第二章鋼結構的材料

學習本章的主要目的是如何選擇鋼材。這就要求首先掌握鋼材的性能，其中最重要的是脆斷。

第一節鋼結構對所用材料的要求

一、鋼材的破壞形式

1.塑性破壞(plasticityfailure)：鋼材在產生很大的變形以后發生的斷裂破壞稱為塑性破壞，也稱為延性破壞。

2.脆性破壞(brittlefailure)：鋼材在變形很小的情況下突然發生斷裂破壞。

二、鋼結構對所用材料的要求

物美價廉強度fy、fu高。強度高可減輕結構自重。塑性、韌性、耐久性好?？煞乐勾嘈云茐?，抗動力荷載好，耐疲勞。良好的加工性能。冷、熱加工和可焊性好。耐腐性好。價格便宜。有時還要求鋼材具有適應低溫、高溫等環境的能力。《鋼結構設計規范（GB50017-2003)》推薦使用：碳素結構鋼中的Q235鋼、低合金結構鋼中的Q345鋼、Q390鋼、Q420鋼。隨著研究的深入，必將有一些滿足要求的其它種類鋼材可供使用。若選用鋼結構設計規范還未推薦的鋼材時，需有可靠的依據，以確保鋼結構的質量。專用鋼結構用材見相關規范。第二節鋼材的主要機械性能鋼材的機械性能（力學性能）通常是指鋼廠生產供應的鋼材在標準條件下拉伸、冷彎和沖擊等單獨作用下顯示出的各種機械性能。它們由相應實驗得到，試驗采用的試件的制作和試驗方法都必須按照各相關國家標準規定進行。一、單向拉伸時的性能

標準試件在室溫（100C～350C)、以滿足靜力加載的加載速度一次加載所得鋼材的應力σ～ε應變曲線顯示的鋼材機械性能如下:：(1)彈性階段

σ≤

fp，σ與ε呈線性關系，稱該直線的斜率E為鋼材的彈性模量。在鋼結構設計中，對所有鋼材統一取E=2.06×105N/mm2

。(2)彈塑性階段

σ與ε呈非線性關系，切線模量Et＝dσ/dε,Et隨應力增大而減小，當σ=fy

時Et=0。

(3)塑性階段也稱屈服階段，σ=fy后鋼材暫時不能承受更大的荷載，且伴隨產生很大的變形，因此鋼結構設計取fy作為強度極限承載力的標志。(4)強化階段試件能承受的最大拉應力fu為鋼材的抗拉強度。取fy作為強度極限承載力的標志，fu就成為材料的強度儲備。(5)頸縮破壞階段

(6)可把鋼材視為理想彈塑性體。(7)伸長率δ=(l1-l0)/l0*100%,反映鋼材的塑性變形能力。二、冷彎性能

三、沖擊韌性

沖擊韌性值用擊斷試樣所需的沖擊功AKV表示,單位為J。沖擊韌性與溫度有關，當溫度低于某一負溫值時，沖擊韌性值將急劇降低。因此在寒冷地區建造的直接承受動力荷載的鋼結構，除應有常溫沖擊韌性的保證外，尚應依鋼材的類別，使其具有-20oC或-40oC的沖擊韌性保證，應AKV≥27J（焦耳）。將試件彎成180o，若試件外表面不出現裂紋和分層，即為合格。綜合反映鋼材的塑性性能和冶金質量。重要結構中需要有良好的冷熱加工性能時，應有冷彎合格保證。

四、鋼材受壓和受剪時的性能

鋼材在單向受壓（短試件）時，受力性能基本上與單向受拉相同。受剪的情況也相似，但屈服點τy及抗剪強度τu均低于fy和fu；剪變模量G也低于彈性模量E。第三節影響鋼材性能的主要因素一、化學成分的影響

碳(C)、錳（Mn）、釩（V）是有利元素，但也要注意對含量的限制。硫（S）、磷（P）氧（O）、氮（N）會降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞性能。應嚴格限制含量。二、鋼材生產過程的影響1.冶煉爐種的影響已無必要強調爐種的影響。2.鋼的脫氧

鋼液中殘留的氧，將使鋼材晶粒粗細不勻并發生熱脆。因此澆注鋼錠時要在爐中或盛鋼桶中加入脫氧劑以消除氧。因脫氧程度或方法不同，把鋼分為沸騰鋼(F)、半鎮靜鋼(b)、鎮靜鋼(Z)和特殊鎮靜鋼(TZ)。3.鋼材的軋制將鋼錠加熱至1200～1300oC

，通過軋鋼機將其軋成所需形狀和尺寸的鋼材，稱為熱軋鋼材。軋鋼機的壓力作用可使鋼錠中的小氣泡和裂紋彌合，并使組織密實。鋼材的壓縮比（鋼坯與軋成鋼材厚度之比）愈大時，其強度和沖擊韌性也愈高。

