建筑结构-项目10 选用建筑钢结构材料

高职高专建筑工程技术专业建筑结构BuildingStructure——项目化教学配套课件——混凝土结构·砌体结构·钢结构建筑结构教材编写组

项目10选用建筑钢结构材料

建筑用钢种类·力学性能·钢材选用

目录CONTENTS

10.1建筑钢结构用钢材碳素结构钢·低合金高强度结构钢·耐大气腐蚀用钢（耐候钢）·建筑钢材的规格

10.2钢材的力学性能应力-应变曲线·塑性·冷弯性能·冲击韧性·可焊性

建筑结构·项目10选用建筑钢结构材料学习目标与工程导入

知识目标掌握钢材的主要力学性能以及钢材的破坏形式；熟悉建筑钢结构钢材的选用。

能力目标能够判别建筑钢结构用钢材的不同类型。

素养目标了解中国伟大的钢结构工程，培养民族自豪感，增强爱国自信心。国家体育场（鸟巢）钢结构工程

钢结构具有强度高、自重轻、塑性韧性好等优点，广泛应用于大跨度建筑、超高层建筑和工业厂房。正确选用钢材是钢结构安全设计的基础。课程思政·大国工匠钢结构工程与大国工匠北京国家体育场"鸟巢"从2008年北京夏季奥运会到2022年北京冬季奥运会，鸟巢作为钢结构工程的典型代表，见证了"两个奥运"的辉煌历史，体现了我国的综合国力和科技创新能力。工程数据•24根桁架柱托起世界最大屋顶结构•建筑顶面长轴332.3m，短轴296.4m•最高点68.5m，最低点42.8m，柱距37.96m•国内首次使用Q460规格钢材，钢板厚110mm工匠精神：Q460钢材以前一直依赖进口，厚度国家标准最大仅100mm。为了鸟巢，中国工程师和工人自主研发出110mm厚的Q460钢材，用智慧和双手把钢铁鸟巢从虚拟概念变为现实。这是建筑业的壮举，更是大国工匠精神的体现。

10.1

建筑钢结构用钢材碳素结构钢·低合金高强度结构钢·耐候钢·建筑钢材规格

建筑结构·10.1建筑钢结构用钢材3碳素结构钢

10.1.1碳素结构钢（GB/T700-2006）一、按碳质量分数分类低碳钢（0.03%~0.25%）：建筑钢结构主要使用低碳钢，塑性和焊接性能好中碳钢（0.25%~0.60%）：强度较高，塑性和焊接性下降，常用于机械零件高碳钢（0.60%~2.00%）：强度硬度高，塑性差，常用于弹簧、工具二、普通碳素结构钢牌号：Q195、Q215、Q235、Q275三、牌号组成：Q（屈服强度）+数值+A/B/C/D（质量等级）+F/Z/TZ（脱氧方法）F—沸腾钢，Z—镇静钢，TZ—特殊镇静钢四、Q235钢是建筑钢结构中最常用的碳素结构钢，质量等级有A、B、C、D四级

建筑结构·10.1建筑钢结构用钢材4低合金高强度结构钢

10.1.2低合金高强度结构钢（GB/T1591-2018）一、定义与特点在炼钢过程中添加合金元素（总质量分数不超过5%），如Mn、Si、V、Nb、Ti等，使强度明显提高使构件的强度、刚度、稳定性充分发挥，一般可比碳素结构钢节约20%左右的用钢量二、牌号：Q355、Q390、Q420g、Q460g三、质量等级：B、C、D、E、F（F级为耐候钢）四、适用范围：尤其适用于大跨度或重负载结构，如大跨度桥梁、高层建筑、重型厂房五、Q355钢是目前建筑钢结构中应用最广泛的低合金高强度结构钢

建筑结构·10.1建筑钢结构用钢材6优质碳素结构钢

牌号表示方法（GB/T699-2015）优质碳素结构钢牌号用两位数字表示，代表钢中平均碳质量分数的万分之几。例如：45钢表示平均碳质量分数为0.45%的优质碳素结构钢；08F表示碳质量分数0.08%的沸腾钢。牌号末尾加F为沸腾钢，不加为镇静钢。

性能特点优质碳素结构钢是以满足不同加工要求而赋予相应性能的碳素钢，硫、磷等有害杂质含量低于普通碳素结构钢。低碳优质钢（如08F、10钢）塑性、韧性好，易于冲压和焊接；中碳优质钢（如35钢、45钢）强度较高，可经热处理调质提高综合力学性能。

建筑用牌号与用途

《优质碳素结构钢》（GB/T699-2015）中适于建筑钢结构使用的牌号：Q195、Q215A/B、Q235A/B/C/D、Q275。45钢常用于制作螺栓、螺母、销轴等连接件；35钢可用于高强度螺栓（8.8级）母材。

提示：普通碳素钢vs优质碳素钢普通碳素结构钢以"Q+屈服强度"表示（如Q235），侧重结构承力；优质碳素结构钢以碳含量数字表示（如45钢），侧重加工性能与热处理适应性，常用于机械零件和连接件。

