钢结构设计原理 第二章 钢结构的材料

1、第二章 钢结构的材料2-1 钢材在单轴均匀受拉状态下的力学性能一、低碳钢拉伸试验的应力应变(-)曲线该曲线分为四个阶段：图2-1 低碳钢单向均匀拉伸的应力应变曲线OE：弹性阶段；EF：弹塑性阶段；FB：强化阶段；BD：颈缩断裂。、。对于没有明显屈服点和塑性平台的钢材（高碳钢），以卸载后试件的残余应变所对应的应力为其屈服点，即条件屈服点。问：设计时为什么取屈服点作为钢材的强度设计值？答：a.通常我们认为是弹性和塑性的分界点，且钢材屈服后的塑性变形为弹性变形的200倍，破坏时有征兆，易被人们察觉；b.屈服点至极限强度之间的塑性工作区段很大，是钢结构的强度储备。二、钢材的性能指标之一（,180冷弯）

2、1. 强度：屈服强度、（强度设计指标）极限（抗拉）强度2. 塑性性能：1伸长率=100，代表材料在单向拉伸时的塑性应变能力； 当试件标距长度与试件直径d（试件截面为方形时，采用试件截面的边长）之比为10时，以表示；当比值为5时，以表示（）。2断面收缩率=100屈服强度、抗拉强度、伸长率是钢材的三个重要力学性能指标。3. 180冷弯钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对裂纹的抵抗能力的一项指标。图22 冷弯试验示意图冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷。故冷弯性能合格与否是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。 关键词应力

3、stress；应变strain；弹性阶段elastic stage；弹性变形elastic deformation；弹塑性阶段elastic-plastic stage；塑性阶段plastic stage；塑性变形plastic deformation；强化阶段reinforcement stage；强度strength；屈服点yield point；抗拉强度tensile strength；塑性plasticity；伸长率percentage elongation；冷弯试验cold bending test；冷弯性能cold bending performance；2-2 钢材在多轴应力状态

4、下的力学性能图23 复杂应力状态在轴向拉伸试验中，单向应力达到屈服点时，钢材即进入塑性状态。在复杂应力如平面或立体应力作用下，钢材由弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论（或第四强度理论）计算的折算应力与单向应力下的屈服点相比较来判断：1平面应力时： 2一般的梁中，只存在正应力与剪应力：3纯剪时(T作用)：；取，得，即钢材的抗剪强度设计值为屈服点的0.58倍。 关键词应力stress；应变strain；2-3 钢材的动力性能土木工程设计中，常遇到汽车、火车、厂房吊车等荷载作用，这些荷载称为动力（冲击）荷载。钢材的强度和塑性指标是由静力拉伸试验得到的，属于静力性能，用于承受动力荷载时，显然有

5、很大的局限性，而韧性试验则可获得钢材的一种动力性能。韧性是衡量钢材承受动力荷载作用时抵抗脆性破坏的性能，是材料在断裂时吸收机械能能力的量度。钢材断裂时吸收的能量愈多，韧性愈好。其值为图21中曲线与横坐标所包围的总面积，总面积愈大韧性愈好，所以韧性是钢材强度和塑性的综合指标。韧性指标用冲击韧性值表示，用冲击韧性试验获得，是判断钢材在冲击荷载作用下是否出现脆性破坏的主要指标之一。图2-4 冲击韧性试验冲击韧性试验中，冲断试件后，断口处单位面积上的功即为冲击韧性值，单位为。冲击韧性值与试件缺口形式有关，常用缺口形式有夏氏V型（图24b）和梅氏U型（图24c）。由于夏氏V型缺口比较尖锐，缺口根部的高峰

6、应力及其附近的应力状态更接近实际构件中可能出现的严重缺陷，故现行国家标准规定，冲击试验缺口采用夏氏V型。由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，故冲击韧性值受温度影响，特别是当温度低于某值时，将急剧降低。当结构处于低温工作环境，并承受动载荷作用时，不但要求钢材具有常温（20）冲击韧性指标，还要保证负温（0、-20或-40）冲击韧性指标。以保证结构具有足够的抵抗脆性破坏的能力。冲击韧性除和钢材的质量密切相关外，还与钢材的轧制方向有关。由于顺着轧制方向（纵向）的内部组织较好，故在纵向切取的试件的冲击韧性值较高，横向则较低。现行国家标准规定采用纵向。用于提高钢材强度的合金元素会使冲击韧性降低，故低合金钢

7、的冲击韧性比低碳钢的略低。必须改善这一情况时，需经热处理。总之，冲击韧性是衡量钢材断裂时所做功的指标，其值随金属组织和结晶状态的改变而急剧变化，钢材中的非金属夹杂、脱氧不良等都将给钢材的冲击韧性带来不良影响。冲击韧性是钢材在冲击荷载或多向拉应力下具有可靠性能的保证，可间接反映钢材抵抗低温、应力集中、多向拉应力、加荷速率（冲击）和重复荷载等因素导致脆断的能力。 关键词韧性ductility；冲击impact；动力dynamic2-4 钢材的疲劳性能1. 定义：疲劳是钢材在反复交变荷载作用下的脆性破坏，包括裂纹的萌生、扩展和断裂三个过程。2. 疲劳断口（见图2-5） 图25 疲劳断口 图26 应力

