第二章材料35

素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢）
碳素结构钢：
根据化学成分和冲击韧性的不同，由低到高划分为A、B、 C、D4个质量等级 钢牌号—Q（代表屈服点）＋屈服点数值（+质量等级符 号＋脱氧方法符号）A级只保证抗拉强度、屈服强度、伸 长率；B级以上保证杂质含量等。 共有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五种牌号， （桥）钢结构一般仅用Q235
§2-6 钢材的疲劳
疲劳破坏特征 突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂 断口与一般脆性断口不同，可分为三个区域：裂纹源、裂纹 扩展区和断裂区 对缺陷（包括缺口、裂纹及组织缺陷等）十分敏感
疲劳的两种类型：
常幅疲劳——常幅交变荷载引起——常幅 循环应力（简称循环应力） 变幅疲劳——变幅交变荷载——变幅循环 应力（简称变幅应力）
2.3.3 冲击韧性
钢材在塑性变形和断裂的过程中 吸收能量的能力，表示钢材抵抗 冲击荷载的能力
钢材强度与塑性的综合表现
2.3.4 可焊性
指在一定的工艺和结构条件下通 过焊接后能得到良好焊接接头的 能力
§2-4 各种因素对钢材 主要性能的影响
2.4.1 化学成分
铁：钢的基本元素 ，普通碳素钢中占99% 碳：碳含量增加，提高钢材强度，降低塑性、韧性、耐 腐蚀性、疲劳强度和冷弯性能，恶化钢材可焊性 硅、锰：脱氧剂，提高钢材强度 钒、钛：提高钢的强度和抗腐蚀性 硫、磷：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度， 分别加剧热脆和冷脆，磷能提高强度和抗锈性 氧、氮：分别加剧热脆和冷脆 铜：降低可焊性，提高钢的强度和抗腐蚀性
循环次数n： ρ一定时 σ－n的关系
当σ< σf时n→∞ 桥梁结构一般取循环次数为200万次的σmax 为疲劳强度
σ
σf
n
疲劳容许应力的确定
ρ=-1 C
根据无残余应力 的小试件疲劳试 验(200万次循环) 结果，疲劳曲线 可近似为直线 ABCD，对各种构 σmin σ = kσ + σ 件试验找到ρ=-1 σ = ρσ 和ρ=0时的σ σ σ = （BC)坐标 即确 1 kρ 定了直线ABCD， σ σ 而k = AB段以受压为主， σ BCD段以受拉为主。 综合各种因素，以拉为主的疲劳容许应力 [σ ] = [σ ] 直线方程为 1 kρ
§2-3 钢材的主要性能
2.3.1 受拉、压、剪时的性能
单向均匀拉伸试验
荷载－变形（F－L）曲线 应力－应变（σ－ε）曲线
2.3.1.1 强度性能
钢材应力－应变（σ －ε）曲线 理想弹塑性体应力－应变 （σ－ε）曲线
2.3.1.2 塑性性能
钢材的塑性：当应力超过屈服点后，能产生显著 钢材的塑性： 的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质
伸长率δ ：试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的 百分数
根据试件原标距长度 l0与试件中间部分的直径d0 的比值为10 或5而分为δ10或δ5 断面收缩率： 断面收缩率：指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与 原断面面积比值的百分率
2.3.2 冷弯性能
指钢材在冷加工（常 温下加工）产生塑性 变形时，对产生裂缝 的抵抗能力 鉴定钢材在弯曲状态 下的塑性变形能力和 钢材质量的综合指标
优质碳素结构钢：
与碳素结构钢的主要区别在于钢中含杂质元素较 少，磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035％， 其它缺陷的限制也较严格，具有较好的综合性能 共有两大类：普通含锰量的钢和较高含锰量的钢 由于价格较高，钢结构中使用较少，仅用经热处 理的优质碳素结构钢冷拔高强钢丝或制作高强螺 栓、自攻螺钉等
§2-7 钢材的种类和规格
2.7.1 钢的种类
按用途分：结构钢（又分为建筑用钢和结构用钢）、
工具钢、特殊钢
按冶炼方法分：转炉钢、平炉钢 按脱氧程度分：沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇
静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）
按成型方法分：轧制钢（冷轧、热轧）、锻钢、铸钢 按化学成分分：碳素钢、合金钢（建筑工程中采用碳
2.6.1 常幅疲劳
应力循环特征值（应力比ρ）
按绝对值计算的最小应力和最大应力之比（拉应力取 正值，压应力取负值） ρ＝-1 完全对称循环 ρ＝0 脉冲循环 ρ＝-1～0 不完全对称循环 （以拉应力为主或以压应力为主） ρ＝1 静力
影响扎制钢材与非焊接结构疲劳强度的因素：
最大应力、应力比、循环次数、缺口效应（应力集中）
第二章 钢结构材料
§2-1 钢结构对材料的要求
较高的抗拉强度fu和屈服点fy 较高的塑性和韧性 良好的工艺性能 在一定特殊情况下，适应低温、高温和腐 蚀性环境的能力 分别涉及钢材材性：强度、塑性、韧性、 可焊性、冷弯性、耐久性等方面
§2-2 钢材的破坏形式
两种性质完全不同的破坏形式： 塑性破坏（ductile fracture）
2.7.2 钢材的选择
2.7.2.1 选用原则
总的原则：安全可靠 需考虑因素：
