第18章-鋼結(jié)構(gòu)材料

《》模塊四鋼結(jié)構(gòu)第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料

鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在：重型結(jié)構(gòu)及大跨度建筑結(jié)構(gòu)；多層、高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)；輕鋼結(jié)構(gòu)；塔桅等高聳結(jié)構(gòu)；鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。隨著我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量的日益增加以及我國(guó)用鋼政策的調(diào)整，鋼結(jié)構(gòu)將會(huì)更加廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。要深入了解鋼結(jié)構(gòu)的特性，首先必須了解鋼結(jié)構(gòu)常用材料的一些性能，例如，鋼材的主要力學(xué)性能及鋼結(jié)構(gòu)用鋼的種類。第18章鋼結(jié)構(gòu)材料18.1鋼材的主要力學(xué)性能

鋼結(jié)構(gòu)在使用過程中會(huì)受到各種形式的作用，因此要求鋼材應(yīng)具有良好的力學(xué)性能、加工性能和耐腐蝕性能，以保證結(jié)構(gòu)安全可靠。第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料一、鋼材的σ-ε曲線

低碳鋼在單向拉伸時(shí)的σ-ε曲線是通過靜力拉伸試驗(yàn)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(gè)階段：圖18-1鋼材的σ-ε曲線第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料

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

2.屈服階段（BCD段）當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，應(yīng)力不再增加，僅有些微小的波動(dòng)；而應(yīng)變卻在應(yīng)力幾乎不變的情況下急劇增長(zhǎng)，材料暫時(shí)失去了抵抗變形的能力。這個(gè)現(xiàn)象一直持續(xù)到D點(diǎn)。這種應(yīng)力幾乎不變，應(yīng)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(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料

3.強(qiáng)化階段（DE段）經(jīng)過屈服階段以后，從D點(diǎn)開始曲線又逐漸上升，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形，必須增加應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為材料的強(qiáng)化。此時(shí)鋼材的彈性并沒有完全恢復(fù)，塑性特性非常明顯，此時(shí)若將外力慢慢卸去，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(yīng)變）；殘留下來的變形稱為塑性變形（應(yīng)變）。曲線最高點(diǎn)E點(diǎn)，是材料所能承受的最大荷載，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，稱為強(qiáng)度極限或抗拉強(qiáng)度，用fu表示。

4.頸縮階段（EF段）當(dāng)應(yīng)力超過極限強(qiáng)度時(shí)，在試件材料質(zhì)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(shí)，應(yīng)力不斷降低，變形卻持續(xù)發(fā)展，直至F點(diǎn)試件斷裂。第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料

由以上現(xiàn)象可以看到，當(dāng)應(yīng)力到達(dá)屈服極限fy時(shí)，鋼材會(huì)產(chǎn)生顯著的塑性變形；當(dāng)應(yīng)力到達(dá)抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）fu時(shí)，鋼材會(huì)由于局部變形而導(dǎo)致斷裂，這都是工程實(shí)際中應(yīng)當(dāng)避免的。因此，屈服極限和抗拉強(qiáng)度是反映鋼材強(qiáng)度的兩個(gè)主要性能指標(biāo)，其他指標(biāo)還有彈性模量、比例極限等。（1）比例極限（fp）應(yīng)力小于比例極限時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)橹本€關(guān)系。彈性極限比其略高，在應(yīng)力小于彈性極限時(shí)，鋼材處于彈性階段，若在此時(shí)卸載，則拉伸變形可以完全恢復(fù)。應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率就是鋼材的彈性模量。第17章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料

（2）屈服極限（fy）應(yīng)力達(dá)到屈服極限后，應(yīng)力保持不變而應(yīng)變持續(xù)發(fā)展，形成屈服臺(tái)階，鋼材進(jìn)入塑性階段。設(shè)計(jì)時(shí)，屈服極限被視為靜力強(qiáng)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(diǎn)。應(yīng)力達(dá)到屈服極限后，塑性變形很大，極易察覺，可及時(shí)處理而不致破壞；②應(yīng)力達(dá)到屈服極限后，鋼材仍可以繼續(xù)承載（到達(dá)極限強(qiáng)度后才破壞），這樣，鋼材有必要的安全儲(chǔ)備。因此可以認(rèn)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(diǎn)，如圖18-2所示。這就為進(jìn)一步發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論提供了基礎(chǔ)。第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料圖18-2理想的彈塑性體高強(qiáng)度鋼沒有明顯的屈服極限，以卸載后殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度(有時(shí)用f0.2表示）。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)以上二者不加區(qū)別，統(tǒng)稱為屈服強(qiáng)度，用fy表示。

