C19钢结构的材料050326

1、第19章 钢结构的材料19.1钢材的破坏形式钢材存在两种可能的破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。钢结构所用的材料虽然具有较高的塑性和韧性，且一般发生塑性破坏，但在一定条件下，仍然有发生脆性破坏的可能。塑性破坏是由于变形过大，超过了钢材可能的应变能力而产生的，而且仅在钢材的应力超过屈服强度，并达到了钢材的极限抗拉强度后才发生。它的主要特征是破坏前构件产生明显的塑性变形，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。在塑性破坏前，由于有较大的塑性变形发生且变形持续时间较长，容易及时发现而采取措施予以补救。脆性破坏的特点是钢材破坏前的塑性变形很小，甚至没有塑性变形，平均应力一般低于钢材的屈服强度，破坏从应力集中处开

2、始。破坏前没有任何预兆，破坏后的断口平直，呈现出有光泽的晶粒状。脆性破坏是突然发生的，没有明显的预兆，因而无法及时察觉和采取补救措施，一旦发生则可能导致整个结构发生破坏。与塑性破坏相比较，其后果严重，危险性较大。因此，在设计、制作和安装过程中要采取措施防止钢材发生脆性破坏。19.2钢材的主要力学性能钢材的力学性能通常是指钢材试件在标准试验条件下均匀拉伸、冷弯和冲击等单独作用下表现出的各种力学性能。19.2.1钢材在单向均匀受拉时的工作性能钢材的拉伸试验通常是用规定形状和尺寸的标准试件，在常温（20±5）下以规定的应力或应变速度施加荷载进行的。钢材拉伸试验的力学性能可以用试件拉伸应力应

3、变关系曲线来说明，图19-1为低碳结构钢材拉伸试验的典型应力应变曲线。在整个试验过程中，钢材的受力大致可分为以下四个阶段：图19-1 碳素结构钢（Q235钢）静力拉伸曲线a)试件拉伸的应力-应变曲线 b)局部放大（1）弹性阶段：钢材拉伸试验的加、卸载过程中，对应于图19-1b）中B点的应力称为弹性极限。当应力不超过时，试件应力的增或减引起应变的增或减，卸除荷载后试件的变形能完全恢复，没有残余变形，故称OB阶段为弹性阶段。弹性阶段OB又可分为直线OA段和曲线AB段，A点对应的应力称为比例极限。在OA段（）时，应力与应变呈正比例关系，即，E为该直线的斜率，称为钢材的弹性模量。钢材的弹性模量随钢种的

4、变化很小，故一般对所有的钢材统一取E=2.1×105MPa。在曲线AB段（），钢材仍处于弹性状态，但应力应变（）曲线呈非线性关系。钢材的比例极限与弹性极限一般较为接近。（2）弹塑性阶段：当应力超过弹性极限，即以后，曲线进入图19-1b）中BC段，钢材不再是完全弹性，此时钢材的变形包括弹性和塑性变形两部分，其中塑性变形在卸除荷载后不能恢复，因此构件将留有残余变形。弹塑性阶段的变形增长率继续随应力的增加而加快。图19-1中C点为屈服强度。（3）屈服阶段：当应力达到屈服强度后，曲线进入图19-1b）中CD段，在此阶段，应力基本没有变化，但变形持续增长，应力应变（）曲线形成屈服平台（有删除内

5、容）。这时，应变急剧增长，而应力却在很小的范围内波动，变形模量近似为零，这个阶段称为屈服阶段。在屈服阶段钢材的残余应变从=0.2%一直增长到2.5%的D点。对于碳含量较高的钢或高强度钢，常没有明显的屈服平台，规定用其对应于残余应变=0.2%的应力作为该钢材的屈服强度。（4）强化阶段：钢材经过屈服阶段较大的塑性变形以后，其内部组织因受力得到了调整，又部分恢复了承受增长荷载的能力。应力应变（）曲线又呈上升趋势，进入图19-1a）中的DG段，这个阶段称为钢材的强化阶段，变形增长率比弹性阶段和弹塑性阶段大得多，即其变形模量很低。试件对应于强化阶段最高点的应力就是钢材的抗拉强度。（5）颈缩阶段：当钢材应

