第1讲二钢结构的性能及其主要影响因素.

第二章钢结构的性能及其主要影响因素2.1钢结构对钢材的要求钢材的种类很多，用途不同，所需的钢材种类和品牌各异。

因此，必须按使用用途对钢材的性能的要求选择合适的钢材类别和牌号。

我国钢材的种类一般有以下几类：1、按化学成分分为(1) 碳素钢——指含碳量Wc＜2%的铁碳含量。

按质量和用途的不同，又可分为普通碳素结构钢，优质碳素结构钢和工具碳素钢三大类。

按含碳量的不同可分为：1) 工业纯铁——Wc≤0.04%2) 低碳钢——Wc≤0.25%3) 中碳钢——Wc=0.25% ~ 0.60%4) 高碳钢——Wc＞0.60%(2) 合金钢——指在碳素钢的基础上，在冶金时加入一些合金元素而炼成的钢，按其合金元素的总含量，可分为：1) 低合金钢——合金元素总含量≤5%2) 中合金钢——合金元素总含量5% ~ 10%3) 高合金钢——合金元素总含量＞10%2、按用途分有(1) 结构钢——又可分为建筑及工程用结构钢和机械制造用结构钢两类(2) 工具钢——指用于制造各种工具的钢，如刃具钢，模具钢和量具钢等。

(3) 特殊钢 —— 指用特殊方法生产，具有特殊物理、化学性能或力学性能的钢。

一般分为不锈耐酸刚，耐热钢，低温用钢，耐磨钢，磁钢，抗磁钢和超高强度钢（ζb ≥1400Mpa ）等。

(4) 专业用途钢 —— 指各个工业部门专业用途的钢，如：农机用钢，机床用钢，汽车用钢，航空用钢，锅炉用钢，焊条用钢等等。

*建筑及工程用结构钢 —— 指用于建筑、桥梁、船舶及其他工程上制作金属结构构件的钢，主要有：①普通碳素结构钢 —— 可分为：一般用途普碳钢、专用普碳钢；②低合金钢 —— 可分为：低合金结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、钢筋钢、钢轨钢、耐磨钢及特殊用途专用钢等。

*机械制造用结构钢 —— 指用于制造机械设备上结构零件的钢。

这类钢基本上为优质钢或高级优质钢，主要有： 按其工艺特征分为①优质碳素结构钢②合金结构钢冷塑性成形用钢（如冷冲压钢、冷镦钢、冷挤压用钢等）表面硬化结构钢表面淬火用钢氮碳共渗钢氮化钢调质结构钢渗碳钢③易切结构钢④弹簧钢⑤滚动轴承钢虽然钢材种类很多，但符合钢结构性能要求的钢材只有少数几种。

钢结构用的钢材必须满足以下要求：1、有较高的强度。

即具有较高的抗拉强度u f 和屈服强度y f 且强曲比/u y f f 合适。

u f 较高使构件承载能力较高，有利于减轻结构自重，节约钢材；/u y f f 较高则使结构有较高的安全储备，提高了结构的安全保障。

2、有足够的变形能力。

即钢材的塑性、韧性和冷弯性能。

塑性好表明结构或构件破坏前有较强的变形能力，从而可以调整局部高峰应力，减少脆性破坏的危险性。

韧性好则表示在动荷载作用下的性能优越，具有较强的吸收能量的能力，有利于结构抗震和抗振。

冷弯性能是钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。

3、有良好的加工性能。

即钢材具有适合冷、热加工和良好的可焊性能，不因这些加工而对钢材的主要性能如强度、塑性、韧性等带来较大的有害影响。

4、有较好的性价比。

即具有较好的性能和便于大规模生产，便于规模化供货和价格优势。

根据上述要求和国内钢结构工程的多年实践，《钢结构设计规范》（GB50017）推荐了碳素钢Q235和合金钢Q345、Q390和Q420作为承重结构钢。

2.2影响钢材性能的主要因素钢结构的受力特性除了受外界作用，包括各类荷载、温度作用，地震作用以及工作环境的影响之外，主要取决于建造钢结构所用钢材的性能。

此处首先讨论钢材性能的影响因素。

2.2.1 主要化学成分对钢材性能的影响钢材的化学成分组成主要由纯铁、碳、杂质元素或合金元素（合金钢中）等组成，其中纯铁约占99%，碳及杂质元素约占1%（碳素钢），对于低合金钢，碳杂质和合金元素总量一般≤5%，尽管碳和其他元素含量不大，但对钢材的性能却有决定性影响。

