第2章 鋼結(jié)構(gòu)的材料

CHAPTER2MaterialsofSteelStructure鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1DemandstotheMaterialsoftheSteelStructure對(duì)鋼結(jié)構(gòu)用材的要求2.2Mainbehaviorsofsteelmaterial鋼材的主要性能2.3FactorsforEffectSteelProductsPerformances

影響鋼材性能的因素2.4EffectsofDuctilityDamageandNon-DuctilityDamage、CycleLoadingandFastLoadingofSteelMaterials

鋼材的延性破壞和非延性破壞、循環(huán)加載和快速加載的效應(yīng)2.5CategoriesofStructureSteelmaterialandSelectionofSteelmaterial

建筑鋼材的類別及鋼材的選用2.1DemandstotheMaterialsoftheSteelStructure

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)用材的要求

Onlyafewofcarbonsteelsandalloysteelscanmeetthedemandstothematerialsofthesteelstructure.符合鋼結(jié)構(gòu)性能要求的鋼材只有碳素鋼及合金鋼中的少數(shù)幾種。Thesteelwhichcanbeusedforsteelstructuremustownthefollowingperformance:用作鋼結(jié)構(gòu)的鋼材必須具有下列性能:用作鋼結(jié)構(gòu)的鋼材必須具有下列性能:1.較高的強(qiáng)度，即抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比較高。2.足夠的變形能力,即塑性和韌性性能好。3.良好的加工性能，即適合冷、熱加工，同時(shí)具有良好的可焊性，不因這些加工而對(duì)強(qiáng)度、塑性及韌性帶來較大的有害影響。4.根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體工作條件，在必要時(shí)還應(yīng)該具有適應(yīng)低溫、有害介質(zhì)侵蝕以及重復(fù)荷載作用等的性能。

2.2鋼材的主要性能及其鑒定2.2.1Stress-strainbehaviorattensiontest單向拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變性能2.2.2Coldbendingbehavior冷彎性能2.2.3Impacttoughness沖擊韌性

2.2.4Solderability可焊性

2.2.5

Identificationofsteelmaterial

鋼材性能的鑒定2.2.1Stress-strainbehaviorattensiontest

單向拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變性能

Thebehaviorofsteelmaterialoccursatroomtemperaturesunderdeadloadinonetimestretchtestismostrepresentative.Andthemainindexesofstrengthanddeformationforsteelmaterialaredeterminedbythistestusingstandardspecimen.鋼材在常溫、靜載條件下一次拉伸所表現(xiàn)的性能最具有代表性。鋼材的主要強(qiáng)度指標(biāo)和變形性能都是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試件一次拉伸試驗(yàn)確定的。Typicalstress-straindiagramforlow-carbonsteelandlow-alloysteel典型的低碳鋼和低合金鋼一次拉伸時(shí)的應(yīng)力--應(yīng)變曲線

Simplifiedstress-straindiagram簡(jiǎn)化的應(yīng)力--應(yīng)變曲線

RThemechanicsperformanceindexesbehavedbystress-strainruleareasfollows:

由應(yīng)力--應(yīng)變規(guī)律表現(xiàn)出的力學(xué)性能指標(biāo)：

Proportionallimitσp（比例極限σp）Yieldstressσy（屈服應(yīng)力σy）

Tensilestrengthσu（抗拉強(qiáng)度σu）

Elongationratio（伸長(zhǎng)率

）由于達(dá)到σy后構(gòu)件產(chǎn)生較大變形，故取它為計(jì)算構(gòu)件的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)；由于達(dá)到σu后構(gòu)件開始破壞，故它為材料的安全儲(chǔ)備。規(guī)范規(guī)定用于塑性設(shè)計(jì)的鋼材必須有fy/

fu≤0.85的屈強(qiáng)比。Elongationratio（伸長(zhǎng)率

）

Elongationratio（伸長(zhǎng)率

）isthepercentageofthepermanentdeformationofthespecimenbeforefracturetotheoriginalmarkedlength.Whenthemarkedlengthischosenbyfiveortentimesofthediameterofthespecimen,thentheElongationratioisdefinedwith5

