一、钢结构的特点和应用范围
钢结构通常由钢板和型钢等制成的柱、梁、桁架、板等构件组成，各部分之间用焊缝、螺栓或铆钉连接，是主要的建筑结构之一。
(一)钢结构的特点
和其他材料的结构相比，钢结构具有如下特点：
1．钢材的强度高，结构的重量轻
钢材的容重虽然比其他建筑材料大，但它的强度很高，同样受力情况下，钢结构自重小，可以做成跨度较大的结构。
2．钢材的塑性韧性好
钢材的塑性好，结构在一般情况下不会因偶然超载或局部超载而突然断裂。钢材的韧性好，使结构对动荷载的适应性较强。
3．钢材的材质均匀，可靠性高
钢材内部组织均匀，各向同性。钢结构的实际工作性能与所采用的理论计算结果符合程度好，因此，结构的可靠性高。
4．钢材具有可焊性
由于钢材具有可焊性，使钢结构的连接大为简化，适应于制造各种复杂形状的结构。
5．钢结构制作、安装的工业化程度高
钢结构的制作主要是在专业化金属结构厂进行，因而制作简便，精度高。制成的构件运到现场安装，装配化程度高，安装速度快，工期短。
6．钢结构的密封性好
钢材内部组织很致密，当采用焊接连接，甚至采用铆钉或螺栓连接时，都容易做到密不渗漏。
7．钢结构耐热，不耐火
当钢材表面温度在150℃以内寸，钢材的强度变化很小，因此钢结构适用于热车间。当温度超过150℃时，其强度明显下降。当温度达到500—600℃时，强度几乎为零。所以，发生火灾时，钢结构的耐火时间较短，会发生突然的坍塌。对有特殊要求的钢结构，要采取隔热和耐火措施。
8．钢材的耐腐蚀性差
钢材在潮湿环境中，特别是处于有腐蚀性介质环境中容易锈蚀，需要定期维护，增加了维护费用。
(二)钢结构的应用范围
1．大跨度结构
结构跨度越大，自重在全部荷载中所占比重也就越大，减轻结构自重可以获得明显的经济效果、钢结构强度高而重量轻，特别适合于大跨结构，如大会堂、体育馆、飞机装配车间以及铁路、公路桥梁等。
2．重型工业厂房结构
在跨度、柱距较大，有大吨位吊车的重型工业厂房以及某些高温车间，可以部分采用钢结构(如钢屋架、钢吊车梁)或全部采用钢结构(如冶金厂的平炉车间，重型机器厂的铸钢车间，造船厂的船台车间等)：
3．受动力荷载影响的结构
设有较大锻锤或产生动力作用的厂房，或对抗震性能要求高的结构，宜采用钢结构，因钢材有良好的韧性。
4．高层建筑和高耸结构
当房屋层数多和高度大时，采用其他材料的结构，给设计和施工增加困难、因此，高层建筑的骨架宜采用钢结构。
高耸结构包括塔架和桅杆结构，如高压电线路的塔架，广播和电视发射用的塔架、桅杆等，宜采用钢结构。
5．可拆卸的移动结构
需要搬迁的结构，如建筑工地生产和生活用房的骨架，临时性展览馆等，用钢结构最为适宜，因钢结构重量轻，而且便于拆装。
6，容器和其他构筑物
冶金，石油、化工企业大量采用钢板制作容器，包括油灌、气罐、热风炉、高炉等。此外，经常使用的还有皮带通廊栈桥、管道支架等钢构筑物。
7．轻型钢结构
当荷载较小时，小跨度结构的自重也就成为一个重要因素，这时采用钢结构较为合理。这类结构多用圆钢、小角钢或冷弯薄壁型钢制作。
二、钢结构的材料
(一)钢材的主要机械性能指标
钢结构在使用过程中要受到各种形式的作用，这就要求钢材必须具有抵抗各种作用而不产生过大变形和不会引起破坏的能力。钢材在各种作用下所表现出的各种特征，如弹性、塑性、强度，称为钢材的机械性能。钢材的主要机械性能指标有五项，即抗拉强度、伸长率、屈服强度，冷弯性能和冲击韧性，这都是通过试验得到的。
钢材的单向均匀受拉应力应变曲线提供了前三项机械性能指标。抗拉强度(用符号f表示)是钢材的一项强度指标，它反映钢材受拉时所能承受的极限应力，是检验钢材质量的重要指标；当以钢材屈服强度作为静力强度计算依据时，抗拉强度成为结构的安全储备。伸长率(用符号δ5或δ10表示)是衡量钢材在静荷载作用下塑性性能的指标。屈服强度(也称屈服点，用符号fy表示)是钢结构设汁中静力强度计算的依据，它是衡量钢材的承载能力及确定钢材抗拉、抗压、抗弯强度设计值的一项重要指标。通过冷弯试验得到对钢材性能要求的第四项指标——冷弯性能，它是衡量钢材的塑性性能和检验钢材质量优劣的一个综合指标、通过冲击试验得到对钢材性能要求的第五项指标——冲击韧性，它是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、动力荷载作用而导致脆性断裂能力的一项指标。满足冲击韧性的要求是个比较严格的指标，实际上只有经济承受较大、使用较频繁的动力荷载的结构，特别是焊接结构，才需要有冲击韧性的保证。
