第18章-钢结构材料

《》模块四钢结构第18章钢结构及钢结构材料

钢结构广泛应用在：重型结构及大跨度建筑结构；多层、高层及超高层建筑结构；轻钢结构；塔桅等高耸结构；钢-混凝土组合结构。随着我国钢铁产量的日益增加以及我国用钢政策的调整，钢结构将会更加广泛地应用在各个领域。要深入了解钢结构的特性，首先必须了解钢结构常用材料的一些性能，例如，钢材的主要力学性能及钢结构用钢的种类。第18章钢结构材料18.1钢材的主要力学性能

钢结构在使用过程中会受到各种形式的作用，因此要求钢材应具有良好的力学性能、加工性能和耐腐蚀性能，以保证结构安全可靠。第18章钢结构及钢结构材料一、钢材的σ-ε曲线

低碳钢在单向拉伸时的σ-ε曲线是通过静力拉伸试验得到的，如图18-1所示。从图18-1可以看出，钢材的工作特性可以分成如下几个阶段：图18-1钢材的σ-ε曲线第18章钢结构及钢结构材料

1.弹性阶段（OAB段）在曲线OAB段，钢材处于弹性阶段，当荷载增加时变形也增加，当荷载降到0时（完全卸载）变形也降到0（曲线回到原点）。其中，OA段是一条线段，荷载与伸长成正比，符合胡克定律。A点对应的应力称为比例极限，用fp表示，B点对应的应力称为弹性极限，用fe表示。

2.屈服阶段（BCD段）当应力超过弹性极限后，应力不再增加，仅有些微小的波动；而应变却在应力几乎不变的情况下急剧增长，材料暂时失去了抵抗变形的能力。这个现象一直持续到D点。这种应力几乎不变，应变却不断增加，从而产生明显塑性变形的现象，称为屈服现象。第18章钢结构及钢结构材料

3.强化阶段（DE段）经过屈服阶段以后，从D点开始曲线又逐渐上升，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形，必须增加应力，这种现象称为材料的强化。此时钢材的弹性并没有完全恢复，塑性特性非常明显，此时若将外力慢慢卸去，应力-应变关系将沿着与OA近乎平行的直线下降。这说明材料的变形已不能完全消失，其中，能消失的变形称为弹性变形（应变）；残留下来的变形称为塑性变形（应变）。曲线最高点E点，是材料所能承受的最大荷载，其对应的应力，称为强度极限或抗拉强度，用fu表示。

4.颈缩阶段（EF段）当应力超过极限强度时，在试件材料质量较差处，截面出现横向收缩，截面面积开始显著缩小，塑性变形迅速增大，这种现象称为颈缩。此时，应力不断降低，变形却持续发展，直至F点试件断裂。第18章钢结构及钢结构材料

由以上现象可以看到，当应力到达屈服极限fy时，钢材会产生显著的塑性变形；当应力到达抗拉强度（强度极限）fu时，钢材会由于局部变形而导致断裂，这都是工程实际中应当避免的。因此，屈服极限和抗拉强度是反映钢材强度的两个主要性能指标，其他指标还有弹性模量、比例极限等。（1）比例极限（fp）应力小于比例极限时，应力-应变为直线关系。弹性极限比其略高，在应力小于弹性极限时，钢材处于弹性阶段，若在此时卸载，则拉伸变形可以完全恢复。应力-应变曲线的斜率就是钢材的弹性模量。第17章钢结构及钢结构材料

（2）屈服极限（fy）应力达到屈服极限后，应力保持不变而应变持续发展，形成屈服台阶，钢材进入塑性阶段。设计时，屈服极限被视为静力强度的承载力极限，其原因是：①屈服极限可以看成弹性工作和塑性工作的分界点。应力达到屈服极限后，塑性变形很大，极易察觉，可及时处理而不致破坏；②应力达到屈服极限后，钢材仍可以继续承载（到达极限强度后才破坏），这样，钢材有必要的安全储备。因此可以认为钢材是理想的弹塑性材料，并将屈服极限fy作为钢材弹性和塑性的分界点，如图18-2所示。这就为进一步发展钢结构的计算理论提供了基础。第18章钢结构及钢结构材料图18-2理想的弹塑性体高强度钢没有明显的屈服极限，以卸载后残余应变为0.2%所对应的应力作为屈服强度(有时用f0.2表示）。钢结构设计中对以上二者不加区别，统称为屈服强度，用fy表示。

(3)极限（抗拉）强度（fu）屈服台阶过后，钢材内部组织经过调整，对荷载的抵抗能力有所提高，钢材进入强化阶段。应力达到极限强度时，试件在最薄弱处出现“颈缩”现象，随之破坏。(4)屈强比

屈强比是指屈服强度和抗拉强度的比值，它是衡量钢材强度储备的一个系数。将屈服强度和抗拉强度的比值fy/fu定义为屈强比，作为衡量钢材强度储备的一个系数。屈强比越低，钢材的安全储备越大。第18章钢结构及钢结构材料二、钢材的塑性

