第二章 鋼結(jié)構(gòu)材料教材

第二章鋼結(jié)構(gòu)材料第一節(jié)鋼材主要性能鋼材性能要求：1、高強(qiáng)2、較大的塑性變形和吸收沖擊動(dòng)能3、良好的可焊性五大指標(biāo)：①屈服強(qiáng)度；②拉伸強(qiáng)度；③伸長率；④冷彎加工性；⑤沖擊韌性一.拉伸試驗(yàn)性能Q235鋼棒拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)1000KN萬能試驗(yàn)機(jī)與鋼棒試件拉伸試驗(yàn)性能曲線

OA：彈性段

AB：彈塑段

BC：塑流段

CD：應(yīng)變硬化段隨應(yīng)變增加，屈服極限提高，塑變儲(chǔ)備減少。

DE：頸縮段，破壞并喪失承載力彈性模量：E=，E=206×

②拉伸強(qiáng)度：為最高峰值應(yīng)力強(qiáng)屈比：①屈服點(diǎn)：塑流段應(yīng)力波動(dòng)極小值為屈服強(qiáng)度，亦為抗力標(biāo)準(zhǔn)值；鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度值③伸長率（塑變標(biāo)志）

----試件標(biāo)距=18-26%,抗震應(yīng)>20%----試件拉斷后的長度=5d，d----橫截面直徑二.冷彎試驗(yàn)性能

④

冷彎性能：檢驗(yàn)鋼材適應(yīng)冷加工能力和內(nèi)部缺欠狀況，以及復(fù)雜狀態(tài)下的塑性變形能力。對壓頭施加荷載進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)梁三點(diǎn)彎曲，將試件彎曲180°無分層或裂紋為合格。試件寬度B=2a，鋼材厚度為a;

凈跨徑為d+2.1a;

沖頭彎心直徑d，d=a、1.5a、2a、

2.5a、3ad與鋼材牌號(hào)有關(guān)。板材橫放、型材豎放三.沖擊試驗(yàn)性能⑤沖擊韌性:鋼材在沖擊荷載下斷裂時(shí)吸收機(jī)械能，或抵抗因低溫、應(yīng)力集中導(dǎo)致脆性斷裂能力的指標(biāo)。我國采用：V型缺口標(biāo)準(zhǔn)梁L×W×H=55㎜×10㎜×10㎜凈跨徑40㎜，兩端支撐，中心受擺錘沖擊

韌性指標(biāo)由Cv值（J）表達(dá)，即V型沖擊功碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235有A、B、C、D四個(gè)質(zhì)量級沖擊韌性指標(biāo)，除A級外，Q235和其它低碳鋼沖擊功應(yīng)大于27（J）Q235溫度-20~20℃，Q345等-40~20℃Q235-A質(zhì)量等級只承受靜載第二節(jié)鋼材性能成因和影響因素

含碳量用途低碳鋼

<0.25%建筑結(jié)構(gòu)鋼（<0.22%）中碳鋼

0.25~0.60%高強(qiáng)螺栓，齒輪高碳鋼

0.60%工具鋼，車刀一.成因：1.化學(xué)成分鋼是鐵碳合金，純鐵軟塑<0.002%,加碳后變堅(jiān)硬，>2.0%為生鐵。(1)碳素鋼（2）低合金鋼

錳

Mn：顯著提高強(qiáng)度、塑韌性下降小，為弱脫氧劑，減小氧含量（熔煉中），改善熱脆性能；有益元素：人為加入Mn、Si、V碳素鋼中加入少量合金元素?zé)岽啵毫蚧F（FeS），氧化鐵（FeO）

在800~1000℃熔化成裂紋。錳能與硫化合成硫化錳，減小熱脆現(xiàn)象。Q345，Q390鋼中，錳為1.2~1.6%。使焊接性、塑性、韌性變差硅

Si：強(qiáng)脫氧劑，改善熱脆；使晶粒變細(xì)，強(qiáng)度提高。釩

V：抗腐蝕，提高強(qiáng)度。硫

S：生成硫化鐵（FeS）導(dǎo)致熱脆；有害元素：原始存在S、P、O、N

磷

P：降低低溫韌性，導(dǎo)致冷脆；焊接結(jié)構(gòu)鋼硫含量不超0.035~0.050%磷含量不超過0.035~0.045%冷脆：低溫時(shí)韌性降低易產(chǎn)生脆性破壞

