第二章 钢结构的材料

第二章钢结构的材料2.1对钢结构用材的要求———————————————2.1对钢结构用材的要求———————————————

规范规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击性的合格保证.现行《钢结构设计规范》（GBJ50017-2003）推荐承重结构的钢材宜采用碳素结构钢中的Q235，及低合金高强度结构钢中的Q345、Q390及Q420钢。2.2钢材的主要性能及其鉴定———————————————（1）单向均匀受拉的工作特性

在常温静载情况下，考察Q235钢材标准试件受单向拉伸试验时的应力－应变曲线。图标准试件（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————仪器(1)(2)(3)(4)（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————钢筋拉伸实验录像（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————单向受拉应力－应变曲线1)弹性阶段：OAE段OA直线的斜率称为弹性模量E，fp称为比例极限，fe称为弹性极限.（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————单向受拉应力－应变曲线2)弹塑性阶段：EC段σ与ε不呈比例，除弹性变形外还有塑性变形,fy称为屈服强度，又叫屈服点（yieldpoint）.（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————单向受拉应力－应变曲线3)屈服阶段：CF段

钢材完全屈服，σ不增加（保持fy），而ε骤增.（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————单向受拉应力－应变曲线4)强化阶段：FB段经过屈服阶段后，钢材内部组织重新排列，抵抗外力的能力增强。（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————单向受拉应力－应变曲线5)颈缩阶段：BD段应力超过fu后，试件出现“颈缩”而断裂，fu称为抗拉强度(tensilestrength）.（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————钢结构设计中，把钢材的屈服点fy作为钢材的强度标准值fk＝fy。

常用结构钢材的强度设计值f（designvalue）可查材料手册（见P333附表11）。弹性设计时，构件的应力不能大于f值。

抗拉强度fu在实际构件中是不允许达到的，钢材的抗拉强度fu值高，可以增加结构的安全保障。（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————高强度钢材没有明显的屈服台阶，这类钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的，称为条件屈服（用f0.2表示，定义为试件卸载后其残余应变为0.2%时所对应的应力）。这类钢材在设计中不宜利用塑性。高强度钢的应力－应变曲线（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————断面收缩率：式中l0——试件拉伸前标距长度;l1——试件拉断后原标距间长度;A0——试件截面面积;A1——拉断后颈缩区的截面面积。钢材的伸长率愈大，钢材塑性愈好塑性指标延伸率：（1）单向均匀受拉的工作特性———————————————（2）冷弯性能———————————————冷弯(coldbending)试验—冷弯角a加工性能，塑性变性能力，材质均匀性，a=180度合格。指标：将根据试件厚度按规定的弯曲直径将试件弯曲1800，如表面无裂纹或分层则合格.（2）冷弯性能———————————————冷弯实验录像（3）冲击韧性———————————————钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载或振动荷载的能力，它是强度与塑性的综合表现。

钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功(冲击韧性值Akv,单位J或akv单位J

/cm2)来表示。（3）冲击韧性———————————————

用带缺口（V型或U型）的标准试件进行冲击试验，试件破坏时截面单位面积吸收的能量，称冲击韧性。冲击韧性越好，表明钢材越不易脆断。图2.4冲击韧性试验（3）冲击韧性———————————————

冲击韧性：(N•m/cm2)

式中：AK—试验机的冲击功（N•m)；

A—缺口处净截面面积(cm2)。

（3）冲击韧性———————————————钢结构设计规范对钢材的冲击韧性Akv有常温和负温要求的规定。选用钢材时，根据结构的使用情况和要求提出相应温度的冲击韧性指标要求。常温(20℃)和低温(0℃，-20℃，-40℃)试验.（4）可焊性(weldability)———————————————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。(使用性能上的可焊性)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(施工上的可焊性)

2.3影响钢材性能的因素———————————————（1）化学成分的影响———————————————主要化学成分——铁（Fe，在碳素结构钢中约占99%）少量元素——碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、钛（Ti）、钒（V）（1）化学成分的影响———————————————碳C：含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶化。一般在碳素结构钢中不应超过0.22%；在焊接结构中还应低于0.2%。硅Si：碳素结构钢中应控制≤0.3%,在低合金高强度钢中硅的含量可达0.55%。锰Mn：含Mn适量使强度↑，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,有益.在碳素结构钢中锰的含量为0.3%～0.8%，在低合金高强度钢中锰的含量可达

