建筑師復(fù)習(xí)講義之鋼結(jié)構(gòu)（二）

二、鋼結(jié)構(gòu)的材料

    (一)鋼材的主要機(jī)械性能指標(biāo)

    鋼結(jié)構(gòu)在使用過程中要受到各種形式的作用，這就要求鋼材必須具有抵抗各種作用而不產(chǎn)生過大變形和不會(huì)引起破壞的能力。鋼材在各種作用下所表現(xiàn)出的各種特征，如彈性、塑性、強(qiáng)度，稱為鋼材的機(jī)械性能。鋼材的主要機(jī)械性能指標(biāo)有五項(xiàng)，即抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度，冷彎性能和沖擊韌性，這都是通過試驗(yàn)得到的。

    鋼材的單向均勻受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線提供了前三項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)。抗拉強(qiáng)度(用符號(hào)f表示)是鋼材的一項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)，它反映鋼材受拉時(shí)所能承受的極限應(yīng)力，是檢驗(yàn)鋼材質(zhì)量的重要指標(biāo)；當(dāng)以鋼材屈服強(qiáng)度作為靜力強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)時(shí)，抗拉強(qiáng)度成為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。伸長(zhǎng)率(用符號(hào)δ₅或δ₁₀表示)是衡量鋼材在靜荷載作用下塑性性能的指標(biāo)。屈服強(qiáng)度(也稱屈服點(diǎn)，用符號(hào)f_y表示)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)汁中靜力強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)，它是衡量鋼材的承載能力及確定鋼材抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通過冷彎試驗(yàn)得到對(duì)鋼材性能要求的第四項(xiàng)指標(biāo)――冷彎性能，它是衡量鋼材的塑性性能和檢驗(yàn)鋼材質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一個(gè)綜合指標(biāo)、通過沖擊試驗(yàn)得到對(duì)鋼材性能要求的第五項(xiàng)指標(biāo)――沖擊韌性，它是衡量鋼材抵抗可能因低溫、應(yīng)力集中、動(dòng)力荷載作用而導(dǎo)致脆性斷裂能力的一項(xiàng)指標(biāo)。滿足沖擊韌性的要求是個(gè)比較嚴(yán)格的指標(biāo)，實(shí)際上只有經(jīng)濟(jì)承受較大、使用較頻繁的動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，特別是焊接結(jié)構(gòu)，才需要有沖擊韌性的保證。

    (二)影響鋼材機(jī)械性能的主要因素 

    鋼結(jié)構(gòu)有性質(zhì)完全不同的兩種破壞形式，即塑性破壞和脆性破壞。塑性破壞的主要特征是具有較大的、明顯可見的塑性變形，且僅在構(gòu)件中的應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度后才發(fā)生。由于塑性破壞前有明顯的預(yù)兆，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而采取補(bǔ)救措施，因此，實(shí)際上結(jié)構(gòu)是極少發(fā)生塑性破壞的：脆性破壞的特征是破壞前的塑性變形很小，甚至沒有塑性變形，構(gòu)件截面上的平均應(yīng)力比較低(低于屈服點(diǎn))。由于脆性破壞前無任何預(yù)兆，無法及時(shí)察覺予以補(bǔ)救，所以危險(xiǎn)性極大。討論影響鋼材機(jī)械性能的因素時(shí)，應(yīng)特別注意導(dǎo)致鋼材變脆的因素。

    1．化學(xué)成分的影響

    碳素鋼中，鐵元素含量約占99％左右，其他元素有碳，磷、氮、硫、氧、錳、硅等，它們的總和約占1％左右。低合金鋼中，除上述元素外，還有合金元素，其含量小于或等于5％，盡管碳和其他元素含量很小，但對(duì)鋼材的機(jī)械性能卻有著極大的影響。

