■《钢结构》第2章 钢结构的材料(索小永-安徽工程大学2012版)

1、讲解讲解：索小永索小永Steel Structure安徽工程大学建筑工程学院安徽工程大学建筑工程学院（2013版版）破坏前破坏前没有任何预兆没有任何预兆，破坏是突然，破坏是突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶发生的，断口平直并呈有光泽的晶粒状。粒状。脆性破坏脆性破坏塑性破坏塑性破坏断口呈纤维状，色泽发暗。断口呈纤维状，色泽发暗。破坏前破坏前有明显的变形有明显的变形，破坏历时时间长，破坏历时时间长，可以采取补救措施。可以采取补救措施。在设计、施工和使用钢结构时，注意防止脆性破坏。在设计、施工和使用钢结构时，注意防止脆性破坏。大多数情况下：大多数情况下：特定情况下：特定情况下：钢材拉伸试验钢材拉伸试

2、验dl50dl100或试件被拉长，标距发生了变化试件被拉长，标距发生了变化颈缩颈缩试验一：试验一：有屈服点有屈服点钢材拉伸实验过程钢材拉伸实验过程1 1、弹性阶段、弹性阶段（OEOE段段）2 2、弹塑性阶段、弹塑性阶段（EGEG段段）3 3、塑性阶段、塑性阶段（GFGF段段）4 4、强化阶段（、强化阶段（FBFB段）段）5 5、颈缩阶段、颈缩阶段（BDBD段段）G（如：普通碳素结构钢）（如：普通碳素结构钢）1 1、弹性阶段、弹性阶段（OEOE段段）GAEAE段段仍具有弹性但仍具有弹性但非线性非线性, E, E点的应点的应力称为力称为弹性极限弹性极限；在此段卸载没有残在此段卸载没有残余变形。余变

3、形。 E=206E=20610103 3N/mmN/mm2 2OAOA段段材料处于纯弹材料处于纯弹性，性，A A点的应力称为点的应力称为比例极限比例极限E2 2、弹塑性阶段、弹塑性阶段（EGEG段段）G该段很短该段很短, ,表现出表现出钢材的钢材的非弹性性质非弹性性质; ;此段上限此段上限G G点的应点的应力力fyfy称称屈服点屈服点。作作为为钢结构设计的最钢结构设计的最大应力大应力。在此段卸载将有残在此段卸载将有残余变形。余变形。屈服强度屈服强度f fy y钢材可以简化为钢材可以简化为理想弹塑性体理想弹塑性体3 3、塑性阶段、塑性阶段（GFGF段段）G该段开始该段开始波动较波动较大，之后逐渐

4、平稳，大，之后逐渐平稳，其最高和最低点分其最高和最低点分别称别称屈服上限、屈服上限、 屈服下限屈服下限( (屈服点屈服点) )此段此段 不变，不变，急急剧增大，形成的水剧增大，形成的水平段称为屈服平台平段称为屈服平台, ,变形模量变形模量 E = 0E = 0屈服强度屈服强度f fy y4 4、强化阶段（、强化阶段（FBFB段）段）G随荷载的增加随荷载的增加缓慢增大缓慢增大, ,但但增增加较快加较快屈服强度屈服强度f fy y5 5、颈缩阶段、颈缩阶段（BDBD段段）G屈服强度屈服强度f fy y极限抗拉强度极限抗拉强度f fu u回顾：回顾：有屈服点有屈服点钢材拉伸实验过程钢材拉伸实验过程1

5、 1、弹性阶段、弹性阶段（OEOE段段）2 2、弹塑性阶段、弹塑性阶段（EGEG段段）3 3、塑性阶段、塑性阶段（GFGF段段）4 4、强化阶段（、强化阶段（FBFB段）段）5 5、颈缩阶段、颈缩阶段（BDBD段段）G极限抗拉强度极限抗拉强度f fu u屈服强度屈服强度f fy y是衡量钢材是衡量钢材强度设计值强度设计值的重要指标。的重要指标。是衡量结构是衡量结构承载力承载力的指标。的指标。作为钢结构作为钢结构设计设计的最大应力。的最大应力。2 2、抗拉强度抗拉强度（屈服强度屈服强度、极限强度极限强度）f fu u理解和区分理解和区分 f fy y 和和 f fu u3 3、强度储备指标：、强

6、度储备指标：屈强比屈强比 f fy y/f/fu u Q235Q235钢为钢为0.570.57，Q345Q345钢为钢为0.670.671 1、屈服强度屈服强度f fy y 作为作为一种作为作为一种安全储备安全储备，使构件在，使构件在弹塑性工作弹塑性工作阶段阶段具有较大的具有较大的承载力承载力。 是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力。是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力。 是钢材的是钢材的最大抗拉强度最大抗拉强度，也是实际，也是实际破坏强破坏强度。度。G极限抗拉强度极限抗拉强度f fu u屈服强度屈服强度f fy y认识屈服台阶带来的预警作用认识屈服台阶带来的预警作用该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶

7、段，塑性变形小，破坏突然。该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。 设计时取相当于设计时取相当于 残余变形为残余变形为0.2%0.2% 时所对应的应力时所对应的应力 作为屈服点作为屈服点- 条件屈服点条件屈服点（人为）（人为）fy=f0.20.2%fup试验二：试验二：无明显屈服点无明显屈服点钢材拉伸实验过程钢材拉伸实验过程（如：高强度钢）（如：高强度钢）两种钢材拉伸实验的两种钢材拉伸实验的试件破坏特征试件破坏特征对比对比有屈服平台的试件有屈服平台的试件没有屈服平台的试件没有屈服平台的试件两种钢材拉伸实验的结果两种钢材拉伸实验的结果运用运用对比对比LodNNNLdN伸长率伸长率

8、%10000lll它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。当当l l0 0/d=5/d=5时，用时，用5 5表示，当表示，当l l0 0/d=10/d=10时，用时，用1010表示。表示。l 弹性模量弹性模量l 剪变模量剪变模量l 线膨胀系数线膨胀系数l 质量密度质量密度2310206mmNE23107912mmNEGC06/101237850mkg钢材的物理性能指标钢材的物理性能指标图冷弯试验示意图图冷弯试验示意图 冲压成冲压成180180后，构件不出现裂纹和分层。后，构件不出现裂纹和分层。 衡量钢材塑性性能和冶金质量优劣的综合指标。衡量钢材塑性性能和冶金质量

9、优劣的综合指标。add+2.1a冲击韧性试验简图冲击韧性试验简图屈服点、抗拉强度和伸长率，是屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。钢材的三个重要力学性能指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。能指标的要求。二冶金缺陷二冶金缺陷常见的冶金缺陷有：常见的冶金缺陷有：偏析偏析 （化学成分分布的不均匀程度）（化学成分分布的不均匀程度）非金属夹杂；非金属夹杂；气孔；气孔；裂纹等。裂纹等。 时效的原因：纯铁体中碳和氮的时效的原因：纯铁体中碳和氮的固熔物质，从纯铁体中析出，起固熔物质，从纯铁体中析出

10、，起着强化作用。着强化作用。钢结构的冷加工包括剪、冲、钢结构的冷加工包括剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等。撑、敲等。高温：高温： 250250左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加兰脆现兰脆现象象， （因表面氧化膜呈蓝色）。（因表面氧化膜呈蓝色）。该温度区段称为该温度区段称为“兰脆区兰脆区”。应避免在蓝脆温度范围内进行热加工，否则易出现裂纹。应避免在蓝脆温度范围内进行热加工，否则易出现裂纹。 260260320320在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续 变形变形徐变现象徐变

11、现象。 600600左右弹性模量趋于零左右弹性模量趋于零 ，承载能力几乎完全丧失。，承载能力几乎完全丧失。 低温：低温：当温度从常温下降时，强度略有提高，但塑性和韧性则降低而变当温度从常温下降时，强度略有提高，但塑性和韧性则降低而变脆，当温度下降到某一区间时，冲击韧性急剧下降，破坏特征明脆，当温度下降到某一区间时，冲击韧性急剧下降，破坏特征明显地转变为显地转变为脆性破坏脆性破坏，这就是，这就是低温冷脆低温冷脆。 1:2.5 由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要求，可以不考常温下工作时，只要符合规范规定

12、的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。虑应力集中的影响。1.钢的疲劳钢的疲劳钢材在连续的钢材在连续的重复重复荷载作用下，虽然应力荷载作用下，虽然应力低于抗拉低于抗拉强度强度，甚至低于屈服点时，也会发生破坏。，甚至低于屈服点时，也会发生破坏。六、六、 重复荷载作用的影响重复荷载作用的影响2 .疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理 疲劳破坏是积累损伤的结果。疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷缺陷微观裂纹微观裂纹宏观裂纹。宏观裂纹。3.疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征无明显的塑性变形和局部收缩，是一种突然性无明显的塑性变形和局部收缩，是一种突然性的的脆性断裂脆性断裂。承受重级工作制吊车的吊车梁承受重级工作制吊车的吊