氧

O：生成氧化鐵（FeS）導(dǎo)致熱脆

氮

N：冷脆2、熔煉、澆注與軋制生產(chǎn)工藝對材質(zhì)的影響按熔注脫氧程度：

沸騰鋼（F）：

弱脫氧，澆注錠模時(shí)，氧化鐵與碳生成一氧化碳（CO）氣體大量逸出，使鋼液“沸騰”。A、B質(zhì)量等級鎮(zhèn)靜鋼

Z：加適量硅、錳作強(qiáng)脫氧劑，澆注錠模時(shí)，鋼液不“沸騰”；C級半鎮(zhèn)靜鋼

b：介于上述兩者;包括脫氧程度、質(zhì)量和價(jià)格；C級特殊鎮(zhèn)靜鋼：脫氧徹底，晶粒微細(xì)、數(shù)量大，D級

軋制：使氣泡，裂紋愈合3、熱處理

調(diào)質(zhì)：淬火后高溫回火，消除應(yīng)力集中，提高強(qiáng)度，改善韌性與塑性。二.影響鋼材性能的其它因素鋼材構(gòu)件在冷拉、冷拔、冷彎、沖孔、剪切等冷加工中，產(chǎn)生很大的塑性變形。

冷加工硬化冷加工（彎拉）超過鋼材屈服點(diǎn)，卸載后重新加載，屈服點(diǎn)提高，塑變能力下降。應(yīng)變時(shí)效

①應(yīng)變硬化

B點(diǎn)有記憶②時(shí)效硬化屈服強(qiáng)度隨時(shí)間提高并轉(zhuǎn)脆屈服應(yīng)力提高的兩個(gè)部分：（1）升溫：100℃強(qiáng)度不變;200℃徐變；600℃承載能力完全喪失。（2）降溫：使沖擊韌性下降，鋼材由塑性破壞轉(zhuǎn)為脆性破壞；選材時(shí)應(yīng)使轉(zhuǎn)變溫度低于結(jié)構(gòu)工作環(huán)境溫度；

Q235鋼，計(jì)算溫度≥－15℃。應(yīng)力集中：構(gòu)件幾何形態(tài)突變，應(yīng)力大小有關(guān)。重復(fù)荷載：疲勞破壞。

溫度影響第三節(jié)鋼材疲勞

①破壞應(yīng)力小于拉伸強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度②塑變極小

疲勞破壞特點(diǎn)：一.疲勞斷裂概念重復(fù)荷載下，因裂縫擴(kuò)展導(dǎo)致的材料脆性破壞。吊車梁疲勞荷載鋼材疲勞破壞主要取決：ρ=-1

完全對稱循環(huán)

應(yīng)力循環(huán)特征參數(shù)：循環(huán)應(yīng)力特征、循環(huán)應(yīng)力幅、循環(huán)次數(shù)（除鋼材質(zhì)量、幾何尺寸和缺陷外）

應(yīng)力幅：-1<ρ<0拉應(yīng)力為主的不對稱循環(huán)ρ=0脈沖循環(huán)ρ>0同號(hào)應(yīng)力循環(huán)疲勞應(yīng)力指標(biāo)由應(yīng)力幅表達(dá)焊縫冷卻與殘余應(yīng)力焊縫附近翼緣中產(chǎn)生垂直截面的殘余拉應(yīng)力，并接近或等于屈服應(yīng)力殘余拉壓應(yīng)力自平衡靜載承載能力不變焊縫附近翼緣中產(chǎn)生垂直截面的殘余拉應(yīng)力，并接近或等于屈服應(yīng)力σ脈沖拉應(yīng)力加到翼緣上脈沖應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加（加載）脈沖應(yīng)力（卸載）①翼緣全部屈服取決于應(yīng)力大??；②焊縫附近實(shí)際應(yīng)力變化，只是從變到即③焊縫裂紋擴(kuò)張與裂紋應(yīng)力集中系數(shù)η及循環(huán)應(yīng)力幅有關(guān)二.應(yīng)力幅與循環(huán)次數(shù)（）

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得：應(yīng)力幅與致?lián)p循環(huán)次數(shù)應(yīng)力幅與致?lián)p循環(huán)次數(shù)對數(shù)曲線（均值線）n----致?lián)p循環(huán)次數(shù)；BC為循環(huán)次數(shù)取值范圍。左線為一定應(yīng)力幅對應(yīng)的最小循環(huán)次數(shù)，對正態(tài)分布有97.7%的保證率，故

（均值線）疲勞方程：

——直線斜率對數(shù)致?lián)p循環(huán)次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)方差左線截距————應(yīng)力幅：焊接

非焊接三.疲勞驗(yàn)算及容許應(yīng)力幅（拉正壓負(fù)）焊接件形式：常幅疲勞：應(yīng)力幅有規(guī)律變化非焊接件不存在殘余應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度除應(yīng)力幅外，還與最大應(yīng)力和循環(huán)特征有關(guān)，故采用0.7作換算。求容許應(yīng)力幅由疲勞方程取以10為底指數(shù)：n——應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，

