脆斷破壞：因含裂紋（或類裂紋）性缺陷的構(gòu)件，在裂紋張開性拉應(yīng)力或復(fù)合應(yīng)力作用下，裂紋失穩(wěn)發(fā)展而發(fā)生破壞。

     主要防止對(duì)策：選用塑性、韌性好的鋼材,減小裂紋性缺陷、降低應(yīng)力水平，并使應(yīng)力強(qiáng)度因子K1不大于與鋼材的靜力或動(dòng)力斷裂韌性（K1C或K1d）：

     K1=Yσa1/2≤K1C（靜力）或K1d（動(dòng)力）                 （3.4）
     其中：σ—裂紋場(chǎng)應(yīng)力；a—裂紋長(zhǎng)度；Y—與裂紋有關(guān)的參數(shù)。

     （5）過(guò)大塑性變形：因構(gòu)件的過(guò)大不可恢復(fù)變形，導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生繼發(fā)性的上列（1）、（2）、（3）或      4類形態(tài)的可能破壞。

     主要防止對(duì)策：改善構(gòu)件的邊界及受力條件;增大構(gòu)件剛度或/和選用高強(qiáng)度鋼材。

     上列鋼構(gòu)件的破壞形態(tài)還與所選用結(jié)構(gòu)鋼材有關(guān)，其破壞性質(zhì)可能是塑性的或脆性的，這要取決于結(jié)構(gòu)所用鋼材的強(qiáng)度級(jí)別，質(zhì)量等級(jí)，品質(zhì)狀況；加工偏差、缺陷，焊接、裝配殘余應(yīng)力的大小和狀況；作用力的性質(zhì)是靜力、動(dòng)力、或沖擊性的,單次或多次反復(fù)作用的；作用應(yīng)力的高、低；是簡(jiǎn)單應(yīng)力或是復(fù)雜應(yīng)力；構(gòu)件所處環(huán)境好壞等。當(dāng)所用鋼材強(qiáng)度級(jí)別高、等級(jí)差、品質(zhì)次，類裂紋性缺陷及殘余應(yīng)力嚴(yán)重，承受有動(dòng)或沖擊荷載，且應(yīng)力水平較高、狀況復(fù)雜或/和構(gòu)件處于低溫惡劣環(huán)境時(shí)，其破壞常是脆性的；反之，在一般情況下，其破壞常是塑性的。

     鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先是保證結(jié)構(gòu)安全和防止其發(fā)生突然間的脆性破壞。

     3、鋼結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)

     鋼結(jié)構(gòu)是用鋼材經(jīng)過(guò)加工、連接、安裝組成的工程結(jié)構(gòu)。它是許多鋼構(gòu)件的組合成的工程結(jié)構(gòu)體系。它破壞的形態(tài)有以下幾方面的特點(diǎn)：

     （1）破壞部位：可在局部連接,節(jié)點(diǎn),構(gòu)件,或是由這些局部的破壞開始,逐步擴(kuò)展致使結(jié)構(gòu)的部分或總體毀壞倒塌；

     （2）破壞形態(tài)：其類別，基本上與鋼構(gòu)件的類似，但是，其破壞更具有結(jié)構(gòu)體系性的特征，即可能是局部性的，整體性的，或其相互影響發(fā)展為總體性的；

     （3）破壞性質(zhì)：可能是塑性的或脆性的；

     （4）破壞路徑：多樣；

     （5）破壞原因：是鋼材性能、品質(zhì)差；結(jié)構(gòu)類別、體系選擇、布置不當(dāng)；截面幾何特性、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、連接不合理；受力狀況復(fù)雜，結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖及受力分析錯(cuò)誤；制造、安裝偏差缺陷嚴(yán)重等復(fù)雜因素的單獨(dú)或綜合作用的結(jié)果；
     （6）破壞歷程：可能是逐漸擴(kuò)展性的或突發(fā)性的；

     （7）破壞后果：常較嚴(yán)重。

     鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先是保證結(jié)構(gòu)安全和防止其發(fā)生突然間的脆性破壞。

     4、各類型鋼結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)性破壞形態(tài)

     總體而論，各種類型鋼結(jié)構(gòu)的各種破壞形態(tài)都可能發(fā)生，但是，不同類型和不同環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)，通常發(fā)生的主導(dǎo)性破壞形態(tài)也有差別，例如：

     （1）輕型、超輕型鋼結(jié)構(gòu)： 強(qiáng)度破壞；局部，整體，或總體失穩(wěn)。

     （2）普通鋼結(jié)構(gòu)：強(qiáng)度破壞；局部，整體，或總體失穩(wěn)；疲勞破壞；過(guò)大塑性變形破壞。

     （3）重型鋼結(jié)構(gòu)：強(qiáng)度破壞；整體，或總體失穩(wěn)；斷裂破壞；疲勞破壞。

     此外，不同鋼結(jié)構(gòu)受力體系，其破壞形態(tài)、性質(zhì)、路徑和歷程也會(huì)有較大差異。一般正常工作情況下，梁格結(jié)構(gòu)的破壞常是逐漸擴(kuò)展性的、塑性的、部分的；張拉索桿、索網(wǎng)鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)等，如選用高強(qiáng)度、低韌性鋼材和設(shè)計(jì)時(shí)使結(jié)構(gòu)處于高應(yīng)力狀態(tài)，其破壞�？赡苁峭话l(fā)性的、脆性的,甚或整體或總體性的。

     四、 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)鋼材的選用

     1、結(jié)構(gòu)鋼材的主要物理力學(xué)性能與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

