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钢结构用钢材

2018年11月23日 16:25建筑结构教育3195次阅读0次被顶共有评论0

1 钢结构用钢材品种规格


(1)钢种和钢号
建筑工程中所用的建筑钢材基本上都是碳素结构钢和低合金高强度结构钢。
①碳素结构钢
碳素结构钢的牌号由字母Q、屈服点数值、质量等级代号、脱氧方法代号(F、b、Z、TZ)四个部分组成。其中Q是“屈”字汉语拼音的首位字母;屈服点数值(以N/mm2为单位)分为195、215、235、255、275;质量等级代号有A、B、C、D,表示质量由低到高;脱氧方法代号有F、b、Z、TZ,分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢,其中代号Z、TZ可以省略不写。如Q235A代表屈服强度为235N/mm2,A级,镇静钢。钢材强度主要由其中碳元素含量的多少来决定,钢号的由低到高在很大程度上代表了含碳量的由低到高。钢材质量高低主要是以对冲击韧性的要求区分的,对冷弯试验的要求也有不同。对A级钢,冲击韧性不作为要求条件,对冷弯试验也只在需方有要求是才进行,而B、C、D级对冲击韧性则有不同程度的要求,且都要求冷弯试验合格。在浇铸过程中由于脱氧程度的不同,钢材有镇静钢、半镇静钢与沸腾钢之分,镇静钢脱氧最充分。钢结构一般采用Q235钢,分为A、B、C、D四级,A、B两级有沸腾钢、半镇静钢和镇静钢,C级全部为镇静钢,D级全部为特殊镇静钢。
②低合金高强度结构钢
低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量合金元素(合金元素的总量低于5%),以提高钢材的强度、耐腐蚀性及低温冲击韧性等。低合金高强度结构钢均为镇静钢或特殊镇静钢,所以它的牌号只有Q、屈服点数值、质量等级三部分,其中质量等级有A到E五个级别。A级无冲击功要求,B、C、D、E级均有冲击功要求。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。国家标准《低合金高强度结构钢》(GB/T1591-94)规定,低合金高强度结构钢分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等五种,其符号的含义与碳素结构钢牌号的含义相同,例如Q345-E代表屈服点为345 N/mm2的E级低合金高强度结构钢。
低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢,C、D、E级属于特殊镇静钢。

《钢结构设计规范》GB50017-2003(以下简称《钢结构规范》)规定,承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢。
承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证,对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。
焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。
对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材,应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于0℃但高于-20℃时,Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证;对Q390钢和Q420钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于-20℃时,对Q235钢和Q345钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证;对Q390钢和Q420钢应具有-40℃冲击韧性的合格保证。
对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于-20℃时,对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证;对Q390钢和Q420钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证。
吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁,对钢材冲击韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。
(2)品种及规格
钢结构采用的型材有热轧成型的钢板、型钢以及冷弯(或冷压)成型的薄壁型材。
①热轧钢板
热轧钢板分厚板、薄板和扁钢。厚板的厚度为3~60 mm,宽0.7~3m,长4~12m。薄板厚度为0.35~3 mm,宽0.5~1.5m,长0.5~4m。扁钢厚度为3~60mm,宽度为30~200mm,长3~9m。厚钢板广泛用来组成焊接构件和连接钢板,薄钢板是冷弯薄壁型钢的原料。钢板用符号“-”后加“厚×宽×长(单位为mm)”的方法表示,如-12×800×2100。
②热轧型钢
热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢、H型钢、剖分T型钢、钢管(图2.1.2)。