(3)極限（抗拉）強(qiáng)度（fu）屈服臺(tái)階過后，鋼材內(nèi)部組織經(jīng)過調(diào)整，對(duì)荷載的抵抗能力有所提高，鋼材進(jìn)入強(qiáng)化階段。應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，試件在最薄弱處出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象，隨之破壞。(4)屈強(qiáng)比

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

塑性是指當(dāng)應(yīng)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(zhì)。衡量鋼材塑性好壞的主要指標(biāo)是伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ。δ、ψ值愈大，鋼材的塑性愈好。

1.伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率δ是應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的最大應(yīng)變值，等于試件拉斷后的原標(biāo)距間長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)值和原標(biāo)距比值的百分率。即式中δ——伸長(zhǎng)率；

l0——試件原標(biāo)距間長(zhǎng)度；

l1——試件拉斷后的標(biāo)距間長(zhǎng)度。（18-1）第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)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(shí)，對(duì)發(fā)生裂縫的抵抗能力。鋼材的冷彎性能用冷彎試驗(yàn)來檢驗(yàn)。冷彎試驗(yàn)在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，通過冷彎沖頭加壓，如圖18-3所示。當(dāng)試件彎曲至180°時(shí)，檢查試件彎曲部分的外面、里面和側(cè)面。如無裂紋、斷裂或分層，則認(rèn)為試件冷彎性能合格。圖18-3冷彎試驗(yàn)示意圖

冷彎試驗(yàn)一方面可以檢驗(yàn)鋼材能否適應(yīng)構(gòu)件制作中的冷加工工藝過程；另一方面通過試驗(yàn)還能暴露出鋼材的內(nèi)部缺陷，鑒定鋼材的塑性和可焊性。冷彎試驗(yàn)是鑒定鋼材質(zhì)量的一種良好方法，是衡量鋼材力學(xué)性能和冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)。第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料四、鋼材的沖擊韌性

鋼材的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)是由靜力拉伸試驗(yàn)獲得的，用于承受動(dòng)力荷載時(shí)，顯然有很大的局限性。衡量鋼材抗沖擊性能的指標(biāo)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(guān)而又不同于塑性，是強(qiáng)度與塑性的綜合表現(xiàn)。韌性指標(biāo)用沖擊韌性值ak表示，用沖擊試驗(yàn)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(biāo)之一。在沖擊試驗(yàn)中，一般采用截面尺寸為10mm×10mm，長(zhǎng)度為55mm，中間開有小槽（夏氏V形缺口）的長(zhǎng)方形試件，放在提錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，如圖18-4所示。沖斷試樣后，可求出ak值。即第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料圖18-4沖擊試驗(yàn)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(yàn)機(jī)上的刻度盤讀出，或按式

Ak=W(h1-h2)計(jì)算；W——擺錘質(zhì)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(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料五、鋼材的可焊性

鋼材的可焊性是指在一定工藝和結(jié)構(gòu)條件下，鋼材經(jīng)過焊接能夠獲得良好的焊接接頭的性能。可焊性分為施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。施工上的可焊性是指對(duì)產(chǎn)生裂紋的敏感性；使用性能上的可焊性是指焊接構(gòu)件在焊接后的力學(xué)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(jī)械性能不低于母材的機(jī)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(gòu)件應(yīng)力超過屈服極限fy，并達(dá)到抗拉強(qiáng)度f(wàn)u后，構(gòu)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(zhǎng)的變形持續(xù)時(shí)間，便于發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)救。

2.脆性破壞脆性破壞在破壞前無明顯變形，平均應(yīng)力亦小（一般都小于屈服極限），沒有任何預(yù)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(xiǎn)性大，應(yīng)盡量避免。第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料

影響鋼材脆斷的直接因素是裂紋尺寸、作用應(yīng)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(qiáng)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(shí)不宜過強(qiáng)約束，避免產(chǎn)生過大殘余應(yīng)力。低溫下發(fā)生低應(yīng)力的脆斷，常與殘余應(yīng)力有關(guān)。（3）進(jìn)行合理細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。應(yīng)力集中處會(huì)產(chǎn)生同號(hào)應(yīng)力場(chǎng)，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(xué)成分與鋼材抗脆斷能力有關(guān)，含碳量多的鋼材，抗脆斷性能有所下降。對(duì)于在低溫下工作的鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇抗低溫沖擊韌性好的材料。此外，冷加工、加載速度等對(duì)鋼材脆斷性能都有影響，在設(shè)計(jì)中應(yīng)加以注意。

