第18章-鋼結構材料

《》模塊四鋼結構第18章鋼結構及鋼結構材料

鋼結構廣泛應用在：重型結構及大跨度建筑結構；多層、高層及超高層建筑結構；輕鋼結構；塔桅等高聳結構；鋼-混凝土組合結構。隨著我國鋼鐵產(chǎn)量的日益增加以及我國用鋼政策的調整，鋼結構將會更加廣泛地應用在各個領域。要深入了解鋼結構的特性，首先必須了解鋼結構常用材料的一些性能，例如，鋼材的主要力學性能及鋼結構用鋼的種類。第18章鋼結構材料18.1鋼材的主要力學性能

鋼結構在使用過程中會受到各種形式的作用，因此要求鋼材應具有良好的力學性能、加工性能和耐腐蝕性能，以保證結構安全可靠。第18章鋼結構及鋼結構材料一、鋼材的σ-ε曲線

低碳鋼在單向拉伸時的σ-ε曲線是通過靜力拉伸試驗得到的，如圖18-1所示。從圖18-1可以看出，鋼材的工作特性可以分成如下幾個階段：圖18-1鋼材的σ-ε曲線第18章鋼結構及鋼結構材料

1.彈性階段（OAB段）在曲線OAB段，鋼材處于彈性階段，當荷載增加時變形也增加，當荷載降到0時（完全卸載）變形也降到0（曲線回到原點）。其中，OA段是一條線段，荷載與伸長成正比，符合胡克定律。A點對應的應力稱為比例極限，用fp表示，B點對應的應力稱為彈性極限，用fe表示。

2.屈服階段（BCD段）當應力超過彈性極限后，應力不再增加，僅有些微小的波動；而應變卻在應力幾乎不變的情況下急劇增長，材料暫時失去了抵抗變形的能力。這個現(xiàn)象一直持續(xù)到D點。這種應力幾乎不變，應變卻不斷增加，從而產(chǎn)生明顯塑性變形的現(xiàn)象，稱為屈服現(xiàn)象。第18章鋼結構及鋼結構材料

3.強化階段（DE段）經(jīng)過屈服階段以后，從D點開始曲線又逐漸上升，材料又恢復了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形，必須增加應力，這種現(xiàn)象稱為材料的強化。此時鋼材的彈性并沒有完全恢復，塑性特性非常明顯，此時若將外力慢慢卸去，應力-應變關系將沿著與OA近乎平行的直線下降。這說明材料的變形已不能完全消失，其中，能消失的變形稱為彈性變形（應變）；殘留下來的變形稱為塑性變形（應變）。曲線最高點E點，是材料所能承受的最大荷載，其對應的應力，稱為強度極限或抗拉強度，用fu表示。

4.頸縮階段（EF段）當應力超過極限強度時，在試件材料質量較差處，截面出現(xiàn)橫向收縮，截面面積開始顯著縮小，塑性變形迅速增大，這種現(xiàn)象稱為頸縮。此時，應力不斷降低，變形卻持續(xù)發(fā)展，直至F點試件斷裂。第18章鋼結構及鋼結構材料

由以上現(xiàn)象可以看到，當應力到達屈服極限fy時，鋼材會產(chǎn)生顯著的塑性變形；當應力到達抗拉強度（強度極限）fu時，鋼材會由于局部變形而導致斷裂，這都是工程實際中應當避免的。因此，屈服極限和抗拉強度是反映鋼材強度的兩個主要性能指標，其他指標還有彈性模量、比例極限等。（1）比例極限（fp）應力小于比例極限時，應力-應變?yōu)橹本€關系。彈性極限比其略高，在應力小于彈性極限時，鋼材處于彈性階段，若在此時卸載，則拉伸變形可以完全恢復。應力-應變曲線的斜率就是鋼材的彈性模量。第17章鋼結構及鋼結構材料

