第2章 钢结构的材料.ppt

第2章钢结构的材料 对钢结构用材的要求钢材的主要性能及其鉴定影响钢材性能的因素钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加载建筑钢材的类别及钢材的选用 主要内容 重点 对钢结构用材的要求建筑钢材的类别及钢材的选用 2 1对钢结构用材的要求 较高的强度 即抗拉强度fu和屈服点fy比较高 足够的变形能力 即塑性和韧性性能好 良好的加工性能 即适合冷 热加工 良好的可焊性 适应低温 有害介质侵蚀 包括大气锈蚀 以及重复荷载作用等的性能 容易生产 价格便宜 钢结构设计规范 GB50017 2002 推荐的普通碳素结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345 Q390及Q420是符合上述要求的 选用GB50017规范还未推荐的钢材时 需有可靠依据 以确保钢结构的质量 2 2钢材的主要性能及其鉴定 图2 1钢材的一次拉伸应力 应变曲线 2 2 1单向拉伸时的工作性能条件 常温 静载条件下一次拉伸 1 比例极限 P这是应力 应变图中直线段的最大应力值 严格地说 比 P略高处还有弹性极限 但弹性极限与 P极其接近 所以通常略去弹性极限的点 把 P看做是弹性极限 2 屈服点 y应变 在 P之后不再与应力成正比 而是渐渐加大 应力 应变间成曲线关系 一直到屈服点 3 抗拉强度 u屈服平台之后 应变增长时又需有应力的增长 但相对地说 应变增加得快 呈现曲线关系直到最高点 4 伸长率 5和 10伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比 取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度 其相应的伸长率用 5和 10表示 伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力 结构制造时 这种能力使材料经受剪切 冲压 弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏 屈服点 抗拉强度和伸长率 是钢材的三个重要力学性能指标 钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求 屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性 其意义是 1 作为结构计算中材料强度标准 或材料抗力标准 应力达到 y时的应变与 P时的应变较接近 可以认为应力达到 y时为弹性变形的终点 同时 达到 y后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加 表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力 故此以 y作为弹性计算时强度的标准 2 形成理想弹塑性体的模型 为发展钢结构计算理论提供基础 y之前 钢材近于理想弹性体 y之后 塑性应变范围很大而应力保持不增长 所以接近理想塑性体 因此 可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的应力 应变模型 钢结构设计规范对塑性设计的规定 就以材料是理想弹塑性体的假设为依据 忽略了应变硬化的有利作用 图2 2钢材的冷弯试验 2 2 2冷弯性能 根据试样厚度 按规定的弯心直径将试样弯曲180度 其表面及侧无裂纹或分层则为 冷弯试验合格 冷弯试验合格 一方面同伸长率符合规定一样 表示材料塑性变形能力符合要求 另一方面表示钢材的冶金质量 颗粒结晶及非金属夹杂分布 甚至在一定程度上包括可焊性 符合要求 因此 冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标 重要结构中需要有良好的冷热加工的工艺性能时 应有冷弯试验合格保证 2 2 3冲击韧性 与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性 韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度 吸收较多能量才断裂的钢材 是韧性好的钢材 钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量 用单位体积吸收的能量来表示 其值等于应力 应变曲线下的面积 塑性好的钢材 其应力 应变曲线下的面积大 所以韧性值大 然而 实际工作中 不用上述方法来衡量钢材的韧性 而用冲击韧性衡量钢材抗脆断的性能 因为实际结构中脆性断裂并不发生在单向受拉的地方 而总是发生在有缺口高峰应力的地方 在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态 图2 4钢材的冲击试验 缺口韧性值受温度影响 温度低于某值时将急剧降低 设计处于不同环境温度的重要结构 尤其是受动载作用的结构时 