6、力达到极限强度以后，在试件承载能力最弱的截面处，横截面急剧收缩，局部明显变细颈缩现象，曲线进入图19-1 a）中GH段。在这个阶段，试件的伸长量迅速增长，并且应力随之下降，最后在颈缩处断裂。图19-1a）中，试件拉断后标距长度的伸长量与原标距长度的比值（常用百分数表示）称为钢材拉伸的伸长率，即： （19-1）式中的为试件拉断后标距部分的长度。伸长率和试件标距的长短有关，当试件长度与试件直径之比为10时，以表示伸长率；比值为5时，以表示伸长率。伸长率越大，表示钢材破断前产生的永久塑性变形和吸收能量的能力越强。伸长率大的钢材，对调整构件中局部超屈服应力、结构中塑性内力重分布和减少脆性破坏都有重要的

7、意义。钢材的抗拉强度是钢材抗破断能力的极限。钢材屈服强度与极限抗拉强度之比称为屈强比，它是钢材设计强度储备的反映。越大，强度储备越小，越小，强度储备越大。但钢材屈强比过小时其强度利用率低、不经济，因此在要求屈服强度的同时，还应要求钢材具有适当的抗拉强度。一般来讲，钢材的屈强比最好保持在0.600.75之间。钢材在弹性阶段应力应变呈线性正比例关系，其应变或变形很小，钢材具有持续承受荷载的能力。但在非弹性阶段，钢材屈服并暂时失去了继续承受更大荷载作用的能力，钢材应力达到屈服强度时结构将产生很大的塑性变形，故结构的正常使用会得不到保证，因此，在设计时常常控制钢材应力不超过屈服强度。显然，钢材的屈服强

8、度、抗拉强度以及伸长率是桥梁结构用钢材的三项主要力学性能指标。19.2.2钢材的冷弯性能钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对出现裂纹的抵抗能力的一项指标。如图19-2所示，用具有弯心直径的冲头对标准试件中部施加荷载使之弯曲180°，要求弯曲部位不出现裂纹或分层现象。钢材的冷弯性能取决于钢材的质量和弯心直径对钢材厚度的比值。钢材的冷弯试验一方面是检验钢材能否适应构件制作中的冷加工工艺过程；另一方面通过试验还能暴露出钢材的内部冶金和轧制缺陷，而且由于冷弯试验时试件中部受到冲头挤压以及弯曲和剪切的复杂作用，因此冷弯性能也是反映钢材在复杂应力状态下塑性变形能力和质量的一项

9、综合指标。图19-2 钢材冷弯试验19.2.3钢材的冲击韧性钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下吸收机械能的一种能力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击作用而导致脆性断裂的一项力学性能指标。钢材的冲击韧性通常采用有特定缺口的标准试件，在试验机上进行冲击荷载试验使构件断裂来测定（图19-3）。常用标准试件的形式有梅氏（Mesnager）U形缺口试件和夏比（Charpy）V形缺口试件，我国采用后者。V形缺口试件的冲击韧性指标用试件被冲击破坏时断面单位面积上所吸收的能量表示，其单位为J（N·m）。图19-3 钢材冲击韧性试验a）V形缺口试件 b）U形缺口试件钢材的冲击韧性与钢材质量

10、、试件缺口、加载速度以及温度有关，尤其是低温的影响较大。当温度低于某一负温值时，冲击韧性将急剧降低。钢材的冲击韧性还与构件的厚度有关，较大厚度钢材的冲击韧性较差。此外，钢结构或构件的脆性断裂常常是从应力集中处开始的。因此钢结构应选用无缺陷，特别是无缺口和裂纹的钢材；在负温条件下使用的钢结构应尽量采用较小厚度的钢材；对在常温或低温下工作的结构用钢材应满足其冲击韧性的要求。19.2.4钢材的可焊性我国公路桥规（JTJ 025-86）规定结构主体采用的钢材均应具有良好的可焊性。钢材的可焊性，是指在一定的工艺条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头性能。可焊性可分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊

