2 钢结构的材料 学时：4 2.1 钢结构对材料的要求 钢结构常需在不同环境条件下承受各种荷载，因此钢材应具有良好的机械性能和加工工艺性能，以保证结构安全、节省钢材、便于加工制造，并降低价格和投资。
具体要求（1）较高的抗拉强度uf 和屈服点yf ；（2）较高的塑性和韧性；（3）良好的工艺性能 符合钢结构这些要求的钢材，只有属于碳素结构钢和低合金结构钢中的少数几种。
规范规定 承重结构 应具有抗拉强度、屈服点、伸长率和碳、硫、磷含量的合格保证； 焊接结构 还应有冷弯试验的合格保证； 承动力结构或重要的受拉、受弯焊接结构 还应有常温或负温冲击韧性的合格保证。
2.2 钢材的主要性能 1 2.2.1 钢材在单向均匀拉力作用下的性能 l F 曲线( 曲线)五个阶段：弹性，弹塑性，屈服，强化，颈缩。
性能指标：弹性极限ef，比例极限pf，弹性模量 E， E ； 切线模量 d d E t / （随应力 的增而减，直至屈服点时降为零）； 屈服点yf（下屈服极限）或2.0f（条件屈服极限）； 抗拉强度uf ； 截面收缩率 % 10001 0AA A，伸长率 % 10000 1ll l。
理想弹塑性材料 yf 时，在弹性阶段工作；yf 时，在塑性阶段工作。
强度性能 屈服强度yf—强度承载能力极限状态的标志 抗拉强度uf—抗破断能力的极限，屈强比u yf f /（强度储备）塑性性能
伸长率 —塑性变形的发展能力 物理性能 弹性模量 E；剪切模量 G；线膨胀系数 ；质量密度 。
表 2-1 注：
钢材受压（粗短试件）、受剪时与受拉性能相似。
2 2.2.2 冷弯性能 衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂纹的抵抗能力。由冷弯试验测定。既可检验钢材适应冷加工能力和显示钢材内部缺陷，也可考察钢材在复杂应力状态下发展塑性变形能力。
钢材冷弯试验时试件无裂纹或分层等现象发生，即为合格。
3 2.2.3 冲击韧性 钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的能力，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的能力。由常温（20°C）、负温（0°C、－20°C、－40°C）下冲击试验测定。
钢材的冲击韧性与钢材质量、试件缺口状况和加载速度有关，而且受温度特别是负温的影响较大（当温度低于某一负温值时，冲击韧性将急剧降低），还与钢材厚度有关（厚钢材的冲击韧性尤其是负温冲击韧性将显著降低）。
注：
强度、塑性——静力性能；冷弯性能——加工性能；冲击韧性——动力性能。
2.3 各种因素对钢材主要性能的影响 2.3.1 化学成分 钢的主要化学成分是铁（Fe，普通碳素钢中约占 99%）和少量的碳（C），此外有锰（Mn）、硅（Si）等有利元素，以及熔炼中很难除尽或混入的硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）、氢（H）等有害杂质。合金钢中还有特意添加用以改善钢材性能的合金元素，如锰、钒（V）等。
碳 对钢的强度、塑性、韧性和焊接性有决定性的影响。随碳含量的增加，抗拉强度和屈服强度提高；塑性、冷弯性能、冲击韧性尤其是低温冲击韧性降低；焊接性也变坏。结构钢材的碳含量不能过高，不超过 0.22%。
锰 含量不太多时，能显著改善钢材的冷脆性能，并提高抗拉强度和屈服强度提高，而不过多地降低塑性和冲击韧性；可脱除有害元素氧；还能与硫化合成 MnS，减少钢材热加工时因硫而产生裂纹的“热脆”现象。但过量的锰会使钢材变脆和塑性降低。碳素钢中锰含量为0.3～0.8%，低合金钢中锰含量为 1.2～1.6%。
硅 与钢液中的氧有较强的化合作用，并能使钢中纯铁体晶粒细小和散布均匀，是熔炼较好性能镇静钢的常用脱氧剂。适量硅可提高钢材的强度，而对塑性、冷弯性能、冲击韧性和焊接性无显著的不良影响。过量的硅将降低塑性和冲击韧性，恶化抗锈蚀能力和焊接性。
