一級(jí)建筑師考試建筑結(jié)構(gòu)輔導(dǎo)講義：鋼結(jié)構(gòu)2

  二、鋼結(jié)構(gòu)的材料

    (一)鋼材的主要機(jī)械性能指標(biāo)

    鋼結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中要受到各種形式的作用，這就要求鋼材必須具有抵抗各種作用而不產(chǎn)生過(guò)大變形和不會(huì)引起破壞的能力。鋼材在各種作用下所表現(xiàn)出的各種特征，如彈性、塑性、強(qiáng)度，稱(chēng)為鋼材的機(jī)械性能。鋼材的主要機(jī)械性能指標(biāo)有五項(xiàng)，即抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度，冷彎性能和沖擊韌性，這都是通過(guò)試驗(yàn)得到的。

    鋼材的單向均勻受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線提供了前三項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)?？估瓘?qiáng)度(用符號(hào)f表示)是鋼材的一項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)，它反映鋼材受拉時(shí)所能承受的極限應(yīng)力，是檢驗(yàn)鋼材質(zhì)量的重要指標(biāo)；當(dāng)以鋼材屈服強(qiáng)度作為靜力強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)時(shí)，抗拉強(qiáng)度成為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。伸長(zhǎng)率(用符號(hào)δ₅或δ₁₀表示)是衡量鋼材在靜荷載作用下塑性性能的指標(biāo)。屈服強(qiáng)度(也稱(chēng)屈服點(diǎn)，用符號(hào)f_y表示)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)汁中靜力強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)，它是衡量鋼材的承載能力及確定鋼材抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通過(guò)冷彎試驗(yàn)得到對(duì)鋼材性能要求的第四項(xiàng)指標(biāo)――冷彎性能，它是衡量鋼材的塑性性能和檢驗(yàn)鋼材質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一個(gè)綜合指標(biāo)、通過(guò)沖擊試驗(yàn)得到對(duì)鋼材性能要求的第五項(xiàng)指標(biāo)――沖擊韌性，它是衡量鋼材抵抗可能因低溫、應(yīng)力集中、動(dòng)力荷載作用而導(dǎo)致脆性斷裂能力的一項(xiàng)指標(biāo)。滿足沖擊韌性的要求是個(gè)比較嚴(yán)格的指標(biāo)，實(shí)際上只有經(jīng)濟(jì)承受較大、使用較頻繁的動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，特別是焊接結(jié)構(gòu)，才需要有沖擊韌性的保證。

    (二)影響鋼材機(jī)械性能的主要因素 

    鋼結(jié)構(gòu)有性質(zhì)完全不同的兩種破壞形式，即塑性破壞和脆性破壞。塑性破壞的主要特征是具有較大的、明顯可見(jiàn)的塑性變形，且僅在構(gòu)件中的應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度后才發(fā)生。由于塑性破壞前有明顯的預(yù)兆，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而采取補(bǔ)救措施，因此，實(shí)際上結(jié)構(gòu)是極少發(fā)生塑性破壞的：脆性破壞的特征是破壞前的塑性變形很小，甚至沒(méi)有塑性變形，構(gòu)件截面上的平均應(yīng)力比較低(低于屈服點(diǎn))。由于脆性破壞前無(wú)任何預(yù)兆，無(wú)法及時(shí)察覺(jué)予以補(bǔ)救，所以危險(xiǎn)性極大。討論影響鋼材機(jī)械性能的因素時(shí)，應(yīng)特別注意導(dǎo)致鋼材變脆的因素。

    1．化學(xué)成分的影響

    碳素鋼中，鐵元素含量約占99％左右，其他元素有碳，磷、氮、硫、氧、錳、硅等，它們的總和約占1％左右。低合金鋼中，除上述元素外，還有合金元素，其含量小于或等于5％，盡管碳和其他元素含量很小，但對(duì)鋼材的機(jī)械性能卻有著極大的影響。

    普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中，碳是除鐵以外的最主要元素。隨著含碳量的增加，鋼材的強(qiáng)度提高，塑性，沖擊韌性下降，冷彎性能、可焊性和抗銹蝕性能變差。因此，雖然碳是鋼材獲得足夠強(qiáng)度的主要元素，但鋼結(jié)構(gòu)中，特別是焊接結(jié)構(gòu)，并不采用含碳量高的鋼材。現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017--2003)(本節(jié)以下簡(jiǎn)稱(chēng)《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》)推薦的鋼材，在焊接結(jié)構(gòu)中，含碳量一般控制在0.12％―0.2％之間。

    磷、氮、硫和氧是有害的雜質(zhì)元素；隨著磷、氮含量的增加，鋼材的強(qiáng)度提高，塑性、沖擊韌性嚴(yán)重下降，特別是在溫度較低時(shí)促使鋼材變脆(稱(chēng)冷脆)，磷還會(huì)降低鋼的可焊性：硫和氧的含量增加會(huì)降低鋼材的熱加工性能，并降低鋼材的塑性、沖擊韌性。硫還會(huì)降低鋼材的可焊性和抗銹蝕性能：所以，對(duì)磷、氮、硫和氧的含量應(yīng)嚴(yán)格加以限制(均不超過(guò)0．05％)。

    錳和硅是有益的雜質(zhì)元素，能起到脫氧的作用，當(dāng)含量適中時(shí)，能提高鋼材的強(qiáng)度而對(duì)塑性和沖擊韌性無(wú)明顯影響：

    2．冶煉、澆注的影響

    我國(guó)目前鋼結(jié)構(gòu)用的鋼，主要是由平爐和氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉而成的。這兩種冶煉方法的鋼，質(zhì)量大體相當(dāng)。

    鋼材冶煉后按澆鑄方法(也稱(chēng)脫氧方法)的不同而分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼采用錳鐵作脫氧劑，脫氧不完全，鋼材質(zhì)量較差，但成本低；鎮(zhèn)靜鋼用錳鐵加硅或鋁脫氧，脫氧較徹底，材質(zhì)好，但成本較高；半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程序、質(zhì)量和成本介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間；特殊鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程序比鎮(zhèn)靜鋼更高，質(zhì)量最好，但成本也最高。

    3．應(yīng)力集中

    當(dāng)構(gòu)件截面的完整性遭到破壞，如開(kāi)孔、截面改變等，構(gòu)件截面的應(yīng)力分布不再保持均勻，在截面缺陷處的附近產(chǎn)生高峰應(yīng)力，而截面其他部分應(yīng)力則較低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力集中(圖11-82)。應(yīng)力集中是導(dǎo)致鋼材發(fā)生脆性破壞的主要因素之一。試驗(yàn)表明，截面改變?cè)酵蝗弧⒓怃J程度越大的地方，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，引起脆性破壞的危險(xiǎn)性就越大。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)使截面的構(gòu)造合理。如截面必須改變時(shí)，要平緩過(guò)渡。構(gòu)件制造和施工時(shí)，應(yīng)盡可能防止造成刻槽等缺陷。