農業(yè)設施設計與建造第二章(一)鋼結構材料

輕鋼結構住宅屋面系統(tǒng)高層鋼結構鋼結構廠房及構件加工2.1鋼材的主要力學性能

2.2影響鋼材性能的因素

2.3復雜應力下的屈服條件2.4鋼結構的疲勞破壞和疲勞計算2.5鋼材的種類、選用和型鋼規(guī)格本章內容：鋼材的種類很多，其化學成分不同，性能各異。鋼材的性能主要有：力學性能、加工性能和抗侵蝕等性能。因此，必須了解鋼材的強度、塑性、冷彎、韌性、可焊性以及影響鋼材性能變化的各種因素，才能根據鋼結構所受的荷載、工作環(huán)境，選擇符合要求的鋼材。2.1鋼材的主要力學性能2.1.1鋼材的強度指標和塑性指標（1）單向均勻受拉的工作特性

在常溫靜載情況下，Q235鋼材標準試件（圖2.1）受單向拉伸試驗時的應力－應變曲線如圖2.2。圖2.1標準試件圖2.2Q235鋼單向受拉應力－應變曲線拉伸曲線反映了鋼材的力學特性，描述如下：1)彈性階段：OAE段OA直線的斜率稱為彈性模量E，fp稱為比例極限，，fe稱為彈性極限。2)彈塑性階段：EC段

σ與ε不呈比例，除彈性變形外還有塑性變形，fy稱為屈服強度，又叫屈服點（yieldpoint，材料力學中用σs表示）。工作特性單向受拉應力－應變曲線3)屈服階段：CF段鋼材完全屈服，σ不增加（保持fy），而ε驟增。4)強化階段：FB段經過屈服階段后，鋼材內部組織重新排列，抵抗外力的能力增強。5)頸縮階段：BD段應力超過fu后，試件出現(xiàn)“頸縮”而斷裂，fu稱為抗拉強度(tensilestrength，材料力學中用σb表示）。工作特性單向受拉應力－應變曲線

根據上述特性，可確定鋼材的強度指標和塑性指標。(2)強度指標

由于fy、fp、fe很接近，應變很小，ε≈0.1%(εy≈0.15%)可以把三點看作為一點，并以屈服點fy作為代表。

鋼結構設計中，把鋼材的屈服點fy作為鋼材的強度標準值fk＝fy。

常用結構鋼材的強度設計值f（designvalue）可查材料手冊。彈性設計時，構件的應力不能大于f值。

抗拉強度fu在實際構件中是不允許達到的，鋼材的抗拉強度fu值高，可以增加結構的安全保障。

另外，Q235鋼材在屈服前接近理想的彈性體，而屈服后的流變現(xiàn)象接近理想的塑性體，且流變的范圍很大（ε=0.15%～2.5%）。因此，可認為鋼材是理想的彈-塑性體（圖2.3）。即假定鋼材應力小于fy時是完全彈性的，應力超過fy后則是完全塑性的。利用鋼材理想彈－塑性假定，可以簡化鋼構件的彈塑性分析計算。

強度指標圖2.3理想彈－塑性的應力－應變曲線

高強度鋼材沒有明顯的屈服臺階，這類鋼的屈服點是根據實驗分析結果人為規(guī)定的，稱為條件屈服（用f0.2表示，定義為試件卸載后其殘余應變?yōu)?.2%時所對應的應力）。這類鋼材在設計中不宜利用塑性。

圖2.4高強度鋼的應力－應變曲線強度指標

鋼材在單向受壓時（短試件），抗壓強度與單向受拉時相同。鋼材受扭轉時的應力－應變曲線也與受拉時相似，但剪切屈服點和抗剪強度低于fy和fu；剪變模量G也低于彈性模量E。鋼材和鑄鋼件的彈性模量、剪變模量、線膨脹系數(shù)α和質量密度ρ列于表2.1。強度指標斷面收縮率：式中l(wèi)0——試件拉伸前標距長度;l1——試件拉斷后原標距間長度;A0——試件截面面積;A1——拉斷后頸縮區(qū)的截面面積。鋼材的伸長率愈大，鋼材塑性愈好(3)塑性指標延伸率：2.1.2冷彎性能