13、车梁必须考虑结构的疲劳问题必须考虑结构的疲劳问题断口示意断口示意1 1光滑区；光滑区；2 2粗糙区粗糙区 应力循环特性常用应力比值来表示，以拉应力循环特性常用应力比值来表示，以拉应力为正值。连续重复荷载之下应力往复变化一周叫做一个循环。应力为正值。连续重复荷载之下应力往复变化一周叫做一个循环。完全对称循环完全对称循环( ( -1-1）脉冲循环脉冲循环( ( 0) 0) 2 2、循环荷载的效应、循环荷载的效应静荷载作用静荷载作用( ( +1) +1) 一般应力循环一般应力循环(-1(-1 + 5x10n 5x104 4时应进行疲劳验算。疲劳验算我国采用时应进行疲劳验算。疲劳验算我国采用容许应力法

14、容许应力法。 永久荷载所产生的应力为不变值，没有应力幅。应力幅只由永久荷载所产生的应力为不变值，没有应力幅。应力幅只由重复作用的重复作用的可变荷载可变荷载产生，所以疲劳验算按可变荷载产生，所以疲劳验算按可变荷载标准值标准值进行。进行。荷载计算中不乘以吊车荷载计算中不乘以吊车动力系数动力系数，常幅疲劳按下式进行验算。，常幅疲劳按下式进行验算。 : : 对焊接结构为应力幅对焊接结构为应力幅 maxmax- - minmin； 对非焊接部位为折算应力幅对非焊接部位为折算应力幅 maxmax-0.7-0.7 minmin ，应力以拉为正，压为负；应力以拉为正，压为负； : : 常幅疲劳的容许应力幅。常

15、幅疲劳的容许应力幅。式中式中C C， 系数系数。5 5变幅疲劳变幅疲劳 实际结构大部分承受的是变幅循环应力作用，即每次循环实际结构大部分承受的是变幅循环应力作用，即每次循环的应力幅水平不是都达到的应力幅水平不是都达到最大值最大值，而是，而是欠载状态欠载状态的变幅疲劳。的变幅疲劳。 变幅循环应力的合理验算方法是，将变幅应力谱按各应力变幅循环应力的合理验算方法是，将变幅应力谱按各应力幅出现的概率，根据线性累积损伤原理，找出应力幅为常数的幅出现的概率，根据线性累积损伤原理，找出应力幅为常数的等效应力幅等效应力幅，再按，再按常幅疲劳验算常幅疲劳验算。 6 6、疲劳强度计算注意事项、疲劳强度计算注意事项

16、2.7 2.7 钢的种类和钢材规格钢的种类和钢材规格一、钢的种类一、钢的种类 1. 1. 化学成分化学成分普通碳素钢普通碳素钢 Q235Q235普通低合金钢普通低合金钢 Q345Q345、Q390Q390、Q420Q420平炉：成本高，质量好（平炉：成本高，质量好（6 6小时小时100t100t左右）左右）氧气顶吹转炉：成本低，质量也可（氧气顶吹转炉：成本低，质量也可（1515分钟分钟150t150t）2. 2. 炉种炉种3. 3. 脱氧程度脱氧程度沸腾钢（沸腾钢（F F） 脱氧较差脱氧较差镇静钢（镇静钢（Z Z） 脱氧充分脱氧充分半镇静钢（半镇静钢（b b） 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间脱

17、氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间特殊镇静钢（特殊镇静钢（TZTZ）沸腾钢：沸腾钢：为脱氧不完全的钢。冶炼后期不加脱氧剂（如硅、铝等），为脱氧不完全的钢。冶炼后期不加脱氧剂（如硅、铝等），浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出）。浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出）。镇静钢：镇静钢：为完全脱氧的钢。通常注成上大下小带保温帽的锭型，浇为完全脱氧的钢。通常注成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合注时钢液镇静不沸腾。组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金一般都是镇静钢。金一般都是镇静钢。半镇静钢：半镇静钢：为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和

18、镇静钢之间，为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。这类钢具有沸腾钢和镇静钢的浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。这类钢具有沸腾钢和镇静钢的某些优点，碳素钢中此类钢是值得提倡和发展的。某些优点，碳素钢中此类钢是值得提倡和发展的。二、建筑工程用钢二、建筑工程用钢 A A级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量B B、C C、D D级：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击级：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击 韧性（分别为韧性（分别为2020、0 0 、-20-20）及碳、硅、）及碳、硅、 锰、硫、磷含

19、量锰、硫、磷含量E E级：级： 除满足除满足D D级的要求外，还要求级的要求外，还要求-40-40时的冲击韧性。时的冲击韧性。Q195Q195、Q215Q215、Q235Q235、Q275Q275例如：例如： Q235-AF Q235-AFQ Q质量等级（质量等级（A AD D）脱氧程度（）脱氧程度（F F，b b）3 3、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢主要用于钢结构某些节点或用作连接件。主要用于钢结构某些节点或用作连接件。如用于高强螺栓的如用于高强螺栓的4545号优质碳素结构钢号优质碳素结构钢4 4、建筑结构用钢板、建筑结构用钢板二、钢材的选择二、钢材的选择（一）选择钢材的原则（一）选择钢材

