第11章建筑鋼材的性能

1、鐘鐘 聲聲ZHONG, SHENG四川大學建筑與環(huán)境學院四川大學建筑與環(huán)境學院College of Architecture and Environment, SCU第11章 建筑鋼材的性能結(jié)構(gòu)設(shè)計原理本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 第一節(jié)第一節(jié) 建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格 第二節(jié)第二節(jié) 建筑鋼材的主要性能建筑鋼材的主要性能 第三節(jié)第三節(jié) 影響鋼材性能的主要因素影響鋼材性能的主要因素 第四節(jié)第四節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)選材的要求鋼結(jié)構(gòu)選材的要求 第五節(jié)第五節(jié) 鋼材及其連接的強度取值鋼材及其連接的強度取值 第六節(jié)第六節(jié) 鋼材的本構(gòu)模型鋼材的本構(gòu)模型 第七節(jié)第七節(jié) 鋼材的疲勞（書中第四節(jié)，自學）鋼材

2、的疲勞（書中第四節(jié)，自學）第11章 建筑鋼材的性能本章教學要求本章教學要求 了解材料力學性能指標；了解材料力學性能指標； 了解鋼材分類和鋼材品種；了解鋼材分類和鋼材品種； 熟悉鋼材應(yīng)力熟悉鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線；應(yīng)變曲線； 了解影響鋼材性能的因素；了解影響鋼材性能的因素； 掌握鋼材強度設(shè)計值確定方法；掌握鋼材強度設(shè)計值確定方法； 熟悉鋼材的選用原則；熟悉鋼材的選用原則；1. 熟悉鋼材的本構(gòu)模型。熟悉鋼材的本構(gòu)模型。第11章 建筑鋼材的性能11.1 建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格11.1.1 鋼材的種類和牌號鋼材的種類和牌號11.1.2 鋼材的品種和規(guī)格鋼材的品種和規(guī)格第11章 建筑鋼

3、材的性能11.1.1 鋼材的種類和牌號鋼材的種類和牌號u 鋼材的種類鋼材的種類11.1 建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格錳系鋼錳系鋼硅錳系鋼硅錳系鋼 鋼材鋼材碳素鋼碳素鋼低合金鋼低合金鋼低碳鋼低碳鋼含碳量含碳量0.25%中碳鋼中碳鋼含碳量含碳量0.25%0.6%高碳鋼高碳鋼含碳量含碳量0.6%1.4%硅釩系鋼硅釩系鋼硅鈦系鋼硅鈦系鋼硅鉻系鋼硅鉻系鋼u 鋼材的牌號鋼材的牌號R 鑄造碳鋼鑄造碳鋼鑄鋼代號鑄鋼代號ZG、屈服點、屈服點fy-抗拉強度抗拉強度fu，例，例ZG200-400R 鋼筋中的低合金鋼鋼筋中的低合金鋼平均含碳量萬分數(shù)、主要合金元素符號、平均含碳量萬分數(shù)、主要合金元素符號、合金含量百分數(shù)合金含

4、量百分數(shù)。其中合金元素含量。其中合金元素含量1.5%時不標注，時不標注，1.5%時標注時標注2， 2.5%時標注時標注3，此類推。例如，此類推。例如16Mn、20MnSi、40Si2MnVR 螺栓用鋼螺栓用鋼：用碳鋼或低合金鋼制造。：用碳鋼或低合金鋼制造。 抗拉強度抗拉強度.屈強比屈強比抗抗拉強度以拉強度以t/cm2為單位。螺栓有為單位。螺栓有4.6級、級、4.8級、級、8.8級和級和10.9級四級四個級別。個級別。11.1 建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格R 碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號代表屈服點字母代表屈服點字母Q、屈服應(yīng)力標準值、屈服應(yīng)力標準值、-質(zhì)量質(zhì)量等級、脫氧方法等級、脫氧方法，例如，例如Q

5、235-AF、Q255-C。碳素結(jié)構(gòu)鋼共分。碳素結(jié)構(gòu)鋼共分Q195、Q215、Q235、Q255和和Q275五個牌號，鋼結(jié)構(gòu)中通常僅五個牌號，鋼結(jié)構(gòu)中通常僅使用使用Q235。質(zhì)量等級質(zhì)量等級A、B、C、D 脫氧方法脫氧方法F、b、Z、TZR 低合金高強度鋼牌號低合金高強度鋼牌號代表屈服點字母代表屈服點字母Q、屈服應(yīng)力標準值、屈服應(yīng)力標準值、-質(zhì)量等級質(zhì)量等級例如例如Q295B、Q420E。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼共分。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼共分Q295、Q345、Q390、Q420和和Q460五個牌號，其中五個牌號，其中Q345鋼、鋼、Q390鋼和鋼和Q420鋼為鋼結(jié)構(gòu)的選用鋼材。鋼為鋼結(jié)構(gòu)的選用鋼材。

6、質(zhì)量等級質(zhì)量等級A、B、C、D、E11.1 建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格11.1.2 鋼材的品種和規(guī)格鋼材的品種和規(guī)格u 熱軋鋼板熱軋鋼板11.1 建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格u 熱軋鋼板熱軋鋼板11.1 建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格鋼板用符號鋼板用符號“-”后加后加“厚厚寬寬長長（單位為（單位為mm）”的方法表示，如：的方法表示，如：-128002100。h=0.354mm，b=5001500mm，l=0.54m薄鋼板是冷彎薄壁型鋼的原料薄鋼板是冷彎薄壁型鋼的原料h=4.560mm，b=6003000mm，l=412m廣泛用來組成焊接構(gòu)件和連接鋼板。廣泛用來組成焊接構(gòu)件和連接鋼板。h=460mm，b=1220

