第章建筑钢材的性能

结构设计原理

第3篇钢结构熊峰教授

四川大学建筑与环境学院第11章建筑钢材的性能主要内容：●建筑结构钢的品种和规格●建筑钢材的力学性能●影响钢材性能的主要因素●钢材疲劳●钢结构选材的要求●钢材及其连接的强度取值11.1建筑结构钢的品种和规格锰系钢硅锰系钢

钢材

碳素钢低合金钢

低碳钢含碳量<0.25%

中碳钢含碳量0.25%~0.6%

高碳钢含碳量0.6%~1.4%硅钒系钢硅钛系钢硅铬系钢11.1建筑结构钢的品种和规格钢材的牌号铸造碳钢『铸钢代号ZG、屈服点fy-抗拉强度fu』，例ZG200-400。常用的铸造碳钢有ZG200－400、ZG230－450、ZG270－500和ZG310－570。螺栓用钢：用碳钢或低合金钢制造。『抗拉强度.屈强比』抗拉强度以t/cm2为单位。普通螺栓有4.6级、4.8级、5.6级、8.8级，高强度螺栓有8.8和10.9级。钢材的牌号—结构钢材牌号

碳素结构钢牌号『代表屈服点字母Q、屈服应力标准值、-质量等级、脱氧方法』，例如Q235-AF、Q255-C。碳素结构钢共分Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号，钢结构中通常仅使用Q235。Q235钢根据厚度尺寸，分为6档。

质量等级——A、B、C、D脱氧方法——F、b、Z、TZ

低合金高强度钢牌号『代表屈服点字母Q、屈服应力标准值、-质量等级』例如Q295B、Q420E。低合金高强度结构钢共分Q295、Q345、Q390、Q420和Q460五个牌号，其中Q345钢、Q390钢和Q420钢为钢结构的选用钢材。

质量等级——A、B、C、D、E钢材的品种和规格钢结构中所使用的钢材包括：热轧钢板、热轧型钢和冷弯薄壁型钢：热轧钢板—厚h

×宽b×长l厚钢板：h=4.5~60mm，b=600~3000mm，l=4~12m薄钢板：h=0.35~4mm，b=500~1500mm，l=0.5~4m扁钢板：h=4~60mm，b=12~200mm，l=3~9m花纹钢板：h=2.5~8mm，b=600~1800mm，l=0.6~12m热轧型钢冷弯薄壁型钢壁厚1.5～5mm截面贯性矩大，高效、经济，但对锈蚀较为敏感。压型钢板一般厚0.4~1.6mm，节约钢材。角钢工字钢槽钢H型钢T型钢钢管11.2建筑钢材的力学性能按其变形能力来分塑性材料（破坏时有较大的塑性变形）：钢材脆性材料（破坏前无明显的塑性变形）：混凝土、砖、砌块等材料性能分类物理性能力学性能可结合性钢材的力学性能——单轴强度指标

