第2章 钢结构材料

第2章钢结构的材料第2章钢结构的材料2.1钢材的主要性能2.2影响钢材性能的因素2.3

钢材的疲劳2.4

建筑钢材的规格和选用

塑性破坏：破坏前有明显的变形，破坏历时时间长，可以采取补救措施。断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。构件的应力达到了钢材的抗拉强度。一、钢结构的破坏形式

脆性破坏：破坏前没有明显的变形，破坏发生突然，没有机会补救。断口平直并呈有光泽的晶粒状。脆性破坏的原因：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造不合理、使用不当等。应尽量发挥材料的塑性避免一切脆性破坏的可能性

2.1钢材的主要性能

广东某展览厅网架倒塌

广东某国际展览中心包括展厅、会议中心和一栋16层的酒店，总建筑面积42000m2。1989年建成投入使用。1992年降大暴雨，其中4号展厅网架倒塌。在倒塌现场发现大量高强螺栓被拉断或折断，部分杆件有明显压屈，但未发现杆件拉断及明显颈缩现象，也未发现杆件与锥头焊缝拉开。另外，网架建成后多次发现积水现象，事故现场两排水口表面均有堵塞。①由于4号展厅除承担本身雨水外，还要承担会议中心屋面溢流而来的雨水。由于溢流口、雨水斗设置不合理，未能有效排水导致网架积水超载。

②高强螺栓超极限承载力而被拉断，高强螺栓安全度低于杆件安全度，其安全度不足。

钢贮罐脆性断裂

1989年1月22日，内蒙古某糖厂一个直径为20m，高为15.76m的刚交工验收不久的废糖蜜钢贮罐发生断裂。破坏过程呈突发性，没有任何先兆，非常迅速。破坏时罐蜜贮量为4027t，不仅未达到设计贮量，并低于试用内糖期间曾达到的4559t水平，罐体内应力并不太高，距钢材屈服强度相差较远，地震和人为破坏及废糖蜜自燃爆炸的因素可排除，请分析钢贮罐发生断裂的原因。

塑性断裂在发生前有明显预兆，而脆性断裂是突发性的。经调查表明，其裂口特征：罐体下部第1、2层母材撕裂，断口呈颗粒状，人字形纹尖端朝上，呈脆性断裂。对钢材材质进行复验，发现部分钢板含碳量和含硫量较高，降低了钢材的塑性和可焊性，其常温冲击韧性比规定值偏低，故该钢材易出现脆性断裂。且焊接质量差，综合分析可知，罐体破坏的根源是焊接质量低而导致的低温脆性断裂。对接焊缝中大量未焊透部位如同张开型的焊接裂纹，在罐壁环向拉力的作用下，能引起严重的应力集中，成为罐体断裂的引发点。在荷载变化、应力集中、残余应力和温差应力的作用下，会缓慢扩展。而钢材的韧性较差，不能阻止裂纹的扩展，最后达到临界值，而突然断裂。

海油田平台倾覆

1980年3月27日，北海爱科菲斯科油田的A.L.基儿兰德号平台突然从水下深部传来一次震动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，致使23人丧生，造成巨大的经济损失。

现代海洋钢结构如移动式钻井平台，特别是固定式桩基平台，在恶劣的海洋环境中受风浪和海流的长期反复作用和冲击振动；在严寒海域长期受冰载及流水随海潮对平台的冲击碰撞；另外低温作用以及海水腐蚀介质的作用等都给钢结构平台带来极为不利的影响。突出问题就是海洋钢结构的脆性断裂和疲劳破坏。

上述事故的调查分析显示，事故原因是撑竿中水声器支座疲劳裂纹萌生、扩展，导致撑竿迅速断裂。由于撑竿断裂，使相邻5个支杆过载而破坏，接着所支撑的承重脚柱破坏，使平台20分钟内全部倾覆。

钢吊车梁裂缝

某钢厂原料跨吊车任务繁重，而冷轧跨吊车不太繁忙。两者互按同一标准设计，后者吊车梁使用40多年未发现裂缝，而前者因产生较多裂缝已更换。请分析裂缝的成因。

由于前者任务繁重，承受的交变荷载次数多，故会产生疲劳破坏。

二、单向受拉时的性能试验条件：标准试件在常温（20℃）下缓慢加载（静载）OAE—弹性阶段比例极限、弹性极限ECF—屈服阶段屈服点FB—强化阶段抗拉强度（极限强度）BD—颈缩阶段2.2钢材的主要性能及其鉴定

钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体1.计算简便2.与相差不大3.虽然＞，但对应的应变非常大（不满足正常使用极限状态）4.以作为设计强度的依据，具有较大的强度储备，若出现偶然因素，使人们有机会补救

