结构设计原理-第18章

第18章

钢结构的概念与材料叶见曙

张娟秀马莹编本章目录18.1钢结构的特点及应用18.2钢材的主要力学性能18.3影响钢材性能的因素18.4钢材在复杂应力状态下的工作性能18.5钢材种类、规格及选用2教学要求了解钢结构的特点。掌握钢材在正常情况下的主要静力工作性能，理解钢材的疲劳和脆性断裂，理解复杂应力作用下钢材的屈服条件。熟悉钢材的种类，掌握钢材的正确选用。18.1钢结构的特点及应用

钢结构是由型钢和钢板采用焊接或螺栓连接方法制作成基本构件并按照设计构造要求连接组成的承重结构。4(1)材质均匀，可靠性高;(2)材料强度高，质量轻;(3)材料塑性和韧性好;(4)制造与安装方便；(5)具有可焊性和密封性；(6)耐热性较好。(1)耐火性差；(2)耐腐蚀性差。结构使用优点:

结构使用缺点：钢结构是土木工程的主要结构类型之一，在房屋建筑、地下建筑、桥梁、塔桅、海洋平台等都得到广泛采用。18.2钢材的主要力学性能518.2.1钢材在单向均匀受拉时的工作性能

钢材的拉伸试验通常是用规定形状和尺寸的标准试件，在常温20℃左右下以规定的应力或应变速度施加荷载进行的。图18-1碳素结构钢（Q235钢）单向拉伸曲线a)试件拉伸的应力—应变曲线；b)局部放大a）

b）伸长率越大，表示钢材破断前产生的永久塑性变形和吸收能量的能力越强。钢材的抗拉强度fu是钢材抗破断能力的极限。钢材的屈服强度fy、抗拉强度fu、以及伸长率d是桥梁结构用钢材的三项主要力学性能指标。618.2.2钢材的冷弯性能检验钢材能否适应构件制作中的冷加工工艺过程，暴露钢材的内部冶金和轧制缺陷，是钢材在复杂应力状态下塑性变形能力和质量的一项综合指标。图18-2钢材冷弯试验用具有弯心直径d的冲头对标准试件中部施加荷载使之弯曲180°，要求弯曲部位不出现裂纹或分层现象。钢材的冷弯性能取决于钢材的质量和弯心直径d对钢材厚度a的比值。

7钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对出现裂纹的抵抗能力的一项指标。18.2.3钢材的冲击韧性

图18-3钢材冲击韧性试验（尺寸单位：mm）a）V形缺口试件；b）U形缺口试件a)b)8钢材的冲击韧性是钢材在冲击荷载作用下吸收机械能的能力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击作用而导致脆性断裂的一项力学性能指标。钢材的冲击韧性通常采用有特定缺口的标准试件，在试验机上进行冲击荷载试验使构件断裂来测定。V形缺口试件的冲击韧性指标用试件被冲击破坏时断面单位面积上所吸收的能量表示，其单位为J（N·m）。

钢结构应选用无缺陷，特别是无缺口和裂纹的钢材；

在负温条件下使用的钢结构应尽量采用较小厚度的钢材；

对在常温或低温下工作的结构用钢材应满足其冲击韧性的要求。钢材牌号Q235Q345Q390Q420质量等级CDCDECDECDE试验温度（℃）0-200-20-400-20-400-20-40冲击韧性（J）2727343427343427343427钢材冲击韧性表18-1918.2.4钢材的可焊性10钢材的可焊性好是指在一定的工艺和构造条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的性能。主要表现为焊接安全、可靠、不会发生焊接裂缝，焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的延伸性和力学性能都不低于母材。钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响。与母材的厚度、焊接方法、焊接工艺参数及结构形式有关。钢材的可焊性可以采用可焊性试验方法获得。18.3影响钢材性能的因素1118.3.1化学成分的影响

碳含量对钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能有着决定性的影响。

适量的硅可提高钢材的强度，且对其塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性能无明显的不良影响。

适量的锰能显著改善钢材的冷脆性能，并可提高其屈服强度和抗拉强度，且对钢材的塑性和冲击韧性无明显影响。可减少钢材热加工时因为硫而产生裂纹的“热脆”现象。

钒的化合物具有高温稳定性，可使钢材的高温硬度提高。

硫是钢材中的有害元素。

硫的含量过大不利于钢材的焊接和热加工，还使钢材塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈蚀性能大大降低。

应严格控制钢材中硫的含量，一般不应超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。

磷也是钢材中的一种有害元素。

磷的含量过高将严重地降低钢材的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性能等。对磷的含量要严格控制，一般不应超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。但磷能提高钢材的强度和抗锈蚀性能。1218.3.2钢材生产过程的影响

钢材需经过冶炼、浇铸、轧制和矫正等工序才能成材，生产过程中的冶金缺陷有偏析（钢材的化学成分的不均匀性）、非金属夹杂、裂纹、气孔和分层等，它们都对钢材的力学性能产生不利影响。

