第二章 钢结构的材料 2.1 对钢结构用材的要求 2.2 钢材的主要性能及其鉴定 2.3 影响钢材性能的因素 2.4 钢材的延性破坏和非延性破坏、 循环加载和快速加载 2.5 建筑钢材的类别及钢材的选用 2.1 对钢结构用材的要求 用作钢结构的钢材必须具有下列性能： 钢材必须具有的性能： 2.3 影响钢材性能的因素 钢材主要元素：Fe占99% 其他元素：不超过1%（影响钢材性能） 1、碳（C） 碳是形成钢材强度的主要成份。 碳 则钢材强度 塑性、韧性、冷弯性能、可焊性、抗锈蚀能力 按碳的含量区分：含碳量0.25％——低碳钢， 0.6％含碳量0.25％——中碳钢， 含碳量0.6％——高碳钢。 钢结构用钢基本上都是低碳钢。 为了有良好的可焊性，以不大于0.2%为好 8．氧(O)、氮(N) 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。其含量必须严加控制。 氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈。钢在浇铸过程中，应根据需要进行不同程度的脱氧处理。 氮能使钢冷脆，与磷相似。但氮有时却作为合金元素存在于钢之中。 冶炼：平炉、转炉 浇铸：按脱氧程度分——沸腾钢、镇静钢和半镇 静钢 轧制：改善内部组织结构 热处理：显著提高强度 负温范围 fy与fu都增高但塑性变形能力减小。 当温度从常温开始下降时，钢材的强度稍有提高，但脆性倾向变大，塑性和冲击韧性下降，当温度下降到某一数值时，钢材的冲击韧性突然显著下降，使钢材产生脆性断裂，该现象叫低温冷脆。 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 延性破坏（塑性破坏）：超过屈服点fy有明显塑性变形，当达到抗拉强度fu时在很大变形的情况下断裂。 特点：破坏前变形明显，能预防。 非延性破坏（脆性破坏）：当没有塑性变形或只有很小塑性变形时即发生的破坏。 特点：破坏前变形不明显、突然、 难预防 2.4.2 循环荷载的效应（又称重复荷载） 土木工程中，承受重复荷载作用的结构或构件有： 吊车梁：吊车 桥梁：车辆 容器：内部液体 海洋平台：海水 建筑物：地震作用 以上这些重复荷载都是可变荷载，这些重复荷载的作用使构件的钢材易发生疲劳断裂。 概念：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。 特点：截面应力很小，小于抗拉强度，甚至是屈服强度；断裂时无明显的变形；裂缝起始点在构件表面处。 发生的原因：在连续重复荷载作用下，在钢材表面的缺陷处，产生应力集中现象。在应力高峰处，裂缝逐渐开展，使截面的有效面积逐渐减少而应力集中更加严重，塑性变形受到限制，直到断裂时，变形都很小。 影响的因素：钢材的质量（C、S、P含量）、构件的几何尺寸（不能有突变）和冶金缺陷等有关；重复荷载作用下构件截面的应力变化幅度（??=?max-?min)有关；重复荷载的循环次数n有关。 3 ．高强钢丝和钢索材料 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、钢绞线和钢丝绳。高强钢丝是由优质碳素钢经过多次冷拔而成。 钢丝强度的主要指标是抗拉强度，其值在 1570~1700N / mm2范围内，而屈服强度通常不作要求。 2.5.3 型钢规格 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。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： 厚板的厚度为 4.5~60mm(广泛用来组成焊接构件和连接钢板)， 薄板厚度为0.35~4mm(冷弯薄壁型钢的原料)。 在图纸中钢板用“-厚 x 宽 x 长（单位mm）” 如：-12 x800x 2100。 高强钢丝（和钢索）有一个不同于一般结构钢材的特点—— 松弛，即在保持长度不变的情况下所承拉力随时间延长而略有降低。 平行钢丝束由若干根钢丝组成，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。钢绞线亦称单股钢丝绳，由多根钢丝捻成。 钢丝绳多由 7 股钢绞线捻成，以一股钢绞线 股钢绞线沿同一方向缠绕。 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 北大友谊桥为3跨悬索桥，全长230m，桥面宽12m。桥塔为双层门式刚架，高35m。 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，同时用材经济合理。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； 2.荷载性质（静载或动载）; 3. 连接方法（焊接、铆接或螺栓连接） ; 4.工作条件（温度(低)及腐蚀介质）。 * * 较高的强度 ——即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。屈服点高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价。抗拉强度高，可以增加结构的安全保障。 ——即适合冷、热加工，同时具有良好的可焊性，不因这些加工而对强度、塑性及韧性带来较大的有害影响。 良好的加工性能 ——即塑性和韧性性能好。塑性好则结构破坏前变形比较明显从而可减少脆性破坏的危险性。韧性好表示在动荷载作用下破坏时要吸收比较多的能量，同样也降低脆性破坏的危险程度。 足够的变形能力 2.2.1 单向拉伸时的工作性能 2.2 钢材的主要性能及其鉴定 条件：标准试件，常温（20℃）下缓慢加载，直到 拉断破坏，一次完成。 标准试件l0 / d =5，10；l0—标距； d—直径 钢材的主要强度指标和变形性能都是根据标准试件一次拉伸实验确定的。 1.比例极限?P 这是应力-应变图中直线.屈服点?y 应变?在?P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。 3.抗拉强度?u 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， 呈现曲线关系直到最高点。 一次拉伸曲线 σ ? fp fy fu 比例极限 下屈服点 上屈服点 屈服强度fy是钢结构强度设计值，钢材的极限强度，其重要性可想而知。采用高的屈服强度可减轻自重，节约钢材，降低造价。 较高的强度 ——即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。屈服点高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价。抗拉强度高，可以增加结构的安全保障。 ——即适合冷、热加工，同时具有良好的可焊性，不因这些加工而对强度、塑性及韧性带来较大的有害影响。 良好的加工性能 ——即塑性和韧性性能好。塑性好则结构破坏前变形比较明显从而可减少脆性破坏的危险性。韧性好表示在动荷载作用下破坏时要吸收比较多的能量，同样也降低脆性破坏的危险程度。 足够的变形能力 4.伸长率?5和?10 伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。 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计规范对这三项力学性能指标的要求。 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，这种能力使材料经受剪切、冲压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。 试件有两种标距： 和 相应的伸长率用和 表示 根据试样厚度，按规定的弯心直径将试样弯曲180度，其表面及侧无裂纹或分层则为“冷弯试验合格”。 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。 2.2.2 冷弯性能 用带缺口的标准试件进行冲击试验， (a) (b) （1）冲击韧性概念 试件破坏时截面单位面积吸收的能量，称冲击韧性。冲击韧性越好，表明钢材越不易脆断。 P 2.2.3 冲击韧性 韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度。 试件——长55mm，截面10×10mm2，中间一小槽。在摆锤式冲击试验机上进行试验，冲断试件后，读出摆锤消耗的功 Wk。 ?k = Wk/A A—试件槽口处截面面积 （2）韧性指标 用?k表示，单位是J/cm2，由试验获得。 (a) (b) 冲击韧性试件 P 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。 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。 2.2.4 可焊性 屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能及冲击韧性，是反应钢材质量的主要力学指标。 2.2.5 钢材性能的鉴定 2.3.1 化学成分的影响 2．锰(Mn) 锰是有益元素， Mn 强度 锰有脱氧作用，是弱脱氧剂；锰还能消除硫对钢的热脆影响；在低合金钢中锰是合金元素。 但是锰可使钢材的可焊性降低，故含量有限制。 3．硅(Si) 硅是有益元素，
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