淺析鋼結(jié)構(gòu)的材料.doc

第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1概述2.1.1建筑結(jié)構(gòu)用鋼的基本要求（重點）鋼材種類繁多，規(guī)格、用途也不相同，對建筑結(jié)構(gòu)用鋼來說，主要有三方面的要求：1強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的承載力大，所需的截面小，結(jié)構(gòu)的自重輕；2塑性、韌性塑性好，不易發(fā)生脆性破壞；韌性好，利于承受動力荷載；3加工性能可焊性、冷彎性能、耐久性以及耐腐性；據(jù)上要求,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017-2003推薦承重結(jié)構(gòu)用鋼宜采用：炭素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼及低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼中的Q345、Q390和Q420鋼四種鋼材。2.1.2塑性破壞與脆性破壞a. 塑性破壞 破壞前構(gòu)件產(chǎn)生較大的塑性變形,斷裂后的斷口呈纖維狀,色澤發(fā)暗. 破壞前塑性變形大且變形持續(xù)時間長，易發(fā)現(xiàn)補(bǔ)救。鋼材塑性破壞前的較大塑性變形能力，可以實現(xiàn)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力重分布，鋼結(jié)構(gòu)的塑性設(shè)計就是建立在這種足夠的塑性變形能力上。b. 脆性破壞 （絕對避免）破壞前構(gòu)件塑性變形很小,甚至沒有塑性變形, 斷口平直并呈有光澤的晶粒狀. 破壞前沒有任何征兆,突然發(fā)生,無法補(bǔ)救. 在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工和使用過程中，要特別注意防止這種破壞的發(fā)生。2.2鋼結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能2.2.1強(qiáng)度 一次單向均勻拉伸試驗曲線圖2.1 低碳鋼單向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線 圖2.2 理想彈塑性材料應(yīng)力應(yīng)變曲線由低碳鋼的試驗曲線（圖2.1）看出，在比例極限以前鋼材的工作是彈性的；比例極限以后，進(jìn)入了彈塑性階段；達(dá)到了屈服點后，出現(xiàn)了一段純塑性變形，也稱為塑性平臺；此后強(qiáng)度又有所提高，出現(xiàn)所謂自強(qiáng)階段，直至產(chǎn)生頸縮而破壞。破壞時的伸長率表示鋼材的塑性性能。重要指標(biāo)： 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是鋼材一項重要的強(qiáng)度指標(biāo)，它反映鋼材受拉時所能承受的極限應(yīng)力。 屈服點屈服點是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)力允許達(dá)到的最大限值，因為當(dāng)構(gòu)件中的應(yīng)力達(dá)到屈服點時，結(jié)構(gòu)會因過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載。 鋼材強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值由圖2.1可以看到，屈服點以前的應(yīng)變很小，如把鋼材的彈性工作階段提高到屈服點，且不考慮自強(qiáng)階段，則可把應(yīng)力應(yīng)變曲線簡化為圖2.2所示的兩條直線，稱為理想彈塑性體的工作曲線。它表示鋼材在屈服點以前應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系符合虎克定律，接近理想彈性體工作；屈服點以后塑性平臺階段又近似于理想的塑性體工作。這一簡化，與實際誤差不大，卻大大方便了計算，成為鋼結(jié)構(gòu)彈性設(shè)計和塑性設(shè)計的理論基礎(chǔ)。因此，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以屈服點強(qiáng)度值作為承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度計算的限值，即鋼材強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，據(jù)此確定強(qiáng)度設(shè)計值。 名義屈服點調(diào)質(zhì)處理的低合金鋼沒有明顯的屈服點和塑性平臺。這類鋼的屈服點是以卸載后試件中殘余應(yīng)變?yōu)?.2所對應(yīng)的應(yīng)力人為定義的，稱為名義（條件）屈服點或。 2.2.2塑性 斷面收縮率試樣拉斷后，頸縮處橫斷面積的最大縮減量與原始橫斷面積的百分比，也是單調(diào)拉伸試驗提供的一個塑性指標(biāo)。