第2章 钢结构的材料

CHAPTER2MaterialsofSteelStructure钢结构的材料2.1DemandstotheMaterialsoftheSteelStructure对钢结构用材的要求2.2Mainbehaviorsofsteelmaterial钢材的主要性能2.3FactorsforEffectSteelProductsPerformances

影响钢材性能的因素2.4EffectsofDuctilityDamageandNon-DuctilityDamage、CycleLoadingandFastLoadingofSteelMaterials

钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载和快速加载的效应2.5CategoriesofStructureSteelmaterialandSelectionofSteelmaterial

建筑钢材的类别及钢材的选用2.1DemandstotheMaterialsoftheSteelStructure

对钢结构用材的要求

Onlyafewofcarbonsteelsandalloysteelscanmeetthedemandstothematerialsofthesteelstructure.符合钢结构性能要求的钢材只有碳素钢及合金钢中的少数几种。Thesteelwhichcanbeusedforsteelstructuremustownthefollowingperformance:用作钢结构的钢材必须具有下列性能:用作钢结构的钢材必须具有下列性能:1.较高的强度，即抗拉强度和屈服强度比较高。2.足够的变形能力,即塑性和韧性性能好。3.良好的加工性能，即适合冷、热加工，同时具有良好的可焊性，不因这些加工而对强度、塑性及韧性带来较大的有害影响。4.根据结构的具体工作条件，在必要时还应该具有适应低温、有害介质侵蚀以及重复荷载作用等的性能。

2.2钢材的主要性能及其鉴定2.2.1Stress-strainbehaviorattensiontest单向拉伸时的应力-应变性能2.2.2Coldbendingbehavior冷弯性能2.2.3Impacttoughness冲击韧性

2.2.4Solderability可焊性

2.2.5

Identificationofsteelmaterial

钢材性能的鉴定2.2.1Stress-strainbehaviorattensiontest

单向拉伸时的应力-应变性能

Thebehaviorofsteelmaterialoccursatroomtemperaturesunderdeadloadinonetimestretchtestismostrepresentative.Andthemainindexesofstrengthanddeformationforsteelmaterialaredeterminedbythistestusingstandardspecimen.钢材在常温、静载条件下一次拉伸所表现的性能最具有代表性。钢材的主要强度指标和变形性能都是根据标准试件一次拉伸试验确定的。Typicalstress-straindiagramforlow-carbonsteelandlow-alloysteel典型的低碳钢和低合金钢一次拉伸时的应力--应变曲线

Simplifiedstress-straindiagram简化的应力--应变曲线

RThemechanicsperformanceindexesbehavedbystress-strainruleareasfollows:

由应力--应变规律表现出的力学性能指标：

Proportionallimitσp（比例极限σp）Yieldstressσy（屈服应力σy）

Tensilestrengthσu（抗拉强度σu）

Elongationratio（伸长率

）由于达到σy后构件产生较大变形，故取它为计算构件的强度标准；由于达到σu后构件开始破坏，故它为材料的安全储备。规范规定用于塑性设计的钢材必须有fy/

fu≤0.85的屈强比。Elongationratio（伸长率

）

Elongationratio（伸长率

）isthepercentageofthepermanentdeformationofthespecimenbeforefracturetotheoriginalmarkedlength.Whenthemarkedlengthischosenbyfiveortentimesofthediameterofthespecimen,thentheElongationratioisdefinedwith5

or

10respectively.伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分率。取试件直径d

的五或十倍为标定长度，其相应的伸长率用5或10

表示。Yieldpoint，tensilestrengthandelongationratioarethethreeimportantmechanicsperformanceindexesofsteelmaterial.屈服点、抗拉强度和伸长率是钢材的三个重要力学性能指标。ThemodulusofelasticityEandthestrain-hardeningmodulusEstarealsotheperformanceindexesofsteelmaterialpresentedinonetimestretchtest.材料的弹性模量E和应变硬化模量Est也是一次拉伸所表现的性能指标。

2.2.2Coldbendingbehavior

冷弯性能

Coldbendingbehaviormeansthecapabilityofsteelmaterialtoresistthecrackwhencold-finished(atroomtemperatures)bringsuptheplasticdeformation.Itisthesynthesisindexestothedeterminationsofplasticdeformationcapacityandmetallurgyquality.Coldbendingbehaviorisinspectedbybendingtest.冷弯性能是指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。冷弯性能由冷弯试验来检测。2.2.3Impacttoughness

冲击韧性

Thetoughnessofsteelisameasureofitsabilitytoabsorbenergyduringitsplasticdeformationandsuddenfracture,also,indicatestheabilityofsteeltotheimpactresistance.Impacttoughnessisthesynthesisperformanceofstrengthandductility.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的能力。冲击韧性是强度与延展性的综合表现。

