第11章建筑鋼材的性能

鐘聲ZHONG,SHENG四川大學建筑與環(huán)境學院CollegeofArchitectureandEnvironment,

SCU第11章建筑鋼材的性能《結構設計原理》本章主要內容第一節(jié)建筑結構鋼的品種和規(guī)格第二節(jié)建筑鋼材的主要性能第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素第四節(jié)鋼結構選材的要求第五節(jié)鋼材及其連接的強度取值第六節(jié)鋼材的本構模型第七節(jié)鋼材的疲勞（書中第四節(jié)，自學）第11章建筑鋼材的性能本章教學要求了解材料力學性能指標；了解鋼材分類和鋼材品種；熟悉鋼材應力-應變曲線；了解影響鋼材性能的因素；掌握鋼材強度設計值確定方法；熟悉鋼材的選用原則；熟悉鋼材的本構模型。第11章建筑鋼材的性能11.1建筑結構鋼的品種和規(guī)格11.1.1鋼材的種類和牌號11.1.2鋼材的品種和規(guī)格第11章建筑鋼材的性能11.1.1鋼材的種類和牌號鋼材的種類11.1建筑結構鋼的品種和規(guī)格錳系鋼硅錳系鋼

鋼材碳素鋼低合金鋼低碳鋼含碳量<0.25%中碳鋼含碳量0.25%~0.6%高碳鋼含碳量0.6%~1.4%硅釩系鋼硅鈦系鋼硅鉻系鋼

鋼材的牌號鑄造碳鋼『鑄鋼代號ZG、屈服點fy-抗拉強度fu』，例ZG200-400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、合金含量百分數(shù)』。其中合金元素含量＜1.5%時不標注，≥1.5%時標注2，≥2.5%時標注3，此類推。例如16Mn、20MnSi、40Si2MnV螺栓用鋼：用碳鋼或低合金鋼制造。『抗拉強度.屈強比』抗拉強度以t/cm2為單位。螺栓有4.6級、4.8級、8.8級和10.9級四個級別。11.1建筑結構鋼的品種和規(guī)格碳素結構鋼牌號『代表屈服點字母Q、屈服應力標準值、-質量等級、脫氧方法』，例如Q235-AF、Q255-C。碳素結構鋼共分Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五個牌號，鋼結構中通常僅使用Q235。 質量等級——A、B、C、D脫氧方法——F、b、Z、TZ低合金高強度鋼牌號『代表屈服點字母Q、屈服應力標準值、-質量等級』例如Q295B、Q420E。低合金高強度結構鋼共分Q295、Q345、Q390、Q420和Q460五個牌號，其中Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼為鋼結構的選用鋼材。 質量等級——A、B、C、D、E11.1建筑結構鋼的品種和規(guī)格11.1.2鋼材的品種和規(guī)格熱軋鋼板11.1建筑結構鋼的品種和規(guī)格

熱軋鋼板11.1建筑結構鋼的品種和規(guī)格鋼板用符號“-”后加“厚×寬×長（單位為mm）”的方法表示，如：-12×800×2100。h=0.35~4mm，b=500~1500mm，l=0.5~4m薄鋼板是冷彎薄壁型鋼的原料h=4.5~60mm，b=600~3000mm，l=4~12m廣泛用來組成焊接構件和連接鋼板。h=4~60mm，b=12~200mm，l=3~9m厚鋼板h=2.5~8mm，b=600~1800mm，l=0.6~12m薄鋼板扁鋼板花紋鋼板熱軋鋼板

熱軋型鋼11.1建筑結構鋼的品種和規(guī)格等邊角鋼不等邊角鋼鋼管T型鋼槽鋼工字鋼H型鋼

熱軋型鋼角鋼等邊角鋼：L肢寬×肢厚， 如L100x10為肢寬100mm、厚10mm的等邊角鋼；不等邊角鋼：L長肢寬×短肢寬×肢厚， 如L100x80x10等。11.1建筑結構鋼的品種和規(guī)格

熱軋型鋼槽鋼槽鋼：普通槽鋼“［”和號數(shù)；

輕型槽鋼“Q［”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半徑大，能節(jié)約鋼材減少自重，不過輕型系列的實際產品較少。

14、25號以上的槽鋼，按腹板厚度，同一號數(shù)又分a、b、c三類； 例如：普通槽鋼的表示法如［32a，指槽鋼外廓高度為32cm且腹板厚度為最薄的一種；

輕型槽鋼的表示法例如Q［25，表示外廓高度為25cm，Q是漢語拼音“輕”的拼音字首。11.1建筑結構鋼的品種和規(guī)格

熱軋型鋼工字鋼工字鋼：普通工字鋼“I”和號數(shù)（代表截面高度厘米數(shù)）；

輕型工字鋼“QI”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a、b、c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：I32c,I32Q等。11.1建筑結構鋼的品種和規(guī)格