(二)影响钢材机械性能的主要因素
钢结构有性质完全不同的两种破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。塑性破坏的主要特征是具有较大的、明显可见的塑性变形，且仅在构件中的应力达到抗拉强度后才发生。由于塑性破坏前有明显的预兆，能及时发现而采取补救措施，因此，实际上结构是极少发生塑性破坏的：脆性破坏的特征是破坏前的塑性变形很小，甚至没有塑性变形，构件截面上的平均应力比较低(低于屈服点)。由于脆性破坏前无任何预兆，无法及时察觉予以补救，所以危险性极大。讨论影响钢材机械性能的因素时，应特别注意导致钢材变脆的因素。
1．化学成分的影响
碳素钢中，铁元素含量约占99％左右，其他元素有碳，磷、氮、硫、氧、锰、硅等，它们的总和约占1％左右。低合金钢中，除上述元素外，还有合金元素，其含量小于或等于5％，尽管碳和其他元素含量很小，但对钢材的机械性能却有着极大的影响。
普通碳素结构钢中，碳是除铁以外的最主要元素。随着含碳量的增加，钢材的强度提高，塑性，冲击韧性下降，冷弯性能、可焊性和抗锈蚀性能变差。因此，虽然碳是钢材获得足够强度的主要元素，但钢结构中，特别是焊接结构，并不采用含碳量高的钢材。现行《钢结构设计规范》(GB50017--2003)(本节以下简称《钢结构规范》)推荐的钢材，在焊接结构中，含碳量一般控制在0.12％—0.2％之间。
磷、氮、硫和氧是有害的杂质元素；随着磷、氮含量的增加，钢材的强度提高，塑性、冲击韧性严重下降，特别是在温度较低时促使钢材变脆(称冷脆)，磷还会降低钢的可焊性：硫和氧的含量增加会降低钢材的热加工性能，并降低钢材的塑性、冲击韧性。硫还会降低钢材的可焊性和抗锈蚀性能：所以，对磷、氮、硫和氧的含量应严格加以限制(均不超过0．05％)。
锰和硅是有益的杂质元素，能起到脱氧的作用，当含量适中时，能提高钢材的强度而对塑性和冲击韧性无明显影响：
2．冶炼、浇注的影响
我国目前钢结构用的钢，主要是由平炉和氧气转炉冶炼而成的。这两种冶炼方法的钢，质量大体相当。
钢材冶炼后按浇铸方法(也称脱氧方法)的不同而分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢采用锰铁作脱氧剂，脱氧不完全，钢材质量较差，但成本低；镇静钢用锰铁加硅或铝脱氧，脱氧较彻底，材质好，但成本较高；半镇静钢脱氧程序、质量和成本介于沸腾钢和镇静钢之间；特殊镇静钢的脱氧程序比镇静钢更高，质量最好，但成本也最高。
3．应力集中
当构件截面的完整性遭到破坏，如开孔、截面改变等，构件截面的应力分布不再保持均匀，在截面缺陷处的附近产生高峰应力，而截面其他部分应力则较低，这种现象称为应力集中(图11-82)。应力集中是导致钢材发生脆性破坏的主要因素之一。试验表明，截面改变越突然、尖锐程度越大的地方，应力集中越严重，引起脆性破坏的危险性就越大。因此，在结构设计中应使截面的构造合理。如截面必须改变时，要平缓过渡。构件制造和施工时，应尽可能防止造成刻槽等缺陷。
4．温度的影响
钢材在正温范围内，约在1000C以上时，随着温度的升高，钢材的强度降低，塑性增大。在2500C左右，钢材的抗拉强度有所提高，而塑性下降，这种现象称为冷脆现象，钢结构不宜在该温度范围内加工。温度达到500—6000C时，强度几乎为零。因此，当结构表面经常受较高的辐射热(150℃以上)时，应采取隔热措施，如加挡板或设循环水管等，加以保护。为提高钢结构耐火时间，可在构件上按需要涂不同厚度的防火涂料。当温度低于常温时，随着温度的下降，钢材的强度有所提高，而塑性和冲击韧性下降，当温度下降到某一负温值时，钢材的塑性和冲击韧性急剧降低，这种现象称为钢材的低温冷脆现象(简称冷脆)。因此，处于低温条件下的结构，应选择耐低温性能比较好的钢材，如镇静钢，低合金结构钢，
5．钢材的硬化
