钢结构第二章

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第2章
主要内容：主要内容：
钢结构的材料
对钢结构用材的要求钢材的主要性能及其鉴定影响钢材性能的因素钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加载建筑钢材的类别及钢材的选用
重点：重点：
对钢结构用材的要求建筑钢材的类别及钢材的选用
2.1 对钢结构用材的要求
较高的强度。即抗拉强度和屈服点f 比较高。较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点 y比较高。足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀包括大气锈蚀)以及重复荷载适应低温、有害介质侵蚀包括大气锈蚀以及重复荷载作用等的性能。作用等的性能。容易生产，价格便宜。容易生产，价格便宜。
《钢结构设计规范》(GB50017—2002)推荐的普钢结构设计规范》推荐的普通碳素结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢通碳素结构钢钢和低合金高强度结构钢 Q345、Q390及Q420是符合上述要求的。、及是符合上述要求的。是符合上述要求的选用GB50017规范还未推荐的钢材时，需有可靠规范还未推荐的钢材时，选用规范还未推荐的钢材时依据。以确保钢结构的质量。依据。以确保钢结构的质量。
2.2 钢材的主要性能及其鉴定
2.2.1 单向拉伸时的工作性能
条件：常温、静载条件下一次拉伸
钢材的一次拉伸应力－图2.1 钢材的一次拉伸应力－应变曲线
1.比例极限σP 比例极限σ 比例极限这是应力-应变图中直线段的最大应力值应变图中直线段的最大应力值。这是应力应变图中直线段的最大应力值。严格地说，略高处还有弹性极限，但弹性极限与σ 地说，比σ P略高处还有弹性极限，但弹性极限与σ 极其接近，所以通常略去弹性极限的点， P极其接近，所以通常略去弹性极限的点，把σ P看做是弹性极限。做是弹性极限。 2.屈服点σy 屈服点σ 屈服点应变ε 之后不再与应力成正比，应变ε在σP之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应力-应变间成曲线关系一直到屈服点。应变间成曲线关系，加大，应力应变间成曲线关系，一直到屈服点。 3.抗拉强度σu 抗拉强度σ 抗拉强度屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，但相对地说·应变增加得快应变增加得快，但相对地说应变增加得快，呈现

曲线关系直到最高点。
4.伸长率δ5和δ10 伸长率δ 伸长率伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度的五倍或十倍为标定长度，分比。取圆形试件直径的五倍或十倍为标定长度，其表示，相应的伸长率用δ 相应的伸长率用δ5和δ10表示，伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。结构制造时，有的塑性变形的能力。结构制造时，这种能力使材料经受剪切、冲压、受剪切、冲压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。损坏。屈服点、抗拉强度和伸长率，屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设学性能指标。计规范对这三项力学性能指标的要求。计规范对这三项力学性能指标的要求。
屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，其意义是：屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，其意义是： 1．作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。应．作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。力达到σ 时的应变与σ 时的应变较接近，力达到σy时的应变与σP时的应变较接近，可以认为应力达到σ 时为弹性变形的终点。同时，达到σ 达到σy时为弹性变形的终点。同时，达到σy 后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加，大的应变范围内应力不会继续增加，表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力，故此以σ 继续承担更大荷载的能力，故此以σy作为弹性计算时强度的标准。度的标准。 2．形成理想弹塑性体的模型，为发展钢结构计算理论提．形成理想弹塑性体的模型，供基础。 σy之前，钢材近于理想弹性体， σy之后，塑供基础。之前，钢材近于理想弹性体，之后，性应变范围很大而应力保持不增长，所以接近理想塑性性应变范围很大而应力保持不增长，因此，体。因此，可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的应力-应变模型钢结构设计规范对塑性设计的规定，应变模型。应力应变模型。钢结构设计规范对塑性设计的规定，就以材料是理想弹塑性体的假设为依据，就以材料是理想弹塑性体的假设为依据，忽略了应变硬化的有利作用。化的有利作用。
2.2.2 冷弯性能
根据试样厚度，根据试样厚度，按规定的弯心直径将试样弯曲180度，其表面及侧无径将试样弯曲度裂纹或分层则为“冷弯试验合格” 裂纹或分层则为“冷弯试验合格”。冷弯试验合格” “冷弯试验合格”一方面同伸长率符合规定一样，合规定一样，表示材料塑性变形能力符合要求，符合要求，

