钢结构设计原理2钢结构的材料

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1、哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料2.1 概述建筑用钢：碳素结构钢、低合金高强度钢钢材应具有较高的强度、塑性和韧性，及良好的加工性能钢材性能与化学成分、组织构造、冶炼和成型方法等内在因素密切相关，也受荷载类型、结构形式、连接方法和工作环境等外界因素的影响。本章包括钢材的生产过程和组织构造；钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响；钢材的种类、规格及选用原则。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2.2 钢材的生产1)炼铁 高温下通过一氧化碳和碳等还原剂除去氧化铁矿

2、石中的氧，还原出铁，以石灰石作为熔剂把砂质和粘土等杂质熔化为熔渣。 产生生铁，含碳量在2.06%以上 除铸铁管外，建筑中很少使用2.2.1 钢材的冶炼哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2)炼钢 高温下通过氧化作用除去生铁中多余的碳和其它杂质，使它们转变为氧化物进入渣中，或成气体逸出。 含碳量在2.06以下的铁碳合金称为碳素钢。 常用的炼钢炉有：平炉、转炉和电炉。 电炉炼钢是利用电热原理，以废钢和生铁等为主要原料，在电弧炉内冶炼。不与空气接触，易于清除杂质和严格控制化学成分，炼成的钢质量好。但因耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。 哈哈

3、尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理 转炉炼钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液中的碳和其它杂质氧化，在高温下使铁液变为钢液。氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，质量和加工性能优良，且可根据需要添加不同的元素，冶炼碳素钢和合金钢。由于氧气顶吹转炉可以利用高炉炼出的生铁熔液直接炼钢，生产周期短、效率高、质量好、成本低，已成为国内外发展最快的炼钢方法。 平炉炼钢是利用煤气或其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。但平炉炼钢周期长，效率低

4、，成本高，现已逐渐被氧气顶吹转炉炼钢所取代。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理3)按钢材的脱氧方法和程度的分类 沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢 沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全，钢液进入钢锭模时有气体逸出，出现沸腾现象。冷却很快，一氧化碳不能全部逸出，凝固后钢材中有较多的氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差。现在已较少有供货。 镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好，但成本高。 半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。 特殊镇静钢是在

5、锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，脱氧程度高于镇静钢。 低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理1)建筑钢材的分类 碳素结构钢是通过在强度较低而塑性较好的纯铁中加适量的碳来提高强度的，一般常用的低碳钢含碳量不超过0.25。 低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，适当添加总量不超过5的其它合金元素（少量的锰、硅、钒、铌、钛、铝、铬、镍、铜、氮、稀土等），来改善钢材的性能。2.2.2 钢材的组织构造和缺陷哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2)碳素钢的组织构造 常温下主要由铁素体和渗碳体（

6、Fe3C）组成。 铁素体是碳溶入铁体心立方晶体(纯铁的一种形式)后的固溶体，常温下溶碳仅0.0008，与纯铁的显微组织没有明显的区别，其强度、硬度较低，而塑性、韧性良好。是钢的主要成分，约占重量的99。 渗碳体是铁碳化合物，含碳6.67，熔点高，硬度大，几乎没有塑性，在钢中与铁素体晶粒形成机械混合物-珠光体，填充在铁素体晶粒的空隙中，形成网状间层。珠光体强度很高，坚硬而富于弹性。 碳素钢的力学性能与铁素体和珠光体的比例有关。同时，铁素体的晶粒越细小，珠光体的分布越均匀，钢的性能也就越好。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理碳素钢多晶体结构示意图 铁的

7、体心立方晶体哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理3)钢材的铸造缺陷 内部晶体形状的不均匀 偏析硫磷等富集 非金属夹杂硫化物、氧化物 气孔 缩孔 凝固内应力产生的裂纹哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2.2.3 钢材的加工热加工、冷加工、热处理三种1)热加工 热加工可使晶粒变细，在高温和压力下压合钢坯中的气孔、裂纹，改善力学性能。壁厚较薄的热轧型钢和钢板，因辊轧次数较多，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢。钢材强度按板厚分组就是这个缘故。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构

