1、2 CONTENTS PAGE 目录页1建筑钢材的破坏形式钢材的性能影响钢材性能的因素钢材的防护234目录5钢和钢材的种类及选用3 TRANSITION PAGE 过渡页2.1 建筑钢材的破坏形式4 2.1 建筑钢材的破坏形式钢材的破坏形式塑性破坏脆性破坏材料在破坏之前有显著的变形，且持续时间较长，能吸收较多的能量，使破坏有明显的预兆材料在破坏之前没有显著变形，且突然发生，吸收能量很少塑性破坏在破坏发生前有明显的变形且持续时间较长，易于发现，及时补救，因此不会引起严重后果；而脆性破坏由于事先无显著变形且突然发生，无法及时察觉和采取补救措施，其一旦发生可能会导致整个结构坍塌，所以脆性破坏造成的危
2、害和损失比塑性破坏严重得多。钢材的破坏形式除了与钢材的品种有关外，还与钢结构的工作环境、结构形式、加工条件等因素有关。2.1 建筑钢材的破坏形式5 TRANSITION PAGE 过渡页2.2.1 钢材的主要力学性能2.2.2 钢材的冷弯性能2.2 钢材的性能2.2.3 钢材的可焊性能2.2.4 钢材的耐火性能和耐候性能6 2.2 钢材的性能钢结构在使用过程中会受到各种作用，选用钢材时应保证它们具备抵抗各种作用的能力。钢材在各种作用下表现出来的各种特性（如强度、塑性、韧性、冷弯性能等）称为钢材的力学性能。钢材的力学性能是钢结构设计的重要依据。2.2.1 钢材的主要力学性能1强度强度在静载、常温
3、条件下，对钢材标准试件（如图所示）进行一次单向均匀拉伸试验是力学性能试验中最具有代表性的。图图2-1 静力拉伸试验的标准试件静力拉伸试验的标准试件（a）（b）7 2.2 钢材的性能图（a）为低碳钢单向均匀拉伸试验的应力应变曲线，图（b）所示为曲线的局部放大图。下面根据两图对低碳钢在单向受拉过程中经历的几个阶段以及强度、塑性的几项指标进行介绍。pNf当以后，曲线弯曲，应力应变关系呈非线性，但钢材仍具有弹性性质，即此时若卸荷（回零），则应变也降至零，不出现残余变形，该阶段称为钢材受力的弹性阶段。pp0032=/=/=tan=20610 N/mmAfNANAfL LLLEEE曲线开始处的斜直线终点所
4、对应的最大应力称为。设试件承受的为，试件的为，则当试件横截面上的应力时，应变有式中，为原标距长度，为其伸长量。由此可知，应力和应变成正比，符合胡克定律，即式中，为斜直线的斜率，称为钢材的弹性模量，一般可统一取。比例极限轴心拉力横截面面积1）弹性阶段）弹性阶段图图2-2 低碳钢单向均匀拉伸的应力低碳钢单向均匀拉伸的应力应变曲线应变曲线（a）（b）8 2.2 钢材的性能2）屈服阶段）屈服阶段ey2-1 b2-2 bfCf当后，钢材受力进入弹塑性阶段（图（）中区段），其变形包括弹性变形和塑性变形两部分，即后者在卸荷后不会消失而成为残余变形。其后，曲线出现锯齿形波动，直到点，此时即使应力保持不变，应变
5、仍持续增大，这称为钢材受力的塑性流动阶段（图（）中区段），也就是钢材对外力的屈服阶段，对应的应力称为屈服点。9 2.2 钢材的性能um UfR屈服阶段后，钢材内部组织经重新调整，又恢复了承载能力，曲线有所上升，此称为钢材受力的强化阶段。在此阶段以塑性变形为主，直至曲线最高点，该点对应的应力就是钢材能承受的最大拉应力，称为钢材的抗拉强度（国标钢材标准以表示）。3）强化阶段）强化阶段10 2.2 钢材的性能4）颈缩阶段）颈缩阶段peyuyyyuk2-2fffffffffL。代表性的强度指标为比例极限、弹性极限、屈服点和抗拉强度。通常简化为之前材料为完全弹性体，之后则为完全塑性体，如图当试件的应力达
6、到所示。时，在试件的某一薄弱截面处，横截在钢结构设计时，以屈服点面急剧变细收缩作为承载能力极限状态强度计算的限值，即钢材强度的标准值，并据此确定钢材的强，试件伸长量迅速增加，荷载下降，直至试件被拉断破坏，这个阶段度称为颈缩阶段0.20.2%2-3ff=设计值。没有明显屈服点和塑性平台的钢材，可用卸荷后试件的残余应变所对应的应力作为其屈服点，称为条件屈服点或屈服强度，如图所示。是钢材破坏前能够承受的最大应力，同时还可作为钢材的强度储备，屈强比越小，强度储备越大，钢材越安全。屈服点可直接反映钢材内部组织的优劣和是钢材强度的两抗拉强度项重要指标抗拉强度图2-3 理想弹塑性材料的应力应变曲线图2-4
