2018二级建筑师建筑结构与设备辅导资料第六章_第2页

　　三、钢材的脆性断裂(冷脆)

　　钢材在一般情况下是弹塑性材料，但特殊条件下可以转变为脆性材料，因而钢材的破坏可区分为塑性破坏和脆性破坏两种方式，脆性断裂只发生在承受拉伸时。钢材拉伸时的塑性破坏特征是：

　　(1)破坏前有较大的塑性变形，有明显的颈缩现象，因而易及时发现，危险性小。

　　(2)构件断裂发生在应力到达钢材的抗拉强度fu时。

　　脆性破坏特征是：

　　(1)破坏前的变形很小，破坏系突然发生，事先无警告，因而危险性大。

　　(2)破坏时的应力常小于钢材的屈服点fy。

　　(3)断口平直，呈有光泽的晶粒状。

　　影响钢材脆断的因素主要有下列几种：①钢材的质量;②钢板的厚度;③加荷的速度;④应力的性质(拉、弯等)和大小;⑤最低使用温度;⑥连接的方法(焊接);⑦应力集中程度等。

　　钢材的断裂，来源于早已存在于钢材的一些微小裂纹。因此，要防止脆性断裂，就应尽量设法消除或减少钢材中的微裂纹。从事故的分析中，还可看到事故都是在低温下发生，温度愈低，愈易脆断，而且大多数是焊接结构。焊接裂纹是钢材中存在微裂纹的重要原因。因此对低温地区的焊接结构要特别注意。

　　下面列举防止钢材脆断的一些措施：

　　(1)对低温地区的焊接结构要注意选用质量等级较高的钢材。

　　(2)对焊接结构特别是低温地区，设计时要注意焊缝的正确布置和施焊时注意焊缝的质量。

　　(3)力求避免应力集中。当构件的截面发生急剧改变，则该处将产生应力高峰，此现象称为应力集中，举例如下：图6-2(a)表示承受均匀拉力的一钢板当板中部有一圆孔时板内的应力分布情况。在远离圆孔的截面1-1处，板中应力线基本相互平行，截面上的应力均匀分布，如图6-2(b)所示。当各种不利因素集中在一起，如应力集中程度较高，地处低温地区及材质又较差时，应力集中就将是造成脆性断裂的因素之一。

　　(4)结构在使用时应避免使其突然受力，要使加荷的速度不致过大。加荷速度愈大，脆断的可能性也愈大。减小荷载的冲击和降低应力水平，也是防止钢材脆性断裂的一个措施。

　　四、钢材的层状撕裂

　　钢材的层状撕裂也是一种脆性断裂，主要发生在厚板中，是近30多年才引起注意的一种钢材破坏形式。钢材轧制时，在顺轧制方向的材质最强，横轧制方向略次，而在厚度方向为最差(厚板在厚度方向常起层状)。当钢材在厚度方向产生应变而变形又不受约束时，将使板弯曲如图6-3(a)所示;当变形受到约束时如厚板连接，就有可能在厚板中产生层状撕裂，如图6-3(b)所示。图中沿板厚度方向的应变是由于焊缝冷却时的横向收缩所引起。

　　要避免层状撕裂，焊缝的正确布置极为重要。图6-4给出了由两块钢板组成的两个角结点的两种焊缝布置。图6-4(a)、(c)的布置形式，易使钢板产生层状撕裂。改成图6-4(bd)所示的形式后就不易产生层状撕裂。

　　在高层建筑的梁、柱刚性焊接连接中，在负弯矩产生的拉力作用下，梁上翼缘水平处的H形截面柱翼缘厚钢板上将产生沿厚度方向的拉力作用而易发生层状撕裂。在此情况下，当钢板厚度大于40mm时，宜采用在厚度方向有抗层状撕裂性能的Z向钢板。这种钢板的我国国家标准是《厚度方向性能钢板》(GB/T 5313)，适用于厚度为15-150mm、屈服点不大于500N/mm2的镇静钢钢板。钢板的抗层状撕裂性能采用厚度方向的拉力试验的断面收缩率大小来评定。

　　五、钢材的牌号和选用

　　规范推荐的承重结构用钢材主要是碳素结构钢中的低碳钢和低合金高强度结构钢两类，包括Q235、Q345、Q390和Q420四种，各有国家标准对其牌号的表示方法和技术条件等作出规定。

