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1、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nfu、fy高。用到fy ，fy高可减轻结构自重。 fy / fu太小浪费，太大安全储备小。通常在0.60.7 。n塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，抗 动力荷载好，耐疲劳。n良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。n耐腐性好。n价格便宜。n有时还要求钢材具有适应低
2、温、高温等环境的 能力。n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。n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。n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（100C3
3、50C) 、以满足静力 加载的加载速度一次加载所得钢材的应力应 变曲线显示的钢材机械性能如下： (1)弹性阶段 0oC）: t300oC时，钢材 的强度和E开始显著下降，而显著增大。当 t400oC时，钢材的强度和E都急剧降低， t600oC时其承载能力几乎丧失。n在负温度范围内 （t0oC）：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
4、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 钢材中的C、N随着时间的增长和温 度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材强 度提高但塑性降低的“老化”现象称之为时效 硬化。不同钢种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200300 oC，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
5、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n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。n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
6、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。在反复荷载作用下，微观裂纹 不断开展，应力集中加剧。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n反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循 环。=max-min称为应力幅，表示应力变化的 幅度。 n试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义 最大应力max作用的结果，而是焊缝部位足够 大小的应力
7、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。n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C、参数，根据表22中的构件和连接 类别按表2-3采用。 对焊接部位 =max-min；对非焊接 部位 =max-0.7min。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n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e，按下式进 行疲劳计算：n吊车梁：根据实测结果，推算出设计
8、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23所示，重级工作制吊车梁的疲 劳验算公式为n当n105时，应进行疲劳计算。n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。n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节 钢材的钢种、钢号及选择1. 碳素结构钢 钢号由代表屈服点的字母Q、屈服强 度数值（t16mm时的fy，单位是N/mm2）
9、、质量等级 符号（分为A、B、C、D四级，质量依次提高）、脱 氧方法符号（沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静 钢的代号分别为F、b、Z和TZ，其中Z和TZ在钢号中 省略不写）等四个部分按顺序组成。例如Q235-BF, 表示屈服强度为235 N/mm2的B级沸腾钢。钢材的质 量等级中，A、B级钢按脱氧方法可为沸腾钢、半镇静 钢或镇静钢，C级为镇静钢，D级为特殊镇静钢。一、钢种 钢材的种类，钢结构常用的是碳素结 构钢和低合金结构钢。二、钢号二、钢号 钢材的牌号简称为钢号。钢材的牌号简称为钢号。 2. 低合金结构钢低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入 一种或几种适量的合金元素而成的钢。其钢材 牌号的