     屈服強(qiáng)度f(wàn)y：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中線彈性分析以及強(qiáng)度、穩(wěn)定性計(jì)算的限值標(biāo)準(zhǔn)。
     抗拉強(qiáng)度f(wàn)u：受拉破壞的極限。強(qiáng)屈比是衡量強(qiáng)度儲(chǔ)備的重要標(biāo)志。
     伸長(zhǎng)率δ5(δ10)：鋼材單向拉伸的塑性性質(zhì)表現(xiàn)。
     冷彎角α：鋼材彎曲擠壓時(shí)的塑性性質(zhì)表現(xiàn)，和對(duì)鋼材內(nèi)部缺陷的揭示。
     斷面收縮率ψ：鋼材復(fù)雜受力狀態(tài)下的塑性體現(xiàn)。
     沖擊韌性AK：鋼材破壞所需動(dòng)能的一種量度。
     斷裂韌性K1C：鋼材裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的一種限值。

     2、結(jié)構(gòu)鋼材的鋼種、牌號(hào)、強(qiáng)度級(jí)別、質(zhì)量等級(jí)：

     鋼種：碳素鋼，低合金鋼；普通鋼，優(yōu)質(zhì)鋼，特種工藝鋼（如TMPS）。
     牌號(hào)：由屈服強(qiáng)度字母Q、屈服強(qiáng)度數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)（A，B，C，D，E）、脫氧方法符號(hào)（F，B，Z，TZ）組成。
     強(qiáng)度級(jí)別：Q235， Q345， Q390， Q420…。
     質(zhì)量等級(jí)：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定交貨時(shí)，一般應(yīng)保證合格的性能如下：

     A級(jí)— fu， fy，δ5 (δ10) ，α； S ， P。
     B級(jí)— fu， fy，δ5 (δ10) ，α； C，S ， P， AK（+200C）。
     C級(jí)— fu， fy，δ5 (δ10) ，α； C，S ， P， AK（ 00C）。
     D級(jí)— fu， fy，δ5 (δ10) ，α； C，S ， P， AK（-200C）。
     E級(jí)— fu， fy，δ5 (δ10) ，α； C，S ， P， AK（-400C）。

     其它性能指標(biāo)要求，須由設(shè)計(jì)提出，并與供貨方協(xié)約確定。但是，要求的級(jí)別、等級(jí)越高，附加條件越多、越苛刻，則價(jià)格越貴。

     3、選用結(jié)構(gòu)鋼材性質(zhì)的基本原則：足夠可靠，滿足需要（防止因材質(zhì)差而脆斷破壞）工藝性能良好和價(jià)格低廉。

     4、結(jié)構(gòu)鋼材性質(zhì)選用須要考慮的主要因素：結(jié)構(gòu)重要性；結(jié)構(gòu)類型；連接方法；節(jié)點(diǎn)構(gòu)造；受力狀態(tài)；環(huán)境狀況。

     5、鋼結(jié)構(gòu)的鋼材選用

     （1）質(zhì)量等級(jí)的選擇

     一般非焊接的鋼結(jié)構(gòu)可選用A級(jí)鋼；
     焊接鋼結(jié)構(gòu)，靜載作用時(shí)應(yīng)選用B級(jí)鋼；
     焊接鋼結(jié)構(gòu)，動(dòng)載作用時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度，選用C，D，E級(jí)的或特級(jí)鋼，務(wù)必使鋼材的脆性轉(zhuǎn)換溫度低于結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度。
     對(duì)于有層狀撕裂受力的結(jié)構(gòu)部位的較厚鋼板，應(yīng)有抗層狀撕裂的要求。
     對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及受力狀況復(fù)雜、工作環(huán)境條件惡劣的重型焊接鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)提高對(duì)鋼材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。
     重要鋼結(jié)構(gòu)鋼材的質(zhì)量等級(jí)選擇宜提高。

     （2）強(qiáng)度等級(jí)的選用

     普通鋼結(jié)構(gòu)鋼材的強(qiáng)度等級(jí)常常選為Q235或 Q345；
     重型、超重型鋼結(jié)構(gòu)鋼材的強(qiáng)度等級(jí)可選為Q345，Q390，Q420或更高強(qiáng)度等級(jí)的特種鋼材；
     冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)，非焊接時(shí)可用A級(jí)，焊接時(shí)應(yīng)用B級(jí)鋼；一般可選用強(qiáng)度等級(jí)為Q235或Q345鋼；
     超輕型鋼結(jié)構(gòu)及用于屋面、墻面的壓型板的彩色涂層鋼板可選用強(qiáng)度等級(jí)與Q235或Q345相當(dāng)?shù)?a href='http://www.bestechina.com' target='_blank' title='鋼材'>鋼材；當(dāng)鎖縫連接時(shí)應(yīng)有良好的冷彎性能，必要時(shí)可補(bǔ)做多層卷筒壓扁無(wú)損傷合格試驗(yàn)；當(dāng)為壓扣連接時(shí)宜選較高強(qiáng)度級(jí)別和韌性好的鋼材。

     五、 結(jié)束語(yǔ)

     鋼結(jié)構(gòu)自重輕，抗震好，耐沖擊等優(yōu)良品質(zhì)的展現(xiàn)，在于正確設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用，而設(shè)計(jì)方案的選擇是其根本；根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、所處環(huán)境、施工條件，選擇鋼材品種、牌號(hào)，對(duì)保證結(jié)構(gòu)正常工作，防止脆性破壞，減輕結(jié)構(gòu)自重和降低結(jié)構(gòu)造價(jià)具有重要作用。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用鋼材牌號(hào)的關(guān)鍵是，把握使其強(qiáng)度級(jí)別足夠、質(zhì)量等級(jí)適當(dāng)、具有良好的塑性和韌性且價(jià)格較低，即使其性價(jià)比最優(yōu)。