第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料

學習本章的主要目的是如何選擇鋼材。這就要求首先掌握鋼材的性能，其中最重要的是脆斷。

第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)對所用材料的要求

一、鋼材的破壞形式1.塑性破壞：鋼材在產(chǎn)生很大的變形以后發(fā)生的斷裂破壞稱為塑性破壞，也稱為延性破壞。

2.脆性破壞：鋼材在變形很小的情況下突然發(fā)生斷裂破壞。

二、鋼結(jié)構(gòu)對所用材料的要求物美價廉強度fy、fu高。強度高可減輕結(jié)構(gòu)自重。塑性、韌性、耐久性好?？煞乐勾嘈云茐?，抗動力荷載好，耐疲勞。良好的加工性能。冷、熱加工和可焊性好。耐腐性好。價格便宜。有時還要求鋼材具有適應低溫、高溫等環(huán)境的能力?！朵摻Y(jié)構(gòu)設計規(guī)范（GB50017)》推薦使用：碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼中的Q345鋼、Q390鋼、Q420鋼。隨著研究的深入，必將有一些滿足要求的其它種類鋼材可供使用。若選用鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范還未推薦的鋼材時，需有可靠的依據(jù)，以確保鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。專用鋼結(jié)構(gòu)用材見相關(guān)規(guī)范。第二節(jié)鋼材的主要機械性能鋼材的機械性能（力學性能）通常是指鋼廠生產(chǎn)供應的鋼材在標準條件下拉伸、冷彎和沖擊等單獨作用下顯示出的各種機械性能。它們由相應實驗得到，試驗采用的試件的制作和試驗方法都必須按照各相關(guān)國家標準規(guī)定進行。一、單向拉伸時的性能

標準試件在室溫（100C～350C)、以滿足靜力加載的加載速度一次加載所得鋼材的應力σ～ε應變曲線顯示的鋼材機械性能如下：(1)彈性階段σ≤fp，σ與ε呈線性關(guān)系，稱該直線的斜率E為鋼材的彈性模量。在鋼結(jié)構(gòu)設計中，對所有鋼材統(tǒng)一取E=2.06×105N/mm2。(2)彈塑性階段σ與ε呈非線性關(guān)系，切線模量Et＝dσ/dε,Et隨應力增大而減小，當σ=fy時，Et=0。

(3)塑性階段也稱屈服階段，σ=fy后鋼材暫時不能承受更大的荷載，且伴隨產(chǎn)生很大的變形，因此鋼結(jié)構(gòu)設計取fy作為強度極限承載力的標志。(4)強化階段試件能承受的最大拉應力fu為鋼材的抗拉強度。取fy作為強度極限承載力的標志，fu就成為材料的強度儲備。(5)頸縮破壞階段(6)可把鋼材視為理想彈塑性體。(7)伸長率δ=(l1-l0)/l0*100%,反映鋼材的塑性變形能力。二、冷彎性能

三、沖擊韌性

沖擊韌性值用擊斷試樣所需的沖擊功AKV表示,單位為J。沖擊韌性與溫度有關(guān)，當溫度低于某一負溫值時，沖擊韌性值將急劇降低。因此在寒冷地區(qū)建造的直接承受動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)，除應有常溫沖擊韌性的保證外，尚應依鋼材的類別，使其具有-20oC或-40oC的沖擊韌性保證，應AKV≥27J（焦耳）。將試件彎成180o，若試件外表面不出現(xiàn)裂紋和分層，即為合格。綜合反映鋼材的塑性性能和冶金質(zhì)量。重要結(jié)構(gòu)中需要有良好的冷熱加工性能時，應有冷彎合格保證。

四、鋼材受壓和受剪時的性能

鋼材在單向受壓（短試件）時，受力性能基本上與單向受拉相同。受剪的情況也相似，但屈服點τy及抗剪強度τu均低于fy和fu；剪變模量G也低于彈性模量E。第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素一、化學成分的影響碳(C)、錳（Mn）、釩（V）是有利元素，但也要注意對含量的限制。硫（S）、磷（P）氧（O）、氮（N）會降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞性能。應嚴格限制含量。二、鋼材生產(chǎn)過程的影響1.冶煉爐種的影響

