《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計：鋼結(jié)構(gòu)的材料 》課件

鋼結(jié)構(gòu)的材料

鋼結(jié)構(gòu)的材料不僅密切關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)的計算理論，同時還對鋼結(jié)構(gòu)的制造、安裝、造價、安全等均有直接聯(lián)系。所以，本章內(nèi)容是學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)時，應(yīng)全面了解鋼材的性能，從而做到正確選擇建筑鋼材。

§2-1鋼結(jié)構(gòu)對鋼材性能的要求●鋼材種類繁多，規(guī)格、用途也不相同，對建筑結(jié)構(gòu)用鋼來說，主要有一下幾個方面的要求:1、較高的強(qiáng)度：結(jié)構(gòu)的承載力大，所需的截面小，結(jié)構(gòu)的自重輕；2、較好的塑性及韌性：塑性好，不易發(fā)生脆性破壞；韌性好，利于承受動力荷載；3、良好的加工性能與耐久性：包括可焊性、冷彎性能以及耐腐性能；4、專用的特種性能：耐候、耐火、Z向性能?！駬?jù)以上要求,《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003推薦承重結(jié)構(gòu)用鋼宜采用：炭素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼及低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼中的Q345、Q390和Q420鋼四種鋼材?！?-2鋼材的性能拉伸試驗一、機(jī)械性能荷載－變形（F－ΔL）曲線應(yīng)力－應(yīng)變（σ－ε）曲線§2-2鋼材的性能

根據(jù)鋼材單向拉伸性能曲線，工程應(yīng)用，鋼材的性能按理想彈塑性體考慮，fy為鋼材拉、壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。鋼材應(yīng)力－應(yīng)變（σ－ε）曲線理想彈塑性體應(yīng)力－應(yīng)變（σ－ε）曲線1、強(qiáng)度斷面收縮率：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§2-2鋼材的性能2、塑性鋼材的塑性：當(dāng)應(yīng)力超過屈服點后，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)

伸長率：試件被拉斷時的絕對變形值與試件原標(biāo)距之比的百分?jǐn)?shù)

根據(jù)試件原標(biāo)距長度

l0與試件中間部分的直徑d0的比值為10或5而分為

10或

5§2-2鋼材的性能3、冷彎性能指鋼材在冷加工（常溫下加工）產(chǎn)生塑性變形時，對產(chǎn)生裂縫的抵抗能力鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下的塑性應(yīng)變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標(biāo)冷彎性能實驗是用彎心直徑為d的沖頭對試件壓彎180度，然后檢查試件表面，以不出現(xiàn)裂紋和分層為合格。4、韌性§2-2鋼材的性能韌性—鋼材在沖擊荷載下抵抗脆性破壞的機(jī)械性能指標(biāo)。沖擊韌性αk衡量—沖擊實驗測量沖擊功越大，則鋼材的韌性越好。沖擊韌性除與鋼材的質(zhì)量密切有關(guān)，還與鋼材的軋制方向有關(guān)，順著軋制方向好。沖擊韌性值還與溫度有關(guān)。當(dāng)達(dá)到一定的負(fù)溫度時，沖擊韌性急速下降。故用于表征鋼材承受動力荷載的能力（動力指標(biāo)），按常溫（20o）、零溫（0o）、負(fù)溫（-20o、-40o）區(qū)分。kvAkvA§2-2鋼材的性能二、可焊性能可焊性－表征鋼材焊接后具備良好焊接接頭性能的能力－不產(chǎn)生裂紋，焊縫影響區(qū)材性滿足有關(guān)要求。影響鋼材可焊性的因素很多：鋼材的品種、化學(xué)成分及規(guī)格等自身的因素外，還與節(jié)點的復(fù)雜程度、約束程度、焊接工藝等有關(guān)，故易焊鋼材的可焊性好。反之難焊鋼材可焊性差§2-2鋼材的性能三、特種性能1、耐火性能2、耐候性能3、Z向性能

