钢结构基本原理第2章钢结构的材料

钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 1 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 2 第 一 节 钢 材 的 工 作 性 能 第 二 节 钢 结 构 对 钢 材 性 能 的 要 求 第 三 节 影 响 钢 材 性 能 的 主 要 因 素 第 四 节 钢 材 的 种 类 、 规 格 和 选 用 原 则 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 3 钢 材 的 主 要 强 度 指 标 和 变 形 性 能 根 据 常 温 （ 20 5 ） 、 静 载 条 件 下 标 准 试 件 一 次 拉 伸 试 验 确 定 。常 温 静 载 条 件 下 ， 图 2-1所 示 低 碳 钢 标 准 试 件 单向 一 次 拉 伸 试 验 得 到 的 简 化 光 滑 应 力 -应 变 曲 线 如 图2-2所 示 ， 钢 材 历 经 五 个 阶 段 :第 一 节 钢 材 的 工 作 性 能 一 、 钢 材 静 力 单 向 均 匀 拉 伸 时 的 性 能 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 4图 2-1 静 力 拉 伸 试 验的 标 准 试 件 图 2-2钢 材 一 次 单 向 拉 伸简 化 应 力 -应 变 曲 线 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 5 (1)阶 段 ： 弹 性 阶 段 （ OA段 ）比 例 极 限 fp: E=2.06 105N/mm2 卸 除 荷 载 后 试 件 的 变 形 将 完 全 恢 复 。 E(2)阶 段 ： 弹 塑 性 阶 段 （ AB段 ）与 呈 非 线 性 关 系 ， 应 力 增 加 时 ， 相 应 增 加 的应 变 除 弹 性 应 变 外 还 有 塑 性 应 变 ， 卸 载 时 ， 其 中 塑性 应 变 不 能 恢 复 ， 称 为 残 余 应 变 。 B点 对 应 应 力 fy称 为 屈 服 点 （ 又 称 屈 服 强 度 ） ， 对 应 的 应 变 约 为0.15%。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 6 (3)阶 段 ： 塑 性 阶 段 （ 屈 服 阶 段 、 BC段 ） 屈 服 点 fy:应 力 达 到 屈 服 点 fy后 ， 应 力 -应 变 关 系呈 水 平 线 段 BC， 称 为 屈 服 平 台 ， 钢 材 表 现 为 完 全塑 性 ， 整 个 屈 服 平 台 对 应 的 应 变 幅 称 为 流 幅 (约 为0.15%2.5%)， 流 幅 越 大 ， 钢 材 的 塑 性 越 好 。 (4) 阶 段 ： 应 变 硬 化 阶 段 （ 强 化 阶 段 、 CD段 ）抗 拉 强 度 fu： 经 过 屈 服 阶 段 后 ， 钢 材 内 部 组 织 重 新排 列 并 建 立 了 新 的 平 衡 ， 产 生 了 继 续 承 受 增 长 荷 载 的能 力 ， 此 阶 段 的 应 力 -应 变 为 上 升 的 非 线 性 关 系 ， 直 至应 力 达 到 最 大 值 ， 称 为 抗 拉 强 度 fu。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 7 (5)阶 段 ： 颈 缩 阶 段 （ DE段 ） 在 承 载 力 最 弱 的 截 面 处 ， 横 截 面 急 剧 收 缩 颈 缩 ， 变 形 也 随 之 剧 增 ， 荷 载 下 降 ， 直 至 断 裂 。对 于 没 有 缺 陷 和 残 余 应 力影 响 的 试 件 ,可 认 为 钢 材 是 图 2-3所 示 理 想 弹 -塑 性 体 ， 经 历 两个 阶 段 ， 即 假 定 钢 材 应 力 小 于fy时 是 完 全 弹 性 的 ， 应 力 超 过fy后 则 是 完 全 塑 性 的 。 设 计 时， 取 f y作 为 强 度 限 值 ， 而 取 fu作 为 材 料 的 强 度 储 备 。 图 2-3 理 想 弹 -塑 性应 力 -应 变 曲 线 图 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 8 高 强 度 钢 材 没 有 明 显 屈 服 点 和 屈 服 平 台 ， 这 类钢 的 屈 服 点 是 根 据 实 验 分 析 结 果 人 为 规 定 的 ， 称 为条 件 屈 服 点 ， 用 f0.2表 示 ， 定 义 为 试 件 卸 载 后 其 残 余应 变 为 0.2%对 应 的 应 力 ， 如 图 2-4所 示 。图 2-4高 强 度 钢 的 应 力 -应 变 曲 线 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 9 名 义 应 力 低 于 屈 服 点 、 材 料 处 于 弹 性 阶 段 ， 当荷 载 循 环 达 到 一 定 次 数 后 ， 钢 材 会 发 生 突 然 脆 性 断裂 破 坏 ， 疲 劳 计 算 方 法 详 见 第 9章 。 