第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料

第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1對鋼結(jié)構(gòu)用材的要求———————————————2.1對鋼結(jié)構(gòu)用材的要求———————————————

規(guī)范規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服點和碳、硫、磷含量的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證；對某些承受動力荷載的結(jié)構(gòu)以及重要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有常溫或負(fù)溫沖擊性的合格保證.現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GBJ50017-2003）推薦承重結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235，及低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼中的Q345、Q390及Q420鋼。2.2鋼材的主要性能及其鑒定———————————————（1）單向均勻受拉的工作特性

在常溫靜載情況下，考察Q235鋼材標(biāo)準(zhǔn)試件受單向拉伸試驗時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。圖標(biāo)準(zhǔn)試件（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————儀器(1)(2)(3)(4)（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————鋼筋拉伸實驗錄像（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————單向受拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線1)彈性階段：OAE段OA直線的斜率稱為彈性模量E，fp稱為比例極限，fe稱為彈性極限.（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————單向受拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線2)彈塑性階段：EC段σ與ε不呈比例，除彈性變形外還有塑性變形,fy稱為屈服強(qiáng)度，又叫屈服點（yieldpoint）.（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————單向受拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線3)屈服階段：CF段

鋼材完全屈服，σ不增加（保持fy），而ε驟增.（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————單向受拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線4)強(qiáng)化階段：FB段經(jīng)過屈服階段后，鋼材內(nèi)部組織重新排列，抵抗外力的能力增強(qiáng)。（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————單向受拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線5)頸縮階段：BD段應(yīng)力超過fu后，試件出現(xiàn)“頸縮”而斷裂，fu稱為抗拉強(qiáng)度(tensilestrength）.（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，把鋼材的屈服點fy作為鋼材的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fk＝fy。

常用結(jié)構(gòu)鋼材的強(qiáng)度設(shè)計值f（designvalue）可查材料手冊（見P333附表11）。彈性設(shè)計時，構(gòu)件的應(yīng)力不能大于f值。

抗拉強(qiáng)度fu在實際構(gòu)件中是不允許達(dá)到的，鋼材的抗拉強(qiáng)度fu值高，可以增加結(jié)構(gòu)的安全保障。（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————高強(qiáng)度鋼材沒有明顯的屈服臺階，這類鋼的屈服點是根據(jù)實驗分析結(jié)果人為規(guī)定的，稱為條件屈服（用f0.2表示，定義為試件卸載后其殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時所對應(yīng)的應(yīng)力）。這類鋼材在設(shè)計中不宜利用塑性。高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力－應(yīng)變曲線（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————斷面收縮率：式中l(wèi)0——試件拉伸前標(biāo)距長度;l1——試件拉斷后原標(biāo)距間長度;A0——試件截面面積;A1——拉斷后頸縮區(qū)的截面面積。鋼材的伸長率愈大，鋼材塑性愈好塑性指標(biāo)延伸率：（1）單向均勻受拉的工作特性———————————————（2）冷彎性能———————————————冷彎(coldbending)試驗—冷彎角a加工性能，塑性變性能力，材質(zhì)均勻性，a=180度合格。指標(biāo)：將根據(jù)試件厚度按規(guī)定的彎曲直徑將試件彎曲1800，如表面無裂紋或分層則合格.（2）冷彎性能———————————————冷彎實驗錄像（3）沖擊韌性———————————————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或振動荷載的能力，它是強(qiáng)度與塑性的綜合表現(xiàn)。

鋼材韌性通過沖擊試驗，測定沖擊功(沖擊韌性值A(chǔ)kv,單位J或akv單位J

/cm2)來表示。（3）沖擊韌性———————————————

用帶缺口（V型或U型）的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行沖擊試驗，試件破壞時截面單位面積吸收的能量，稱沖擊韌性。沖擊韌性越好，表明鋼材越不易脆斷。圖2.4沖擊韌性試驗（3）沖擊韌性———————————————

沖擊韌性：(N?m/cm2)

式中：AK—試驗機(jī)的沖擊功（N?m)；

A—缺口處凈截面面積(cm2)。

（3）沖擊韌性———————————————鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對鋼材的沖擊韌性Akv有常溫和負(fù)溫要求的規(guī)定。選用鋼材時，根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用情況和要求提出相應(yīng)溫度的沖擊韌性指標(biāo)要求。常溫(20℃)和低溫(0℃，-20℃，-40℃)試驗.（4）可焊性(weldability)———————————————②焊接接頭和焊縫的沖擊韌性及近縫區(qū)塑性不低于母材性能。(使用性能上的可焊性)評定可焊性好的標(biāo)志：①在一定的焊接工藝條件下，焊縫和近縫區(qū)均不產(chǎn)生裂紋(施工上的可焊性)

2.3影響鋼材性能的因素———————————————（1）化學(xué)成分的影響———————————————主要化學(xué)成分——鐵（Fe，在碳素結(jié)構(gòu)鋼中約占99%）少量元素——碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、鈦（Ti）、釩（V）（1）化學(xué)成分的影響———————————————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%。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%。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)度鋼中錳的含量可達(dá)