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图2.1.2 热轧型钢截面


角钢有等边和不等边两种。等边角钢也称等肢角钢,以符号“L”后加“边宽×厚度”(单位为mm)表示,如×厚度”表示,如L100L100×10表示肢宽100mm、厚10mm的等边角钢。不等边角钢(也叫不等肢角钢)则以符号“L”后加“长边宽×短边宽×80×8等。我国目前生产的等边角钢,其肢宽为20~200mm,不等边角钢的肢宽为25×16 mm~200×125mm。
槽钢有热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。普通槽钢以符号“[”后加截面高度(单位为cm)表示,并以a、b、c区分同一截面高度中的不同腹板厚度,如[30a指槽钢截面高度为30cm 且腹板厚度为最薄的一种。轻型槽钢以符号“Q[”后加截面高度(单位为cm)表示,如Q[25,其中Q是汉语拼音“轻”的拼音字首。同样型号的槽钢,轻型槽钢由于腹板薄及翼缘宽而薄,因而截面小但回转半径大,能节约钢材、减少自重。
工字钢分普通工字钢和轻型工字钢。普通工字钢以符号“I”后加截面高度(单位为cm)表示,如I16。20号以上的工字钢,同一截面高度有3种腹板厚度,以a、b、c区分(其中a类腹板最薄),如I30b。轻型工字钢以符号“QI”后加截面高度(单位为cm)表示,如Q I 25。我国生产的普通工字钢规格有10~63号,轻型工字钢规格有10~70号。工程中不宜使用轻型工字钢。
H型钢是一种经工字钢发展而来的经济断面型材,其翼缘内外表面平行,内表面无斜度,翼缘端部为直角,便于与其他构件连结。热轧H型钢分为宽翼缘H型钢、中翼缘H型钢和窄翼缘H型钢三类,此外还有H型钢柱,其代号分别为HW、HM、HN、HP。H型钢的规格以代号后加“高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度”(单位为mm)表示,如HW340×250×9×14。H型钢的腹板与翼缘厚度相同,常用作柱子构件。
剖分T型钢系由对应的H型钢沿腹板中部对等剖分而成。其代号与H型钢相对应,采用TW、TM、TN分别表示宽翼缘T型钢、中翼缘T型钢和窄翼缘T型钢,其规格和表示方法亦与H型钢相同,如TN225×200×12表示截面高度为225mm、翼缘宽度为200mm、腹板厚度为12mm的窄翼缘剖分T型钢。用剖分T型钢代替由双角钢组成的T型截面,其截面力学性能更为优越,且制作方便。
钢管分为无缝钢管和焊接钢管。以符号“Ф”后加“外径×厚度” (单位为mm)表示,如Ф400×6。
③冷弯薄壁型材
冷弯薄壁型钢是由2~6mm的薄钢板经冷弯或模压而成型的,其截面各部分厚度相同,转角处均呈圆弧形(图2.1.3a~i)。因其壁薄,截面几何形状开展,因而与面积相同的热轧型钢相比,其截面惯性矩大,是一种高效经济的截面;缺点是因为壁薄,对锈蚀影响较为敏感,故多于跨度小,荷载轻的轻型钢结构中。
压型钢板(图2.1.3j)是近年来开始使用的薄壁型材,所用钢板厚度为0.4~2mm。其优缺点同冷弯薄壁型钢,主要用于围护结构、屋面、楼板等。

