第2章鋼結(jié)構(gòu)的材料

鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求鋼材的主要性能鋼材的種類和規(guī)格影響鋼材性能的因素鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)用鋼材的選擇2.1鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求較高的強(qiáng)度屈服強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度足夠的變形能力塑性和韌性塑性破壞脆性破壞斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗，有較大塑性變形，變形持續(xù)時(shí)間長斷口平直，呈光澤的晶粒狀，無預(yù)兆設(shè)計(jì)、施工、使用中應(yīng)加以防止較高的強(qiáng)度屈服強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度足夠的變形能力良好的加工性能塑性和韌性冷加工、熱加工、可焊性有時(shí)需具有適應(yīng)低溫、腐蝕性環(huán)境和疲勞荷載作用的能力2.1鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求按用途結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特殊用鋼按化學(xué)成分碳素鋼合金鋼按冶煉方法平爐鋼轉(zhuǎn)爐鋼電爐鋼按脫氧方法沸騰鋼半鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼2.2.1

鋼材的種類碳素結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼2.2鋼材的種類和規(guī)格A，B，C，D碳素結(jié)構(gòu)鋼A：無沖擊功規(guī)定；B：20℃，沖擊功=27J(縱向)；C：0℃，沖擊功=27J(縱向)；D：-20℃，沖擊功：27J(縱向)；Q195、Q215、Q235、Q255、Q275數(shù)字代表鋼材厚度≤16mm時(shí)的屈服強(qiáng)度2.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類鋼材的牌號Q235-AbQufu-漢語拼音屈服首字母屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值質(zhì)量等級A、B、C、D脫氧方法F、b、Z、TZQ235-C2.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類專用結(jié)構(gòu)鋼特殊用途的鋼結(jié)構(gòu)采用，其鋼號應(yīng)相應(yīng)的加上專業(yè)用途代號橋梁、高層、壓力容器、船舶q

GJ

R

CQ345q2.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類Q235GJ低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在普通碳素鋼中加入一種或幾種少量的合金元素，以提高其強(qiáng)度、耐腐性、耐磨性或低溫沖擊韌性。Q295，Q345，Q390，Q420，Q460A、B、C、D、EZTZQ390-E2.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類---在厚度方向有較好的延展性，有良好的抗層狀撕裂能力，適用于高層建筑和大跨度鋼結(jié)構(gòu)的厚鋼板結(jié)構(gòu)。Z型鋼Z15Z25

Z35厚度方向性能級別---斷面收縮率2.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類耐候鋼---耐候鋼是在低碳鋼或低合金鋼中加入合金元素冶煉成的一種耐腐蝕鋼材，在大氣作用下，表面自動生成一種致密的防腐薄膜。高耐候結(jié)構(gòu)鋼焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼2.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類鋼板、型鋼、冷彎薄壁型鋼厚鋼板：厚度為4.5～60mm，寬度為600～3000mm，長度為4～12m；薄鋼板：厚度為0.35~4mm，寬度為500～1500mm，長度為0.5~4m；扁鋼板：厚度為4~60mm，寬度為12～200mm，長度為3～9m。

熱軋鋼板鋼板的表示方法：－厚×寬×長（單位mm）－12×800×21002.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.2

