鋼結(jié)構(gòu) 第二章 鋼結(jié)構(gòu)材料

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第二章鋼結(jié)構(gòu)材料本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容 2.1 2.1 鋼材的力學(xué)性能鋼材的力學(xué)性能 2.2 2.2 鋼材的破壞形態(tài)鋼材的破壞形態(tài) 2.3 2.3 影響鋼材性能的因素影響鋼材性能的因素 2.4 2.4 鋼材的分類鋼材的分類 2.5 2.5 鋼材的選用鋼材的選用 2.6 2.6 鋼材的規(guī)格鋼材的規(guī)格 2.1 2.1 鋼材的力學(xué)性能鋼材的力學(xué)性能2.1.1 鋼材的強(qiáng)度鋼材的強(qiáng)度 強(qiáng)度是鋼材的一項(xiàng)主要機(jī)械性能，可通過單向拉伸實(shí)驗(yàn)確定。 圖圖2.1 鋼材的應(yīng)力鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系2.1 2.1 鋼材的力學(xué)性能鋼材的力學(xué)性能2.1.1 鋼材的強(qiáng)度鋼材的強(qiáng)度 1.比例極

2、限P 這是應(yīng)力-應(yīng)變圖中直線段的最大應(yīng)力值。嚴(yán)格地說，比 P略高處還有彈性極限，但彈性極限與 P極其接近，所以通常略去彈性極限的點(diǎn)，把 P看做是彈性極限。2.屈服點(diǎn)y 應(yīng)變?cè)赑之后不再與應(yīng)力成正比，而是漸漸加大，應(yīng)力-應(yīng)變間成曲線關(guān)系，一直到屈服點(diǎn)。3.抗拉強(qiáng)度u 屈服平臺(tái)之后，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)時(shí)又需有應(yīng)力的增長(zhǎng)，但相對(duì)地說應(yīng)變?cè)黾拥每?，呈現(xiàn)曲線關(guān)系直到最高點(diǎn)。 2.1 2.1 鋼材的力學(xué)性能鋼材的力學(xué)性能2.1.1 鋼材的強(qiáng)度鋼材的強(qiáng)度 1.比例極限P 這是應(yīng)力-應(yīng)變圖中直線段的最大應(yīng)力值。嚴(yán)格地說，比 P略高處還有彈性極限，但彈性極限與 P極其接近，所以通常略去彈性極限的點(diǎn)，把 P看做是彈性極限。

3、2.屈服點(diǎn)y 應(yīng)變?cè)赑之后不再與應(yīng)力成正比，而是漸漸加大，應(yīng)力-應(yīng)變間成曲線關(guān)系，一直到屈服點(diǎn)。3.抗拉強(qiáng)度u 屈服平臺(tái)之后，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)時(shí)又需有應(yīng)力的增長(zhǎng)，但相對(duì)地說應(yīng)變?cè)黾拥每?，呈現(xiàn)曲線關(guān)系直到最高點(diǎn)。 2.1 2.1 鋼材的力學(xué)性能鋼材的力學(xué)性能2.1.2 鋼材的塑性鋼材的塑性 鋼材的塑性一般是鋼材破壞前產(chǎn)生塑性變形的能力。衡量鋼材塑性的好壞的主要指標(biāo)是伸長(zhǎng)率和截面收縮率。 圖圖2.2 2.2 拉伸試件拉伸試件%100001LLL 010100%AAA510、2.1 2.1 鋼材的力學(xué)性能鋼材的力學(xué)性能2.1.3 鋼材的冷彎性能鋼材的冷彎性能 鋼材的冷彎性能是衡量鋼材在常溫下彎曲加工產(chǎn)生塑性

4、變形時(shí)，抵抗產(chǎn)生裂紋能力的一項(xiàng)指標(biāo)，由冷彎試驗(yàn)確定。 它還是顯示鋼材內(nèi)部缺陷狀況的一項(xiàng)指標(biāo)；是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下塑性應(yīng)變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標(biāo)。 圖圖2.3 2.3 鋼材冷彎試驗(yàn)示意圖鋼材冷彎試驗(yàn)示意圖2.1 2.1 鋼材的力學(xué)性能鋼材的力學(xué)性能2.1.4 鋼材的沖擊韌性鋼材的沖擊韌性 鋼材的沖擊韌性是也稱作缺口韌性，是衡量鋼材在沖擊荷載作用下，抵抗脆性斷裂能力的一項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，通常采用在材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行沖擊荷載試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。 它用材料在斷裂時(shí)所吸收的總能量來(lái)量度（Ak）。韌性是鋼材強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。 圖圖2.4 2.4 鋼材沖擊韌性鋼材沖擊韌性2.2 2.2 鋼材的破壞形態(tài)鋼材

