8.2 钢结构的材料（课件）-《建筑结构》同步教学（上海交通大学出版社）

模块8 钢结构 钢结构概述 8.1 钢结构的材料 8.2 钢结构的连接 8.3 钢构件的计算 8.4 钢屋盖的设计 8.5 知识目标 （1）了解钢结构的类型、特点及应用范围。 （2）熟悉钢结构材料的主要性能、品种及规格。 （3）掌握钢结构的连接方法、构造及计算方法。 （4）掌握钢构件的设计及计算方法，掌握钢屋盖的设计方法。 模块8 钢结构 8.2 钢结构的材料 8.2.1 钢材的主要性能 钢材的主要性能包括力学性能和工艺性能。 8.2 钢结构的材料 钢材的力学性能 1. 钢材的力学性能包括屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、耐疲劳性和冲击韧性。 （1）屈服强度。不可逆(塑性)变形开始出现时，金属单位截面上的最低作用外力叫作屈服强度或屈服点。 校核钢结构强度时，若根据荷载算得的应力小于材料的容许应力［σs］，则结构是安全的。 容许应力［σs］可按式（8-1）计算。 （8-1） 式中，σs为材料屈服强度；K为安全系数。 屈服强度是强度计算和确定结构尺寸的最基本参数。 8.2 钢结构的材料 （2）抗拉强度。钢材的抗拉强度表示其能承受的最大拉应力值。在建筑钢结构中，将抗拉强度的上、下限作为控制钢材冶金质量的指标。 ①抗拉强度过低，意味着钢的生产工艺不正常，冶金质量不良(如钢中气体、非金属夹杂物过多等)；抗拉强度过高，则反映轧钢工艺不当，终轧温度太低，使钢材过分硬化，从而引起钢材塑性、韧性的下降。 ②规定了钢材抗拉强度的上、下限，就可以使钢材与钢材之间、钢材与焊缝之间的强度较为接近，使结构具有等强度的要求，避免因材料强度不均而产生过度的应力集中。 8.2 钢结构的材料 ③控制抗拉强度的范围可以避免因钢材的强度过高而给冷加工和焊接带来困难。 由于钢材应力超过屈服强度后会出现较大的残余变形，造成结构不能正常使用，因而钢结构设计是以屈服强度作为承载力极限状态的标志值，相应地，在一定程度上，抗拉强度即作为强度储备。其储备率可用抗拉强度与屈服强度的比值——强屈比(fu/fy)来表示，强屈比越大，则强度储备越大。所以，钢材除要满足屈服强度的要求外，还应符合抗拉强度的要求。 8.2 钢结构的材料 （3）断后伸长率。断后伸长率不仅是钢材加工工艺性能的重要指标，还可以体现钢材冶金质量的好坏。 伸长率是衡量钢材塑性及延性性能的指标。断后伸长率越大，表示钢材的塑性及延性性能越好，钢材断裂前永久塑性变形和吸收能量的能力越强。建筑结构钢的断后伸长率应为16％～23％。钢材的断后伸长率太低，可能是钢材的冶金质量不好所致；钢材的断后伸长率太高，则可能引起钢材的强度、韧性等其他性能下降。随着钢材的屈服强度等级的提高，断后伸长率的指标会有少许降低。 8.2 钢结构的材料 （4）耐疲劳性。钢筋混凝土构件在交变荷载的反复作用下，往往在应力远小于屈服点时发生突然的脆性断裂，这种现象叫作疲劳破坏。 （5）冲击韧性。钢材的冲击韧性是衡量钢材断裂时所做功的指标，以及在低温、应力集中、冲击荷载等作用下衡量抵抗脆性断裂的能力。钢材中的非金属夹杂物、脱氧不良等都将影响钢材的冲击韧性。 8.2 钢结构的材料 钢材的冲击韧性试验采用V形缺口的标准试件，如图8-1所示。冲击韧性指标用冲击荷载使试件断裂时所吸收的冲击功AKV来表示，单位为J。 图8-1 V形缺口的标准试件（单位：cm） 8.2 钢结构的材料 钢材的工艺性能 2. 钢材的工艺性能包括冷弯性能和焊接性能等。 （1）冷弯性能。钢材的冷弯性能是指钢材在常温下能承受弯曲而不破裂的能力。钢材的弯曲程度常用弯心直径或弯曲角度与材料厚度的比值来表示，该比值越小，表明钢材的冷弯性能越好。 冷弯试验是测定钢材冷弯性能的重要手段。它以试件在规定的弯心直径下弯曲到一定角度不出现裂纹、裂断或分层等缺陷为合格标准。在试验钢材冷弯性能的同时，也可以检验钢材的冶金质量。在冷弯试验中，钢材开始出现裂纹时的弯曲角度及裂纹的扩展情况说明了钢材的抗裂能力，一定程度上反映了钢材的韧性。 8.2 钢结构的材料 （2）焊接性能。钢材的焊接性能是指钢材适应焊接工艺和焊接方法的能力。焊接性能好的钢材，适应焊接工艺和焊接方法的能力强，因此可采用常用的焊接工艺与焊接方法进行焊接。焊接性能差的钢材进行焊接时，应注意焊后可能出现变形、开裂等现象。 8.2 钢结构的材料 8.2.2 钢材的品种及其规格 钢材主要包括钢板与钢带、型钢、钢管、钢筋等。 8.2 钢结构的材料 钢板与钢带 1. 一般情况下，钢板是指宽厚比和表面积都很大的扁平钢材。钢带一般是指长度很长，可成卷供应的钢板。 根据钢板的薄厚程度不同，钢板大致可分为薄钢板(厚度不大于4 mm)和厚钢板(厚度大