(整理)大工13秋《钢结构》辅导资料四

1、钢结构辅导资料四主 题：第二章 钢结构的材料学习时间 ：2013 年 10 月 21 日 10 月 27 日 内 容 ：这周我们将学习本门课的第二章钢结构的材料， 通过本周的学习， 掌握钢结 构材料的相关性能的知识。一、学习要求1、掌握钢材的两种破坏形态；2、掌握钢材的（机械）性能；3、掌握影响钢材性能的因素；4、熟识钢材在复杂应力状态下的屈服条件；5、了解钢材的种类及选用。二、主要内容基本概念 ：钢材的塑性和脆性破坏， 屈服点和屈服强度， 时效硬化和冷作硬 化。知识点 ：钢材的主要性能，影响钢材性能的因素，脆性破坏的危害，复杂应 力状态下的工作性能，钢材的选用。（一）钢材的两种破坏形态钢材有

2、两种性质完全不同的破坏形式， 即塑性破坏和脆性破坏。 钢结构用的 材料虽然有较高的塑性和韧性， 一般为塑性破坏， 但在一定的条件下， 仍然有脆 性破坏的可能性。1、塑性破坏是由于变形过大， 超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度允后才发生。破坏前构件产生较大的 塑性变形，断裂后的断口呈纤维状，色泽发暗。在塑性破坏前，由于总有较大的 塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时发现而采取措施予以补救， 不致引起严重后果。另外，塑性变形后出现内力重分布，使结构中原先受力不等 的部分应力趋于均匀，因而提高结构的承载能力。2、脆性破坏前塑性变形很小，甚至没有塑

3、性交形，计算应力可能小于钢材 的屈服点fy，断裂从应力集中处开始。冶金和机械加工过程中产生的缺陷，特 别是缺口和裂纹，常是断裂的发源地。破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的， 断口平直并呈有光泽的晶粒状。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察 和采取补救措施，而且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁，危及人民生命财产 的安全，后果严重，损失较大。在设计、施工和使用钢结构时，要特别注意防止 出现脆性破坏。图4.1单向拉伸构件的两种破坏形式图4.2单向拉伸试件破坏面图4.3疲劳引起的脆性破坏图4.4疲劳引起的脆性破坏破坏面（二）钢材的（机械）性能1、钢结构对材料的要求钢结构的原材料是钢，钢的种类繁

4、多，性能差别很大，适用于钢结构的钢只 是其中的一小部分。用作钢结构的钢材必须符合下列要求:（1 ）较高的抗拉强度fu和屈服点fy : fy是衡量结构承裁能力的指标，fy高则可减轻结构自重，节约钢材和降低造价。 fu 是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣，同时 fu高可以增加结构的安全保障。（2）较高的塑性和韧性:塑性和韧性好，结构在静载和动载作用下有足够 的应变能力， 既可减轻结构脆性破坏的倾向， 又能通过较大的塑性变形调整局部 应力，同时又具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。（3）良好的工艺性能 （包括冷加工、热加工和可焊性能 ）:良好的工艺性能 不但要易于加工成各

5、种形式的结构， 而且不致因加工而对结构的强度、 塑性、韧 性等造成较大的不利影响。此外，根据结构的具体工作条件， 有时还要求钢材具有适应低温、 高温和腐蚀性环境的能力。按以上要求，钢结构设计规范具体规定:承重结构的钢材应具有抗拉强度、 伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合 格保证；对某些承受动力荷裁的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有 常温或负温冲击韧性的合格保证。2、强度-单项拉伸试验钢材的力学性能指标是钢结构设计的重要依据， 而这些指标主要是通过试验 来测定的。钢材的拉伸试验是用规定形状和尺寸的标准试件， 在常温20 C±5C的条件下，按

6、规定的加载速度在拉力试验机上进行。拉伸时的应力应变曲线（TC曲线）：IIJEE<%)图4.5低碳钢应力应变曲线低碳钢在常温下静力拉伸的应力一应变曲线。图中纵坐标为应力F、A。是试件的受拉荷载和原横截面面积；横坐标为应变一f.为试件原标距长度， ：!为标距段的伸长量。该曲线分为五个阶段，如图所示；(1 )弹性阶段一一图中OAB段。0A段为线弹性，应力与应变成正比，完 全符合虎克定律，卸载后无残余变形。A点的应力fp称为比例极限。AB段为非 线弹性，呈曲线状，B点的应力fe称为弹性极限，由于fp与fe非常接近，实际 应用中认为二者相同。(2) 弹塑性阶段一一图中 BC段。当施加应力C超过弹性