8、 设设 计计 原原 理理 热加工使钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横向）的性能，使其各向异性增大。钢中的硫化物和氧化物等经轧制之后被压成薄片，对厚板来说更容易出现分层现象，沿厚度方向受力时可能出现层状撕裂现象。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2)冷加工 包括冷轧、冷弯、冷拔等延伸性加工，也包括剪、冲、钻、刨等切削性加工。 如冷轧卷板和冷轧钢板、冷弯薄壁型钢和压型钢板、钢丝束、钢绞线或钢丝绳。 冷加工后会产生局部或整体硬化，提高了钢材的强度和硬度，却降低了塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）。 优点：冷拔高强度钢丝就是充分利

9、用了冷作硬化现象；冷弯薄壁型钢在强度验算时，可有条件地利用这种强度提高现象。 缺点：多数情况下会造成钢材冷硬变脆，成为脆裂的起因。对于重要结构，要尽量避免局部冷加工硬化的发生。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理3)热处理 热处理是将钢在固态范围内，施以不同的加热、保温和冷却措施，改变其内部组织构造，达到改善钢材性能的一种加工工艺。 钢材的普通热处理包括退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。 如Q420C、D、E和高强螺栓等都是要经过热处理的。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2.3 钢材的主要性能1)塑性

10、破坏 破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的垂直交错的锈迹剥落线。只有应力达到抗拉强度后才会发生破坏，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。 塑性破坏前总有较大的塑性变形发生，且变形持续时间较长，容易被发现和抢修加固，不至发生严重后果。 塑性破坏前的较大塑性变形能力，可实现内力重分布。钢结构的塑性设计正是利用了这种塑性变形能力。 2.3.1 钢材的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏两种形式哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2)脆性破坏 破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，突然迅速断裂。破坏后断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。 破坏前没有预兆，

11、速度极快，无法察觉和补救，一旦发生常引发整个结构的破坏，后果严重，因此在钢结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意防止这种破坏的发生。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2.3.2 钢材在单向一次拉伸下的工作性能1)单向一次拉伸试验（见动画资源材料试验） 可由曲线直接获得：比例极限p （proportional limit）屈服点fy （yield point）抗拉强度fu （tensile strength）伸长率5或10 （elongation）哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2)名义屈服点f0.

12、2 调质处理的低合金钢没有明显的屈服点和塑性平台。这类钢的屈服点是以卸载后试件中残余应变为0.2所对应的应力人为定义的，称为名义屈服点或f0.2 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理3)断面收缩率 试样拉断后，颈缩处横断面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，也是单调拉伸试验提供的一个塑性指标。越大，塑性越好。 在国家标准厚度方向性能钢板中，使用沿厚度方向的标准拉伸试件的断面收缩率来定义Z向钢的种类，如分别大于或等于15、25、35时，为Z15、Z25、Z35钢。4)应力应变曲线的简化计算模型 理想弹塑性模型 与实际误差不大哈哈 尔尔 滨滨 工工 业

13、业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2.3.3 钢材的其它性能1)冷弯性能与冷弯试验（见动画资源材料试验）在试验机上把试件弯曲180以试件表面和侧面不出现裂纹和分层为合格。冷弯试验能检验材料承受规定的弯曲变形能力，还能显示内部冶金缺陷，是判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。焊接承重结构以及重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。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2)冲击韧性与夏比缺口冲击试验（见动画资源材料试验）冲击韧性也称缺口韧性（notch toughness）是评定钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能

14、力的指标。通常用带有夏比V型缺口（Charpy V-notch）的标准试件做冲击试验，以击断试件所消耗的冲击功大小来衡量钢材抵抗脆性破坏的能力。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理冲击韧性也叫冲击功，用AKV或CV表示，单位为J。冲击韧性与钢材牌号、质量等级、工作温度有关。寒冷地区承受动力荷载的重要结构，应对冲击韧性指标提出要求，以防脆性破坏。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2.3.4 钢材在复杂应力状态下的屈服条件1)Mises屈服条件平面或三向应力状态时，屈服条件由形状改变比能理论得到，折算应力为

