第二章 钢结构的材料三

第二章钢结构的材料

学习本章的主要目的是如何选择钢材。这就要求首先掌握钢材的性能，其中最重要的是脆断。

第一节钢结构对所用材料的要求

一、钢材的破坏形式1.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。

2.脆性破坏：钢材在变形很小的情况下突然发生断裂破坏。

二、钢结构对所用材料的要求物美价廉强度fy、fu高。强度高可减轻结构自重。塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，抗动力荷载好，耐疲劳。良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。耐腐性好。价格便宜。有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的能力。《钢结构设计规范（GB50017)》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。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。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

标准试件在室温（100C～350C)、以满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力σ～ε应变曲线显示的钢材机械性能如下：(1)弹性阶段σ≤fp，σ与ε呈线性关系，称该直线的斜率E为钢材的弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢材统一取E=2.06×105N/mm2。(2)弹塑性阶段σ与ε呈非线性关系，切线模量Et＝dσ/dε,Et随应力增大而减小，当σ=fy时，Et=0。

(3)塑性阶段也称屈服阶段，σ=fy后钢材暂时不能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，因此钢结构设计取fy作为强度极限承载力的标志。(4)强化阶段试件能承受的最大拉应力fu为钢材的抗拉强度。取fy作为强度极限承载力的标志，fu就成为材料的强度储备。(5)颈缩破坏阶段(6)可把钢材视为理想弹塑性体。(7)伸长率δ=(l1-l0)/l0*100%,反映钢材的塑性变形能力。二、冷弯性能

三、冲击韧性

冲击韧性值用击断试样所需的冲击功AKV表示,单位为J。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-20oC或-40oC的冲击韧性保证，应AKV≥27J（焦耳）。将试件弯成180o，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。

四、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τy及抗剪强度τu均低于fy和fu；剪变模量G也低于弹性模量E。第三节影响钢材性能的主要因素一、化学成分的影响碳(C)、锰（Mn）、钒（V）是有利元素，但也要注意对含量的限制。硫（S）、磷（P）氧（O）、氮（N）会降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应严格限制含量。二、钢材生产过程的影响1.冶炼炉种的影响

已无必要强调炉种的影响。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)。3.钢材的轧制

将钢锭加热至1200～1300oC

，通过轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧钢材。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、温度的影响正温度范围内（t>0oC）:t<200oC时，钢材的性能变化不大。t在250oC左右，钢材塑性和韧性下降，破坏常呈脆性破坏特征。t

=(260～320)oC时，钢材有徐变现象。t>300oC时，钢材的强度和E开始显著下降，而δ显著增大。当t>400oC时，钢材的强度和E都急剧降低，t>600oC时其承载能力几乎丧失。在负温度范围内（t<0oC）：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。设计选用钢材时应使其脆性转变温度区的下限温度t1低于结构所处的工作环境温度，即可保证钢结构低温工作的安全。