建筑结构·10.1建筑钢结构用钢材5耐大气腐蚀用钢（耐候钢）

10.1.3耐大气腐蚀用钢（耐候钢）一、定义与原理在普通碳素钢中加入Cu、P、Cr、Ni等合金元素，在金属基体表面形成致密的保护层，提高耐大气腐蚀性能耐候钢表面会逐渐形成稳定的锈红色氧化膜，阻止进一步腐蚀，又称"考顿钢"二、高耐候结构钢（GB/T4171-2008）牌号：Q265GNH、Q295GNH、Q310GNH、Q355GNH适用于车辆、集装箱、建筑、塔架等外露结构三、焊接结构用耐候钢牌号：Q235NH~Q550NH共7种牌号适用厚度可达100mm，具有良好的焊接性能四、应用：桥梁、建筑外立面、景观构筑物等，可减少涂装维护成本

建筑结构·10.1建筑钢结构用钢材6建筑钢材的规格

10.1.4建筑钢材的规格一、热轧钢板和型钢厚钢板/薄钢板：规格表示为宽×厚×长（mm）工字钢：普通工字钢、轻型工字钢H型钢：HW宽翼缘、HM中翼缘、HN窄翼缘三类槽钢：普通槽钢、轻型槽钢角钢：等边角钢、不等边角钢钢管：无缝钢管、焊接钢管二、冷弯薄壁型钢由薄钢板冷轧制成，壁厚1.5~12mm承重结构壁厚不宜小于2mm充分利用钢材强度，广泛用于轻钢结构檩条、墙梁

10.2

钢材的力学性能应力-应变曲线·塑性·冷弯性能·冲击韧性·可焊性

建筑结构·10.2钢材的力学性能5钢材的应力-应变（σ-ε）曲线

①弹性阶段（OAB段）：OA段符合胡克定律，A点为比例极限fp，B点为弹性极限fe，卸载后变形完全恢复。弹性模量E为曲线斜率。

②屈服阶段（BCD段）：应力几乎不变而应变急剧增大，产生明显塑性变形。下屈服点即屈服极限fy，是静力强度的承载力极限。

③强化阶段（DE段）：材料恢复抵抗变形能力，最高点E为抗拉强度fu。高强度钢无明显屈服点，取残余应变0.2%对应应力为条件屈服强度。

④颈缩阶段（EF段）：截面出现横向收缩，颈缩现象，应力降低变形持续，至F点断裂。屈强比fy/fu越低，安全储备越大。图10-2钢材的σ-ε曲线图10-3理想的弹塑性体

建筑结构·10.2钢材的力学性能6钢材的塑性

塑性是指钢材破坏前产生塑性变形的能力。δ、ψ值越大，钢材的塑性越好。塑性好的钢材在破坏前有明显预兆，可避免脆性破坏，提高结构安全度。

1.伸长率δ（公式10-1）l₀—试件原标距l₁—拉断后标距

2.断面收缩率ψ（公式10-2）A₀—试件原断面面积A₁—拉断后颈缩区面积钢材拉伸试验

工程意义塑性好的钢材在破坏前有明显变形预兆，可避免突发性脆性破坏；同时便于加工成型，是钢结构安全可靠的重要保障。

建筑结构·10.2钢材的力学性能9钢材的冷弯性能

10.2.3钢材的冷弯性能一、定义冷弯性能是指钢材在冷加工（常温下加工）中产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力是衡量钢材塑性和加工性能的重要指标二、冷弯试验检验方法将试件按规定的弯心直径弯曲至180°检查弯曲部分的外面、里面和侧面如无裂纹、断裂或分层，则冷弯性能合格三、工程意义检验钢材适应冷加工工艺的能力暴露钢材内部缺陷（如夹层、非金属夹杂）是鉴定钢材塑性和可焊性的综合指标

建筑结构·10.2钢材的力学性能10钢材的冲击韧性

10.2.4钢材的冲击韧性一、定义韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力冲击韧性是衡量钢材抗冲击荷载能力的重要指标二、试验方法采用10×10×55mm夏氏V形缺口试件进行摆锤冲击试验，测定冲击功Ak（单位：J）冲击韧性值ak=Ak/An（An为缺口净截面面积）三、影响因素温度：低温下冲击韧性显著下降，存在脆性转变温度化学成分：碳、磷含量增加会降低冲击韧性冶金质量：夹杂物、偏析会降低冲击韧性四、工程意义：是判断冲击荷载下脆性破坏的主要指标

建筑结构·10.2钢材的力学性能12钢材的疲劳强度

疲劳破坏的概念钢材在循环荷载（重复荷载）作用下，经过一定次数循环后，在应力远低于抗拉强度甚至低于屈服强度的情况下发生突然断裂的现象，称为疲劳破坏。疲劳破坏属于脆性断裂，破坏前无明显塑性变形，断口平整，具有突发性和危险性。

