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07. 学钢结构现场制造就这么简单.pdf8.4防止和减少焊接变形的控制
8.5防止钢结构损伤的工艺措方
9章钢结构件的装配与安装
SJZ 2067-1982 电子工业专用设备锻件通用技术要求第11章焊接应力与焊接接头的脆性断裂
11.1.4消除焊接残余应力的措施与方法..
1.2焊接接头的脆性断裂
11..2焊接接头的脆性断裂…
钢结构是指用钢材制造为主的一种结构形式，是现代建筑工程中的一 种建筑类型。其强度高、自重轻、刚度大、抗震性能好，所以非常适宜建 造大跨度、超高层和超重型的建筑物（图1.1、图1.2）。
图1.1国家体育场（“鸟巢”）就是典型的钢结构建筑
图1.2典型的工业厂房钢结构建筑
面就以建筑钢结构为侧重点，阐述其制造中的过程、方法和特
1.钢结构的分类 钢结构很难用单一的方法进行分类，下面介绍三种常用的分类方法 如图1.3所示。
1）按最终产品分类 可分为建筑钢结构、油罐类钢结构、船体钢结构、运输车体等，如 图14所示。
图1.4钢结构按最终产品分类
2）按制造钢结构所用的材料分类 主要分为两类，一类是碳素结构钢（如Q235系列钢），另一类是低合 金高强度结构钢（如Q345系列钢）。 碳素结构钢与低合金高强度结构钢可以从牌号上快速区分。在《碳系 结构钢》（GB/T700一2006）中，共有4种牌号，分别是Q195、Q215、 Q235和Q275。在《低合金高强度结构钢》（GB/T1591一2008）中，共有 8种牌号，分别是Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690 可见低合金高强度结构钢的屈服强度最低值是345MPa，而碳素结构钢的屈 服强度最高值是275MPa，因此，可以这样简单区分：屈服强度高于或等于 345MPa的为低合金高强度结构钢；低于345MPa的为碳素结构钢。 3）按结构的工作特征和结构的连接、设计分类 可分为梁、柱钢结构和架结构、壳体结构、运输装备结构等。 下面就以同一块钢板（1.8m×3m×30mm）在不同形式（或位置）受力 情况下的特性来进行说明。 （1）梁、柱钢结构。工作状态主要是在荷载N作用下，具有竖向弯 曲变形趋势或横向弯曲变形趋势的结构件称为梁，如图1.5所示；工作状 态主要是在荷载N作用下，具有被压缩变形趋势的结构件称为柱，如图1.6 所示。
图1.7为典型的工业建筑厂房结构形式，图片中给出了各构件具体的受 力特性。 （2）桁架结构。由多个杆件被节点连接，承担梁或柱的荷载，而杆件 主要工作在拉伸或压缩荷载下的结构称为桁架，如图1.8所示（桁架水平方 向使用称为桁架梁，竖直方向使用称为桁架柱）
图1.7典型的工业建筑厂房结构形式
假如我们把上面所说的那块同样体积的钢板轧制成薄钢板并卷制成钢 管，并按图1.8所示装配组合成一定的结构形式，则同样体积的钢材能建造 出承受更大面积荷载的结构（大跨度结构），也就是说，桁架结构在单位 面积上具有更轻的结构质量
图1.9所展示的是北京大学体育馆屋盖的桁架结构，可以看出，它所用 的钢材总质量不多，但覆盖面积很大，从中也可体现出钢材强度高、自重 轻、刚度大、抗震性能好的特性
1.9北京大学体育馆屋盖的桁架结构
在生产、生活中，输变电线路中的铁塔、大桥桥梁、无线电发射 于桁架结构（图1.10图1.12）
图1.10输变电线路中的铁塔 图
图1.12无线电发射塔