已無必要強調(diào)爐種的影響。2.鋼的脫氧

鋼液中殘留的氧，將使鋼材晶粒粗細不勻并發(fā)生熱脆。因此澆注鋼錠時要在爐中或盛鋼桶中加入脫氧劑以消除氧。因脫氧程度或方法不同，把鋼分為沸騰鋼(F)、半鎮(zhèn)靜鋼(b)、鎮(zhèn)靜鋼(Z)和特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ)。3.鋼材的軋制

將鋼錠加熱至1200～1300oC

，通過軋鋼機將其軋成所需形狀和尺寸的鋼材，稱為熱軋鋼材。軋鋼機的壓力作用可使鋼錠中的小氣泡和裂紋彌合，并使組織密實。鋼材的壓縮比（鋼坯與軋成鋼材厚度之比）愈大時，其強度和沖擊韌性也愈高。三、溫度的影響正溫度范圍內(nèi)（t>0oC）:t<200oC時，鋼材的性能變化不大。t在250oC左右，鋼材塑性和韌性下降，破壞常呈脆性破壞特征。t

=(260～320)oC時，鋼材有徐變現(xiàn)象。t>300oC時，鋼材的強度和E開始顯著下降，而δ顯著增大。當t>400oC時，鋼材的強度和E都急劇降低，t>600oC時其承載能力幾乎喪失。在負溫度范圍內(nèi)（t<0oC）：隨著溫度降低，塑性和韌性降低，材料變脆，稱為低溫冷脆。鋼材沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線反彎點所對應的溫度t0稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。設計選用鋼材時應使其脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的下限溫度t1低于結(jié)構(gòu)所處的工作環(huán)境溫度，即可保證鋼結(jié)構(gòu)低溫工作的安全。

四、冷加工硬化和時效硬化1.應變硬化鋼材在常溫下加工稱為冷加工。冷軋、冷彎、沖孔、機械剪切等冷加工使鋼材產(chǎn)生很大的塑性變形，從而使fy提高，但同時降低了鋼材的塑性和韌性，這種現(xiàn)象稱為冷加工硬化。2.時效硬化鋼材經(jīng)過一定時間后強度提高但塑性降低，這種現(xiàn)象稱為時效硬化。不同種類鋼材的時效硬化過程可從幾小時到數(shù)十年。3.人工時效使鋼材產(chǎn)生10%的塑性變形，再加熱到200～300oC，然后冷卻到室溫進行試驗。這樣可使時效在幾小時內(nèi)完成。4.設計要求鋼結(jié)構(gòu)設計一般不利用冷加工硬化造成的強度提高，而且對直接承受動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)還應設法消除冷加工硬化的影響，如將局部硬化部分用刨邊或擴鉆予以消除。

五、復雜應力狀態(tài)的影響

在復雜應力如平面或立體應力作用下，鋼材的屈服并不只取決于某一方向的應力，而是由反映各方向應力綜合影響的屈服條件來確定。同號應力場使材料脆性加大。

六、應力集中的影響鋼構(gòu)件在缺陷或截面變化處附近將產(chǎn)生局部高峰應力，其余部位應力較低，稱為應力集中。在應力高峰區(qū)域存在著同號的雙向或三向應力。這種同號的雙向或三向應力場有使鋼材變脆的趨勢。應力集中系數(shù)越大，變脆的傾向亦愈嚴重。在負溫下或動力荷載作用下，應力集中往往是引起脆性斷裂的根源，設計中應設法避免或減小應力集中，并選用質(zhì)量優(yōu)良的鋼材。第四節(jié)鋼材的疲勞一、鋼材疲勞的基本概念鋼材在反復荷載作用下，在應力低于鋼材抗拉強度甚至低于屈服點時突然斷裂，稱為鋼材的疲勞或疲勞破壞。鋼結(jié)構(gòu)中總存在有微觀裂紋或類似的缺陷，導致應力集中。在多次反復荷載作用下，微觀裂紋不斷開展，應力集中現(xiàn)象越來越嚴重。當荷載反復循環(huán)達一定次數(shù)n（疲勞壽命）時，裂紋擴展使得凈截面承載力不足以承受外力作用時，構(gòu)件突然斷裂，發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞一般經(jīng)歷裂紋形成、裂紋緩慢擴展和最后迅速斷裂三個階段。

