1、第十二章 钢 结 构,第一节 钢结构的材料钢结构所用钢材的要求,钢结构的钢材必须具有下列性能：,1）较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。 屈服点高可以减小构件的截面，从而减轻自重，节约钢材， 降低造价。抗拉强度高，可以增加结构的安全性。,2）足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。塑性好,则结构破坏前变形比较明显从而可减少脆性破坏的危险性，并且塑性变形还能调整局部高峰应力、使之趋于平缓。韧性好表示结构在动力荷载作用下破坏时能吸收比较多的能量，表示钢材有较好的抵抗冲击荷载的能力。,3）良好的加工性能。,即适合冷、热加工，同时具有良好的可焊性，不因各种加工而对强度、塑性及韧性产生较大的不利影
2、响。此外，根据结构的具体工作条件，在必要时还应该具有适应低温、有害介质侵蚀（包括大气侵蚀）以及疲劳荷载作用等性能。新的钢结构设计规范对防止钢结构脆性破坏、提高寒冷地区结构抗脆断能力等内容，提出了新要求。,在符合上述性能的条件下，同其他建筑材料一样，钢材也应该容易生产，价格便宜。 实践经验证明，Q235钢、Q345(16Mn)钢和Q390(15MnV)钢是符合要求的。,新规范增列了在九江长江大桥中已成功使用的Q420钢，从而使原规范中推荐的三种牌号钢材即3号钢、16Mn钢和15MnV钢，发展到现在的四种牌号钢即Q235、Q345、Q390和Q420钢。,可以预料，今后必将出现性能更为优越的新钢种
3、供工程使用。但在选用规范还未推荐的钢材时，需有可靠依据，以确保钢结构的质量。,二、钢材的主要性能,1塑性破坏与脆性破坏有屈服现象的钢材或者虽然没有明显屈服现象而能发生较大塑性变形的钢材，一般属于塑性材料。没有屈服现象或塑性变形能力很小的钢材，则属于脆性材料。,钢结构需要用塑性材料制作。规范推荐的几种钢材都是塑性好的含碳量低的钢材，它们都是塑性材料。钢结构不能用脆性材料如铸铁来制造，因为没有明显变形的突然断裂会在房屋、桥梁等供人使用的结构上造成恶性后果。,所谓塑性材料是指由于材料原始性能以及在常温、静载并一次加荷的工作条件下能在破坏前发生较大塑性变形的材料。然而一种钢材具有塑性变形能力的大小，不
4、仅取决于钢材原始的化学成分，熔炼与轧制条件，也取决于后来所处的工作条件。,即使原来塑性表现极好的钢材，改变了工作条件，如在很低的温度下受冲击作用，也完全可能呈现脆性破坏。所以，严格地说，不宜把钢材划分为塑性和脆性材料，而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。,超过屈服点fy即有明显塑性变形产生，达到抗拉强度fu后构件将在很大变形的情况下断裂，这是材料的塑性破坏，也称为延性破坏。塑性破坏的断口常为环形，并因晶体在剪切之下相互滑移的结果而呈纤维状。,塑性破坏前，结构有很明显的变形，将有较长的变形持续时间，可便于发现和补救。因此，在钢结构中未经发现与补救而真正发生塑性破坏的情形是很少的。,与此相
5、反，在没有塑性变形或只有很小塑性变形即发生的破坏，是材料的脆性破坏。其断口平直并因各晶粒往往在一个面断裂而呈光泽的晶粒状。,脆性破坏变形极小并突然发生，无预兆，危险性大。因此，钢结构除选用塑性好的材料外，在设计、制造和使用时，还应采取措施防止钢材发生脆性破坏。,2钢材的机械性能,钢材的机械性能是反映钢材在各种受力作用下的特性，它包括强度、塑性和韧性等，须由试验测定。,（1）强度,主要是屈服点fy和抗拉强度fu这两项指标。,在静载、常温条件下，对钢材标准试件作单向拉伸试验是机械性能试验中最具有代表性的。它简单易行，可得到反映钢材强度和塑性的几项主要机械性能指标。其他受力（受剪、受压）性能也与受拉
6、相似。,理由： 屈服强度fy是钢结构强 度设计时，钢材的极限强度，其重要性可想而知。采用高的屈服强度可减轻自重，节约钢材，降低造价。,钢材在单轴应力作用下的工作性能,一、 六大性能要求,1、强度要求,（1）屈服强度和抗拉强 度必须得到保证,尽管抗拉强度fu比屈服 强度fy高，只有在应力达到 抗拉强度时才发生断裂。但 一般很难利用，因为当应力 超过fy到达硬化之前结构已 产生了很大的塑性变形而失去使用性能，强化段的起点也难确定。那么，为什么还要保证抗拉强度呢？, 保证抗拉强度可提高附加安全保障。局部区域超过屈服强度后不致断裂，此外，钢材在强化阶段的性能还直接影响某些构件在弹塑工作阶段的性能。,标
7、准强度fk规定的屈服强度（保证产品质量）设计强度f 标准强度除以抗力分项系数rf=fk/r (2-1),（2）钢材标准强度与设计强度,不同钢材种类、屈服强度不同；同一种类钢材，厚度不同，屈服强度也会不同。因此，钢结构规范（后简称规范）对各类钢材给出了设计强度。有的同一类钢材，又按照其厚度分组，给出了各组的强度设计值。, 振动、冲击荷载作用下 有利于应力扩散而不局部破坏,2、塑性要求,（1）要求良好塑性。即便发生超应力情况，也能因产生显著变形而不断裂。因为：, 塑性好有利于构件应 力重分布使应力集中趋于均 匀，避免个别点首先出现裂 纹扩展而导致结构破坏。,为了简化计算，将图2-1所 示应力-应变
