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2 钢结构的材料 学时：4 2.1 钢结构对材料的要求 钢结构常需在不同环境条件下承受各种荷载，因此钢材应具有良好的机械性能和加工工艺性能，以保证结构安全、节省钢材、便于加工制造，并降低价格和投资。

具体要求 （1）较高的抗拉强度uf 和屈服点yf ； （2）较高的塑性和韧性； （3）良好的工艺性能 符合钢结构这些要求的钢材，只有属于碳素结构钢和低合金结构钢中的少数几种。

规范规定 承重结构 应具有抗拉强度、屈服点、伸长率和碳、硫、磷含量的合格保证； 焊接结构 还应有冷弯试验的合格保证； 承动力结构或重要的受拉、受弯焊接结构 还应有常温或负温冲击韧性的合格保证。

2.2 钢材的主要性能 1 2.2.1 钢材在单向均匀拉力作用下的性能 l F   曲线(    曲线) 五个阶段：弹性，弹塑性，屈服，强化，颈缩。

性能指标：弹性极限ef ，比例极限pf ，弹性模量 E，   E  ； 切线模量   d d E t /  （随应力  的增而减，直至屈服点时降为零）； 屈服点yf （下屈服极限）或2 . 0f （条件屈服极限）； 抗拉强度uf ； 截面收缩率 % 10001 0AA A ，伸长率 % 10000 1ll l 。

理想弹塑性材料 yf   时，在弹性阶段工作；yf   时，在塑性阶段工作。

强度性能 屈服强度yf —强度承载能力极限状态的标志 抗拉强度uf —抗破断能力的极限，屈强比u yf f / （强度储备） 塑性性能

伸长率  —塑性变形的发展能力 物理性能 弹性模量 E；剪切模量 G；线膨胀系数  ；质量密度  。

表 2-1 注：

钢材受压（粗短试件）、受剪时与受拉性能相似。

2 2.2.2 冷弯性能 衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂纹的抵抗能力。由冷弯试验测定。既可检验钢材适应冷加工能力和显示钢材内部缺陷，也可考察钢材在复杂应力状态下发展塑性变形能力。

钢材冷弯试验时试件无裂纹或分层等现象发生，即为合格。

3 2.2.3 冲击韧性 钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的能力，衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂的能力。由常温（20°C）、负温（0°C、－20°C、－40°C）下冲击试验测定。

钢材的冲击韧性与钢材质量、试件缺口状况和加载速度有关，而且受温度特别是负温的影响较大（当温度低于某一负温值时，冲击韧性将急剧降低），还与钢材厚度有关（厚钢材的冲击韧性尤其是负温冲击韧性将显著降低）。

注：

强度、塑性——静力性能；冷弯性能——加工性能；冲击韧性——动力性能。

2.3 各种因素对钢材主要性能的影响 2.3.1 化学成分 钢的主要化学成分是铁（Fe，普通碳素钢中约占 99%）和少量的碳（C），此外有锰（Mn）、硅（Si）等有利元素，以及熔炼中很难除尽或混入的硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）、氢（H）等有害杂质。合金钢中还有特意添加用以改善钢材性能的合金元素，如锰、钒（V）等。

碳 对钢的强度、塑性、韧性和焊接性有决定性的影响。随碳含量的增加，抗拉强度和屈服强度提高；塑性、冷弯性能、冲击韧性尤其是低温冲击韧性降低；焊接性也变坏。结构钢材的碳含量不能过高，不超过 0.22%。

锰 含量不太多时，能显著改善钢材的冷脆性能，并提高抗拉强度和屈服强度提高，而不过多地降低塑性和冲击韧性；可脱除有害元素氧；还能与硫化合成 MnS，减少钢材热加工时因硫而产生裂纹的“热脆”现象。但过量的锰会使钢材变脆和塑性降低。碳素钢中锰含量为0.3～0.8%，低合金钢中锰含量为 1.2～1.6%。

硅 与钢液中的氧有较强的化合作用，并能使钢中纯铁体晶粒细小和散布均匀，是熔炼较好性能镇静钢的常用脱氧剂。适量硅可提高钢材的强度，而对塑性、冷弯性能、冲击韧性和焊接性无显著的不良影响。过量的硅将降低塑性和冲击韧性，恶化抗锈蚀能力和焊接性。

