二、鋼結構的材料

    (一)鋼材的主要機械性能指標

    鋼結構在使用過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生過大變形和不會引起破壞的能力。鋼材在各種作用下所表現出的各種特征，如彈性、塑性、強度，稱為鋼材的機械性能。鋼材的主要機械性能指標有五項，即抗拉強度、伸長率、屈服強度，冷彎性能和沖擊韌性，這都是通過試驗得到的。

    鋼材的單向均勻受拉應力應變曲線提供了前三項機械性能指標。抗拉強度(用符號f表示)是鋼材的一項強度指標，它反映鋼材受拉時所能承受的極限應力，是檢驗鋼材質量的重要指標；當以鋼材屈服強度作為靜力強度計算依據時，抗拉強度成為結構的安全儲備。伸長率(用符號δ₅或δ₁₀表示)是衡量鋼材在靜荷載作用下塑性性能的指標。屈服強度(也稱屈服點，用符號f_y表示)是鋼結構設汁中靜力強度計算的依據，它是衡量鋼材的承載能力及確定鋼材抗拉、抗壓、抗彎強度設計值的一項重要指標。通過冷彎試驗得到對鋼材性能要求的第四項指標――冷彎性能，它是衡量鋼材的塑性性能和檢驗鋼材質量優劣的一個綜合指標、通過沖擊試驗得到對鋼材性能要求的第五項指標――沖擊韌性，它是衡量鋼材抵抗可能因低溫、應力集中、動力荷載作用而導致脆性斷裂能力的一項指標。滿足沖擊韌性的要求是個比較嚴格的指標，實際上只有經濟承受較大、使用較頻繁的動力荷載的結構，特別是焊接結構，才需要有沖擊韌性的保證。

    (二)影響鋼材機械性能的主要因素 

    鋼結構有性質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、明顯可見的塑性變形，且僅在構件中的應力達到抗拉強度后才發生。由于塑性破壞前有明顯的預兆，能及時發現而采取補救措施，因此，實際上結構是極少發生塑性破壞的：脆性破壞的特征是破壞前的塑性變形很小，甚至沒有塑性變形，構件截面上的平均應力比較低(低于屈服點)。由于脆性破壞前無任何預兆，無法及時察覺予以補救，所以危險性極大。討論影響鋼材機械性能的因素時，應特別注意導致鋼材變脆的因素。

    1．化學成分的影響

    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，但對鋼材的機械性能卻有著極大的影響。

    普通碳素結構鋼中，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度的主要元素，但鋼結構中，特別是焊接結構，并不采用含碳量高的鋼材。現行《鋼結構設計規范》(GB 50017--2003)(本節以下簡稱《鋼結構規范》)推薦的鋼材，在焊接結構中，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元素；隨著磷、氮含量的增加，鋼材的強度提高，塑性、沖擊韌性嚴重下降，特別是在溫度較低時促使鋼材變脆(稱冷脆)，磷還會降低鋼的可焊性：硫和氧的含量增加會降低鋼材的熱加工性能，并降低鋼材的塑性、沖擊韌性。硫還會降低鋼材的可焊性和抗銹蝕性能：所以，對磷、氮、硫和氧的含量應嚴格加以限制(均不超過0．05％)。

    錳和硅是有益的雜質元素，能起到脫氧的作用，當含量適中時，能提高鋼材的強度而對塑性和沖擊韌性無明顯影響：

    2．冶煉、澆注的影響

    我國目前鋼結構用的鋼，主要是由平爐和氧氣轉爐冶煉而成的。這兩種冶煉方法的鋼，質量大體相當。

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

    3．應力集中

    當構件截面的完整性遭到破壞，如開孔、截面改變等，構件截面的應力分布不再保持均勻，在截面缺陷處的附近產生高峰應力，而截面其他部分應力則較低，這種現象稱為應力集中(圖11-82)。應力集中是導致鋼材發生脆性破壞的主要因素之一。試驗表明，截面改變越突然、尖銳程度越大的地方，應力集中越嚴重，引起脆性破壞的危險性就越大。因此，在結構設計中應使截面的構造合理。如截面必須改變時，要平緩過渡。構件制造和施工時，應盡可能防止造成刻槽等缺陷。