要根据相应的环境温度对应提出冲击韧性的保证要求 2 2 4可焊性 与可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的 无裂纹的 焊缝的性能 钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响 碳含量在0 12 0 20 范围内的碳素钢 可焊性最好 碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆 2 2 5钢材性能的鉴定 与根据 钢结构工程施工质量验收规范 GB50205 2001 的规定 对进入钢结构工程实施现场的主要材料需进行进场验收 即检查钢材的质量合格证明文件 中文标识及检验报告 确认钢材的品种 规格 性能是否符合现行国家标准和设计要求 2 3影响钢材性能的因素 钢是含碳量小于2 的铁碳合金 碳大于2 时则为铸铁 制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢 碳素结构钢由钝铁 碳及杂质元素组成 其中纯铁约占99 碳及杂质元素约占1 低合金结构钢中 除上述元素外还加入合金元素 后者总量通常不超过3 碳及其他元素虽然所占比重不大 但对钢材性能却有重要影响 2 3 1化学成分的影响 碳 C 碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素 是影响钢材强度的主要因素 随着含碳量的增加 钢材强度提高 而塑性和韧性 尤其是低温冲击韧性下降 同时可焊性 抗腐蚀性 冷弯性能明显降低 因此结构用钢的含碳量一般不应超过0 22 对焊接结构应低于0 2 锰 Mn 锰是一种弱脱氧剂 适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度 又能消除硫 氧对钢材的热脆影响 而不显著降低钢材的塑性和韧性 锰在碳素结构钢中的含量为0 3 0 8 在低合金钢中一般为1 0 1 7 硅 Si 硅是一种强脱氧剂 适量的硅可提高钢材的强度 而对塑性 韧性 冷弯性能和可焊性无明显不良影响 但硅含量过大时 会降低钢材的塑性 韧性 抗锈蚀性和可焊性 钒 V 铌 Nb 钛 Ti 钒 铌 钛都能使钢材晶粒细化 我国的低合金钢都含有这三种元素 作为锰以外的合金元素 既可提高钢材强度 又保持良好的塑性 韧性 铝 Al 铬 Cr 镍 Ni 铝是强脱氧剂 用铝进行补充脱氧 不仅进一步减少钢中的有害氧化物 而且能细化晶粒 铬和镍是提高钢材强度的合金元素 用于Q390钢和Q420钢 硫 S 硫是一种有害元素 降低钢材的塑性 韧性 可焊性 抗锈蚀性等 在高温时使钢材变脆 即热脆 因此 钢材中硫的含量不得超过0 05 在焊接结构中不超过0 045 磷 P 磷既是有害元素也是能利用的合金元素 磷是碳素钢中的杂质 它在低温下使钢变脆 这种现象称为冷脆 在高温时磷也能使钢减少塑性 但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力 氧 O 氮 N 氧和氮也是有害杂质 在金属熔化的状态下可以从空气中进入 氧能使钢热脆 其作用比硫剧烈 氮能使钢冷脆 与磷相似 2 3 2成材过程的影响 1 冶炼钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢 氧气顶吹转炉炼钢 碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢 在建筑钢结构中 主要使用氧气顶吹转炉生产的钢材 目前氧气顶吹转炉钢的质量 由于生产技术的提高 已不低于平炉钢的质量 冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量 钢的金相组织结构 不可避免地存在冶金缺陷 从而确定不同的钢种 钢号及其相应的力学性能 2 3 2成材过程的影响 2 浇铸把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯有两种方法 一种是浇入铸模做成钢锭 另一种是浇入连续浇铸机做成钢坯 铸锭过程中因脱氧程度不同 最终成为镇静钢 半镇静钢与沸腾钢 钢在冶炼及浇铸过程中会不可避免地产生冶金缺陷 常见的冶金缺陷有偏析 非金属夹杂 气孔及裂纹等等 这些缺陷都将影响钢的力学性能 2 3 2成材过程的影响 3 轧制钢材的轧制能使金属的晶粒变细 也能使气泡 裂纹等焊合 因而改善了钢材的力学性能 薄板因辊轧次数多 其强度比厚板略高 浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层 所以分层是钢材 尤其是厚板 的一种缺 设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况 以防止层间撕裂 2 3 2成材过程的影响 4 热处理热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性 正火属于最简单的热处理 把钢材加热至850 