钢结构的材料

第2章钢结构的材料2.1钢材的主要性能2.2影响钢材性能的因素2.3钢材的疲劳（自学）2.4建筑钢材的规格和选用第1页，共38页。

塑性破坏：破坏前有明显的变形，破坏历时时间长，可以采取补救措施。断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。构件的应力达到了钢材的抗拉强度。一、钢结构的破坏形式

脆性破坏：破坏前没有明显的变形，破坏发生突然，没有机会补救。断口平直并呈有光泽的晶粒状。脆性破坏的原因：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造不合理、使用不当等。应尽量发挥材料的塑性避免一切脆性破坏的可能性

2.1钢材的主要性能第2页，共38页。

广东某展览厅网架倒塌

广东某国际展览中心包括展厅、会议中心和一栋16层的酒店，总建筑面积42000m2。1989年建成投入使用。1992年降大暴雨，其中4号展厅网架倒塌。在倒塌现场发现大量高强螺栓被拉断或折断，部分杆件有明显压屈，但未发现杆件拉断及明显颈缩现象，也未发现杆件与锥头焊缝拉开。另外，网架建成后多次发现积水现象，事故现场两排水口表面均有堵塞。①由于4号展厅除承担本身雨水外，还要承担会议中心屋面溢流而来的雨水。由于溢流口、雨水斗设置不合理，未能有效排水导致网架积水超载。

②高强螺栓超极限承载力而被拉断，高强螺栓安全度低于杆件安全度，其安全度不足。

第3页，共38页。钢贮罐脆性断裂

1989年1月22日，内蒙古某糖厂一个直径为20m，高为15.76m的刚交工验收不久的废糖蜜钢贮罐发生断裂。破坏过程呈突发性，没有任何先兆，非常迅速。破坏时罐蜜贮量为4027t，不仅未达到设计贮量，并低于试用内糖期间曾达到的4559t水平，罐体内应力并不太高，距钢材屈服强度相差较远，地震和人为破坏及废糖蜜自燃爆炸的因素可排除，请分析钢贮罐发生断裂的原因。

第4页，共38页。塑性断裂在发生前有明显预兆，而脆性断裂是突发性的。经调查表明，其裂口特征：罐体下部第1、2层母材撕裂，断口呈颗粒状，人字形纹尖端朝上，呈脆性断裂。对钢材材质进行复验，发现部分钢板含碳量和含硫量较高，降低了钢材的塑性和可焊性，其常温冲击韧性比规定值偏低，故该钢材易出现脆性断裂。且焊接质量差，综合分析可知，罐体破坏的根源是焊接质量低而导致的低温脆性断裂。对接焊缝中大量未焊透部位如同张开型的焊接裂纹，在罐壁环向拉力的作用下，能引起严重的应力集中，成为罐体断裂的引发点。在荷载变化、应力集中、残余应力和温差应力的作用下，会缓慢扩展。而钢材的韧性较差，不能阻止裂纹的扩展，最后达到临界值，而突然断裂。

第5页，共38页。海油田平台倾覆

1980年3月27日，北海爱科菲斯科油田的A.L.基儿兰德号平台突然从水下深部传来一次震动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，致使23人丧生，造成巨大的经济损失。

现代海洋钢结构如移动式钻井平台，特别是固定式桩基平台，在恶劣的海洋环境中受风浪和海流的长期反复作用和冲击振动；在严寒海域长期受冰载及流水随海潮对平台的冲击碰撞；另外低温作用以及海水腐蚀介质的作用等都给钢结构平台带来极为不利的影响。突出问题就是海洋钢结构的脆性断裂和疲劳破坏。

上述事故的调查分析显示，事故原因是撑竿中水声器支座疲劳裂纹萌生、扩展，导致撑竿迅速断裂。由于撑竿断裂，使相邻5个支杆过载而破坏，接着所支撑的承重脚柱破坏，使平台20分钟内全部倾覆。

