第2章 钢结构的材料

在冲击荷载作用下，加载速度很高，由于钢材的塑性滑移在加载瞬间跟不上应变速率，因而反映出屈服点提高的倾向。但是，试验研究表明，在20℃左右的室温环境下，虽然钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率的增加而提高，塑性变形能力却没有下降，反而有所提高，即处于常温下的钢材在冲击荷载作用下仍保持良好的强度和塑性变形能力。

应变速率在温度较低时对钢材性能的影响要比常温下大得多。图2.4.4给出了三条不同应变速率下的缺口韧性试验结果与温度的关系曲线，图中中等加载速率相当于应变速率

???10?3s?1，即每秒施加应变??0.1%，若以100mm为标定长度，其加载速度相当于0.1mm/s。

由图中可以看出，随着加载速率的减小，曲线向温度较低侧移动。在温度较高和较低两侧，三条曲线趋于接近，应变速率的影响变得不十分明显，但在常用温度范围内其对应变速率的影响十分敏感，即在此温度范围内，加荷速率越高，缺口试件断裂时吸收的能量越低，变得越脆。因此在钢结构防止低温脆性破坏设计中，应考虑加荷速率的影响。

韧性 静荷 中等加 载速率 冲击 温度 图2.4.4 不同应变速率下钢材断裂吸收能量随温度的变化

二、循环荷载的影响

钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现象称为疲劳（fatigue）。按照断裂寿命和应力高低的不同，疲劳可分为高周疲劳（high-cycle fatigue）和低周疲劳（low-cycle fatigue）两类。高周疲劳的断裂寿命较长，断裂前的应力循环次数n≥53104，断裂应力水平较低，ζ＜fy，因此也称低应力疲劳或疲劳，一般常见的疲劳多

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属于这类。低周疲劳的断裂寿命较短，破坏前的循环次数n=10~5310，断裂应力水平较高，ζ≥fy，伴有塑性应变发生，因此也称为应变疲劳或高应力疲劳。有关高周疲劳的内容将在下节叙述，本节重点介绍有关低周疲劳的若干概念。

图2.4.5 钢材的包辛格效应和滞回曲线

试验研究发现，当钢材承受拉力至产生塑性变形，卸载后，再使其受拉，其受拉的屈服强度将提高至卸载点（冷作硬化现象）；而当卸载后使其受压，其受压的屈服强度将低于一次受压时所获得的值。这种经预拉后抗拉强度提高，抗压强度降低的现象称为包辛格效应（Bauschinger

(a) (b) σ σ o ε o ε 13

effect），如图2.4.5a所示。在交变荷载作用下，随着应变幅值的增加，钢材的应力应变曲线将形成滞回环线（hysteresis loops），如图2.4.5b所示。低碳钢的滞回环丰满而稳定，滞回环所围的面积代表荷载循环一次单位体积的钢材所吸收的能量，在多次循环荷载下，将吸收大量的能量，十分有利于抗震。

显然，在循环应变幅值作用下，钢材的性能仍然用由单调拉伸试验引伸出的理想应力应变曲线（图2.4.6a）表示将会带来较大的误差，此时采用双线型和三线型曲线（图2.4.6b,c）模拟钢材性能将更为合理。钢构件和节点在循环应变幅值作用下的滞回性能要比钢材的复杂得多，受很多因素的影响，应通过试验研究或较精确的模拟分析获得。钢结构在地震荷载作用下的低周疲劳破坏，大部分是由于构件或节点的应力集中区域产生了宏观的塑性变形，由循环塑性应变累积损伤到一定程度后发生的。其疲劳寿命取决于塑性应变幅值的大小，塑性应变幅值大的疲劳寿命就低。由于问题的复杂性，有关低周疲劳问题的研究还在发展和完善过程中。