钢材的硬化包括时效硬化和冷作硬化。时效硬化是指高温时溶化于铁中的少量氮和碳，随时间的增长逐渐从固溶体中析出，形成氮化物或碳化物，对钢材的塑性变形起遏制作用，从而使钢材强度提高、塑性和冲击韧性下降。冷作硬化(也称应变硬化)是指钢材在间歇重复荷载作用下，钢材的弹性区扩大，屈服点提高，而塑性和冲击韧性下降。钢结构设计中，不考虑硬化后强度提高的有利影响，相反，对重要的结构或构件要考虑硬化后塑性和冲击韧性下降的不利影响。
6．焊接
焊接连接时。由于焊缝及其附近的高温区的金属经过高温和冷却的过程，金属内部组织发生了变化，使钢材变脆变硬。同时，焊接还会产生焊接缺陷和焊接应力，也是促使钢材发生脆性破坏的因素。
大量的脆性破坏事故说明，事故的发生经常是几种因素的综合。根据具体情况正确选用钢材是从根本上防止脆性破坏的办法，同时也要在设计、制造和使用上注意消除促使钢材向脆性转变的因素。
(三)钢材的种类、选择和规格
1．钢材的种类
《钢结构规范》推荐的承重结构用钢材有普通碳素结构钢(简称碳素钢)和普通低合金结构钢(简称低合金钢)两种。
(1)碳素钢
我国生产的专用于结构的碳素钢Q235(Q是屈服点的汉语拼音首位字母，数值表示钢材的屈服点，单位N／mm2)。钢结构用钢材主要是Q235，其含碳量和强度、塑性、加工性能等均适中。碳素钢牌号的全部表示是QXXX后附加质量等级和脱氧方法符号，如Q235一AF、Q235一C等。Q235钢共分为A、B、C、D四个质量等级(A级最差，D级最好)。A、B级钢按脱氧方法分为沸腾钢(符号F)、半镇静钢(符号b)或镇静钢(符号Z)，C级为镇静钢，D级为特殊镇静钢(符号TZ)；Z和TZ在牌号中省略不写。
(2)低合金钢
低合金钢是在冶炼碳素钢时加一种或几种适量合金元素，以提高钢材强度、冲击韧性等而又不太降低其塑性。低合金钢的牌号表示方法是：自左向右依次列出其平均含碳量的万分数，合金元素的名称(或符号)及含量的百分数，当合金元素平均含量小于1．5％时不注明其含量，达到或超过1．5％用整数注明其含量。钢结构常用的低合金钢有：16Mn(平均含碳量万分十六，合金元素锰，合金元素平均含量小于1．5％)，16Mnq(q——桥梁用钢)和15MnV(15锰钒)、15MnVq。
在受力大的承重钢结构中采用低合金钢，可较Q235钢节约钢材15％—25％。
2．钢材的选择
选择钢材的目的是要在保证结构安全可靠的基础上，经济合理地使用钢材。通常要考虑：
(1)选择钢材的依据
1)结构或构件的重要性；
2)荷载性质(静力荷载或动力荷载)；
3)连接方法(焊接、铆钉或螺栓连接)：
4)工作条件(温度及腐蚀介质)。
(2)建筑钢结构的选材要求
1)承重结构用钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应符合现行标准的规定。
2)下列情况的承重结构和构件不应采用Q235沸腾钢：
a．焊接结构。直接承受动力荷载或振动荷载，且需要验算疲劳的结构；工作温度低于—20℃时的直接承受动力荷载或振动荷载、但可不验算疲劳的结构，以及承受静力荷载
的受弯及受拉的重要承重结构；工作温度等于或低于—30℃的所有承重结构。
b．非焊接结构。工作温度等于或低于—20℃的直接承受动力荷载、且需要验算疲劳的结构。
(3)承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。
焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。
对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于0℃但高于—20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有—20~c冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于—20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有—20℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有—40℃冲击韧性的合格保证。
对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于—20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有—20℃冲击韧性的合格保证。
吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。
3．钢材的规格
钢结构所用钢材主要有热轧成型的钢板和型钢以及冷弯成型的薄壁型钢。
(1)钢板
钢板分厚钢板、薄钢板和扁钢。其规格为：
厚钢板：厚度4.5—60mm，宽度600～3000mm，长度4—12m；
薄钢板：厚度0.35-4mm，宽度500-1500mm，长度0.5～4m；
扁钢：厚度4-60mm，宽度12～200mm，长度3-9m。
钢板通常用“一”后面加“宽度X厚度X长度”表示。如一600X10X12000表示为600mm宽、lOmm厚、12m长的钢板。
(2)型钢
型钢可以直接用作构件，以减少加工制造工作量，在设计中应优先选用。常用的型钢有：角钢、槽钢、工字钢和钢管(图11-83)。
角钢，有等肢的和不等肢的两种。等肢角钢以肢宽和厚度表示，如L100X10为肢宽l 槽钢，用号数表示，号数即为其高度的厘米数。号数20以上还附以字母a或b或c以区别腹板厚度，如[ 工字钢和槽钢一样用号数表示，20号以上也附以区别腹板厚度的字母。用工 钢管用Ф后面加“外径X厚度”表示，如：Ф102X 5即外径 (3)薄壁型钢 薄壁型钢是用1.5—
三、钢结构的计算方法与基本构件的设计
(一)钢结构的计算方法
钢结构和混凝土结构、砌体结构一样，它的设计也是要求结构或构件满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求。
1．承载能力极限状态
采用以概率理论为基础的极限状态设计方法(疲劳问题除外)，用分项系数设计表达式进行计算，计算内容有强度和稳定(包括整体稳定、局部稳定)。但钢结构的设计表达式则采用应力形式，即
钢结构设计规范给出了材料强度设计值，计算时可直接查用(见《钢结构规范》第3．4．1．3．4．2条)。 2．正常使用极限状态 钢结构或构件按正常使用极限状态没计时，应考虑荷载的短期效应组合，其表达式： 钢结构设计规范给出厂结构或构件的容许变形值，计算时直接查用(见《钢结构规范》附录A)。
(二)基本构件设计
钢结构的基本构件有轴心受力构件、受弯构件和拉弯、压弯构件。普通钢结构中，一般受力构件及其连接中不应采用厚度小于
1．轴心受力构件
(1)轴心受力构件的应用和截面形式轴心受力构件包括轴心受拉构件和轴心受 压构件，也包括轴心受压柱。在钢结构中，屋架、托架、塔架和网架等各种类型的平面或空间桁架以及支撑系统，通常均为轴心受拉和轴心受压构件组成。工作平台、多层和高层房屋骨架的柱、承受梁或桁架传来的荷载、当荷载为对称布置且不考虑水平荷载时，属于轴心受压柱。柱通常由柱头、柱身和柱脚三部分组成(图11-85)。
(2)轴心受拉构件的计算 设计轴心受拉构件时，根据结构的用途、构件受力大小和材料供应情况选用合理的截面形式。轴心受拉构件的计算包括强度和刚度两方面的内容。 1)强度 轴心受拉构件的强度按下式计算： 2)刚度 轴心受拉构件的刚度通常用长细比入来衡量，长细比是构件的计算长度lo与构件截面回转半径i的比值，即λ=lo／i。λ愈小，构件刚度愈大，反之则刚度愈小。λ过大会使构件在使用过程中由于自重发生挠曲，在动荷载作用下容易产生振动，在运输和安装过程中容易产生弯曲。因此，设计时应使构件最大长细比不超过规定的容许长细比，即： 
(3)实腹式轴心受压构件的计算
实腹式轴心受压构件的计算包括强度、整体稳定、局部稳定和刚度四个方面的内容。
1)强度
轴心受压构件的强度计算公式同轴心受拉构件一样，采用公式(11－166)，但式中N为轴心压力设计值，f为钢材抗压强度设计值。
2)整体稳定
a．概述
轴心受压构件，除构件很短及有了L洞等削弱时可能发生强度破坏外，往往当荷载还没有达到按强度考虑的极限值时，构件就会因屈曲而丧失承载力，即整体失稳破坏。稳定问题是钢结构中的一个突出问题，设计时应给予极大的重视。
材料力学中讨论了理想的轴心受压杆的整体稳定计算，但实际工程中并不存在这种理想的压杆。实际工程中的轴心受压构件常受到以下主要的不利因素的影响：
(a)初始缺陷
初始缺陷包括初弯曲和初偏心。构件在制造、运输和安装过程中，不可避免地会产生微小的初弯曲；由于构造或施工的原因，轴向压力没有通过构件截面的形心而形成偏心。