7、钢材的条件屈服点11 2.2 钢材的性能塑性是指钢材破坏前产生塑性变形的能力，可由静力拉伸试验得到的力学性能指标伸长率A和截面收缩率Z来衡量。A和Z数值越大，表明钢材塑性越好。2塑性塑性1000110 0%(21)ALLALLL0500005/d伸长率 等于试件拉断后原标距的塑性变形（即伸长值）与原标距的比值，以百分数表示，即式中，试件原标距长度；试件拉断后标距的长度。标准试件一般取，所得伸长率用表示。随试件的标距长度与试件直径的比值增大而减小。ALAdLd=12 2.2 钢材的性能01001100%(2 2)ZSSZSSSZ断面收缩率等于颈缩断口处截面面积的缩减值与原截面积的比值，以百分数表
8、示，即式中，试件原截面面积；颈缩断口处截面面积。向性能就是钢板在厚度方向抵抗层状撕裂性能，可用厚度方向的截面收缩率进行衡量。试验时，试件应断面收缩率 可反映钢材（颈缩部分）在三向拉应力状态下的最大塑性变形能力，这对于高层建筑结构用钢板须考虑 向（厚度方向）性能时尤其重要。ZZGB/T1987920053Z15Z25Z3515%25%35%Z取厚度方向，并采用摩擦焊将试件两端加长，以便于夹持。根据建筑结构用钢板的规定，对于厚度方向性能的钢板分 种厚度方向性能级别，即，和，它们分别表示为断面收缩率，和。13 2.2 钢材的性能冲击韧性除了与钢材的质量密切有关外，还与钢材的轧制方向有关。由于顺着轧制
9、方向（纵向）的内部组织较好，因此纵向切取的试件冲击韧性值较高，横向则较低。目前钢材标准规定按纵向采用。kvkv10 mm10 mm55 mmV5J 2AA钢材的韧性用冲击试验确定，它是衡量钢材在冲击荷载（动力）作用下抵抗脆性破坏的机械性能指标。钢材的脆断常从裂纹和缺口等应力集中或三向受拉应力处产生。因此，为了具有代表性，冲击试验一般采用截面、长且中间开有 形缺口的试件，放在冲击试验机上用摆锤击断（如图所示），以得出其吸收的冲击功（单位为）。值越大，则钢材的韧性韧性是指钢材抵抗冲击或振动荷载的能力。越好。图2-5 理想弹塑性材料的应力应变曲线3塑性塑性14 2.2 钢材的性能冷弯性能可衡量钢材在
10、常温下冷加工弯曲时产生塑性变形的能力。如图2-6所示为冷弯性能试验情况。厚度为 a 的标准试件放置在冷弯机辊轴上，用弯心直径为d的冲头对试件中部加压，使其弯曲180，然后检查试件表面，以不出现裂纹和分层为合格。2.2.2 钢材的冷弯性能图2-6 冷弯性能试验冷弯性能是钢材力学性能的一项指标。冷弯性能不仅是检验钢材适应加工能力和显示钢材内部缺陷（如非金属夹杂和分层等）的指标，而且由于冷弯时试件弯曲部位受到冲头挤压以及弯曲和剪切的复杂作用，所以冷弯性能也是考察钢材在复杂应力状态下塑性变形能力的指标。15 2.2 钢材的性能钢结构的制作和安装，通常采用焊接的方法。因此，钢材是否具备可焊性能，是其能否
11、在建筑工程中应用的重要条件。2.2.3 钢材的可焊性能钢材的焊接是将焊缝及其附近母材金属经升温熔化，然后再冷却凝结成一体的过程。钢材的可焊性则指在一定的焊接工艺条件下，所施焊的焊缝熔敷金属和母材金属均不产生裂纹，且焊接的接头机械性能不低于母材的机械性能。影响钢材可焊性的因素很多，除钢材品种、化学成分及规格等自身因素外，还与节点复杂程度、约束程度、焊接的环境温度、焊接材料和焊接工艺等众多外在因素有关。因此，钢材可焊性的优劣应根据上述各种因素对焊接难易的影响程度进行区分。易焊钢材的可焊性好；反之，难焊钢材的可焊性差。16 2.2 钢材的性能2.2.4 钢材的耐火性能和耐候性能对建筑钢材的耐火性能要
12、求，不同于对用于工业生产的耐热钢有长时间高温强度的要求。建筑钢材的耐火性能只需满足在一定高温下，保持结构在一定时间内不致垮塌，以保证人员和重要物资安全撤离火灾现场。因此，它不需要在钢中添加大量贵重的、耐热性高的合金元素（如铬、钼），而只需添加少量较便宜的合金元素，即可具备一定的耐火性能。建筑钢材的耐火性能指标应满足下式要求，即 （2-3）式（2-3）表示钢材在600高温时的屈服点应具有高于常温时屈服点的2/3，这也是保证建筑防火安全性的一个许用指标。耐火性能和耐候性能是针对某些专用钢材所具有的附加性能。y(600)y2 3ff1耐火性能耐火性能耐火钢一般是在低碳钢或低合金钢中添加V（钒）、Ti
13、（钛）、Nb（铌）合金元素，组成Nb-V-Ti合金体系，或者再添加少量Cr（铬）、Mo（钼）合金元素。具有耐火性能的钢材，可以根据防火要求的需要，不用或减薄防火涂料，因此它有良好的经济效果，并且能加大使用空间。17 2.2 钢材的性能在自然环境下，普通钢材每5年的腐蚀厚度可达0.11 mm。如果钢材处于腐蚀气体环境中，则更为严重。对建筑钢材的耐候性能要求，它只需满足在自然环境下可裸露使用（如输电铁塔等），其耐候性提高到普通钢材的68倍，即可获得良好效果。2耐候性能耐候性能同耐火钢一样，耐候钢一般也是在低碳钢或低合金钢中添加合金元素，如Cu，P，Cr，Ni等，以提高抗腐蚀性能。在大气作用下，耐候
