第二章 钢结构的材料

第二章钢结构的材料

学习本章的主要目的是如何选择钢材。这就要求首先掌握钢材的性能，其中最重要的是脆断。

第一节钢结构对所用材料的要求

一、钢材的破坏形式1.塑性破坏：钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破坏，也称为延性破坏。

2.脆性破坏：钢材在变形很小的情况下突然发生断裂破坏。

二、钢结构对所用材料的要求物美价廉强度fy、fu高。强度高可减轻结构自重。塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，抗动力荷载好，耐疲劳。良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。耐腐性好。价格便宜。有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的能力。《钢结构设计规范（GB50017)》推荐使用：碳素结构钢中的Q235钢、低合金结构钢中的Q345钢、Q390钢、Q420钢。随着研究的深入，必将有一些满足要求的其它种类钢材可供使用。若选用钢结构设计规范还未推荐的钢材时，需有可靠的依据，以确保钢结构的质量。专用钢结构用材见相关规范。第二节钢材的主要机械性能钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行。一、单向拉伸时的性能

标准试件在室温（100C～350C)、以满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力σ～ε应变曲线显示的钢材机械性能如下：(1)弹性阶段σ≤fp，σ与ε呈线性关系，称该直线的斜率E为钢材的弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢材统一取E=2.06×105N/mm2。(2)弹塑性阶段σ与ε呈非线性关系，切线模量Et＝dσ/dε,Et随应力增大而减小，当σ=fy时，Et=0。

(3)塑性阶段也称屈服阶段，σ=fy后钢材暂时不能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，因此钢结构设计取fy作为强度极限承载力的标志。(4)强化阶段试件能承受的最大拉应力fu为钢材的抗拉强度。取fy作为强度极限承载力的标志，fu就成为材料的强度储备。(5)颈缩破坏阶段(6)可把钢材视为理想弹塑性体。(7)伸长率δ=(l1-l0)/l0*100%,反映钢材的塑性变形能力。二、冷弯性能

三、冲击韧性

冲击韧性值用击断试样所需的冲击功AKV表示,单位为J。冲击韧性与温度有关，当温度低于某一负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在寒冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构，除应有常温冲击韧性的保证外，尚应依钢材的类别，使其具有-20oC或-40oC的冲击韧性保证，应AKV≥27J（焦耳）。将试件弯成180o，若试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。综合反映钢材的塑性性能和冶金质量。重要结构中需要有良好的冷热加工性能时，应有冷弯合格保证。

四、钢材受压和受剪时的性能

钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似，但屈服点τy及抗剪强度τu均低于fy和fu；剪变模量G也低于弹性模量E。第三节影响钢材性能的主要因素一、化学成分的影响碳(C)、锰（Mn）、钒（V）是有利元素，但也要注意对含量的限制。硫（S）、磷（P）氧（O）、氮（N）会降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应严格限制含量。二、钢材生产过程的影响1.冶炼炉种的影响

已无必要强调炉种的影响。2.钢的脱氧

钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不同，把钢分为沸腾钢(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(Z)和特殊镇静钢(TZ)。3.钢材的轧制

将钢锭加热至1200～1300oC

，通过轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧钢材。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。钢材的压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大时，其强度和冲击韧性也愈高。三、温度的影响正温度范围内（t>0oC）:t<200oC时，钢材的性能变化不大。t在250oC左右，钢材塑性和韧性下降，破坏常呈脆性破坏特征。t

=(260～320)oC时，钢材有徐变现象。t>300oC时，钢材的强度和E开始显著下降，而δ显著增大。当t>400oC时，钢材的强度和E都急剧降低，t>600oC时其承载能力几乎丧失。在负温度范围内（t<0oC）：随着温度降低，塑性和韧性降低，材料变脆，称为低温冷脆。钢材冲击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温度t0称为脆性转变温度。设计选用钢材时应使其脆性转变温度区的下限温度t1低于结构所处的工作环境温度，即可保证钢结构低温工作的安全。

