第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料

第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料

學(xué)習(xí)本章的主要目的是如何選擇鋼材。這就要求首先掌握鋼材的性能，其中最重要的是脆斷。

第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)對(duì)所用材料的要求

一、鋼材的破壞形式

1.塑性破壞(plasticityfailure)：鋼材在產(chǎn)生很大的變形以后發(fā)生的斷裂破壞稱為塑性破壞，也稱為延性破壞。

2.脆性破壞(brittlefailure)：鋼材在變形很小的情況下突然發(fā)生斷裂破壞。

二、鋼結(jié)構(gòu)對(duì)所用材料的要求

物美價(jià)廉強(qiáng)度fy、fu高。強(qiáng)度高可減輕結(jié)構(gòu)自重。塑性、韌性、耐久性好?？煞乐勾嘈云茐?，抗動(dòng)力荷載好，耐疲勞。良好的加工性能。冷、熱加工和可焊性好。耐腐性好。價(jià)格便宜。有時(shí)還要求鋼材具有適應(yīng)低溫、高溫等環(huán)境的能力?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003)》推薦使用：碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼中的Q345鋼、Q390鋼、Q420鋼。隨著研究的深入，必將有一些滿足要求的其它種類鋼材可供使用。若選用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范還未推薦的鋼材時(shí)，需有可靠的依據(jù)，以確保鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。專用鋼結(jié)構(gòu)用材見相關(guān)規(guī)范。第二節(jié)鋼材的主要機(jī)械性能鋼材的機(jī)械性能（力學(xué)性能）通常是指鋼廠生產(chǎn)供應(yīng)的鋼材在標(biāo)準(zhǔn)條件下拉伸、冷彎和沖擊等單獨(dú)作用下顯示出的各種機(jī)械性能。它們由相應(yīng)實(shí)驗(yàn)得到，試驗(yàn)采用的試件的制作和試驗(yàn)方法都必須按照各相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行。一、單向拉伸時(shí)的性能

標(biāo)準(zhǔn)試件在室溫（100C～350C)、以滿足靜力加載的加載速度一次加載所得鋼材的應(yīng)力σ～ε應(yīng)變曲線顯示的鋼材機(jī)械性能如下:：(1)彈性階段

σ≤

fp，σ與ε呈線性關(guān)系，稱該直線的斜率E為鋼材的彈性模量。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)所有鋼材統(tǒng)一取E=2.06×105N/mm2

。(2)彈塑性階段

σ與ε呈非線性關(guān)系，切線模量Et＝dσ/dε,Et隨應(yīng)力增大而減小，當(dāng)σ=fy

時(shí)Et=0。

(3)塑性階段也稱屈服階段，σ=fy后鋼材暫時(shí)不能承受更大的荷載，且伴隨產(chǎn)生很大的變形，因此鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取fy作為強(qiáng)度極限承載力的標(biāo)志。(4)強(qiáng)化階段試件能承受的最大拉應(yīng)力fu為鋼材的抗拉強(qiáng)度。取fy作為強(qiáng)度極限承載力的標(biāo)志，fu就成為材料的強(qiáng)度儲(chǔ)備。(5)頸縮破壞階段

(6)可把鋼材視為理想彈塑性體。(7)伸長(zhǎng)率δ=(l1-l0)/l0*100%,反映鋼材的塑性變形能力。二、冷彎性能

三、沖擊韌性

沖擊韌性值用擊斷試樣所需的沖擊功AKV表示,單位為J。沖擊韌性與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度低于某一負(fù)溫值時(shí)，沖擊韌性值將急劇降低。因此在寒冷地區(qū)建造的直接承受動(dòng)力荷載的鋼結(jié)構(gòu)，除應(yīng)有常溫沖擊韌性的保證外，尚應(yīng)依鋼材的類別，使其具有-20oC或-40oC的沖擊韌性保證，應(yīng)AKV≥27J（焦耳）。將試件彎成180o，若試件外表面不出現(xiàn)裂紋和分層，即為合格。綜合反映鋼材的塑性性能和冶金質(zhì)量。重要結(jié)構(gòu)中需要有良好的冷熱加工性能時(shí)，應(yīng)有冷彎合格保證。

