鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝（第4版）課件：建筑鋼材

建筑鋼材1建筑鋼材的主要力學(xué)性能2影響鋼材性能的主要因素3建筑結(jié)構(gòu)用鋼的種類、規(guī)格及選擇1熟悉鋼材的主要機(jī)械性能及影響因素。2掌握鋼材的種類、規(guī)格。3能進(jìn)行鋼材的選擇。教學(xué)內(nèi)容

學(xué)習(xí)目標(biāo)

課題1建筑鋼材的力學(xué)性能1強(qiáng)度強(qiáng)度是材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。

體現(xiàn)材料的承載能力。

強(qiáng)度的主要指標(biāo)有屈服強(qiáng)度fy

和抗拉強(qiáng)度fu

，通過拉伸試驗(yàn)測得。

演示試驗(yàn)

A.有屈服點(diǎn)鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線屈服點(diǎn)?y：設(shè)計(jì)時鋼材可達(dá)到的最大應(yīng)力。它是鋼材開始塑性工作的特征點(diǎn)?？估瓘?qiáng)度fu：鋼材破壞前能夠承受的最大應(yīng)力。強(qiáng)屈比：抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)之比,反應(yīng)結(jié)構(gòu)的儲備能力。

有屈服點(diǎn)鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線B.對無明顯屈服點(diǎn)的鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

設(shè)計(jì)時以卸載后試件中殘余應(yīng)變?yōu)?.2％所對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服點(diǎn)——“條件屈服點(diǎn)”或“名義屈服點(diǎn)”fy=f0.20.2%fuεp

無屈服點(diǎn)鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

沒有明顯屈服點(diǎn)的鋼材在拉伸過程中沒有屈服階段，塑性變形小，破壞突然。

2塑性

塑性：當(dāng)應(yīng)力超過屈服點(diǎn)后，能產(chǎn)生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即斷裂的性質(zhì)。

塑性好壞可用伸長率

和斷面收縮率

表示，通過拉伸試驗(yàn)測得。A0A1伸長率δ

試件斷裂前的永久變形與原標(biāo)定長度的百比。式中：l0—原標(biāo)距長

l1

—拉斷后標(biāo)距長度d0—試件直徑試件有兩種標(biāo)距：l0/d0=5和l0/d0=10相應(yīng)的伸長率用δ5和δ10表示。實(shí)際工程中以伸長率

代表材料斷裂前具有的塑性變形能力。斷面收縮率

是指試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分比。

式中：

A0

——試件原來的斷面面積

A1

——試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積

斷面收縮率

越大，鋼材的塑性越好。由于在測量試件的斷面面積時容易產(chǎn)生較大的誤差，因而鋼材塑性指標(biāo)仍然采用伸長率作為保證要求。A0A13韌性----沖擊韌性

韌性:材料在沖擊載荷作用下,抵抗變形和斷裂的能力。

韌性表示鋼材抵抗沖擊荷載的能力.韌性越好，則發(fā)生脆性斷裂的可能性越小。是強(qiáng)度與塑性的綜合表現(xiàn)。

韌性衡量指標(biāo):沖擊韌性值，也叫沖擊功，用符號Akv表示，單位為J。通過沖擊試驗(yàn)測定。

沖擊韌性還與試驗(yàn)的溫度有關(guān)。我國鋼材標(biāo)準(zhǔn)中將試驗(yàn)分為四檔，即+20℃,0℃，-20℃和-40℃時的沖擊韌性。溫度越低，沖擊韌性越低。4

