任务一　钢材的材料

钢材的种类很多，其性能、用途和价格各不相同，适用于钢结构的建筑钢材只是其中的一小部分。钢结构常常需要在各种不同的环境和条件下承受各种荷载作用，所以用于钢结构的钢材应具有较高的强度，较好的塑性、韧性以及耐疲劳性能，同时也应具有良好的加工性能，包括冷、热加工和焊接性能。此外，根据结构所处的特殊工作环境，有时还要求钢材具有良好的低温、高温及耐腐蚀性能，以保证结构的安全可靠和经济适用。

根据上述要求，我国《钢结构设计规范》（GB50017-201×）（征求意见稿）推荐使用的钢材，有碳素结构钢中的Q235钢以及低合金高强度结构钢中的Q345、Q390、Q420、Q460钢。

一、建筑钢材的两种破坏形式

钢材的强度断裂破坏可分为塑性破坏和脆性破坏两种形式。钢结构所用的材料虽然有较高的塑性和韧性，一般为塑性破坏，但在一些不利的工作条件下，仍有发生脆性破坏的可能性。

（1）塑性破坏。钢材在常温和静力荷载作用下，当其应力超过屈服点fy即有明显的塑性变形产生，当应力超过钢材的抗拉强度fu后，构件将在很大的变形情况下断裂，这种破坏称为塑性破坏。塑性破坏前，结构有明显的塑性变形，且变形持续的时间长，有明显的破坏预兆，使人们易于发现结构处于危险状态并有机会采取补救措施，一般不会引起严重后果。因此钢结构极少发生塑性破坏。另外，塑性变形后结构出现内力重分布，使结构中原先受力不均匀的部分应力趋于均匀，因而提高了结构的承载能力。

（2）脆性破坏。当钢材承受动力荷载（包括冲击荷载和振动荷载）或处于复杂应力、低温等情况时，常会发生低应力脆性破坏。这种脆性断裂的应力常低于钢材的屈服点fy，破坏前变形甚微，没有明显塑性变形，同时裂缝开展速度极快，可达1800m/s。实践证明，脆性破坏发生突然，且破坏前没有明显的预兆，无法及时察觉和采取补救措施，而且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁，后果严重，损失较大。应充分认识到钢材脆性破坏的严重后果，在设计、施工和使用钢结构时，采取一切合理措施，尽可能避免脆性破坏的发生。

二、钢材的主要工作性能

（一）钢材单向拉伸试验表现的机械性能

钢材的机械性能也称力学性能，主要通过试验获得。钢材的主要强度指标和塑性指标，是在常温、静载下对钢材标准试件进行单向拉伸试验测定的。通过试验，可得到建筑钢材的三个重要机械性能指标：屈服强度fy、抗拉强度fu和伸长率δ。

屈服强度fy和抗拉强度fu是钢材的强度指标，其值越大钢材的承载力越高。

伸长率δ是衡量钢材塑性的主要指标，它等于试件拉断后原标距间的长度伸长值与原标距长度的百分比。伸长率δ越大表明钢材的塑性越好。钢材的塑性是指钢材在外力作用下产生较大塑性变形后尚不致破坏的能力。良好的塑性有助于缓和钢构件的局部应力集中，避免钢结构在使用中发生突然的脆性破坏。

虽然钢材在应力达到极限抗拉强度fu时才发生断裂，但是钢结构在设计时以钢材的屈服强度fy作为静力强度的承载极限。即取钢材的标准强度fk＝fy。选择屈服强度fy作为建筑钢材承载力极限的依据是：

（1）钢材屈服后，塑性变形很大，塑性变形过大会使结构失去正常使用功能而达到正常使用极限状态，无法利用强化阶段。

（2）钢材屈服后塑性变形很大，险情极易被察觉，可以及时采用适当补救措施，以免突然发生破坏。

（3）抗拉强度和屈服强度的比值较大（Q235钢：fu/fy≈1.6～1.9），成为结构极大的后备强度。

碳素结构钢和低合金钢有明显的屈服点。而热处理钢材有较好的塑性性质，但没有明显的屈服点。对于没有明显屈服阶段的钢材，以试件卸载后塑性应变为0.2%时所对应的应力作为屈服强度，称为名义屈服强度，也用fy表示。

