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1、第二章第二章 建筑钢结构用钢材建筑钢结构用钢材Material of Steel StructuresMaterial of Steel Structuresn n一、钢材的主要性能一、钢材的主要性能n n二、影响钢材性能的主要因素二、影响钢材性能的主要因素n n三、钢材的疲劳三、钢材的疲劳n n四、建筑钢材的规格和选用四、建筑钢材的规格和选用建筑结构用钢材一、建筑钢材的分类一、建筑钢材的分类n n1、钢的种类碳素结构钢：碳素结构钢：Q195Q195Q195Q195、Q215Q215Q215Q215、Q235Q235Q235Q235、Q255Q255Q255Q255和和和和Q275Q275Q2
2、75Q275等等等等 质量等级：质量等级：质量等级：质量等级：A A A A、B B B B、C C C C、D D D D，由低到高，由低到高，由低到高，由低到高 F F F F沸腾钢；沸腾钢；沸腾钢；沸腾钢；Z Z Z Z镇静钢；镇静钢；镇静钢；镇静钢；b b b b半镇静钢半镇静钢半镇静钢半镇静钢 TZ TZ TZ TZ特殊镇静钢特殊镇静钢特殊镇静钢特殊镇静钢 Q235AFQ235AFQ235AFQ235AF，b,(Z) b,(Z) b,(Z) b,(Z) 旧称旧称旧称旧称3 3 3 3号钢号钢号钢号钢 Q235BF Q235BF Q235BF Q235BF，b,(Z) b,(Z) b,
3、(Z) b,(Z) 常温下常温下常温下常温下C C C Cv v v v要求要求要求要求 Q235C Q235C Q235C Q235C（Z Z Z Z） 零度零度零度零度C C C Cv v v v要求要求要求要求 Q235D(TZ) -20 Q235D(TZ) -20 Q235D(TZ) -20 Q235D(TZ) -20C C C Cv v v v要求要求要求要求建筑结构用钢材一、建筑钢材的分类一、建筑钢材的分类n n1 1、钢的种类、钢的种类低合金高强度结构钢：低合金高强度结构钢：Q295Q295、Q345Q345Q345Q345、Q390Q390Q390Q390、Q420Q420Q4
4、20Q420和和和和Q460Q460Q460Q460 质量等级：质量等级：质量等级：质量等级：A A A A、B B B B、C C C C、D D D D、E E E E，由低到高，由低到高，由低到高，由低到高优质碳素结构钢：优质碳素结构钢：优质碳素结构钢：优质碳素结构钢： 经过热处理，如经过热处理，如经过热处理，如经过热处理，如45454545号优质碳素钢号优质碳素钢号优质碳素钢号优质碳素钢 优质钢丝绳：优质钢丝绳：优质钢丝绳：优质钢丝绳：建筑结构用钢材二、钢材的主要性能二、钢材的主要性能n n1 1、钢材的破坏形式、钢材的破坏形式塑性破坏：塑性破坏：塑性破坏：塑性破坏： 较大的塑性变形、
5、断口呈纤维状，色泽发暗；较大的塑性变形、断口呈纤维状，色泽发暗；较大的塑性变形、断口呈纤维状，色泽发暗；较大的塑性变形、断口呈纤维状，色泽发暗； 有先兆，计算应力有先兆，计算应力有先兆，计算应力有先兆，计算应力f fu u 脆性破坏：脆性破坏：脆性破坏：脆性破坏： 塑性变形很小，甚至没有，断口平直并呈有光泽塑性变形很小，甚至没有，断口平直并呈有光泽塑性变形很小，甚至没有，断口平直并呈有光泽塑性变形很小，甚至没有，断口平直并呈有光泽的晶粒状；的晶粒状；的晶粒状；的晶粒状； 没有明显先兆，计算应力没有明显先兆，计算应力没有明显先兆，计算应力没有明显先兆，计算应力f fy y 建筑结构用钢材钢材的塑
6、性破坏和脆性破坏对比内容对比内容塑性破坏脆性破坏破坏应力破坏前变形明显不明显断口外形杯形平直断口色泽暗淡有光泽断口细部纤维状晶粒状破坏过程延续较长时间突然破坏机理剪应力超过晶粒抗剪能力拉应力超过晶粒抗拉能力危害性便于发现和补救，较轻大对策合理设计结构强度考虑疲劳和冲击作用，合理选择材料种类、构造形式、施工工艺建筑结构用钢材防止钢材脆性断裂的措施防止钢材脆性断裂的措施n n加加加加强强强强施施施施焊焊焊焊工工工工艺艺艺艺管管管管理理理理，避避避避免免免免施施施施焊焊焊焊过过过过程程程程产产产产生生生生裂裂裂裂纹纹纹纹、夹夹夹夹渣渣渣渣和和和和气泡等；气泡等；气泡等；气泡等；n n焊焊焊焊缝缝缝缝