结构的重要性 荷载情况 连接方法 结构所处的温度和环境 钢材厚度
经济合理
2.7.3 钢材的规格
钢结构所用钢材主要有：
热轧钢板、热轧型钢、冷轧薄钢板、冷弯薄壁型钢
热轧钢板 符号“－”＋“宽度×厚度” 厚钢板：厚度4.5~60mm，宽度600~3000mm，长度
D ρ=1 B A σ-1 σ0
σmax
max min
min
0
max 0
max
0
1
1
0
n
压[σ n ] =
kρ
[σ 0 ]
[σ [σ 0 ]、 n ]、k见表4 3
疲劳强度计算注意事项
疲劳验算用容许应力设计方法，疲劳强度按容许应 力幅计算，荷载采用标准值，不考虑荷载分项系数 和动力系数，应力按弹性工作计算 规范中提出的疲劳强度是以试验为依据的，当遇到 规范规定的12种以外的连接构造时，应进行专门 的研究，套用相近的连接类别或通过相应的疲劳试 验确定疲劳强度 在应力循环中不出现拉应力的部位可不必疲劳验算 疲劳容许应力幅与钢种无关
2.4.4 温度影响
总趋势：温度升高，钢材强度降低，应变增大；温度降低，
钢材强度略有增加，塑性和韧性降低而变脆 约在200°C以内，温度升高，钢材力学性能变化不大 250°C左右时，钢材抗拉强度提高，塑性、韧性下降，表面 氧化膜呈蓝色——蓝脆现象 260°C~320°C时，应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢 的速度继续变形——徐变现象 温度在430°C-540°C之间，屈服点和极限强度显著下降， 达到600°C时强度几乎等于零 在负温范围内，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件断口 属脆性破坏——冷脆现象（脆性转变温度区——钢材由韧 性状态向脆性状态转变的温度区）
2.4.2 冶金缺陷及生产方法
偏析（化学成分不均匀）、非金属夹杂、 气ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、裂纹及分层
2.4.3 钢材硬化
冷作硬化： 冷作硬化：钢结构在冷加工过程中使钢材产生很大塑性变形， 引起强度提高，塑性、韧性降低 时效硬化（老化）： ）：随着时间的增长，纯铁体中残留的氮等 时效硬化（老化）： 逐步析出，形成自由的氮化物微粒，约束纯铁体的塑性变形， 强度提高，塑性、韧性下降 应变时效:即应变硬化后又加时效硬化 应变时效
表示方法—符号“[”＋号数（截面高cm）＋类别（a、b、c 腹板厚度） 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
钢管
无缝钢管 焊接钢管 表示方法—符号“Φ”＋“外径×厚度” 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
2.4.5 复杂应力与应力集中
多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一 向的限制，钢材强度增加，塑性、韧性下降， 异号应力场时则相反 钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、 厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域 产生局部高峰应力——应力集中现象
2.4.6 反复荷载作用
钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能会发生 重要变化 疲劳（fatigue）：钢材在连续交变荷载作用下，会 逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，以至断 裂的现象—— 强度低于极限强度fu甚至低于屈服强度fy，脆性断裂
工字钢：
工字钢 H型钢及剖分T型钢 工字钢—符号“I”＋号数（截面高cm）＋类别（a、b、c 腹板厚度） H型钢—符号“HW、HM、HN”＋“高H×宽B×腹板厚 t1×翼缘t2”（WMN宽、中、窄翼） T型钢—符号“TW、TM、TN”＋“高H×宽B×腹板厚 t1×翼缘t2”
槽钢：
普通槽钢 轻型槽钢
低合金高强度结构钢：
含碳量均不大于0.20％，强度的提高主要依靠添加少量 几种合金元素来达到，合金元素总量低于5％ 共有Q295、Q345（16Mn、16Mnq桥）、Q390 （ 15Mnvq) 、Q420和Q460五种牌号 Q345、Q390和Q420均按化学成分和冲击韧性由低到高 划分为A、B、C、D、E共5个质量等级
破坏前有较大变形，有预兆，断裂时断 口呈纤维状，色泽发暗
脆性破坏（brittle fracture）
破坏前无明显变形，无预兆，断裂时断 口平齐，呈有光泽的晶粒状
脆性破坏没有任何预兆，破坏速度极快，无法察觉和补救，且 一旦发生常引发整个结构的破坏，后果严重，故在钢结构的设 计、施工和使用过程中，要特别注意防止发生脆性破坏 一般情况下是塑性破坏、特殊情况下可能发生脆性破坏。
4~12m 用做大型实腹式梁柱翼缘、腹板
薄钢板：厚度0.35~4mm，宽度500~1500mm，长度
0.5~4m 用于制作冷弯薄壁型钢
扁钢：厚度4~60mm，宽度12~200mm，长度3~9m
焊接组合梁柱翼缘板，各种连接板、加劲肋等
热轧型钢
角钢：
等边角钢 不等边角钢 等边（等肢）—符号“L”＋“边长×厚度” 不等边（不等肢）—符号“L”＋“长边宽×短边宽×厚度” 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