第2章-钢结构材料

第二章钢结构制作

提要

钢结构的材料不仅密切关系到钢结构的计算理论，同时还对钢结构的制造、安装、使用、造价、安全等均有直接联系。所以，本章内容是学习钢结构的基础。学习时，应全面了解钢材的性能，从而做到能正确选用并防止脆性破坏的产生。

2.1 建筑钢材的选用

2.1.1 钢结构对钢材性能的要求

钢结构的主材是钢材。随着现代炼钢技术的高速发展，钢材的种类众多，性能多样，以适应各行业的不同用途。

建筑钢结构需承受各种荷载，且工作环境和情况亦不尽相同。因此，对其使用的钢材性能有下列要求：

（1）较高的强度

钢材强度高可减小构件截面，从而减轻结构自重，节约钢材，降低造价。

（2）较好的塑性和韧性

塑性好的钢材具有足够的应变能力，能在结构破坏前产生明显的变形，从而降低结构脆性破坏的危险性。同时，塑性变形还能调整局部应力高峰，使应力分布逐渐趋于均匀。

韧性好的钢材具有较强的抵抗脆性破坏的能力。对低温寒冷地区和承受重复荷载作用需验算疲劳的钢结构，对钢材的韧性要求更高。

（3）良好的加工和可焊性能

将钢材制造成钢结构，需经过冷加工（剪切、钻孔、冷弯等）、热加工（气割、热弯等）和焊接等工序，故钢材不仅应具有易于冷、热加工的工艺性能和可焊性能，而且材性（强度、塑性、韧性等）不会明显改变，否则对结构会产生不利影响。

（4）专用的特种性能（耐候、耐火、Z向性能）

露天钢结构或在有害介质作用下的钢结构均有较高的防腐要求，对重要的建筑钢结构还有较高的防火要求。然而，一般钢材的防腐、防火性能均较差（在600℃时完全丧失承载力。在高温火焰燃烧下，仅15min即可能垮塌），虽可涂刷防腐或防火涂料加以改善，但操作较繁，且维护费用较高。若钢材自身能具有耐候（抗大气腐蚀）、耐腐（抗海水腐蚀，如航空母舰）、耐火性能，则有利于钢结构的应用。

高层建筑钢结构用的钢板常沿Z向（厚度方向）受拉，故可能产生层状撕裂。因此，对厚度较大钢板应有Z向性能要求。

2.1.2 钢材的性能

钢材的性能通常用强度、塑性及韧性、Z向性能和可焊性表述。专用钢材则另外附加其他特种性能，如耐火、耐候性能等。

2.1.2.1 钢材的强度

钢材的拉伸试验是用规定形式和尺寸的标准试件，在常温20℃±5℃的条件下，按规定的加载速度在拉力试验机上进行，用x—y函数记录仪记录试件的应力—应变曲线，曲线的纵坐标为应力ζ，ζ= N/A，横坐标为ε，ε=Δl/l。图2.1所示为Q235钢的典型应力—应变曲线。曲线的5个工作阶段：

1）弹性阶段图2.1中OB段，应力与应变呈线性关系，ζ= Eε；该段称弹性阶段，B点的应力

σ称为比例极限，亦称弹性极限；E为该直线段的斜率，为钢

p

材的弹性模量，N/mm2

⨯

=。该阶段卸荷后，变形可恢复，称弹性变形。

E5

06

10

2.

2）弹塑性阶段图2.1中BC段，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

I 一弹性阶段 Ⅱ一弹塑性阶段 Ⅲ一屈服阶段Ⅳ一强化阶段 V 一颈缩阶段

3）屈服阶段 图2.1中CD 段，当应力越过C 点后，钢材呈屈服状态，应力不增大，应变却持续增长，故曲线为一屈服平台，变形模量为零，表明钢材受力进入屈服阶段。曲线上u C 点的应力su σ称为上屈服点，该点处于不稳定状态C 点

的应力s σ称为下屈服点，为一较稳定的数值，故通常以s σ作为钢材的屈服点，

0/A N s s =σ，s F 为屈服荷载。此时若卸荷，则留有残余应变εS 约为0.2%；对没有明显屈服点的钢材，规定取对应于残余应变s 。=0.2%的应力02σ（或s σ），作为

该钢材的屈服点，常称为条件屈服点或屈服强度。对于钢材厚度或直径不大于16 mm 的Q235钢，其s σ为235 N/2mm 。屈服阶段的应变幅度从0.2%～2.5%即CD 线

段，称为流幅。

4）强化阶段 图中DE 段，钢材经屈服阶段的较大塑性变形，内部晶粒结构

重新排列后，恢复重新承载的能力，曲线呈上升趋势，E 点达到最大应力值，该点应力b σ称为钢材的抗拉强度，0/A N b b =σ，b N 为试件的最大拉力，对于Q235

钢，b σ=375 -460N/2mm 。

5）颈缩阶段 图中EF 段，当试件应力达到b σ时，在最薄弱的截面处，急剧

收缩变细，称颈缩现象，试件伸长量Δl 迅速增长，荷载下降，试件拉断，下降段EF 称为颈缩阶段。试件拉断时的残余应变称为伸长率δ，对于Q235钢，δ≥26%。

以上五个阶段是低碳钢单向拉伸试验ε—ζ曲线的典型特征，说明低碳钢具有理想的弹塑性性能。对于高强度钢材单向拉伸试验的ε—ζ曲线，则无明显的屈服阶段。

在工程中，钢材的破坏形式可表现出两种：一种呈塑性破坏；另一种则呈脆性破坏。

塑性破坏，也称延性破坏，是指构件在破坏前有较大的塑性变形，吸收较大的能量，从发生变形到最后破坏要持续较长的时间，易于发现和补救，即给人以警告。钢材塑性破坏时，断口呈纤维状，色泽发暗。前述低碳钢在常温下单向均匀拉伸作用下的破坏，属于典型的塑性破坏。

脆性破坏是指构件在破坏前变形很小，没有预兆，突然发生，断口平直呈有光泽的晶粒状。脆性破坏比塑性破坏造成的危害和损失要大得多，故应采取适当措施，避免发生。

钢材的拉伸试验所得的屈服点s σ用y f 表示、抗拉强度b σ用u f 表示和伸长率δ

是钢结构设计中对钢材力学性能要求的三项重要指标。

钢结构设计中常把屈服点y f 定为构件应力可以达到的限值，即把钢材应力达

到屈服强度y f 作为承载能力极限状态的标志。这是因为当ζ>y f 时，钢材暂时失去

继续承载的能力并伴随产生很大的不适于继续受力或使用的变形。

钢材的抗拉强度u f 是钢材抗破坏能力的极限。抗拉强度u f 是钢材塑性变形很

大且将破坏时的强度，此时已无安全储备，只能作为衡量钢材强度的一个指标。