熱軋型鋼

H型鋼和T型鋼H型鋼：熱軋H型鋼分為三類：寬翼緣

H型鋼（HW）、中翼緣

H型鋼（HM）和窄翼緣

H型鋼（HN）。H型鋼型號的表示方法是先用符號HW、HM和HN表示H型鋼的類別，后面加“高度（毫米）x寬度（毫米）”,例如HW300x300，即為截面高度為300mm，翼緣寬度為300mm的寬翼緣H型鋼。T型鋼：剖分T型鋼也分為三類，即：寬翼緣剖分T型鋼（TW）、中翼緣剖分T型鋼(TM）和窄翼緣剖分T型鋼(TN）。剖分T型鋼是由對應的H型鋼沿腹板中部對等剖分而成。其表示方法與H型鋼類同。11.1建筑結構鋼的品種和規(guī)格

熱軋型鋼鋼管 無縫鋼管和焊接鋼管：“Φ”外徑×壁厚； 方鋼管和圓鋼管。11.1建筑結構鋼的品種和規(guī)格

冷彎薄壁型鋼冷彎薄壁型鋼：由1.5～6mm的薄鋼板經冷彎或模壓而成型的高效經濟的截面；缺點是因為壁薄，對銹蝕影響較為敏感，故多用于跨度小，荷載輕的輕型鋼結構中。11.1建筑結構鋼的品種和規(guī)格(a)-(h)按截面形式依次為：角鋼、內卷邊角鋼、槽鋼、內卷邊槽鋼、Z形鋼卷邊Z形鋼、帽形鋼、專用型鋼

冷彎薄壁型鋼壓型鋼板：所用鋼板厚度為0.4～2mm。其優(yōu)缺點同冷彎薄壁型鋼，主要用于圍護結構、屋面、樓板等。11.1建筑結構鋼的品種和規(guī)格壓型鋼板常用波形圖a.V形；b.肋形；c.加勁型；d.雙曲線形e.燕尾槽形；f.雙向加勁型11.2建筑鋼材的主要性能11.2.1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11.2.3鋼材的可焊性11.2.4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塑性材料（破壞時有較大的塑性變形）：鋼材；脆性材料（破壞前無明顯的塑性變形）：混凝土、磚、砌塊等。材料性能分類第11章建筑鋼材的性能物理性能力學性能可結合性11.2.1鋼材的靜態(tài)力學性能1.單向拉伸力學性能強度指標標準試件：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

強度指標11.2.1鋼材的靜態(tài)力學性能OB—彈性階段BC—屈服階段CD—強化階段DE—頸縮階段σε0A0BC0DEFC上上屈服點C下下屈服點以下屈服點的應力作為鋼材的屈服強度。鋼材拉伸過程的σ-ε圖ε0A0.2%abσ塑性材料一般受拉、受壓性質相似；脆性材料抗壓強度高于抗拉強度。

強度指標11.2.1鋼材的靜態(tài)力學性能鋼材拉伸過程的σ-ε圖

比例極限：應力、應變之間滿足線性關系的最大應力；

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力；

承壓強度：構件之間通過接觸面?zhèn)鬟f壓力稱為承壓，承壓面所能承擔的最大壓應力。σε0A0BC0DEFC上上屈服點C下下屈服點塑性材料；脆性材料屈服點是建筑鋼材的一個重要力學特性，其意義是：作為結構計算中材料強度標準，或材料抗力標準。應力達到p時的應變與s時的應變較接近，可以認為應力達到s時為彈性變形的終點。同時，達到s

后在一個較大的應變范圍內應力不會繼續(xù)增加，表示結構一時喪失繼續(xù)承擔更大荷載的能力，故此以s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)展鋼結構計算理論提供基礎。

s之前，鋼材近于理想彈性體，s之后，塑性應變范圍很大而應力保持不增長，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力-應變模型。鋼結構設計規(guī)范對塑性設計的規(guī)定，就以材料是理想彈塑性體的假設為依據(jù)，忽略了應變硬化的有利作用。11.2.1鋼材的靜態(tài)力學性能1.單向拉伸力學性能塑性指標標準試件：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。結構制造時，這種能力使材料經受剪切、沖壓、彎曲及錘擊產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：1.單向拉伸力學性能塑性指標伸長率是斷裂前試件的永久變形與原標定長度的百分比。屈服點、抗拉強度和伸長率，是鋼材的三個重要力學性能指標。鋼結構中所采用的鋼材都應滿足鋼結構設計規(guī)范對這三項力學性能指標的要求。11.2.1鋼材的靜態(tài)力學性能延伸率截面收縮率為塑性材料；否則，為脆性材料。2.復雜應力條件下鋼材的屈服條件三向應力狀態(tài)下的屈服條件鋼材的破壞或失效可采用米塞斯（Mises）屈服準則來判斷，等效應力（或折算應力）的計算公式為：或用主應力表示11.2建筑鋼材的力學性能