结构钢中硅含量一般不超过 0.3%（Q235 钢）或 0.6%（16Mn、15MnV 钢）。

钒 熔炼锰钒低合金钢时特意添加的合金元素。可提高钢材的强度和细化钢的晶粒；提高钢的高温硬度（钒化合物具有高温稳定性）。

15MnV 钢中钒含量为 0.004～0.12%。

硫 FeS 散布在纯铁体的间层，当温度为 800～1200℃时熔化而使钢材出现裂纹（“热脆”现象），使钢的焊接性变坏；还降低塑性和冲击韧性。

应严格限制结构尤其是焊接结构钢材的硫含量，一般不超过 0.035～0.050%。

磷 使钢在低温时韧性降低并容易产生脆性破坏（“冷脆”现象）；在高温时也使塑性变差。

应严格限制结构钢材的磷含量，一般不超过 0.035～0.045%。

氧、氮、氢 在钢熔融时从空气或水分子分解等进入钢液，在冷却后余留下来。氧的有害作用同硫且更甚；氮的有害作用类似磷；氢在低温时易使钢脆性破坏（“氢脆”现象）。

较重要的钢结构脆性破坏在低温下承受动力荷载的钢结构用钢，钢结构氧、氮、氢的含量。

2.3.2 冶金缺陷 常见的冶金缺陷：偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等 冶炼 目前钢结构用钢主要由平炉和氧气转炉冶炼而成。电炉钢质量精良，但成本高、电耗大。

浇注 钢冶炼后因浇注方法（脱氧程度或方法）的不同而分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。

沸腾钢 在熔炼钢液中仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧，钢液铸锭时有大量 CO 气体逸出，使钢液剧烈“沸腾”。铸锭后冷却速度快，溶于钢液中的气体不能全部逸出，易形成气泡包在钢 锭内；还使硫、磷杂质分布不匀，出现局部富集的“偏析”现象。质量不均匀，常使轧制钢材产生分层，降低钢材特别是厚钢板的抗层状撕裂的能力，但生产工艺简单，价格便宜，质量能满足一般承重钢结构的要求，应用较多。

镇静钢 在熔炼钢液中加入适量的强脱氧剂硅（或铝）和锰进行较彻底脱氧，钢液铸锭时不再发生沸腾现象而在锭模内平静地逐渐冷却。质量优良且均匀，组织致密，杂质少，偏析小。与沸腾钢相比，冲击韧性和焊接性较好，冷脆和时效敏感性较小，强度和塑性也略高，但工艺过程较复杂（需一定量强脱氧剂，铸锭时需适当保温），冷却后钢锭头部缩凹致使切除的部分较多，收得率低（约 80%），因而价格较高。

半镇静钢 在熔炼钢液中加入少量强脱氧剂硅（或铝），脱氧程度、质量和价格介于沸腾钢和镇静钢之间。

特殊镇静钢 脱氧要求更高，通常是用硅脱氧后再用铝补充脱氧。

轧制 把钢锭再加热至 1200～1300℃后进行轧制，这时钢具有较好的热塑性和可锻焊性，轧钢机的压力作用可消除铸造显微组织缺陷和细化钢的晶粒。

轧制钢材比同种类铸钢质量好，而且压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大，其强度和冲击韧性等也愈高。

2.3.3 钢材硬化 冷加工 冷拉、冷拔、冷弯、冲孔、剪切等。

冷作硬化（应变硬化） 钢材加载至屈服阶段再卸载，产生很大塑性变形→屈服强度提高，弹性范围增加，塑性和韧性降低。

∴对钢结构特别是承受动力荷载作用的钢结构是不利的。

时效硬化（老化） t↗C、N 析出形成碳化物和氮化物→屈服强度和抗拉强度提高，塑性和韧性降低。

自然时效（长时时效） 人工时效（短时时效） 应变时效 冷作硬化＋时效硬化 4 2.3.4 温度 高温 T300℃时，T↗→uf 、yf 、E↘(显著)，  ↗(显著，徐变)； T>400℃时，T↗→uf 、yf 、E↘(急剧)； T≈600℃时，无承载能力。