梁、柱结构和桁架结构是组成各类建筑钢结构的基础，如工业厂房的 钢结构（钢柱、吊车梁等）、屋面桁架、高层建筑钢框架结构、各种起重 机的金属吊杆结构等。建筑钢结构中的钢柱和桁架结构，通常是在静荷载 下工作，如钢柱和屋面桁架等。而起重机的吊杆桁架结构，包括桥梁和建 筑钢结构中的吊车梁，则是在交变荷载下工作，受气候环境与温度以及交 变荷载的影响，这类结构容易发生疲劳断裂和脆性断裂的破坏（图1.13~
图1.13高层建筑钢框架结构
图1.14门式起重机桁架梁
（3）壳体结构。它充分发挥了焊接钢结构密封性好的特点，也是应用 最为广泛的一种结构形式，包括压力容器、储罐等。这类结构大多用钢板 （或不锈钢）冷、热加工成形后焊接而成，要求焊缝致密性好。一些承受 内压或外压的结构一旦焊缝失效，将会造成人员伤亡和设备损毁等重大安
全事故（图1.16~图1.18）
全事故（图1.16~图1.18）
图1.15起重机吊杆
（4）运输装备结构。这类结构需承受高频度的动荷载，安全性能要求 高，比如汽车混凝土运输车、散粉料运输车等（图1.19、图1.20）。
图1.19混凝士运输车
图1.20散粉料运输车
1.1钢结构概述 7
3.钢结构的缺点及问题
（1）钢材耐腐蚀性差。钢材在湿度大、有侵蚀性介质的环境中易锈蚀， 截面厚度不断削弱，使结构受损，影响使用寿命，因而钢结构需要不断地 进行定期防护。 （2）钢结构耐热性能好，但耐火性能差。钢材随着温度升高，弹性模 量降低，导致钢材强度下降。在火灾中未加防护的钢结构一般只能维持很 短的时间。因此其表面需采取防火措施。实验证明，钢材从常温到150℃时， 性能改变不大，超过150℃后，强度和塑性变化都很大，到达600℃时，强 度几乎降至为零，完全失去了承载能力。一般常采用混凝土或砖将钢结构 受热区域包裹起来的办法来提高钢结构的耐火等级：还可涂防火涂层，当 防火涂层厚度达到15mm时，耐火极限可达1.5h。 （3）钢结构一般都是采用焊接连接，焊接又会改变材料局部的性能， 使结构中的某处局部的性能与整体不一致。钢结构又是一个相对的整体， 因而刚度较大。刚度大又可导致局部的焊接应力、应力集中等现象有放大 趋势，容易产生微裂纹。这可导致钢结构的脆性断裂和疲劳、应力腐蚀等，
从而对破坏现象非常敏感。 （4）焊接还会出现焊接缺陷，虽然焊接缺陷大多数能够修复，但一旦 漏检或修复不当，就有可能带来严重的问题（缺陷处会提高结构的断裂行 为，降低结构的承载能力）。
1.1.2钢结构工程的生产程序
钢结构工程是一个系统工程，小到几吨，大到几万吨。虽然不同的工 程其制作环节的难易程度不同，但它们的生产流程是基本一致的。钢结构 的生产流程，主要包括原材料的进厂验收一原材料的复验一放样划线一切 割一对接一端铣一钻孔一冷、热加工成形一构件装配一焊接一焊缝探伤检 验一矫正（有时还需热处理）一表面处理及涂刷防腐油漆一构件包装一出 前的检验一构件发运等工序。 各道工序间衔接紧密，环环相扣，相互制约。前一道工序完成不好， 则会影响后一道工序的质量。其中，焊接是钢结构生产过程中十分重要的 生产环节之一，一旦焊接出现重大质量问题，则关系到整个结构体系的安 全运行。另外，焊接的工作量巨大，例如在一些管道工程建设中，焊接工 程量约占总工作量的1/3。钢结构的生产流程如表1.1所示
表1.1钢结构工程的一般生产流程
1.1钢结构概述 .9
10第1章认知钢结构
12第1章认知钢结构
1.1.3钢结构工程中常用的钢材类型及要求
1.钢结构中常用的钢材类型