15、：哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理以主应力表示的折算应力为：可以看出，当1、2、3为同号应力且数值接近时，即使各自都远大于fy，折算应力zs仍小于fy，说明钢材很难进入塑性状态。当为三向同号应力场时，甚至直到破坏也没有明显的塑性变形产生，表现为脆性破坏。相反，在异号应力场下，钢材会较早地进入塑性状态，表现为较好的塑性破坏。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2)Mises屈服条件的典型应用在平面应力状态下（如钢材厚度较薄时，厚度方向应力很小，常可忽略不计） （如受局部压应力作用的梁的腹板） ，上式成为：

16、当只有正应力和剪应力时（如不受局部压应力作用的梁的腹板）：当承受纯剪应力时： 所以得到钢材的抗剪强度为：哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2.4 各种因素对钢材性能的影响1)碳 C除铁以外的主要元素，是形成钢材强度的主要成分。C，fy、fu，5、CV，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等也变劣。C含量超过0.3时，抗拉强度很高，但却没有明显的屈服点，且塑性很小。碳素钢按碳的含量区分：小于0.25的为低碳钢，介于0.25和0.6之间的为中碳钢，大于0.6的为高碳钢。含碳量超过0.2时，钢材的焊接性能将开始恶化。因此，规范推荐的钢材，含碳量均不超过0.22

17、，对于焊接结构则严格控制在0.2以内。2.4.1 化学成分的影响哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2)硫 S硫是有害元素，常以硫化铁形式夹杂于钢中。当温度达8001000时，硫化铁会熔化使钢材变脆，因而在进行焊接或热加工时，有可能引发热裂纹，称为热脆。S，CV，疲劳强度，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等。非金属硫化物夹杂经热加工后还会在厚钢板中形成局部分层现象，在采用焊接连接的节点中，沿板厚方向承受拉力时，会发生层状撕裂破坏。随着钢材牌号和质量等级的提高，含硫量的限值由0.05依次降至0.025，厚度方向性能钢板的含硫量更限制在0.01以下。哈哈

18、尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理3)磷 P磷可提高钢的强度和抗锈蚀能力。严重地降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能，特别是在温度较低时促使钢材变脆，称为冷脆。磷的含量也要严格控制，随着钢材牌号和质量等级的提高，含磷量的限值由0.045依次降至0.025。但是当采取特殊的冶炼工艺时，磷可作为一种合金元素来制造含磷的低合金钢，此时其含量可达0.120.13%。4)锰 Mn锰是有益元素，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，消除硫对钢的热脆影响，改善钢的冷脆倾向，同时不显著降低塑性和韧性。锰还是低合金钢的主要元素，其含量为0.81.8。但锰对焊接性能不利，因此含

19、量也不宜过多。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理5)硅 Si硅是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生产镇静钢。适量的硅，可以细化晶粒，提高钢的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能无显著不良影响。硅的含量在一般镇静钢中为0.120.30，在低合金钢中为0.20.55。过量的硅会恶化焊接性能和抗锈蚀性能。6)氧和氮 ON氧和氮属于有害元素。氧与硫类似使钢热脆，氮的影响和磷类似，因此其含量均应严格控制。但当采用特殊的合金组分匹配时，氮可作为一种合金元素来提高低合金钢的强度和抗腐蚀性，如在九江长江大桥中已成功使用的15MnVN

20、钢。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理7)其它元素钒、铌、钛等元素加入适量，能细化晶粒和弥散强化，提高钢材的强度和韧性，又可保持良好的塑性。铝是强脱氧剂，还能细化晶粒，可提高钢的强度和低温韧性，在要求低温冲击韧性合格保证的低合金钢中，其含量不小于0.015。铬、镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390及以上牌号的钢材中，但其含量应受限制，以免影响钢材的其它性能。铜和铬、镍、钼等，可在金属表面形成保护层，提高钢对大气的抗腐蚀能力。耐候钢中，铜含量为0.200.40。镧、铈等稀土元素（RE）可提高钢的抗氧化性，并改善其它性能，在低合金钢中其含量按0.0

