第一章钢结构的基本性能。
钢结构的内在特性：所用的原材料、所经受的一系列加工过程决定的。
外界作用：各类荷载和气象环境对它的性能也有不可忽视的影响。
钢结构所用钢材：塑性较好，拉力作用下，应力—应变曲线有明显的屈服点和屈服平台，然后进入强化阶段。
钢结构设计准则：屈服点作为钢材强度的极限，并把局部屈服作为承载能力的准则（薄腹梁不同）。
钢材塑性性能：在一定条件下是可以利用的：简支梁可以允许塑性在弯矩最大截面上发展；连续梁和框架的塑性设计方法，允许在结构**现塑性铰以及继之而来的内力重分布。
这种利用塑性的设计方法已提到日程。
稳定问题：一个突出的问题。构件及其局部有受压的可能，在设计时就应考虑如何防止失稳。有时，局部性的失稳还不是构件承载能力的极限，则可以不加防止，并对屈曲后强度加以利用。
建筑结构钢材有较好的韧性。动力作用的重要结构采用钢结构。但设计这类钢结构，还必须正确选用钢材，当荷载多次重复时，还应从计算、构造和施工几个方面来考虑疲劳问题。
钢材的韧性并不是一成不变的。材质、板厚、受力状态、温度等都会对它有所影响。钢结构曾经有过脆性断裂的事故，脆断一直成为一个引人注目的问题。
1.1钢材的生产及其对材性的影响。
建筑结构所用的钢材包括两大类：热轧型钢和钢板（图1.1）；冷成型（冷弯、冷冲、冷轧）的薄壁型钢和压型钢板（图1.2）。
图1.1热轧钢材。
图1.2冷弯型钢。
钢在熔炼炉中炼成后，先浇注成钢锭，然后经过多次辊轧才形成钢材。冶炼、脱氧、辊轧等环节都对钢材的性能有很大影响。
1.1.1钢的熔炼。
冶炼按需要生产的钢号进行，它决定钢材的主要化学成分。
冶炼炉种不同，所得钢材也有差异。平炉钢和氧气转炉钢，二者质量不相上下。
早期转炉钢都用空气吹炼，所含有害杂质多，尤其是含氮较多，使钢易脆，并对时效敏感。
转炉钢用氧气吹炼，大大改善质量。如果吹入的氧气纯度高于99.5％，则钢材的综合性能优于平炉钢：含氮量低，冲击韧性高20％～30％。
1.1.2钢的脱氧。
钢的熔炼是把铁水中过多的碳和有害元素硫、磷加以氧化而脱去，不可避免有少量的铁也氧化，形成氧化铁（feo），需要进行脱氧。
脱氧方法：在钢液中加入和氧亲合力比铁高的锰、硅或铝。脱氧的程度对钢材质量颇有影响。
锰是弱脱氧剂，脱氧很不充分。钢液中还含有较多的feo，浇注时feo和碳相互作用，形成co气体逸出，引起钢液的剧烈沸腾，称之为沸腾钢。沸腾钢在钢锭模中冷却很快，气体只能逸出部分，夹杂有较多的feo，冷却后有许多气泡［图l.
3（a）］。
硅是较强脱氧剂，加入适量的硅（硅铁），脱氧即比较充分。硅在还原氧化铁的过程中放出热量，使钢液冷却缓慢，气体大多可以逸出，所得钢锭称为镇静钢［图1.3（b）］。
这种钢锭在缓慢冷却和凝固过程**现的晶粒多，晶粒上部形成较大缩孔，缩孔的孔壁有些氧化，在辊轧时不能焊合，必须先把钢锭头部切去。切头后实得钢材仅为钢锭的80％～85％。
图l.3钢锭剖面。
沸腾钢质量比镇静钢差，杂质多而组织欠均匀，气泡周围容易集中硫化物，形成硫偏析，组织也不够致密。但沸腾钢生产周期短，消耗脱氧剂少，轧钢时切头很小，成品率高，因此成本低廉。
镇静钢性能优于沸腾钢：易保证必要的冲击韧性，包括低温冲击和时效冲击。静力作用下，屈服点比沸腾钢稍高。
沸腾钢易存在硫偏析，焊接结构中硫偏析可能引起热裂纹。因此欧洲一些国家规定：当不能避免在偏析区施焊时，不应采用非镇静钢。
英国焊接结构规定都用镇静钢或半镇静钢，沸腾钢只能用于厚度5mm以下个别情况。半镇静钢是介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材。性能比沸腾钢好，**比镇静钢便宜。
鉴别沸腾钢和镇静钢，可通过硅的含量来进行。《碳素结构钢》（gb700-88）规定：沸腾钢含硅量不超过 0.