14、钢表面可形成致密的稳定锈层，以阻绝氧气和水的渗入，进而避免电化学腐蚀过程。如果在耐候钢上再涂装防腐涂料，其使用年限将远高于一般钢材。钢材还可在钢厂将其表面镀锌或镀铝锌，然后再在上面辊涂彩色聚酯类涂料，以使其具有优良的耐候性能，但这种工艺只能生产彩涂薄钢板。钢材的耐火、耐候性能一般均是在低碳钢或低合金钢中添加与其相关的合金元素，添加的合金元素可综合提高数种性能（包括力学性能、Z向性能和可焊性能）。18 TRANSITION PAGE 过渡页2.3.1 化学成分影响2.3.2 培冶炼、轧制、浇铸和热处理的影响2.3 影响钢材性能的因素2.3.3 钢材的硬化2.3.4 温度的影响2.3.5 复杂应力
15、作用的影响2.3.6 应力集中的影响2.3.7 残余应力的影响2.3.8 钢材的疲劳19 2.3 影响钢材性能的因素钢的基本元素是铁（Fe）和少量的碳（C）。碳素结构钢中纯铁约占99%，其余是碳和硅（Si）、锰（Mn）等有利元素以及在冶炼过程不易除尽的有害杂质元素硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等。在低合金高强度结构钢中，除上述元素外，还含有改善钢的某些性能的合金元素，主要有钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）和铝（Al），以及铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、稀土（RE）等。其总含量一般低于3%。在钢中碳和其他元素的含量尽管不大，但对钢的力学性能却有着决定性的影响。钢的化学成分直接影响钢
16、的颗粒组织和结晶构造，并与钢材力学性能有密切关系。2.3.1 化学成分的影响20 2.3 影响钢材性能的因素1碳元素对钢材性能的影响钢的化学成分中，碳是除纯铁外的最主要元素，其含量直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。随着碳含量的增加，钢材的屈服点和抗拉强度提高，而塑性和冲击韧性（尤其是低温冲击韧性）下降，冷弯性能、可焊性和抗锈蚀性能等也明显恶化容易产生脆断。因此，新钢材标准对各牌号钢改为只规定其上限值不超过0.17%0.22%。2 硅元素对钢材性能的影响硅是作为强脱氧剂而加入钢中，以制成质量较优的镇静钢。适量的硅可提高钢的强度，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性无明显不良影响。碳素结构
17、钢中硅含量应不大于0.35%，低合金高强度结构钢则一般应不大于0.50%。3锰元素对钢材性能的影响锰是一种较弱的脱氧剂。当锰含量不太多时可有效地提高钢材的屈服点和抗拉强度，降低硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材的热加工性能和冷脆倾向，且对钢材的塑性和冲击韧性无明显降低。但随着锰含量的增加，钢材的可焊性能将随之降低，碳素结构钢中锰含量应不大于1.4%，低合金高强度结构钢则一般应不大于1.7%。钢材性能的直接影响因素：21 2.3 影响钢材性能的因素4硫元素对钢材性能的影响磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力，但会严重地降低钢的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，特别是在低温时使钢材变脆冷脆。同样，钢的质量等
18、级越高，磷含量的控制越严。碳素结构钢的磷含量一般应不大于0.035%0.045%，低合金高强度结构钢的磷含量应不大于0.025%0.035%。GJ钢板的磷含量则应不大于0.020%0.025%。Z向性能钢板的磷含量则一律应不大于0.020%。5磷元素对钢材性能的影响磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力，但会严重地降低钢的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，特别是在低温时使钢材变脆冷脆。因此钢材中磷含量也要严格控制。同样，钢的质量等级越高，磷含量的控制越严。碳素结构钢的磷含量一般应不大于0.035%0.045%，低合金高强度结构钢的磷含量应不大于0.025%0.035%。GJ钢板的磷含量则应不大于0.02
