钢结构课件第二章钢结构的材料

1、第二章 钢结构的材料,本章重点 1. 钢材的主要性能及影响因素 2. 规范中推荐使用的钢号及钢材的选用原则 3. 常用的型钢型式、规格及用途,目 录,第一节 钢结构对所用材料的要求 第二节 钢材的主要机械性能 第三节 影响钢材性能的主要因素 第四节 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 第五节 钢材的类别及钢材的选择 第六节 国外钢材品种和钢号简介,第一节 钢结构对所用材料的要求,国民经济各部门几乎都需要钢材，但由于各自用途的不同，所需钢材性能各异。如有的机器零件需要钢材有较高的强度、耐磨性和中等的韧性；有的石油化工设备需要钢材具有耐高温性能；机械加工的切削工具，需要钢材有很高

2、的强度和硬度等等。因此，虽然碳素钢有一百多种，合金钢有三百多种，符合钢结构性能要求的钢材只有碳素钢及合金钢中的少数几种。 用作钢结构的钢材必须具有下列性能：,钢结构对所用材料的要求(物美价廉),1. 较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy高。用到fy作为强度承载力极限状态的标志，fy高可减轻结构自重。fy/fu太小浪费，太大安全储备小。通常在0.60.7。 2. 足够的变形能力。即塑性、韧性、耐久性好.可防止脆性破坏,抗动力荷载好,耐疲劳. 3. 良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。 4. 耐腐性好。 5. 价格便宜。,6有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的能力。 7.钢结构设计规范（G

3、B50017)推荐使用：碳素结构钢中的Q235钢、低合金结构钢中的Q345钢、Q390钢、Q420钢。 8. 随着研究的深入，必将有一些满足要求的其它种类钢材可供使用。若选用钢结构设计规范还未推荐的钢材时，需有可靠的依据，以确保钢结构的质量。 9.专用钢结构用材见相关规范。,第二节钢材的主要机械性能,钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行。 一、单向拉伸时的性能（强度、塑性） 二、冷弯性能 三、冲击韧性 四、可焊性 五、钢材受压和受剪时的

4、性能 六、其他机械性能 七、钢材性能的鉴定,一、单向拉伸时的性能（单向拉伸试验）,强度 强度体现了材料的承载能力，主要指标有屈服点fy 和抗拉强度fu ，通过静力拉伸试验得到。 屈服点 为设计时钢材可达到的最大应力。 抗拉强度 fu是钢材破坏前能够承受的最大应力。钢材达到 fu 时，已产生很大塑性变形而失去使用性能，但fu 高则可以增加结构的安全保障，故fu/fy 的值可看作钢材强度储备系数。 塑性 钢材的塑性为当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用伸长率 和断面收缩率表示。通过静力拉伸试验得到。,单向拉伸试验,钢材的应力应变曲线 如图所示 （1）

5、弹性阶段 与呈线性关系（2）弹塑性阶段 与呈非线性关系（3）塑性阶段,也称屈服阶段 取fy作为强度极限承载力的标志 （4）强化阶段 fu为钢材的抗拉强度,为材料的强度储备（5）颈缩破坏阶段（6）可把钢材视为理想弹塑性体,钢材的应力应变曲线,伸长率 根据试件原标距长度 l0与试件中间部分的直径d0 的比值为10或5而分为10或5，为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百分率。 式中 ： l1 为试件拉断后标距间长度。 fy、fu和是承重钢结构对钢材要求所必须的三项基本机械性能指标。,断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率。 式中： A0 试件原来的断面面积

6、； A1 试件拉断后颈缩区的断面面积； 结构或构件在受力时（尤其承受动力荷载时）材料塑性好坏往往决定了结构是否安全可靠，因此钢材塑性指标比强度指标更为重要。,二、冷弯性能,冷弯性能是指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。冷弯性能用试验方法来检验钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能，检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面是否有裂纹、裂断和分层。 试件弯成180的角度，若试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。 综合反映钢材的塑性性能和冶金质量。 重要结构中需要有良好的冷热加工性能时，应有冷弯合格保证。,三、冲击韧性,钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，也是

