学习情景2 建筑钢结构用钢材

学习情景2 建筑钢结构用钢材,知识点： 本项目讲述了结构甩钢材的分类及其化学成分、 力学性能，建筑钢材的品种、规格以及材质的 检验和验收。 教学目标：通过学习，了解钢材的品种、熟悉钢材的性能、 掌握钢材的选用，能够根据施工的需要、设计 的要求合理选择钢材，以保证正常施工。,一、钢材的冶炼 从铁矿石开始到最终产品的钢材为止，钢材的生产大致可分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。 1、炼铁 矿石中的铁是以氧化物的形态存在的，要用与氧的亲和力比铁更大的物质一氧化碳与碳等还原剂，通过还原作用从矿石中除去氧，还原出铁。同时，为了使砂质和粘土质的杂质（矿石中的废石）易于熔化为熔渣，常用石灰石作为熔剂。所有这些作用只有在足够的温度下才会发生，因此铁的冶炼都是在可以鼓入热风的高炉内进行。,2、炼钢 含碳量在2.06以下的铁碳合金称为碳素钢。因此，当用生铁制钢时，必须通过氧化作用除去生铁中多余的碳和其它杂质，使它们转变为氧化物进入渣中，或成气体逸出。这一作用也要在高温下进行，称为炼钢。常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。,电炉炼钢是利用电热原理，以废钢和生铁等为主要原料，在电弧炉内冶炼。由于不与空气接触，易于清除杂质和严格控制化学成分，炼成的钢质量好。但因耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。 转炉炼钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液中的碳和其它杂质氧化，在高温下使铁液变为钢液。氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，质量和加工性能优良，且可根据需要添加不同的元素，冶炼碳素钢和合金钢。由于氧气顶吹转炉可以利用高炉炼出的生铁熔液直接炼钢，生产周期短、效率高、质量好、成本低。,平炉炼钢是利用煤气或其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。但平炉炼钢周期长，效率低，成本高，现已逐渐被氧气顶吹转炉炼钢所取代。 3、钢材的浇注和脱氧 按钢液在炼钢炉中或盛钢桶中进行脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4类。,沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全，在将钢液浇注入钢锭模时，会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象。沸腾钢在铸模中冷却很快，凝固后在钢材中留有较多的氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差。镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好，但成本高。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。,随着冶炼技术的不断发展，用连续铸造法生产钢坯（用作轧制钢材的半成品）的工艺和设备已逐渐取代了笨重而复杂的铸锭开坯初轧的工艺流程和设备。连铸法的特点是：钢液由钢包经过中间包连续注入被水冷却的铜制铸模中，冷却后的坯材被切割成半成品。连铸法的机械化、自动化程度高，可采用电磁感应搅拌装置等先进设施提高产品质量，生产的钢坯整体质量均匀，但只有镇静钢才适合连铸工艺。因此国内大钢厂已很少生产沸腾钢，若采用沸腾钢，不但质量差，而且供货困难，价格并不便宜。,钢材冶炼的几个名词含义如下： （1）退火- annealing 将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺。目的是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件软化，改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去除残余应力，或得到预期的物理性能。,（2）正火 正火是将工件加热到Ac：或Acm以上3050，保温一定时间后，从炉中取出在空气中冷却的一种热处理工艺。 （3）淬火 淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于临界冷却速度（Vc）冷却，以得到马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。