本书内容广泛，除列举较多的工程实例外，包括有：设计工程中常遇的关于钢结构材料选用、风荷载及地震作用的计算、结构类型及结构体系的选择、结构内力分析方法、钢构件和钢骨混凝土构件承载力计算和连接构造设计、组合楼盖设计等，还包括了刚结构制作和安装、防锈和防火涂料应用。书中也列出了国外钢材钢号的选用。

世界上1001管设高建筑建成的年代、材料及用途

二、国内高层建筑钢结构发展概况

三、国内钢材生产和钢结构制作安装技术概况

1.钢材质童及规格在不断提高和开发 高层建筑钢结构中的柱子及竖向支撑常需采用大于40mm的厚钢板，而且要求符合Z 向断面收缩率的规定。目前，厚钢板的生产质量在逐渐提高，也已能生产符合断面收缩率 要求的厚钢板，如上海宝山钢铁公司等。 H型钢的生产供应已处于开发供应阶段。自1997年开始，已有马鞍山钢铁公司、鞍山 第一轧钢广及莱芜钢铁公司等厂家生产H型锅。马钢公司可供应的最大截面：宽翼缘H型 钢为400×400mm，中翼缘H型钢为600×300mm，窄翼缘H型钢为700×300mm。 前一时期国内高层建筑钢结构的钢材主要采用进口钢材。现随着国内厂家的产品开发， 规格增多、价格趋于合理等，也将便国产 钢材采用数量增加，

2.钢结构制作安装专业公司在扩大 高层钢结构的制作及安装技术要求，一般情况下要高于钢筋混凝土结构。近年来水泥标准规范范本，随 着国内高层钢结构工程不断增多以及国内厂商与外商在制作和安装的合作，并经历了北京， 上海和深圳等一批大中项目的实践，已形成一些专业公司，也已具有较好的技术水平。国 内有些专业公司已具备高良钢结构总承包商的条件

钢结构的施工特点是钢构件在工厂制作，然后在现场安装。钢构件安装时，一般不搭 设大量的脚手架，同时采用压型钢板可作为混凝土楼板的永久性模板，无需另行支设模板， 而且混凝土楼板的施工可与钢构件安装交叉进行。钢筋混凝土结构除钢筋可在车间内下料 外，大量的支模、钢筋绑扎和混凝土浇筑等工作均需在现场进行。因此，钢结构的施工速 度常可快于钢筋混凝土结构约20%～30%，相应的施工周期也缩短，能早日投人使用，使 投资方在经济效益上获得早回报。 （二）关于钢结构造价及综合经济效益 1.高层钢结构的造价高于同高度混凝土结构的造价及其原因 不包括基础及地下室结构在内，上部高层钢结构造价一般为同样高度钢筋混凝土结构 造价的1.5～2.0倍，从而增加了上部结构的直接投资。钢结构的造价一般包含三部分，即 钢材费用、制作和安装费用，以及防火涂料费用，这三者的粗略比例关系可由下式表示 钢结构造价=钢材费用（40%）+制作安装费用（30%）十防火涂料费用（30%） 实际工程中钢结构的用钢量虽大于钢筋混凝土结构中的钢筋用钢量，但这不是两种结 构差价的主要原因，主要原因在于防火涂料费用占有较大的比例，以及钢结构制作安装的 技术含量较高，相应的劳务费也高。上式中制作安装费用和防火涂料费用与结构用钢量相 关，因此节省用钢量对降低工程造价是很见效的。 2.上部钢结构造价与全部结构造价及工程造价的比例关系 全部结构造价包括上部钢结构外，还包括影响较大的基础造价和地下室造价。基础造 价与地基土条件有很大的关系，软土地基时的桩基费用相当高。对于一般性高层建筑，上 部钢结构造价约为全部结构造价的60%～70%。工程造价除包括全部结构造价外，还包括 费用很高的建筑装修及电梯、机电设备等。粗略估计时，一般全部结构造价约为工程造价 的20%～30%，相应地上部钢结构约为工程造价的15%～20%。 3.采用钢结构的综合经济效益 由上述可知，上部钢结构的造价一般为工程造价的15%～20%，而一般工程造价约为 工程总投资（包括拆迁、购地及市政设施增容费用等）的50%～70%，相应地上部钢结构 造价约为工程总投资的8%～15%。因此钢结构与钢筋混凝土结构间的差价约为工程总投 资的5%～10%。这一差价常可由于采用钢结构后，因自重轻而降低基础造价、增加建筑使 用面积和缩短施工周期等得到相当程度的弥补，从而提高工程的综合经济效益。 （三）存在的主要问题 1.钢结构的耐火性能差 钢结构是不耐火的结构。钢结构在火灾烈焰下，构件温度迅速上升，钢材的唇服强度 和弹性模量随温度上升而急剧下降。当结构温度达到350℃及500℃时，其强度可分别下降 30%及50%，至600℃时结构完全丧失承载能力，变形迅速增大，导致结构倒塌。因此， 《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99一98）规定对钢结构中的梁、柱、支撑及作承重用 的压型钢板等要采用喷涂防火涂料保护。 2.吸取度害经验教训完善钢结构设计 现已颁布的《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99一98（以下简称“高钢规程”），在 内容上已反映部分国内外的地震震害经验和抗震设计措施。但是，由于地震的随机性和实 际工程结构的复杂性，未能避免诸如结构平面和剖面的不规则，以及沿坚向的刚突变和

