钢结构第2章.

钢结构基础陈绍蕃2014年4月辅导材料钢结构上册（钢结构基本原理）第2章钢结构的材料钢材是钢结构的原料，对钢结构的服役性能起决定性作用。要建成性能优良的钢结构，从业人员必须对钢材有深入了解。不仅了解钢材的原始性能，还要了解它在各种荷载和环境条件下的响应。2.1对钢结构用材的要求较高的强度强度高则结构耗钢量低，自重减轻，还可能降低造价。强度指标——屈服强度和抗拉强度。足够的变形能力静载下的变形能力：塑性(延性)避免脆性断裂的危险；能调节应力分布，使局部应力高峰渐趋平缓；使塑性设计成为可能。动载下的变形能力：韧性破坏时吸收较多能量，也降低脆性断裂的危险；对地震区结构特别重要。良好的加工性能适合冷、热加工和焊接。性价比高yfuf拉伸试验提供的性能比例极限fp弹性终止点。屈服点fy一时丧失继续承担更大荷载的能力(ε=0.15%~0.5%)；通常作为材料的强度指标；没有明显屈服平台的钢材以σ0.2作为屈服强度。2.2钢材的主要性能及其鉴定510yfuf500.15f2.5ffuyp抗拉强度fu最终的强度，额外的安全储备；应力塑性重分布的保证，要求。伸长率或变形能力的指标。，和是结构用材必须满足的基本指标。/1.2uyff冷弯性能属于材料的工艺性能。由冷弯试验提供。冷弯试验合格的钢材能够经受结构制作过程中的冷加工。冲击性能用夏比V形缺口试件测定断裂时消耗的功Akv或Cv。缺口反映构件的内在缺陷，冲击反映荷载的动力作用。承受动力荷载的结构和抗震设防的结构应有合格Akv。低温地区的上述结构应在相应的温度下进行试验。钢材质量等级和冲击韧性试验的温度直接联系。2.2钢材的主要性能及其鉴定可焊性采用普通焊接工艺就可得到合格焊缝的性能。衡量可焊性的指标是材料的碳当量CEV≤0.38%，钢材的可焊性很好，只需采用一般焊接工艺。0.38%CEV≤0.45%，焊接时需要预热，并注意控制施焊工艺。CEV0.45%，需采用较高的预热温度和严格的工艺措施。确定预热温度还和钢材厚度及构件变形受到的约束程度有关。可焊性还可以用焊接裂纹敏感性指数来衡量。Mn11CEV=C+(Cr+Mo+V)(Ni+Cu)65152.2钢材的主要性能及其鉴定钢材性能的鉴定钢结构工程必须使用质量合格的钢材。保证质量的途径有：按照质量合格证明文件进行验收，质量合格包括化学成分和力学（工艺）性能。在fy，fu和δ5，冷弯试验和Akv五项指标中，前三项是必须保证的，后二项视结构的具体情况提出。进行抽样复验。国外进口钢材、混批钢材、质量有疑义的钢材、安全等级为一级的大跨度结构用材等。复验应按有关的国家标准进行，不仅试验过程符合国家标准的规定，试件取样也应符合相关标准，如热轧H型钢力学性能的试件应该从翼缘切取。2.2钢材的主要性能及其鉴定影响钢材性能的内在因素：一是化学成分，二是金相组织和晶粒度。前者由钢材冶炼过程决定，后者除冶炼过程外，还受到轧制及其后的热处理的影响。化学成分碳、锰、硅、硫、磷（C、Mn、Si、S、P）是碳素结构钢在铁元素之外的五大元素。碳是形成钢材强度的主要成分，显然不可或缺。锰和硅也是钢材的有益元素，锰还以合金元素的身份出现在低合金高强度结构钢中。然而这三种元素都对钢材的可焊性不利。因而对其含量要加以限制。硫、磷都是有害元素，分别使钢材热脆或冷脆，其含量更需要加以限制。对钢材性能要求越高，限制越严格。钒、铌、钛(V、Nb、Ti)和铝、铬、镍(Al、Cr、Ni)都是锰以外的合金元素，具有提高强度、细化晶粒的功能。根据强度等级和质量等级适量采用。2.3影响钢材性能的因素成材过程的影响冶炼形成钢的化学成分，并在很大程度上决定钢的金相组织。浇铸过去用钢模铸锭，区分为沸腾钢和镇静钢；现在采用连续浇铸，沸腾钢不复存在。轧制可使晶粒变细，改善钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多，强度比厚板略高。