　　1.钢材的牌号与质量等级

　　对应用较广的碳素结构钢，我国的现行国家标准是GB/T 700-2006，其中的一些主要规定介绍如下。

　　(1)牌号的表示方法。以Q235钢为例，其牌号的完整表示方法为：

　　Q235——质量等级符号·脱氧方法符号

　　质量等级分A、B、C、D四级，依次以A级质量较差，D级质量最高。脱氧方法符号为F、b、Z和TZ，分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢，但在牌号表示方法中，Z和TZ的符号可以省略。

　　(2)钢材的质量等级不同，其化学成分、脱氧要求和冲击韧性要求将有所不同，但由拉伸试验确定的力学性能(包括抗拉强度、屈服点和伸长率)则与等级无关。屈服点随钢材厚度分级降低，牌号中的235N/mm2是钢板厚度小于或等于16mm时的屈服点值。

　　A级和B级钢各有F、b和Z三种脱氧方法，C级钢只有镇静钢，D级钢只有特殊镇静钢。

　　(3)冲击韧性要求为：

　　Q235——A不作冲击韧性试验要求;

　　Q235——B作常温(20℃)冲击韧性试验;

　　Q235——C作0℃冲击韧性试验;

　　Q235——D作-20℃冲击韧性试验。

　　冲击韧性试验采用夏比V形缺口试件。冲击韧性指标为Akv。对上述B、C、D级钢在其各自不同温度要求下，都要求达到Akv≥27J(1J=1N·m)。

　　(4)基本上都要求同时保证力学性能与化学成分和规定采用平炉或氧气转炉冶炼，故牌号中无老标准要求的钢类和炉种符号。

　　(5)A级钢除保证力学性能外，其含碳量和含锰量不作为交货条件，但可在质量证明书中注明其含量。A级钢的冷弯试验在需方有要求时才进行。

　　(6)用沸腾钢轧制的B级钢(Q235-B·F)，其厚度(或直径)一般不大于25mm(以免厚度大时质量不易保证)。

　　我国国家标准《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591-2008)中的牌号表示方法与上述碳素结构钢的相同，只是质量等级分A～E共5级。由于低合金钢一般都是镇静钢，因而其牌号后面无脱氧方法的符号。对规范中推荐采用的三个牌号(Q345钢、Q390钢和Q420钢)的冲击韧性要求是：对其A级钢规定都不做冲击韧性试验;对其B、C和D级钢规定依次各做十20℃、0℃和-20℃、-40℃时的冲击韧性试验，其公称厚度为12mm-150mm时的合格标准均为Akv=34J。

　　2.钢材的选用

　　为了说明钢材的选用，应先了解规范中对钢材材性的要求。可归纳为下述4点：

　　(l)所有承重结构的钢材均应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。

　　(2)焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材尚应具有冷弯试验的合格保证。

　　(3)对需验算疲劳的结构，不论其为焊接或非焊接，其钢材都应具有常温(即20℃)冲击韧性的合格保证。当结构的工作温度等于和低于0℃时，各牌号钢材应按表6-1所列分别满足不同低温的冲击韧性的合格保证。

　　(4)吊车起重量等于或大于50t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。

　　上述4点是设计者在选用钢材牌号时必须满足的材性要求。要注意上述第(3)点规定需冲击韧性试验合格保证的条件是需验算疲劳。钢结构构件及其连接由于一般都存在微观裂纹，在多次加载和卸载作用下，裂纹逐渐扩展，在其强度还低于抗拉强度，甚至低于屈服点的情况下突然断裂，称为疲劳破坏。这是危害性很大的一种脆性破坏，必须避免。规范规定：直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n等于或大于5 X104次时应进行疲劳计算。冲击韧性是衡量钢材突然断裂时所吸收的功的指标，可用以间接反映钢材抵抗由于各种原因而引起脆断的能力。规范规定需验算疲劳的结构必须具有各种温度下的冲击韧性合格保证，原因即在于此

　　正确选用钢材，是保证结构的安全使用和降低造价所必须做到的。钢材质量等级愈高，钢材的价格也愈高。因此应根据实际需要来选用合适的钢材质量等级。一般情况下，应根据结构的重要性(损坏带来后果的严重性)、荷载特征(静力荷载、动力荷载等)、结构形式、应力状态(拉应力或压应力)、连接方法(焊接或非焊接)、板件厚度和工作环境(低温等)等因素综合考虑，选用合适的钢材牌号和材性要求。