强度突变的结构方案，潜伏着结构的薄弱部位和遭受破环的可能性。钢结构虽有较好的延 性，但还难以避免连接节点的开裂、支撑的压屈，在阪神地震中还发生柱子脆性断裂等震 害。因此，需要在总结震害经验的同时开展科学研究，逐渐完善钢结构设计。 3.不易落实钢材供应 目前对于国内生产符合设计规范要求的厚钢板，仍需改进和研制开发；H型钢虽已生 产，但规格还不齐全，供应上还需适应小批量的要求。因此，设计过程中需要为落实钢材 供应作深入的调查研究，必要时要考虑采用进口钢材的可能性和供应条件，以使设计方案 和所用的钢材得到落实。

图1.2.1外钢框架与混凝土内筒 的水平剪力分配率

国内外高层建筑中，完整地对梁、柱、支撑及剪力墙等均采用钢骨混凝土的工程实例 尚属很少；它主要用于下列情况：

第三节结构体系的分类及应用

一、高层建筑钢结构的结构体系分类

图1.3.1各类结构体系的适应高度

“高钢规程”提出的类型除未列举类型3的结构体系外，基本上与上划分的结构体系 类似，对所列结构体系与建筑高度的适应关系在概念土也基本相同。 按上述划分的各类体系，在实际工程中还可派生出一些有其本身特征的结构体系，也 有些工程还不易确切地说明其属哪一种结构体系。随着时代的前进，以及人们创造性的不 断发挥，结构体系还会多样化。

进行实际工程设计时，常需综合考虑很多因素，由此进行深人的方案比较，在优化过 程中确定其适宜的结构体系。优化过程中宜考虑的主要因素包括： 1.要适应地震区和非地震区建筑的不同要求 地震区与非地震区高层建筑钢结构在设计概念上，有相同之处，但也有较大的差异。地 震区建筑结构的设计应符合三水准的抗震设防要求，并为符合裂而不倒的要求在选择结构 体系时应作如下的考虑： （1）形成多道抗震防线的结构体系。在这些体系中，宜采用偏心支撑和设置赞余杆，使 大震时，通过第一道结构防线出现塑性铰，以及赞余杆和耗能梁段等的屈服，耗散地震能 量； （2）结构体系宜具有适应支撑→梁→柱的服顺序机制，或耗能梁段→支撑→梁→柱 的屈服顺序机制。相应地要避免使竖向支撑既承担水平剪力又传递重力荷裁，更应避免使

图1.3.2楼面结构及抗侧力结构的用钢量

图1.3.2楼面结构及抗侧力结构的用钢盘

范围，形成无国内标准可遵循。对于60~100mm的特厚钢板，如要采用，则应落实特厚钢 板关于断面收缩率等保证项目及加工厂的焊接工艺，以使结构体系其有现实性，必要时可 考虑采用进口钢板。 高层建筑锅结构中采用厚销板的构件主要是柱和支撑，因此，通过对结构体系和柱距 等的优化比较，分析研究采用钢板厚度小于100mm的可能性。 5.着重对抗侧力结构进行经济比较 随着科研水平的不断提高，设计经验的逐渐丰富，国外高层建筑钢结构的用钢量近期 工程低于早期工程。其中原因较多，有钢材强度提高的因素，以及建筑外墙材料及隔墙材 料的减轻因素，但也由于结构体系和结构布暨等不断改进的原因。由图1.3.2可知，一般 高层建筑钢结构中，楼面结构的用钢量变化较小，但柱子及支撑等主要抗侧力构件的用钢 量，将随着建筑高度的增加而加大，因些，经济比较要着重对抗侧力结构体系的比较

