结构设计原理课件 模块14 钢结构材料及其主要力学性能

模块14

钢结构材料及其主要力学性能学习目标知道钢结构构件采用的钢材种类和牌号,钢的型材种类和规格。理解钢材受拉性能、冲击韧性性能、冷弯性能。理解钢材的强度设计值和其他物理性能指标的规定。任务目录14.1钢的种类与钢材的规格

14.2钢材的主要力学性能14.3钢材的强度设计值模块14钢结构材料及其主要力学性能钢结构是由型钢和钢板采用焊接或螺栓连接方法等制作成基本构件,并按照设计构造要求连接组成的承重结构。与其他材料的结构相比较,钢结构具有如下特点:(1)材质均匀,可靠性高。(2)强度高,重量轻。

(3)钢材塑性和韧性好。(4)制造与安装方便。

(5)具有可焊性和密封性。(6)耐火性差。(7)耐腐蚀性差。14.1钢的种类与钢材的规格14.1.1钢材的种类14.1.2钢的型材种类14.1钢的种类与钢材的规格14.1.1钢材的种类钢材可按不同的分类方法进行区分,简单分类见表14-1。桥梁钢结构的钢构件中,主要采用(普通)碳素结构钢和低合金高强度结构钢。14.1.1

钢材的种类碳素结构钢是一种碳素钢(钢的含碳量为0.05%~0.38%),其含碳量多数在0.30%以下,含锰量不低于0.50%。钢的强度虽不高,但钢的塑性、韧性、冷加工变形性能好,制成的条钢、异形钢材、钢板等,可直接在工程上使用。表14-2是国家标准《碳素结构钢》(GB/T700-2006)对碳素结构钢的钢种符号及化学成分的技术规定。碳素结构钢114.1.1钢材的种类14.1.1钢材的种类国产碳素结构钢分为Q195、Q215、Q235和Q275四种,Q是代表屈服强度的汉语拼音首位字母,而阿拉伯数字代表厚度(或直径)小于等于16mm钢材的屈服强度(N/mm²)。阿拉伯数字较小的钢材,碳含量较低,钢材的屈服强度也低。碳素结构钢的“质量等级”是碳素结构钢交货时应有化学成分和力学性能的质量合格保证等级要求。碳素结构钢除化学成分要求碳、锰、硅、硫、磷含量符合相应级别的规定外,质量等级的高低主要是按碳素结构钢冲击韧性以及冷弯性能的要求来区分。碳素结构钢按照质量等级分为A、B、C、D四级。A级碳素结构钢的碳、锰含量可以不作为交货条件,而要求抗拉强度、屈服强度伸长率和冷弯性能合格。B级、C级、D级碳素结构钢除碳、硫、磷、硅和锰等化学成分的含量必须符合相关国家标准规定和保证钢的抗拉强度、屈服强度、伸长率、冷弯性能等力学性能合格外,还应保证温度分别为20℃(B级钢)、0℃(C级钢)和-20℃(D级钢)条件下冲击韧性合格。14.1.1钢材的种类表14-2中的“脱氧方法”：脱氧是在钢冶炼过程的后期降低钢液中氧元素含量的工艺,是保证钢锭(坯)和钢材质量的重要工艺环节。根据冶炼时脱氧程度和方法的不同,钢可分为沸腾钢(符号记为F)、半镇静钢(符号记为b)和镇静钢(符号记为Z),以及特殊镇静钢(符号记为TZ)。沸腾钢为脱氧不完全的钢,优点是钢的收率高(约提高15%),生产成本低,缺点是钢的杂质多,成分偏析较大,性能不均匀。镇静钢为完全脱氧的钢,钢的收得率低,但组织致密,偏析小,质量均匀。半镇静钢为脱氧较完全的钢,脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。碳素结构钢的牌号由代表屈服强度330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。在牌号组成方法中,“Z”与“TZ”符号可以省略。Q235AF碳素结构钢表示屈服强度为235MPa、质量等级为A级的沸腾钢Q235C碳素结构钢表示屈服强度为235MPa、质量等级为C级的镇静钢14.1.1钢材的种类低合金高强度结构钢是在含碳量约0.10%～0.20%的碳素结构钢基础上加入少量合金元素（合金元素总量大于1%但小于5%）而冶炼制成的钢。

国家标准《低合金高强度结构钢》（GB/T1591—2018）规定低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服强度的字母Q、最小上屈服强度(单位：MPa)（详见第14.2节内容）、交货状态代号和质量等级符号四个部分按顺序组成。产品钢级有Q295、Q355、Q390、Q420和Q460。低合金高强度结构钢214.1.1钢材的种类我国研发了专门用于桥梁的系列高性能桥梁结构钢并制定了国家标准《桥梁用结构钢》（GB/T714—2015）。

