郑州大学钢结构课件第2章一课件

第2章钢结构的材料学习的重点

了解钢结构对钢材的基本要求；了解钢材的两种破坏形式；掌握钢材的主要性能指标及影响钢材性能的主要因素；了解钢结构在反复荷载作用下的性能（疲劳及影响钢材疲劳的主要因素）；了解建筑用钢的种类、规格和表示方法；掌握钢结构钢材的选用原则，能够正确选用钢材。2.1钢结构对材料的要求

(1)较高的抗拉强度fu和屈服强度fy；

(2)较高的塑性和韧性；

(3)良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和可焊性等)。

GB50017-2003:承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证；对焊接结构尚应有含碳量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。第二章钢结构的材料

(1)塑性破坏:塑性变形过大，超过了材料的应变能力，破坏时应力大于fy,达到fu;

(2)脆性破坏:塑性变形很小，甚至没有，破坏时应力小于fy

;2.2钢材的破坏形式2.3钢材的主要性能2.3.1碳素结构钢在单向拉伸下的工作性能--标准材性试验2.3钢材的主要性能2.3.1碳素结构钢在单向拉伸下的工作性能--标准材性试验碳素结构钢单向拉伸试验结果

主要力学指标：弹性模量E为常量，是结构弹性设计的主要指标；屈服强度fy是结构弹性设计的强度破坏指标；抗拉强度fu是最大承载能力，是强度储备，常用屈强比（强屈比）；伸长率d表示塑性变形能力。

理想弹塑性体的曲线εσfpfyfu<0.1%≈0.11%≈2.5%≈20%极限状态法设计强度：γR为材料抗力分项系数E(1)冷弯性能取决与钢材质量，并与d和a有关；(2)冷弯角a=180,试件无裂纹或分层等现象发生。图2-4冷弯试验2.3.2冷弯试验冷弯试验2.3.3冲击试验—冲击功Cv

抗脆断、抗动载能力。对于不同温度分别考虑。图2-6冲击韧性试件

试件——长55mm，截面10×10mm2，中间一小槽。在摆锤式冲击试验机上进行试验，冲断试件后，读出摆锤消耗的功CV。

三．冲击试验②焊接接头和焊缝的冲击韧性及近缝区塑性不低于母材性能。具有与母材相同的机械性能。2.3.4可焊性要求

（1）可焊性好焊接工艺简单容易实现；（2）可焊性好还意味着钢材施焊后能获得良好的焊接接头性能。

评定可焊性好的标志①在一定的焊接工艺条件下，焊缝和近缝区均不产生裂纹2.3.5其它—耐久性、耐火性、耐腐蚀性等。耐久性：保持钢材各项性能持久性的能力;

钢材的锈蚀、时效、以及疲劳均属耐久性问题。

含碳量是影响可焊性的一个重要参数，对于低碳钢用于焊接结构，含碳量不应超过0.2%。但对于低合金钢，采用碳当量来反映：

当CE碳当量不超过0.38%时，钢材的可焊性很好；当CE>0.38%但不超过0.45%钢材有淬硬倾向，焊接时应当采取措施；当CE>0.45%时，钢材会有明显的淬硬现象，焊接时需严格控制。2.4对钢材性能影响的主要因素1、碳直接影响强度、塑性、韧性和可焊性。提高含碳量，强度（fy，fu）提高，塑性和韧性下降，可焊性、抗锈蚀性能变劣。一般建筑钢结构中要求含碳量≦0.22%；焊接结构中，不宜采用含碳量高的钢材，要求不超过0.20%。含碳量过低<0.1%则强度过低。

普通碳素钢中含有多种化学成分，其中，铁（Fe）占99%左右，碳、硅、锰、硫、磷、氮、氧等共占1%左右。在低合金钢中还有合金元素，含量低于5%。影响钢材主要性能的元素有：2.4.1化学成份2、锰有益元素，是合金元素，也是一种弱脱氧剂。提高强度而不明显影响塑性，同时可消除热脆和改善冷脆倾向。一般在碳素钢（Q235)中：0.3～0.8%。低合金钢：1.0～1.6%。过多会降低钢材的塑性和可焊性。3、硅有益元素，与液态钢中氧有较强的化合作用，是强脱氧剂。含量(Q235)不超过0.3%时，可提高钢材强度，而对塑性、韧性和可焊性无明显不良影响。含量过高（≧1%）则降低塑性、冲击韧性、可焊性。4、钒（V）、铌(Nb)、钛(Ti)