影响疲劳强度的主要因素①应力集中：孔洞、缺口、截面突变处应力集中显著降低疲劳强度②应力幅（Δσ）：应力循环中最大应力与最小应力之差，是疲劳验算的控制参数③循环次数n：循环次数越多，容许应力幅越低④连接构造与钢材厚度：焊接缺陷、厚板均不利

疲劳验算方法《钢结构设计标准》（GB50017-2017）采用容许应力幅法进行常幅疲劳验算：Δσ≤[Δσ]其中容许应力幅[Δσ]=(C/n)^(1/β)，C和β为与构件和连接类别有关的参数，n为应力循环次数。

工程提示直接承受动力荷载的结构（如起重机梁、桥梁、大跨度屋架）必须进行疲劳验算。设计中应避免截面突变、减少应力集中，采用合理的焊接构造，提高连接的疲劳性能。焊接缺陷会显著降低疲劳强度，因此焊缝质量检验至关重要。

建筑结构·10.2钢材的力学性能12钢材的可焊性

10.2.5钢材的可焊性一、定义可焊性是指在一定工艺和结构条件下，钢材经过焊接能够获得良好焊接接头的性能是衡量钢材焊接加工性能的重要指标二、分类施工可焊性：焊接构件对产生裂纹的敏感性使用性能可焊性：焊接后力学性能是否低于母材三、可焊性良好的标准焊缝金属及热影响区不产生裂纹焊接接头的机械性能不低于母材四、影响因素碳当量：碳当量越高，可焊性越差合金元素：Cr、Mo、V等增加淬硬倾向焊接工艺：预热、后热可改善可焊性五、工程意义：焊接是钢结构最主要的连接方式

建筑结构·10.2钢材的力学性能13全章知识体系总结

项目10知识体系总结10.1建筑用钢碳素结构钢：Q195~Q275，Q235最常用低合金高强度钢：Q355最常用，节约20%用钢量耐候钢：高耐候结构钢、焊接结构用耐候钢钢材规格：钢板、H型钢、工字钢、槽钢、角钢、钢管10.2力学性能应力-应变曲线：弹性、屈服、强化、颈缩四阶段强度指标：屈服强度fy、抗拉强度fu、屈强比塑性指标：伸长率δ、断面收缩率ψ冷弯性能：常温加工抗裂能力冲击韧性：抗冲击荷载能力，低温脆性可焊性：焊接获得良好接头的能力核心：正确选用钢材是钢结构安全设计的基础

建筑结构·10.2钢材的力学性能14钢材的Z向性能（厚度方向性能）

层状撕裂的概念钢材在轧制过程中形成层状组织，沿厚度方向（Z向）的力学性能最差，尤其是塑性和韧性。在厚板焊接节点中，焊缝收缩产生沿厚度方向的拉应力，当应力超过钢材Z向塑性极限时，会产生沿轧制方向的阶梯状裂纹，称为层状撕裂。层状撕裂具有延迟开裂特征，常在焊接后数小时甚至数天出现，难以发现和修复。

Z向钢牌号（GB/T5313-2010）Z向性能以厚度方向拉伸试验的断面收缩率ψz作为评定指标，分为三个等级：Z15：ψz≥15%Z25：ψz≥25%Z35：ψz≥35%牌号表示如Q345B-Z15，即在原钢材牌号后加Z向等级。

适用场景与工程措施

适用场景：•厚度≥40mm的厚板焊接节点•承受沿厚度方向拉应力的全熔透对接焊缝•高层建筑箱形柱、大跨度桁架节点、重型厂房柱脚等•抗震设防烈度较高地区的重要焊接节点

预防层状撕裂的措施①选用Z向性能钢（Z15/Z25/Z35），降低硫含量（≤0.01%）②优化节点构造，避免厚板单侧受焊③采用合理焊接顺序，减小焊接残余应力④必要时采用预热、后热等工艺措施

建筑结构·项目10选用建筑钢结构材料9思考与练习

10-1什么叫屈强比？为什么要规定钢材的屈强比？

10-2普通碳素结构钢的牌号如何表示？建筑钢材型钢样品

课后请认真完成这两道思考题，覆盖屈强比概念和碳素钢牌号表示两个核心知识点。下节课我们将进行讲解和答疑。建筑结构·项目10选用建筑钢结构材料10思考与练习·参考答案10-1什么叫屈强比？为什么要规定钢材的屈强比？屈强比是钢材的屈服强度（fy）与抗拉强度（fu）的比值，即屈强比=fy/fu。规定屈强比的原因：①屈强比越小，钢材超过屈服点后还有较大的强度储备，结构安全度越高；②屈强比过小，钢材强度利用率越低，不经济；③屈强比过大，钢材屈服后很快达到抗拉强度，安全储备小；④建筑结构用钢的屈强比一般要求不大于0.85，以保证结构有足够的安全储备。10-2普通碳素结构钢