四、鋼材受壓和受剪時(shí)的性能

鋼材在單向受壓（短試件）時(shí)，受力性能基本上與單向受拉相同。受剪的情況也相似，但屈服點(diǎn)τy及抗剪強(qiáng)度τu均低于fy和fu；剪變模量G也低于彈性模量E。第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素一、化學(xué)成分的影響

碳(C)、錳（Mn）、釩（V）是有利元素，但也要注意對(duì)含量的限制。硫（S）、磷（P）氧（O）、氮（N）會(huì)降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞性能。應(yīng)嚴(yán)格限制含量。二、鋼材生產(chǎn)過程的影響1.冶煉爐種的影響已無必要強(qiáng)調(diào)爐種的影響。2.鋼的脫氧

鋼液中殘留的氧，將使鋼材晶粒粗細(xì)不勻并發(fā)生熱脆。因此澆注鋼錠時(shí)要在爐中或盛鋼桶中加入脫氧劑以消除氧。因脫氧程度或方法不同，把鋼分為沸騰鋼(F)、半鎮(zhèn)靜鋼(b)、鎮(zhèn)靜鋼(Z)和特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ)。3.鋼材的軋制將鋼錠加熱至1200～1300oC

，通過軋鋼機(jī)將其軋成所需形狀和尺寸的鋼材，稱為熱軋鋼材。軋鋼機(jī)的壓力作用可使鋼錠中的小氣泡和裂紋彌合，并使組織密實(shí)。鋼材的壓縮比（鋼坯與軋成鋼材厚度之比）愈大時(shí)，其強(qiáng)度和沖擊韌性也愈高。

現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)的大型鋼鐵集團(tuán)均已采用了連鑄連軋技術(shù)，對(duì)于連鑄連軋鋼材，均為鎮(zhèn)靜鋼材。

三、溫度的影響負(fù)溫度范圍內(nèi)：隨著溫度降低，塑性和韌性降低，材料變脆，稱為低溫冷脆。鋼材沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線反彎點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度t0稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。正溫度范圍內(nèi):

t<200oC時(shí)，鋼材的性能變化不大。

t在250oC左右，鋼材塑性和韌性下降，破壞常呈脆性破壞特征。

當(dāng)t>400oC時(shí)，鋼材的強(qiáng)度和E都急劇降低，t>600oC時(shí)其承載能力幾乎喪失。

四、冷加工硬化和時(shí)效硬化1.應(yīng)變硬化

鋼材在常溫下加工稱為冷加工。冷軋、冷彎、沖孔、機(jī)械剪切等冷加工使鋼材產(chǎn)生很大的塑性變形，從而使fy提高，但同時(shí)降低了鋼材的塑性和韌性，這種現(xiàn)象稱為冷加工硬化。2.時(shí)效硬化鋼材經(jīng)過一定時(shí)間后強(qiáng)度提高但塑性降低，這種現(xiàn)象稱為時(shí)效硬化。不同種類鋼材的時(shí)效硬化過程可從幾小時(shí)到數(shù)十年。3.人工時(shí)效使鋼材產(chǎn)生10%的塑性變形，再加熱到200～300oC，然后冷卻到室溫進(jìn)行試驗(yàn)。這樣可使時(shí)效在幾小時(shí)內(nèi)完成。五、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的影響

在復(fù)雜應(yīng)力如平面或立體應(yīng)力作用下，鋼材的屈服并不只取決于某一方向的應(yīng)力，而是由反映各方向應(yīng)力綜合影響的屈服條件來確定。同號(hào)應(yīng)力場(chǎng)使材料脆性加大六、應(yīng)力集中的影響鋼構(gòu)件在缺陷或截面變化處附近將產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，其余部位應(yīng)力較低，稱為應(yīng)力集中。在應(yīng)力高峰區(qū)域存在著同號(hào)的雙向或三向應(yīng)力。這種同號(hào)的雙向或三向應(yīng)力場(chǎng)有使鋼材變脆的趨勢(shì)。應(yīng)力集中系數(shù)越大，變脆的傾向亦愈嚴(yán)重。在負(fù)溫下或動(dòng)力荷載作用下，應(yīng)力集中往往是引起脆性斷裂的根源，設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)法避免或減小應(yīng)力集中，并選用質(zhì)量?jī)?yōu)良的鋼材。第四節(jié)鋼材的疲勞一、鋼材疲勞的基本概念