,（4）回火 回火是将淬火钢加热至A1点以下某一温度保温一定时间后，以适当方式冷到室温的热处理工艺。它是紧接淬火的下道热处理工序，同时决定了钢在使用状态下的组织和性能，关系着工件的使用寿命，故是关键工序。,二、 钢材的组织构造和缺陷 1、钢材的组织构造(图2.1) 碳素结构钢是通过在强度较低而塑性较好的纯铁中加适量的碳来提高强度的，一般常用的低碳钢含碳量不超过0.25。低合金结构钢则是在碳素结构钢的基础上，适当添加总量不超过5的其它合金元素，来改善钢材的性能。,a. 碳素钢多晶体结构示意图 b.铁的体心立方晶格 图2.1 钢的组织结构,2、钢材的铸造缺陷 当采用铸模浇注钢锭时，与连续铸造生产的钢坯质量均匀相反，由于冷却过程中向周边散热，各部分冷却速度不同，在钢锭内形成了不同的结晶带（图2.2）。靠近铸模外壳区形成了细小的等轴晶带，靠近中部形成了粗大的等轴晶带，在这二部分之间形成了柱状晶带。这种组织结构的不均匀性，会给钢材的性能带来差异。 钢材的组织构造和缺陷，均会对钢材的力学性能产生重要的影响。,1-表面细晶粒层；2-柱状晶粒区；3-心部等轴晶粒区 图2.2 负锭组织示意图,三、钢材的加工 钢材的加工分为热加工、冷加工和热处理三种。将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，产生出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工。在常温下对钢材进行加工称为冷加工。通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺称为热处理。,1、热加工 将钢锭或钢坯加热至一定温度时，钢的组织将完全转变为奥氏体状态，奥氏体是碳溶入面心立方晶格的铁的固溶体，虽然含碳量很高，但其强度较低，塑性较好，便于塑性变形。因此钢材的轧制或锻压等热加工，经常选择在形成奥氏体时的适当温度范围内进行。选择原则是开始热加工时的温度不得过高，以免钢材氧化严重，而终止热加工时的温度也不能过低，以免钢材塑性差，引发裂纹。一般开轧和锻压温度控制在11501300。,钢材的轧制是通过一系列轧辊，使钢坯逐渐辊轧成所需厚度的钢板或型钢，图2.3是宽翼缘H型钢的轧制示意图。钢材的锻压是将加热了的钢坯用锤击或模压的方法加工成所需的形状，钢结构中的某些连接零件常采用此种方法制造。,图2.3 宽翼缘H型钢轧制示意图,热加工可破坏钢锭的铸造组织，使金属的晶粒变细，还可在高温和压力下压合钢坯中的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，轧制的压缩比大，钢材的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢。钢材的强度按板厚分组就是这个缘故。 热加工使金属晶粒沿变形方向形成纤维组织，使钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横向）的性能，即使其各向异性增大。因此对于钢板部件应沿其横向切取试件进行拉伸和冷弯试验。,钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，经轧制之后被压成薄片，对轧制压缩比较小的厚钢板来说，该薄片无法被焊合，会出现分层现象。分层使钢板沿厚度方向受拉的性能恶化，在焊接连接处沿板厚方向有拉力作用（包括焊接产生的约束拉应力作用）时，可能出现层状撕裂现象（图2.4），应引起重视。,图2.4因焊接产生的层状撕裂,2、冷加工 在常温或低于再结晶温度情况下，通过机械的力量，使钢材产生所需要的永久塑性变形，获得需要的薄板或型钢的工艺称为冷加工。冷加工包括冷轧、冷弯、冷拔等延伸性加工，也包括剪、冲、钻、刨等切削性加工。冷轧卷板和冷轧钢板就是将热轧卷板或热轧薄板经带钢冷轧机进一步加工得到的产品。在轻钢结构中广泛应用的冷弯薄壁型钢和压型钢板也是经辊轧或模压冷弯所制成。组成平行钢丝束、钢绞线或钢丝绳等的基本材料高强钢丝，就是由热处理的优质碳素结构钢盘条经多次连续冷拔而成的。,钢材经冷加工后，会产生局部或整体硬化，即在局部或整体上提高了钢材的强度和硬度，但却降低了塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）。冷拔高强度钢丝充分利用了冷作硬化现象，在悬索结构中有广泛的应用。冷弯薄壁型钢结构在强度验算时，可有条件地利用因冷弯效应而产生的强度提高现象。但对截面复杂的钢构件来说，这种情况是无法利用的。相反，钢材由于冷硬变脆，常成为钢结构脆性断裂的起因。因此，对于比较重要的结构，要尽量避免局部冷加工硬化的发生。