钢结构制造与安装单元一

1、钢结构制作与安装教案单元一建筑钢材单元一建筑钢材单元单元1 1 建筑钢材建筑钢材 单元概述：单元概述：本单元讲述了钢结构所用材料、本单元讲述了钢结构所用材料、品种、规格及基本性能。品种、规格及基本性能。 学习目标：学习目标：通过理论教学和技能实训，学生通过理论教学和技能实训，学生能够了解钢结构所用材料、品种、规格；熟能够了解钢结构所用材料、品种、规格；熟悉钢材材料的机械性能。悉钢材材料的机械性能。 课题建筑钢材的主要力学性能课题建筑钢材的主要力学性能课题课题 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响课题钢材的种类、规格及选择课题钢材的种类、规格及选择单元一建筑钢材单元一建筑钢材

2、课题课题1 1 建筑钢材的主要力学性能建筑钢材的主要力学性能钢结构所采用的钢材在性能方面必须具有较钢结构所采用的钢材在性能方面必须具有较高的高的强度强度、较好的、较好的塑性塑性及及韧性韧性，以及良好，以及良好的的加工性能加工性能。对于焊接结构还要求可焊性良。对于焊接结构还要求可焊性良好。在低温下工作的结构，要求钢材在低温好。在低温下工作的结构，要求钢材在低温下也能保持较好的韧性。在易受大气侵蚀的下也能保持较好的韧性。在易受大气侵蚀的露天环境下工作的结构，或在有害介质侵蚀露天环境下工作的结构，或在有害介质侵蚀的环境下工作的结构，要求钢材具有较好的的环境下工作的结构，要求钢材具有较好的抗锈能力抗锈

3、能力。 1.1.强度强度 材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为强度强度。强度可以通过比例极限、弹性极限、屈服极限、抗拉强度等指标来反映。通过轴心拉力实验获得。低碳钢单向拉伸性能曲线低碳钢单向拉伸性能曲线 2. 2.塑性塑性 塑性是指钢材在应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。它是钢材的一个重要性能指标，用伸长率表示。 %100oolll 3.3.韧性韧性 韧性韧性是指钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，是衡量钢材抵抗动力荷载能力的指标，它是强度和塑性的综合表现，是判断钢材在动力荷载作用下是否出现脆性破坏的重要指标之一。材料的冲击韧性值，用CV表示，单位

4、为J。 冲击试验试件的缺口形式冲击试验试件的缺口形式 钢材冲击韧性的数值，随试件刻槽（缺口）的形式和钢材冲击韧性的数值，随试件刻槽（缺口）的形式和试验机的种类不同而相差很大。以前我国规定采用梅氏试验机的种类不同而相差很大。以前我国规定采用梅氏U U型型缺口的试件，现用夏氏缺口的试件，现用夏氏V V型缺口。型缺口。 4.4.冷弯性能冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下加工发生 塑性变形时，对产生裂纹的抵抗能力，由 冷弯试验来确定 。 冷弯性能用试验方法来检验钢材承受规定弯曲程度冷弯性能用试验方法来检验钢材承受规定弯曲程度（90o90o、180o)180o)的弯曲变形性能，检查试件弯曲部分的外的弯曲

5、变形性能，检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面是否有裂纹、裂断和分层。面、里面和侧面是否有裂纹、裂断和分层。 5.5.良好的工艺性能（包括冷加工、良好的工艺性能（包括冷加工、热加工和可焊性）热加工和可焊性） 良好的工艺性能良好的工艺性能不但要易于加工成各种形式的结构，而且不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等造成较大的不利影响。 此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。课题课题2 2 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响 1.1.化学成分的影响化学成分的影响 2.2.轧制与冶金缺陷的影响轧制与冶金缺陷的影响 3. 3. 钢材硬化的影响

6、钢材硬化的影响 4. 4. 温度影响温度影响 5.5.应力集中的影响应力集中的影响 6.6.反复荷载作用的影响反复荷载作用的影响 1.1.化学成份的影响化学成份的影响 基本成份为基本成份为F Fe e，炭钢中含量占，炭钢中含量占9999，C C、S Si i、M Mn n为杂质元为杂质元素，素，S S、P P、N N、O O为冶炼过程中不易除尽的有害元素；为冶炼过程中不易除尽的有害元素； C C：含：含CC使强度使强度塑性、韧性、可焊性塑性、韧性、可焊性，应控制在，应控制在0.22%0.22%，焊接结构应控制在，焊接结构应控制在0.20%0.20%； S Si i：含：含S Si i适量使强度

