2第二章建筑结构用钢材

第二章建筑钢结构用钢材MaterialofSteelStructures一、钢材的主要性能二、影响钢材性能的主要因素三、钢材的疲劳四、建筑钢材的规格和选用一、建筑钢材的分类1、钢的种类碳素结构钢：：Q195、Q215、Q235、Q255和Q275等质量等级：A、B、C、D，由低到高F－沸腾钢；Z－镇静钢；b－半镇静钢TZ－特殊镇静钢Q235A[F，b,(Z)]旧称3号钢Q235B[F，b,(Z)]常温下Cv要求Q235C[（Z）]零度Cv要求Q235D[(TZ)]-20℃Cv要求一、建筑钢材的分类1、钢的种类低合金高强度结构钢：：Q295、Q345、Q390、Q420和Q460质量等级：A、B、C、D、E，由低到高优质碳素结构钢：经过热处理，如45号优质碳素钢优质钢丝绳：二、钢材的主要性能1、钢材的破坏形式塑性破坏：较大的塑性变形、断口呈纤维状，色泽发暗；有先兆，计算应力σ≥fu脆性破坏：塑性变形很小，甚至没有，断口平直并呈有光泽的晶粒状；没有明显先兆，计算应力σfy钢材的塑性破坏和脆性破坏ufyf对比内容塑性破坏脆性破坏破坏应力破坏前变形明显不明显断口外形杯形平直断口色泽暗淡有光泽断口细部纤维状晶粒状破坏过程延续较长时间突然破坏机理剪应力超过晶粒抗剪能力拉应力超过晶粒抗拉能力危害性便于发现和补救，较轻大对策合理设计结构强度考虑疲劳和冲击作用，合理选择材料种类、构造形式、施工工艺防止钢材脆性断裂的措施加强施焊工艺管理，避免施焊过程产生裂纹、夹渣和气泡等；焊缝不宜过分集中，施焊时不宜过强约束，避免产生过大残余应力。低温下发生低应力的脆断，常与残余应力有关；进行合理细部构造设计，避免产生应力集中。应力集中处会产生同号应力场，使钢材变脆。尽量避免采用厚钢板；选择合理的钢材，钢材化学成分与钢材抗脆断能力有关，含碳多的钢材，抗脆断性能有所下降。此外，冷加工，加载速度等对钢材脆断性能都有影响。二、钢材的主要性能2、基本性能要求和指标强度：比例极限fp、屈服点fy（条件屈服点f0.2）、抗拉强度（极限强度）fu、屈强比塑性：伸长率、面缩率冷弯性能：冷弯试验韧性（度）：冲击韧性（度）可焊性：施工可焊性、使用可焊性耐久性：抗腐蚀能力、抗疲劳能力低碳钢拉伸实验曲线EPSCBDASε理想的弹-塑性体的应力—应变曲线受压构件稳定问题由于钢材具有轻质高强、塑性和韧性好的特点，使得钢结构在大跨、高层、高耸、桥梁、轻钢等结构中得到广泛的应用。对组成结构的构件来讲，受拉构件能充分发挥材料的性能；受压构件，由于长细比（纤细）较大，使得构件会出现失稳问题，因此稳定问题将是钢结构课程学习中的重点和难点，希望同学们给予足够的重视，下面看几个简单的示例，以便有些感性认识。三、影响钢材性能的主要因素化学成分：Fe，C，Si，Mn，S（O），P（N），其它冶金过程：冶炼、浇铸、轧制和热处理时效：钢材硬化温度：高温3000C6000C低温冲击韧性的温度转变区应力集中：因钢材缺陷或制作引起的几何改变，造成各点钢材应力不均匀的状况称为应力集中。应力集中系数σm/σ0应力集中与同号应力场应力集中程度与缺陷几何的关系化学成分对钢材（普通碳素钢）性能的影响强度塑性冷弯性能冲击韧性可焊性抗锈性含量控制碳C+-----0.22%(0.2%)硅Si+0.1%～0.3%锰Mn+0.3%～0.8%钒V++硫S-----0.05%(0.045%)磷P+----+0.05%(0.045%)氧O-----0.05%氮N+-----0.008%四、钢材的疲劳疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏；钢材的疲劳强度与反复荷载引起的应力种类（拉应力、压应力、剪应力和复杂应力等）、应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度和残余应力等有着直接关系。钢材的选择（一）选择钢材的原则1．结构或构件的重要性；2．荷载情况（静力荷载，动力荷载）；静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。3．连接方法（焊接连接、螺栓连接）；焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。4．结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）；低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢5.钢材的厚度。厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。（二）钢材选择建议1、承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度结构钢》GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准的规定和要求。2、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于0℃但高于－20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格的保证；对于Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证；对Q390和Q420钢应具有－40℃冲击韧性的合格保证。4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。5、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。6、当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢时，其材质应符合现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T5313的规定。8、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准《焊接耐候钢》GB/T4172的规定。7、钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率Ψz来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三个等级，即Z15，Z25，Z35，分别对应其允许值。三、钢材的规格热轧成型的钢板和型钢，冷弯（或冷压）成型的薄壁型钢。（一）热轧钢板（表示方法—厚度×宽度×长度）分为:厚板（厚度4.5-60mm)薄板（厚度0.35-4mm)扁钢：厚度4-60mm，宽度20-200mm。(二）热轧型钢1.工字钢2.槽钢工字钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c)槽钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c)3.角钢∠肢宽度×肢厚度等肢角钢∠长肢宽度×短肢宽度×肢厚度不等肢角钢4.H型钢分为：宽翼缘HW、中翼缘HM、窄翼缘HNbht1t2表示方法：H高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度如：Hh×b×t1×t25.钢管tD表示方法：Φ外径×壁厚分为无缝管和焊接管（三）冷弯薄壁型钢壁厚1.5~5mm压型钢板壁厚0.4~1.5mm