2 钢结构材料
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钢结构工程基础知识
钢结构八大基础知识一、钢结构的特点1、钢结构自重较轻2、钢结构工作的可靠性较高3、钢材的抗振（震）性、抗冲击性好4、钢结构制造的工业化程度较高5、钢结构可以准确快速地装配6、容易做成密封结构7、钢结构易腐蚀8、钢结构耐火性差二、常用钢结构用钢的牌号及性能1、炭素结构钢：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等2、低合金高强度结构钢3、优质碳素结构钢及合金结构钢4、专门用途钢三、钢结构的材料选用原则钢结构的材料选用原则是保证承重结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素综合考虑的。
《钢结构设计规范》GB50017-2003提出的四种钢材型号是“宜”使用的型号，是在条件许可时的首先选择，并不禁止其它型号的使用，只要使用的钢材满足规范的要求即可。
四、主要钢结构技术内容（1）高层钢结构技术。
根据建筑高度和设计要求分别采用框架、框架支撑、筒体和巨型框架结构，其构件可采用钢、劲性钢筋混凝土或钢管混凝土。
钢构件质轻延性好，可采用焊接型钢或轧制型钢，适用于超高建层建筑；劲性钢筋混凝土构件刚度大，防火性能好，适用于中高层建筑或底部结构；钢管混凝土施工简便，仅用于柱结构。
（2）空间钢结构技术。
空间钢结构自重轻、刚度大、造型美观，施工速度快。
以钢管为杆件的球节点平板网架、多层变截面网架及网壳等是我国空间钢结构用量最大的结构型式。
具有空间刚度大，用钢量低的优点，在设计、施工和检验规程，并可提供完备的CAD。
除网架结构外，空间结构尚有大跨悬索结构、索膜结构等。
（3）轻钢结构技术。
伴随着轻型彩色钢板制成墙体和屋面围护结构组成的新结构形式。
由5mm以上钢板焊接或轧制的大断面薄壁H型钢墙梁和屋面檩条，圆钢制成柔性支持系统和高强螺栓连接构成的轻钢结构体系，柱距可从6m到9m，跨度可达30m或更大，高度可达十几米，并可设轻型吊四。
用钢量20～30kg/m2。
(陈绍蕃)钢结构基础第2章 钢结构的材料
2．形成理想弹塑性体的模型，为发展钢结构计算理论提 供基础。 σy之前，钢材近于理想弹性体， σy之后，塑 性应变范围很大而应力保持不增长，所以接近理想塑性 体。因此，可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的 应力-应变模型。钢结构设计规范对塑性设计的规定， 就以材料是理想弹塑性体的假设为依据，忽略了应变硬 化的有利作用。
第2章 钢结构的材料
� 碳（C） 碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影 响钢材强度的主要因素，随着含碳量的增加，钢材强度 提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时 可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢 的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于 0.2%。
� 锰（Mn）锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效 地提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响 ，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中 的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为1.0%-1.7% 。
第2章 钢结构的材料
2.2.2 冷弯性能
根据试样厚度，按规定的弯心 直径将试样弯曲180度，其表面及 侧无裂纹或分层则为“冷弯试验合格 ”。 “冷弯试验合格”一方面同伸 长率符合规定一样，表示材料塑性 变形能力符合要求，另一方面表示 钢材的冶金质量(颗粒结晶及非金属 夹杂分布，甚至在一定程度上包括 可焊性)符合要求，因此，冷弯性能 是判别钢材塑性变形能力及冶金质 量的综合指标。重要结构中需要有 良好的冷热加工的工艺性能时，应 有冷弯试验合格保证。
第2章 钢结构的材料
缺口韧性值受温度影响，温度低于某值时将急剧降低 。设计处于不同环境温度的重要结构，尤其是受动载作用 的结构时，要根据相应的环境温度对应提出冲击韧性的保 证要求。
图2.4 钢材的冲击试验
第2章 钢结构的材料Байду номын сангаас
第2章 钢结构的材料
� 碳（C） 碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影 响钢材强度的主要因素，随着含碳量的增加，钢材强度 提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时 可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢 的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于 0.2%。
� 锰（Mn）锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效 地提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响 ，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中 的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为1.0%-1.7% 。
第2章 钢结构的材料
2.2.2 冷弯性能
根据试样厚度，按规定的弯心 直径将试样弯曲180度，其表面及 侧无裂纹或分层则为“冷弯试验合格 ”。 “冷弯试验合格”一方面同伸 长率符合规定一样，表示材料塑性 变形能力符合要求，另一方面表示 钢材的冶金质量(颗粒结晶及非金属 夹杂分布，甚至在一定程度上包括 可焊性)符合要求，因此，冷弯性能 是判别钢材塑性变形能力及冶金质 量的综合指标。重要结构中需要有 良好的冷热加工的工艺性能时，应 有冷弯试验合格保证。
第2章 钢结构的材料
缺口韧性值受温度影响，温度低于某值时将急剧降低 。设计处于不同环境温度的重要结构，尤其是受动载作用 的结构时，要根据相应的环境温度对应提出冲击韧性的保 证要求。
图2.4 钢材的冲击试验
第2章 钢结构的材料Байду номын сангаас
第1讲二钢结构的性能及其主要影响因素.