or

10respectively.伸長(zhǎng)率是斷裂前試件的永久變形與原標(biāo)定長(zhǎng)度的百分率。取試件直徑d

的五或十倍為標(biāo)定長(zhǎng)度，其相應(yīng)的伸長(zhǎng)率用5或10

表示。Yieldpoint，tensilestrengthandelongationratioarethethreeimportantmechanicsperformanceindexesofsteelmaterial.屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率是鋼材的三個(gè)重要力學(xué)性能指標(biāo)。ThemodulusofelasticityEandthestrain-hardeningmodulusEstarealsotheperformanceindexesofsteelmaterialpresentedinonetimestretchtest.材料的彈性模量E和應(yīng)變硬化模量Est也是一次拉伸所表現(xiàn)的性能指標(biāo)。

2.2.2Coldbendingbehavior

冷彎性能

Coldbendingbehaviormeansthecapabilityofsteelmaterialtoresistthecrackwhencold-finished(atroomtemperatures)bringsuptheplasticdeformation.Itisthesynthesisindexestothedeterminationsofplasticdeformationcapacityandmetallurgyquality.Coldbendingbehaviorisinspectedbybendingtest.冷彎性能是指鋼材在冷加工（常溫下加工）產(chǎn)生塑性變形時(shí)，對(duì)產(chǎn)生裂縫的抵抗能力。是判別鋼材塑性變形能力及冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)。冷彎性能由冷彎試驗(yàn)來檢測(cè)。2.2.3Impacttoughness

沖擊韌性

Thetoughnessofsteelisameasureofitsabilitytoabsorbenergyduringitsplasticdeformationandsuddenfracture,also,indicatestheabilityofsteeltotheimpactresistance.Impacttoughnessisthesynthesisperformanceofstrengthandductility.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的能力。沖擊韌性是強(qiáng)度與延展性的綜合表現(xiàn)。

Impacttoughnessisindicatedbymeasuringtheimpactworkatimpacttest.CodestatesCharpyV-notchtestmusttobeused.鋼材韌性通過沖擊試驗(yàn)，測(cè)定沖擊功Akv或Cv來表示。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用夏比實(shí)驗(yàn)法測(cè)定?！禖odefordesignofsteelstructures》hasthespecificationstothesteelimpacttoughnessatroomtemperaturesandbelow-zerotemperatures.So,whenchoosethestructuresteels,theusagesituation,loadingconditionandrequiredtemperatureshouldbeconsidered.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)鋼材的沖擊韌性有常溫和負(fù)溫要求的規(guī)定。選用鋼材時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的使用情況、荷載條件和要求溫度。

2.2.4Solderability可焊性

Thesolderabilityofsteelmaterialmeansthecapabilityofsteeltogetthequalifiedweldedjointbyweldingunderspecifiedprocessandstructuralsituation.Thesolderabilityofsteelmaterialisaffectedbythecontentsofcarbonandalloyelements.ThecontentofcarboninQ235Aisalittlehigher,whichnormallyisnotusedatweldedmembers.鋼材的可焊性是指在一定工藝（焊接方法、材料、預(yù)熱溫度）和結(jié)構(gòu)條件（鋼材厚度、變形約束程度）下，鋼材經(jīng)過焊接能夠獲得合格的焊接接頭的性能。

鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影響。Q235A的碳含量略高，通常不用于焊接構(gòu)件。碳當(dāng)量用于衡量低合金鋼的可焊性。CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15CEV≤0.38%，可焊性很好；0.38%<CEV≤0.45%，鋼材淬硬明顯，采用預(yù)熱措施和控制施焊工藝；CEV>0.45%，鋼材淬硬明顯，較高的預(yù)熱溫度措施和嚴(yán)格的控制施焊工藝。2.2.5鋼材性能的鑒定根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50205-2001）,對(duì)進(jìn)入鋼結(jié)構(gòu)工程實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)的主要材料需進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收，即檢查鋼材的質(zhì)量合格證明文件、中文標(biāo)識(shí)及檢驗(yàn)報(bào)告，確認(rèn)鋼材的品種、規(guī)格、性能是否符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。對(duì)屬于下列情況之一的鋼材，應(yīng)進(jìn)行抽樣復(fù)驗(yàn)，其復(fù)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和要求。

