第2章钢结构的材料

第2章钢结构的材料 主要内容 重点 钢材的基本性能及其影响因素 钢材的性能指标 疲劳破坏的概念和疲劳验算方法 在建筑钢结构工程和桥梁钢结构工程中 规范推荐的普通碳素结构钢是Q235 低合金高强度结构钢是Q345 Q390和Q420 1 强度和变形指标 2 塑性性能指标 钢材的塑性性能可用伸长率和断面收缩率衡量 2 1 试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数 试件拉断后 颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比 伸长率 断面收缩率 2 2 3 物理性能指标 钢材和钢铸件的物理性能指标 表2 1 4 钢材的韧性 4 钢材的韧性 冲击试验的试件一般采用带V形缺口的Charpy试件 尺寸为10mm 10mm 55mm 在一种专门的夏比试验机上进行 当摆锤在一定高度落下试件被冲断后 摆锤所做的冲击功与试件缺口处净截面面积之比为冲击韧性 单位为J 焦耳 冲击试验 冲击韧性值越大 说明试件所代表的钢材断裂前吸收的能量越大 韧性越好 强度和塑性综合性能越优越 我国钢材标准中将试验分为四档 即 20 时的 0 时的 20 时的 40 时的 5 钢材的冷弯性能 试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头缓慢加压 使试件弯成180度 如果试件外面 里面和侧面均不出现裂纹或分层 即为合格 冷弯试验 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 冷弯试验是鉴定钢材质量 主要是塑性和可焊性 的一种良好方法 常作为静力拉伸试验和冲击试验的补充试验 6 钢材的可焊性 焊缝及其附近金属的焊接安全可靠 不发生或者少发生焊接裂缝 其塑性和力学性能都不低于母材 可焊性 低碳钢 低合金钢 当含碳量控制在0 12 0 20 含锰量小于0 7 含硅量小于0 4 含硫量和含磷量小于0 045 时 具有较好的可焊性 用碳当量CE衡量 2 3 6 钢材的可焊性 焊缝及其附近金属的焊接安全可靠 不发生或者少发生焊接裂缝 其塑性和力学性能都不低于母材 可焊性 低碳钢 低合金钢 当含碳量控制在0 12 0 20 含锰量小于0 7 含硅量小于0 4 含硫量和含磷量小于0 045 时 具有较好的可焊性 用碳当量CE衡量 2 3 当钢材的碳当量小于0 38 时其可焊性是好的 Q345钢属于这种情况 7 钢材沿厚度方向的性能 由较厚钢板组成的焊接承重结构 在焊接过程中或者在厚度方向受拉作用时 常常会产生与厚度方向垂直 称为Z方向 的裂纹 出现层状撕裂 为了避免这种情况发生 采用 厚度方向性能钢板 是必要的 现行国家标准 厚度方向性能钢板 GB T5313 把它分为Z15 Z25 Z35三个级别 这种钢板被严格控制含硫量和断面收缩率 三个级别钢板的含硫量分别不大于0 01 0 007 和0 005 单个试件的断面收缩率分别不小于10 15 和25 同时三个试件断面收缩率的平均值也分别不小于15 25 和35 钢材在单轴反复应力作用下的工作特性 可用应力 应变试验曲线表示 当构件反复应力 即材料处于弹性阶段时 在反复应力作用下钢材的材性无变化 也不存在残余变形 当钢材的反复应力 即材料处于弹塑性阶段时 重复应力和反复应力引起塑性变形的增长 钢材在多次重复的循环应变作用下滞回环丰满而稳定 这是钢材一种极好的性能 为钢结构在地震作用下耗能能力提供了保障 对于接近理想弹塑性材料的钢材 按照能量理论 或第四强度理论 在三向应力作用下 有 2 4 由 2 4 式可见 当 为同号应力且数值接近时 即使他们都大于 折算应力仍小于 说明材料很难进入塑性状态 当平面或立体应力皆为拉应力时 材料处于脆性状态 破坏时没有明显的塑性变形 是指在连续反复荷载作用下 钢材或钢构件的应力低于极限强度 甚至低于屈服强度而发生的破坏 疲劳破坏 疲劳破坏过程 应力比 1 基本概念 其中 为绝对值最小的应力 为绝对值最大的应力 拉应力取正值 压应力取负值 1 基本概念 应力幅 应力幅 表示应力变化的幅度 总为正值 应力循环中的最大拉应力 取正值 