钢结构讲义

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厚度方向断面收缩率（又称Z向收缩率）：
厚度40mm以上钢板，受力时可
M
能会发生层状撕裂，故应满足 Z 向
收缩率要求。 薄钢板轧制时，压缩
量大，质量好，不易出现层状撕裂，故无此要求。
Z 向收缩率用ψZ 表示
＞1. 5d0
厚板厚度
ψ= z
A0
-
A0
A1 ×100%
d0 =10
A0：原横截面面积
A1：拉断时，断口处横截面面积
横向剪力σy 。 在孔边缘形成双向拉应力场（若考虑厚度，三向拉应
力场），这就是脆断的原因。
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应力集中现象产生的原因： 构件的不正确造型（设计时避免） 残余应力（研究不够） 非金属夹杂
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6. 钢材的硬化
、
钢材中，C、N的固溶物存在于
纯铁体的结晶体中，随时间增长，
它们析出，存在于晶粒之间的间层 σ 时效硬化 应变时效
CE
C
Mn 6
Cr
Mo 5
V
Ni Cu 15
式中化学符号表示该化学元素含量的百分数。
CE≤0.38％时，焊接性能好，可直接施焊； 0.38％<CE<0.45%时，施焊前预热，控制焊接 工艺； CE≥0.45％时，严格控制焊接工艺和预热温度。 通常采用可焊性试验的方法来检验钢材的焊接性 能，从而制定重要结构和构件的焊接制度和工艺。
均为钢材的静力强度指标。
注意：fy 是材料的标准强度，非设计强度，
设计强度为： f fy γR
式中：γ ：材料抗力分项系数 R
γ R
1.087（Q235钢） 1.111（Q345、Q390、Q420）
通过分析，得出2点结论：
①
由于残余应力的存在，
fp≈0.8
fy
，以
fy
作弹性、塑
σ
性工作的分界点，将σ～ε曲线简化 fy
作硬化区域必须除去）。
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7. 加荷速度
快速拉伸，沿0B线变化，此
时试件的温度有所降低，持荷保 σ
持不变，试件吸收热量，产生BA， B
称“弹性后效”。
A
若突然快速卸荷，沿AC线变 化，试件温度上升，随后放热后
C
ε
冷却，回到 0 点。
加荷速度提高，钢材的屈服强度提高，呈脆性，故
试验时按规定的速度加荷。
二. 建筑钢材在多轴应力下的工作性能
双向、三向受力时，不能以单向受力时的 fy为屈 服点，采用第四强度理论较为合适。
单向拉伸达塑性状态时，积聚于单位体积中的形
状改变能为：
σy
1
[U ] 3E
fy2
τyx
σz
σx
τzy τxy τzxτxz σx
σ2
σ1
三向主应力作用下，单位σ体z 积σy形状改变能为σ3：
④ 强化阶段（又称自强阶段）：
钢材恢复承载能力，当σ fu（抗拉强度) 时，
发生颈缩现象而破坏，
为塑性破坏。
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塑性破坏：变形很大，是在材料达到 fu以后发生的，变形 大且时间长，易发现。
断口与作用力方向成 45°角，常在钢材表面出 现相互垂直的锈迹剥落线。
脆性破坏：塑性变形很小，甚至没有，应力低于fu 甚至可 能低于fy ，破坏是突然的。 断口齐平，破坏前无预兆。
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3. 冶金缺陷 缺陷有：偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、起层等。 气孔：CO气体没有逸出形成。 非金属夹杂：钢材中含有氧化物、硫化物，使钢材 变脆。 偏析：化学杂质元素分布的不均匀性， 主要的偏析是S 、P的偏析， 偏析 →塑性↓、韧性↓、焊接性能↓、 疲劳强度↓。
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4. 温度影响
温度从常温下降→fy稍有↑、 脆性↑、塑性↓、韧性↓。
ε 0.2%
冷弯性能：更严格的衡量塑性变形能力的指标，通 d
过冷弯试验确定。
冷弯试验是按材料的原有厚度经表面
加工成板状，作180°冷弯，以弯曲处的
▽3
a
外面、侧面不起层、不开裂为合格。
不同厚度的钢材，d不同。
d+2.1a
注意：焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的
钢材必须具有冷弯性能的合格保证。
所以，S≤0.045% (Q235以上钢材）
S≤0.05% (Q235钢材）
Mn：有益元素，弱脱氧剂。提高强度，不过多降低塑性
和韧性，消除热脆，改善冷脆；Mn过多，降低焊接