有益元素，是合金元素，能是钢材的晶粒细化。可提高钢材强度又保持良好的塑性和韧性。如Q390(15锰钒钢)可用于船舶、桥梁等荷载大的焊接结构以及高中压容器。一般在建筑钢材中,V含量为0.02%～0.20%;Nb0.15%～0.06%;Ti0.02%～0.20%。5、铜在碳素结构钢中为杂质，对于提高钢材的抗腐蚀能力，但含量过大时对可焊性有不良影响。6、硫有害元素，在高温下（800-1000℃）生成硫化铁，使钢材变脆（热脆），因而降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、可焊性和抗锈蚀能力。应严格控制钢材中的含硫量，一般建筑钢材中最高不得超过0.05%，随等级增高而要求更高。7、磷可提高强度、提高抗锈蚀能力，但严重降低塑性、韧性和可焊性，特别易发生低温脆断（冷脆），应严格控制其含量，是有害元素，一般不超过0.045%，随等级增高而要求更高。8、氮、氧氧类似硫，氮类似磷为有害元素，应严格控制。

碳素结构钢的化学成分(GB/T700-2006)牌号等级化学成分%，不大于脱氧方法CMnSiPSQ195－0.120.500.300.0350.035F、ZQ215A0.151.200.350.0450.045F、ZBQ235A0.220.0350.350.0450.045F、ZB0.20C0.170.0400.040ZD0.0350.035TZQ275A0.241.500.350.0450.050F、ZB0.210.0450.045ZC0.220.0450.04ZD0.20.0350.035TZ2.4.2生产过程冶炼方法——平炉，转炉，电炉；脱氧程度——沸腾钢，半镇静钢，镇静钢，特殊镇静钢；轧制程度——薄板，均匀，强度高；

热处理——淬火，提高强度、降低韧性；回火，控制降温过程调质钢；

残余应力——表面不均匀冷却，热轧残余应力。2.4.3冶炼缺陷4、起层钢材局部有时出现的分层现象裂纹和起层对力学性能有严重影响，应于重视。3、裂纹钢材中存在的微观裂纹。2、非金属夹杂指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使钢材性能变脆。1、偏析杂质元素分布不均匀的现象。主要是硫、磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。

刚生产出来的钢材力学性能随时间表现出强度增大而塑性降低的现象，称之为时效硬化。超过比例极限后卸载，再加载时提高了屈服强度，却牺牲了塑性。这种现象称冷作硬化（或应变硬化、冷硬）。2.4.4钢材硬化

将经过冷作硬化的钢材再经过一段时间之后还会进一步出现时效硬化的现象。冷硬提高了钢材的强度。但却使钢材变脆，牺牲了塑性，对于承受动力荷载重要构件，不应使用经过冷硬的钢材。对于有疲劳影响的构件在有冷作硬化的部分还需要进行处理以消除冷作硬化的影响。εσfpfyfu加载卸载2.4.5温度影响℃20100200300400500600fy(%)100958265401001、在正温范围

在250℃左右钢材的极限强度有所提高，同时塑性韧性均下降，材料呈现出脆性。这是由于钢材表面氧化膜呈蓝色，称为蓝脆现象。应避免在蓝脆温度热加工。

在正温范围（正常温度以上），总的趋势是：随着温度增加，钢材强度下降，塑性增大。2、在负温范围

在负温范围，即当温度从常温下降时，塑性、韧性降低，下降到某一温度时冲击韧性突然变得很降，发生脆性破坏，这就是低温冷脆。因而对直接承受动力荷载作用的重要结构，应根据环境温度选择耐低温的钢种（如Q235C、Q235D等），防止结构发生低温脆性破坏。2.4.6应力集中NNσ0)σX(σmax))σX(σmax)σyσ0NN)

应力集中现象

在加工过程中，如过出现表面不光滑、不平整或有空洞等缺陷。后果:导致应力集中（图）。往往会造成构件脆性破坏。0.425100ε%σ(N/mm2)①①②②③③④④φ10测距100φ10φ10图应力集中对σ-ε关系的影响应力集中越严重，试件破坏所需要的功越小，越危险。应力集中是导致脆性破坏的主要原因之一，应于避免。2.5.1单向应力状态下的屈服条件2.5.2复杂应力状态下的屈服条件2.5在复杂应力下钢材的屈服条件（2.3.2）σyσyσxσxσzσzσ1σ1σ2σ2σ3σ3τxyτyxτyzτzxτxzσyσyσxσxτxyτxyτyxτyxσ2σ2σ1σ1钢材的多轴应力状态2.5.3折算应力折算应力ZS为：（2-1）用主应力σ1