鋼材的規(guī)格厚鋼板---用作梁、柱、實(shí)腹式框架等構(gòu)件的腹板和翼緣，以及桁架中的節(jié)點(diǎn)板等。薄鋼板---主要用來制造冷彎薄壁型鋼扁鋼---可用作組合梁的翼緣板、各種構(gòu)件的連接板、桁架節(jié)點(diǎn)板和零件等。熱軋鋼板特厚鋼板---近年來在超高層鋼結(jié)構(gòu)中，厚度大于60mm。2.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類型鋼是鋼結(jié)構(gòu)中采用的主要鋼材熱軋型鋼鋼結(jié)構(gòu)常用的型鋼是角鋼、工字鋼、H型鋼、槽鋼和鋼管2.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類角鋼等邊角鋼：∟邊長×厚度（單位mm）不等邊角鋼：∟長邊寬×短邊寬×厚度（單位mm）角鋼長度一般3～9m。2.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類如：L125X8或L125X80X8注：主要用來制作桁架等格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的桿件和支撐等連接桿件。工字鋼普通工字鋼：截面高度（單位cm）輕型工字鋼:Q截面高度（單位cm）注：宜作腹板平面內(nèi)受彎的構(gòu)件2.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類工字鋼：工+高度（cm），如工36a注：20號以上的工字鋼，按腹板厚度分為a,b兩種，a腹板較薄H型鋼寬翼緣H型鋼（HW）中翼緣H型鋼（HM）窄翼緣H型鋼（HN）表示方法：代號高度h×寬度b×腹板厚度t1×翼緣厚度t2（單位mm）hbt1t22.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類H型鋼2.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類寬翼緣H型鋼

代號HWb=h中翼緣H型鋼

代號HMb=(1/2～2/3h)窄翼緣H型鋼

代號HNb=(1/2～1/3h)補(bǔ)充，工字鋼和H型鋼的區(qū)別1.有熱軋工字鋼，也有熱軋的H型鋼。只有焊接的H型鋼，沒有焊接的工字鋼。2.工字鋼都是軋制截面，翼緣內(nèi)邊有1：10坡度。3.H型鋼的兩條外邊內(nèi)側(cè)沒有斜度，是平直的。4.H型鋼的軋機(jī)是專用軋機(jī)，與軋工字鋼的不同，H型鋼的翼緣都是等厚度的，有軋制截面，也有由3塊板焊接組成的組合截面。工字鋼都是軋制截面。

補(bǔ)充，工字鋼和H型鋼的區(qū)別5.應(yīng)用方面：

工字型鋼不論是普通型還是輕型的，由于截面尺寸均相對較高、較窄，故對截面兩個主袖的慣性矩相差較大，因此，一般僅能直接用于在其腹板平面內(nèi)受彎的構(gòu)件或?qū)⑵浣M成格構(gòu)式受力構(gòu)件。對軸心受壓構(gòu)件或在垂直于腹板平面還有彎曲的構(gòu)件均不宜采用H型鋼由于截面形狀合理，它們能使鋼材更高地發(fā)揮效能，提高承載能力。不同于普通工字型的是H型鋼的翼緣進(jìn)行了加寬，且內(nèi)、外表面通常是平行的，這樣可便于用高強(qiáng)度螺桂和其他構(gòu)件連接。其尺寸構(gòu)成合理系列，型號齊全，便于設(shè)計(jì)選用。補(bǔ)充，工字鋼和H型鋼的區(qū)別槽鋼：型號等類似于工字鋼。鋼管：無縫鋼管和焊接鋼管注：適用于網(wǎng)架、網(wǎng)殼等平面和空間格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的桿件表示方法：φ外徑×壁厚（單位mm)注：適于作檁條等雙向受彎構(gòu)件（檁條）2.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類T型鋼寬翼緣T型鋼（TW）中翼緣T型鋼（TM）窄翼緣T型鋼（TN）2.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類薄壁型鋼薄壁型鋼系用薄鋼板經(jīng)模壓或冷彎而制成，其截面形式及尺寸可按合理方案設(shè)計(jì)薄壁型鋼能充分利用鋼材的強(qiáng)度，節(jié)約鋼材，所以已在我國逐步推廣使用。薄壁型鋼的壁厚一般為1.5～6mm，但承重結(jié)構(gòu)受力的壁厚不宜小于2mm。2.2鋼材的種類和規(guī)格2.2.1