冷彎性能

冷彎性能是指鋼材在冷加工（常溫下加工）產(chǎn)生塑性變形時，對產(chǎn)生裂縫的抵抗能力。

鑒別指標(biāo)：當(dāng)試件彎曲至180°時，試件表和側(cè)面，無裂紋、斷裂或分層，即認(rèn)為試件冷彎性能合格。

冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)。5良好的工藝性能可焊性：表征鋼材焊接后具備良好焊接接頭性能的能力（不產(chǎn)生裂紋，焊縫影響區(qū)材性滿足有關(guān)要求）?？珊感苑譃槭┕ど系目珊感院褪褂眯阅苌系目珊感浴Ｊ┕ど系目珊感裕簩Ξa(chǎn)生裂紋的敏感性。使用性能上的可焊性：焊接構(gòu)件在焊接后的力學(xué)性能是否低于母材。下一頁小結(jié)建筑鋼材的力學(xué)性能一、強(qiáng)度屈服強(qiáng)度fy－設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值（設(shè)計(jì)時可達(dá)的最大應(yīng)力）;抗拉強(qiáng)度fu－鋼材的最大應(yīng)力，fu/fy為鋼材的強(qiáng)度安全儲備系數(shù)。二、塑性材料發(fā)生塑性變形而不斷裂的性質(zhì)。用伸長率衡量。三、韌性－鋼材在斷裂或塑變時吸收能量的能力。

用于表征鋼材抗沖擊荷載及動力荷載的能力，是強(qiáng)度與塑性的綜合表現(xiàn)。用沖擊功衡量，分常溫與負(fù)溫要求。四、冷彎性能

鋼材發(fā)生塑變時對產(chǎn)生裂紋的抵抗能力。是判別鋼材塑性及冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)。五良好的工藝性能

主要指良好的可焊性。課題2各種因素對鋼材主要性能的影響FeV主要成分鋼材CSiMn有益元素重要元素有害元素PSNO1.化學(xué)成份的影響有益元素及影響CC↑使強(qiáng)度↑，塑性、韌性、抗腐蝕性降低、可焊性↓；應(yīng)控制在≤0.22%，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)控制在≤0.20%Si強(qiáng)脫氧劑，可細(xì)化精粒，含Si適量提高強(qiáng)度，且不影響其它性能，但過量會惡化焊接性和抗銹性.應(yīng)控制≤0.3%。Mn有益合金元素。弱脫氧劑

，含Mn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。

有害元素及影響S含量↑，使強(qiáng)度↑，塑性、韌性、冷彎性能、可焊性↓；高溫時使鋼材熱脆；不得超過0.05%。P低溫時使鋼材冷脆；抗腐蝕性略有提高，可焊性降低。不得超過0.045%。O、NO同S；N同P，控制含量≤0.008%。冶金缺陷及影響偏析金屬結(jié)晶后化學(xué)成分分布不均勻，主要是硫、磷偏析，使偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性、可焊性變差。非金屬夾雜鋼材中的非金屬化合物，如硫化物、氧化物，使鋼材性能變脆。裂紋鋼材中存在的微觀裂紋。氣泡澆鑄時一部分氣體不能充分逸出而滯留在鋼錠形成的微小空洞。使鋼材性能變脆。分層澆鑄時的非金屬夾雜，在軋制后可能造成鋼材分層，使鋼材性能變脆。2.冶金與軋制的影響

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(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。3.鋼材的硬化

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。

硬化對鋼材性能的影響a)時效硬化及冷作硬化b)應(yīng)變時效硬化鋼材的硬化：冷作硬化、時效硬化、人工時效鋼材的硬化冷作硬化冷加工時（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。時效硬化鋼材中的C、N，隨著時間的增長和溫度的變化，形成碳化物和氮化物，使鋼材變脆的“老化”現(xiàn)象。人工時效應(yīng)變時效——鋼材產(chǎn)生塑性變形時，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同時可以加速時效硬化，因此也稱“人工時效”

4.應(yīng)力集中與殘余應(yīng)力的影響應(yīng)力集中應(yīng)力集中產(chǎn)生的原因應(yīng)力集中的影響不正確的設(shè)計(jì)（構(gòu)造不合理）、制造（不光滑）及使用（在構(gòu)件上亂打火等），使鋼構(gòu)件由于截面的改變以及孔洞、凹槽、裂紋等原因在構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中。（1）應(yīng)力集中使鋼材變脆。（2）應(yīng)力集中處常產(chǎn)生三向的同號拉應(yīng)力，易使鋼材開裂時也沒有明顯的塑性變形。（3）應(yīng)力集中對塑性良好的鋼結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度影響不大，但降低疲勞強(qiáng)度。殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因殘余應(yīng)力的影響鋼材在冶煉、軋制、焊接、冷加工等過程中，由于不均勻的冷卻、組織構(gòu)造的變化而在鋼材內(nèi)部產(chǎn)生的不均勻的應(yīng)力。對構(gòu)件的變形（剛度）、疲勞以及穩(wěn)定承載力產(chǎn)生不利影響,殘余應(yīng)力的存在易使鋼材發(fā)生脆性破壞。消除殘余應(yīng)力設(shè)備5.復(fù)雜應(yīng)力的影響

