【精品】2鋼結(jié)構(gòu)的材料.doc

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第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求鋼結(jié)構(gòu)的原材料是鋼，鋼的種類(lèi)繁多，性能差別很大，適用于鋼結(jié)構(gòu)的鋼只是其中的一小部分。%1.用作鋼結(jié)構(gòu)的鋼必須符合下列要求：（1）較高的抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)是衡量結(jié)構(gòu)承載能力的指標(biāo)，屈服點(diǎn)高則可減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約鋼材和降低造價(jià)?？估瓘?qiáng)度是衡量鋼材經(jīng)過(guò)較大變形后的抗拉能力，它直接反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣，同時(shí)抗拉強(qiáng)度高可以增加結(jié)構(gòu)的安全保障。（2）較高的塑性和韌性塑性和韌性好，結(jié)構(gòu)在靜載和動(dòng)載作用下有足夠的應(yīng)變能力，既可減輕結(jié)構(gòu)脆性破壞的傾向，又能通過(guò)較大的塑性變形調(diào)整局部應(yīng)力，同時(shí)又具有較好的抵抗重復(fù)荷載作用的能力。（3）良好的工藝性能（包括冷加工、熱加工和可焊性能）良好的工藝性能不但要易于加工成各種形式的結(jié)構(gòu)，而且不致因加工而對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、塑性、韌性等造成較大的不利影響。根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體工作條件，有時(shí)還要求鋼材具有適應(yīng)低溫、高溫和腐蝕性環(huán)境的能力。二、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范具體規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服點(diǎn)和碳、硫、磷含量的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證；對(duì)某些承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)以及重要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有常溫或負(fù)溫沖擊韌性的合格保證。第二節(jié)鋼材的破壞形式一、鋼材有兩種性質(zhì)完全不同的破壞形式即塑性破壞和脆性破壞鋼結(jié)構(gòu)所用的材料雖然有較高的塑性和韌性，一般為塑性破壞，但在一定的條件下，仍然有脆性破壞的可能性。二、塑性破壞塑性破壞是由于變形大，破壞前構(gòu)件產(chǎn)生較大的塑性變形，超過(guò)了材料或構(gòu)件可能的應(yīng)變能力而產(chǎn)生的，構(gòu)件的應(yīng)力達(dá)到了鋼材的抗拉強(qiáng)度，斷裂后的斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。在塑性破壞前，由于總有較大的塑性變形發(fā)生，且變形持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，很容易及時(shí)發(fā)現(xiàn)而采取措施予以補(bǔ)救，不致引起嚴(yán)重后果。另外，塑性變形后岀現(xiàn)內(nèi)力重分布，使結(jié)構(gòu)中原先受力不等的部分應(yīng)力趨于均勻，因而提高結(jié)構(gòu)的承載能力。三、脆性破壞脆性破壞前塑性變形很小，甚至沒(méi)有塑性變形，計(jì)算應(yīng)力可能小于鋼材的屈服點(diǎn)，斷裂從應(yīng)力集中處開(kāi)始（冶金和機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，特別是缺口和裂紋，常是斷裂的發(fā)源地）破壞前沒(méi)有任何預(yù)兆，破壞是突然發(fā)生的，斷口平直并呈有光澤的晶粒狀.由于脆性破壞前沒(méi)有明顯的預(yù)兆，無(wú)法及時(shí)覺(jué)察和采取補(bǔ)救措施，而且個(gè)別構(gòu)件的斷裂常引起整個(gè)結(jié)構(gòu)塌毀,危及人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，后果嚴(yán)重，損失較大。在設(shè)計(jì)、施工和使用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，要特別注意防止出現(xiàn)脆性破壞。 第三節(jié)鋼材的主要性能%1.受拉.受壓及受剪時(shí)的性能鋼材標(biāo)準(zhǔn)試件在常溫靜載情況下，單向均勻受拉試驗(yàn)時(shí)的荷載一變形曲線或應(yīng)力一應(yīng)變曲線，如圖2.1。由此曲線可獲得許多有關(guān)鋼材性能的信息。k強(qiáng)度性能比例極限彈性極限彈性極限和比例極限相距很近，實(shí)際上很難區(qū)分，故通常只提比例極限。屈服點(diǎn)對(duì)于低碳鋼，岀現(xiàn)明顯的屈服臺(tái)階，即在應(yīng)力保持不變的情況下，應(yīng)變繼續(xù)增加。上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn)：上屈服點(diǎn)和試驗(yàn)條件（加荷速度、試件形狀、試件對(duì)中的準(zhǔn)確性）有關(guān)；下屈服點(diǎn)則對(duì)此不太敏感，設(shè)計(jì)中則以下屈服點(diǎn)為依據(jù)。對(duì)于沒(méi)有缺陷和殘余應(yīng)力影響的試件，比例極限和屈服點(diǎn)比較接近，且屈服點(diǎn)前的應(yīng)變很?。▽?duì)低碳鋼約為0.15%）。