    普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中，碳是除鐵以外的最主要元素。隨著含碳量的增加，鋼材的強(qiáng)度提高，塑性，沖擊韌性下降，冷彎性能、可焊性和抗銹蝕性能變差。因此，雖然碳是鋼材獲得足夠強(qiáng)度的主要元素，但鋼結(jié)構(gòu)中，特別是焊接結(jié)構(gòu)，并不采用含碳量高的鋼材。現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017--2003)(本節(jié)以下簡(jiǎn)稱《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》)推薦的鋼材，在焊接結(jié)構(gòu)中，含碳量一般控制在0.12％―0.2％之間。

    磷、氮、硫和氧是有害的雜質(zhì)元素；隨著磷、氮含量的增加，鋼材的強(qiáng)度提高，塑性、沖擊韌性嚴(yán)重下降，特別是在溫度較低時(shí)促使鋼材變脆(稱冷脆)，磷還會(huì)降低鋼的可焊性：硫和氧的含量增加會(huì)降低鋼材的熱加工性能，并降低鋼材的塑性、沖擊韌性。硫還會(huì)降低鋼材的可焊性和抗銹蝕性能：所以，對(duì)磷、氮、硫和氧的含量應(yīng)嚴(yán)格加以限制(均不超過0．05％)。

    錳和硅是有益的雜質(zhì)元素，能起到脫氧的作用，當(dāng)含量適中時(shí)，能提高鋼材的強(qiáng)度而對(duì)塑性和沖擊韌性無明顯影響：

    2．冶煉、澆注的影響

    我國目前鋼結(jié)構(gòu)用的鋼，主要是由平爐和氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉而成的。這兩種冶煉方法的鋼，質(zhì)量大體相當(dāng)。

    鋼材冶煉后按澆鑄方法(也稱脫氧方法)的不同而分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼采用錳鐵作脫氧劑，脫氧不完全，鋼材質(zhì)量較差，但成本低；鎮(zhèn)靜鋼用錳鐵加硅或鋁脫氧，脫氧較徹底，材質(zhì)好，但成本較高；半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程序、質(zhì)量和成本介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間；特殊鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程序比鎮(zhèn)靜鋼更高，質(zhì)量最好，但成本也最高。

    3．應(yīng)力集中

    當(dāng)構(gòu)件截面的完整性遭到破壞，如開孔、截面改變等，構(gòu)件截面的應(yīng)力分布不再保持均勻，在截面缺陷處的附近產(chǎn)生高峰應(yīng)力，而截面其他部分應(yīng)力則較低，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中(圖11-82)。應(yīng)力集中是導(dǎo)致鋼材發(fā)生脆性破壞的主要因素之一。試驗(yàn)表明，截面改變?cè)酵蝗?、尖銳程度越大的地方，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，引起脆性破壞的危險(xiǎn)性就越大。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)使截面的構(gòu)造合理。如截面必須改變時(shí)，要平緩過渡。構(gòu)件制造和施工時(shí)，應(yīng)盡可能防止造成刻槽等缺陷。

    4．溫度的影響

    鋼材在正溫范圍內(nèi)，約在100⁰C以上時(shí)，隨著溫度的升高，鋼材的強(qiáng)度降低，塑性增大。在250⁰C左右，鋼材的抗拉強(qiáng)度有所提高，而塑性下降，這種現(xiàn)象稱為冷脆現(xiàn)象，鋼結(jié)構(gòu)不宜在該溫度范圍內(nèi)加工。溫度達(dá)到500―600⁰C時(shí)，強(qiáng)度幾乎為零。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)表面經(jīng)常受較高的輻射熱(150℃以上)時(shí)，應(yīng)采取隔熱措施，如加擋板或設(shè)循環(huán)水管等，加以保護(hù)。為提高鋼結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間，可在構(gòu)件上按需要涂不同厚度的防火涂料。當(dāng)溫度低于常溫時(shí)，隨著溫度的下降，鋼材的強(qiáng)度有所提高，而塑性和沖擊韌性下降，當(dāng)溫度下降到某一負(fù)溫值時(shí)，鋼材的塑性和沖擊韌性急劇降低，這種現(xiàn)象稱為鋼材的低溫冷脆現(xiàn)象(簡(jiǎn)稱冷脆)。因此，處于低溫條件下的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇耐低溫性能比較好的鋼材，如鎮(zhèn)靜鋼，低合金結(jié)構(gòu)鋼，