（2）屈服極限（fy）應力達到屈服極限后，應力保持不變而應變持續(xù)發(fā)展，形成屈服臺階，鋼材進入塑性階段。設計時，屈服極限被視為靜力強度的承載力極限，其原因是：①屈服極限可以看成彈性工作和塑性工作的分界點。應力達到屈服極限后，塑性變形很大，極易察覺，可及時處理而不致破壞；②應力達到屈服極限后，鋼材仍可以繼續(xù)承載（到達極限強度后才破壞），這樣，鋼材有必要的安全儲備。因此可以認為鋼材是理想的彈塑性材料，并將屈服極限fy作為鋼材彈性和塑性的分界點，如圖18-2所示。這就為進一步發(fā)展鋼結構的計算理論提供了基礎。第18章鋼結構及鋼結構材料圖18-2理想的彈塑性體高強度鋼沒有明顯的屈服極限，以卸載后殘余應變?yōu)?.2%所對應的應力作為屈服強度(有時用f0.2表示）。鋼結構設計中對以上二者不加區(qū)別，統(tǒng)稱為屈服強度，用fy表示。

(3)極限（抗拉）強度（fu）屈服臺階過后，鋼材內部組織經(jīng)過調整，對荷載的抵抗能力有所提高，鋼材進入強化階段。應力達到極限強度時，試件在最薄弱處出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象，隨之破壞。(4)屈強比

屈強比是指屈服強度和抗拉強度的比值，它是衡量鋼材強度儲備的一個系數(shù)。將屈服強度和抗拉強度的比值fy/fu定義為屈強比，作為衡量鋼材強度儲備的一個系數(shù)。屈強比越低，鋼材的安全儲備越大。第18章鋼結構及鋼結構材料二、鋼材的塑性

塑性是指當應力超過屈服極限后，能產(chǎn)生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即斷裂的性質。衡量鋼材塑性好壞的主要指標是伸長率δ和斷面收縮率ψ。δ、ψ值愈大，鋼材的塑性愈好。

1.伸長率伸長率δ是應力-應變曲線中的最大應變值，等于試件拉斷后的原標距間長度的伸長值和原標距比值的百分率。即式中δ——伸長率；

l0——試件原標距間長度；

l1——試件拉斷后的標距間長度。（18-1）第18章鋼結構及鋼結構材料

2.斷面收縮率斷面收縮率是指試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分率，即式中A0——試件原斷面面積；

A1——試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積。

（18-2）第18章鋼結構及鋼結構材料三、鋼材的冷彎性能

鋼材的冷彎性能是指鋼材在冷加工（常溫下加工）中產(chǎn)生塑性變形時，對發(fā)生裂縫的抵抗能力。鋼材的冷彎性能用冷彎試驗來檢驗。冷彎試驗在材料試驗機上進行，通過冷彎沖頭加壓，如圖18-3所示。當試件彎曲至180°時，檢查試件彎曲部分的外面、里面和側面。如無裂紋、斷裂或分層，則認為試件冷彎性能合格。圖18-3冷彎試驗示意圖

冷彎試驗一方面可以檢驗鋼材能否適應構件制作中的冷加工工藝過程；另一方面通過試驗還能暴露出鋼材的內部缺陷，鑒定鋼材的塑性和可焊性。冷彎試驗是鑒定鋼材質量的一種良好方法，是衡量鋼材力學性能和冶金質量的綜合指標。第18章鋼結構及鋼結構材料四、鋼材的沖擊韌性

鋼材的強度和塑性指標是由靜力拉伸試驗獲得的，用于承受動力荷載時，顯然有很大的局限性。衡量鋼材抗沖擊性能的指標是鋼材的韌性。韌性是鋼材在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力，它與鋼材的塑性有關而又不同于塑性，是強度與塑性的綜合表現(xiàn)。韌性指標用沖擊韌性值ak表示，用沖擊試驗獲得。它是判斷鋼材在沖擊荷載作用下是否出現(xiàn)脆性破壞的主要指標之一。在沖擊試驗中，一般采用截面尺寸為10mm×10mm，長度為55mm，中間開有小槽（夏氏V形缺口）的長方形試件，放在提錘式?jīng)_擊試驗機上進行試驗，如圖18-4所示。沖斷試樣后，可求出ak值。即第18章鋼結構及鋼結構材料圖18-4沖擊試驗示意圖式中ak——沖擊韌性值，N·m/cm2（或J/cm2）；