21、20.20控制。氢是有害元素，氢分子产生巨大的内压力，使钢材开裂，称为氢脆。钢的强度等级越高，对氢脆越敏感。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理1)碳素钢的焊接性能含碳量对碳素钢的焊接性能影响显著当含碳量0.120.20时，碳素钢的焊接性能最好；含碳量超过上述范围时，焊缝及热影响区容易变脆。Q235A的含碳量较高，且含碳量不作为交货条件，因此这一牌号通常不能用于焊接构件；而Q235B、C、D的含碳量控制在上述的适宜范围之内，是适合焊接使用的普通碳素钢牌号。2.4.2 钢材的焊接性能哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计

22、原原 理理2)高强度低合金钢的焊接性能低合金元素大多对可焊性有不利影响使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性，其的计算公式如下：CE0.38时，钢材的可焊性很好，可以不用采取措施直接施焊； CE0.380.45时，钢材呈现淬硬倾向，施焊时需要控制焊接工艺、采用预热措施并使热影响区缓慢冷却，以免发生淬硬开裂； CE0.45时，钢材的淬硬倾向更加明显，需严格控制焊接工艺和预热温度才能获得合格的焊缝。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理3)影响钢材焊接性能的因素碳当量母材厚度焊接方法焊接工艺参数结构形式哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设

23、设 计计 原原 理理1)时效硬化氮和碳随时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化（也称老化）。产生时效硬化的过程一般较长，但在振动荷载、反复荷载及温度变化等情况下，会加速发展。2.4.3 钢材的硬化哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2)冷作硬化（或应变硬化）冷加工使钢材产生较大的塑性变形，卸荷后再重新加载，钢材屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，称为冷作硬化。 3)冷作时效(应变时效)硬化在钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素

24、体晶体中的固溶氮和碳将更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象，称为应变时效硬化 。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理4)冷作硬化的产生及避免方法对于比较重要的钢结构，要尽量避免局部冷作硬化现象的发生。如钢材的剪切和冲孔，在剪断的边缘和冲出的孔壁处产生严重的冷作硬化，甚至出现微细的裂纹，促使钢材局部变脆。避免方法：可将剪切处刨边；冲孔用较小的冲头，冲完后再行扩钻或完全改为钻孔。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2.4.4 应力集中的影响哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结

25、构构 设设 计计 原原 理理哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理1)应力集中的特点在孔洞、槽口、截面突然改变以及钢材内部缺陷的位置，应力分布不再保持均匀，产生应力集中。对于厚板甚至会产生三向拉应力状态。通常出现同号力场，钢材强度有所提高，但塑性降低，容易发生变脆破坏。应力集中的严重程度用应力集中系数衡量，缺口边缘沿受力方向的最大应力max和按净截面的平均应力0N/An的比值称为应力集中系数，即k=max/0。 因此，设计时应尽量使构件和连接节点的形状和构造合理，防止截面的突然改变。在进行焊接构造设计和施工时，应尽量减少焊接残余应力。 哈哈 尔尔 滨滨

26、 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2.4.5 荷载类型的影响1)加载速度的影响冲击荷载作用时，加载速度很高，由于钢材的塑性滑移在加载瞬间跟不上应变速率，因而反映出屈服点提高的倾向。试验研究表明，在20左右的室温环境下，钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率的增加而提高，同时还能保持良好的塑性变形能力。 应变速率在温度较低时对钢材性能的影响要比常温下大得多。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2)循环荷载的影响疲劳：钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，此现象称为疲劳。高周疲劳的断裂寿命