钢材在一次压缩或剪切时表现出来的应力与应变关系变化规律基本上与拉伸试验相似，只是剪切时的屈服点及抗剪强度均较受拉时为低；剪变模量G也低于弹性模量E。

（二）冷弯性能

钢材的冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标，冷弯性能由冷弯试验来检验。以试件冷弯180°表面不出现裂纹或分层为合格。冷弯试验不但能直接检验钢材冷加工弯曲时产生塑性变形的能力，而且还能暴露出钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析及非金属夹杂等情况。重要的结构中需要有良好的冷加工性能时，应有冷弯试验合格保证。

（三）冲击韧性

冲击韧性是钢材的一种动力性能，是钢材抵抗冲击荷载的能力，它可用钢材在塑性变形及断裂过程中吸收能量的能力来衡量。钢材的冲击韧性用冲击试验测定，钢材的冲击韧性值用Akv表示（单位为J），其值为冲断试件所需的功。冲击韧性值越大，表明材料的韧性越好，抵抗脆性破坏的能力越强。

由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，当温度低于某值时，冲击韧性将急剧降低。对于低温下工作的重要构件，尤其是受动力荷载作用的结构，不但要保证常温（20℃）冲击韧性指标，还要保证负温（0℃、－20℃或－40℃）冲击韧性指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。

三、钢材的疲劳

（一）疲劳破坏的特征

建筑结构中的有些构件，如吊车梁和支承振动设备的平台梁等，所受的不是静力荷载，而是大小和方向随时间变化的荷载，称为循环荷载（亦称重复荷载）。

图1－1为几种连续循环荷载在钢材内引起的应力随时间变化的曲线。图中从最大应力到最小应力重复一周为一次应力循环。应力循环特性常用应力比值ρ＝σmin/σmax表示（拉应力取正值，压应力取负值）。应力变化的幅度称为应力幅Δσ＝σmax－σmin，即应力循环中的最大应力σmax和最小应力σmin之差。应力幅总是正值。

当所有应力循环中的应力幅保持常量时称为常幅应力循环，如应力幅值不是常量而是随机变量，则称为变幅应力循环。前者比后者容易发生疲劳破坏。

钢材在连续循环荷载作用下，当应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度，同时循环次数达到某数值时，钢材会发生突然断裂破坏，这种现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。疲劳破坏属于脆性破坏，破坏时塑性变形极小，破坏突然发生，危险性较大，往往导致整个结构的毁灭性破坏。

从宏观表面上看，疲劳断裂是突然发生的，但实际上是在钢材内部经历长期的发展过程才出现的，疲劳破坏是钢材内部的微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的过程。

在钢材中不可避免地存在一些局部缺陷，如非金属夹杂、化学成分偏析、轧制时形成的微裂纹，或加工制造形成的刻槽、孔洞和裂纹等。当循环荷载作用时，在这些缺陷处截面上应力分布不均匀，产生应力集中，且应力集中处的高峰应力往往形成双向或三向同号应力场。在反复应力作用下，首先在应力高峰处出现微观裂缝，然后逐渐开展形成宏观裂缝。在反复荷载的持续作用下，裂缝不断开展，有效截面不断减小，应力集中现象越来越严重，更促使裂缝的继续开展，形成恶性循环。因此，当反复循环荷载作用达到一定的循环次数时，裂缝的发展使不断削弱的截面难以承受外力作用，危险截面突然断裂，出现钢材的疲劳破坏。如果钢材中存在残余应力，在循环荷载作用下将加剧疲劳破坏的倾向。构件截面几何形状的突然改变也会引起应力集中，对疲劳工作不利。