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。2.时效硬化钢材经过一定时间后强度提高但塑性降低，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200～300oC，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、寻复杂亚应力暑状态继的影限响在复田杂应辩力如威平面细或立赤体应力确作用慨下，嫂钢材烦的屈争服并休不只取匆决于跨某一分方向研的应筋力，苦而是由臣反映段各方昆向应愧力综断合影惨响的上屈服壶条件琴来确盾定。同号轧应力壶场使血材料曲脆性紫加大峡。六、拴应力彩集中桂的影加响钢构声件在惕缺陷烛或截抄面变甘化处裕附近砍将产闪生局汽部高浩峰应领力，辰其余衫部位龙应力万较低听，称沫为应烈力集道中。思在应担力高莲峰区旅域存阵在着超同号慈的双墙向或脾三向肥应力杂。这成种同盆号的惯双向通或三贷向应象力场诸有使偶钢材货变脆锤的趋吉势。夕应力冷集中脑系数养越大岩，变港脆的至倾向代亦愈震严重绪。在负印温下棒或动气力荷穴载作价用下溜，应辛力集眼中往左往是芹引起参脆性蛛断裂盒的根浴源，侧设计泳中应广设法蠢避免跟或减久小应达力集塑中，刮并选洁用质醒量优抚良的蜻钢材末。第四崖节怀钢扮材的朴疲劳一、扒钢材朗疲劳狱的基碎本概何念钢材健在反切复荷六载作便用下费，在昆应力伤低于限钢材洗抗拉厕强度扩甚至限低于甚屈服荷点时贡突然网断裂蛇，称为急钢材冬的疲谁劳或堪疲劳螺破坏。钢结谱构中奏总存孕在有田微观塔裂纹普或类咱似的夹缺陷宣，导颂致应宗力集昌中。前在多网次反锋复荷长载作迈用下视，微加观裂规纹不神断开扯展，除应力海集中劝现象睬越来今越严促重。腿当荷矛载反齿复循炼环达疼一定玻次数n（疲银劳寿百命）套时，香裂纹石扩展智使得欢净截伍面承浪载力段不足惜以承瓜受外展力作拣用时欢，构蒸件突部然断磁裂，坐发生性疲劳荒破坏斗。疲劳遗破坏仇一般适经历裂纹繁形成约、裂航纹缓背慢扩绵展和冬最后竟迅速租断裂三个跪阶段灶。二、柿疲劳呆计算反复膀荷载孩作用这产生青的应辽力重磁复一廉周叫者做一阁个循坝环。Δσ=σma鸭x-σmi晕n称为铃应力毛幅，沫表示楼应力绿变化谷的幅彩度。试验静表明仙，焊状接结盲构发刃生疲拴劳破显坏并疾不是浅名义瞎最大魔应力σma嚼x作用湿的结婚果，谅而是福焊缝躬部位附足够拦大小义的应仆力幅长反复限作用筒的结嫁果。遗非焊蔬接结叮构的疲的疲忌劳寿册命不满仅与牲应力昨幅有纽奉关，渡还与手其追他因雹素有猜关。编规范虚把疲喉劳计掉算公触式中偿的应腐力幅源调整且为折购算应似力幅照，以争反映饺其实管际工巩作情质况。疲劳恋计算胳的公易式是砌以试爆验为朴依据荷的，枪分为旬常幅呀和变时幅疲筐劳两体种情侧况进念行计行算。1.翻常寺幅疲验劳计佣算Δσ≤[Δσ]C、β——助参数拉，根桥据表2—吴2中的息构件源和连嚷接类脏别按粱表2-息3采用海。Δσ——录对焊弃接部难位△σ=σma仁x-σmi奔n；对键非焊败接部促位△σ=σma刊x-0驴.7痛σmi凯n。由上殖式可萌见，便容许神应力脆幅与不钢材帖的强跟度无哪关，蹄这表横明不构同钢盲材具诵有相居同的的抗疲慰劳性至能。2.梢变鸡幅疲押劳计督算可近喘似地泻按照暗线性锣疲劳妥累积摧损伤碰原则面，将贡随机卧变化矮的应肆力幅完折算醒为等万效应毯力幅Δσe，按页下式拦进行睛疲劳恢计算弓：吊车卸梁：够根据燥实测终结果洪，推缓算出奶设计墓基准湾期5棋0年烦内各足种吊不车梁炎的应肉力循灯环总们次数n(等效踢于满贝荷载货时n=21价06次)，相嫁应的欠载证效应嚷的等茅效系道数f值如尽表2抹—3浙所示项，重帐级工江作制冈吊车侨梁的袜疲劳警验算攻公式膀为当n≥1理05时，急应进逆行疲铲劳计裙算。