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常假定屈服點(diǎn)以前鋼材為完全彈性的，屈服點(diǎn)以后則為完全塑性的，這樣就可把鋼材視為理想的彈一塑性體，其應(yīng)力一應(yīng)變曲線表現(xiàn)為雙直線，如圖2.2所示。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)后，將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的在使用上不容許的殘余變形（此時(shí)，對(duì)低碳鋼2.5%）,表明鋼材的承載能力達(dá)到了最大限度。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)取屈服點(diǎn)為鋼材可以達(dá)到的最大應(yīng)力。條件屈服點(diǎn)高強(qiáng)度鋼沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)和屈服臺(tái)階。這類(lèi)鋼的屈服條件是根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果而人為規(guī)定的，故稱(chēng)為條件屈服點(diǎn)（或屈服強(qiáng)度）。條件屈服點(diǎn)是卸荷后試件中殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力2、塑性性能伸長(zhǎng)率3、物理性能指標(biāo)鋼材和鋼鑄件的彈性模量、剪變模量C.線性膨脹系數(shù)和質(zhì)量密度見(jiàn)表2.1。%1.冷彎性能冷彎性能由冷彎試驗(yàn)來(lái)確定（圖2.4）。試驗(yàn)時(shí)按照規(guī)定的彎心直徑在試驗(yàn)機(jī)上用沖頭加壓，使試件彎成180度，如試件外表面不出現(xiàn)裂紋和分層,即為合格。冷彎試驗(yàn)不僅能直接檢驗(yàn)鋼材的彎曲變形能力或塑性性能，還能暴靂鋼材內(nèi)部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物與氧化物的摻雜情況，這些都將降低鋼材的冷彎性能。冷彎性能合格是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下的塑性應(yīng)變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標(biāo)。%1.沖擊韌性拉力試驗(yàn)所表現(xiàn)的鋼材性能，如強(qiáng)度和塑性，是靜力性能，而韌性試驗(yàn)則可獲得鋼材的一種動(dòng)力性能。韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它用材料在斷裂時(shí)所吸收的總能量（包括彈性和非彈性能）來(lái)量度，其值為圖2.1中曲線與橫坐標(biāo)所包圍的總面積，總面積愈大韌性愈高，故韌性是鋼材強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。通常是鋼材強(qiáng)度提高，韌性降低則表示鋼材趨于脆性。材料的沖擊韌性數(shù)值隨試件缺口形式和使用試驗(yàn)機(jī)不同而異。1988年6月290國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布了新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GBT00-88）,規(guī)定采用夏比（Charpy）V形缺口試件［圖2.5（d）］在夏比試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，所得結(jié)構(gòu)以所消耗的功Cv表示，單位為J,試驗(yàn)結(jié)果不除以缺口處的截面面積。過(guò)去我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)皆采用梅氏（Mesnager）試件在梅氏試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行［圖2.5］,所得結(jié)果以單位截面積上所消耗的沖擊功"k表示，單位為J/cm2。由于夏比試件比梅氏試件具有更為尖銳的缺口，更接近構(gòu)件中可能出現(xiàn)的嚴(yán)重缺陷，近年來(lái)用Cv能量來(lái)表示材料沖擊韌性的方法日趨普遍。由于低溫對(duì)鋼材的脆性破壞有顯著影響，在寒冷地區(qū)建造的結(jié)構(gòu)不但要求鋼材具有常溫（20C）沖擊韌 性指標(biāo)，還要求具有負(fù)溫（or.一20C或一40C）沖擊韌性指標(biāo)，以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗脆性破壞能力。 第四節(jié)各種因素對(duì)鋼材主要性能的影響一、化學(xué)成分鋼是由各種化學(xué)成分組成的，化學(xué)成分及其含量對(duì)鋼的性能特別是力學(xué)性能有著重要的影響。1、鐵(Fe)是鋼材的基本元素，純鐵質(zhì)軟，在碳素結(jié)構(gòu)鋼中約占99%,2、碳和其他元素僅占1%,但對(duì)鋼材的力學(xué)性能卻有著決定性的影響。其他元素包括硅(Si)、錢(qián)(Mn)、硫(S)、磷(P)、氮(N)、氧(0)等。低合金鋼中還含有少量(低于5%)合金元素，如銅(Cu)、飢(V)、鈦(Ti)、巍(Nb)、輅(Cr)等。(1)碳在碳素結(jié)構(gòu)鋼中，碳是僅次子純鐵的主要元素，它直接影響鋼材的強(qiáng)度、塑性、韌性和可焊性等。碳含量增加，鋼的強(qiáng)度提高，而塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度下降，同時(shí)惡化鋼的可焊性和抗腐蝕性。因此，盡管碳是使鋼材獲得足夠強(qiáng)度的主要元素，但在鋼結(jié)構(gòu)中采用的碳素結(jié)構(gòu)鋼，對(duì)含碳量要加以限制，一般不應(yīng)超過(guò)0.22%,在焊接結(jié)構(gòu)中還應(yīng)低于0.20%.(2)硫和磷硫和磷(其中特別是硫)是鋼中的有害成分，它們降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度。在高溫時(shí)，硫使鋼變脆，謂之熱脆；在低溫時(shí)，磷使鋼變脆，謂之冷脆。