（1）浇铸过程

沸腾钢采用锰作为脱氧剂；

镇静钢采用硅作为脱氧剂；

半镇静钢是在钢液中加入少量强脱氧剂，其脱氧程度和性能均介于沸腾钢和镇静钢之间；

特殊镇静钢是在采用锰和硅脱氧之后，再用铝或钛进行补充脱氧。

钢液出炉后，先放在钢罐中再铸成钢锭。由于析出的氧和铁化合成氧化铁，以杂质形式混杂在钢中，降低钢材力学性能并会在轧制过程产生裂纹。排除氧化铁的方法是向盛钢液的钢罐内投入脱氧剂13

(2)

轧制

轧制是在高温（1200～1300℃）和压力作用下将钢锭热轧成钢板和型钢的生产工艺。轧制工艺不仅改变钢的形状及尺寸，而且能消除钢锭中的小气泡、裂纹、疏松等缺陷，使金属组织更加致密，改善了钢材的内部组织，从而改善钢材的力学性能。

钢材的力学性能与轧制方向有关，沿轧制方向比垂直轧制方向的强度高。

经过轧制的钢材，由于其内部的非金属夹杂物被压成薄片，在较厚的钢板中会出现夹层现象，夹层使钢材沿厚度方向的受拉性能大大降低。1418.3.3冷作硬化和时效硬化的影响

15钢结构制造时，在冷（常温）加工过程中引起的钢材硬化现象，称为冷作硬化。表现在钢材的屈服强度和抗拉强度提高、塑性和伸长率降低、冲击韧性下降。钢材在冷弯、冲孔、剪切等冷加工时，都存在较大的塑性变形，因此产生冷作硬化。钢材随时间的进展而产生的屈服强度和抗拉强度提高、伸长率和冲击韧性降低的效应，称为时效硬化。时效硬化会造成钢材变脆。18.3.4温度的影响16当温度下降时，钢材的强度略有提高而塑性和冲击韧性有所降低，即钢材的脆性倾向逐渐增大。当温度降低到某一数值时（冷脆临界温度），钢材的冲击韧性急剧下降，钢材的破坏特征明显地由塑性破坏变为脆性破坏，这种现象称为钢材的低温冷脆现象。冷脆临界温度与钢材的韧性有关，韧性越好的钢材冷脆临界温度越低。

当温度升高时，钢材的屈服强度、抗拉强度和弹性模量等均随着降低，但在150℃以下时变化不大。当温度在250℃左右时，钢材的抗拉强度反而有较大的提高，但伸长率和冲击韧性变差，呈脆性破坏特征，称为“蓝脆”。当温度超过300℃时，钢材的屈服强度、抗拉强度和弹性模量开始显著下降，而伸长率明显增大。当温度超过400℃时，钢材的强度和弹性模量都开始急剧降低，当温度达到600℃时其强度几乎完全丧失。1718.3.5应力集中的影响

图18-4孔洞及槽孔处的应力集中现象18在钢结构构件中不可避免地存在孔洞、槽口、裂缝、厚度变化以及内部缺陷等，致使构件截面突然改变。在外力作用下，这些截面突变的某些部位将产生局部峰值应力，而同一截面其余部位的应力却较低且分布极不均匀，这种现象称为应力集中。

应力集中的严重程度取决于构件截面形状变化的急剧程度，以应力集中系数

x来表示，应力集中系数x的表达式为：

由于应力集中处应力线曲折，应力的方向与构件受力的方向不一致，从而除产生纵向应力sx外，还产生横向应力sy；若构件较厚，还将产生垂直于xy平面的横向应力sz。

在双向或三向同号应力状态下，钢材不易进入塑性状态而导致脆性增加，截面变化越急剧，应力集中就愈严重，钢材变脆的程度也就愈厉害。轴向拉力

除以构件的净截面面积

的平均应力孔洞边缘的最大应力19(18-3)

