淺析鋼結(jié)構的材料.doc

第二章 鋼結(jié)構的材料2.1概述2.1.1建筑結(jié)構用鋼的基本要求（重點）鋼材種類繁多，規(guī)格、用途也不相同，對建筑結(jié)構用鋼來說，主要有三方面的要求：1強度結(jié)構的承載力大，所需的截面小，結(jié)構的自重輕；2塑性、韌性塑性好，不易發(fā)生脆性破壞；韌性好，利于承受動力荷載；3加工性能可焊性、冷彎性能、耐久性以及耐腐性；據(jù)上要求,鋼結(jié)構設計規(guī)范GB50017-2003推薦承重結(jié)構用鋼宜采用：炭素結(jié)構鋼中的Q235鋼及低合金高強結(jié)構鋼中的Q345、Q390和Q420鋼四種鋼材。2.1.2塑性破壞與脆性破壞a. 塑性破壞 破壞前構件產(chǎn)生較大的塑性變形,斷裂后的斷口呈纖維狀,色澤發(fā)暗. 破壞前塑性變形大且變形持續(xù)時間長，易發(fā)現(xiàn)補救。鋼材塑性破壞前的較大塑性變形能力，可以實現(xiàn)構件和結(jié)構中的內(nèi)力重分布，鋼結(jié)構的塑性設計就是建立在這種足夠的塑性變形能力上。b. 脆性破壞 （絕對避免）破壞前構件塑性變形很小,甚至沒有塑性變形, 斷口平直并呈有光澤的晶粒狀. 破壞前沒有任何征兆,突然發(fā)生,無法補救. 在鋼結(jié)構的設計、施工和使用過程中，要特別注意防止這種破壞的發(fā)生。2.2鋼結(jié)構的機械性能2.2.1強度 一次單向均勻拉伸試驗曲線圖2.1 低碳鋼單向拉伸應力應變曲線 圖2.2 理想彈塑性材料應力應變曲線由低碳鋼的試驗曲線（圖2.1）看出，在比例極限以前鋼材的工作是彈性的；比例極限以后，進入了彈塑性階段；達到了屈服點后，出現(xiàn)了一段純塑性變形，也稱為塑性平臺；此后強度又有所提高，出現(xiàn)所謂自強階段，直至產(chǎn)生頸縮而破壞。破壞時的伸長率表示鋼材的塑性性能。重要指標： 抗拉強度抗拉強度是鋼材一項重要的強度指標，它反映鋼材受拉時所能承受的極限應力。 屈服點屈服點是鋼結(jié)構設計中應力允許達到的最大限值，因為當構件中的應力達到屈服點時，結(jié)構會因過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載。 鋼材強度標準值由圖2.1可以看到，屈服點以前的應變很小，如把鋼材的彈性工作階段提高到屈服點，且不考慮自強階段，則可把應力應變曲線簡化為圖2.2所示的兩條直線，稱為理想彈塑性體的工作曲線。它表示鋼材在屈服點以前應力與應變關系符合虎克定律，接近理想彈性體工作；屈服點以后塑性平臺階段又近似于理想的塑性體工作。這一簡化，與實際誤差不大，卻大大方便了計算，成為鋼結(jié)構彈性設計和塑性設計的理論基礎。因此，鋼結(jié)構設計時可以屈服點強度值作為承載能力極限狀態(tài)強度計算的限值，即鋼材強度標準值，據(jù)此確定強度設計值。 名義屈服點調(diào)質(zhì)處理的低合金鋼沒有明顯的屈服點和塑性平臺。這類鋼的屈服點是以卸載后試件中殘余應變?yōu)?.2所對應的應力人為定義的，稱為名義（條件）屈服點或。 2.2.2塑性 斷面收縮率試樣拉斷后，頸縮處橫斷面積的最大縮減量與原始橫斷面積的百分比，也是單調(diào)拉伸試驗提供的一個塑性指標。越大，塑性越好。Z向鋼 伸長率 伸長率是衡量鋼材斷裂前所具有的塑性變形能力的指標，以試件破壞后在標定長度內(nèi)的殘余應變表示。取圓試件直徑的5倍或10倍為標定長度，其相應伸長率分別用或表示。2.2.3冷彎性能鋼材的冷彎性能是衡量鋼材在常溫下彎曲加工產(chǎn)生塑性變形時對產(chǎn)生裂紋的抵抗能力的一項指標。