疲劳逗计算殿采用模的是搁容许附应力惑幅法铅，计估算公趟式是棵以实约验为卵依据爬的，计实验蚂中已丝式包含己了动剪力的焦影响胳，故辟荷载虚应采宽用标茫准值潮且不很乘动域力系爪数，劣应力聋幅按提弹性浮工作侨计算淘。在完态全压绝应力掠（不津出现商拉应恳力）捉循环蓄中，稳由于筝压应津力不羊会使子裂纹图继续军扩展保，故注规范桨规定恼此种眨情况床可不局进行刺疲劳肤计算柜。三、倚疲劳引计算芽应注漆意问鸡题第五温节璃钢州材的规钢种幸、钢府号及锋选择1.勺碳港素结称构钢钢号圆由代绝表屈四服点屡的字蔑母Q、屈服支强度甘数值（t≤1古6m博m时令的fy，单炒位是N/总mm2）、质量英等级者符号滔（分恋为A、推B、清C、恼D四级调，质益量依朱次提跟高）误、脱左氧方螺法符麻号（茅沸腾腰钢、被半镇苦静钢须、镇摆静钢展和特爱殊镇眉静钢绸的代阴号分峡别为F、怪b、冈Z和TZ，其耀中Z和衣TZ在钢教号中赢省略劫不写津）等萝四个陷部分减按顺清序组瘦成。丘例如披Q2毅35汁-B坚·F数,梨表示匠屈服裂强度盈为2番35N/裳mm2的B茫级沸君腾钢朱。钢管材的弯质量尚等级蹲中，敌A、坑B级笔钢按内脱氧星方法泼可为涝沸腾希钢、江半镇塌静钢具或镇吼静钢掏，C塔级为滋镇静担钢，决D级勿为特端殊镇厕静钢宝。一、待钢种钢材巩的种及类，摆钢结脾构常巧用的趟是碳乒素结拼构钢枯和低刊合金困结构隔钢。二、旧钢号种钢额材的幼牌号计简称饼为钢示号。2.原低合逐金结敢构钢低合拿金结项构钢戏是在珠冶炼丹碳素须结构纺钢时相加入毒一种百或几勿种适虹量的联合金溜元素偶而成并的钢只。其谱钢材故牌号是的表尊示方宫法与搅碳素屯结构缩慧钢相巷似，违但质觉量等钥级分像为A、催B、强C、扣D、味E五级禾，且奶无脱门氧方集法符祸号。乌例如Q3脉45合-B裁，Q坟39计0-蹈D，拣Q4内20育-E割。3.席专用掩结构总钢(1透)特紧殊用散途的茅钢结卖构常暖采用棋专用种结构听钢。温专用锯结构榨钢的怕钢号骨用在早相应授钢号宵后再滨加上桌专业跳用途贴代号吊（压衫力容码器、凤桥梁肤、船腰舶和械锅炉悦用钢蛇材的耀专业滤用途煤代号临分别扮为R评、q精、C粥和g刷）来语表示填。(2俊)耐珠候钢残在钢给材冶替炼时畅加入盖少量搂的合掀金元甩素如堪Cu慢、C暂r、蝇Ni康、M柔o、棍Nb丧、T拉i、哭Zr质、V隐等，垄提高灶钢材际的耐贝腐蚀属性能径。也置称为酸耐大哪气腐册蚀钢帝。例章如1吨5M吩nC已uC秒r—何QT漏钢表芝示含屯碳量翼为0窗.1辟5%盖，合伴金元末素为降锰、郑铜、疗铬的奸淬火美加回同火热鹿处理清耐候坑钢。（3庆）连查接用跃钢允钢结姨构连醋接中唯的铆坛钉、宣高强狂度螺此栓、助焊泰条用放钢丝弓等，健也采烫用满合足各织自连啦接件造要求逆的专驴门用车钢。三、具钢材钢的选奏择钢材多的选侨择既德要确膊定所站用钢淘材的显钢号漆，又患要提绑出应述有的削机械炊性能耽和化歉学成圆分保菠证项干目，叮是钢诸结构缸设计缴的首邪要环蓄节。者选材减的基架本原刷则是翅既保义证安盈全可冷靠，规又经赴济合程理。暗钢材周的质勇量等紫级愈倡高，总其价区格也袭愈高留。因导此应土根据若结构支的不劲同特当点，章来选乎择适棉宜的聋钢材顾。四、恰常用艳钢材恨的规圣格钢结犹构所督用钢音材主预要是恭热轧伞成型火的钢梨板、笛型钢嫁（图疏2-流9)爬和冷提加工冠（冷欺弯、档冷压瓜和冷捉轧）纱成型告的薄对壁型舒钢（蹲图2沸-1给0)启。1.热轧存钢板钢板奔的标箩注符平号是蔬“－涨（截探面代李号）弓宽度塌×厚虹度×寨长度疫”，杰单位见为mm咏，亦可吗用“轻－宽宣度×罗厚度论”或悟“－罚厚度牌”来虎表示疏。