各种化学元素对钢材性能的影响如下表所示（表2.2.1）2.2.2影响钢材性能的其他因素1、钢材的内部缺陷：钢材的冶炼和扎制过程中，由于工艺和设备等的原因，不可避免地会产生许多冶金缺陷。

对钢材性能有较大不利影响的内部缺陷有：裂纹、夹杂、偏析、带状组织和奥氏体等。

裂纹的危害性极大，一旦发现，钢材就应报废。

2、矫直和热处理钢材在热扎成型后常会出现弯曲、形状改变等形状缺陷，通常需要矫正。

矫正的方法有热矫正和冷矫正两种。

矫正工艺一般会产生残余应力。

热处理是对刚才进行调质处理的重要手段之一，通过调质处理后，钢材的性能可以得到很大改善。

热处理通常包括：（1）一般热处理——处理工艺有：退火；正火；淬火；回火；调质；时效处理；冷处理。

可改善钢材的塑性、韧性和强度，提高钢材的综合力学性能。

一般常用于碳素钢和低合金钢的调质处理。

（2）化学热处理——处理工艺有：①渗碳；②渗氮；③离子氮化；④碳氮共渗；⑤氮碳共渗；⑥渗硼；⑦渗硫；⑧发黑等。

化学热处理常用于工具钢和机制结构钢以及特殊钢的调质处理。

（3）表面热处理——处理工艺有：①感应加热表面淬火，②火焰加热表面淬火；③电解液淬火；④激光淬火等。

表面热处理工艺一般用于轴承、工具和机械零部件钢材性能的改善处理。

3、冷加工的影响在常温下对钢材进行加工称为冷加工，包括冷拉、冷弯、冲孔，机械剪切等加工方式，冷加工会使钢材产生很大的塑性变形。

如图（2.2.1）当材料拉伸到B 点时，屈服点没有提高，塑性、韧性降低不多，如果拉伸到C 点，屈服点提高较多而塑性和韧性降低很大，属于不利后果。

因此，对钢结构来说，虽然钢材强度有所提高，由于塑性和韧性的降低，一般不利用其强度的提高。

类似地，钢材的剪切、冲孔等冷加工工艺会使钢材的剪切边缘和孔壁严重硬化使材质劣化。

因此，对于重要的结构，剪切要创边、冲孔要采用扩钻钻法，使硬化部分去除，以免微裂纹从上述部位扩展。

对于冷弯型钢，是用薄钢板冷成型而成的。

冷弯成型的方法有冷f 图2.2.1 钢材的应变硬化轧，模压和无模压弯。

冷弯使钢板经受一定的塑性变形，并出现强化和硬化，即使冷弯型钢截面的转角部位产生屈服点和抗拉强度的提高。

至于转角之间的平板部分屈服点是否有提高，提高的幅度如何，则与冷弯成型的工艺有关。

与一般截面的塑性变形不同，冷弯型钢转角部分的塑性变形，外侧沿圆弧方向为拉伸，沿半径方向为压缩，内侧则沿弧线压缩而沿半径拉伸。

这些塑性变形都是垂直于构件受力方向的，对构件抗拉和抗压性能的影响相同。

显然，材料弯成圆角时半径和板厚的比/r t 越小，塑性应变越大，屈服点提高幅度也就越大，转角处材料的屈服强度提高值常按下式计算（k.w.karren ）：()/y yp m bf f r t = (2.1)式中，b 和m 为待定参数，与材料的y f 、u f 和冷弯型钢截面有关。

我国学者金冒成等通过研究得出冷弯型钢截面屈服强度的平均提高值为：1(1210)12n i yp y i f f l θηγπ=-⎡⎤=+⎢⎥⎣⎦∑ (2.2) 式中：η为成型方式系数，对于冷弯高频焊（圆变）方、矩形管η=1.7、 对于圆管和其它方式成型的方、矩形管及开口型钢η=1.0；γ为钢材的抗拉强度与屈服强度的比值/u y f f ，对Q235钢，可取γ=1.58，对Q345钢可取γ=1.48；n ：型钢截面所含棱角数目；i θ：型钢截面第i 个棱角所对应的圆周角（rad ）l ；型钢截面中心线的长度，可取型钢截面面积与其厚度的比值。