§2-3鋼材的破壞形式兩種性質(zhì)完全不同的破壞形式：塑性破壞

破壞前有較大變形，有預(yù)兆，斷裂時斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗脆性破壞

破壞前無明顯變形，無預(yù)兆，斷裂時斷口平齊，呈有光澤的晶粒狀脆性破壞沒有任何預(yù)兆，破壞速度極快，無法察覺和補救，且一旦發(fā)生常引發(fā)整個結(jié)構(gòu)的破壞，后果嚴(yán)重，故在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工和使用過程中，要特別注意防止發(fā)生脆性破壞

§2-4影響鋼材性能和脆性破壞的因素一、化學(xué)成分鐵：鋼的基本元素，普通碳素鋼中占99%碳：碳含量增加，提高鋼材強(qiáng)度，降低塑性、韌性、耐腐蝕性、疲勞強(qiáng)度和冷彎性能，惡化鋼材可焊性硅、錳：脫氧劑，提高鋼材強(qiáng)度釩、鈦：提高鋼的強(qiáng)度和抗腐蝕性

硫、磷：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，分別加劇熱脆和冷脆，磷能提高強(qiáng)度和抗銹性氧、氮：分別加劇熱脆和冷脆銅：降低可焊性，提高鋼的強(qiáng)度和抗腐蝕性

§2-4影響鋼材性能和脆性破壞的因素二、冶煉、澆鑄、軋制和熱處理的影響三、鋼材的硬化可能產(chǎn)生：偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋及分層冷作硬化：鋼結(jié)構(gòu)在冷加工過程中使鋼材產(chǎn)生很大塑性變形，引起強(qiáng)度提高，塑性、韌性降低時效硬化（老化）：隨著時間的增長，純鐵體中殘留的碳、氧固溶物質(zhì)逐步析出，形成自由的碳化物或氧化物微粒，約束純鐵體的塑性變形，強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降應(yīng)變時效:即應(yīng)變硬化后又加時效硬化

§2-4影響鋼材性能和脆性破壞的因素四、溫度的影響總趨勢：溫度升高，鋼材強(qiáng)度降低，應(yīng)變增大；溫度降低，鋼材強(qiáng)度略有增加，塑性和韌性降低而變脆約在200

C以內(nèi)，溫度升高，鋼材力學(xué)性能變化不大250

C左右時，鋼材抗拉強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降，表面氧化膜呈藍(lán)色——藍(lán)脆現(xiàn)象260

C~320

C時，應(yīng)力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形——徐變現(xiàn)象溫度在430

C-540

C之間，屈服點和極限強(qiáng)度顯著下降，達(dá)到600

C時強(qiáng)度幾乎等于零在負(fù)溫范圍內(nèi)，鋼材的沖擊韌性突然急劇下降，試件斷口屬脆性破壞——冷脆現(xiàn)象（脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)——鋼材由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)）

§2-4影響鋼材性能和脆性破壞的因素五、復(fù)雜應(yīng)力作用與應(yīng)力集中的影響多向同號應(yīng)力場作用下，一向的變形受到另一向的限制，鋼材強(qiáng)度增加，塑性、韌性下降，異號應(yīng)力場時則相反鋼結(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——應(yīng)力集中現(xiàn)象

六、殘余應(yīng)力及重復(fù)荷載的影響殘余應(yīng)力對構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性都有所降低。（后文闡述）重復(fù)荷載作用表現(xiàn)于鋼材的“疲勞”。

（后文闡述）

§2-4影響鋼材性能和脆性破壞的因素

§2-5鋼和鋼材的種類及選用一、鋼結(jié)構(gòu)用鋼的種類及鋼的牌號鋼材種類繁多，按不同的分類方法，叫法各不相同。適于鋼結(jié)構(gòu)采用采用的鋼材只是碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼中的幾種牌號，以及其它幾種性能較優(yōu)的專用結(jié)構(gòu)鋼（橋梁用鋼、耐候鋼、高層結(jié)構(gòu)鋼等）碳素結(jié)構(gòu)鋼：根據(jù)化學(xué)成分和沖擊韌性的不同，由低到高劃分為A、B、C、D4個質(zhì)量等級鋼牌號—Q（代表屈服點）＋屈服點數(shù)值＋質(zhì)量等級符號＋脫氧方法符號共有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五種牌號（鋼結(jié)構(gòu)一般僅用Q235

