现代钢结构都是在专业化的金结构制造厂中用热轧钢材或冷弯型钢加工成构件或构体(构件的集合体),然后运到工地安装而成。
一、工厂制造包括以下工序：
钢材的验收,整理和保管,包括必要的矫正→施工图放,做出梯板、杆,并据以划线和下料→对划线后的钢材进行剪切(焰割)、冲(钻多、和刨边等项加工:非平直的零件则需要通过煨弯和辊圆等工序来成型→对加工过程中造成变形的零件进行整平(粗平、顶平)→把零件接图装配成构件,并加以焊接(铆接)→对焊接造成的变形加以矫正→除锈和涂漆；
工地安装工作包括：
现场的扩大拼装,即把工厂运来的构件(或大构件的一部分)集合成较大的构件或构体→把扩大拼装后的各构件(体)一一吊装就位,相互连接,加以临时固定→调整各部分的相对位置,使符合安装精度的要求,并做最后固定；
二、加工对铜构件性能的影响
加工对铜构件性能的影响主要表现为两类:其一是常温下加工的塑性变形,即冷作硬化和其后的时效影响;其二是局部高温的影响,主要是焊接的繁响,也有氧气切割的影响
1、冷和工的影响
从钢材的应力应变图(图1)可见,当材料经受的塑性变形不大,如拉伸图中的B点,则屈服点没有提高,塑性和粉性只是稍有降低。在辊床上把微弯的杆调直,属于这种情况。如果拉伸到C点,则屈服点将有所提高,而塑性及韧性则降低很大。塑性和性降低,属于不利后果。钢结构工程施工及验收规范GB对冷弯曲的曲率半径最小值有所规定,以限制冷加工的应变不致过大。从（图2）中可以看出,沸腾钢板人工时效使冲击韧性降低的情况,人时致是给以20%拉伸变形后均匀地加热到℃并在这一温度下保温一小时,时效后不仅冲击韧性降低,脆性转变温度由原来的一10℃上升到20C,韧性降低的原因包括冷加工和时效两种因素,如果是镇静钢,冲击韧性虽有所降低,但胞性转变温度无大变化钢材的剪切和冲孔,使剪断的边缘和冲出的孔壁严重硬化,甚至出现微细裂纹,对于比较重要的结构,剪断处需要创边;冲孔只能用较小的冲头,冲完再行扩钻,目的都是把硬化部分除掉,以免裂纹在一定条件下扩展,例如,焊接结构的工地安装孔,如果在冲成后受到邻近焊缠的影响而加热至~℃,使时效很快完成,孔壁裂纹就有扩展危险,钢板剪断的边缘如果以后还焊焊缝,可以不刨边,因为硬化部分会受热熔化。
（图3）所示冷弯型钢,是用轧制好的薄纳板加工弯成的。冷弯成型方法有冷轧、模压和无模压弯,不论采用哪种方法，钢板都经受一定的塑性变形,并出现强化利硬化,如（图3）所示卷边槽钢，冷弯成型弯角部分密服点大幅度提高，抗拉强度也所提。但不如屈服点提高的百分比大。弯角之间的平板部分，屈服点是否有提高,提高幅度如付,和加工成型的,出工艺很有关系。制成型的平板部分屈服点没有明显提高。
弯角部分的塑性变形,外侧沿圆氯方为拉伸,沿半径方间为压缩,内则沿弧线压缩,而沿半径拉伸,这些性变形都是垂直于构件受力方向的,对构件抗拉和抗压性能的影响相相同。显然，材料弯成圆角时半径和板厚之比r/t越小,塑性应变越大屈服点提高幅度也就越大。
2.焊和火焰切割的影响
对钢材进行焊接,造成以下三种后果
（1)焊缝金属具有铸造组织,不同于轧制铜材。
(2)焊弧的高温使邻近焊缝的钢材发生组织变化。
（3)局部性的高温使钢材发生塑性变形,冷却后存在残余应力。
施焊对堆积的金属通常具有枝状组织当用多层焊时,后一次的热量对前一层有退火作用,使晶粒变细,但是顶层受不到退火作用,保持堆积时的铸造组织。