钢结构中常用的钢材类型，主要有板材（中厚板、薄板），型材（角 钢、方形钢管、工字钢、槽钢、热轧H型钢、组焊H型钢），管材（无缝 管和螺旋管）和线材等（图1.21）。 其中，热轧H型钢是一种经济性断面型材，具有优良的力学性能和优 越的使用性能（且整根热轧H型钢的性能都比较均匀），是建造钢结构的主 要材料。热轧H型钢的应用对钢结构的发展起到了推动作用。
1.1钢结构概述13
H型钢较工字钢翼缘宽，侧向刚度大，抗弯能力强，翼缘两表面相互 平行，使结构的构造简便。与焊接H型钢相比，热轧H型钢能明显地省工、 省料，减少原材料、能源和人工的消耗，且残余应力低，外观和表面质量 好。两者在外观上的区别在于整根的热轧H型钢中间无接缝（焊缝），而焊 接H型钢中间可能有接缝（焊缝），焊接H型钢的外观和表面质量也稍差， 且残余应力较高。
2. 钢材类型的区分方式
图 1.21 钢材按外观来大致分类
钢材类型的区分一般是以钢材横断面的外形及钢材的外观形状来进行 分类的。 （1）断面外形为H形的称为H型钢。H型钢文分为两种：热轧H型 钢和组焊H型钢。其与工字钢显著的差别在于，H型钢的翼板厚度是等厚 的，呈平行状态。而工字钢则不然，其翼板厚度是渐变的，靠近腹板处的
3.常用钢材的表达方法与示例（参见表1.2）
（1）焊接钢管（镀锌或非镀锌）、铸铁管等管材，管径一般以公称直 径DN表示。 （2）无缝钢管、铜管、不锈钢管等管材，管径是以管外径×壁厚表示， （3）当设计均采用公称直径DN表示管径时，应有公称直径DN与相 立产品规格的对照表。 （4）其他钢材的表示方法（略）
表1.2常用钢材的表示方法与示例
16第1章认知钢结构
。1.2钢结构对钢材材料的要求
钢结构工程所使用的材料绝大部分为碳素结构钢和低合金高强度结构 钢，但对于有耐高温、耐腐蚀等特殊要求的结构，宜采用不锈钢或铜、铝 等有色金属。 建筑钢结构钢材必须有足够的强度，良好的塑性、韧性、耐疲劳性和 尤良的焊接性能，且易于冷、热加工成形，耐腐蚀性好。其采用时应有生 立厂出具的质量证明书，在入库前必须经过检查和验收。 国家标准《钢结构设计规范》（GB500172003）提出了对承重结构 的钢材应满足屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯试验指标和控制硫、磷 含量的保证要求，这些指标在建筑钢结构设计计算、施工制作和安全使用 中是十分必要的因素
钢材的机械性能一般是指钢材的力学性能。力学性能是选用钢材的主 要依据，其主要包括强度、塑性、冲击韧性和伸长率等。 强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形或断裂的能力。在工程上常 以屈服强度（如中国）和抗拉强度（美国等）作为强度的指标。屈服强度 和抗拉强度都是经过拉伸试验获得的。国家标准《金属材料拉伸试验第 部分：室温试验方法》（GB/T228.1一2010）规定了室温条件下进行金
属材料拉伸试验的方法和要求。拉伸试验还可以确定材料的屈服极限、强 度极限、伸长率和断面收缩率以及其他性能指标（图1.22）。 （1）屈服强度。在不可（塑性）变形开始出现时，金属材料单位截 面面积上的最低作用外力，定义为屈服强度或屈服点。它标志着金属对初 始塑性变形的抗力。 钢结构强度校核时根据荷载计算的应力，应小于材料的容许应力（在 中国即为屈服强度），则结构是安全的。因此屈服强度是作为强度计算和 确定结构尺寸最基本的参数（图1.23）：。 （2）抗拉强度。 它是钢材最大的均匀塑性变形的抗力指标，也是抵抗局部塑性变形的 能力指标。 除在某些压力容器等钢结构设计计算中，将抗拉强度作为重要的强度 指标考核外，在建筑钢结构中，还要规定抗拉强度的上、下限作为控制钢 材冶治金质量的一个手段。这么做的好处之一就是，规定了钢材抗拉强度的