11、性。施工上的可焊性要求在一定的焊接工艺条件下，焊缝金属和近缝区的钢材均不产生裂纹；使用性能上的可焊性则要求焊接构件在施焊后的力学性能应不低于母材的力学性能。钢材的可焊性可以采用钢材焊接接头的冷弯试验获得。19.3 影响钢材性能的因素决定钢材性能的主要因素是钢材的化学成分及其微观组织结构，此外，钢材的冶炼、浇注、轧制等生产工艺过程、钢结构的加工、构造、尺寸、受力状态以及工作环境等对钢材的力学性能也有重要的影响。19.3.1 化学成分的影响钢材的主要化学成分是铁（Fe），约占99%，碳和其他元素仅占1%左右，其他元素包括硅（Si）、锰（Mn）、钒（V）、硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等。碳

12、含量对钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能有着决定性的影响。随着碳含量的增加，钢材的屈服强度和抗拉强度提高，但其塑性、冷弯性能和冲击韧性（尤其是低温环境下冲击韧性）降低，可焊性能和抗锈蚀性能等也变差。因此，结构用钢材的碳含量不能过高，一般应不超过0.22%。在碳素结构钢中，碳是除纯铁以外的最主要的元素。硅是作为一种强脱氧剂加入钢材中，使钢材中纯铁体晶粒细小和分布均匀，能加工成质量较高的镇静钢。适量的硅可提高钢材的强度，且对其塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性能无明显的不良影响，但硅含量过大（1%左右）会降低钢材的塑性、冲击韧性、抗锈蚀性能和可焊性。因此一般镇静钢的含硅量为0.1%0.3%。锰是作为一

13、种弱脱氧剂加入钢材中，通常的含量为0.3%0.8%。在低合金锰钢中锰是作为合金元素，如Q345钢（16Mn、16Mnq）和Q390钢（15MnV，15MnVq）中其含量为1.2%1.6%。适量的锰能显著改善钢材的冷脆性能，并可提高其屈服强度和抗拉强度，且对钢材的塑性和冲击韧性无明显影响。锰还能与钢材中的硫在高温下化合成熔点很高（约1600）的硫化锰（MnS），可减少钢材热加工时因为硫而产生裂纹的“热脆”现象。但锰的含量过高将使钢材变脆，降低钢材的塑性、抗锈蚀性能和可焊接性。钒是一种合金元素，可提高钢材的强度、细化晶粒和提高淬硬性。钒的化合物具有高温稳定性，可使钢材的高温硬度提高，Q390钢（1

14、5MnV，15MnVq）是在低合金锰钢Q345钢（16Mn、16Mnq）的基础上加入适量（0.04%0.12%）的钒冶炼而成的强度较高的低合金高强度结构钢。硫是钢材中的有害元素，硫与铁化合生成硫化铁（FeS），散布在纯铁体的间层中，当温度在8001200时熔化而使钢材出现裂纹，称为钢材的“热脆”现象。硫的含量过大不利于钢材的焊接和热加工，还使钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈蚀性能大大降低。因而应严格控制钢材中硫的含量，一般不应超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。磷也是钢材中的一种有害元素，磷和纯铁体结成不稳定的固熔体，使纯铁晶粒增大。磷的存在将严重地降低钢材的塑性、冲击韧性、冷

15、弯性能和可焊性能等，尤其是在低温时使钢材变脆，称为“冷脆”现象，不利于钢材的冷加工。因此对磷的含量要严格控制，一般不应超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。但磷能提高钢材的强度和抗锈蚀性能。氧和氮也属于钢材中的有害杂质。氧的影响与硫类似，使钢材发生“热脆”，一般要求氧含量小于0.05%，氮的影响与磷相似，使钢材发生“冷脆”，一般要求氮含量小于0.008%。为改善钢材的力学性能，还可以掺入其他含量较低的合金元素，如铬（Cr）、镍（Ni）、铜（Cu）、钛（Ti）、铌（Nb）等，这种钢材称为低合金高强度结构钢。如Q345（16Mn、16Mnq）钢、20MnTiB钢等。19.3.2 钢材生产