900oC并保持一段时间后在空气中自然冷却 即为正火 如果钢材在终止轧制时温度正好控制在上述温度范围 可得到正火的效果 称为控轧 回火是将钢材重新加热至650oC并保温一段时间 然后在空气中自然冷却 淬火加回火也称调质处理 淬火是把钢材加热至900oC以上 保温一段时间 然后放入水或油中快速冷却 强度很高的钢材 包括高强度螺栓的材料都要经过调质处理 2 3 3影响钢材性能的其它因素 1 冷加工硬化 应变硬化 在常温下加工叫冷加工 冷拉 冷弯 冲孔 机械剪切等加工使钢材产生很大塑性变形 由于减小了塑性和韧性性能 普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度 重要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去 用作冷弯薄壁型钢结构的冷弯型钢 是由钢板或钢带经冷轧成型的 也有的是经压力机模压成型或在弯板机上弯曲成型的 由于这个原因 薄壁型钢结构设计中允许利用因局部冷加工而提高的强度 此外 还有性质类似的时效硬化与应变时效 时效硬化指钢材仅随时间的增长而转脆 应变时效指应变硬化又加时效硬化由于这些是使钢材转脆的性质 所以有些重要结构要求对钢材进行人工时效 然后测定其冲击韧性 以保证结构具有长期的抗脆性破坏能力 图2 5钢材的硬化 2 温度的影响钢材对温度相当敏感 温度升高与降低都使钢材性能发生变化 相比之下 低温性能更重要 正温范围总的趋势是随着温度的升高 钢材强度降低 变形增大 约在200oC以内钢材性能没有很大变化 430 540oC之间则强度 fy与fu 急剧下降 到600oC时强度很低不能承担荷载 此外 250oC附近有兰脆现象 约260 320oC时有徐变现象 兰脆现象指温度在250oC左右的区间内 fu有局部性提高 fy也有回升现象 同时塑性有所降低 材料有转脆倾向 在兰脆区进行热加工 可能引起裂纹 徐变现象指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现象 设计时以规定150oC为适宜 超过之后结构表面即需加设隔热保护层 图2 6高温对钢材性能的影响 负温范围fy与fu都增高但塑性变形能力减小 因而材料转脆 对冲击韧性的影响十分突出 材料由韧性破坏转到脆性破坏叫该种钢材的转变温度 在结构设计中要求避免完全脆性破坏 所以结构所处温度应大于脆性转变温度 图2 7Cv值随温度T的变化 3 应力集中当截面完整性遭到破坏 如有裂纹 内部的或表面的 孔洞 刻槽 凹角时以及截面的厚度或宽度突然改变时 构件中的应力分布将变得很不均匀 在缺陷或截面变化处附近 应力线曲折 密集 出现高峰应力的现象称为应力集中 孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力 这是因为材料的某一点在x方向伸长的同时 在y方向 横向 将要收缩 当板厚较大时还将引起z方向收缩 由力学知识知道 三向同号应力且各应力数值接近时 材料不易屈服 当为数值相等三向拉应力时 直到材料断裂也不屈服 没有塑性变形的断裂是脆性断裂 所以 三向应力的应力状态 使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束 材料容易脆性破坏 因此 对于厚钢材应该要求更高的韧性 图2 8孔洞 缺口处的应力集中 2 4钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加载的效应 有屈服现象的钢材或者虽然没有明显屈服现象而能发生较大塑性变形的钢材 一般属于塑性材料 没有屈服现象或塑性变形能力很小的钢材 则属于脆性材料 塑性材料是指由于材料原始性能以及在常温 静载并一次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料 然而一种钢材具有塑性变形能力的大小 不仅取决于钢材原始的化学成分 熔炼与轧制条件 也取决于后来所处的工作条件 即使原来塑性表现极好的钢材 改变了工作条件 如在很低的温度之下受冲击作用 也完全可能呈现脆性破坏 所以 严格地说 不宜把钢材划分为塑性和脆性材料 而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏 2 4 1延性破坏和非延性破坏 1 疲劳断裂的概念疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏 断口可能贯穿于母材 可能贯穿于连接焊缝 也可能贯穿于母材及焊缝 出现疲劳断裂时 截面上的应力低于材料的抗拉强度 甚至低于屈服强度 同时 疲劳破坏属于脆性破坏 塑性变形极小 因此是一种没有明显变形的突然破坏 危险性较大 2 4 2循环荷载的效应 疲劳破坏的构件断口上面一部分呈现半椭圆形光滑区 其余部分则为粗糙区 如图2 9 2 4 2循环荷载的效应 图2 9断口示意1 光滑区 2 粗糙区 应力循环特性常用应力比值来表示 以拉应力为正值 连续重复荷载之下应力往复变化一周叫做一个循环 完全对称循环 1 静荷载作用 1 脉冲循环 0 