四、冷加工硬化和时效硬化1.应变硬化钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形，从而使fy提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种现象称为冷加工硬化。2.时效硬化钢材经过一定时间后强度提高但塑性降低，这种现象称为时效硬化。不同种类钢材的时效硬化过程可从几小时到数十年。3.人工时效使钢材产生10%的塑性变形，再加热到200～300oC，然后冷却到室温进行试验。这样可使时效在几小时内完成。4.设计要求钢结构设计一般不利用冷加工硬化造成的强度提高，而且对直接承受动力荷载的钢结构还应设法消除冷加工硬化的影响，如将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。

五、复杂应力状态的影响

在复杂应力如平面或立体应力作用下，钢材的屈服并不只取决于某一方向的应力，而是由反映各方向应力综合影响的屈服条件来确定。同号应力场使材料脆性加大。

六、应力集中的影响钢构件在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部位应力较低，称为应力集中。在应力高峰区域存在着同号的双向或三向应力。这种同号的双向或三向应力场有使钢材变脆的趋势。应力集中系数越大，变脆的倾向亦愈严重。在负温下或动力荷载作用下，应力集中往往是引起脆性断裂的根源，设计中应设法避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。第四节钢材的疲劳一、钢材疲劳的基本概念钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强度甚至低于屈服点时突然断裂，称为钢材的疲劳或疲劳破坏。钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致应力集中。在多次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数n（疲劳寿命）时，裂纹扩展使得净截面承载力不足以承受外力作用时，构件突然断裂，发生疲劳破坏。疲劳破坏一般经历裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。

二、疲劳计算反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。Δσ=σmax-σmin称为应力幅，表示应力变化的幅度。试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最大应力σmax作用的结果，而是焊缝部位足够大小的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳寿命不仅与应力幅有关，还与其他因素有关。规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力幅，以反映其实际工作情况。疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和变幅疲劳两种情况进行计算。1.常幅疲劳计算

Δσ≤[Δσ]C、β——参数，根据表2—2中的构件和连接类别按表2-3采用。Δσ——对焊接部位△σ=σmax-σmin；对非焊接部位△σ=σmax-0.7σmin。由上式可见，容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同钢材具有相同的抗疲劳性能。2.变幅疲劳计算可近似地按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅Δσe，按下式进行疲劳计算：

吊车梁：根据实测结果，推算出设计基准期50年内各种吊车梁的应力循环总次数n(等效于满荷载时n=2106次)

，相应的欠载效应的等效系数f值如表2—3所示，重级工作制吊车梁的疲劳验算公式为

当n≥105时，应进行疲劳计算。疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算公式是以实验为依据的，实验中已包含了动力的影响，故荷载应采用标准值且不乘动力系数，应力幅按弹性工作计算。在完全压应力（不出现拉应力）循环中，由于压应力不会使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况可不进行疲劳计算。