27、较长，断裂前的应力循环次数n5104，断裂应力水平较低，fy，因此也称低应力疲劳或疲劳，一般常见的疲劳多属于这类。 低周疲劳的断裂寿命较短，破坏前的循环次数n=1025104，断裂应力水平较高，fy，伴有塑性应变发生，因此也称为应变疲劳或高应力疲劳。 包辛格效应：钢材承受拉力至产生塑性变形，卸载后，再使其受拉，其受拉的屈服强度将提高至卸载点（冷作硬化现象）；而当卸载后使其受压，其受压的屈服强度将低于一次受压时所获得的值。这种经预拉后抗拉屈服强度提高，抗压屈服强度降低的现象称为包辛格效应。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理哈哈 尔尔 滨滨 工工 业

28、业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2.4.6 温度的影响高温的影响在150以内，钢材强度、弹性模量和塑性均变化不大，耐热。在250左右，抗拉强度有局部性提高，伸长率和断面收缩率均降至最低，出现了所谓的蓝脆现象（钢材表面氧化膜呈蓝色）。热加工应避开这一温度区段。在300以后，强度和弹性模量均开始显著下降，塑性显著上升，达到600时，强度几乎为零，塑性急剧上升，处于热塑性状态。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理钢材的绝热、防火措施当结构可能受到炽热熔化金属的侵害时，应采用砖或耐热材料做成的隔热层加以保护；当结构表面长期受辐射热达1

29、50以上或在短时间内可能受到火焰作用时，应采取有效的防护措施（如加隔热层或水套等）。按国家防火规范，根据建筑物的防火等级对不同构件所要求的耐火极限进行设计，选择合适的防火保护层（包括防火涂料等的种类、涂层或防火层的厚度及质量要求等）。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理低温的影响温度越低，钢材的冲击韧性越差，端面晶粒区所占面积越大，越表现为脆性破坏。反弯点为脆性转变温度。在直接承受动力作用的钢结构设计中，应使钢材的脆性转变温度低于工作温度，从而选择具有不同冲击韧性指标的钢材。对Q235钢，除A级不要求外，其它各级钢均取CV=27J；对低合金高强度钢

30、，除A级不要求外，E级钢采用CV=27J，其它各级钢均取CV=34J。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2.4.7 防止脆性断裂的方法合理设计正确选用钢材。 不宜采用比实际需要强度更高的材料； 低温下受动力荷载时，应使所选钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度。 应尽量使用较薄的型钢和板材。构造力求合理。 避免构件截面的突然改变，减少应力集中。 采取构造措施以防断裂的失稳扩展。 连接应尽量采用螺栓连接。 采用焊接连接时，应避免焊缝的密集和交叉，尽量采用焊接残余应力小的构造形式。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原

31、原 理理正确制造严格按设计要求进行制作。 例如不得随意进行钢材代换，不得随意将螺栓连接改为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度等等。应尽量采用钻孔或冲孔后再扩钻，以及对剪切边进行刨边等方法来避免冷作硬化现象。为保证焊接质量，减少焊接应力，应制定合理的焊接工艺和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处理方法消除主要构件中的焊接残余应力。焊接中不得在构件上任意打火起弧。在制作和安装过程中所造成的缺陷，如定位焊缝、引弧板、吊装辅件等均应进行清理和修复。制作和安装过程中及完成后，要严格执行质量检验制度。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理合理使用不得随意

32、改变结构使用用途或任意超负荷使用结构；原设计在室温工作的结构，在冬季停产检修时要注意保暖；不在主要结构上任意焊接附加零件悬挂重物；避免因生产和运输不当对结构造成撞击或机械损伤；平时应注意检查和维护等。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2.5 钢材的疲劳疲劳的种类常幅疲劳：常幅交变荷载；引起常幅循环应力，简称循环应力；转动的机械零件可能发生常幅疲劳破坏。变幅疲劳：变幅交变荷载；引起变幅循环应力，简称变幅应力；吊车梁、吊车桥、钢桥等可能发生变幅疲劳破坏。 2.5.1 疲劳(高周疲劳)破坏的特征哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构