第二章钢结构的性能及其主要影响因素2.1钢结构对钢材的要求钢材的种类很多，用途不同，所需的钢材种类和品牌各异。
因此，必须按使用用途对钢材的性能的要求选择合适的钢材类别和牌号。
我国钢材的种类一般有以下几类：1、按化学成分分为(1) 碳素钢——指含碳量Wc＜2%的铁碳含量。
按质量和用途的不同，又可分为普通碳素结构钢，优质碳素结构钢和工具碳素钢三大类。
按含碳量的不同可分为：1) 工业纯铁——Wc≤0.04%2) 低碳钢——Wc≤0.25%3) 中碳钢——Wc=0.25% ~ 0.60%4) 高碳钢——Wc＞0.60%(2) 合金钢——指在碳素钢的基础上，在冶金时加入一些合金元素而炼成的钢，按其合金元素的总含量，可分为：1) 低合金钢——合金元素总含量≤5%2) 中合金钢——合金元素总含量5% ~ 10%3) 高合金钢——合金元素总含量＞10%2、按用途分有(1) 结构钢——又可分为建筑及工程用结构钢和机械制造用结构钢两类(2) 工具钢——指用于制造各种工具的钢，如刃具钢，模具钢和量具钢等。
(3) 特殊钢 —— 指用特殊方法生产，具有特殊物理、化学性能或力学性能的钢。
一般分为不锈耐酸刚，耐热钢，低温用钢，耐磨钢，磁钢，抗磁钢和超高强度钢（ζb ≥1400Mpa ）等。
(4) 专业用途钢 —— 指各个工业部门专业用途的钢，如：农机用钢，机床用钢，汽车用钢，航空用钢，锅炉用钢，焊条用钢等等。
*建筑及工程用结构钢 —— 指用于建筑、桥梁、船舶及其他工程上制作金属结构构件的钢，主要有：①普通碳素结构钢 —— 可分为：一般用途普碳钢、专用普碳钢；②低合金钢 —— 可分为：低合金结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、钢筋钢、钢轨钢、耐磨钢及特殊用途专用钢等。
*机械制造用结构钢 —— 指用于制造机械设备上结构零件的钢。
这类钢基本上为优质钢或高级优质钢，主要有： 按其工艺特征分为①优质碳素结构钢②合金结构钢冷塑性成形用钢（如冷冲压钢、冷镦钢、冷挤压用钢等）表面硬化结构钢表面淬火用钢氮碳共渗钢氮化钢调质结构钢渗碳钢③易切结构钢④弹簧钢⑤滚动轴承钢虽然钢材种类很多，但符合钢结构性能要求的钢材只有少数几种。
第二章钢结构材料
作用则属于连续交变荷载，或称循环荷载。
1） 加载速度的影响
高于此温度时，不论 何种加载方式材料的 韧性性能均好。T3
低于此温度时，不论 何种加载方式材料的 韧性性能均差。T1
常温下某温度时，静载下材料 的韧性最好，中等加载速度下 次之，冲击加载最差。T2
2）循环荷载的影响
钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐积累损伤、 产生裂纹、裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现
锰、硅含量不高时可提高钢材强度，但又不会过多 降低塑性和冲击韧性，不过量时是有益元素。
硫、磷、氧、氮均是有害元素，一般情况下其含量
元旦应严格控制。（但也有例外） 2-4-2 钢材的焊接性能 指钢材经过焊接后能获得良好的焊接接头的性能。 包括焊缝金属和近缝区钢材在施焊时不开裂、焊接
构件在施焊后的机械性能不低于母材。
达到屈服点作为评价钢结构承载能力极限状态的标
志，即取屈服强度作为钢材的标准强度。 钢材的伸长率是反映钢材塑性的指标之一。反映钢 材塑性的另一个指标是截面收缩率。 伸长率δ等于试件拉断后原标距间的伸长量和原标 距比值的百分率。原标距长度有10倍标距δ 和5倍标
10
距δ5两种。