7、0mm，l=39m厚鋼板厚鋼板h=2.58mm，b=6001800mm，l=0.612m薄鋼板薄鋼板扁鋼板扁鋼板花紋鋼板花紋鋼板熱熱軋軋鋼鋼板板u 熱軋型鋼熱軋型鋼11.1 建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格等邊角鋼不等邊角鋼鋼管T型鋼槽鋼工字鋼H型鋼u 熱軋型鋼熱軋型鋼 角鋼角鋼等邊角鋼等邊角鋼：L肢寬肢寬肢厚，肢厚，如如 L100 x 10為肢寬為肢寬 100 mm 、厚厚 10mm 的等邊角鋼；的等邊角鋼；不等邊角鋼不等邊角鋼：L長肢寬長肢寬短肢寬短肢寬肢厚，肢厚，如如 L100 x 80 x 10 等。等。11.1 建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格u 熱軋型鋼熱軋型鋼 槽鋼槽鋼槽鋼槽鋼：普通槽鋼普通槽鋼 “

8、”和號數(shù)；和號數(shù)；輕型槽鋼輕型槽鋼 “Q”和號數(shù)，由于輕型槽鋼腹板薄及翼緣和號數(shù)，由于輕型槽鋼腹板薄及翼緣寬而薄，因而截面積小但回轉(zhuǎn)半徑大，能節(jié)約鋼材減少寬而薄，因而截面積小但回轉(zhuǎn)半徑大，能節(jié)約鋼材減少自重，不過輕型系列的實際產(chǎn)品較少。自重，不過輕型系列的實際產(chǎn)品較少。14、25號以上的槽鋼，按腹板厚度，同一號數(shù)又分號以上的槽鋼，按腹板厚度，同一號數(shù)又分a、b、c三類；三類；例如：例如：普通槽鋼普通槽鋼的表示法如的表示法如 32a ，指槽鋼外廓高度為指槽鋼外廓高度為 32cm 且腹板厚度為最薄的一種；且腹板厚度為最薄的一種；輕型槽鋼輕型槽鋼的表示法例如的表示法例如Q 25，表示外廓高度為表示外

9、廓高度為25cm，Q 是漢語拼音是漢語拼音“輕輕”的拼音字首。的拼音字首。11.1 建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格u 熱軋型鋼熱軋型鋼 工字鋼工字鋼工字鋼工字鋼：普通工字鋼普通工字鋼 “I”和號數(shù)（代表截面高度厘米數(shù)）；和號數(shù)（代表截面高度厘米數(shù)）；輕型工字鋼輕型工字鋼 “QI”和號數(shù)（代表截面高度厘米數(shù)）。和號數(shù)（代表截面高度厘米數(shù)）。20、32號以上的工字鋼，按腹板厚度同一號數(shù)又分號以上的工字鋼，按腹板厚度同一號數(shù)又分a、b、c三類。輕型的由于壁厚已薄故不再按厚度劃分。三類。輕型的由于壁厚已薄故不再按厚度劃分。兩種工字鋼表示法如：兩種工字鋼表示法如： I32c , I32Q 等。等。11.1 建筑

10、結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格u 熱軋型鋼熱軋型鋼 H型鋼和型鋼和T型鋼型鋼H型鋼型鋼：熱軋：熱軋 H 型鋼分為三類：型鋼分為三類：寬翼緣寬翼緣 H 型鋼（型鋼（ HW ）、）、中翼中翼緣緣 H 型鋼（型鋼（ HM ）和和窄翼緣窄翼緣 H 型鋼（型鋼（ HN ）。）。 H 型鋼型鋼型號的型號的表示方法表示方法是先用符號是先用符號 HW 、 HM 和和 HN 表示表示 H 型鋼的類別，后面加型鋼的類別，后面加“高度（毫米）高度（毫米） x 寬度（毫寬度（毫米）米） ” , 例如例如HW300 x300 ，即為截面高度為即為截面高度為 300mm ，翼緣寬度為翼緣寬度為 300mm 的寬翼緣的寬翼緣 H 型鋼

11、。型鋼。T型鋼型鋼：剖分剖分 T 型鋼型鋼也分為三類，即：也分為三類，即：寬翼緣寬翼緣剖分剖分 T 型鋼型鋼（ TW ）、）、中翼緣中翼緣剖分剖分 T 型鋼型鋼 ( TM ）和和窄翼緣窄翼緣剖分剖分 T 型鋼型鋼( TN ）。）。剖分剖分 T 型鋼是由對應(yīng)的型鋼是由對應(yīng)的 H 型鋼沿腹板中型鋼沿腹板中部對等剖分而成。其表示方法與部對等剖分而成。其表示方法與 H 型鋼類同。型鋼類同。11.1 建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格u 熱軋型鋼熱軋型鋼 鋼管鋼管無縫鋼管和焊接鋼管無縫鋼管和焊接鋼管 ： “”外徑外徑壁厚；壁厚；方鋼管和圓鋼管。方鋼管和圓鋼管。11.1 建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格u 冷彎薄壁型鋼冷彎薄壁