桥梁用结构钢也是一种低合金高强度结构钢，钢产品牌号为Q345q、Q370q、Q420q、Q460q、Q500q、Q550q、Q620q和Q690q。

桥梁用结构钢的牌号由代表屈服强度的字母Q、规定最小屈服强度数值(单位：MPa)、表示专门用途“桥”字汉语拼音的首个字母q和质量等级符号(等级C、D、E、F)等四个部分按顺序组成。例如，Q345qD表示规定最小上屈服强度数值为345MPa、质量等级为D级的桥梁用结构钢。14.1.1钢材的种类除了上述的碳素结构钢和低合金高强度结构钢优质碳素结构钢之外，桥梁钢结构的零部件中还会用到以下两种优质碳素结构钢：（1）普通含锰量（含锰量为0.25%～0.8%）的优质碳素结构钢。钢的牌号由两位数字组成，这两位数字是钢中含碳量的万分数。例如牌号“45”表示平均含碳量为0.45%、普通含锰量的优质碳素结构钢，又称“45钢”。（2）较高含锰量（含锰量为0.7%～1.2%）的优质碳素结构钢。钢的牌号由两位数字和符号Mn表示，两位数字是仍钢中含碳量的万分数。例如牌号“45Mn”，表示平均含碳量为0.45%、较高含锰量的优质碳素结构钢，又称“45锰钢”。14.1.2钢的型材种类钢的型材主要分为两类:板材(钢板)和型钢,有钢厂生产的热轧成型钢板和型钢,以及冷加工(冷弯或冷压)成型的薄壁型钢等产品。钢板1钢板按其厚度分为薄钢板、厚钢板、特厚钢板和扁钢,见表14-3。钢板采用的表示方法是在符号“—”后加“宽度×厚度×长度”或“宽度×厚度”,单位为mm,例如,—1200×8×6000表示钢板宽度为1200mm、厚度8mm、长度6000mm。钢板类别薄板厚板特厚板扁钢厚度（mm)0.35～44.5～60>604～60宽度（mm)500～1400600～300030～200

轧制工艺冷轧热轧钢板产品的类别表14-314.1.2钢的型材种类角钢分等边角钢和不等边角钢两种(图14-1)。

等边角钢规格型号以符号“∟”后加“边宽度b×边厚度δ”表示,∟100×12表示边宽b=100mm、边厚δ=12mm等边角钢。

不等边角钢规格型号以符号“∟”后加“长边宽度B×短边宽度b×边厚度δ”表示,∟100×80×10表示长边宽B=100mm、短边宽b=80mm、边厚度δ=10mm的不等边角钢。角钢的出厂产品长度为4.0~19.0m。角钢01图14-1热轧角钢截面型钢2钢结构常用的型钢类别:角钢、工字钢、槽钢、H型钢、钢管。14.1.2钢的型材种类分为普通工字钢和轻型工字钢两种。普通工字钢截面图中h表示截面高度、b表示翼缘宽度、t表示翼缘平均厚度、tw表示腹板厚度。工字钢02工字钢的规格型号是在符号“Ⅰ”后加“截面高度值(以厘米计)”表示Ⅰ18表示截面高度h=180mm、翼缘宽度b=94mm、腹板厚度tw=6.5mm的普通工字钢,简称18号工字钢。对20号以上的工字钢,同一号数工字钢又分为a、b两类或a、b、c三类,如Ⅰ25a表示工字钢的高度为250mm,其翼缘宽度为116mm、腹板厚度为8mm,而Ⅰ25b表示工字钢的高度为250mm,其翼缘宽度为118mm、腹板厚度为10mm。工字钢的出厂产品长度为5.0~19.0m。14.1.2钢的型材种类槽钢也分为普通槽钢和轻型槽钢两种。图中所示普通槽钢截面中h表示截面高度、b表示翼缘宽度、t表示翼缘平均厚度、tw表示腹板厚度。槽钢03槽钢的规格型号是在符号“[”后加“截面高度h值(以厘米计)”表示当槽钢截面高度h≥140mm后,同一型号的槽钢,根据翼缘宽度和腹板厚度tw的不同也分为a、b两类或a、b、c三类,规格型号是在符号“[”后加“截面高度值(以厘米计)+a(或b、或c)”表示。槽钢的出厂产品长度为5.0~19m。14.1.2钢的型材种类H型钢,截面形式与普通工字钢相似,但H型钢翼缘内外侧面平行。图示H型钢截面中H表示截面高度、B表示翼缘宽度、t表示翼缘厚度、tw表示腹板厚度。H型钢04热轧H型钢可分为宽翼缘(以代号HW表示,截面高度H=翼缘宽度B)、中翼缘(以代号HM表示)、窄翼缘(以代号HN表示)和薄壁(以代号HT表示)四类。H型钢规格型号标记为“类别代号+型号(截面高度H×截面宽度B)”,其中截面高度H和截面宽度B的单位均以mm计。HN350×175表示为窄翼缘H型钢,其截面高度为350mm,截面宽度为175mm,腹板厚度为7mm,翼缘厚度为11mm。热轧H型钢的出厂产品长度为12.0m。14.1.2钢的型材种类钢管分无缝钢管和焊接钢管两种,其中焊接钢管由钢板卷焊而成,又可分为直焊缝钢管和螺旋焊缝钢管。图示圆钢管截面中d表示钢管外径,t表示壁厚。钢管用符号“ϕ”后面加“外径×壁厚”表示,如ϕ102×5表示外径102mm,壁厚5mm的钢管。钢管05各种型钢的详细尺寸及其截面几何特征可查型钢表得到。14.2钢材的主要力学性能14.2.1钢材受单向均匀受拉的力学性能14.2.2钢材的冲击韧性14.2.3钢材的冷弯性能14.2钢材的主要力学性能钢材的单向均匀受拉试验(又称拉伸试验)通常是用规定形状和尺寸的标准试件,在规定的室温下以规定的应力或应变速率施加轴心拉力进行的试验,可以得到钢材拉伸试验的试件截面的拉伸应力-应变关系曲线。钢结构一般采用的是热轧钢材,钢材试件拉伸试验典型的截面应力-应变曲线(也称σ-ε关系曲线)与热轧钢筋试件拉伸试验相同（图3-12）。14.2.1钢材受单向均匀受拉的力学性能14.2.1钢材受单向均匀受拉的力学性能