1.國(guó)外進(jìn)口鋼材；2.鋼材混批；3.板厚等于或大于40mm，且設(shè)計(jì)有Z向性能要求的厚板；4.建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，大跨度鋼結(jié)構(gòu)中主要受力構(gòu)件所采用的鋼材；5.設(shè)計(jì)有復(fù)驗(yàn)要求的鋼材；6.對(duì)質(zhì)量有疑義的鋼材。復(fù)驗(yàn)時(shí)，各項(xiàng)試驗(yàn)都應(yīng)按有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行。鋼材質(zhì)量的抽樣檢驗(yàn)應(yīng)由具有相應(yīng)資質(zhì)的質(zhì)檢單位進(jìn)行。

2.3FactorsforEffectSteelProductsPerformances

影響鋼材性能的因素2.3.1Effectofthechemistryelements化學(xué)成分的影響2.3.2Effectofmaterialshape成材過程的影響2.3.3Othereffectsonthesteelperformance影響鋼材性能的其他因素

2.3.1Effectofthechemistryelements化學(xué)成分的影響

Thebasicelementofsteelisiron(Fe),occupying99%ofordinarycarbonsteel.Besidesiron,impurityelementsarecarbon(C),silicon(Si),manganese(Mn),etc.andharmfulelementsaresuphur(S),phosphor(P),oxygen(O),nitrogen(N),etc.Theamountoftheseelementsisabout1%,however,theybringaboutgreateffectstothemechanicsperformanceofsteel.鋼的基本元素為鐵（Fe），普通碳素鋼中占99%。此外還有碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）等雜質(zhì)元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，這些總含量約1%，但對(duì)鋼材力學(xué)性能卻有很大影響。1.Carbon(C)碳：碳是形成鋼材強(qiáng)度的主要成分。碳含量增加，使鋼材強(qiáng)度提高，塑性、韌性，特別是低溫沖擊韌性下降，同時(shí)耐腐蝕性、疲勞強(qiáng)度和冷彎性能也顯著下降，惡化鋼材可焊性，增加低溫脆斷的危險(xiǎn)性。一般建筑用鋼要求含碳量在0.22%以下，焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)限制在0.20%以下。2.Manganese(Mn)錳：有益元素。是一種弱脫氧劑。適量的錳可有效提高鋼材強(qiáng)度，消除硫、氧對(duì)鋼材的熱脆影響，改善鋼材熱加工性能，并改善鋼材的冷脆傾向，同時(shí)不顯著降低鋼材的塑性、沖擊韌性。普通碳素鋼中錳的含量約為0.3%～0.8%。含量過高（達(dá)1.0%～1.5%以上）使鋼材變脆變硬，并降低鋼材的抗銹性和可焊性。3.Silicon(Si)硅：有益元素。作為脫氧劑加入普通碳素鋼。適量硅可提高鋼材的強(qiáng)度，而對(duì)塑性、沖擊韌性、冷彎性能及可焊性無顯著的不良影響。一般鎮(zhèn)靜鋼的含硅量為0.10%～0.30%，含量過高（達(dá)1%），會(huì)降低鋼材塑性、沖擊韌性、抗銹性和可焊性。4.Sulphur(S)硫：有害元素。引起鋼材熱脆，降低鋼材的塑性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度和抗銹性等。一般建筑用鋼含硫量要求不超過0.055%，在焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)不超過0.050%?？箤娱g斷裂的鋼材，含硫量要求控制在0.010%以下。5.Phosphor(P)磷：有害元素。雖可提高強(qiáng)度、抗銹性，但嚴(yán)重降低塑性、沖擊韌性、冷彎性能和可焊性，尤其低溫時(shí)發(fā)生冷脆，含量需嚴(yán)格控制，一般不超過0.050%，焊接結(jié)構(gòu)中不超過0.045%。6.Oxygen(O)氧：有害元素。引起熱脆。一般要求含量小于0.05%。7.Nitrogen(N)氮：能使鋼材強(qiáng)化，但顯著降低鋼材塑性、韌性、可焊性和冷彎性能，增加時(shí)效傾向和冷脆性。一般要求含量小于0.008%。

