钢结构的定义及常用范围和特点（钢结构在不同使用条件下的工作特点）
钢结构的定义及常用范围和特点（钢结构在不同使用条件下的工作特点）三、应力集中钢材腐蚀给社会带来很大的经济损失，根据中国工程院专题调研报告，我国每年因船舶、车辆、设备、建筑等腐蚀总损失约占国民生产总值的 4% 左右，其中土木建筑的腐蚀损失约占 20% 以上，经验表明当规范地采取相应的防腐措施后，则可显著减少腐蚀，延长结构寿命。如宝钢，所有厂房、特种结构、通廊及支架等结构均采用钢结构，用钢量巨大，由千采用了先进的涂装技术，在腐蚀环境较好的厂房中，使用了 10 多年的钢结构，其锈蚀为 1%~2% 基本达到涂装体系使用寿命的预期目标。故钢结构设计应重视防腐蚀设防要求，应按相关规范遵循预防为主，防护结合的原则，在建筑全寿命经济分析的基础上，采取长效防腐蚀涂装和加强维护等综合措施进行防护。二、腐蚀介质的影响钢结构在具有众多优良性能的同时，也存在耐腐性很差的弱点。腐蚀性环境对钢材的影响主要是锈蚀和应力腐蚀裂损引起结构承载能力的降低。钢结构的腐蚀与环境相对湿度和大气
一、温度的影响
钢材内部的晶体组织对温度很敏感。温度的变动会使钢材性能发生变化。总的趋势是随着温度的升高钢材强度和弹性模釐 下降，变形增大；而随着温度的下降钢材强度和弹性模量 略有所增加，但塑性和韧性却降低而变脆。
1. 在正温范围，钢材的温度在 250°C 以下，其强度和弹性模量变化不大，当温度超过250°C 时，即发生，＂朔性流动”，超过 300°C 后，应力－应变关系曲线就没有明显的屈服极限和屈服平台， 430-540°C 之间强度急剧下降， 600°C 时变成完全塑性，强度很低，丧失抵抗外力的大部分能力。此外，在 250-300°C 钢材的抗拉强度反而略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色，称为蓝脆现象。故钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度在 260-320°C 时有徐变现象。了解钢材在正温范围的性能，有助于合理处理高温下的结构设计。
2. 在负温范围，当温度下降到某一数值时，钢材的冲击韧性突然下降，当在冲击荷载作用下完全脆性断裂，这种现象称为低温冷脆现象。通过系列温度冲击实验可以作出冲击功与温度的关系曲线，曲线的转折点所对应的温度称为冷脆转变温度。结构在使用中可能出现的最低温度必须高于钢材的冷脆转变温度。结构丁程师在工作环境温度较低的地区设计承重结构时，应选用塑性和韧性良好的钢材；构件和节点设计应避免存在双向和三向复杂应力状态，尽量避免焊缝过分集中和多条粗大焊缝会交于一处，以免引起焊接残余应力。除上述要求外，还应在钢结构设计施工图说明中要求钢结构宜在室内正温下加工制作，严格控制硬化、裂纹、气孔、夹渣、擦痕等缺陷的影响；对于构件运输、装卸和保存过程中，应采取措施防止结构变形和损伤。
二、腐蚀介质的影响
钢结构在具有众多优良性能的同时，也存在耐腐性很差的弱点。腐蚀性环境对钢材的影响主要是锈蚀和应力腐蚀裂损引起结构承载能力的降低。钢结构的腐蚀与环境相对湿度和大气中侵蚀性介质的含址密切相关。钢结构在大气（包括工业大气、海洋大气）环境中使用，钢材表面水分、氧气等存在，加上溶有其他腐蚀性介质和钢材存在化学成分上的不均匀性，使钢材表面形成很多微小局部电池，这些电化学反应的结果使钢材腐蚀。大气中的水分吸附在钢材表面而形成的水膜，是造成钢材腐蚀的决定因素，而环境相对湿度和介质的浓度，则是影响大气腐蚀程度的重要因素。腐蚀使结构杆件截面减小．承载力下降，减少结构的使用年限，特别对轻钢结构的影响更大。而杆件的不均匀锈蚀和＂锈坑”对构件的危险最大，易导致脆性破坏。腐蚀性环境还加速钢材裂纹的开展，构件在腐蚀介质和
拉应力（包括残余应力和工作应力）的共同作用下，经过一定时间，就会产生不同形式的腐蚀裂纹，降低构件脆断的临界应力，导致构件的应力达不到材料的抗拉强度，甚至还低于屈服点时就产生脆性破坏。
钢材腐蚀给社会带来很大的经济损失，根据中国工程院专题调研报告，我国每年因船舶、车辆、设备、建筑等腐蚀总损失约占国民生产总值的 4% 左右，其中土木建筑的腐蚀损失约占 20% 以上，经验表明当规范地采取相应的防腐措施后，则可显著减少腐蚀，延长结构寿命。如宝钢，所有厂房、特种结构、通廊及支架等结构均采用钢结构，用钢量巨大，由千采用了先进的涂装技术，在腐蚀环境较好的厂房中，使用了 10 多年的钢结构，其锈蚀为 1%~2% 基本达到涂装体系使用寿命的预期目标。故钢结构设计应重视防腐蚀设防要求，应按相关规范遵循预防为主，防护结合的原则，在建筑全寿命经济分析的基础上，采取长效防腐蚀涂装和加强维护等综合措施进行防护。