8、循环微观裂纹随应力的连续重复作用而缓慢扩展，裂纹两边的材料时而相互挤压时而分离，形成光滑区；当截面逐渐被削弱至不足以抵抗荷载时，构件突然撕裂而形成粗糙区。3. 专业术语（见图2-6）应力幅：应力比：；应力集中系数：疲劳寿命：N循环次数应力疲劳高周疲劳吊车荷载应变疲劳低周疲劳地震作用常幅疲劳：应力幅为常量；变幅疲劳：应力幅为变量。4. 影响疲劳强度的主要因素：(1)应力集中焊接结构的焊缝及其热影响区金属中的缺陷；非焊接结构的截面改变；钢材内部的冶金缺陷；加工制作（剪切、冲孔、切割）产生的残余应力等，都会引入较大的应力集中，从而降低疲劳强度。(2)应力幅试验证明，只要应力幅相等，不论何种循环特征，

9、名义最大应力大小是否相同，其疲劳强度均相等。(3)应力比为同号应力循环；为异号应力循环；为完全对称循环，其疲劳强度最低。(4)应力循环次数在不同应力幅作用下，各类构件和连接产生疲劳破坏的应力循环次数不同，应力幅越大，经历循环次数越少，反之则越多。当应力幅小于一定数值时，即使经历无限多次循环，也不会产生疲劳破坏，即通称的疲劳极限。5. S-N曲线图27 疲劳曲线6. 疲劳的设计方法新规范中规定，直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n等于或大于5104次时，应进行疲劳计算。疲劳计算采用容许应力幅法。常幅疲劳：；变幅疲劳：；吊车梁或吊车桁架疲劳：C、参数，根据构件和连接

10、类别查表2-1；欠载效应的等效系数，重级工作制硬构吊车取1.0；重级工作制软构吊车取0.8；中级工作制吊车取0.5。表2-1 参数C、构件和连接类别12345678C1940101286110123.2610122.1810121.4710120.9610120.6510120.41101244333333 关键词疲劳断裂fatigue breaking2-5 影响钢材性能的因素一、化学成分钢是由多种化学成分组成的，铁（Fe）是钢材的基本元素。低碳钢：（Q235）Fe（99%），C、Mn、Si、O、S、N、P（1%）；低合金钢：（16Mn）Fe（95%），合金元素（低于5%）。（1）含C越多，

11、钢材的强度越高，塑性、韧性越差，脆性提高，可焊性变差；故一般碳含量0.22%，对焊接结构0.20%；（2）Mn为弱脱氧剂，是有益元素；（3）Si为强脱氧剂，是有益元素；（4）O、S是有害元素，含量过高会导致“热脆”（在热加工过程中，使钢材变脆，而出现裂缝或断裂），因此限制含量0.045%；（5）N、P有害元素，带来冷脆性（在冷加工过程中或低温下工作时，使钢结构韧性降低，并容易产生脆性破坏），控制含量0.045%。二、冶金缺陷（1） 偏析：钢中化学成分（有害成分）分布不均匀；（2） 非金属夹杂：钢中混有硫化物、氧化物等杂质；（3） 分层：钢板（t40mm）沿厚度出现薄弱层，将导致层状撕裂；（4）

12、 气泡：指浇注时气体不能充分逸出而留在钢锭中形成的缺陷；（5） 裂纹：危害最严重。三、钢材的硬化（1） 时效硬化（老化）：随时间的推移，钢材的屈服强度和抗拉强度提高，而塑性、冲击韧性降低的过程；（2） 冷作硬化：（在弹塑性阶段）通过重复加载、卸载，可以提高钢材的屈服点，而塑性和韧性降低的过程；常用冷拉冷拔等冷加工方法；（3） 应变时效硬化：是冷作硬化后又加时效硬化。四、温度的影响温度升高，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变脆。五、应力集中由于钢结构存在着孔洞、刻槽、凹角、裂纹以及厚度的突然改变，此时，构件中的应力不再保持均匀分布，而是某些区域产生

13、局部高峰应力，而另外一些区域则应力降低，即应力集中现象。应力集中往往引起脆性破坏，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。六、反复荷载作用钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。“强度退化，刚度劣化” 关键词钢材硬化hardening；时效硬化age hardening；冷作硬化cold working hardening；应力集中concentration of stress；2-6 钢材的破坏形式钢材有两种性质完全不同的破坏形式塑性破坏和脆性破坏。虽然结构用钢具有较好的塑性性能，但钢材塑性变形能力的大小，不仅取决于钢材的化学成分、熔炼