鋼材在多向同號應(yīng)力場作用下，一向的變形受到另一向的限制，而使鋼材強(qiáng)度增加，塑性、韌性下降，異號應(yīng)力場時則相反。6、溫度的影響

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)600o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。

需要說明：鋼材在300o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300o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。

小結(jié)：影響鋼材機(jī)械性能的因素1、化學(xué)成分2、冶金缺陷（偏析、非金屬夾雜、裂紋）；3、冷作硬化和時效硬化4、應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力的影響5、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)6、溫度的影響（熱脆、低溫冷脆）課題3鋼材的種類、規(guī)格及選擇1建筑用鋼的種類品種特點(diǎn)碳素結(jié)構(gòu)鋼用于結(jié)構(gòu)的普通低碳鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼普通低碳鋼+合金元素（錳、釩等，總量<5%）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼有害元素少的碳素鋼+熱處理（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB/T700-1988）

碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)（厚度t≤16mm)的數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號四部分按順序組成。牌號Q195Q215Q235Q255Q275特點(diǎn)含碳量、強(qiáng)度↑塑性↓供貨提供fy、fu、

保證以及沖擊韌性、冷彎試驗(yàn)指標(biāo)化學(xué)成分C、Mn、Si、S、P保證

說明：質(zhì)量等級A保證fy、fu、

保證以及C、Mn、Si、S、P含量、可附加冷彎試驗(yàn)要求B保證fy、fu、

以及沖擊韌性、冷彎試驗(yàn)指標(biāo)、化學(xué)成分C、Mn、Si、S、P含量，20℃時的Akv值C保證fy、fu、

以及沖擊韌性、冷彎試驗(yàn)指標(biāo)、化學(xué)成分C、Mn、Si、S、P含量，0℃時的Akv值D保證fy、fu、

以及沖擊韌性、冷彎試驗(yàn)指標(biāo)、化學(xué)成分C、Mn、Si、S、P含量，-20℃時的Akv值鋼材按脫氧方法分：沸騰鋼（F）、鎮(zhèn)靜鋼（Z）、特殊鎮(zhèn)靜鋼（Tz）。（2）低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼(GB/T1591-1994)

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)（厚度t≤16mm)的數(shù)值、質(zhì)量等級符號三部分按順序組成。牌號Q295Q345Q390Q420Q460特點(diǎn)含碳量、強(qiáng)度↑塑性↓供貨提供fy、fu、

保證以及沖擊韌性、冷彎試驗(yàn)指標(biāo)化學(xué)成分C、Mn、Si、S、P、V、Ti保證（3）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(GB/T699-1988)a)磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035％，對于其他缺陷的限制也較嚴(yán)格。b)主要用作制造冷拔高強(qiáng)鋼絲、高強(qiáng)螺栓以及自攻螺釘?shù)取Ｗⅲ禾妓亟Y(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。

2鋼材的規(guī)格1、熱軋鋼板a)分為厚鋼板、薄鋼板和扁鋼。b)表示方法：在符號“-”后加“寬度×厚度×長度”

厚度（mm）寬度（mm）長度（mm）厚鋼板4.5-60600-30004000-12000薄鋼板0.35-4500-1500500-4000扁鋼4-6012-2003000-9000熱軋鋼板、鋼帶熱軋型鋼（焊接）冷彎薄壁型鋼冷軋鋼板、鋼帶2、熱軋型鋼角鋼工字鋼槽鋼H型鋼T型鋼鋼管等邊角鋼不等邊角鋼角鋼分類型號或表示方法最小規(guī)格最大規(guī)格長度等邊角鋼L邊長×厚度L20×3L200×244000～19000不等邊角鋼L長邊×短邊×厚度L25×16×3L200×125×18角鋼規(guī)格