一般硫的含量應(yīng)不超過(guò)0.045%,磷的含量不超過(guò)0.045%。但是，磷可提高鋼材的強(qiáng)度和抗銹性。可使用的高磷鋼，其含量可達(dá)0.12%,這時(shí)應(yīng)減少鋼材中的含碳量，以保持一定的塑性和韌性。(3)氧和氮氧和氮都是鋼中的有害雜質(zhì)。氧的作用和硫類(lèi)似，使鋼熱脆；氮的作用和璘類(lèi)似，使鋼冷脆。由于氧、氮容易在熔煉過(guò)程中逸出，一般不會(huì)超過(guò)極限含量，故通常不要求作含量分析。(4)硅和猛硅和猛是鋼中的有益元素，它們都是煉鋼的脫氧劑.它們使鋼材的強(qiáng)度提高，含量不過(guò)高時(shí)，對(duì)塑性和韌性無(wú)顯著的不良影響。在碳素結(jié)構(gòu)鋼中，硅的含量應(yīng)不大于0.3%,猛的含量為0.3%—0.8%。對(duì)于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，猛的含量可達(dá)1.0%—1.6%,硅的含量可達(dá)0.55%。(5)飢、鈦、銅銳和鈦是鋼中的合金元素，能提高鋼的強(qiáng)度和抗腐蝕性能，又不顯著降低鋼的塑性。銅在碳素結(jié)構(gòu)鋼中厲于雜質(zhì)成分。它可以顯著地提高鋼的抗腐蝕性能，，也可以提高鋼的強(qiáng)度，但對(duì)可焊性有不利影響。二.冶金缺陷常見(jiàn)的冶金缺陷有偏析.非金屬夾雜、氣孔、裂紋及分層等。K偏析是鋼中化學(xué)成分不一致和不均勻性，特別是硫、磷偏析嚴(yán)重惡化鋼材的性能。2.非金屬夾雜是鋼中含有硫化物與氧化物等雜質(zhì)。3.氣孔是澆注鋼錠時(shí)，由氧化鐵與碳作用所生成的一氧化碳?xì)怏w不能充分逸出而形成的。4.分層澆注時(shí)的非金屬夾雜物在軋制后能造成鋼材的分層，會(huì)嚴(yán)重降低鋼材的冷彎性能。這些缺陷都將影響鋼材的力學(xué)性能。冶金缺陷對(duì)鋼材性能的影響，不僅在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受力工作時(shí)表現(xiàn)出來(lái)，有時(shí)在加工制作過(guò)程中也可表現(xiàn)出來(lái)。%1.鋼材硬化1、冷作硬化(或應(yīng)變硬化)冷拉、冷彎、沖孔、機(jī)械剪切等冷加工使鋼材產(chǎn)生很大塑性變形，從而提高了鋼的屈服點(diǎn)，同時(shí)降低了鋼的塑性和韌性，這種現(xiàn)象稱(chēng)為冷作硬化(或應(yīng)變硬化)。2、時(shí)效硬化(俗稱(chēng)老化) 在高溫時(shí)熔化于鐵中的少量氮和碳，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸從純鐵中析出，形成自由碳化物和氮化物，對(duì)純鐵體的塑性變形起遏制作用，從而使鋼材的強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降。這種現(xiàn)象稱(chēng)為時(shí)效硬化，俗稱(chēng)老化。 時(shí)效硬化的過(guò)程一般很長(zhǎng)，但如在材料塑性變形后加熱，可使時(shí)效硬化發(fā)展特別迅速。這種方法謂之人工時(shí)效。此外還有應(yīng)變時(shí)效，是應(yīng)變硬化（冷作硬化）后又加時(shí)效硬化。在一般鋼結(jié)構(gòu)中，不利用硬化所提高的強(qiáng)度，有些重要結(jié)構(gòu)要求對(duì)鋼材進(jìn)行人工時(shí)效后檢驗(yàn)其沖擊韌性，以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗脆性破壞能力。另外，應(yīng)將局部硬化部分用刨邊或擴(kuò)鉆予以消除。%1.溫度影響鋼材性能隨溫度變動(dòng)而有所變化。總的趨勢(shì)是：溫度升高，鋼材強(qiáng)度降低，應(yīng)變?cè)龃螅环粗瑴囟冉档?，鋼材?qiáng)度會(huì)略有增加，塑性和韌性卻會(huì)降低而變脆（圖2.6）。溫度升高，約在200°C以內(nèi)鋼材性能沒(méi)有很大變化，430C—540C之間強(qiáng)度急劇下降，600°C時(shí)強(qiáng)度很低不能承擔(dān)荷載。但在250C左右，鋼材的強(qiáng)度反而略有提高，同時(shí)塑性和韌性均下降，材料有轉(zhuǎn)脆的傾向，鋼材表面氧化膜呈現(xiàn)藍(lán)色，稱(chēng)為藍(lán)脆現(xiàn)象，鋼材應(yīng)避免在藍(lán)脆溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱加工。當(dāng)溫度在260C—32CTC時(shí),在應(yīng)力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形，此種現(xiàn)象稱(chēng)為徐變現(xiàn)象.當(dāng)溫度從常溫開(kāi)始下降，特別是在負(fù)溫度范圍內(nèi)時(shí)，鋼材強(qiáng)度雖有提髙，但其塑性和韌性降低，材料逐漸變脆，這種性質(zhì)稱(chēng)為低溫冷脆。圖2.7是鋼材沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn)，隨著溫度的降低CV值迅速下降，材料將由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?，同時(shí)可見(jiàn)這一轉(zhuǎn)變是在一個(gè)溫度區(qū)間TiT2內(nèi)完成的，此溫度區(qū)T1T2稱(chēng)為鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，在此區(qū)內(nèi)曲線的反彎點(diǎn)（最陡點(diǎn)）所對(duì)應(yīng)的溫度To稱(chēng)為轉(zhuǎn)變溫度。如果把低于To完全脆性破壞的最高溫度T1作為鋼材的脆斷設(shè)計(jì)溫度即可保證鋼結(jié)構(gòu)低溫工作的安全。每種鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)及脆斷設(shè)計(jì)溫度需要由大量破壞或不破壞的使用經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)分析確定。