,3、热处理 钢的热处理是将钢在固态范围内，施以不同的加热、保温和冷却措施，籍改变其内部组织构造，达到改善钢材性能的一种加工工艺。钢材的普通热处理包括退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。 退火和正火是应用非常广泛的热处理工艺，用其可以消除加工硬化、软化钢材、细化晶粒、改善组织以提高钢的机械性能；消除残余应力，以防钢件的变形和开裂；为进一步的热处理作好准备。,淬火工艺是将钢件加热到900以上，保温后快速在水中或油中冷却。在极大的冷却速度下原子来不及扩散，因此含有较多碳原子的面心立方晶格的奥氏体，以无扩散方式转变为碳原子过饱和的铁固溶体，称为马氏体。马氏体是一种不稳定的组织，不宜用于建筑结构。 回火工艺是将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，而后在空气中冷却。将淬火后的钢材加热至500650，保温后在空气中冷却，称为高温回火。通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强度较高的钢材，如Q420中的C、D、E级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处理。,四、钢材的主要性能 1、钢材的破坏形式 钢材有两种完全不同的破坏形式：塑性破坏（ductile fracture）和脆性破坏（brittle fracture）。钢结构所用的钢材在正常使用条件下，虽然有较高的塑性和韧性，但在某些条件下，仍然存在发生脆性破坏的可能性。,塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。只有当构件中的应力达到抗拉强度后才会发生破坏，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。由于塑性破坏前总有较大的塑性变形发生，且变形持续时间较长，容易被发现和抢修加固，因此不至发生严重后果。钢材塑性破坏前的较大塑性变形能力，可以实现构件和结构中的内力重分布，钢结构的塑性设计就是建立在这种足够的塑性变形能力上。,脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。由于破坏前没有任何预兆，破坏速度又极快，无法察觉和补救，而且一旦发生常引发整个结构的破坏，后果非常严重，因此在钢结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意防止这种破坏的发生。,钢材存在的两种破坏形式与其内在的组织构造和外部的工作条件有关。试验和分析均证明，在剪力作用下，具有体心立方晶格的铁素体很容易通过位错移动形成滑移，即形成塑性变形；而其抵抗沿晶格方向伸长至拉断的能力却强大得多，因此当单晶铁素体承受拉力作用时，总是首先沿最大剪应力方向产生塑性滑移变形（图2.5）。,图2.5 铁素体单晶体的塑性滑移,实际钢材是由铁素体和珠光体等组成的，由于珠光体间层的限制，阻遏了铁素体的滑移变形，因此受力初期表现出弹性性能。当应力达到一定数值，珠光体间层失去了约束铁素体在最大剪应力方向滑移的能力，此时钢材将出现屈服现象，先前铁素体被约束了的塑性变形就充分表现出来，直到最后破坏。显然当内外因素使钢材中铁素体的塑性变形无法发生时，钢材将出现脆性破坏。,2、钢材在单向一次拉伸下的工作性能 钢材的多项性能指标可通过单向一次（也称单调）拉伸试验获得。试验一般都是在标准条件下进行的，即：试件的尺寸符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷；荷载分级逐次增加，直到试件破坏；室温为20左右。图2.6给出了相应钢材的单调拉伸应力应变曲线。,图2.6钢材的单调拉伸应力应变曲线,由低碳钢和低合金钢的试验曲线看出，在比例极限（proportional limit）p以前钢材的工作是弹性的；比例极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点（yield point或yield strength）fy后，出现了一段纯塑性变形，也称为塑性平台；此后强度又有所提高，出现所谓自强阶段，直至产生颈缩而破坏。破坏时的残余延伸率表示钢材的塑性性能。调质处理的低合金钢没有明显的屈服点和塑性平台。这类钢的屈服点是以卸载后试件中残余应变为0.2所对应的应力人为定义的，称为名义屈服点或f0.2（见图2.6）。,钢材的单调拉伸应力应变曲线提供了三个重要的力学性能指标：抗拉强度（tensile strength）fu、伸长率（elongation）和屈服点fy。