常見問題解答第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料

1、第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料1用作鋼結(jié)構(gòu)的鋼材必須符合哪些要求？答：用作鋼結(jié)構(gòu)的鋼材必須符合下列要求：（1）較高的抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)。是衡量結(jié)構(gòu)承載能力的指標(biāo)，高則可減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約鋼材和降低造價。是衡量鋼材經(jīng)過較大變形后的抗拉能力，直接反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣，同時高可以增加結(jié)構(gòu)的安全保障。（2）較高的塑性和韌性 塑性和韌性好，結(jié)構(gòu)在靜載和動載作用下有足夠的應(yīng)變能力，既可減輕結(jié)構(gòu)脆性破壞的傾向，又能通過較大的塑性變形調(diào)整局部應(yīng)力，同時又具有較好的抵抗重復(fù)荷載作用的能力。 （3）良好的工藝性能（冷加工、熱加工和可焊性） 良好的工藝性能不但要易于加工成各種形式的結(jié)構(gòu)，而且不致因加工而對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、塑性和韌性

2、等造成較大的不利影響。 此外，根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體工作條件，有時還要求鋼材具有適應(yīng)低溫、高溫和腐蝕性環(huán)境的能力。 2鋼材具有哪兩種性質(zhì)完全不同的破壞形式？其發(fā)生的條件和破壞特點(diǎn)如何？答：鋼材具有兩種性質(zhì)完全不同的破壞形式，即塑性破壞和脆性破壞。塑性破壞是由于變形過大，超過了材料或構(gòu)件可能的變形能力而產(chǎn)生的，僅在構(gòu)件的應(yīng)力達(dá)到了鋼材的抗拉強(qiáng)度后才發(fā)生。塑性破壞前，總有較大的塑性變形發(fā)生，且變形持續(xù)的時間較長，很容易及時發(fā)現(xiàn)而采取措施予以補(bǔ)救，不致引起嚴(yán)重后果。脆性破壞前塑性變形很小，甚至沒有塑性變形，計算應(yīng)力可能小于鋼材的屈服點(diǎn)，斷裂從應(yīng)力集中處開始。由于脆性破壞前沒有明顯的預(yù)兆，無法及時覺察和采取補(bǔ)

3、救措施，而且個別構(gòu)件的斷裂常引起整個結(jié)構(gòu)塌毀。在設(shè)計、施工和使用鋼結(jié)構(gòu)時，要特別注意防止出現(xiàn)脆性破壞3鋼材的主要性能如何？答：鋼材的主要性能：（1）強(qiáng)度性能鋼材標(biāo)準(zhǔn)試件在常溫靜載情況下，單向均勻受拉試驗時的荷載變形曲線或應(yīng)力應(yīng)變（）曲線，由此曲線可獲得許多有關(guān)鋼材性能的信息(圖2-1和圖2-2)。圖2-1 碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線 圖2-2 理想的彈塑性體應(yīng)力應(yīng)變曲線比例極限：曲線的OP段為直線，表示鋼材具有完全彈性性質(zhì)，P點(diǎn)應(yīng)力稱為比例極限。屈服點(diǎn)：隨著荷載的增加，曲線出現(xiàn)ES段，這時表現(xiàn)為非彈性性質(zhì)，此段上限S點(diǎn)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)。高強(qiáng)度鋼沒有明顯的屈服點(diǎn)和屈服臺階。這類鋼的屈服條件是根據(jù)試

4、驗分析結(jié)果而人為規(guī)定的，故稱為條件屈服點(diǎn)（或屈服強(qiáng)度）。條件屈服點(diǎn)是以卸荷后試件中殘余應(yīng)變?yōu)?.2所對應(yīng)的應(yīng)力定義的?？估瓘?qiáng)度或極限強(qiáng)度：超過屈服臺階，材料出現(xiàn)應(yīng)變硬化，曲線上升，直至曲線最高處的B點(diǎn)，這點(diǎn)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度或極限強(qiáng)度。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到B點(diǎn)時，試件發(fā)生頸縮現(xiàn)象，至D點(diǎn)而斷裂。當(dāng)以屈服點(diǎn)的應(yīng)力作為強(qiáng)度限值時，抗拉強(qiáng)度成為材料的強(qiáng)度儲備。（2）塑性性能伸長率：試件被拉斷時的絕對變形值與試件原標(biāo)距之比的百分?jǐn)?shù)，稱為伸長率。伸長率代表材料在單向拉伸時的塑性應(yīng)變的能力。（3）冷彎性能冷彎性能由冷彎試驗來確定。試驗時按照規(guī)定的彎心直徑使試件彎成l80°，如試件外表面不出現(xiàn)裂紋和分層，即