焊缝金属在碳、氮、氧,氢的含量方面和轧制钢材也有差别,碳含纸稍低,氮、氧、氢稍高,熔焊的金属冷却很快,和沸腾钢锭有些类似,因而含氧高,气泡和来杂都较多,如果延长冷却过程,可以降低氧的含量,另外,采用短弧焊、埋弧焊和气体保护焊,使熔化金属和空气更好地隔离。
焊缝金离含氢量高,来源于大气和焊条药皮,包药度的有机物成分和吸收的水分,当冷却快时,氢能使焊缝金属内部出现微观裂纹,因此,不仅受潮的焊条必须烘干后才能使用,蓝要的结构还要用低氢型煤条E,E以及E,E,以遵免出现裂纹,用低氢型焊条得到的焊缝金属,能性转变温度接近于镇静钢材。和钟锭时类似,当焊继金属冷却比较缓慢时,氧和氢的含量就会减少,使之缓冷的一个有效措施是对焊件预先加热至20C.预热使焊后冷却过程延长,改善了焊接构件的性能,我国《建筑钢结构焊接技术规程》规定,厚宽大于40mm的Q钢和厚度大于2m的Q钢,在煤接时需要预热,最低预热温度控制在60~Q施焊后还应分行后热,其温度由试验确定。
焊弧的热量使主体金属有一小部分熔化,邻近熔化区受到高温影响的部分叫做热影响区。热影响区是一个笼统的名称,它包括几个不同的区城、即过热区、正火区和部分重结晶区。（图4）示意这几个区域的分布情况。过热区的温度达到C以上,它的晶粒粗大,强度和硬度提高,塑性和韧性降低,有时还会出现韧性很低的针状组织（魏氏组织),正火区是温度达到~℃的区城,这一区域的力学性能很好,强度、塑性,韧性都较高,部分重结品区是温度达到~℃的区城,这一区内晶粒粗细不匀,因此力学性能不太好。采用电弧焊时,热影响区的宽度并不大,总共不过几个毫米,一般手工爆时约为6mm,图自动焊时只有2.5~3mm。
虽然热影响区是焊接结构中韧性较低的部分,但实际上结构从这里开始断裂的并不很多,结构的性断豪往往是多种因素共同作用的结果。而热影响区通常没有宏观缺陷,而且焊接形成的残余应力在这一范围内比较低如果热影响区正好通到分层,则情况即有所不同。
焊接残余应力的产生,可用以下的简单模型来说明，三根同梯长度的杆，端性构建连在一起（图5）。中央杆2的温度T1远远高于两边的杆1和3,在冷却过程中,中杆趋于缩短,但收缩倾向在很大程度上受到两根边杆的约束而不能实现,从而使它受到拉力,同时,中杆的收缩作用使边杆受到压力,显然,对整个体系来说,拉力和压力相互平衡。在两板之间焊一条纵向焊缝(图6),情况要比上述简单模型复杂得多,这里,不仅焊缝及其近旁母材温度远远高于较远部分,面且存在热态塑性压缩问题。（图5）的两块板在施焊时处于℃以上的部分呈完全塑性。这部分在加热时受到两旁处在弹性状态的材料的制约,得不到应有的伸长,也就是受到了热态塑性压缩。在焊后冷却过程中,高温的塑性压缩部分趋向于缩得比原长度要短一些由干温度梯度很大,而且存在局部性的塑性压缩,冷却后焊缝及其近旁的母材残余拉应力很高,经常达到材料的屈服点,甚至因热效应对材料性能的影响而比母材原有屈服点还高一些。焊接构件的残余应力和热轧构件一样,在整个截面上拉压两部分应力自相平衡,不同的是焊接构件在焊缝及其近旁的残余拉应力特别高。
由于有热态塑性压缩,焊接构件除了残余应力外还存在残余变形,如（图8）所示的原长为L的板在温度降低到室温后缩短△L,在制造厂对焊接结构的零件下料时,要考虑这种收缩而把材料适当放长,如果这两块板受到相连的刚性部分章制面不能收缩,则整个构件将产生拉应力,这是另一种焊接残余应力,叫做反作用残余应力,在两块互相垂直板的一侧夹角焊上角焊缝(图9),则焊能的收缩促使夹角减小,如果这种减小受到约束而不能实现,则焊缝的纵截而内将出现反作用残余拉应力,这种应力有可能使焊缝出现裂纹.