7、适量使强度 其它影响不大，有益，应控制其它影响不大，有益，应控制0.10.3%0.10.3%； M Mn n：含：含S Si i适量使强度适量使强度 降低降低S S、O O的热脆影响，改善热的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益；加工性能，对其它性能影响不大，有益； S S：含量：含量使强度使强度塑性、韧性、性能冷弯、可焊性塑性、韧性、性能冷弯、可焊性；高温时使钢材变脆热脆现象；高温时使钢材变脆热脆现象； P P：低温时使钢材变脆冷脆现象；其它同：低温时使钢材变脆冷脆现象；其它同S S； O O、N N：O O同同S S；N N同同P P，控制含量，控制含量0.008%0.008

8、%。 2.2.轧制与冶金缺陷的影响轧制与冶金缺陷的影响 钢的轧制是在高温（12001300）和压力作用下将钢锭热轧成钢板或型钢。它使钢锭中的小气孔、裂纹等焊合，金属组织致密，消除了显微组织缺陷，从而改善了钢材的力学性能。 3. 3. 钢材硬化的影响钢材硬化的影响 硬化有冷作硬化冷作硬化和时效硬化时效硬化两种。 冷作硬化冷作硬化是指当钢材冷加工（冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等 ）超过其弹性极限卸载后产生残余塑性变形，再次加载时屈服点提高，同时塑性和韧性降低的现象，又称为应变硬化应变硬化。 时效硬化时效硬化:在高温时熔化于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯

9、铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性下降。这种现象称为时效硬化，俗称老化。 4. 4. 温度影响温度影响 钢材性能随温度变化而变化。0以上，总的趋势是：温度升高温度升高，钢材强度降低强度降低，应变增大应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆。 低温冷脆现象:当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。 5.5.应力集中的影响应力集中的影响 在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、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

10、域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成应力集中现象，促使钢材变脆。 6.6.反复荷载作用的影响反复荷载作用的影响 钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。 在直接的连续反复的动力荷载作用下，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度，这种现象称为钢的疲劳钢的疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。为了防止脆性破坏的发生，一般需要在设计、为了防止脆性破坏的发生，一般需要在设计、制造及使用中制造及使用中注意下列各点注意下列各点： （1 1）合理的设计：）合理的设计： 应力求合理，使能均匀、应力求合理，使能均匀、连续的传递应力，避免构

11、件截面剧烈变化。连续的传递应力，避免构件截面剧烈变化。 （2) 2) 正确的制造：应严格遵守设计对制造正确的制造：应严格遵守设计对制造所提出的技术要求。所提出的技术要求。 （3) 3) 正确的使用。正确的使用。 课题课题3 3 钢材的种类、规格与选择钢材的种类、规格与选择1、结构钢材种类、结构钢材种类按用途分：结构钢、工具钢、特殊钢；按用途分：结构钢、工具钢、特殊钢；结构钢分为：建筑用钢和机械用钢；结构钢分为：建筑用钢和机械用钢；按治炼方法分：转炉钢（氧气顶吹转炉钢）、平炉钢；按治炼方法分：转炉钢（氧气顶吹转炉钢）、平炉钢；按脱氧方法分：沸腾钢（按脱氧方法分：沸腾钢（F F）、半镇静钢（）、半

12、镇静钢（b b）、）、 镇静钢（镇静钢（Z Z）、特殊镇静钢（）、特殊镇静钢（TZTZ）；）；按成型方法分：轧制钢（冷轧、热轧）锻钢、铸钢；按成型方法分：轧制钢（冷轧、热轧）锻钢、铸钢；按化学成分分：碳素钢、合金钢；按化学成分分：碳素钢、合金钢；建筑上采用的是碳素结构钢、低合金高强度结构钢建筑上采用的是碳素结构钢、低合金高强度结构钢。 碳素结构钢碳素结构钢 碳素钢按屈服点数值分为五个牌号：碳素钢按屈服点数值分为五个牌号：Q195Q195、Q215Q215、Q235 Q235 Q255Q255、Q275Q275。碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q Q、屈服、屈