另一方面表示钢材的冶金质量(颗粒结晶及非金属夹杂分布颗粒结晶及非金属夹杂分布，质量颗粒结晶及非金属夹杂分布，甚至在一定程度上包括可焊性)符合甚至在一定程度上包括可焊性符合要求，因此，要求，因此，冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。性变形能力及冶金质量的综合指标。重要结构中需要有良好的冷热加工的工艺性能时，工艺性能时，应有冷弯试验合格保证。图2.2 钢材的冷弯试验
2.2.3 冲击韧性
与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度。钢材断裂时吸收机械能能力的量度。吸收较多能量才断裂的钢材，是韧性好的钢材。裂的钢材，是韧性好的钢材。钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量，下断裂时所吸收的能量，用单位体积吸收的能量来表示其值等于应力-应变曲线下的面积塑性好的钢材，应变曲线下的面积。，其值等于应力应变曲线下的面积。塑性好的钢材，其应力-应变曲线下的面积大所以韧性值大。然而，应变曲线下的面积大，应力应变曲线下的面积大，所以韧性值大。然而，实际工作中，不用上述方法来衡量钢材的韧性，工作中，不用上述方法来衡量钢材的韧性，而用冲击韧性衡量钢材抗脆断的性能，性衡量钢材抗脆断的性能，因为实际结构中脆性断裂并不发生在单向受拉的地方，不发生在单向受拉的地方，而总是发生在有缺口高峰应力的地方，在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力力的地方，状态。状态。
缺口韧性值受温度影响，缺口韧性值受温度影响，温度低于某值时将急剧降低设计处于不同环境温度的重要结构，。设计处于不同环境温度的重要结构，尤其是受动载作用的结构时，的结构时，要根据相应的环境温度对应提出冲击韧性的保证要求。证要求。
图2.4 钢材的冲击试验
2.2.4 可焊性
与可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无与可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的无裂纹的)焊缝的性能焊缝的性能。裂纹的焊缝的性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12％~0.20％范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量量在％％范围内的碳素钢，可焊性最好。再高可使焊缝和热影响区变脆。再高可使焊缝和热影响区变脆。
2.2.5 钢材性能的鉴定
根据《钢结构工程施工质量验收规范》根据《钢结构工程施工质量验收规范》 (GB502052001)的

规定，对进入钢结构工程实施现场的主要材料需的规定，的规定进行进场验收，即检查钢材的质量合格证明文件、进行进场验收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报告，确认钢材的品种、规格、识及检验报告，确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求。行国家标准和设计要求。
2.3 影响钢材性能的因素
2.3.1 化学成分的影响
钢是含碳量小于2％的铁碳合金，碳大于％钢是含碳量小于％的铁碳合金，碳大于2％时则为铸铁。铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。及低合金结构钢。碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99％，碳及杂质元素约占1％。低合金结构钢中，％，碳及杂质元素约占％。低合金结构钢中约占％，碳及杂质元素约占％。低合金结构钢中，除上述元素外还加入合金元素，后者总量通常不超过3 除上述元素外还加入合金元素，后者总量通常不超过％。碳及其他元素虽然所占比重不大碳及其他元素虽然所占比重不大，％。碳及其他元素虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响。有重要影响。
碳（C））碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢材强度的主要因素，随着含碳量的增加，钢材强度提高，度的主要因素，随着含碳量的增加，钢材强度提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于一般不应超过，对焊接结构应低于0.2%。。锰（Mn））锰是一种弱脱氧剂，锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为 0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为，在低合金钢中一般为1.0%-1.7%。。
硅（Si））硅是一种强脱氧剂，硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强而对塑性、韧性、度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧抗锈蚀性和可焊性。性、抗锈蚀性和可焊性。钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti) 、、钒、铌、钛都能使钢材晶粒细

