《钢结构》第二章 钢结构的材料

当温度低于常温时，随着温度的降 低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降 低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆
2.4.5 应力集中的影响
由拉伸试验所获得的钢材性能，只能反映钢材在标 准试验条件下的性能，即应力均匀分布且是单向的。 实际结构中不可避免的存在孔洞、槽口、截面突然改 变以及钢材内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再 保持均匀，由于主应力线在绕过孔口等缺陷时发生弯 转，不仅在孔口边缘处会产生沿力作用方向的应力高 峰，而且会在孔口附近产生垂直于力的作用方向的横 向应力，甚至会产生三向拉应力!而且厚度越厚的钢 板，在其缺口中心部位的三向拉应力也越大，这是因 为在轴向拉力作用下，缺口中心沿板厚方向的收缩变 形受到较大的限制，形成所谓平面应变状态所致
脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小， 或根本没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的 断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。由于破 坏前没有任何预兆，破坏速度又极快，无法察觉和 补救，而且一旦发生常引发整个结构的破坏，后果 非常严重，因此在钢结构的设计、施工和使用过程 中，要特别注意防止这种破坏的发生
第二章钢结构的材料
2.1钢结构对材料的要求
用钢结构的钢必须符合下列要求： 1、较高的抗拉强度fu和屈服点fy， fy 是衡量结构承 载能力的指标， fy则可减 轻结构自重，节约钢材和降低造价。 2、较高的塑性和韧性 3、良好的工艺性能（包括冷加工、 热加工和可焊接性）
2.2刚才的破坏形式
钢材有两种完全不同的破坏形式：塑 性破坏和脆性破坏。钢结构所用的钢材在 正常使用条件下，虽然有较高的塑性和韧 性，但在某些条件下，仍然存在发生脆性 破坏的可能性。
(1) 疲劳验算仍然采用容许应力设计方法， 而不采用以概率理论为基础的设计方法。也就是 说，采用标准荷载进行弹性分析求内力（并不采 用任何动力系数），用容许应力幅作为疲劳强度。 (2) 规范中提出的疲劳强度是以试验为依据 的，包含了外形变化和内在缺陷引起的应力集中， 以及连接方式不同而引起的内应力的不利影响。
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(3) 理论和试验均证明，只要在构件和连接中存 在高达屈服点的残余拉应力，即使在完全的循环 压应力作用下，当其幅值超过容许应力幅时也会 产生裂纹，但裂纹产生同时，残余拉应力会获得 充分的释放，此后在循环压应力环境下，裂纹会 自动停止，不继续扩展。例如当轨道和轮压偏心 很小，在梁的平面外不出现弯曲应力时，即使焊 接吊车梁的受压翼缘部位（包括焊缝及其附近的 腹板）出现了裂纹，也不会因此而丧失承载力。 所以规范规定，在应力循环中不出单调拉伸应力－应变曲线提供了三个重要 的力学性能指标：抗拉强度fu、伸长率δ和屈服 点fy。抗拉强度fu是钢材一项重要的强度指标， 它反映钢材受拉时所能承受的极限应力。伸长率 δ是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指 标，以试件破坏后在标定长度内的残余应变表示。
取圆试件直径的5倍或10倍为标定长度，其相应伸 长率分别用δ5或δ10表示。屈服点fy是钢结构设计 中应力允许达到的最大限值，因为当构件中的应 力达到屈服点时，结构会因过度的塑性变形而不 适于继续承载。承重结构的钢材应满足相应国家 标准对上述三项力学性能指标的要求。
断面收缩率ψ是试样拉断后，颈缩处横断面积的 最大缩减量与原始横断面积的百分比，也是拉伸试 验提供的一个塑性指标。ψ越大，塑性越好。在国 家标准《厚度方向性能钢板》中，使用沿厚度方向 的标准拉伸试件的断面收缩率来定义Z向钢的种类， 如ψ分别大于或等于15％、25％、35％时，为Z15、 Z25、Z35钢。由单调拉伸试验还可以看出钢材的韧 性好坏。韧性可以用材料破坏过程中单位体积吸收 的总能量来衡量，包括弹性能和非弹性能两部分， 其数值等于应力－应变曲线下的总面积
2.4.3 钢材的硬化
钢材的硬化有三种情况：时效硬化（俗称老化）、 冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化。
在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增 长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散 存在铁素体晶粒的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移 起到遏制作用，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（也称老化）。 在冷加工（或一次加载）使钢材产生较大的塑性 变形的情况下，卸荷后再重新加载，钢材的屈服点 提高，塑性和韧性降低的现象称为冷作硬化
应力集中的严重程度用应力集中系数衡量 ，高 峰区的最大应力与静截面的平均应力之比称为应 力集中系数。应力集中系数越大，变脆的倾向越 严重。但由于建筑钢材塑性较好，在一定程度上 能促使应力进行重分配，使应力分布严重不均匀 的现象趋于平缓。故受静荷载作用的构件在常温 下工作时，在计算中可不可虑应力集中的影响。 但在负温下或动力荷载作用下工作的结构，应力 集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破 坏的根源，故在设计中应采取措施避免或减小应 力集中，并选用质量优良的钢材。