σ σ σ o ε o ε o ε (a) (b) (c) 图2.4.6 钢材在滞回应变荷载作用下应力应变简化模拟

2.4.6 温度的影响

钢材的性能受温度的影响十分明显，图2.4.7给出了低碳钢在不同正温下的单调拉伸试验结果。由图中可以看出，在150℃以内，钢材的强度、弹性模量和塑性均与常温相近，变化不大。但在250℃左右，抗拉强度有局部性提高，伸长率和断面收缩率均降至最低，出现了所谓的蓝脆现象（钢材表面氧化膜呈蓝色）。显然钢材的热加工应避开这一温度区段。在300℃以后，强度和弹性模量均开始显著下降，塑性显著上升，达到600℃时，强度几乎为零，塑性急剧上升，钢材处于热塑性状态。

抗拉强度

80 70

弹性模量 断面收缩率 屈服点 比例极限

60 50 断面收缩率(%) 伸长率(%) 弹性模量(N/mm2)

600 500 23105 400 13105 300 90

比例极限、屈服点、抗拉强度(N/mm2) 45 45 200 35 30 25 伸长率 100 20 15

20 100 200 300 400 500 600 温度℃

图2.4.7 低碳钢在高温下的性能

由上述可以看出，钢材具有一定的抗热性能，但不耐火，一旦钢结构的温度达600℃及以上时，会在瞬间因热塑而倒塌。因此受高温作用的钢结构，应根据不同情况采取防护措施：当

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结构可能受到炽热熔化金属的侵害时，应采用砖或耐热材料做成的隔热层加以保护；当结构表面长期受辐射热达150℃以上或在短时间内可能受到火焰作用时，应采取有效的防护措施（如加隔热层或水套等）。防火是钢结构设计中应考虑的一个重要问题，通常按国家有关防火的规范或标准，根据建筑物的防火等级对不同构件所要求的耐火极限进行设计，选择合适的防火保护层（包括防火涂料等的种类、涂层或防火层的厚度及质量要求等）。 当温度低于常温时，随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度十分敏感，图2.4.8给出了冲击韧性与温度的关系。图中实线为冲击功随温度的变化曲线，虚线为试件断口中晶粒状区所占面积随温度的变化曲线，温度T1也称为NDT（Nil Ductility Temperature），为脆性转变温度或零塑性转变温度，在该温度以下，冲击试件断口由100％晶粒状组成，表现为完全的脆性破坏。温度T2也称FTP（Fracture Transition Plastic），为全塑性转变温度，在该温度以上，冲击试件的断口由100％纤维状组成，表现为完全的塑性破坏。温度由T2向T1降低的过程中，钢材的冲击功急剧下降，试件的破坏性质也从韧性变为脆性，故称该温度区间为脆性转变温度区。冲击功曲线的反弯点（或最陡点）对应的温度T0称为转变温度。不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。

在直接承受动力作用的钢结构设计中，为了防止脆性破坏，结构的工作温度应大于T1接近T0，可小于T2。但是T1、T2和T0的测量是非常复杂的，对每一炉钢材，都要在不同的温度下做大量的冲击试验并进行统计分析才能得到。为了工程实用，根据大量的使用经验和试验资料的统计分析，我国有关标准对不同牌号和等级的钢材，规定了在不同温度下的冲击韧性指标，例如对Q235钢，除A级不要求外，其它各级钢均取CV=27J；对低合金高强度钢，除A级不要求外，E级钢采用CV=27J，其它各级钢均取CV=34J。只要钢材在规定的温度下满足这些指标，那么就可按钢结构规范的有关规定，根据结构所处的工作温度，选择相应的钢材做为防脆断措施。

0 T1(NDT) T0 T2(FTP) 温度

冲击功 100 断口结晶区面积(%) 50 图2.4.8 冲击韧性与工作温度的关系

2.4.7 防止脆性断裂的方法

由上述介绍可以看出，影响钢材在一定条件下出现脆性破坏的因素主要有：钢材的内在因素，如钢材的化学成分、组织构造和缺陷等；钢材的外在因素，如构造缺陷和焊接加工引起的应力集中（特别是厚板的应力集中）、低温影响、动荷作用、冷作硬化和应变时效硬化等。因此，为了防止脆性破坏的发生，应在钢结构的设计、制造和使用过程中注意以下各点：

