第2章 鋼結構材料

第2章鋼結構的材料第2章鋼結構的材料2.1鋼材的主要性能2.2影響鋼材性能的因素2.3

鋼材的疲勞2.4

建筑鋼材的規(guī)格和選用

塑性破壞：破壞前有明顯的變形，破壞歷時時間長，可以采取補救措施。斷裂時斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。構件的應力達到了鋼材的抗拉強度。一、鋼結構的破壞形式

脆性破壞：破壞前沒有明顯的變形，破壞發(fā)生突然，沒有機會補救。斷口平直并呈有光澤的晶粒狀。脆性破壞的原因：鋼材內部缺陷，焊接缺陷、構造不合理、使用不當等。應盡量發(fā)揮材料的塑性避免一切脆性破壞的可能性

2.1鋼材的主要性能

廣東某展覽廳網架倒塌

廣東某國際展覽中心包括展廳、會議中心和一棟16層的酒店，總建筑面積42000m2。1989年建成投入使用。1992年降大暴雨，其中4號展廳網架倒塌。在倒塌現場發(fā)現大量高強螺栓被拉斷或折斷，部分桿件有明顯壓屈，但未發(fā)現桿件拉斷及明顯頸縮現象，也未發(fā)現桿件與錐頭焊縫拉開。另外，網架建成后多次發(fā)現積水現象，事故現場兩排水口表面均有堵塞。①由于4號展廳除承擔本身雨水外，還要承擔會議中心屋面溢流而來的雨水。由于溢流口、雨水斗設置不合理，未能有效排水導致網架積水超載。

②高強螺栓超極限承載力而被拉斷，高強螺栓安全度低于桿件安全度，其安全度不足。

鋼貯罐脆性斷裂

1989年1月22日，內蒙古某糖廠一個直徑為20m，高為15.76m的剛交工驗收不久的廢糖蜜鋼貯罐發(fā)生斷裂。破壞過程呈突發(fā)性，沒有任何先兆，非常迅速。破壞時罐蜜貯量為4027t，不僅未達到設計貯量，并低于試用內糖期間曾達到的4559t水平，罐體內應力并不太高，距鋼材屈服強度相差較遠，地震和人為破壞及廢糖蜜自燃爆炸的因素可排除，請分析鋼貯罐發(fā)生斷裂的原因。

塑性斷裂在發(fā)生前有明顯預兆，而脆性斷裂是突發(fā)性的。經調查表明，其裂口特征：罐體下部第1、2層母材撕裂，斷口呈顆粒狀，人字形紋尖端朝上，呈脆性斷裂。對鋼材材質進行復驗，發(fā)現部分鋼板含碳量和含硫量較高，降低了鋼材的塑性和可焊性，其常溫沖擊韌性比規(guī)定值偏低，故該鋼材易出現脆性斷裂。且焊接質量差，綜合分析可知，罐體破壞的根源是焊接質量低而導致的低溫脆性斷裂。對接焊縫中大量未焊透部位如同張開型的焊接裂紋，在罐壁環(huán)向拉力的作用下，能引起嚴重的應力集中，成為罐體斷裂的引發(fā)點。在荷載變化、應力集中、殘余應力和溫差應力的作用下，會緩慢擴展。而鋼材的韌性較差，不能阻止裂紋的擴展，最后達到臨界值，而突然斷裂。

海油田平臺傾覆

1980年3月27日，北海愛科菲斯科油田的A.L.基兒蘭德號平臺突然從水下深部傳來一次震動，緊接著一聲巨響，平臺立即傾斜，短時間內翻于海中，致使23人喪生，造成巨大的經濟損失。

現代海洋鋼結構如移動式鉆井平臺，特別是固定式樁基平臺，在惡劣的海洋環(huán)境中受風浪和海流的長期反復作用和沖擊振動；在嚴寒海域長期受冰載及流水隨海潮對平臺的沖擊碰撞；另外低溫作用以及海水腐蝕介質的作用等都給鋼結構平臺帶來極為不利的影響。突出問題就是海洋鋼結構的脆性斷裂和疲勞破壞。