、σ2、σ3

表示时，有或

形状改变能量理论外荷载对单元体单位体积所做的形状改变功或单元体单位体积内所聚积的形状改变应变能达到一定数量时就会引起钢材的屈服。材料力学中的强度理论既是一种情况。2.5.4单向拉伸及纯剪设计公式单向拉伸复杂应力状态：一般梁的应力状态：平面应力状态：纯剪状态的屈服条件则纯剪屈服强度P=P0sint/aPPta2.6钢材的疲劳（教材2.4.6）2.6.1疲劳现象

在连续反复（循环）荷载作用下，当应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度便发生突然脆性断裂。这种现象称钢材疲劳破坏。2.6.2产生疲劳的原因

（1）连续反复荷载（2）材料局部缺陷（工艺微裂纹、焊缝、夹渣等）2.6.3疲劳破坏机理（1）初始微裂纹

材料缺陷形成微裂纹或加载使杂质附近发生应力集中，造成新的微裂纹。（2）反复荷载下微裂纹发展成宏观裂纹

反复荷载下微裂纹尖端应力集中、材料硬化，裂纹开展，出现宏观裂纹。

（3）宏观裂纹发展，断面削弱，脆性断裂裂纹尖端应力集中使裂纹开展

反复荷载继续作用，裂纹尖端材料进一步硬化，裂纹继续发展，荷载循环一次，裂纹发展一步，当荷载循环到一定次数时，断面极大削弱，导致脆性破坏。

恶性循环、脆性断裂加载→裂纹尖端应力集中材料硬化←卸载←裂纹扩大3、影响疲劳破坏的主要因素

(1)钢材的疲劳除了与钢材的质量、构件的几何尺寸和缺陷等因素有关外，主要取决于循环荷载在钢材内引起的反复循环应力的特征和循环次数。

(2)循环应力的特征可用应力随时间变化的曲线即应力谱描述。疲劳试验中通常采用的几种正弦波应力谱如图：

(3)循环应力谱特征应力比：=min/max；

应力幅：=max-min。3、钢材S-N曲线和疲劳强度

(1)

钢材的最大应力max随疲劳破坏时应力循环次数n的增加而降低，且曲线具有平行于x轴的渐近线。当n趋于很大时，max趋于常数，这个应力或应力幅称为疲劳强度极限(疲劳强度)。相应的应力循环次数成为疲劳寿命。

(2)为保证疲劳寿命，在设计基准期内应力循环次数n应大于规定的疲劳极限。国际焊接学会（IIW）和国际标准化组织（ISO）建议n=5×106次为疲劳极限。

我国钢结构设计规范以n=5×105作为承受动力荷载反复作用的钢结构构件（如吊车梁，吊车桁架和工作平台梁等）及其连接所具有的最小疲劳极限。因此，当设计要求的应力循环次数n≥5×104时，应进行疲劳检算。对于钢吊车梁，计算按2×106考虑。

疲劳计算原则：控制标准荷载下的应力幅。并按照常幅疲劳和变幅疲劳不同情况分别进行计算。

应力幅：循环一周最大、最小应力差=max-min

疲劳计算的控制条件：≤[]2.7.1结构钢材种类2.7钢材的种类和选用屈服强度标准值（95%保证率）如：

Q235,fy=235N/mm2,

质量等级分成

A、B、C、D四级质量；

A,B级有F（沸腾钢）,Z（镇静钢），C级为Z，

D级为TZ（特殊镇静钢）。1、碳素结构钢(GB700-2006)

（1）牌号与符号屈服点代号+屈服点标准值+质量等级+脱氧方法Q汉语拼音可以省略195215235275FZTZABCD

符号如：Q235-AF,Q235-C,Q235-D（2）钢材分组钢材按厚度分为6组（教材p255）≤16，16～40，41～60，60～100，

100～150，>150（3）钢材等级A级：保证fy，fu，δ5合格，冷弯仅在需要时提供保证，不作冲击实验；B级：保证fy，fu，δ5，冷弯合格，作常温（20℃）冲击实验；C级：保证fy，fu，δ5，冷弯合格，作0℃冲击实验；D级：保证fy，fu，δ5，冷弯合格，作-20℃冲击实验；（4）化学成分

保证C、S、P的极限含量，但对于A级钢C含量不作交货保证，故A级钢不能用于焊接结构低合金钢——Q295，Q345,Q390,Q420,Q460

最低屈服强度（95%保证率）：fy=295，345,390,420，460N/mm2,

分成A、B、C、D、E5级质量。

符号如：Q345-A,Q390-B。2、低合金钢(GB1591-1994最新为2008)

（1）牌号与符号与碳素结构钢一样表示，但屈服强度的数值不一样。与碳素结构钢不同，低合金钢没有沸腾钢。

（2）特性要求化学成分：C、Mn、Si、S、P含量的合格。

要求保证fy，fu，δ5，及冷弯合格；与碳素结构钢相比，增加了E级钢。要求-40℃的冲击韧性保证。GB/T1591-20083、优质碳素结构钢

(GB/T699-1999)

