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1、第2章 钢结构用钢材,2.1 钢材的基本要求和主要性能2.1.1 建筑钢材的基本要求用于建筑的钢材，在性能方面要求具有较高的强度、较好的塑性及韧性，以及良好的加工性能。对于焊接结构还要求可焊性良好。在低温下工作的结构，要求钢材在低温下也能保持较好的韧性。在易受大气侵蚀的露天环境下工作的结构，或在有害,介质侵蚀的环境下工作的结构，要求钢材具有较好的抗锈能力。2.1.2 钢材的拉伸试验1)弹性阶段图2.1中OB段，应力与应变呈线性关系,=E；该段称弹性阶段，B点的应力p称为比例极限，亦称弹性极限；E为该直线段的斜率，为钢材的弹性模量，E=2.06105 N/mm2。2)弹塑性阶段图2.1中BC段，
2、应力与应变呈曲线关系，表明应变的增长比应力快，切线模量，曲线上任一点的切线斜率，随应变增,加而降低。钢材的变形包括卸荷后可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形两部分。,图2.1 钢材的拉伸试验(a)有明显屈服点的钢材料材(b)没有明显屈服点的钢材 弹性阶段 弹塑性阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩阶段,3)屈服阶段4)强化阶段5)颈缩阶段2.1.3 钢材的强度2.1.4 钢材的塑性钢材的伸长率是反映钢材塑性的指标,是以试件拉断后，标距长度的伸长量(l1-l0)与原标距长度l0的比值百分数表达,即,横截面的收缩率是塑性性能的另一指标，是指横截面面积缩小值(A0-A1)与原截面面积A0比值的百分率，即,
3、2.1.5 钢材的冷弯性能钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时,对产生裂纹的抵抗能力的一项指标。图2.2是冷弯试验示意图。,图2.2 钢材冷弯试验示意图,2.1.6 冲击韧度钢材的冲击韧度是衡量钢材在冲击荷载作用下,抵抗脆性断裂的能力的一项力学性能指标。我国规定钢材的冲击韧性按V形试件冲击功Axv确定如图2.3所示。对于碳素结构钢(国家标准GB 7001988)Q235 A级钢不做冲击试验；Q235 B、-C、D级钢，分别要求20、0，-20 的冲击功AKV27J。,图2.3 钢材冲击韧性试验示意图,2.1.7 焊接性能钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，获得性能良好的
4、焊接接头。,2.2 影响钢材性能的主要因素2.2.1 化学成分的影响钢的基本元素是铁(Fe)，普通碳素钢中w(Fe)=99，其余为碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)；有害元素尚有硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)等。合金钢中还需掺入一定数量的铬、镍、铜、钒、钛、铌等元素以改善钢的力学性能。2.2.2 冶炼、浇注和轧制过程的影响钢因冶炼后浇注工艺过程和脱氧程度的不同而分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。,用于某些特殊用途的钢材，在轧制后还常经过热处理进行调质，以改善钢材性能。2.2.3 残余应力的影响热轧型钢在冷却过程中，在截面尖角、边缘及薄细部位，率先冷却，其他部位渐次冷却，先冷却部位约束阻止后冷
5、却部位的自由收缩，产生复杂的热轧残余应力分布。不同形状和尺寸规格的型钢残余应力分布不同。钢材经过气割或焊接后，由于不均匀的加热和冷却，也将引起残余应力。,钢材中残余应力的特点是应力自相平衡且与外荷载无关。此外残余应力与外荷载应力叠加常常产生二向或三向应力，将使钢材抗冲击断裂能力及抗疲劳破坏能力降低。尤其是低温下受冲击荷载的结构，残余应力存在更容易引起低工作应力状态下的脆性断裂。对钢材进行“退火”热处理，在一定程度上可以消除一些残余应力。2.2.4 应力集中的影响钢结构的钢材存在孔洞、槽口、凹角裂纹、,厚度变化、形状变化及内部缺陷等构造缺陷，钢材中的应力在缺陷区域的某些部位将出现局部高峰应力,而