19、0%0.025%。Z向性能钢板的磷含量则一律应不大于0.020%。6氧元素和氮元素对钢材性能的影响氧和氮属于有害杂质。氧的影响与硫相似，使钢“热脆”。氮的影响则与磷相似，使钢“冷脆”。因此，氧和氮的含量也应严加控制，一般钢中氧含量应低于0.05%，氮含量应低于0.008%。钢材性能的直接影响因素：22 2.3 影响钢材性能的因素没有什么生意比人才的利润更高！李嘉诚合金元素可明显提高钢的综合性能。如钒、钛、铌能细化钢的晶粒，提高钢的韧性。稀土有利于脱氧、脱硫，改善钢的性能。铬、镍、钼能发挥微合金沉淀强化作用，提高钢的强韧性，尤其是低温韧性。另外，铜（Cu）能提高钢的耐蚀性能，但会降低可焊性能。铝
20、能很好地细化钢的晶粒，提高钢的韧性，因此，低合金高强度钢各牌号的高质量等级（C，D，E级）均规定铝含量应不小于0.015%。7合金元素对钢材性能的影响化学成分偏析使钢材的塑性、冷弯性能、冲击韧性及可焊性变坏。非金属夹杂中的硫化物使钢材“热脆”，氧化物则严重地降低钢材的力学性能和工艺性能。裂纹使钢材的冷弯性能、冲击韧性和抗脆性破坏的能力大大降低。钢材在厚度方向不密合的分层，虽各层间仍相互连接，并不脱离，但它将严重降低冷弯性能。分层的夹缝处还易锈蚀，甚至形成裂纹，这将大大降低钢材的冲击韧性及抗脆断能力，尤其是在承受垂直于板面的拉力时，易产生层状撕裂。23 2.3 影响钢材性能的因素钢材的生产要经过
21、冶炼、浇铸和轧制等工艺过程，在这些过程中，可能出现化学成分偏析、夹杂、裂纹、分层等缺陷而影响钢材性能。1 冶炼对钢材性能的影响冶炼对钢材性能的影响2.3.2 冶炼、轧制、浇铸和热处理的影响冶炼是将生铁水、废钢和石灰石等原料加入炼钢炉（氧气转炉、电炉等）炉膛中，用燃料（纯氧、煤气或重油等）加热燃烧至温度约1 650，使铁水中多余的碳、硫、磷等元素，在高温下经过熔化、氧化、还原等物理化学、反应过程而被除去，从而炼成合乎化学成分要求的各类钢种。24 2.3 影响钢材性能的因素沸腾钢沸腾钢是因采用锰作为脱氧剂，其脱氧作用低。沸腾钢冷却速度快，氧、氮等杂质气体不能全部逸出，并易在钢中形成气泡。同时，也可
22、能使钢中的化学成分分布不均匀，出现偏析现象。另外，气泡内的杂质（硫化物和氧化物）还可能产生非金属夹杂、裂纹、分层等缺陷。半镇静钢半镇静钢的脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，其性能优于沸腾钢，与镇静钢相似，而其成本又接近沸腾钢。影响半镇静钢钢锭结构的因素较复杂，对钢锭的浇铸、轧制等工艺有一定要求，尤其是对脱氧程度要求较严格。因此，半镇静钢尚未在国内大量生产。镇静钢镇静钢是因采用硅作为脱氧剂，其脱氧作用强，因而脱氧较充分，钢液不产生沸腾，表面较平静而得名。硅在脱氧过程中还会放出很多热量，故钢液冷却速度较慢，气体能充分逸出，钢中气泡少，晶粒细，组织致密，偏析小。特殊镇静钢特殊镇静钢是在用硅脱氧后加铝（
23、或钛）进行补充脱氧，因此较镇静钢而言，其晶粒更细，塑性和低温性能更好，尤其是可焊性显著提高。2 浇铸对钢材性能的影响浇铸对钢材性能的影响由于钢在熔炼时的氧化过程会生成氧化铁等夹杂，使钢的性能变坏，因而在浇铸过程需用与氧亲和力比铁高的脱氧剂加入钢液中脱氧。常用的脱氧剂有锰、硅、铝等，根据脱氧方式和脱氧程度的不同根据脱氧方式和脱氧程度的不同，将钢材分为沸腾钢沸腾钢、镇静钢镇静钢、半镇静钢半镇静钢和特殊镇静钢特殊镇静钢。25 2.3 影响钢材性能的因素3 轧制对钢材性能的影响轧制对钢材性能的影响钢材热轧可改善钢锭（坯）的铸造组织，使其结晶致密，消除冶炼过程中的部分缺陷。钢材热轧可改善钢锭（坯）的铸造
24、组织，使其结晶致密，消除冶炼过程中的部分缺陷。尤其是轧制压缩比大的小型钢材，如薄板、小型钢等，其强度、塑性、冲击韧性均优于压缩比小的大型钢材。另外，钢材性能还与轧制方向有关，顺着轧制方向（纵向）较好，横向较差。钢材性能还与轧制方向有关，顺着轧制方向（纵向）较好，横向较差。轧制工艺传统方法连铸连轧（续锭续钢）在钢炼好后，将钢液浇铸于钢锭模中成为体积较大的钢锭，经脱锭车间脱模后运至初轧厂再经均热炉加温，然后在初轧机中开坯，轧成厚度较小且长、宽适当的各种钢坯，供应给各钢厂（轨梁厂、轧板厂、无缝钢管厂等），轧成各种钢材它省去了铸锭开坯工序，直接将炼好的钢水在钢厂连铸机中浇铸成近终型的钢坯（薄板坯、中厚