7、极限fe后，试件 变形包含有弹性变形与塑性变形两部分。(3) 屈服阶段一一图中CD段。当施加应力达到fy后，曲线上下波动，fy称为屈服点或屈服强度。钢材的应力达到fy后应变将急剧增长，使钢材产生了不容许的残余变形，以致不能正常使用。在 C点时卸载残余变形；y、0.2%，到 达D点时其残余变形为；y 2.5%。(4) 强化阶段一一图中DG段。钢材经塑性变形后，曲线回升到G点，应力达到最大值fu，称为抗拉强度，它反映了钢材承受荷载的极限能力(5) 颈缩阶段一一图中GH段，当应力达到抗拉强度fu后，试件中部截面 变细，形成颈缩现象，二-；曲线下降直到HG,试件拉断。3、塑性试件被拉断时的绝对变形值与

8、试件原标距之比的百分数，称为伸长率。当试件标距长度与试件直径d (圆形试件)之比为10时，以w表示；当该比值为5 时，以表示。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。衡量钢材的塑性指标有两个：(1) 断面收缩率：在拉伸试验中，试件拉断后截面面积的缩小值与原截面面积的比值；即"100%Ad 2式中：代=旦一一试件原截面面积；A 试件拉断后颈缩处的截面面4积值越大，钢材的塑性越好。(2) 伸长率：在拉伸试验中，试件拉断后的伸长量与原标距之比值，即：、b 1 100%lol式中：I。一一试件原标距长度；11 试件拉断后的标距长度。标准试件在拉伸试验的标距规定有I°=5d0和I

9、°=10d0两种，其拉伸率分别记 为、：5和0。伸长率是衡量钢材的塑性变形的发展能力，亦是C - £曲线中最大残余 变形值，在实际工程中常采用伸长率S作为控制钢材塑性的指标。S的数值可查 表、fu与S是钢结构设计的三项重要强度和塑性指标。4、冷弯性能冷弯性能由冷弯试验来确定(图2.4 )。试验时按照规定的弯心直径在试验 机上用冲头加压，使试件弯成 180度，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢 材的冷弯性能。因此，冷弯性能合格是鉴定钢材在

10、弯曲状态下的塑性应变能力和 钢材质量的综合指标。图4.6钢材冷弯示意图5、韧性钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收能量的能力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂的一项机械性能 指标。通常采用梅氏U形缺口试件或夏氏V形缺口试件在冲击试验机上进行。to）b、梅氏试件U形缺口6、可焊性钢材的可焊性，是指在一定的材料、结构和工艺条件下，钢材经过焊接后能 够获得良好的焊接接头的性能。可焊性分为两种：（1 ）施工上的可焊性，是指在一定的工艺条件下，焊缝金属和近缝区钢材 均不产生裂纹。（2 ）使用上的可焊性，是指焊接接头和焊缝的机械性能均不低于母材的机 械性能。7、耐

11、久性影响钢材耐久性的因素很多，主要有以下几点：（1）腐蚀性钢材易被腐蚀，主要依靠油漆和加强定期维护措施来解决。此外，钢中硅和 锰的含量过高，会降低钢材抗锈的能力。（2 ）时效现象这是指钢材的力学性能随时间的增长而改变的现象，必要时可测定快速时效后的冲击韧性，以鉴定钢材是否适用（3）高温和长期荷载的作用 在这种情况下钢材的破坏强度远远低于短期的静力拉伸试验强度， 必要时还 应测定其持久强度。（4）疲劳现象 钢材在长期连续的重复荷载或交变荷载作用下，当钢材应力低于屈服强度 fy 时便产生破坏的现象。综合上述三个实验，得出了钢材的五个力学性能指标fy、花、S、Akv及冷弯性能，按钢结构设计的不同要求

