钢结构设计：钢结构材料

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1、钢结构设计：钢结构材料,第一节 建筑结构用钢的基本要求 第二节 钢材的主要机械性能 第三节 钢材的破坏形式 第四节 影响钢材性能的主要因素 第五节 建筑结构用钢的种类及选择,第一节 建筑结构用钢的基本要求, 钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。 1、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻； 2、较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载； 3、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能； 据以上要求,钢结构设计规范GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构

2、钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。,第二节 钢材的主要机械性能,一、单向拉伸试验曲线 根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用中，钢材的性能按理想弹塑性体考虑，fy为钢材拉、压强度标准值。,二、钢材的主要机械性能,钢材的强度：屈服强度和抗拉强度 钢材的塑性：伸长率 冷弯性能 冲击韧性,拉伸试验,荷载变形（FL）曲线 应力应变（）曲线,弹性阶段:斜直线的终点对应的应力为比例极限 ，弹性阶段的顶点对应的应力为弹性极限 。弹性模量 弹塑性阶段： 变形包括弹性变形和塑性变形， 切线模量 随应力的增加而逐渐减小。,强度,塑性阶段：弹塑性阶段后期的上下波动平台的下限点为屈服极限 。 强化阶段：屈服阶

3、段后，钢材内部组织经重新调整，又部分地恢复了继续承载能力，直至曲线的最高点为抗拉强度 。 颈缩阶段：应力达到抗拉强度时，试件局部出现横向收缩变细颈缩。,从静力拉伸实验得到结论,1、设计时取 为钢材达到最大应力值即为钢材强度标准值 。 、 、 很接近且变形又很小 、 钢材弹性阶段以屈服点为上限，当 后将产生很大变形 ，产生不适于继续使用上的过大变形。 2、当 钢材为理想的弹性材料， 钢材为完全塑性。 3、 是钢材破坏前能承受的最 大应力，但这时钢材产生了巨 量的塑性变形。 反映钢材内部 组织的优劣还可作为钢材的安全储备。 得出结论：屈服强度 和抗拉强度 是钢材强度的两项重要指标,2、塑性,塑性钢

4、材产生塑性变形而不发生脆性断裂的能力，便于内力重分布，吸收能量。 衡量钢材塑性指标是：伸长率和断面收缩率 伸长率： 断面收缩率 试件原标距长度和原截面面积； 试件拉断后标距长度和颈缩断口截面面积。,3、冷弯性能,冷弯性能-钢材在常温下冷加工过程中产生塑性变形能力。 冷弯性能实验是用弯心直径为d的冲头对试件压弯180度，然后检查试件表面，以不出现裂纹和分层为合格。 冷弯性能不仅能衡量钢材的塑性和冷加工性能，而且也能暴露钢材内部的缺陷，是钢材塑性及冶金质量的综合指标。,4、韧性,韧性钢材在冲击荷载下抵抗脆性破坏的机械性能指标。 冲击韧性k衡量冲击实验测量冲击功 越大，则钢材的韧性越好。 冲击韧性除

5、与钢材的质量密切有关，还与钢材的轧制方向有关，顺着轧制方向好。 冲击韧性值还与温度有关。当达到一定的负温度时，冲击韧性急速下降。故用于表征钢材承受动力荷载的能力（动力指标），按常温（20o）、零温（0o） 、负温（-20o、-40o）区分 。,5、可焊性,可焊性表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能力不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求。 影响钢材可焊性的因素很多：钢材的品种、化学成分及规格等自身的因素外，还与节点的复杂程度、约束程度、焊接工艺等有关，故易焊钢材的可焊性好。反之难焊钢材可焊性差。,第三节 钢材的破坏形式,一、塑性破坏(延性破坏） 塑性破坏截面上的应力超过 达到 时才发生破坏，