25、板坯、方坯、圆坯、异形坯等），然后经轧机连续轧制成各种钢材26 2.3 影响钢材性能的因素4 处理对钢材性能的影响处理对钢材性能的影响钢材的热处理一般采用正火、退火、淬火和回火，其作用是通过改变钢的组织，细化晶粒，消除残余应力来改善钢的性能。淬火和回火退火正火正火是将钢材加热至900以上并保温一定时间，然后在空气中冷却。普通热轧钢材轧制后在空气中自然冷却，可以说也是处于正火状态，但往往因停轧温度过低或过高，而使钢的组织改变，降低了钢材性能。因此，对质量要求高的钢材（如Q390，Q420，Q460钢和GJ钢等），常需要正火处理或控制停轧（控制停轧温度为850900）。淬火是将钢材加热至900以上
26、并保温一定时间后。放入水或油中快速冷却。淬火后钢材强度大幅提高。但淬火后要及时回火，即将钢材加温至500600，经保温后在空气中冷却。采用淬火后回火的调质工艺处理，可显著地提高钢材强度，且能保持一定的塑性和韧性。退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后以适宜的速度冷却。目的是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件软化，改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去除残余应力，或得到预期的物理性能。除了一般性的退火外，还有一种去应力退火，又称低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件和冷加工件中的残余应力。27 2.3 影响钢材性能的因素2.3.3 钢材的硬化冶炼时留在纯铁体中的少量氮和碳
27、的固溶体，随着时间的增长将逐渐析出，并形成氮化物和碳化物，它们对纯铁体的塑性变形起着阻碍作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降，这种现象称为时效硬化。时效硬化的过程有短有长（几天至几十年），但在材料经塑性变形（10%左右）后加热到250，可使时效硬化加速发展，只需几小时即可完成，这称为人工时效。它一般被用来对特别重要结构使用的钢材进行时效硬化，然后测定其冲击韧性。在弹塑性阶段或塑性阶段卸荷后再重复加荷时，其屈服点将提高，即弹性范围增大，而塑性和韧性降低，这种现象称为冷作硬化，又称应变硬化。钢结构在制造时一般须经冷弯、冲孔、剪切、辊压等冷加工过程，这些工序的性质都是使钢材产生很大的塑性变形，
28、甚至断裂，对强度而言，就是超过钢材的屈服点，甚至抗拉强度，这必然引起钢材的硬化，降低塑性和韧性，增加脆性破坏的危险，这对直接承受动力荷载的结构尤其不利。因此，钢结构一般不利用冷作硬化来提高自身强度，并且为了消除冷作硬化的影响，对重要结构用材（如吊车工作级别高的吊车梁的受拉翼缘板）还应刨边，即将冷作硬化的板边刨除。1 时效硬化时效硬化2 应变硬化应变硬化28 2.3 影响钢材性能的因素2.3.4 温度的影响当温度从常温下降下降时，钢材的强度将略有提高钢材的强度将略有提高，但塑性塑性和韧性降低，脆性增大和韧性降低，脆性增大，尤其是当温度下降到负温某一区间时，其冲击韧性急剧降低，破坏特征明显地由塑性
29、破坏转变破坏特征明显地由塑性破坏转变为脆性破坏，出现低温脆断。为脆性破坏，出现低温脆断。因此，在低温（计算温度0）工作的结构，特别是需要验算疲劳的构件以及承受静态荷载的重要受拉和受弯焊接构件，钢材须具有0冲击韧性或负温（20或 40）冲击韧性的合格保证，以提高抗低温脆断的能力。图2-7 温度对钢材性能的影响当温度升高至约100时，钢材的抗拉强度fu、屈服点fy及弹性模量E均有变化。总的情况是强度降低，塑性增大，但数值不大，如图2-7所示。然而在250左右时，fu却有提高，而塑性和冲击韧性则下降，出现脆性破坏特征，这种现象称为“蓝脆蓝脆”（因表面氧化膜呈现蓝色而得名）。在蓝脆温度范围内进行热加工
30、，则钢材易发生裂纹。当温度超过250350时，fy和fu显著下降，而伸长率A却明显增大，产生徐变现象。当温度达600时，强度接近为零。因此，当结构的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，应采用砖或耐热材料做成的隔热层加以防护。29 2.3 影响钢材性能的因素2.3.5 复杂应力作用的影响图2-8 复杂应力作用状态eq222eq122331eq222222eqxyzxyyzzxxyyzzxeqyeqy28a1()()()24228b(+)3()25ff 如图（）所示，当用主应力表示时，有（）如图（）所示，当用应力分量表示时，有（）如果，则为弹性状态；如果，则为塑性状态。=