三、应力集中
在钢结构的构件中不可避免存在着孔洞、槽口、凹角、截面突变以及钢材在冶炼、轧制中内部留下的几何缺陷，这些缺陷易导致应力集中出现，此时．构件中的应力分布将不再保持均匀，而是在某些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成所谓应力集中现象。高峰区的最大应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数。研究表面，在应力高峰区域总是存在同号的双向或三向应力，这是因为高峰拉应力引起的截面横向收缩将受到附近应力区的阻碍而引起垂直于内力方向的拉应力，使材料处千复杂受力状态。由能量强度理论得知，这种同号的平面或立体应力场有使钢材变脆的趋势。应力集中系数愈大，变脆的趋势亦愈严重，抗疲劳性能越差。虽然建筑钢材的塑性较好，在一定程度上能促使应力进行重新分配，使应力分布严重不均的现象趋千平缓。对常温下承受静荷载作用的构件，计算中可不考虑应力集中的影响。但在负温下或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性和疲劳破坏的根源，故在钢结构设计时，构造设计应与计算简图相符，传力应明确，减少应力集中。对于承受循环荷载和处于低温的结构，设计者更应注意结构的细部构造，尤论是从提高疲劳寿命和避免脆性断裂考虑，都应选择应力集中程度低的构造方案。
四、重复荷载作用
钢结构构件及其连接在重复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，结构的平均应力虽然低千抗拉强度甚至低千屈服点，也会发生疲劳破坏。疲劳破坏有其特殊的发展过程，即裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后突然发生断裂。对于建筑钢结构，严格来讲，不存在裂纹的形成阶段，因为建筑钢结构材料和制造过程中不可避免地存在着各种缺陷（类裂纹），加之构件截面形状改变和连接构件的不均匀，局部区域会出现应力集中，峰值常为平均应力的数倍，其值足以引起小范围内的塑性变形，在多次重复荷载作用下逐渐形成微观裂纹。这些微观裂纹将随着应力的重复作用而扩展为宏观裂纹，裂纹两边的材料时而相互挤压、时而分离．形成光滑区，裂纹扩展的结果使截面削弱，最终导致构件突然断裂，这一特征和脆性断裂相同，但疲劳破坏的断口在距裂源较近处是灰暗的光滑区，较远处是粗糙晶粒状。脆性断裂的断口大部分呈闪光的晶粒状。实践证明，荷载值变化不大或重复次数不多，重复荷载引起的应力如果不出现拉应力的钢结构一般不会发生疲劳破坏，结构计算中不必考虑疲劳的影响。但长期承受频繁的重复荷载的结构及其连接，例如承受重级工作制 CA6~A8 级）吊车的吊车梁和重级、中级
工作制 (A4~A5 级）吊车衔架等，在结构设计中就必须考虑结构的疲劳问题。
国家标准《钢结构设计标准》 GB 50017-2017 规定对使用期内应力变化循环次数等于或大于 5Xl00000次的构件即应按容许应力幅方法进行疲劳计算，设计时应严格按构件和连接类别控制容许应力幅以及合理的构造设计。在建筑钢结构中因疲劳损坏造成事故，绝大多数是工厂中的重级工作制吊车（特别是硬钩吊车）的吊车梁。工程师在疲劳设计时应注意以下几点：
1. 现行国家标准中，疲劳计算一章仍沿用以往做法采用容许应力法，而静力强度和稳定计算均采用以概率理论为基础的极限状态设计方法；
2. 疲劳计算的荷载采用标准值，不考虑荷载分项系数。疲劳计算中所有数据都来源于试验，动力影响巳经在内，计算疲劳时，动态荷载不乘动力系数；
3. 建筑钢结构中很少遇到疲劳的情况，标准规定的疲劳计算，最常用的是重级工作制的吊车梁和重级、中级丁作制的吊车析架的计算。而其他的变幅疲劳，当缺乏可用资料的情况下，变幅疲劳也可偏千安全地近似按常幅疲劳计算；
4. 由试验证明，结构和连接类别的容许应力幅与钢材牌号尤关，因此，由疲劳控制的构件不宜采用较高强度的钢材牌号，否则不经济。
五、变形影响
钢结构的一个主要特点是强度高、塑性和韧性好、构件截面小、厚度薄，其在制作与使用过程中易产生的变形问题应引起足够的重视。设计工作者应了解结构的变形情况及其影响，并在设计文件注明控制变形的要求。
