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1、第二章钢结构的材料,2.1钢结构对材料的要求 用钢结构的钢必须符合下列要求：1、较高的抗拉强度fu和屈服点fy，fy是衡量结构承 载能力的指标，fy则可减轻结构自重，节约钢材和降低造价。2、较高的塑性和韧性 3、良好的工艺性能（包括冷加工、热加工和可焊接性）,2.2刚才的破坏形式,钢材有两种完全不同的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。钢结构所用的钢材在正常使用条件下，虽然有较高的塑性和韧性，但在某些条件下，仍然存在发生脆性破坏的可能性。,塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。只有当构件中的应力达到抗拉强度后才会发生破坏，破坏后的断口呈纤维状
2、，色泽发暗。由于塑性破坏前总有较大的塑性变形发生，且变形持续时间较长，容易被发现和抢修加固，因此不至发生严重后果。钢材塑性破坏前的较大塑性变形能力，可以实现构件和结构中的内力重分布，钢结构的塑性设计就是建立在这种足够的塑性变形能力上。,脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。由于破坏前没有任何预兆，破坏速度又极快，无法察觉和补救，而且一旦发生常引发整个结构的破坏，后果非常严重，因此在钢结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意防止这种破坏的发生,2.3钢材的主要性能,钢材的应力-应变曲线 理想的弹-塑性体的应力-
3、应变曲线,试验一般都是在标准条件下进行的，即：试件的尺寸符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷；荷载分级逐次增加，直到试件破坏；室温为20左右。给出了相应钢材的单调拉伸应力应变曲线。由低碳钢和低合金钢的试验曲线看出，在比例极限以前钢材的工作是弹性的；比例极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点fy后，出现了一段纯塑性变形，也称为塑性平台；此后强度又有所提高，出现所谓自强阶段，直至产生颈缩而破坏。破坏时的残余延伸率表示钢材的塑性性能。调质处理的低合金钢没有明显的屈服点和塑性平台。,钢材的单调拉伸应力应变曲线提供了三个重要的力学性能指标：抗拉强度fu、伸长率和屈服点fy。抗拉强度fu是钢材一
4、项重要的强度指标，它反映钢材受拉时所能承受的极限应力。伸长率是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标，以试件破坏后在标定长度内的残余应变表示。,取圆试件直径的5倍或10倍为标定长度，其相应伸长率分别用5或10表示。屈服点fy是钢结构设计中应力允许达到的最大限值，因为当构件中的应力达到屈服点时，结构会因过度的塑性变形而不适于继续承载。承重结构的钢材应满足相应国家标准对上述三项力学性能指标的要求。,H型钢与普通工字钢相比，其翼缘板的内外表面平行，便于与其它构件连接。H型钢的基本类型可分为宽翼缘（HW）、中翼缘（HM）及窄翼缘（HN）三类。还可剖分成T型钢供应，代号分别为TW、TM、TN。H型钢和
5、相应的T型钢的型号分别为代号后加“高度H宽度B腹板厚度t1翼缘厚度t2”，例如HW4004001321和TW2004001321等。宽翼缘和中翼缘H型钢可用于钢柱等受压构件，窄翼缘H型钢则适用于钢梁等受弯构件。目前国内生产的最大型号H型钢为HN7003001324。供货长度可与生产厂家协商，长度大于24m的H型钢不成捆交货。,断面收缩率是试样拉断后，颈缩处横断面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，也是拉伸试验提供的一个塑性指标。越大，塑性越好。在国家标准厚度方向性能钢板中，使用沿厚度方向的标准拉伸试件的断面收缩率来定义Z向钢的种类，如分别大于或等于15、25、35时，为Z15、Z25、Z35