冷彎性能是指鋼材在冷加工產生塑性變形（deformed）時，對產生裂縫的抵抗能力。如圖2.3所示將試件彎曲成規(guī)定的角度后,檢查試件彎曲部分的表面有無裂縫、裂斷、分層等，沒有即為合格。

冷彎試驗是鑒定鋼材質量的一種良好方法，常作為靜力拉伸試驗和沖擊試驗的一種補充試驗，是一項衡量鋼材力學性能的綜合指標。

圖2.5冷彎1800試件

2.1.3沖擊韌性

沖擊韌性是衡量鋼材強度、塑性及材質的一項綜合指標。鋼材的韌性與軋制方法、環(huán)境溫度有關。沖擊韌性由沖擊試驗測定。

沖擊韌性：(N?m/cm2)

式中：AK—試驗機的沖擊功（焦耳)；

A—缺口處凈截面面積(cm2)。

圖2.6沖擊韌性試驗2.1.4可焊性焊接后焊縫金屬及其附近的熱影響區(qū)金屬不產生裂紋，并且焊縫的力學性能不低于母材的力學性能。2.1.5耐久性

耐腐蝕性：鋼材耐腐蝕性較差，必須采取防護措施，新建結構需要油漆，已建成的結構需定期維護。

耐老化性：隨著時間的增長，鋼材的力學性能有所改變，出現(xiàn)“時效”現(xiàn)象，即“老化”。“時效”使鋼材變脆。

耐長期高溫性：在長期高溫條件下工作的鋼材，其破壞強度比常溫拉伸試驗的強度低得多，應另行測定“強度”。

耐疲勞性：鋼結構或構件在長期連續(xù)的交變荷載或重復荷載作用下，應力雖低于fy也會發(fā)生破壞，稱為“疲勞破壞”。2.1.6鋼構件的兩種破壞形式1)塑性破壞——構件破壞前有明顯的變形或破壞前兆,破壞的斷口常為杯形，呈纖維狀，色澤發(fā)暗,塑性破壞容易被發(fā)現(xiàn)而采取補救措施,可避免造成嚴重后果.2)脆性破壞——破壞前構件變形很小,平均應力一般都小于屈服點fy,破壞始于應力集中處,如缺口、裂紋、凹角和多向受拉區(qū)域.破壞斷口平直，呈有光澤的晶粒狀。破壞前沒有任何預兆,無法及時被發(fā)現(xiàn)和采取補救措施,危及生命財產安全,后果嚴重。因此，設計時應盡量避免構件出現(xiàn)脆性破壞。

2.2.1化學成分的影響主要化學成分——鐵（Fe，在碳素結構鋼中約占99%）少量元素——碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、鈦（Ti）、釩（V）⑴碳碳是決定鋼材性能的最重要元素。含碳量增加，強度上升，硬度提高，塑韌性下降。建筑用鋼一般多用碳素結構鋼，屬于低碳鋼，含碳量小于0.25%；工程所用低合金鋼，其含碳量小于0.20%。2.2影響鋼材性能的因素

