第六章 钢结构 Steel Structure

第六章钢结构SteelStructurePart1钢结构材料及选用原则1、强度高、重量轻钢结构的特点2、材质均匀，塑性、韧性好3、良好的加工性能和焊接性能4、密封性能好5、可重复性使用性6、耐热性较好，耐火性差7、耐腐蚀性差8、低温冷脆倾向1、钢结构对材料的要求（1）较高的抗拉强度fu和屈服点fy（2）塑性、冲击韧性好（3）冷加工性能好（4）可焊性好（5）耐久性好一、钢结构材料MaterialofSteelStructure一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure2、钢材的生产钢材的生产大致分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。

电炉钢是利用电热原理，在电弧炉内冶炼。（质量好，但耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。）

炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。

转炉钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物氧化，在高温下使铁液变为钢液。（生产周期短，效率高，质量好，成本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。）

平炉钢是利用煤气和其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。（生产周期长，效率低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）（1）炼钢一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。用连续铸造法生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化程度高的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的铸锭工艺和设备。

钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆，降低钢材的力学性能。按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。

（2）浇注（3）脱氧一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure

在锰和硅脱氧后，再用铝补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。沸腾钢

采用的脱氧剂为脱氧能力较弱的锰，因此脱氧不完全，且浇注时会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象，由于沸腾钢在铸模中冷却很快，气体逸出不完全，凝固后的钢材中留有较多的杂质和气体，钢的质量较差。镇静钢 采用锰加硅做脱氧剂，脱氧较完全，由于硅在还原的过程中会产生热量，使钢液冷却缓慢，让气体充分逸出，钢的质量好，但成本高。

半镇静钢特殊镇静钢脱氧程度和钢材质量介于上述二者之间。

一钢结构的材料MaterialofSteelStructure（4）加工（热加工、冷加工和热处理）

热处理

指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、正火、淬火和回火）

热加工

指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，生产出各种厚度的钢板和型钢。（热加工的开轧和锻压温度控制在1150-1300℃）

冷加工

指在常温下对钢材进行加工。（冷作硬化现象）

一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure3、钢材的主要性能3.1钢材的破坏形式特征断口后果

塑性破坏（延性破坏）构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强度后，构件产生明显的变形并断裂。常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。在破坏前有很明显的变形，并有较长的变形持续时间，便于发现和补救。

脆性破坏在破坏前无明显变形，平均应力也小（一般都小于屈服点），没有任何预兆。平直和呈有光泽的晶粒。突然发生的，危险性大，应尽量避免。一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure3.2单向拉伸时的工作性能（1）试验条件（a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的5或10倍。（b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。（c）试验温度要控制在室温20℃左右。

d标准试件一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure（2）钢材的应力-应变关系A.有屈服点钢材s---e曲线可以分为四个阶段：

(a)弹性阶段(OB段)OBCDAE单调拉伸应力-应变曲线OA段：纯弹性阶段

s=EeA点对应的应力：sp（比例极限）AB段：有一定的塑性变形,但整个OB段卸载时,

e=0B点对应的应力：se（弹性极限）一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure（b）屈服阶段（BCD)塑性变形：卸载后试件不能完全恢复原来的长度。不能恢复的这一部分变形称为塑性变形。

屈服点（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分的最低值。

流幅：从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应变幅度称为流幅。

特点：应力与应变不再成正比关系，应变增加很快，应力-应变曲线呈锯齿形波动，出现应力不增加而应变仍然在继续发展。OBCDAE一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure（c）强化阶段(DE段)随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快抗拉强度（极限强度）fu

试件所能承受的最大拉应力（d）颈缩阶段(EF段)OBCDAE截面出现了横向收缩，截面面积开始显著缩小，塑性变形迅速增大，应力不断降低，变形却延续发展，直至F点试件断裂。F一、钢结构的材料MaterialofSteelStructureB.对无明显屈服点的钢材

设计时以卸载后试件中残余应变为0.2％所对应的应力

作为屈服点——“条件屈服点”或“名义屈服点”fy=f0.20.2%fuεp无屈服点钢材的应力-应变曲线没有明显屈服点的钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。