6、钢。由单调拉伸试验还可以看出钢材的韧性好坏。韧性可以用材料破坏过程中单位体积吸收的总能量来衡量，包括弹性能和非弹性能两部分，其数值等于应力应变曲线下的总面积,2.3.3钢材的其它性能一、冷弯性能钢材的冷弯性能由冷弯试验确定。试验时，根据钢材的牌号和不同的板厚，按国家相关标准规定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲180，以试件表面和侧面不出现裂纹和分层为合格。冷弯试验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力的大小，还能显示其内部的冶金缺陷，因此是判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材，均应具有冷弯试验的合格保证。,二、冲击韧性由拉伸试验获得的韧性没有考
7、虑应力集中和动荷作用的影响，只能用来比较不同钢材在正常情况下的韧性好坏。冲击韧性也称缺口韧性是评定带有缺口的钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标，通常用带有夏比V型缺口的标准试件做冲击试验，以击断试件所消耗的冲击功大小来衡量钢材抵抗脆性破坏的能力。冲击韧性也叫冲击功，用aK或CV表示，单位为J/cm2,试验表明，钢材的冲击韧性值随温度的降低而降低，但不同牌号和质量等级钢材的降低规律又有很大的不同。因此，在寒冷地区承受动力作用的重要承重结构，应根据其工作温度和所用钢材牌号，对钢材提出相当温度下的冲击韧性指标的要求，以防脆性破坏发生,2.4各种因素对钢材主要性能的影响,2.4.1钢材的焊接性
8、能 钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响。当含碳量在0.120.20范围内时，碳素钢的焊接性能最好；含碳量超过上述范围时，焊缝及热影响区容易变脆。一般Q235A的含碳量较高，且含碳量不作为交货条件，因此这一牌号通常不能用于焊接构件。而Q235B、C、D的含碳量控制在上述的适宜范围之内，是适合焊接使用的普通碳素钢牌号。在高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响,2.4.3钢材的硬化钢材的硬化有三种情况：时效硬化（俗称老化）、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化。,在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒的滑动界面上，对晶
9、粒的塑性滑移起到遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化（也称老化）。在冷加工（或一次加载）使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象称为冷作硬化,2.4.4温度的影响,在150以内，钢材的强度、弹性模量和塑性均与常温相近，变化不大。但在250左右，抗拉强度有局部性提高，伸长率和断面收缩率均降至最低，出现了所谓的蓝脆现象（钢材表面氧化膜呈蓝色）。显然钢材的热加工应避开这一温度区段。在300以后，强度和弹性模量均开始显著下降，塑性显著上升，达到600时，强度几乎为零，塑性急剧上升，钢材处于热塑性状态。,当温度低于常温时，
10、随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆,2.4.5应力集中的影响 由拉伸试验所获得的钢材性能，只能反映钢材在标准试验条件下的性能，即应力均匀分布且是单向的。实际结构中不可避免的存在孔洞、槽口、截面突然改变以及钢材内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，由于主应力线在绕过孔口等缺陷时发生弯转，不仅在孔口边缘处会产生沿力作用方向的应力高峰，而且会在孔口附近产生垂直于力的作用方向的横向应力，甚至会产生三向拉应力!而且厚度越厚的钢板，在其缺口中心部位的三向拉应力也越大，这是因为在轴向拉力作用下，缺口中心沿板厚方向的收缩变形受到较大的限制，形成所谓平面应变状