这样，在轴向压力作用下，构件侧向挠度从加载起就会不断增加，使得构件除受有轴向压力作用外，实际上还存在因构件挠曲而产生的弯矩(如图11-88)，从而降低了构件的稳定承载力。 (b)残余应力 残余应力是指构件受力前，构件内就已经存在自相平衡的初应力。构件的焊接、钢材的轧制、火焰切割等会产生残余应力。图11-89给出了焊接工字形截面构件的残余应力(焊接应力)的分布(“+”号表示残余拉应力，“—”号表示残余压应力)。残余应力通常不会影响构件的静力强度承载力，因它本身自相平衡。但残余压应力将使其所处截面提早发展塑性，导致轴心受压构件的刚度和稳定承载力下降。 b．整体稳定计算 轴心受压构件整体稳定按下式计算：
《钢结构规范》对各种截面形式、不同的加工方法以及相应的残余应力分布模式，并考虑了1／1000杆长的初弯曲，共计算了96条稳定系数与长细比的关系曲线，最后按相近的计算结果归纳为a、b、c三条曲线，如图11—90所示。
3)局部稳定
实腹式组合截面(如工字形、箱形等)的轴心受压构件都是由板件组成，如果这些板件过薄，则在均匀压应力作用下，将偏离其正常位置而形成波形屈曲，这种现象称局部失稳(图11-91)。
《钢结构规范》对实腹式组合截面的轴心受压构件的局部稳定采取限制板件宽(高)厚比的办法来保证。对于工程中常用的工字形组合截面轴心受压构件，翼缘板和腹板的局部稳定计算如下：
由于轧制的工字钢、槽钢的翼缘板和腹板均较厚，局部稳定均能满足要求，不必计算。 4)刚度 轴心受压构件的刚度同轴心受拉构件一样用长细比来衡量。 对于受压构件，长细比更为重要。长细比过大，会使其稳定承载力降低太多，在较小荷载下就会丧失整体稳定，因此其容许长细比[]限制更应严格。受压构件的容许长细比按《钢结构规范》表5．3．8采用。 构件的计算长度的确定，见《钢结构规范》第5．3节。 5)轴心受压构件截面的设计原则 a．截面面积的分布应尽可能远离主轴线，以增加截面的回转半径，从而提高构件的稳定性和刚度。具体措施是在满足局部稳定和使用等条件下，尽量加大截面轮廓尺寸而减小板厚，在工字形截面中应取腹板较薄而翼缘较厚。 b．使两个主轴的稳定系数尽量接近，这样构件对两个主轴的稳定性接近相等，即等稳定设计。 c．便于与其他构件连接。 d．构造简单、制造方便。 e．选用能得到供应的钢材规格。 单角钢截面适用于塔架、桅杆结构。双角钢便于在不同情况下组成接近等稳定的压杆截面，常用于节点连接杆件的桁架中。用单独的热轧普通工字钢作轴心受压构件，制造上省工，但它的两个主轴回转半径相差较大，当构件对两个主轴的计算长度相差不多时，其两个主轴的稳定性相差很大，用料费。用三块钢板焊成的工字形组合截面轴压柱，具有组织灵活、截面的面积分布合理，便于采用自动焊和构造简单等特点。这种截面通常高度和宽度做得相同，当构件对两个主轴的计算长度相差一倍时，能接近等稳定，故应用最广。 箱形、十字形、钢管截面，其截面对两个主轴的回转半径相近或相等，箱形截面的抗扭刚度大，但与其他构件的连接比较困难。格构式轴压构件的优点是肢件的间距可以调整，能够使两个主轴稳定性相等，用料较实腹式经济，但制作较费工。格构式轴心受压构件的计算有强度、整体稳定、单肢稳定、刚度及连接肢件的缀材计算等内容。
2．受弯构件(梁)
(1)受弯构件的应用及截面形式
受弯构件是用以承受横向荷载的构件，也称之为梁，应用很广泛。例如建筑中的楼(屋)盖梁、檩条、墙架梁、工作平台梁以及吊车梁等。
梁按受力和使用要求可采用型钢梁和组合梁。前者加工简单、价格较廉，但截面尺寸受到规格的限制。后者适用于荷载和跨度较大、而采用型钢梁不能满足受力要求的情况。
型钢梁通常采用热轧工字钢和槽钢(图11
组合梁由钢板用焊缝或铆钉或螺栓连接而成。其截面组织较灵活，可使材料在截面上的分布更为合理，用料省。用三块钢板焊成的工字形组合梁(图11—92e)，构造简单、制作方便，故应用最为广泛。承受动荷载的梁，如钢材质量不满足焊接结构要求时，可采用铆接或高强度螺栓连接(图11
梁按其弯曲变形情况不同，分为仅在一个主平面内受弯的单向弯曲梁和在两个主平面内受弯的双向弯曲梁(也称斜弯曲梁)。工程中大多数是单向弯曲梁，屋面檩条和吊车梁等是双向弯曲梁。这里只讲单向弯曲梁。 (2)梁的计算 梁的计算包括强度、整体稳定、局部稳定和刚度四个方面的内容。 1)强度 梁在横向荷载作用下，在其截面中将产生弯曲正应力和剪应力(图11-93)，梁的截面通常由抗弯强度和抗剪强度确定。