三、疲劳计算应注意问题第五衡节睛钢梯材的劝钢种蚊、钢眨号及它选择1.窝碳皂素结偷构钢钢号侵由代困表屈经服点此的字棒母Q、屈服牧强度命数值（t≤1谎6m部m时至的fy，单保位是N/化mm2）、质量算等级廉符号努（分市为A、滥B、社C、站D四级伐，质熟量依佩次提鬼高）迫、脱逗氧方稍法符动号（语沸腾进钢、锁半镇匪静钢吵、镇暂静钢内和特黎殊镇棚静钢裳的代杜号分片别为F、脸b、享Z和TZ，其尾中Z和述TZ在钢惕号中削省略夜不写派）等校四个垄部分止按顺望序组血成。织例如金Q2售35图-B疤·F曲,熊表示修屈服逮强度炒为2锹35N/权mm2的B朽级沸滴腾钢乌。钢抖材的丙质量稻等级井中，锅A、缩慧B级尾钢按秃脱氧粗方法纽奉可为惕沸腾录钢、拳半镇丸静钢淘或镇碑静钢盾，C纸级为闻镇静轻钢，滩D级减为特提殊镇茄静钢度。一、冶钢种钢材假的种病类，炼钢结由构常傻用的症是碳纽奉素结钳构钢资和低诞合金眯结构批钢。二、猪钢号锤钢滑材的倾牌号河简称怕为钢燥号。2.脆低合饰金结川构钢低合伯金结称构钢粘是在迹冶炼雾碳素底结构棍钢时灵加入蜘一种愈或几悔种适啦量的鸭合金援元素诱而成条的钢米。其衡钢材体牌号帖的表践示方郑法与闭碳素河结构睬钢相紫似，何但质瓶量等暑级分所为A、护B、饱C、虹D、北E五级死，且跨无脱卷氧方槽法符称号。呈例如Q3匙45础-B恰，Q萍39月0-啊D，境Q4杜20驰-E汉。3.路专用筑结构边钢(1参)特识殊用松途的完钢结须构常赔采用春专用交结构若钢。位专用肠结构权钢的福钢号墓用在翻相应祥钢号师后再嫂加上漫专业隐用途没代号罩（压绵力容似器、永桥梁段、船守舶和牵锅炉矛用钢扬材的缓专业符用途乱代号讨分别般为R寨、q观、C弱和g矩）来夸表示拴。(2屯)耐秒候钢骂在钢庭材冶哑炼时捆加入恭少量宁的合德金元四素如素Cu京、C通r、言Ni总、M孝o、稼Nb翅、T消i、草Zr沙、V养等，切提高罪钢材户的耐杏腐蚀探性能旧。也划称为哨耐大送气腐干蚀钢乓。例竞如1春5M镜nC跟uC泛r—遍QT叶钢表庭示含光碳量排为0幻玉.1绞5%杀，合书金元务素为鸭锰、认铜、辫铬的隆淬火因加回爹火热扫处理盆耐候咸钢。（3嘉）连内接用书钢编钢结虫构连所接中暮的铆膝钉、帝高强临度螺拍栓、蝴焊尘条用茂钢丝参等，制也采局用满密足各序自连温接件恢要求皂的专厅门用颤钢。三、蝇钢材展的选聪择钢材晌的选膜择既府要确联定所地用钢袍材的填钢号肯，又恨要提桶出应大有的逗机械楚性能钉和化崖学成搏分保奇证项迅目，伯是钢算结构遣设计阿的首壁要环决节。铺选材特的基丢本原欧则是筝既保荣证安烂全可与靠，日又经篇济合门理。险钢材炸的质廉量等猾级愈乐高，闭其价肿格也禾愈高沃。因泽此应扩根据器结构饿的不货同特观点，次来选赚择适渐宜的讨钢材弹。四、耗常用率钢材航的规梦格钢结共构所寄用钢商材主冠要是公热轧继成型捕的钢滴板、逢型钢国（图碑2-席9)绍和冷哥加工夸（冷豪弯、守冷压娇和冷陵轧）察成型金的薄雷壁型宰钢（概图2纪-1皇0)嚷。1.热轧升钢板钢板榜的标窗注符烘号是沿“－士（截至面代积号）梅宽度纱×厚貌度×额长度彼”，期单位城为mm敲，亦可讨用“浩－宽挑度×糠厚度世”或求“－记厚度江”来絮表示鞋。如－36咽0×于12艘×3活60杂0，端亦可狱表示矛如－蔑36渡0×齐12物或－组12娘。2.滑热轧姻型钢（1士）角淡钢分为岁等边阿和不摧等边报角钢厦两种巡寿。角革钢标技注符面号是放“∟肯边宽激×厚班度（舰等边炮角钢扰）或创∟长碗边宽兴×短豪边宽玩×厚款度（棕不等毙边角染钢）俯，单呢位为受mm悬”。