07％，实际上常低于0.03％～0.07%；镇静钢含硅量在0.
12％～0.30％间，实际下限常在0.15％～0.
17％间；半镇静钢含硅量在上述二者之间，不超过0.17%，实际常不低于0.10%～0.
12％。 gb700-88还规定，q235钢分为a，b，c，d四级。前二级可以是沸腾钢、半镇静钢或镇静钢，c级必须是镇静钢。
对冲击韧性（尤其是低温冲击韧性）要求高的重要结构，如寒冷地区的露天结构，钢材宜用以硅脱氧后再用铝补充脱氧的特殊镇静钢。gb700-88所规定的q235d钢，即属于特殊镇静钢，要求含有酸溶铝不少于0.015％（或全铝不少于0.
020％）。低合金结构钢要求-20oc或-40oc冲击韧性者，也有类似要求。
用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能够细化晶粒。这种钢比一般镇静钢具有更高的室温冲击韧性和更低的冷脆倾向性和时效倾向性。
冶金工厂承载运转特别繁重的硬钩吊车的吊车梁，采用这种钢材也比较合适。当然，用铝脱氧也使钢材成本进一步提高。图1.
4给出化学成分（除硅外）十分接近的镇静钢板和沸腾钢板冲击韧性值随温度变化的曲线。钢的含碳量为0.20％（钢液化验的数字，钢板化验为0.
23%）。曲线1的钢板厚10mm，为铝补充脱氧的镇静钢，脆性转变温度低达-60oc。曲线2的钢板厚18mm，为沸腾钢，它的冲击韧性在室温下并不比镇静钢低多少，但在负温度下就相差悬殊，脆性转变温度为-10oc。
高强度低合金钢一般都是镇静钢，我国过去的普通低合金结构钢系列中也有半镇静钢，即18铌鉡，但gb1591-88中已改为18铌。
1.1.3钢的轧制。
辊轧是型钢和钢板成型的工序，给钢材组织和性能很大影响。辊轧有热轧和冷轧之分，以前者为主。冷轧只用于生产小号型钢和薄板。
热轧可以破坏钢锭的铸造组织，细化钢材的晶粒（图1.5），并消除显微组织的缺陷。浇注时形成的气泡、裂纹和疏松，可在高温和压力作用下焊合。
经过热轧后，钢材组织密实，力学性能得到改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使钢材在一定程度上不再是各向同性体。经过轧制之后，钢材内部的非金属夹杂物（主要是硫化物和氧化物，还有硅酸盐）被压成薄片，出现分层（夹层）现象。
分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂（图1.6）。焊缝收缩诱发的局部应变时常达到屈服点应变的数倍，比荷载引起的应变大得多。
对于型钢和扁钢，轧制形成的非各向同性并不引起什么问题，因为它们总是沿轧方向受力的，对钢板则有所不同，下料切成小块后有可能垂直于辊轧方向受力，大块的板也可能处于平面应力状态。因此钢板拉力试验的试样应垂直于轧制方向切取（图1.7）。
冲击试验则只作纵向试样。
实践表明，热轧钢材厚度小者强度高于厚度大者，而且塑性及冲击韧性也比较好。因此钢材的机械性能要按厚度分级。如q235钢只是在厚度不超过 16mm时屈服点为235n/mm2。
超过l6mm时要按厚度的递增而逐步减小。薄钢材性能好的原因，是辊轧次数多，轧制的压缩比大。厚度很大的钢材，压缩比过小，内部组织不如压缩比大的钢材，机械性能较差，尤其是冲击韧性差别最为显著。
同一根热轧型钢的不同部分，因压轧条件不同，机械性能也会有差别。轧制普通工字钢的轧机只有两个水平轧辊（图1.8）。
辊轧成型时，腹板所受压力大于翼缘，翼缘所受压力和它内侧的斜度有关。压力不同，其结果是翼缘和腹板在组织上有差别，机械性能随之也有差别：腹板的性能优于翼缘。
但是，工字钢用作受弯构件时，翼缘的应力大于腹板，承载能力主要取决于翼缘的性能。因此，拉力试样如能在翼缘上取样，将更为合理，但翼缘内侧有坡度，不便做试样。因此，我国目前规定，工字钢和槽钢拉力试验和冲击试验的样坯都从腹板上切取，如图1.