应力循环中的最小拉应力或压应力 拉应力取正值 压应力取负值 2 9 焊接部位的疲劳强度主要与应力幅有关 而与应力比 名义应力 及钢材的静力强度的关系不是非常密切 注 应力幅计算式 2 9 中的 与应力比中的 的意义是不相同的 1 基本概念 疲劳寿命和疲劳强度 材料或构件发生疲劳破坏时 应力幅的大小和应力循环次数N有关 较小的N达到疲劳破坏所必须的相对大些 这时的应力幅称为对应循环次数N的疲劳强度 同样 对应的应力循环次数N称为材料或构件的疲劳寿命 疲劳强度极限 当应力幅小到一定程度时 无论应力循环多少次也不会发生疲劳破坏 这个应力幅称为疲劳强度极限 简称疲劳极限 2 钢材的疲劳破坏 影响钢材疲劳强度的因素 反复荷载引起的应力种类 如拉应力 压应力 剪应力 复杂应力等 应力循环的形式和次数 钢材内部残余应力的大小 钢材内部应力集中的程度 3 钢结构的疲劳破坏及影响因素 钢构件和钢结构的疲劳破坏时的截面特点 光滑区 图中1区 微观裂纹在连续反复作用应力下逐步扩展 裂纹两侧的材料时而相互挤压时而分离 形成光滑区 粗糙区 图中2区 裂纹在长期连续反复应力作用下日益扩展使构件截面被逐渐削弱 直至截面残余部分不足以抵抗破坏时 构件会突然断裂 表面呈颗粒状的粗糙区就是由撕裂作用而形成的 3 钢结构的疲劳破坏及影响因素 影响钢构件和结构疲劳强度的因素 构件形状变化 截面形状突变 截面削弱 构件表面凹凸不平等 构件内部存在的残余应力 应力集中 程度越严重 钢构件越容易发生疲劳破坏 疲劳强度就越低 钢构件产生应力集中的主要原因 构件在冷加工过程中的加工硬化会导致应力集中和韧性降低 4 钢结构的疲劳验算 对于直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件 如吊车梁 桥梁等以及它们的连接 当实际应力循环次数n 5 104次时 才需要进行疲劳计算 钢构件和连接形式的分类 常见的钢结构构件和连接形式 按应力集中程度的大小 由低至高分为8个类别 第1类为基本无应力集中影响的无连接处的主体金属 应力集中程度最弱 第8类则为应力集中程度最严重的角焊缝 第2至第7类是有不同程度应力集中的主体金属 见附表9 1 4 钢结构的疲劳验算 容许应力幅的计算 2 10 参数C 值 表2 2 4 钢结构的疲劳验算 常幅疲劳的验算 永久荷载产生的应力值为不变值 不产生应力幅 应力幅只由重复作用的可变荷载产生 所以疲劳计算时 取重复作用的可变荷载标准值来计算应力幅 2 11 式中 对焊接部位为应力幅 对非焊接部位为计算应力幅 应力以拉为正 压为负 常幅度疲劳的容许应力幅 先由附表9 1确定构件和连接的类别 再由表2 2查取参数C 见式 2 10 一般应选取受拉区应力集中较严重处进行疲劳强度验算 4 钢结构的疲劳验算 变幅疲劳的验算 2 12 式中 变幅疲劳的等效应力幅 按下式确定 1 已知设计应力谱 对变幅疲劳 若能预测结构使用寿命期间各种荷载的频率分布 应力幅水平以及频次分布总和所构成的设计应力谱 则可将其折算为等效常幅疲劳 按下式计算 2 13 4 钢结构的疲劳验算 变幅疲劳的验算 2 重级工作制吊车梁和重级 中级工作制吊车桁架的疲劳计算 规范规定按照简化的常幅疲劳进行计算 2 15 式中 f 欠载效应的等效系数 见表2 3 循环次数n为2 106次的容许应力幅 见表2 4 也可按式 2 10 计算 影响因素 1 化学成分的影响 钢材的基本成份为Fe 碳钢中Fe含量占99 其余C Si Mn等为杂质元素 S P N O为冶炼过程中不易除尽的有害元素 碳 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 锰 Mn 锰是有益元素 它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性 锰是弱脱氧剂 但是锰可使钢材的可焊性降低 故含量有限制 硅 Si 硅是有益元素 也是强脱氧剂 硅能使钢材的粒度变细 控制适量时可提高强度而不显著影响塑性 韧性 冷弯性能及可焊性 硅的含量过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性 