16、过程的影响钢材的生产需经过冶炼、浇注、轧制和矫正等工序才能完成，多道工序对钢材的力学性能有一定的影响。钢材中常见的冶金缺陷有偏析（钢材中化学成分的不均匀性）、非金属夹杂、裂纹、气孔和分层等，它们都对钢材的力学性能产生不利影响。冶炼方法主要有碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法和碱性侧吹转炉炼钢法。碱性侧吹转炉冶炼的钢材质量较差，目前已经被淘汰。冶炼过程主要是控制钢材的化学成分，平炉钢和顶吹氧气转炉钢对钢材力学性能和碳、硅、锰、硫、磷等元素的含量无明显的差别，两者冶炼的钢材质量较好。但氧气转炉钢具有投资少、生产效率高、原材料适应性大等优点，已成为炼钢工业发展的主要方向。钢液出炉后在钢罐中铸成钢锭，

17、为排除氧化铁等杂质，通常在钢罐中加入脱氧剂。根据脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢、半沸腾钢、镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢采用锰作为脱氧剂，由于锰的脱氧能力较差，钢液中还含有较多的氧化铁，浇铸时氧化铁和碳相互作用，形成一氧化碳逸出，使钢液产生剧烈沸腾，故称为沸腾钢。一氧化碳气体逸出带走钢液中的热量，使钢液冷却很快，因此许多气体来不及逸出被包含在钢锭中，使钢的构造和晶粒粗细不均匀。所以沸腾钢的塑性、韧性和可焊性能较差，容易发生时效硬化和变脆，轧成的钢板和型钢中常有夹层和偏析现象。镇静钢采用硅作为脱氧剂，硅的脱氧能力很强，脱氧比较充分。硅在还原氧化铁的过程中放出热量，使钢液冷却缓慢，没有沸腾现象。镇静钢

18、的晶粒较细、组织致密、气泡少、偏析度小。镇静钢与沸腾钢相比，除了屈服强度较高之外，冲击韧性较高，冷弯性能、可焊性能和抗锈蚀性能较好。半镇静钢是在钢液中加入少量强脱氧剂，其脱氧程度和性能均介于沸腾钢和镇静钢之间。特殊镇静钢是在采用锰和硅脱氧之后，再用铝或钛进行补充脱氧，进一步减少了钢材中的有害氧化物，并能明显改善各种力学性能，提高钢材的可焊性能。轧制是在高温（12001300）和压力作用下将钢锭热轧成钢板和型钢的生产工艺。它不仅改变钢的形状及尺寸，而且能消除钢锭中的小气泡、裂纹、疏松等缺陷，使金属组织更加致密，改善了钢材的内部组织，从而改善钢材的力学性能。钢材的力学性能与轧制方向有关，沿轧制方向

19、比垂直轧制方向的强度高。轧制的钢材越小（压缩比越大），其强度也越高，塑性和冲击韧性也越好。经过轧制的钢材，由于其内部的非金属夹杂物被压成薄片，在较厚的钢板中会出现夹层现象，夹层使钢材沿厚度方向的受拉性能大大降低。19.3.3 冷加工和时效硬化的影响钢材在弹性范围内重复加、卸荷载一般不会引起钢材性能的改变，但超过此范围重复加载将改变钢材的性能，主要表现在钢材的屈服强度提高、弹性范围增加、塑性和伸长率降低，钢材的这一性质称为冷加工硬化。钢材在冷拉、冷拔、冷弯、冲孔、剪切等冷加工时都存在很大的塑性变形，因此产生冷加工硬化，冷加工硬化虽然可以提高钢材的屈服强度，但同时也降低塑性和增加钢材的脆性，对钢结

20、构特别是承受动力荷载的钢结构不利。因此，钢结构设计中一般不利用冷加工硬化对钢材屈服强度的提高，对直接承受较大动力荷载的钢结构还应消除冷加工硬化的影响。由于在高温时溶入纯铁中极少量的氮随着时间的延长从纯铁体中析出，形成自由氮化物而存在于纯铁粒晶体间的滑动面上，阻止了纯铁晶粒间的滑移，从而约束了钢材的塑性发展。这种钢材随时间的进展使屈服强度和抗拉强度提高，伸长率和冲击韧性降低的现象，称为时效硬化。不同种类钢材的时效硬化过程和时间长短不同，可从几小时到数十年。19.3.4 温度的影响钢材的力学性能随温度的不同而有所变化。当温度下降时，钢材的强度略有提高而塑性和冲击韧性有所降低，即钢材的脆性倾向逐渐增