5、的破壞形態(tài)鋼材的破壞形態(tài)：1、塑性破壞：是構(gòu)件應(yīng)力超過屈服點(diǎn)fy，并達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度f(wàn)u后，構(gòu)件產(chǎn)生明顯的塑性變形而斷裂，其斷口常為杯形，呈纖維狀，色澤發(fā)暗。破壞前有明顯的變形，且有較長(zhǎng)的變形持續(xù)時(shí)間，便于發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)救。 2、脆性破壞：破壞前無(wú)明顯變形，平均應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度f(wàn)u，甚至是低于屈服強(qiáng)度f(wàn)y，其斷口平直，呈有光澤的晶粒狀。破壞系突然，無(wú)明顯預(yù)兆，此破壞危險(xiǎn)性極大，應(yīng)盡量避免。 2.2 2.2 鋼材的破壞形態(tài)鋼材的破壞形態(tài)2.2.1 鋼材的脆性破壞鋼材的脆性破壞 1、產(chǎn)生原因：裂紋、材料的韌性 、鋼材化學(xué)成分 、冶金缺陷、鋼板厚度、加載速度、應(yīng)力性質(zhì)和大小、最低使用溫度、連接方法和應(yīng)力集

6、中等。 2、提高鋼材抗脆性斷裂性能的主要措施有： 1）合理設(shè)計(jì) 2）合理制作 3）合理使用 2.2 2.2 鋼材的破壞形態(tài)鋼材的破壞形態(tài)2.2.2 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞 1、疲勞破壞：鋼材或構(gòu)件在連續(xù)反復(fù)荷載作用下，在應(yīng)力遠(yuǎn)低于極限強(qiáng)度，甚至還低于屈服強(qiáng)度的情況下也會(huì)發(fā)生破壞，這種破壞稱之為疲勞破壞（fatigue failure）。 2、疲勞強(qiáng)度：疲勞破壞時(shí)，鋼材達(dá)到的最大應(yīng)力稱之為疲勞強(qiáng)度。 影響疲勞強(qiáng)度的因素：應(yīng)力的種類（拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力和復(fù)合應(yīng)力等）、應(yīng)力循環(huán)形式、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力集中程度和殘余應(yīng)力等。 2.3 2.3 影響鋼材性能的因素影響鋼材性能的因素2.3.1 化

7、學(xué)成分化學(xué)成分 1、鋼是含碳量小于2%的鐵碳合金。鋼中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。2、普通碳素鋼中， Fe占99%，其余元素占1%。在低合金鋼中，除了上述元素外，還有一定合金元素（鎳、釩、鈦等）（含量低于5%） 2.3 2.3 影響鋼材性能的因素影響鋼材性能的因素2.3.1 化學(xué)成分 碳C ：含量增加，鋼材強(qiáng)度提高，而塑性、韌性和疲勞強(qiáng) 度低。同時(shí)焊接性能和抗腐蝕性惡化。一般在碳素 結(jié)構(gòu)鋼中不應(yīng)超過0.22%，在焊接結(jié)構(gòu)中還應(yīng)低于 0.2 %。硫S：有害元素，常以硫化鐵形式夾雜于鋼中。當(dāng)溫度達(dá) 8001000時(shí)，硫化鐵會(huì)熔化使鋼材變脆，因而在 進(jìn)行焊接或熱加工時(shí)，有可能引發(fā)

8、熱裂紋，稱為熱脆。 降低鋼材的塑性、韌性、可焊性、疲勞強(qiáng)度和抗銹蝕 性能。含量應(yīng)不超過0.055%。 2.3.1 化學(xué)成分 磷P：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，在低溫 時(shí)，使鋼材變脆，稱之為冷脆。含量應(yīng)不超過0.050% 。 可以提高強(qiáng)度和抗銹蝕性。(有害成分)錳Mn：含Mn適量使強(qiáng)度，降低S、O的熱脆影響，改善熱 加工性能，對(duì)其它性能影響不大,有益.在碳素結(jié)構(gòu) 鋼中錳的含量為0.3%0.8%，在低合金高強(qiáng)度鋼 錳的含量可達(dá)0.8%1.8%。硅Si：碳素結(jié)構(gòu)鋼中應(yīng)控制0.3 %, 在低合金高強(qiáng)度鋼中 硅的含量可達(dá)0.55 %。 2.3.1 化學(xué)成分 鋁Al：強(qiáng)脫氧劑，還能細(xì)化晶粒，可