如－36咬0×休12闻×3筒60廊0，众亦可左表示顺如－要36巩0×塘12奶或－刑12腹。2.绸热轧怜型钢（1移）角衡钢分为锅等边邪和不肯等边纳角钢漏两种首。角呆钢标统注符予号是闷“∟坊边宽翁×厚施度（烈等边趋角钢法）或答∟长族边宽锐×短慕边宽沾×厚旗度（口不等鹿边角归钢）鸟，单挎位为肚mm攀”。泽如∟刊10亿0×腾8和肾∟1传00墙×8讯0×或8。（2）葡槽钢有热巾轧普星通槽画钢和罗轻型胁槽钢廉两种梨。槽踏钢规以格用获槽钢坝符号电（普笼通槽唇钢和惩轻型艰槽钢别的符忌号分燃别为[和Q[）和袖截面祸高度粘（单脊位为乔cm黄）表泼示，匹当腹思板厚畅度不抹同时擦，还档要标皱注出岁腹板博厚度灾类别分符号踪蝶a、粱b、混c，章例如[10志、[20编a、Q[20兄a。团与普秃通槽忧钢截异面高受度相议同的样轻型越槽钢杯的翼涨缘和专腹板故均较讽薄，痛截面拒面积播小但涂回转糊半径崭大。（3麦）工稠字钢有普液通工活字钢诸和轻茫型工至字钢坡两种糕。标桂注方肯法与鼓槽钢爆相同柄，但风槽钢办符号凶“[”济应改残为驳“I”,朵例如I18榴、I50叫a、QI50译。（4欺）H顶型钢H型圆钢比钉工字栗钢的搂翼缘趟宽度伞大并陕为等疼厚度扒，截缺面抵突抗矩董较大口且质瞎量较缸小，钟便于度与其企它构者件连灾接。御热轧气H型孕钢分赞为宽椅、中碑、窄原翼缘栏H型赢钢，消它们器的代你号分战别为例HW独、H美M和俘HN颂。标肤注方肥法与物槽钢肠相同唯，但崇代号孕“[眯”靠应改服变为覆”H喘”痕，例胀如H笨W2施60均a、匪HM迈36秤0、燥HN申30挨0b熟。钢管钢结供构中灭常用霞热轧维无缝叔钢管钩和焊虚接钢烧管。迈用“Ф外扫径×悦壁厚灭”表廊示，拒单位泽为m偿m，芬例如逐Ф3奶60允×6斥。3.咱薄壁想型钢薄壁乳型钢餐通常地是用义1.填5～准6m度m厚谎的薄扒钢板握冷加薄工而茫成，稿其截霜面形吉式和棕尺寸盐可按蒜工程沟要求甘合理型设计漫。与孙相同零截面盖积的坚热轧纹型钢萍相比宪，其区截面短抵抗罗矩大敬，钢距材用遍量可押显著短减少竞。但罪因板宇壁较昨薄，满对锈宗蚀影代响较有为敏禽感。五、恢其它罗钢材担的使浪用当上漏述钢滑材不汽能满袍足要壮求时添，还你可选居用优绑质碳崖素结励构钢察或其缘瑞它低屿合金壁钢。赤当在琴有腐缠蚀介指质中体使用针钢结处构时姑，可肤采用腊耐侯蹈钢。骂具体碰可参仁考《门钢结饥构材厕料手卷册》斧。六、累我国衣目前族建筑肃钢材窝存在妥的主泳要问若题1．守厚板蹄可焊抗性差体，Q赴34姥5等坝厚板阅焊接共时，博易出爹现层百状撕尘裂。吉应采傅用Z畜向钢脊，即侍《厚省度方恢向性舟能钢弹板G计B5睬31毁3》篮，要涛求沿池厚度房诚方向讯有良厌好的飞抗层倒状撕社裂性浅能，粱用厚矛度方肺向拉痕力试喘验的荐断面违收缩搜率来牺评定闯。应蚕生产脂优质漫特厚冰钢。2．皮高强血度低璃合金垫结构畏钢在浮冷弯丹薄壁母型钢农中的习应用怎尚未桃解决絮好，侄不能屿满足详轻型粗房屋膜钢结隐构的来需要知。主越要应调解决膨其冲材压性冒差的吉问题岔。3．滥我国哲现只绳能生听产镀撕锌钢慎板，拒不能居生产阅抗腐岛蚀性批能更以好的希镀铝缸锌钢劝板，虎。需酷引进贩生产羽线或丈专利房诚来解如决。4．雪型材摸品种雀规格渗还不己能满省足建来筑需拆要。新要开摔发生扑产薄们壁热牺轧H户型钢页等。5．响建筑您用高邪强度质低合爆金结堵构钢御品种哀太少材，应句用比冠重较职低。害生产烘耐火广钢。第六援节令国写外钢你材品贪种和顿钢号昨简介各国伏的钢蚂号基时本上烂是以右强度义等级仿来划择分，与表示秩方式游为：字首棋符号劣钢扑材的炎强度关值丢钢材姓质量疼等级字首滚符号彻：美国继采用浆A