18.3建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼材一、碳素結(jié)構(gòu)鋼

碳素結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主要使用的鋼材是低碳鋼。

1.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼按照最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T700-2006

）規(guī)定，碳素結(jié)構(gòu)鋼分為四個(gè)牌號(hào)，即Q195、Q215、

Q235和Q275。第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料

牌號(hào)由代表屈服極限的字母、屈服極限數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)、脫氧方法符號(hào)四個(gè)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(zhì)量等級(jí)；

F——沸騰鋼；

b——半鎮(zhèn)靜鋼；

Z——鎮(zhèn)靜鋼；

TZ——特殊鎮(zhèn)靜鋼，相當(dāng)于橋梁鋼。第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料

對(duì)于Q235來說，A、B兩級(jí)鋼的脫氧方法可以是“Z”、“b”或“F”，C級(jí)鋼只能是“Z”，D級(jí)鋼只能是“TZ”，其中，用“Z”與“TZ”符號(hào)時(shí)可以省略。例如：Q235—A·F表示屈服極限為235N／mm2的A級(jí)沸騰鋼；

Q235—B表示屈服極限為235N／mm2的B級(jí)鎮(zhèn)靜鋼。

2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是以滿足不同加工要求，而賦予相應(yīng)性能的碳素鋼?！秲?yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T699—1999）中所列牌號(hào)適于建筑鋼結(jié)構(gòu)使用的有四個(gè)牌號(hào)，分別是Q195，Q215A、B，Q235A、B、C、D，Q275。第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料

第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料二、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)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(qiáng)度可明顯提高，使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定三個(gè)主要控制指標(biāo)都能充分發(fā)揮，尤其在大跨度或重負(fù)載結(jié)構(gòu)中優(yōu)點(diǎn)更為突出，一般可比碳素結(jié)構(gòu)鋼節(jié)約20%左右的用鋼量低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)表示方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼一致，即由代表屈服極限的漢語(yǔ)拼音首字母（Q）、屈服極限數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（A、B、C、D、E）三個(gè)部分按順序排列表示。根據(jù)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T1591-2008）,鋼的牌號(hào)共有Q345、Q390、Q420和Q460、Q500、Q550、Q620和Q690八種，隨著質(zhì)量等級(jí)的變化，其化學(xué)成分（熔煉分析）和力學(xué)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(hù)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(guó)現(xiàn)行生產(chǎn)的這類鋼又分為高耐候結(jié)構(gòu)鋼和焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼兩類。

1.高耐候結(jié)構(gòu)鋼按照即將實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T417l-2008的規(guī)定，這類鋼材適用于耐大氣腐蝕的建筑結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品通常在交貨狀態(tài)下使用。但作為焊接結(jié)構(gòu)用材時(shí)，板厚應(yīng)不大于16mm。這類鋼的耐候性能比焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼好，故稱為高耐候結(jié)構(gòu)鋼。高耐候結(jié)構(gòu)鋼按化學(xué)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(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料

其牌號(hào)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(jié)構(gòu)鋼在牌號(hào)后加代號(hào)“L”。例如，牌號(hào)Q345GNHL表示屈服極限為345MPa、含有鉻、鎳的高耐候結(jié)構(gòu)鋼。高耐候結(jié)構(gòu)鋼共分Q265GNH、Q295GNHL、Q310GNHL、Q355GNH四種牌號(hào)。

2.焊接結(jié)構(gòu)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(diǎn)，其適用厚度可達(dá)100mm。牌號(hào)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(zhì)量等級(jí)（C、D、E）順序組成；規(guī)定共為Q235NH、Q295NH、Q355NH、Q415NH、Q460NH、Q500NH、Q550NH七種牌號(hào)，鋼材的質(zhì)量等級(jí)只與鋼材沖擊韌件的試驗(yàn)溫度與沖擊功數(shù)值有關(guān)。第18章鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)材料四、建筑鋼材的規(guī)格

鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)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(hào)數(shù)表示，號(hào)數(shù)為截面高度的厘米數(shù)。20號(hào)以上的工字鋼,同一號(hào)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》（