11、态所致,应力集中的严重程度用应力集中系数衡量，高峰区的最大应力与静截面的平均应力之比称为应力集中系数。应力集中系数越大，变脆的倾向越严重。但由于建筑钢材塑性较好，在一定程度上能促使应力进行重分配，使应力分布严重不均匀的现象趋于平缓。故受静荷载作用的构件在常温下工作时，在计算中可不可虑应力集中的影响。但在负温下或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破坏的根源，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。,反复荷载作用,钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。在直接的连续反复的动力荷载作用下，根据试验，钢材的强度
12、将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度，这种现象称为钢的疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。,钢材的疲劳,疲劳验算中一些值得注意的问题(1)疲劳验算仍然采用容许应力设计方法，而不采用以概率理论为基础的设计方法。也就是说，采用标准荷载进行弹性分析求内力（并不采用任何动力系数），用容许应力幅作为疲劳强度。(2)规范中提出的疲劳强度是以试验为依据的，包含了外形变化和内在缺陷引起的应力集中，以及连接方式不同而引起的内应力的不利影响。,韩国汉城大桥疲劳破坏_工程案例_典型工程,故事概况1994年10月21日 韩国汉城汉江圣水大桥中段50米长的桥体像刀切一样地坠入江中。当时正值交通繁忙时
13、间，多架车辆掉进河里，其中包括一辆满载乘客的巴士，造成多人死亡。圣水大桥是横跨汉江的十七座桥梁之一，桥长1000m以上宽19.9m，由韩国最大的建筑公司之一东亚建设产业公司于1979年建成。,事故原因调查团经过5个多月的各种试验和研究，于次年4月2日提交了事故报告。用相同材料进行疲劳试验表明，圣水大桥支撑材料的疲劳寿命仅为12年，即12年后就会因疲劳而断裂。大型汽车在类似桥上反复行驶的试验也表明，这些支撑材料约在8.5年后开始损坏。而用这些材料制成的圣水大桥，加上施工缺陷的影响，在建成后69年就有坍塌的可能。实际上，圣水大桥的倒塌发生在建成15年，而不是以上所说的12年或8.5年，一方面是由于
14、桥墩上的覆盖物起着抗疲劳的作用，另一方面是由于桥墩里的六个支撑架并没有全部断裂，因此大桥的倒塌时间才得以推迟。,根据分析结果，事故原因主要有以下两个方面：东亚建筑公司没有按图纸施工，在施工中偷工减料，采用疲劳性能很差的劣质钢材。这是事故的直接原因。当时韩国“缩短工期第一”的政治、经济和社会环境以及汉城市政当局在交通管理上的疏漏，也是导致大桥倒塌的重要原因。圣水大桥设计负荷限量为建成后随着交通流量的逐年增加，经常超负荷运行，倒塌时负荷,(3)理论和试验均证明，只要在构件和连接中存在高达屈服点的残余拉应力，即使在完全的循环压应力作用下，当其幅值超过容许应力幅时也会产生裂纹，但裂纹产生同时，残余拉应
15、力会获得充分的释放，此后在循环压应力环境下，裂纹会自动停止，不继续扩展。例如当轨道和轮压偏心很小，在梁的平面外不出现弯曲应力时，即使焊接吊车梁的受压翼缘部位（包括焊缝及其附近的腹板）出现了裂纹，也不会因此而丧失承载力。所以规范规定，在应力循环中不出现拉应力的部位可不必计算疲劳。,(4)由于规范推荐钢种的静力强度对焊接构件和连接的疲劳强度无显著影响，故可以认为，疲劳容许应力幅与钢种无关。决定局部应力状态的构造细节是控制疲劳强度的关键因素，因此在进行构造设计、加工制造和质量控制等过程中，要特别注意构造合理，措施得当，以便最大限度地减少应力集中和残余应力，使构件或连接的分类序号尽量靠前，达到改善工作
16、性能，提高疲劳强度，节约钢材,刚才的种类和钢材规格,建筑用钢的种类我国的建筑用钢主要为碳素结构钢和低合金高强度结构钢两种，优质碳素结构钢在冷拔碳素钢丝和连接用紧固件中也有应用,Q235钢含碳量小于0.22%，属于低碳钢。钢材的强度适中，塑性、韧性均较好。该牌号钢材又根据化学成分和冲击韧性的不同划分为A、B、C、D共4个质量等级，按字母顺序由A到D，表示质量等级由低到高。除A级外，其它三个级别的含碳量均在0.20以下，焊接性能也很好。因此，规范将Q235牌号的钢材选为承重结构用钢,低合金高强度结构钢这些钢的含碳量均不大于0.22%，强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，合金元素的总量低于