四节高层建筑钢结构的地震震害经验

我国高层建筑钢结构的应用时间较短，已建的工程还未经历地震考验。现摘引一些 献中关于日、美等国家的震害情况，从中吸取经验教训

一、1985年墨西哥城地1.11

图1.4.1墨西哥城PinoSuarez综合楼平面及立面

图1.4.2C楼结构平面

扭转角最大达14.5°，相应地产生较大的扭转效应。D楼倒塌的根本原因是钢柱的作用力大 于承载力。B楼和C楼没有倒塌，这也说明地震作用和实际结构存在随机性的不确定因素。 此外，震害调查结果也获得重要启示，濒临倒塌的C楼，其余传力途径还没有完全破坏， 因此，如在设计中再采取一些抗震措施，也许D楼可不致倒場

1994年美国诺斯里奇（Northrige）发生6、7级地震。震后未发现倒塌的钢结构建筑， 所发现的钢结构破坏形式主要为如下的局部破坏： （1）框架节点区的梁柱焊接连接破坏； （2）竖向支撑的整体失稳和局部失稳； （3）在柱脚的柱翼缘和底板焊趾处底板出现裂缝，以及锚栓失效。 现引述部分文献关于梁柱焊接连接破坏的分析研究，以使设计者从大量破坏实例中弓 起注意和改进， 美国钢框架设计中常采用H形截面的梁柱，其连接方法按刚接连接时常如图1.4.3所 示，即梁翼缘与柱采用坡口熔透焊连接，而梁腹板采用摩擦型高强度螺栓连接。抗震设计 中对该节点要求符合强节点弱杆件的准则，然而震害结果表明设计末实现这一要求，而出 现较多的节点破坏。

诺斯里奇地震中，大多数节点破环发生在 梁柱连接的下翼缘，而上翼缘的破坏要少得多， 这也许有两种原因：（1）混凝土楼板与钢梁的共 司作用，导致上翼缘应力减小，下翼缘应力增 大；（2）下翼缘在腹板位置的焊接中断构成焊缝 缺陷。 图1.4.4是诺斯里奇地震后观察到的梁柱 焊接连接处的失效模式： （1）图1.4.4（α）及图1.4.4（5）的模式 这是一种很普遍的断裂形式，焊缝与柱翼 缘完全断开，或如图1.4.4（）的部分断开；

图1.4.3美国诺斯里奇地震中的梁柱连接裂缝

断裂从衬板和柱的交界处开始，然后从柱翼缘母材扩展，而后撕下一部分柱翼缘母材， 或如图1.4.4（d）部分撕开； (3）图1.4.4（e）的模式 焊趾处梁下翼缘裂通； （4）图1.4.4（f）的模式 柱翼缘产生层状撕裂； （5）图1.4.4（g）及图1.4.4（h）的模式 柱翼缘开裂，甚至扩展到柱的腹板内。 上述梁柱连接部位的断裂现象，主要有下列因素造成： （1）焊缝的缺陷，如裂缝、欠焊、夹殖及气孔； （2）连接部位的钢材存在三向应力，无法形成侧向收缩或剪切滑移，以致设有明显厨 服现象下就发生脆性破坏； （3）试验及有限元非线性分析结果表明，梁柱节点的高应力区集中在翼缘的焊缝及板 域处；

图1.4.4诺斯里奇地震中梁柱焊接连接处的失效模式 (α)焊缝一柱交界处完全断开；(6)焊缝一柱交界处部分断开；(c)沿柱翼缘向.上扩展，完全断开： 断开（d)沿柱翼缘向上扩展，部分断开：（e)焊趾处梁翼缘裂通：()柱翼缘层状撕裂：（g)柱翼缘裂通 （水平方向或随斜方向）：（h）数鲜穿过柱翼滚和部分腹板