钢材在连续循环荷载作用下，经过许多次循环后出现疲劳破坏，相应的最大应力σmax称为疲劳强度。试验证明，循环荷载的作用次数越多，疲劳强度越低。国际标准化组织建议取循环次数n＝5×106次时对应的σmax称为极限疲劳强度。研究表明，结构非焊接部位的疲劳强度与应力幅、应力比值有关；结构焊接部位的疲劳强度主要与应力幅有关。钢材的疲劳强度还与应力集中程度和应力循环次数有关，应力集中越严重，荷载循环次数越大，钢材越容易发生疲劳破坏。钢材的疲劳强度和钢材的静力强度无明显关系，即采用高强度钢材增加构件的疲劳强度是不经济的。

不同类型构件和连接的疲劳强度各不相同，规范将不同类型构件和连接形式按应力集中的影响程度由低到高分为14类（表1－1），分别规定了它们的容许应力幅［Δσ］作为疲劳强度验算的标准。其中第1类为无应力集中影响的主体金属，第14类则为应力集中最严重的角焊缝，第2～13类则是有不同程度应力集中的主体金属。

长期承受循环荷载作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n≥5×104时，应进行疲劳计算。在应力循环中不出现拉应力的部位不必进行疲劳计算。疲劳计算采用容许应力幅法，采用荷载标准值进行计算，应力按弹性状态计算（即按工程力学方法计算）。

（二）常幅疲劳计算

对不同的构件和连接用不同的应力幅在疲劳试验机上进行常幅循环应力试验可得常幅疲劳破坏时的应力幅与循环次数的关系。应力幅与循环次数的对数关系接近于直线，如图1－2所示。该直线方程为：

βlgΔσ＋lgn－lgC＝0

或写成：

考虑安全系数后，得到对应于循环次数n的容许应力幅为：

为保证构件和连接不发生疲劳破坏，当应力循环次数n≥5×104次时，应按式（1－2）进行疲劳计算：

（三）变幅疲劳计算

实际工程结构中，很多构件承受的是变幅循环应力的作用，如吊车梁、吊车桁架等。由于吊车并非每次都满载运行，吊车、小车也不是都在极限位置，而且吊车运行速度在不断变化，所以每次循环应力幅不是都达到最大值，若仍按常幅疲劳计算显然比较保守。规范采用的验算方法，是将变幅应力谱按各应力幅出现的概率，根据线性累计损伤原理，找出应力幅为常数的等效应力幅，按常幅进行疲劳验算：

工业建筑中的吊车梁和吊车桁架经常处于欠载工作状态，规范对其进行变幅疲劳计算时，将它的最大（即满负荷）的应力幅乘以欠载效应系数αf，等效转换成为循环次数n＝2×106的常幅疲劳计算，计算公式为：

四、影响钢材力学性能的主要因素

（一）化学成分

钢的基本元素是铁（Fe），普通碳素结构钢中含铁约99%。其他元素有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等，他们的总和占1%左右。在低合金钢中，除上述元素外，还有少量合金元素，如铜（Cu）、钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）、铬（Cr）等，总含量低于5%。尽管钢材中除铁以外的其他元素含量不大，但对钢材的力学性能却影响极大。

碳（C）是形成钢材强度的主要成分。含碳量高，则钢材强度高，同时钢材的塑性、冲击韧性、冷弯性能、疲劳强度、可焊性及抗锈蚀能力都显著下降。故结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，焊接结构中则应限制在0.2%以下。

硅（Si）是强脱氧剂，是制作镇静钢的必要元素。硅适量时可提高钢材的强度而不显著影响其塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。过量时会恶化钢材的塑性、冲击韧性、可焊性及抗锈蚀性。硅的含量在碳素结构钢中一般不应大于0.30%，低合金钢中不应大于0.55%。

锰（Mn）是有益元素，它能显著提高钢材的强度而不过多降低塑性和冲击韧性。过量时会使钢材变脆，并降低钢材的可焊性和抗锈蚀性。锰的含量在碳素结构钢中一般为0.30%～0.80%，在低合金高强度结构钢中为1.00%～1.70%。