9、提高鋼的強(qiáng)度和低溫韌性 ，在要求低溫沖擊韌性合格保證的低合金鋼中，其含量 不小于0.015%。氧O：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，在高溫時(shí) ，發(fā)生熱脆。 (有害成分)氮N：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，在低溫時(shí) ，發(fā)生冷脆。 (有害成分) 2.3 2.3 影響鋼材性能的因素影響鋼材性能的因素2.3.2 生產(chǎn)工藝影響 1、冶煉：電爐鋼、平爐鋼和氧氣轉(zhuǎn)爐鋼 2、澆鑄：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼 3、軋制：2.3.3 鋼材硬化時(shí)效硬化：鋼材僅隨時(shí)間增長(zhǎng)而變脆的現(xiàn)象稱為時(shí)效硬化 應(yīng)變硬化：鋼材經(jīng)冷加工（冷拉、冷彎等）而產(chǎn)生塑性變形， 卸載后重新加載，可使鋼材屈服點(diǎn)得到提高

10、，但鋼 材塑性和韌性明顯降低的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變硬化（冷 作硬化）應(yīng)變時(shí)效硬化：鋼材經(jīng)應(yīng)變硬化后，其時(shí)效硬化速度將加快， 從而在較短時(shí)間內(nèi)鋼材又產(chǎn)生顯著的時(shí)效硬化的現(xiàn) 象，稱為應(yīng)變時(shí)效硬化 2.3 2.3 影響鋼材性能的因素影響鋼材性能的因素2.3.4 溫度影響 時(shí)，鋼材性能變化不大； 達(dá)250附近時(shí)，鋼材抗拉強(qiáng)度略有提高，而塑性、韌性均下降，此時(shí)加工有可能產(chǎn)生裂縫。因鋼材表面氧化膜呈藍(lán)色，此現(xiàn)象稱“藍(lán)脆現(xiàn)象”； 以后，屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度明顯下降； 時(shí)強(qiáng)度幾乎等于零。 2.3.5 應(yīng)力集中影響 當(dāng)構(gòu)件截面發(fā)生急劇變化，出現(xiàn)幾何不連續(xù)現(xiàn)象（如：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

11、化、內(nèi)部缺陷等），使構(gòu)件截面上的一些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，此謂應(yīng)力集中現(xiàn)象。 T200T300T6002.4 2.4 鋼材的分類鋼材的分類 建筑用鋼主要為 ： 1、碳素結(jié)構(gòu)鋼 2、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 3、優(yōu)質(zhì)碳素鋼 4、優(yōu)質(zhì)鋼絲繩 5、建筑結(jié)構(gòu)用鋼板 6、耐候耐火鋼 2.4 2.4 鋼材的分類鋼材的分類 1、碳素結(jié)構(gòu)鋼 現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB700-2006） 牌號(hào)： Q195、Q215、Q235、Q275 質(zhì)量等級(jí)分為A、B、C、D四級(jí) A級(jí)無(wú)沖擊功規(guī)定，對(duì)冷彎試驗(yàn)只在需方有要求時(shí)才進(jìn)行； B級(jí)要求提供20C時(shí)沖擊功不小于27J； C級(jí)要求提供0C時(shí)沖擊功不小于27J； D級(jí)要求提供

12、-20C時(shí)沖擊功不小于27J。 同時(shí)，B、C、D級(jí)還要求提供冷彎試驗(yàn)合格證書。 2.4 2.4 鋼材的分類鋼材的分類 1、碳素結(jié)構(gòu)鋼 鋼的牌號(hào)有四部分組成： 1、Q代表屈服強(qiáng)度的字母； 2、屈服點(diǎn)的數(shù)值195、215、235、275； 3、質(zhì)量等級(jí)符號(hào) A、B、C、D四個(gè)等級(jí)(碳素結(jié)構(gòu)鋼) A、B、C、D、E五個(gè)等級(jí)（低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼） 4、脫氧方法符號(hào)F代表沸騰鋼、z代表鎮(zhèn)靜鋼、 Tz代表特殊鎮(zhèn)靜鋼。 2.4 2.4 鋼材的分類鋼材的分類2、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 （GB/T 1591-2008） 牌號(hào)： Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q5