二 、 反 复 荷 载 作 用 下 钢 材 的 性 能 (一 )高 周 疲 劳 破 坏 (疲 劳 破 坏 ) (二 )低 周 疲 劳 破 坏反 复 应 力 高 于 屈 服 强 度 、 材 料 处 于 弹 塑 性 阶 段 ，反 复 荷 载 会 使 钢 材 的 残 余 应 变 逐 渐 增 长 ， 最 后 产 生突 然 破 坏 。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 10 钢 材 在 受 拉 产 生 塑 性变 形 后 ， 卸 载 并 反 向 加 载使 钢 材 受 压 ， 抗 压 屈 服 强度 会 降 低 ， 如 图 2-5所 示 ，应 力 应 变 曲 线 形 成 滞 回环 （ 滞 回 曲 线 ） ， 滞 回 环所 围 面 积 代 表 荷 载 循 环 一次 单 位 体 积 的 钢 材 所 吸 收的 能 量 。(三 )包 辛 格 （ Bauschinger） 效 应 图 2-5 钢 材 滞 回 曲 线 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 11 钢 结 构 构 件 中 经 常 存 在 孔 洞 、 槽 口 、 凹 角 、 截面 的 厚 度 和 宽 度 的 突 然 改 变 及 钢 材 的 内 部 缺 陷 等 。此 时 ， 构 件 中 的 应 力 分 布 变 得 很 不 均 匀 ， 在 缺 陷 或截 面 变 化 处 附 近 将 产 生 局 部 高 峰 应 力 ， 其 余 部 分 应力 较 低 ， 如 图 2-6所 示 ， 这 种 现 象 称 为 应 力 集 中 。应 力 集 中 产 生 的 高 峰 应 力 区 附 近 总 是 存 在 平 面 或 三维 应 力 场 ， 有 使 钢 材 变 脆 的 趋 势 。三 、 复 杂 应 力 状 态 下 钢 材 的 性 能 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 12图 2-6 孔 洞 的 应 力 集 中（ a） 钢 板 开 圆 孔 （ b） 钢 板 开 长 圆 孔 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 13 钢 材 在 单 向 拉 伸 时 ， 可 借 助 于 实 验 得 到 屈 服 条件 ， 即 当 =fy时 ， 材 料 开 始 屈 服 ， 进 入 塑 性 状 态 。实 际 钢 结 构 中 ， 钢 材 常 是 在 双 向 或 三 向 复 杂 应 力 状态 下 工 作 ， 如 图 2-7所 示 ， 这 时 钢 材 的 屈 服 并 不 取决 于 某 一 个 方 向 的 应 力 ， 从 而 不 能 用 实 验 得 到 普 遍适 用 的 表 达 式 ， 而 是 应 利 用 材 料 力 学 强 度 理 论 用 折算 应 力 eq和 钢 材 在 单 向 应 力 下 的 屈 服 点 相 比 较 来判 别 。 研 究 表 明 ， 对 均 匀 性 和 塑 性 较 好 的 钢 材 ， 适合 采 用 第 四 强 度 理 论 即 能 量 强 度 理 论 ， 折 算 应 力eq按 计 算 如 下 ： 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 14图 2-7复 杂 应 力 状 态 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 15 当 用 主 应 力 表 示 时 )()()(21 213232221 eq （ 2-1）当 用 应 力 分 量 表 示 时 )(3)( 222222 yzxzxyzyzxyxzyxeq （ 2-2）当 eq300 时 ， 强 度 、 弹 性 模 量 显 著 下 降 ， 塑性 变 形 显 著 增 大 。 400 强 度 、 弹 性 模 量 急 剧 降 低 ， 600 几 乎 丧 失 承 载 能 力 。超 过 150 之 后 钢 结 构 表 面 需 加 设 隔 热 保 护 层。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 34图 2-11Akv随 温 度 T的 变 化 (三 )温 度 影 响 （ 2） 负 温 范 围随 着 温 度 下 降 ， 钢 材 强 度 略 有 提 高 ， 但 塑 性、 韧 性 降 低 ， 钢 材 的 脆 性 倾 向 增 加 ， 对 冲 击 韧 性的 影 响 十 分 突 出 。 如 图 2-11所 示 。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 35 牌 号 ： Q195， Q215A及 B， Q235A、 B、 C及 D， Q255 A及 B以 及 Q275。 含 碳 量 越 多 ， 屈 服点 越 高 ， 塑 性 越 低 。 符 号 含 义 见 图 2-12。