現在，國內的大型鋼鐵集團均已采用了連鑄連軋技術，對于連鑄連軋鋼材，均為鎮靜鋼材。

三、溫度的影響負溫度范圍內：隨著溫度降低，塑性和韌性降低，材料變脆，稱為低溫冷脆。鋼材沖擊韌性與溫度的關系曲線反彎點所對應的溫度t0稱為脆性轉變溫度。正溫度范圍內:

t<200oC時，鋼材的性能變化不大。

t在250oC左右，鋼材塑性和韌性下降，破壞常呈脆性破壞特征。

當t>400oC時，鋼材的強度和E都急劇降低，t>600oC時其承載能力幾乎喪失。

四、冷加工硬化和時效硬化1.應變硬化

鋼材在常溫下加工稱為冷加工。冷軋、冷彎、沖孔、機械剪切等冷加工使鋼材產生很大的塑性變形，從而使fy提高，但同時降低了鋼材的塑性和韌性，這種現象稱為冷加工硬化。2.時效硬化鋼材經過一定時間后強度提高但塑性降低，這種現象稱為時效硬化。不同種類鋼材的時效硬化過程可從幾小時到數十年。3.人工時效使鋼材產生10%的塑性變形，再加熱到200～300oC，然后冷卻到室溫進行試驗。這樣可使時效在幾小時內完成。五、復雜應力狀態的影響

在復雜應力如平面或立體應力作用下，鋼材的屈服并不只取決于某一方向的應力，而是由反映各方向應力綜合影響的屈服條件來確定。同號應力場使材料脆性加大六、應力集中的影響鋼構件在缺陷或截面變化處附近將產生局部高峰應力，其余部位應力較低，稱為應力集中。在應力高峰區域存在著同號的雙向或三向應力。這種同號的雙向或三向應力場有使鋼材變脆的趨勢。應力集中系數越大，變脆的傾向亦愈嚴重。在負溫下或動力荷載作用下，應力集中往往是引起脆性斷裂的根源，設計中應設法避免或減小應力集中，并選用質量優良的鋼材。第四節鋼材的疲勞一、鋼材疲勞的基本概念

鋼材在反復荷載作用下，在應力低于鋼材抗拉強度甚至低于屈服點時突然斷裂，稱為鋼材的疲勞或疲勞破壞。鋼結構中總存在有微觀裂紋或類似的缺陷，導致應力集中。在多次反復荷載作用下，微觀裂紋不斷開展，應力集中現象越來越嚴重。當荷載反復循環達一定次數n（疲勞壽命）時，裂紋擴展使得凈截面承載力不足以承受外力作用時，構件突然斷裂，發生疲勞破壞。

疲勞破壞一般經歷裂紋形成、裂紋緩慢擴展和最后迅速斷裂三個階段。

二、疲勞計算反復荷載作用產生的應力重復一周叫做一個循環。Δσ=σmax-σmin稱為應力幅，表示應力變化的幅度。試驗表明，焊接結構發生疲勞破壞并不是名義最大應力σmax作用的結果，而是焊縫部位足夠大小的應力幅反復作用的結果。非焊接結構的的疲勞壽命不僅與應力幅有關，還與其他因素有關。規范把疲勞計算公式中的應力幅調整為折算應力幅，以反映其實際工作情況。疲勞計算的公式是以試驗為依據的，分為常幅和變幅疲勞兩種情況進行計算。1.常幅疲勞計算

Δσ≤[Δσ]C、β——參數，根據表2—2中的構件和連接類別按表2-3采用。Δσ——對焊接部位△σ=σmax-σmin；對非焊接部位△σ=σmax-0.7σmin。

由上式可見，容許應力幅與鋼材的強度無關，這表明不同鋼材具有相同的抗疲勞性能。2.變幅疲勞計算可近似地按照線性疲勞累積損傷原則，將隨機變化的應力幅折算為等效應力幅Δσe，按下式進行疲勞計算：

吊車梁：根據實測結果，推算出設計基準期50年內各種吊車梁的應力循環總次數n(等效于滿荷載時n=2106次)

，相應的欠載效應的等效系數f值如表2—3所示，重級工作制吊車梁的疲勞驗算公式為：

當n≥105時，應進行疲勞計算。疲勞計算采用的是容許應力幅法，計算公式是以實驗為依據的，實驗中已包含了動力的影響，故荷載應采用標準值且不乘動力系數，應力幅按彈性工作計算。在完全壓應力（不出現拉應力）循環中，由于壓應力不會使裂紋繼續擴展，故規范規定此種情況可不進行疲勞計算。