抗拉强度fu是钢材一项重要的强度指标，它反映钢材受拉时所能承受的极限应力。伸长率是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标，以试件破坏后在标定长度内的残余应变表示。屈服点fy是钢结构设计中应力允许达到的最大限值，因为当构件中的应力达到屈服点时，结构会因过度的塑性变形而不适于继续承载。承重结构的钢材应满足相应国家标准对上述三项力学性能指标的要求。,断面收缩率是试样拉断后，颈缩处横断面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，也是单调拉伸试验提供的一个塑性指标。越大，塑性越好。 由单调拉伸试验还可以看出钢材的韧性好坏。韧性可以用材料破坏过程中单位体积吸收的总能量来衡量，包括弹性能和非弹性能两部分，其数值等于应力应变曲线（图2.6）下的总面积。,由图2.6可以看到，屈服点以前的应变很小，如把钢材的弹性工作阶段提高到屈服点，且不考虑自强阶段，则可把应力应变曲线简化为图2.7所示的两条直线，称为理想弹塑性体的工作曲线。它表示钢材在屈服点以前应力与应变关系符合虎克定律，接近理想弹性体工作；屈服点以后塑性平台阶段又近似于理想的塑性体工作。这一简化，与实际误差不大，却大大方便了计算，成为钢结构弹性设计和塑性设计的理论基础。,图2.7 理想弹塑性体应力应变曲线,3、钢材的其它性能 （1）冷弯性能 钢材的冷弯性能（cold-bending behavior）由冷弯试验确定。试验时，根据钢材的牌号和不同的板厚，按国家相关标准规定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲180以试件表面和侧面不出现裂纹和分层为合格。冷弯试验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力的大小，还能显示其内部的冶金缺陷，因此是判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材，均应具有冷弯试验的合格保证。,（2）冲击韧性 由单调拉伸试验获得的韧性没有考虑应力集中和动荷作用的影响，只能用来比较不同钢材在正常情况下的韧性好坏。冲击韧性也称缺口韧性（notch toughness）是评定带有缺口的钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标，通常用带有夏比V型缺口（Charpy V-notch）的标准试件做冲击试验，以击断试件所消耗的冲击功大小来衡量钢材抵抗脆性破坏的能力。冲击韧性也叫冲击功，用AKV或CV表示，单位为J（1J=1N1m，即1焦耳1牛顿1米）。,五、各种因素对钢材性能的影响 1、化学成分的影响 如前所述，钢是以铁和碳为主要成分的合金，虽然碳和其它元素所占比例甚少，但却左右着钢材的性能。 碳是各种钢中的重要元素之一，在碳素结构钢中则是铁以外的最主要元素。碳是形成钢材强度的主要成分，随着含碳量的提高，钢的强度逐渐增高，而塑性和韧性下降，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等也变劣。,硫是有害元素，常以硫化铁形式夹杂于钢中。当温度达8001000时，硫化铁会熔化使钢材变脆，因而在进行焊接或热加工时，有可能引发热裂纹，称为热脆。此外，硫还会降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、抗锈蚀性能和焊接性能等。非金属硫化物夹杂经热轧加工后还会在厚钢板中形成局部分层现象，在采用焊接连接的节点中，沿板厚方向承受拉力时，会发生层状撕裂破坏。,磷可提高钢的强度和抗锈蚀能力，但却严重地降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能，特别是在温度较低时促使钢材变脆，称为冷脆。 锰是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，消除硫对钢的热脆影响，改善钢的冷脆倾向，同时不显著降低塑性和韧性。锰还是我国低合金钢的主要合金元素，其含量为0.81.8。但锰对焊接性能不利，因此含量也不宜过多。,钒、铌、钛等元素在钢中形成微细碳化物，加入适量，能起细化晶粒和弥散强化作用，从而提高钢材的强度和韧性，又可保持良好的塑性。 铝是强脱氧剂，还能细化晶粒，可提高钢的强度和低温韧性，在要求低温冲击韧性合格保证的低合金钢中，其含量不小于0.015。 铬、镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390及以上牌号的钢材中，但其含量应受限制，以免影响钢材的其它性能。