12、型鋼冷彎薄壁型鋼冷彎薄壁型鋼：由：由1.56mm的薄鋼板的薄鋼板經(jīng)冷彎或模壓經(jīng)冷彎或模壓而成型的高效經(jīng)濟的而成型的高效經(jīng)濟的截面；截面；缺點缺點是因為壁薄，對銹蝕影響較為敏感，故多用于跨度小，荷載是因為壁薄，對銹蝕影響較為敏感，故多用于跨度小，荷載輕的輕型鋼結(jié)構(gòu)中。輕的輕型鋼結(jié)構(gòu)中。11.1 建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格(a)-(h) 按截面形式依次為：角鋼、內(nèi)卷邊角鋼、槽鋼、內(nèi)卷邊槽鋼、按截面形式依次為：角鋼、內(nèi)卷邊角鋼、槽鋼、內(nèi)卷邊槽鋼、Z形鋼形鋼卷邊卷邊Z形鋼、帽形鋼、專用型鋼形鋼、帽形鋼、專用型鋼u 冷彎薄壁型鋼冷彎薄壁型鋼壓型鋼板壓型鋼板：所用鋼板厚度為：所用鋼板厚度為0.42mm。其優(yōu)缺

13、點同冷彎薄壁型鋼，主要。其優(yōu)缺點同冷彎薄壁型鋼，主要用于圍護結(jié)構(gòu)、屋面、樓板等。用于圍護結(jié)構(gòu)、屋面、樓板等。11.1 建筑結(jié)構(gòu)鋼的品種和規(guī)格壓型鋼板常用波形圖壓型鋼板常用波形圖a. V形；形；b. 肋形；肋形；c. 加勁型；加勁型；d. 雙曲線形雙曲線形e. 燕尾槽形；燕尾槽形；f. 雙向加勁型雙向加勁型11.2 建筑鋼材的主要性能建筑鋼材的主要性能 11.2.1 鋼材的靜態(tài)力學性能鋼材的靜態(tài)力學性能11.2.2 鋼材的冷彎性能和沖擊韌性鋼材的冷彎性能和沖擊韌性11.2.3 鋼材的可焊性鋼材的可焊性11.2.4 影響鋼材的主要因素影響鋼材的主要因素第11章 建筑鋼材的性能按其變形能力來分按其變

14、形能力來分塑性材料塑性材料（破壞時有較大的塑性變形）：鋼材；（破壞時有較大的塑性變形）：鋼材；脆性材料脆性材料（破壞前無明顯的塑性變形）：混凝土、磚、砌塊等。（破壞前無明顯的塑性變形）：混凝土、磚、砌塊等。材料性能分類材料性能分類第11章 建筑鋼材的性能 重度重度線脹系數(shù)線脹系數(shù)泊松比泊松比剪切模量剪切模量彈性模量彈性模量物物理理性性能能 徐變與應(yīng)力松弛徐變與應(yīng)力松弛疲勞強度疲勞強度冷彎性能冷彎性能沖擊韌性沖擊韌性截面收縮率截面收縮率延伸率延伸率塑性指標塑性指標承壓強度承壓強度強度極限強度極限屈服強度屈服強度比例極限比例極限強度指標強度指標力力學學性性能能 塊塊體體與與砂砂漿漿間間的的黏黏結(jié)結(jié)

15、鋼鋼筋筋和和混混凝凝土土間間的的黏黏結(jié)結(jié)鋼鋼材材的的可可焊焊性性可可結(jié)結(jié)合合性性11.2.1 鋼材的靜態(tài)力學性能鋼材的靜態(tài)力學性能1. 單向拉伸力學性能單向拉伸力學性能u 強度指標強度指標標準試件標準試件：按照一定的要求，對表面進行車削加工后的試件。11.2 建筑鋼材的力學性能l0 A0d0l頭部頭部工作段u 強度指標強度指標11.2.1 鋼材的靜態(tài)力學性能OB彈性階段彈性階段BC屈服階段屈服階段CD強化階段強化階段DE頸縮階段頸縮階段0A0BC0DEFC上上上屈服點上屈服點C下下下屈服點下屈服點以以下屈服點的應(yīng)力下屈服點的應(yīng)力作作為鋼材的屈服強度。為鋼材的屈服強度。鋼材拉伸過程的鋼材拉伸過程

16、的 - 圖圖0A0.2%ab塑性材料一般受拉、受壓性質(zhì)相似；脆性材料抗壓強度高于抗拉強度。u 強度指標強度指標11.2.1 鋼材的靜態(tài)力學性能鋼材拉伸過程的鋼材拉伸過程的 - 圖圖 比例極限 ：應(yīng)力、應(yīng)變之間滿足線性關(guān)系的最大應(yīng)力； 屈服強度 ：一般用下屈服點作為材料的屈服強度； 抗拉強度 ：試件、試樣能承受的最大名義應(yīng)力； 承壓強度 ：構(gòu)件之間通過接觸面?zhèn)鬟f壓力稱為承壓，承壓面所能承擔的最大壓應(yīng)力。p s b c 0A0BC0DEFC上上上屈服點上屈服點C下下下屈服點下屈服點b 下下ss p 上上s 塑性材料 ； 脆性材料sc bc 屈服點是建筑鋼材的一個重要力學特性，其意義是：屈服點是建筑