%1.應(yīng)力集中鋼材的工作性能和力學(xué)性能指標(biāo)都是以軸心受拉桿件中應(yīng)力沿截面均勻分布的情況作為基礎(chǔ)的。實(shí)際上在鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件中有時(shí)存在著孔洞、槽口.凹角.截面突然改變以及鋼材內(nèi)部缺陷等’此時(shí)，構(gòu)件中的應(yīng)力分布將不再保持均勻，而是在某些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，在另外一些區(qū)域則應(yīng)力降低，形成所謂應(yīng)力集中現(xiàn)象（圖2.8）。高峰區(qū)的最大應(yīng)力與凈截面的平均應(yīng)力之比稱(chēng)為應(yīng)力集中系數(shù)。研究表明，在應(yīng)力高峰區(qū)域總是存在著同號(hào)的雙向或三向應(yīng)力，這是因?yàn)橛筛叻謇瓚?yīng)力引起的截面橫向收縮受到附近低應(yīng)力區(qū)的阻礙而引起垂宜于內(nèi)力方向的拉應(yīng)力fy,在較厚的構(gòu)件里還產(chǎn)生"，使材料處于復(fù)雜受力狀態(tài)，由能量強(qiáng)度理論得知，這種同號(hào)的平面或立體應(yīng)力場(chǎng)有使鋼材變脆的趨勢(shì)。應(yīng)力集中系數(shù)愈大，變脆的傾向亦愈嚴(yán)重。但由于建筑鋼材塑性較好，在一定程度上能促使應(yīng)力進(jìn)行重分配，使應(yīng)力分布嚴(yán)重不均的現(xiàn)象趨于平緩。故受靜荷載作用的構(gòu)件在常溫下工作時(shí)，在計(jì)算中可不考慮應(yīng)力集中的影響。但在負(fù)溫下或動(dòng)力荷載作用下工作的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中的不利影響將十分突岀，往往是引起脆性破壞的根源，故在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取措施避免或減小應(yīng)力集中，并選用質(zhì)量?jī)?yōu)良的鋼材。六、反復(fù)荷載作用鋼材在反復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的抗力及性能都會(huì)發(fā)生重要變化，甚至發(fā)生疲勞破壞。在宜接的連續(xù)反復(fù)的動(dòng)力荷載作用下，根據(jù)試驗(yàn)，鋼材的強(qiáng)度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗(yàn)的極限強(qiáng)度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為鋼的疲勞。疲勞破壞表現(xiàn)為突然發(fā)生的脆性斷裂。但是，實(shí)際上疲勞破壞乃是累積損傷的結(jié)果。材料總是有“缺陷”的，在反復(fù)荷載作用下，先在其缺陷發(fā)生塑性變形和硬化而生成一些極小的裂痕，此后這種微觀裂痕逐漸發(fā)展成宏觀裂紋，試件截面削弱，而在裂紋根部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使材料處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，塑性變形受到限制，當(dāng)反復(fù)荷載達(dá)到一定的循環(huán)次數(shù)時(shí)，材料終于破壞，并表現(xiàn)為突然的脆性斷裂。關(guān)于鋼材的疲勞性能，本章第6節(jié)還要較詳細(xì)敘述。實(shí)踐證明，構(gòu)件的應(yīng)力水平不髙或反復(fù)次數(shù)不多的鋼材一般不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，計(jì)算中不必考慮疲勞的影響。但是，長(zhǎng)期承受頻繁的反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)及其連接，例如承受重級(jí)工作制吊車(chē)的吊車(chē)梁等，在設(shè)計(jì)中就必須考慮結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題。本節(jié)介紹了各種因素對(duì)建筑鋼材基本性能的影響，研究和分析這些影響的最終目的是了解建筑鋼材在什么條 件下可能發(fā)生脆性破壞，從而可以采取措施予以防止。鋼材的脆性破壞往往是多種因素影響的結(jié)果，例如當(dāng)溫度降低，荷載速度增大，使用應(yīng)力較高，特別是這些因素同時(shí)存在時(shí)，材料或構(gòu)件就有可能發(fā)生脆性斷裂。根據(jù)現(xiàn)階段研究情況來(lái)看，在建筑鋼材中還不是一個(gè)單純由設(shè)計(jì)計(jì)算或者加工制造某一個(gè)方面來(lái)控制的問(wèn)題，而是一個(gè)必須由設(shè)計(jì)、制造及使用等多方面來(lái)共同加以防止的事情。為了防止脆性破壞的發(fā)生，一般需要在設(shè)計(jì)、制造及使用中注意下列各點(diǎn)：（1）合理的設(shè)計(jì)構(gòu)造應(yīng)力求合理，使能均勻、連續(xù)地傳遞應(yīng)力，避免構(gòu)件截面劇烈變化。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，可參考第3章有關(guān)焊接連接的內(nèi)容。低溫下工作，受動(dòng)力作用的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇合適的鋼材，使所用鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于結(jié)構(gòu)的工作溫度，例如分別選用Q235—C（或D）、Q345—C（或D）鋼等，并盡量使用較薄的材料。