7、不不不不宜宜宜宜过过过过分分分分集集集集中中中中，施施施施焊焊焊焊时时时时不不不不宜宜宜宜过过过过强强强强约约约约束束束束，避避避避免免免免产产产产生生生生过过过过大大大大残残残残余余余余应应应应力力力力。低低低低温温温温下下下下发发发发生生生生低低低低应应应应力力力力的的的的脆脆脆脆断断断断，常常常常与与与与残残残残余余余余应力有关；应力有关；应力有关；应力有关；n n进进进进行行行行合合合合理理理理细细细细部部部部构构构构造造造造设设设设计计计计，避避避避免免免免产产产产生生生生应应应应力力力力集集集集中中中中。应应应应力力力力集集集集中中中中处处处处会会会会产产产产生生生生同同同同号号号
8、号应应应应力力力力场场场场，使使使使钢钢钢钢材材材材变变变变脆脆脆脆。尽尽尽尽量量量量避避避避免免免免采采采采用用用用厚钢板；厚钢板；厚钢板；厚钢板；n n选选选选择择择择合合合合理理理理的的的的钢钢钢钢材材材材，钢钢钢钢材材材材化化化化学学学学成成成成分分分分与与与与钢钢钢钢材材材材抗抗抗抗脆脆脆脆断断断断能能能能力力力力有有有有关，含碳多的钢材，抗脆断性能有所下降。关，含碳多的钢材，抗脆断性能有所下降。关，含碳多的钢材，抗脆断性能有所下降。关，含碳多的钢材，抗脆断性能有所下降。n n此外，冷加工，加载速度等对钢材脆断性能都有影响。此外，冷加工，加载速度等对钢材脆断性能都有影响。此外，冷加工
9、，加载速度等对钢材脆断性能都有影响。此外，冷加工，加载速度等对钢材脆断性能都有影响。建筑结构用钢材二、钢材的主要性能二、钢材的主要性能n n2 2、基本性能要求和指标、基本性能要求和指标强度：强度：强度：强度：比例极限比例极限比例极限比例极限 f fp p p p、屈服点、屈服点、屈服点、屈服点f fy y （条件屈服点（条件屈服点（条件屈服点（条件屈服点f f0.20.2）、）、）、）、抗拉强度（极限强度）抗拉强度（极限强度）抗拉强度（极限强度）抗拉强度（极限强度） f fu u 、屈强比、屈强比、屈强比、屈强比塑性：塑性：塑性：塑性：伸长率、面缩率伸长率、面缩率伸长率、面缩率伸长率、面缩率
10、冷弯性能：冷弯性能：冷弯性能：冷弯性能：冷弯试验冷弯试验冷弯试验冷弯试验韧性（度）：韧性（度）：韧性（度）：韧性（度）：冲击韧性（度）冲击韧性（度）冲击韧性（度）冲击韧性（度）可焊性：可焊性：可焊性：可焊性：施工可焊性、使用可焊性施工可焊性、使用可焊性施工可焊性、使用可焊性施工可焊性、使用可焊性耐久性：耐久性：耐久性：耐久性：抗腐蚀能力、抗疲劳能力抗腐蚀能力、抗疲劳能力抗腐蚀能力、抗疲劳能力抗腐蚀能力、抗疲劳能力建筑结构用钢材低碳钢拉伸实验曲线低碳钢拉伸实验曲线理想的弹理想的弹- -塑性体的应力塑性体的应力应变曲线应变曲线建筑结构用钢材受压构件稳定问题受压构件稳定问题由于钢材具有轻质高强、塑性
11、和韧性好的特点，使得钢结构在大由于钢材具有轻质高强、塑性和韧性好的特点，使得钢结构在大跨、高层、高耸、桥梁、轻钢等结构中得到广泛的应用。跨、高层、高耸、桥梁、轻钢等结构中得到广泛的应用。对组成结构的构件来讲，受拉构件能充分发挥材料的性能；受压对组成结构的构件来讲，受拉构件能充分发挥材料的性能；受压构件，由于长细比构件，由于长细比（纤细）（纤细）较大，使得构件会出现失稳问题，因较大，使得构件会出现失稳问题，因此稳定问题将是钢结构课程学习中的重点和难点，希望同学们给此稳定问题将是钢结构课程学习中的重点和难点，希望同学们给予足够的重视，下面看几个简单的示例，以便有些感性认识。予足够的重视，下面看几个
12、简单的示例，以便有些感性认识。建筑结构用钢材三、影响钢材性能的主要因素三、影响钢材性能的主要因素n n化学成分化学成分化学成分化学成分：FeFeFeFe，C C C C，S S S Si i i i，MnMnMnMn，S S S S（O O O O），），），），P P P P（N N N N），其它），其它），其它），其它 n n冶金过程冶金过程冶金过程冶金过程：冶炼、浇铸、轧制和热处理：冶炼、浇铸、轧制和热处理：冶炼、浇铸、轧制和热处理：冶炼、浇铸、轧制和热处理n n时效时效时效时效：钢材硬化：钢材硬化：钢材硬化：钢材硬化n n温度温度温度温度：高温：高温：高温：高温30030030030
13、00 0 0 0C 600C 600C 600C 6000 0 0 0C C C C 低温低温低温低温 冲击韧性的温度转变区冲击韧性的温度转变区冲击韧性的温度转变区冲击韧性的温度转变区n n应力集中应力集中应力集中应力集中：因钢材缺陷或制作引起的几何改变，造成各点钢：因钢材缺陷或制作引起的几何改变，造成各点钢：因钢材缺陷或制作引起的几何改变，造成各点钢：因钢材缺陷或制作引起的几何改变，造成各点钢材应力不均匀的状况称为应力集中。材应力不均匀的状况称为应力集中。材应力不均匀的状况称为应力集中。材应力不均匀的状况称为应力集中。 应力集中系数应力集中系数应力集中系数应力集中系数 mm/ / 0 0 应