硫（S）是有害元素。硫在钢材温度达到800～1000℃时生成硫化铁而熔化，使钢材变脆，易出现裂缝，称为热脆。硫还会降低钢材的冲击韧性、可焊性、疲劳强度及抗蚀能力。因此，对硫的含量必须严加控制，一般不应超过0.035%～0.045%。

磷（P）可以提高钢材的强度和抗锈蚀能力，但却严重降低钢材的塑性、韧性和可焊性，特别是在温度较低时使钢材变脆（冷脆），因而应严格控制其含量。一般不应超过0.045%。

氧（O）和氮（N）也是有害元素，氧能使钢材热脆，其作用比硫剧烈；氮能使钢材冷脆，与磷类似，故其含量应严格控制。一般氧的含量应低于0.05%，氮的含量应低于0.008%。

钒（V）和钛（Ti）是钢中的合金元素，能提高钢材的强度和抗锈蚀性，又不显著降低塑性。

铜（Cu）在碳素钢中属杂质成分，它可以提高钢材的强度和抗锈蚀性能，但对可焊性不利。

（二）冶金缺陷

常见的冶金缺陷有偏析（钢材中化学成分分布不均匀）、非金属夹杂（钢中含有硫化物和氧化物等杂质）、气孔、裂纹及分层（钢材在厚度方向不密合，分成多层）等。这些缺陷会降低钢材的力学性能。选用钢材时，应充分重视冶金缺陷的影响。

（三）构造缺陷

钢材的主要机械性能指标是以标准试件受均匀拉力试验为基础的。实际上在钢结构的构件中总是存在着刻槽、孔洞、凹角、截面突变等构造缺陷。此时，构件中的应力分布将不再保持均匀，而是在某些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域内则应力降低，形成应力集中现象，在负温下或受动力荷载作用的结构中，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。

（四）加载速度

钢材的主要力学性能指标是标准试件在静荷载作用下测得的，如果加载速度提高，钢材的应力与应变关系将发生变化。随着加载速度的提高，钢材的屈服点也提高，呈脆性。因此，试验时必须按规定的加载速度进行。

（五）钢材的硬化

钢材的硬化是指钢材强度提高的同时，塑性性能降低。钢材的硬化包括应变硬化（冷作硬化）、时效硬化和应变时效硬化。

钢材在冷拉、冷拔、冷弯、冲孔和机械剪切等冷加工过程中，钢材产生很大的塑性变形，可提高钢材的屈服强度和抗拉强度，但降低了钢材的塑性和冲击韧性，增加了脆性破坏的危险，这种现象称为应变（冷作）硬化。

钢材随着时间的增长使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化，俗称老化。发生时效的过程一般很长，从几天到几十年。

钢材经冷加工产生一定的塑性变形后，会加速时效硬化的过程，称为应变时效硬化。所以应变时效硬化是应变硬化和时效硬化的复合作用。若将钢材冷加工后再加热，则时效过程会更加迅速，仅需数小时便可完成。在实际应用中，一般是使钢材产生10%左右的塑性变形，再加热至250℃并保温1h，然后在空气中冷却，这种方法称为人工时效。对重要的结构要求对钢材进行人工时效后测定其冲击韧性，以保证结构具有长期的抗脆性破坏能力。

无论哪一种硬化，都会降低钢材的塑性和韧性，对钢材不利。在一般钢结构中并不利用硬化提高强度。对特殊和重要的结构，要求对钢材进行应变时效后检验其塑性和冲击韧性，有时还要采取措施，消除或减轻硬化的不利影响，保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。对局部硬化部分可用刨边或钻孔予以消除。

（六）温度的影响

钢材的机械性能（力学性能）随温度变动而有所变化（图1－3）。随着温度的升高，总的趋势是钢材的抗拉强度、屈服强度及弹性模量降低，伸长率增大。因此，钢结构表面所受辐射温度应不超过200℃。设计时规定150℃以内为适宜，超过之后结构表面即需加设隔热保护层。

