建筑师复习讲义之钢结构（二）

二、钢结构的材料

    (一)钢材的主要机械性能指标

    钢结构在使用过程中要受到各种形式的作用，这就要求钢材必须具有抵抗各种作用而不产生过大变形和不会引起破坏的能力。钢材在各种作用下所表现出的各种特征，如弹性、塑性、强度，称为钢材的机械性能。钢材的主要机械性能指标有五项，即抗拉强度、伸长率、屈服强度，冷弯性能和冲击韧性，这都是通过试验得到的。

    钢材的单向均匀受拉应力应变曲线提供了前三项机械性能指标。抗拉强度(用符号f表示)是钢材的一项强度指标，它反映钢材受拉时所能承受的极限应力，是检验钢材质量的重要指标；当以钢材屈服强度作为静力强度计算依据时，抗拉强度成为结构的安全储备。伸长率(用符号δ₅或δ₁₀表示)是衡量钢材在静荷载作用下塑性性能的指标。屈服强度(也称屈服点，用符号f_y表示)是钢结构设汁中静力强度计算的依据，它是衡量钢材的承载能力及确定钢材抗拉、抗压、抗弯强度设计值的一项重要指标。通过冷弯试验得到对钢材性能要求的第四项指标――冷弯性能，它是衡量钢材的塑性性能和检验钢材质量优劣的一个综合指标、通过冲击试验得到对钢材性能要求的第五项指标――冲击韧性，它是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、动力荷载作用而导致脆性断裂能力的一项指标。满足冲击韧性的要求是个比较严格的指标，实际上只有经济承受较大、使用较频繁的动力荷载的结构，特别是焊接结构，才需要有冲击韧性的保证。

    (二)影响钢材机械性能的主要因素 

    钢结构有性质完全不同的两种破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。塑性破坏的主要特征是具有较大的、明显可见的塑性变形，且仅在构件中的应力达到抗拉强度后才发生。由于塑性破坏前有明显的预兆，能及时发现而采取补救措施，因此，实际上结构是极少发生塑性破坏的：脆性破坏的特征是破坏前的塑性变形很小，甚至没有塑性变形，构件截面上的平均应力比较低(低于屈服点)。由于脆性破坏前无任何预兆，无法及时察觉予以补救，所以危险性极大。讨论影响钢材机械性能的因素时，应特别注意导致钢材变脆的因素。

    1．化学成分的影响

    碳素钢中，铁元素含量约占99％左右，其他元素有碳，磷、氮、硫、氧、锰、硅等，它们的总和约占1％左右。低合金钢中，除上述元素外，还有合金元素，其含量小于或等于5％，尽管碳和其他元素含量很小，但对钢材的机械性能却有着极大的影响。

    普通碳素结构钢中，碳是除铁以外的最主要元素。随着含碳量的增加，钢材的强度提高，塑性，冲击韧性下降，冷弯性能、可焊性和抗锈蚀性能变差。因此，虽然碳是钢材获得足够强度的主要元素，但钢结构中，特别是焊接结构，并不采用含碳量高的钢材。现行《钢结构设计规范》(GB 50017--2003)(本节以下简称《钢结构规范》)推荐的钢材，在焊接结构中，含碳量一般控制在0.12％―0.2％之间。

    磷、氮、硫和氧是有害的杂质元素；随着磷、氮含量的增加，钢材的强度提高，塑性、冲击韧性严重下降，特别是在温度较低时促使钢材变脆(称冷脆)，磷还会降低钢的可焊性：硫和氧的含量增加会降低钢材的热加工性能，并降低钢材的塑性、冲击韧性。硫还会降低钢材的可焊性和抗锈蚀性能：所以，对磷、氮、硫和氧的含量应严格加以限制(均不超过0．05％)。

    锰和硅是有益的杂质元素，能起到脱氧的作用，当含量适中时，能提高钢材的强度而对塑性和冲击韧性无明显影响：

    2．冶炼、浇注的影响

    我国目前钢结构用的钢，主要是由平炉和氧气转炉冶炼而成的。这两种冶炼方法的钢，质量大体相当。

    钢材冶炼后按浇铸方法(也称脱氧方法)的不同而分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢采用锰铁作脱氧剂，脱氧不完全，钢材质量较差，但成本低；镇静钢用锰铁加硅或铝脱氧，脱氧较彻底，材质好，但成本较高；半镇静钢脱氧程序、质量和成本介于沸腾钢和镇静钢之间；特殊镇静钢的脱氧程序比镇静钢更高，质量最好，但成本也最高。

    3．应力集中

    当构件截面的完整性遭到破坏，如开孔、截面改变等，构件截面的应力分布不再保持均匀，在截面缺陷处的附近产生高峰应力，而截面其他部分应力则较低，这种现象称为应力集中(图11-82)。应力集中是导致钢材发生脆性破坏的主要因素之一。试验表明，截面改变越突然、尖锐程度越大的地方，应力集中越严重，引起脆性破坏的危险性就越大。因此，在结构设计中应使截面的构造合理。如截面必须改变时，要平缓过渡。构件制造和施工时，应尽可能防止造成刻槽等缺陷。

    4．温度的影响

    钢材在正温范围内，约在100⁰C以上时，随着温度的升高，钢材的强度降低，塑性增大。在250⁰C左右，钢材的抗拉强度有所提高，而塑性下降，这种现象称为冷脆现象，钢结构不宜在该温度范围内加工。温度达到500―600⁰C时，强度几乎为零。因此，当结构表面经常受较高的辐射热(150℃以上)时，应采取隔热措施，如加挡板或设循环水管等，加以保护。为提高钢结构耐火时间，可在构件上按需要涂不同厚度的防火涂料。当温度低于常温时，随着温度的下降，钢材的强度有所提高，而塑性和冲击韧性下降，当温度下降到某一负温值时，钢材的塑性和冲击韧性急剧降低，这种现象称为钢材的低温冷脆现象(简称冷脆)。因此，处于低温条件下的结构，应选择耐低温性能比较好的钢材，如镇静钢，低合金结构钢，