第6页，共38页。

钢吊车梁裂缝

某钢厂原料跨吊车任务繁重，而冷轧跨吊车不太繁忙。两者互按同一标准设计，后者吊车梁使用40多年未发现裂缝，而前者因产生较多裂缝已更换。请分析裂缝的成因。

由于前者任务繁重，承受的交变荷载次数多，故会产生疲劳破坏。

第7页，共38页。二、单向受拉时的性能试验条件：标准试件在常温（20℃）下缓慢加载（静载）第8页，共38页。OAE—弹性阶段比例极限、弹性极限ECF—屈服阶段屈服点FB—强化阶段抗拉强度（极限强度）BD—颈缩阶段第9页，共38页。三、塑性性能塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力衡量塑性性能的指标：伸长率第10页，共38页。四、冷弯性能

冷弯性能是检验钢材适应冷加工（常温下加工）的能力和显示钢材内部缺陷状况的一项指标

冷弯性能是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性变形能力的指标

冷弯性能由冷弯试验确定

冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标第11页，共38页。变形能力的指标衡量冲击韧性的指标：冲击功冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。加——蓝脆现象。4、对于需要验算疲劳的焊接结构和起重量大于等于50t的中级工作制吊车梁，除上述要求外，尚应具有常温冲击韧性的合格保证:由于溢流口、雨水斗设置不合理，未能有效排水导致网架积水超载。结构形式和钢材厚度（格构式；广东某国际展览中心包括展厅、会议中心和一栋16层的酒店，总建筑面积42000m2。主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件我国采用夏比V型缺口试件2、焊接承重结构的钢材，一般应具有fu、fy、δ，P、S再加C和冷弯试验的合格保证。现代海洋钢结构如移动式钻井平台，特别是固定式桩基平台，在恶劣的海洋环境中受风浪和海流的长期反复作用和冲击振动；五、冲击韧性冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力衡量冲击韧性的指标：冲击功

韧性是钢材强度和塑性的综合指标

梅氏U型缺口试件:冲击试验的标准试件型式夏比V型缺口试件:我国采用夏比V型缺口试件冲击韧性受温度的影响第12页，共38页。六、可焊性

可焊性指采用一般焊接工艺就可完成合格的焊缝的性能

可焊性受化学成分的影响比较大碳当量：衡量低合金钢的可焊性的计算<0.38焊接性能一般=0.38~0.45焊接性能较难>0.45焊接性能难第13页，共38页。小结钢材的五项主要机械性能指标屈服点fy——抗拉强度fu——衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的指标。钢材的强度极限，仅作为安全储备。伸长率δ5——冷弯性能

——冲击韧性

——衡量钢材塑性变形能力的重要指标。衡量钢材塑性性能和冶金质量的综合指标。衡量钢材在动荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标。第14页，共38页。一、化学成分2.2影响钢材性能的因素普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%普通低合金钢中有＜5%的合金元素碳（C）：钢材强度的主要来源，但是随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般控制在0.12％～0.2%，在0.2％以下时，可焊性良好硫（S）：热脆性，不得超过0.05%磷（P）：冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%第15页，共38页。锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点为1600℃，可以消除一部分S的有害作用。硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。氧（O）：有害杂质，效果同S。氮（N）：有害杂质，效果同P。第16页，共38页。二、冶金缺陷常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹等。偏析——化学成分分布的不均匀程度。三、加荷速度1．材性试验要求缓慢加载2．要考虑动荷载对结构的不利影响加荷速度高，钢材屈服点提高，呈脆性。因此，第17页，共38页。四、钢材硬化冷作硬化—当加载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称“应变硬化”应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。

时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。第18页，共38页。五、温度的影响1.正温范围

100℃以内对钢材性能无影响；

100℃以上随温度升高，总的趋势是强度、弹性模量降低，

塑性增大

250℃左右抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增加——蓝脆现象。该温度区段称为“蓝脆区”。