∴ 当结构表面长期受辐射热达 150℃以上，或可能受到炽热熔化金属的侵害时，应做隔热层。

低 温 T↘→uf 、yf ↗，塑性和韧性↘，脆性↗“冷脆”。

∴ 在低温（≤－20℃）工作的结构，特别是承受动力荷载作用的结构，钢材应具有负温（－20℃或－40℃）冲击韧性的合格保证。

2.3.5 应力集中 应力集中 截面突变→局部高峰应力，应力分布不均匀。

在应力集中的高峰应力区内，通常存在同号的平面或立体应力状态，常使钢材的变形发展困难而导致脆性状态破坏。

影响 静力极限承载力不变； 动力尤其低温下极限承载力明显降低，脆断。

∴应避免构件截面急剧改变。

2.3.6 反复荷载作用 反复荷载作用→结构的抗力和性能变化，若应力较大或反复次数较多就有可能发生低名义应力（低于抗拉强度或屈服强度）情况下发生突然断裂的破坏，即疲劳破坏。

2.4 复杂应力作用下钢材的屈服条件 yf 是钢材在单向拉伸（或压缩）下弹性与塑性工作的分界标志。

实际钢结构中，钢材常在双向或三向复杂应力状态下工作，其强度条件由能量强度理论（第四强度理论）给出。

三向应力状态 x ，y ，z ，xy ，yz ，zx ，（1 ，2 ，3 ） y eqf     2) ( ) ( ) (21 323 222 1      或  y zx yz xy x z z y y x z y x eqf          2 2 2 2 2 23 ) (              双向应力状态 x ，y ，xy ， y xy y x y x eqf     2 2 23       单向正应力和剪应力状态   x，   xy， y eqf       3 平面纯剪切应力状态  ， y eqf     3

或 vy yyf ff   58 . 03 （抗剪屈服强度） 钢材的屈服仅取决于三向主应力间差值平方和的大小。若1 ≈2 ≈3 ，则单元体的变形主要是各向均匀伸长或缩短引起的体积改变，而其形状基本保持不变，故形状改变应变能很小，致使塑性变形受到遏制，即使各主应力值很高，材料也很难转入屈服和有明显的变形。但高应力的作用使聚积在材料内的体积改变应变能很大，因而材料一旦破坏，便呈现出无明显变形征兆的突然剧烈的脆性破坏特征。

2.5 钢材的破坏形式 塑性破坏 构件应力达到抗拉强度uf ，变形过大时发生。断口呈纤维状。有较大的塑性变形，且持续时间长，易发现并采取补救措施。

脆性破坏 计算应力低于抗拉强度或屈服强度时发生。断口平直并呈晶粒状。塑性变形小甚至没有， 断裂前无预兆，危害较大。

钢结构脆性断裂破坏事故往往是多种不利因素综合影响的结果。

影响脆性断裂的因素 钢材质量差（C、S、P、O、N 含量过高，晶粒较粗，夹杂物等冶金缺陷严重，韧性差）；结构构件构造不当（孔洞、缺口或截面改变急剧或布置不当使应力集中严重）；制造安装质量差 （焊接、安装工艺不合理，焊缝交错，焊接缺陷大，残余应力严重）；结构受较大动力荷载，或在较低环境温度下工作等（厚钢材尤甚）。

脆性断裂的防止 合理设计和选用钢材（选择合适的结构方案和杆件截面、连接及构造型式，避免截面的急剧改变，减小构造应力集中；根据结构的荷载情况、所处环境温度和所用钢材厚度，选择合适的钢种并提出需要的技术要求）；合理制造和安装；建立必要的使用维修规定和措施。

2.6 钢的种类和钢材规格 1 2.6.1 钢的种类 钢种 用途：

结构钢（建筑用，机械用），工具钢，特殊钢； 冶炼方法：平炉钢，氧气转炉钢，碱性转炉钢，电炉钢； 脱氧方法：沸腾钢，半镇静钢，镇静钢和特殊镇静钢；

成型方法：轧制钢（热轧、冷轧），锻钢，铸钢； 化学成分：碳素钢（低 C≤0.25%、中 0.25%0.6%）, 合金钢（低10%）； 注：生铁或铸铁——C>2.0%；熟铁——C0——同号应力循环  =1——静荷载 应 力幅 min max      钢材的疲劳试验表明，当钢材、试件、试验环境条件相同，且应力比为定值时，最大应力max 随疲劳破坏时应力循环次数 N 的增加而降低，且曲线具有平行于 N 轴的渐近线，当 N →∞时，max →fe 。fe 表示应力循环无穷多次试件不致发生疲劳破坏的循环应力max 的极限值，称为钢材的 疲劳强度极限 或耐久疲劳强度。实用上常取相应于 N=5×610 次的疲劳强度作为钢材的耐久疲劳强度；相应于其他次数的疲劳强度称为条件疲劳强度。