7、表示钢材抵抗冲击荷载的能力，它是强度与塑性的综合表现。,指标：采用有V形缺口的标准试件，在要求温度时在冲击试验机上用击断试样所需的冲击功Akw表示,单位为J。 式中： ak冲击韧性值； Ak冲击功； An试件缺口处的净截面积。,冲击韧性与温度有关，当温度低于某一负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在寒冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构，除应有常温冲击韧性的保证外，尚应依钢材的类别，使其具有-20 或-40的冲击韧性保证，应Akw27J。,四、可焊性,钢材的可焊性是指在一定工艺和结构条件下，钢材经过焊接能够获得良好的焊接接头的性能。 可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。 施工上的可焊

8、性指对产生裂纹的敏感性，使用性能上的可焊性是指焊接构件在焊接后的力学性能是否低于母材。,五、钢材受压和受剪时的性能,钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与单向受拉相同。 受剪的情况也相似，但屈服点y及抗剪强度u均于fy和fu；剪变模量G也低于弹性模量E。,六、其他机械性能,耐久性 耐久性需要考虑的有：耐腐蚀性、“时效”现象、疲劳现象等。 时效：随着时间的增长，钢材的力学性能有所改变。 疲劳：多次反复荷载作用下，钢材低于屈服点fy 发生的破坏。 Z向伸缩率 当钢材较厚时，或承受沿厚度方向的拉力时，要求钢材具有板厚方向的收缩率要求，以防厚度方向的分层、撕裂。,七、钢材性能的鉴定,由前可知，反

9、映钢材质量的主要力学指标有：屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能及冲击韧性。此外，钢材的工艺性能和化学成分也是反映钢材性能的重要内容。根据钢结构工程施工质量验收规范(CB502052001)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。 对属于下列情况之一的钢材，应进行抽样复验，其复验结果应符合现行国家产品标准和要求。,1）国外进口钢材； 2）钢材混批； 3）板厚等于或大于40mm，且设计有Z向性能要求的厚板； 4）建筑结构安全等级为一级，大跨度钢结构中主要受力构件所采用的钢

10、材； 5）设计有复验要求的钢材； 6）对质量有疑义的钢材。 复检时各项试验都应按有关的国家标准金属拉伸试验方法 (GBn28)，金属夏比缺口冲击试验方法 (CBn29)和金属材料弯曲试验方法 (GBn32)的规定进行。,第三节 影响钢材性能的主要因素,一、化学成分的影响 二、钢材生产过程的影响 三、温度的影响 四、冷加工硬化和时效硬化 五、复杂应力状态的影响 六、应力集中的影响,一、化学成分的影响,钢的基本元素为铁（Fe），普通碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等杂质元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总含量约1%，但对钢材力学性能却有很大影响

11、。 C：除铁以外最主要的元素。碳含量增加，使钢材强度提高，塑性、韧性，特别是低温冲击韧性下降，同时耐腐蚀性、疲劳强度和冷弯性能也显著下降，恶化钢材可焊性，增加低温脆断的危险性。一般建筑用钢要求含碳量在0.22%以下，焊接结构中应限制在0.20%以下。,Si：作为脱氧剂加入普通碳素钢。适量硅可提高钢材的强度，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性无显著的不良影响。一般镇静钢的含硅量为0.10%0.30%，含量过高（达1%），会降低钢材塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。应控制0.10.3% Mn：适量的锰可有效提高钢材强度，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向，同时不显