5、為合格。冷彎性能合格是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下的塑性應(yīng)變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標(biāo)。（4）沖擊韌性韌性是鋼材強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。通常是鋼材強(qiáng)度提高、韌性降低則表示鋼材趨于脆性。由于低溫對鋼材的脆性破壞有顯著影響，在寒冷地區(qū)建造的結(jié)構(gòu)不但要求鋼材具有常溫（20）沖擊韌性指標(biāo)，還要求具有0和負(fù)溫（-20或-40）沖擊韌性指標(biāo)，以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗脆性破壞能力。46種因素對鋼材主要性能有哪些影響？基本概念：熱脆、冷脆；冷作硬化、時效硬化；藍(lán)脆現(xiàn)象、徐變現(xiàn)象、低溫冷脆；應(yīng)力集中現(xiàn)象、鋼材的疲勞。答：6種因素對鋼材主要性能的影響：（1）化學(xué)成分鋼是由各種化學(xué)成分組成的，化學(xué)成分及其含量對鋼的性能（特別是力

6、學(xué)性能）有著重要的影響，鐵（Fe）是鋼材的基本元素，在碳素結(jié)構(gòu)鋼中約占99，碳和其他元素僅占1，但對鋼材的力學(xué)性能卻有著決定性的影響。其他元素包括硅（Si）、錳（Mn）、硫（S）、磷（P）、氮（N）、氧（O）等。低合金鋼中還含有少量（低于5）合金元素，如銅（Cu）、釩（V）、鈦（Ti）、鈮（Nb）、鉻（Cr）等。在碳素結(jié)構(gòu)鋼中，碳直接影響鋼材的強(qiáng)度、塑性、韌性和可焊性等。碳含量增加，強(qiáng)度提高，而塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度下降，同時惡化鋼的可焊性和抗腐蝕性。因此，對含碳量要加以限制，一般不應(yīng)超過0.22，在焊接結(jié)構(gòu)中還應(yīng)低于0.20。硫和磷是鋼中的有害成分，它們降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度。

7、在高溫時，硫使鋼變脆，稱之熱脆；在低溫時，磷使鋼變脆，稱之冷脆。一般含量應(yīng)不超過0.0045。氧和氮都是鋼中的有害雜質(zhì)。氧的作用使鋼熱脆；氮的作用使鋼冷脆。由于氧、氮容易在熔煉過程中逐出，一般不會超過極限含量，故通常不要求作含量分析。硅和錳是鋼中的有益元素，它們都是煉鋼的脫氧劑。它們使鋼材的強(qiáng)度提高，含量不過高時，對塑性和韌性無顯著的不良影響。（2）冶金缺陷常見的冶金缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋及分層等。偏析是鋼中化學(xué)成分不一致和不均勻性。非金屬夾雜是鋼中含有硫化物與氧化物等雜質(zhì)。氣孔是澆注鋼錠時，由氧化鐵與碳作用所生成的一氧化碳?xì)怏w不能充分逸出而形成的。澆注時的非金屬夾雜物在軋制后能造

8、成鋼材的分層，會嚴(yán)重降低鋼材的冷彎性能。（3）鋼材硬化冷加工使鋼材產(chǎn)生很大塑性變形，提高了鋼的屈服點(diǎn)，但降低了鋼的塑性和韌性，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化（或應(yīng)變硬化）。在高溫時熔化于鐵中的少量碳和氮，隨著時間的增長逐漸從純鐵中析出，形成自由碳化物和氮化物，對純鐵的塑性變形起遏制作用，從而使鋼材的強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降。這種現(xiàn)象稱為時效硬化，俗稱老化。在一般鋼結(jié)構(gòu)中，不利用硬化所提高的強(qiáng)度。（4）溫度影響鋼材性能隨溫度變動而有所變化?？偟内厔菔牵簻囟壬?，鋼材強(qiáng)度降低，應(yīng)變增大；反之，溫度降低，鋼材強(qiáng)度會略有增加，塑性和韌性卻會降低而變脆。在200以內(nèi)鋼材性能沒有很大變化，430540之間強(qiáng)度急劇下