8、关系简化为图2-2。, 伸长率,伸长率等于试园形件拉断后在标距AB（10cm或5cm）范围内的残余伸长和原标距长的比值；以百分数表示。 原标距长拉断后标距AB间长度试件有两种标距： 和相应的伸长率用 和 表示,（2）钢材塑性指标,用带缺口的标准试件（图2-3）进行冲击试验，,3、韧性要求,（1）冲击韧性概念,试件破坏时截面单位面积吸收的能量，称冲击韧性。冲击韧性越好，表明钢材越不易脆断。,试件长55mm，截面1010mm2，中间一小槽。在摆锤式冲击试验机上进行试验，冲断试件后，读出摆锤消耗的功 Wk。k = Wk/AA试件槽口处截面面积,（2）韧性指标,用k表示，单位是J/cm2，由试验获得。
9、, 焊接接头和焊缝的冲击韧性及近缝区塑性不低于母材性能。,4、可焊性要求,（1）可焊性好意味着钢材施焊后能获得良好的焊接接头性能。,（2）评定可焊性好的标志, 在一定的焊接工艺条件下，焊缝和近缝区均不产生裂纹,(4) 注意钢材疲劳对长期承受重复和交变荷载作用的结构可能在应力低于 就发生断裂，这叫做钢材疲劳现象。此时，必须判断钢材的疲劳性能。,6、耐久性要求,(1) 有的结构要求耐锈蚀性好。钢中的硅，锰含量不能过高，否则会降低抗震锈蚀能力。,(2) 必要时测定应变时效后的冲击韧性。因为钢材的力学性能会随时间增长而改变，即“时效”现象。,(3) 必要时测定持久温度。因为钢材在高温和长期荷载作用下的
10、破坏强度比短期的静力拉伸试验低。,5、冷弯性要求(1) 冷弯性是指钢材在常温下加工产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。(2) 指标：将根据试件厚度按规定的弯曲直径将试件弯曲1800（图2-4），如表面无裂纹或分层则合格。,图2-4 冷弯试验,2.3 建筑钢材的动力工作性能,1、疲劳现象,在连续反复（循环）荷载作用下，当应力低于抗拉强度 甚至低于屈服强度便发生 突然脆性断裂。这种现象 称钢材疲劳破坏。,2、产生疲劳的原因,（1）连续反复荷载（2）材料局部缺陷（工艺微裂纹、焊缝夹渣等）,3、疲劳破坏机理,（1）形成微裂纹,材料已有微裂纹或加载使杂质附近发生应力集中，造成新的微裂纹。,2.4 各种
11、因素对钢材性能的影响,1、碳影响强度、塑性、韧性。提高含碳量，强度提高，塑性和韧性下降，可焊性、抗锈蚀性能变劣。钢结构中，不宜采用含碳量高的钢材，一般不超过0.22%。,普通碳素钢中含有多种化学成分，其中， 铁占99%左右，碳、硅、锰、硫、磷、氮、氧等共占1%左右。在低合金钢中还有合金元素，他们含量低于5%。影响钢材主要性能的元素有：,一、化学成份,2、硫在高温下（800-1000）生成硫化铁，使钢材变脆（热脆），因而降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、可焊性和抗锈蚀能力。应严格控制钢材中的含硫量，不得超过0.05%，16锰桥钢不超过0.045%。,3、磷可提高强度、提高抗锈蚀能力，但严重降低塑性、
12、韧性和可焊性，特别易发生低温脆断（冷脆），应严格控制其含量，一般不超过0.045%，15锰钒钢不超过0.040%。,4、锰提高强度而不明显影响塑性，同时可消除热脆和改善冷脆倾向。是低合金钢中的主要合金元素成分。,7、氮、氧有害杂质，严格控制。,6、钒可提高钢材强度和焊缝性能。15锰钒钢可用于船舶、桥梁等荷载大的焊接结构以及高中压容器。,5、硅含量不超过0.2%时，可提高钢材强度，而对塑性、韧性和可焊性无明显不良影响。,二、冶炼缺陷,4、起层钢材局部有时出现的分层现象 裂纹和起层对力学性能有严重影响，应于重视。,3、裂纹钢材中存在的微观裂纹。,2、非金属夹杂指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化
13、物，他们使钢材性能变脆。,1、偏析杂质元素分布不均匀的现象。主要是硫、磷偏折，其后果是偏折区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。,三、构造缺陷加工过程中出现的问题，如表面不光滑、不平整等。后果:导致应力集中（图2-12）。造成构件脆性破坏。,应力集中越严重，试件破坏所需要的功越小，越危险。 应力集中是导致脆性破坏的主要原因之一，应于避免。,四、钢材硬化,超过比例极限后卸载，再加载时提高了屈服强度，却牺牲了塑性。这种现象称冷硬。冷硬提高了钢材的弹性范围，被广泛用于提高承载力。但却使钢材变脆，牺牲了塑性，对于承受动力荷载重要构件，不应使用经过冷硬的钢材。,六、温度影响,表2-5,规范所列钢材性能均为正常温度时的值。在负温范围，即当温度从常温下降时，塑性、韧性降低，下降到某一温度时冲击韧性突然变得很降，发生脆性破坏，这就是低温冷脆。因而对直接承受动力荷载作用的重要结构，应根据环境温度选择耐低温的钢种（如16锰钢），防止结构发生低温脆性破坏。,对于正温范围（正常温度以上），总的趋势是：随着温度增加，钢材强度下降(表2-5)，塑性增大。,