17、鋼材的一個重要力學特性，其意義是： 作為結(jié)構(gòu)計算中材料強度標準，或材料抗力標準。作為結(jié)構(gòu)計算中材料強度標準，或材料抗力標準。應(yīng)力達到應(yīng)力達到 p時的應(yīng)變與時的應(yīng)變與 s時的應(yīng)變較接近，可以認為應(yīng)力達到時的應(yīng)變較接近，可以認為應(yīng)力達到 s時為時為彈性變形的終點。同時，達到彈性變形的終點。同時，達到 s 后在一個較大的應(yīng)變范圍內(nèi)后在一個較大的應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)力不會繼續(xù)增加，表示結(jié)構(gòu)一時喪失繼續(xù)承擔更大荷載的應(yīng)力不會繼續(xù)增加，表示結(jié)構(gòu)一時喪失繼續(xù)承擔更大荷載的能力，故此以能力，故此以 s作為彈性計算時強度的標準。作為彈性計算時強度的標準。 形成理想彈塑性體的模型，為發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)計算理論提供基礎(chǔ)。形成理想彈

18、塑性體的模型，為發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)計算理論提供基礎(chǔ)。 s之前，鋼材近于理想彈性體，之前，鋼材近于理想彈性體， s之后，塑性應(yīng)變范圍很大之后，塑性應(yīng)變范圍很大而應(yīng)力保持不增長，所以接近理想塑性體。因此，可以用兩而應(yīng)力保持不增長，所以接近理想塑性體。因此，可以用兩根直線的圖形作為理想彈塑性體的應(yīng)力根直線的圖形作為理想彈塑性體的應(yīng)力-應(yīng)變模型。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)應(yīng)變模型。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對塑性設(shè)計的規(guī)定，就以材料是理想彈塑性體的假設(shè)計規(guī)范對塑性設(shè)計的規(guī)定，就以材料是理想彈塑性體的假設(shè)為依據(jù)，忽略了應(yīng)變硬化的有利作用。為依據(jù)，忽略了應(yīng)變硬化的有利作用。11.2.1 鋼材的靜態(tài)力學性能1. 單向拉伸力學性能單向拉伸力學性能

19、u 塑性指標塑性指標標準試件標準試件：取圓形試件直徑d的5倍或10倍為標定長度l0，其相應(yīng)的伸長率用5和10表示，伸長率代表材料斷裂前具有的塑性變形的能力。結(jié)構(gòu)制造時，這種能力使材料經(jīng)受剪切、沖壓、彎曲及錘擊產(chǎn)生的局部屈服而無明顯損壞。11.2 建筑鋼材的力學性能l0 A0d0l頭部頭部工作段若為矩形截面則：若為矩形截面則：003 .11Al 0065. 5Al 1. 單向拉伸力學性能單向拉伸力學性能u 塑性指標塑性指標伸長率伸長率是斷裂前試件的永久變形與原標定長度的百分比。是斷裂前試件的永久變形與原標定長度的百分比。屈服點屈服點、抗拉強度抗拉強度和和伸長率伸長率，是鋼材的三個重要力學性能指標

20、。，是鋼材的三個重要力學性能指標。鋼結(jié)構(gòu)中所采用的鋼材都應(yīng)滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對這三項力學性鋼結(jié)構(gòu)中所采用的鋼材都應(yīng)滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對這三項力學性能指標的要求。能指標的要求。11.2.1 鋼材的靜態(tài)力學性能延伸率延伸率%100001 lll 截面收縮率截面收縮率%100010 AAA 為為塑性材料塑性材料 ；否則，為；否則，為脆性材料脆性材料。%5 2. 復(fù)雜應(yīng)力條件下鋼材的屈服條件復(fù)雜應(yīng)力條件下鋼材的屈服條件u 三向應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件三向應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件鋼材的破壞或失效可采用米塞斯（鋼材的破壞或失效可采用米塞斯（Mises）屈服準則來判斷，等效應(yīng)力）屈服準則來判斷，等效應(yīng)力（或折算應(yīng)力

21、）的計算公式為：（或折算應(yīng)力）的計算公式為：或用主應(yīng)力表示或用主應(yīng)力表示11.2 建筑鋼材的力學性能 222222321zxyzxyxzzyyxeq 21323222121 equ 二向應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件二向應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件鋼材的破壞或失效可采用鋼材的破壞或失效可采用米塞斯米塞斯（Mises）屈服準則來判斷，等效應(yīng)力）屈服準則來判斷，等效應(yīng)力（或折算應(yīng)力）的計算公式為：（或折算應(yīng)力）的計算公式為：對于一般的受彎梁：對于一般的受彎梁：對于純剪應(yīng)力狀態(tài)：對于純剪應(yīng)力狀態(tài)：11.2 建筑鋼材的力學性能2223xyyxyxeq 223 eqyyff58. 03 11.2.2 鋼材的冷彎性能和沖擊

22、韌性鋼材的冷彎性能和沖擊韌性1. 冷彎性能冷彎性能：指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力。冷彎試驗的指標冷彎試驗的指標：彎心直徑d與試件厚度（直徑）a的比值d/a；彎曲角度（90或180）；試樣彎曲外表面無肉眼可見裂紋則冷彎合格。冷彎試驗的意義冷彎試驗的意義：通過冷彎試驗，不僅能直接檢驗鋼材的彎曲變形能力或塑性性能，還能有助于暴露鋼材的某些內(nèi)在缺陷，它能揭示鋼材是否存在內(nèi)部組織不均勻、內(nèi)應(yīng)力和夾雜物等缺陷。11.2 建筑鋼材的力學性能2. 沖擊韌性沖擊韌性u 定義及指標定義及指標11.2.2 鋼材的冷彎性能和沖擊韌性 指鋼材抵抗沖擊荷載而不被破壞的能力。其大小用沖擊韌性值k表示。k 越大，則沖擊韌

