第2章 鋼結(jié)構(gòu)的材料

CHAPTER2MaterialsofSteelStructure鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1DemandstotheMaterialsoftheSteelStructure對鋼結(jié)構(gòu)用材的要求2.2Mainbehaviorsofsteelmaterial鋼材的主要性能2.3FactorsforEffectSteelProductsPerformances

影響鋼材性能的因素2.4EffectsofDuctilityDamageandNon-DuctilityDamage、CycleLoadingandFastLoadingofSteelMaterials

鋼材的延性破壞和非延性破壞、循環(huán)加載和快速加載的效應(yīng)2.5CategoriesofStructureSteelmaterialandSelectionofSteelmaterial

建筑鋼材的類別及鋼材的選用2.1DemandstotheMaterialsoftheSteelStructure

對鋼結(jié)構(gòu)用材的要求

Onlyafewofcarbonsteelsandalloysteelscanmeetthedemandstothematerialsofthesteelstructure.符合鋼結(jié)構(gòu)性能要求的鋼材只有碳素鋼及合金鋼中的少數(shù)幾種。Thesteelwhichcanbeusedforsteelstructuremustownthefollowingperformance:用作鋼結(jié)構(gòu)的鋼材必須具有下列性能:用作鋼結(jié)構(gòu)的鋼材必須具有下列性能:1.較高的強度，即抗拉強度和屈服強度比較高。2.足夠的變形能力,即塑性和韌性性能好。3.良好的加工性能，即適合冷、熱加工，同時具有良好的可焊性，不因這些加工而對強度、塑性及韌性帶來較大的有害影響。4.根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體工作條件，在必要時還應(yīng)該具有適應(yīng)低溫、有害介質(zhì)侵蝕以及重復(fù)荷載作用等的性能。

2.2鋼材的主要性能及其鑒定2.2.1Stress-strainbehaviorattensiontest單向拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變性能2.2.2Coldbendingbehavior冷彎性能2.2.3Impacttoughness沖擊韌性

2.2.4Solderability可焊性

2.2.5

Identificationofsteelmaterial

鋼材性能的鑒定2.2.1Stress-strainbehaviorattensiontest

單向拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變性能

Thebehaviorofsteelmaterialoccursatroomtemperaturesunderdeadloadinonetimestretchtestismostrepresentative.Andthemainindexesofstrengthanddeformationforsteelmaterialaredeterminedbythistestusingstandardspecimen.鋼材在常溫、靜載條件下一次拉伸所表現(xiàn)的性能最具有代表性。鋼材的主要強度指標(biāo)和變形性能都是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試件一次拉伸試驗確定的。Typicalstress-straindiagramforlow-carbonsteelandlow-alloysteel典型的低碳鋼和低合金鋼一次拉伸時的應(yīng)力--應(yīng)變曲線

Simplifiedstress-straindiagram簡化的應(yīng)力--應(yīng)變曲線

RThemechanicsperformanceindexesbehavedbystress-strainruleareasfollows:

由應(yīng)力--應(yīng)變規(guī)律表現(xiàn)出的力學(xué)性能指標(biāo)：

Proportionallimitσp（比例極限σp）Yieldstressσy（屈服應(yīng)力σy）

Tensilestrengthσu（抗拉強度σu）

Elongationratio（伸長率

）由于達(dá)到σy后構(gòu)件產(chǎn)生較大變形，故取它為計算構(gòu)件的強度標(biāo)準(zhǔn)；由于達(dá)到σu后構(gòu)件開始破壞，故它為材料的安全儲備。規(guī)范規(guī)定用于塑性設(shè)計的鋼材必須有fy/

fu≤0.85的屈強比。Elongationratio（伸長率

）

Elongationratio（伸長率

）isthepercentageofthepermanentdeformationofthespecimenbeforefracturetotheoriginalmarkedlength.Whenthemarkedlengthischosenbyfiveortentimesofthediameterofthespecimen,thentheElongationratioisdefinedwith5