塑性材料脆性材料材料的应力-应变图形

比例极限应力、应变之间满足线性关系的最大应力屈服强度一般用下屈服点作为材料的屈服强度强度极限试件、试样能承受的最大名义应力承压强度构件之间通过接触面传递压力称为承压，承压面所能承担的最大压应力塑性材料一般受拉、受压材料性质相似脆性材料抗压强度高于抗拉强度塑性材料脆性材料三向应力状态下的屈服条件－Mises屈服准则钢材的力学性能——多轴强度指标为弹性状态，否则为塑性状态二向应力状态下的屈服条件对一般的梁对纯剪状态塑性指指标以试件件变形形后的的残余余变形形定义义塑性性长试样样：圆圆截面面矩矩形形截面面短试样样：圆圆截面面矩矩形形截面面延伸率率截面收收缩率率为塑性性材料料；；否则则为脆脆性材材料冲击韧韧性钢材在在冲击击荷载载作用用下断断裂时时吸收收机械械能的的一种种能力力，是是衡量量钢材材抵抗抗可能能因低低温、、应力力集中中、冲冲击荷荷载作作用等等而致致脆性性断裂裂的一一项机机械性性能，，是强强度与与塑性性的综综合表表现。。冲击韧韧性定定义为为试件件破坏坏后所所消耗耗的冲冲击功功同一牌牌号的的的钢钢材质量根根据冲冲击韧韧性指指标划划分等等级冷弯性性能和和疲劳劳强度度疲劳强度在循环荷载作用下，当达到一定的循环次数时，构件会发生脆性破坏，且破坏应力远小于。在规定的循环次数和荷载变化幅度下，材料所能承受的最大动态应力，称为疲劳强度冷弯性性能冷弯是是将直直径为为d的钢筋筋绕直直径为为D的弯芯芯弯曲曲到规规定的的角度度后无无裂纹纹或起起层现现象，，则表表示冷冷弯合合格。。徐变和和应力力松弛弛徐变或或蠕变变恒定温温度和和应力力作用用下，，构件件的变变形随随时间间t增长的的现象象应力松松弛在恒定定的温温度和和应变变条件件下，，构件件应力力随时时间的的增加加而减减小的的现象象11.3影影响响钢材材性能能的主主要因因素化学成成分元素作用强度塑性冲击韧性冷弯性能热脆冷脆碳含量对钢材的强度、塑性、韧性和焊接性有决定性影响<0.25%高低低低锰适量碳素钢中作为脱氧剂0.3~0.8%低合金钢中作为合金元素1.2~1.6%提高没过多的降低改善过量降低减少氧、硫的有害影响变脆硅适量熔炼镇静钢的脱氧剂。且能使钢中纯铁晶粒细小和散布均匀提高无显著不良影响过量降低，且恶化抗锈蚀能力和焊接性<0.3%（Q235）或0.6%（16Mn、15MnV）钒提高强度和细化晶粒，高温硬度提高硫热脆（FeS在高温熔化而使钢材出现裂纹），使钢的焊接性变坏降低含量<0.035%~0.05%磷冷脆（低温韧性降低并产生脆性破坏）含量<0.035%~0.045%氧、氮、氢氧同硫增加钢的脆性；氮类似磷，将低钢的塑性、冲击韧性并增大其冷脆性；氢在低温时易使钢产生脆性破坏。冶金工工艺炼钢炉炉炉种种平炉、、氧气转转炉、空气气转炉炉、电电炉脱氧方方式浇浇注注过程程中加加入脱脱氧剂剂以消消除氧氧根据脱脱氧程程度可可分为为沸腾腾钢、、镇静静钢、、半镇镇静钢钢、特特殊镇镇静钢钢。钢材轧轧制热轧成成型能能改变变钢材材的力力学性性能，，薄型型材和和薄钢钢板强强度较较高。。冶金缺缺陷偏析、、非金金属夹夹杂、、气孔孔、裂裂纹和和分层层等钢材硬硬化时效硬硬化应变硬硬化应变时时效硬硬化硬化：：强度度提高高，塑塑性下下降温度影影响高温影影响：：在250℃左右右，抗抗拉强强度有有局部部性提提高，，伸长长率和和断面面收缩缩率均均降至至最低低，出出现了了所谓谓的蓝脆现象。。在300℃以后后，强强度和和弹性性模量量均开开始显显著下下降，，塑性性显著著上升升，达达到600℃时，，强度度几乎乎为零零，塑塑性急急剧上上升，，钢材材处于于热塑塑性状状态。。低温影影响：：随着温温度的的降低低，钢钢材的的强度度提高高，而而塑性性和韧韧性降降低，，逐渐渐变脆脆，称称为钢钢材的的低温冷冷脆在直接接承受受动力力作用用的钢钢结构构设计计中，，为了了防止止脆性性破坏坏，结结构的的工作作温度度应大大于T1接近T0，可小小于T2。