Impacttoughnessisindicatedbymeasuringtheimpactworkatimpacttest.CodestatesCharpyV-notchtestmusttobeused.钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功Akv或Cv来表示。标准规定采用夏比实验法测定。《Codefordesignofsteelstructures》hasthespecificationstothesteelimpacttoughnessatroomtemperaturesandbelow-zerotemperatures.So,whenchoosethestructuresteels,theusagesituation,loadingconditionandrequiredtemperatureshouldbeconsidered.《钢结构设计规范》对钢材的冲击韧性有常温和负温要求的规定。选用钢材时，应考虑结构的使用情况、荷载条件和要求温度。

2.2.4Solderability可焊性

Thesolderabilityofsteelmaterialmeansthecapabilityofsteeltogetthequalifiedweldedjointbyweldingunderspecifiedprocessandstructuralsituation.Thesolderabilityofsteelmaterialisaffectedbythecontentsofcarbonandalloyelements.ThecontentofcarboninQ235Aisalittlehigher,whichnormallyisnotusedatweldedmembers.钢材的可焊性是指在一定工艺（焊接方法、材料、预热温度）和结构条件（钢材厚度、变形约束程度）下，钢材经过焊接能够获得合格的焊接接头的性能。

钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。Q235A的碳含量略高，通常不用于焊接构件。碳当量用于衡量低合金钢的可焊性。CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15CEV≤0.38%，可焊性很好；0.38%<CEV≤0.45%，钢材淬硬明显，采用预热措施和控制施焊工艺；CEV>0.45%，钢材淬硬明显，较高的预热温度措施和严格的控制施焊工艺。2.2.5钢材性能的鉴定根据《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）,对进入钢结构工程实施现场的主要材料需进行进场验收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报告，确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求。对属于下列情况之一的钢材，应进行抽样复验，其复验结果应符合现行国家产品标准和要求。

1.国外进口钢材；2.钢材混批；3.板厚等于或大于40mm，且设计有Z向性能要求的厚板；4.建筑结构安全等级为一级，大跨度钢结构中主要受力构件所采用的钢材；5.设计有复验要求的钢材；6.对质量有疑义的钢材。复验时，各项试验都应按有关的国家标准的规定进行。钢材质量的抽样检验应由具有相应资质的质检单位进行。

2.3FactorsforEffectSteelProductsPerformances

影响钢材性能的因素2.3.1Effectofthechemistryelements化学成分的影响2.3.2Effectofmaterialshape成材过程的影响2.3.3Othereffectsonthesteelperformance影响钢材性能的其他因素

2.3.1Effectofthechemistryelements化学成分的影响

Thebasicelementofsteelisiron(Fe),occupying99%ofordinarycarbonsteel.Besidesiron,impurityelementsarecarbon(C),silicon(Si),manganese(Mn),etc.andharmfulelementsaresuphur(S),phosphor(P),oxygen(O),nitrogen(N),etc.Theamountoftheseelementsisabout1%,however,theybringaboutgreateffectstothemechanicsperformanceofsteel.钢的基本元素为铁（Fe），普通碳素钢中占99%。此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等杂质元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总含量约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。1.Carbon(C)碳：碳是形成钢材强度的主要成分。碳含量增加，使钢材强度提高，塑性、韧性，特别是低温冲击韧性下降，同时耐腐蚀性、疲劳强度和冷弯性能也显著下降，恶化钢材可焊性，增加低温脆断的危险性。一般建筑用钢要求含碳量在0.22%以下，焊接结构中应限制在0.20%以下。2.Manganese(Mn)锰：有益元素。是一种弱脱氧剂。适量的锰可有效提高钢材强度，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向，同时不显著降低钢材的塑性、冲击韧性。普通碳素钢中锰的含量约为0.3%～0.8%。含量过高（达1.0%～1.5%以上）使钢材变脆变硬，并降低钢材的抗锈性和可焊性。3.Silicon(Si)硅：有益元素。作为脱氧剂加入普通碳素钢。适量硅可提高钢材的强度，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性无显著的不良影响。一般镇静钢的含硅量为0.10%～0.30%，含量过高（达1%），会降低钢材塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。4.Sulphur(S)硫：有害元素。引起钢材热脆，降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。一般建筑用钢含硫量要求不超过0.055%，在焊接结构中应不超过0.050%。抗层间断裂的钢材，含硫量要求控制在0.010%以下。5.Phosphor(P)磷：有害元素。虽可提高强度、抗锈性，但严重降低塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，尤其低温时发生冷脆，含量需严格控制，一般不超过0.050%，焊接结构中不超过0.045%。6.Oxygen(O)氧：有害元素。引起热脆。一般要求含量小于0.05%。7.Nitrogen(N)氮：能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性、可焊性和冷弯性能，增加时效倾向和冷脆性。一般要求含量小于0.008%。

钢结构所用碳素钢Q235及低合金钢Q345和Q390的化学成分及含量见附表9(p385)。

2.3.2Effectofmaterialshape

成材过程的影响

1.Smelting冶炼建筑结构用钢我国主要使用顶吹氧气转炉炼钢法生产的钢材。冶炼是形成钢的化学成分与含量、钢的金相组织结构的冶金过程，必定存在不同的冶金缺陷，从而确定不同的钢种、钢号及其相应的力学性能。2.Moulding浇铸把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯。按脱氧程度分沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。浇铸过程中会产生的常见的冶金缺陷有：偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等。3.Rolling