2)整体稳定
a．概述
如图11-94，梁在最大刚度平面内弯曲(绕x轴弯曲)，当受压翼缘的弯曲应力达到某一值后，就会出现平面的弯曲和扭转，最后使梁迅速丧失承载力，这种现象称梁丧失整体稳定。梁丧失整体稳定寸的荷载一般低于强度破坏时的荷载，且失稳破坏是突然发生的，危害性大：因此，除计算梁的强度外，还必须验算其稳定性，稳定计算公式为：
b．提高梁整体稳定性的措施 梁的整体稳定承载力与梁的侧向刚度、受压翼缘的自由长度等因素有关。加大侧向刚度或减小受压翼缘自由长度都可以提高梁的整体稳定性。具体措施是：加大梁受压翼缘宽度；在受压翼缘平面内设置支承以减小其自由长度。 《钢结构规范》规定，满足下列条件之一者，梁的整体稳定有保证，可以不计 算其整体稳定： (a)有铺板(各种钢筋混凝土板和钢板)密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固连 接、能阻止梁受压翼缘的侧向位移时。 (b)H型钢或等截面工字形简支梁受压翼缘的自由长度与其宽度之比不超过 《钢结构规范》表4．2．1所规定的数值时。 3)局部稳定 从经济的观点出发，设计组合梁截面时总是力求采用高而薄的腹板以增大截面的抗弯刚度；采用宽而薄的翼缘板以提高梁的整体稳定。但当钢板过薄时，腹板或受压翼缘在尚未达到强度限值或丧失整体稳定之前，就可能发生波曲或屈曲而偏离其正常位置，这种现象称梁的局部失稳。梁的局部失稳会恶化梁的整体工作性能，必须避免。 为保证梁受压翼缘的局部稳定，应满足： 劲肋和在受压区设置纵向加劲肋。 轧制的工字钢和槽钢，其翼缘和腹板都比较厚，不会发生局部失稳，不必采取措施。 4)刚度 梁的刚度用变形(即挠度)来衡量，变形过大会影响正常使用，同时也给人带来不安全感。 梁的刚度应满足：
3．拉弯和压弯构件
拉弯和压弯构件的应用及截面形式。
拉弯和压弯构件是指同时承受轴心拉力或轴心压力及弯矩的构件，也称为偏心受拉或偏心受压构件。拉弯和压弯构件的弯矩可以由纵向荷载不通过构件截面形心的偏心引起，也可由横向荷载引起(图11-96)。
钢结构中常采用拉弯和压弯构件，尤其是压弯构件的应用更为广泛。例如单层厂房的柱、多层或高层房屋的框架柱、承受不对称荷载的工作平台柱、支架柱等。桁架中承受节间荷载的杆件则常是压弯或拉弯构件。 拉弯和压弯构件，当弯矩较小时，它们的截面形式与一般轴心受力构件截面形式相同(图11-96、图11-97)；当弯矩较大时，应采用在弯矩作用平面内高度较大的截面。对于压弯构件，如只有一个方向的弯矩较大时(如绕x轴的弯矩)，可采用如图11-97所示的单轴对称的截面形式，并使较大翼缘位于受压较大一侧。 (1)拉弯构件的计算 拉弯构件的计算一般只需要考虑强度和刚度两个方面。但对以承受弯矩为主的拉弯件，当截面一侧最外纤维发生较大的压应力时，则也应考虑和计算构件的整体稳定以及压板件的局部稳定性。这里只讲一般受力情况下拉弯构件的计算。 1)强度 拉弯构件的截面上，除有轴心拉力产生的拉应力外，还有弯矩产生的弯曲应力，构件截面的应力应为两者之和(图11-98)。截面设计时，应按截面上最大正应力计算强度： 2)刚度 拉弯构件的刚度计算与轴心受拉构件相同。其容许长细比也相同。 (2)压弯构件的计算 实腹式压弯构件的计算包括强度、整体稳定，局部稳定和刚度四个方面的内容。 1)强度 压弯构件的强度计算公式同拉弯构件一样采用公式(11-176)计算，但式中N为轴心压力的设计值。 2)整体稳定 压弯构件的承载力通常是由稳定性来决定的。现以弯矩在一个主平面内作用的压弯构件为例，说明其丧失整体稳定现象(图 压弯构件需要进行弯矩作用平面内和弯矩作用平面外的稳定计算，计算较复杂。有关整体稳定计算，参照《规范》有关规定。 3)局部稳定 实腹式压弯构件，当板件过薄时，腹板或受压翼缘在尚未达到强度极限值或构件丧失整体稳定之前，就可能发生波曲及屈曲(即局部失稳)。压弯构件的局部稳定采用限制板件宽(高)厚比的办法来保证。 4)刚度 压弯构件的刚度计算与轴心受压构件相同，容许长细比也相同。
四、钢结构的连接
(一)钢结构的连接方法
