淺析鋼結(jié)構(gòu)的材料

1、14/14第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1概述2.1.1鋼材種類繁多，規(guī)格、用途也不相同，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)用鋼來講，要緊有三方面的要求：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(dòng)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(jì)規(guī)范GB50017-2003推舉承重結(jié)構(gòu)用鋼宜采納：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.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(shí)刻長(zhǎng)，易發(fā)覺補(bǔ)救。鋼材塑性破壞前的較大塑性變形

2、能力，能夠?qū)崿F(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(jì)確實(shí)是建立在這種足夠的塑性變形能力上。b. 脆性破壞 （絕對(duì)幸免）破壞前構(gòu)件塑性變形專門小,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(jì)、施工和使用過程中，要特不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. 一次單向均勻拉伸試驗(yàn)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(yàn)曲線（圖2.1）看出，在比例極限往常鋼材的工作是彈性的；比例極限以后，進(jìn)入了彈塑性時(shí)期；達(dá)到了屈服點(diǎn)后，出現(xiàn)了一段純塑性變形，也稱為塑性平臺(tái)；此后強(qiáng)度又有所

3、提高，出現(xiàn)所謂自強(qiáng)時(shí)期，直至產(chǎn)生頸縮而破壞。破壞時(shí)的伸長(zhǎng)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(xiàng)重要的強(qiáng)度指標(biāo)，它反映鋼材受拉時(shí)所能承受的極限應(yīng)力。 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)力同意達(dá)到的最大限值，因?yàn)楫?dāng)構(gòu)件中的應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)因過度的塑性變形而不適于接著承載。 鋼材強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值由圖2.1能夠看到，屈服點(diǎn)往常的應(yīng)變專門小，如把鋼材的彈性工作時(shí)期提高到屈服點(diǎn)，且不考慮自強(qiáng)時(shí)期，則可把應(yīng)力應(yīng)變曲線簡(jiǎn)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(diǎn)往常應(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(diǎn)以后塑性平臺(tái)時(shí)期又近似于理想的塑性體工作。

4、這一簡(jiǎn)化，與實(shí)際誤差不大，卻大大方便了計(jì)算，成為鋼結(jié)構(gòu)彈性設(shè)計(jì)和塑性設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。因此，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)能夠屈服點(diǎn)強(qiáng)度值作為承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度計(jì)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(jì)值。 名義屈服點(diǎn)調(diào)質(zhì)處理的低合金鋼沒有明顯的屈服點(diǎn)和塑性平臺(tái)。這類鋼的屈服點(diǎn)是以卸載后試件中殘余應(yīng)變?yōu)?.2所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力人為定義的，稱為名義（條件）屈服點(diǎn)或。 2. 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(yàn)提供的一個(gè)塑性指標(biāo)。越大，塑性越好。Z向鋼 伸長(zhǎng)率 伸長(zhǎng)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(zhǎng)度內(nèi)的殘余應(yīng)變表示。取圓試件直徑的5

5、倍或10倍為標(biāo)定長(zhǎng)度，其相應(yīng)伸長(zhǎng)率分不用或表示。2.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(shí)對(duì)產(chǎn)生裂紋的抵抗能力的一項(xiàng)指標(biāo)。冷彎性能取決于鋼材的質(zhì)量。.2.2評(píng)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(hào)和質(zhì)量等級(jí)鋼材的降低規(guī)律又有專門大的不同。因此，在嚴(yán)寒地區(qū)承受動(dòng)力作用的重要承重結(jié)構(gòu)，應(yīng)依照其工作溫度和所用鋼材牌號(hào)，對(duì)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阻礙鋼材機(jī)械性能的要緊因素1化學(xué)成份2冶金及軋制3鋼材的硬化（冷作硬化與時(shí)效硬化）

6、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. 差不多成份為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)操縱在0.22%，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)操縱在0.20%。Si：含Si適量使強(qiáng)度 其它阻礙不大，有益，應(yīng)操縱在0.10.3%Mn：含Si適量使強(qiáng)度 降低S、O的熱脆阻礙，改善熱加工性能，對(duì)其它性能阻礙不大，有益。S：含量使強(qiáng)度塑性、韌性、性能冷彎、可焊性；高溫時(shí)使鋼材變脆（熱脆現(xiàn)象），嚴(yán)格操縱。P：低溫時(shí)使鋼材變脆冷脆現(xiàn)象；其它同SO、N：O同S；N同P，操縱含量0.008%2.31. 冶金的阻礙要緊為脫氧方法：