鋼結(jié)構(gòu)所用碳素鋼Q235及低合金鋼Q345和Q390的化學(xué)成分及含量見附表9(p385)。

2.3.2Effectofmaterialshape

成材過程的影響

1.Smelting冶煉建筑結(jié)構(gòu)用鋼我國(guó)主要使用頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法生產(chǎn)的鋼材。冶煉是形成鋼的化學(xué)成分與含量、鋼的金相組織結(jié)構(gòu)的冶金過程，必定存在不同的冶金缺陷，從而確定不同的鋼種、鋼號(hào)及其相應(yīng)的力學(xué)性能。2.Moulding澆鑄把熔煉好的鋼水澆鑄成鋼錠或鋼坯。按脫氧程度分沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。澆鑄過程中會(huì)產(chǎn)生的常見的冶金缺陷有：偏析、非金屬夾雜、氣孔及裂紋等。3.Rolling

軋制軋制能使金屬的晶粒變細(xì)，使氣泡、裂紋焊合，因而改善了鋼材的力學(xué)性能。薄板因輥軋次數(shù)多，其強(qiáng)度比厚板略高。4.Heattreatment熱處理熱處理的目的在于取得高強(qiáng)度的同時(shí)能夠保持良好的塑性和韌性。2.3.3Othereffectsonthesteelperformance

影響鋼材性能的其他因素

1.Cold-finishedhardening冷加工硬化

鋼結(jié)構(gòu)在常溫下加工即冷加工。冷加工過程中使鋼材產(chǎn)生很大塑性變形，在重新加荷時(shí)引起的強(qiáng)度提高，同時(shí)降低塑性和韌性，稱為冷作硬化。冷加工包括：冷拉、冷彎、剪切、沖孔、輥、壓、折、鉆、刨、鏟、撐、敲等。2.Temperature溫度

溫度升高和降低都使鋼材性能發(fā)生變化，且低溫情況下鋼材力學(xué)性能更重要。當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，鋼材的強(qiáng)度、彈性模量下降，變形能力增大。250C附近發(fā)生藍(lán)脆現(xiàn)象。溫度達(dá)到600C時(shí)，屈服強(qiáng)度為室溫的1/3，彈性模量為室溫的40%。但耐火鋼改善了鋼材在高溫下的力學(xué)性能。溫度從常溫下降到一定值，鋼材的沖擊韌性突然急劇下降，試件斷口屬脆性破壞，這種現(xiàn)象稱為冷脆現(xiàn)象。3.Stressconcentration應(yīng)力集中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變化、形狀變化、內(nèi)部缺陷等使一些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，此謂應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中越嚴(yán)重，鋼材塑性越差。

2.4EffectsofDuctilityDamageandNon-DuctilityDamage、CycleLoadingandFastLoadingofSteelMaterials

鋼材的延性破壞和非延性破壞、循環(huán)加載和快速加載的效應(yīng)

1．延性破壞和非延性破壞超過屈服點(diǎn)有明顯塑性變形產(chǎn)生的構(gòu)件，當(dāng)達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)將在很大變形的情況下斷裂，稱為延性破壞；當(dāng)沒有塑性變形或只有很小塑性變形時(shí)就發(fā)生的破壞，稱為脆性破壞。鋼結(jié)構(gòu)需選用塑性好的材料，還必須避免導(dǎo)致材料轉(zhuǎn)脆。2.疲勞斷裂(fatiguefracture)疲勞斷裂是微觀裂縫在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴(kuò)展直至斷裂的脆性破壞。疲勞斷裂的過程可分為三個(gè)階段：裂紋的形成、裂紋緩慢擴(kuò)展和最后迅速斷裂。

3.循環(huán)加載連續(xù)重復(fù)荷載之下應(yīng)力往復(fù)變化一周叫做一個(gè)循環(huán)。應(yīng)力幅表示應(yīng)力變化的幅度，應(yīng)力幅總是正值。

疲勞壽命（致?lián)p循環(huán)次數(shù)）指在連續(xù)反復(fù)荷載作用下應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)，用n表示。疲勞曲線（—n曲線）