12、著降低钢材的塑性、冲击韧性。普通碳素钢中锰的含量约为0.3%0.8%。含量过高（达1.0%1.5%以上）使钢材变脆变硬，并降低钢材的抗锈性和可焊性。 S：有害元素。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。一般建筑用钢含硫量要求不超过0.055%，在焊接结构中应不超过0.050%。,P：有害元素。虽可提高强度、抗锈性，但严重降低塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，尤其低温时发生冷脆现象，含量需严格控制，一般不超过0.050%，焊接结构中不超过0.045%。 O：有害元素。引起热脆。一般要求含量小于0.05%。 N：能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性、可焊性和冷弯性能，

13、增加时效倾向和冷脆性。一般要求含量小于0.008%。 为改善钢材力学性能，可适量增加锰、硅含量，还可掺入一定数量的铬、镍、铜、钒、钛、铌等合金元素，炼成合金钢。钢结构常用合金钢中合金元素含量较少，称为普通低合金钢。,二、钢材生产过程的影响,1. 冶炼炉种的影响 结构用钢我国主要有三种冶炼方法：碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法、碱性侧吹转炉炼钢法。 平炉钢和顶吹转炉钢的力学性能指标较接近，而碱性侧吹转炉钢的冲击韧性、可焊性、时效性、冷脆性、抗锈性能等都较差，故这种炼钢法已逐步淘汰。,2. 钢的脱氧 钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除

14、氧。因脱氧程度或方法不同，把钢分为：沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）和特殊镇静钢（TZ）。 沸腾钢脱氧程度低，氧、氮和一氧化碳气体从钢液中逸出，形成钢液的沸腾。沸腾钢的时效、韧性、可焊性较差，容易发生时效和变脆，但产量较高、成本较低；半镇静钢脱氧程度较高些，上述性能都略好；而镇静钢的脱氧程度最高，性能最好，但产量较低，成本较高。,3. 钢材的轧制和热处理 将钢锭加热至12001300，通过轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧型钢。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。钢材的压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大时，其强度和冲击韧性也愈高。,三、温度的影响,

15、1.正温度范围内（0以上） t300时：钢材的强度和E开始显著下降，而显著增大 t400时：钢材的强度和E都急剧降低 t600时：其承载能力几乎丧失,2.负温度范围内（0以下）随着温度降低，塑性和韧性降低，材料变脆，称为低温冷脆。钢材冲击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温度t0称为脆性转变温度。,四、冷加工硬化和时效硬化,1.应变硬化 ： 钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形，从而使fy提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种现象称为冷加工硬化。 （冷加工包括：剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等。） 2.时效硬化： 钢材经过一定时间后强

16、度提高但塑性降低，这种现象称为时效硬化。不同种类钢材的时效硬化过程可从几小时到数十年。,3.人工时效 ：使钢材产生10%的塑性变形，再加热到200300，然后冷却到室温进行试验。这样可使时效在几小时内完成。 4.设计要求： 钢结构设计一般不利用冷加工硬化造成的强度提高，而且对直接承受动力荷载的钢结构还应设法消除冷加工硬化的影响，如将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。,五、复杂应力状态的影响,钢材在单向应力作用下，当应力达到屈服点 fy时，钢材屈服而进入塑性状态。当钢材处于复杂应力作用下（平面应力或立体应力），按能量强度理论（第四强度理论），以折算应力cr是否大于 fy来判断钢材是否由弹性状态转

17、变为塑性状态。 若 为弹性状态； 若 为塑性状态； 纯剪情况下 ， 即 时为弹性状态。,六、应力集中的影响,钢构件在缺陷或截面变化处附近将产生局 部高峰应力，其余部位应力较低，称为应力 集中。在应力高峰区域存在着同号的双向或 三向应力。这种同号的双向或三向应力场有 使钢材变脆的趋势。应力集中系数越大，变 脆的倾向亦愈严重。在负温下或动力荷载作 用下，应力集中往往是引起脆性断裂的根 源，设计中应设法避免或减小应力集中，并 选用质量优良的钢材。,第四节 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,一、钢材的延性破坏和非延性破坏 二、循环荷载效应 三、快速加载效应,一、钢材的延性破坏和非延