(單位mm)2、熱軋型鋼常用的型鋼:角鋼、工字型鋼、槽鋼和H型鋼、鋼管等。

1）角鋼角鋼分類型號或表示方法最小規(guī)格最大規(guī)格等邊角鋼L邊長×厚度L20×3L200×24不等邊角鋼L長邊×短邊×厚度L25×16×3L200×125×182、熱軋型鋼常用的型鋼:角鋼、工字型鋼、槽鋼和H型鋼、鋼管等。

2）工字鋼工字鋼分類型號或表示方法（cm）最小規(guī)格最大規(guī)格普通工字鋼I高度I10I63輕型工字鋼QI高度QI10QI702）槽鋼槽鋼分類型號或表示方法（cm）最小規(guī)格最大規(guī)格普通槽鋼[高度[5[40輕型槽鋼Q[高度Q[5Q[403）H型鋼H型鋼分類表示方法最小規(guī)格（mm）最大規(guī)格（mm）寬翼緣H型鋼HW高×寬×腹板厚×翼緣厚HW100×100×6×8HW400×400×13×21中翼緣H型鋼HM高×寬×腹板厚×翼緣厚HM150×100×6×9HW600×300×12×20窄翼緣H型鋼HN高×寬×腹板厚×翼緣厚HN100×50×5×7HN700×300×13×24高頻焊接H型鋼H高×寬×腹板厚×翼緣厚H100×50×3×3H350×175×4.5×64）T型鋼t

5）鋼管

T型鋼分類型號或表示方法單位mm最小規(guī)格最大規(guī)格寬翼緣T型鋼TW高×寬TW50×100TW200×400中翼緣T型鋼TM高×寬TM74×100TW300×300窄翼緣T型鋼TN高×寬TN50×50TN350×200鋼管分類型號或表示方法單位mm最小規(guī)格最大規(guī)格熱軋無縫鋼管

直徑×壁厚

32×2.5

351×16電焊鋼管（直焊縫、螺旋焊縫）

直徑×壁厚

32×2

152×5.56）冷彎薄壁型鋼和壓型鋼板冷彎薄壁型鋼（壁厚1.5-6mm）和壓型鋼板（壁厚0.4-1.6mm），截面形式和尺寸均可按受力特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)，能充分利用鋼材的強(qiáng)度，達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。在國內(nèi)外輕鋼建筑結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用。冷彎薄壁型鋼壓型鋼板壓型鋼板的應(yīng)用1、選擇鋼材的原則

安全可靠，滿足使用要求，經(jīng)濟(jì)合理。2、選擇鋼材時考慮的因素為了保證承重結(jié)構(gòu)的承載能力，防止出現(xiàn)脆性破壞，在選擇鋼材時應(yīng)具體考慮以下因素：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性、荷載特征、連接方式、工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)、鋼材的厚度。3建筑結(jié)構(gòu)用鋼的選擇3、鋼材選擇的建議1）承重結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼。

2）承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結(jié)構(gòu)尚具有含碳量的合格保證。3）對于需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)和非焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有沖擊韌性的合格保證。4）重要的受拉或受彎的焊接構(gòu)件中，厚度大于等于16mm的鋼材應(yīng)具有常溫沖擊韌性合格的保證。5)當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)為防止鋼材的層狀撕裂而采用Z向鋼時，其材質(zhì)應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《厚度方向性能鋼板》GB/T5313的規(guī)定。6)對于外露環(huán)境，且對大氣腐蝕有特殊要求的或在腐蝕性氣態(tài)和固態(tài)介質(zhì)作用下的承重結(jié)構(gòu)，宜采用耐候鋼，其質(zhì)量要求應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《焊接耐候鋼》GB/T4172的規(guī)定。

耐候鋼，即耐大氣腐蝕鋼，是介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼系列，耐候鋼由普碳鋼添加少量銅、鎳等耐腐蝕元素而成，具有優(yōu)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌、塑延、成型、焊割、磨蝕、高溫、抗疲勞等特性。補(bǔ)充1、耐候鋼1）耐候鋼原理：鋼中加入磷、銅