Ak——沖擊功，N·m（或J），由試驗機上的刻度盤讀出，或按式

Ak=W(h1-h2)計算；W——擺錘質量，N；

h1、h2——沖斷前、后的擺錘高度，m；

An——試件缺口處的凈截面面積，cm2。（18-3）第18章鋼結構及鋼結構材料五、鋼材的可焊性

鋼材的可焊性是指在一定工藝和結構條件下，鋼材經(jīng)過焊接能夠獲得良好的焊接接頭的性能?？珊感苑譃槭┕ど系目珊感院褪褂眯阅苌系目珊感?。施工上的可焊性是指對產(chǎn)生裂紋的敏感性；使用性能上的可焊性是指焊接構件在焊接后的力學性能是否低于母材的性能。一般來說，可焊性良好的鋼材，用普通的焊接方法焊接后焊縫金屬及其附近熱影響區(qū)的金屬不產(chǎn)生裂紋，并且其機械性能不低于母材的機械性能。18.2鋼材的破壞

鋼材雖然具有較好的塑性性能，但仍存在塑性破壞和脆性破壞兩種可能。

1.塑性破壞塑性破壞也稱為延性破壞。它的特征是構件應力超過屈服極限fy，并達到抗拉強度fu后，構件產(chǎn)生明顯的變形并斷裂；塑性破壞的斷口常為杯形，呈纖維狀，色澤發(fā)暗。塑性破壞在破壞前有很明顯的變形，并有較長的變形持續(xù)時間，便于發(fā)現(xiàn)和補救。

2.脆性破壞脆性破壞在破壞前無明顯變形，平均應力亦小（一般都小于屈服極限），沒有任何預兆，破壞斷口平直并呈有光澤的晶粒狀。脆性破壞是突然發(fā)生的，危險性大，應盡量避免。第18章鋼結構及鋼結構材料第18章鋼結構及鋼結構材料

影響鋼材脆斷的直接因素是裂紋尺寸、作用應力和材料的韌性。提高鋼材抗脆斷性能的主要措施有：（1）加強施焊工藝管理，避免施焊過程中產(chǎn)生裂紋、夾渣和氣泡等。（2）焊縫不宜過分集中，施焊時不宜過強約束，避免產(chǎn)生過大殘余應力。低溫下發(fā)生低應力的脆斷，常與殘余應力有關。（3）進行合理細部構造設計，避免產(chǎn)生應力集中。應力集中處會產(chǎn)生同號應力場，使鋼材變脆。盡量避免采用厚鋼板，厚鋼板比薄鋼板較易脆斷。（4）選擇合理的鋼材，鋼材化學成分與鋼材抗脆斷能力有關，含碳量多的鋼材，抗脆斷性能有所下降。對于在低溫下工作的鋼結構，應選擇抗低溫沖擊韌性好的材料。此外，冷加工、加載速度等對鋼材脆斷性能都有影響，在設計中應加以注意。

18.3建筑鋼結構用鋼材一、碳素結構鋼

碳素結構鋼是最普遍的工程用鋼，按其含碳量的多少，又可分成低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼三種。通常把含碳量為0.03%～0.25%的鋼材稱為低碳鋼，含碳量為0.25%～0.60%的鋼材稱為中碳鋼，含碳量為0.60%～2.0%的鋼材稱為高碳鋼。建筑鋼結構主要使用的鋼材是低碳鋼。

1.普通碳素結構鋼按照最新國家標準《碳素結構鋼》（GB/T700-2006

）規(guī)定，碳素結構鋼分為四個牌號，即Q195、Q215、

Q235和Q275。第18章鋼結構及鋼結構材料

牌號由代表屈服極限的字母、屈服極限數(shù)值、質量等級、脫氧方法符號四個部分按順序組成。其中

Q——鋼材屈服極限，“屈”字漢字拼音首字母；

A、B、C、D——質量等級；

F——沸騰鋼；

b——半鎮(zhèn)靜鋼；

Z——鎮(zhèn)靜鋼；

TZ——特殊鎮(zhèn)靜鋼，相當于橋梁鋼。第18章鋼結構及鋼結構材料

對于Q235來說，A、B兩級鋼的脫氧方法可以是“Z”、“b”或“F”，C級鋼只能是“Z”，D級鋼只能是“TZ”，其中，用“Z”與“TZ”符號時可以省略。例如：Q235—A·F表示屈服極限為235N／mm2的A級沸騰鋼；