9（a，b）。不过，冲击韧性试样从腹板上切取可能会导致不安全的后果。英国标准bs4360:
1979规定：工字钢拉伸试验可以在翼缘或腹板取样，而冲击试验则必须在翼缘取样［图1.9（d）］。
宽翼缘工字钢（h型钢）的翼缘内侧没有坡度，用2个水平轧辊和两个竖向轧辊同时辊压（图1.10），翼缘也直接受到压力，情况要比普通工字钢好得多。但由于厚度不同，翼缘和腹板的性能还会有差别。
差别的幅度，不同的试验报告有一些出入。所得的结果是：翼缘的屈服点变动在腹板屈服点的76％～98％之间 l.
kennedy和 m. g. aly在分析宽翼缘工字钢的统计参数时取翼缘屈服点为腹板的 0.
95。
热轧的另一后果，是不均匀冷却造成的残余应力。以图1.11（a）的钢板而言，板的两边和空气接触的面积大，冷却得快，中部则相反，在边部已经完全冷却后还保持一定温度。
这时，中部的收缩受到边部的约束，形成拉应力，而边部则有与之相平衡的压应力。板的尺寸越大，冷却后的应力也越大。这种在没有外力作用下内部自相平衡的应力叫做残余应力。
各种截面的热轧型钢都有这类残余应力，随截面形式和尺寸不同，残余应力的分布有所区别。普通工字钢翼缘厚而窄，冷却得慢，最后呈现残余拉应力，而腹板大部分是残余压应力[图1.11(b)]。
宽翼缘工字钢翼缘和腹板交接处材料最厚，冷却最慢，其翼缘残余应力分布和极类似，但腹板两边受拉，分布图形和普通工字钢相似[图1.11(c)]。一般地说，截面尺寸越大，残余应力也越大。
残余应力虽然是自相平衡的，对钢构件在外力作用下的性能还是有一定影响。如对变形、稳定性、抗疲劳等方面都可能产生不利的作用。热轧钢材残余应力的绝对值和屈服点无关，因此对屈服点高的钢材来说，残余应力和屈服点的比值要小些。
1.1.4矫直和热处理。
钢材在热轧成型之后往往需要矫直。矫正原有的弯曲，必须反弯至出现塑性变形才能生效。图1.
12所示宽翼缘工字钢绕弱轴有原始弯曲，给以反弯曲时沿翼缘宽度的应力分布如图中折线abcde所示，ab和de为屈服区。在卸去施加的弯矩时，变形和应力都按线弹性规律变化，即相当于从abcde应力图中减去mcn应力。因此，截面中残存有应力rsctu。
反弯时受拉一侧为残余压应力。以上分析是按钢材不存在初始残余应力的条件做出的。实际上，钢材热轧冷却后存在残余应力，因此矫直后的残余应力应是对原始残余应力进行重新分布。
重分布使翼缘原始残余压应力峰值有所降低，将减轻用作压杆时的不利作用。矫直有两种方法：辊床调直和顶直。
前法使整个杆长原始残余应力都重新分布，后法则重分布只发生在中部较短范围内。
热处理是改善钢材性能的重要手段之一。建筑结构用的钢材，一般以热轧状态交货，即不进行热处理。但是，屈服点超过400n/mm2的低合金钢常常要进行调质处理或正火处理。
调质热处理包括淬火和高温回火两道工序。淬火时把钢材加热至900oc以上，保温一定时间．然后放入水或油中快速冷却。淬火使钢材的强度提高，但却使塑性和韧性降低。
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