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 既可提高钢材强度 又保持良好的塑性 韧性 1 化学成分的影响 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 硫是有害元素 当热加工及焊接使温度达800 1000 时 可能出现裂纹 称为热脆 硫还能降低钢的冲击韧性 同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能 一般不得超过0 045 0 05 磷 P 磷是有害元素 它在低温下使钢变脆 这种现象称为冷脆 其含量应限制在0 045 以内 氧 O 氮 N 氧和氮也是有害杂质 氧能使钢热脆 其作用比硫剧烈 氮能使钢冷脆 与磷相似 碳素结构钢和低合金高强度钢的化学成分分别见附录1附表1 1和附表1 2 2 冶金缺陷的影响 是指钢中化学成分的不一致和不均匀性 常见的冶金缺陷有偏析 非金属夹杂 气孔 裂纹及分层等 是指钢中含有的硫化物与氧化物等杂质 是浇注钢锭时 由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分逸出而形成的 这些缺陷都将影响钢材的力学性能 偏析 非金属夹杂 气孔 3 钢材硬化的影响 是指冷拉 冷弯 冲孔 机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形 从而提高了钢的屈服点 同时降低了钢的塑性和韧性 也称为应变硬化 冷作硬化 是指氮和碳 随着时间的增长逐渐从纯铁中析出 形成自由碳化物和氮化物 对纯铁体的塑性变形起遏制作用 从而使钢材的强度提高 塑性 韧性下降 俗称老化 时效硬化 硬化的结果总是要降低钢材的塑性和韧性 因此一般不利用硬化所提高的强度 同时要保证硬化后钢材抗脆断的能力 4 温度的影响 正温范围内 0 以上 总的趋势是 温度升高 钢材强度降低 应变增大 反之 温度降低 钢材强度会略有增加 塑性和韧性却会降低而使钢材变脆 见图2 16 T 200 时 钢材性能没有很大变化 T在250 左右 钢材的强度反而略有提高 同时塑性和韧性均下降 材料有转脆的倾向 钢材表面氧化膜呈现蓝色 称为蓝脆现象 4 温度的影响 正温范围内 0 以上 T在260 320 时 在应力持续不变的情况下 钢材以很缓慢的速度继续变形 此种现象称为徐变现象 T在430 540 之间强度急剧下降 600 时强度很低不能承担荷载 4 温度的影响 正温降到负温时 特别是0 以下 接近或达到负温度范围内时 钢材强度虽有提高 但其塑性和韧性降低 材料逐渐变脆 这种性质称为低温冷脆 低温冷脆 由图2 17可见 随着温度的降低冲击韧性值迅速下降 材料将由塑性破坏转变为脆性破坏 这一转变是在一个温度区间T1 T2内完成的 此温度区称为钢材的脆性转变温度区 在此区内曲线的反弯点T0所对应的温度称为转变温度 5 应力集中的影响 在钢构件中经常存在着截面改变 孔洞 槽口 凹角以及钢材内部缺陷等 此时 构件中的应力分布将不再保持均匀 而是在某些区域产生局部高峰应力 在另外一些区域则应力降低 形成所谓应力集中现象 见图2 18 应力集中 应力集中造成双向或三向应力场的复杂应力状态 从而使钢材塑性降低 容易产生脆性破坏 在负温或动力荷载作用下工作的结构 应力集中的不利影响将十分突出 往往是引起脆性破坏的根源 故在设计中应采取措施避免或减小应力集中 1 钢材的种类 平炉钢 冶炼时间长 成本较高 沸腾钢 代号F 脱氧较差 半镇静钢 代号b 脱氧充分 按冶炼方法分 转炉钢 生产效率高 成本低 已成为炼钢的主要方式 按脱氧方法分 镇静钢 代号Z 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 特殊镇静钢 代号TZ 加强脱氧剂铝或钛补充脱氧的镇静钢 1 钢材的种类 轧制钢 热轧 冷轧 锻钢 铸钢 按成型方法分类 钢结构用的钢材主要有两种 碳素结构钢和低合金钢 结构钢的表示方法 1 钢材的种类 1 碳素结构钢 钢号中质量分级由A到D 表示质量由低到高 A级钢 冲击韧性不作为要求条件 冷弯试验只在需方要求时进行 B级钢 要求常温 20 5 冲击韧性值Akv 27J 冷弯合格 C级钢 要求 0 