性能。
Si： 强脱氧剂。Si≤0.2%时，提高强度，而不显著影响塑
性、韧性、冷弯性能、焊接性能；
Si含量达1％时，则不然。
P： 提高强度和抗锈蚀能力，严重降低塑性、韧性、焊
yz
zx
xy
yz
zx
钢结构中，构件厚度小，厚度方向应力小，忽略， 形成平面应力状态，
σ σ σ σ σ τ 即： = eq
2+ 2-
+3 2
x
y
xy
xy
σ 纯剪时： eq = 3 × τ
达到屈服时： 3τ f y
即：τ = f y 3 = 0.58 f y
因此时屈服， 用 fyv 代替 τ ， 即有： fyv ＝0.581f3y
U
1
3E
[12
2 2
2 3
(1 2
23
31)]
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式中：ν：泊桑比
能量理论认为：Uφ=[ Uφ]时，多向应力状态 下的钢材进入塑性。
即由弹性转为塑性状态的工作条件为：
12
2 2
2 3
(1 2 23 31)]
fy
σ σ σ σ σ σ σ σ σ σ 令：
2 2 2-(
)
eq
1
2
3
12
23
31
当折算应力σeq ＜fy时，弹性；
当折算应力σeq ＞fy时，塑性。
多向应力下，以折算应力σeq作为强度 计算的标准，将折算应力σeq变形为：
σ eq
1 2
[(σ1-σ
2)
2
(σ
2-σ3)
2
(σ3-σ1)
2
]
分析：① 有异号应力，且同号应力差较大，就易进
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入塑性，说明异号应力场下易发生塑性破坏。
② 三个主应力同号且接近， σeq小，不易进入塑 性，直至破坏，也不进入塑性；
三向等值压缩时，不会破坏；
说明同号拉应力场下易脆性破坏。
用正应力和剪应力表示折算应力：
σ σ σ σ σ σ σ σ σ σ τ τ τ = 2 + 2 + 2 - (
+
+
) + 3( 2 + 2 + 2 )
eq
x
y
z
xy
三. 各种因素对钢材性能的影响
1938～1950年，在-14℃左右的冬季条件下，比利 时共有14座大桥断裂。
1954年，英国制造的32000 t 油船—世界协和号， 在海浪4.5～6m 高的大海中航行时，船底断裂。 1. 化学成分 C：铁以外最重要的元素，C>0.3%或C<0.1% 时，钢 材无明显屈服点。
由此可以得出，相同种类不同厚度的钢材，设计强 度是不一样的。
据此，«规范»将不同厚度的钢材分组，不同组取不 同的强度设计值。
钢材强度设计值 N/mm2
牌号 厚度或直径/mm 抗拉、抗压和抗弯f 抗剪fv 端面承压（刨平顶紧fce
≤16
215
125
Q235
>16~40 >40~60
205
120
325
AKV 温度脆性区
当温度降到某一数值时，冲击
韧性AKV突然显著下降，钢材易产生 脆性断裂，称“低温冷脆”。
t (温度)
所以，应针对结构所处的温度对钢材提出AKV要求。 温度从常温上升，200℃以下，强度↓、塑性↑，
250℃左右，强度↑、塑性↓、AKV↓，钢材变脆，称为 “蓝脆现象”。
所以，经常受高温时，应采取隔热措施。
通过单向拉伸试验，得到三个机械性能指标 fu、fy、δ δ（伸长率） ：衡量塑性变形能力的指标。
δ l1 l0 100%
l0
l0 ：试件的标距长度
l0
l1 ：拉断时的标距长度
分为δ5和δ10 ， δ10 意为标距长度/直径（宽度）＝10 4
fu (抗拉强度) ：衡量经巨量变形后的抗拉能力； fy（屈服点） ：衡量结构承载能力的指标；
Z15 相应的ψZ＝15％ Z15钢
分为三个质量等级 Z25 相应的ψZ＝25％ Z25钢
Z35 相应的ψZ＝35％ Z35钢9
钢材受动荷时的韧性指标：
衡量钢材承受动荷作用时抵抗脆性破坏的指标就是
冲击韧性。
韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能
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力，吸收能量多，韧性好。
▽6
确定冲击韧性的
R=0.25
方法就是冲击试验， 试验采用夏比V 型
40
450
10
缺口试件。
55
2
Q235钢 AKV≥27J (20℃、0℃、-20℃) Q345钢 AKV≥34J (20℃、0℃、-20℃) Q390钢 AKV≥27J (- 40℃) 实际结构中，脆断总是发生在缺陷应力集中处， 因为该处存在同号拉应力场，使塑性变形受到限制。10
200
115
>60~100
190
110
有屈服点的钢材
含碳量小于2.06％，建筑用钢
碳素结构钢 含C量小于0.25％
低合金高强度结构钢
7
加入少于5％的合金元素
无屈服点的钢材，如热处理低合金钢，如何确定
屈服点？？？ 以卸载后残余应变为0.2％时所