一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure3.3单向拉伸时钢材的机械性能指标

（1）屈服点fy应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。（2）抗拉强度fu

应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前所能承受的最大应力。（3）钢材的塑性当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用断面收缩率和伸长率表示，通过静力拉伸试验得到。

一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure（4）伸长率δ

试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。

l0—原标距长

l1—拉断后标距长度

d0

—试件直径 试件有两种标距：l0/d0=5和l0/d0=10相应的伸长率用δ5和δ10表示。伸长率δ实际工程中以伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形能力。一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure（5）断面收缩率

是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。

式中：

A0——试件原来的断面面积

A1——试件拉断后颈缩区的断面面积

断面收缩率越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。A0A1一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure3.4应力应变曲线的简化曲线简化的依据：1）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。2）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅的范围（e≈0.15％-2.5％）已足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。ε2.5%

fy

ε00.15%ε简化的应力－应变曲线钢材是符合理想中的弹性-塑性材料

一、钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure3.5钢材的其它性能

冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。1.冷弯性能钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。

鉴别指标：通过冷弯冲头加压。当试件弯曲至180°时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。

一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure2.冲击韧性韧性钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号Wkv或Cv表示，单位为J。

冲击韧性试验一般采用试件长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。冲击韧性试验一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure3.可焊性好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材。

影响钢材可焊性的因素

钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12%～0.20%范围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235B）。对于高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于0.38%，钢材的可焊性好(如Q345)，可不采取措施直接施焊。

一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure钢材的机械性能指标1、屈服点fy2、抗拉强度fu3、伸长率δ4、断面收缩率5、冷弯性能6、冲击韧性Cv

小节一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure4.各种因素对钢材的影响4.1化学成份的影响钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。铁（Fe）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等有益元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总含量不大，约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有＜5%的合金元素，如铜(Cu)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、铬(Cr)等。

一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure碳（C）：形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，强度增加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。

碳素钢按碳含量区分，小于0.25％的为低碳钢，介于0.25％和0.6％之间的为中碳钢，大于0.6％的为高碳钢。钢结构用钢中，碳含量一般控制在0.22%以下，当其含量在0.2％以下时，可焊性良好。

2.硫（S）：钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到800-1000℃时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂纹）。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过0.05%。3.氧（O）：有害杂质，与S相似。

一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure4.磷（P）：磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。钢材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时促使钢材变脆）。因此，磷的含量也要严格控制，规范中规定不得超过0.045%。5.氮（N）：有害杂质，与P相似。6.锰（Mn）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，与S形成MnS，熔点1600℃，可以消除硫对钢材的热脆影响。

7.硅（Si）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生成镇静钢。

8.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure5建筑用钢种类、规格和选用5.1建筑用钢的种类（1）碳素结构钢（GB/T700-1988）a）碳素结构钢的表达方式由（屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号）四个部分组成。钢号越大，含炭量越高，强度越高，但塑性和韧性降低。b)质量等级符号是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同化分为A、B、C、D共4个质量等级，从次到优顺序排列。c)脱氧方法符号也有四种，其中F代表沸腾钢，b代表半镇静钢，Z代表镇静钢，TZ代表特种镇静钢，在具体标注时Z和TZ可以省略。Q235B代表屈服点为235N/mm2的B级镇静钢

d）《钢结构设计规范》将Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范GB/T700的要求。一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure（2）低合金高强度结构钢(GB/T1591-1994)a)含碳量均不大于0.20％，强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，但合金元素的总量低于5％。b)牌号为Q345，Q390,Q420的钢材都有较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能，被《规范》选为承重结构用钢。c)低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似，只是质量等级分为A、B、C、D、E五等，低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢，故可不加脱氧方法的符号。d)钢材的化学成分和拉伸、冲击、冷弯试验结果应满足规范GB/T1591要求。一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure（3）优质碳素结构钢(GB/T699-1988)a)磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035％，对于其他缺陷的限制也较严格。b)一类为普通含锰量的钢，另一类为较高含锰量的钢，两类的钢号均用两位数字表示，它表示钢中的平均含碳量的万分数，前者数字后不加Mn，后者数字后加Mn，如45号钢，表示平均含碳量为0.45％的优质碳素钢；45Mn号钢，则表示同样含碳量、但锰的含量也较高的优质碳素钢。