6、其加荷的延续时间长，构件拉断时有比较大的变形很容易及时发现和采取补救措施。 断口呈纤维状，色泽发暗。 二、脆性破坏 脆性破坏截面上的平均应力值小于 时已经发生破坏，构件拉断时变形很小且几乎无任何迹象而突然断裂。破坏性很大。 断口平齐，呈有光泽的晶粒状。,第四节 影响钢材性能的主要因素,1、化学成份的影响 2、冶金及轧制 3、冷作硬化与时效硬化 4、复杂应力 5、应力集中与残余应力 6、温度,1、化学成份的影响,基本成份为Fe，炭钢中含量占99，C、Si、Mn为有益元素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。 C：含C使强度塑性、韧性、可焊性，应控制在0.22%，焊接结构应控制在0.20

7、%。 Si：强脱氧剂，含Si适量使强度 其它影响不大，有益，应控制0.10.3% Mn：弱脱氧剂，含量增加，使强度 降低S、O的热脆影响，改善热加工性能和冷脆现象，对其它性能影响不大，有益。含量0.3%0.8%,S：含量使强度塑性、韧性、性能冷弯、可焊性； 高温时使钢材变脆热脆现象。 P：低温时使钢材变脆冷脆现象；其它同S O、N：O同S；N同P，控制含量0.008% 合金元素可明显提高钢材的综合性能： 钒、钛铌细化晶粒，提高钢的韧性和耐火性、耐侯性。 稀土有利于脱氧、脱硫，改善钢的性能。 钼、铬、镍提高钢的韧性，尤其低温韧性，且提高耐热性。 铜提高耐腐蚀性能，降低可焊性。,2、冶炼、浇铸、轧

8、制和热处理的影响,1）冶炼的方法 平炉炼钢：生产效率低； 氧气顶吹转炉炼钢：具有投资少、生产效率高，适应性大； 碱性侧吹转炉炼钢：钢材质量差； 电炉炼钢：一般不用在建筑结构中。 2）浇铸 钢锭浇入铸模做成钢锭，初扎才成为钢坯（质量较差） 钢坯浇入连续浇铸机做成钢坯（钢材的质量较高）,浇铸时存在冶金缺陷： 偏析金属结晶后化学成分分布不均匀 （塑性、冷弯性、韧性变坏）。 非金属夹杂钢中含有杂质（硫化物使钢“热脆”，氧 化 物 降低钢材机械性能和工艺性。 气泡由氧化铁与碳作用产生一氧化碳气体不能充 分逸出而留在钢锭中形成微小空洞。 冶金中因为脱氧程度不同将钢材分为四类： 沸腾钢用Mn为脱氧剂，CO、

9、O从钢水中逸出， 剧烈沸腾，价格低，质量差； 半镇静钢质量介于沸腾钢和镇静钢之间 镇静钢用Si为脱氧剂，时间慢，价格高， 质量好；钢水表面比较平静。 特殊镇静钢除硅外，加铝、钛强脱氧剂，质量更高。,Mn：弱脱氧剂，,3）轧制 反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。 波板因辊扎次数多，其强度比厚板略高，顺着轧制方向较好，横向较差。 4）热处理 目的取得高强的同时能保持良好的塑性和韧性。 方法正火、淬火、淬火加回火。,3、冷作硬化与时效硬化,1）冷作硬化 冷作硬化冷加工时（常温进行弯折、冲孔

10、剪切等）， 钢材发生塑性变形从而使钢材强度提高，而塑性和韧性降低，钢材变硬的现象称之为冷作硬化。 钢材一般不利用冷作硬化来提高钢材的强度。 2）时效硬化 时效硬化钢材中的C、N固溶体，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，它们对纯铁体的塑性变形起着阻碍作用，使钢材强度提高，塑性和韧性降低，变脆的“老化”现象称之为时效硬化。 人工时效材料经塑性变形10%后加热到250度可使时效硬化加速发展。,4、复杂应力的影响,1）单向应力作用 弹性状态 塑性状态 2)复杂应力作用 弹性状态 塑性状态 折算应力计算（第四强度理论） 三向应力 当用主应力表示时 当用应力分量表示时,二向应力 当用主应力