1.0%～1.6%。（1）化学成分的影响———————————————硫S：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，使钢材变脆，称之为热脆。含量应不超过0.045%。(有害成分)磷P：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量应不超过0.045%。可以提高强度和抗锈蚀性。(有害成分)氧O：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，发生热脆。(有害成分)氮N：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，发生冷脆。(有害成分)（1）化学成分的影响———————————————钒和钛：是钢中的合金元素，能提高钢的强度和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。（1）化学成分的影响———————————————（2）生产工艺的影响———————————————（2）生产工艺的影响a.冶炼———————————————（2）生产工艺的影响b.浇铸———————————————（2）生产工艺的影响c.轧(ya)制———————————————（2）生产工艺的影响c.轧(ya)制———————————————（2）生产工艺的影响d.热处理———————————————（2）生产工艺的影响d.热处理———————————————（2）生产工艺的影响e.冷加工硬化———————————————（2）生产工艺的影响f.温度的影响———————————————（2）生产工艺的影响f.温度的影响———————————————（2）生产工艺的影响f.温度的影响———————————————（2）生产工艺的影响g.应力集中———————————————（2）生产工艺的影响g.应力集中———————————————（2）生产工艺的影响h.时效———————————————2.4钢材的塑性破坏、脆性破坏和疲劳破坏———————————————2.4钢材的塑性破坏、脆性破坏和疲劳破坏———————————————2.4钢材的塑性破坏、脆性破坏和疲劳破坏———————————————2.4钢材的塑性破坏、脆性破坏和疲劳破坏———————————————2.4钢材的塑性破坏、脆性破坏和疲劳破坏———————————————2.4钢材的塑性破坏、脆性破坏和疲劳破坏———————————————

进行疲劳强度计算时，应注意下列问题：

(1)按概率极限状态计算方法进行疲劳强度计算，目前正处于研究阶段，因

此，疲劳强度计算用容许应力幅法，荷载应采用标准值，不考虑荷载分项系数和动

力系数，而且应力按弹性工作计算。

(2)根据应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力，只要应力幅超过容

许值就会产生疲劳裂纹。但由于裂纹形成的同时，残余应力自行释放，在完全压应

力(不出现拉应力)循环中，裂纹不会继续发展，故规范规定此种情况可不予验算。

(3)直接承受动力荷载重复作用的构件及连接，当应力变化的循环次数大

于或等于5×10e4时，应进行疲劳计算

（4）根据试验，不同钢种的不同静力强度对焊接部位的疲劳强度无显著

影响。只是轧制钢材(因其残余应力较小)和经焰切的钢材和经过加工的对接焊

缝(因其残余应力因加工而大为改善)，疲劳强度有随钢材强度提高而稍有增加

的趋势，但这些连接和主体金属一般不在构件疲劳计算中起控制作用。故可认

为，疲劳容许应力幅与钢种无关。2.5建筑钢材的类别及选用(1)类别———————————————2.5建筑钢材的类别及选用(1)类别———————————————2.5建筑钢材的类别及选用(1)类别———————————————2.5建筑钢材的类别及选用(1)类别———————————————2.5建筑钢材的类别及选用(1)类别———————————————炭素钢命名规则

“QXXX—└┘·[]”，例如Q235A·F、Q235B·b、Q345E·Z。

其中

Q：屈服强度的第一个拼音字母。

XXX

：屈服强度值，单位为N/mm2，结构用钢常有235、345、390。

└┘：质量等级，有A、B、C、D、E五等。其中A无冲击功规定；

B有20C时的冲击功要求；C有0C时的冲击功要求；

D有－20C时的冲击功要求；E有－40C时的冲击功要求，

低合金钢才有E等。

[]

：脱氧方法，可分为F、b、Z和TZ，F表示沸腾钢，b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢，其中Z和TZ

可不写。2.5建筑钢材的类别及选用(1)类别———————————————2.5建筑钢材的类别及选用(1)类别———————————————2.5建筑钢材的类别及选用(1)类别———————————————2.5建筑钢材的类别及选用(1)类别———————————————2.5建筑钢材的类别及选用(1)类别———————————————2.5建筑钢材的类别及选用(1)类别———————————————2.5建筑钢材的类别及选用(2)选用———————————————基本原则：即要保证结构的安全可靠，又要做到用料经济合理。选择钢材时考虑的因素：

1)结构的重要性；

2)荷载的性质；

3)连接方法；

4)结构的工作温度2.5建筑钢材的类别及选用(2)选用———————————————2.5建筑钢材的类别及选用(2)选用———————————————钢结构用钢：承重结构宜用Q235、Q345、Q390、Q420。品质保证：承重结构钢材，应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度（通称三项保证）和硫、磷含量的合格保证；焊接结构钢材，除满足上项外，还应有碳含量合格保证，冷弯、冲击韧性等要求；2.5建筑钢材的类别及选用(3)型钢规格———————————————1、钢板(plate)（1）热轧钢板和钢带（2）冷轧钢板和钢带，（3）花纹涂板(