4.疲勞驗(yàn)算

直接受到重復(fù)荷載作用的構(gòu)件，如吊車梁、橋梁、輸送棧橋和某些工作平臺(tái)以及它們的連接，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n≥5x104

時(shí)應(yīng)進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。由于現(xiàn)階段對(duì)疲勞裂縫的形成、擴(kuò)展以至斷裂這一過程的極限狀態(tài)定義，和有關(guān)影響因素的研究不足，我國(guó)規(guī)范規(guī)定對(duì)疲勞計(jì)算按容許應(yīng)力方法進(jìn)行驗(yàn)算。疲勞驗(yàn)算時(shí)，按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行。參數(shù)的取值見p321的表8-2.

5.快速加載快速加載致使所得鋼材的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度偏高。影響鋼材對(duì)能量吸收的能力。對(duì)于同一沖擊韌性的材料，當(dāng)設(shè)計(jì)承受動(dòng)力荷載時(shí)，允許最低的使用溫度比承受靜力荷載高。除遭強(qiáng)烈地震作用外，建筑結(jié)構(gòu)通常在考慮荷載的動(dòng)力系數(shù)后按靜力計(jì)算；但承受循環(huán)荷載時(shí)需考慮是否進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。2.5CategoriesofStructureSteelmaterialandSelectionofSteelmaterial

結(jié)構(gòu)鋼材的類別及鋼材的選用

2.5.1結(jié)構(gòu)鋼材的類別、牌號(hào)和等級(jí)2.5.2鋼材的選擇

2.5.3型鋼規(guī)格

2.5.1結(jié)構(gòu)鋼材的類別、牌號(hào)和等級(jí)1.熱軋鋼材鋼結(jié)構(gòu)中采用的鋼材主要有三類：碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和高性能的GJ鋼。此外，還可以采用特殊性能的鋼材：厚度方向性能鋼板和耐候性結(jié)構(gòu)鋼。建筑結(jié)構(gòu)用鋼板。2.鑄鋼用于大型空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)和支座。3.冷成型鋼材（Q215、Q235和Q345）4.高強(qiáng)鋼絲和鋼索材料1.碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼工程中鋼材的標(biāo)號(hào)的表示:QXXX└┘[]例如:Q235AF、Q235Bb、Q345E。

Q：屈服強(qiáng)度的第一個(gè)拼音字母。

XXX：屈服強(qiáng)度值，單位為Mpa或N/mm2。└┘：Qualitygrades質(zhì)量等級(jí)。有A、B、C、D和E五等，表示質(zhì)量由低到高。質(zhì)量高低主要是以對(duì)沖擊韌性的要求區(qū)分的。A無沖擊功規(guī)定；B有20C時(shí)的沖擊功要求；C有0C時(shí)的沖擊功要求；D有－20C時(shí)的沖擊功要求；E有－40C時(shí)的沖擊功要求，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼才有E等。(p386)QXXX└┘[][]：Deoxidizingmethods脫氧方法。在澆鑄過程中由于脫氧程度的不同，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。QXXX└┘[]3.高強(qiáng)鋼絲和鋼索材料

高強(qiáng)鋼絲是由優(yōu)質(zhì)碳素鋼經(jīng)過多次冷拔而成，分為光面和鍍鋅兩種。鋼絲強(qiáng)度的主要指標(biāo)是抗拉強(qiáng)度，并對(duì)化學(xué)成分有嚴(yán)格要求。鋼絞線是由多根鋼絲捻成，亦稱單股鋼絲繩。鋼絲繩是由鋼絞線捻成。2.5.2

SelectionofSteelmaterial鋼材的選擇

1.選擇鋼材應(yīng)考慮下列因素：荷載性質(zhì)（靜載或動(dòng)載）;應(yīng)力狀態(tài)（受拉、受壓，或雙軸、三軸受拉）；連接方法（焊接或栓接）；工作環(huán)境（低溫）；供貨價(jià)格。2.Q235A鋼保證項(xiàng)目中，碳含量、冷彎試驗(yàn)合格和沖擊韌性未作為必要的保證條件，只宜用于不直接承受動(dòng)力