温度T1也称为为NDT（NilDuctilityTemperature），为为脆性性转变变温度度或零零塑性性转变变温度度温度T2也称FTP（FractureTransitionPlastic），为为全塑塑性转转变温温度应力集集中的的影响响截面改改变的的尖锐锐程度度越大大的试试件，，其应应力集集中现现象就就越严严重，，引起起钢材材脆性性破坏坏的危危险性性就越越大，表现出出高强强钢的的脆性性破坏坏特征征。60050040030020010001002030ε(%)σ(N/mm2)43211234荷载类类型的的影响响加载速速度的的影响响：随加加载速速度提提高，，屈服点点提高高，钢材材变脆脆，低低温时时比较较敏感感；在冲击击荷载载作用用下，，加载载速度度很高高，由由于钢钢材的的塑性性滑移移在加加载瞬瞬间跟跟不上上应变变速率率，因因而反反映出出屈服服点提提高的的倾向向。但但是，，在20℃左右右的室室温环环境下下，虽虽然钢钢材的的屈服服点和和抗拉拉强度度随应应变速速率的的增加加而提提高，，塑性性变形形能力力却没没有下下降，，反而而有所所提高高，即即处于于常温温下的的钢材材在冲冲击荷荷载作作用下下仍保保持良良好的的强度度和塑塑性变变形能能力。。循环荷荷载的的影响响：钢材在在连续续交变变荷载载作用用下，，会逐逐渐累累积损损伤、、产生生裂纹纹及裂裂纹逐逐渐扩扩展，，直到到最后后发生脆脆性破坏。高周疲疲劳：：断裂寿寿命较较长，，断裂裂前的的应力力循环环次数数n≥5×104，断裂裂应力力水平平较低低，σ＜fy低周疲疲劳：：断裂寿寿命较较短，，破坏坏前的的循环环次数数n=102～5×104，断裂裂应力力水平平较高高，σ≥fy，伴有有塑性性应变变发生生包辛格格效应应经预拉拉后抗抗拉强强度提提高，，抗压压强度度降低低的现现象11.4钢材的的疲劳劳疲劳破破坏的的特性性疲劳破破坏：：在循环环荷载载作用用下，，当达达到一一定的的循环环次数数时，，构件件发生生的脆脆性破破坏。。循环环荷载载分为为两种种：常幅交交变荷荷载：：荷载的的幅值值保持持不变变，引引起的的应力力称常常幅循循环应应力。。变幅交交变荷荷载，引起起变幅幅循环环应力力。疲劳破破坏特特征（1）疲劳劳破坏坏属于于脆性性断裂裂。是是在名名义应应力低低于屈屈服点点的低低应力力循环环下，，经历历了长长期的的累积积损伤伤过程程后才才突然然发生生的。。其破破坏过过程为裂纹的的萌生生、裂裂纹的的缓慢慢扩展展和最最后迅迅速断断裂，，因此此疲劳劳破坏坏是有有寿命命的破破坏，，是延延时断断裂。。（2）疲劳劳破坏坏的断断口与与一般般脆性性断口口不同同，可可分为为三个个区域域：裂裂纹源源、裂裂纹扩扩展区区和断断裂区区。（3）疲劳劳对缺缺陷十十分敏敏感。。缺陷陷部位位应力力集中中严重重，会会加快快疲劳劳破坏坏的裂裂纹萌萌生和和扩展展。疲劳验验算1.常幅疲疲劳Δσ——对对焊接接部位位为应应力幅幅，Δσ=σmax-σmin；对非焊焊接部部位为为折算算应力力幅，，Δσ=σmax-0.7σmin；σmax——计算部部位每每次应应力循循环中中的最最大拉拉应力力（取取正值值）；；σmin——计算部部位每每次应应力循循环中中的最最小拉拉应力力或压压应力力（拉拉应力力取正正值，，压应应力取取负值值）；；[Δσ]－常幅疲劳劳的容许应应力幅，单单位为N/mm2。构件和连接类别12345678C1940×1012861×10123.26×10122.18×10121.47×10120.96×10120.65×10120.41×1012β443333332.变幅疲劳假设某个构构件或连接接的设计应应力谱由若若干个不同同应力幅水水平Δσi的常幅循环环应力组成成，各应力力幅水平Δσi所对应的循循环次数为为ni，相对的疲疲劳寿命为为Ni，Miner的线性累积积损伤准则则为：假设有三个应力幅幅水平相同的变幅疲劳劳每一个应力力幅水平均均可列出以以下公式代入Miner准则后最后得常幅等效应应力幅推导：疲劳验算中中一些值得得注意的问问题（1）疲劳验算算仍然采用用容许应力力设计方法法，采用标标准荷载进进行弹性分分析求内力力（并不采采用任何动动力系数）），用容许许应力幅作作为疲劳强强度。（2）当遇到规规范规定的的8种以外的连连接构造时时，应进行行专门的研研究。