应力α等于试样承受的载荷（F）除以试样的原始横截面面积（So），即α=F/So 应变等于试样的伸长量除以试样的原始标距长度（1。），即ε=△1/o （h)
上、下限，就可以使钢材与钢材之间，钢材与焊缝之间的强度较为接近， 满足结构具有等强度的要求，避免因钢材强度不均而产生过度的应力集中。 此外，控制抗拉强度范围还可以避免钢材的强度过高，而给冷加工和焊接 带来困难。 （3）断后伸长率（或称延伸率）它是钢材加工工艺性能的重要指标， 并显示钢材冶金质量的好坏。
在拉伸试验中，试样拉断后，标距的伸长部分与原始标距的 为断后伸长率，用符号（读作得耳塔）表示
式中，一一断后伸长率，%； li一一拉断试样对接后测出的标距长度，mm； lo一试样原始标距长度，mm。 司一材料的试样长短不同，测得的伸长率略有不同。短试样（标准试 详长度lo=100mm，直径do=20mm）测得的伸长率记作5，长试样（标准 试样长度lo=200mm，直径do=20mm）测得的伸长率记作10。 55与010的关系是05=（1.2～1.5）010。工程上常用的是55。建筑结构 钢要求8s应为16%～23%。钢的伸长率太低可能是钢的冶金质量不好所致； 申长率太高则可能引起钢的强度、韧性等其他性能的下降。随着钢的屈服 强度等级的提高，伸长率的指标可能有少许降低。 （4）冷弯试验。它是测定钢材变形能力的重要标志。它以试样在规定 的弯心直径下弯曲到一定角度不出现裂纹、裂断或分层等缺陷为合格标准。 在试验冷弯性能的同时，也可以检查钢的治金质量，在冷弯试验中，钢材 开始出现裂纹时的弯曲角度以及裂纹的扩张情况，显示了钢的抗裂能力， 在一定程度上反映出钢的韧性。 （5）冲击韧性。它是钢材抵抗脆性破坏的能力。钢结构发生脆性破坏 时的名义应力通常接近或低于钢材的屈服强度，甚至低于结构的设计应力。 因此只满足强度和塑性要求的钢材还不能防正脆性破环。为了保证钢结构 建筑物的安全，防止低应力脆性断裂，建筑结构钢还必须有良好的韧性。 自前关于钢材脆性破坏的试验方法已有数百种之多，缺口冲击试验是最简 便的检验钢材冲击韧性的实验方法，也是作为建筑结构钢验收、试验的项 且之一。
1.2.2碳、硅、锰、磷和硫对钢材的影响
钢材是铁碳合金，碳含量是决定钢材强度的主要因素。在《碳素结构 钢》（GB/T700一2006）中，规定碳素结构钢中碳的质量分数（即含碳量） 的范围是0.12%0.20%，属于低碳钢；在《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591一2008）中，规定Q345、Q390、Q420、Q460的碳的质量分数不大于 0.20%，0500、0550、Q620、0690的碳的质量分数不大于0.18%。结构