21、大。当温度降低到某一数值时（冷脆临界温度），钢材的冲击韧性急剧下降，钢材的破坏特征明显地由塑性破坏变为脆性破坏，这种现象称为钢材的低温冷脆现象。冷脆临界温度与钢材的韧性有关，韧性越好的钢材冷脆临界温度越低，钢材在整个使用过程中，可能出现的最低温度应高于钢材的冷脆临界温度。当温度升高时，钢材的屈服强度、抗拉强度和弹性模量等均随着降低，但在150以下时变化不大。当温度在250左右时，钢材的抗拉强度反而有较大的提高，但伸长率和冲击韧性变差，钢材在此温度范围内呈脆性破坏特征，这种现象称为“蓝脆”。应避免在“蓝脆”温度范围内进行钢材的机械加工，以防钢材产生裂纹。当温度超过300时，钢材的屈服强度、抗拉强

22、度和弹性模量开始显著下降，而伸长率明显增大，钢材产生徐变。当温度超过400时，钢材的强度和弹性模量都开始急剧降低，当温度达到600时其强度几乎完全丧失。19.3.5 应力集中的影响在钢结构构件中不可避免的存在孔洞、槽口、裂缝、厚度变化以及内部缺陷等，致使构件截面突然改变，在荷载作用下，这些截面突变的某些部位将产生局部峰值应力，其余部位的应力较低且分布极不均匀，这种现象称为应力集中（图19-4）。图19-4 孔洞及槽孔处的应力集中现象应力集中的严重程度取决于构件截面形状变化的急剧程度，以应力集中系数来表示，值越大，说明其应力集中的程度越严重。应力集中系数的表达式为： （19-2）式中 孔洞边缘的

23、最大应力；轴向拉力除以构件的净截面面积的平均应力。由于应力集中处应力线曲折，应力的方向与构件受力的方向不一致，从而除产生纵向应力外，还产生横向应力；若构件较厚，还将产生垂直于xy平面的横向应力。在双向或三向同号应力状态下，钢材不易进入塑性状态而导致脆性增加，截面变化越急剧，应力集中就愈严重，钢材变脆的程度也就愈厉害。应力集中现象在实际结构中是不可能完全避免的，当结构所受的静力荷载不断增加时，峰值应力处钢材将首先达到屈服强度，继续增加荷载将使该处应力保持不变而塑性变形发展，所增加的荷载由邻近尚未达到屈服强度的钢材承担，然后塑性区不断扩展，直到构件全截面都达到屈服强度。因此，应力集中一般不影响截面

24、的静力极限承载力，只要在构造上尽可能使截面的变化比较平缓，设计时可不予考虑。但在动力荷载和反复荷载作用下，应力集中是钢结构发生脆性破坏的重要原因之一，因此构造设计中应尽量避免构件截面的急剧改变，以减小应力集中。19.3.6 反复荷载的影响钢材在连续反复荷载作用下，其应力虽然没有达到抗拉强度，甚至还低于屈服强度时，也可能发生突然破坏，这种现象称为疲劳破坏。钢材在疲劳破坏之前，没有明显的变形，是一种突然发生的断裂，所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。钢材的疲劳破坏是经过长时间的发展过程才出现的，其破坏过程可分为三个阶段：裂纹的形成、裂纹缓慢扩展、最后迅速断裂而破坏。钢材的疲劳破坏首先是由于钢

25、材内部结构不均匀和应力分布不均匀所引起的。应力集中可以使个别晶粒很快出现塑性变形及硬化，从而大大降低钢材的疲劳强度。对于承受连续反复荷载的结构，设计时必须考虑钢材的疲劳问题。钢材的疲劳强度还与反复荷载引起的应力种类（拉应力、压应力、剪应力和复杂应力等）、应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度和残余应力等有着直接的关系。如果重复作用的荷载值不随时间变化，则在所有应力循环内的应力幅将保持常量，这称为常幅疲劳。1）影响钢材疲劳强度的主要因素 应力集中的程度构件及其连接处的截面有孔槽或缺口等突然改变时，在荷载作用下，截面上就会出现应力集中，局部峰值应力值往往高出其平均应力值数倍。即使平均应力较低，局