一般应力循环 1 1 为应力幅 表示应力变化的幅度 总为正值 图2 10 n曲线 2 n曲线根据试验数据可以画出构件或连接的应力幅 与相应的致损循环次数n的关系曲线 图a 这种曲线是疲劳验算的基础 致损循环次数也叫做疲劳寿命 目前国内外都常用双对数坐标轴的方法使曲线改为直线以便于分析 图b 在双对数坐标图中 疲劳方程就是直线式 图中实直线 3 疲劳验算及容许应力幅直接受到重复荷载作用的构件 如吊车梁 桥梁 输送栈桥和某些工作平台梁等以及它们的连接 当应力循环次数n 105时应进行疲劳验算 永久荷载所产生的应力为不变值 没有应力幅 应力幅只由重复作用的可变荷载产生 所以疲劳验算按可变荷载标准值进行 荷载计算中不乘以吊车动力系数 常幅疲劳按下式进行验算 式中 对焊接结构为应力幅 max min 对非焊接部位为计算应力幅 max min 应力以拉为正 压为负 常幅疲劳的容许应力幅 式中C 系数 焊接结构中根据各种不同的构造细部使疲劳强度不同程度地降低 详见第8章 2 4 3快速加荷效应 快速加荷使钢材的屈服点和抗拉强度提高 而钢厂在做钢材拉伸试验时往往加荷比较快 致使所得fy fu偏高 快速加荷的不利效应在于影响能量吸收的能力 图2 11给出三条不同加荷速率下的断裂能量一温度关系曲线 从图可以看出 随着加荷速率的减小 曲线向温度较低的方向移动 有些结构的钢材在工作温度下冲击韧性值很低 但仍然保持完好 就可以由加荷速率很慢来说明 对于同一冲击韧性的材料 当设计承受动力荷载时 允许最低的使用温度要比承受静力荷载高的多 2 4 3快速加荷效应 图2 11断裂吸收能量随温度的变化 图2 12加荷速度对断裂韧性的影响 2 5建筑钢材的类别及钢材的选用 2 5 1建筑钢材的类别 1 碳素结构钢碳素结构钢的牌号 简称钢号 有Q195 Q235A B C及D Q275 其中的Q是屈服强度中屈字汉语拼音的字首 后接的阿拉伯字表示以N mm2为单位屈服强度的大小 A B C或D等表示按质量划分的级别 最后还有一个表示脱氧方法的符号如F Z或b 从Q195到Q275 是按强度由低到高排列的 钢材强度主要由其中碳元素含量的多少来决定 但与其他一些元素的含量也有关系 所以 钢号的由低到高在较大程度上代表了含碳量的由低到高 2 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素使钢的强度明显提高 故称低合金高强度结构钢 Q345 Q39O和Q420是钢结构设计规范规定采用的钢种 其符号的含义和碳素结构钢牌号的含义相同 这三种钢都包括A B C D E五种质量等级 和碳素结构钢一样 不同质量等级是按对冲击韧性 夏比V型缺口试验 的要求区分的 A级无冲击功要求 B级要求提供20 冲击功AKv 34J 纵向 C级要求提供0 冲击功AKV 34J 纵向 D级要求提供一20 冲击功AKv 34J 纵向 E级要求提供一40 冲击功AKv 27J 纵向 不同质量等级对碳 硫 磷 铝等含量的要求也有区别 低合金高强度结构钢的A B级属于镇静钢 C D E级属于特殊镇静钢 3 高强钢丝和钢索材料悬索结构和斜张拉结构的钢索 桅杆结构的钢丝绳等通常都采用由高强钢丝组成的平行钢丝束 钢绞线和钢丝绳 高强钢丝是由优质碳素钢经过多次冷拔而成 分为光面钢丝和镀锌钢丝两种类型 钢丝强度的主要指标是抗拉强度 其值在1570 1700N mm2范围内 而屈服强度通常不作要求 高强钢丝的伸长率较小 最低为4 但高强钢丝 和钢索 却有一个不同于一般结构钢材的特点 松弛 即在保持长度不变的情况下所承拉力随时间延长而略有降低 平行钢丝束由7根 19根 37根或61根钢丝组成 其截面见图示 钢丝束内各钢丝受力均匀 弹性模量接近一般受力钢材 用来组成钢丝束的钢丝除圆形截面外 还有梯形和异形截面的钢丝 钢绞线亦称单股钢丝绳 由多根钢丝捻成 钢丝绳多由7股钢绞线捻成 以一股钢绞线为核心 外层的6股钢绞线沿同一方向缠绕 图2 13平行钢丝束的截面 图2 14钢丝绳的捻法及截面 2 5 2钢材的选择 选择钢材的目的是要做到结构安全可靠 同时用材经济合理 为此 在选择钢材时应考虑下列各因素 1 结构或构件的重要性 2 荷载性质 静载或动载 3 连接方法 焊接 铆接或螺栓连接 4 工作条件 温度及腐蚀介质 对于重要结构 直接承受动载的结构 处于低温条件下的结构及焊接结构 应选用质量较高的钢材 Q235A钢的保证项目中 碳含量 冷弯试验合格和冲击韧性值并未作为必要的保证条件 所以只宜用于不直接承受动力作用的结构中 当用于焊接结构时 其质量证明书中应注明碳含量不超过0 2 当选用Q235A B级钢时 还需要选定钢材的脱氧方法 连接所用钢材 如焊条 自动或半自动焊的焊丝及螺栓的钢材应与主体金属的强度相适应 2 5 3型钢的规格 钢结构构件一般宜直接选用型钢 这样可减少制造工作量 降低造价 型钢尺寸不够合适或构件很大时则用钢板制作 型钢有热轧及冷成型两种 1 热轧钢板热轧钢板分厚板及薄板两种 厚板的厚度为4 5 60mm 广泛用来组成焊接构件和连接钢板 薄板厚度为0 35 4mm 冷弯薄壁型钢的原料 在图纸中钢板用 厚x宽x长 单