23、性越好。 k是以試件沖擊破壞時缺口處單位面積上所消耗的功（J/cm2）。沖擊試驗機沖擊試驗機了解性內(nèi)容了解性內(nèi)容： 韌性是與抵抗沖擊作用有關(guān)的性能，是鋼材斷裂時吸收機械能能力的量度，吸收較多能量才斷裂的鋼材，是韌性好的鋼材。鋼材在一次拉伸靜載作用下斷裂時所吸收的能量，用單位體積吸收的能量來表示，其值等于應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積。塑性好的鋼材，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積大，所以韌性值大。 然而，實際工作中，不用上述方法來衡量鋼材的韌性，而用沖擊韌性衡量鋼材抗脆斷的性能，因為實際結(jié)構(gòu)中脆性斷裂并不發(fā)生在單向受拉的地方，而總是發(fā)生在有缺口高峰應(yīng)力的地方，在缺口高峰應(yīng)力的地方常呈三向受拉的應(yīng)力狀態(tài)。11.

24、2.2 鋼材的冷彎性能和沖擊韌性u 影響因素影響因素 硫、磷含量高，存在化學偏析，含非金屬夾雜物，焊接形成硫、磷含量高，存在化學偏析，含非金屬夾雜物，焊接形成裂紋，溫度降低等，均會降低沖擊韌性。裂紋，溫度降低等，均會降低沖擊韌性。 對于承受沖擊荷載和振動荷載部位的鋼材，必須考慮沖擊韌對于承受沖擊荷載和振動荷載部位的鋼材，必須考慮沖擊韌性。性。11.2.2 鋼材的冷彎性能和沖擊韌性沖擊韌性試驗沖擊韌性試驗缺口韌性值受溫度影響，溫度低于某值時將急劇降低。設(shè)計處于不同環(huán)境溫度的重要結(jié)構(gòu)，尤其是受動載作用的結(jié)構(gòu)時，要根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境溫度對應(yīng)提出沖擊韌性的保證要求。(a) 梅氏試件(b) 夏比試件3. 疲

25、勞強度疲勞強度 結(jié)構(gòu)構(gòu)件在變幅（ =max-min）一定的循環(huán)荷載作用下，當達到一定的循環(huán)次數(shù)n時，便發(fā)生脆性破壞，且破壞應(yīng)力遠小于s或b，這種現(xiàn)象稱為。 在規(guī)定的循環(huán)次數(shù)（200萬次）和荷載變幅下，材料所能承受的最大動態(tài)應(yīng)力稱為。材料力學“疲勞極限” 經(jīng)歷無窮多次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞之最大應(yīng)力。11.2 建筑鋼材的力學性能4. 徐變與應(yīng)力松馳徐變與應(yīng)力松馳11.2 建筑鋼材的力學性能在溫度和作用應(yīng)力不變的情況下，應(yīng)變或變形隨時間而增加的現(xiàn)象稱為。在溫度和應(yīng)變不變的情況下，應(yīng)力隨時間而減小的現(xiàn)象稱為11.2.3 鋼材的可結(jié)合性鋼材的可結(jié)合性u 可焊性可焊性 可焊性可焊性是指采用一般焊接工藝

26、就可完成合格的(無裂紋的)焊縫的性能。 鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影響。鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影響。碳含量在0.120.20范圍內(nèi)的碳素鋼，可焊性最好。碳含量再高可使焊縫和熱影響區(qū)變脆。11.2 建筑鋼材的力學性能11.2.3 鋼材的可結(jié)合性鋼材的可結(jié)合性u 鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)鋼筋和混凝土之間的黏結(jié) 是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工作的基礎(chǔ)。黏結(jié)力由摩擦力、膠結(jié)力和是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工作的基礎(chǔ)。黏結(jié)力由摩擦力、膠結(jié)力和機械咬合力組成，其黏結(jié)強度與鋼筋錨固長度、鋼筋表面形機械咬合力組成，其黏結(jié)強度與鋼筋錨固長度、鋼筋表面形狀有關(guān)。狀有關(guān)。u 塊體與砂漿之間的黏結(jié)塊體與砂漿之間的黏結(jié)

27、黏結(jié)強度與砂漿質(zhì)量和塊體類型有關(guān)，它決定砌體的抗彎、黏結(jié)強度與砂漿質(zhì)量和塊體類型有關(guān)，它決定砌體的抗彎、抗剪和抗拉強度?？辜艉涂估瓘姸?。11.2 建筑鋼材的力學性能11.3 影響鋼材性能的主要因素影響鋼材性能的主要因素 11.3.1 化學成分化學成分11.3.2 冶金工藝冶金工藝11.3.3 影響鋼材性能的其它因素影響鋼材性能的其它因素第11章 建筑鋼材的性能11.3.1 化學成分的影響化學成分的影響11.3 影響鋼材性能的主要因素 元素元素作用作用強度強度塑性塑性沖擊沖擊韌性韌性冷彎冷彎性能性能熱脆熱脆冷脆冷脆碳碳含量對鋼材的強度、塑性、韌性含量對鋼材的強度、塑性、韌性和焊接性有決定性影響和