（4）由于焊接工艺需设置衬板，焊接后又原位保留衬板，形成衬板与柱翼缘之间形成 条“人工缝”。这条“人工缝”的尖端处产生应力集中

1995年1月17日在日本版神地区发生7.2级大地麓，地霆烈度为7度（日本对地震烈 渡划分为1～7度，最高为7度），震中位于淡路岛北端，距神户市区约40km。霆源深度为 14.3km处。主震时间约10s，记录出的最大加速度为NS818Gal、EW617Gal、UD（上下） 332Gal。距震中15km处的卓越周期是0.8~1.0s（水平）、0.9~1.5s（垂真）。 现就有关文献中对钢骨混凝土结构及钢结构的霞害情况摘引如下。 （一）钢骨混凝土结构的震害情况 从震害在数量上的比例关系和破坏程度的比较，钢骨混凝土结构要小于钢筋混凝土结 构，但有相当数量的破坏，甚至发生未曾预料到的倒塌事故。这一结构在震害中有下列破 坏特点。 1.格构式钢骨混凝土柱的破坏 日本钢骨混凝土柱的格构式钢骨，一般由角钢和钢板组成，因此多数是在铆钉连接处 破坏使角钢失稳届服。一幢10层及一幢6层建筑，柱产生混凝土剥落，由角钢组成的格构 式钢骨发生变形及向外鼓出。试验中也已证明格构式钢骨混凝土柱比实腹式钢骨的抗剪性 能差。 日本在1958年第一版钢骨混凝土规范中，提出钢骨混凝土柱子主要采用非实腹式钢 骨，但在1987年规范中已改为主要采用实腹式钢骨。 2.采用实腹式钢骨混凝土柱结构的大变形

在1981年以后按日本新规范设计和采用实腹式钢骨混凝士柱的结构中，一幢11层住 宅楼，首层为鸡腿式柱子落地，发生典型的剪切破坏和结构在震后有残余的水平位移。另 一幢10层房屋在首层的残余变形达20cm。这两幢楼均末倒塌，也许由于钢骨混凝土柱有较 好的延性才不至于使建筑倒塌。 3.非埋入式柱脚的破坏 非埋人式柱脚是地脚螺栓与底板相连，外包钢筋混凝土，钢骨柱没有埋入基础内。震 后杜柱脚处的地脚螺栓脱开、混凝土破碎、钢筋弯曲，这种破坏形式曾多起发生。有一幢11 层钢骨混凝土结构柱脚的4根地脚螺栓全部断开，柱脚水平移动25cm，但建筑未倒塌。柱

图1.4.5芦屋市海滨城高层住宝钢结构平面及韵面

脚破环的主要原因，可能是设计中未预料到地震时柱将产生相当大的拉力，以及地震开始 时存在竖向震动。 4.组合结构的中间层倒塌 日本有些高层建筑上部为钢筋混凝土结构，下部为钢骨混凝土结构，由于两种结构材 料和刚度的不同，使交界部位形成薄弱层，在地震中发生中间层倒塌。对于这种结构也曾 引起日本学术界的重视，日本近畿建筑行政会议关于高层钢筋混凝土结构设计的指导中，规 定这种结构限用于高度31m以下的建筑，对其设计方法还需给予特殊考虑。 5.连接节点破坏 在这次地震中，钢骨混凝土结构中的钢构件和连接节点也有破坏。如一幢11层框架剪 力墙的住宅楼，与剪力墙相邻的钢骨混凝土柱由于受拉弯作用力，使连接部位的高强度螺 栓连接板破坏。一幢14层楼的楼梯间在3层的角柱，其柱头钢骨断裂。其他破坏情况如梁 柱节点的剪切裂缝和混凝土剥落等也很多。 （二）钢结构的震害情况 阪神地震中，钢结构建筑中震害严重和数量较多的主要是年久失修的简易轻型低层钢 结构；但也有建于70年代后期的钢结构建筑遭受破坏，在1981年新的抗震规范颁布后按 新规范设计的建筑很少破坏。现就一些较典型的破坏分述如下。 1. 钢柱脆断[1. 6J1.11] 钢柱脆断发生在芦屋市海滨城高层住宅小 区的21幢住宅楼内。该小区于1979年7月以 前建成，共有52幢19～29层不同高度的高层 住宅。这些住宅的结构形式相同，均为巨型钢框 架结构（图1.4.5）。巨型框架的巨型柱为 2.445m×2.750m的立体桁架柱，沿纵向两根 巨型柱之间设置高为3.2m的巨型桁架梁。结 构外柱为500mm×500mm×50mm的箱形截 面柱，内柱及横梁为轧制H型钢，中心支撑为 圆钢管。 阪神地震中，该住宅小区21幢楼共计57 根钢柱发生断裂，其中13根钢柱为母材断裂，7 根钢柱在与支撑连接处开裂，37根钢柱发生在 拼接焊缝处。所有断裂的箱形截面柱均出现在 4层以下的楼层里，而且以19～24层的住宅 楼破坏最严重，（图1.4.6及图1.4.7），29层的 住宅楼则无一受损。梁的破坏有16处，支撑仅 有6处，均远少于柱的破坏。其破坏顺序不是预 图1.4.6一幢19层钢结构建筑在 期的支撑→梁→柱，而是相反的顺序。 第一层产生钢柱断裂（注：见封底） 柱子产生明显的脆性受拉断裂，（图1.4.6