（2）正確的制造應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)對(duì)制造所提岀的技術(shù)要求，例如盡量避免使材料出現(xiàn)應(yīng)變硬化，因剪切、沖孑L而造成的局部硬化區(qū)，要通過(guò)擴(kuò)鉆或刨邊來(lái)除掉；要正確地選擇焊接工藝，保證焊接質(zhì)量，不在構(gòu)件上任意起弧、打火和錘擊，必要時(shí)可用熱處理的方法消除重要構(gòu)件中的焊接殘余應(yīng)力，重要部位的焊接，要由經(jīng)過(guò)考試挑選的有經(jīng)驗(yàn)的焊工操作。（3）正確的使用例如，不在主要結(jié)構(gòu)上任意焊接附加的零件，不任意懸掛重物，不任意超負(fù)荷使用結(jié)構(gòu)；要注意檢查維護(hù)，及時(shí)油漆防銹，避免任何撞擊和機(jī)械損傷；原設(shè)計(jì)在室溫工作的結(jié)構(gòu)，在冬季停產(chǎn)檢修時(shí)要注意保暖等。對(duì)設(shè)計(jì)工作者來(lái)說(shuō)，不僅要注意適當(dāng)選擇材料和正確處理細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)，對(duì)制造工藝的影響也不能忽視。對(duì)使用也應(yīng)提出在使用期中應(yīng)注意的主要問(wèn)題。第五節(jié)復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件在單向拉力試驗(yàn)中，單向應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，鋼材即進(jìn)入塑性狀態(tài)。1、在復(fù)雜應(yīng)力如平面或立體應(yīng)力（圖2.9）作用下，鋼材由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)的條件是按能量強(qiáng)度理論（或第四強(qiáng)度理論）計(jì)算的折算應(yīng)力與單向應(yīng)力下的屈服點(diǎn)相比較來(lái)判斷，式2?12、如三向應(yīng)力有一向應(yīng)力很小（如厚度較小，厚度方向的應(yīng)力可忽略不計(jì)）或?yàn)榱銜r(shí)，則屬于平面應(yīng)力狀態(tài),式2.23、在一般的梁中，只存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力，則式2.34、當(dāng)只有剪應(yīng)力時(shí)，則式2.4由此得：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范確定鋼材抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度為抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度的0?58倍。當(dāng)平面或立體應(yīng)力皆為拉應(yīng)力時(shí)，材料破壞時(shí)沒(méi)有明顯的塑性變形產(chǎn)生，即材料處于脆性狀態(tài)。第六節(jié)鋼材的疲勞前已論及，鋼材的疲勞斷裂是微觀裂紋在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴(kuò)展直至斷裂的脆性破壞。鋼材的疲勞強(qiáng)度取決于應(yīng)力集中（或缺口效應(yīng)）和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。截面幾何形狀突然改變處的應(yīng)力集中，對(duì)疲勞很為不利。在高峰應(yīng)力處形成雙向或三向同號(hào)拉應(yīng)力場(chǎng)。在反復(fù)應(yīng)力作用下，首先在應(yīng)力高峰出現(xiàn)微觀裂紋，然后逐漸開(kāi)展形成宏觀裂縫。在反復(fù)荷載的繼續(xù)作用下，裂縫不斷開(kāi)展，有效截面面積相應(yīng)減小，應(yīng)力集中現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，這就促使裂縫的繼續(xù)開(kāi)展。同時(shí)，由于是雙向或三向同號(hào)拉應(yīng)力場(chǎng)，材料的塑性變形受到限制。因此，當(dāng)反復(fù)循環(huán)荷載達(dá)到一定的循環(huán)次數(shù)時(shí)，裂縫的開(kāi)展使截面削弱過(guò)多經(jīng)受不住外力作用，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂，出現(xiàn)了鋼材的疲勞破壞。如果鋼材中存在著殘余應(yīng)力，在交變 荷載作用下將更加劇疲勞破壞的傾向。 觀察表明，鋼材疲勞破壞后的截面斷口，一般具有光滑的和粗糙的兩個(gè)區(qū)域，光滑部分表現(xiàn)出裂縫的擴(kuò)張和閉合過(guò)程是由裂縫逐漸發(fā)展引起的，說(shuō)明疲勞破壞也經(jīng)歷一個(gè)緩慢的轉(zhuǎn)變過(guò)程，而粗糙部分表明鋼材最終斷裂一瞬間的脆性破壞性質(zhì)和拉伸試驗(yàn)的斷口頗為相似，破壞是突然的，幾乎以2000m/s的速度斷裂，因而比較危險(xiǎn)。通常鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞屬高周低應(yīng)變疲勞，即總應(yīng)變幅小，破壞前荷載循環(huán)次數(shù)多。設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，循環(huán)次數(shù)N>105,應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。%1.常幅疲勞1、應(yīng)力幅為應(yīng)力譜（如圖2.10中的實(shí)線所示）中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差.即每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力（取正值）與每次應(yīng)力循環(huán)中的最小拉應(yīng)力（取正值）或壓應(yīng)力（取負(fù)值）之差。2、常幅疲勞如果重復(fù)作用的荷載數(shù)值不隨時(shí)間變化，則在所有應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅將保持常量，這謂之常幅疲勞。