应力集中现象在实际结构中是不可能完全避免的。

应力集中一般不影响截面的静力极限承载力，只要在构造上尽可能使截面的变化比较平缓，设计时可不予考虑。

但在动力荷载和反复荷载作用下，应力集中是钢结构发生脆性破坏的重要原因之一。2018.3.6反复荷载的影响

21钢材在连续反复荷载作用下，应力没有达到抗拉强度，甚至还低于屈服强度，也可能发生突然破坏，这种现象称为疲劳破坏。钢材在疲劳破坏之前，没有明显的变形，是一种突然发生的断裂，所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。破坏过程分为三个阶段：裂纹的形成、裂纹缓慢扩展、最后迅速断裂而破坏。钢材的疲劳破坏首先是由于钢材内部结构不均匀和应力分布不均匀所引起的，而应力集中可以使个别晶粒很快出现塑性变形及硬化，从而大大降低钢材的疲劳强度。（1）应力集中的程度应力集中越大，疲劳强度就降低越多。（2）应力比和应力幅循环中绝对值最小的峰值应smin与绝对值最大峰值应力smax之比称为应力比r=smin/smax。当为拉应力时，smax或smin取正号；当为压应力时，smax或smin取负号。图18-5应力循环的形式221）影响钢材疲劳强度的主要因素对于轧制钢材和非焊接结构，r值越小疲劳强度越低，反之则越高。对于焊接结构，由于焊缝附近存在着很大的焊接残余应力峰值，其数值甚至达到钢材屈服强度fy，名义上的应力比r=smin/smax并不能表示疲劳裂缝出现处的应力状态。实际上的应力循环是从受拉屈服强度fy开始，变动一个应力幅Δs=smax-smin（此处smax为最大拉应力，smin为最小应力，拉应力取正值，压应力取负值）。因此，焊接结构的疲劳性能直接与应力幅Δs=smax-smin有关，而与应力比r的关系不是非常密切。23（3）应力循环次数n当应力循环的形式不变，钢材的疲劳强度与应力循环的次数（疲劳寿命）n有关。当r保持值不变，由试验资料绘出图18-6所示的疲劳曲线。图18-6疲劳强度与应力循环次数的关系24构件的应力越小，其破坏时的循环次数n就越多，但当应力小到某一极限sf（平行于n轴的渐近线）时，循环次数再多，试件也不会发生破坏，sf即为材料在该值时的疲劳极限。由无残余应力的小试件疲劳试验（循环次数n=2×106）结果，疲劳曲线可近似地表示成直线ABCD，同时以fy作为疲劳强度smax的上限。针对每种类型的构件，由试验找出对应于r=-1的最大应力s-1及对应于s

=0的最大应力s0，确定B、C两点坐标并连成直线ABCD，即为n=2×106的近似疲劳曲线。BC线段代表以受压为主的情况，CD线段代表以受拉为主的情况。直线BCD的方程可写成：图18-7疲劳强度分析图ρ=0时的疲劳强度，由试验取得。直线BCD的斜率，k=(σ0-σ-1)/σ-125(18-4)2）钢材小试件的疲劳强度与应力比r的关系18.4钢材在复杂应力状态下的工作性能26

在单向应力状态下，当正应力小于屈服强度（sfy）时，钢材在弹性范围内工作。

当正应力大于屈服强度（s>fy）以后，钢材便进入了塑性工作状态。

对有明显屈服强度的材料，试验证明应用材料力学的第四强度理论能较好的反映钢材的弹塑性工作状况。

根据第四强度理论，钢材在复杂应力作用下不发生屈服的条件为：

因此，当sredfy

时，钢材处于弹性状态；当sred>fy时，钢材处于塑性状态。(18-5)

在双向应力作用下（sz=tyz=tzx=0）不发生屈服的条件为：

只有单向正应力和剪应力作用，即sx=s、txy=t和sy=sz=tyz=tzx=0时为：

只有平面剪应力作用（受纯剪）时，即txy=tyx=t

和sx=sy=sz=tyz=tzx=0时为：27(18-6)(18-7)(18-8)(18-9)18.5钢材种类、规格及其选用2818.5.1钢材的种类

在桥梁结构中，主要采用碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。1）碳素结构钢

碳素结构钢共分为Q195、Q215、Q235和Q275四种牌号。

桥梁结构用碳素结构钢主要为Q235钢，其碳含量（0.12%～0.22%），钢材强度、塑性、可焊性等均适中。Q235“屈服强度”中“屈”字汉语拼音的字首钢材屈服强度的大小，单位为N/mm22）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入一种或几种适量合金元素（总量低于5%）而制成的钢。国家标准规定低合金结构钢分为Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五种。《公路桥规》推荐使用的低合金高强度结构钢有Q345、Q390和Q420三种。3）优质碳素结构钢优质碳素结构钢是碳素结构钢经过热处理（如调质和过火处理)得到的优质钢，硫、磷含量都不大于0.035%，并且严格限制其他缺陷。优质碳素结构钢（如45号钢）在钢结构中主要用于高强度螺栓及其连接。2918.5.2钢材的规格30钢结构常用的钢材主要为热轧成型的钢板和型钢。1）钢板钢板包括薄钢板、厚钢板、特厚钢板和扁钢等，钢板规格采用“—宽×厚×长”或“—宽×厚”的表示方法。薄钢板一般采用冷轧法轧制，厚度为0.35～4mm；厚钢板厚度为0.45～60mm；特厚钢板厚度>60mm；扁钢厚度为4～60mm，宽度为12～200mm。2）型钢（1）角钢角钢有等边角钢和不等边角钢两种。等边角钢以∟肢宽×肢厚表示，不等边角钢是以∟长肢宽×短肢宽×肢厚表示。∟100×80×10表示长肢宽100mm、短肢宽80mm、肢厚10mm的不等边角钢。

a）等边角钢；b）不等边角钢图18-9型钢的截面形式31

（2）工字钢

工字钢分为普通工字钢和轻型工字钢两种。

工字钢的型号以工字钢符号“Ⅰ”及其高度表示，当为轻型工字钢时，前面加注“Q”。

（3）槽钢