越大，塑性越好。Z向鋼 伸長率 伸長率是衡量鋼材斷裂前所具有的塑性變形能力的指標(biāo)，以試件破壞后在標(biāo)定長度內(nèi)的殘余應(yīng)變表示。取圓試件直徑的5倍或10倍為標(biāo)定長度，其相應(yīng)伸長率分別用或表示。2.2.3冷彎性能鋼材的冷彎性能是衡量鋼材在常溫下彎曲加工產(chǎn)生塑性變形時對產(chǎn)生裂紋的抵抗能力的一項指標(biāo)。冷彎性能取決于鋼材的質(zhì)量。.2.2.3韌性（沖擊韌性）評定帶有缺口的鋼材在沖擊荷載作用下抵抗脆性破壞能力的指標(biāo)，以擊斷試件所消耗的沖擊功大小來衡量鋼材抵抗脆性破壞的能力。鋼材的沖擊韌性值隨溫度的降低而降低，但不同牌號和質(zhì)量等級鋼材的降低規(guī)律又有很大的不同。因此，在寒冷地區(qū)承受動力作用的重要承重結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)其工作溫度和所用鋼材牌號，對鋼材提出相當(dāng)溫度下的沖擊韌性指標(biāo)的要求，以防脆性破壞發(fā)生。2.3影響鋼材機(jī)械性能的主要因素1化學(xué)成份2冶金及軋制3鋼材的硬化（冷作硬化與時效硬化）4復(fù)雜應(yīng)力與應(yīng)力集中5殘余應(yīng)力6溫度7. 疲勞2.3.1化學(xué)成分的影響 基本成份為Fe，炭鋼中含量占99，C、Si、Mn為雜質(zhì)元素，S、P、N、O為冶煉過程中不易除盡的有害元素。C：含C使強(qiáng)度塑性、韌性、可焊性，應(yīng)控制在0.22%，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)控制在0.20%。Si：含Si適量使強(qiáng)度 其它影響不大，有益，應(yīng)控制在0.10.3%Mn：含Si適量使強(qiáng)度 降低S、O的熱脆影響，改善熱加工性能，對其它性能影響不大，有益。S：含量使強(qiáng)度塑性、韌性、性能冷彎、可焊性；高溫時使鋼材變脆（熱脆現(xiàn)象），嚴(yán)格控制。P：低溫時使鋼材變脆冷脆現(xiàn)象；其它同SO、N：O同S；N同P，控制含量0.008%2.3.2冶金及軋制影響1. 冶金的影響主要為脫氧方法：沸騰鋼用Mn為脫氧劑，時間快，價格低，質(zhì)量差；鎮(zhèn)靜鋼用Si為脫氧劑，時間慢，價格高，質(zhì)量好。半鎮(zhèn)靜鋼加入少量強(qiáng)脫氧劑硅（或鋁）進(jìn)行脫氧，質(zhì)量和價格介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。(特殊鎮(zhèn)靜鋼)2. 軋制的影響反復(fù)的軋制可以改善鋼材的塑性，同時可以使鋼材中的氣孔、裂紋、疏松等缺陷焊合，使金屬晶體組織密實，晶粒細(xì)化，消除纖維組織缺陷，使鋼材的力學(xué)性能提高。2.3.3鋼材的硬化1硬化由于某種因素的影響而使鋼材強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降，增加脆性的現(xiàn)象稱之為硬化現(xiàn)象。鋼材的硬化有三種情況：時效硬化、冷作硬化（或應(yīng)變硬化）和應(yīng)變時效硬化（人工時效）。2時效硬化鋼材中的C、N，隨著時間的增長和溫度的變化，而形成碳化物和氮化物，使鋼材變脆的“老化”現(xiàn)象稱之為時效硬化。3冷作硬化冷加工時（常溫進(jìn)行彎折、沖孔剪切等），鋼材發(fā)生塑性變形從而使鋼材變硬的現(xiàn)象稱之為冷作硬化。不利用冷作硬化所提高的強(qiáng)度，且比較重要的鋼結(jié)構(gòu)，要盡量避免局部冷作硬化現(xiàn)象的發(fā)生。4人工時效在鋼材產(chǎn)生一定數(shù)量的塑性變形后，鐵素體晶體中的固溶氮和碳將更容易析出，從而使已經(jīng)冷作硬化的鋼材又發(fā)生時效硬化現(xiàn)象，稱為應(yīng)變時效硬化。這種硬化在高溫作用下會快速發(fā)展，人工時效就是據(jù)此提出來的，方法是：先使鋼材產(chǎn)生10左右的塑性變形，卸載后再加熱至250，保溫一小時后在空氣中冷卻。用人工時效后的鋼材進(jìn)行沖擊韌性試驗，可以判斷鋼材的應(yīng)變時效硬化傾向，確保結(jié)構(gòu)具有足夠的抗脆性破壞能力。2.3.4 復(fù)雜應(yīng)力與應(yīng)力集中*1復(fù)雜應(yīng)力作用（復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件）單調(diào)拉伸試驗得到的屈服點是鋼材在單向應(yīng)力作用下的屈服條件，實際結(jié)構(gòu)中，鋼材常是在雙向或三向的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下工作，這時鋼材的屈服并不只取決于某一方向的應(yīng)力，而是由反映各方向應(yīng)力綜合影響的“應(yīng)力函數(shù)”，即所謂的“屈服條件”來確定。