钢材的两种破坏：

（1）钢材的塑性破坏破坏前钢材产生较大的塑性变形，断裂后的断口呈纤维状，色泽发暗。把这种拉伸变形超过了钢材可能的应变能力而产生的，而且仅在截面应力达到了钢材的抗拉强度fb后才发生破坏称为钢材的塑性破坏。（2）钢材的脆性破坏 钢材的脆性破坏是指钢材破坏前其塑性变形很小，甚至没有塑性变形，截面应力可能还小于钢材的屈服强度fy就发生的破坏。破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断裂后的断口平直并表面有呈光泽的晶粒状体。

钢材具有较高的塑性和韧性，一般为塑性破坏，但在一定条件下，仍然会发生脆性破坏。14.2.2钢材的冲击韧性钢材的冲击韧性是钢材抵抗冲击作用而不破坏的能力,一般以冲击破坏时断裂面单位面积上所吸收的能量表示。冲击韧性是钢材抗脆断能力的主要指标,反映钢材抵抗低温、应力集中、多向拉应力、荷载冲击和疲劳等因素导致脆断的能力。对Q235、Q345、Q390和Q420钢材,设计上要求使用的钢材冲击韧性应符合表14-4规定。14.2.2钢材的冲击韧性(1)冲击试验图14-6为采用夏比摆锤式冲击试验机的试验示意,进行试验时将规定质量值为m的摆锤举起到规定高度H1处并锁住,然后释放摆锤,冲断试件后,当摆锤扬起到最大高度H2时,在试验机表盘上可直接读出冲击试验的冲击吸收功Ak值。工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定钢材的冲击韧性,即测定冲击载荷下标准试件被折断而消耗的冲击吸收功Ak,单位为焦耳(J)。Ak值越大,钢材的韧性越好,受冲击时越不易断裂。14.2.2钢材的冲击韧性(2)试件钢材冲击弯曲试验的试件有V形缺口试件和U形缺口试件。工程上常用的V形缺口试件：标准试件是长度l=55mm、横截面为厚度h=10mm和宽度b=10mm的方形钢板条,且在试件长度的中间处(l/2处)带有2mm深的V形缺口(图14-7)。如果钢材试件取料不够,可以采用横截面宽度b=7.5mm、5mm的小尺寸试件。标准试件带有缺口的一面应背向摆锤方向来安放在试验机的支座上(图14-6)后,再进行试验。14.2.2钢材的冲击韧性14.2.2钢材的冲击韧性(3)试验时的温度冲击吸收功Ak的大小与试验温度有关。有些钢材在室温20℃左右试验时并不显示脆性,但在较低温度下则可能发生脆性断裂(低温冷脆)。温度对冲击吸收功Ak的影响见图14-8。14.2.2钢材的冲击韧性由图14-8可见：随着温度的降低,冲击吸收功Ak值迅速下降,使试件的断口形态由韧性断口转变为脆性破坏。同时可见这一转变是在一个温度区间(T1,T2)内完成的,此温度区间称为钢材的脆性转变温度区,在此区间内曲线的反弯点(最陡点)所对应的温度T