化。我国的低合钛都能使钢材晶粒细化。金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。
铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni) 、、铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和镍是提高钢材强度的合金元素，用于钢和 Q420钢。钢硫（S））硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热因此，钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊脆。因此，钢材中硫的含量不得超过，接结构中不超过0.045%。接结构中不超过。
磷(P) 磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。提高钢的强度和抗锈蚀能力。氧(O)、氮(N) 、氧和氮也是有害杂质，氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。氮能使钢冷脆，与磷相似。
2.3.2 成材过程的影响
1．冶炼．钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢。炼钢、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢。在建筑钢结构主要使用氧气顶吹转炉生产的钢材。中，主要使用氧气顶吹转炉生产的钢材。目前氧气顶吹转炉钢的质量，由于生产技术的提高，吹转炉钢的质量，由于生产技术的提高，已不低于平炉钢的质量。炉钢的质量。冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量、冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量、钢的金相组织结构，不可避免地存在冶金缺陷，的金相组织结构，不可避免地存在冶金缺陷，从而确定不同的钢种、钢号及其相应的力学性能。定不同的钢种、钢号及其相应的力学性能。
2.3.2 成材过程的影响
2．浇铸．把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯有两种方一种是

浇入铸模做成钢锭，法，一种是浇入铸模做成钢锭，另一种是浇入连续浇铸机做成钢坯。续浇铸机做成钢坯。铸锭过程中因脱氧程度不同最终成为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。，最终成为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。钢在冶炼及浇铸过程中会不可避免地产生冶金缺陷。常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、金缺陷。常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等等。气孔及裂纹等等。这些缺陷都将影响钢的力学性能。
2.3.2 成材过程的影响
3．轧制．钢材的轧制能使金属的晶粒变细，钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气裂纹等焊合，因而改善了钢材的力学性能。泡、裂纹等焊合，因而改善了钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高、薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高、浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，所以分层是钢材(尤其是厚板的一种缺陷。尤其是厚板)的一种缺陷以分层是钢材尤其是厚板的一种缺陷。设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况，应尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止层间撕裂（向钢向钢）。撕裂（Z向钢）。
2.3.2 成材过程的影响
4．热处理．热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。正火属于最简单的热处理：的塑性和韧性。正火属于最简单的热处理：把钢材加热至 850~900 oC并保持一段时间后在空气中自然冷却，即为正并保持一段时间后在空气中自然冷却，并保持一段时间后在空气中自然冷却火。如果钢材在终止轧制时温度正好控制在上述温度范围可得到正火的效果，称为控轧。，可得到正火的效果，称为控轧。回火是将钢材重新加热并保温一段时间，至650 oC并保温一段时间，然后在空气中自然冷却。淬火并保温一段时间然后在空气中自然冷却。以上，加回火也称调质处理，淬火是把钢材加热至900 oC以上，加回火也称调质处理，淬火是把钢材加热至以上保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却。保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却。强度很高的钢材，包括高强度螺栓的材料都要经过调质处理。钢材，包括高强度螺栓的材料都要经过调质处理。
2.3.3 影响钢材性能的其它因素
1.冷加工硬化应变硬化冷加工硬化(应变硬化冷加工硬化应变硬化) 在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等加工使钢材产生很大塑性变形，切等加工使钢材产生很大塑性变形，由于减小了塑性和