次；C，β系數(shù)，按構(gòu)件與連接方式查表8-2參數(shù)b、m、

與構(gòu)件類型和連接方式有關(guān)化簡后，常幅疲勞容許應(yīng)力幅為：

構(gòu)件連接類型

兩側(cè)角焊

C

β3

59

n=

次實(shí)驗(yàn)包括Q235，Q345，Q390三種鋼材

第四節(jié)鋼種、鋼號(hào)及鋼材選擇碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼號(hào)：Q195Q215Q235A、B、C、D

Q255Q275一.鋼種與鋼號(hào)鋼種：碳素結(jié)構(gòu)鋼，低合金結(jié)構(gòu)鋼Q為屈服點(diǎn)漢語拼音首位字母數(shù)字為厚度≤16㎜鋼材屈服強(qiáng)度(標(biāo)準(zhǔn)抗力)

碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示：Q×××－質(zhì)量等級符號(hào)·脫氧方法質(zhì)量等級分為A、B、C、D四級，由低到高，按沖擊韌性、冷彎性能和脫氧方法劃分建筑結(jié)構(gòu)鋼主要用Q235鋼號(hào)A、B—沸騰鋼F、半鎮(zhèn)靜鋼b、鎮(zhèn)靜鋼ZC—鎮(zhèn)靜鋼D—特殊鎮(zhèn)靜鋼

Q235-AQ235-CQ235-A·FQ235-DQ235-BQ235-B·b鋼號(hào)：Q345Q390Q420分為A、B、C、D、E五個(gè)質(zhì)量等級

低合金結(jié)構(gòu)鋼在碳素鋼中加入錳、釩、硅等元素，煉制成合金鋼，獲得優(yōu)良力學(xué)性能二.鋼材選擇選擇標(biāo)準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理考慮因素：①構(gòu)件重要性②荷載性質(zhì)（動(dòng)、靜）③連接方法：焊接、鉚接、螺栓連接④工作條件（溫度、腐蝕）A級無沖擊要求B級20℃沖擊功≥34JC級0℃≥34JD級-20℃≥34JE級-40℃≥27JQ235、Q345伸長率≥21%Q390

≥19%Q420≥18%碳、硫、磷、鋁含量符合相應(yīng)要求靜載：Q235-A動(dòng)載：Q235-B低溫：-20℃～-40℃：

Q235-CQ235-DQ345Q390非焊接：Q235-A·F焊接：Q235-A·b或z地鐵明挖基坑鋼支撐Q235-B三、型鋼規(guī)格表示方法：－厚×寬×長（單位，㎜）如－10×300×40001.熱軋鋼板用途：構(gòu)件腹翼板、綴板、支撐鋼板加勁肋、面板鋼構(gòu)件用型鋼和鋼板制成，先選型鋼，尺寸不足再用鋼板制作

厚（mm）

寬（mm）

長（m）厚板：4.50～60600～30004～12薄板：0.35～4500～1500

0.5～4扁鋼：4～6012～2003～92.熱軋型鋼等邊角鋼L100×10肢寬×肢厚

不等邊角鋼L100×80×10長肢寬×短肢寬×肢厚角鋼：桁架桿件、綴條、連接件

槽鋼：柱、梁、檁條熱軋普通槽鋼，用Q235鋼軋制表示方法：［36a36為360㎜槽鋼高度，a、b、c為不同腹板厚度，按2㎜遞增工字鋼:梁、柱表示方法：

I40aa、b、c為腹板類型以2㎜遞增H型鋼：梁、柱、支撐特點(diǎn)：翼緣寬而等厚，慣性和回轉(zhuǎn)半徑大幅增加，內(nèi)外表面平行，便于連接。表示方法：

HW200×200HW寬HN窄HM中鋼管：表示方法：D×tφ400×6①無縫鋼管：直徑Dφ32～630

壁厚t2.5～16②電焊鋼管：Dφ32～152t2～5.5（單位：mm）空間桁架桿件，工作平臺(tái)立柱施工模板支架立柱，鋼管砼3.冷彎型鋼與壓型鋼板冷彎薄壁型鋼由厚度1.5～6㎜熱軋鋼板或鋼帶經(jīng)冷加工（冷彎，冷壓）成型，同一截面各部分厚度相同。特點(diǎn)：因壁較薄，對銹蝕影響敏感與相同截面積熱軋型鋼相比，截面輪廓尺寸大而壁薄，截面慣性矩和回轉(zhuǎn)半徑較大，受力性能較好、節(jié)約鋼材用途