第11章建筑钢材的性能

结构设计原理第3篇钢结构熊峰教授四川大学建筑与环境学院第11章建筑钢材的性能主要内容：●建筑结构钢的品种和规格●建筑钢材的力学性能●影响钢材性能的主要因素●钢材疲劳●钢结构选材的要求●钢材及其连接的强度取值11.1建筑结构钢的品种和规格锰系钢硅锰系钢钢材碳素钢低合金钢低碳钢含碳量0.25%中碳钢含碳量0.25%~0.6%高碳钢含碳量0.6%~1.4%硅钒系钢硅钛系钢硅铬系钢11.1建筑结构钢的品种和规格钢材的牌号铸造碳钢『铸钢代号ZG、屈服点fy-抗拉强度fu』，例ZG200-400。常用的铸造碳钢有ZG200－400、ZG230－450、ZG270－500和ZG310－570。螺栓用钢：用碳钢或低合金钢制造。『抗拉强度.屈强比』抗拉强度以t/cm2为单位。普通螺栓有4.6级、4.8级、5.6级、8.8级，高强度螺栓有8.8和10.9级。钢材的牌号—结构钢材牌号碳素结构钢牌号『代表屈服点字母Q、屈服应力标准值、-质量等级、脱氧方法』，例如Q235-AF、Q255-C。碳素结构钢共分Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号，钢结构中通常仅使用Q235。Q235钢根据厚度尺寸，分为6档。质量等级——A、B、C、D脱氧方法——F、b、Z、TZ低合金高强度钢牌号『代表屈服点字母Q、屈服应力标准值、-质量等级』例如Q295B、Q420E。低合金高强度结构钢共分Q295、Q345、Q390、Q420和Q460五个牌号，其中Q345钢、Q390钢和Q420钢为钢结构的选用钢材。质量等级——A、B、C、D、E钢材的品种和规格钢结构中所使用的钢材包括：热轧钢板、热轧型钢和冷弯薄壁型钢：热轧钢板—厚h×宽b×长l厚钢板：h=4.5~60mm，b=600~3000mm，l=4~12m薄钢板：h=0.35~4mm，b=500~1500mm，l=0.5~4m扁钢板：h=4~60mm，b=12~200mm，l=3~9m花纹钢板：h=2.5~8mm，b=600~1800mm，l=0.6~12m热轧型钢冷弯薄壁型钢壁厚1.5～5mm截面贯性矩大，高效、经济，但对锈蚀较为敏感。压型钢板一般厚0.4~1.6mm，节约钢材。角钢工字钢槽钢H型钢T型钢钢管(a)冷弯薄壁型钢(b)压型钢板11.2建筑钢材的力学性能按其变形能力来分塑性材料（破坏时有较大的塑性变形）：钢材脆性材料（破坏前无明显的塑性变形）：混凝土、砖、砌块等材料性能分类重度线胀系数泊松比剪切模量弹性模量物理性能徐变与应力松弛疲劳强度冷弯性能冲击韧性截面收缩率延伸率塑性指标承压强度强度极限屈服强度比例极限强度指标力学性能块体与砂浆间的黏结钢筋和混凝土间的黏结钢材的可焊性可结合性钢材的力学性能——单轴强度指标塑性材料脆性材料材料的应力-应变图形•比例极限应力、应变之间满足线性关系的最大应力•屈服强度一般用下屈服点作为材料的屈服强度•强度极限试件、试样能承受的最大名义应力•承压强度构件之间通过接触面传递压力称为承压，承压面所能承担的最大压应力psbc塑性材料一般受拉、受压材料性质相似脆性材料抗压强度高于抗拉强度塑性材料脆性材料scbc三向应力状态下的屈服条件－Mises屈服准则钢材的力学性能——多轴强度指标])()()[(21)(3])()()[(21213232221222222zxyzxyxzzyyxeq为弹性状态，否则为塑性状态yeqf二向应力状态下的屈服条件2223xyyxyxeq对一般的梁223eq对纯剪状态yeqf332yyff58.03/塑性指标以试件变形后的残余变形定义塑性长试样：圆截面矩形截面短试样：圆截面矩形截面dl100003.11Aldl500065.5Al延伸率%100001lll截面收缩率%100010AAA为塑性材料；否则为脆性材料%5冲击韧性钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂的一项机械性能，是强度与塑性的综合表现。