⑵硅

硅是作為脫氧劑存在鋼中，是鋼中的有益元素。硅含量較低（小于1.0%）時，能提高鋼材的強度，而對塑性和韌性無明顯影響。

⑶錳

錳是煉鋼時用來脫氧去硫而存在于鋼中的，是鋼中的有益元素。錳具有很強的脫氧去硫能力，能消除或減輕氧、硫所引起的熱脆性，能提高鋼材的強度和硬度。

⑷磷

磷是鋼中很有害的元素。隨著磷含量的增加，鋼材的強度、屈強比、硬度均提高，而塑性和韌性顯著降低。特別是溫度愈低，對塑性和韌性的影響愈大，加大鋼材的冷脆性。

影響因素⑸硫硫是鋼中很有害的元素。硫的存在會加大鋼材的熱脆性，降低鋼材的各種機械性能，也使鋼材的可焊性、沖擊韌性、耐疲勞性和抗腐蝕性等均降低。⑹氧氧是鋼中的有害元素。隨著氧含量的增加，鋼材的強度有所提高，但塑性特別是韌性顯著降低，可焊性變差。氧的存在會造成鋼材的熱脆性。⑺氮氮對鋼材性能的影響與碳、磷相似，隨著氮含量的增加，可使鋼材的強度提高，塑性特別是韌性顯著降低，可焊性變差，冷脆性加劇。氮在鋁、鈮、釩等元素的配合下可以減少其不利影響，改善鋼材性能，可作為低合金鋼的合金元素使用。影響因素⑻鈦

鈦是強脫氧劑。鈦能顯著提高強度，改善韌性、可焊性，但稍降低塑性。鈦是常用的微量合金元素。⑼釩

釩是弱脫氧劑。釩加入鋼中可減弱碳和氮的不利影響，有效地提高強度，但有時也會增加焊接淬硬傾向，釩也是常用的微量合金元素。影響因素2.2.2冶煉、澆鑄、軋制的影響(1)冶煉我國目前鋼結構用鋼主要是平爐和氧氣轉爐冶煉而成，兩種冶煉方法煉制的鋼質量大體相當。影響因素(2)脫氧方法

用錳、硅、鋁作為脫氧劑進行脫氧（deoxidize）.它們之間的脫氧能力比為錳:硅:鋁=1:5:90。按脫氧程度或方法不同而分為沸騰鋼(F)、鎮(zhèn)定鋼(Z)、半鎮(zhèn)定鋼(b)和特殊鎮(zhèn)定鋼(TZ)。沸騰鋼

組織不夠致密，成分不太均勻，硫、磷等雜質偏析較嚴重，故質量較差。但因其成本低、產量高，故被廣泛用于一般工程。鎮(zhèn)靜鋼成本較高，但其組織致密，成分均勻，含硫量較少，性能穩(wěn)定，故質量好。適用于預應力混凝土等重要結構工程。半鎮(zhèn)靜鋼質量較好。特殊鎮(zhèn)靜鋼

質量最好，適用于特別重要的結構工程。影響因素（3）軋制

軋制（rolling）鋼材是把鋼錠加熱到1200℃-1300℃高溫時進行，這時鋼具有較好的熱塑性，利用軋鋼機壓力的作用，可使鋼錠中的小氣泡、裂紋和質地較疏松部分壓合密實，消除組織缺陷和細化鋼的晶粒。因此，軋制鋼比鑄鋼質量好。壓縮比越大，鋼材的力學性能越好。此外，由于軋輥的壓延作用，鋼材順軋輥軋制方向的性能比橫向的性能好。影響因素2.2.3殘余應力的影響

熱軋型鋼中的殘余應力（remainingstress）是因不均勻冷卻而產生的。型鋼冷卻時其邊緣、尖角及薄細部位因與空氣接觸多而冷卻快，先冷卻部位常形成強勁的約束（constraint），阻止后冷卻部位的自由收縮，從而使后冷卻部位受拉，形成自相平衡的復雜的殘余應力分布。此后鋼材的調直和加工（剪切、氣割、焊接等）還將改變這種分布。構件承受荷載時，荷載引起的應力將與殘余應力疊加（superposition），使構件有些部位提前達到屈服并發(fā)展塑性變形，使截面的彈性區(qū)域減少。因此殘余應力將降低構件的剛度（stiffness）和穩(wěn)定性。影響因素

2.2.4溫度的影響

(1)溫度升高當溫度升高，鋼材的強度和彈性模量的總趨勢是降低，但在150℃以下時變化不大。當溫度在250℃時，鋼材的抗拉強度有較大的提高，但塑性、韌性變差，此時的破壞為脆性破壞，稱為“藍脆”,(發(fā)生在鋼表面有藍色氧化膜的溫度范圍，因此稱為藍脆)。當溫度超過300℃時，其強度和彈性模量開始顯著下降，而塑性開始顯著增大，鋼材產生徐變。達到600℃時，強度幾乎為零。