（3）理论和试试验均证明明，只要在在构件和连连接中存在在高达屈服服点的残余余拉应力，，即使在完完全的循环环压应力作作用下，当当其幅值超超过容许应应力幅时也也会产生裂裂纹，但裂裂纹产生同同时，残余余拉应力会会获得充分分的释放，，此后在循循环压应力力环境下，，裂纹会自自动停止，，不继续扩扩展。所以以规范规定定，在应力力循环中不不出现拉应应力的部位位可不必计计算疲劳。。（4）由于规范范推荐钢种种的静力强强度对焊接接构件和连连接的疲劳劳强度无显显著影响，，故可以认认为，疲劳劳容许应力力幅与钢种种无关。显显然，当某某类型的构构件和连接接的承载力力由疲劳强强度起控制制作用时，，采用高强强钢材往往往不能充分分发挥作用用。决定局局部应力状状态的构造造细节是控控制疲劳强强度的关键键因素。11.5结构钢材选选用较高的强度度：屈服点fy是衡量结构构承载能力力的指标，，提高其值高可以以减轻结构构自重、节节约钢材和和降低造价价。抗拉强强度fu是衡量钢材材在经历较较大塑性变变形后的抗抗拉能力，，提高其值高可增增加结构的的安全保证证或安全储储备。较高的塑性性和韧性：保证结构在静力力荷载和动动力荷载作作用下有足足够的应变变能力。良好的工艺艺性能：包括冷加工、热热加工和可可焊性能钢结构对材材料的要求求钢材的选用用结构的重要要性：一、二、、三级荷载特征：结构所承承受的荷载载可为静力力或动力的的；经常作作用、有时时作用或偶偶然出现的的；经常满满载或经常常不满载等等连接方式：焊接结构构钢材的质质量要求应应高于同样样情况的非非焊接结构构，碳、硫硫、磷等有有害元素的的含量应较较低，塑性性和韧性应应较好，而而且还应该该具有含碳碳量的合格格保证结构的工作作环境温度度：对经常处处于或可能能处于较低低负温下工工作的钢结结构、尤其其是焊接结结构，应选选用化学成成分和机械械性能质量量较好和脆脆性转变温温度低于结结构工作环环境温度的的钢材钢材的厚度度：厚度大的的钢材其强强度、冲击击韧性和焊焊接性能都都较差，且且易产生三三向残余应应力。构件件厚度大的的焊接结构构应采用质质量好的钢钢材。钢材的选用用承重结构的的钢材宜选选用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢结构钢材应应具有抗拉拉强度、伸伸长率、屈屈服强度和和硫、磷含含量的合格格保证需要验算疲疲劳的以及及主要的受受拉和受弯弯焊接结构构的钢材，，应具有常常温冲击韧韧性的保证证（B级）重要的承重重结构不宜宜采用Q235沸腾钢结构类别结构工作温度要求下列低温冲击韧性合格保证0℃-20℃-40℃要求验算疲劳的焊接结构或构件0℃≥t＞-20℃Q235CQ345CQ390DQ420D－t≤-20℃－Q235DQ345DQ390EQ420E要求验算疲劳的非焊接结构或构件t≤-20℃Q235CQ345CQ390DQ420D－表11-5需验算疲劳劳的钢材选选择表材料强度的的取值方法法取值依据塑性材料强强度取屈服服值（无明明显流动的的塑性材料料取名义屈屈服值）脆性材料强强度取强度度极限强度值分布布规律随随机变变量正正态分布强度特征值值平均值标准差变异系数11.6钢材及其连连接的强度度取值材料强度的的取值方法法材料强度标标准值在在正常常情况下，，可能出现现的材料强强度最小值值。按《统一标准》材料强度标标准值取95%的保证率即即材料强度设设计值为为满足可可靠度要求求，将材料料强度标准准值除以大大于1的系数得出出的强度值值材料分项系数，由可靠度指标和材料性质决定结构钢材强强度设计值值抗拉、抗压压和抗弯强强度设计值值，，对对钢结构中中Q235钢γ取1.087，对Q345钢、Q390钢和Q420钢γ取1.111抗剪强度设设计值端面承压强强度设计值值其中抗力分分项系数对对Q235钢和Q345钢取1.15，对Q390钢和Q420钢取1.175换算指标标准值取值依据：屈服强度（名义）、抗拉强度抗剪屈服强度（换算）抗拉强度钢材及其连连接的设计计值钢材的强度度设计值钢铸件抗拉、抗压压和抗弯强强度设计值值端面承压强强度设计值值抗剪强度设设计值钢材的强度度设计值对接焊缝对接焊缝的的抗压强度度设计值、、抗剪强强度设计值值取取母材材的强度值值：抗拉强度设设计值：角焊缝、铆铆钉、螺栓栓连接取材料的抗抗拉强度为为标准值乘乘一经验系系数得设计计值焊缝质量1、2级焊缝质量3级角焊缝钢材的强度度设计值折折减系数单面连接的的单角钢按轴心受力力计算：强强度和连接接乘以系数数0.85；按轴心受压压计算稳定定性：等边边角钢乘以以0.6＋0.0015λ<＝1.0；短边相相连的不不等边角角钢乘以以0.5＋0.0025λ<＝1.0；长边相相连的不不等边角角钢乘以以0.7。