    5．鋼材的硬化

    鋼材的硬化包括時(shí)效硬化和冷作硬化。時(shí)效硬化是指高溫時(shí)溶化于鐵中的少量氮和碳，隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸從固溶體中析出，形成氮化物或碳化物，對(duì)鋼材的塑性變形起遏制作用，從而使鋼材強(qiáng)度提高、塑性和沖擊韌性下降。冷作硬化(也稱應(yīng)變硬化)是指鋼材在間歇重復(fù)荷載作用下，鋼材的彈性區(qū)擴(kuò)大，屈服點(diǎn)提高，而塑性和沖擊韌性下降。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不考慮硬化后強(qiáng)度提高的有利影響，相反，對(duì)重要的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件要考慮硬化后塑性和沖擊韌性下降的不利影響。

    6．焊接

    焊接連接時(shí)。由于焊縫及其附近的高溫區(qū)的金屬經(jīng)過高溫和冷卻的過程，金屬內(nèi)部組織發(fā)生了變化，使鋼材變脆變硬。同時(shí)，焊接還會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷和焊接應(yīng)力，也是促使鋼材發(fā)生脆性破壞的因素。

    大量的脆性破壞事故說明，事故的發(fā)生經(jīng)常是幾種因素的綜合。根據(jù)具體情況正確選用鋼材是從根本上防止脆性破壞的辦法，同時(shí)也要在設(shè)計(jì)、制造和使用上注意消除促使鋼材向脆性轉(zhuǎn)變的因素。

    (三)鋼材的種類、選擇和規(guī)格

    1．鋼材的種類

    《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》推薦的承重結(jié)構(gòu)用鋼材有普通碳素結(jié)構(gòu)鋼(簡(jiǎn)稱碳素鋼)和普通低合金結(jié)構(gòu)鋼(簡(jiǎn)稱低合金鋼)兩種。

    (1)碳素鋼

    我國生產(chǎn)的專用于結(jié)構(gòu)的碳素鋼Q235(Q是屈服點(diǎn)的漢語拼音首位字母，數(shù)值表示鋼材的屈服點(diǎn)，單位N／mm²)。鋼結(jié)構(gòu)用鋼材主要是Q235，其含碳量和強(qiáng)度、塑性、加工性能等均適中。碳素鋼牌號(hào)的全部表示是QX X X后附加質(zhì)量等級(jí)和脫氧方法符號(hào)，如Q235一AF、Q235一C等。Q235鋼共分為A、B、C、D四個(gè)質(zhì)量等級(jí)(A級(jí)最差，D級(jí)最好)。A、B級(jí)鋼按脫氧方法分為沸騰鋼(符號(hào)F)、半鎮(zhèn)靜鋼(符號(hào)b)或鎮(zhèn)靜鋼(符號(hào)Z)，C級(jí)為鎮(zhèn)靜鋼，D級(jí)為特殊鎮(zhèn)靜鋼(符號(hào)TZ)；Z和TZ在牌號(hào)中省略不寫。

    (2)低合金鋼

    低合金鋼是在冶煉碳素鋼時(shí)加一種或幾種適量合金元素，以提高鋼材強(qiáng)度、沖擊韌性等而又不太降低其塑性。低合金鋼的牌號(hào)表示方法是：自左向右依次列出其平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)，合金元素的名稱(或符號(hào))及含量的百分?jǐn)?shù)，當(dāng)合金元素平均含量小于1．5％時(shí)不注明其含量，達(dá)到或超過1．5％用整數(shù)注明其含量。鋼結(jié)構(gòu)常用的低合金鋼有：16Mn(平均含碳量萬分十六，合金元素錳，合金元素平均含量小于1．5％)，16Mnq(q――橋梁用鋼)和15MnV(15錳釩)、15MnVq。