28、焊接性有決定性影響0.22%高高低低低低低低錳錳適量適量碳素鋼中作為脫氧劑碳素鋼中作為脫氧劑0.30.8%低合金鋼中作為合金元素低合金鋼中作為合金元素1.21.6%提高提高沒過多的降低沒過多的降低改善改善過量過量降低降低減少氧、硫的減少氧、硫的有害影響有害影響變脆變脆硅硅過量過量熔煉鎮(zhèn)靜鋼的脫氧劑。且能使鋼熔煉鎮(zhèn)靜鋼的脫氧劑。且能使鋼中純鐵晶粒細小和散布均勻中純鐵晶粒細小和散布均勻提高提高無顯著不良影響無顯著不良影響適量適量降低，且惡化降低，且惡化抗銹蝕能力和抗銹蝕能力和焊接性焊接性0.3%（Q235）或）或0.6%（16Mn、15MnV）釩釩提高強度和細化晶粒，高溫硬度提高提高強度和細化晶粒

29、，高溫硬度提高硫硫熱脆熱脆（FeS在高溫熔化而使鋼材出現(xiàn)裂在高溫熔化而使鋼材出現(xiàn)裂紋），使鋼的焊接性變壞紋），使鋼的焊接性變壞降低降低含量含量0.035%0.05%磷磷冷脆冷脆（低溫韌性降低并產(chǎn)生脆性破壞）（低溫韌性降低并產(chǎn)生脆性破壞）0.035%0.045%氧、氮、氫氧、氮、氫氧同硫增加鋼的脆性；氮類似磷，將低鋼的塑性、沖擊韌性并增大其冷脆性；氫在氧同硫增加鋼的脆性；氮類似磷，將低鋼的塑性、沖擊韌性并增大其冷脆性；氫在低溫時易使鋼產(chǎn)生脆性破壞。低溫時易使鋼產(chǎn)生脆性破壞。11.3.2 冶金工藝的影響冶金工藝的影響u 冶煉冶煉 鋼材的冶煉方法鋼材的冶煉方法主要有平爐煉鋼、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼、堿性側(cè)

30、吹轉(zhuǎn)爐煉鋼及電爐煉鋼。在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，主要使用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的鋼材。目前氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐鋼的質(zhì)量，由于生產(chǎn)技術(shù)的提高，已不低于平爐鋼的質(zhì)量。 冶煉這一冶金過程形成鋼的化學成分與含量、鋼的金相組織結(jié)構(gòu)，不可避免地存在冶金缺陷，從而確定不同的鋼種、鋼號及其相應(yīng)的力學性能。11.3 影響鋼材性能的主要因素11.3.2 冶金工藝的影響冶金工藝的影響u 澆鑄澆鑄 把熔煉好的鋼水澆鑄成鋼錠或鋼坯有兩種方法，一種是澆入鑄模做成鋼錠，另一種是澆入連續(xù)澆鑄機做成鋼坯。鑄錠過程中因脫氧程度不同，最終成為鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼。 鋼在冶煉及澆鑄過程中會不可避免地產(chǎn)生冶金缺陷。常常見的冶金缺陷有見的冶金缺陷有偏析、非

31、金屬夾雜、氣孔及裂紋等等。這些缺陷都將影響鋼的力學性能。11.3 影響鋼材性能的主要因素11.3.2 冶金工藝的影響冶金工藝的影響u 軋制軋制 鋼材的軋制能使金屬的晶粒變細，也能使氣泡、裂紋等鋼材的軋制能使金屬的晶粒變細，也能使氣泡、裂紋等焊合，因而改善了鋼材的力學性能。焊合，因而改善了鋼材的力學性能。薄板因輥軋次數(shù)多，其強度比厚板略高。澆鑄時的非金屬夾雜物在軋制后能造成鋼材的分層，所以分層是鋼材(尤其是厚板)的一種缺點。設(shè)計時應(yīng)盡量避免拉力垂直于板面的情況，以防止設(shè)計時應(yīng)盡量避免拉力垂直于板面的情況，以防止層間撕裂。層間撕裂。11.3 影響鋼材性能的主要因素11.3.2 冶金工藝的影響冶金工

32、藝的影響u 熱處理熱處理 熱處理的目的在于取得高強度的同時能夠保持良好熱處理的目的在于取得高強度的同時能夠保持良好的塑性和韌性。的塑性和韌性。n正火正火n控軋控軋n回火回火n淬火淬火11.3 影響鋼材性能的主要因素n正火屬于最簡單的熱處理，正火屬于最簡單的熱處理，把鋼材加熱至850900 并保持一段時間后在空氣中自然冷卻，即為正火正火。n如果鋼材在終止軋制時溫度正好控制在上述溫度范圍，可得到正火的效果，稱為控軋控軋。n回火回火是將鋼材重新加熱至650 并保溫一段時間，然后在空氣中自然冷卻。n淬火加回火也稱調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理，淬火淬火是把鋼材加熱至900 以上，保溫一段時間，然后放入水或油中快速冷