12、，归纳如下：对一般承重结构，要求fy、fu、S得到保证；对重要承重结构，要求fy、fu、S和冷弯性能得到保证；对在常温下承受动荷载作用的重要结构，要求fy、fu、S、Akv及冷弯性能得到保证；对在低温下承受动荷载作用的重要结构，要求fy、fu、3、冷弯性能、常温AKV 及负温 AKV 得到保证。（三）影响钢材性能的因素1、化学成分钢是由各种化学成分组成的， 化学成分及其含量对钢的性能特别是力学性能 有着重要的影响。铁（Fe）是钢材的基本元素，纯铁质软，在碳素结构钢中约占99 %，碳和其 他元素仅占 1，但对钢材的力学性能却有着决定性的影响。其他元素包括硅（Si）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）

13、、氮（N）、氧（0）等。低 合金钢中还含有少量（低于5 %）合金元素，如铜（Cu）、钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）、 铬（Cr）等。在碳素结构钢中， 碳是仅次于纯铁的主要元素， 它直接影响钢材的强度、 塑 性、韧性和可焊性等。碳含量增加，钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下 降，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性。 因此，尽管碳是使钢材获得足够强度的主 要元素，但在钢结构中采用的碳素结构钢， 对含碳量要加以限制， 一般不应超过 0.22%，在焊接结构中还应低于 0.20 % 。硫和磷 （其中特别是硫 ）是钢中的有害成分，它们降低钢材的塑性、韧性、可 焊性和疲劳强度。在高温时，硫使钢变脆，谓之热脆

14、；在低温时，磷使钢变脆， 谓之冷脆。一般硫的含量应不超过 0.045 %，磷的含量不超过 0.045 %。但是， 磷可提高钢材的强度和抗锈性。可使用的高磷钢，其含量可达0.12%，这时应减少钢材中的含碳量，以保持一定的塑性和韧性。氧和氮都是钢中的有害杂质。 氧的作用和硫类似， 使钢热脆； 氯的作用和磷 类似，使钢冷脆。由于氧、氮容易在熔炼过程中逸出，一般不会超过极限含量， 故通常不要求作含量分析。硅和锰是钢中的有益元素， 它们都是炼钢的脱氧剂。 它们使钢材的强度提高， 含量不过高时， 对塑性和韧性无显著的不良影响。 在碳素结构钢中， 硅的含量应 不大于 0.3%，锰的含量为 0.3%0.8%。

15、对于低合金高强度结构钢，锰的含量 可达 1.0 % 1.6 % ，硅的含量可达 0.55%。钒和钛是钢中的合金元素， 能提高钢的强度和抗腐蚀性能， 又不显著降低钢 的塑性。铜在碳素结构钢中属于杂质成分。 它可以显著地提高钢的抗腐蚀性能， 也可 以提高钢的强度，但对可焊性有不利影响。2、冶金缺陷常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。 偏析是钢中化学成分不一致和不均匀性，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的 性能。非金属夹杂是钢中含有硫化物与氧化物等杂质。气孔是浇注钢锭时， 由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分选出 而形成的。这些缺陷都将影响钢材的力学性能。浇注时的非金属夹杂物在

16、轧制后能造成钢材的分层， 会严重降低钢材的冷弯 性能。冶金缺陷对钢材性能的影响，不仅在结构或构件受力工作时表现出来，有时 在加工制作过程中也可表现出来。3、钢材硬化 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， 这种现象称为冷作硬化 （或应变硬 化）。在高温时熔化于铁中的少量氮和碳， 随着时间的增长逐渐从纯铁中析出， 形 成自由碳化物和氯化物， 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。这种现象称为时效硬化，俗称老化。时效硬化的过程一般 很长，但如在材料塑性变形后加热， 可使时效硬化发展特别迅速。

17、这种方法谓之 人工时效。此外还有应变时效，是应变硬化（冷作硬化）后又加时效硬化。在一般钢结构中，不利用硬化所提高的强度，有些重要结构要求对钢材进行 人工时效后检验其冲击韧性，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。 另外，应 将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。4、应力集中钢材的工作性能和力学性能指标都是以轴心受拉杆件中应力沿截面均匀分 布的情况作为基础的。实际上在钢结构的构件中有时存在着孔洞、槽口、凹角、 截面突然改变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（图2.8）。爲图4.8孔洞及槽孔处的