完全對(duì)稱(chēng)循環(huán)；脈沖循環(huán)；稱(chēng)為不完全對(duì)稱(chēng)循環(huán)。3、疲勞強(qiáng)度（1）對(duì)軋制鋼材或非焊接結(jié)構(gòu)在循環(huán)次數(shù)N—定的情況下，根據(jù)試驗(yàn)資料可繪出N次循環(huán)的疲勞圖。圖2?11疲勞強(qiáng)度與最大應(yīng)力、應(yīng)力比、循環(huán)次數(shù)和缺口效應(yīng)（構(gòu)造類(lèi)型的應(yīng)力集中情況）有關(guān).（2）對(duì)焊接結(jié)構(gòu)由于焊接加熱及隨后的冷卻，將在截面上產(chǎn)生垂直于截面的殘余應(yīng)力。在焊縫及其附近主體金屬殘余拉應(yīng)力通常達(dá)到鋼材的屈服點(diǎn)，而此部位正是形成和發(fā)展疲勞裂紋最為敏感的區(qū)域。在重復(fù)荷載作用下，循環(huán)內(nèi)應(yīng)力開(kāi)始處于增大階段時(shí)，焊縫附近的高峰應(yīng)力將不再增加（只是塑性范圍加大）最大應(yīng)力。之后，循環(huán)應(yīng)力下降到最小應(yīng)力，再升至最大應(yīng)力，即不論應(yīng)力比值如何，焊縫附近的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)情況均形成在拉應(yīng)力范圍內(nèi)的的應(yīng)力循環(huán)（圖2.10中的虛線所示）。所以疲勞強(qiáng)度與名義最大應(yīng)力和應(yīng)力比無(wú)關(guān)，而與應(yīng)力幅有關(guān)??此觀點(diǎn)已為國(guó)內(nèi)外的大量疲勞試驗(yàn)所證實(shí)。（3）疲勞強(qiáng)度的計(jì)算根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以畫(huà)出構(gòu)件或連接的應(yīng)力幅與相應(yīng)的致?lián)p循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線，按試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸的曲線為平均值曲線。目前國(guó)內(nèi)外都常用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸的方法使曲線改為宜線以便于工作（圖2.12（b））。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中，疲勞宜線方程為式2.6。推導(dǎo)見(jiàn)式2.6,式2.7,式2.8,式2.9考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，取平均值減去2倍IgN的標(biāo)準(zhǔn)差（2s）作為疲勞強(qiáng)度下限值［圖2.12（b）實(shí)線下方之虛線，如果為正態(tài)分布，從構(gòu)件或連接抗力方面來(lái)講，保證率為97.7%。對(duì)于不同焊接構(gòu)件和連接形式，按試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸的直線方程，其斜率也不盡相同。為了設(shè)計(jì)的方便，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范按連接方式，受力特點(diǎn)和疲勞強(qiáng)度，再適當(dāng)照顧曲線簇的等間距布置、歸納分類(lèi)，劃分為8類(lèi)（圖2.13）,它們的值見(jiàn)表2.2。構(gòu)件和連接分類(lèi)的構(gòu)造圖見(jiàn)附錄6。（a）對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的焊接部位的常幅疲勞應(yīng)按式（2.10）計(jì)算。（b）對(duì)于非焊接部位最大應(yīng)力或應(yīng)力比對(duì)疲勞強(qiáng)度有著直接的影響，其疲勞強(qiáng)度應(yīng)由式（2.5）確定。為了與焊接部位的計(jì)算方式一致，將式（2.5）前一式的左側(cè)定名為“計(jì)算應(yīng)力幅”，而以應(yīng)力比P=0的疲勞強(qiáng)度的下限值作為連接分類(lèi)依據(jù)，即取oo的下限值為［△o］,得式（2?11）。二、變幅疲勞規(guī)范給岀以N=2x10。次為基準(zhǔn)的af值（欠載效應(yīng)系數(shù)）:對(duì)重級(jí)工作制硬鉤吊車(chē)為1. 0;重級(jí)工作制軟鉤吊車(chē)為0.8;中級(jí)工作制吊車(chē)為0.5。設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：重級(jí)工作制吊車(chē)梁和重級(jí)、中級(jí)工作制吊車(chē)桁架的疲勞，可作為常幅疲勞按式（2.18）計(jì)算。 第七節(jié)鋼的種類(lèi)和鋼材規(guī)格一.鋼的種類(lèi)1、鋼按用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊鋼（如不銹鋼等）。結(jié)構(gòu)鋼又分建筑用鋼和機(jī)械用鋼"2、按冶煉方法，鋼可分為轉(zhuǎn)爐鋼和平爐鋼（還有電爐鋼，是特種合金鋼，不用于建筑）。當(dāng)前的轉(zhuǎn)爐鋼主要采用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐鋼，側(cè)吹（空氣）轉(zhuǎn)爐鋼所含雜質(zhì)多，使鋼易脆，質(zhì)量很低，且目前多數(shù)已改建成氧氣轉(zhuǎn)爐鋼,故規(guī)范中已取消這種鋼的使用。平爐鋼質(zhì)量好，但冶煉時(shí)間長(zhǎng)，成本高。氧氣轉(zhuǎn)爐鋼質(zhì)量與平爐鋼相當(dāng)而成本則較低。3、按脫氧方法，鋼又分為沸騰鋼（代號(hào)為F）、半鎮(zhèn)靜鋼（代號(hào)為b）、鎮(zhèn)靜鋼（代號(hào)為Z）和特殊鎮(zhèn)靜鋼（代號(hào)為T(mén)Z）,鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的代號(hào)可以省去。