    5．钢材的硬化

    钢材的硬化包括时效硬化和冷作硬化。时效硬化是指高温时溶化于铁中的少量氮和碳，随时间的增长逐渐从固溶体中析出，形成氮化物或碳化物，对钢材的塑性变形起遏制作用，从而使钢材强度提高、塑性和冲击韧性下降。冷作硬化(也称应变硬化)是指钢材在间歇重复荷载作用下，钢材的弹性区扩大，屈服点提高，而塑性和冲击韧性下降。钢结构设计中，不考虑硬化后强度提高的有利影响，相反，对重要的结构或构件要考虑硬化后塑性和冲击韧性下降的不利影响。

    6．焊接

    焊接连接时。由于焊缝及其附近的高温区的金属经过高温和冷却的过程，金属内部组织发生了变化，使钢材变脆变硬。同时，焊接还会产生焊接缺陷和焊接应力，也是促使钢材发生脆性破坏的因素。

    大量的脆性破坏事故说明，事故的发生经常是几种因素的综合。根据具体情况正确选用钢材是从根本上防止脆性破坏的办法，同时也要在设计、制造和使用上注意消除促使钢材向脆性转变的因素。

    (三)钢材的种类、选择和规格

    1．钢材的种类

    《钢结构规范》推荐的承重结构用钢材有普通碳素结构钢(简称碳素钢)和普通低合金结构钢(简称低合金钢)两种。

    (1)碳素钢

    我国生产的专用于结构的碳素钢Q235(Q是屈服点的汉语拼音首位字母，数值表示钢材的屈服点，单位N／mm²)。钢结构用钢材主要是Q235，其含碳量和强度、塑性、加工性能等均适中。碳素钢牌号的全部表示是QX X X后附加质量等级和脱氧方法符号，如Q235一AF、Q235一C等。Q235钢共分为A、B、C、D四个质量等级(A级最差，D级最好)。A、B级钢按脱氧方法分为沸腾钢(符号F)、半镇静钢(符号b)或镇静钢(符号Z)，C级为镇静钢，D级为特殊镇静钢(符号TZ)；Z和TZ在牌号中省略不写。

    (2)低合金钢

    低合金钢是在冶炼碳素钢时加一种或几种适量合金元素，以提高钢材强度、冲击韧性等而又不太降低其塑性。低合金钢的牌号表示方法是：自左向右依次列出其平均含碳量的万分数，合金元素的名称(或符号)及含量的百分数，当合金元素平均含量小于1．5％时不注明其含量，达到或超过1．5％用整数注明其含量。钢结构常用的低合金钢有：16Mn(平均含碳量万分十六，合金元素锰，合金元素平均含量小于1．5％)，16Mnq(q――桥梁用钢)和15MnV(15锰钒)、15MnVq。

    在受力大的承重钢结构中采用低合金钢，可较Q235钢节约钢材15％―25％。

    2．钢材的选择

    选择钢材的目的是要在保证结构安全可靠的基础上，经济合理地使用钢材。通常要考虑：

    (1)选择钢材的依据

    1)结构或构件的重要性；

    2)荷载性质    (静力荷载或动力荷载)；

    3)连接方法    (焊接、铆钉或螺栓连接)：

    4)工作条件    (温度及腐蚀介质)。

    (2)建筑钢结构的选材要求

    1)承重结构用钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应符合现行标准的规定。

    2)下列情况的承重结构和构件不应采用Q235沸腾钢：

    a．焊接结构。直接承受动力荷载或振动荷载，且需要验算疲劳的结构；工作温度低于―20℃时的直接承受动力荷载或振动荷载、但可不验算疲劳的结构，以及承受静力荷载

的受弯及受拉的重要承重结构；工作温度等于或低于―30℃的所有承重结构。

    b．非焊接结构。工作温度等于或低于―20℃的直接承受动力荷载、且需要验算疲劳的结构。

    (3)承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。

    焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。

    对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于0℃但高于―20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有―20~c冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于―20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有―20℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有―40℃冲击韧性的合格保证。

    对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于―20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有―20℃冲击韧性的合格保证。

    吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。

    3．钢材的规格

    钢结构所用钢材主要有热轧成型的钢板和型钢以及冷弯成型的薄壁型钢。

    (1)钢板

    钢板分厚钢板、薄钢板和扁钢。其规格为：

    厚钢板：厚度4.5―60mm，宽度600～3000mm，长度4―12m；

    薄钢板：厚度0.35-4mm，宽度500-1500mm，长度0.5～4m；

    扁钢：厚度4-60mm，宽度12～200mm，长度3-9m。

    钢板通常用“一”后面加“宽度X厚度X长度”表示。如一600X 10X12000表示为600mm宽、lOmm厚、12m长的钢板。

    (2)型钢

    型钢可以直接用作构件，以减少加工制造工作量，在设计中应优先选用。常用的型钢有：角钢、槽钢、工字钢和钢管

    角钢，有等肢的和不等肢的两种。等肢角钢以肢宽和厚度表示，如L100X10为肢宽l00mm，厚l0mm的等肢角钢。不等肢角钢则以两肢宽度和厚度表示，如L100X 80X 8为长肢宽l00mm、短肢宽80mm，厚度为8mm的角钢。角钢长度一般为8―19m。

    槽钢，用号数表示，号数即为其高度的厘米数。号数