33、卻。n強度很高的鋼材，包括高強度螺栓的材料都要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處強度很高的鋼材，包括高強度螺栓的材料都要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。理。11.3 影響鋼材性能的主要因素11.3.3 影響鋼材性能的其它因素影響鋼材性能的其它因素u 冷加工硬化（應(yīng)變硬化）冷加工硬化（應(yīng)變硬化） 在常溫下加工叫冷加工冷加工。冷拉、冷彎、沖孔、機械剪切等加工使鋼材產(chǎn)生很大塑性變形，由于減小了塑性和韌性性能，普通鋼結(jié)構(gòu)中不利用硬化現(xiàn)象所提高的強度普通鋼結(jié)構(gòu)中不利用硬化現(xiàn)象所提高的強度。重要結(jié)構(gòu)還把鋼板因剪切而硬化的邊緣部分刨去重要結(jié)構(gòu)還把鋼板因剪切而硬化的邊緣部分刨去。 用作冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的冷彎型鋼，是由鋼板或鋼帶經(jīng)冷軋成型的，也有的是經(jīng)

34、壓力機模壓成型或在彎板機上彎曲成型的。薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中允許利用因局部冷加薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中允許利用因局部冷加工而提高的強度。工而提高的強度。11.3 影響鋼材性能的主要因素11.3.3 影響鋼材性能的其它因素影響鋼材性能的其它因素u 冷加工硬化（應(yīng)變硬化）冷加工硬化（應(yīng)變硬化）11.3 影響鋼材性能的主要因素時效硬化與應(yīng)變時效時效硬化與應(yīng)變時效時效硬化時效硬化指鋼材僅隨時間的增長而轉(zhuǎn)脆，應(yīng)變時效應(yīng)變時效指應(yīng)變硬化又加時效硬化。由于這些是使鋼材轉(zhuǎn)脆的性質(zhì)，所以有些重要結(jié)構(gòu)要求對鋼材進有些重要結(jié)構(gòu)要求對鋼材進行人工時效行人工時效，然后測定其沖擊韌性，以保證結(jié)構(gòu)具有長期的抗脆性破壞能力。鋼材的硬化

35、鋼材的硬化u 溫度的影響溫度的影響 總趨勢：總趨勢：溫度升高，鋼材強度降低，應(yīng)變增大；溫度降低，鋼溫度升高，鋼材強度降低，應(yīng)變增大；溫度降低，鋼材強度略有增加，塑性和韌性降低而變脆；材強度略有增加，塑性和韌性降低而變脆； 約在約在200 C以內(nèi)，溫度升高，鋼材力學性能變化不大；以內(nèi)，溫度升高，鋼材力學性能變化不大； 250 C左右時，鋼材強度反而有所提高，塑性、韌性下降，表左右時，鋼材強度反而有所提高，塑性、韌性下降，表面氧化膜呈藍色面氧化膜呈藍色藍脆現(xiàn)象藍脆現(xiàn)象； 260 C320 C時，應(yīng)力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速時，應(yīng)力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形度繼續(xù)變形徐變

36、現(xiàn)象徐變現(xiàn)象； 溫度在溫度在430 C-540 C之間，屈服點和極限強度顯著下降，達到之間，屈服點和極限強度顯著下降，達到600 C時強度幾乎等于零；時強度幾乎等于零； 在負溫范圍內(nèi)，鋼材的沖擊韌性突然急劇下降，試件斷口屬脆在負溫范圍內(nèi)，鋼材的沖擊韌性突然急劇下降，試件斷口屬脆性破壞性破壞冷脆現(xiàn)象冷脆現(xiàn)象（脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)鋼材由韌性狀態(tài)向鋼材由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)）。脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)）。11.3 影響鋼材性能的主要因素11.3.3 影響鋼材性能的其它因素影響鋼材性能的其它因素u 溫度的影響溫度的影響11.3 影響鋼材性能的主要因素高溫對鋼材性能的影響高溫對鋼材性能的影

37、響11.3.3 影響鋼材性能的其它因素影響鋼材性能的其它因素u 溫度的影響溫度的影響11.3 影響鋼材性能的主要因素Cv值隨溫度值隨溫度T的變化的變化負溫范圍內(nèi)負溫范圍內(nèi) fy與與fu都增高，但塑性都增高，但塑性變形能力減小，因而材料轉(zhuǎn)脆變形能力減小，因而材料轉(zhuǎn)脆，對對沖擊韌性的影響十分突出沖擊韌性的影響十分突出。材料由韌性破壞轉(zhuǎn)到脆性破壞叫該種鋼材鋼材的轉(zhuǎn)變溫度的轉(zhuǎn)變溫度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中要求避免完全脆性破壞，所以結(jié)構(gòu)所處溫度應(yīng)大于脆性轉(zhuǎn)變溫度。u 復(fù)雜應(yīng)力與應(yīng)力集中復(fù)雜應(yīng)力與應(yīng)力集中11.3 影響鋼材性能的主要因素多向同號應(yīng)力場作用下，一向多向同號應(yīng)力場作用下，一向的變形受到另一向的限制，鋼的

38、變形受到另一向的限制，鋼材強度增加，塑性、韌性下降，材強度增加，塑性、韌性下降，異號應(yīng)力場時則相反；異號應(yīng)力場時則相反；鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中存在的孔洞、槽鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變化、口、凹角、裂縫、厚度變化、形狀變化、內(nèi)部缺陷等使一些形狀變化、內(nèi)部缺陷等使一些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力應(yīng)應(yīng)力集中現(xiàn)象力集中現(xiàn)象。u 反復(fù)荷載反復(fù)荷載 鋼材在反復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的抗力及性能都會發(fā)鋼材在反復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的抗力及性能都會發(fā)生重要變化，甚至發(fā)生生重要變化，甚至發(fā)生疲勞破壞疲勞破壞。 疲勞破壞疲勞破壞：鋼材在：鋼材在直接的反復(fù)的動力荷載直接的反復(fù)的動力荷載作用下，作用下，