鋼材的種類壓型鋼板主要用作輕型屋面及墻面等構(gòu)件。2.3

鋼材的主要性能fy

---屈服強(qiáng)度σε(%)fufyfefp0.10.152.520BDCSEPO2.3.1

單向均勻拉伸時(shí)鋼材的性能線彈性彈性彈塑性屈服強(qiáng)化頸縮fp

---比例極限

fe

---彈性極限fu

---極限抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)鋼材強(qiáng)度的取值依據(jù)fu/fy

---強(qiáng)屈比極限強(qiáng)度安全儲備強(qiáng)度性能fy

---屈服強(qiáng)度σε(%)fufyfefp0.10.152.520BDCSEPO2.3.1

單向均勻拉伸時(shí)鋼材的性能fp

---比例極限

fe

---彈性極限fu

---極限抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度性能2.3

鋼材的主要性能鋼材在屈服點(diǎn)前接近于理想的彈性體，屈服點(diǎn)后接近于理想的塑性體，故認(rèn)為鋼材是一種理想的彈塑性材料。2.3.1

單向均勻拉伸時(shí)鋼材的性能2.3

鋼材的主要性能（2）塑性：鋼材受力屈服后能產(chǎn)生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即斷裂的性質(zhì)。l0l1①伸長率或②斷面收縮率

二者越大，塑性性能越好2.3.1

單向均勻拉伸時(shí)鋼材的性能2.3

鋼材的主要性能l0l1條件：標(biāo)準(zhǔn)試件，常溫（20℃）下緩慢加載，直到拉斷破壞，一次完成。標(biāo)準(zhǔn)試件l0/d=5，10；l0—標(biāo)距；d—直徑2.3.1

單向均勻拉伸時(shí)鋼材的性能2.3

鋼材的主要性能彈性模量泊松比剪變模量線膨脹系數(shù)質(zhì)量密度2.3.1

單向均勻拉伸時(shí)鋼材的性能2.3

鋼材的主要性能折算應(yīng)力：彈性狀態(tài)塑性狀態(tài)2.3

鋼材的主要性能2.3.2復(fù)雜應(yīng)力條件下屈服條件2.3.2復(fù)雜應(yīng)力條件下屈服條件2.3

鋼材的主要性能2.3.2復(fù)雜應(yīng)力條件下屈服條件各種常見情況的折算應(yīng)力的簡化：平面應(yīng)力純剪應(yīng)力≤fy≤fy只有正應(yīng)力和剪應(yīng)力抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的0.58倍2.3

鋼材的主要性能2.3.2復(fù)雜應(yīng)力條件下屈服條件daα=180°如圖所示將試件彎曲成規(guī)定角度后，檢查試件彎曲部分的表面和側(cè)面無裂紋、裂斷分層等現(xiàn)象即為合格。彎心直徑冷彎角度2.3

鋼材的主要性能2.3.3冷彎性能2.3

鋼材的主要性能該指標(biāo)一方面檢驗(yàn)鋼材承受規(guī)定的彎曲變形能力和塑性性能，另一方面還可檢驗(yàn)材料內(nèi)部的冶金缺陷。是一項(xiàng)衡量鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)。

焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材，均應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。2.3

鋼材的主要性能2.3.3冷彎性能

韌性是衡量鋼材強(qiáng)度、塑性及材質(zhì)的一項(xiàng)綜合指標(biāo)，與溫度有關(guān)。夏比V形缺口CV---擺錘沖擊脆斷所消耗的功

韌性是鋼材在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。2.3

鋼材的主要性能2.3.4沖擊韌性2.3.4沖擊韌性2.3

鋼材的主要性能

可焊性：在一定的材料、工藝和結(jié)構(gòu)條件下，鋼材經(jīng)過焊接后能獲得良好的焊接接頭的性能。焊接后焊縫金屬及其附近的熱影響區(qū)金屬不產(chǎn)生裂紋性能不低于母材的性質(zhì)。2.3.5