三、疲勞計算應注意問題第五節鋼材的鋼種、鋼號及選擇

1.碳素結構鋼

鋼號由代表屈服點的字母Q、屈服強度數值（t≤16mm時的fy，單位是N/mm2）、質量等級符號（分為A、B、C、D四級，質量依次提高）、脫氧方法符號（沸騰鋼、半鎮靜鋼、鎮靜鋼和特殊鎮靜鋼的代號分別為F、b、Z和TZ，其中Z和TZ在鋼號中省略不寫）等四個部分按順序組成。例如Q235-B·F,表示屈服強度為235N/mm2的B級沸騰鋼。鋼材的質量等級中，A、B級鋼按脫氧方法可為沸騰鋼、半鎮靜鋼或鎮靜鋼，C級為鎮靜鋼，D級為特殊鎮靜鋼。一、鋼種鋼材的種類，鋼結構常用的是碳素結構鋼和低合金結構鋼。二、鋼號鋼材的牌號簡稱為鋼號。

2.低合金結構鋼低合金結構鋼是在冶煉碳素結構鋼時加入一種或幾種適量的合金元素而成的鋼。其鋼材牌號的表示方法與碳素結構鋼相似，但質量等級分為A、B、C、D、E五級，且無脫氧方法符號。例如Q345-B，Q390-D，Q420-E。

3.專用結構鋼

(1)特殊用途的鋼結構常采用專用結構鋼。專用結構鋼的鋼號用在相應鋼號后再加上專業用途代號（壓力容器、橋梁、船舶和鍋爐用鋼材的專業用途代號分別為R、q、C和g）來表示。(2)耐候鋼在鋼材冶煉時加入少量的合金元素如Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等，提高鋼材的耐腐蝕性能。也稱為耐大氣腐蝕鋼。例如15MnCuCr—QT鋼表示含碳量為0.15%，合金元素為錳、銅、鉻的淬火加回火熱處理耐候鋼。（3）連接用鋼鋼結構連接中的鉚釘、高強度螺栓、焊條用鋼絲等，也采用滿足各自連接件要求的專門用鋼。

三、鋼材的選擇

鋼材的選擇既要確定所用鋼材的鋼號，又要提出應有的機械性能和化學成分保證項目，是鋼結構設計的首要環節。選材的基本原則是既保證安全可靠，又經濟合理。鋼材的質量等級愈高，其價格也愈高。因此應根據結構的不同特點，來選擇適宜的鋼材。四、常用鋼材的規格鋼結構所用鋼材主要是熱軋成型的鋼板、型鋼和冷加工（冷彎、冷壓和冷軋）成型的薄壁型鋼。1.熱軋鋼板鋼板的標注符號是“－（截面代號）寬度×厚度×長度”，單位為mm，亦可用“－寬度×厚度”或“－厚度”來表示。如－360×12×3600，亦可表示如－360×12或－12。2.熱軋型鋼（1）角鋼分為等邊和不等邊角鋼兩種。角鋼標注符號是“∟邊寬×厚度（等邊角鋼）或∟長邊寬×短邊寬×厚度（不等邊角鋼），單位為mm”。如∟100×8和∟100×80×8。（2）槽鋼

有熱軋普通槽鋼和輕型槽鋼兩種。槽鋼規格用槽鋼符號[或Q[表示。例如，普通槽鋼[10、[20a，輕型槽鋼Q[20a。（3）工字鋼

有普通工字鋼和輕型工字鋼兩種。例如，普通工字鋼I18、I50a，輕型工字鋼QI50。（4）H型鋼

H型鋼比工字鋼的翼緣寬度大并為等厚度，截面抵抗矩較大且質量較小，便于與其它構件連接。熱軋H型鋼分為寬、中、窄翼緣H型鋼，它們的代號分別為HW、HM和HN。例如HW260a、HM360、HN300b。鋼管

鋼結構中常用熱軋無縫鋼管和焊接鋼管。用“Ф外徑×壁厚”表示，單位為mm，例如Ф360×6。3.薄壁型鋼薄壁型鋼通常是用1.5～6mm厚的薄鋼板冷加工而成，其截面形式和尺寸可按工程要求合理設計。與相同截面積的熱軋型鋼相比，其截面抵抗矩大，鋼材用量可顯著減少。但因板壁較薄，對銹蝕影響較為敏感。六、我國目前建筑鋼材存在的主要問題

1．厚板可焊性差，Q345等厚板焊接時，易出現層狀撕裂。應采用Z向鋼，即《厚度方向性能鋼板GB5313》，要求沿厚度方向有良好的抗層狀撕裂性能，用厚度方向拉力試驗的斷面收縮率來評定。應生產優質特厚鋼。2．高強度低合金結構鋼在冷彎薄壁型鋼中的應用尚未解決好，不能滿