c)由于价格较高，钢结构中使用较少，主要用作制造冷拔高强钢丝、高强螺栓以及自攻螺钉等。一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure6.2钢材的规格钢结构所用的钢材主要有热轧成型的钢板和型钢，以及冷加工成型的冷扎薄钢板和冷弯薄壁型钢。（1）热轧钢板a)分为厚钢板、薄钢板和扁钢。b)表示方法：在符号“-”后加“宽度×厚度×长度”

c)供应规格（单位：mm）

厚度宽度长度厚钢板4.5-60600-30004000-12000薄钢板0.35-4500-1500500-4000扁钢4-6012-2003000-9000一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure（2）热轧型钢常用的热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢、钢管等。a)角钢1)分为等边和不等边两种。2）表示方法为在符号“∟”后加“长边宽×短边宽×厚度”（对不等边角钢，如L125×80×8），或加“边长×厚度”（对等边角钢，如L125×8

）。3）我国生产的角钢最大边长为200mm，角钢的供应长度一般为4-19m。∠肢宽度×肢厚度

等边角钢∠长肢宽度×短肢宽度×肢厚度

不等边角钢一、钢结构的材料MaterialofSteelStructureb)工字钢1)分为普通工字钢、轻型工字钢和H型工字钢三种。3)H型钢的基本类型分为宽翼缘（HW），中翼缘（HM）和窄翼缘（HN）三类，表示方法为在代号后加“高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度”，例如HW400×400×13×21和TW200×400×13×21等

。2）普通工字钢的型号用符号“工”后面加截面高度的厘米数表示，20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为a、b或a、b、c等类别，一般按a、b、c顺序腹板厚度和翼缘宽度依次递增2mm（如I20a表示高度为200mm，腹板厚度为a类的工字钢），轻型工字钢的表示方法同普通工字钢。4）普通工字钢的型号为10-63号，轻型工字钢的型号为10-70号，供应长度为5-19m。一、钢结构的材料MaterialofSteelStructurec)槽钢

1)分为普通槽钢和轻型槽钢两种。2）表示方法和工字钢相似，也可用”［”后加“截面高度×翼缘宽度×腹板厚度”表示。例如［32a指截面高度320mm，腹板厚度为a类的槽钢。3）国内生产的最大型号为［40c。供应长度为5-19m。tDd)钢管

1)分为无缝钢管和焊接钢管两种

。2）型号可用代号“D”后加“外径×壁厚”表示,如D180×8

。

3）国产热轧无缝钢管的最大外径可达630mm，供应长度为3-12m。

一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure（3）冷弯薄壁型钢和压型钢板冷弯薄壁型钢（壁厚1.5-6mm）和压型钢板（壁厚0.4-1.6mm），截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度，达到节约钢材的目的。在国内外轻钢建筑结构中被广泛应用。一、钢结构的材料MaterialofSteelStructure6.3钢材的选择

（1）选择钢材的原则

安全可靠，经济合理为了保证承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在选择钢材时应具体考虑以下因素：结构或构件的重要性、荷载特征、连接方式、工作环境、结构的应力状态、钢材的厚度。

一、钢结构的材料MaterialofSteelStructurea）结构或构件的重要性对于重要的结构或构件（框架的横梁，桁架，屋面楼面的大梁等）应采用质量较高的钢材。b)荷载特征静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材；动力 荷载作用下应选择综合性能较好的钢材。c)连接方式焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的 极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。d)工作环境处于低温下工作的结构，应选择抗脆性破坏能力强的钢材，防止钢材的冷脆硬化导致的脆性破坏。e)结构的应力状态当选用的型材或板材的厚度较大时，应该采用 质量较高的钢材，以防止钢材中较大的残余拉 应力和缺陷等与外力共同作用形成三向拉应力，引起材料的脆性破坏。f)钢材的厚度

钢材越厚其强度越低，选用厚度较大时应采用质量较 高的钢材。