7、沸騰鋼用Mn為脫氧劑，時(shí)刻快，價(jià)格低，質(zhì)量差；冷靜鋼用Si為脫氧劑，時(shí)刻慢，價(jià)格高，質(zhì)量好。半冷靜鋼加入少量強(qiáng)脫氧劑硅（或鋁）進(jìn)行脫氧，質(zhì)量和價(jià)格介于沸騰鋼和冷靜鋼之間。(專門冷靜鋼)2. 軋制的阻礙反復(fù)的軋制能夠改善鋼材的塑性，同時(shí)能夠使鋼材中的氣孔、裂紋、疏松等缺陷焊合，使金屬晶體組織密實(shí)，晶粒細(xì)化，消除纖維組織缺陷，使鋼材的力學(xué)性能提高。2.1硬化由于某種因素的阻礙而使鋼材強(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(shí)效硬化、冷作硬化（或應(yīng)變硬化）和應(yīng)變時(shí)效硬化（人工時(shí)效）。2時(shí)效硬化鋼材中的C、N，隨著時(shí)刻的增長(zhǎng)和溫度的變化，而形成碳化物和氮化物，使鋼

8、材變脆的“老化”現(xiàn)象稱之為時(shí)效硬化。3冷作硬化冷加工時(shí)（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)，要盡量幸免局部冷作硬化現(xiàn)象的發(fā)生。4人工時(shí)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，從而使差不多冷作硬化的鋼材又發(fā)生時(shí)效硬化現(xiàn)象，稱為應(yīng)變時(shí)效硬化。這種硬化在高溫作用下會(huì)快速進(jìn)展，人工時(shí)效確實(shí)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用人工時(shí)效后的鋼材進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)，能夠推斷鋼材的應(yīng)變時(shí)效硬化傾向，確保結(jié)構(gòu)具有足夠的抗脆性破壞能力。2.3.1復(fù)雜應(yīng)

9、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(yàn)得到的屈服點(diǎn)是鋼材在單向應(yīng)力作用下的屈服條件，實(shí)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(shí)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)力綜合阻礙的“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(shí)，（2-2） 由式(2-1)、(2-2)能夠看出，當(dāng)1、2、3為同號(hào)應(yīng)力且數(shù)值接近時(shí)，即使它們各自都遠(yuǎn)大于，折算應(yīng)力仍小于，講明鋼材專門難進(jìn)入塑性狀態(tài)。當(dāng)為三向拉應(yīng)力作用時(shí)，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(hào)應(yīng)力場(chǎng)下，剪應(yīng)變?cè)龃?，鋼材?huì)較早地進(jìn)入

10、塑性狀態(tài)，提高了鋼材的塑性性能。受純剪時(shí)，式(2-1)變?yōu)?，即?yīng)力達(dá)到的0.58倍時(shí)，鋼材進(jìn)入塑性狀態(tài)。因此，設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取0.58，為抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(shí)際是局部應(yīng)力增大并多為同號(hào)應(yīng)力場(chǎng)。應(yīng)力集中對(duì)低溫直接承受動(dòng)力作用的構(gòu)件不利，故應(yīng)幸免截面急劇改變等構(gòu)造措施，以減小應(yīng)力集中。2.3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(shí)即已存在的應(yīng)力。殘余應(yīng)力事實(shí)上是一種產(chǎn)生在構(gòu)件內(nèi)部自

11、相平衡的內(nèi)力。殘余應(yīng)力雖對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度無阻礙，但對(duì)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)生不利阻礙。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.溫度的阻礙，一般可分正溫與負(fù)溫阻礙兩部分。 正溫阻礙總體阻礙規(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攝氏度需要講明：鋼材在300攝氏度左右時(shí)，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 負(fù)溫阻礙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(shí)鋼材的脆性急劇增大，稱此溫

12、度點(diǎn)為轉(zhuǎn)脆溫度。2.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要緊為碳素結(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.鋼材牌號(hào)由：“Q、屈服點(diǎn)值、質(zhì)量等級(jí)、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(diǎn)值3位數(shù)，代表屈服點(diǎn)的單位面積壓強(qiáng)值；質(zhì)量等級(jí)分AE五級(jí)，字序越高質(zhì)量越好；脫氧方法F為沸騰鋼，Z代表冷靜鋼（一般省略），b代表半冷靜鋼，TZ代表專門冷靜鋼。例如，Q235B代表屈服點(diǎn)為的B級(jí)冷靜鋼。注：炭素結(jié)構(gòu)鋼分：A、B、C、D 四級(jí)，含所有脫氧方法；低合金結(jié)構(gòu)鋼分：A、B、C、D、E五級(jí)，只有冷靜鋼和專門冷靜鋼。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 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(jià)。2. 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(hào)“”后加“寬度厚度”，