14、力集中与同号应力场应力集中与同号应力场应力集中与同号应力场应力集中与同号应力场 应力集中程度与缺陷几何的关系应力集中程度与缺陷几何的关系应力集中程度与缺陷几何的关系应力集中程度与缺陷几何的关系建筑结构用钢材化学成分对钢材（普通碳素钢）性能的影响化学成分对钢材（普通碳素钢）性能的影响 建筑结构用钢材四、钢材的疲劳四、钢材的疲劳n n疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏；疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏；n n钢钢材材的的疲疲劳劳强强度度与与反反复复荷荷载载引引起起的的应应力力种种类类（拉拉应应力力、压压应应力力、剪剪应应力力和和复复杂杂应应力力等等）、应应力力循循环环形形式式、应应力力循循环
15、环次次数数、应应力力集集中中程程度度和残余应力等有着直接关系。和残余应力等有着直接关系。 建筑结构用钢材钢材的选择钢材的选择（一）选择钢材的原则一）选择钢材的原则1 1结构或构件的重要性；结构或构件的重要性；建筑结构用钢材2 2荷载情况（静力荷载，动力荷载）；荷载情况（静力荷载，动力荷载）；静力荷载作用下可选择经济性较好的静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235Q235钢材。钢材。 动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。3 3连接方法（焊接连接、螺栓连接）；连接方法（焊接连接、螺栓连接）； 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制焊接结构对材质的要求严格，应严
16、格控制C C、S S、P P的的极限含量；非焊接结构对极限含量；非焊接结构对C C的要求可降低一些。的要求可降低一些。4 4结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）；结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）； 低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢5.5.钢材的厚度。钢材的厚度。6.6. 厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。建筑结构用钢材（二）钢材选择建议（二）钢材选择建议1 1、承重结构的钢材宜采用、承重结构的钢材宜采用Q235Q235钢、钢、Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢钢和和Q420Q420
17、钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢GB/T700GB/T700和低合金高强度结构钢和低合金高强度结构钢GB/T1591GB/T1591的规的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准的规定和要求。的规定和要求。 2 2、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服、承重结构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，对焊接结构尚具有含强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。碳量的合格保证。建筑结构用钢材 3 3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧、对于需