17、5，故称为低合金高强度钢。其中Q345、Q390和Q420均按化学成分和冲击韧性各划分为A、B、C、D、E共5个质量等级，字母顺序越靠后的钢材质量越高。这三种牌号的钢材均有较高的强度和较好的塑性、韧性、焊接性能，被规范选为承重结构用钢。这三种低合金高强度钢的牌号命名与碳素结构钢的类似，只是前者的A、B级为镇静钢，C、D、E级为特种镇静钢，故可不加脱氧方法的符号,钢材选用原则和建议 钢材的选用既要确保结构物的安全可靠，又要经济合理，必须慎重对待。为了保证承重结构的承载能力，防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、连接方法、工作环境、应力状态和钢材厚度等因素综合考虑，选用合适牌
18、号和质量等级的钢材。,钢材规格钢结构所用钢材主要为热轧成型的钢板和型钢，以及冷加工成型的冷轧薄钢板和冷弯薄壁型钢等,一、钢板钢板有厚钢板、薄钢板、扁钢（或带钢）之分。厚钢板常用做大型梁、柱等实腹式构件的翼缘和腹板，以及节点板等；薄钢板主要用来制造冷弯薄壁型钢；扁钢可用做焊接组合梁、柱的翼缘板、各种连接板、加劲肋等，钢板截面的表示方法为在符号“”后加“宽度厚度”，如20020等。,钢板的供应规格如下：厚钢板：厚度4.560mm，宽度6003000mm，长度412m；薄钢板：厚度0.354mm，宽度5001500mm，长度0.54m；扁钢：厚度460mm，宽度12200mm，长度39m。,二、热轧
19、型钢常用的有角钢、工字钢、槽钢等，见图角钢分为等边（也叫等肢）的和不等边（也叫不等肢）的两种，主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件。角钢型号的表示方法为在符号“L”后加“长边宽短边宽厚度”（对不等边角钢，如L125808），或加“边长厚度”（对等边角钢，如L1258）。目前我国生产的角钢最大边长为200mm，角钢的供应长度一般为419m。,工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和H型钢三种。普通工字钢和轻型工字钢的两个主轴方向的惯性矩相差较大，不宜单独用作受压构件，而宜用作腹板平面内受弯的构件，或由工字钢和其它型钢组成的组合构件或格构式构件。宽翼缘H型钢平面内外的回转半径较接近，可单独用
20、作受压构件。,普通工字钢的型号用符号“I”后加截面高度的厘米数来表示，20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为a、b或a、b、c等类别，例如I20a表示高度为200mm，腹板厚度为a类的工字钢。轻型工字钢的翼缘要比普通工字钢的翼缘宽而薄，回转半径较大。普通工字钢的型号为1063号，轻型工字钢为1070号，供应长度均为519m。,H型钢与普通工字钢相比，其翼缘板的内外表面平行，便于与其它构件连接。H型钢的基本类型可分为宽翼缘（HW）、中翼缘（HM）及窄翼缘（HN）三类。还可剖分成T型钢供应，代号分别为TW、TM、TN。,H型钢和相应的T型钢的型号分别为代号后加“高度H宽度B腹板厚度t1翼缘厚
21、度t2”，例如HW4004001321和TW2004001321等。宽翼缘和中翼缘H型钢可用于钢柱等受压构件，窄翼缘H型钢则适用于钢梁等受弯构件。目前国内生产的最大型号H型钢为HN7003001324。供货长度可与生产厂家协商，长度大于24m的H型钢不成捆交货。,槽钢有普通槽钢和轻型槽钢二种。适于作檩条等双向受弯的构件，也可用其组成组合或格构式构件。槽钢的型号与工字钢相似，例如32a指截面高度320mm，腹板较薄的槽钢。目前国内生产的最大型号为40c。供货长度为519m。,钢管有无缝钢管和焊接钢管两种。由于回转半径较大，常用作桁架、网架、网壳等平面和空间格构式结构的杆件；在钢管混凝土柱中也有广泛的应用。型号可用代号“D”后加“外径d壁厚t”表示，如D1808等。国产热轧无缝钢管的最大外径可达630mm。供货长度为312m。焊接钢管的外径可以做的更大，一般由施工单位卷制。,