脚破环的主要原因，可能是设计中未预料到地震时柱将产生相当大的拉力，以及地震开始 时存在竖向震动。 4.组合结构的中间层倒塌 日本有些高层建筑上部为钢筋混凝土结构，下部为钢骨混凝土结构，由于两种结构材 料和刚度的不同，使交界部位形成薄弱层，在地震中发生中间层倒塌。对于这种结构也曾 引起日本学术界的重视，日本近畿建筑行政会议关于高层钢筋混凝土结构设计的指导中，规 定这种结构限用于高度31m以下的建筑，对其设计方法还需给予特殊考虑。 5.连接节点破坏 在这次地震中，钢骨混凝土结构中的钢构件和连接节点也有破坏。如一幢11层框架剪 力墙的住宅楼，与剪力墙相邻的钢骨混凝土柱由于受拉弯作用力，使连接部位的高强度螺 栓连接板破坏。一幢14层楼的楼梯间在3层的角柱，其柱头钢骨断裂。其他破坏情况如梁 柱节点的剪切裂缝和混凝土剥落等也很多。 （二）钢结构的震害情况 阪神地震中，钢结构建筑中震害严重和数量较多的主要是年久失修的简易轻型低层钢 结构；但也有建于70年代后期的钢结构建筑遭受破坏，在1981年新的抗震规范布后按 新规范设计的建筑很少破坏。现就一些较典型的破坏分述如下

钢柱脆断发生在芦屋市海滨城高层住宅小 区的21幢住宅楼内。该小区于1979年7月以 前建成，共有52幢19～29层不同高度的高层 住宅。这些住宅的结构形式相同，均为巨型钢框 架结构（图1.4.5）。巨型框架的巨型柱为 2.445m×2.750m的立体桁架柱，沿纵向两根 巨型柱之间设置高为3.2m的巨型桁架梁。结 构外柱为500mm×500mm×50mm的箱形截 面柱，内柱及横梁为轧制H型钢，中心支撑为 圆钢管。 阪神地震中，该住宅小区21幢楼共计57 根钢柱发生断裂，其中13根钢柱为母材断裂，7 根钢柱在与支撑连接处开裂，37根钢柱发生在 拼接焊缝处。所有断裂的箱形截面柱均出现在 14层以下的楼层里，而且以19～24层的住宅 楼破坏最严重，（图1.4.6及图1.4.7），29层的 住宅楼则无一受损。梁的破坏有16处，支撑仅 有6处，均远少于柱的破坏。其破坏顺序不是预 期的支撑→梁→柱，而是相反的顺序。 柱子产生明显的脆性受拉断裂，（图1.4.6

图1.4.6 一幢19层钢结构建筑在 第一层产生钢柱断裂（注，见封底）

图1.4.6一幢19层钢结构建筑在 第一层产生钢柱断裂（注：见封底）

7)，是元至出乎意料的；其原因仍有待研究分析，初步的分析意见为： （1）竖向地震及倾覆力矩，使柱产生很大的拉力：

（2）断裂位于拼接焊缝附近，是由于焊接缺陷构成薄弱部位； （3）厚板焊接时过热使焊接点附近延性降低； （4）地震时为日本严冬期，该钢柱位于室外，钢材温度低于零度。 2.支撑及其连接板的破坏 支撑构件的破坏与以往历次地震相似，主要有三种破坏形式： （1）支撑届曲； （2）支撑与节点板连接破坏； （3）支撑与柱的连接破坏。

.4.7一幢19层钢结构建筑在第六层产生钢柱断 及支撑开裂，支撑屈曲（与图1.4.6为同一幢建筑

梁柱节点的破环较显著，图1.4.8为震后观察到的梁柱焊接连接处的四种破坏模 式：

图1.4.8阪神地震中梁柱焊接连接的破坏模式

模式1一翼缘断裂； 模式2及3一一热影响区的断裂； 模式4一一横隔板断裂。 上述连接破坏发生时，梁翼缘已有显著届服或局部届曲现象。此外，连接裂缝主要向 梁的一侧扩展，这是由于梁柱节点的构造采用横隔板向外侧伸出有关。