牌号与符号①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.45%的钢，45钢，钢号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45号钢。②锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。

③沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，例如平均碳含量为0.1%的半镇静钢，其钢号为10b。4、建筑结构用钢板最近新出的高性能钢材（GJ）《建筑结构用钢板》（GB/T19879—2005）是河南舞阳钢厂主编的，是国内首次发布的建筑结构用钢板标准。主要对于适合于高层建筑、大跨度建筑的要求强度、塑性韧性更高的材料标准。

牌号包括：Q屈服强度数值，高性能建筑结构用钢（GJ），质量等级B、C、D、E，四部分组成。主要有：Q235GJ（B、C、D、E）；Q235GJ（B、C、D、E）；Q390GJ（B、C、D、E）；Q420GJ（B、C、D、E）；Q460GJ（B、C、D、E）；对于有厚度方向性能要求的，则在质量等级后加上厚度方向性能级别（Z15、Z25、Z35），如Q345GJCZ25。这种钢，规定了碳当量CE，降低了P、S含量。1.选用原则——结构重要性，荷载特征，结构形式，应力状态，连接方法，工作温度，钢板厚度。2.7.2钢材的选用2.选用要求——承重结构应当具有抗拉强度（fu)，屈服强度（fy），伸长率（δ）,以及控制化学成分S,P含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量合格保证。对于焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应当具有冷弯试验合格保证。对于需要验算疲劳的焊接结构，应当有冲击韧性保证（20℃，0℃，-20℃，-40℃）。3、钢结构设计规范中对于钢材选用的具体规定

（1）承重结构宜采用Q235、Q345、Q390、Q420以及更高强度的钢材.

（2）对于下列情况的承重结构不应采用Q235沸腾钢：A、焊接结构①直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构。②工作温度低于-20℃时直接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构以及承受静力荷载的受弯及受拉的重要承重结构。③工作温度不高于-30℃的承重结构。B、非焊接结构工作温度不大于-20℃的直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构。4.注意事项(1)结构要求：

Q235-A.F不保证Cv指标和C含量，用于非焊接结构；

Q235-B.F全保证，用于焊接结构（t<25mm）；

Q235-B全保证，用于焊接结构（t>25mm）；

Q345保证

fu，fy，d，a,指标和S,P,C含量，

只需选钢号并要求Cv附加条件；

(2)厚板强度低，Z向性能较差。2.7.3钢材强度设计值见教材p255附表1.1抗拉、抗弯、抗压、抗剪；按厚度分组已考虑分项系数gR≈1.1。弹性模量E=206000N/mm2。钢材按外形可分为板材、型材、管材、金属制品四大类。2.7.4结构钢材规格（教材2.2.2）类别品种说明型材重轨每米重量大于30千克的钢轨（包括起重机轨）轻轨每米重量小于或等于30千克的钢轨大型型钢普通钢圆钢、方钢、扁钢、六角钢、工字钢、槽钢、等边

和不等边角钢及螺纹钢等。按尺寸大小分为大、中、小型中型型钢小型型钢线材直径5-10毫米的圆钢和盘条冷弯型钢将钢材或钢带冷弯成型制成的型钢优质型材优质钢圆钢、方钢、扁钢、六角钢等其它钢材包括重轨配件、车轴坯、轮箍等板材薄钢板厚度等于和小于4毫米的钢板厚钢板厚度大于4毫米的钢板。

可分为中板（厚度大于4mm小于20mm）、厚板（厚度大于20mm小于60mm）、特厚板（厚度大于60mm）钢带也叫带钢，实际上是长而窄并成卷供应的薄钢板电工硅钢薄板也叫硅钢片或矽钢片管材无缝钢管用热轧、热轧——冷拔或挤压等方法生产的管壁无接缝的钢管焊接钢管将钢板或钢带卷曲成型，然后焊接制成的钢管金属制品金属制品包括钢丝、钢丝绳、钢绞线等在建筑钢结构中常用有板材、型材、管材。1、钢板—热轧板，冷轧板；薄板<6mm,厚板>40mm；常用热轧板4.5～60mm，冷轧板0.6～6mm。

钢板的表示：符号“—”加“板宽×板厚×板长度”2、热轧型钢（1）角钢等边角钢的表示：符号“L”加“边长×厚度”，单位用：mm；不等边角钢的表示：符号“L”加“长边长×短边长×厚度”，单位用

mm；（2）工字钢和H型钢工字钢的表示：符号“工”加“高度”，单位用：cm；记高度为号