39、鋼材的強度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的鋼材的強度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗的極限強度，這種現(xiàn)象稱為疲勞。拉伸試驗的極限強度，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞破疲勞破壞表現(xiàn)為突然發(fā)生的壞表現(xiàn)為突然發(fā)生的脆性斷裂脆性斷裂。11.3 影響鋼材性能的主要因素11.4 鋼結(jié)構(gòu)選材要求鋼結(jié)構(gòu)選材要求 11.4.1 鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求11.4.2 鋼材的選用鋼材的選用第11章 建筑鋼材的性能11.4.1 鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求 較高的強度較高的強度 較高的塑性和韌性較高的塑性和韌性 良好的工藝性能良好的工藝性能11.4 鋼結(jié)構(gòu)選材要求 11.4.2 鋼材的選用鋼材

40、的選用結(jié)構(gòu)的重要性結(jié)構(gòu)的重要性：一、二、三級；：一、二、三級；荷載特征荷載特征：結(jié)構(gòu)所承受的荷載可為靜力或動力的；經(jīng)：結(jié)構(gòu)所承受的荷載可為靜力或動力的；經(jīng)常作用、有時作用或偶然出現(xiàn)的；經(jīng)常滿載或經(jīng)常不常作用、有時作用或偶然出現(xiàn)的；經(jīng)常滿載或經(jīng)常不滿載等；滿載等；連接方式連接方式：焊接結(jié)構(gòu)鋼材的質(zhì)量要求應(yīng)高于同樣情況焊接結(jié)構(gòu)鋼材的質(zhì)量要求應(yīng)高于同樣情況的非焊接結(jié)構(gòu)的非焊接結(jié)構(gòu)，碳、硫、磷等有害元素的含量應(yīng)較低，碳、硫、磷等有害元素的含量應(yīng)較低，塑性和韌性應(yīng)較好，而且還應(yīng)該具有含碳量的合格保塑性和韌性應(yīng)較好，而且還應(yīng)該具有含碳量的合格保證；證；11.4 鋼結(jié)構(gòu)選材要求11.4.2 鋼材的選用鋼材的

41、選用結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境溫度結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境溫度：對經(jīng)常處于或可能處于較低負：對經(jīng)常處于或可能處于較低負溫下工作的鋼結(jié)構(gòu)、尤其是焊接結(jié)構(gòu)，溫下工作的鋼結(jié)構(gòu)、尤其是焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用化學成應(yīng)選用化學成分和機械性能質(zhì)量較好和脆性轉(zhuǎn)變溫度低于結(jié)構(gòu)工作分和機械性能質(zhì)量較好和脆性轉(zhuǎn)變溫度低于結(jié)構(gòu)工作環(huán)境溫度的鋼材環(huán)境溫度的鋼材；鋼材的厚度鋼材的厚度：厚度大的鋼材其強度、沖擊韌性和焊接：厚度大的鋼材其強度、沖擊韌性和焊接性能都較差，且易產(chǎn)生三向殘余應(yīng)力。性能都較差，且易產(chǎn)生三向殘余應(yīng)力。構(gòu)件厚度大的構(gòu)件厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用質(zhì)量好的鋼材焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用質(zhì)量好的鋼材；11.4 鋼結(jié)構(gòu)選材要求11.4.2 鋼材的選用鋼材

42、的選用承重結(jié)構(gòu)鋼材承重結(jié)構(gòu)鋼材宜選用宜選用Q235鋼、鋼、Q345鋼、鋼、Q390鋼和鋼和Q420鋼；鋼；選擇鋼筋或鋼絲選擇鋼筋或鋼絲應(yīng)考慮其強度、塑性、可焊性及與混應(yīng)考慮其強度、塑性、可焊性及與混凝土的粘結(jié)性要求。普通鋼筋宜采用凝土的粘結(jié)性要求。普通鋼筋宜采用HRB400級和級和HRB335級鋼筋，也可采用級鋼筋，也可采用HPB235級和級和RRB400級；預(yù)級；預(yù)應(yīng)力鋼筋宜采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼絲，也可采用熱處應(yīng)力鋼筋宜采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼絲，也可采用熱處理鋼筋；理鋼筋；普通鋼筋普通鋼筋系指用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋和預(yù)應(yīng)力系指用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的非預(yù)應(yīng)力筋。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的非預(yù)應(yīng)力筋。11.4 鋼結(jié)構(gòu)選材要求11.5 鋼材及其連接的強度取值鋼材及其連接的強度取值 11.5.1 材料強度的取值方法材料強度的取值方法11.5.2 鋼材及其連接的強度設(shè)計值鋼材及其連接的強度設(shè)計值第11章 建筑鋼材的性能11.5 鋼材及其連接的強度取值11.5.1 材料強度的取值方法材料強度的取值方法 取值依據(jù)取值依據(jù) 塑性材料強度取屈服值塑性材料強度取屈服值(無明顯流動的塑性材料取名義屈服值無明顯流動的塑性材料取名義屈服值)； 脆性材料強度取強度極限。脆性材料強度取強度極限。 強度值分布規(guī)律強度值分布規(guī)律 隨機變量隨機變量 正態(tài)分布正態(tài)分布