第 四 节 钢 材 的 种 类 、 规 格 和 选 用 原 则 一 、 钢 材 的 种 类 (一 ) 碳 素 结 构 钢 图 2-12碳 素 结 构 钢 牌 号 中 符 号 含 义 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 36 (二 )低 合 金 高 强 度 结 构 钢 在 钢 的 冶 炼 过 程 中 加 入 通 常 低 于 3%的 合 金 元素 ， 使 钢 的 强 度 明 显 提 高 ， 其 牌 号 按 屈 服 点 由 小到 大 排 列 ， 有 Q295、 Q345、 Q390、 Q420和Q460等 五 种 ， 牌 号 意 义 和 碳 素 结 构 钢 相 同 。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 37 (三 )耐 大 气 腐 蚀 钢 （ 耐 候 钢 ） （ 1） 高 耐 候 结 构 钢 按 其 化 学 成 分 分 为 ： 铜 磷 钢 和 铜 磷 铬 镍 钢 两种 。 其 牌 号 表 示 方 法 是 由 分 别 代 表 “ 屈 服 点 ” 的拼 音 首 字 母 Q、 屈 服 点 的 数 值 和 “ 高 耐 候 ” 拼 音 字母 GNH顺 序 组 成 。（ 2） 焊 接 结 构 用 耐 候 钢表 示 方 法 是 由 分 别 代 表 “ 屈 服 点 ” 得 拼 音 首字 母 Q、 屈 服 点 的 数 值 和 “ 耐 候 ” 的 拼 音 字 母 NH以 及 质 量 等 级 （ C、 D、 E） 顺 序 组 成 。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 38 (四 )桥 梁 用 结 构 钢 由 于 桥 梁 所 受 荷 载 性 质 特 殊 ， 桥 梁 用 钢 的 力学 性 能 、 焊 接 性 能 等 技 术 要 求 一 般 都 严 于 房 屋 建筑 用 钢 ， 其 牌 号 表 达 方 式 与 其 他 钢 材 一 样 ， 由 屈服 点 拼 音 首 字 母 Q、 屈 服 点 数 值 、 桥 梁 钢 拼 音 字 母q和 质 量 等 级 （ C、 D、 E） 四 部 分 顺 序 组 成 。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 39 (五 ) Z向 钢 Z向 钢 主 要 有 Z15、 Z25、 Z35三 个 级 别 ， 分 别代 表 钢 板 的 厚 度 方 向 断 面 收 缩 率 Yz不 小 于 15%、 25%和 35%。 Z向 钢 常 用 于 船 舶 、 海 上 采 油 平 台 、压 力 容 器 等 重 要 焊 接 结 构 。 高 层 建 筑 钢 结 构 对 厚 度 方 向 性 能 有 要 求 的 钢板 ， 牌 号 由 代 表 屈 服 点 拼 音 首 字 母 Q、 屈 服 点 数 值 、高 层 建 筑 拼 音 字 母 GJ、 质 量 等 级 （ C、 D、 E） 和后 缀 字 母 Z组 成 ， 如 Q235GJZ。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 40 钢 结 构 中 采 用 的 钢 材 品 种 主 要 为 热 轧 钢 板 、 钢带 和 型 钢 以 及 冷 轧 钢 板 、 钢 带 和 冷 弯 薄 壁 型 钢 及 压型 钢 板 。二 、 钢 材 规 格 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 41 (一 )钢 板 热 轧 钢 板 分 厚 钢 板 和 薄 钢 板 两 种 。 厚 钢 板 的厚 度 为 4.5 60mm， 用 于 制 作 焊 接 组 合 截 面 构 件， 如 焊 接 工 字 形 截 面 梁 翼 缘 板 、 腹 板 等 ； 薄 钢 板的 厚 度 为 0.35 4mm， 用 于 制 作 冷 弯 薄 壁 型 钢 。钢 板 的 表 示 方 法 为 “ 宽 度 厚 度 长 度 ”。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 42图 2-13热 轧 型 钢 截 面 形 式 (二 )热 轧 型 钢 常 用 热 轧 型 钢 有 角 钢 、 槽 钢 、 工 字 钢 、 H型 钢 、T型 钢 和 钢 管 等 ， 截 面 见 图 2-13。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 43 (二 )热 轧 型 钢 （ 1） 角 钢等 边 角 钢 表 示 ： “ 边 宽 厚 度 ” ；不 等 边 角 钢 表 示 ： “ 长 边 宽 短 边 宽 厚 度 ”。 （ 2） 槽 钢普 通 槽 钢 表 示 ： “ ”+截 面 高 度 （ cm） ；轻 型 槽 钢 表 示 ： “ ”+截 面 高 度 （ cm） +“Q” 。（ 3） 工 字 钢 普 通 工 字 钢 ： “ I”+截 面 高 度 （ cm） ； 轻 型 工 字 钢 “ I”+截 面 高 度 （ cm） +“Q” 。