上述1985年墨西哥城地震、1994年诺斯重奇地和1995年版神地震等均为抗震设计 和研究提供了很多有益的经验教训。这三次地中，由于钢结构具有良好的延性，相对于 钢筋混凝土结构的破坏程度要小。殷神地震中，也表明按1981年新的抗震规范设计的建筑 很少被坏。但是，有些钢结构建筑的倒塌和钢柱的脆性断裂，以及支撑届曲和数重较多的 梁柱节点的破坏，已引起工程界的重视并进行相应的分析研究。现结合有关文献的论述作 如下归纳。 1.关于实现大度不倒的抗震设计耳标 墨西哥城地震中PinoSuarez综合楼的D楼的倒塌，阪神地震中年久失修的钢结构倒

塌，以及钢骨混凝土建筑中的中间层倒塌等，固然有其各自不同的因素，但反映了仍然存 在有关选择适宜的结构体系、设置多道抗震防线、避免结构沿竖向侧向刚度的突变，以及 减小结构扭转效应等要求未能得到实现的问题，而这些要求与实现大震不倒的抗震设计目 标是直接相关的。 2.关于实现支撑→梁→柱的屈服顾序 上述的三次震害中，有些建筑实现了支撑→梁→柱的届服顺序，相应地未产生严重破 坏。但在阪神地震中有的建筑出现了与此相反的顺序，甚至柱子产生脆性断裂，其原囚是 多方面的。但从抗震设计方面来探讨，在地震区建筑中，宜尽可能来用偏心支撑，这将是 实现预期屈服顺序的有效措施，此外，与竖向支撑直接相连的梁柱构件，其承载力也应符 合强柱弱梁的要求，以使梁先于柱子屈服。 3.关于实现强节点弱杆件的要求 梁柱节点采用栓焊法连接是当今广泛采用的方法，但在上述三次地震中这种节点存在 有较多的不同程度的破坏，需要对这种节点在设计上及焊接工艺上予以改进，并提出下列 方法可作考虑： （1）改进栓焊法中的焊接工艺 梁柱节点采用栓焊法连接时，节点破坏模式较多，但主要是钢梁下翼缘与柱的连接破 坏。现“高钢规程”已参照日本在阪神地震后发表的《铁骨工事技术指针》（1996）的规定 改进了梁柱节点的构造连接方法（图1.4.9），以使其便于焊接，提高焊接质量，以及消除 “人工缝”； （2）削弱节点部位梁段的抗弯承载力

3.关于实现强节点弱杆件的要求

梁柱节点采用栓焊法连接是当今广泛采用的方法，但在上述三次地震中这种节点存 有较多的不同程度的破坏，需要对这种节点在设计上及焊接工艺上予以改进，并提出下 方法可作考虑： （1）改进栓焊法中的焊接工艺 梁柱节点采用栓焊法连接时，节点破坏模式较多，但主要是钢梁下翼缘与柱的连接 不。现“高钢规程”已参照日本在阪神地震后发表的《铁骨工事技术指针》（1996）的规 改进了梁柱节点的构造连接方法（图1.4.9），以使其便于焊接，提高焊接质量，以及消 人工缝”； （2）削弱节点部位梁段的抗查承裁力

图1.4.10用狗骨式冀缘板及 翼缘钻孔法使塑性饺外移

图1.4.11采用加强短梁段的树状梁柱节点

（3）外移梁的工地连接节点位置及塑性铰置 常用的梁柱栓焊法连接位置是直接紧靠柱边的。树状式梁柱节点也已被广泛应用，即 在工厂中在柱上焊接一短梁段，使梁的工地连接节点位置外移一段距离，在工地再用栓焊 法或全用高强度螺栓与钢梁连接（图1.4.11）。这种节点做法，由于短梁在工厂中与柱焊接， 其质量比工地焊接容易控制。此外，对于短梁段可以有意加厚或加宽翼缘钢板，使塑性铰 由柱面处向外侧移位。 4.关于空腹式钢骨混凝土柱的应用 阪神地震中有一部分空腹式（或谓格构式）钢骨混凝土柱遭受严重破坏。签于空腹式 钢骨混凝土柱的抗震性能较差，《钢骨混凝土结构设计规程》YB9082一97建议不宜用于高 层建筑，相应地在该规程中无空腹式钢骨混凝土柱的设计规定，仅对实腹式钢骨混凝土租 列出设计规定，