钢结构的连接方法有焊接连接、铆钉连接和螺栓连接(图11-100)。
1．焊接连接
焊接是钢结构中应用最厂—泛的一种连接方法。它的优点是构造简单，用钢量省，加工简便，连接的密封性好，刚度大，易于采用自动化操作。缺点是焊件会产生焊接残余应力和焊接残余变形；焊接结构对裂纹敏感，局部裂纹会迅速扩展到整个截面；焊缝附近材质变脆。
焊接连接的方法有很多，其中手工电弧焊、自动或半自动埋弧电弧焊和二氧化碳气体保护焊最为常见。
手工电弧焊由焊条，夹焊条的焊把，电焊机，焊件和导线组成。常用的焊条为E43XX、E50X X和E55X X型。字母E表示焊条，后面的两位数表示熔敷金属(焊缝金属)抗拉强度的最小值，如43表示熔敷金属抗拉强度为fu= 2．铆钉连接 铆钉连接是将一端带有预制钉头的铆钉，插入被连接构件的钉孔中，利用铆钉将另一端压成封闭钉头而成：铆钉连接因费钢费工，劳动条件差，成本高，现已很少用。但因铆钉连接的塑性和韧性好，传力可靠，质量易于检查，所以在某些重型和经受动力荷载作用的结构，有时仍采用铆钉连接： 3．螺栓连接 螺栓连接可分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接。 (1)普通螺栓连接，主要用在安装连接和可拆装的结构中，普通螺栓有两种类型：一种是粗制螺栓(称为C级)，它的制作精度较差，孔径比栓杆直径大1.0～ (2)高强度螺栓(包括螺帽和垫圈均采用高强度材料制作)连接，安装时，用特制的扳手拧紧螺母给栓杆施加很大的预拉力，从而在被连接板件的接触面上产生很大的压力(如图11-101)。 当受剪力时，按设计和受力要求的不同，可分为摩擦型和承压型两种。 摩擦型高强度螺栓连接：这种连接仅仅靠板件接触面间的摩擦力传递剪力，即保证连接在整个使用期间剪力不超过最大摩擦力。这种连接，板件间不会产生相对滑移，其工作性能可靠，耐疲劳，在我国已取代铆钉连接并得到愈来愈广泛的应用。 承压型高强度螺栓连接：这种连接是依靠板件间的摩擦力与栓杆承压和抗剪共同承受剪力。连接的承载力较摩擦型的高，可节约螺栓。但这种连接受剪时的变形比摩擦型大，所以只适用于承受静荷载和对结构变形不敏感的连接中。 高强度螺栓的强度等级分8.8级和10.9级两种。小数点前“
(二)焊接连接的构造和计算
1．连接形式和焊缝形式
连接形式有对接、搭接和T形连接三种基本形式(图11-102)。
焊缝形式有对接焊缝和角焊缝两种。对接焊缝指焊缝金属填充在由被连接板件构成的口内，成为被连接板件截面的组成部分(图11 由对接焊缝构成的对接，构件位于同一平面，截面无显著变化，传力直接，应力集中钢板和焊条用量省。但要求构件平直，板较厚时(≥ 2. 焊缝代号 钢结构图纸中用焊缝代号标注焊缝形式、尺寸和辅助要求。焊缝代号由引出线、图形符号和辅助符号三部分组成。图形符号表示焊缝剖面的基本形式。当引出线的箭头指向焊缝所在的一面时，应将图形符号和焊缝尺寸等注在水平横线的上面；当箭头指向对应焊缝所在的另一面时，则应将图形符号和焊缝尺寸标注在水平横线下面。表11—38给出了几个常用的焊缝代号标注方法。
3．对接焊缝连接的构造和计算
(1)对接焊缝的构造
1)对接焊缝的坡口形式，应根据板厚和施工条件按现行标准《手工电弧焊焊接头的基本形式与尺寸》和《埋弧焊焊接接头的基本形式与尺寸》的要求选用。
2)在对接焊缝的拼接处：当焊件的宽度不同或厚度相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1／4的斜角(如图11-103)。
3) 对接焊缝的起点和终点，常因不能熔透而出现凹形焊口，为避免其受力而出现裂纹及应力集中，对于重要的连接，焊接时应采用引弧板，将焊缝两端引至引弧板上，然后再将多余的部分割除(图11-104)。
(2)对接焊缝的计算 1)对接焊缝的强度 《钢结构工程施工质量验收规范》对焊缝的质量检验标准分成三级：—、二级要求焊缝不但要通过外观检查，同时要通过X光或g射线的—、二级检验标准；三级则只要求通过外观检查。能通过—二级检验标准的焊缝，其质量为一、二级，焊缝的抗拉强度设计值相同；未通过一、二级检验标准或只通过外观检查的对接焊缝，其质量均属于三级，焊缝的抗拉强度设计值为焊件强度设计值的0．85倍。当对按焊缝承受压力或剪力时，焊缝中的缺陷对强度无明显影响。因此，对接焊缝的抗压和抗剪强度设计值均与焊件的抗压和抗剪强度设计值相同。 2)对接焊缝的计算 对接焊缝截面上的应力分布与焊件截面上的应力分布相同，按力学中计 算杆件截面；应力的方法计算焊缝截面的应力，并保证不超过焊缝的强度设计值。 对接焊缝在轴向力(拉力或压力)作用下(图11—