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 44 (二 )热 轧 型 钢 （ 4） H型 钢 和 剖 分 T型 钢H型 钢 有 宽 翼 缘 H型 钢 、 中 翼 缘 H型 钢 和 窄 翼缘 H型 钢 ， 分 别 用 标 记 HW、 HM和 HN表 示 。 各 种H型 钢 均 可 剖 分 为 T型 钢 ， 相 应 标 记 用 TW、 TM、TN表 示 。 H型 钢 和 剖 分 T型 钢 的 表 示 方 法 是 ： 标 记符 号 、 高 度 宽 度 腹 板 厚 度 翼 缘 厚 度 。（ 5） 钢 管钢 管 分 无 缝 钢 管 和 焊 接 钢 管 两 种 ， 表 示 方 法： “ 外 径 壁 厚 ” 。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 45图 2-14薄 壁 型 钢 的 截 面 形 式 (三 )冷 弯 薄 壁 型 钢 薄 壁 型 钢 由 薄 钢 板 经 冷 弯 或 模 压 而 成 ， 其 截面 形 式 见 图 2-14。 薄 壁 型 钢 的 壁 厚 一 般 为 1.5 5mm， 用 于 承 重 结 构 时 其 壁 厚 不 宜 小 于 2mm。 用于 轻 型 屋 面 及 墙 面 的 压 型 钢 板 板 厚 为 0.4 1.6mm。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 46 (四 )钢 索 用 高 强 钢 丝 组 成 的 平 行 钢 丝 束 、 钢 绞 线 或 钢丝 绳 统 称 为 钢 索 。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 47 钢 材 选 用 原 则 既 要 保 证 结 构 安 全 可 靠 ， 又 要 做到 用 料 经 济 合 理 。 三 、 钢 材 选 用 原 则 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 48 (一 )结 构 重 要 性 对 于 重 要 结 构 ， 如 重 型 工 业 建 筑 结 构 、 大 跨度 结 构 、 高 层 或 超 高 层 民 用 建 筑 结 构 或 构 筑 物 等 ，应 选 用 质 量 高 的 钢 材 。 对 于 一 般 工 业 与 民 用 建 筑结 构 ， 可 根 据 工 作 性 质 分 别 选 用 普 通 质 量 的 钢 材 。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 49 (二 )荷 载 性 质 对 承 受 动 力 荷 载 的 结 构 应 选 用 塑 性 、 冲 击 韧性 好 的 钢 材 ， 如 Q235C或 Q345C； 对 承 受 静 力 荷载 的 结 构 可 选 用 一 般 质 量 的 钢 材 如 Q235BF。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 50 (三 )连 接 方 法 焊 接 结 构 由 于 在 焊 接 过 程 中 不 可 避 免 地 出 现焊 接 应 力 、 焊 接 变 形 和 焊 接 缺 陷 ， 因 此 ， 应 选 择碳 、 硫 、 磷 含 量 较 低 ， 塑 性 、 韧 性 和 可 焊 性 都 较好 的 钢 材 。 对 于 非 焊 接 结 构 ， 这 些 要 求 可 以 放 宽 。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 51 (四 )结 构 工 作 环 境 结 构 所 处 的 环 境 如 温 度 变 化 、 腐 蚀 作 用 等 对钢 材 可 能 产 生 很 大 影 响 。 在 低 温 下 工 作 的 结 构 ，尤 其 是 焊 接 结 构 ， 应 选 用 具 有 良 好 抵 抗 低 温 脆 断性 能 的 镇 静 钢 ， 结 构 可 能 出 现 的 最 低 温 应 高 于 钢材 的 冷 脆 转 变 温 度 。 当 周 围 有 腐 蚀 介 质 时 ， 应 对钢 材 的 抗 锈 蚀 性 提 出 相 应 要 求 。 钢 结 构 基 本 原 理 出 版 社 科 技 分 社 52 (五 )钢 材 厚 度 厚 度 大 的 焊 接 结 构 应 采 用 质 量 较 好 的 钢 材 。在 钢 种 的 选 用 方 面 ， 对 重 要 承 重 结 构 推 荐 采用 Q235、 Q345、 Q390、 Q420钢 。 承 重 结 构 钢 材应 具 有 抗 拉 强 度 、 伸 长 率 、 屈 服 强 度 保 证 （ 通 称三 项 保 证 ） 和 硫 、 磷 含 量 的 合 格 保 证 ； 焊 接 结 构还 应 有 碳 含 量 合 格 保 证 ， 冷 弯 、 冲 击 韧 性 等 要 求； 有 疲 劳 验 算 和 抗 震 要 求 的 结 构 钢 材 ， 要 求 有 冲击 韧 性 的 合 格 保 证 。在 钢 材 规 格 的 选 用 方 面 ， 宜 优 先 选 用 型 钢 ，如 对 于 承 受 荷 载 不 大 的 钢 梁 宜 选 用 窄 翼 缘 H型 钢 ，钢 柱 宜 选 用 宽 翼 缘 H型 钢 。