二向應力狀態(tài)下的屈服條件鋼材的破壞或失效可采用米塞斯（Mises）屈服準則來判斷，等效應力（或折算應力）的計算公式為：對于一般的受彎梁：對于純剪應力狀態(tài)：11.2建筑鋼材的力學性能11.2.2鋼材的冷彎性能和沖擊韌性1.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：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：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在缺陷，它能揭示鋼材是否存在內部組織不均勻、內應力和夾雜物等缺陷。11.2建筑鋼材的力學性能2.沖擊韌性定義及指標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αk表示。αk

越大，則沖擊韌性越好。αk是以試件沖擊破壞時缺口處單位面積上所消耗的功（J/cm2）。沖擊試驗機了解性內容：韌性是與抵抗沖擊作用有關的性能，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，其值等于應力-應變曲線下的面積。塑性好的鋼材，其應力-應變曲線下的面積大，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，因為實際結構中脆性斷裂并不發(fā)生在單向受拉的地方，而總是發(fā)生在有缺口高峰應力的地方，在缺口高峰應力的地方常呈三向受拉的應力狀態(tài)。11.2.2鋼材的冷彎性能和沖擊韌性

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，必須考慮沖擊韌性。11.2.2鋼材的冷彎性能和沖擊韌性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。設計處于不同環(huán)境溫度的重要結構，尤其是受動載作用的結構時，要根據(jù)相應的環(huán)境溫度對應提出沖擊韌性的保證要求。(a)梅氏試件(b)夏比試件3.疲勞強度結構構件在變幅（△

=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，且破壞應力遠小于s或b，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。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)應力稱為疲勞強度。

材料力學“疲勞極限”經歷無窮多次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞之最大應力。11.2建筑鋼材的力學性能4.徐變與應力松馳11.2建筑鋼材的力學性能在溫度和作用應力不變的情況下，應變或變形隨時間而增加的現(xiàn)象稱為徐變（蠕變）。在溫度和應變不變的情況下，應力隨時間而減小的現(xiàn)象稱為應力松馳。11.2.3鋼材的可結合性可焊性可焊性是指采用一般焊接工藝就可完成合格的(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。碳含量在0.12％~0.20％范圍內的碳素鋼，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鋼材的可結合性鋼筋和混凝土之間的黏結是鋼筋混凝土結構工作的基礎。黏結力由摩擦力、膠結力和機械咬合力組成，其黏結強度與鋼筋錨固長度、鋼筋表面形狀有關。塊體與砂漿之間的黏結黏結強度與砂漿質量和塊體類型有關，它決定砌體的抗彎、抗剪和抗拉強度。11.2建筑鋼材的力學性能11.3影響鋼材性能的主要因素11.3.1化學成分11.3.2冶金工藝11.3.3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11.3影響鋼材性能的主要因素元素作用強度塑性沖擊韌性冷彎性能熱脆冷脆碳含量對鋼材的強度、塑性、韌性和焊接性有決定性影響<0.22%高低低低錳適量碳素鋼中作為脫氧劑0.3~0.8%低合金鋼中作為合金元素1.2~1.6%提高沒過多的降低改善過量降低減少氧、硫的有害影響變脆硅過量熔煉鎮(zhèn)靜鋼的脫氧劑。且能使鋼中純鐵晶粒細小和散布均勻提高無顯著不良影響適量降低，且惡化抗銹蝕能力和焊接性<0.3%（Q235）或0.6%（16Mn、15MnV）釩提高強度和細化晶粒，高溫硬度提高硫熱脆（FeS在高溫熔化而使鋼材出現(xiàn)裂紋），使鋼的焊接性變壞降低含量<0.035%~0.05%磷冷脆（低溫韌性降低并產生脆性破壞）0.035%~0.045%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；氫在低溫時易使鋼產生脆性破壞。11.3.2冶金工藝的影響冶煉鋼材的冶煉方法主要有平爐煉鋼、氧氣頂吹轉爐煉鋼、堿性側吹轉爐煉鋼及電爐煉鋼。在建筑鋼結構中，主要使用氧氣頂吹轉爐生產的鋼材。目前氧氣頂吹轉爐鋼的質量，由于生產技術的提高，已不低于平爐鋼的質量。冶煉這一冶金過程形成鋼的化學成分與含量、鋼的金相組織結構，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生冶金缺陷。常見的冶金缺陷有偏析、非金屬夾雜、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冶金工藝的影響軋制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。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。設計時應盡量避免拉力垂直于板面的情況，以防止層間撕裂。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的塑性和韌性。