钢的含碳量低，主要作用是为了使其具有良好的塑性、韧性和一定的强度， 同时具有良好的加工工艺性能、焊接性能和冷变形成形性能。碳含量增加， 钢材的强度和硬度增大，塑性和冲击韧性下降，脆性增大，冷弯性能、焊 接性能变差。 硅在碳素结构钢中的含量不应超过0.4%，当其含量超过1%时，则使钢 的塑性和冲击韧性下降，冷脆性增大，可焊性、抗腐蚀性变差。加入少量硅 能提高钢的强度和硬度、韧性，能使钢脱氧，且有较好的耐热性、耐酸性。 锰可提高钢的强度和硬度，使钢脱氧去硫。锰在钢中是一种有益的元素 通常其含量<0.8%。少量锰可降低脆性，改善塑性、韧性，热加工性和焊接 性生能，含量较高时，会使钢的塑性和韧性下降，脆性增大，焊接性能变坏。 磷是有害元素，降低钢的塑性和韧性，使钢出现冷脆性，能使钢的强 度显著提高，同时提高大气腐蚀稳定性，含量应限制在0.045%以下。磷含 量提高，在低温下使钢变脆，在高温下使钢缺之塑性和韧性，焊接及冷弯 生能变环，其危害与含碳量有关，在低碳钢中影响较少。 硫是极有害元素，使钢的热脆性增大，含量限制在0.05%以下，含量 高时，钢的焊接性能、韧性和抗蚀性将变坏；在高温热加工时，钢容易产 生断裂，形成热脆性。
1.2.3钢材的焊接性能
焊接性能属于金属材料的工艺性能范畴。焊接性能是指金属材料在 定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。影响钢材焊接 生能的主要因素是它的化学成分，其中，钢材中碳的质量分数对焊接性 能影响最为明显。对于碳素结构钢和低合金高强度结构钢，常用碳当量 去进行估算。 当碳当量CE<0.4%时，钢材萍硬倾向小，可焊性优良； 当碳当量Ce=0.4%~0.6%时，钢材硬倾向增大，焊接时需采取预热 昔施； 当碳当量CE>0.6%时，属于较难焊接的钢材。 使用碳当量法估算是粗略的，生产中还应根据焊件的具体情况，通过 式验制定正确的焊接工艺。
1.2.4钢材的抗蠕变性
碳素钢工作温度超过300~350℃，合金钢工作温度超过300～400℃
1.2钢结构对钢材材料的要求
时，就会产生端变。所谓端变是指钢材在高温下受外力作用的时间延长， 逐渐产生塑性变形的现象。对于高温下长期工作的锅炉及压力容器，其钢 材应有良好的抗蠕变性能，以防止产生结构破坏。
2.5钢材的抗腐蚀性能
现代钢结构必须具备良好的抗腐蚀性能，以延长使用年限。从使用实 践可知，钢材抗腐蚀性能的好坏，其使用年限相差悬殊。在工业大气中， 碳素钢的腐蚀速度为每年0.1mm，低合金钢的腐蚀速度为每年0.08~ 0.09mm。钢结构的应用，量大而面广，提高钢结构的抗腐蚀能力，减少 结构的维修及延长使用年限，对国民经济是十分有利的。
°1.3钢材的质量计算
钢结构制造所采用的金属材料，大多为各种板材和各种型材，在制作 时，一般都需要计算所用材料的质量，以作为成本考核的基础和预决算的 依据。
DB41T 1948-2020 农用地土壤污染状况调查技术规范1.3.1法定计量单位及换算
22第1章认知钢结构
1.3.2钢材质量计算示例
图1.241Pa的含义
贝量重计开工式 物质的总质量等于该物质的体积与密度的乘积，即 m=pV 式中，p一一代表材料的密度，kg/m²（或g/cm²）； V一一代表物质的体积，m²（或cm）； m一代表物质的总质量，kg（或g）。 不同物质的密度是不相同的，在同样的重量下，密度越大，则体积越 小；反之密度越小，则体积越大。表1.3所列为部分常用材料的密度
表1.3部分常用材料密度
2.钢板质量的计算举例 【例1.1】一块长8m、宽1.55m、厚10mm的钢板（图1.25）DG/T 006-2006 微型耕耘机，其总质 量是多少？（钢材密度p=7.85g/cm²）
1.3钢材的质量计算23
【解】钢板的体积为 V=8000X×1550×10=124×10°（mm3） 将单位换算成cm，即