焊接钢构件和连接的疲劳曲线 图 2.12 常幅循环应力作用下，疲劳试验曲线（ N    曲线）：引起试件疲劳破坏的应力幅  与其循环作用次数 N 的关系      lg lg1b N 由此得到容许应力幅公式：

1] [  NC 式中，C、β——疲劳特征参数，与钢构件和连接的类别有关。

表 2.2 附录 6 二． 钢构件和连接的疲劳计算 规范规定，承受动力荷载重复作用的钢构件（如吊车梁、吊车桁架等），当应力变化的循环次数 n≥510 次时，应对应力循环中出现拉应力的部位进行疲劳计算。计算疲劳时，作用于结构的荷载取标准值，不乘荷载分项系数，也不乘动力系数，并按弹性方法计算其应力。

常幅疲劳计算 ] [     

式中，   ——对焊接部位：

min max      ， 对非焊接部位：

min max7 . 0       （折算应力幅）； [   ]——常幅疲劳的容许应力幅。

变幅疲劳计算 对受随机荷载作用的变幅疲劳计算或分析比较复杂，通常是近似地按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的应力幅折算成等效常应力幅e  ，因此疲劳计算公式为 ] [) (/ 1   ii ienn 式中， in ——以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； in ——预期使用寿命内相应于应力幅i  的应力循环次数。

重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架按常幅疲劳等效的疲劳计算公式为 610 2] [      f 式中，   ——按一台吊车荷载标准值计算max 和min 而得的计算应力幅； 610 2] [  ——循环次数 N 为 2×610 次的容许应力幅； f ——欠载效应的等效系数，取 1.0（重级工作制硬钩吊车）、 0.8（重级工作制软钩吊车） 0.5（中级工作制吊车）。

例 例 1 1 试验算单层工业厂房中 24m 跨度 Q235-B 钢焊接吊车桁架下弦杆的疲劳强度。已知厂房跨度 33m ；吊车为两台 15/3t 中级工作制，每台吊车每侧的轮子数、轮距和最大轮压（标准值）如图；吊车桁架及轨道等自重可估为 5kN/m（标准值）；根据强度计算已选得下弦杆截面为 2∟160×14。（提示：疲劳验算时考虑一台吊车荷载标准值，求下弦杆最大内力时的轮子布置如图；下弦杆在节点处采用侧面角焊缝连接。） 解：常幅疲劳应力幅 min max        ——仅吊车荷载产生（max ：恒荷 载+吊车荷载产生；min ：恒荷载产生） 疲劳计算公式

610 2] [      f 第八类角焊缝：610 2] [  =59（Mpa） 中级工作制吊车 0.5 f （查附录 6——类别；表 2.2——C、β值；用公式(2.9)计算） 一台吊车作用于在最不利位置（图示）时 支反力 ) ( 1952419) 7 195 12 195 (241kN R A       下弦杆轴力 ) ( 5 . 617 1956193121kN R NA    面积 ) ( 6 . 86 3 . 43 22cm A    ∴ ) / ( 3 . 7110 6 . 8610 5 . 6172231mm NAN    59 3 . 71 5 . 0   满足疲劳强度 例 例 2 2 某 Q345 钢构件焊接部位的疲劳类别属于 6 类。经测试其一年内的应力变化总次数为 3 万次；其中各种应力幅的出现频率为：21/ 15 mm N    ，占 5%，22/ 45 mm N    ，占 20%，23/ 75 mm N    ，占 30%，24/ 105 mm N    ，占 25%，25/ 135 mm N    ，占 15%，26/ 165 mm N    ，占 5%。（1）以设计基准期 T=50 年考虑，试验算疲劳强度是否满足设计要求；（2）求该构件的设计疲劳寿命（年）。

解：变幅疲劳计算公式 ] [ )) ((1 ii inn 第六类疲劳 3   ，1210 96 . 0   C ； 50 年循环次数 410 3 50    N 容许应力幅 231512/ 86 )10 1510 96 . 0( ] [ mm N    (1) 410 3  in 3 3 3 3 4105 25 . 0 75 3 . 0 45 2 . 0 15 05 . 0 ( 10 3 ) (            iin 1028025 10 3 ) 165 05 . 0 135 15 . 04 3 3       ] [ ) / ( 101 1028025231    mm N 不满足疲劳强度 (2) 设疲劳寿命为 n 年 令 101 )10 310 96 . 0(31412 n 得 31  n （年）

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