2)角焊缝的尺寸限制
a角焊缝的焊脚尺寸
最小焊脚尺寸。角焊缝最小焊脚尺寸hfmin取1．5而(t——较厚焊件的厚度，单位mm)。但对于自动焊，最小焊脚尺寸可减小lmm；对T形连接的单面角焊缝应增加lmm。当焊件厚度小于或等于
最大焊脚尺寸。角焊缝的最大焊脚尺寸hfmax=1．2‘(t——较厚焊件的厚度，图11—108)；但焊件(厚度为t)边缘的最大焊脚尺寸为(图11—108b)：当t≤
计算长度限制。 3)其他构造要求 a．在直接承受动力荷载的结构中，角焊缝应采用平坡凸形(图11-106b)或凹面形(图11 b．当板件的端部仅采用两侧面角焊缝时，每条侧面角焊缝长度不宜小于侧面角焊缝之间的距离；同时两侧面角焊缝之间的距离不宜大于16t(t> c．在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，并不得小于 d．在次要构件或次要焊缝连接中，如计算所需的焊缝长度过小时，可采用断续角焊缝。断续角焊缝之间的净距不应大于15t(对受压构件)或30t(对受拉构件)，t为较薄焊件的厚度。 e．杆件与节点板的连接焊缝一般宜采用两面侧焊(图11
当角焊缝的端部在杆件转角处作长度为2Af的绕角焊时，转角处必须连续施焊(图11—
(2)角焊缝的计算
1)计算原则
角焊缝的受力状态十分复杂，建立角焊缝的计算公式主要靠试验分析。通过对角焊缝的大量试验分析，得到如下结论及计算原则：
a．计算时，不论角焊缝受力方向如何，均取角焊缝在45°喉部截面为计算截面，计算截面高度为h。(不考虑余高，如图11—106)。
b．正面角焊缝的强度一般为侧面角焊缝强度的1．35-1．55倍。
c．角焊缝的抗拉、抗压、抗剪设计强度设计值均采用同一指标，用fwf表示。
2)角焊缝的计算
a．角焊缝在轴心力作用下的计算轴心力指外力作用通过焊缝群的形心。
(a) 在与焊缝长度方向平行的轴心力作用下(图11-107a)：
2)构造要求：螺栓间距过大时，构件接触面不严密，当湿度较大时，潮气易侵入，使钢材锈蚀，故螺栓间距不能过大。
3)施工要求：布置螺栓时，还要考虑用扳手拧螺栓的可能性。 根据上述三个方面的要求， 《钢结构规范》规定了螺栓排列的最大、最小容许距离(见《规范》表8．3．4)。
(3)螺栓及孔的图例
抗剪普通螺栓连接有五种可能的破坏形式： a．当螺栓直径较小，板件较厚时，螺栓可能被剪断(图11— b．当螺栓直径较大，板件相对较薄时，构件孔壁可能被挤压破坏(图11-114b)； c．当栓孔对构件的削弱过大时，构件可能在削弱处被拉断(图11— d．当螺栓杆过长时，螺栓杆可能发生过大的弯曲变形而使连接破坏(图11-114d)； e．当端距过小时，板端可能受冲剪而破坏(图11—114e)。 上述五种情况中，后两种情况可以采取构造措施防止，如被连接构件板重叠厚度不大 于5倍的螺栓直径，可以避免螺栓过度弯曲破坏；端距不小于2倍螺栓的孔径，可以避免 构件端部板被剪坏。前三种情况则须通过计算来保证。 2)抗剪普通螺栓连接的计算。 a． 一个抗剪螺栓的承载力设计法
五、构件的连接构造
单个构件必须通过相互连接才能形成整体。构件间的连接，按传力和变形情况可分为铰接、刚接和介于二者之间的半刚接三种基本类型。半刚接在设计中采用较少，故这里仅讲述铰接和刚接的构造。
(一)次梁与主梁的连接
1．次梁与主梁铰接
次梁与主梁铰接从构造上可分为两类：一类如图11-116(a)所示的叠接，次梁直接放在主梁上，并用焊缝或螺栓连接。叠接需要的结构高度大，所以应用常受到限制。另—类是如图11—116(b)、 (c)所示主梁与次梁的侧向连接。这种连接可以减小梁格的结构高度，并增加梁格刚度，应用较多。图11—116(b)为次梁借助于连接角钢与主梁连接，连接角钢与次梁采用螺栓和安装焊缝相连。图11-116(c)的构造是将次梁用螺栓或安装焊缝连接于主梁的加劲肋上。
图1-119是梁支承于柱顶的铰接构造，梁的反力通过柱的顶板传给柱；顶板一般取16