钢板时常用氧气切割成需要的宽度,火焰切割的高混合焊缝一样造成残余应力和变形,两纵边用氧气切割的钢板,具有如（图8)所示的残余应力图形这种板用作焊接工形梁的翼缘时,加焊角焊缝后,残余应方转变为(图9)所示的形式。如果用作工形梁的腹板,残余应力和（图8）相比变化不大。
3、热矫正和热成型
构件在焊接后除了长度缩小外,还会产生其他变形如角度变化,弯等。显然在加工过程中采取防止措施,仍会或多或少有在载余变形,需要加以矫正。常用的矫正方法是进行局部加热,使其冷却产生反向变形,为了防止淬火效应。应把温度加热温度之下。不应超过°C,钢结构工程施工质量验收规范CB505还规定,低合金钢在控制在回火温度之下热矫正后应自然冷却,对碳素钢未提这要来,原因是含碳量低于0.25%的碳素钢淬硬性很低,适宜的温度是不超过°C,最好按°C控制。经过调质处理的高强度钢,为了不致消除回火的效应,应把温度控制在回火温度之下,最好不超过C,并注意缓慢冷却。
热加工成型的构件需要加热到-℃碳素钢和低合金钢应分别在温度下降到℃和C之前结束加工,低合全钢应自然冷。
三、制造和安装的偏对钢结构性能的影响
钢结构的制造和安装都允许有一点偏差,偏差的最大限度应不超过工质量验收规范的规定。例如,单层钢柱出厂时及安装就位后,柱身弯曲的矢高不过构件长度的1/1,且不超过12mm,志节钢柱的柱身弯曲矢高则不超过该节长度的1/和5mm,柱子安装就位后轴线和竖直线之间在柱顶的偏差(初如倾斜)对高10米以内的单层柱不超过10mm,对更高的柱不超过H/及25mm(图10)。其他如构件的长度,就位后的标高等也都有所规定。构件在承受荷载前存在初始弯曲,是一种几何缺陷。它对不同的构件产生不同的影响,对于轴心拉杆来说,初始弯曲使杆受拉后的变形比完善直杆要大,但低杆承受拉力的能力,因为初曲的杆受拉后逐渐拉直,对于轴心压杆,情况要严重的多。初始不仅不逐渐消失，反而随压力增大而增大。因此存在初曲的轴心压杆,实际上是既受压又受弯。附加弯矩的出现和增长,称为P-B应,它必然要使杆件承受压力的能力受到损害。处在倾斜位置的柱子,在垂直地面的压力作用下产生倾覆力矩使之进一步倾斜。这种不利影响称为P-△效应
许多杆件组装成的杆系结构,为静定结构时,杆件长度的允许偏差，只不过使结构的外形稍有化〔图12a〕当为超静定结构时,情况就不同了。如（图11b）的体系。若AC杆有负偏差，其他杆件都是正偏差，则安装时采措施强行组装后，周边杆件将产生压力，两斜杆则产生拉力，压力和拉力在体系内自相平衡。由于出现在承受荷载之前，称为初始内力或残余内力。当初始内力和荷载引起的内力同号时,将使承载能力降低,国外的学者对平板网架进行模型试验研究,测得一部分杆的初始内力为杆所能承受的力的7%-12%,初始内力和节点偏心、螺栓连接处的滑移等因素合在一起使网架承载能力比理论计算值低13%-37%超静定次数越高,差距越大,这和传统的概念“超静定次教越多安全储备越大”正好相反,由此可见施工和构造细节对结构性能影响之大。
鉴于制造和安装过程能够改变钢材原有性能和影响结构的承载能力,钢结构设计人员该熟悉制做和安装的各个环节,了解主它们可能产生的影响以及如何保保证结构的质量。并对制造和安装工作提出必要的合理要求。
向陈绍蕃教授致敬
下期预告：“外界作用对钢结构建筑的影响”