可焊性2.3

鋼材的主要性能2.4影響鋼材性能的因素化學(xué)成分成材過程鋼材硬化溫度應(yīng)力集中反復(fù)荷載作用碳（C）

---含碳量越高，強(qiáng)度越高，但其塑性、韌性和焊接性降低，特別是低溫沖擊韌性降低。FeC、Mn、Si、S、P、N、O…低碳鋼：含碳量≤0.25%中碳鋼：含碳量0.25%~0.60%高碳鋼：含碳量

>0.60%焊接結(jié)構(gòu)含碳量應(yīng)嚴(yán)格控制在0.2%之內(nèi)2.4影響鋼材性能的因素2.4.1化學(xué)成分的影響FeC、Mn、Si、S、P、N、O…錳（Mn）---有益元素，在碳素鋼中作為脫氧劑，在合金鋼中作為合金元素。含量不太多時(shí)，能顯著改善鋼材的冷脆性能，并提高其強(qiáng)度，而又不過多地降低塑性和韌性。硅（Si）---有益元素，強(qiáng)脫氧劑，能使鋼材中的純鐵體晶粒細(xì)小和散布均勻，可提高其強(qiáng)度，而對其塑性和韌性、焊接性無顯著的不良影響2.4影響鋼材性能的因素2.4.1化學(xué)成分的影響硫（S）和磷（P）

---有害的元素。S---熱脆，P---冷脆。FeC、Mn、Si、S、P、N、O…氧（O）和氮（N）

---有害的元素。O---熱脆，N---冷脆。2.4影響鋼材性能的因素2.4.1化學(xué)成分的影響釩、鈮、鈦

---細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度，又保持良好的塑性和韌性。FeC、Mn、Si、S、P、N、O…鉻、鎳

---提高強(qiáng)度。V、Nb、Ti、Cr、Ni、Cu…銅

---提高抗腐蝕性，強(qiáng)度，但對可焊性不利。鋁

---強(qiáng)脫氧劑，能進(jìn)一步減少鋼中有害氧化物，細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和低溫韌性。2.4影響鋼材性能的因素2.4.1化學(xué)成分的影響影響鋼材性能的因素化學(xué)成分成材過程鋼材硬化溫度應(yīng)力集中反復(fù)荷載作用鋼材的主要性能三大力學(xué)性能指標(biāo)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件冷彎性能沖擊韌性可焊性冶煉2.4.2

成材過程的影響2.4影響鋼材性能的因素轉(zhuǎn)爐煉鋼-氧氣頂吹冶煉平爐煉鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼電爐煉鋼2.4.2

成材過程的影響2.4影響鋼材性能的因素冶煉脫氧、澆鑄2.4.2

成材過程的影響2.4影響鋼材性能的因素脫氧澆鑄沸騰鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼MnSi半鎮(zhèn)靜鋼Al鎮(zhèn)靜鋼連鑄法易形成氣泡,質(zhì)量不均勻,易分層質(zhì)量優(yōu)良、均勻，組織致密，雜質(zhì)少，偏析小2.4.2

成材過程的影響2.4影響鋼材性能的因素冶煉脫氧、澆鑄軋制2.4.2

成材過程的影響2.4影響鋼材性能的因素軋制使鋼錠中的小氣泡和質(zhì)地疏松部分密實(shí)，消除鋼材內(nèi)部組織缺陷和細(xì)化鋼的晶粒軋制鋼壓縮比越大，其強(qiáng)度和韌性也越高設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免拉力垂直于板面，以防層間撕裂鋼材順軋制方向的強(qiáng)度和韌性等比其橫向的要好2.4.2

成材過程的影響2.4影響鋼材性能的因素冶煉脫氧、澆鑄軋制熱處理2.4.2

成材過程的影響2.4影響鋼材性能的因素?zé)崽幚砀邚?qiáng)度的同時(shí)能夠保持良好的塑性和韌性退火正火淬火回火2.4.2

成材過程的影響2.4影響鋼材性能的因素退火正火淬火回火退火：加熱到一定溫度并保溫一段時(shí)間，然后以適宜速度冷卻，可降低硬度，提高塑性和韌性，改善切削加工性能