10、表示方法与碳素结构钢相似，但质量等 级分为A、B、C、D、E五级，且无脱氧方法符 号。例如Q345B，Q390D，Q420E。3. 专用结构钢(1)特殊用途的钢结构常采用专用结构钢。专 用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途 代号（压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材的专 业用途代号分别为R、q、C和g）来表示。(2)耐候钢 在钢材冶炼时加入少量的合金元素如Cu、Cr 、Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等，提高钢材的耐腐蚀 性能。也称为耐大气腐蚀钢。例如15MnCuCrQT钢 表示含碳量为0.15%，合金元素为锰、铜、铬的淬火 加回火热处理耐候钢。 （3）连接用钢 钢结构连接中的铆钉、高强度螺
11、栓、焊 条用钢丝等，也采用满足各自连接件要求的专门用钢。 三、钢材的选择钢材的选择既要确定所用钢材的钢号，又要提 出应有的机械性能和化学成分保证项目，是钢结构 设计的首要环节。选材的基本原则是既保证安全可 靠，又经济合理。钢材的质量等级愈高，其价格也 愈高。因此应根据结构的不同特点，来选择适宜的 钢材。四、常用钢材的规格钢结构主要采用热轧型钢（图2-9)、冷加工（ 冷弯、冷压和冷轧）薄壁型钢（图2-10)。 1. 热轧钢板 标注 “（截面代号）宽度厚度 长度”，单位mm，亦可用“宽度厚度”或“ 厚度”来表示。如360123600。 2. 热轧型钢 （1）角钢 分为等边和不等边角钢两种。角钢标
12、注符号是“边宽厚度（等边角钢）或长 边宽短边宽厚度（不等边角钢），单位为 mm”。如1008和100808。（2）槽钢 有热轧普通和轻型槽钢两种。用槽钢 符号（普通和轻型槽钢分别为 和Q）和截面 高度（单位为cm）表示，当腹板厚度不同时， 还要标注出腹板厚度类别符号a、b、c，例如10 、20a、Q20a。与普通槽钢截面高度相同的轻 型槽钢的翼缘和腹板均较薄，截面面积小但回 转半径大。 （3）工字钢 有普通工字钢和轻型工字钢两种。 标注方法与槽钢相同，但槽钢符号“” 应改为 “I”,例如I18、I50a、QI50。 （4）H型钢 H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为 等厚度，截面抵抗矩较大且质量较小
13、，便于与 其它构件连接。热轧H型钢分为宽、中、窄翼 缘H型钢，它们的代号分别为HW、HM和HN。 标注方法与槽钢相同，但代号“” 应改变为 ”H” ，例如HW260a、HM360、HN300b。钢管 钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管。 用“外径壁厚”表示，单位为mm，例如 3606。 3.薄壁型钢薄壁型钢通常是用1.56mm厚的薄钢板冷 加工而成，其截面形式和尺寸可按工程要求合 理设计。与相同截面积的热轧型钢相比，其截 面抵抗矩大，钢材用量可显著减少。但因板壁 较薄，对锈蚀影响较为敏感。 五、其它钢材的使用当上述钢材不能满足要求时，还可选用优 质碳素结构钢或其它低合金钢。当在有腐蚀介 质中使
14、用钢结构时，可采用耐侯钢。具体可参 考钢结构材料手册。 六、我国目前建筑钢材存在的主要问题 1厚板可焊性差，Q345等厚板焊接时，易出现层状撕 裂。应采用Z向钢，即厚度方向性能钢板GB5313 ，要求沿厚度方向有良好的抗层状撕裂性能，用厚度 方向拉力试验的断面收缩率来评定。应生产优质特厚 钢。 2高强度低合金结构钢在冷弯薄壁型钢中的应用尚未 解决好，不能满足轻型房屋钢结构的需要。主要应解 决其冲压性差的问题。 3我国现只能生产镀锌钢板，不能生产抗腐蚀性能更 好的镀铝锌钢板，。需引进生产线或专利来解决。 4型材品种规格还不能满足建筑需要。要开发生产薄 壁热轧H型钢等。 5建筑用高强度低合金结构钢
15、品种太少，应用比重较 低。生产耐火钢。第六节 国外钢材品种和钢号简介各国的钢号基本上是以强度等级来划分，表示方式为 ：字首符号 钢材的强度值 钢材质量等级字首符号：美国采用A(Alloy)；日本采用SS（一般 结构用轧制钢材，第一个S为Steel的第一个字母）、 SM（焊接结构用轧制钢材）、SMA（焊接结构用耐候 性轧制钢材）等；德国采用St（德文钢Stahl）；意大 利采用Fe；法国采用A、E等；独联体各国采用C（俄 文钢的第一个字母）；英国无字首符号。钢材的强度值:单位一般为N/mm 2 ，但美国为Ksi( 千磅英寸2 )。强度值有的采用fu，有的采用fy 。ISO 国际标准、欧共体各国、
16、日本等采用fu，美国、独联 体各国等采用fy。钢材质量等级:分为A、B、C、D、E等。 各国钢材品种与我国钢材品种对应表 中国 美 国日 本英 国 法 国 德 国俄罗斯235A36SS400SM400 SMA400 40E24St37C235Q345 A572-50SM490YA SM490YB SM520 50DE36St44C345Q390 A572-60 SM57050FA50St50C390 Q420 A572-65 A60St60C440各国钢材标准不同，很难明确地找出与我国钢 材品种之间的相应关系，正确做法是检查它们提供 的质保书(化学成分和机械性能)，以确定该钢种与 我国哪个钢种是可代替的。以强度为依据的各国钢 材与我国钢材相应关系列于下表 。