韧性性能，普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度。重性性能，普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度。要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去。要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去。用作冷弯薄壁型钢结构的冷弯型钢，用作冷弯薄壁型钢结构的冷弯型钢，是由钢板或钢带经冷轧成型的，经冷轧成型的，也有的是经压力机模压成型或在弯板机上弯曲成型的。由于这个原因，弯曲成型的。由于这个原因，薄壁型钢结构设计中允许利用因局部冷加工而提高的强度。用因局部冷加工而提高的强度。
此外，此外，还有性质类似的时效硬化与应变时效。变时效。时效硬化指钢材仅随时间的增长而转脆，而转脆，应变时效指应变硬化又加时效硬化由于这些是使钢材转脆的性质，转脆的性质，所以有些重要结构要求对钢材进行人工时效，材进行人工时效，然后测定其冲击韧性，后测定其冲击韧性，以保证结构具有长期的抗脆性破坏能力。的抗脆性破坏能力。
图2.5 钢材的硬化
2.温度的影响温度的影响钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能钢材对温度相当敏感，发生变化。相比之下，低温性能更重要。发生变化。相比之下，低温性能更重要。正温范围总的趋势是随着温度的升高，正温范围总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低变形增大。约在200oC以内钢材性能没有很大变化，以内钢材性能没有很大变化，，变形增大。约在以内钢材性能没有很大变化 430-540oC之间则强度 y与fu)急剧下降；到600oC时强度很之间则强度(f 急剧下降；之间则强度急剧下降时强度很 C附近有兰脆现象，低不能承担荷载。此外，250oC附近有兰脆现象，约260低不能承担荷载。此外，附近有兰脆现象 320oC时有徐变现象。时有徐变现象。时有徐变现象兰脆现象指温度在250oC左右的区间内，fu有局部性提左右的区间内，兰脆现象指温度在左右的区间内也有回升现象，同时塑性有所降低，高，fy也有回升现象，同时塑性有所降低，材料有转脆倾向。在兰脆区进行热加工，可能引起裂纹。徐变现象指在在兰脆区进行热加工，可能引起裂纹。应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现设计时以规定150oC为适宜，超过之后结构表面即需为适宜，象。设计时以规定为适宜加设隔热保护层。加设隔热保护层。
图2.6 高温对钢材性能的影响
负温范围 fy与fu都增高但塑性变形能力减因而材料转脆，小，因而材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。材料由韧性破坏转到脆性破坏叫该种钢

材的转变温度，的转变温度，在结构设计中要求避免完全脆性破坏，破坏，所以结构所处温度应大于脆性转变温度。
值随温度T的变化图2.7 Cv值随温度的变化
3.应力集中应力集中当截面完整性遭到破坏，如有裂纹内部的或当截面完整性遭到破坏，如有裂纹(内部的或表面的)、孔洞、刻槽、表面的、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突然改变时，宽度突然改变时，构件中的应力分布将变得很不均匀。在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、均匀。在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力。孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力。这是因为材料的某一点在x方向伸长的同时方向伸长的同时，是因为材料的某一点在方向伸长的同时，在y方方横向)将要收缩向(横向将要收缩，当板厚较大时还将引起方向横向将要收缩，当板厚较大时还将引起z方向收缩。收缩。
由力学知识知道，由力学知识知道，三向同号应力且各应力数值接近时，材料不易屈服。接近时，材料不易屈服。当为数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。没有塑性变形的断裂是脆性断裂。所以，是脆性断裂。所以，三向应力的应力状态，应力的应力状态，使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束，发展受到很大约束，材料容易脆性破坏。因此，容易脆性破坏。因此，对于厚钢材应该要求更高的韧性。韧性。
孔洞、图2.8 孔洞、缺口处的应力集中
2.4 钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加载的效应
2.4.1 延性破坏和非延性破坏
有屈服现象的钢材或者虽然没有明显屈服现象而能发生较大塑性变形的钢材，一般属于塑性材料。较大塑性变形的钢材，一般属于塑性材料。没有屈服现象或塑性变形能力很小的钢材，则属于脆性材料。塑性变形能力很小的钢材，则属于脆性材料。塑性材料是指由于材料原始性能以及在常温、塑性材料是指由于材料原始性能以及在常温、静载并一次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料。次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料。然而一种钢材具有塑性变形能力的大小，然而一种钢材具有塑性变形能力的大小，不仅取决于钢材原始的化学成分，熔炼与轧制条件，始的化学成分，熔炼与轧制条件，也取决于后来所处的工作条件。即使原来塑性表现极好的钢材，改变了工作条件，条件。即使原