33、设设 计计 原原 理理疲劳破坏特征疲劳破坏具有突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂。 与一般脆断不同，疲劳是在名义应力低于屈服点的低应力循环下，经历了长期的累积损伤过程后才突然发生的。 破坏经历裂纹的萌生、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂，三个阶段，因此疲劳破坏是有寿命的破坏，是延时断裂。 疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，可分为三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。疲劳对缺陷（包括缺口、裂纹及组织缺陷等）十分敏感。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理影响疲劳的

34、主要因素细部构造状况 局部缺陷（轧制时形成的微裂纹、加工时形成的刻槽、孔洞、裂纹等） 残余应力应力幅 应力比不是衡量疲劳强度的主要因素荷载循环次数 常幅时为5104以上时需要考虑疲劳出现拉应力 与钢材静力强度没有明显关系哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理应力幅与循环寿命的关系2.5.2 常幅疲劳应力幅与疲劳寿命之间为负指数的幂函数关系任意一个应力幅1，就有一个循环n1寿命与之对应，说明在该应力幅值下循环n1次，构件或连接就会发生疲劳破坏。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理双对数坐标系中成直线关系，便于

35、使用。曲线系试验回归方程，反映了平均值之间的关系。考虑到试验数据的离散性，取平均 值 减 去 2倍 的 标 准 差（2s）作为疲劳强度的下限值，如图虚线所示。如lgn符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为97.7，称该虚线上的应力幅为对应某疲劳寿命的容许应力幅1。 设计时使实际应力幅小于容许应力幅即可。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理容许应力幅将图中的虚线延长与横坐标交于点lgC，设该线对纵坐标的斜率为-1/则对应疲劳寿命n的容许应力幅可由两个相似三角形的关系求出： 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原

36、原 理理试验参数C、的确定为设计方便，规范将各类型的构件和连接，按连接方式和受力特点，并适当照顾n曲线族的等间隔设置，归纳划分为8类。各类直线斜率的倒数取整数，其中1、2类的为4，38类的取为3。 (构件和连接的分类见附录7)哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理从每类直线与横坐标的截距lgC中可求出C。各类的和C见下表。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理常幅疲劳的校核准则由于疲劳问题的复杂性，目前尚没有条件采用以概率理论为基础的极限状态设计法，仍然采用容许应力设计法。进行内力计算时，应采用荷载标准值。由

37、于确定容许应力幅的试验中自动包括了动力作用，故内力计算中也不再乘以动力系数。 常幅疲劳的统一校核准则为 ： 对焊接部位为应力幅，=max-min；对非焊接部位为折算应力幅，=max-0.7min；max最大拉应力（取正）；min最小拉应力或压应力（拉应力取正，压应力取负）； 常幅疲劳的容许应力幅，单位为N/mm2。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理变幅疲劳的计算原理2.5.3 变幅疲劳基本思想：根据Miner线性累积损伤准则，将变幅应力幅折算为常幅等效应力幅e，然后按常幅疲劳进行校核。 设某个构件或连接的设计应力谱由若干个不同应力幅水平i的常幅循环

38、应力组成，每个应力幅水平i所对应的循环次数为ni，相对的疲劳寿命为Ni，Miner的线性累积损伤准则为 ：哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理与常幅疲劳相同，根据公式(2.5.3)可得每一个应力幅水平下的疲劳寿命：则由：可得：设想另有一等效常幅疲劳应力幅e，循环ni次后，也使该部件产生疲劳破坏，则有： 于是：哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理则等效应力幅： ni以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； ni预期寿命内应力幅水平为

39、i的应力循环次数。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理吊车梁的疲劳验算根据已有设计应力谱的经验数据，使用欠载系数进行设计： f欠载效应的等效系数。对重级工作制硬钩吊车为1.0，软钩吊车为0.8；对中级工作制吊车为0.5； 吊车标准轮压下的试验应力幅，即最大应力幅； 2E6等幅疲劳时，循环次数n（疲劳寿命）为2106次的容许应力幅，按式(2.5.4)计算，或查GB50017表6.2.3-2。 欠载系数f为循环次数为2106时对应的等效应力幅与设计应力幅（最大应力幅）的比值。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理