    在受力大的承重鋼結(jié)構(gòu)中采用低合金鋼，可較Q235鋼節(jié)約鋼材15％―25％。

    2．鋼材的選擇

    選擇鋼材的目的是要在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)合理地使用鋼材。通常要考慮：

    (1)選擇鋼材的依據(jù)

    1)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性；

    2)荷載性質(zhì)    (靜力荷載或動(dòng)力荷載)；

    3)連接方法    (焊接、鉚釘或螺栓連接)：

    4)工作條件    (溫度及腐蝕介質(zhì))。

    (2)建筑鋼結(jié)構(gòu)的選材要求

    1)承重結(jié)構(gòu)用鋼材宜采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼，其質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

    2)下列情況的承重結(jié)構(gòu)和構(gòu)件不應(yīng)采用Q235沸騰鋼：

    a．焊接結(jié)構(gòu)。直接承受動(dòng)力荷載或振動(dòng)荷載，且需要驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)；工作溫度低于―20℃時(shí)的直接承受動(dòng)力荷載或振動(dòng)荷載、但可不驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)，以及承受靜力荷載

的受彎及受拉的重要承重結(jié)構(gòu)；工作溫度等于或低于―30℃的所有承重結(jié)構(gòu)。

    b．非焊接結(jié)構(gòu)。工作溫度等于或低于―20℃的直接承受動(dòng)力荷載、且需要驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)。

    (3)承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。

    焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材還應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。

    對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材，應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證。當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度不高于0℃但高于―20℃時(shí)，Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有0℃沖擊韌性的合格保證；對(duì)Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有―20~c沖擊韌性的合格保證。當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度不高于―20℃時(shí)，對(duì)Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有―20℃沖擊韌性的合格保證；對(duì)Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有―40℃沖擊韌性的合格保證。

    對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)的鋼材亦應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證。當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度不高于―20℃時(shí)，對(duì)Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有0℃沖擊韌性的合格保證；對(duì)Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有―20℃沖擊韌性的合格保證。

    吊車起重量不小于50t的中級(jí)工作制吊車梁，對(duì)鋼材沖擊韌性的要求應(yīng)與需要驗(yàn)算疲勞的構(gòu)件相同。

    3．鋼材的規(guī)格

    鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材主要有熱軋成型的鋼板和型鋼以及冷彎成型的薄壁型鋼。

    (1)鋼板

    鋼板分厚鋼板、薄鋼板和扁鋼。其規(guī)格為：

    厚鋼板：厚度4.5―60mm，寬度600～3000mm，長(zhǎng)度4―12m；

    薄鋼板：厚度0.35-4mm，寬度500-1500mm，長(zhǎng)度0.5～4m；

    扁鋼：厚度4-60mm，寬度12～200mm，長(zhǎng)度3-9m。

    鋼板通常用“一”后面加“寬度X厚度X長(zhǎng)度”表示。如一600X 10X12000表示為600mm寬、lOmm厚、12m長(zhǎng)的鋼板。

    (2)型鋼

    型鋼可以直接用作構(gòu)件，以減少加工制造工作量，在設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先選用。常用的型鋼有：角鋼、槽鋼、工字鋼和鋼管

    角鋼，有等肢的和不等肢的兩種。等肢角鋼以肢寬和厚度表示，如L100X10為肢寬l00mm，厚l0mm的等肢角鋼。不等肢角鋼則以兩肢寬度和厚度表示，如L100X 80X 8為長(zhǎng)肢寬l00mm、短肢寬80mm，厚度為8mm的角鋼。角鋼長(zhǎng)度一般為8―19m。

    槽鋼，用號(hào)數(shù)表示，號(hào)數(shù)即為其高度的厘米數(shù)。號(hào)數(shù)