上述事故的調查分析顯示，事故原因是撐竿中水聲器支座疲勞裂紋萌生、擴展，導致撐竿迅速斷裂。由于撐竿斷裂，使相鄰5個支桿過載而破壞，接著所支撐的承重腳柱破壞，使平臺20分鐘內全部傾覆。

鋼吊車梁裂縫

某鋼廠原料跨吊車任務繁重，而冷軋跨吊車不太繁忙。兩者互按同一標準設計，后者吊車梁使用40多年未發(fā)現裂縫，而前者因產生較多裂縫已更換。請分析裂縫的成因。

由于前者任務繁重，承受的交變荷載次數多，故會產生疲勞破壞。

二、單向受拉時的性能試驗條件：標準試件在常溫（20℃）下緩慢加載（靜載）OAE—彈性階段比例極限、彈性極限ECF—屈服階段屈服點FB—強化階段抗拉強度（極限強度）BD—頸縮階段2.2鋼材的主要性能及其鑒定

鋼材的工作性能可以看作理想彈性塑性體1.計算簡便2.與相差不大3.雖然＞，但對應的應變非常大（不滿足正常使用極限狀態(tài)）4.以作為設計強度的依據，具有較大的強度儲備，若出現偶然因素，使人們有機會補救

屈強比：Q235鋼為0.57，Q345鋼為0.67簡化計算,采用理想彈塑性模型作為鋼結構設計的最大應力作為鋼材實際破壞強度三、塑性性能塑性：在靜力荷載作用下，鋼材吸收變形能的能力衡量塑性性能的指標：伸長率四、冷彎性能

冷彎性能是檢驗鋼材適應冷加工（常溫下加工）的能力和顯示鋼材內部缺陷狀況的一項指標

冷彎性能是考察鋼材在復雜應力狀態(tài)下發(fā)展塑性變形能力的指標

冷彎性能由冷彎試驗確定

冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力和冶金質量的綜合指標五、沖擊韌性沖擊韌性：在動力荷載作用下，材料吸收能量的能力衡量沖擊韌性的指標：沖擊功

韌性是鋼材強度和塑性的綜合指標

梅氏U型缺口試件:沖擊試驗的標準試件型式夏比V型缺口試件:我國采用夏比V型缺口試件沖擊韌性受溫度的影響六、可焊性

可焊性指采用一般焊接工藝就可完成合格的焊縫的性能

可焊性受化學成分的影響比較大碳當量：衡量低合金鋼的可焊性的計算<0.38焊接性能一般=0.38~0.45焊接性能較難>0.45焊接性能難2.2鋼材的主要性能及其鑒定

鋼材物理性能指標彈性模量泊松比剪變模量線膨脹系數質量密度小結鋼材的五項主要機械性能指標屈服點fy——抗拉強度fu——衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強度設計值的指標。鋼材的強度極限，僅作為安全儲備。伸長率δ5——冷彎性能

——沖擊韌性

——衡量鋼材塑性變形能力的重要指標。衡量鋼材塑性性能和冶金質量的綜合指標。衡量鋼材在動荷載作用下抵抗脆性破壞能力的指標。一、化學成分2.2影響鋼材性能的因素普通碳素鋼中Fe占99%，其他雜質元素占1%普通低合金鋼中有＜5%的合金元素碳（C）：鋼材強度的主要來源，但是隨其含量增加，強度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蝕性降低。一般控制在0.12％～0.2%，在0.2％以下時，可焊性良好硫（S）：熱脆性，不得超過0.045%磷（P）：冷脆性?？垢g能力略有提高，可焊性降低。不得超過0.045%錳（Mn）：合金元素。弱脫氧劑。與S形成MnS，熔點為1600℃，可以消除一部分S的有害作用。硅（Si）：合金元素。強脫氧劑。氧（O）：有害雜質，效果同S。氮（N）：有害雜質，效果同P。二、冶金缺陷常見的冶金缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋等。偏析——化學成分分布的不均勻程度。三、加荷速度1．材性試驗要求緩慢加載2．要考慮動荷載對結構的不利影響加荷速度高，鋼材屈服點提高，呈脆性。因此，四、鋼材硬化冷作硬化—當加載超過材料比例極限卸載后，出現殘余變形，再次加載則屈服點提高，塑性和韌性降低的現象，也稱“應變硬化”應變時效——鋼材產生塑性變形時，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同時可以加速時效硬化，因此也稱“人工時效”。