鋼材在反復(fù)荷載作用下，在應(yīng)力低于鋼材抗拉強(qiáng)度甚至低于屈服點(diǎn)時(shí)突然斷裂，稱為鋼材的疲勞或疲勞破壞。鋼結(jié)構(gòu)中總存在有微觀裂紋或類似的缺陷，導(dǎo)致應(yīng)力集中。在多次反復(fù)荷載作用下，微觀裂紋不斷開展，應(yīng)力集中現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。當(dāng)荷載反復(fù)循環(huán)達(dá)一定次數(shù)n（疲勞壽命）時(shí)，裂紋擴(kuò)展使得凈截面承載力不足以承受外力作用時(shí)，構(gòu)件突然斷裂，發(fā)生疲勞破壞。

疲勞破壞一般經(jīng)歷裂紋形成、裂紋緩慢擴(kuò)展和最后迅速斷裂三個(gè)階段。

二、疲勞計(jì)算反復(fù)荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力重復(fù)一周叫做一個(gè)循環(huán)。Δσ=σmax-σmin稱為應(yīng)力幅，表示應(yīng)力變化的幅度。試驗(yàn)表明，焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞并不是名義最大應(yīng)力σmax作用的結(jié)果，而是焊縫部位足夠大小的應(yīng)力幅反復(fù)作用的結(jié)果。非焊接結(jié)構(gòu)的的疲勞壽命不僅與應(yīng)力幅有關(guān)，還與其他因素有關(guān)。規(guī)范把疲勞計(jì)算公式中的應(yīng)力幅調(diào)整為折算應(yīng)力幅，以反映其實(shí)際工作情況。疲勞計(jì)算的公式是以試驗(yàn)為依據(jù)的，分為常幅和變幅疲勞兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1.常幅疲勞計(jì)算

Δσ≤[Δσ]C、β——參數(shù)，根據(jù)表2—2中的構(gòu)件和連接類別按表2-3采用。Δσ——對(duì)焊接部位△σ=σmax-σmin；對(duì)非焊接部位△σ=σmax-0.7σmin。

由上式可見，容許應(yīng)力幅與鋼材的強(qiáng)度無關(guān)，這表明不同鋼材具有相同的抗疲勞性能。2.變幅疲勞計(jì)算可近似地按照線性疲勞累積損傷原則，將隨機(jī)變化的應(yīng)力幅折算為等效應(yīng)力幅Δσe，按下式進(jìn)行疲勞計(jì)算：

吊車梁：根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，推算出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年內(nèi)各種吊車梁的應(yīng)力循環(huán)總次數(shù)n(等效于滿荷載時(shí)n=2106次)

，相應(yīng)的欠載效應(yīng)的等效系數(shù)f值如表2—3所示，重級(jí)工作制吊車梁的疲勞驗(yàn)算公式為：

當(dāng)n≥105時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。疲勞計(jì)算采用的是容許應(yīng)力幅法，計(jì)算公式是以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)的，實(shí)驗(yàn)中已包含了動(dòng)力的影響，故荷載應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值且不乘動(dòng)力系數(shù)，應(yīng)力幅按彈性工作計(jì)算。在完全壓應(yīng)力（不出現(xiàn)拉應(yīng)力）循環(huán)中，由于壓應(yīng)力不會(huì)使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，故規(guī)范規(guī)定此種情況可不進(jìn)行疲勞計(jì)算。

三、疲勞計(jì)算應(yīng)注意問題第五節(jié)鋼材的鋼種、鋼號(hào)及選擇

1.碳素結(jié)構(gòu)鋼

鋼號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服強(qiáng)度數(shù)值（t≤16mm時(shí)的fy，單位是N/mm2）、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（分為A、B、C、D四級(jí)，質(zhì)量依次提高）、脫氧方法符號(hào)（沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的代號(hào)分別為F、b、Z和TZ，其中Z和TZ在鋼號(hào)中省略不寫）等四個(gè)部分按順序組成。例如Q235-B·F,表示屈服強(qiáng)度為235N/mm2的B級(jí)沸騰鋼。鋼材的質(zhì)量等級(jí)中，A、B級(jí)鋼按脫氧方法可為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼或鎮(zhèn)靜鋼，C級(jí)為鎮(zhèn)靜鋼，D級(jí)為特殊鎮(zhèn)靜鋼。一、鋼種鋼材的種類，鋼結(jié)構(gòu)常用的是碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。二、鋼號(hào)鋼材的牌號(hào)簡(jiǎn)稱為鋼號(hào)。