6、其他部位出现应力降低，这种在较小区域内应力突然增高的现象称为应力集中。应力集中的高低取决于构件截面改变的急剧程度，如槽孔尖端处的应力集中较圆孔边的应力集中大得多。2.2.5 温度影响温度在100 以上时总的趋势是强度降低，塑性增大；达250 左右时，钢材的抗拉强,度fu略有提高,塑性和冲击韧性降低，钢材呈脆性破坏特征，这种现象称为“蓝脆”，在此区域加工易产生裂纹。温度在250350 时，钢材强度开始显著下降,钢材将产生徐变现象；当温度超过400 时，强度和弹性模量都急剧降低；达600 时，其承载能力几乎丧尽。2.2.6 钢材的冷作硬化和时效钢材在冷加工过程中使钢材产生很大的塑性变形甚至断裂，再
7、重新加荷时将使屈服点提高，但使塑性和韧性降低这种现象称为冷,作硬化或应变硬化。时效硬化是指钢材仅随时间增长而变脆的现象，冷作硬化的钢材，同时伴生着时效硬化，故称为应变时效硬化。2.2.7 钢材的防护1)钢材脆性断裂的预防2)钢结构的防火保护3)钢结构防腐蚀措施,2.3 钢材的种类、规格与选用2.3.1 钢材的种类钢材的种类或称钢种，按用途可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢等；按化学成分可分为碳素钢和合金钢，碳素钢按含碳量又分为低碳钢(w(C)0.25)、中碳钢(0.250.6)，以及熟铁(w(C)0.06)、生铁或铸铁(w(C)2)。,1)碳素结构钢我国颁布的“碳素结构钢”(GB7001988)
8、，将专用于结构的普通碳素钢共分为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五种。2)低合金结构钢我国颁布的“低合金高强度结构钢”(GBT15911994)将低合金高强度结构钢按屈服点数值分为五个牌号：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。,低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时加一种或几种适量的合金元素而炼成的钢种，可提高强度、冲击韧性、耐腐蚀性又不太降低塑性。3)专用结构钢特殊用途的专用结构钢是在碳素结构钢或低合金结构钢的基础上冶炼而成，其有害元素含量低、晶粒细、组织致密、机械性能的附加保证项目较多，因而质量更高、检验更严密，一般用于桥梁、船舶、压力容器和锅炉等特殊用途的钢结构中
9、。,钢结构连接中铆钉、高强度螺栓、焊条用钢等，也是属于专用结构钢。4)Z向钢和耐候钢2.3.2 钢材的规格钢结构采用的钢材主要为热轧成型的钢板和型钢，以及冷变成型的薄壁型钢(图2.4)。1)热轧钢板2)热轧型钢常用形式有角钢、工字钢和槽钢，如图2.4(a)所示。,角钢：工字钢：槽钢：可分为普通和轻型两种。钢管：3)冷弯薄壁型钢4)压型钢板,图2.4 钢材的规格（a）常用热扎型钢（b）冷弯薄壁型钢和压型钢板,2.3.3 钢材的选用和保证项目(1)选用的原则 1)结构的重要性。2)荷载特性。3)连接方式。4)结构工作的温度环境。5)钢材厚度。(2)钢结构对钢材的要求 1)较高的强度。2)足够的变形
10、能力。,3)良好的加工性能。(3)钢材的选用和保证项目 1)建筑结构钢材的选用。选用时应考虑下列情况并依据工程实际情况参照表2.1选用。一般结构多选用碳素结构钢Q235F；大跨度或荷载重，尤其是低温工作环境，以及承受较大动力荷载的结构，宜采用强度高，冲击韧性好的低合金钢Q345或Q390钢。若动力荷载很大时可选用16Mnq或15MnVq钢。,平炉钢和氧气转炉钢两者质量相当，订货和设计时不加区别，由钢厂决定。钢材出厂最少应具有fy、fu、5三项力学性能和硫、磷含量两项化学成分的合格保证；焊接结构还应有碳含量的合格保证。对于较大跨度的桁架、柱、托架等构件，承受直接动力荷载的桥式起重机梁、储罐等钢材还要有冷弯试验的合格保证。对于重级工作制桥式起重机和起重量大于50 t的中级工作制桥式起重机的桥式起重机,梁或类似构件，应具有常温(20)冲击韧性的合格保证。2)结构钢材的实际供应与选用。普通碳素钢材的选用和保证项目如下：低合金钢的选用和保证项目如下述：(4)钢材的技术标准国家标准中规定了各种钢号钢材的技术标准，包括力学性能和化学成分的各项指标作为钢材出厂的合格与否的标准限值。每批钢材作规定数量的各种试验，达不到限值标准即为整批不合格。这些标准限值有时称为废品极限值。,