正火控軋回火淬火11.3影響鋼材性能的主要因素正火屬于最簡單的熱處理，把鋼材加熱至850~900℃并保持一段時間后在空氣中自然冷卻，即為正火。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。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。淬火加回火也稱調質處理，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卻。強度很高的鋼材，包括高強度螺栓的材料都要經過調質處理。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冷加工硬化（應變硬化）在常溫下加工叫冷加工。冷拉、冷彎、沖孔、機械剪切等加工使鋼材產生很大塑性變形，由于減小了塑性和韌性性能，普通鋼結構中不利用硬化現(xiàn)象所提高的強度。重要結構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構的冷彎型鋼，是由鋼板或鋼帶經冷軋成型的，也有的是經壓力機模壓成型或在彎板機上彎曲成型的。薄壁型鋼結構設計中允許利用因局部冷加工而提高的強度。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冷加工硬化（應變硬化）11.3影響鋼材性能的主要因素時效硬化與應變時效時效硬化指鋼材僅隨時間的增長而轉脆，應變時效指應變硬化又加時效硬化。由于這些是使鋼材轉脆的性質，所以有些重要結構要求對鋼材進行人工時效，然后測定其沖擊韌性，以保證結構具有長期的抗脆性破壞能力。鋼材的硬化

溫度的影響總趨勢：溫度升高，鋼材強度降低，應變增大；溫度降低，鋼材強度略有增加，塑性和韌性降低而變脆；約在200C以內，溫度升高，鋼材力學性能變化不大；250C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——藍脆現(xiàn)象；260C~320C時，應力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形——徐變現(xiàn)象；溫度在430C-540C之間，屈服點和極限強度顯著下降，達到600C時強度幾乎等于零；在負溫范圍內，鋼材的沖擊韌性突然急劇下降，試件斷口屬脆性破壞——冷脆現(xiàn)象（脆性轉變溫度區(qū)——鋼材由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉變的溫度區(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11.3.3影響鋼材性能的其它因素溫度的影響11.3影響鋼材性能的主要因素Cv值隨溫度T的變化負溫范圍內fy與fu都增高，但塑性變形能力減小，因而材料轉脆，對沖擊韌性的影響十分突出。材料由韌性破壞轉到脆性破壞叫該種鋼材的轉變溫度，在結構設計中要求避免完全脆性破壞，所以結構所處溫度應大于脆性轉變溫度。

復雜應力與應力集中11.3影響鋼材性能的主要因素多向同號應力場作用下，一向的變形受到另一向的限制，鋼材強度增加，塑性、韌性下降，異號應力場時則相反；鋼結構構件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變化、形狀變化、內部缺陷等使一些區(qū)域產生局部高峰應力——應力集中現(xiàn)象。

反復荷載鋼材在反復荷載作用下，結構的抗力及性能都會發(fā)生重要變化，甚至發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞：鋼材在直接的反復的動力荷載作用下，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。疲勞破壞表現(xiàn)為突然發(fā)生的脆性斷裂。11.3影響鋼材性能的主要因素11.4鋼結構選材要求11.4.1鋼結構對材料的要求11.4.2鋼材的選用第11章建筑鋼材的性能11.4.1鋼結構對材料的要求較高的強度較高的塑性和韌性良好的工藝性能11.4鋼結構選材要求11.4.2鋼材的選用結構的重要性：一、二、三級；荷載特征：結構所承受的荷載可為靜力或動力的；經常作用、有時作用或偶然出現(xiàn)的；經常滿載或經常不滿載等；連接方式：焊接結構鋼材的質量要求應高于同樣情況的非焊接結構，碳、硫、磷等有害元素的含量應較低，塑性和韌性應較好，而且還應該具有含碳量的合格保證；11.4鋼結構選材要求11.4.2鋼材的選用結構的工作環(huán)境溫度：對經常處于或可能處于較低負溫下工作的鋼結構、尤其是焊接結構，應選用化學成分和機械性能質量較好和脆性轉變溫度低于結構工作環(huán)境溫度的鋼材；鋼材的厚度：厚度大的鋼材其強度、沖擊韌性和焊接性能都較差，且易產生三向殘余應力。構件厚度大的焊接結構應采用質量好的鋼材；11.4鋼結構選材要求11.4.2鋼材的選用承重結構鋼材宜選用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼；選擇鋼筋或鋼絲應考慮其強度、塑性、可焊性及與混凝土的粘結性要求。普通鋼筋宜采用HRB400級和HRB335級鋼筋，也可采用HPB235級和RRB400級；預應力鋼筋宜采用預應力鋼絞線、鋼絲，也可采用熱處理鋼筋；普通鋼筋系指用于鋼筋混凝土結構中的鋼筋和預應力鋼筋混凝土結構中的非預應力筋。11.4鋼結構選材要求11