鎮(zhèn)靜鋼脫氧充分，沸騰鋼脫氧較差，半鎮(zhèn)靜鋼介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間。一般采用鎮(zhèn)靜鋼，尤其是軋制鋼材的鋼坯推廣采用連續(xù)鑄錠法生產(chǎn)，鋼材必然為鎮(zhèn)靜鋼。若采用沸騰鋼，不但質(zhì)量差、價(jià)格并不便宜，而且供貨困難。4、按成型方法分類(lèi)，鋼又分為軋制鋼（熱軋、冷軋）、鍛鋼和鑄鋼。5＞按化學(xué)成分分類(lèi)，鋼又分為碳素鋼和合金鋼。在建筑工程中采用的是碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。（1）對(duì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GBT00-88）是參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織IS0630《結(jié)構(gòu)鋼》制訂的。按質(zhì)量等級(jí)將鋼分為A、B、C、D四級(jí)。A級(jí)鋼只保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、伸長(zhǎng)率，必要時(shí)尚可附加冷彎試驗(yàn)的要求，化學(xué)成分對(duì)碳、鏈可以不作為交貨條件。B、C、D級(jí)鋼均保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、伸長(zhǎng)率、冷彎和沖擊韌性（分別為+20C,0C,—20C）等力學(xué)性能?；瘜W(xué)成分對(duì)碳、硫、磷的極限含量比舊標(biāo)準(zhǔn)要求更加嚴(yán)格。鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（A、B、C、D）、脫氧方法符號(hào)等四個(gè)部分按順序組成。根據(jù)鋼材厚度（直徑）＜16mm時(shí)的屈服點(diǎn)數(shù)值,分為Q195、Q215、Q235、Q255、Q275,它們分別相當(dāng)于舊標(biāo)準(zhǔn)中的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)鋼。鋼結(jié)構(gòu)一般僅用Q235,因此鋼的牌號(hào)根據(jù)需要可為Q235-A;Q235-B;Q235-C;Q235-D等。冶煉方法一般由供方自行決定，設(shè)計(jì)者不再另行提出，如需方有特殊要求時(shí)可在合同中加以注明。⑵低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T1591-94）代替（GB1591-88）于1995年1月1日實(shí)施。新標(biāo)準(zhǔn)不用鋼的品種表示鋼的牌號(hào)。采用與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同的鋼的牌號(hào)表示方法，仍然根據(jù)鋼材厚度（直徑時(shí)的屈服點(diǎn)大小，分為Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。它們與舊標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的鋼的牌號(hào)見(jiàn)表2.3。新舊低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)對(duì)照見(jiàn)表2.3。鋼的牌號(hào)仍有質(zhì)量等級(jí)符號(hào)，除與碳素結(jié)構(gòu)鋼A、B、C、D四個(gè)等級(jí)相同外增加一個(gè)等級(jí)E,主要是要求-40C的沖擊韌性。鋼的牌號(hào)如：Q345-B、Q390—C等等。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼一般為鎮(zhèn)靜鋼，因此鋼的牌號(hào)中不注明脫氧方法。冶煉方法也由供方自行選擇。A級(jí)鋼應(yīng)進(jìn)行冷彎試驗(yàn)，其他質(zhì)量級(jí)別鋼如供方能保證彎曲試驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)定要求，可不作檢驗(yàn)。Q460和各牌號(hào)D、E級(jí)鋼一般不供應(yīng)型鋼、鋼棒。（3）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼以不熱處理或熱處理（退火、正火或高溫回火）狀態(tài)交貨，要求熱處理狀態(tài)交貨的應(yīng)在合同中注明，未注明者，按不熱處理交貨，如用于高強(qiáng)度螺栓的45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼需經(jīng)熱處理，強(qiáng)度較高,對(duì)塑性和韌性又無(wú)顯著影響。 %1.鋼材的選擇1、選用原則選擇的目的是保證安全可靠和做到經(jīng)濟(jì)合理。選擇鋼材時(shí)考慮的因素有：（1）結(jié)構(gòu)的重要性對(duì)重型工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、高層或超高層的民用建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)筑物等重要結(jié)構(gòu),應(yīng)考慮選用質(zhì)量好的鋼材，對(duì)一般工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)，可按工作性質(zhì)分別選用普通質(zhì)量的鋼材。另外，按《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的安全等級(jí)，把建筑物分為一級(jí)（重要的）、二級(jí)（一般的）和三級(jí)（次要的）。安全等級(jí)不同，要求的鋼材質(zhì)量也應(yīng)不同。（2）荷載情況荷載可分為靜態(tài)荷載和動(dòng)態(tài)荷載兩種。