40、理疲劳验算采用容许应力设计方法，而不采用以概率理论为基础的设计方法。应采用标准荷载求解内力。当遇到规范规定的8种以外的连接构造时，应进行专门的研究之后，再决定是考虑相近的连接类别予以套用，还是通过相应的疲劳试验确定疲劳强度。 在应力循环中不出现拉应力的部位可不必计算疲劳。 结构钢材静力强度对焊接构件和连接的疲劳强度无显著影响。 2.5.4 疲劳验算中一些值得注意的问题哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理2.6 建筑用钢的种类、规格和选用 碳素结构钢按国家标准碳素结构钢GB/T700生产的钢材共有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275种品牌，

41、板材厚度不大于16mm的相应牌号钢材的屈服点分别为195、215、235、255和275N/mm2。其中Q235含碳量在0.22以下，属于低碳钢，钢材的强度适中，塑性、韧性均较好。该牌号钢材又根据化学成分和冲击韧性的不同划分为A、B、C、D共4个质量等级，按字母顺序由A到D，表示质量等级由低到高。除A级外，其它三个级别的含碳量均在0.20以下，焊接性能也很好。规范将Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。2.6.1 建筑用钢的种类 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理碳素结构钢的钢号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值（N/mm2）、质量等级符号、脱氧方法符

42、号等四个部分组成。符号“F”代表沸腾钢，“b”代表半镇静钢，符号“Z”和“TZ”分别代表镇静钢和特种镇静钢。在具体标注时“Z”和 “TZ”可 以 省 略 。 例 如 Q235B代 表 屈 服 点 为235N/mm2的B级镇静钢。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢GB/T1591生产的钢材共有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等5种牌号，板材厚

43、度不大于16mm的相应牌号钢材的屈服点分别为295、345、390、420和460N/mm2。这些钢的含碳量均不大于0.20，强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，合金元素的总量低于5，故称为低合金高强度钢。其中Q345、Q390和Q420均按化学成分和冲击韧性各划分为A、B、C、D、E共5个质量等级，字母顺序越靠后的钢材质量越高。这三种牌号的钢材均有较高的强度和较好的塑性、韧性、焊接性能，被规范选为承重结构用钢。A、B级为镇静钢，C、D、E级为特种镇静钢，故可不加脱氧方法的符号。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理哈哈 尔尔 滨滨 工工 业

44、业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理优质碳素结构钢优质碳素结构钢与碳素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。按照国家标准优质碳素结构钢技术条件GB/T699生产的钢材共有两大类，一类为普通含锰量的钢，另一类为较高含锰量的钢，两类的钢号均用两位数字表示，它表示钢中的平均含碳量的万分数，前者数字后不加Mn，后者数字后加Mn，如45号钢，表示平均含碳量为0.45的优质碳素钢；45Mn号钢，则表示同样含碳量、但锰的含量

45、也较高的优质碳素钢。可按不热处理和热处理状态交货，价格较高，钢结构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。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理其它建筑用钢当焊接承重结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢时，应符合厚度方向性能钢板GB/T5313的规定；处于外露环境对耐腐蚀有特殊要求或在腐蚀性气、固态介质作用下的承重结构采用耐候钢时，应满足焊接结构用耐候钢GB/T4172的规定；当在钢结构中采用铸钢件时，应满足一般工程用铸造碳钢件GB/T11352的规定等。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计

46、原原 理理钢板钢板有厚钢板、薄钢板、扁钢（或带钢）之分。 厚钢板常用做大型梁、柱等实腹式构件的翼缘和腹板，以及节点板等。 薄钢板主要用来制造冷弯薄壁型钢。 扁钢可做焊接组合梁、柱翼缘板、各种连接板、加劲肋等。钢板截面的表示方法为在符号“”后加“宽度厚度”，如20020等。钢板的供应规格如下： 厚钢板：厚度4.560mm，宽度6003000mm，长度412m； 薄钢板：厚度0.354mm，宽度5001500mm，长度0.54m； 扁钢：厚度460mm，宽度12200mm，长度39m。 2.6.2 钢材的规格 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理热轧型钢