13、服点值点值（N/mmN/mm2 2）、）、质量等级符和脱氧方法符号等四个部分序组成质量等级符和脱氧方法符号等四个部分序组成 Q Q - - . . 脱氧方法：脱氧方法：F F沸腾钢沸腾钢 b b半镇静钢半镇静钢 Z Z镇静钢镇静钢 TZTZ特殊镇静钢特殊镇静钢 质量等级：质量等级：Q235Q235分分A A、B B、C C、D D Q345 Q345分分A A、B B、C C、D D、E E 屈服点数值屈服点数值 例如例如: :Q235Q235AF AF 表示屈服强度为表示屈服强度为235N235Nmmmm2 2的的A A级沸腾钢；级沸腾钢； Q235-Bb Q235-Bb 表示屈服强度为表示

14、屈服强度为235N235Nmmmm2 2的的B B级半镇静钢；级半镇静钢； Q235-C Q235-C 表示屈服强度为表示屈服强度为235N235Nmmmm2 2的的C C级镇静钢。级镇静钢。 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 低合金钢是在冶炼过程中添加一种或几种少量合金元素，低合金钢是在冶炼过程中添加一种或几种少量合金元素，其总量低于其总量低于5 5的钢材。的钢材。 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢有有Q295Q295、Q345 Q345 、Q390 Q390 、Q420 Q420 、 Q460Q460；常用的低合金钢有常用的低合金钢有Q345Q345、Q390Q390、Q420Q4

15、20等。等。 低合金钢的牌号与碳素结构钢牌号的表示方法相同。低合金钢的牌号与碳素结构钢牌号的表示方法相同。 低合金钢的脱氧方法为镇静钢或特殊镇静钢。低合金钢的脱氧方法为镇静钢或特殊镇静钢。 碳素结构钢和低合金钢都可以采取适当的热处理碳素结构钢和低合金钢都可以采取适当的热处理( (如调如调质处理质处理) )进一步提高其强度。例如用于制造高强度螺栓的进一步提高其强度。例如用于制造高强度螺栓的4545号优质碳素钢以及号优质碳素钢以及4040硼（硼（40B40B）、）、2020锰钛硼（锰钛硼（20MnTiB20MnTiB）就）就是通过调质处理提高强度的。是通过调质处理提高强度的。注：注： 碳素结构钢分

16、：碳素结构钢分：A A、B B、C C、D D 四级，含所有脱氧方法；四级，含所有脱氧方法； 低合金结构钢分：低合金结构钢分：A A、B B、C C、D D、E E五级，只有镇静钢和五级，只有镇静钢和特殊镇静钢。特殊镇静钢。 2 2、钢材的规格、钢材的规格 钢结构所用钢材主要为热轧成型的钢结构所用钢材主要为热轧成型的钢板钢板、型钢型钢，以及，以及冷冷弯成型的薄壁型钢弯成型的薄壁型钢等。等。 钢板钢板 薄钢板：厚度薄钢板：厚度0.350.354mm,4mm,宽度为宽度为5005001500mm,1500mm,长长0.50.5 4m 4m 厚钢板：厚度厚钢板：厚度4.5 4.5 60mm60mm；

17、宽度为；宽度为6006003000mm3000mm，长，长4 4 12m12m。 特厚板：板厚特厚板：板厚60mm60mm； 扁钢：厚度扁钢：厚度4 4 60mm60mm，宽度为，宽度为1212 200mm200mm，长，长3 3 9m9m ； 钢板用钢板用“宽宽厚厚长长”或或“宽宽厚厚”表示，单位为表示，单位为mmmm；如：；如：4504508 831003100 4504508 8。型钢型钢钢结构常用的型钢是角钢、工字型钢、槽钢和钢结构常用的型钢是角钢、工字型钢、槽钢和H H型钢、型钢、钢管等。除钢管等。除H H型钢和钢管有热轧和焊接成型外，其余型钢均型钢和钢管有热轧和焊接成型外，其余型钢

