第二章钢结构的材料

第二章钢结构的材料1．用作钢结构的钢材必须符合哪些要求？答：用作钢结构的钢材必须符合下列要求：（1）较高的抗拉强度uf和屈服点yf。yf是衡量结构承载能力的指标，yf高则可减轻结构自重，节约钢材和降低造价。uf是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，直接反映钢材内部组织的优劣，同时uf高可以增加结构的安全保障。（2）较高的塑性和韧性塑性和韧性好，结构在静载和动载作用下有足够的应变能力，既可减轻结构脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调整局部应力，同时又具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。（3）良好的工艺性能（冷加工、热加工和可焊性）良好的工艺性能不但要易于加工成各种形式的结构，而且不致因加工而对结构的强度、塑性和韧性等造成较大的不利影响。此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。2．钢材具有哪两种性质完全不同的破坏形式？其发生的条件和破坏特点如何？答：钢材具有两种性质完全不同的破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。塑性破坏是由于变形过大，超过了材料或构件可能的变形能力而产生的，仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度uf后才发生。塑性破坏前，总有较大的塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时发现而采取措施予以补救，不致引起严重后果。脆性破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点，断裂从应力集中处开始。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察和采取补救措施，而且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁。在设计、施工和使用钢结构时，要特别注意防止出现脆性破坏3．钢材的主要性能如何？答：钢材的主要性能：（1）强度性能钢材标准试件在常温静载情况下，单向均匀受拉试验时的荷载—变形曲线或应力—应变（）曲线，由此曲线可获得许多有关钢材性能的信息(图2-1和图2-2)。图2-1碳素结构钢的应力—应变曲线图2-2理想的弹塑性体应力—应变曲线比例极限：曲线的OP段为直线，表示钢材具有完全弹性性质，P点应力pf称为比例极限。屈服点：随着荷载的增加，曲线出现ES段，这时表现为非弹性性质，此段上限S点的应力yf称为屈服点。高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶。这类钢的屈服条件是根据试验分析结果而人为规定的，故称为条件屈服点（或屈服强度）。条件屈服点是以卸荷后试件中残余应变为0.2％所对应的应力定义的。抗拉强度或极限强度：超过屈服台阶，材料出现应变硬化，曲线上升，直至曲线最高处的B点，这点的应力uf称为抗拉强度或极限强度。当应力达到B点时，试件发生颈缩现象，至D点而断裂。当以屈服点的应力yf作为强度限值时，抗拉强度uf成为材料的强度储备。（2）塑性性能伸长率：试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，称为伸长率。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。（3）冷弯性能冷弯性能由冷弯试验来确定。试验时按照规定的弯心直径使试件弯成l80°，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。（4）冲击韧性韧性是钢材强度和塑性的综合指标。通常是钢材强度提高、韧性降低则表示钢材趋于脆性。由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区建造的结构不但要求钢材具有常温（20℃）冲击韧性指标，还要求具有0℃和负温（-20℃或-40℃）冲击韧性指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。4．6种因素对钢材主要性能有哪些影响？基本概念：热脆、冷脆；冷作硬化、时效硬化；蓝脆现象、徐变现象、低温冷脆；应力集中现象、钢材的疲劳。答：6种因素对钢材主要性能的影响：（1）化学成分钢是由各种化学成分组成的，化学成分及其含量对钢的性能（特别是力学性能）有着重要的影响，铁（Fe）是钢材的基本元素，在碳素结构钢中约占99％，碳和其他元素仅占1％，但对钢材的力学性能却有着决定性的影响。其他元素包括硅（Si）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）、氮（N）、氧（O）等。低合金钢中还含有少量（低于5％）合金元素，如铜（Cu）、钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）、铬（Cr）等。在碳素结构钢中，碳直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳含量增加，强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下降，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性。因此，对含碳量要加以限制，一般不应超过0.22％，在焊接结构中还应低于0.20％。硫和磷是钢中的有害成分，它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。在高温时，硫使钢变脆，称之热脆；在低温时，磷使钢变脆，称之冷脆。一般含量应不超过0.0045％。氧和氮都是钢中的有害杂质。氧的作用使钢热脆；氮的作用使钢冷脆。由于氧、氮容易在熔炼过程中逐出，一般不会超过极限含量，故通常不要求作含量分析。硅和锰是钢中的有益元素，它们都是炼钢的脱氧剂。它们使钢材的强度提高，含量不过高时，对塑性和韧性无显著的不良影响。（2）冶金缺陷常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。偏析是钢中化学成分不一致和不均匀性。非金属夹杂是钢中含有硫化物与氧化物等杂质。气孔是浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分逸出而形成的。浇注时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，会严重降低钢材的冷弯性能。（3）钢材硬化冷加工使钢材产生很大塑性变形，提高了钢的屈服点，但降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）。在高温时熔化于铁中的少量碳和氮，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性下降。这种现象称为时效硬化，俗称老化。在一般钢结构中，不利用硬化所提高的强度。（4）温度影响钢材性能随温度变动而有所变化。总的趋势是：温度升高，钢材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆。在200℃以内钢材性能没有很大变化，430℃～540℃之间强度急剧下降，600℃时强度很低不能承担荷载。但在250℃左右，钢材的强度反而略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色，称为蓝脆现象。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度在260℃～320℃时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变现象。当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。（5）应力集中在钢结构的构件中有时存在着孔洞、槽口、凹角、截面突然改变以及钢材内部缺陷等。此时，构件中的应力在某些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成应力集中现象。研究表明，在应力高峰区域总是存在着同号的双向或三向应力，使材料处于复杂受力状态，同号的平面或立体应力场有使钢材变脆的趋势。但由于建筑钢材塑性较好，在一定程度上能促使应力进行重分配，使应力分布严重不均的现象趋于平缓。故受静力荷载作用的构件在常温下工作时，在计算中可不考虑应力集中的影响。但在负温下或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破坏的根源，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。（6）反复荷载作用钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。根据试验，在直接的连续反复的动力荷载作用下，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度uf，这种现象称为钢材的疲劳。疲劳破坏表现为突发的脆性断裂。5．钢材疲劳破坏的机理是什么？影响钢材疲劳强度的主要因素是什么？通常钢结构的疲劳破坏属什么情况？答：钢材疲劳破坏的机理：材料总是有“缺陷”的，在反复荷载作用下，先在其缺陷处生成一些极小的裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂纹，试件截面削弱，而在裂纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破坏，并表现为突然的脆性断裂。钢材的疲劳强度取决于应力集中和应力循环次数。通常钢结构的疲劳破坏属高周低应变疲劳，即总应变幅小，破坏前荷载循环次数多。《规范》规定，循环次数N≥105，应进行疲劳计算。6．钢按用途、冶炼方法、脱氧方法和化学成分是如何分类的？答：钢的分类：按用途，可分为结构钢、工具钢和特殊钢。结构钢又分为建筑用钢和机械用钢。按冶炼方法，可分为转炉钢和平炉钢。转炉钢主要采用氧气顶吹转炉钢。平炉钢质量好，但冶炼时间长，成本高。氧气转炉钢质量与平炉钢相当但成本较低。按脱氧方法，可分为沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）和特殊镇静钢（TZ），镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去。镇静钢脱氧充分，沸腾钢脱氧较差，半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间。一般采用镇静钢。按化学成分，钢可分为碳素钢和合金钢。在建筑工程中采用的是碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢以及高强钢丝和钢索。7．碳素结构钢、低合金高强度结构钢是如何分级的？钢的牌号是如何表示的？答：（1）碳素结构钢按质量等级分为A、B、C、D四级，A级钢只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时尚可附加冷弯试验的要求，化学成分碳、锰可以不作为交货条件。B、C、D钢保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（分别为＋20℃，0℃，－20℃）等力学性能，化学成分碳、硫、磷的极限含量。钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）、脱氧方法符号四个部分按顺序组成。根据钢材厚度（直径）＜l6mm时的屈服点数值，分为Q195、Q2l5、Q235、Q255、Q275，钢结构一般仅用Q235，钢的牌号根据需要可为Q235－A；Q235－B；Q235－C；Q235－D等。冶炼方法一般由供方自行决定，设计者不再另行提出，如需方有特殊要求时可在合同中加以注明。（2）低合金高强度结构钢采用与碳素结构钢相同的牌号表示方法，仍然根据钢材厚度（直径）＜l6mm时的屈服点大小，分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。钢的质量等级有A、B、C、D、E五个等级，E级要求－40℃的冲击韧性。低合金高强度结构钢一般为镇静钢，钢的牌号中不注明脱氧方法。冶炼方法也由供方自行选择。A级钢应进行冷弯试验，其他质量级别钢，如供方能保证弯曲试验结果符合规定要求，可不作检验。8．选择钢材时应考虑哪些因素？答：选择钢材时考虑的因素有：（1）结构的重要性重型工业建筑结构、大跨度结构、高层或超高层的民用建筑结构或构筑物等重要结构，应考虑选用质量好的钢材，对一般工业与民用建筑结构，可按工作性质分别选用普通质量的钢材。（2）荷载情况直接承受动力荷载的结构和强烈地震区的结构，应选用综合性能好的钢材；一般承受静力荷载的结构则可选用价格较低的Q235钢。（3）连接方法焊接过程会产生焊接变形、焊接应力以及其他焊接缺陷，存在导致结构产生裂缝或脆性断裂的危险。因此，焊接结构对材质的要求应严格一些。（4）结构所处的温度和环境钢材处于低温时容易冷脆，因此在低温条件下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢。此外，露天结构的钢材容易产生时效，有害介质作用的钢材容易腐蚀、疲劳和断裂，也应加以区别地选择不同材质。（5）钢材厚度薄钢材辊轧次数多，轧制的压缩比大，厚度大的钢材压缩比小，所以厚度大的钢材不但强度较小，而且塑性、冲击韧性和焊接性能也较差。因此，厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。9．钢结构采用的型材规格有哪些？答：钢材的规格钢结构采用的型材有热轧成型的钢板和型钢以及冷弯（或冷压）成型的薄壁型钢。热轧钢板有厚钢板（4.5~60mm）、薄钢板（0.35~4mm）和扁钢（厚度为4~60mm，宽度为30~200mm）。热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢和钢管（图2.15）。角钢分等边和不等边两种。工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和H型钢。普通工字钢和轻型工字钢用号数表示，号数即为其截面高度的厘米数。20号以上的工字钢，同一号数有三种腹板厚度分别为a、b、c三类，a类腹板较薄。轻型工字钢的腹板和翼缘均较普通工字钢薄。H型钢与普通工字钢相比，其翼缘内外两侧平行，便于与其他构件相连。各