250～350℃ 在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续形——徐变现象。

600℃左右

弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。第19页，共38页。2.负温范围当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加。T1～T2之间温度转变脆性区，冲击功急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。使用温度必须高于T1，但不一定高于T2第20页，共38页。六、应力集中的影响构造缺陷：构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变等应力集中：由于构造缺陷，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力。应力集中的危害：塑性降低，脆性增加

构造设计时应避免截面突变和尖锐角的情况七、厚度的影响随着厚度的增加，钢材的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度均下降第21页，共38页。八、复杂应力作用下钢材的屈服条件假定：1.材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；2.当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。弹性状态塑性状态平面应力状态梁的应力状态纯剪应力状态第22页，共38页。

较高的强度

足够的变形能力，塑性、韧性好

良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。对需要验算疲劳的非焊接结构的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。规范推荐的钢种为Q235、Q345、Q390、Q4202.4建筑钢材的规格和选用一、钢结构对材料的要求第23页，共38页。二、钢的种类1.碳素结构钢牌号第24页，共38页。表示方法第25页，共38页。2.低合金钢牌号第26页，共38页。表示方法第27页，共38页。三、钢材的选择1.基本原则结构安全可靠满足使用要求经济合理2.考虑结构特点结构的类型及重要性（重要、一般、次要）荷载的性质（动载、静载）连接方法（焊接、非焊接）结构的工作温度（低温、一般）结构的受力性质（拉、压、弯）结构形式和钢材厚度（格构式；厚板）第28页，共38页。1、非焊接承重结构的钢材，应具有fu、fy、δ，P、S的合格保证。钢材选择建议2、焊接承重结构的钢材，一般应具有fu、fy、δ，P、S再加C和冷弯试验的合格保证。3、Q235A钢只宜用于承受静荷载或不直接受动荷载的非焊接结构；当用于焊接结构时，应限制C含量不超过0.2%，并对冷弯性能提出要求。第29页，共38页。

4、对于需要验算疲劳的焊接结构和起重量大于等于50t的中级工作制吊车梁，除上述要求外，尚应具有常温冲击韧性的合格保证:

当结构工作温度等于或低于0℃但高于－20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格的保证；Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。

当结构工作温度等于或低于－20℃时，Q235钢和Q345钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证；Q390和Q420钢应具有－40℃冲击韧性的合格保证。

第30页，共38页。5、对于需要验算疲劳的非焊接结构和起重量大于等于50t的中级工作制吊车梁，亦应具有常温冲击韧性的合格保证:当结构工作温度等于或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。6、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。

第31页，共38页。钢结构所用钢材主要有：热轧钢板、热轧型钢、冷轧薄钢板、冷弯薄壁型钢（一）、钢板

（—厚×宽×长或—厚×宽）薄钢板：厚度0.35~4mm，宽度500~1800mm，长度0.4~6m;用于制作冷弯薄壁型钢厚钢板：厚度4.5~60mm，宽度700~3000mm，长度4~12m;用做大型实腹式梁柱翼缘、腹板特厚钢：厚度＞60mm，宽度600~3800mm，长度4~9m;用做高层钢结构箱形柱扁钢：厚度4~60mm，宽度12~200mm，长度3~9m

焊接组合梁柱翼缘板，各种连接板、加劲肋等

四、钢材的规格第32页，共38页。另外，网架建成后多次发现积水现象，事故现场两排水口表面均有堵塞。主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件衡量塑性性能的指标：伸长率2影响钢材性能的因素海油田平台倾覆

1980年3月27日，北海爱科菲斯科油田的A.600℃左右 弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。冷作硬化—当加载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称“应变硬化”衡量钢材塑性性能和冶金质量的综合指标。衡量冲击韧性的指标：冲击功冷弯性能是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。冷弯性能是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性t1×翼缘t2”时效硬化——随时