塑性是指当应力超过屈服极限后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。衡量钢材塑性好坏的主要指标是伸长率δ和断面收缩率ψ。δ、ψ值愈大，钢材的塑性愈好。

1.伸长率伸长率δ是应力-应变曲线中的最大应变值，等于试件拉断后的原标距间长度的伸长值和原标距比值的百分率。即式中δ——伸长率；

l0——试件原标距间长度；

l1——试件拉断后的标距间长度。（18-1）第18章钢结构及钢结构材料

2.断面收缩率断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率，即式中A0——试件原断面面积；

A1——试件拉断后颈缩区的断面面积。

（18-2）第18章钢结构及钢结构材料三、钢材的冷弯性能

钢材的冷弯性能是指钢材在冷加工（常温下加工）中产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。钢材的冷弯性能用冷弯试验来检验。冷弯试验在材料试验机上进行，通过冷弯冲头加压，如图18-3所示。当试件弯曲至180°时，检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面。如无裂纹、断裂或分层，则认为试件冷弯性能合格。图18-3冷弯试验示意图

冷弯试验一方面可以检验钢材能否适应构件制作中的冷加工工艺过程；另一方面通过试验还能暴露出钢材的内部缺陷，鉴定钢材的塑性和可焊性。冷弯试验是鉴定钢材质量的一种良好方法，是衡量钢材力学性能和冶金质量的综合指标。第18章钢结构及钢结构材料四、钢材的冲击韧性

钢材的强度和塑性指标是由静力拉伸试验获得的，用于承受动力荷载时，显然有很大的局限性。衡量钢材抗冲击性能的指标是钢材的韧性。韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，它与钢材的塑性有关而又不同于塑性，是强度与塑性的综合表现。韧性指标用冲击韧性值ak表示，用冲击试验获得。它是判断钢材在冲击荷载作用下是否出现脆性破坏的主要指标之一。在冲击试验中，一般采用截面尺寸为10mm×10mm，长度为55mm，中间开有小槽（夏氏V形缺口）的长方形试件，放在提锤式冲击试验机上进行试验，如图18-4所示。冲断试样后，可求出ak值。即第18章钢结构及钢结构材料图18-4冲击试验示意图式中ak——冲击韧性值，N·m/cm2（或J/cm2）；

Ak——冲击功，N·m（或J），由试验机上的刻度盘读出，或按式

Ak=W(h1-h2)计算；W——摆锤质量，N；

h1、h2——冲断前、后的摆锤高度，m；

An——试件缺口处的净截面面积，cm2。（18-3）第18章钢结构及钢结构材料五、钢材的可焊性

钢材的可焊性是指在一定工艺和结构条件下，钢材经过焊接能够获得良好的焊接接头的性能。可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。施工上的可焊性是指对产生裂纹的敏感性；使用性能上的可焊性是指焊接构件在焊接后的力学性能是否低于母材的性能。一般来说，可焊性良好的钢材，用普通的焊接方法焊接后焊缝金属及其附近热影响区的金属不产生裂纹，并且其机械性能不低于母材的机械性能。18.2钢材的破坏

钢材虽然具有较好的塑性性能，但仍存在塑性破坏和脆性破坏两种可能。

1.塑性破坏塑性破坏也称为延性破坏。它的特征是构件应力超过屈服极限fy，并达到抗拉强度fu后，构件产生明显的变形并断裂；塑性破坏的断口常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。塑性破坏在破坏前有很明显的变形，并有较长的变形持续时间，便于发现和补救。

2.脆性破坏脆性破坏在破坏前无明显变形，平均应力亦小（一般都小于屈服极限），没有任何预兆，破坏断口平直并呈有光泽的晶粒状。脆性破坏是突然发生的，危险性大，应尽量避免。第18章钢结构及钢结构材料第18章钢结构及钢结构材料

影响钢材脆断的直接因素是裂纹尺寸、作用应力和材料的韧性。提高钢材抗脆断性能的主要措施有：（1）加强施焊工艺管理，避免施焊过程中产生裂纹、夹渣和气泡等。（2）焊缝不宜过分集中，施焊时不宜过强约束，避免产生过大残余应力。低温下发生低应力的脆断，常与残余应力有关。（3）进行合理细部构造设计，避免产生应力集中。应力集中处会产生同号应力场，使钢材变脆。尽量避免采用厚钢板，厚钢板比薄钢板较易脆断。（4）选择合理的钢材，钢材化学成分与钢材抗脆断能力有关，含碳量多的钢材，抗脆断性能有所下降。对于在低温下工作的钢结构，应选择抗低温冲击韧性好的材料。此外，冷加工、加载速度等对钢材脆断性能都有影响，在设计中应加以注意。