,铜和铬、镍、钼等其它合金元素，可在金属基体表面形成保护层，提高钢对大气的抗腐蚀能力，同时保持钢材具有良好的焊接性能。在我国的焊接结构用耐候钢中，铜的含量为0.200.40。 镧、铈等稀土元素（RE）可提高钢的抗氧化性，并改善其它性能，在低合金钢中其含量按0.020.20控制。 氧和氮属于有害元素。氧与硫类似使钢热脆，氮的影响和磷类似，因此其含量均应严格控制。,氢是有害元素，呈极不稳定的原子状态溶解在钢中，其溶解度随温度的降低而降低，常在结构疏松区域、孔洞、晶格错位和晶界处富集，生成氢分子，产生巨大的内压力，使钢材开裂，称为氢脆。氢脆属于延迟性破坏，在有拉应力作用下，常需要经过一定孕育发展期才会发生。在破裂面上常可见到白点，称为氢白点。含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性低。钢的强度等级越高，对氢脆越敏感。,2、钢材的焊接性能 钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响。当含碳量在0.120.20范围内时，碳素钢的焊接性能最好；含碳量超过上述范围时，焊缝及热影响区容易变脆。一般Q235A的含碳量较高，且含碳量不作为交货条件，因此这一牌号通常不能用于焊接构件。而Q235B、C、D的含碳量控制在上述的适宜范围之内，是适合焊接使用的普通碳素钢牌号。,在高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准建筑钢结构焊接技术规程（JGJ81）推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性，其的计算公式如下： （2.1） 其中C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu分别为分别为碳、锰、铬、钼、钒、镍和铜的百分含量。,钢材焊接性能的优劣除了与钢材的碳当量有直接关系之外，还与母材厚度、焊接方法、焊接工艺参数以及结构形式等条件有关。目前，国内外都采用可焊性试验的方法来检验钢材的焊接性能，从而制定出重要结构和构件的焊接制度和工艺。 3、钢材的硬化 钢材的硬化有三种情况：时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化。,在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降（图2.10a）。这种现象称为时效硬化（也称老化）。产生时效硬化的过程一般较长，但在振动荷载、反复荷载及温度变化等情况下，会加速发展。 在冷加工（或一次加载）使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象（图2.10a）称为冷作硬化。,在钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶氮和碳将更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象（图2.10b），称为应变时效硬化。这种硬化在高温作用下会快速发展,(a）时效硬化及冷作硬化 (b)应变时效硬化 图2.10 硬化对钢材性能的影响,4、应力集中的影响 应力集中的严重程度用应力集中系数衡量，缺口边缘沿受力方向的最大应力max和按净截面的平均应力0N/An（An为净截面面积）的比值称为应力集中系数。 即： k= max / 0 应力集中现象还可能由内应力产生。因此，在进行钢结构设计时，应尽量使构件和连接节点的形状和构造合理，防止截面的突然改变。在进行钢结构的焊接构造设计和施工时，应尽量减少焊接残余应力。,a.薄板圆孔处的应力分布； b.薄板缺口处的应力分布； c.厚板缺口处的应力分布 图2.11 板件在孔口处的应力集中,图2.12 应力集中对钢材性能的影响,5、荷载类型的影响 荷载可分为静力的和动力的两大类。静力荷载中的永久荷载属于一次加载，活荷载可看作重复加载。动力荷载中的冲击荷载属于一次快速加载，吊车梁所受的吊车荷载以及建筑结构所承受的地震作用则属于连续交变荷载，或称循环荷载。,1）加载速度的影响 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，试验研究表明，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。 应变速率在温度较低时对钢材性能的影响要比常温下大得多。因此在钢结构防止低温脆性破坏设计中，应考虑加荷速率的影响。