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

  二、鋼結(jié)構(gòu)的材料

    (一)鋼材的主要機械性能指標

    鋼結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(xiàn)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(yīng)力應(yīng)變曲線提供了前三項機械性能指標?？估瓘姸?/SPAN>(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(yīng)力，是檢驗鋼材質(zhì)量的重要指標；當以鋼材屈服強度作為靜力強度計算依據(jù)時，抗拉強度成為結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)汁中靜力強度計算的依據(jù)，它是衡量鋼材的承載能力及確定鋼材抗拉、抗壓、抗彎強度設(shè)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(zhì)量優(yōu)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(yīng)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(jīng)濟承受較大、使用較頻繁的動力荷載的結(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、明顯可見的塑性變形，且僅在構(gòu)件中的應(yīng)力達到抗拉強度后才發(fā)生。由于塑性破壞前有明顯的預(yù)兆，能及時發(fā)現(xiàn)而采取補救措施，因此，實際上結(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)。由于脆性破壞前無任何預(yù)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(yīng)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(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(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)計規(guī)范》(GB 50017--2003)(本節(jié)以下簡稱《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(yīng)嚴格加以限制(均不超過0．05％)。

    錳和硅是有益的雜質(zhì)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(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。

    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(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

    當構(gòu)件截面的完整性遭到破壞，如開孔、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)象稱為應(yīng)力集中(圖11-82)。應(yīng)力集中是導致鋼材發(fā)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(yīng)力集中越嚴重，引起脆性破壞的危險性就越大。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)使截面的構(gòu)造合理。如截面必須改變時，要平緩過渡。構(gòu)件制造和施工時，應(yīng)盡可能防止造成刻槽等缺陷。