钢结构原理 同济版 第2章

第2章钢结构材料2.1单轴应力作用下的工作性能2.2多轴应力作用下的工作性能2.3钢材的疲劳性能2.4影响钢材性能的主要因素2.5钢材的种类及选择2.1单轴应力作用下的工作性能1.单向拉伸试验曲线

2.钢材的主要机械性能

（1）强度指标：

fy屈服强度，为主要设计依据；fu为钢材的最大承载强度，即极限强度，可作为安全储备。（2）塑性指标：

延伸率δ5（δ10）和颈缩率。描述钢材产生塑性变形时而不发生脆性断裂的能力，便于内力重分布，吸收能量，为重要指标。（3）冷弯性能：

在冷加工过程中产生塑性变形时，对产生裂纹的敏感性，是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标。（4）韧性－冲击韧性指标：

αk—描述钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的能力（动力指标），按20o、

0o

、-20o、-40o。

（5）可焊性：

表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能力－不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求。2.2多轴（复杂）应力作用下的工作性能1.复杂应力时的折算应力2.同号应力，强度提高，易发生脆性破坏。3.异号应力，强度降低，易发生塑性破坏。2.3钢材的疲劳性能

1.何为疲劳破坏？

钢材在连续反复荷载作用下，虽然应力还低于极限强度，甚至还低于屈服点，而发生的断裂。

2.主要特点：

（1）破坏之前，不出现明显的变形和局部收缩，和脆性破坏一样，是一种突然发生的断裂。

（2）可划分为裂纹的形成，裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。（3）疲劳强度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关。

3.疲劳计算的主要规定：

（1）承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化循环次数n等于或大于105时，应进行疲劳计算；

（2）在应力循环中不出现拉应力的部位，可不进行疲劳计算；

（3）计算疲劳时，应采用荷载的标准值，不应乘以动力系数；

（4）疲劳计算采用容许应力幅法，并按弹性状态计算应力，分常幅疲劳和变幅疲劳两方面进行计算；

（5）规范对疲劳计算的构件和连接划分为1到8个类别，其中给出了19种不同情况的构件或连接。类别数字愈大，则其疲劳性能愈差。（6）变幅疲劳的验算公式为

2.4影响钢材性能的主要因素

1.化学成份

2.生产工艺

3.冷作硬化与时效硬化

4.复杂应力与应力集中

5.残余应力

6.温度

1.化学成份的影响

(1)基本成份为Fe，含量占98％；C、Si、

Mn为有益元素，总量不超过1.5%；S、P、

N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素,

总量不超过1‰。

(2)C的影响：含C↑使强度↑塑性、韧性、可焊性↓，应控制在≤0.22%，焊接结构应控制在≤0.20%。

（3）Si的影响：含Si适量使强度↑其它影响不大，有益，含量应控制在≤0.1~0.3%。（4）Mn的影响：含Mn适量使强度↑可降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大。普通碳塑钢含量应控制在≤0.3~0.8%，低合金钢为≤1.2~1.6%

(5)S的影响：含量↑使强度↑塑性、韧性、性能冷弯、可焊性↓，一般应控制在≤0.05%，焊接结构为≤0.045%；高温时使钢材变脆－热脆现象。

(6)P的影响：低温时使钢材变脆－冷脆现象；其它影响同S，且控制量同S。

(7)O、N的影响：可使钢材变得极脆。O同S（发生热脆）；N同P（发生冷脆），一般应控制含量≤0.008%。

2.生产工艺的影响

（1）冶炼过程主要控制化学成分。（2）浇铸的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用

Si为脱氧剂，时间慢，价格高，质量好。

(3)反复的轧制可使得钢材规格变小，改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。同一牌号的钢材，厚度或直径越小，强度越高。

3.冷作硬化与时效硬化的影响

（1）由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象称之为硬化现象。一般为重复荷载作用下弹性极限提高（进入塑性阶段后发生）。

（2）冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化。（3）钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化”现象称之为时效硬化。

4.复杂应力与应力集中的影响

（1）钢材在多向同号应力场作用下，一个方向的变形受到另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反。

（2）钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中，应力集中的实际为：局部应力增大并多为同号应力场。

5.残余应力的影响

钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内部自相平衡的内力,残余应力虽对构件的静力强度无影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不利影响。

6.温度的影响

（1）正温影响

总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，温度达450-600oc左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为热煅温度。

需要说明：钢材在250o左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一现象称之为蓝脆现象。钢材在200o以上时应采取隔热措施。

（2）负温影响

随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度。2.5钢材的种类与选择

1.建筑结构用钢的基本要求

钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。

(1)较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻；(2)较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载；

(3)良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能；

据上要求,《钢结构设计规范》GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：碳素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。2.钢材牌号及结构用钢的种类钢材牌号：由“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法”四部分组成。

Q：为“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度”；

质量等级：分A~E五级（字序越高质量越好）；

脱氧方法：F－沸腾钢；Z－镇静钢（一般省略）；b－半镇静钢；TZ－特殊镇静钢。碳素结构钢分：A、B、C、D四级，含所有脱氧方法；

低合金结构钢分：A、B、C、D、E五级，只有镇静钢和特殊镇静钢。如前所述建筑结构用钢，宜选碳素结构钢中的Q235及低合金钢中的Q345、Q390、Q420四种钢材。３．建筑结构用钢的选择原则

（１）钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强度fu、屈服强度fy、伸长率δ5（δ10）、冷弯180o及冲击韧性αk，化学成分C、S、P等的极限含量，以及冶炼脱氧方法来衡量。选材时应根据结构的重要性、荷载性质（静、动）、连接方法、工作温度等因素来综合考虑以选择适宜钢材。

（２）一般承重结构应有fu、fy、δ5以及C（≤0.22%）、S、P的极限含量合格保证；焊接及重要的非焊接承重结构还应具备冷弯180o合格保证（C≤0.2%）;承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时,还应根据具体情况增加对αk的不同要求。4．建筑结构用钢规格

（1）钢板薄钢板:厚0.35~4,宽500~1800;

厚钢板:厚4.5~60,宽700~3000;

特厚板:厚>60,宽600~3800;

扁钢:

厚4.5~60,宽12~200.

图纸中用—宽×厚表示.（2）型钢

角钢：∟100×80×8（热轧）

工字钢：I32a（热轧）

槽钢：[12a（热轧）

H型钢：H340×150×8×12

可分为HW、HM、HN、HP；热轧和焊接两种。

T型钢：T248