2.低合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼是在冶煉碳素結(jié)構(gòu)鋼時(shí)加入一種或幾種適量的合金元素而成的鋼。其鋼材牌號(hào)的表示方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼相似，但質(zhì)量等級(jí)分為A、B、C、D、E五級(jí)，且無脫氧方法符號(hào)。例如Q345-B，Q390-D，Q420-E。

3.專用結(jié)構(gòu)鋼

(1)特殊用途的鋼結(jié)構(gòu)常采用專用結(jié)構(gòu)鋼。專用結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)用在相應(yīng)鋼號(hào)后再加上專業(yè)用途代號(hào)（壓力容器、橋梁、船舶和鍋爐用鋼材的專業(yè)用途代號(hào)分別為R、q、C和g）來表示。(2)耐候鋼在鋼材冶煉時(shí)加入少量的合金元素如Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等，提高鋼材的耐腐蝕性能。也稱為耐大氣腐蝕鋼。例如15MnCuCr—QT鋼表示含碳量為0.15%，合金元素為錳、銅、鉻的淬火加回火熱處理耐候鋼。（3）連接用鋼鋼結(jié)構(gòu)連接中的鉚釘、高強(qiáng)度螺栓、焊條用鋼絲等，也采用滿足各自連接件要求的專門用鋼。

三、鋼材的選擇

鋼材的選擇既要確定所用鋼材的鋼號(hào)，又要提出應(yīng)有的機(jī)械性能和化學(xué)成分保證項(xiàng)目，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)。選材的基本原則是既保證安全可靠，又經(jīng)濟(jì)合理。鋼材的質(zhì)量等級(jí)愈高，其價(jià)格也愈高。因此應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)，來選擇適宜的鋼材。四、常用鋼材的規(guī)格鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材主要是熱軋成型的鋼板、型鋼和冷加工（冷彎、冷壓和冷軋）成型的薄壁型鋼。1.熱軋鋼板鋼板的標(biāo)注符號(hào)是“－（截面代號(hào)）寬度×厚度×長(zhǎng)度”，單位為mm，亦可用“－寬度×厚度”或“－厚度”來表示。如－360×12×3600，亦可表示如－360×12或－12。2.熱軋型鋼（1）角鋼分為等邊和不等邊角鋼兩種。角鋼標(biāo)注符號(hào)是“∟邊寬×厚度（等邊角鋼）或∟長(zhǎng)邊寬×短邊寬×厚度（不等邊角鋼），單位為mm”。如∟100×8和∟100×80×8。（2）槽鋼

有熱軋普通槽鋼和輕型槽鋼兩種。槽鋼規(guī)格用槽鋼符號(hào)[或Q[表示。例如，普通槽鋼[10、[20a，輕型槽鋼Q[20a。（3）工字鋼

有普通工字鋼和輕型工字鋼兩種。例如，普通工字鋼I18、I50a，輕型工字鋼QI50。（4）H型鋼

H型鋼比工字鋼的翼緣寬度大并為等厚度，截面抵抗矩較大且質(zhì)量較小，便于與其它構(gòu)件連接。熱軋H型鋼分為寬、中、窄翼緣H型鋼，它們的代號(hào)分別為HW、HM和HN。例如HW260a、HM360、HN300b。鋼管

鋼結(jié)構(gòu)中常用熱軋無縫鋼管和焊接鋼管。用“Ф外徑×壁厚”表示，單位為mm，例如Ф360×6。3.薄壁型鋼薄壁型鋼通常是用1.5～6mm厚的薄鋼板冷加工而成，其截面形式和尺寸可按工程要求合理設(shè)計(jì)。與相同截面積的熱軋型鋼相比，其截面抵抗矩大，鋼材用量可顯著減少。但因板壁較薄，對(duì)銹蝕影響較為敏感。六、我國(guó)目前建筑鋼材存在的主要問題

1．厚板可焊性差，Q345等厚板焊接時(shí)，易出現(xiàn)層狀撕裂。應(yīng)采用Z向鋼，即《厚度方向性能鋼板GB5313》，要求沿厚度方向有良好的抗層狀撕裂性能，用厚度方向拉力試驗(yàn)的斷面收縮率來評(píng)定。應(yīng)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)特厚鋼。2．高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼在冷彎薄壁型鋼中的應(yīng)用尚未解決好，不能滿