18、均为热轧成型。为热轧成型。 角钢角钢等边角钢等边角钢L+L+肢宽肢宽肢厚肢厚不等边角钢不等边角钢L +L +长肢长肢短肢短肢肢厚肢厚如如:L100:L10010; 10; L100 L10080808 8 角钢角钢 工字钢工字钢 包括普通工字钢、轻型工字钢、包括普通工字钢、轻型工字钢、H H型钢。型钢。 工字钢工字钢：用号数表示，号数即为其截面高度的厘米数，：用号数表示，号数即为其截面高度的厘米数，2020号以上的工字钢，同一号数有三种不同的腹板厚度分别号以上的工字钢，同一号数有三种不同的腹板厚度分别为为a a、b b、c c三类，长度为三类，长度为5 519m19m。 H H型钢型钢：HWH

19、W（宽）、（宽）、HMHM（中）、（中）、HNHN（窄）（窄）T T 表示方法：高度表示方法：高度H H宽度宽度B B腹板厚度腹板厚度t1t1翼缘厚度翼缘厚度t2t2例：例：HM340HM3402502509 914 14 TM170 TM1702502509 91414 H H型钢型钢 工字钢与型钢的区别工字钢与型钢的区别 1.1.工字型钢不论是普通型还是轻型的，由于截面尺寸工字型钢不论是普通型还是轻型的，由于截面尺寸均相对较高、较窄，故对截面两个主袖的惯性矩相差较大，均相对较高、较窄，故对截面两个主袖的惯性矩相差较大，因此，一般仅能直接用于在其腹板平面内受弯的构件或将因此，一般仅能直接用于

20、在其腹板平面内受弯的构件或将其组成格构式受力构件。对轴心受压构件或在垂直于腹板其组成格构式受力构件。对轴心受压构件或在垂直于腹板平面还有弯曲的构件均不宜采用，这就使其在应用范围上平面还有弯曲的构件均不宜采用，这就使其在应用范围上有着很大的局限。有着很大的局限。 2.2. 型钢属于高效经济裁面型材型钢属于高效经济裁面型材( (其它还有冷弯薄壁型其它还有冷弯薄壁型钢、压型钢板等钢、压型钢板等) )，由于截面形状合理，它们能使钢材更高，由于截面形状合理，它们能使钢材更高地发挥效能，提高承裁能力。不同于普通工字型的是地发挥效能，提高承裁能力。不同于普通工字型的是h h型钢型钢的翼缘进行了加宽，且内、外

21、表面通常是平行的，这样可的翼缘进行了加宽，且内、外表面通常是平行的，这样可便于用高强度螺桂和其他构件连接。其尺寸构成合理系列，便于用高强度螺桂和其他构件连接。其尺寸构成合理系列，型号齐全，便于设计选用。型号齐全，便于设计选用。 槽钢槽钢：普通槽钢、轻型槽钢：普通槽钢、轻型槽钢 a a 、b b、c c表示腹板厚，从表示腹板厚，从14a14a、（、（b b）以）以14cm14cm起起有不同腹板厚，用其截面高度的有不同腹板厚，用其截面高度的cm cm 数表示，长度为数表示，长度为5 519m19m。 槽钢槽钢 钢管钢管：无缝钢管无缝钢管、焊接钢管焊接钢管 表示方法：用表示方法：用“”后面加后面加“外径外径厚度厚度”；例：例：3006 无缝钢管：外径无缝钢管：外径32351mm，壁厚，壁厚2.516mm； 有缝钢管：外径有缝钢管：外径32352mm，壁厚，壁厚25.5mm。 冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢(Sections of Cold-Formed Steel) 冷弯薄壁型钢采用薄钢板冷轧制成。其壁厚一般为冷弯薄壁型钢采用薄钢板冷轧制成。其壁厚一般为1.5-12mm1.5-12mm，但承重结构受力构件的壁厚不宜小于，但承重结构受力构件的壁厚不宜小于2mm2mm。薄壁。薄壁型钢能充分利用钢材的强度以节约钢材，在轻钢结构中得型钢能充分利用钢材的强度以节约钢材，在轻钢结构中得到广泛应用