影響因素(2)溫度降低溫度下降到負溫時，鋼材的強度雖有提高，但塑性和韌性降低、脆性增加，出現(xiàn)脆性轉變溫度。以韌性指標為例（右圖），反彎點對應的溫度T0即為脆性轉變溫度。選用鋼材時應使結構所處的環(huán)境溫度高于脆性轉變溫度的下限值T1，且在環(huán)境溫度下具有足夠的沖擊韌性值。影響因素2.2.5鋼材硬化的影響(1)冷作硬化

鋼材在常溫下冷加工（拉、拔、彎、沖切、剪切等）的過程。當加載到強化區(qū)間卸載后，鋼材的塑性變形不能恢復，再次加載時，鋼材的屈服強度提高，彈性范圍增加，但塑性和伸長率降低。這一性質稱為冷作硬化（stiffening）。鋼材的冷作硬化(2)時效硬化

鋼材隨存放時間延長，會出現(xiàn)屈服強度提高，彈性范圍增加，伸長率降低，這一性質稱為時效effectivenessforagivenperiodoftime）硬化。這是因為隨著時間的推移，鋼材化學成分中的氮和碳逐漸析出，形成了自由的氮化物和碳化物，他們能起到阻止純鐵體晶粒間的滑移，約束塑性發(fā)展，從而提高鋼材的強度，降低塑性。2.2.6應力集中的影響在構件截面發(fā)生變化的區(qū)域，截面應力分布并不均勻，突變處將產生局部高峰應力，這種因截面尺寸顯著變化而引起應力局部增大的現(xiàn)象稱應力集中（stressconcentration）。分析表明：應力集中產生的高峰應力區(qū)附近總是存在平面或三維應力場，使鋼材性能變脆而引發(fā)脆性破壞。

鋼結構中應力集中現(xiàn)象不可避免，但只要在設計和施工時注意采取合理的構件形狀和構造措施，使截面的變化平緩過渡，就能降低應力集中的影響。2.4鋼結構的疲勞破壞和疲勞計算2.4.1疲勞破壞

試驗表明，鋼構件在連續(xù)反復荷載作用下，盡管應力低于抗拉強度，甚至低于屈服點，但經過一定的循環(huán)次數(shù)后，也會發(fā)生斷裂破壞。這種經歷長期反復荷載作用而發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，稱為疲勞破壞.

疲勞破壞前構件沒有明顯的變形特征，屬于脆性破壞?1967年12月15日下午美國普萊森特角懸索橋因一吊桿斷裂而在60秒內倒塌。?46人喪生，37輛各種車輛掉入河中。破壞原因:鋼構件上難免有微觀裂紋（crack），如非金屬雜質、扎制或加工時造成的微小裂紋等。在荷載作用下，受拉區(qū)的微裂紋尖端因應力集中而出現(xiàn)高應力區(qū)，并伴隨雙向或三向拉應力場，使鋼材的塑性發(fā)展受到限制。在工作初期，由于應力較小，這些微小裂紋不會立刻引起構件斷裂。但在長期反復荷載作用下，裂紋尖端的拉應力使裂紋有逐步擴展的趨勢并緩慢地擴展，與此同時，構件的有效截面也逐步減小。經過一定的循環(huán)（circle）次數(shù)后，一旦裂紋擴展到構件截面不能承受荷載時，構件出現(xiàn)突然斷裂。

2.4.2鋼材的疲勞強度極限

反復荷載在構件內引起的應力隨時間變化的曲線稱為循環(huán)應力譜（圖2.6）。用ρ=σmin/σmax來表示（拉應力為正，壓應力為負）。例如，ρ=-1表示完全對稱（symmetry）循環(huán)，ρ=0表示脈沖（pulse）循環(huán)。ρ值可以介于-1和+1之間。（a）完全對稱循環(huán)ρ=-1（b）脈動應力循環(huán)ρ=0圖2.6循環(huán)應力譜