26、部峰值应力也可能超出弹性工作范围而发生塑性变形。在反复荷载作用下，应力集中处的钢材发生多次塑性变形之后就会产生微裂缝，然后逐渐发展形成宏观裂纹，宏观裂纹在反复荷载作用下继续扩展，构件的截面面积则逐渐削弱，达到一定的循环次数后，在被削弱的截面处就会发生脆性断裂。应力集中越大，疲劳强度就降低越多。疲劳现象在很大程度上与局部应力的发展有关，因此在设计中应使截面突变处均匀过渡以防止因应力集中而产生的疲劳破坏。 应力循环特征值反复荷载引起的应力循环形式有同号应力循环和异号应力循环两种类型。循环中绝对值最小的峰值应力与绝对值最大的峰值之比称为应力循环特征值，当为拉应力时，或取正号；当为压应力时，或取负号。

27、如图19-5所示，当时为异号应力循环，当时为同号应力循环，时表示静力荷载。最大应力和最小应力符号相反而其绝对值相等，即时图19-5a），称为对称循环，此时疲劳强度最低。当最大应力为拉应力而最小应力为零时，图19-5c，称为脉冲循环。对于轧制钢材和非焊接结构，值越小疲劳强度越低，反之则越高。但对于焊接结构，由于焊缝附近存在着很大的焊接残余应力峰值，应力循环特征值并不代表疲劳裂缝出现处的应力状态，实际的应力循环是从残余应力开始，变动一个应力幅（此处为最大拉应力，为最小应力，拉应力取正值，压应力取负值）。因此焊接结构的疲劳性能直接与应力幅有关而与应力循环特征值的关系不是非常密切。图19-5 应力循环

28、的形式a) b) c) d) e) f) 应力循环次数n当应力循环的形式不变，钢材的疲劳强度与应力循环的次数（疲劳寿命）n有关。破坏所需要的应力大小，随着循环次数n的增加而减少。当保持值不变，可根据试验资料绘出图19-6所示的疲劳曲线，其中横坐标为相应的循环次数n，纵坐标为疲劳强度。由疲劳曲线可以看出，构件的应力越小，其破坏时的循环次数就越多，但当应力小到某一极限（平行于轴的渐近线）时，循环次数再多，试件也不会发生破坏，即为材料在该值时的疲劳极限。桥梁钢结构，一般取循环次数为200万次时的作为钢材的疲劳强度。图19-6 疲劳强度与应力循环次数的关系2）疲劳容许应力的确定根据无残余应力的小试件疲

29、劳试验（循环次数）结果，疲劳曲线可近似地表示成直线ABCD，同时以作为疲劳强度的上限（图19-7）。针对每种类型的构件（附表4-3）由试验找出对应于的最大应力及对应于的最大应力，确定B、C两点坐标并连成直线图19-7 疲劳强度分析图ABCD，即为的近似疲劳曲线。图19-7中，AB线段代表以受压为主的情况，BCD线段代表以受拉为主的情况。直线BCD的方程可写成： （19-3）式中 为直线BCD的斜率，。将影响疲劳强度的各种因素用统一的安全系数予以考虑，便得到以受拉为主时的疲劳容许应力计算公式为： （19-4）用同样的方法可求出以受压为主的疲劳容许应力计算公式为： （19-5）式中 为时主体金属或

30、连接的疲劳容许应力。公路桥规（JTJ 025-86）规定的、和参见附表4-3。应力集中对疲劳强度影响最大的部位以截面几何形状突然改变处最为明显，但对没有截面改变的钢材，也存在着微观的裂纹等引起应力集中的因素，如焊接结构及其附近主体金属中的裂纹、夹渣等缺陷；非焊接结构的孔洞、刻槽；钢材内部的偏析、非金属夹杂；制造过程的剪切、切割等；同时还有热轧和焊接时产生的热残余应力，尤其是后者对疲劳强度的影响更大。根据实验研究结果，可将构件和连接形式按应力集中的影响程度由低到高分为A、B、CF共6类（附表4-4），第A类为基本无应力集中影响的无连接处的主体金属，第F类则为应力集中最严重的角焊缝。19.4钢材在