鋼在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)由彈性到塑性的條件為：（2-1）用主應(yīng)力表示時，（2-2） 由式(2-1)、(2-2)可以看出，當(dāng)1、2、3為同號應(yīng)力且數(shù)值接近時，即使它們各自都遠(yuǎn)大于，折算應(yīng)力仍小于，說明鋼材很難進(jìn)入塑性狀態(tài)。當(dāng)為三向拉應(yīng)力作用時，甚至直到破壞也沒有明顯的塑性變形產(chǎn)生，破壞表現(xiàn)為脆性。相反，在異號應(yīng)力場下，剪應(yīng)變增大，鋼材會較早地進(jìn)入塑性狀態(tài)，提高了鋼材的塑性性能。受純剪時，式(2-1)變?yōu)?，即?yīng)力達(dá)到的0.58倍時，鋼材進(jìn)入塑性狀態(tài)。因此，設(shè)計規(guī)范對鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計值取0.58，為抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。2應(yīng)力集中在荷載作用下，在構(gòu)件截面突然改變的部位（孔洞邊緣或缺口尖端等處）將產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，其余部位應(yīng)力較低且分布不均勻的現(xiàn)象。應(yīng)力集中實際是局部應(yīng)力增大并多為同號應(yīng)力場。應(yīng)力集中對低溫直接承受動力作用的構(gòu)件不利，故應(yīng)避免截面急劇改變等構(gòu)造措施，以減小應(yīng)力集中。2.3.5殘余應(yīng)力鋼構(gòu)件在軋制、火焰切割、焊接和冷矯直等冷加工和制造過程中由于不均勻冷卻或不均勻塑性變形，使構(gòu)件內(nèi)在未受外力時即已存在的應(yīng)力。殘余應(yīng)力事實上是一種產(chǎn)生在構(gòu)件內(nèi)部自相平衡的內(nèi)力。殘余應(yīng)力雖對構(gòu)件的強(qiáng)度無影響，但對構(gòu)件的變形（剛度）、疲勞、應(yīng)力腐蝕以及穩(wěn)定承載力（屈曲強(qiáng)度，后續(xù)章節(jié)中將詳細(xì)介紹）產(chǎn)生不利影響。因此在鋼結(jié)構(gòu)制造過程中應(yīng)盡量采取措施以減小殘余應(yīng)力。2.3.6溫度影響溫度的影響，一般可分正溫與負(fù)溫影響兩部分。 正溫影響總體影響規(guī)律為溫度上升，鋼材的強(qiáng)度降低，塑性、韌性提高，這一現(xiàn)象稱之為熱塑現(xiàn)象，溫度達(dá)600攝氏度左右時，鋼材的強(qiáng)度幾乎降至為零，而塑性、韌性極大，易于進(jìn)行熱加工，此溫度稱之為熱煅溫度。需要說明：鋼材在300攝氏度左右時，強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降，鋼材表面呈藍(lán)色，這一反覆現(xiàn)象稱之為藍(lán)脆現(xiàn)象。鋼材在300攝氏度以上時應(yīng)采取隔熱措施。 負(fù)溫影響隨著溫度的降低鋼材的強(qiáng)度提高，塑性、韌性降低，脆性增大，稱之為低溫冷脆，當(dāng)溫度降至某一特定溫度時鋼材的脆性急劇增大，稱此溫度點為轉(zhuǎn)脆溫度。2.3.7疲勞影響鋼材的疲勞指鋼材在循環(huán)應(yīng)力多次反復(fù)作用下裂紋生成、擴(kuò)展以致斷裂破壞的現(xiàn)象。2.4 建筑結(jié)構(gòu)用鋼的種類與選擇2.4.1 結(jié)構(gòu)用鋼的種類按化學(xué)成分分：非合金鋼、低合金鋼、合金鋼我國的建筑用鋼主要為碳素結(jié)構(gòu)鋼（非合金鋼）和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼兩種2.4.2 結(jié)構(gòu)用鋼的牌號鋼材牌號由：“Q、屈服點值、質(zhì)量等級、脫氧方法”四部分組成。Q為“屈”字拼音首位字母，意為“屈服強(qiáng)度”；屈服點值3位數(shù)，代表屈服點的單位面積壓強(qiáng)值；質(zhì)量等級分AE五級，字序越高質(zhì)量越好；脫氧方法F為沸騰鋼，Z代表鎮(zhèn)靜鋼（一般省略），b代表半鎮(zhèn)靜鋼，TZ代表特殊鎮(zhèn)靜鋼。例如，Q235B代表屈服點為的B級鎮(zhèn)靜鋼。注：炭素結(jié)構(gòu)鋼分：A、B、C、D 四級，含所有脫氧方法；低合金結(jié)構(gòu)鋼分：A、B、C、D、E五級，只有鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。建筑結(jié)構(gòu)用鋼，宜選炭素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235及低合金鋼中的Q345、Q390、Q420。2.4.3 鋼材的選用 選用考慮的因素 結(jié)構(gòu)的重要性 荷載特征 連接方法 工作環(huán)境溫度 鋼材厚度 選用原則 保證結(jié)構(gòu)安全可靠；符合使用要求；盡可能的節(jié)約鋼材和降低造價。2.4.3 鋼材的規(guī)格 鋼板鋼板有厚鋼板、薄鋼板、扁鋼（或帶鋼）之分。鋼板截面的表示方法為在符號“