31、yeqyffy但当钢材受复杂应力作用，即在双向或三向应力作用时，此时钢材的屈服不能以某一方向的应力达到来判别，而是应按材料力学的能量强度理论用折算应力与钢材在单向应力时的比较来判别。钢材在单向应力作用时，是以屈服点作为由弹性工作状态转入塑性工作状态的标志。f（a）（b）30 2.3 影响钢材性能的因素22eq1212222eqxyxyxyxxyy22eq2eq2632703280329 当三向应力中有一向应力很小（如钢材厚度较薄时，厚度方向的应力可忽略不计）或等于零时，则为平面应力状态，上面两式可简化为（）（）在普通梁中，一般只有正应力 和剪应力 作用，即，和，则上式可简化为（）当受纯剪时，只
32、有剪应力，则（）取yeqyyyy.58021030.58CB 5001720030.58fffffff123y，则有（）即剪应力达到的倍时，钢材进入塑性状态。因此，钢结构设计规范对钢材的抗剪强度设计值取，为抗拉强，度设计值。由式可知，当三个主应力同号且差值又很小时，即使各自都远超过材料也很难进入塑性状态，甚至到破坏时也没有明显的塑性变形，呈现。但是当有一向为异号应力，且同号两个应脆性破坏f力相差又较大时，材料即比较容易进入塑性状态，破坏呈塑性特征。31 2.3 影响钢材性能的因素2.3.6 应力集中的影响在钢构件中一般常存在孔洞、缺口、凹角，以及截面的厚度或宽度变化等，由于截面的突然改变，致由
33、于截面的突然改变，致使应力线曲折、密集，因此在孔洞边缘或缺口尖端等使应力线曲折、密集，因此在孔洞边缘或缺口尖端等处，将局部出现高峰应力，而其他部位应力则较低，处，将局部出现高峰应力，而其他部位应力则较低，截面应力分布很不均匀截面应力分布很不均匀，这种现象称为应力集中应力集中，如图所示。32 2.3 影响钢材性能的因素如上图所示为4个开槽不同的拉伸试件的应力应变曲线，它显示应力集中的程度取决于槽口形状的变化。如果变化越剧烈，则抗拉强度增长越多，而钢材的塑性降低也越多，脆性破坏的危险性也越大。在应力集中处，由于应力线曲折，与构件受力方向不一致，因此将产生横向应力 ，如下图（b）所示。如果遇到构件较
34、厚的情况，还将产生 。由于 ，和 同号，因此构件处于同号的双向或三向应力场的复杂应力状态，从而使钢材沿受力方向的变形受到约束，以致塑性降低而产生脆性破坏。yzyzx33 2.3 影响钢材性能的因素由于钢结构采用的钢材塑性较好，当内力增大时，应力不均匀现象会逐渐趋由于钢结构采用的钢材塑性较好，当内力增大时，应力不均匀现象会逐渐趋于平缓，故不影响截面的极限承载能力。于平缓，故不影响截面的极限承载能力。因此，对承受静力作用在常温下工作的构件，设计时一般可以不考虑应力集中的影响。但是，对低温下直接承受动力作对低温下直接承受动力作用的构件，如果应力集中严重，加上冷作硬化等不利因素，则是脆性破坏的重要用的
35、构件，如果应力集中严重，加上冷作硬化等不利因素，则是脆性破坏的重要因素。因素。所以在设计时，应采取避免截面急剧改变等构造措施，以减小应力集中。2.3.7 残余应力的影响残余应力是钢材在热轧、氧割、焊接时残余应力是钢材在热轧、氧割、焊接时的加热和冷却过程中产生的，先冷却部分常的加热和冷却过程中产生的，先冷却部分常形成压应力，而后冷却部分则形成拉应力。形成压应力，而后冷却部分则形成拉应力。残余应力会使构件的刚度和稳定性降低。残余应力会使构件的刚度和稳定性降低。34 2.3 影响钢材性能的因素人们有这样的体验：一根细小的钢（铁）丝很不容易拉断，但将其连续反复地弯折后则较易断裂，如果在其上用手钳夹出一
36、缺口，则只需反复数次即可折断。实践证明，钢材在连续重复荷载的作用钢材在连续重复荷载的作用下，即使应力低于抗拉强度，甚至低于屈服点，也有可能发生破下，即使应力低于抗拉强度，甚至低于屈服点，也有可能发生破坏，这种现象称为坏，这种现象称为钢材的疲劳钢材的疲劳。在某些有缺陷（微观裂纹）的部位，其疲劳强度更低。疲劳破坏往往很突然，事先没有明显的征兆，破坏形式类似于脆性断裂。由此可见，钢材的疲劳破坏是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。因此，对于直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力循环次数n5104次时，应进行疲劳计算。一般仅重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架需