31、复杂应力状态下的工作性能在单向应力状态下，当正应力小于屈服强度（）时，钢材在弹性范围内工作。当正应力大于屈服强度（）以后，钢材便进入了塑性工作状态。但在实际结构中，钢材常常是在双向或三向的复杂应力下工作（图19-8）,因此钢材是否进入塑性状态，不只取决于某一单向应力是否达到屈服强度，而应由反映各方向应力综合影响的“屈服条件”来确定。对于有明显屈服强度的材料，试验证明应用材料力学的第四强度理论能较好的反映钢材的弹塑性工作状况。根据第四强度理论，钢材在复杂应力作用下不发生屈服的条件为：图19-8 复杂应力状态的单元体 （19-6）式中 为折算应力，其意义是将复杂应力状态折算成单向应力状态。因此，当

32、时，钢材处于弹性状态；当时，钢材处于塑性状态。由式（19-6），在双向应力作用下（）不发生屈服的条件为： （19-7）对于只有单向正应力和剪应力作用，即、和时为： （19-8）当只有平面剪应力作用（受纯剪）时，即和时为： （19-9）或 （19-10）当剪应力时，钢材将进入塑性状态，因此公路桥规（JTJ 025-86）取钢材的容许剪应力=。式（19-6）也可以用、和轴的主应力、和表示如下： （19-11）由式（19-11）可知，当三向应力同号（如受拉）且数值接近时，即使、和本身绝对值很大，甚至远大于，钢材也很难进入塑性状态，破坏时钢材处于脆性状态。但当有一向应力异号，同号应力相差较大时，钢材破

33、坏时容易进入塑性状态。19.5 钢材种类、牌号及其选用19.5.1钢材的种类钢材的种类可按不同的分类方法进行区分：按用途可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢；按冶炼方法可分为转炉钢和平炉钢；按脱氧方法可分为沸腾钢（代号为F）、半镇静钢（代号为b）、镇静钢（代号为Z）以及特殊镇静钢（代号为TZ）；按硫、磷含量和质量控制可分为高级优质钢（硫含量0.035%和磷含量0.03%并具有较好的力学性能）、优质钢（硫含量0.045%和磷含量0.04%并具有较好的力学性能）和普通钢（硫含量0.05%和磷含量0.045%）；按成型方法可分为轧制钢（热轧、冷轧）、锻钢和铸钢；按化学成分可分为碳素结构钢和低合金高强度结

34、构钢。在桥梁结构中，主要采用碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。1）碳素结构钢和优质碳素结构钢根据国家标准，碳素结构钢（GB 700-88），碳素结构钢共分为Q195、Q215、Q235、Q255、和Q275钢五种（Q是屈服强度的汉语拼音首位字母，阿拉伯数字代表屈服强度，单位为N/mm2），数值较低的钢材，碳含量和强度较低而塑性、韧性和焊接性较好。桥梁结构用碳素结构钢主要为Q235钢，其碳含量（0.12%0.22%）和强度、塑性、可焊性等均适中。碳素结构钢按照质量等级可分为A、B、C、D四级，A级钢只保证抗拉强度、屈服强度、伸长率，必要时尚可附加冷弯试验的要求；B、C、D级钢均保证

35、抗拉强度、屈服强度、伸长率、冷弯和冲击韧性等力学性能；碳、硫、磷、硅和锰（A级钢的碳、锰含量可不作为交货条件）等化学成分的含量必须符合相关国家标准的规定。低碳钢常用于制造铆钉、钢筋、钢桥材料及一般钢结构。中碳钢强度较高，塑性、韧性和可焊性略差，主要用于制造机械零件及节点螺栓。高碳钢因硬度大，一般用于切削工具、弹簧、轴承等。优质碳素结构钢是碳素结构钢经过热处理得到的优质钢，与碳素结构钢的主要区别在于钢中含杂质元素较少，硫、磷含量都不大于0.035%，并且严格限制其他缺陷，因此具有较好的综合性能。优质碳素结构钢（如45号钢）在钢结构中主要用于高强度螺栓及其连接副。2）低合金高强度结构钢低合金高强度

