第十五章钢结构。
第一节钢结构的材料。
一、钢的种类。
钢结构所用的钢材主要为碳素钢和低合金钢二类。钢结构所用钢种如下：
碳素钢：普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、锅炉用碳素钢。
低合金钢：低合金高强度结构钢、焊接结构用耐候钢、高耐候性结构钢、桥梁用结构钢、锅炉用低合金钢。
二、钢材的力学性能。
一)强度。1，钢材均匀受拉的工作特性。
1)弹性阶段——oae段。
oa段为线弹性工作阶段，fp为比例极限；ae段为非线弹性工作阶段，fe为弹性极限。
2)弹塑性阶段--ec段。
与ε不呈比例，除弹性变形外还有塑性变形，fy为屈服强度，又叫屈服点、流限。
3)屈服阶段——cf段。
钢材(试件)完全屈服，σ不增加(保持fy)而ε骤增。
4)强化阶段——fb段。
钢材内部组织滑动后，重新排列和建立了新的平衡，弹性未完全恢复故塑性特性明显。
5)颈缩阶段——bd段。
应力超过fu后，试件出现“颈缩”而断裂，人为抗拉强度，又叫极限强度、抗拉极限。
2.重要的工作特性：
1)强度指标fp、fe、fy很接近，且在屈服前应变很小，对q235εp≈0.1%(εy≈0.15%)，可以把三点看作为一点，并以屈服点fy作为代表。
2)应力小于fy时，钢材处于弹性阶段工作，而当应力达到fy后，钢材因屈服而产生很大变形，在构件设计中一般将fy作为确定钢材设计强度的依据。
3)应力大于fy但小于fu，材料尚未最后破坏，当应力大于fu则造成破坏。比值fu/fy可以看作是衡量钢材强度储备的一个系数。
4)钢材在屈服点前的性质接近理想的弹性体，而屈服点后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅的范围又是足够大(对q235ε=0.15%～2.5%)，故可认为钢材是最理想的弹性—塑性体。
注：(1)以上工作特性是由单向均匀受拉静力试验结果得出。对于受力情况复杂的实际构件仅供参考。
2)强度指标是重要依据之一，但单凭这一指标不足以完全判定结构是否安全可靠。
四)冷弯性能。
冷弯性能：钢材在冷加工产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。
冷弯性能指标：冷弯试验通过冷弯冲头加压(d=1a:2a)当试件弯曲至某一规定角度。
时(一般a=1800)(如图15-1-7)，检查弯曲部分的外面、里面、侧面，如无裂纹、裂断、分层等即合格。
冷弯试验一方面是检验钢材能否适应构件制作中的冷加工工艺过程，另一方面通过试验还能暴露出钢材的内部缺陷(颗粒组织、结晶情况和非金属夹杂物分布等缺陷)，鉴定钢材的塑性和可焊性。
五)沿板厚方向性能。
在焊接承重结构中，对沿厚度方向受拉的接头，必须防止钢材的层状撕裂。对于板厚大于40mm的钢板需进行沿板厚方向性能试验。
试件应取沿板厚方向，检查断面收缩率ψ是否满足正方向性能等级要求，其含硫量比一般结构用钢的含硫量严格，要求不大于0.1%。
六)可焊性。
可焊性：在一定材料，工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能。
可焊性又分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。施工上的可焊性，指(焊接接头的)焊缝金属产生裂纹的敏感性，以及由于焊接加热的影响，近缝区钢材的硬化和产生裂纹的敏感性，可焊性好就不产生裂纹。使用性能上的可焊性，指焊接接头和焊缝的缺口冲击韧性和热影响区的延伸性(塑性)，要求焊接结构在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能。
七)耐久性。
耐腐蚀性：通过油漆等表面防护措施提高钢材的耐腐蚀能力。
耐老化性：随着时间的增长，钢材出现所谓“时效”现象，即“老化”现象。
耐长期高温性：在长期高温条件下工作的钢材，其破坏强度比静力拉伸试验的强度低得多，应另行测定“持久强度”。
耐疲劳性：钢结构或构件在长期连续的交变荷载或重复荷载作用下，虽应力低于人也往往会发生破坏，叫“疲劳破坏”。
四、钢材的品种、牌号和选用。
一)钢材的品种和牌号。
钢材的品种繁多，性能各异，在钢结构中采用的钢材主要有二个种类，一是碳素结构钢(或称普通碳素钢)，二是低合金钢。
1.碳素结构钢。
我国碳素结构钢有五种牌号，q235是钢结构常用的钢材品种。其中q是屈服点的意思，235代表钢材屈服强度(单位为n/mm2)。
q235按质量等级、脱氧方法不同，分别表示如下：
ab(f, b, z). c(z). d(tz)
abcd表示质量等级。
q235质量等级分为a、b、c、d四级，由a到d表示质量由低到高。不同质量等级要求如下：
a——提供s、p、c、mn、si化学成分和fu、fy、δ5(δ10)，根据买方需要可提供1800冷弯试验，但无冲击功规定，含炭量和含锰量不作为交货条件。