来塑性表现极好的钢材，改变了工作条件，如在很低的温度之下受冲击作用，也完全可能呈现脆性破坏。在很低的温度之下受冲击作用，也完全可能呈现脆性破坏。所以，严格地说，不宜把钢材划分为塑性和脆性材料，所以，严格地说，不宜把钢材划分为塑性和脆性材料，而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。
2.4.2 循环荷载的效应
1．疲劳断裂的概念．疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。断口可能贯穿于母材，展直至断裂的脆性破坏。断口可能贯穿于母材，可能贯穿于连接焊缝，也可能贯穿于母材及焊缝。穿于连接焊缝，也可能贯穿于母材及焊缝。出现疲劳断裂时，出现疲劳断裂时，截面上的应力低于材料的抗拉强甚至低于屈服强度。同时，疲劳破坏属于脆性破坏，度，甚至低于屈服强度。同时，疲劳破坏属于脆性破坏，塑性变形极小，因此是一种没有明显变形的突然破坏，塑性变形极小，因此是一种没有明显变形的突然破坏，危险性较大。危险性较大。
2.4.2 循环荷载的效应
疲劳破坏的构件断口上面一部分呈现半椭圆形光滑区，光滑区，其余部分则为粗糙区（如图 2-9 )。。
图2.9 断口示意 1－光滑区；2－粗糙区－光滑区；－
应力循环特性常用应力比值来表示，应力循环特性常用应力比值来表示，以拉应力为正值。连续重复荷载之下应力往复变化一周叫做正值。一个循环。一个循环。
完全对称循环( 完全对称循环 ρ ＝-1)
静荷载作用( 静荷载作用 ρ ＝+1)
脉冲循环( 一般应力循环(-1<ρ<+1) 脉冲循环 ρ ＝0) 一般应力循环为应力幅，表示应力变化的幅度。总为正值。为应力幅，表示应力变化的幅度。总为正值。
2 ． △σ - n 曲线
根据试验数据可以画出构件或连接的应力幅 △σ 。与相应的致的关系曲线（）。这种曲线是疲劳验算的基础这种曲线是疲劳验算的基础。损循环次数 n 的关系曲线（图a ）。这种曲线是疲劳验算的基础。致损循环次数也叫做疲劳寿命。致损循环次数也叫做疲劳寿命。目前国内外都常用双对数坐标轴的方法使曲线改为直线以便于分析（）。在双对数坐标图中疲劳方程就是直线式（在双对数坐标图中，分析（图b ）。在双对数坐标图中，疲劳方程就是直线式（图中实直线）直线）
图2.10 σ - n 曲线
3．疲劳验算及容许应力幅．直接受到重复荷载作用的构件，如吊车梁、桥梁、直接受到重复荷载作用的构件，如吊车梁、桥梁、输送栈桥和某些

工作平台梁等以及它们的连接，桥和某些工作平台梁等以及它们的连接，当应力循环次数 n > 50000时应进行疲劳验算。疲劳验算我国采用容许应力法时应进行疲劳验算。时应进行疲劳验算。永久荷载所产生的应力为不变值，没有应力幅。永久荷载所产生的应力为不变值，没有应力幅。应力幅只由重复作用的可变荷载产生，所以疲劳验算按可变荷载标准值由重复作用的可变荷载产生，所以疲劳验算按可变荷载标准值进行。荷载计算中不乘以吊车动力系数，进行。荷载计算中不乘以吊车动力系数，常幅疲劳按下式进行验算。验算。
式中 △σ——对焊接结构为应力幅对焊接结构为应力幅 △σ＝σmax-σmin；对非焊接部位为 σ 折算应力幅 △σ＝σmax-0.7σmin ，应 σ 力以拉为正，压为负； △ 力以拉为正，压为负； [△σ] —— 常幅疲劳的容许应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。式中C，系数。式中，β——系数。焊接结系数构中各种不同的构造细部使疲劳强度不同程度地降低，劳强度不同程度地降低，详见第 8 章。
4．变幅疲劳与弹塑性应力循环．变幅疲劳与弹塑性应力循环实际结构大部分承受的是变幅循环应力作用，实际结构大部分承受的是变幅循环应力作用，即每次循环的应力幅水平不是都达到最大值，而是欠载状态的变幅疲劳。的应力幅水平不是都达到最大值，而是欠载状态的变幅疲劳。变幅循环应力的合理验算方法是，变幅循环应力的合理验算方法是，将变幅应力谱按各应力幅出现的概率，根据线性累积损伤原理，幅出现的概率，根据线性累积损伤原理，找出应力幅为常数的等效应力幅，再按常幅疲劳验算。等效应力幅，再按常幅疲劳验算。钢构件在强烈地震作用下，会出现弹塑性应力循环。钢构件在强烈地震作用下，会出现弹塑性应力循环。其性能由应力应变滞回曲线来考察。能由应力应变滞回曲线来考察。不涉及应力集中的钢构件滞回环丰满而稳定，具有良好的耗散地震能量的能力。环丰满而稳定，具有良好的耗散地震能量的能力。滞回曲线所围成的面积对应于结构的滞回耗能，滞回曲线所围成的面积对应于结构的滞回耗能，其为能量的指标，量的指标，也就是结构抵抗地震的能力可采用能量的指标来判断其安全性。一般而言，断其安全性。一般而言，只要结构的滞回耗能能力大于地震动输入结构的地震能量，结构就是安全的。输入结构的地震能量，结构就是安全的。这对于以往基于力和位移的结构设计方法是一个重大补充和发展。位移的结构设计方法是一个重大补充和发展。
2.4.3 快速