36、结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入一种或几种适量合金元素而成的钢，目的是为了提高钢材强度、常温或低温下的冲击韧性、耐腐蚀性，并且要求对其塑性影响不大。根据国家标准低合金高强度结构钢（GBT 1591-94）的规定，低合金高强度结构钢可分为Q295、Q345（16Mn，16Mnq）、Q390、Q420钢等五种，其中Q345（16Mn，16Mnq）、Q390（15MnV，15MnVq）钢为桥梁钢结构常用的钢种。它们具有强度高，塑性、韧性和可焊性都好等优点，桥梁结构中主要采用这种钢材。16Mnq表示专用于桥梁的16锰钢，它的低温抗冲击韧性和强度均比16Mn钢高，因此对于动荷载较大的铁路钢桥目前多采用16

37、Mnq。低合金高强度结构钢交货时，应有碳、锰、硅、硫、磷、合金元素等化学成分和屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯等力学性能的合格保证书。质量等级分为A、B、C、D、E五级，由A到E也表示质量由低到高。A级无冲击韧性要求，由B到E分别有+20、0、-20和-40冲击韧性要求。19.5.2钢材的规格钢结构常用的钢材主要为热轧成型的钢板和型钢两大类。钢结构构件可采用单一型钢或几件型钢或钢板通过焊缝、螺栓或铆钉连接而成的组合截面。1）钢板钢板包括薄钢板、厚钢板、特厚钢板和扁钢等，钢板规格采用“宽×厚×长”或“宽×厚”的表示方法。薄钢板一般采用冷轧法轧制，厚度为0.354mm

38、；厚钢板厚度为0.4560mm；特厚钢板厚度>60mm；扁钢厚度为460mm，宽度为12200mm。2）型钢钢结构常用的型钢如图19-9所示，有角钢图19-9a）图19-9b）、工字钢图19-9c）、槽钢图19-9d）、H型钢图19-9e）、T型钢图19-9f）以及钢管图19-9g）等。图19-9 型钢的截面形式a）等边角钢 b）不等边角钢 c）工字钢 d）槽钢 e）H型钢 f）T型钢 g）钢管 角钢角钢有等边角钢和不等边角钢两种。等边角钢以肢宽×肢厚表示，如100×12表示肢宽100mm、肢厚12mm的等边角钢；不等边角钢是以长肢宽×短肢宽×肢厚

39、表示，如100×80×10表示长肢宽100mm、短肢宽80mm、肢厚10mm的不等边角钢。角钢可以用来组成独立的受力构件，也可作为受力构件之间的连接构件。 工字钢工字钢分为普通工字钢和轻型工字钢两种，主要用于在其腹板平面内受弯的构件或由几个工字钢组成的组合构件。工字钢的型号以工字钢符号及其高度表示，当为轻型工字钢时，前面加注“Q”。20号以上的工字钢，同一号数有三种腹板厚度，分为三类，如I25则表示工字钢的高度为250mm、其腹板厚度为a类。a类腹板最薄、翼缘最窄，b类腹板较厚、翼缘较宽，c类腹板最厚、翼缘最宽。同样高度的轻型工字钢的翼缘比普通工字钢的翼缘宽且薄，腹板也比普

40、通工字钢薄，因此其回转半径略大，重量较轻。 槽钢槽钢的型号以槽钢符号和高度表示，当为轻型槽钢时，前面加注“Q”。同一号数的槽钢，根据翼缘宽度和腹板厚度的不同也分为a、b、c三类，如40a表示其截面高度为400mm，a类。 H型钢和T型钢与普通工字钢相比，H型钢翼缘内外侧面平行，便于连接。各种H型钢可割分为T型钢。H型钢可分为宽翼缘（HW表示）、中翼缘（HM）、窄翼缘（HN）和H型钢柱（HP）四类。T型钢可分为宽、中、窄翼缘之类，分别用TW、TM和TN表示。H型钢和T型钢规格标记为高度（H）×宽度（B）×腹板厚度（）×翼缘厚度（），如HM340×250×9×14表示中翼缘H型钢高度为340mm，宽度为250mm，腹板厚度9mm，翼缘厚度为14mm；其割分T型钢为TM170×250×9×14。 钢管钢管分热轧无缝钢管和焊接钢管两种。焊接钢管由钢板卷焊而成，又可分为直焊缝钢管和螺旋焊缝钢管。钢管用外径×壁厚表示，如102×5表示外径102mm，壁厚5mm的钢管。上述各种型钢的详细尺寸及其截面几何特征可查型钢表。19.5.3钢材的选用钢材选用的原则应该是保证结构安全可靠，满足使用要