停轧温度也影响钢材的性能。控制停轧温度的生产方式称为控轧。既控制轧制温度，又控制轧制挤压量并在轧毕后加速冷却，是一项新技术，称为热机械轧制（TMCP），也称为“温度—形变控轧控冷”。所生产的钢材具有多方面的优点（强度性能、变形性能和可焊性），适合于高性能钢材的生产。含有非金属夹杂物多的钢，轧制后出现分层。2.3影响钢材性能的因素热处理部分高强度钢材需要在轧制后进行热处理，通过改变钢材的组织来改善其塑性和韧性。正火：加热至850-900℃，保持一段时间后自然冷却。淬火：加热至900℃，保持一段时间后放入水或油中快速冷却。回火：加热至650℃，保持一段时间后自然冷却。调质热处理=淬火加回火。高强度螺栓的材料都要通过调质处理。2.3影响钢材性能的因素应对措施：重要结构在冲孔后扩孔，剪切后刨边。冷弯型钢在一定条件下可以利用的提高。yf影响钢材性能的其他因素冷加工硬化和时效硬化yfB5Byf2.3影响钢材性能的因素冷弯、冲孔和机械剪切都产生冷加工硬化。加载至B点后，卸载遵循BC线。提高到,下降。过一段时间后还会产生时效硬化，升到。0ABB'C'低温影响钢材在负温度范围内转脆，受影响最大的是冲击韧性。T1-T2为温度转换区，在这一范围内Akv下降很快。处于低温的重要结构需要满足低温冲击试验的要求，但试验温度可以比服役温度稍高，原因是实际构件的缺陷不如V形缺口严重，荷载的加荷速率也低于试验条件。2.3影响钢材性能的因素TT2T1脆性破坏塑性破坏Akv高温影响普通钢材在600℃时，fy下降至室温的1/3，E下降至室温的40%。钢结构防火的两种方法：用防火材料加以保护；开发耐火钢材，已有初步成果。普通钢材在超过200℃以后性能开始下降。为此，处在150℃以上的钢构件需设置隔热保护层。应力集中杆件截面变化引起应力集中，钢结构最常见的是孔洞两旁。在静力荷载作用下，塑性好的钢材可以通过应力重分布使应力逐渐拉平，全部达到fy。裂纹、尖锐的缺口产生的应力集中更为严重。在纵向拉应力高度集中处，会产生横向拉应力，厚板还会在厚度方向也产生拉应力。三向拉应力作用下钢材因不易屈服而转脆。因此，厚钢材应该要求更高的韧性。2.3影响钢材性能的因素2.4钢材的延性破坏和非延性破坏土建结构钢材具有良好的塑性和韧性，在一般条件下呈延性破坏。然而，在一些特殊条件下，延性材料也有可能出现脆性破坏。多次循环荷载会造成疲劳断裂；低温和快速加载都会引发脆性断裂；构件内部的初始裂纹是脆断的内因。脆性断裂将在第8章中进一步论述。此外，钢管一类的构件在受压失稳时可能呈现脆性破坏特征（见第4章）。焊接结构的疲劳寿命取决于应力幅。原因是焊缝及其近旁存在量值高达fy的残余拉应力，实际应力在fy和(fy-△σ)之间波动。疲劳断裂是初始裂纹（或类裂纹）长期缓慢发展的结果。maxmin1Cnlognlog2.4钢材的延性破坏和非延性破坏疲劳寿命为n次循环时，致损应力幅为参数β在大多数情况下等于3；参数C和连接造成的应力集中程度有关，亦即和细部构造有关，同时也和施工条件有关。因此影响钢结构抗疲劳性能的主要因素不在于材料，而是连接的处理。当纵横坐标都用对数尺时，上列公式呈现直线关系。非焊接结构没有高达fy的残余拉应力，疲劳性能有别于焊接结构。2.5结构用钢的类别和选用国家标准名称牌号和质量等级《碳素结构钢》Q235A-D《低合金高强度结构钢》Q345A-E,Q390A-E,Q420A-E,Q460C-E《建筑结构用钢板》Q235GJB-E,Q345GJB-E,Q390GJC-E,Q420GJC-E,Q460GJC-E《桥梁用结构钢》Q235qC-D,Q345qC-E,Q390qC-E,Q420qC-E质量等级BCDE冲击韧性试验温度200-20-40土建结构常用钢材表1.