）

§2-5鋼和鋼材的種類及選用一、鋼結(jié)構(gòu)用鋼的種類及鋼的牌號低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼：含碳量均不大于0.20％，強(qiáng)度的提高主要依靠添加少量幾種合金元素來達(dá)到，合金元素總量低于5％共有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460五種牌號Q345、Q390和Q420均按化學(xué)成分和沖擊韌性由低到高劃分為A、B、C、D、E共5個質(zhì)量等級（Q345較為常用）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：碳素結(jié)構(gòu)鋼的主要區(qū)別在于鋼中含雜元素較少，磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035％，其它缺陷的限制也較嚴(yán)格，具有較好的綜合性能

共有兩大類：普通含錳量的鋼和較高含錳量的鋼

由于價格較高，鋼結(jié)構(gòu)中使用較少，僅用經(jīng)熱處理的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼冷拔高強(qiáng)鋼絲或制作高強(qiáng)螺栓、自攻螺釘?shù)?/p>

（各種常用結(jié)構(gòu)鋼材化學(xué)成分及機(jī)械性能參見教材表2.1~2.4）

§2-5鋼和鋼材的種類及選用二、鋼材的選用選用原則總的原則：安全可靠經(jīng)濟(jì)合理需考慮因素：結(jié)構(gòu)的重要性荷載性質(zhì)應(yīng)力特征連接方法工作條件鋼材厚度選用建議承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)保證碳的極限含量焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證需要驗算疲勞以及主要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有的沖擊韌性合格保證

§2-5鋼和鋼材的種類及選用三、鋼材的品種和規(guī)格鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材主要有：

熱軋鋼板、熱軋型鋼、冷軋薄鋼板、冷彎薄壁型鋼1、熱軋鋼板符號“－”＋“寬度×厚度”厚鋼板：厚度4.5~60mm，寬度600~3000mm，長度4~12m

用做大型實腹式梁柱翼緣、腹板薄鋼板：厚度0.35~4mm，寬度500~1500mm，長度0.5~4m

用于制作冷彎薄壁型鋼扁鋼：厚度4~60mm，寬度12~200mm，長度3~9m

焊接組合梁柱翼緣板，各種連接板、加勁肋等

§2-5鋼和鋼材的種類及選用三、鋼材的品種和規(guī)格2、熱軋型鋼（1）角鋼：

等邊角鋼不等邊角鋼等邊（等肢）—符號“L”＋“邊長×厚度”不等邊（不等肢）—符號“L”＋“長邊寬×短邊寬×厚度”主要用來制作桁架等格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的桿件和支撐等連接桿件

§2-5鋼和鋼材的種類及選用三、鋼材的品種和規(guī)格2、熱軋型鋼（2）工字鋼、H型鋼、T型鋼：

工字鋼H型鋼及T型鋼工字鋼—符號“I”＋號數(shù)（截面高cm）＋類別（a、b、c腹板厚度）H型鋼—符號“HW、HM、HN”＋“高H×寬B×腹板厚t1×翼緣t2”T型鋼—符號“TW、TM、TN”＋“高H×寬B×腹板厚t1×翼緣t2”

§2-5鋼和鋼材的種類及選用三、鋼材的品種和規(guī)格2、熱軋型鋼（3）槽鋼：普通槽鋼輕型槽鋼

表示方法—符號“[”＋號數(shù)（截面高cm）＋類別（a、b、c腹板厚度）適于作檁條等雙向受彎的構(gòu)件，也可用其組成組合或格構(gòu)式構(gòu)件（4）鋼管：

無縫鋼管焊接鋼管表示方法—符號“Φ”＋“外徑×厚度”常用作桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼等平面和空間格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的桿件；在鋼管混凝土柱中也有廣泛的應(yīng)用

§2-5鋼和鋼材的種類及選用三、鋼材的