1. 制造、安装变形的影响。钢结构在制造和安装过程中允许一定的偏差，其中允许偏差值应符合现行国家有关钢结构工程施工质量验收标准的要求。钢结构在制造中焊接残余变形较为突出，焊接构件经局部加热冷却后产生各种变形，如纵、横向收缩变形、角变形、弯曲变形、扭转变形、波浪变形等。这些变形加上构件在组装和安装中的初始缺陷，对不同的构件产生不同的影响。如：焊接残余角变形的对接和搭接构件在受拉时将引起附加弯矩，其附加应力严重时可导致构件破坏；构件的初始挠度对轴心压杆随着压力的增大而增大，构件既受压又受弯，附加弯矩将使构件受压能力受到损害。
2. 变形对使用的影响。构件过大的变形影响结构的正常使用和观感，摇摆对居住者产生不适或破坏建筑的内部装饰以及非结构构件的损伤。为避免出现上述的现象，有必要限制结构的变形。《钢结构设计标准〉〉 GB 50017-2017 规定了框架与受弯构件等的变形值不超过容许变形限值。对于高层和超高层钢结构建筑，在阵风荷载作用下出现较大的摆动或扭转，将使人感觉不舒适，有时无法忍受。而地震时过大振幅会引起结构严重损坏，故相关标准规定了其框架在风荷载作用下顶点最大加速度限值和地震作用下顶点位移的限值，以保证建筑的舒适度与安全度。
3. 变形对结构内力的影响。多层框架结构一般侧向刚度较大，通常以未变形的结构简图为对象计算内力，忽略变形对内力的影响。高层和超高层建筑，随着层数的增加和建筑高宽比的增大，设计钢结构必须考虑变形对内力的影响。当结构在风荷载或地震作用水平力作用下水平位移增大，竖向荷载产生的二阶效应不能忽视，其主要影响是侧移引起竖向荷载的偏心产生附加弯矩，而附加弯矩又进一步使侧移增大，对千非对称结构还会引起附加扭矩。如果这种效应不能与竖向荷载作用相平衡，结构将出现 P-.1 效应引起的整体失稳。
六、约束作用
在结构体系中或连接节点中，结构或构件之间，构件或板件之间，因相互连接不能自由变形而形成的相互牵制作用称为约束作用，约束的强弱程度称为约束度。约束作用可分为结构承载时，因内力引起的节点内约束作用与温差引起的结构间或节点内的约束作用。
前者是为了组成不同类型结构，由设计者预设不同的约束度，亦即不同程度嵌固作用的较接、刚接、半刚接节点构造，组成饺接排架与框架等；后者则是设计者非预期的，不利千结构承载的约束作用，如纵向柱列对温差自由变形的约束，会对柱产生附加内力；节点焊接部位因焊接构造不合理而约束度过大时，会引起焊接板件的裂损。设计与施工时，应采取措施，避免或减少此类约束的不利影响。
1. 节点内力的约束作用
建筑结构有各种组合形式，其节点内力的约束作用也因此而有许多种。如单层厂房的横向框架，梁与柱的连接是刚性节点，厂房柱是屋面梁的约束，屋面梁在外力作用下的变形受到柱的约束，屋面梁使柱子产生弹性侧移，柱子对屋面梁给予弹性压缩，使屋面梁的变形减少。这就形成了柱与梁之间的约束作用。又如横向框架中柱脚被基础完全约束，柱在外力作用下不能转动只产生约束力。结构工程师在结构设计中可利用约束作用保证构件的嵌固和传力作用以及减少结构变形。
2. 温度影响约束作用
温度影响约束作用的性质与一般的荷载不同，不能硬“抗＂，只能适当采用“放”的办法，只要让结构构件和连接具有适当伸缩能力，温度影响的约束作用就可大鼠减少。以单层钢结构厂房为例，当厂房纵向长度超过《钢结构设计标准》 GB 50017-2017 规定的纵向温度区段长度时应设横向温度缝，在温度缝两侧设双柱，在纵向温度区段内根据传力需要设置一至二道柱间支撑，通过支撑的弹性嵌固约束作用，即可保证厂房骨架的整体稳定和纵向刚度并给柱基础传递纵向水平力（风力、吊车纵向刹车力、纵向地震力）。
至于厂房横向宽度较大时，亦宜考虑用“放”的办法，解决温度影响的约束作用。即在边列采用柔性柱（上部柱的截面宽度减小，屋架与柱较接）的办法来解决，尽量避免设横向温度缝。
结构工程师在结构设计中可以利用“放”的办法解决建筑钢结构平面布置超长超宽温度影响约束作用。
钢构件在焊接后产生残余变形和残余应力，这是不可避免的客观规律，对千刚度较大、板件厚的构件，焊后产生较大的内应力，结构荷载作用时内力在重分布过程中往往导致塑性变形区扩大，局部材料塑性下降，对结构承受动载和二向应力状态下有不利影响。
因此，对于一些截面大，板件厚、节点复杂、约束度大，钢材强度级别高的重要结构在施焊过程中应采取降低约束作用的措施，降低应力峰值并使其均匀分布。