時效硬化——隨時間的增長，碳和氮的化合物從晶體中析出，使材料硬化的現象。五、溫度的影響1.正溫范圍

100℃以內對鋼材性能無影響；

100℃以上隨溫度升高，總的趨勢是強度、彈性模量降低，

塑性增大

250℃左右抗拉強度略有提高，塑性和韌性降低，脆性增加——藍脆現象。該溫度區(qū)段稱為“藍脆區(qū)”。

250～350℃ 在應力不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)形——徐變現象。

600℃左右

彈性模量趨于零，承載能力幾乎完全喪失。2.負溫范圍當溫度低于常溫時，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而增加。

T1～T2

之間溫度轉變脆性區(qū)，沖擊功急劇下降。而且不同的鋼材其脆性轉變區(qū)溫度不同，必須通過試驗確定。使用溫度必須高于T1

，但不一定高于T2六、應力集中的影響構造缺陷：構件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突變等應力集中：由于構造缺陷，應力不均勻，力線變曲折，缺陷處有高峰應力。應力集中的危害：塑性降低，脆性增加

構造設計時應避免截面突變和尖銳角的情況七、厚度的影響隨著厚度的增加，鋼材的抗拉、抗壓、抗彎、抗剪強度均下降八、復雜應力作用下鋼材的屈服條件假定：1.材料由彈性轉入塑性的強度指標用變形時單位體積中積聚的能量來表達；2.當復雜應力狀態(tài)下變形能等于單軸受力時的變形能時，鋼材即由彈性轉入塑性。彈性狀態(tài)塑性狀態(tài)平面應力狀態(tài)梁的應力狀態(tài)純剪應力狀態(tài)一、鋼材的疲勞1．疲勞問題疲勞問題最初是在1829年由法國采礦工程師爾倍特(W.A.J.Albert)根據所做的鐵鏈的重復載荷試驗所提出的。1939年波客來特(Poncelet)首先采用“疲勞”(Fatigue)-詞來描述“在反復施加的載荷作用下的結構破壞現象?！钡瞧谝辉~作為題目的第一篇論文是由勃累士畏特(Braithwaite)于1854年在倫敦土木工程年會上發(fā)表的，在第二次世界大戰(zhàn)中，發(fā)生了多起飛機疲勞失事事故，人們從一系列的災難性事故中，逐漸認識到疲勞破壞的嚴重性。2.3鋼材的疲勞金屬結構的疲勞是工程界早已關注的問題。就金屬結構包括飛機、車輛等各類結構都在內的總體，大約80-90%的破壞事故和疲勞有關。其中土建鋼結構所占的比例雖然不大，但隨著焊接結構的發(fā)展，焊接吊車梁的疲勞問題已十分普遍，受到了工程界人士的重視。目前鋼結構設計規(guī)范(GBJ17-88)中已建立了疲勞驗算方法，此方法對防止疲勞破壞的發(fā)生有重要作用。

2.疲勞研究的必要性

據國外統計：現代各個工業(yè)領域中，80%以上的結構破壞是由于疲勞造成，1967年12月15日，美國西弗吉利亞州的PointPleasant大橋在沒有任何征兆的情況下突然倒塌，造成46人死亡，調查結果顯示是由于一拉桿下緣產生解理斷裂，1990年荷蘭建成的Bascule橋僅在運營7年之后就觀測到危機橋梁安全的嚴重的疲勞開裂，1998年更換所有的正交異形板。3.鋼材的疲勞