结构钢中硅含量一般不超过 0.3%（Q235 钢）或 0.6%（16Mn、15MnV 钢）。
钒 熔炼锰钒低合金钢时特意添加的合金元素。可提高钢材的强度和细化钢的晶粒；提高钢的高温硬度（钒化合物具有高温稳定性）。
15MnV 钢中钒含量为 0.004～0.12%。
硫 FeS 散布在纯铁体的间层，当温度为 800～1200℃时熔化而使钢材出现裂纹（“热脆”现象），使钢的焊接性变坏；还降低塑性和冲击韧性。
应严格限制结构尤其是焊接结构钢材的硫含量，一般不超过 0.035～0.050%。
磷 使钢在低温时韧性降低并容易产生脆性破坏（“冷脆”现象）；在高温时也使塑性变差。
应严格限制结构钢材的磷含量，一般不超过 0.035～0.045%。
氧、氮、氢 在钢熔融时从空气或水分子分解等进入钢液，在冷却后余留下来。氧的有害作用同硫且更甚；氮的有害作用类似磷；氢在低温时易使钢脆性破坏（“氢脆”现象）。
较重要的钢结构脆性破坏在低温下承受动力荷载的钢结构用钢，钢结构氧、氮、氢的含量。
2.3.2 冶金缺陷 常见的冶金缺陷：偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等 冶炼 目前钢结构用钢主要由平炉和氧气转炉冶炼而成。电炉钢质量精良，但成本高、电耗大。
浇注 钢冶炼后因浇注方法（脱氧程度或方法）的不同而分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。
沸腾钢 在熔炼钢液中仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧，钢液铸锭时有大量 CO 气体逸出，使钢液剧烈“沸腾”。铸锭后冷却速度快，溶于钢液中的气体不能全部逸出，易形成气泡包在钢 锭内；还使硫、磷杂质分布不匀，出现局部富集的“偏析”现象。质量不均匀，常使轧制钢材产生分层，降低钢材特别是厚钢板的抗层状撕裂的能力，但生产工艺简单，价格便宜，质量能满足一般承重钢结构的要求，应用较多。
镇静钢 在熔炼钢液中加入适量的强脱氧剂硅（或铝）和锰进行较彻底脱氧，钢液铸锭时不再发生沸腾现象而在锭模内平静地逐渐冷却。质量优良且均匀，组织致密，杂质少，偏析小。与沸腾钢相比，冲击韧性和焊接性较好，冷脆和时效敏感性较小，强度和塑性也略高，但工艺过程较复杂（需一定量强脱氧剂，铸锭时需适当保温），冷却后钢锭头部缩凹致使切除的部分较多，收得率低（约 80%），因而价格较高。
半镇静钢 在熔炼钢液中加入少量强脱氧剂硅（或铝），脱氧程度、质量和价格介于沸腾钢和镇静钢之间。
特殊镇静钢 脱氧要求更高，通常是用硅脱氧后再用铝补充脱氧。
轧制 把钢锭再加热至 1200～1300℃后进行轧制，这时钢具有较好的热塑性和可锻焊性，轧钢机的压力作用可消除铸造显微组织缺陷和细化钢的晶粒。
轧制钢材比同种类铸钢质量好，而且压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大，其强度和冲击韧性等也愈高。
2.3.3 钢材硬化 冷加工 冷拉、冷拔、冷弯、冲孔、剪切等。
冷作硬化（应变硬化）钢材加载至屈服阶段再卸载，产生很大塑性变形→屈服强度提高，弹性范围增加，塑性和韧性降低。
∴对钢结构特别是承受动力荷载作用的钢结构是不利的。
时效硬化（老化）t↗C、N 析出形成碳化物和氮化物→屈服强度和抗拉强度提高，塑性和韧性降低。
自然时效（长时时效）人工时效（短时时效）应变时效 冷作硬化＋时效硬化 4 2.3.4 温度 高温 T<150℃时，T↗→uf、yf、E↘（变化不大）； T≈250℃时，uf ↗、 ↘、kvA ↘，破坏呈脆性（“蓝脆”），加工易裂； T>300℃时，T↗→uf、yf、E↘(显著)， ↗(显著，徐变)； T>400℃时，T↗→uf、yf、E↘(急剧)； T≈600℃时，无承载能力。
∴ 当结构表面长期受辐射热达 150℃以上，或可能受到炽热熔化金属的侵害时，应做隔热层。
低 温 T↘→uf、yf ↗，塑性和韧性↘，脆性↗“冷脆”。