屈强比：Q235钢为0.57，Q345钢为0.67简化计算,采用理想弹塑性模型作为钢结构设计的最大应力作为钢材实际破坏强度三、塑性性能塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力衡量塑性性能的指标：伸长率四、冷弯性能

冷弯性能是检验钢材适应冷加工（常温下加工）的能力和显示钢材内部缺陷状况的一项指标

冷弯性能是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性变形能力的指标

冷弯性能由冷弯试验确定

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五、冲击韧性冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力衡量冲击韧性的指标：冲击功

韧性是钢材强度和塑性的综合指标

梅氏U型缺口试件:冲击试验的标准试件型式夏比V型缺口试件:我国采用夏比V型缺口试件冲击韧性受温度的影响六、可焊性

可焊性指采用一般焊接工艺就可完成合格的焊缝的性能

可焊性受化学成分的影响比较大碳当量：衡量低合金钢的可焊性的计算<0.38焊接性能一般=0.38~0.45焊接性能较难>0.45焊接性能难2.2钢材的主要性能及其鉴定

钢材物理性能指标弹性模量泊松比剪变模量线膨胀系数质量密度小结钢材的五项主要机械性能指标屈服点fy——抗拉强度fu——衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的指标。钢材的强度极限，仅作为安全储备。伸长率δ5——冷弯性能

——冲击韧性

——衡量钢材塑性变形能力的重要指标。衡量钢材塑性性能和冶金质量的综合指标。衡量钢材在动荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标。一、化学成分2.2影响钢材性能的因素普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%普通低合金钢中有＜5%的合金元素碳（C）：钢材强度的主要来源，但是随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般控制在0.12％～0.2%，在0.2％以下时，可焊性良好硫（S）：热脆性，不得超过0.045%磷（P）：冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点为1600℃，可以消除一部分S的有害作用。硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。氧（O）：有害杂质，效果同S。氮（N）：有害杂质，效果同P。二、冶金缺陷常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹等。偏析——化学成分分布的不均匀程度。三、加荷速度1．材性试验要求缓慢加载2．要考虑动荷载对结构的不利影响加荷速度高，钢材屈服点提高，呈脆性。因此，四、钢材硬化冷作硬化—当加载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称“应变硬化”应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。

时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。五、温度的影响1.正温范围

100℃以内对钢材性能无影响；

100℃以上随温度升高，总的趋势是强度、弹性模量降低，

塑性增大

250℃左右抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增加——蓝脆现象。该温度区段称为“蓝脆区”。

250～350℃ 在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续形——徐变现象。

600℃左右

弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。2.负温范围当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加。

T1～T2

之间温度转变脆性区，冲击功急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。使用温度必须高于T1

，但不一定高于T2六、应力集中的影响构造缺陷：构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变等应力集中：由于构造缺陷，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力。应力集中的危害：塑性降低，脆性增加

构造设计时应避免截面突变和尖锐角的情况七、厚度的影响随着厚度的增加，钢材的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度均下降八、复杂应力作用下钢材的屈服条件假定：1.材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；2.当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。弹性状态塑性状态平面应力状态梁的应力状态纯剪应力状态一、钢材的疲劳1．疲劳问题疲劳问题最初是在1829年由法国采矿工程师尔倍特(W.A.J.Albert)根据所做的铁链的重复载荷试验所提出的。1939年波客来特(Poncelet)首先采用“疲劳”(Fatigue)-词来描述“在反复施加的载荷作用下的结构破坏现象。”但是疲劳一词作为题目的第一篇论文是由勃累士畏特(Braithwaite)于1854年在伦敦土木工程年会上发表的，在第二次世界大战中，发生了多起飞机疲劳失事事故，人们从一系列的灾难性事故中，逐渐认识到疲劳破坏的严重性。2.3钢材的疲劳金属结构的疲劳是工程界早已关注的问题。就金属结构包括飞机、车辆等各类结构都在内的总体，大约80-90%的破坏事故和疲劳有关。其中土建钢结构所占的比例虽然不大，但随着焊接结构的发展，焊接吊车梁的疲劳问题已十分普遍，受到了工程界人士的重视。目前钢结构设计规范(GBJ17-88)中已建立了疲劳验算方法，此方法对防止疲劳破坏的发生有重要作用。

2.疲劳研究的必要性

据国外统计：现代各个工业领域中，80%以上的结构破坏是由于疲劳造成，1967年12月15日，美国西弗吉利亚州的PointPleasant大桥在没有任何征兆的情况下突然倒塌，造成46人死亡，调查结果显示是由于一拉杆下缘产生解理断裂，1990年荷兰建成的Bascule桥仅在运营7年之后就观测到危机桥梁安全的严重的疲劳开裂，1998年更换所有的正交异形板。3.钢材的疲劳