Q235—B表示屈服極限為235N／mm2的B級鎮(zhèn)靜鋼。

2.優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼是以滿足不同加工要求，而賦予相應性能的碳素鋼。《優(yōu)質碳素結構鋼》（GB/T699—1999）中所列牌號適于建筑鋼結構使用的有四個牌號，分別是Q195，Q215A、B，Q235A、B、C、D，Q275。第18章鋼結構及鋼結構材料

第18章鋼結構及鋼結構材料二、低合金高強度結構鋼

低合金高強度結構鋼是指在煉鋼過程中添加一些合金元素，其總量不超過5%的鋼材、加入合金元素后鋼材強度可明顯提高，使鋼結構構件的強度、剛度、穩(wěn)定三個主要控制指標都能充分發(fā)揮，尤其在大跨度或重負載結構中優(yōu)點更為突出，一般可比碳素結構鋼節(jié)約20%左右的用鋼量低合金高強度結構鋼的牌號表示方法與碳素結構鋼一致，即由代表屈服極限的漢語拼音首字母（Q）、屈服極限數(shù)值、質量等級符號（A、B、C、D、E）三個部分按順序排列表示。根據(jù)《低合金高強度結構鋼》（GB/T1591-2008）,鋼的牌號共有Q345、Q390、Q420和Q460、Q500、Q550、Q620和Q690八種，隨著質量等級的變化，其化學成分（熔煉分析）和力學性能也有變化。

在鋼的冶煉過程中，加入少量特定的合金元素，一般為Cu、Cr、Ni等，使之在金屬基體表面上形成保護層，以提高鋼材耐大氣腐蝕性能，這類鋼統(tǒng)稱為耐大氣腐蝕用鋼或耐候鋼。我國現(xiàn)行生產(chǎn)的這類鋼又分為高耐候結構鋼和焊接結構用耐候鋼兩類。

1.高耐候結構鋼按照即將實施的國家標準GB／T417l-2008的規(guī)定，這類鋼材適用于耐大氣腐蝕的建筑結構，產(chǎn)品通常在交貨狀態(tài)下使用。但作為焊接結構用材時，板厚應不大于16mm。這類鋼的耐候性能比焊接結構用耐候鋼好，故稱為高耐候結構鋼。高耐候結構鋼按化學成分分為：銅磷鋼和銅磷鉻鎳鋼兩類。三、耐大氣腐蝕用鋼（耐候鋼）第18章鋼結構及鋼結構材料

其牌號表示方法是由分別代表“屈服極限”和“高耐候”的拼音首字母Q和GNH以及屈服極限數(shù)值組成，含Cr、Ni的高耐候結構鋼在牌號后加代號“L”。例如，牌號Q345GNHL表示屈服極限為345MPa、含有鉻、鎳的高耐候結構鋼。高耐候結構鋼共分Q265GNH、Q295GNHL、Q310GNHL、Q355GNH四種牌號。

2.焊接結構用耐候鋼這類耐候鋼以保持鋼材具有良好的焊接性能為特點，其適用厚度可達100mm。牌號表示由代表“屈服極限”的字母Q和“耐候”的字母NH以及鋼材的質量等級（C、D、E）順序組成；規(guī)定共為Q235NH、Q295NH、Q355NH、Q415NH、Q460NH、Q500NH、Q550NH七種牌號，鋼材的質量等級只與鋼材沖擊韌件的試驗溫度與沖擊功數(shù)值有關。第18章鋼結構及鋼結構材料四、建筑鋼材的規(guī)格

鋼結構所用的鋼材主要有熱軋鋼板、型鋼、圓鋼以及冷彎薄壁型鋼，還有熱軋鋼管和冷彎焊接鋼管。如圖18-5所示。第18章鋼結構及鋼結構材料圖18-5建筑鋼材的規(guī)格

1.熱軋鋼板和型鋼

工字鋼有普通工字鋼和輕型工字鋼。普通工字鋼用號數(shù)表示，號數(shù)為截面高度的厘米數(shù)。20號以上的工字鋼,同一號數(shù)根據(jù)腹板厚度不同分為a、b、c三類，如I32a、I32b、I32c。輕型工字鋼比普通工字鋼的腹板薄，翼緣寬而薄。

H型鋼比工字鋼的翼緣寬度大而且等厚，因此更高效。依據(jù)《熱軋H型鋼和部分T型鋼》（