∴ 在低温（≤－20℃）工作的结构，特别是承受动力荷载作用的结构，钢材应具有负温（－20℃或－40℃）冲击韧性的合格保证。
2.3.5 应力集中 应力集中 截面突变→局部高峰应力，应力分布不均匀。
在应力集中的高峰应力区内，通常存在同号的平面或立体应力状态，常使钢材的变形发展困难而导致脆性状态破坏。
影响 静力极限承载力不变； 动力尤其低温下极限承载力明显降低，脆断。
∴应避免构件截面急剧改变。
2.3.6 反复荷载作用 反复荷载作用→结构的抗力和性能变化，若应力较大或反复次数较多就有可能发生低名义应力（低于抗拉强度或屈服强度）情况下发生突然断裂的破坏，即疲劳破坏。
2.4 复杂应力作用下钢材的屈服条件 yf 是钢材在单向拉伸（或压缩）下弹性与塑性工作的分界标志。
实际钢结构中，钢材常在双向或三向复杂应力状态下工作，其强度条件由能量强度理论（第四强度理论）给出。
三向应力状态 x，y，z，xy，yz，zx，（1，2，3）y eqf 2)()()(21 323 222 1 或 y zx yz xy x z z y y x z y x eqf 2 2 2 2 2 23)( 双向应力状态 x，y，xy，y xy y x y x eqf 2 2 23 单向正应力和剪应力状态 x， xy，y eqf 3 平面纯剪切应力状态 ，y eqf 3
或 vy yyf ff 58.03（抗剪屈服强度）钢材的屈服仅取决于三向主应力间差值平方和的大小。若1 ≈2 ≈3，则单元体的变形主要是各向均匀伸长或缩短引起的体积改变，而其形状基本保持不变，故形状改变应变能很小，致使塑性变形受到遏制，即使各主应力值很高，材料也很难转入屈服和有明显的变形。但高应力的作用使聚积在材料内的体积改变应变能很大，因而材料一旦破坏，便呈现出无明显变形征兆的突然剧烈的脆性破坏特征。
2.5 钢材的破坏形式 塑性破坏 构件应力达到抗拉强度uf，变形过大时发生。断口呈纤维状。有较大的塑性变形，且持续时间长，易发现并采取补救措施。
脆性破坏 计算应力低于抗拉强度或屈服强度时发生。断口平直并呈晶粒状。塑性变形小甚至没有，断裂前无预兆，危害较大。
钢结构脆性断裂破坏事故往往是多种不利因素综合影响的结果。
影响脆性断裂的因素 钢材质量差（C、S、P、O、N 含量过高，晶粒较粗，夹杂物等冶金缺陷严重，韧性差）；结构构件构造不当（孔洞、缺口或截面改变急剧或布置不当使应力集中严重）；制造安装质量差（焊接、安装工艺不合理，焊缝交错，焊接缺陷大，残余应力严重）；结构受较大动力荷载，或在较低环境温度下工作等（厚钢材尤甚）。
脆性断裂的防止 合理设计和选用钢材（选择合适的结构方案和杆件截面、连接及构造型式，避免截面的急剧改变，减小构造应力集中；根据结构的荷载情况、所处环境温度和所用钢材厚度，选择合适的钢种并提出需要的技术要求）；合理制造和安装；建立必要的使用维修规定和措施。
2.6 钢的种类和钢材规格 1 2.6.1 钢的种类 钢种 用途：
结构钢（建筑用，机械用），工具钢，特殊钢； 冶炼方法：平炉钢，氧气转炉钢，碱性转炉钢，电炉钢； 脱氧方法：沸腾钢，半镇静钢，镇静钢和特殊镇静钢；
成型方法：轧制钢（热轧、冷轧），锻钢，铸钢； 化学成分：碳素钢（低 C≤0.25%、中 0.25%
质量：
普通（S≤0.05%，P≤0.045%），优质（≤0.045%，≤0.04%），高级优质（≤0.035%，≤0.03%）； 建筑工程中采用的是：碳素结构钢，低合金高强度结构钢，优质碳素结构钢。
牌号 碳素结构钢（GB 700-88）：Q 屈服点数值－质量等级符号·脱氧方法代号 说明：
1）屈服点数值——钢材厚度（直径）≤16mm 时屈服点下限（MPa），如 195、215、235、255、275，小则碳含量和强度较低而塑性、韧性、焊接性较好。钢结构钢材主要用 Q235。
2）质量等级——按交货条件的严格程度由低到高分 A、B、C、D 四级 3）脱氧方法——F、b、｛Z｝、{TZ} 低合金高强度结构钢（GB 1591-94）：Q295，Q345，Q390，Q420，Q460（与碳素结构 钢表示法相同），质量等级——分 A、B、C、D、E 五级，均为镇静钢。