λ为长细比比>=20.无垫板的的单面施施焊对接接焊缝乘乘以系数数0.85施工条件件较差的的高空安安装焊缝缝和铆钉钉连接乘乘以系数数0.8沉头和半半沉头铆铆钉连接接乘以系系数0.8几种情况况同时存存在，其其折减系系数应连连乘作业计算题11-1一块由Q235钢经热轧轧而成的的钢板，，已知板板厚为12mm，试按公公式求该该钢板材材料的抗抗拉、抗抗剪强度度设计值值。11-2热轧工字字钢梁I45b，如材料料为Q345钢，问其其抗弯强强度设计计值、抗抗剪强度度设计值值各应是是多少？？讨论题什么是疲疲劳现象象？怎样样理解疲疲劳破坏坏？影响响疲劳强强度有哪哪些因素素？分析公式式11-8是如何得得出的？？疲劳强强度（容容许应力力幅）与与应力循循环次数数是怎样样的关系系？如何何确定这这种关系系？处理变幅幅疲劳问问题的Miner线性累积积损伤准准则，隐隐含什么么假定？？9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Sunday,December25,202210、雨雨中中黄黄叶叶树树，，灯灯下下白白头头人人。。。。22:24:1622:24:1622:2412/25/202210:24:16PM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2222:24:1622:24Dec-2225-Dec-2212、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。22:24:1622:24:1622:24Sunday,December25,202213、乍见翻疑梦梦，相悲各问问年。。12月-2212月-2222:24:1622:24:16December25,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。25十二月月202210:24:16下午午22:24:1612月-2215、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。十二月2210:24下下午12月-2222:24December25,202216、行动出成果果，工作出财财富。。2022/12/2522:24:1622:24:1625December202217、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。10:24:17下下午10:24下午22:24:1712月-229、没有失败败，只有暂暂时停止成成功！。12月-2212月-22Sunday,December25,202210、很多事情情努力了未未必有结果果，但是不不努力却什什么改变也也没有。。。22:24:1722:24:1722:2412/25/202210:24:17PM11、成成功功就就是是日日复复一一日日那那一一点点点点小小小小努努力力的的积积累累。。。。12月月-2222:24:1722:24Dec-2225-Dec-2212、世世间间成成事事，，不不求求其其绝绝对对圆圆满满，，留留一一份份不不足足，，可可得得无无限限完完美美。。。。22:24:1722:24:1722:24Sunday,December25,202213、不不知知香香积积寺寺，，数数里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-