9、降，600時強(qiáng)度很低不能承擔(dān)荷載。但在250左右，鋼材的強(qiáng)度反而略有提高，同時塑性和韌性均下降，材料有轉(zhuǎn)脆的傾向，鋼材表面氧化膜呈現(xiàn)藍(lán)色，稱為藍(lán)脆現(xiàn)象。鋼材應(yīng)避免在藍(lán)脆溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱加工。當(dāng)溫度在260320時，在應(yīng)力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形，此種現(xiàn)象稱為徐變現(xiàn)象。當(dāng)溫度從常溫開始下降，特別是在負(fù)溫度范圍內(nèi)時，鋼材強(qiáng)度雖有提高，但其塑性和韌性降低，材料逐漸變脆，這種性質(zhì)稱為低溫冷脆。（5）應(yīng)力集中在鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件中有時存在著孔洞、槽口、凹角、截面突然改變以及鋼材內(nèi)部缺陷等。此時，構(gòu)件中的應(yīng)力在某些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，在另外一些區(qū)域則應(yīng)力降低，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。研究表明，在

10、應(yīng)力高峰區(qū)域總是存在著同號的雙向或三向應(yīng)力，使材料處于復(fù)雜受力狀態(tài)，同號的平面或立體應(yīng)力場有使鋼材變脆的趨勢。但由于建筑鋼材塑性較好，在一定程度上能促使應(yīng)力進(jìn)行重分配，使應(yīng)力分布嚴(yán)重不均的現(xiàn)象趨于平緩。故受靜力荷載作用的構(gòu)件在常溫下工作時，在計算中可不考慮應(yīng)力集中的影響。但在負(fù)溫下或動力荷載作用下工作的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中的不利影響將十分突出，往往是引起脆性破壞的根源，故在設(shè)計中應(yīng)采取措施避免或減小應(yīng)力集中，并選用質(zhì)量優(yōu)良的鋼材。（6）反復(fù)荷載作用鋼材在反復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的抗力及性能都會發(fā)生重要變化，甚至發(fā)生疲勞破壞。根據(jù)試驗，在直接的連續(xù)反復(fù)的動力荷載作用下，鋼材的強(qiáng)度將降低，即低于一次靜力荷載

11、作用下的拉伸試驗的極限強(qiáng)度，這種現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞。疲勞破壞表現(xiàn)為突發(fā)的脆性斷裂。5鋼材疲勞破壞的機(jī)理是什么？影響鋼材疲勞強(qiáng)度的主要因素是什么？通常鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞屬什么情況？答：鋼材疲勞破壞的機(jī)理：材料總是有“缺陷”的，在反復(fù)荷載作用下，先在其缺陷處生成一些極小的裂痕，此后這種微觀裂痕逐漸發(fā)展成宏觀裂紋，試件截面削弱，而在裂紋根部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使材料處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，塑性變形受到限制，當(dāng)反復(fù)荷載達(dá)到一定的循環(huán)次數(shù)時，材料終于破壞，并表現(xiàn)為突然的脆性斷裂。鋼材的疲勞強(qiáng)度取決于應(yīng)力集中和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。通常鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞屬高周低應(yīng)變疲勞，即總應(yīng)變幅小，破壞前荷載循環(huán)次數(shù)多。規(guī)范規(guī)定，循環(huán)

12、次數(shù)N105，應(yīng)進(jìn)行疲勞計算。6鋼按用途、冶煉方法、脫氧方法和化學(xué)成分是如何分類的？答：鋼的分類：按用途，可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊鋼。結(jié)構(gòu)鋼又分為建筑用鋼和機(jī)械用鋼。按冶煉方法，可分為轉(zhuǎn)爐鋼和平爐鋼。轉(zhuǎn)爐鋼主要采用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐鋼。平爐鋼質(zhì)量好，但冶煉時間長，成本高。氧氣轉(zhuǎn)爐鋼質(zhì)量與平爐鋼相當(dāng)?shù)杀据^低。按脫氧方法，可分為沸騰鋼（F）、半鎮(zhèn)靜鋼（b）、鎮(zhèn)靜鋼（Z）和特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ），鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的代號可以省去。鎮(zhèn)靜鋼脫氧充分，沸騰鋼脫氧較差，半鎮(zhèn)靜鋼介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間。一般采用鎮(zhèn)靜鋼。按化學(xué)成分，鋼可分為碳素鋼和合金鋼。在建筑工程中采用的是碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)

13、構(gòu)鋼以及高強(qiáng)鋼絲和鋼索。7碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是如何分級的？鋼的牌號是如何表示的？答：（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼按質(zhì)量等級分為A、B、C、D四級，A級鋼只保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、伸長率，必要時尚可附加冷彎試驗的要求，化學(xué)成分碳、錳可以不作為交貨條件。B、C、D鋼保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、伸長率、冷彎和沖擊韌性（分別為20，0，20）等力學(xué)性能，化學(xué)成分碳、硫、磷的極限含量。鋼的牌號由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級符號（A、B、C、D）、脫氧方法符號四個部分按順序組成。根據(jù)鋼材厚度（直徑）l6mm時的屈服點(diǎn)數(shù)值，分為Q195、Q2l5、Q235、Q255、Q275，鋼結(jié)構(gòu)一般僅用Q235，鋼