优质碳素结构钢：有热处理和不热处理两种，如高强螺栓需热处理。
专用结构钢代号 q（桥）、C（船）、R（容）、g（锅）；ML2、3（铆螺），H08（焊）2.6.2 钢材的选择 基本要求 保证结构安全可靠，节省钢材和工程费用。
考虑因素 结构的重要性 安全等级高者应选用较好的钢材； 荷载特征 对直接承受动力荷载的构件应选用质量和韧性较好的钢材； 连接方法 焊接结构应选用较好的钢材； 工作环境温度 对经常处于或可能处于较低负温下工作的钢结构，尤其是焊接结构 应选用质量较好和脆性转变温度低于结构工作环境温度的钢材； 钢材厚度 厚度大的焊接结构应选用质量较好的钢材。
2.6.3 钢材的规格 钢结构所用钢材主要是热轧成型的钢板和型钢以及冷弯（或冷压）成型的薄壁型钢。
钢结构构件可用单一型钢或几件型钢或钢板以焊缝、螺栓连接组成的组合截面。
热轧钢板 种类：厚钢板（厚 4.5～60mm）； 薄钢板（厚 0.35～4mm）； 扁钢（厚 4～60mm，宽 30～200 mm）； 表示方法—宽度×厚度×长度（mm）。
热轧型钢 角钢 ∟边宽×厚度（mm），如∟90×6； 等边 长边宽×短边宽×厚度（mm），如∟125×80×8。
不等边 工字钢 I 截面高度（cm）[规格（a、b、c）]，如 I50a； 普通 QI 截面高度（cm）[规格（a、b）]，如 QI50； 轻型 HK 截面公称高度（mm）规格（a、b、c…），如 HK300b；宽翼缘 HZ 截面公称高度（mm），如 HZ200。
窄翼缘 槽钢 ［截面高度（cm）[规格（a、b、c）]，如［20a； 普通 Q［截面高度（cm）[规格（a）]，如 Q［20a。
轻型 钢管 热轧无缝钢管；焊接钢管（由钢带弯曲焊成）φ外径×壁厚（mm），如φ102×5。
薄壁型钢 壁厚：1.5～5mm 表示：“B”“形状”“长边宽（高度）×短边宽（宽度）[×卷边宽度]×厚度” 如 B∟60×2.5，B□60×2，Bφ60×2，B∟60×40×2.5，B 80×60×2，B［120×40×2.5，B∟60×20×2，B 60×40×20×2，B［120×50×20×2.5，B 120×50×20×2.5。
压型钢板 板厚：0.4～1.6mm，用于轻型屋面墙面。
2.7 钢材的疲劳 长期承受频繁的反复荷载的结构及连接，如吊车梁，设计时必须作疲劳计算。
一． 钢材的疲劳与构件和连接的疲劳曲线 疲劳（疲劳破坏）钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展以致断裂破坏的现象。
钢材的疲劳破坏除了与钢材的质量、构件的几何尺寸和缺陷等因素有关外，主要取决于循环荷载在钢材内引起的反复循环应力的特征和循环次数。循环应力的特征可用 应力谱 应力随时间变化的曲线。（疲劳试验中常采用正弦波应力谱）。
图 2.10
应力谱的特征值：max， [ ] 应力比 max min / =－1——完全对称应力循环； <0——异号应力循环 =0——脉动应力循环 >0——同号应力循环 =1——静荷载 应 力幅 min max 钢材的疲劳试验表明，当钢材、试件、试验环境条件相同，且应力比为定值时，最大应力max 随疲劳破坏时应力循环次数 N 的增加而降低，且曲线具有平行于 N 轴的渐近线，当 N →∞时，max →fe。fe 表示应力循环无穷多次试件不致发生疲劳破坏的循环应力max 的极限值，称为钢材的 疲劳强度极限 或耐久疲劳强度。实用上常取相应于 N=5×610 次的疲劳强度作为钢材的耐久疲劳强度；相应于其他次数的疲劳强度称为条件疲劳强度。
焊接钢构件和连接的疲劳曲线 图 2.12 常幅循环应力作用下，疲劳试验曲线（N 曲线）：引起试件疲劳破坏的应力幅 与其循环作用次数 N 的关系 lg lg1b N 由此得到容许应力幅公式：
1] [ NC 式中，C、β——疲劳特征参数，与钢构件和连接的类别有关。