18、应力集中高峰区的最大应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数。应力集中系 数愈大，变脆的倾向亦愈严重。但由于建筑钢材塑性较好，在一定程度上能促使 应力进行重分配，使应力分布严重不均的现象趋于平缓。 故受静荷载作用的构件 在常温下工作时，在计算中可不考虑应力集中的影响。但在负温下或动力荷载作 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，并选用质量优良的钢材。（五）温度影响钢材性能随温度变动而有所变化。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，钢材强度会赂有增加，塑性和韧性却会降低而变脆 （图 2.6 ）。

19、图4.9温度对钢材机械性能的影响（四）钢材在复杂应力状态下的屈服条件在单向应力作用时，钢材由弹性状态转入塑性状态的标志为屈服点即：打二fy。但在实际结构中，有些构件往往是在双向或三向应力状态下工作，如实 腹梁的腹板。钢材在复杂应力作用下，各方向应力所产生的应变能的总和与单向均匀受拉达到塑性状态时的应变能相等时，材料就由弹性状态进入塑性状态。若用公式表 示，则可用折算应力 Js和钢材在单向应力作用时的屈服点fy相比较来判断:1 2 2 22（W _口2）*（口2-口3）+（口3_口1）式中匚1、二2、二3单元体的主应力，如图所示。(a)上式又可写成:二s二 fx2 Uy22- (二x；yYy二x

20、)-3(“2.yz2：zx2)6s - fy时，塑性工作状态。二s乞fy时，弹性工作状态。若为双向平面应力作用时,则折算应力为:在普通梁中，一般二y=0，二z=0，只有正应力二和剪应力.，式可写成:当只有纯剪应力作用时，即丁 =0，则由式可以得到钢材受纯剪时的极限条件为匚zs二1y O因此钢材的屈服剪应力为：' =；fy 二 0.58 fy O这就是钢材的抗剪设计强度，记为：fvy=0.58f（五）钢材的种类及选用1、钢材的品种和牌号钢结构中常用的是碳素结构钢和低合金结构钢中的几种，用平炉或氧气转炉冶炼。1.1碳素结构钢碳素结构钢分 Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五种

21、其牌号表示方法由四部分组成，如下图所示: Q是“屈”字汉语拼音的首位字母。 数字代表钢材厚度或直径w 16mm时的屈服点数值，数字较低的钢材，含碳量和强度较低而塑性、韧性、焊接性较好。钢结构主要用Q235，其含碳量（0.12%0.22% ）和强度、塑性、焊接性等均较适中。 质量等级，主要以对冲击韧性指标（夏氏 V形缺口试验）的要求不同来 区别：A级不要求保证冲击韧性；B级要求在20 C时冲击韧性指标AkV值不低于27J ;C级要求在0 C时冲击韧性指标AkV值不低于27J ;D级要求在-20 C时冲击韧性指标AkV值不低于27J。（J代表“焦耳”） 脱氧方法代号:F、b、Z、TZ分别代表沸腾钢

22、、半镇静钢、镇静钢、特殊 镇静钢。其中Z、TZ可以省略。女口 Q235 A代表屈服点为235N/mm2的A级镇静碳素结构钢。Q235 B F代表屈服点为235N/mm2的B级沸腾碳素结构钢。Q235 D代表屈服点为 235N/mm2的特殊镇静碳素结构钢。1.2低合金结构钢低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时加一种或几种适量合金元素而成的钢。 目的是提高强度、韧性、耐腐性等而又不太降低塑性。低合金结构钢分为 Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五种。低合金结构钢的牌号由字母Q、屈服点数值（N/mm2）及质量等级三部分组成，如下图所示：Q 345 E代号II逐爭等级 低合金结构钢全部为镇静

23、钢或特殊镇静钢，代号可省略。 质量等级有AE五个级别，主要以对冲击韧性（夏氏V形缺口试验）的 要求不同来区别：A级不要求保证冲击韧性；B级要求在20 C时的冲击韧性指标AKV不低于34J ;C级要求在0 C时的冲击韧性指标AKV不低于34J ;D级要求在-20 C时的冲击韧性指标 AKV不低于34J ;E级要求在-40 C时的冲击韧性指标 AKV不低于27J。女口： Q345 E代表屈服点为345N/mm 2的E级低合金高强度结构钢。2、钢材的选用钢材的选择在钢结构设计中是首要的一环， 选择的目的是保证安全可靠和做 到经济合理。选择钢材时考虑的因素有：（1）结构的重要性。对重型工业建筑结构、大