    4．溫度的影響

    鋼材在正溫范圍內，約在100⁰C以上時，隨著溫度的升高，鋼材的強度降低，塑性增大。在250⁰C左右，鋼材的抗拉強度有所提高，而塑性下降，這種現象稱為冷脆現象，鋼結構不宜在該溫度范圍內加工。溫度達到500―600⁰C時，強度幾乎為零。因此，當結構表面經常受較高的輻射熱(150℃以上)時，應采取隔熱措施，如加擋板或設循環水管等，加以保護。為提高鋼結構耐火時間，可在構件上按需要涂不同厚度的防火涂料。當溫度低于常溫時，隨著溫度的下降，鋼材的強度有所提高，而塑性和沖擊韌性下降，當溫度下降到某一負溫值時，鋼材的塑性和沖擊韌性急劇降低，這種現象稱為鋼材的低溫冷脆現象(簡稱冷脆)。因此，處于低溫條件下的結構，應選擇耐低溫性能比較好的鋼材，如鎮靜鋼，低合金結構鋼，

    5．鋼材的硬化

    鋼材的硬化包括時效硬化和冷作硬化。時效硬化是指高溫時溶化于鐵中的少量氮和碳，隨時間的增長逐漸從固溶體中析出，形成氮化物或碳化物，對鋼材的塑性變形起遏制作用，從而使鋼材強度提高、塑性和沖擊韌性下降。冷作硬化(也稱應變硬化)是指鋼材在間歇重復荷載作用下，鋼材的彈性區擴大，屈服點提高，而塑性和沖擊韌性下降。鋼結構設計中，不考慮硬化后強度提高的有利影響，相反，對重要的結構或構件要考慮硬化后塑性和沖擊韌性下降的不利影響。

    6．焊接

    焊接連接時。由于焊縫及其附近的高溫區的金屬經過高溫和冷卻的過程，金屬內部組織發生了變化，使鋼材變脆變硬。同時，焊接還會產生焊接缺陷和焊接應力，也是促使鋼材發生脆性破壞的因素。

    大量的脆性破壞事故說明，事故的發生經常是幾種因素的綜合。根據具體情況正確選用鋼材是從根本上防止脆性破壞的辦法，同時也要在設計、制造和使用上注意消除促使鋼材向脆性轉變的因素。

    (三)鋼材的種類、選擇和規格

    1．鋼材的種類

    《鋼結構規范》推薦的承重結構用鋼材有普通碳素結構鋼(簡稱碳素鋼)和普通低合金結構鋼(簡稱低合金鋼)兩種。

    (1)碳素鋼

    我國生產的專用于結構的碳素鋼Q235(Q是屈服點的漢語拼音首位字母，數值表示鋼材的屈服點，單位N／mm²)。鋼結構用鋼材主要是Q235，其含碳量和強度、塑性、加工性能等均適中。碳素鋼牌號的全部表示是QX X X后附加質量等級和脫氧方法符號，如Q235一AF、Q235一C等。Q235鋼共分為A、B、C、D四個質量等級(A級最差，D級最好)。A、B級鋼按脫氧方法分為沸騰鋼(符號F)、半鎮靜鋼(符號b)或鎮靜鋼(符號Z)，C級為鎮靜鋼，D級為特殊鎮靜鋼(符號TZ)；Z和TZ在牌號中省略不寫。

    (2)低合金鋼

    低合金鋼是在冶煉碳素鋼時加一種或幾種適量合金元素，以提高鋼材強度、沖擊韌性等而又不太降低其塑性。低合金鋼的牌號表示方法是：自左向右依次列出其平均含碳量的萬分數，合金元素的名稱(或符號)及含量的百分數，當合金元素平均含量小于1．5％時不注明其含量，達到或超過1．5％用整數注明其含量。鋼結構常用的低合金鋼有：16Mn(平均含碳量萬分十六，合金元素錳，合金元素平均含量小于1．5％)，16Mnq(q――橋梁用鋼)和15MnV(15錳釩)、15MnVq。