1.0%～1.6%。（1）化學(xué)成分的影響———————————————硫S：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，在高溫時，使鋼材變脆，稱之為熱脆。含量應(yīng)不超過0.045%。(有害成分)磷P：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，在低溫時，使鋼材變脆，稱之為冷脆。含量應(yīng)不超過0.045%?？梢蕴岣邚?qiáng)度和抗銹蝕性。(有害成分)氧O：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，在高溫時，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，發(fā)生冷脆。(有害成分)（1）化學(xué)成分的影響———————————————釩和鈦：是鋼中的合金元素，能提高鋼的強(qiáng)度和抗腐蝕性能，又不顯著降低鋼的塑性。（1）化學(xué)成分的影響———————————————（2）生產(chǎn)工藝的影響———————————————（2）生產(chǎn)工藝的影響a.冶煉———————————————（2）生產(chǎn)工藝的影響b.澆鑄———————————————（2）生產(chǎn)工藝的影響c.軋(ya)制———————————————（2）生產(chǎn)工藝的影響c.軋(ya)制———————————————（2）生產(chǎn)工藝的影響d.熱處理———————————————（2）生產(chǎn)工藝的影響d.熱處理———————————————（2）生產(chǎn)工藝的影響e.冷加工硬化———————————————（2）生產(chǎn)工藝的影響f.溫度的影響———————————————（2）生產(chǎn)工藝的影響f.溫度的影響———————————————（2）生產(chǎn)工藝的影響f.溫度的影響———————————————（2）生產(chǎn)工藝的影響g.應(yīng)力集中———————————————（2）生產(chǎn)工藝的影響g.應(yīng)力集中———————————————（2）生產(chǎn)工藝的影響h.時效———————————————2.4鋼材的塑性破壞、脆性破壞和疲勞破壞———————————————2.4鋼材的塑性破壞、脆性破壞和疲勞破壞———————————————2.4鋼材的塑性破壞、脆性破壞和疲勞破壞———————————————2.4鋼材的塑性破壞、脆性破壞和疲勞破壞———————————————2.4鋼材的塑性破壞、脆性破壞和疲勞破壞———————————————2.4鋼材的塑性破壞、脆性破壞和疲勞破壞———————————————

進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算時，應(yīng)注意下列問題：

(1)按概率極限狀態(tài)計算方法進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算，目前正處于研究階段，因

此，疲勞強(qiáng)度計算用容許應(yīng)力幅法，荷載應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項系數(shù)和動

力系數(shù)，而且應(yīng)力按彈性工作計算。

(2)根據(jù)應(yīng)力幅概念，不論應(yīng)力循環(huán)是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力，只要應(yīng)力幅超過容

許值就會產(chǎn)生疲勞裂紋。但由于裂紋形成的同時，殘余應(yīng)力自行釋放，在完全壓應(yīng)

力(不出現(xiàn)拉應(yīng)力)循環(huán)中，裂紋不會繼續(xù)發(fā)展，故規(guī)范規(guī)定此種情況可不予驗算。

(3)直接承受動力荷載重復(fù)作用的構(gòu)件及連接，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)大

于或等于5×10e4時，應(yīng)進(jìn)行疲勞計算

（4）根據(jù)試驗，不同鋼種的不同靜力強(qiáng)度對焊接部位的疲勞強(qiáng)度無顯著

影響。只是軋制鋼材(因其殘余應(yīng)力較小)和經(jīng)焰切的鋼材和經(jīng)過加工的對接焊

縫(因其殘余應(yīng)力因加工而大為改善)，疲勞強(qiáng)度有隨鋼材強(qiáng)度提高而稍有增加

的趨勢，但這些連接和主體金屬一般不在構(gòu)件疲勞計算中起控制作用。故可認(rèn)

為，疲勞容許應(yīng)力幅與鋼種無關(guān)。2.5建筑鋼材的類別及選用(1)類別———————————————2.5建筑鋼材的類別及選用(1)類別———————————————2.5建筑鋼材的類別及選用(1)類別———————————————2.5建筑鋼材的類別及選用(1)類別———————————————2.5建筑鋼材的類別及選用(1)類別———————————————炭素鋼命名規(guī)則

“QXXX—└┘·[]”，例如Q235A·F、Q235B·b、Q345E·Z。

其中

Q：屈服強(qiáng)度的第一個拼音字母。

XXX

：屈服強(qiáng)度值，單位為N/mm2，結(jié)構(gòu)用鋼常有235、345、390。

└┘：質(zhì)量等級，有A、B、C、D、E五等。其中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，

低合金鋼才有E等。

[]

：脫氧方法，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，其中Z和TZ

可不寫。2.5建筑鋼材的類別及選用(1)類別———————————————2.5建筑鋼材的類別及選用(1)類別———————————————2.5建筑鋼材的類別及選用(1)類別———————————————2.5建筑鋼材的類別及選用(1)類別———————————————2.5建筑鋼材的類別及選用(1)類別———————————————2.5建筑鋼材的類別及選用(1)類別———————————————2.5建筑鋼材的類別及選用(2)選用———————————————基本原則：即要保證結(jié)構(gòu)的安全可靠，又要做到用料經(jīng)濟(jì)合理。選擇鋼材時考慮的因素：

1)結(jié)構(gòu)的重要性；

2)荷載的性質(zhì)；

3)連接方法；

4)結(jié)構(gòu)的工作溫度2.5建筑鋼材的類別及選用(2)選用———————————————2.5建筑鋼材的類別及選用(2)選用———————————————鋼結(jié)構(gòu)用鋼：承重結(jié)構(gòu)宜用Q235、Q345、Q390、Q420。品質(zhì)保證：承重結(jié)構(gòu)鋼材，應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度（通稱三項保證）和硫、磷含量的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)鋼材，除滿足上項外，還應(yīng)有碳含量合格保證，冷彎、沖擊韌性等要求；2.5建筑鋼材的類別及選用(3)型鋼規(guī)格———————————————1、鋼板(plate)（1）熱軋鋼板和鋼帶（2）冷軋鋼板和鋼帶，（3）花紋涂板(