当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内，钢材的强度虽略有提高，但其塑性和韧性降低（图1－4），当温度降至某一数值时，钢材的冲击韧性突然下降，材料将由塑性破坏转为脆性破坏，这种现象称为低温冷脆。钢结构在整个使用过程中可能出现的最低温度，应高于钢材的冷脆转变温度。

五、钢材的种类、规格与选择

（一）钢材的种类

钢材按照不同的分类方法有不同的种类。

（1）按用途分。钢材按用途可分为结构钢、工具钢、特殊钢（如不锈钢等）。结构钢又分建筑用钢和机械用钢。

（2）按冶炼方法分。按冶炼方法分为转炉钢、平炉钢和电炉钢（特种合金钢，不用于建筑）。

（3）按浇注前脱氧程度分。按浇注前脱氧程度，钢材又分为沸腾钢（代号为F）、镇静钢（代号为Z）、半镇静钢（代号为b）和特殊镇静钢（代号为TZ）。

（4）按成型方法分。按成型方法，钢材又分为轧制钢、铸钢、锻钢。

（5）按化学成分分。按化学成分，钢材又分为碳素结构钢和低合金高强度结构钢。

（二）钢材的规格

钢结构所用的钢材主要为热轧成型的钢板、型钢和薄壁型钢。

钢结构构件设计在很多情况下可直接选用型钢，这样可以极大地减少制造加工和焊接工作量，加快工程进度，降低工程造价。当型钢尺寸不合适或构件截面尺寸很大时，可用钢板焊接组成所需截面形状和尺寸，也可以选用型钢辅以钢板焊接组成所需截面。所以，钢结构中的基本元件是型钢及钢板。

（1）热轧钢板。钢板有薄板、厚板、特厚板、扁钢、花纹钢板等。

（2）热轧型钢（图1－5）。常用的热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢、H型钢、T型钢、钢管等。

（3）薄壁型钢（图1－6）。薄壁型钢是用薄钢板（一般采用Q235或Q345钢）经模压或弯曲成型，通常用于轻型钢结构。

（三）钢材的选择

选择钢材的目的是保证安全可靠和做到经济合理。钢材的选用应考虑的主要因素如下：

（1）结构的重要性。结构的重要性不同，安全等级（分为三级）也不同，要求的钢材质量也不同。

（2）荷载情况。荷载可分为静力荷载和动力荷载两种。对直接承受动力荷载的构件及强震区的结构，应选用综合性能好的钢材，如Q345C或Q345D；对承受静力荷载或间接动力荷载的结构则可选择价格较低的Q235钢。

（3）连接方法。钢结构的连接方法分焊接连接和非焊接连接两种。焊接时的高温和不均匀冷却会在构件中产生较大的残余应力和残余变形，易使结构发生脆性破坏。因此，焊接结构所用的钢材必须严格控制碳、硫、磷的极限含量，塑性和韧性指标要高，可焊性要好。而非焊接结构对这些要求则可适当降低。

（4）结构所处的温度和环境。钢材的塑性和韧性在低温时将严重降低。因而在低温条件下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢，根据具体情况提出适当的负温冲击韧性要求。此外，露天的钢结构容易产生时效，受有害介质作用的钢材容易腐蚀、疲劳和断裂，也应加以区别地选择不同材质（采用耐候钢）。

（5）钢材的厚度。厚度大的钢材不但强度较低，而且塑性、韧性和可焊性也较差。因此，厚钢板结构对材质的要求高于薄钢板结构。

（6）连接所用钢材，如焊条、自动或半自动焊的焊丝及螺栓的钢材应与主体金属的强度相适应。

（7）水工钢闸门支承结构（包括主轨）的铸钢件可采用ZG230－450、ZG270－500、ZG310－570、ZG340－640铸钢或ZG50Mn2、ZG35Cr1Mo、ZG34Cr2Ni2Mo合金铸钢。闸门的吊杆轴、连接轴、主轮轴、支铰轴和其他轴，可采用35号钢、45号钢或40Cr、42CrMo合金结构钢。