,2）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，直到最后破坏，此现象称为疲劳（fatigue）。 按照断裂寿命和应力高低的不同，疲劳分为高周疲劳（high-cycle fatigue）和低周疲劳（low-cycle fatigue）两类。,6、温度的影响 钢材的性能受温度的影响十分明显。,图2.14 低碳钢在高温下的性能,7、防止脆性断裂的方法 由上述介绍可以看出，影响钢材在一定条件下出现脆性破坏的因素主要有：钢材的内在因素，如钢材的化学成分、组织构造和缺陷等；钢材的外在因素，如构造缺陷和焊接加工引起的应力集中（特别是厚板的应力集中）、低温影响、动荷作用、冷作硬化和应变时效硬化等。因此，为了防止脆性破坏的发生，应在钢结构的设计、制造和使用过程中注意以下各点：,1) 合理设计。首先，应正确选用钢材。随着钢材强度的提高，其韧性和工艺性能一般都有所下降。因此，不宜采用比实际需要强度更高的材料。同时，对于低温下工作、受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度。构造应力求合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、连续地传递应力，减少构件和节点的应力集中。在满足结构的正常使用条件下，应尽量减少结构的刚度和整体性，以防断裂的失稳扩展。如必须采用焊接连接时，应避免焊缝的密集和交叉，尽量采用焊接残余应力小的构造形式，可参考有关焊接连接的内容。,(2) 正确制造。应严格按照设计要求进行制作，例如不得随意进行钢材代换，不得随意将螺栓连接改为焊接连接等等。应尽量采用钻孔或冲孔后再扩钻，以及对剪切边进行刨边等方法来避免冷作硬化现象。为了保证焊接质量，尽量减少焊接残余应力，应制定合理的焊接工艺和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处理方法消除主要构件中的焊接残余应力。焊接中不得在构件上任意打火起弧。在制作和安装过程中所造成的缺陷，如定位焊缝、引弧板、吊装辅件等均应进行清理和修复。制作和安装过程中及完成后，均要严格执行质量检验制度。,(3) 合理使用。不得随意改变结构使用用途或任意超负荷使用结构；原设计在室温工作的结构，在冬季停产检修时要注意保暖；不在主要结构上任意焊接附加零件悬挂重物；避免因生产和运输不当对结构造成撞击或机械损伤；平时应注意检查和维护等。,六、建筑钢的种类、规格和选用 1、建筑用钢的种类 我国的建筑用钢主要为碳素结构钢和低合金高强度结构钢两种，优质碳素结构钢在冷拔碳素钢丝和连接用紧固件中也有应用。另外，厚度方向性能钢板、焊接结构用耐候钢、铸钢等在某些情况下也有应用。,（1）碳素结构钢 按国家标准碳素结构钢GB/T700生产的钢材共有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275种品牌，板材厚度不大于16mm的中，塑性、韧性均较好。该牌号钢材又根据化学成分和冲击韧性的不同划分为A、B、C、D共4个质量等级，按字母顺序由A到D，表示质量等级由低到高。除A级外，其它三个级别的含碳量均在0.20以下，焊接性能也很好。因此，规范将Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。,“F”代表沸腾钢，“b”代表半镇静钢，符号“Z”和“TZ”分别代表镇静钢和特种镇静钢。在具体标注时“Z”和“TZ”可以省略。例如Q235B代表屈服点为235N/mm2的B级镇静钢。 在冷弯薄壁型钢结构的压型钢板设计中，如由刚度条件而非强度条件起控制作用时，也允许采用Q215牌号的钢材。,（2）低合金高强度结构钢 按国家标准低合金高强度结构钢GB/T1591生产的钢材共有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等5种牌号，板材厚度不大于16mm的相应牌号钢材的屈服点分别为295、345、390、420和460N/mm2。这些钢的含碳量不大于0.20%，强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，合金元素的总量低于5，故称为低合金高强度钢。,其中Q345、Q390和Q420均按化学成分和冲击韧性各划分为A、B、C、D、E共5个质量等级，字母顺序越靠后的钢材质量越高。 这三种牌号的钢材均有较高的强度和较好的塑性、韧性、焊接性能，被规范选为承重结构用钢。这三种低合金高强度钢的牌号命名与碳素结构钢的类似，只是前者的A、B级为镇静钢，C、D、E级为特种镇静钢，故可不加脱氧方法的符号。