2.4.8刚才的种类和钢材规格 建筑用钢的种类 我国的建筑用钢主要为碳素结构钢和 低合金高强度结构钢两种，优质碳素结构 钢在冷拔碳素钢丝和连接用紧固件中也有 应用
Q235钢含碳量小于0.22%，属于低碳钢。 钢材的强度适中，塑性、韧性均较好。该 牌号钢材又根据化学成分和冲击韧性的不 同划分为A、B、C、D共4个质量等级，按 字母顺序由A到D，表示质量等级由低到高。 除A级外，其它三个级别的含碳量均在0.20 ％以下，焊接性能也很好。因此，规范将 Q235牌号的钢材选为承重结构用钢
二、冲击韧性 由拉伸试验获得的韧性没有考虑应力集中和动荷 作用的影响，只能用来比较不同钢材在正常情况下 的韧性好坏。冲击韧性也称缺口韧性是评定带有缺 口的钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指 标，通常用带有夏比V型缺口的标准试件做冲击试 验，以击断试件所消耗的冲击功大小来衡量钢材抵 抗脆性破坏的能力。冲击韧性也叫冲击功，用aK或 CV表示，单位为J/cm2
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事故原因
调查团经过5个多月的各种试验和研究，于次年4 月2日提交了事故报告。 用相同材料进行疲劳试验表明，圣水大桥支撑材 料的疲劳寿命仅为12年，即12年后就会因疲劳而 断裂。大型汽车在类似桥上反复行驶的试验也表 明，这些支撑材料约在8.5年后开始损坏。而用这 些材料制成的圣水大桥，加上施工缺陷的影响， 在建成后6~9年就有坍塌的可能。实际上，圣水 大桥的倒塌发生在建成15年，而不是以上所说的 12年或8.5年，一方面是由于桥墩上的覆盖物起 着抗疲劳的作用，另一方面是由于桥墩里的六个 支撑架并没有全部断裂，因此大桥的倒塌时间才 得以推迟。
塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形， 常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。 只有当构件中的应力达到抗拉强度后才会发生破坏， 破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。由于塑性破坏前 总有较大的塑性变形发生，且变形持续时间较长，容 易被发现和抢修加固，因此不至发生严重后果。钢材 塑性破坏前的较大塑性变形能力，可以实现构件和结 构中的内力重分布，钢结构的塑性设计就是建立在这 种足够的塑性变形能力上。
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(4) 由于规范推荐钢种的静力强度对焊 接构件和连接的疲劳强度无显著影响，故 可以认为，疲劳容许应力幅与钢种无关。 决定局部应力状态的构造细节是控制疲劳 强度的关键因素，因此在进行构造设计、 加工制造和质量控制等过程中，要特别注 意构造合理，措施得当，以便最大限度地 减少应力集中和残余应力，使构件或连接 的分类序号尽量靠前，达到改善工作性能， 提高疲劳强度，节约钢材
• 根据分析结果，事故原因主要有以下两个方 面：
• 东亚建筑公司没有按图纸施工，在施工中偷工减料， 采用疲劳性能很差的劣质钢材。这是事故的直接原 因。 • 当时韩国“缩短工期第一”的政治、经济和社会环 境以及汉城市政当局在交通管理上的疏漏，也是导 致大桥倒塌的重要原因。圣水大桥设计负荷限量为 建成后随着交通流量的逐年增加，经常超负荷运行， 倒塌时负荷
2.4.6反复荷载作用
钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都 会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。在直接 的连续反复的动力荷载作用下，根据试验，钢 材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下 的拉伸试验的极限强度，这种现象称为钢的疲 劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。
2.4.7钢材的疲劳
疲劳验算中一些值得注意的问题
H型钢与普通工字钢相比，其翼缘板的内外表面平 行，便于与其它构件连接。H型钢的基本类型可 分为宽翼缘（HW）、中翼缘（HM）及窄翼缘 （HN）三类。还可剖分成T型钢供应，代号分别 为TW、TM、TN。H型钢和相应的T型钢的型号 分别为代号后加“高度H×宽度B×腹板厚度t1× 翼缘厚度t2”，例如HW400×400×13×21和 TW200×400×13×21等。宽翼缘和中翼缘H型 钢可用于钢柱等受压构件，窄翼缘H型钢则适用 于钢梁等受弯构件。目前国内生产的最大型号H 型钢为HN700×300×13×24。供货长度可与生 产厂家协商，长度大于24m的H型钢不成捆交货。
2.3钢材的主要性能
钢材的应力-应变曲线
理想的弹-塑性体的应力-应变曲线
试验一般都是在标准条件下进行的，即：试件的尺寸符 合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷；荷载 分级逐次增加，直到试件破坏；室温为20℃左右。给出 了相应钢材的单调拉伸应力－应变曲线。由低碳钢和低 合金钢的试验曲线看出，在比例极限以前钢材的工作是 弹性的；比例极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了屈 服点fy后，出现了一段纯塑性变形，也称为塑性平台； 此后强度又有所提高，出现所谓自强阶段，直至产生颈 缩而破坏。破坏时的残余延伸率表示钢材的塑性性能。 调质处理的低合金钢没有明显的屈服点和塑性平台。
2.4.4 温度的影响
在150℃以内，钢材的强度、弹性模量和塑性均 与常温相近，变化不大。但在250℃左右，抗拉强度 有局部性提高，伸长率和断面收缩率均降至最低， 出现了所谓的蓝脆现象（钢材表面氧化膜呈蓝色）。 显然钢材的热加工应避开这一温度区段。在300℃以 后，强度和弹性模量均开始显著下降，塑性显著上 升，达到600℃时，强度几乎为零，塑性急剧上升， 钢材处于热塑性状态。