钢材的工作性能和力学性能指标都是以轴心受拉杆件中应力沿截面均匀分布的情况作为基础的。实际上钢结构的构件中可能存在孔洞、槽口、凹角、截面突然改变以及钢材内部缺陷等。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,如图2.6所示。

图2.6　孔洞及槽孔处的应力集中

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。研究表明,在应力高峰区域总是存在着同号的双向或三向应力,这是因为由高峰拉应力引起的截面横向收缩受到附近低应力区的阻碍,而引起垂直于内力方向的拉应力σy,在较厚的构件里还产生σz,使材料处于复杂受力状态。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。应力集中系数越大,变脆的倾向越严重。但由于建筑钢材塑性较好,在一定程度上能使应力进行重分配,应力分布严重不均的现象趋于平缓。故受静荷载作用的构件在常温下工作时,在计算中可不考虑应力集中的影响。但在负温环境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,往往是引起脆性破坏的根源,故在设计中应采取措施避免或减小应力集中,并选用质量优良的钢材。

在单向拉伸试验中,应力达到屈服点,钢材即进入塑性状态。在复杂应力状态下(图2.7),钢材由弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论计算的折算应力σeq与单向应力下的屈服点相等,即

图2.7　复杂应力状态

当σeq<fy时,为弹性状态。(www.daowen.com)

由式(2.4)可以看出,如果三向应力同号,且绝对值又接近时,即使三向应力都很大,远远大于屈服点,但由于差值不大,折算应力小,材料就不易进入塑性状态,可能直至材料破坏还未进入塑性状态,因此同号应力状态容易产生脆断。相反,如果存在异号应力,且同号的两个应力又相差较大时,就较容易进入塑性状态,可能最大应力尚未达到σz时,材料就已进入塑性了,说明钢材处于异号应力状态时,容易发生塑性破坏。

如三向应力中一向应力很小或为零时,则属于平面应力状态,此时式(2.4)为

在一般的梁中,只存在正应力σ和剪应力τ,则

当只有剪应力时,σ=0,由此得

因此,《钢结构设计标准》(GB50017—2017)规定钢材抗剪设计强度为抗拉设计强度的0.58倍。