轧制轧制能使金属的晶粒变细，使气泡、裂纹焊合，因而改善了钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高。4.Heattreatment热处理热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。2.3.3Othereffectsonthesteelperformance

影响钢材性能的其他因素

1.Cold-finishedhardening冷加工硬化

钢结构在常温下加工即冷加工。冷加工过程中使钢材产生很大塑性变形，在重新加荷时引起的强度提高，同时降低塑性和韧性，称为冷作硬化。冷加工包括：冷拉、冷弯、剪切、冲孔、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等。2.Temperature温度

温度升高和降低都使钢材性能发生变化，且低温情况下钢材力学性能更重要。当温度逐渐升高时，钢材的强度、弹性模量下降，变形能力增大。250C附近发生蓝脆现象。温度达到600C时，屈服强度为室温的1/3，弹性模量为室温的40%。但耐火钢改善了钢材在高温下的力学性能。温度从常温下降到一定值，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件断口属脆性破坏，这种现象称为冷脆现象。3.Stressconcentration应力集中钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应力，此谓应力集中现象。应力集中越严重，钢材塑性越差。

2.4EffectsofDuctilityDamageandNon-DuctilityDamage、CycleLoadingandFastLoadingofSteelMaterials

钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载和快速加载的效应

1．延性破坏和非延性破坏超过屈服点有明显塑性变形产生的构件，当达到抗拉强度时将在很大变形的情况下断裂，称为延性破坏；当没有塑性变形或只有很小塑性变形时就发生的破坏，称为脆性破坏。钢结构需选用塑性好的材料，还必须避免导致材料转脆。2.疲劳断裂(fatiguefracture)疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。疲劳断裂的过程可分为三个阶段：裂纹的形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂。

3.循环加载连续重复荷载之下应力往复变化一周叫做一个循环。应力幅表示应力变化的幅度，应力幅总是正值。

疲劳寿命（致损循环次数）指在连续反复荷载作用下应力的循环次数，用n表示。疲劳曲线（—n曲线）

4.疲劳验算

直接受到重复荷载作用的构件，如吊车梁、桥梁、输送栈桥和某些工作平台以及它们的连接，当应力循环次数n≥5x104

时应进行疲劳验算。由于现阶段对疲劳裂缝的形成、扩展以至断裂这一过程的极限状态定义，和有关影响因素的研究不足，我国规范规定对疲劳计算按容许应力方法进行验算。疲劳验算时，按可变荷载标准值进行。参数的取值见p321的表8-2.

5.快速加载快速加载致使所得钢材的屈服点和抗拉强度偏高。影响钢材对能量吸收的能力。对于同一冲击韧性的材料，当设计承受动力荷载时，允许最低的使用温度比承受静力荷载高。除遭强烈地震作用外，建筑结构通常在考虑荷载的动力系数后按静力计算；但承受循环荷载时需考虑是否进行疲劳验算。2.5CategoriesofStructureSteelmaterialandSelectionofSteelmaterial

结构钢材的类别及钢材的选用

2.5.1结构钢材的类别、牌号和等级2.5.2钢材的选择

2.5.3型钢规格

2.5.1结构钢材的类别、牌号和等级1.热轧钢材钢结构中采用的钢材主要有三类：碳素结构钢、低合金高强度结构钢和高性能的GJ钢。此外，还可以采用特殊性能的钢材：厚度方向性能钢板和耐候性结构钢。建筑结构用钢板。2.铸钢用于大型空间结构的复杂节点和支座。3.冷成型钢材（Q215、Q235和Q345）4.高强钢丝和钢索材料1.碳素结构钢、低合金高强度结构钢工程中钢材的标号的表示:QXXX└┘[]例如:Q235AF、Q235Bb、Q345E。

Q：屈服强度的第一个拼音字母。

XXX：屈服强度值，单位为Mpa或N/mm2。└┘：Qualitygrades质量等级。有A、B、C、D和E五等，表示质量由低到高。质量高低主要是以对冲击韧性的要求区分的。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，低合金高强度结构钢才有E等。(p386)QXXX└┘[][]：Deoxidizingmethods脱氧方法。在浇铸过程中由于脱氧程度的不同，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。QXXX└┘[]3.高强钢丝和钢索材料

高强钢丝是由优质碳素钢经过多次冷拔而成，分为光面和镀锌两种。钢丝强度的主要指标是抗拉强度，并对化学成分有严格要求。钢绞线是由多根钢丝捻成，亦称单股钢丝绳。钢丝绳是由钢绞线捻成。2.5.2

SelectionofSteelmaterial钢材的选择

1.选择钢材应考虑下列因素：荷载性质（静载或动载）;应力状态（受拉、受压，或双轴、三轴受拉）；连接方法（焊接或栓接）；工作环境（低温）；供货价格。2.Q235A钢保证项目中，碳含量、冷弯试验合格和冲击韧性未作为必要的保证条件，只宜用于不直接承受动力