冲击韧性定义为试件破坏后所消耗的冲击功同一牌号的的钢材质量根据冲击韧性指标划分等级kkW表11-1钢材的质量等级质量等级温度/℃冲击功AKV（纵向）不小于/J碳素结构钢低合金高强度结构钢A不要求不要求B202734C02734D-202734E-40－27冷弯性能和疲劳强度疲劳强度•在循环荷载作用下，当达到一定的循环次数时，构件会发生脆性破坏，且破坏应力远小于。•在规定的循环次数和荷载变化幅度下，材料所能承受的最大动态应力，称为疲劳强度bs或ff或冷弯性能冷弯是将直径为d的钢筋绕直径为D的弯芯弯曲到规定的角度后无裂纹或起层现象，则表示冷弯合格。徐变和应力松弛徐变或蠕变恒定温度和应力作用下，构件的变形随时间t增长的现象应力松弛在恒定的温度和应变条件下，构件应力随时间的增加而减小的现象11.3影响钢材性能的主要因素11.3.1化学成分元素作用强度塑性冲击韧性冷弯性能热脆冷脆碳含量对钢材的强度、塑性、韧性和焊接性有决定性影响0.25%高低低低锰适量碳素钢中作为脱氧剂0.3~0.8%低合金钢中作为合金元素1.2~1.6%提高没过多的降低改善过量降低减少氧、硫的有害影响变脆硅适量熔炼镇静钢的脱氧剂。且能使钢中纯铁晶粒细小和散布均匀提高无显著不良影响过量降低，且恶化抗锈蚀能力和焊接性0.3%（Q235）或0.6%（16Mn、15MnV）钒提高强度和细化晶粒，高温硬度提高硫热脆（FeS在高温熔化而使钢材出现裂纹），使钢的焊接性变坏降低含量0.035%~0.05%磷冷脆（低温韧性降低并产生脆性破坏）含量0.035%~0.045%氧、氮、氢氧同硫增加钢的脆性；氮类似磷，将低钢的塑性、冲击韧性并增大其冷脆性；氢在低温时易使钢产生脆性破坏。11.3.2冶金工艺炼钢炉炉种平炉、氧气转炉、空气转炉、电炉脱氧方式浇注过程中加入脱氧剂以消除氧根据脱氧程度可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、特殊镇静钢。钢材轧制热轧成型能改变钢材的力学性能，薄型材和薄钢板强度较高。冶金缺陷偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹和分层等11.3.3钢材硬化时效硬化应变硬化应变时效硬化σσfyfpfyε%ε%024310时效硬化冷作硬化冷作硬化后的塑性区冷加工及时效冷加工及时效后的塑性区硬化：强度提高，塑性下降11.3.4温度影响高温影响：在250℃左右，抗拉强度有局部性提高，伸长率和断面收缩率均降至最低，出现了所谓的蓝脆现象。在300℃以后，强度和弹性模量均开始显著下降，塑性显著上升，达到600℃时，强度几乎为零，塑性急剧上升，钢材处于热塑性状态。低温影响：随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆在直接承受动力作用的钢结构设计中，为了防止脆性破坏，结构的工作温度应大于T1接近T0，可小于T2。温度T1也称为NDT（NilDuctilityTemperature），为脆性转变温度或零塑性转变温度温度T2也称FTP（FractureTransitionPlastic），为全塑性转变温度11.3.5应力集中的影响截面改变的尖锐程度越大的试件，其应力集中现象就越严重，引起钢材脆性破坏的危险性就越大，表现出高强钢的脆性破坏特征。60050040030020010001002030ε(%)σ(N/mm2)4321123411.3.6荷载类型的影响加载速度的影响：随加载速度提高，屈服点提高，钢材变脆，低温时比较敏感；在冲击荷载作用下，加载速度很高，由于钢材的塑性滑移在加载瞬间跟不上应变速率，因而反映出屈服点提高的倾向。但是，在20℃左右的室温环境下，虽然钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率的增加而提高，塑性变形能力却没有下降，反而有所提高，即处于常温下的钢材在冲击荷载作用下仍保持良好的强度和塑性变形能力。