正火：加熱到臨界溫度以上，放置空氣中自然冷卻，其目的是在于使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化?？梢蕴岣咪摬木C合力學(xué)性能淬火：加熱到臨界溫度以上，保溫一段時(shí)間，淬火劑使其溫度驟然降低，以大幅提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，但要減少其塑性回火：將已經(jīng)淬火的鋼重新加熱到一定溫度，再用一定方法冷卻，淬火后續(xù)工序，降低淬火內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，提高韌性。如果淬火后不回火，工件容易開裂。

時(shí)效硬化---隨著時(shí)間的推移，鋼材內(nèi)部的氮逐漸從鐵中析出形成自由的氮化物，阻止晶?；?，約束鋼材的塑性發(fā)展。強(qiáng)度提高而塑性和韌性降低，俗稱“老化”。冷作硬化---在冷加工過程中產(chǎn)生塑性變形后的鋼材，在重新加荷時(shí)，屈服點(diǎn)提高，塑性降低的現(xiàn)象。2.4.3

鋼材硬化的影響2.4影響鋼材性能的因素2.4.3

鋼材硬化的影響2.4影響鋼材性能的因素200oC250oC320oC600oC150oC變化不大藍(lán)脆徐變急劇下降！藍(lán)脆：某些鋼材在200～300℃時(shí)顏色發(fā)藍(lán)而脆性增加的現(xiàn)象。

2.4.3

鋼材硬化的影響2.4影響鋼材性能的因素低溫冷脆t(℃)CV(J)T1T2T0脆性破壞塑性破壞兩種破壞兼有沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)變過渡區(qū)在設(shè)計(jì)中，為避免脆性破壞，結(jié)構(gòu)所處溫度應(yīng)大于T12.4.4

溫度的影響2.4影響鋼材性能的因素當(dāng)構(gòu)件截面有突變（孔洞、缺口等）或內(nèi)部缺陷時(shí)，截面應(yīng)力分布將不再均勻，突變處將產(chǎn)生高于平均應(yīng)力3～4倍的局部高峰應(yīng)力。應(yīng)力集中系數(shù)同號應(yīng)力場2.4.5

應(yīng)力集中的影響2.4影響鋼材性能的因素2.4.5

應(yīng)力集中的影響2.4影響鋼材性能的因素截面改變尖銳程度越大的試件，其應(yīng)力集中現(xiàn)象就越嚴(yán)重，引起鋼材脆性破壞的危險(xiǎn)性越大。2.4.5

應(yīng)力集中的影響2.4影響鋼材性能的因素在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)的形狀和構(gòu)造合理，防止截面的突然改變。在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的焊接構(gòu)造設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)盡量減少焊接殘余應(yīng)力。2.4.5

應(yīng)力集中的影響2.4影響鋼材性能的因素構(gòu)件的應(yīng)力水平不高或荷載反復(fù)次數(shù)不多的鋼材一般不會發(fā)生疲勞破壞。鋼材的疲勞或疲勞破壞----鋼材在循環(huán)應(yīng)力多次反復(fù)作用下裂紋生成、擴(kuò)展以至斷裂的現(xiàn)象。疲勞破壞時(shí)，截面的應(yīng)力低于鋼材的抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服點(diǎn)。破壞面較整齊，表面有較清楚的疲勞紋理，破壞時(shí)沒有明顯的變形，屬于脆性破壞。2.4.6

反復(fù)荷載的影響2.4影響鋼材性能的因素（1）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性（2）荷載特性（3）連接方式（4）結(jié)構(gòu)的工作條件（5）鋼材厚度2.5.1鋼材的選用原則2.5

鋼結(jié)構(gòu)用鋼材的選擇承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度和硫、磷的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)具有碳含量的合格保證；焊接承重結(jié)構(gòu)及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)應(yīng)具有冷彎性能的合格保證；需驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有沖擊的合格保證；2.5.2