b——提供s、p、c、mn、si化学成分和fu、fy、δ5(δ10),冷弯180'试验。还提供+200c时冲击功ak≥27j
c——除与b级要求一样外，还提供00c时冲击功ak≥27j。
d---除与b级要求一样外，还提供-200c时冲击功ak≥27j
根据脱氧方法不同，钢材分为沸腾钢(f)、半镇静钢(b)、镇静钢(z)和特殊镇静钢(tz)，对q235来说，a、b两级钢的脱氧方法可以是z、f、b，c级钢只能是z，d级钢只能是tz，表示牌号时z和tz可以省略。
例：q235a--fy=235n/mm2、a级镇静钢；
q235bb---fy =235n/mm2、b级半镇静钢；
q235d---fy =235n/mm2、d级特殊镇静钢。
2.低合金钢。
在钢结构中采用低合金钢品种有q345、q390和q420等。屈服点分别为345n/mm2，390n/mm2 , 420 n/mm2, q345、q390、q420按质量等级用下式表示：
质量等级分为五级由a到e表示质量由低到高，各级要求如下：
a--提供p、s、c、mn、si、v、nb、ti化学成分和fu、fy、δ5(δ10))，根据买方需要提供1800冷弯试验。无冲击功要求；
b--提供p、s、c、mn、si、v、nb、ti化学成分和fu、fy冷弯试验+200c时冲击功ak≥34j;
c——除与b级要求一样外，还提供00c 2时冲击功ak≥34j;
d—除与b级要求一样外，还提供-200c时冲击功ak≥34j;
e——除与b级要求一样外，还提供-400c时冲击功ak≥27j。
脱氧方法为镇静钢和特殊镇静钢时，可省略z、tz记号。
例：q345d—fy =345n/mm2、d级特殊镇静钢；
q390a——fy =390n/mm2、a级镇静钢；
q420e——fy =420n/mm2、e级特殊镇静钢。
三)钢材的规格和表示方法。
钢结构所用的钢材主要为热轧成型的钢板和型钢，以及冷弯成型的薄壁型钢，有时也采用圆钢和无缝钢管。
1.钢板。钢板有厚钢板、薄钢板和扁钢(带钢)之分。其规格如下：
厚钢板：厚度4.5--60mm，宽度600--3000mm，长度4--12m;
薄钢板：厚度1.0--4mm，宽度500--1500mm，长度0.5--4m;
扁钢：厚度3--60mm，宽度l0~200mm，长度3--9m。
图纸中对钢板规格采用“—宽x厚x长”或“—宽x厚”表示。
例：-450×8×3100
2.型钢。钢结构常用的型钢是角钢，槽钢、工形钢、宽冀缘h钢、t型钢和钢管等。普通型钢是由钢材热轧而成。
1)角钢。角钢有等边角钢和不等边角钢(图15-1-8a，b)图纸中对角钢规格采用如下表示：
l180×8(等边角钢)
宽×厚)l180×90×8(不等肢角钢)
长肢宽×短肢宽×厚)
2)圆钢管图15-1-8c
圆钢管分为无缝钢管和有缝钢管。
其表示方法为。
180×4(外径×壁厚)
3)槽钢图15-1-8d
槽钢表示方法为：
20表示槽钢高度200mm，其余尺寸查规格表。
4)工字形型钢图15-1-8e
工字钢表示方法为：
i40，表示400mm高度，其尺寸查有关规格表。
5)h型钢图15-1-8f
h型钢表示方法为：
h340x250x9x4
高x宽x腹板厚x冀缘厚)
6)t型钢图15-1-8g
t型钢由h型钢切割而成，其表示为：
t100×200x9x12
高x宽x腹板厚x翼缘厚)
3.薄壁型钢。
薄壁型钢系用薄钢板经模压或冷弯制成，其截面形式及尺寸可按合理方案设计。薄壁型钢能充分利用钢材的强度，节约钢材，所以已在我国逐步推广使用。
薄壁型钢的壁厚一般为1.5--5mm，但承重结构受力构件的壁厚不宜小于2mm。常用薄壁型钢的截面形式图15-1-9。
卷边z形钢表示为：
z120 x 60x20x3
高x宽x肋x厚)
卷边槽钢表示为：
c120 x 60x20x3
高x宽x肋x厚)
【例15-1-1】有四种厚度不同的q235钢板，其中( )厚度的钢板强度设计值最高。
a. 12mm b. 17mm c. 26mm d. 30mm
【解】钢材的强度(抗拉、抗压、抗剪强度)随厚度增厚其强度下降，对q235当厚度≤16mm时，其强度最大，对其他q345、q390、q420钢当厚度≤16mm时，其对应的强度也为最大。故应选a项。
【例15-1-2】直接承受动力荷载的钢结构，在计算疲劳和正常使用极限状态的变形时，其荷载取值为( )
a.均采用设计值，应乘动力系数b.均采用设计值，不乘动力系数 c.均采用标准值，应乘动力系数d.均采用标准值，不乘动力系数。
【解】钢结构计算疲劳和变形时，均采用标准值，对于动力荷载标准值不乘动力系数；但在计算强度和稳定性时，应取动力荷载设计值，并应乘以动力系数。所以，本题应选d项。
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