　　3.钢材的规格

　　钢结构所用钢材常由钢厂以热轧钢板和热轧型钢供应，由钢结构制造厂按设计图纸制成结构或扩大的构件，然后运到工地现场拼装和吊装。下面简要介绍型钢和钢板的种类与规格。

　　(1)热轧钢板

　　钢结构中常用的热轧厚板，厚度由4.5mm到60mm。厚钢板可用以制作各种板结构和各种焊接组合工字形或箱形截面的构件，如图6-5(e)～图6-5(c)所示。此外还可用作连接用的结点板、支座底板、加劲肋等的构件。除厚板外尚有热轧扁钢和热轧薄板。扁钢宽度较小(≤200 mm)，因此在结构中用处较少。薄板厚度为0.35～4 mm，主要用以制作冷弯薄壁型钢。

　　钢板的符号是“-厚度×宽度×长度”(也有采用把宽度写在厚度前面的标注方法，两者均可)，例如：-8×400×3000，单位为“mm"，常不加注明。数字前面的一短划线表示钢板截面。

　　(2)热轧型钢

　　我国生产的热轧型钢有如图6-5所示的等边角钢、不等边角钢、普通槽钢、普通工字钢、H型钢和剖分T型钢。

　　角钢的符号为“∠边长×厚度”(等边角钢)或∠长边×短边×厚度”。例如：∠1 10×10或∠90×56×6。单位毫米不必注明。

　　槽钢的符号为“[型号”，例如：[22，型号22代表槽钢的截面高度为220 mm。截面高度相同而腹板厚度不同时，则分别用a、b等予以区别。例如[32a、[32b和[32c三种截面的高度都是320mm，但其腹板厚度不同，各为8mm、10mm和12mm。

　　工字钢的符号与槽钢相同，即“I型号”，例如I63a、I63b等，型号63表示工字钢高度为630mm,a、b等表示截面的腹板厚度有所不同。

　　热轧H型钢(见图6一5f)在国外应用较多，而在我国则刚投产不久。H型钢的翼缘宽度B和截面高度H较接近，因而对截面两个主形心轴x和y的刚度较接近，适宜作为柱截面。按照我国国家标准《热轧H型钢和剖分T型钢》(GB/T 11263-1998),H型钢有宽翼缘、中翼缘和窄翼缘三种，宽翼缘H型钢的宽度B和高度H相同，而后两种H型钢的B和H不等，B小于H。H型钢的标注方法是“H高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度，例如H350×350×10×16，单位为毫米，不必标出。

　　剖分T型钢是由上述H型钢在腹板中部一剖为二而成，图6-5中未画出。T型钢的标注方法与H型钢相同，只要把H换成T即可。

　　除上面所述主要热轧型钢外，还有钢管(见图6-5 e)也是近年来经常采用的截面，特别是当前应用较多的大跨度网架结构中更是用它作为构件。此外，钢管混凝土结构中也离不开采用钢管。钢管分热轧的无缝钢管和由钢板焊接而成的电焊钢管，前者的价格贵于后者。钢管的符号为“Φ外径×厚度”，例如Φ95×5，表示钢管外部直径为95，壁厚为5。

　　(3)冷弯薄壁型钢

　　冷弯薄壁型钢是由钢板经冷加工而成的型材，采用冷弯型钢机成型、压力机上模压成型或在弯曲机上弯曲成型。截面种类较多，有角钢、槽钢、Z型钢、帽形钢、钢管等，其中前三种又可带卷边或不带卷边，如图6-6所示。这些型钢可单独使用，也可组合成组合截面。因厚度较薄，可使截面的刚度增大而得到更经济的截面。此外，目前还已生产有防锈涂层的彩色压型钢板，可用作墙面和屋面等。

　　冷弯薄壁型钢目前在我国的轻型建筑钢结构中常有应用。

　　4.钢材和连接的强度设计值

　　钢材的强度设计值应根据钢材厚度或直径按规范表3.4.1-1采用，连接的强度设计值应按规范表3.4.1-3至表3.4.1-5采用。这里需注意的是，在某些不利工作情况下，规范表3.4.1-1和表3.4.1-3至表3.4.1-5中给出的强度设计值还应乘于相应的折减系数，具体规定见规范第3.4.2条。