即/l A t = 如图2.2.2所示(一般取r=t)图2.2.2 冷弯型钢截面示意图上式结果与试验数据符合较好，我国国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）完全按上式计算冷弯强度提高效应，即取f f β'=。

4、焊接和焰割的影响焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程，对钢材进行焊接时，常产生如下缺点：（1）焊缝金属（焊条）材质构造不同于轧制钢材，具有铸造组织，易造成焊金属夹杂和形成气泡。

（2）焊弧的高温作用时钢材的金属组织和机械性能发生变化，使材质变脆。

（3）焊接的局部高温使钢材发生塑性变形、冷却后存在残余应力和残余变形。

钢材的火焰切割对钢材性能的影响同焊接一样，会产生残余应力和残余变形。

残余变形使截面或构件形成初始翘曲，严重的影响结构承载性能，因而必须进行矫正。

残余应力一般不会降低构件或结构的静力极限承载能力，但会降低结构的刚度，使截面提前进入弹塑性阶段，降低结构的稳定承载能力，并可能使结构更易于发生脆性破坏。

图2.2.3 焊接残余应力形成示意图800℃300℃500℃(a)(b)(c)(e)a、b 焊缝附近温度场c 焊缝纵向残余应力d 焊缝纵向收缩e 焊缝横向残余应力5、工作环境的影响（1）温度影响钢材内部晶体组织对温度很敏感，高温和低温对钢材性能均有较大影响。

随着温度的升高，钢材的强度，弹性模量下降，塑性、韧性提高，温度超过600℃以后，则强度几乎完全丧失。

但在250℃附近有强度升高，塑性、韧性下降的现象，此时易于发生热脆断裂，称为兰脆现象。

而在负温范围，随着温度的降低，钢材的u f 和y f 增高，但塑性、韧性下降。

但温度下降到某个值时，钢材由塑性破坏转变为脆性破坏，则该温度值称为转变温度。

转变温度越低，则钢材的低温性能越好，价格也越贵。

因此，结构钢材的选用应根据工作环境温度合理选用，转变温度选用过高则结构不安全，反之，则浪费材料。

（2）腐蚀性介质的影响钢材的缺点之一就是抗腐蚀性能差，一般只适合在非腐蚀性介质环境中使用。

当有弱腐蚀性介质时，钢材会在应力远低于其承载能力的情况下发生脆性断裂，这种现象叫做应力腐蚀开裂，也叫做滞后断裂或延迟断裂。

出现这种现象的原因是，构件中原来存在的小裂纹在腐蚀性介质作用下随着时间的增长，而逐渐扩展，导致有效承载截面逐渐减少，达到临界尺寸时，构件就发生突然断裂。

应力腐蚀断裂主要发生在高强度钢材中，高强螺栓在使用过程中就有可能发生延迟断裂破坏，需引起重视。

根据1974年的调查结果，我国铁路桥梁中的高强螺栓十几年约有1/5000发生了延迟断裂。

另外，钢材的含碳量越高，则韧性越低，抵抗应力腐蚀断裂的性能也越差。

因此，在有可能出现应力腐蚀的环境中，应避免选用含碳量高的40B钢高强螺栓。

2.3钢材的选用合理选用钢材牌号和型号十结构设计的基本任务之一。

选择钢材要做到：结构安全可靠，用材经济合理。

2.3.1钢材的种类和表示方法如前所述，适合钢结构承重用的钢材牌号有Q235、Q345、Q390和Q420钢4中，其中Q235为低碳钢，Q345、Q390和Q420为低合金钢。

碳素钢Q235质量等级为A~D 级，根据脱氧方法的不同，表示方法如下：Q235[A][B] [C] [D][F、b、（Z)][(Z)][(Z)]沸腾钢、半镇静钢、镇静钢镇静钢(可省略)特殊镇静钢(可省略)脱氧方法合金钢Q345、Q390和Q420质量等级分为A~E 级，由于低合金高强度结构钢的脱氧方法为镇静钢或特殊镇静钢，因此其表示方法为：Q 345(390、420) [A][B][C][D][E]质量等级，A-E表示由低到高钢材的质量等级不同，其供货时化学成分，脱氧方法和冲击韧性要求也不同。