章钢结构材料及强度设计值

钢材的种类常按不向用途、化学成分及生产工艺等进行分类。 （一）按建筑用途分类 按建筑用途分类时，有碳素结构钢（普通及优质），以及焊接结构用耐候钢（耐大气腐 蚀钢）、高耐候性结构钢、桥梁用结构钢等专用结构钢。建筑结构中常用的为碳素结构钢和 桥梁用结构钢。 · （二）按化学成分的碳及合金元素分类 1.碳素钢：低碳钢（C≤0.25%）、中碳钢（C=0.26%~0.6%）及高碳钢（C>0.6%） 建筑结构中常用的为低碳钢； 2.合金钢：低合金钢（合金元素总量<5%）、中合金钢（合金元素总量5%10%）及 高合金钢（合金元素总量>10%）。建筑结构中常用的为低合金钢。 （三）按化学成分的硫及磷含量分类 1.普通钢：S≤0.05%，P≤0.045%； 2.优质钢：S≤0.045%，P≤0.04%； 3.高级优质钢；S≤0.035%，P≤0.03%。 建筑结构中常用的为普通铜及优质钢。 （四）按炼钢炉炉种分类 按炼钢炉炉种分类时，有平炉钢、氧气顶吹转炉钢、碱性侧吹转炉钢及电炉钢等 建筑结构用的碳素结构钢及低合金钢由前两种炉炼成。碱性侧吹转炉钢在《钢结构设 计规范》GB317一88中已不推荐采用2.2]，电炉钢的质量虽好，因价格高，一般不采 用。 （五）按浇注时脱氧程度及方法分类 1.沸腾钢 沸腾钢是在钢液中仅用锰铁弱脱氧剂进行脱氧。钢液在铸锭时有相当多的氧化铁，它 与碳等化合生成一氧化碳等气体，使钢液沸腾。铸锭后冷却快，气体不能全部逸出，因此 有下列缺陷： （1）钢锭内存在气泡，轧制时虽容易闭合，但晶粒粗细不匀； （2）硫、磷等杂质分布不匀，局部也较集中； （3）气泡及杂质不匀，使钢材质量不勾，尤其是使轧制的钢材产生分层，当厚钢板在 垂直厚度方向产生拉力时，钢板产生层状撕裂

钢材的力学性能（或称机械性能）主要是指标准条件下的服点、抗拉强度、伸长率、 冲击试验和冷弯试验，以及对于厚钢板的厚度方向（Z向）受拉试验的断面收缩率等。低碳 钢Q235及低合金钢Q345的前五项的力学性能要求分别见表2.1.1、表2.1.2和表2.1.4。 为说明Q345与以前常用钢号16Mn之问的差异之处，在表2.1.6中列出16Mn钢的力学性 能和在表2.17中列出它的化学成分，

Q235级钢冷弯性能

主：1.B为试样宽度，Q为钢材率度（直径）； 2.人级钢的冷弯试验在需方有要求时才进行

强度 4.强化阶段（第IV阶段） 钢材经历癌服阶段后，内部晶粒重新排列，强度有所提高，但应变大为增大，呈现钢 材的塑性特征。应力最高点E为抗拉强度f，即为抗破断能力的极限值。 钢材屈服强度于，常作为受拉或受压时弹性和塑性工作的分界点。 钢材屈服后（o>，）将产生很大的变形，并暂时失去可继续加载的能力。因此，在设 计规范中将服强度了，作为强度承载力极限状态的标志值，并以国家标准规定的产品标准 最低届服点（废品极限）确定钢材强度标准值。 （二）抗拉强度 钢材的抗拉强度表示能承受的最大拉应力值（图2.1.1中的E点）。由于钢材应力超过 届服强度后出现较大的残余变形，结构不能正常使用，因此结构设计是以屈服强度作为 承载力极限状态的标志值，相应地在一定程度上抗拉强度即作为强度储备。其储备率可以 抗拉强度与屈服强度的比值强届比（f/f，）表示，强比愈大则强度储备愈大。因此，对 钢材除要求符合屈服强度外，尚应符合抗拉强度的要求。对于抗震的高层建筑，在“高钢 规程”中规定强屈比不应小于1.2，以及应有明显的服台阶。 （三）伸长率 标准试件的钢材应力达到抗拉强度于（图2.1.1），继续拉伸直至断裂后的试件长度1 大于原长度。为4，相应地儿的比值百分数为伸长率，即

个指标，以及常温下弯曲加工时产 生裂纹的抵抗能力。 冷弯试验（图2.1.2）时，弯 心直径d与钢材种类及钢材厚度 或直径α的比值有关，也与轧制方 向的取样有关，对于型钢取轮制纵 向，对钢板及带钢取轧制横向。标 准试件的宽度B=2a，冷弯角α= 180°，弯心直径d的要求见表