or

10respectively.伸長率是斷裂前試件的永久變形與原標(biāo)定長度的百分率。取試件直徑d

的五或十倍為標(biāo)定長度，其相應(yīng)的伸長率用5或10

表示。Yieldpoint，tensilestrengthandelongationratioarethethreeimportantmechanicsperformanceindexesofsteelmaterial.屈服點、抗拉強度和伸長率是鋼材的三個重要力學(xué)性能指標(biāo)。ThemodulusofelasticityEandthestrain-hardeningmodulusEstarealsotheperformanceindexesofsteelmaterialpresentedinonetimestretchtest.材料的彈性模量E和應(yīng)變硬化模量Est也是一次拉伸所表現(xiàn)的性能指標(biāo)。

2.2.2Coldbendingbehavior

冷彎性能

Coldbendingbehaviormeansthecapabilityofsteelmaterialtoresistthecrackwhencold-finished(atroomtemperatures)bringsuptheplasticdeformation.Itisthesynthesisindexestothedeterminationsofplasticdeformationcapacityandmetallurgyquality.Coldbendingbehaviorisinspectedbybendingtest.冷彎性能是指鋼材在冷加工（常溫下加工）產(chǎn)生塑性變形時，對產(chǎn)生裂縫的抵抗能力。是判別鋼材塑性變形能力及冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)。冷彎性能由冷彎試驗來檢測。2.2.3Impacttoughness

沖擊韌性

Thetoughnessofsteelisameasureofitsabilitytoabsorbenergyduringitsplasticdeformationandsuddenfracture,also,indicatestheabilityofsteeltotheimpactresistance.Impacttoughnessisthesynthesisperformanceofstrengthandductility.鋼材的韌性是鋼材在塑性變形和斷裂的過程中吸收能量的能力，也是表示鋼材抵抗沖擊荷載的能力。沖擊韌性是強度與延展性的綜合表現(xiàn)。

Impacttoughnessisindicatedbymeasuringtheimpactworkatimpacttest.CodestatesCharpyV-notchtestmusttobeused.鋼材韌性通過沖擊試驗，測定沖擊功Akv或Cv來表示。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用夏比實驗法測定?！禖odefordesignofsteelstructures》hasthespecificationstothesteelimpacttoughnessatroomtemperaturesandbelow-zerotemperatures.So,whenchoosethestructuresteels,theusagesituation,loadingconditionandrequiredtemperatureshouldbeconsidered.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對鋼材的沖擊韌性有常溫和負(fù)溫要求的規(guī)定。選用鋼材時，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的使用情況、荷載條件和要求溫度。

2.2.4Solderability可焊性

Thesolderabilityofsteelmaterialmeansthecapabilityofsteeltogetthequalifiedweldedjointbyweldingunderspecifiedprocessandstructuralsituation.Thesolderabilityofsteelmaterialisaffectedbythecontentsofcarbonandalloyelements.ThecontentofcarboninQ235Aisalittlehigher,whichnormallyisnotusedatweldedmembers.鋼材的可焊性是指在一定工藝（焊接方法、材料、預(yù)熱溫度）和結(jié)構(gòu)條件（鋼材厚度、變形約束程度）下，鋼材經(jīng)過焊接能夠獲得合格的焊接接頭的性能。

鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影響。Q235A的碳含量略高，通常不用于焊接構(gòu)件。碳當(dāng)量用于衡量低合金鋼的可焊性。CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15CEV≤0.38%，可焊性很好；0.38%<CEV≤0.45%，鋼材淬硬明顯，采用預(yù)熱措施和控制施焊工藝；CEV>0.45%，鋼材淬硬明顯，較高的預(yù)熱溫度措施和嚴(yán)格的控制施焊工藝。2.2.5鋼材性能的鑒定根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50205-2001）,對進(jìn)入鋼結(jié)構(gòu)工程實施現(xiàn)場的主要材料需進(jìn)行進(jìn)場驗收，即檢查鋼材的質(zhì)量合格證明文件、中文標(biāo)識及檢驗報告，確認(rèn)鋼材的品種、規(guī)格、性能是否符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求。對屬于下列情況之一的鋼材，應(yīng)進(jìn)行抽樣復(fù)驗，其復(fù)驗結(jié)果應(yīng)符合現(xiàn)行國家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和要求。