,（3）优质碳素结构钢 优质碳素结构钢（quality carbon structure steel）与碳素结构钢的主要区别在于钢中含杂质元素较少，磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035，其它缺陷的限制也较严格，具有较好的综合性能。按照国家标准优质碳素结构钢技术条件GB/T699生产的钢材共有两大类，一类为普通含锰量的钢，另一类为较高含锰量的钢。,两类的钢号均用两位数字表示，它表示钢中的平均含碳量的万分数，前者数字后不加Mn，后者数字后加Mn，如45号钢，表示平均含碳量为0.45的优质碳素钢；45Mn号钢，则表示同样含碳量、但锰的含量也较高的优质碳素钢。可按不热处理和热处理（正火、淬火、回火）状态交货，用做压力加工用钢（热压力加工、顶锻及冷拔坯料）和切削加工用钢。由于价格较高，钢结构中使用较少，仅用经热处理的优质碳素结构钢冷拔高强钢丝或制作高强螺栓、自攻螺钉等。,牌号由三部分表示：含碳量、合金元素的种类及含量。前两位数字表示平均含碳量的万分数；其后的元素符合表示按主次加入的合金元素；合金元素后面如未附数字，表示其平均含量在1.5%以下；如附有数字“2”,表示其平均含量在1.5%2.5%之间最后如附有“b”，表示为半镇静钢，否则为镇静钢。 例如：16Mn表示平均含碳量为0.16%，平均含Mn量低于1.5%的镇静钢。,（4）其它建筑用钢 在某些情况下，要采用一些有别于上述牌号的钢材时，其材质应符合国家的相关标准。例如，当焊接承重结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢时，应符合厚度方向性能钢板GB/T5313的规定；处于外露环境对耐腐蚀有特殊要求或在腐蚀性气、固态介质作用下的承重结构采用耐候钢时，应满足焊接结构用耐候钢GB/T4172的规定；当在钢结构中采用铸钢件时，应满足一般工程用铸造碳钢件GB/T11352的规定等。,2、钢材规格 钢结构所用钢材主要为热轧成型的钢板和型钢，以及冷加工成型的冷轧薄钢板和冷弯薄壁型钢等。 （1）钢板 钢板有厚钢板、薄钢板、扁钢（或带钢）之分。厚钢板常用做大型梁、柱等实腹式构件的翼缘和腹板，以及节点板等；薄钢板主要用来制造冷弯薄壁型钢；扁钢可用做焊接组合梁、柱的翼缘板、各种连接板、加劲肋等，钢板截面的表示方法为在符号“”后加“宽度厚度”，如20020等。,（2）热轧型钢 常用的有角钢、工字钢、槽钢等，见图2.16af。 角钢分为等边（也叫等肢）的和不等边（也叫不等肢）的两种，主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件。角钢型号的表示方法为在符号“L”后加“长边宽短边宽厚度”（对不等边角钢，如L125808），或加“边长厚度”（对等边角钢，如L1258）。目前我国生产的角钢最大边长为200mm，角钢的供应长度一般为419m。,(a)角钢； (b)工字钢；(c)槽钢；(d)H型钢；(e)T字钢； (f)钢管；(g)冷弯薄壁型钢；(h)压型钢板 图2.16 热轧型钢及冷弯薄壁型钢,工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和H型钢三种。普通工字钢和轻型工字钢的两个主轴方向的惯性矩相差较大，不宜单独用作受压构件，而宜用作腹板平面内受弯的构件，或由工字钢和其它型钢组成的组合构件或格构式构件。宽翼缘H型钢平面内外的回转半径较接近，可单独用作受压构件。 普通工字钢的型号用符号“I”后加截面高度的厘米数来表示，20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为a、b或a、b、c等类别，例如I20a表示高度为200mm，腹板厚度为a类的工字钢。轻型工字钢的翼缘要比普通工字钢的翼缘宽而薄，回转半径较大。,H型钢与普通工字钢相比，其翼缘板的内外表面平行，便于与其它构件连接。H型钢的基本类型可分为宽翼缘（HW）、中翼缘（HM）及窄翼缘（HN）三类。还可剖分成T型钢供应，代号分别为TW、TM、TN。H型钢和相应的T型钢的型号分别为代号后加“高度H宽度B腹板厚度t1翼缘厚度t2”，例如HW4004001321和TW2004001321等。宽翼缘和中翼缘H型钢可用于钢柱等受压构件，窄翼缘H型钢则适用于钢梁等受弯构件。目前国内生产的最大型号H型钢为HN7003001324。,槽钢有普通槽钢和轻型槽钢二种。适于作檩条等双向受弯的构件，也可用其组成组合或格构式构件。槽钢的型号与工字钢相似，例如32a指截面高度320mm，腹板较薄的槽钢。目前国内生产的最大型号为40c。供货长度为519m。 钢管有无缝钢管和焊接钢管两种。由于回转半径较大，常用作桁架、网架、网壳等平面和空间格构式结构的杆件；在钢管混凝土柱中也有广泛的应用。