冲击韧性值Akv 27J 冷弯合格 D级钢 要求负温 20 冲击韧性值Akv 27J 冷弯合格 对Q235钢来说 A B两级的脱氧方法可以是Z b或F C级只能是Z D级只能是TZ 碳素结构钢按现行标准规定的化学成分和机械性能取值 见附表1 1和附表1 2 1 钢材的种类 2 低合金钢 A级钢 冲击韧性不作为要求条件 冷弯试验只在需方要求时进行 B级钢 要求常温 20 5 冲击韧性值Akv 34J 冷弯合格 C级钢 要求 0 冲击韧性值Akv 34J 冷弯合格 D级钢 要求负温 20 冲击韧性值Akv 34J 冷弯合格 低合金钢是在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素 合金元素的总量低于5 使钢的强度明显提高 故称低合金高强度结构钢 分为Q295 Q345 Q390 Q420 Q460五种牌号 中间的三种为钢结构的常用钢种 这三种钢都包括A B C D E五种质量等级 E级钢 要求负温 40 冲击韧性值Akv 27J 冷弯合格 低合金高强度结构钢的A B级属于镇静钢 Z C D E级属于特殊镇静钢 TZ 1 钢材的种类 3 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢是碳素钢经过热处理 如调质处理和正火处理得到综合性能较好 它与碳素钢的主要区别在于杂质元素少 其他缺陷也受到严格限制 用于高强度螺栓的8 8级优质碳素钢 45号钢 和10 9级低合金高强度钢的强度较高 塑性和韧性也比较优越 4 耐候钢和耐火钢 耐候钢 在钢冶炼过程中 加入少量特定的合金元素 使之在金属基体表面上形成保护层 以提高钢材耐大气腐蚀性能 耐火钢 在钢种加入少量的贵金属钼 铬 铌等 具有较好抗高温性能 特别是在高温下具有较高强度 2 钢材的选择 正确选择钢材的目的是保证结构安全可靠 经济合理 选用原则 结构的重要性 荷载情况 连接方法 钢材厚度和结构形式 结构所处的温度和环境 选材应考虑的主要因素 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 具体建议见教材 选用建议 3 钢材的规格 钢结构采用的钢材主要有钢板 型钢 圆钢 薄壁型钢和焊接钢管等 型钢有热轧及冷成型两种 3 钢材的规格 1 钢板 分厚板 薄板及扁钢三种 钢板 扁钢 厚钢板 厚度4 5 60mm 宽度700 3000mm 热轧成型 主要用作梁 柱 实腹式框架等构件的腹板和翼缘 以及桁架中的节点板 薄钢板 厚度为0 35 4mm 宽度500 1800mm 冷轧成型 主要用于制造冷弯薄壁型钢 扁钢 厚度为4 60mm 宽度12 200mm 主要用于组合梁的翼缘板 各种构件的连接板 桁架节点板和零件等 表示方法 宽度 厚度 长度 单位 mm 钢板和扁钢的规格见附表3 X 3 钢材的规格 2 角钢 分不等边和等边两种 不等边角钢的表示方法为 L长边宽 短边宽 厚度 单位 mm 等边角钢以边宽和厚度表示 L边宽 厚度 单位 mm 角钢的规格见附表3 5和附表3 6 3 钢材的规格 3 工字钢 热轧成型 有普通工字钢和轻型工字钢之分 用号数表示 号数即为其截面高度的厘米数 20号以上的工字钢 同一号数有三种腹板厚度 分别为a b c三类 轻型工字钢的腹板和翼缘均较普通工字钢薄 因而在相同重量下其截面模量和回转半径均较大 普通工字钢的规格见附表3 1 3 钢材的规格 3 槽钢 热轧成型 有普通槽钢和轻型槽钢两种 以其截面高度的厘米数编号 号码相同的轻型槽钢 其翼缘较普通槽钢宽而薄 腹板也较薄 回转半径较大 重量较轻 普通槽钢的规格见附表3 4 3 钢材的规格 4 H型钢和剖分T型钢 有热轧成型和焊接两种 H型钢的规格见附表3 2 剖分T型钢的规格见附表3 3 宽翼缘H型钢 代号HW 翼缘宽度B与截面高度H相等 H型钢分为 中翼缘H型钢 代号HM B 2 3H 窄翼缘H型钢 代号HN B 1 3 1 2 H 剖分T型钢 由对应的H型钢沿腹板剖分而成 对应于宽翼缘 中翼缘 窄翼缘 其代号分别为TW TM和TN H型钢和剖分T型钢的规格标记均采用截面高度H 截面宽度B 腹板厚度t1 翼缘厚度t2表示 单位 mm H型钢及剖分T型钢