黄如∟伟10省0×克8和速∟1监00防×8息0×攀8。（2）域槽钢有热绿轧普穴通槽挠钢和睛轻型思槽钢柳两种记。槽询钢规践格用惹槽钢企符号身（普毅通槽乔钢和旦轻型仆槽钢葱的符寸号分遵别为[和Q[）和巴截面委高度瓶（单栏位为邪cm箩）表颠示，哀当腹北板厚删度不萌同时混，还驰要标添注出拣腹板屋厚度宋类别叛符号师a、煮b、挎c，邪例如[10降、[20慈a、Q[20贪a。安与普醉通槽班钢截束面高挪度相凶同的敏轻型设槽钢页的翼祖缘和巴腹板丢均较置薄，箱截面习面积泡小但维回转彼半径壤大。（3购）工添字钢有普昼通工铅字钢底和轻浑型工佩字钢葡两种押。标滴注方娘法与赶槽钢佳相同率，但隙槽钢变符号简“[”挤应改渗为切“I”,尊例如I18管、I50砖a、QI50仇。（4胸）H袍型钢H型麦钢比残工字印钢的匀翼缘俭宽度裂大并惭为等晨厚度羊，截止面抵佩抗矩透较大锡且质赛量较宜小，且便于霞与其撇它构盟件连惧接。数热轧喂H型部钢分勾为宽恭、中殖、窄剥翼缘相H型作钢，汉它们扁的代炊号分炎别为劝HW晌、H胞M和头HN厚。标抛注方难法与黎槽钢做相同挥，但恋代号驴“[帝”座应改奋变为闯”H签”妻，例聋如H绸W2灯60解a、炉HM舒36爪0、是HN略30吉0b证。钢管钢结歪构中辣常用愤热轧平无缝脾钢管荡和焊帆接钢督管。祸用“Ф外释径×嗽壁厚删”表锐示，书单位蔬为m慎m，袜例如投Ф3尝60叉×6乘。3.羞薄壁尸型钢薄壁宾型钢梯通常渔是用刚1.稿5～概6m戚m厚愤的薄板钢板顾冷加父工而践成，穴其截巩面形辱式和独尺寸医可按父工程川要求术合理因设计粘。与裂相同司截面笔积的柔热轧嫌型钢织相比鸡，其仍截面复抵抗核矩大裤，钢孕材用况量可请显著烤减少应。但扯因板虑壁较呜薄，般对锈纲蚀影肃响较讨为敏寇感。五、诵其它吉钢材沫的使思用当上稳述钢社材不伍能满剥足要抽求时缸，还众可选编用优址质碳元素结喜构钢滋或其姐它低定合金欠钢。易当在巧有腐盼蚀介禽质中梯使用钥钢结烤构时撒，可始采用袄耐侯悼钢。感具体抖可参所考《左钢结降构材途料手傲册》烂。六、辈我国麻目前穴建筑面钢材饶存在毒的主斩要问茫题1．成厚板来可焊炎性差咳，Q纽奉34羡5等坝厚板知焊接绢时，叼易出啄现层弱状撕挤裂。亮应采斩用Z礼向钢精，即桂《厚米度方多向性堂能钢葬板G睛B5物31绩3》害，要介求沿龟厚度梯方向掌有良裤好的城抗层事状撕束裂性弱能，封用厚昂度方庭向拉轮力试交验的布断面裂收缩掠率来竹评定吧。应运生产则优质材特厚矛钢。2．锁高强馆度低哨合金余结构烤钢在遭冷弯伞薄壁吐型钢醒中的雁应用迎尚未御解决哪好，资不能猾满足适轻型炮房屋滋钢结驾构的射需要举。主秩要应薄解决雅其冲完压性赔差的夸问题通。3．组我国布现只耽能生御产镀乌锌钢侨板，哗不能怕生产不抗腐壤蚀性繁能更尽好的留镀铝凳锌钢驳板，侨。需紫引进舱生产老线或捞专利耽来解偷决。4．凝型材皂品种患规格己还不藏能满孙足建见筑需甘要。注要开曾发生注产薄想壁热夕轧H拘型钢达等。5．拉建筑僵用高万强度遵低合扩金结职构钢普品种纽奉太少难，应鞭用比述重较彻低。撒生产悠耐火里钢。第六膏节洞国踢外钢鞋材品意种和汇钢号尘简介各国腔的钢邮号基仙本上哀是以祸强度完等级博来划获分，帖表示班方式尘为：字首常符号链钢索材的肿强度暗值死钢材挠质量弹等级字首纱符号介：美国继采用盖A(邪Al特lo惑y)塘；日旋本采吃用S孕S（巴一般灶结构剩用轧先制钢听材，霸第一烘个S娱为S森te支el饭的第煤一个他字母骄）、野SM劝（焊杜接结油构用或轧制陈钢材绿）、