1.國外進(jìn)口鋼材；2.鋼材混批；3.板厚等于或大于40mm，且設(shè)計有Z向性能要求的厚板；4.建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，大跨度鋼結(jié)構(gòu)中主要受力構(gòu)件所采用的鋼材；5.設(shè)計有復(fù)驗要求的鋼材；6.對質(zhì)量有疑義的鋼材。復(fù)驗時，各項試驗都應(yīng)按有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行。鋼材質(zhì)量的抽樣檢驗應(yīng)由具有相應(yīng)資質(zhì)的質(zhì)檢單位進(jìn)行。

2.3FactorsforEffectSteelProductsPerformances

影響鋼材性能的因素2.3.1Effectofthechemistryelements化學(xué)成分的影響2.3.2Effectofmaterialshape成材過程的影響2.3.3Othereffectsonthesteelperformance影響鋼材性能的其他因素

2.3.1Effectofthechemistryelements化學(xué)成分的影響

Thebasicelementofsteelisiron(Fe),occupying99%ofordinarycarbonsteel.Besidesiron,impurityelementsarecarbon(C),silicon(Si),manganese(Mn),etc.andharmfulelementsaresuphur(S),phosphor(P),oxygen(O),nitrogen(N),etc.Theamountoftheseelementsisabout1%,however,theybringaboutgreateffectstothemechanicsperformanceofsteel.鋼的基本元素為鐵（Fe），普通碳素鋼中占99%。此外還有碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）等雜質(zhì)元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，這些總含量約1%，但對鋼材力學(xué)性能卻有很大影響。1.Carbon(C)碳：碳是形成鋼材強度的主要成分。碳含量增加，使鋼材強度提高，塑性、韌性，特別是低溫沖擊韌性下降，同時耐腐蝕性、疲勞強度和冷彎性能也顯著下降，惡化鋼材可焊性，增加低溫脆斷的危險性。一般建筑用鋼要求含碳量在0.22%以下，焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)限制在0.20%以下。2.Manganese(Mn)錳：有益元素。是一種弱脫氧劑。適量的錳可有效提高鋼材強度，消除硫、氧對鋼材的熱脆影響，改善鋼材熱加工性能，并改善鋼材的冷脆傾向，同時不顯著降低鋼材的塑性、沖擊韌性。普通碳素鋼中錳的含量約為0.3%～0.8%。含量過高（達(dá)1.0%～1.5%以上）使鋼材變脆變硬，并降低鋼材的抗銹性和可焊性。3.Silicon(Si)硅：有益元素。作為脫氧劑加入普通碳素鋼。適量硅可提高鋼材的強度，而對塑性、沖擊韌性、冷彎性能及可焊性無顯著的不良影響。一般鎮(zhèn)靜鋼的含硅量為0.10%～0.30%，含量過高（達(dá)1%），會降低鋼材塑性、沖擊韌性、抗銹性和可焊性。4.Sulphur(S)硫：有害元素。引起鋼材熱脆，降低鋼材的塑性、沖擊韌性、疲勞強度和抗銹性等。一般建筑用鋼含硫量要求不超過0.055%，在焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)不超過0.050%?？箤娱g斷裂的鋼材，含硫量要求控制在0.010%以下。5.Phosphor(P)磷：有害元素。雖可提高強度、抗銹性，但嚴(yán)重降低塑性、沖擊韌性、冷彎性能和可焊性，尤其低溫時發(fā)生冷脆，含量需嚴(yán)格控制，一般不超過0.050%，焊接結(jié)構(gòu)中不超過0.045%。6.Oxygen(O)氧：有害元素。引起熱脆。一般要求含量小于0.05%。7.Nitrogen(N)氮：能使鋼材強化，但顯著降低鋼材塑性、韌性、可焊性和冷彎性能，增加時效傾向和冷脆性。一般要求含量小于0.008%。