型号可用代号“D”后加“外径d壁厚t”表示，如D1808等。国产热轧无缝钢管的最大外径可达630mm。供货长度为312m。焊接钢管的外径可以做的更大，一般由施工单位卷制。,（3）冷弯薄壁型钢 采用1.56mm厚的钢板经冷弯和辊压成型的型材（见图2.16g），和采用0.41.6mm的薄钢板经辊压成型的压型钢板（见图2.16h），其截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度、节约钢材，在国内外轻钢建筑结构中被广泛地应用。近年来，冷弯高频焊接圆管和方、矩形管的生产和应用在国内有了很大的进展，冷弯型钢的壁厚已达12.5mm（部分生产厂的可达22mm，国外为25.4mm）。,3、钢材的选择 （1）钢材选用原则和建议 钢材的选用既要确保结构物的安全可靠，又要经济合理，必须慎重对待。为了保证承重结构的承载能力，防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、连接方法、工作环境、应力状态和钢材厚度等因素综合考虑，选用合适牌号和质量等级的钢材。,（2）国内外钢材的互换问题 随着经济全球化时代的到来，不少国外钢材进入了中国的建筑领域。由于各国的钢材标准不同，在使用国外钢材时，必须全面了解不同牌号钢材的质量保证项目，包括化学成分和机械性能，检查厂家提供的质保书，并应进行抽样复验，其复验结果应符合现行国家产品标准和设计要求，方可与我国相应的钢材进行代换。,七、钢材的材质检验及验收 1、一般要求 钢结构工程采用的钢材，都应具有质量证明书，当对钢材的质量有疑义时，可按国家现行有关标准的规定进行抽样检验。钢材通用的检验项目、取样数量和试验方法参见表2.8。钢材应成批进行验收，每批由同一牌号、同一尺寸、同一交货状态组成，重量不得大于60t。有A级钢或B级钢允许同一牌号、同一质量等级、同一冶炼和浇筑方法、不同炉罐号组成目合批，但每批不得多于6个炉罐号，且每炉罐号含碳量之差不得大于0.02%.含锰量之差不得大于0.15%。,符合下列情况的，钢结构工程用的钢材须同时具备材质质量保证书和试验报告：国外进口的钢材；钢材不同批次混淆；钢材质量保证书的项目少于设计要求(应提供缺少项目对应的试验报告单)；设计有特殊要求的钢结构用钢材。,表2.8钢材通用检验项目规定,2、钢材性能复验 （1）化学成分分析 常见项目，对钢厂生产能力有怀疑，钢材表面铭牌标记不清，钢号不明时一般都要取样做化学成分分析。 按国家标准规定，复验属于成品分析，试样必须在钢材具有代表性的部位采取。化学分析用试样样屑，可以钻取、刨取或用其他工具机制取。采样时严禁接触油类，防止油类中的碳使复试结果发生偏差；为防止浮锈物和表面脱碳等影响试验结果，必须去除钢材表面锈蚀或氧化铁皮并有足够的深度。,（2）钢材性能试验 钢材性能复试项目中主要是力学性能和工艺性能酌复试。由于钢材轧制方向等方面原因，钢材各个都位的性能不尽相同，按标准规定截取试样才能正确反映钢材的性能。 1)试样切取位置 a)板材试样。对钢板和宽度大于或等于400mm的扁钢，应在距离一边约1/4板宽位置切取，见图2.17。 b)型材试样。球扁钢、T型钢、角钢、槽钢、工字钢切取部位见图2.17。,图2.17 各种型材试样切取位置,c)管材试样。对于外径小于30mm的钢管，应取整个管段作试样；当外径大于30mm时，应剖管取纵向或横向试样；对大口径钢管，其壁厚小于8mm时，应取条状试样；当壁厚大于8mm时，也可加工成圆形比例试样，见图2.18。,图2.18管材试样试样切取位置,2)试样切取方法 a)拉伸试样。板材试样主轴线与最终轧制方向垂直；型钢试样主轴线与最终轧制方向平行。 b)冲击试样。纵向冲击试样主轴绒与最终轧制方向平行；横向冲击试样主轴线与最终轧制方向垂直。,3)试验方法 a)钢材拉伸试验应符合国家标准金属拉伸试样方法(GB 228-87)的规定。 b)钢材冲击试验应符合国家标准金属夏比(V形缺口)冲击试验方法(GB/T229-94)的规定。 c)钢材弯曲试验应符合国家标准金属弯曲试验方法(GB232-88)的规定。,3、试验取样数量 常用钢材化学成分分析和钢材性能试验取样数量见表2.9。,表2.9钢材化学成分分析和钢材性能试验取样数量,4、钢材的验收 钢材验收应达到以下要求： (1) 钢材的品种和数量是否与订货单一致。 (2)钢材的质量保证书是否与钢材上打印的记号相符。 (3)核对钢材的规格尺寸，测量钢材尺寸是否符合标准规定，尤其是钢板厚度的偏差。 (4)钢材表面质量检验，表面不允许有结疤、裂纹、折叠和分层等缺陷，钢材表面的锈蚀深度不得超过其厚度负偏差值的一半，有以上问题的钢材应另行堆放，以便研究处理。,