在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。4.疲劳破坏的机理

疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷→微观裂纹→宏观裂纹。5.疲劳破坏的特征属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。

对非焊接构件，表面上的刻痕，轧钢皮的凸凹、轧钢缺陷和分层以及焰割边不平整、冲孔壁上的裂纹，都是可能出现的地方。对于焊接构件，最经常的裂源出现在缝趾处，常有焊渣侵入，还有气孔、欠焊、夹渣等。6.疲劳断裂的过程及原因二、影响疲劳强度的因素1.应力比＝min/max连续重复荷载之下应力从最大到最小重复一周叫做一个循环。应力循环特征常用应力比来表示，拉应力取正值，压应力取负值。

=－1时，称为完全对称循环；

=0时，称为脉冲循环；

=1时，为静荷载；

0＜＜1时，为同号应力循环；

－1＜＜0时，为异号应力循环。2.应力幅——在循环荷载作用下，应力从最大max到最小min重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅。即=maxmin3.应力循环次数应力循环次数是指在连续重复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数。在不同应力幅作用下，各类构件和连接产生疲劳破坏的应力循环次数不同，应力幅愈大，循环次数愈少。当应力幅小于一定数值时，即使应力无限次循环，也不会产生疲劳破坏，既达到通称的疲劳极限规范(GBJ17-88)参照有关标准的建议，将次被视为各类构件和连接疲劳极限对应的应力循环次数。

其对应的疲劳极限对应的应力如下疲劳曲线4.微观裂纹和应力集中对钢结构的疲劳性能影响显著，而构造细节是应力集中产生的根源。构造细节常见的不利因素如下：1)钢材的内部缺陷，如偏析、夹渣、分层、裂纹等；2)制作过裎中剪切、冲孔、切割；3)焊接结构中产生的残余应力；4)焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、未焊透等；5)非焊接结构的孔洞、刻槽等；6)构件的截而突变；7)结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等产生的附加应力集中。三、提高和改善疲劳性能的措施

由疲劳性能的三个影响因素来看，应力幅△及循环应力N是客观存在的事实，因此，提高和改善疲劳性能的途径只有从减小应力集中入手。具体措施如下：1．精心选材，对用于动载作用的钢结构或构件，应严格控制钢材的缺陷，并选择优质钢材。2．精心设计，力求减少截面突变，避免焊缝集中，使钢结构构造做法合理化。3．精心制作，使缺陷、残余应力等减小到最低程度。4．精心施工，避免附加应力集中的影响。5．精心使用，避免对结构的局部损害。如划痕、开孔、撞击等。

较高的强度

足够的变形能力，塑性、韧性好

良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）规定：承重结构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，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。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。需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。对需要验算疲劳的非焊接结构的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。规范推荐的钢种为Q235、Q345、Q390、Q4202.4建筑钢材的规格和选用一、钢结构对材料的要求二、钢的种类1.化学成分普通碳素钢Q235普通低合金钢Q345、Q390、Q420平炉成本高，质量好（6小时100t左右）氧气顶吹转炉成本低，质量也可（15分钟150t）2.炉种3.脱氧程度沸腾钢（F）脱氧较差镇静钢（Z）脱氧充分半镇静钢（b）脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间特殊镇静钢（TZ）4.质量等级A级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量B、C、D级：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（分别为20℃、0℃、-20℃）及碳、硅、锰、硫、磷含量E级：除满足D级的要求外，还要求-40℃时的冲击韧性5.钢材编号碳素钢：Q×××质量等级（A～D）脱氧程度（F，b）低合金钢：Q×××质量等级（A～E）如Q235-A·F、Q345-C1.碳素结构钢牌号表示方法2.低合金钢牌号表示方法三、钢材的选择（一）选择钢材的原则1．结构或构件的重要性；2．荷载情况（静力荷载，动力荷载）；

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钢材。3．连接方法（焊接连接、螺栓连接）；

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。4．结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）；

低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢钢材的厚度。

厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。（二）钢材选择建议（了解）1、承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度结构钢》GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准的规定和要求。2、承重结构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，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。

3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于0℃但高于－20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格的保证；对于Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证；

对Q390和Q420钢应具有－40℃冲击韧性的合格保证。

4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。5、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。

6、为防止钢材的层状撕裂需采用Z向钢，其材质应符合《厚度方向性能钢板》GB/T5313的规定。7、对于在外露环境中，或有腐蚀性要求承重结构，宜采用耐候钢，其质量应符合焊接耐候钢》GB/T4172的规定。

钢结构所用钢材主要有：热轧钢板、热轧型钢、冷轧薄钢板、冷弯薄壁型钢（一）、钢板

（—厚×宽×长或—厚×宽）