直接承受動(dòng)態(tài)荷載的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)烈地震區(qū)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用綜合性能好的鋼材；一般承受靜態(tài)荷載的結(jié)構(gòu)則可選用價(jià)格較低的Q235鋼。（3）連接方法鋼結(jié)構(gòu)的連接方法有焊接和非焊接兩種。由于在焊接過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生焊接變形、焊接應(yīng)力以及其他焊接缺陷，如咬肉、氣孔、裂紋、夾渣等，有導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或脆性斷裂的危險(xiǎn)。因此，焊接結(jié)構(gòu)對(duì)材質(zhì)的要求應(yīng)嚴(yán)格一些。例如，在化學(xué)成分方面，焊接結(jié)構(gòu)必須嚴(yán)格控制碳、硫、磷的極限含量；而非焊接結(jié)構(gòu)對(duì)含碳量可降低要求。（4）結(jié)構(gòu)所處的溫度和環(huán)境鋼材處于低溫時(shí)容易冷脆，因此在低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)，尤其是焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用具有良好抗低溫脆斷性能的鎮(zhèn)靜鋼。此外，露天結(jié)構(gòu)的鋼材容易產(chǎn)生時(shí)效，有害介質(zhì)作用的鋼材容易腐蝕、疲勞和斷裂，也應(yīng)加以區(qū)別地選擇不同材質(zhì)。（5）鋼材厚度薄鋼材輻軋次數(shù)多，軋制的壓縮比大，厚度大的鋼材壓縮比小；所以厚度大的鋼材不但強(qiáng)度較小，而且塑性、沖擊韌性和焊接性能也較差。因此，厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用材質(zhì)較好的鋼材。2、鋼材選擇的建議對(duì)鋼材質(zhì)量的要求，一般地說(shuō)，承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、伸長(zhǎng)率和硫、磷的極限含量，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)保證碳的極限含量（由于Q235-A鋼的碳含量不作為交貨條件，故不允許用于焊接結(jié)構(gòu)）。焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的以及主要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材，應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證。當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度等于或低于o°c但高于-20C時(shí)，Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有0°C沖擊韌性的合格保證；對(duì)Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有-20C沖擊韌性的合格保證。當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度等于或低于-20W,對(duì)Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有-20C沖擊韌性的合格保證；對(duì)Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有-40C沖擊韌性的合格保證。三、鋼材的規(guī)格1、鋼結(jié)構(gòu)采用的型材有熱軋成型的鋼板和型鋼以及冷彎（或冷壓）成型的薄壁型鋼。2、熱軋鋼板有厚鋼板（厚度4.5-60mm）和薄鋼板（厚度為0.35-4mm）,還有扁鋼（厚度為4~60mm,寬度為30-200mm,此鋼板寬度?。ｄ摪宓谋硎痉椒?，在符號(hào)“一”后加“長(zhǎng)度”，如一1200。3、熱軋型鋼有角鋼、工字鋼、槽鋼和鋼管（圖2.15）。角鋼分等邊和不等邊兩種。不等邊角鋼的表示方法為，在符號(hào)“L”后加“長(zhǎng)邊寬X短邊寬X厚度”，如L100X80X8,對(duì)于等邊角鋼則以邊寬和厚度表示，如L100X8,單位皆為mm。工字鋼有普通工字鋼、輕型工字鋼和H型鋼。普通工字鋼和輕型工字鋼用號(hào)數(shù)表示，號(hào)數(shù)即為其截面高度的厘米數(shù).20號(hào)以上的工字鋼，同一號(hào)數(shù)有三種腹板厚度分別為a、b、c三類(lèi)。如13（h、130b、130c,由于"類(lèi)腹板較薄用作受彎構(gòu)件較為經(jīng)濟(jì)。輕型工字鋼的腹板和翼緣均較普通工字鋼薄，因而在相同重量下其截面模量和回轉(zhuǎn)半徑均較大。H型鋼是世界各國(guó)使用很廣泛的熱軋型鋼，與普通工字鋼相比，其翼緣內(nèi)外兩側(cè)平行，便于與其他構(gòu)件相連。它可分為寬翼緣H型鋼（代號(hào)HW,翼緣寬度B與截面高度H相等）、中翼緣H型鋼［代號(hào)HM,B=（1/2—2/3）H］、窄翼緣H型鋼［代號(hào)HN,B=（1/3~1/2）H］。各種H型鋼均可剖分為T(mén)型鋼供應(yīng)，代號(hào)分別為T(mén)W、TM和TN。H型鋼和剖分T型鋼的規(guī)格標(biāo)記均采用：高度HX寬度BX腹板厚度11X翼緣厚度t2表示。例如HM340X250X9X14,其剖分T型鋼為T(mén)M170X250X9X14,單位均為mrn。槽鋼有普通槽鋼和輕型槽鋼兩種，也以其截面高度的厘米數(shù)編號(hào)，如［30a.號(hào)碼相同的輕型槽鋼，其翼緣較普通槽鋼寬而薄，腹板也較薄，回轉(zhuǎn)半徑較大，重量較輕。鋼管有無(wú)縫鋼管和焊接鋼管兩種，用符號(hào)“巾”后面加“外徑X厚度”表示，如中400X6,單位為mm。薄璧型鋼（圖2.16）是用薄鋼板（一般采用Q235或Q345鋼），經(jīng)模壓或彎曲而制成，其壁厚一般為1.5、5mmo有防銹涂層的彩色壓型鋼板（圖2.16）;所用鋼板厚度為0.4~1.6mm,用作輕型屋面及墻面等構(gòu)件。