钢材性能分析

4）碳素结构钢牌号『代表屈服点字母Q、屈服应力 标准值、质量等级、脱氧方法』，例如Q235AF、Q255-C。碳素结构钢共分Q195、Q215、 Q235、Q255和Q275五个牌号，钢结构中通常仅使 用Q235。Q235钢根据厚度尺寸，分为6档。 • 碳素结构钢的质量等级，按冲击试验要求分： A级：不要求冲击试验； B级：要求+20°C时冲击试验； C级：要求0 °C时冲击试验； D级：要求-20 °C时冲击试验。 • 脱氧方法：沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静 钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）。其中Z、TZ可省 略。
5. 钢材的规格
1）钢板 厚钢板：厚h=4.5~60mm，宽 b=600~3000mm，长l=4~12m 薄钢板：厚h=0.35~4mm，宽 b=500~1500mm，长l=0.5~4m 扁钢板：厚h=4~60mm，宽b=12~200mm， 长l=3~9m 花纹钢板：厚h=2.5~8mm，宽 b=600~1800mm，长l=0.6~12m
fy =
f yk
γs
f py =
f pyk
γs
对于HPB235钢筋、HRB335钢筋和 HRB400钢筋γ均取1.1，对预应力用钢 丝、钢绞线和热处理钢筋γ取1.2。
¾ 受压钢筋强度设计值
f = E sε s = 0.002 E s，f ≤ f y
' y ' y
（2） 结构用钢的设计值
1) 钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值，
f = fk γ
对钢结构中Q235钢γ取1.087，对Q345 钢、Q390钢和Q420钢γ取1.111 2) 抗剪强度设计值
屈服剪应力
f vy = f y
3 = 0.58 f y
f v = f vy γ R = 0.58 f
3）端面承压强度设计值
f ce = f cek γ Ru = f u γ Ru
冲击实验示意图
小
结
钢材的力学性能
• 钢材设计强度 • 钢材的伸长率和冷弯性能 • 冲击韧性
2. 钢材的分类
• 按化学成分分 ¾ 碳素钢 o 低碳钢 0.25% o 中碳钢 0.25~0.6% o 高碳钢 0.6~1.4% ¾低合金钢 • 按冶炼炉种分：平炉钢、顶吹氧气转炉钢 • 按脱氧程度分：沸腾钢、镇静钢、半镇静 钢和特殊镇静钢
5）低合金高强度钢牌号『代表屈服点字母 Q、屈服应力标准值、质量等级』质量等级分 为A、B、C、D、E五级，其中E级要求-40 °C时冲击试验。例如Q295B、Q420E。低合 金高强度结构钢共分Q295、Q345、Q390、 Q420和Q460五个牌号，其中Q345钢、Q390 钢和Q420钢为钢结构的选用钢材。
7. 钢材及其连接强度标准值和设计值 8. 钢材的本构模型
w fc
= f
• 抗剪强度设计值取母材的强度值
f
w v
= 0.58 f = f v
焊缝质量1、 2级 焊缝质量 3级
• 抗拉强度设计值
ft
w
⎧f =⎨ ⎩0.85 f
（5）角焊缝、铆钉、螺栓连接 一般取材料的抗拉fu为标准值，再根 据实验结果乘以一个经验系数而得抗 拉、抗剪、承压等强度设计值
（6）结构用钢及其连接的强度设计值的折减系数 单面连接的单角钢 a. 按轴心受力计算强度和连接：0.85 b. 按轴心受压计算稳定性： ¾ 等边角钢：0.6+0.0015 λ,但不大于1.0 ¾ 短边相连的不等边角钢：0.5+0.0025 λ ，但 不大于1.0 ¾ 长边相连的不等边角钢：0.70 其中λ为长细比，对中间无连系的单角钢压杆， 应按最小回转半径计算，当时λ>20 ，取λ =20 I.