    在受力大的承重鋼結構中采用低合金鋼，可較Q235鋼節約鋼材15％―25％。

    2．鋼材的選擇

    選擇鋼材的目的是要在保證結構安全可靠的基礎上，經濟合理地使用鋼材。通常要考慮：

    (1)選擇鋼材的依據

    1)結構或構件的重要性；

    2)荷載性質    (靜力荷載或動力荷載)；

    3)連接方法    (焊接、鉚釘或螺栓連接)：

    4)工作條件    (溫度及腐蝕介質)。

    (2)建筑鋼結構的選材要求

    1)承重結構用鋼材宜采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼，其質量應符合現行標準的規定。

    2)下列情況的承重結構和構件不應采用Q235沸騰鋼：

    a．焊接結構。直接承受動力荷載或振動荷載，且需要驗算疲勞的結構；工作溫度低于―20℃時的直接承受動力荷載或振動荷載、但可不驗算疲勞的結構，以及承受靜力荷載

的受彎及受拉的重要承重結構；工作溫度等于或低于―30℃的所有承重結構。

    b．非焊接結構。工作溫度等于或低于―20℃的直接承受動力荷載、且需要驗算疲勞的結構。

    (3)承重結構采用的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結構尚應具有碳含量的合格保證。

    焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構采用的鋼材還應具有冷彎試驗的合格保證。

    對于需要驗算疲勞的焊接結構的鋼材，應具有常溫沖擊韌性的合格保證。當結構工作溫度不高于0℃但高于―20℃時，Q235鋼和Q345鋼應具有0℃沖擊韌性的合格保證；對Q390鋼和Q420鋼應具有―20~c沖擊韌性的合格保證。當結構工作溫度不高于―20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應具有―20℃沖擊韌性的合格保證；對Q390鋼和Q420鋼應具有―40℃沖擊韌性的合格保證。

    對于需要驗算疲勞的非焊接結構的鋼材亦應具有常溫沖擊韌性的合格保證。當結構工作溫度不高于―20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應具有0℃沖擊韌性的合格保證；對Q390鋼和Q420鋼應具有―20℃沖擊韌性的合格保證。

    吊車起重量不小于50t的中級工作制吊車梁，對鋼材沖擊韌性的要求應與需要驗算疲勞的構件相同。

    3．鋼材的規格

    鋼結構所用鋼材主要有熱軋成型的鋼板和型鋼以及冷彎成型的薄壁型鋼。

    (1)鋼板

    鋼板分厚鋼板、薄鋼板和扁鋼。其規格為：

    厚鋼板：厚度4.5―60mm，寬度600～3000mm，長度4―12m；

    薄鋼板：厚度0.35-4mm，寬度500-1500mm，長度0.5～4m；

    扁鋼：厚度4-60mm，寬度12～200mm，長度3-9m。

    鋼板通常用“一”后面加“寬度X厚度X長度”表示。如一600X 10X12000表示為600mm寬、lOmm厚、12m長的鋼板。

    (2)型鋼

    型鋼可以直接用作構件，以減少加工制造工作量，在設計中應優先選用。常用的型鋼有：角鋼、槽鋼、工字鋼和鋼管

    角鋼，有等肢的和不等肢的兩種。等肢角鋼以肢寬和厚度表示，如L100X10為肢寬l00mm，厚l0mm的等肢角鋼。不等肢角鋼則以兩肢寬度和厚度表示，如L100X 80X 8為長肢寬l00mm、短肢寬80mm，厚度為8mm的角鋼。角鋼長度一般為8―19m。

    槽鋼，用號數表示，號數即為其高度的厘米數。號數