應力變化的幅度稱為應力幅，用△σ=σmax-σmin表示。在應力循環(huán)過程中，如果應力幅保持為常量，稱為常幅循環(huán)應力，否則稱變幅應力循環(huán)。常幅疲勞試驗可以測定鋼材的疲勞強度極限。試驗用一組（10根）相同材料的光滑小試件，每次將一根試件安裝在疲勞試驗機上，第一根試件可施加較大的彎矩，使試件受純彎曲，上緣受拉，下緣受壓；圖2.7鋼材的疲勞強度極限當電機帶動試件旋轉時，試件表面各點的應力交替出現(xiàn)拉、壓變化，轉動一圈完成一次循環(huán)，由施加的彎矩可以算出應力幅；當經過某一循環(huán)次數(shù)n，試件破壞，得到△σ－n曲線上的一個點（圖2.7）。疲勞極限依次對其余試件進行實驗，并逐步減小彎矩，也即減小應力幅△σ，試件破壞時的循環(huán)次數(shù)將不斷增加，每一根試件得到△σ－n曲線上的一個點。當應力幅△σ小于一定值時，即使有無限次循環(huán)，試件也不會產生疲勞破壞。按照有關國際標準建議，將n＝5×106所對應的應力幅稱為材料的疲勞極限。疲勞極限2.5鋼材的種類、選用和型鋼規(guī)格2.5.1鋼材的種類常用鋼材碳素結構鋼低合金高強度鋼橋梁用鋼耐候鋼（1）碳素結構鋼

按國家現(xiàn)行標準《碳素結構鋼》(GB/T700-2006)規(guī)定，碳素結構鋼的牌號（brand）由代表屈服點的字母Q、屈服點數(shù)值、質量等級（A、B、C、D）、脫氧方法符號（F、b、Z、TZ，分別表示沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼）四個部分順序組成。目前生產的碳素結構鋼有：Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五種，含碳量越多，屈服點越高，塑性越低。Q235的含碳量低于0.22％，屬于低碳鋼，其強度適中，塑性、韌性和可焊性較好，是建筑鋼結構常用的鋼材品種之一。碳素結構鋼牌號舉例：Q235A.FQ：鋼材屈服點代號235:屈服點數(shù)值（N/mm2）A:質量等級代號(A、B、C、D)F:脫氧程度代號(F、b、Z、TZ，其中Z、TZ可以省略)(2)低合金高強度鋼

低合金高強度鋼是在碳素鋼中加入少量幾種合金元素，其總量雖低于5%，但鋼的強度明顯提高，故稱為低合金高強度鋼。其牌號按屈服點由小到大排列，有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五種，牌號意義和碳素結構鋼相同。

(3)耐大氣腐蝕用鋼（耐候鋼）

在鋼的冶煉過程中，加入少量特定的合金元素，一般指銅（Cu）、磷（p）、鉻（Cr）、鎳（Ni）等，使之在金屬基體表面形成保護層，提高鋼材耐大氣腐蝕性能，這類鋼統(tǒng)稱為耐大氣腐蝕用鋼或耐候鋼。我國目前生產的耐候鋼分為高耐候結構鋼和焊接結構用耐候鋼兩類。鋼材的種類1）高耐候結構鋼其耐候性能比焊接結構用耐候鋼好，故稱為高耐候結構鋼。按其化學成分分為：銅磷鋼和銅磷鉻鎳鋼兩種。其牌號表示方法是由分別代表“屈服點”的拼音字母Q、屈服點的數(shù)值和“高耐候”拼音字母GNH順序組成，含Cr、Ni的高耐候鋼在牌號后加代號“L”。例如，Q345GNHL表示屈服點為345（N/mm2）、含有鉻鎳的高耐候鋼。若將高耐候結構用于焊接結構，其鋼板厚度應不大于16mm。2）焊接結構用耐候鋼這類鋼能保持良好的焊接特性，適用厚度達100mm。其表示方法是由分別代表“屈服點”拼音字母Q、屈服點的數(shù)值和“耐候”的拼音字母NH以及質量等級（C、D、E）順序組成。鋼材的種類(4)橋梁用結構鋼由于橋梁所受荷載性質特殊，橋梁用鋼的力學性能、焊接性能等技術要求一般都嚴于房屋建筑用鋼，其牌號表達方式與其他鋼材一樣，由屈服點拼音字母Q、屈服點數(shù)值、橋梁鋼拼音字母q和質量等級（C、D、E）四部分順序組成，如Q235qC。（5）厚度方向性能鋼板(Z向板）由于扎制工藝的原因，厚鋼板沿厚度方向（Z向）的力學性能最差。當結構局部構造形成有板厚方向的拉力作用時，很容易沿平行于鋼板表面層間內出現(xiàn)層狀撕裂。因此，對于重要焊接構件的鋼板，還要求厚度方向有良好的抗層間撕裂性能。鋼材的種類2.5.2鋼材的選用

