一级建筑师考试建筑结构辅导讲义：钢结构2

  二、钢结构的材料

    (一)钢材的主要机械性能指标

    钢结构在使用过程中要受到各种形式的作用，这就要求钢材必须具有抵抗各种作用而不产生过大变形和不会引起破坏的能力。钢材在各种作用下所表现出的各种特征，如弹性、塑性、强度，称为钢材的机械性能。钢材的主要机械性能指标有五项，即抗拉强度、伸长率、屈服强度，冷弯性能和冲击韧性，这都是通过试验得到的。

    钢材的单向均匀受拉应力应变曲线提供了前三项机械性能指标。抗拉强度(用符号f表示)是钢材的一项强度指标，它反映钢材受拉时所能承受的极限应力，是检验钢材质量的重要指标；当以钢材屈服强度作为静力强度计算依据时，抗拉强度成为结构的安全储备。伸长率(用符号δ₅或δ₁₀表示)是衡量钢材在静荷载作用下塑性性能的指标。屈服强度(也称屈服点，用符号f_y表示)是钢结构设汁中静力强度计算的依据，它是衡量钢材的承载能力及确定钢材抗拉、抗压、抗弯强度设计值的一项重要指标。通过冷弯试验得到对钢材性能要求的第四项指标――冷弯性能，它是衡量钢材的塑性性能和检验钢材质量优劣的一个综合指标、通过冲击试验得到对钢材性能要求的第五项指标――冲击韧性，它是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、动力荷载作用而导致脆性断裂能力的一项指标。满足冲击韧性的要求是个比较严格的指标，实际上只有经济承受较大、使用较频繁的动力荷载的结构，特别是焊接结构，才需要有冲击韧性的保证。

    (二)影响钢材机械性能的主要因素 

    钢结构有性质完全不同的两种破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。塑性破坏的主要特征是具有较大的、明显可见的塑性变形，且仅在构件中的应力达到抗拉强度后才发生。由于塑性破坏前有明显的预兆，能及时发现而采取补救措施，因此，实际上结构是极少发生塑性破坏的：脆性破坏的特征是破坏前的塑性变形很小，甚至没有塑性变形，构件截面上的平均应力比较低(低于屈服点)。由于脆性破坏前无任何预兆，无法及时察觉予以补救，所以危险性极大。讨论影响钢材机械性能的因素时，应特别注意导致钢材变脆的因素。

    1．化学成分的影响

    碳素钢中，铁元素含量约占99％左右，其他元素有碳，磷、氮、硫、氧、锰、硅等，它们的总和约占1％左右。低合金钢中，除上述元素外，还有合金元素，其含量小于或等于5％，尽管碳和其他元素含量很小，但对钢材的机械性能却有着极大的影响。

    普通碳素结构钢中，碳是除铁以外的最主要元素。随着含碳量的增加，钢材的强度提高，塑性，冲击韧性下降，冷弯性能、可焊性和抗锈蚀性能变差。因此，虽然碳是钢材获得足够强度的主要元素，但钢结构中，特别是焊接结构，并不采用含碳量高的钢材。现行《钢结构设计规范》(GB 50017--2003)(本节以下简称《钢结构规范》)推荐的钢材，在焊接结构中，含碳量一般控制在0.12％―0.2％之间。

    磷、氮、硫和氧是有害的杂质元素；随着磷、氮含量的增加，钢材的强度提高，塑性、冲击韧性严重下降，特别是在温度较低时促使钢材变脆(称冷脆)，磷还会降低钢的可焊性：硫和氧的含量增加会降低钢材的热加工性能，并降低钢材的塑性、冲击韧性。硫还会降低钢材的可焊性和抗锈蚀性能：所以，对磷、氮、硫和氧的含量应严格加以限制(均不超过0．05％)。

    锰和硅是有益的杂质元素，能起到脱氧的作用，当含量适中时，能提高钢材的强度而对塑性和冲击韧性无明显影响：

    2．冶炼、浇注的影响

    我国目前钢结构用的钢，主要是由平炉和氧气转炉冶炼而成的。这两种冶炼方法的钢，质量大体相当。

    钢材冶炼后按浇铸方法(也称脱氧方法)的不同而分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢采用锰铁作脱氧剂，脱氧不完全，钢材质量较差，但成本低；镇静钢用锰铁加硅或铝脱氧，脱氧较彻底，材质好，但成本较高；半镇静钢脱氧程序、质量和成本介于沸腾钢和镇静钢之间；特殊镇静钢的脱氧程序比镇静钢更高，质量最好，但成本也最高。

    3．应力集中

    当构件截面的完整性遭到破坏，如开孔、截面改变等，构件截面的应力分布不再保持均匀，在截面缺陷处的附近产生高峰应力，而截面其他部分应力则较低，这种现象称为应力集中(图11-82)。应力集中是导致钢材发生脆性破坏的主要因素之一。试验表明，截面改变越突然、尖锐程度越大的地方，应力集中越严重，引起脆性破坏的危险性就越大。因此，在结构设计中应使截面的构造合理。如截面必须改变时，要平缓过渡。构件制造和施工时，应尽可能防止造成刻槽等缺陷。