37、作疲劳计算。2.3.8 钢材的疲劳35 TRANSITION PAGE 过渡页2.4.1 钢材的种类2.4.2 钢结构用钢的牌号2.4.3 钢材的选用原则2.4.4 钢材的品种和规格2.4 钢和钢材的种类及选用36 2.4 钢和钢材的种类及选用钢材应用广泛、品种繁多，可按照不同的分类方法进行分类，如图右所示。建筑钢结构中，常见的钢材是碳素结构钢和低合金钢，一般用平炉或氧气转换炉冶炼。2.4.1 钢材的种类37 2.4 钢和钢材的种类及选用碳素结构钢的一般牌号，采用国家标准GB/T 7002006碳素结构钢的表示方法。它由代表屈服强度的汉语拼音字母、屈服强度的数值（按厚度 16 mm钢材）、质量
38、等级符号、脱氧方法符号等4个部分按顺序组成。所采用的符号分别用下列字母表示：Q钢材屈服强度“屈”字汉语拼音首位字母；A，B，C，D分别为质量等级；F沸腾钢“沸”字汉语拼音首位字母；Z镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母；TZ特殊镇静钢“特镇”两字汉语拼音首位字母。2.4.2 钢结构用钢的牌号1 碳素结构钢的牌号碳素结构钢的牌号根据上述牌号表示方法，可知碳素结构钢的Q235AF表示屈服强度为235 N/mm2、质量等级为A级的沸腾钢；Q235B表示屈服强度为235 N/mm2、质量等级为B级的镇静钢。GB/T 7002006碳素结构钢的牌号共分4种，即Q195，Q215，Q235和Q275。其中，Q2
39、35钢是钢结构设计规范推荐采用的钢材，它的质量等级分为A，B，C，D四级，各级的化学成分和力学、工艺性能相应有所不同。另外，A，B级钢分沸腾钢或镇静钢，而C级钢全为镇静钢，D级钢则全为特殊镇静钢。38 2.4 钢和钢材的种类及选用低合金高强度结构钢的一般牌号，采用国家标准GB/T 15912008低合金高强度结构钢的表示方法。它由代表屈服强度的汉语拼音字母、屈服强度的数值和质量等级符号3个部分按顺序组成。各部分含义与碳素结构钢相同，如低合金高强度结构钢的Q345C表示屈服强度为345 N/mm2、质量等级为C级的镇静钢（低合金高强度结构钢全为镇静钢或特殊镇静钢，故Z与TZ符号均省略）。2 低合
40、金高强度结构钢的牌号低合金高强度结构钢的牌号低合金高强度结构钢的牌号共分8种，即Q345，Q390，Q420，Q460，Q500，Q550，Q620和Q690。其中，Q345、Q390和Q420三个牌号是钢结构设计规范推荐采用的钢材。当需方要求钢板具有厚度方向性能时，则在上述规定后加上代表厚度方向（Z向）性能级别的符号，如Q345DZ15。39 2.4 钢和钢材的种类及选用钢材的选用原则是：保证结构安全可靠，同时要经济合理，节约钢材。一般而言，钢材的选择应考虑以下因素。2.4.3 钢材的选用原则结构重要性选择钢材要考虑结构使用的重要性，如大跨度结构、重要的建筑物结构，须相应选用质量更好的钢材。
41、连接方式对于焊接结构，当温度变化和受力性质改变时，焊缝附近的母体金属容易出现冷、热裂纹，促使结构早期破坏。所以焊接结构对钢材化学成分和机械性能要求应较严。对于非焊接连接的结构可适当降低。结构的工作环境温度对于低温环境下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好低温脆断性能的镇静钢。荷载特性根据荷载的性质不同选用适当的钢材，包括静荷载或动荷载；经常作用还是偶然作用；满载还是不满载等情况。同时提出必要的质量保证项目。钢材厚度钢材力学性能一般随厚度增大而降低，钢材经多次轧制后、钢的内部结晶组织更为紧密，强度更高，质量更好。40 2.4 钢和钢材的种类及选用2.4.4 钢材的品种和规格钢板分为厚钢板、
42、薄钢板和扁钢，其规格用符号“”和宽度厚度长度的毫米数表示。如：300 10 3000表示宽度为300mm，厚度为10mm，长度为3000mm的钢板。钢结构采用的钢材品种主要为热轧成型的钢板和型钢，冷弯成型的薄壁型钢和冷压或冷轧成型的压型钢板。1钢板钢板厚度大于4 mm，宽度为6003 000 mm，长度为412 m。厚钢板薄钢板扁钢厚度为460 mm，宽度为12200 mm，长度为39 m。厚度小于4 mm，宽度为5001 500 mm，长度为0.54 m。41 2.4 钢和钢材的种类及选用常用的热轧型钢有H型钢、T型钢、工字钢、槽钢、角钢和钢管，如图2-11所示。2 热轧型钢热轧型钢图2-1