基本原則：即要保證結構的安全可靠，又要做到用料經濟合理。選擇鋼材時考慮的因素：1)結構的重要性；

2)荷載的性質；3)連接方法；4)結構的工作溫度5)鋼材的厚度鋼結構用鋼：承重結構宜用Q235、Q345、Q390、Q420。品質保證：

承重結構鋼材，應具有抗拉強度、伸長率、屈服強度（通稱三項保證）和硫、磷含量的合格保證；

焊接結構鋼材，除滿足上項外，還應有碳含量合格保證，冷彎、沖擊韌性等要求；

有疲勞驗算和抗震要求的結構鋼材，要求有沖擊韌性的合格保證。

優(yōu)先選用型材。

圖2.8型鋼截面形式2.5.3型材及規(guī)格型材包括：熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼、鋼索。(1)熱軋型鋼（鋼板和型鋼）1）鋼板鋼板（plate）有厚鋼板、薄鋼板和扁鋼。厚鋼板：厚度為4.5～60mm，寬度為600～300mm，長度為4～12m；用于制作焊接組合截面構件，如焊接工字形截面梁翼緣板、腹板等。薄鋼板：厚度為0.35～4mm，寬度為500～1500mm，長度為0.5～4m；用于制作冷彎薄壁型鋼。扁鋼：厚度為3～60mm，寬度為10～200mm，長度為3～9m。用于焊接組合截面構件的翼緣板、連接板、桁架節(jié)點板和制作零部件等。鋼板的表示方法為“-寬度×厚度×長度”，如：“-400×12×800”。單位為mm。2)角鋼角鋼（anglesteel）分等邊角鋼和不等邊角鋼。不等邊角鋼的表示方法為，“∟長邊寬×短邊寬×厚度”，如“∟100×80×8”，等邊角鋼表示為“∟邊寬×厚度”，如∟100×8。單位為㎜。3)鋼管鋼管分無縫鋼管（seamlesssteeltube）和焊接鋼管（weldedsteelpipe）兩種，表示方法為“Ф外徑×壁厚”，如Ф180×4。單位為㎜。4)槽鋼槽鋼（channelsteel）有普通槽鋼和輕型槽鋼，用截面符號“[”和截面高度（cm）表示，高度在20以上的槽鋼，還用字母a、b、c表示不同的腹板厚度。如[30a，稱“30號”槽鋼。常作為屋蓋檁條等構件。號數(shù)相同的輕型槽鋼與普通槽鋼相比，其翼緣寬而薄，腹板也較薄。型鋼及規(guī)格角鋼槽鋼鋼管型鋼及規(guī)格5）工字鋼有普通工字鋼和輕型工字鋼。用截面符號“I”和截面高度（cm）表示，高度在20以上的普通工字鋼，用字母a、b、c表示不同的腹板厚度。如I20c，稱“20號”工字鋼。腹板較薄的工字鋼用于受彎構件較為經濟。輕型工字鋼的腹板（web）和翼緣（flange）均比普通工字鋼薄，因而在相同重量下其截面模量和回轉半徑較大。6）H型鋼和剖分T型鋼

H型鋼是目前廣泛使用的熱軋型鋼，與普通