18、性破坏,1.延性破坏（塑性破坏）：钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破坏，也称为延性破坏。变形大，变形持续时间长，易及时发现和补救。 特点：断口呈纤维状，色泽灰暗。 2.非延性破坏（脆性破坏）： 钢材在变形很小的情况下突然发生断裂破坏称为脆性破坏。变形很小且突然发生，不易发现和采取补救措施，因而危险性很大。 特点：断口平直，呈有光泽的晶粒状。,二、循环荷载效应,（一）、钢材疲劳的基本概念 （二）、疲劳计算 （三）、疲劳计算应注意问题,（一）、钢材疲劳的基本概念,钢材的疲劳或疲劳破坏:钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强度甚至低于屈服点时突然断裂，称为钢材的疲劳或疲劳破坏。 钢

19、结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致应力集中。在多次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数n（疲劳寿命）时，裂纹扩展使得净截面承载力不足以承受外力作用时，构件突然断裂，发生疲劳破坏。 疲劳破坏一般经历裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。,（二）、疲劳计算,反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。=max-min称为应力幅，表示应力变化的幅度。 试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最大应力max作用的结果，而是焊缝部位足够大小的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳寿命不仅与应力幅有关，还与其他因素有关。规范把疲劳计算公式中的应

20、力幅调整为折算应力幅，以反映其实际工作情况。 疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅疲劳计算和变幅疲劳计算疲劳两种情况进行计算。,1. 常幅疲劳计算 （P3739）, C、参数，根据中的构件和连接类别按表采用。 对焊接部位=max-min；对非焊接部位 =max-0.7min。由上式可见，容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同钢材具有相同的抗疲劳性能。,2. 变幅疲劳计算,可近似地按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅e，按下式进行疲劳计算： 吊车梁：根据实测结果，推算出设计基准期50年内各种吊车梁的应力循环总次数n(等效于满荷载时n=2x10次) ，相应的欠载效应的等

21、效系数f值如表23所示，重级工作制吊车梁的疲劳验算公式为,（三）、疲劳计算应注意问题,1.直接承受动力荷载的钢结构构件和连接，当应力循环次数n10时，应进行疲劳计算。 2.疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算公式是以实验为依据的，实验中已包含了动力的影响，故荷载应采用标准值且不乘动力系数，应力幅按弹性工作计算。 3.在完全压应力（不出现拉应力）循环中，由于压应力不会使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况可不进行疲劳计算。,三、快速加载效应,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2-15给出三条

22、不同加荷速率下的断裂能量-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。,按应变速率=d/dt把加荷速率分为三级，即 缓慢加荷 =10-5s-1 中速加荷 =10-3s-1 动力加荷 =10s-1,第五节 钢材的类别及钢材的选择,一、钢材的品种 二、钢材的命名规则 三、钢材的选择 四、常用型钢的规格 五、我国目前建筑钢材存在的主要问题,一、钢材的品种,钢结构中采用的钢材，仅有普通碳素结构钢和普通

23、低合金钢中的几种。 普通碳素钢 甲或A类：按力学性能供应，保证强度、塑性，硫、磷含量符合相同钢号乙类钢的规定。 乙或B类：按化学成分供应。 特或C类：同时按力学性能和化学性能供应。 结构用钢主要为甲类；乙类无力学性能的保证，不能用；特类钢价格较高，应少用。 普通碳素钢有17共七个钢号。钢号越高，其含碳量越高，强度越高，塑性越低。其中3号钢在结构中广泛应用。 普通低合金钢 在普通碳素钢中添加少量合金元素，以提高其强度、耐腐蚀性、冲击韧性等。,二、钢材的命名规则 （钢号）,普通碳素钢命名规则 XN（ ）， X ：表示类别，甲、乙、特或A、B、C； ：表示炉种，平炉省略，顶吹氧气转炉用“顶”或符号“