(1) 合理设计。首先，应正确选用钢材。随着钢材强度的提高，其韧性和工艺性能一般都有所下降。因此，不宜采用比实际需要强度更高的材料。同时，对于低温下工作、受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度，例如，分别选择适当质量等级

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的Q235、Q345等钢材，并应尽量使用较薄的型钢和板材。构造应力求合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、连续地传递应力，减少构件和节点的应力集中。在满足结构的正常使用条件下，应尽量减少结构的刚度和整体性，以防断裂的失稳扩展，例如构件和节点的连接应尽量采用螺栓连接。如必须采用焊接连接时，应避免焊缝的密集和交叉，尽量采用焊接残余应力小的构造形式，可参考第3章有关焊接连接的内容。

(2) 正确制造。应严格按照设计要求进行制作，例如不得随意进行钢材代换，不得随意将螺栓连接改为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度等等。应尽量采用钻孔或冲孔后再扩钻，以及对剪切边进行刨边等方法来避免冷作硬化现象。为了保证焊接质量，尽量减少焊接残余应力，应制定合理的焊接工艺和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处理方法消除主要构件中的焊接残余应力。焊接中不得在构件上任意打火起弧。在制作和安装过程中所造成的缺陷，如定位焊缝、引弧板、吊装辅件等均应进行清理和修复。制作和安装过程中及完成后，均要严格执行质量检验制度。

(3) 合理使用。不得随意改变结构使用用途或任意超负荷使用结构；原设计在室温工作的结构，在冬季停产检修时要注意保暖；不在主要结构上任意焊接附加零件悬挂重物；避免因生产和运输不当对结构造成撞击或机械损伤；平时应注意检查和维护等。

§2-5 钢材的疲劳

2.5.1 疲劳破坏的特征

上节已介绍了疲劳的分类和有关低周疲劳的概念，本节主要介绍高周疲劳（以下简称疲劳）问题。引起疲劳破坏的交变荷载有两种类型，一种为常幅交变荷载，引起的应力称为常幅循环应力，简称循环应力；一种为变幅交变荷载，引起的应力称为变幅循环应力，简称变幅应力，如图2.5.1所示。由这两种荷载引起的疲劳分别称为常幅疲劳和变幅疲劳。转动的机械零件常发生常幅疲劳破坏，吊车桥、钢桥等则主要是变幅疲劳破坏。

压应力 拉应力 压应力 拉应力

σσmax=σa max=2σa σmax σσmin max σσmin=-σa min=0 σmax3σmin>0 σσmin max3σmin<0 (a) 常幅循环应力 (b) 变幅应力

图2.5.1 循环应力和变幅应力

上述二种疲劳破坏均具有以下特征：

(1) 疲劳破坏具有突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂。但与一般脆断的瞬间断裂不同，疲劳是在名义应力低于屈服点的低应力循环下，经历了长期的累积损伤过程后才突然发生的。其破坏过程一般经历三个阶段，即裂纹的萌生、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂，因此疲劳破坏是有寿命的破坏，是延时断裂。

(2) 疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，可分为三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区（图2.5.2）。裂纹扩展区表面较光滑，常可见到放射和年轮状花纹，这是疲劳断裂的主要断口特征。根据断裂力学的解释，只有当裂纹扩展到临界尺寸，发生失稳扩展后才形成瞬间断裂区，出现人字纹或晶粒状脆性断口。

(3) 疲劳对缺陷（包括缺口、裂纹及组织缺陷等）十分敏感。缺陷部位应力集中严重，会加快疲劳破坏的裂纹萌生和扩展。

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