冷彎性能取決于鋼材的質(zhì)量。.2.2.3韌性（沖擊韌性）評定帶有缺口的鋼材在沖擊荷載作用下抵抗脆性破壞能力的指標，以擊斷試件所消耗的沖擊功大小來衡量鋼材抵抗脆性破壞的能力。鋼材的沖擊韌性值隨溫度的降低而降低，但不同牌號和質(zhì)量等級鋼材的降低規(guī)律又有很大的不同。因此，在寒冷地區(qū)承受動力作用的重要承重結(jié)構，應根據(jù)其工作溫度和所用鋼材牌號，對鋼材提出相當溫度下的沖擊韌性指標的要求，以防脆性破壞發(fā)生。2.3影響鋼材機械性能的主要因素1化學成份2冶金及軋制3鋼材的硬化（冷作硬化與時效硬化）4復雜應力與應力集中5殘余應力6溫度7. 疲勞2.3.1化學成分的影響 基本成份為Fe，炭鋼中含量占99，C、Si、Mn為雜質(zhì)元素，S、P、N、O為冶煉過程中不易除盡的有害元素。C：含C使強度塑性、韌性、可焊性，應控制在0.22%，焊接結(jié)構應控制在0.20%。Si：含Si適量使強度 其它影響不大，有益，應控制在0.10.3%Mn：含Si適量使強度 降低S、O的熱脆影響，改善熱加工性能，對其它性能影響不大，有益。S：含量使強度塑性、韌性、性能冷彎、可焊性；高溫時使鋼材變脆（熱脆現(xiàn)象），嚴格控制。P：低溫時使鋼材變脆冷脆現(xiàn)象；其它同SO、N：O同S；N同P，控制含量0.008%2.3.2冶金及軋制影響1. 冶金的影響主要為脫氧方法：沸騰鋼用Mn為脫氧劑，時間快，價格低，質(zhì)量差；鎮(zhèn)靜鋼用Si為脫氧劑，時間慢，價格高，質(zhì)量好。半鎮(zhèn)靜鋼加入少量強脫氧劑硅（或鋁）進行脫氧，質(zhì)量和價格介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。(特殊鎮(zhèn)靜鋼)2. 軋制的影響反復的軋制可以改善鋼材的塑性，同時可以使鋼材中的氣孔、裂紋、疏松等缺陷焊合，使金屬晶體組織密實，晶粒細化，消除纖維組織缺陷，使鋼材的力學性能提高。2.3.3鋼材的硬化1硬化由于某種因素的影響而使鋼材強度提高，塑性、韌性下降，增加脆性的現(xiàn)象稱之為硬化現(xiàn)象。鋼材的硬化有三種情況：時效硬化、冷作硬化（或應變硬化）和應變時效硬化（人工時效）。2時效硬化鋼材中的C、N，隨著時間的增長和溫度的變化，而形成碳化物和氮化物，使鋼材變脆的“老化”現(xiàn)象稱之為時效硬化。3冷作硬化冷加工時（常溫進行彎折、沖孔剪切等），鋼材發(fā)生塑性變形從而使鋼材變硬的現(xiàn)象稱之為冷作硬化。不利用冷作硬化所提高的強度，且比較重要的鋼結(jié)構，要盡量避免局部冷作硬化現(xiàn)象的發(fā)生。4人工時效在鋼材產(chǎn)生一定數(shù)量的塑性變形后，鐵素體晶體中的固溶氮和碳將更容易析出，從而使已經(jīng)冷作硬化的鋼材又發(fā)生時效硬化現(xiàn)象，稱為應變時效硬化。這種硬化在高溫作用下會快速發(fā)展，人工時效就是據(jù)此提出來的，方法是：先使鋼材產(chǎn)生10左右的塑性變形，卸載后再加熱至250，保溫一小時后在空氣中冷卻。用人工時效后的鋼材進行沖擊韌性試驗，可以判斷鋼材的應變時效硬化傾向，確保結(jié)構具有足夠的抗脆性破壞能力。2.3.4 復雜應力與應力集中*1復雜應力作用（復雜應力狀態(tài)下的屈服條件）單調(diào)拉伸試驗得到的屈服點是鋼材在單向應力作用下的屈服條件，實際結(jié)構中，鋼材常是在雙向或三向的復雜應力狀態(tài)下工作，這時鋼材的屈服并不只取決于某一方向的應力，而是由反映各方向應力綜合影響的“應力函數(shù)”，即所謂的“屈服條件”來確定。鋼在復雜應力狀態(tài)由彈性到塑性的條件為：（2-1）用主應力表示時，（2-2） 由式(2-1)、(2-2)可以看出，當1、2、3為同號應力且數(shù)值接近時，即使它們各自都遠大于，折算應力仍小于，說明鋼材很難進入塑性狀態(tài)。