二、疲勞計算反復荷載作用產(chǎn)生的應力重復一周叫做一個循環(huán)。Δσ=σmax-σmin稱為應力幅，表示應力變化的幅度。試驗表明，焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞并不是名義最大應力σmax作用的結(jié)果，而是焊縫部位足夠大小的應力幅反復作用的結(jié)果。非焊接結(jié)構(gòu)的的疲勞壽命不僅與應力幅有關(guān)，還與其他因素有關(guān)。規(guī)范把疲勞計算公式中的應力幅調(diào)整為折算應力幅，以反映其實際工作情況。疲勞計算的公式是以試驗為依據(jù)的，分為常幅和變幅疲勞兩種情況進行計算。1.常幅疲勞計算

Δσ≤[Δσ]C、β——參數(shù)，根據(jù)表2—2中的構(gòu)件和連接類別按表2-3采用。Δσ——對焊接部位△σ=σmax-σmin；對非焊接部位△σ=σmax-0.7σmin。由上式可見，容許應力幅與鋼材的強度無關(guān)，這表明不同鋼材具有相同的抗疲勞性能。2.變幅疲勞計算可近似地按照線性疲勞累積損傷原則，將隨機變化的應力幅折算為等效應力幅Δσe，按下式進行疲勞計算：

吊車梁：根據(jù)實測結(jié)果，推算出設計基準期50年內(nèi)各種吊車梁的應力循環(huán)總次數(shù)n(等效于滿荷載時n=2106次)

，相應的欠載效應的等效系數(shù)f值如表2—3所示，重級工作制吊車梁的疲勞驗算公式為

當n≥105時，應進行疲勞計算。疲勞計算采用的是容許應力幅法，計算公式是以實驗為依據(jù)的，實驗中已包含了動力的影響，故荷載應采用標準值且不乘動力系數(shù)，應力幅按彈性工作計算。在完全壓應力（不出現(xiàn)拉應力）循環(huán)中，由于壓應力不會使裂紋繼續(xù)擴展，故規(guī)范規(guī)定此種情況可不進行疲勞計算。

三、疲勞計算應注意問題第五節(jié)鋼材的鋼種、鋼號及選擇

1.碳素結(jié)構(gòu)鋼

鋼號由代表屈服點的字母Q、屈服強度數(shù)值（t≤16mm時的fy，單位是N/mm2）、質(zhì)量等級符號（分為A、B、C、D四級，質(zhì)量依次提高）、脫氧方法符號（沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的代號分別為F、b、Z和TZ，其中Z和TZ在鋼號中省略不寫）等四個部分按順序組成。例如Q235-B·F,表示屈服強度為235N/mm2的B級沸騰鋼。鋼材的質(zhì)量等級中，A、B級鋼按脫氧方法可為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼或鎮(zhèn)靜鋼，C級為鎮(zhèn)靜鋼，D級為特殊鎮(zhèn)靜鋼。一、鋼種

鋼材的種類，鋼結(jié)構(gòu)常用的是碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。二、鋼號鋼材的牌號簡稱為鋼號。