18.3建筑钢结构用钢材一、碳素结构钢

碳素结构钢是最普遍的工程用钢，按其含碳量的多少，又可分成低碳钢、中碳钢和高碳钢三种。通常把含碳量为0.03%～0.25%的钢材称为低碳钢，含碳量为0.25%～0.60%的钢材称为中碳钢，含碳量为0.60%～2.0%的钢材称为高碳钢。建筑钢结构主要使用的钢材是低碳钢。

1.普通碳素结构钢按照最新国家标准《碳素结构钢》（GB/T700-2006

）规定，碳素结构钢分为四个牌号，即Q195、Q215、

Q235和Q275。第18章钢结构及钢结构材料

牌号由代表屈服极限的字母、屈服极限数值、质量等级、脱氧方法符号四个部分按顺序组成。其中

Q——钢材屈服极限，“屈”字汉字拼音首字母；

A、B、C、D——质量等级；

F——沸腾钢；

b——半镇静钢；

Z——镇静钢；

TZ——特殊镇静钢，相当于桥梁钢。第18章钢结构及钢结构材料

对于Q235来说，A、B两级钢的脱氧方法可以是“Z”、“b”或“F”，C级钢只能是“Z”，D级钢只能是“TZ”，其中，用“Z”与“TZ”符号时可以省略。例如：Q235—A·F表示屈服极限为235N／mm2的A级沸腾钢；

Q235—B表示屈服极限为235N／mm2的B级镇静钢。

2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢是以满足不同加工要求，而赋予相应性能的碳素钢。《优质碳素结构钢》（GB/T699—1999）中所列牌号适于建筑钢结构使用的有四个牌号，分别是Q195，Q215A、B，Q235A、B、C、D，Q275。第18章钢结构及钢结构材料

第18章钢结构及钢结构材料二、低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是指在炼钢过程中添加一些合金元素，其总量不超过5%的钢材、加入合金元素后钢材强度可明显提高，使钢结构构件的强度、刚度、稳定三个主要控制指标都能充分发挥，尤其在大跨度或重负载结构中优点更为突出，一般可比碳素结构钢节约20%左右的用钢量低合金高强度结构钢的牌号表示方法与碳素结构钢一致，即由代表屈服极限的汉语拼音首字母（Q）、屈服极限数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分按顺序排列表示。根据《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-2008）,钢的牌号共有Q345、Q390、Q420和Q460、Q500、Q550、Q620和Q690八种，随着质量等级的变化，其化学成分（熔炼分析）和力学性能也有变化。

在钢的冶炼过程中，加入少量特定的合金元素，一般为Cu、Cr、Ni等，使之在金属基体表面上形成保护层，以提高钢材耐大气腐蚀性能，这类钢统称为耐大气腐蚀用钢或耐候钢。我国现行生产的这类钢又分为高耐候结构钢和焊接结构用耐候钢两类。

1.高耐候结构钢按照即将实施的国家标准GB／T417l-2008的规定，这类钢材适用于耐大气腐蚀的建筑结构，产品通常在交货状态下使用。但作为焊接结构用材时，板厚应不大于16mm。这类钢的耐候性能比焊接结构用耐候钢好，故称为高耐候结构钢。高耐候结构钢按化学成分分为：铜磷钢和铜磷铬镍钢两类。三、耐大气腐蚀用钢（耐候钢）第18章钢结构及钢结构材料

其牌号表示方法是由分别代表“屈服极限”和“高耐候”的拼音首字母Q和GNH以及屈服极限数值组成，含Cr、Ni的高耐候结构钢在牌号后加代号“L”。例如，牌号Q345GNHL表示屈服极限为345MPa、含有铬、镍的高耐候结构钢。高耐候结构钢共分Q265GNH、Q295GNHL、Q310GNHL、Q355GNH四种牌号。

2.焊接结构用耐候钢这类耐候钢以保持钢材具有良好的焊接性能为特点，其适用厚度可达100mm。牌号表示由代表“屈服极限”的字母Q和“耐候”的字母NH以及钢材的质量等级（C、D、E）顺序组成；规定共为Q235NH、Q295NH、Q355NH、Q415NH、Q460NH、Q500NH、Q550NH七种牌号，钢材的质量等级只与钢材冲击韧件的试验温度与冲击功数值有关。第18章钢结构及钢结构材料四、建筑钢材的规格

钢结构所用的钢材主要有热轧钢板、型钢、圆钢以及冷弯薄壁型钢，还有热轧钢管和冷弯焊接钢管。如图18-5所示。第18章钢结构及钢结构材料图18-5建筑钢材的规格

1.热轧钢板和型钢

工字钢有普通工字钢和轻型工字钢。普通工字钢用号数表示，号数为截面高度的厘米数。20号以上的工字钢,同一号数根据腹板厚度不同分为a、b、c三类，如I32a、I32b、I32c。轻型工字钢比普通工字钢的腹板薄，翼缘宽而薄。

H型钢比工字钢的翼缘宽度大而且等厚，因此更高效。依据《热轧H型钢和部分T型钢》（