當為三向拉應力作用時，甚至直到破壞也沒有明顯的塑性變形產(chǎn)生，破壞表現(xiàn)為脆性。相反，在異號應力場下，剪應變增大，鋼材會較早地進入塑性狀態(tài)，提高了鋼材的塑性性能。受純剪時，式(2-1)變?yōu)?，即應力達到的0.58倍時，鋼材進入塑性狀態(tài)。因此，設計規(guī)范對鋼材的抗剪強度設計值取0.58，為抗拉強度設計值。2應力集中在荷載作用下，在構件截面突然改變的部位（孔洞邊緣或缺口尖端等處）將產(chǎn)生局部高峰應力，其余部位應力較低且分布不均勻的現(xiàn)象。應力集中實際是局部應力增大并多為同號應力場。應力集中對低溫直接承受動力作用的構件不利，故應避免截面急劇改變等構造措施，以減小應力集中。2.3.5殘余應力鋼構件在軋制、火焰切割、焊接和冷矯直等冷加工和制造過程中由于不均勻冷卻或不均勻塑性變形，使構件內(nèi)在未受外力時即已存在的應力。殘余應力事實上是一種產(chǎn)生在構件內(nèi)部自相平衡的內(nèi)力。殘余應力雖對構件的強度無影響，但對構件的變形（剛度）、疲勞、應力腐蝕以及穩(wěn)定承載力（屈曲強度，后續(xù)章節(jié)中將詳細介紹）產(chǎn)生不利影響。因此在鋼結(jié)構制造過程中應盡量采取措施以減小殘余應力。2.3.6溫度影響溫度的影響，一般可分正溫與負溫影響兩部分。 正溫影響總體影響規(guī)律為溫度上升，鋼材的強度降低，塑性、韌性提高，這一現(xiàn)象稱之為熱塑現(xiàn)象，溫度達600攝氏度左右時，鋼材的強度幾乎降至為零，而塑性、韌性極大，易于進行熱加工，此溫度稱之為熱煅溫度。需要說明：鋼材在300攝氏度左右時，強度提高，塑性、韌性下降，鋼材表面呈藍色，這一反覆現(xiàn)象稱之為藍脆現(xiàn)象。鋼材在300攝氏度以上時應采取隔熱措施。 負溫影響隨著溫度的降低鋼材的強度提高，塑性、韌性降低，脆性增大，稱之為低溫冷脆，當溫度降至某一特定溫度時鋼材的脆性急劇增大，稱此溫度點為轉(zhuǎn)脆溫度。2.3.7疲勞影響鋼材的疲勞指鋼材在循環(huán)應力多次反復作用下裂紋生成、擴展以致斷裂破壞的現(xiàn)象。2.4 建筑結(jié)構用鋼的種類與選擇2.4.1 結(jié)構用鋼的種類按化學成分分：非合金鋼、低合金鋼、合金鋼我國的建筑用鋼主要為碳素結(jié)構鋼（非合金鋼）和低合金高強度結(jié)構鋼兩種2.4.2 結(jié)構用鋼的牌號鋼材牌號由：“Q、屈服點值、質(zhì)量等級、脫氧方法”四部分組成。Q為“屈”字拼音首位字母，意為“屈服強度”；屈服點值3位數(shù)，代表屈服點的單位面積壓強值；質(zhì)量等級分AE五級，字序越高質(zhì)量越好；脫氧方法F為沸騰鋼，Z代表鎮(zhèn)靜鋼（一般省略），b代表半鎮(zhèn)靜鋼，TZ代表特殊鎮(zhèn)靜鋼。例如，Q235B代表屈服點為的B級鎮(zhèn)靜鋼。注：炭素結(jié)構鋼分：A、B、C、D 四級，含所有脫氧方法；低合金結(jié)構鋼分：A、B、C、D、E五級，只有鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。建筑結(jié)構用鋼，宜選炭素結(jié)構鋼中的Q235及低合金鋼中的Q345、Q390、Q420。2.4.3 鋼材的選用 選用考慮的因素 結(jié)構的重要性 荷載特征 連接方法 工作環(huán)境溫度 鋼材厚度 選用原則 保證結(jié)構安全可靠；符合使用要求；盡可能的節(jié)約鋼材和降低造價。2.4.3 鋼材的規(guī)格 鋼板鋼板有厚鋼板、薄鋼板、扁鋼（或帶鋼）之分。鋼板截面的表示方法為在符號“