2.侄低合金結(jié)蕩構(gòu)鋼低合金番結(jié)構(gòu)鋼道是在冶徹煉碳素像結(jié)構(gòu)鋼猛時加入低一種或輔幾種適得量的合形金元素狡而成的某鋼。其米鋼材牌燭號的表粥示方法拜與碳素非結(jié)構(gòu)鋼被相似，稼但質(zhì)量合等級分掠為A、B、眼C、D、晉E五級，且談無脫氧方貪法符號。恐例如Q345泰-B，Q望390-愈D，Q4題20-E道。3.代專用胞結(jié)構(gòu)鋼(1)萌特殊用艦途的鋼唉結(jié)構(gòu)常淋采用專咸用結(jié)構(gòu)捧鋼。專粒用結(jié)構(gòu)晴鋼的鋼欣號用在尼相應鋼皂號后再預加上專耐業(yè)用途磚代號（爐壓力容輸器、橋陸梁、船督舶和鍋笑爐用鋼適材的專障業(yè)用途蛛代號分按別為R慘、q、記C和g棋）來表竿示。(2)耐雄候鋼芽在鋼材冶柄煉時加入蠢少量的合捏金元素如納Cu、C狐r、Ni況、Mo、繼Nb、T陜i、Zr胃、V等，傷提高鋼材督的耐腐蝕仗性能。也氏稱為耐大竭氣腐蝕鋼瞞。例如1顏5MnC跨uCr—詠QT鋼表斥示含碳量并為0.1牧5%，合榴金元素為撐錳、銅、港鉻的淬火位加回火熱渴處理耐候粘鋼。（3）連缺接用鋼兆鋼結(jié)跳構(gòu)連接中逝的鉚釘、踐高強度螺盤栓、焊匪條用鋼絲冬等，也采擋用滿足各欄自連接件系要求的專律門用鋼。三、鋼材棗的選擇鋼材的選曬擇既要確照定所用鋼抱材的鋼號匹，又要提鼓出應有的統(tǒng)機械性能寄和化學成夢分保證項均目，是鋼妙結(jié)構(gòu)設計備的首要環(huán)抬節(jié)。選材陜的基本原寒則是既保秤證安全可圖靠，又經(jīng)功濟合理。就鋼材的質(zhì)南量等級愈咳高，其價始格也愈高左。因此應塞根據(jù)結(jié)構(gòu)躺的不同特或點，來選向擇適宜的獵鋼材。四、常用鏈鋼材的規(guī)爹格鋼結(jié)構(gòu)所阿用鋼材主覽要是熱軋叨成型的鋼姐板、型鋼趙（圖2-辮9)和冷販加工（冷托彎、冷壓脹和冷軋）愿成型的薄砍壁型鋼（雜圖2-1爽0)。1.熱軋鋼本板鋼板的雨標注符家號是“粒－（截括面代號選）寬度財×厚度惱×長度拜”，單遣位為mm，亦可用判“－寬絮度×厚獸度”或您“－厚辦度”來脅表示。錦如－360意×12利×36語00，跌亦可表絨示如－皆360走×12稱或－1攻2。2.駁熱軋型鋼（1）角冶鋼分為等哪邊和不定等邊角忍鋼兩種博。角鋼沈標注符幣號是“星∟邊寬即×厚度隸（等邊踐角鋼）撤或∟長始邊寬×慎短邊寬懲×厚度敞（不等士邊角鋼抄），單曠位為m摸m”。憂如∟1融00×謎8和∟矛100肅×80柱×8。（2）槽駁鋼有熱軋普警通槽鋼和深輕型槽鋼狀兩種。槽滴鋼規(guī)格用皆槽鋼符號莖（普通槽道鋼和輕型丘槽鋼的符循號分別為[和Q[）和截面雪高度（單享位為cm鴉）表示，喇當腹板厚看度不同時濤，還要標骨注出腹板僻厚度類別握符號a、驅(qū)b、c，失例如[10、[20a、Q[20a?；嘏c普通槽嘆鋼截面高睡度相同的鴨輕型槽鋼鹿的翼緣和鉛腹板均較堆薄，截面賞面積小但回回轉(zhuǎn)半徑驗大。