43、1 热轧型钢42 2.4 钢和钢材的种类及选用H型钢和T型钢是近年来我国广泛应用的热轧型钢，其新国标为GB/T 112632005热轧H型钢和剖分T型钢。H型钢和T型钢的截面形状较之于传统型钢（工字钢、槽钢和角钢）合理，使钢材能更高地发挥效能，且其内、外表面平行，便于和其他构件连接，因此只需少量加工，便可直接用做柱、梁和屋架杆件。1）H型钢和型钢和T型钢型钢H型钢和T型钢均分为宽、中、窄三种类别，而H型钢还增列有轻型系列，其代号分别为HW，HM，HN，HT和TW，TM，TN。宽翼缘HW型的翼缘宽度B与其截面高度H一般相等，适用于制作柱；中翼缘HM型的B（1/31/2）H，适用于制作柱或梁；窄翼
44、缘HN型的B（1/31/2）H，则适用于制作梁。H型钢和T型钢的规格标记均采用：高度H宽度B腹板厚度t1 翼缘厚度t2。例如，HK2202061525表示宽翼缘HK型钢，其截面高度220 mm、翼缘宽度206 mm、腹板厚度15 mm、翼缘厚度25 mm。43 2.4 钢和钢材的种类及选用工字钢由于宽度方向的惯性矩和回转半径比高度方向的小得多。因而在应用上有一定的局限性，一般宜用于单向受弯构件。工字钢工字钢分为普通、轻型和翼缘宽三种，用符号分为普通、轻型和翼缘宽三种，用符号“”及号及号数表示。数表示。其中，号数号数代表截面高度的厘米数。代表截面高度的厘米数。20号和号和32号以上号以上的普通工
45、字钢，同一号数中又分的普通工字钢，同一号数中又分a，b和和a，b，c类型，其腹板类型，其腹板厚度和翼缘宽度均分别递增厚度和翼缘宽度均分别递增2 mm。如36a表示截面高度为360 mm、腹板厚度为a类的普通工字钢。工字钢宜尽量选用腹板厚度最薄的a类，这是因其重量轻，而截面惯性矩相对却较大。2）工字钢工字钢44 2.3 影响钢材性能的因素槽钢分为普通槽钢和轻型槽钢两种。槽钢型号用符号槽钢型号用符号“”及号数表示。同工字钢一样，号数也代表截及号数表示。同工字钢一样，号数也代表截面高度的厘米数。面高度的厘米数。如20与Q20分别代表截面高度为200 mm的普通槽钢和轻型槽钢。14号和24号以上的普通
46、槽钢，同一号数中又分a，b和a，b，c类型，其意义与工字钢相同。角钢分为等边角钢和不等边角钢两种角钢分为等边角钢和不等边角钢两种。等边角钢：其相互垂直的两肢长相等，其型号用符号“”和肢宽肢厚的毫米数表示。3）槽钢槽钢4）角钢角钢不等边角钢：其相互垂直的两肢长不相等，其型号用符号“L”和长肢宽短肢宽肢厚的毫米数表示。钢管分为无缝钢管和焊接钢管两种，型号用“ff”和外径壁厚的毫米数表示，如f21914为外径219 mm、壁厚14 mm的钢管。5）钢管钢管45 2.4 钢和钢材的种类及选用建筑中使用的冷弯型钢常用厚度为1.55 mm的薄钢板或钢带经冷轧（弯）或模压而成，故也称冷弯薄壁型钢。如图2-1
47、2所示为冷弯薄壁型钢的常见形式。3冷弯冷弯型钢和压型钢板型钢和压型钢板图2-12 冷弯薄壁型钢1）冷弯冷弯型钢型钢与相同截面的热轧型钢相比，冷弯薄壁型钢的截面轮廓尺寸 较大而其壁较薄，使截面的惯性矩和回转半径较大，因而受力性能较好并能节省钢材，是一种高效经济的截面型材。但是，由于薄壁对锈蚀的影响较敏感。冷弯薄壁型钢多用于跨度小、荷载轻的轻型钢结构中冷弯薄壁型钢多用于跨度小、荷载轻的轻型钢结构中。46 2.4 钢和钢材的种类及选用压型钢板是冷弯型钢的另一种形式，它是用厚度为0.32 mm的镀锌或镀铝锌钢板、彩色涂层钢板经冷轧（压）成的各种类型的波形板。如图2-13所示为压型钢板部分板型。压型钢板
48、表面经涂漆、镀锌或涂有机层处理，可以防止锈蚀，因而有较好的耐久性。在受力上具有较好的平面外刚度和抗弯能力，常用于屋面板、墙板、楼板及装饰板。2）压型钢板）压型钢板图2-13 压型钢板部分板型47 TRANSITION PAGE 过渡页2.5.1 钢材脆性断裂的预防2.5.2 钢结构的防火保护2.5 钢材的防护2.5.3 钢结构防腐蚀措施48 2.5 钢结构防腐蚀措施2.5.1 钢材脆性断裂的预防预防钢材脆性断裂的方法为：预防钢材脆性断裂的方法为：选用韧性好的钢材；避免截面剧变；减少应力集中；合理的制造安装，减少裂纹缺陷和焊接残余应力。49 2.5 钢结构防腐蚀措施2.5.2 钢结构的防火保护钢结构的常用防火保护措施包括：在钢构件表面粘贴预制绝热板；喷涂蛭石或石棉水泥防火层；采用型钢混凝土组合结构；采用防火涂料和防火漆等。50 2.5 钢结构防腐蚀措施2.5.3 钢结构防腐蚀措施钢结构在潮湿或腐蚀介质条件下表面会锈蚀。钢材的防腐防锈的主要措施为钢材的防腐防锈的主要措施为涂料防腐涂料防腐。将除锈后的钢件涂红丹12层，再刷罩面油漆；将金属构件和安装螺栓除锈后的镀锌槽内镀锌，再拼装成结构；阳极保护法。对水下或地下钢结构常采用阳极保护。其中，涂料防腐是目前最普遍最常用的方法。此外，在构造设计时还应采取妥善处理措施，对钢结构加以防护。