σεσεoo(a)(b)循环荷载的影响：钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后发生脆性破坏。高周疲劳：断裂寿命较长，断裂前的应力循环次数n≥5×104，断裂应力水平较低，σ＜fy低周疲劳：断裂寿命较短，破坏前的循环次数n=102～5×104，断裂应力水平较高，σ≥fy，伴有塑性应变发生包辛格效应经预拉后抗拉强度提高，抗压强度降低的现象11.4钢材的疲劳11.4.1疲劳破坏的特性疲劳破坏：在循环荷载作用下，当达到一定的循环次数时，构件发生的脆性破坏。循环荷载分为两种：常幅交变荷载：荷载的幅值保持不变，引起的应力称常幅循环应力。变幅交变荷载，引起变幅循环应力。σmin=-σaσmax=σaσmin=0σmax=2σaσminσmaxσminσmaxσmax×σmin0σmax×σmin0拉应力压应力拉应力压应力疲劳破坏特征（1）疲劳破坏属于脆性断裂。是在名义应力低于屈服点的低应力循环下，经历了长期的累积损伤过程后才突然发生的。其破坏过程为裂纹的萌生、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂，因此疲劳破坏是有寿命的破坏，是延时断裂。（2）疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，可分为三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。（3）疲劳对缺陷十分敏感。缺陷部位应力集中严重，会加快疲劳破坏的裂纹萌生和扩展。产生疲劳裂纹的焊接初始缺陷疲劳裂纹的扩展脆性断裂区(a)(b)11.4.2疲劳验算1.常幅疲劳Δσ——对焊接部位为应力幅，Δσ=σmax-σmin；对非焊接部位为折算应力幅，Δσ=σmax-0.7σmin；σmax——计算部位每次应力循环中的最大拉应力（取正值）；σmin——计算部位每次应力循环中的最小拉应力或压应力（拉应力取正值，压应力取负值）；[Δσ]－常幅疲劳的容许应力幅，单位为N/mm2。1][nC][构件和连接类别12345678C1940×1012861×10123.26×10122.18×10121.47×10120.96×10120.65×10120.41×1012β443333332.变幅疲劳假设某个构件或连接的设计应力谱由若干个不同应力幅水平Δσi的常幅循环应力组成，各应力幅水平Δσi所对应的循环次数为ni，相对的疲劳寿命为Ni，Miner的线性累积损伤准则为：1iiNn假设有三个应力幅水平相同的变幅疲劳每一个应力幅水平均可列出以下公式lgΔσlgnΔσ1Δσ2Δσ3Δσen1n2n3N1N2N3Σniβ1CNii)(或)(iiCNCnei)(或)(eiCn代入Miner准则后1)()()()(2211CnCnCnCniinn)()(eiiinCn1)(iiienn最后得常幅等效应力幅推导：11.4.3疲劳验算中一些值得注意的问题（1）疲劳验算仍然采用容许应力设计方法，采用标准荷载进行弹性分析求内力（并不采用任何动力系数），用容许应力幅作为疲劳强度。（2）当遇到规范规定的8种以外的连接构造时，应进行专门的研究。（3）理论和试验均证明，只要在构件和连接中存在高达屈服点的残余拉应力，即使在完全的循环压应力作用下，当其幅值超过容许应力幅时也会产生裂纹，但裂纹产生同时，残余拉应力会获得充分的释放，此后在循环压应力环境下，裂纹会自动停止，不继续扩展。所以规范规定，在应力循环中不出现拉应力的部位可不必计算疲劳。（4）由于规范推荐钢种的静力强度对焊接构件和连接的疲劳强度无显著影响，故可以认为，疲劳容许应力幅与钢种无关。显然，当某类型的构件和连接的承载力由疲劳强度起控制作用时，采用高强钢材往往不能充分发挥作用。决定局部应力状态的构造细节是控制疲劳强度的关键因素。11.5结构钢材选用较高的强度：屈服点f