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图2.1.3 冷弯薄壁型材的截面形式

(a)~(i) 冷弯薄壁型钢;(j)压型钢板


2 建筑钢材的力学性能 


1.影响钢材力学性能的主要因素
影响钢材力学性能的因素有很多,本节讨论化学成分、冶金缺陷、钢材硬化、应力集中、残余应力、温度变化及疲劳等因素对钢材性能的影响。

(1)化学成分
钢的主要成分是铁(Fe),其次是碳(C)。碳素结构钢中纯铁含量占99% 以上。除铁和碳外,还有冶炼过程中留下来的杂质,如硅(Si)、锰(Mn)、硫(S)、磷(P)、氮(N)、氧(O)等元素,低合金高强度结构钢中还含合金元素,如锰、硅、钒(V)、铜(Cu)、铌(Nb)、钛(Ti)、铝(Al)、铬(Cr)、钼(Mo)等等。合金元素通过冶炼工艺以一定的结晶形式存在于钢中,可以改善钢材的性能。同一种元素以合金的形式和杂质的形式存在与钢中,其影响是不同的。
碳是形成钢材强度的主要成分。碳含量提高,则钢材强度提高,但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降,尤其是低温下的冲击韧性也会降低。钢材按碳的含量分,小于0.25% 的为低碳钢,大于0.25% 而小于0.6% 的为中碳钢,大于0.6% 的为高碳钢。
锰和硅是钢中的有益元素,它们都是脱氧剂。它们可提高强度,又不会过多降低塑性和冲击韧性。低合金钢中锰的含量在1.0%~1.7%。硅的含量在碳素镇静钢中为0.12%~0.3%,低合金钢中为0.2%~0.55%。
钒、铌、钛是钢中的合金元素,既可以提高钢材强度,又可保持良好的塑性、韧性。
铝是强脱氧剂,用铝进行补充脱氧,能进一步减少钢中的有害氧化物。铬和镍是提高钢材强度的合金元素。
硫和磷是冶炼过程中留在钢中的杂质,是有害元素。它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。特别是硫,能生成易于熔化的硫化铁,当热加工及焊接使温度达800~1000℃时,使钢材出现裂纹、变脆,称为“热脆”现象。这对钢材热加工不利。而在低温时,磷使钢材的冲击韧性降低很多,称为“冷脆”现象。这对低温下工作的结构不利。因此,对硫和磷的含量必须严加控制,一般硫的含量不得超过0.045%~0.05% ,而磷的含量不得超过0.045%。但磷可提高钢材的强度和抗锈蚀性,如高磷钢(磷含量可达0.12%)。
氧和氮是钢中的有害杂质。氧能使钢热脆,其作用比硫剧烈,氮能使钢冷脆,与磷相似。故它们的含量也必须严加控制。碳素结构钢的氧含量不应大于0.08%。但氮有时可以作为合金元素存在于钢之中,桥梁上使用的Q420q钢即是一例,其B级钢氮含量为0.01%~0.02%。
(2)冶金缺陷的影响
常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、分层。偏析是指钢中化学成分不一致和分布不均匀;非金属夹杂是指钢中含有硫化物与氧化物等杂质;气孔是浇注钢锭时,由氧化铁与碳作用形成的一氧化碳气体不能充分逸出而形成的。钢材中的夹层是由于钢锭内留有气泡,有时气泡内还有非金属夹渣,当轧制温度及压力不够时,不能使气泡压合,气泡被压扁延伸,形成了夹层。此外因冶炼过程中残留的气泡、非金属夹渣,或因钢锭冷却收缩,或因轧制工艺不当,还可能导致钢材内部形成细小的裂纹。偏析、夹层、裂纹等等缺陷都会使钢材性能变差。
(3)钢材硬化
在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形,从而提高了钢的屈服点,同时降低了钢的塑性和韧性,这种现象称为冷作硬化或应变硬化。
在高温时熔化于铁中的少量氮和碳,随着时间的增长逐渐从纯铁中析出,形成自由碳化物和氮化物,对纯铁体的塑性变形起遏制作用,从而使钢材的强度提高,塑性、韧性下降。这种现象称为时效硬化,俗称老化。时效硬化的过程一般很长,但如在材料塑性变形后加热,可使时效硬化发展特别迅速,这种方法称为人工时效。
此外,还有应变时效,即应变硬化(冷作硬化)后又加时效硬化。
在一般钢结构中,不利用硬化所提高的强度,有些重要结构要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性,以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。另外,应将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。
(4) 温度影响
钢材对温度相当敏感,温度升高与降低都使钢材性能发生变化。相比之下,钢材的低温性能更重要。
钢材的力学性能与温度间的关系,在正温范围,总的趋势是随着温度的升高,钢材强度降低,变形增大。约在200℃以内钢材性能没有很大变化,430~540℃之间则强度(屈服强度和抗拉强度 )急剧下降;到600℃时强度很低不能承担荷载。此外,250℃附近有蓝脆现象,约260~320℃时有徐变现象。蓝脆现象是指温度在250℃左右的区间内,clip_image004局部性提高,clip_image006也有回升现象,同时塑性有所降低,材料有转脆倾向。在蓝脆区进行热加工,可能引起裂纹。徐变指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现象。
在负温范围,clip_image007clip_image008都增高,但塑性变形能力减小,因而材料转脆,对冲击韧性的影响十分突出。
(5) 应力集中
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      钢材的工作性能和力学性能指标都是以轴心受拉杆件中应力沿截面均匀分布的情况作为基础的。实际上在钢结构的构件中有时存在着孔洞、槽口、凹角、截面突然改变以及钢材内部缺陷等。此时,构件中的应力分布将不再保持均匀,而是在某些区域内产生局部高峰应力,在另外一些区域则应力降低,形成所谓应力集中现象(图2.1.4)。高峰区的最大应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数。应力集中系数愈大,变脆的倾向愈严重。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的现象趋于平缓。故受静荷载作用的构件在常温下工作时,计算中可不考虑应力集中的影响。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。
(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,钢材的强度低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度?u ,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。
实践证明,构件的应力水平不高或反复次数不多的钢材一般不会发生疲劳破坏,计算中不必考虑疲劳的影响。但是,长期承受频繁的反复荷载的结构及其连接,例如承受重级工作制吊车的吊车梁等,在设计中就必须考虑结构的疲劳问题。
需要指出,研究和分析影响建筑钢材基本性能的各种因素,其最终目的是为了解建筑钢材在什么条件下可能发生脆性破坏,从而可以采取措施予以防治。钢材的脆性破坏往往是多种因素影响的结果,例如当温度降低,加载速度增大,使用应力较高,特别是这些因素同时存在时,材料或构件就有可能发生脆性断裂。为了防止脆性破坏的发生,设计、制造及使用中均应加以注意。