20、的原则1 1结构或构件的重要性；结构或构件的重要性；2 2荷载情况（静力荷载，动力荷载）；荷载情况（静力荷载，动力荷载）； 静力荷载作用下可选择经济性较好的静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235Q235钢材。钢材。 动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。3 3连接方法（焊接连接、螺栓连接）；连接方法（焊接连接、螺栓连接）； 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C C、S S、P P的极限的极限含量；非焊接结构对含量；非焊接结构对C C的要求可降低一些。的要求可降低一些。4 4结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）；结构

21、所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）； 低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。1 1、承重结构的钢材宜采用、承重结构的钢材宜采用Q235Q235钢钢、Q345Q345钢钢、Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢，其质量应分别符合国家标准钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢碳素结构钢GB/T700GB/T700和和低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢GB/T1591GB/T1591的规定。的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准的当采用其他牌号的钢材时，尚符

22、合相应有关标准的规定和要求。规定和要求。 2 2、承重结构的钢材应具有、承重结构的钢材应具有抗拉强度抗拉强度、伸长率伸长率、屈服强度屈服强度和和硫、磷含量硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量含碳量的合格保证。的合格保证。 3 3、对于需要、对于需要验算疲劳验算疲劳的的焊接结构焊接结构，应具有，应具有常温冲击韧性常温冲击韧性的合的合格保证；格保证；当结构工作温度等于或低于当结构工作温度等于或低于00但高于但高于2020时时: :Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有00冲击韧性合格的保证；冲击韧性合格的保证； 对于对于Q390Q390钢和钢和

23、Q420Q420钢应具有钢应具有2020冲击韧性的合格保证。冲击韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于当结构工作温度等于或低于2020时时: :对对Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有2020冲击韧性的合格保证；冲击韧性的合格保证； 对对Q390Q390和和Q420Q420钢应具有钢应具有4040冲击韧性的合格保证。冲击韧性的合格保证。 4 4、对于需要、对于需要验算疲劳验算疲劳的的非焊接结构非焊接结构的钢材亦应具有的钢材亦应具有常温冲常温冲击韧性击韧性的合格保证。的合格保证。 当结构工作温度等于或低于当结构工作温度等于或低于2020时：时：对对Q235Q235钢和钢和Q

24、345Q345钢应具有钢应具有00冲击韧性合格的保证；冲击韧性合格的保证；对对Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢应具有钢应具有2020冲击韧性的合格保证。冲击韧性的合格保证。5 5、重要的受拉或受弯的、重要的受拉或受弯的焊接构件焊接构件中，中，厚度大于等于厚度大于等于16mm16mm的钢材应具有的钢材应具有常温冲击韧性常温冲击韧性合格的保证。合格的保证。 6 6、当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用 Z Z 向钢时，向钢时，其材质应符合现行国家标准其材质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板GB/T5313GB/T5313的规定。的规定。

25、 热轧热轧成型的成型的钢板钢板和和型钢型钢冷弯冷弯（或（或冷压冷压）成型的）成型的薄壁型钢薄壁型钢（一）热轧钢板（一）热轧钢板（表示方法（表示方法 宽宽厚度厚度长度长度 ）厚板（厚度厚板（厚度4.5-60mm)4.5-60mm)薄板（厚度薄板（厚度0.35-4mm)0.35-4mm)扁钢：厚度扁钢：厚度4-60mm4-60mm 宽度宽度20-200mm20-200mm1.1.工字钢工字钢2020号以上的工字钢分号以上的工字钢分a a、b b或或a a、b b、c c三类，其中三类，其中a a类类腹板最薄、翼缘最窄，腹板最薄、翼缘最窄，c c类最厚最宽类最厚最宽 2.2.槽钢槽钢从从1414开始，亦有开始，亦有a a、b b或或a a、b b、c c规格的区分规格的区分 3.3.角钢角钢L L肢宽度肢宽度肢厚度肢厚度 等肢角钢等肢角钢L L长肢宽度长肢宽度短肢宽度短肢宽度肢厚度肢厚度 不等肢角钢不等肢角钢4.4.H型钢型钢分为：分为：宽翼缘宽翼缘HW、中翼缘中翼缘HM、窄翼缘窄翼缘HNbht1t2表示方法：表示方法： H高度高度宽度宽度腹板厚度腹板厚度翼缘厚度翼缘厚度如：如： Hh hb bt t1 1t t2 2H H型钢与普通工字钢的区别型钢与普通工字钢的区别: :1.1.H H型钢翼缘宽，故早期有宽翼缘工字型钢翼缘宽，故早期有宽翼缘工字钢一说；钢一说；2.2.H H