11、表示时 当用应力分量表示时 梁 纯剪 钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反。,5、应力集中和残余应力的影响,1）应力集中影响 应力集中钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内截面应力分布很不均匀，这种现象称应力集中。 应力集中实际为：局部应力增大并多为同号应力场。 钢结构采用的钢材塑性较好，当内力增大时，应力不均匀现象会逐渐趋于平缓，故不会影响截面的承载能力，受静力荷载作用在常温下工作的构件，一般可不考虑应力集中的影响；但对低温下直接承受动荷载作用的构件，若应力集中严重，在加上冷作硬化等的不利影响则是脆性破

12、坏的重要因素。 2)残余应力的影响（第四章讲解） 残余应力钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内部自相平衡的内力。 残余应力虽对构件的强度无影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不利影响。,6、温度的影响,温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。 1）正温影响 总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这一现象称之为热塑现象，温度达600o左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为热煅温度。 需要说明：钢材在250o左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一反常现象称之为蓝脆现象。钢材在150o以上时应采取隔热

13、措施。 2)负温影响 随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度。,第五节 建筑结构用钢的种类与选择 一、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类,钢材种类繁多，按不同的分类方法，叫法各不相同。适于钢结构采用的钢材只是碳素结构钢和低合金高强度结构钢中的几种牌号，以及其它几种性能较优的专用结构钢（桥梁用钢、耐候钢、高层结构钢等） 1、钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法”四部分组成。 Q：表示“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度”； 质量等级：分AE五级（字序越高质量越好）； 脱氧方法：F沸腾钢；Z

14、镇静钢（一般省略）； b半镇静钢；TZ特殊镇静钢（一般省略）。,2碳素结构钢： 牌号共有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五种牌号（钢结构一般仅用Q235 ） 根据化学成分和冲击韧性的不同，由低到高划分为A、B、C、D四种质量等级 A、B级钢为F、b、Z，而C级全为Z，D级全为TZ脱氧方法； 3低合金高强度结构钢： 含碳量均不大于0.20，强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，合金元素总量低于5； 牌号共有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460五种牌号； 低合金结构钢分：A、B、C、D、E五级，A、B级为镇静钢、C、D、E为特殊镇静钢。,4优质碳素结构钢： 碳素

15、结构钢的主要区别在于钢中含杂质元素较少，磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035，其它缺陷的限制也较严格，具有较好的综合性能 共有两大类：普通含锰量的钢和较高含锰量的钢 由于价格较高，钢结构中使用较少，仅用经热处理的优质碳素结构钢冷拔高强钢丝或制作高强螺栓、自攻螺钉等 （各种常用结构钢材化学成分及机械性能参见教材表2.12.4）,二、钢材的选用,1选用原则,总的原则：安全可靠 经济合理 需考虑因素： 结构的重要性 荷载性质 应力特征 连接方法 工作条件 钢材厚度,2选用建议,承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证 焊接结构应保证碳的极限含量 焊接承重结构以及重

16、要的非焊接承重结构采用的钢材应具有冷弯试验的合格保证 需要验算疲劳以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材应具有的冲击韧性合格保证,三、钢材的品种和规格,钢结构所用钢材品种主要有： 热轧钢板、热轧型钢、冷轧薄钢板、冷弯薄壁型钢 1、热轧钢板 符号“”“宽度厚度长度” 如：300103000 厚钢板：厚度4.560mm，宽度 6003000mm，长度412m 用做大型实腹式梁柱翼缘、腹板 薄钢板：厚度0.354mm，宽度5001500mm，长度0.54m 用于制作冷弯薄壁型钢 扁钢：厚度460mm，宽度12200mm，长度39m 焊接组合梁柱翼缘板，各种连接板、加劲肋等,2、热轧型钢 （1）角钢： 等边角