（3）肝工字鋼有普通工者字鋼和輕爽型工字鋼繭兩種。標胳注方法與唇槽鋼相同艦，但槽鋼恐符號“[”應癥改為特“I”,例訓如I18、I50a、QI50。（4）企H型鋼H型鋼比朽工字鋼的沙翼緣寬度墳大并為等芝厚度，截赤面抵抗矩物較大且質(zhì)鞋量較小，本便于與其薪它構(gòu)件連愧接。熱軋景H型鋼分渠為寬、中稿、窄翼緣怖H型鋼，嫩它們的代駝號分別為棍HW、H蘭M和HN暈。標注方宜法與槽鋼冬相同，但頓代號“[礎”應改禽變?yōu)椤盚帽”，例誘如HW2快60a、桌HM36叼0、HN惱300b驗。鋼管鋼結(jié)構(gòu)中姻常用熱軋也無縫鋼管胡和焊接鋼例管。用“Ф外徑×券壁厚”表礙示，單位化為mm，施例如Ф3班60×6嚷。3.薄壁邀型鋼薄壁型鋼猶通常是用精1.5～歸6mm厚哀的薄鋼板霉冷加工而話成，其截際面形式和煉尺寸可按團工程要求閘合理設計撕。與相同喚截面積的魔熱軋型鋼揭相比，其甜截面抵抗敬矩大，鋼撕材用量可柳顯著減少摔。但因板銜壁較薄，仆對銹蝕影黑響較為敏揀感。五、其鴉它鋼材倘的使用當上述政鋼材不而能滿足廁要求時裝，還可桌選用優(yōu)牲質(zhì)碳素響結(jié)構(gòu)鋼碧或其它奸低合金各鋼。當飽在有腐糾蝕介質(zhì)傳中使用狗鋼結(jié)構(gòu)淺時，可拒采用耐蒜侯鋼。魚具體可朵參考《到鋼結(jié)構(gòu)扒材料手楚冊》。六、我國驕目前建筑水鋼材存在礎的主要問摘題1．厚板音可焊性差框，Q34努5等厚板托焊接時，譯易出現(xiàn)層犁狀撕裂。冠應采用Z夫向鋼，即爭《厚度方告向性能鋼竿板GB5份313》衫，要求沿鳥厚度方向僵有良好的正抗層狀撕暢裂性能，卵用厚度方傘向拉力試攻驗的斷面害收縮率來簽評定。應電生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)夠特厚鋼。2．高強熱度低合金坦結(jié)構(gòu)鋼在奇冷彎薄壁后型鋼中的遺應用尚未服解決好，極不能滿足次輕型房屋鉆鋼結(jié)構(gòu)的劉需要。主績要應解決辦其沖壓性狹差的問題蔥。3．我址國現(xiàn)只躍能生產(chǎn)貨鍍鋅鋼毅板，不夢能生產(chǎn)碑抗腐蝕玩性能更準好的鍍變鋁鋅鋼膚板，。簽需引進糕生產(chǎn)線杠或?qū)＠皝斫鉀Q屑。4．型材朋品種規(guī)格魔還不能滿遭足建筑需堂要。要開砍發(fā)生產(chǎn)薄申壁熱軋H襯型鋼等。5．建筑通用高強度旋低合金結(jié)裝構(gòu)鋼品種策太少，應騰用比重較疏低。生產(chǎn)徹耐火鋼。第六節(jié)煌國教外鋼材候品種和凈鋼號簡駐介各國的鄭鋼號基嚴本上是跨以強度繭等級來要劃分，臺表示方董式為：字首符號券鋼材的魂強度值平鋼材質(zhì)量騰等級字首符屈號：美國采總用A(格All爐oy)昏；日本崇采用S矩S（一征般結(jié)構(gòu)襯用軋制恨鋼材，番第一個率S為S揉tee啄l的第渴一個字捎母）、群SM（廉焊接結(jié)奶構(gòu)用