鋼結(jié)構(gòu)所用碳素鋼Q235及低合金鋼Q345和Q390的化學(xué)成分及含量見附表9(p385)。

2.3.2Effectofmaterialshape

成材過程的影響

1.Smelting冶煉建筑結(jié)構(gòu)用鋼我國主要使用頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法生產(chǎn)的鋼材。冶煉是形成鋼的化學(xué)成分與含量、鋼的金相組織結(jié)構(gòu)的冶金過程，必定存在不同的冶金缺陷，從而確定不同的鋼種、鋼號及其相應(yīng)的力學(xué)性能。2.Moulding澆鑄把熔煉好的鋼水澆鑄成鋼錠或鋼坯。按脫氧程度分沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。澆鑄過程中會產(chǎn)生的常見的冶金缺陷有：偏析、非金屬夾雜、氣孔及裂紋等。3.Rolling

軋制軋制能使金屬的晶粒變細(xì)，使氣泡、裂紋焊合，因而改善了鋼材的力學(xué)性能。薄板因輥軋次數(shù)多，其強度比厚板略高。4.Heattreatment熱處理熱處理的目的在于取得高強度的同時能夠保持良好的塑性和韌性。2.3.3Othereffectsonthesteelperformance

影響鋼材性能的其他因素

1.Cold-finishedhardening冷加工硬化

鋼結(jié)構(gòu)在常溫下加工即冷加工。冷加工過程中使鋼材產(chǎn)生很大塑性變形，在重新加荷時引起的強度提高，同時降低塑性和韌性，稱為冷作硬化。冷加工包括：冷拉、冷彎、剪切、沖孔、輥、壓、折、鉆、刨、鏟、撐、敲等。2.Temperature溫度

溫度升高和降低都使鋼材性能發(fā)生變化，且低溫情況下鋼材力學(xué)性能更重要。當(dāng)溫度逐漸升高時，鋼材的強度、彈性模量下降，變形能力增大。250C附近發(fā)生藍(lán)脆現(xiàn)象。溫度達(dá)到600C時，屈服強度為室溫的1/3，彈性模量為室溫的40%。但耐火鋼改善了鋼材在高溫下的力學(xué)性能。溫度從常溫下降到一定值，鋼材的沖擊韌性突然急劇下降，試件斷口屬脆性破壞，這種現(xiàn)象稱為冷脆現(xiàn)象。3.Stressconcentration應(yīng)力集中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變化、形狀變化、內(nèi)部缺陷等使一些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，此謂應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中越嚴(yán)重，鋼材塑性越差。

2.4EffectsofDuctilityDamageandNon-DuctilityDamage、CycleLoadingandFastLoadingofSteelMaterials

鋼材的延性破壞和非延性破壞、循環(huán)加載和快速加載的效應(yīng)

1．延性破壞和非延性破壞超過屈服點有明顯塑性變形產(chǎn)生的構(gòu)件，當(dāng)達(dá)到抗拉強度時將在很大變形的情況下斷裂，稱為延性破壞；當(dāng)沒有塑性變形或只有很小塑性變形時就發(fā)生的破壞，稱為脆性破壞。鋼結(jié)構(gòu)需選用塑性好的材料，還必須避免導(dǎo)致材料轉(zhuǎn)脆。2.疲勞斷裂(fatiguefracture)疲勞斷裂是微觀裂縫在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴(kuò)展直至斷裂的脆性破壞。疲勞斷裂的過程可分為三個階段：裂紋的形成、裂紋緩慢擴(kuò)展和最后迅速斷裂。

3.循環(huán)加載連續(xù)重復(fù)荷載之下應(yīng)力往復(fù)變化一周叫做一個循環(huán)。應(yīng)力幅表示應(yīng)力變化的幅度，應(yīng)力幅總是正值。