热轧钢材结构钢材质量等级划分依据表注：A级钢不提供冲击韧性保证三种钢材力学性能比较表分析：《建筑结构用钢板》（GJ钢板)属于高性能钢材，不生产A级钢。它的优越性表现在以下几个方面：屈服强度随板厚度增大而下降得比较平缓；屈服强度不仅有下限，还有上限；伸长率不随厚度增大而下降。《桥梁用结构钢》也属于高性能钢材，质量等级只限于C、D、E三类。它的Q420qE的冲击功比较高，是一大特色。冲击功随钢材强度提高而提高，很合理。钢号屈服强度/MPa，当厚度为断后伸长率%冲击功J10mm50mm100mmQ345D34532530521~1934Q345GJD345335~455325~4452234Q345qD34531530521~2034Q420E42038036019~1834Q420GJE420410~540400~5301934Q420qE42040039020~1947土建结构用的热轧钢材还有《厚度方向性能钢板》，特点是抗层状撕裂；《耐候结构钢》，具有较好的耐腐性能。2.铸钢用于大型空间结构的复杂节点和支座。铸钢件未经轧制，性能略逊于热轧钢材。3.冷成型钢材(冷弯型钢)由Q235，Q345和Q390钢经冷弯或模压成型。经受较大变形的部位性能有所改变。2.5结构用钢的类别和选用4.高强钢丝和钢索材料平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳都由高强度钢丝组成。高强度钢丝的强度指标是抗拉强度，高达1570-1700N/mm2。钢丝的伸长率比热轧钢材小得多，最小只有4%。钢丝的力学性能还有一个特点——松弛。平行钢丝束的性能和钢丝较为接近；应力分布较为均匀；E和一般钢构件接近。钢绞线由多根钢丝捻成，各根钢丝之间受力不均匀，线内钢丝并不和力作用线平行，弹性模量下降。钢丝绳由7股钢绞线捻成。以一股为核心，另六股在外围。钢丝绳的强度和弹性模量又比钢绞线稍低。2.5结构用钢的类别和选用需要验算疲劳的焊接结构当工作温度T0℃不论哪种牌号，一律用不低于B级钢；当-20℃T≤0℃当采用Q235或Q345时不低于C级钢；当采用强度更高的牌号时不低于D级钢。当-40℃T≤-20℃当采用Q235或Q345时不低于D级钢；当采用强度更高的牌号时不低于E级钢。分析：对于负温度区不低于-20℃的场合，Q235和Q345钢要求质量等级不低于C级。（其0℃时的Akv分别不低于27J和34J。强度更高的钢材，理应要求更高的Akv值（如桥梁钢那样），但钢材的国家标准只要求不低于34J，为此必须对这些钢材要求D级。但是Q390和Q460强度差距相当大，对冲击韧性的要求没有差别，似不够合理。2.5结构用钢的类别和选用要求较高变形能力的结构塑性设计的结构要求塑性变形下的应力重分布，需要采用变形能力强的钢材，具体指标是屈强比fy/fu不应大于0.85，伸长率不应小于20%。抗震设防的结构，要求通过塑性变形吸收能量，具体指标和塑性设计结构相同。高烈度地震区的结构宜用Q235GJ钢，并要求以TMCP为交货状态。为了保证剧烈地震下塑性铰出现在梁端而不是柱端，梁钢材的屈服强度不应过多超过其下限。GJ钢板对屈服强度的上限有所规定，目的就在于此。讨论：有孔洞的拉杆在确定截面积时不考虑应力集中，所用钢材是否应该和塑性设计的结构相同？2.5结构用钢的类别和选用钢材选用按国家标准确定钢材的牌号和质量等级，同时还可对交货状态和附加保证条件提出要求。选用钢材既要保证安全，又要经济合理，不盲目提高要求。影响因素：荷载性质承受动力荷载者要求高于承受静力荷载者；应力状态受拉还是受压，是否双轴或三轴受拉；连接方法焊接结构材质要求高；工作环境低温要求优质钢材，板厚度大者要求更高；塑性变形的要求塑性设计的结构和抗震设防的结构要求材料具有较高的塑性变形能力；供货价格也是必须考虑的因素。2.5结构用钢的类别和选用