加荷效应
快速加荷使钢材的屈服点和抗拉强度提高，快速加荷使钢材的屈服点和抗拉强度提高，而钢厂在做钢材拉伸试验时往往加荷比较快，致使所得f 在做钢材拉伸试验时往往加荷比较快，致使所得 y、fu偏快速加荷的不利效应在于影响能量吸收的能力，高。快速加荷的不利效应在于影响能量吸收的能力，图 211 给出三条不同加荷速率下的断裂能量一温度关系曲线。给出三条不同加荷速率下的断裂能量一温度关系曲线。从图可以看出，随着加荷速率的减小，曲线向温度较低的从图可以看出，随着加荷速率的减小，方向移动。有些结构的钢材在工作温度下冲击韧性值很低，方向移动。有些结构的钢材在工作温度下冲击韧性值很低，但仍然保持完好，就可以由加荷速率很慢来说明。但仍然保持完好，就可以由加荷速率很慢来说明。对于同一冲击韧性的材料，当设计承受动力荷载时，一冲击韧性的材料，当设计承受动力荷载时，允许最低的使用温度要比承受静力荷载高的多。使用温度要比承受静力荷载高的多。
2.4.3 快速加荷效应
图2.11 断裂吸收能量随温度的变化图2.12 加荷速度对断裂韧性的影响
2.5 建筑钢材的类别及钢材的选用
2.5.1 建筑钢材的类别
1 ．碳素结构钢碳素结构钢的牌号（简称钢号）碳素结构钢的牌号（简称钢号）有 Q195 ，Q215A、、 B，Q235A 、 B 、 C 及 D , Q255A、B和Q275 。其中的，、和 Q 是屈服强度中屈字汉语拼音的字首，后接的阿拉伯字表是屈服强度中屈字汉语拼音的字首，为单位屈服强度的大小，示以 N / mm2为单位屈服强度的大小， A 、 B 、 C 或 D 等表示按质量划分的级别。等表示按质量划分的级别。最后还有一个表示脱氧方法的符号如 F ,Z或 b 。从 Q195 到 Q275 ，是按强度由低到高或排列的；钢材强度主要由其中碳元素含量的多少来决定，排列的；钢材强度主要由其中碳元素含量的多少来决定，但与其他一些元素的含量也有关系。所以，但与其他一些元素的含量也有关系。所以，钢号的由低到高在较大程度上代表了含碳量的由低到高。高在较大程度上代表了含碳量的由低到高。
2 ．低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素使钢的强度明显提高，种合金元素使钢的强度明显提高，故称低合金高强度结构钢。Q345 、 Q39O 和 Q420 是钢结构设计规范规定采用的钢种。其符号的含义和碳素结构钢牌号的含义相同。的钢种。其符号的含义和碳素结构钢牌号的含义相同。这五种质量等级，三种钢都包括 A 、 B 、 C 、 D 、 E 五种质量等级，和碳