疲勞壽命（致?lián)p循環(huán)次數(shù)）指在連續(xù)反復(fù)荷載作用下應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)，用n表示。疲勞曲線（—n曲線）

4.疲勞驗算

直接受到重復(fù)荷載作用的構(gòu)件，如吊車梁、橋梁、輸送棧橋和某些工作平臺以及它們的連接，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n≥5x104

時應(yīng)進(jìn)行疲勞驗算。由于現(xiàn)階段對疲勞裂縫的形成、擴(kuò)展以至斷裂這一過程的極限狀態(tài)定義，和有關(guān)影響因素的研究不足，我國規(guī)范規(guī)定對疲勞計算按容許應(yīng)力方法進(jìn)行驗算。疲勞驗算時，按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行。參數(shù)的取值見p321的表8-2.

5.快速加載快速加載致使所得鋼材的屈服點和抗拉強度偏高。影響鋼材對能量吸收的能力。對于同一沖擊韌性的材料，當(dāng)設(shè)計承受動力荷載時，允許最低的使用溫度比承受靜力荷載高。除遭強烈地震作用外，建筑結(jié)構(gòu)通常在考慮荷載的動力系數(shù)后按靜力計算；但承受循環(huán)荷載時需考慮是否進(jìn)行疲勞驗算。2.5CategoriesofStructureSteelmaterialandSelectionofSteelmaterial

結(jié)構(gòu)鋼材的類別及鋼材的選用

2.5.1結(jié)構(gòu)鋼材的類別、牌號和等級2.5.2鋼材的選擇

2.5.3型鋼規(guī)格

2.5.1結(jié)構(gòu)鋼材的類別、牌號和等級1.熱軋鋼材鋼結(jié)構(gòu)中采用的鋼材主要有三類：碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼和高性能的GJ鋼。此外，還可以采用特殊性能的鋼材：厚度方向性能鋼板和耐候性結(jié)構(gòu)鋼。建筑結(jié)構(gòu)用鋼板。2.鑄鋼用于大型空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜節(jié)點和支座。3.冷成型鋼材（Q215、Q235和Q345）4.高強鋼絲和鋼索材料1.碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼工程中鋼材的標(biāo)號的表示:QXXX└┘[]例如:Q235AF、Q235Bb、Q345E。

Q：屈服強度的第一個拼音字母。

XXX：屈服強度值，單位為Mpa或N/mm2。└┘：Qualitygrades質(zhì)量等級。有A、B、C、D和E五等，表示質(zhì)量由低到高。質(zhì)量高低主要是以對沖擊韌性的要求區(qū)分的。A無沖擊功規(guī)定；B有20C時的沖擊功要求；C有0C時的沖擊功要求；D有－20C時的沖擊功要求；E有－40C時的沖擊功要求，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼才有E等。(p386)QXXX└┘[][]：Deoxidizingmethods脫氧方法。在澆鑄過程中由于脫氧程度的不同，可分為F、b、Z和TZ，F(xiàn)表示沸騰鋼，b表示半鎮(zhèn)靜鋼，Z表示鎮(zhèn)靜鋼，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼。QXXX└┘[]3.高強鋼絲和鋼索材料

高強鋼絲是由優(yōu)質(zhì)碳素鋼經(jīng)過多次冷拔而成，分為光面和鍍鋅兩種。鋼絲強度的主要指標(biāo)是抗拉強度，并對化學(xué)成分有嚴(yán)格要求。鋼絞線是由多根鋼絲捻成，亦稱單股鋼絲繩。鋼絲繩是由鋼絞線捻成。2.5.2

SelectionofSteelmaterial鋼材的選擇

1.選擇鋼材應(yīng)考慮下列因素：荷載性質(zhì)（靜載或動載）;應(yīng)力狀態(tài)（受拉、受壓，或雙軸、三軸受拉）；連接方法（焊接或栓接）；工作環(huán)境（低溫）；供貨價格。2.Q235A鋼保證項目中，碳含量、冷彎試驗合格和沖擊韌性未作為必要的保證條件，只宜用于不直接承受動力