18、要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于性的合格保证；当结构工作温度等于或低于00但高于但高于2020时，时，Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有00冲击韧性合格的冲击韧性合格的保证；保证； 对于对于Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢应具有钢应具有2020冲击韧性的冲击韧性的合格保证。合格保证。 当结构工作温度等于或低于当结构工作温度等于或低于2020时，对时，对Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有2020冲击韧性的合格保证；冲击韧性的合格保证； 对对Q390Q390和和Q420Q420钢应具有钢应具有4040
19、冲击韧性的合格保证冲击韧性的合格保证。 建筑结构用钢材 4 4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于于2020时，对时，对Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有00冲击韧性合冲击韧性合格的保证；对格的保证；对Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢应具有钢应具有2020冲击韧性冲击韧性的合格保证。的合格保证。5 5、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm16mm的钢材应具有常温
20、冲击韧性合格的保证。的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。 6 6、当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用 Z Z 向钢向钢时，其材质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板时，其材质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板GB/T5313GB/T5313的规定。的规定。 建筑结构用钢材8 8、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准焊接耐候钢候钢，其质量要求应符合现行国家标准焊接耐候钢GB/T4172G
21、B/T4172的规定。的规定。 7、钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率z z来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三个来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三个等级，即等级，即Z15Z15，Z25Z25，Z35Z35，分别对应其允许值。，分别对应其允许值。建筑结构用钢材三、钢材的规格 热轧成型的热轧成型的钢板钢板和和型钢型钢，冷弯（或冷压）成型，冷弯（或冷压）成型的的薄壁型钢薄壁型钢。（一）热轧钢板（一）热轧钢板（表示方法（表示方法厚度厚度宽度宽度长度长度 ）分为分为: :厚板（厚度厚板（厚度4.5-60mm)4.5-60mm)薄板薄板（厚
22、度（厚度0.35-4mm)0.35-4mm)扁钢：扁钢： 厚度厚度4-60mm4-60mm， 宽度宽度20-200mm20-200mm。建筑结构用钢材( (二）热轧型钢二）热轧型钢1.1.工字钢工字钢2.2.槽钢槽钢工字钢根据截面高度工字钢根据截面高度h h及厚度分类及厚度分类a(a(或或b b、c)c)槽钢根据截面高度槽钢根据截面高度h h及及厚度分类厚度分类a(a(或或b b、c)c)建筑结构用钢材3.3.角钢角钢肢宽度肢宽度肢厚度肢厚度 等肢角钢等肢角钢长肢宽度长肢宽度短肢宽度短肢宽度肢厚度肢厚度 不等肢角钢不等肢角钢建筑结构用钢材4.4.H H型钢型钢分为：分为：宽翼缘宽翼缘HW、中翼缘、中翼缘HM、窄翼缘、窄翼缘HNbht1t2表示方法：表示方法：H高度高度宽度宽度腹板厚度腹板厚度翼缘厚度翼缘厚度如：如： Hh hb bt t1 1t t2 25.5.钢管钢管tD表示方法：表示方法：外径外径壁厚壁厚分为无缝管和焊接管分为无缝管和焊接管建筑结构用钢材（三）（三）冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢壁厚壁厚1.55mm压型钢板壁厚压型钢板壁厚0.41.5mm建筑结构用钢材建筑结构用钢材