素结构钢一样，不同质量等级是按对冲击韧性（素结构钢一样，不同质量等级是按对冲击韧性（夏比 V 型缺口试验）的要求区分的。级无冲击功要求；型缺口试验）的要求区分的。 A 级无冲击功要求； B 级要求提供 20 ℃ 冲击功 AKv ≥ 34J（纵向） ; C 级要求提供（纵向） 0℃ 冲击功 AKV ≥ 34J（纵向） ; D 级要求提供一 20 ℃ 冲 ℃ （纵向）（纵向）击功 AKv≥34J（纵向） ; E 级要求提供一 40 ℃ 冲击功 AKv ≥27J（纵向）。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的）。不同质量等级对碳（纵向）。不同质量等级对碳、要求也有区别。要求也有区别。低合金高强度结构钢的 A 、 B 级属于镇静钢，级属于特殊镇静钢。静钢， C 、 D 、 E 级属于特殊镇静钢。
3 ．高强钢丝和钢索材料
悬索结构和斜张拉结构的钢索、悬索结构和斜张拉结构的钢索、桅杆结构的钢丝绳等通常都采用由高强钢丝组成的平行钢丝束、通常都采用由高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线和钢丝高强钢丝是由优质碳素钢经过多次冷拔而成，绳。高强钢丝是由优质碳素钢经过多次冷拔而成，分为光面钢丝和镀锌钢丝两种类型。面钢丝和镀锌钢丝两种类型。钢丝强度的主要指标是抗拉强度，钢丝强度的主要指标是抗拉强度，其值在 15701700N / mm2范围内，而屈服强度通常不作要求。高强范围内，而屈服强度通常不作要求。钢丝的伸长率较小，但高强钢丝（钢丝的伸长率较小，最低为 4 % ，但高强钢丝（和钢索却有一个不同于一般结构钢材的特点—— 松弛，即在松弛，）却有一个不同于一般结构钢材的特点保持长度不变的情况下所承拉力随时间延长而略有降低。保持长度不变的情况下所承拉力随时间延长而略有降低。
平行钢丝束由 7 根、 19 根、 37 根或 61 根钢丝组其截面见图示。钢丝束内各钢丝受力均匀，成，其截面见图示。钢丝束内各钢丝受力均匀，弹性模量接近一般受力钢材。接近一般受力钢材。用来组成钢丝束的钢丝除圆形截面外，还有梯形和异形截面的钢丝。还有梯形和异形截面的钢丝。钢绞线亦称单股钢丝绳，由多根钢丝捻成。钢绞线亦称单股钢丝绳，由多根钢丝捻成。股钢绞线捻成，钢丝绳多由 7 股钢绞线捻成，以一股钢绞线为核心股钢绞线沿同一方向缠绕。，外层的 6 股钢绞线沿同一方向缠绕。
图2.13 平行钢丝束的截面
图2.14 钢丝绳的捻法及截面
2.5.2 钢材的选择
选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，同时用材经济合理。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素：济合理

。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素： 1. 结构或构件的重要性；结构或构件的重要性； 2.荷载性质（静载或动载）；荷载性质（荷载性质静载或动载） 3. 连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）；连接方法（焊接、铆接或螺栓连接） 4.工作条件（温度及腐蚀介质）。工作条件（工作条件温度及腐蚀介质）。对于重要结构、直接承受动载的结构、对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构，应选用质量较高的钢材。下的结构及焊接结构，应选用质量较高的钢材。
Q235A 钢的保证项目中，碳含量、冷弯试验钢的保证项目中，碳含量、合格和冲击韧性值并未作为必要的保证条件，合格和冲击韧性值并未作为必要的保证条件，所以只宜用于不直接承受动力作用的结构中。以只宜用于不直接承受动力作用的结构中。当用于焊接结构时，于焊接结构时，其质量证明书中应注明碳含量不超过 0.2%。。级钢时，当选用 Q235A 、 B 级钢时，还需要选定钢材的脱氧方法。的脱氧方法。连接所用钢材，如焊条、连接所用钢材，如焊条、自动或半自动焊的焊丝及螺栓的钢材应与主体金属的强度相适应。丝及螺栓的钢材应与主体金属的强度相适应。
2.5.3 型钢的规格
钢结构构件一般宜直接选用型钢，钢结构构件一般宜直接选用型钢，这样可减少制造工作量，降低造价。作量，降低造价。型钢尺寸不够合适或构件很大时则用钢板制作。型钢有热轧及冷成型两种。板制作。型钢有热轧及冷成型两种。 1 ．热轧钢板热轧钢板分厚板及薄板两种，热轧钢板分厚板及薄板两种，厚板的厚度为 4.560mm(广泛用来组成焊接构件和连接钢板，薄板厚度为广泛用来组成焊接构件和连接钢板)，广泛用来组成焊接构件和连接钢板 0.35-4mm(冷弯薄壁型钢的原料。在图纸中钢板用“冷弯薄壁型钢的原料)。冷弯薄壁型钢的原料在图纸中钢板用“ 厚 x 宽 x 长（单位为毫米）”前面附加钢板横断面的方单位为毫米）法表示，法表示，如：-12 x 800 x 2100等。等
2 ．热轧型钢角钢——有等边和不等边两种。等边角钢，以边宽和角钢有等边和不等边两种。等边角钢，有等边和不等边两种厚度表示，厚度表示，如 L100 x 10为肢宽 100 mm 、厚 10mm 为肢宽的等边角钢。不等边角钢，则以两边宽度和厚度表示，的等边角钢。不等边角钢，则以两边宽度和厚度表示，如 L100 x 80 x 10 等。槽钢——我国槽钢有两种尺寸系列，即热轧普通槽钢我国槽钢有两种尺寸系列，槽钢我国槽钢有两种尺寸系列与热轧轻型槽钢。前者的表示法如［ 30a