13、50、Q620、 Q690八種 交貨時(shí)供方應(yīng)提供力學(xué)性能質(zhì)保書，其內(nèi)容為： 屈服強(qiáng)度（fy）、極限強(qiáng)度（fu）、伸長(zhǎng)率（5或10） 和冷彎試驗(yàn)；還要提供化學(xué)成分質(zhì)保書；需要進(jìn)行疲勞驗(yàn) 算的結(jié)構(gòu)鋼材，尚應(yīng)具有沖擊韌性合格的要求。 2.4 2.4 鋼材的分類鋼材的分類3、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 含碳量小于0.8的碳素鋼 現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件 （GB 699-1999） 分為三類：低碳鋼（C0.25%） 中碳鋼（C為0.25-0.6%） 高碳鋼（C0.6%） 4、優(yōu)質(zhì)鋼絲繩 2.4 2.4 鋼材的分類鋼材的分類5、建筑結(jié)構(gòu)用鋼板（GJ鋼） 現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)用鋼板 （GB/T198792

14、005） GJ鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的主要差異有：規(guī)定了屈強(qiáng)比和屈服強(qiáng)度的波動(dòng)范圍；規(guī)定了碳當(dāng)量CE和焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm；降低了P、S的含量，提高了沖擊功值；降低了強(qiáng)度的厚度效應(yīng)等。 GJ鋼牌號(hào)：Q345GJCZ25 Q屈服強(qiáng)度數(shù)值、GJ 高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼、 C 質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（B、C、D、E）、 Z 厚度方向性能級(jí)別 四部分按順序組成。 2.4 2.4 鋼材的分類鋼材的分類6、耐候耐火鋼 耐候鋼（即耐大氣腐蝕鋼）是介于普通鋼和不銹鋼之間的 低合金鋼系列。 由普碳鋼添加少量銅、鎳等耐腐蝕元素而成，它具有耐 銹，使構(gòu)件抗腐蝕延壽、減薄降耗，省工節(jié)能等特點(diǎn)。 600時(shí)的屈服強(qiáng)度達(dá)

15、到常溫規(guī)格值的三分之二。 2.5 2.5 鋼材的選用鋼材的選用確定鋼材種類及其質(zhì)量等級(jí)：鋼材的選用原則1、結(jié)構(gòu)的重要性 安全等級(jí)不同，所選鋼材的質(zhì)量等級(jí)也應(yīng)不同，重要的結(jié) 構(gòu)構(gòu)件選用質(zhì)量好的鋼材。2、荷載特征 荷載為靜力或動(dòng)力荷載，應(yīng)選用各項(xiàng)性能不同的鋼材。3、連接方法 焊接應(yīng)選擇可焊性好的鋼材；非焊接結(jié)構(gòu)對(duì)含碳量可降低 要求。 2.5 2.5 鋼材的選用鋼材的選用確定鋼材種類及其質(zhì)量等級(jí)：鋼材的選用原則4、結(jié)構(gòu)所處的溫度和環(huán)境 處于負(fù)溫下工作時(shí)，選用負(fù)溫沖擊合格的鋼材，結(jié)構(gòu)周圍 有腐蝕介質(zhì)存在時(shí)要選用抗銹性好的鋼材。5、結(jié)構(gòu)的受力性質(zhì) 經(jīng)常承受拉力的構(gòu)件，應(yīng)選用質(zhì)量較好的鋼材 。6、結(jié)構(gòu)形式

16、與鋼材厚度 鋼材厚度較大的受拉和受彎構(gòu)件，對(duì)材性要求應(yīng)高一些。 2.6 2.6 鋼材的規(guī)格鋼材的規(guī)格鋼結(jié)構(gòu)采用的型材有： 熱軋成型：鋼板、型鋼、圓鋼、鋼管 冷彎成型：薄壁型鋼、焊接鋼管 1、熱軋鋼板 “-” 寬度厚度長(zhǎng)度（mm）2、熱軋型鋼 （1）熱軋角鋼 等肢角鋼 L肢寬肢厚 不等肢角鋼 L長(zhǎng)肢寬短肢寬肢厚 （2）熱軋工字鋼 普通工字鋼 “I”和號(hào)數(shù)(代表截面高度厘米數(shù)) 輕型工字鋼 “QI”和號(hào)數(shù)(代表截面高度厘米數(shù)) 20號(hào)以上的工字鋼，按腹板厚度同一號(hào)數(shù)又分a、b、c 三類。 2.6 2.6 鋼材的規(guī)格鋼材的規(guī)格2、熱軋型鋼（3）熱軋槽鋼 普通槽鋼 “”和號(hào)數(shù) 輕型槽鋼 “Q”和號(hào)數(shù) 14號(hào)以上的槽鋼，按腹板厚度同一號(hào)數(shù)又分a 、b、c 三類（4）H型鋼(高X寬X腹板厚X翼緣厚）部分T型鋼 寬翼緣H型鋼（HW,