c. 消除应力钢丝：将高碳镇静钢经冷拔后， 较直，经中温回火消除应力并稳定化处理 的光面钢筋。 d. 螺纹肋钢丝：以普通的低碳钢或低合金钢 热轧的圆盘条为母材，经冷轧减径后在其 表面冷轧二面或三面有月牙肋的钢筋。 e. 刻痕钢丝：在光面钢丝的表面上进行刻痕 处理，以增加钢丝和混凝土之间的粘结 力。 f. 钢铰线：由3股或7股高强钢丝绞盘在一起 经过低温回火处理消除应力后制成。
结构设计原理 第三章 结构材料
结构材料
• 按其变形能力来分 1. 塑性材料（破坏时有较大的塑性变 形）：钢材 2. 脆性材料（破坏前无明显的塑性变 形）：混凝土、砖、砌块等
3.1 钢材
内容介绍 • 钢材的力学性能
• 钢材的分类 • 钢材的化学成分对钢材性能的影响 • 钢材的牌号 • 钢材的规格 • 钢材的选用 • 钢材及其连接强度标准值和设计值 • 钢材的本构模型
δ 5 δ 10 的含义及大小关系？
• 冷弯性能 冷弯是将直径为d的钢筋绕直径为D的弯芯弯 曲到规定的角度后无裂纹或起层现象，则表 示冷弯合格。
冷弯示意图
（3）冲击韧性
• 钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能 力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击 荷载作用等而致脆性断裂能力的一项机械性能。
(
)
f s ,u
fy
θ"
tgθ " = fy
" Es
=
f s ,u − f y
ε s ,u − ε y
tgθ = E s =
εy
适用于低合金钢、铝合 金、高强度钢筋和钢丝
θ εy
ε s ,u εs
弹塑性模型的应力应变曲线
3.1 钢材小结
1. 2. 3. 4. 5. 6. 钢材的力学性能 钢材的分类 钢材的化学成分对钢材性能的影响 钢材的牌号 钢材的规格 钢材的选用
fy
fy
tgθ = E s =
εy
θ
结构设计时，结构钢和 普通低碳或低合金钢筋 均采用这一模型
εy
ε s ,h
εs
理想弹塑性模型的应力应变曲线
（b）三折线
f s ,u
fs
⎧ E sε s , εs < ε y ⎪ σs = ⎨ fy ε y ≤ ε s < ε s ,h ⎪ f + E ' (ε − ε ), ε ≤ ε < ε s s s ,h s ,h s s ,u ⎩ y
2）热轧型钢及表示
• • • • 工字钢：普通工字钢、轻型工字钢和宽翼工字钢 槽钢：普通槽钢和轻型槽钢 角钢 园管
a、b、c表示腹板的厚度类型
3）钢筋和钢丝
• 钢筋是指用于混凝土结构或配筋砌体中的直径在 4~50mm范围内的园钢。5mm及以下的细钢筋称 为钢丝。12mm及以下的钢筋或钢丝常以盘圆形 式提供。 • 按外形分：光面（直径为6~50mm）和变形（采 用与光面钢筋相同重量的当量直径，直径一般不 小于10mm）
7. 钢材及其连接强度标准值和设计值 （1）钢筋或钢丝的强度标准值和设计值
普通钢筋抗拉和抗压强度标准值： f yk
f
' yk
' f 预应力钢筋抗拉和抗压强度标准值： pyk f pyk
f ptk 预应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋的抗拉强度标准值：
¾ 钢筋强度取值的依据及强度标准值
¾ 受拉钢筋强度设计值
II. 跨度等于或大于60m桁架的受压弦干和 端部受压腹杆：0.95 III. 无垫板的单面施焊对接焊缝：0.85 IV. 施焊条件较差的高空安装焊缝和铆钉连 接：0.9 V. 沉头或半沉头铆钉连接：0.8
8. 钢材的本构模型
fs
（a）双直线
εs < ε y ⎧ E sε s , σs = ⎨ ε y ≤ ε s < ε s ,h ⎩ fy
fy tgθ = E s = fy
θ'
tgθ ' =
' Es
=
f s ,u − f y
钢材的流幅较短时可采 用这一模型
εy
ε s ,u − ε s ,h
θ εy
ε s ,h ε s ,u εs
弹塑性加硬化模型的应力应变曲线
（c）双斜线
fs
E sε s , εs < ε y ⎧ ⎪ σs = ⎨ ' f E + ⎪ s ε s − ε y , ε y ≤ ε s < ε s ,u ⎩ y
卸载点 OBKZ为钢筋的拉伸应力应变曲线 O1KZ为冷拉无时效（aging）的拉 伸应力应变曲线 O1K’Z’为冷拉经时效（aging）的 拉伸应力应变曲线
冷拔钢丝示意图
冷拔低碳钢丝的应力应变曲线 冷拔是将Φ6~ Φ 8的钢 筋强力通过特制的钨 合金拔丝模孔，使钢 筋产生塑性变形，以 改变其物理性能
其中抗力分项系数对Q235钢和Q345钢取1.15， 对Q390钢和Q420钢取1.175
（3）钢铸件的强度设计值 抗拉、抗压和抗弯强度设计值
f = 0.78 f y
端面承压强度设计值
f ce = 0.65 f u
抗剪强度设计值
fv = f
3 = 0.58 f
（4）对接焊缝 • 对接焊缝的抗压强度设计值
3. 钢材的化学成分对钢材性能的影响
元素 碳 适量 锰 过量 过量 硅 适量 钒 硫 磷
熔炼镇静钢的脱氧剂。且能使钢 中纯铁晶粒细小和散布均匀
作用
含量对钢材的强度、塑性、韧性 和焊接性有决定性影响<0.22% 碳素钢中作为脱氧剂0.3~0.8% 低合金钢中作为合金元素 1.2~1.6%
强度 塑性
高 提高 低
冲击 韧性
低
冷弯 热脆 冷脆 性能
低 改善 变脆
没过多的降低 降低 减少氧、硫的 有害影响
提高
无显著不良影响 降低，且恶化 抗锈蚀能力和 焊接性
<0.3%（Q235）或 0.6%（16Mn、 15MnV）
提高强度和细化晶粒，高温硬度提高 热脆（FeS在高温熔化而使钢材出现裂 纹），使钢的焊接性变坏 冷脆（低温韧性降低并产生脆性破坏） 降低 含量<0.035%~0.05% 0.035%~0.045%