14、和轧制条件，还取决于其所处的工作条件，如荷载性质、温度条件及构造情况等。即使原来塑性性能很好的钢材，在一定的工作条件下，如低温下受冲击荷载作用，仍然可能呈现脆性破坏。取一个标准的光滑试件在拉力试验机上均匀地加荷，当应力达到抗拉强度时，试件发生颈缩现象而断裂破坏，断口与作用力方向呈45，呈纤维状，色发暗，有时还能看到滑移的痕迹。这种破坏的塑性特征明显、经历时间又长，故称为塑性破坏。由于钢材的塑性破坏要经历很大的塑性变形，容易及时发现和采取补救措施，不致引起严重后果。另外，塑性变形后出现的内力重分布，使结构中部分不均匀的应力趋于均匀，因而提高结构承载力。与塑性破坏相反的是脆性破坏。取一个带小槽的标

15、准试件，均匀拉伸，试件在拉断前的塑性变形很小，甚至没有塑性变形，且计算应力可能小于钢材屈服点，几乎无任何迹象地从应力集中处突然断裂，断口齐平，呈有光泽的晶粒状，此种破坏形式就是脆性破坏。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时发现和补救，后果严重。因此，在钢结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意防止出现脆性破坏。 关键词塑性破坏plastic failure；脆性破坏brittle failure2-7 钢材的种类、规格及选用一、 种类：钢结构常用的钢材有碳素结构钢和低合金高强度结构钢两种。1. 碳素结构钢：我国的碳素钢分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号。Q表示屈服强

16、度，Q后面的数字表示屈服强度值（Nmm2）。碳素结构钢的表示方法为“Q屈服强度质量等级.脱氧方法”。质量等级有A、B、C、D四级，其中D级最好，A级最差；根据不同的质量等级分别规定化学成分C、Mn、S、P的含量；在脱氧方法上，A、B级按脱氧程度分为沸腾钢（F），半镇静钢（b），C、D级则分为镇静钢（z）和特殊镇静钢（Tz）；在机械性能上，A级钢材仅保证拉伸试验（、和），不做冲击试验，冷弯试验也只在使用方要求时才进行。B级钢材则须做常温冲击试验，通常C、D级钢材须分别做0和负温冲击试验。2. 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢国家标准（GBT159194）将低合金钢分为Q235、Q345、Q3

17、90、Q420、Q460；常用的低合金钢16Mn为Q345，15MnV为Q390。质量等级有A、B、C、D、E五级。一般不分沸腾钢和镇静钢。问：为什么合金钢无沸腾钢和镇静钢之分？答：沸腾钢和镇静钢的区分主要通过测量钢材中间脱氧剂（Mn、Si）的含量来确定的，而Mn、Si是我国低合金高强度结构钢中的主要添加元素，脱氧剂的含量往往都大于区分标准，因此低合金高强度结构钢都为镇静钢。二、 规格钢结构所用的钢材主要为热轧成型的钢板、型钢及冷弯或冷压成型的薄壁型钢。1. 钢板：钢板分为：特厚板（70mm、100mm、130mm）；厚钢板（4.560mm）；薄钢板（0.354mm）；扁钢板（带钢460mm，

18、宽度小）。钢板的表示方法：宽厚长，单位为mm。2. 型钢：常用的型钢有角钢、工字钢、H型钢、槽钢和钢管等。（1）角钢，用“”表示。等边角钢的表示方法：边宽厚度；单位为mm。不等边角钢的表示方法：长边宽短边宽厚度；单位为mm。（2）工字钢，用“I”表示。常用的有普通工字钢、轻型工字钢两种。 普通工字钢用号数表示，号数即为其截面高度的厘米数。20号和32号以上的工字钢，同一号数分别有两种和三种不同的腹板厚度可供选用，分别为a、b和a、b、c三类。如I20a（b），I32a（b、c）。 轻型工字钢的腹板和翼缘，均较普通工字钢薄，轻型工字钢用“QI”表示。H型钢与普通工字钢相比，其翼缘的内外边缘平行，

19、截面抗弯效能高，便于与其它构件相连；H型钢与焊接工字钢相比是成品钢材，减小制造工作量且降低残余应力和残余变形。（3）H型钢分为宽翼缘H型钢（HW，翼缘宽度B与截面高度H相等）；中翼缘H型钢（HM，B=（1/22/3）H）；窄翼缘H型钢（HN，B=（1/31/2）H）；表示方法：H高宽腹板厚翼缘厚，单位为mm。（4）槽钢，用“”表示。分为普通槽钢和轻型槽钢（Q）两种；是以其截面高度的厘米数编号。14号和25号以上的普通槽钢同一号数有分为a、b和a、b、c三种规格，随a、b、c的次序，槽钢腹板厚度和翼缘宽度以2mm递增，如30a（b、c）。（5）钢管：有无缝钢管和焊接钢管两种，用外径厚度表示。3.