14、的牌號根據(jù)需要可為Q235A；Q235B；Q235C；Q235D等。冶煉方法一般由供方自行決定，設(shè)計者不再另行提出，如需方有特殊要求時可在合同中加以注明。（2）低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼采用與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同的牌號表示方法，仍然根據(jù)鋼材厚度（直徑）l6mm時的屈服點(diǎn)大小，分為Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。鋼的質(zhì)量等級有A、B、C、D、E五個等級，E級要求40的沖擊韌性。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼一般為鎮(zhèn)靜鋼，鋼的牌號中不注明脫氧方法。冶煉方法也由供方自行選擇。A級鋼應(yīng)進(jìn)行冷彎試驗，其他質(zhì)量級別鋼，如供方能保證彎曲試驗結(jié)果符合規(guī)定要求，可不作檢驗。8選擇鋼材時應(yīng)考慮哪些因素？答：選擇鋼材時考慮

15、的因素有：（1）結(jié)構(gòu)的重要性重型工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、高層或超高層的民用建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)筑物等重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮選用質(zhì)量好的鋼材，對一般工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)，可按工作性質(zhì)分別選用普通質(zhì)量的鋼材。（2）荷載情況 直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)烈地震區(qū)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用綜合性能好的鋼材；一般承受靜力荷載的結(jié)構(gòu)則可選用價格較低的Q235鋼。（3）連接方法 焊接過程會產(chǎn)生焊接變形、焊接應(yīng)力以及其他焊接缺陷，存在導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或脆性斷裂的危險。因此，焊接結(jié)構(gòu)對材質(zhì)的要求應(yīng)嚴(yán)格一些。（4）結(jié)構(gòu)所處的溫度和環(huán)境 鋼材處于低溫時容易冷脆，因此在低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)，尤其是焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用具有良好抗低溫脆斷性能的鎮(zhèn)靜鋼。

16、此外，露天結(jié)構(gòu)的鋼材容易產(chǎn)生時效，有害介質(zhì)作用的鋼材容易腐蝕、疲勞和斷裂，也應(yīng)加以區(qū)別地選擇不同材質(zhì)。（5）鋼材厚度 薄鋼材輥軋次數(shù)多，軋制的壓縮比大，厚度大的鋼材壓縮比小，所以厚度大的鋼材不但強(qiáng)度較小，而且塑性、沖擊韌性和焊接性能也較差。因此，厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用材質(zhì)較好的鋼材。9鋼結(jié)構(gòu)采用的型材規(guī)格有哪些？答：鋼材的規(guī)格鋼結(jié)構(gòu)采用的型材有熱軋成型的鋼板和型鋼以及冷彎（或冷壓）成型的薄壁型鋼。熱軋鋼板有厚鋼板（4.560mm）、薄鋼板（0.354mm）和扁鋼（厚度為460mm，寬度為30200mm）。熱軋型鋼有角鋼、工字鋼、槽鋼和鋼管（圖2.15）。角鋼分等邊和不等邊兩種。工字鋼有普通工字

17、鋼、輕型工字鋼和H型鋼。普通工字鋼和輕型工字鋼用號數(shù)表示，號數(shù)即為其截面高度的厘米數(shù)。20號以上的工字鋼，同一號數(shù)有三種腹板厚度分別為a、b、c三類，a類腹板較薄。輕型工字鋼的腹板和翼緣均較普通工字鋼薄。H型鋼與普通工字鋼相比，其翼緣內(nèi)外兩側(cè)平行，便于與其他構(gòu)件相連。各種H型鋼均可剖分為T型鋼。槽鋼有普通槽鋼和輕型槽鋼兩種，也以其截面高度的厘米數(shù)編號。鋼管有無縫鋼管和焊接鋼管兩種。薄壁型鋼是用薄鋼板（一般采用Q235或Q345鋼）經(jīng)模壓或彎曲而制成，其壁厚一般為1.55mm。有防銹涂層的彩色壓型鋼板，所用鋼板厚度為0.41.6mm，用作輕型屋面及墻面等構(gòu)件。10什么情況下會產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中對鋼材材性能有何影響？答：實際的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件有時存在著孔洞、槽口、凹角、截面突然改變以及鋼材內(nèi)部缺陷等。此時，構(gòu)件中的應(yīng)力分布將不再保持均勻，產(chǎn)生應(yīng)力集中。在負(fù)溫或動力荷載作用下，應(yīng)力集中的不利影響將十分突出，往往是