在循環(huán)荷載（連續(xù)反復荷載）作用下，經過有限次循環(huán)，鋼材發(fā)生破壞的現象，稱之為疲勞。4.疲勞破壞的機理

疲勞破壞是積累損傷的結果。缺陷→微觀裂紋→宏觀裂紋。5.疲勞破壞的特征屬于脆性破壞，截面平均應力小于屈服點。

對非焊接構件，表面上的刻痕，軋鋼皮的凸凹、軋鋼缺陷和分層以及焰割邊不平整、沖孔壁上的裂紋，都是可能出現的地方。對于焊接構件，最經常的裂源出現在縫趾處，常有焊渣侵入，還有氣孔、欠焊、夾渣等。6.疲勞斷裂的過程及原因二、影響疲勞強度的因素1.應力比＝min/max連續(xù)重復荷載之下應力從最大到最小重復一周叫做一個循環(huán)。應力循環(huán)特征常用應力比來表示，拉應力取正值，壓應力取負值。

=－1時，稱為完全對稱循環(huán)；

=0時，稱為脈沖循環(huán)；

=1時，為靜荷載；

0＜＜1時，為同號應力循環(huán)；

－1＜＜0時，為異號應力循環(huán)。2.應力幅——在循環(huán)荷載作用下，應力從最大max到最小min重復一次為一次循環(huán)，最大應力與最小應力之差為應力幅。即=maxmin3.應力循環(huán)次數應力循環(huán)次數是指在連續(xù)重復荷載作用下應力由最大到最小的循環(huán)次數。在不同應力幅作用下，各類構件和連接產生疲勞破壞的應力循環(huán)次數不同，應力幅愈大，循環(huán)次數愈少。當應力幅小于一定數值時，即使應力無限次循環(huán)，也不會產生疲勞破壞，既達到通稱的疲勞極限規(guī)范(GBJ17-88)參照有關標準的建議，將次被視為各類構件和連接疲勞極限對應的應力循環(huán)次數。

其對應的疲勞極限對應的應力如下疲勞曲線4.微觀裂紋和應力集中對鋼結構的疲勞性能影響顯著，而構造細節(jié)是應力集中產生的根源。構造細節(jié)常見的不利因素如下：1)鋼材的內部缺陷，如偏析、夾渣、分層、裂紋等；2)制作過裎中剪切、沖孔、切割；3)焊接結構中產生的殘余應力；4)焊接缺陷的存在，如：氣孔、夾渣、咬肉、未焊透等；5)非焊接結構的孔洞、刻槽等；6)構件的截而突變；7)結構由于安裝、溫度應力、不均勻沉降等產生的附加應力集中。三、提高和改善疲勞性能的措施

由疲勞性能的三個影響因素來看，應力幅△及循環(huán)應力N是客觀存在的事實，因此，提高和改善疲勞性能的途徑只有從減小應力集中入手。具體措施如下：1．精心選材，對用于動載作用的鋼結構或構件，應嚴格控制鋼材的缺陷，并選擇優(yōu)質鋼材。2．精心設計，力求減少截面突變，避免焊縫集中，使鋼結構構造做法合理化。3．精心制作，使缺陷、殘余應力等減小到最低程度。4．精心施工，避免附加應力集中的影響。5．精心使用，避免對結構的局部損害。如劃痕、開孔、撞擊等。