2.1.2（对Q235）及表2.1.4（对

图2.1.2冷变试验示意

Q345）。冷弯试验的合格标准是试件冷弯后无裂纹或分层等现象。 “钢结构规范”对于承重结构的钢材，规定“必要时”应具有冷弯试验的合格保证，所 谓“必要时”是指吊车梁、有振动设备、托架及大跨重型桁架，以及需弯曲成型的构件等。 “高钢规程”将冷弯试验作为五项基本保证之一。 （五）冲击韧性 钢材的冲击韧性是衡量钢材断裂时所做功的指标LYT标准规范范本，以及在低温、应力集中、冲击荷载 等作用下，衡量抵抗脆性断裂的能力。钢材中非金属夹杂物、脱氧不良等都将影响其冲击 韧性。 钢材的冲击韧性来用V形缺口的标准试件（图2.1.3），冲击韧性指标以冲击荷载使试 件断裂时所吸收的冲击功A表示，单位为J（N·mm）

材，要求有冲击韧性的合格保证。“高钢规程”对高层建筑钢材规定冲击韧性作为五项基本 保证之一。 （六）厚度方向受拉时的断面收缩率 高层建筑钢结构中的柱和竖向支撑等构件，其板厚常大于50mm，属于厚钢板或特厚钢 板，而且梁柱节点处在柱钢板的厚度方向采用熔透焊又有拉力作用，故要求沿厚度方向有 良好的抗层状撕裂的性能。该性能取用试件进行拉力试验，并以断面收缩率作为评定指标。 试件采用阅柱体，可由整个板厚加工而成（图2.1.4）试件直径d=10mm（板厚a>25mn 时），长度1≥1.5d。，并沿钢板轧制方向的任一端中部截取。试件拉断后，其断口处横截面 面积A比原横截面面积A。的缩减百分比值，称为厚度方向（Z向）的断面收缩率，即

GB5313一85《厚度方向性能钢板》的规定，适用于厚度1.5～150mm及屈服点不大于 500N/mml"的镇静钢钢板。该标准将钢板Z向断面收缩率分为Z15、Z25、Z35等三个级别， 它对应的也，相应为15%、25%、35%。对这三个级别的钢材还规定含硫量相应地分别小于 0.01%、0.007%，0.005%。断面收缩率的级别愈高，其抗层状撕裂的性能愈好，含硫量

图2.1.4厚度方向性能钢板试样外形尺可

应愈低，检验的数量要更多些。 《钢结构设计规范》GBJ17一88未规定对焊接结构在钢板厚度方向承受拉力时钢板断 面收缩率的要求。“高钢规程”对厚度等于或大于50mm，并承受沿厚度方向的拉力作用时， 不得小于Z15级。《钢骨混凝土结构设计规程》YB9082一97对厚度等于或大于36mm时，不 得小于Z15级。两本规程对板厚的下限值不一致配电网标准规范范本，而在上海<高层建筑钢结设计暂行规 定》中的下限值为40mm。

三、彩响钢材材质的主要化学成分

影响钢材材质的主要化学成分为碳C、锰Mn、硅Si、钒V、硫S及磷P等，故在材质 标推中均予以限量。此外，钢熔融时从空气或水分子分解进人钢液中的氧、氮、氢等有害 气体。Q235及Q345钢的化学成分限量分别见表2.1.3及表2.1.5。 （一）碳 碳的含量影响钢材的强度、塑性、韧性及可焊性。随着含碳量的增加，钢材的屈服强 度和抗拉强度可得到提高，但塑性、冷弯性能、冲击韧性、疲劳强度、焊接性能及抗腐蚀 性能等均将下降。因此，含碳量应予以适当限制。 （二）锰 锰是一种弱脱氧剂，当钰含量小于0.8%时，可提高钢材的强度。锰也消除硫、氧对钢 材的热脆影响，并能改善冷脆性能。但锰含量过高达1.0%～1.5%以上时，会使钢材变得 脆又硬，降低可焊性及抗锈性能。 （三）硅 硅常作为脱氧剂加在低碳钢钢液中，制成质量较高的镇静钢。硅含量不超过0.2%时 可提高钢的强度，对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性均无显著的不良影响。过量的硅 将降低钢材的塑性和冲击韧性。 （四）硫 硫是钢材中的有害元素。硫与铁化合成硫化铁，散布在纯铁的间层中，在800%