，指槽钢外廓与热轧轻型槽钢。前者的表示法如［且腹板厚度为最薄的一种；高度为 30cm 且腹板厚度为最薄的一种；后者的表示法例如［是汉语拼音“ 例如［ 25Q ，表示外廓高度为 25cm , Q 是汉语拼音“ 的拼音字首。同样号数时，轻”的拼音字首。同样号数时，轻型者由于腹板薄及翼缘宽而薄，因而截面积小但回转半径大，宽而薄，因而截面积小但回转半径大，能节约钢材减少自重。不过轻型系列的实际产品较少。不过轻型系列的实际产品较少。
工字钢——与槽钢相同，也分成上述的两个尺寸系列：与槽钢相同，也分成上述的两个尺寸系列：工字钢
普通型和轻型。与槽钢一样，普通型和轻型。与槽钢一样，工字钢外轮廓高度的厘米数即为型号，三种。型号，普通型者当型号较大时腹板厚度分 a 、 b 及c三种。轻三种型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。两种工字钢表示法如：型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。两种工字钢表示法如： I32c , I32Q 等。 H 型钢和剖分 T 型钢型钢——热轧 H 型钢分为三类：宽翼型钢分为三类：型钢（）、中翼缘型钢（缘 H 型钢（ HW ）、中翼缘 H 型钢（ HM ）和窄翼缘 H 型钢（ HN ）。 H 型钢型号的表示方法是先用符号 HW 、 HM 型钢的类别，后面加“高度（毫米）宽度（和 HN 表示 H 型钢的类别，后面加“高度（毫米） x 宽度（毫米）例如HW300x300 ，即为截面高度为 300mm 毫米） ” , 例如型钢。，翼缘宽度为 300mm 的宽翼缘 H 型钢。剖分 T 型钢也分为三类，型钢（）、中翼缘剖分三类，即：宽翼缘剖分 T 型钢（ TW ）、中翼缘剖分 T 型钢 ( TM ）和窄翼缘剖分 T 型钢 TN ）。剖分 T 型钢系由对应型钢( ）。剖分型钢沿腹板中部对等剖分而成。的 H 型钢沿腹板中部对等剖分而成。其表示方法与 H 型钢类同。
图2.15 热轧型材的截面
3 ．冷弯薄壁型钢是用 2-6mm 厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的（如厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的（图示）。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材，）。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材图示）。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材，所用钢用做轻型屋面等构件。板厚度为 0.4-2mm ，用做轻型屋面等构件。
图2.16 冷弯型钢的截面形式
热轧型钢的型号及截面几何特性见书后附表 1 ~附附表 6 。薄壁型钢的常用型号及截面几何特性见《冷弯的附录。薄壁型钢结构技术规范》 GB 50018 一 2002 的附录。参看教材附表5，型钢型钢H× × × ，其中t1为参看教材附表，H型钢 ×B×t1×t2，其中为腹板厚度，为翼缘厚度为翼缘厚度。腹板厚度，

t2为翼缘厚度。wide、medium、narrow. 、、

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