24、跨度结构、高层或超高层的民用建筑结构或构筑物等重要结构， 应考虑选用质量好的钢材， 对一般工业与民 用建筑结构，可按工作性质分别选用普通质量的钢材。另外，按建筑结构设计 统一标准规定的安全等级， 把建筑物分为一级 （重要的 ）、二级（一般的 ）和三级（次 要的）。安全等级不同，要求的钢材质量也应不同。（2）荷载情况。荷载可分为静态荷载和动态荷载两种。直接承受动态荷载 的结构和强烈地震区的结构， 应选用综合性能好的钢材； 一般承受静态荷裁的结 构则可选用价格较低的 Q235 钢。（3）连接方法。钢结构的连接方法有焊接和非焊接两种。由于在焊接过程 中，会产生焊接变形、焊接应力以及其他焊接缺陷，如咬

25、肉、气孔、裂纹、夹渣 等，有导致结构产生裂缝或脆性断裂的危险。 因此，焊接结构对材质的要求应严 格一些。（4）结构所处的温度和环境。钢材处于低温时容易冷脆，因此在低温条件 下工作的结构， 尤其是焊接结构， 应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢。 此 外，露天结构的钢材容易产生时效， 有害介质作用的钢材容易腐蚀、 疲劳和断裂， 也应加以区别地选择不同材质。（5）钢材厚度。薄钢材辊轧次数多，扎制的压缩比大，厚度大的钢材压缩 比小；所以厚度大的钢材不但强度较小， 而且塑性、冲击韧性和焊接性能也较差。 因此，厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。3、钢材的规格3.1 热轧钢板厚钢板：厚度4.560mm

26、，宽度6003000mm,长度412m。表示方法： “宽度X厚度X长（ftm）”，如：“400 X10 X1200”。薄钢板：厚度0.354mm，宽度5001500mm，长度0.54m，是制造 冷弯薄壁型钢的原材料。扁钢：厚度460mm，宽度12200mm，长度39m，是制造螺旋焊接 钢管的原材料。花纹钢板：厚度 2.58mm，宽度6001800mm，长度0.612m，主要 用作走道板和梯子踏板。3.2热轧型钢 角钢分等边和不等边两种。规格表示为：“L边长x厚度(mm) ”，如：“100 X10 ”。规格表示为：“L长边X短边X厚度：mm)”，如：“ 125 X00 X0”。我国生产的最大规格

27、为 L 200 X24和200 X25 X8。 工字钢分普通和轻型两种。普通工字钢的规格以“I截面高度(cm) ”表示，“为工字钢符号。我国生产的规格有I10I63a，20或32号以上时，同一型号分为 a、b或a、b、c规格。轻型工字钢的规格以“QI截面高度(cm)”表示，规格有QI10QI70b，1830号和70号有a或a、b规格。 槽钢分普通和轻型两种。普通槽钢的规格以：“截面高度(cm) ”表示，“为槽钢符号，我国生产的 规格有-5-40c，14或25号以上时同一型号中分为 a、b或a、b、c规格。轻型槽钢的规格以“Q_截面高度(cm) ”表示我国生产的规格有Q_5Q_40,1424号有

28、a规格。 H型钢分宽翼缘H型钢、窄翼缘H型钢和H型钢桩三类。a. 宽翼缘H型钢，型号表示为HK截面公称高度(mm) ”或IK高度H x宽度B X腹板厚度d x翼缘厚度t(mm) ”。规格有HK100HK900 ,同一型号又分a、b、 c或 或a、b、c、d、e、f、g、k不同规格。b. 窄翼缘H型钢，型号表示为“HZ截面公称高度(mm) ”或HZ高度H X宽 度B X腹板厚度d X翼缘厚度t(mm) ”。规格有HZ80HZ600 ,每一型号只有一种 规格。c. H型钢桩，型号表示与宽度(或窄)翼缘 H型钢相同，规格有HU200 HU500。我国目前只生产小型号的H型钢。 圆钢常用于轻型钢结构中。规格以直径表示：直径 (mm)。如.,16。16 钢管分无缝和有缝两种。规格以“外径x壁厚(mm) ”表示。我国生产的热轧无缝钢管的外径为32630mm，壁厚2