較高的強度

足夠的變形能力，塑性、韌性好

良好的加工性能（包括冷加工、熱加工和可焊性）《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-2003）規(guī)定：承重結構的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結構尚應具有碳含量的合格保證。焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構采用的鋼材還應具有冷彎試驗的合格保證。需要驗算疲勞的焊接結構的鋼材，應具有常溫或負溫沖擊韌性的合格保證。對需要驗算疲勞的非焊接結構的鋼材應具有常溫沖擊韌性的合格保證。規(guī)范推薦的鋼種為Q235、Q345、Q390、Q4202.4建筑鋼材的規(guī)格和選用一、鋼結構對材料的要求二、鋼的種類1.化學成分普通碳素鋼Q235普通低合金鋼Q345、Q390、Q420平爐成本高，質量好（6小時100t左右）氧氣頂吹轉爐成本低，質量也可（15分鐘150t）2.爐種3.脫氧程度沸騰鋼（F）脫氧較差鎮(zhèn)靜鋼（Z）脫氧充分半鎮(zhèn)靜鋼（b）脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ）4.質量等級A級：保證抗拉強度、屈服點和伸長率及硫、磷含量B、C、D級：保證抗拉強度、屈服點、伸長率、冷彎和沖擊韌性（分別為20℃、0℃、-20℃）及碳、硅、錳、硫、磷含量E級：除滿足D級的要求外，還要求-40℃時的沖擊韌性5.鋼材編號碳素鋼：Q×××質量等級（A～D）脫氧程度（F，b）低合金鋼：Q×××質量等級（A～E）如Q235-A·F、Q345-C1.碳素結構鋼牌號表示方法2.低合金鋼牌號表示方法三、鋼材的選擇（一）選擇鋼材的原則1．結構或構件的重要性；2．荷載情況（靜力荷載，動力荷載）；

靜力荷載作用下可選擇經濟性較好的Q235鋼材。動力荷載作用下應選擇綜合性能較好鋼材。3．連接方法（焊接連接、螺栓連接）；

焊接結構對材質的要求嚴格，應嚴格控制C、S、P的極限含量；非焊接結構對C的要求可降低一些。4．結構所處的工作條件（環(huán)境溫度，腐蝕等）；

低溫下工作的結構應選擇低溫脆斷性能好的鎮(zhèn)定鋼鋼材的厚度。

厚度大的焊接結構應采用材質較好的鋼材。（二）鋼材選擇建議（了解）1、承重結構的鋼材宜采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼，其質量應分別符合國家標準《碳素結構鋼》GB/T700和《低合金高強度結構鋼》GB/T1591的規(guī)定。當采用其他牌號的鋼材時，尚符合相應有關標準的規(guī)定和要求。2、承重結構的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結構尚具有含碳量的合格保證。

3、對于需要驗算疲勞的焊接結構，應具有常溫沖擊韌性的合格保證；當結構工作溫度等于或低于0℃但高于－20℃時，Q235鋼和Q345鋼應具有0℃沖擊韌性合格的保證；對于Q390鋼和Q420鋼應具有－20℃沖擊韌性的合格保證。當結構工作溫度等于或低于－20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應具有－20℃沖擊韌性的合格保證；

對Q390和Q420鋼應具有－40℃沖擊韌性的合格保證。

4、對于需要驗算疲勞的非焊接結構的鋼材亦應具有常溫沖擊韌性的合格保證，當結構工作溫度等于或低于－20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應具有0℃沖擊韌性合格的保證；對Q390鋼和Q420鋼應具有－20℃沖擊韌性的合格保證。5、重要的受拉或受彎的焊接構件中，厚度大于等于16mm的鋼材應具有常溫沖擊韌性合格的保證。

6、為防止鋼材的層狀撕裂需采用Z向鋼，其材質應符合《厚度方向性能鋼板》GB/T5313的規(guī)定。7、對于在外露環(huán)境中，或有腐蝕性要求承重結構，宜采用耐候鋼，其質量應符合焊接耐候鋼》GB/T4172的規(guī)定。

鋼結構所用鋼材主要有：熱軋鋼板、熱軋型鋼、冷軋薄鋼板、冷彎薄壁型鋼（一）、鋼板

（—厚×寬×長或—厚×寬）