24、Y”表示； N ：表示钢号，用数字1，2，. 7，表示； ( ) ：表示浇铸方法，沸腾钢用“沸”或“F”表示，镇静钢省略符号，半镇静钢用“半”或“b”表示。 如：“乙顶3沸”，或用符号表示为“B Y 3 F”，其意义为：乙类顶吹氧气转炉3号沸腾钢。,普通低合金钢命名规则 16 锰，或用符号表示为16 Mn，其意义为：16 表示含碳量0.16%，Mn表示合金元素为Mn，锰的平均含量少于1.5%。 工程中钢材的标号用屈服强度来表示。 “QXXX ”，例如Q235 AF、 Q235 Bb、Q345 EZ。 其中 Q ：屈服强度的第一个拼音字母。 XXX ：屈服强度值，单位为N/mm2，结构用钢常有2

25、35、345、390。,：质量等级，有A、B、C、D、E五等。其中A无冲击功规定；B有20C时的冲击功要求；C有0C时的冲击功要求；D有20C时的 冲击功要求；E 有40C时的冲击功要求，低合金钢才有E等。 ：脱氧方法，可分为F、b、Z和TZ，F表示沸腾钢，b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢，其中Z和TZ可不写。 高强度螺栓用钢材的抗拉强度及屈强比表示。如高强螺栓10.9级表示抗拉强度为1000N/mm2，屈服强度与抗拉强度的比值为0.9。,1. 碳素结构钢 屈服点的字母、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分按顺序组成。 2. 低合金结构钢 方法与碳素结构钢相似,但质

26、量等级分为A、B、C、D、E五级。 3. 专用结构钢 表示:相应钢号后再加上专业用途代号（压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材的专业用途代号分别为R、q、C和g）来表示。耐候钢 在钢材冶炼时加入少量的合金元素如Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等，提高钢材的耐腐蚀性能。也称为耐大气腐蚀钢。连接用钢 钢结构连接中的铆钉、高强度螺栓、焊条用钢丝等，也采用满足各自连接件要求的专门用钢。,三、钢材的选择,钢材的选择既要确定所用钢材的钢号，又要提出应有的机械性能和化学成分保证项目，是钢结构设计的首要环节。 选材的基本原则是既保证安全可靠，又经济合理。钢材的质量等级愈高，其价格也愈高。因此应根据结构

27、的不同特点，来选择适宜的钢材。 选用钢材时需要考虑的结构特点是： 结构的类型及重要性 荷载的性质 连接方法 结构的工作温度 构件的受力性质,四、常用型钢的规格（P44,1. 热轧钢板（图2-19） 标注符号：(钢板截面代号)宽度厚度长度 2. 热轧型钢角钢： （角钢代号）边宽厚度（等边角钢）或长边宽短边宽厚度（不等边角钢）槽钢： 和Q（槽钢符号）和截面高度表示工字钢： （工字钢符号）和截面高度表示H型钢： 宽翼缘H型钢、窄翼缘H型钢和H型钢桩钢管： 外径壁厚 3. 薄壁型钢（图2-20 ）薄壁型钢通常是用1.56mm厚的薄钢板冷加工而成，其截面形式和尺寸可按工程要求合理设计。,图2-19,图2-20,五、我国目前建筑钢材存在的主要问题,1厚板可焊性差 2高强度低合金结构钢在冷弯薄壁型钢中的应用尚未解决好，不能满足轻型房屋钢结构的需要。主要应解决其冲压性差的问题。 3我国现只能生产镀锌钢板，不能生产抗腐蚀性能更好的镀铝锌钢板，需引进生产线或专利来解决。 4型材品种规格还不能满足建筑需要。要开发生产薄壁热轧H型钢等。 5建筑用高强度低合金结构钢品种太少,应用比重较低。生产耐火钢。,第六节 国外钢材品种和钢号简介,各国的钢号基本上是以强度等级来划分