表 2.2 附录 6 二． 钢构件和连接的疲劳计算 规范规定，承受动力荷载重复作用的钢构件（如吊车梁、吊车桁架等），当应力变化的循环次数 n≥510 次时，应对应力循环中出现拉应力的部位进行疲劳计算。计算疲劳时，作用于结构的荷载取标准值，不乘荷载分项系数，也不乘动力系数，并按弹性方法计算其应力。
常幅疲劳计算 ] [
式中， ——对焊接部位：
min max ，对非焊接部位：
min max7.0 （折算应力幅）； [ ]——常幅疲劳的容许应力幅。
变幅疲劳计算 对受随机荷载作用的变幅疲劳计算或分析比较复杂，通常是近似地按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的应力幅折算成等效常应力幅e ，因此疲劳计算公式为 ] [)(/ 1 ii ienn 式中，in——以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； in——预期使用寿命内相应于应力幅i 的应力循环次数。
重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架按常幅疲劳等效的疲劳计算公式为 610 2] [ f 式中， ——按一台吊车荷载标准值计算max 和min 而得的计算应力幅； 610 2] [ ——循环次数 N 为 2×610 次的容许应力幅； f——欠载效应的等效系数，取 1.0（重级工作制硬钩吊车）、0.8（重级工作制软钩吊车）0.5（中级工作制吊车）。
例 例 1 1 试验算单层工业厂房中 24m 跨度 Q235-B 钢焊接吊车桁架下弦杆的疲劳强度。已知厂房跨度 33m ；吊车为两台 15/3t 中级工作制，每台吊车每侧的轮子数、轮距和最大轮压（标准值）如图；吊车桁架及轨道等自重可估为 5kN/m（标准值）；根据强度计算已选得下弦杆截面为 2∟160×14。（提示：疲劳验算时考虑一台吊车荷载标准值，求下弦杆最大内力时的轮子布置如图；下弦杆在节点处采用侧面角焊缝连接。）解：常幅疲劳应力幅 min max ——仅吊车荷载产生（max ：恒荷 载+吊车荷载产生；min ：恒荷载产生）疲劳计算公式
610 2] [ f 第八类角焊缝：610 2] [ =59（Mpa）中级工作制吊车 0.5 f（查附录 6——类别；表 2.2——C、β值；用公式(2.9)计算）一台吊车作用于在最不利位置（图示）时 支反力)(1952419)7 195 12 195(241kN R A 下弦杆轴力)(5.617 1956193121kN R NA 面积)(6.86 3.43 22cm A ∴)/(3.7110 6.8610 5.6172231mm NAN 59 3.71 5.0 满足疲劳强度 例 例 2 2 某 Q345 钢构件焊接部位的疲劳类别属于 6 类。经测试其一年内的应力变化总次数为 3 万次；其中各种应力幅的出现频率为：21/ 15 mm N ，占 5%，22/ 45 mm N ，占 20%，23/ 75 mm N ，占 30%，24/ 105 mm N ，占 25%，25/ 135 mm N ，占 15%，26/ 165 mm N ，占 5%。（1）以设计基准期 T=50 年考虑，试验算疲劳强度是否满足设计要求；（2）求该构件的设计疲劳寿命（年）。
解：变幅疲劳计算公式 ] [))((1 ii inn 第六类疲劳 3 ，1210 96.0 C ； 50 年循环次数 410 3 50 N 容许应力幅 231512/ 86)10 1510 96.0(] [ mm N (1)410 3 in 3 3 3 3 4105 25.0 75 3.0 45 2.0 15 05.0(10 3)( iin 1028025 10 3)165 05.0 135 15.04 3 3 ] [)/(101 1028025231 mm N 不满足疲劳强度(2)设疲劳寿命为 n 年 令 101)10 310 96.0(31412 n 得 31 n（年）