2.钢材的力学性能
建筑钢材的力学性能是衡量钢材质量的重要指标,它包括强度、塑性、冷弯性能、冲击韧性。
1. 强度
①有明显屈服点的钢材
低碳钢和低合金钢(含碳量和低碳钢相同)一次拉伸时的应力-应变曲线如图2.1.5。
屈服点y是建筑钢材的一个重要力学特性。实际上,由于加载速度及试件状况等试验条件的不同,屈服开始时总是形成曲线的上下波动,波动最高点b称为上屈服点,最低点c称为下屈服点(用y表示)。应力达到y后在一个较大的应变范围内(约从clip_image010=0.15%到clip_image011=2.5%)应力不会继续增长,表示结构已丧失继续承担更大荷载的能力。

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曲线最高点应力为抗拉强度fu。到达fu后试件出现局部横向收缩变形,即“颈缩”,随后断裂。
由于到达fy后构件产生较大变形,故把它取为计算构件的强度标准;到达fu时构件开始断裂破坏,故以 fu作为材料的强度储备。
②无明显屈服点的钢材
高强钢材(如热处理钢材)没有明显的屈服点和屈服台阶,应力-应变曲线形成一条连续曲线。对于没有明显屈服点的钢材,以残余变形为clip_image013=0.2%时的应力作为名义屈服点,用clip_image015表示,其值约等于极限强度的85%(图2.1.6)。
钢材在一次压缩或剪切所表现出来的应力-应变变化规律基本上与一次拉伸试验时相似,压缩时的各强度指标也取用拉伸时的数据,只是剪切时的强度指标数值比拉伸时的小。
(2)塑性性能
断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比称为伸长率,它是衡量钢材塑性的重要指标。它取5d或10dd为圆形试件直径)为标定长度,其相应的伸长率用δ5或δ10表示(图2.1.7)。伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。结构制造时,这种能力使材料经受剪切、冲压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。
屈服点、抗拉强度和伸长率,是钢材的三个重要力学性能指标。
(3)冷弯性能
冷弯性能由冷弯试验来确定(图2.1.8)。试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头加压,使试件弯成180°,如试件外表面不出现裂纹和分层,即为合格。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能,还能暴露钢材内部的冶金缺陷,如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况,这些都将降低钢材的冷弯性能。因此,冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。

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(4)冲击韧性
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      韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。韧性是钢材强度和塑性的综合指标。
《碳素结构钢》GB700-2006规定,材料冲击韧性的测量采用国际上通用的夏比(Charpy)试验法(图2.1.9)。夏比缺口韧性用AKV 或CV 表示,其值为试件折断所需的功,单位为J(焦耳)。
冲击韧性随温度的降低而下降。其规律是开始下降缓慢,当达到一定温度范围时,突然下降很多而呈脆性,这种性质称为钢材的冷脆性,这时的温度称为脆性临界温度。钢材的脆性临界温度越低,低温冲击韧性越好。
对于直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构,应有冲击韧性保证。

3.建筑钢材的强度设计值
钢材的强度设计值等于钢材的屈服点除以钢材的抗力分项系数clip_image032。钢材的抗力分项系数clip_image033取为,Q235钢为1.087,Q345、Q390、Q420钢为1.111。
钢材强度设计值根据钢材厚度或直径按表2.1.5采用。

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注:表中厚度系指计算点的厚度,对轴心受力构件系指截面中较厚板件的厚度。



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