47、常用的有角钢、工字钢、槽钢等 角钢分为等边（等肢）的和不等边（不等肢）的两种，主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件。角钢型号的表示方法为在符号“L”后加“长边宽短边宽厚度”（对不等边角钢，如L125808），或加“边长厚度”（对等边角钢，如L1258）。目前我国生产的角钢最大边长为200mm，角钢的供应长度一般为419m。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和H型钢三种。普通工字钢和轻型工字钢的两主轴方向的惯性矩相差较大，不宜用作受压构件，而宜用作腹板平面内受弯构件，或由工字钢和其它型钢组成的组合构件或格

48、构式构件。宽翼缘H型钢平面内外的回转半径较接近，可单独用作受压构件。 普通工字钢的型号用符号“I”后加截面高度的厘米数来表示，20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为a、b或a、b、c等类别，例如I20a表示高度为200mm，腹板厚度为a类的工字钢。轻型工字钢的翼缘要比普通工字钢的翼缘宽而薄，回转半径较大。普通工字钢的型号为1063号，轻型工字钢为1070号，供应长度均为519m。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理H型钢与普通工字钢相比，其翼缘板的内外表面平行，便于与其它构件连接。H型钢的基本类型可分为宽翼缘（HW）、中翼缘（HM）及窄翼缘（H

49、N）三类。还可剖分成T型钢供应，代号分别为TW、TM、TN。H型钢和相应的T型钢的型号分别为代号后加“高度H宽度B腹板厚度t1翼缘厚度t2”，例如HW4004001321和TW2004001321等。宽翼缘和中翼缘H型钢可用于钢柱等受压构件，窄翼缘H型钢则适用于钢梁等受弯构件。目前国内生产的最大型号H型钢为HN7003001324。供货长度可与生产厂家协商。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理槽钢有普通槽钢和轻型槽钢二种。适于作檩条等双向受弯的构件，也可用其组成格构式构件。槽钢的型号与工字钢相似，例如32a指截面高度320mm，腹板较薄的槽钢。目前国

50、内生产的最大型号为40c。供货长度为519m。 钢管有无缝钢管和焊接钢管两种。由于回转半径较大，常用作桁架、网架、网壳等平面和空间格构式结构的杆件；在钢管混凝土柱中也有广泛的应用。型号可用代号“D”后加“外径d壁厚t”表示，如D1808等。国产热轧无缝钢管的最大外径可达630mm。供货长度为312m。焊接钢管的外径可以做的更大，一般由施工单位卷制。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理冷弯薄壁型钢采用1.56mm厚的钢板经冷弯和辊压成型的型材，和采用0.41.6mm的薄钢板经辊压成型的压型钢板。其截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的

51、强度、节约钢材，在国内外轻钢建筑结构中被广泛地应用。近年来，冷弯高频焊接圆管和方、矩形管的生产和应用在国内有了很大的进展，冷弯型钢的壁厚已达12.5mm（部分生产厂的可达22mm，国外为25.4mm）。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理对于直接承受动力荷载的构件和结构（如吊车梁、工作平台梁或直接承受车辆荷载的栈桥构件等）、重要的构件或结构（如桁架、屋面楼面大梁、框架横梁及其它受拉力较大的类似结构和构件等）、采用焊接连接的结构、以及处于低温下工作的结构，应采用质量较高的钢材。对承受静力荷载的受拉及受弯的重要焊接构件和结构，宜选用较薄的型钢和板材构成。当选用的型材或板材的厚度较大时，宜采用质量较高的钢材，以防钢材中较大的残余拉应力和缺陷等与外力共同作用形成三向拉应力场，引起脆性破坏。 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，对焊接结构尚应具有含碳量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材，还应具有冷弯试验的合格保证。 2.6.3 钢材的选择 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢 结结 构构 设设 计计 原原 理理需要验算疲劳的钢结构钢材应具有的冲击韧性合格保证