断面收缩率ψ是试件拉断后，颈缩区的断面面积 缩小值与原断面面积比值的百分率。 由单向拉伸试验还可以看出钢材的韧性好坏。 韧性用材料破坏过程中单位体积吸收的总能量来衡 量，包括弹性能和非弹性能两部分，其值等于应力
力集中。应力高峰值及应
力分布不均匀的程度与杆件 截面变化急剧的程度有关。
实验表明，应力集中处，不仅有纵向应力，还有横向应力， 常常形成同号应力场，有时还会有三向的同号应力场。这种同 号应力场导致钢材塑性降低，脆性增加，结构发生脆性破坏的 危险性增大。
钢结构简答题(2)
03级1简述影响钢梁整体稳定性旳重要因素。
（5分）侧向抗弯刚度、抗扭刚度；梁旳支座状况；荷载作用种类；荷载作用位置；受压翼缘旳自由长度。
2如何决定格构式轴心受压柱旳截面？（5分）3 简述钢构造旳特点。
（5分）钢构造强度高重量轻；塑性韧性好，适合于承受冲击荷载；钢材接近于各向同性，计算成果与实际基本享福；钢构造制造简便，易于工业化生产，施工安装周期短；钢构造耐热性好，但防火性差；抗腐蚀性差。
4钢构造对钢材性能旳规定有哪些？（5分）较高旳抗拉强度和屈服点、较高旳塑性和韧性、良好旳工艺性能(涉及冷加工、热加工和可焊性能) ；此外，根据构造旳具体工作条件，有时还规定钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境旳能力。
04级5简述钢构造旳特点（5分）钢构造强度高重量轻；塑性韧性好，适合于承受冲击荷载；钢材接近于各向同性，计算成果与实际基本享福；钢构造制造简便，易于工业化生产，施工安装周期短；钢构造耐热性好，但防火性差；抗腐蚀性差。
2 论述钢材旳选用原则和需要考虑旳因素（5分）选用原则：安全可靠、经济合理需要考虑旳因素：1.构造旳类型及重要性，重载、大跨、高层构造选择质量好旳钢材；2.荷载性质，直接承受动力荷载旳构造选择性能好旳钢材；3.连接措施，焊接构造选择材质好旳钢材；4.温度及环境，低温、室外和有腐蚀环境选择材质好旳钢材；3 简述钢构造对钢材旳规定（5分）较高旳抗拉强度和屈服点、较高旳塑性和韧性、良好旳工艺性能(涉及冷加工、热加工和可焊性能) ；此外，根据构造旳具体工作条件，有时还规定钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境旳能力。
4 简述实腹式轴心受压柱截面旳设计原则与环节（写出必要旳公式）（10分）应考虑如下几种原则：①面积旳分布应尽量开展，以增长截面旳惯性矩和回转半径，提高柱旳整体稳定性和刚度；②使两个主轴方向等稳定性，虽然y x ϕϕ=，以达到经济旳效果；③便于与其他构件进行连接；④尽量构造简朴，制造省工，取材以便。
钢结构 2.1-2屋架结构的形式及布置
短杆受拉，只适用于下弦需要设置天棚的屋架，一般情况 较少采用。
《钢结构设计》—— 第2章 中、重型厂房结构设计
梯形屋架(<36m)
• 弦杆受力较为均匀。 • 人字式按支座斜杆与弦杆组成的支承点在下弦或在上弦分
为下承式和上承式两种。一般情况下，与柱刚接的屋架宜 采用下承式；与柱铰接时则下承式或上承式均可。下承式 使排架柱计算高度减小，便于在下弦设置屋盖纵向水平支 撑；上承式使屋架重心降低，支座斜腹杆受拉，且给安装 带来很大的方便。
4
5
3
A
4 B
4 2
5
2
2
2
5
4 A
4 B
5
4
5
6
3
2—下弦横向水平支撑；3—纵向水(平b) 支撑；4—垂直支撑；5—系杆；6—温度伸缩缝
4
5
4
4
4
《钢结构设计》—— 第2章 中、重型厂房结构设计
(4) 垂直支撑 垂直支撑应设置在相邻两榀屋架和天窗架对应的竖直腹杆（或
斜腹杆）间，并于上、下弦横向水平支撑布置在同一开间，以确保 屋盖结构组成空间几何不变体系。
2.1.2.2 桁架的外形及腹杆形式
梯 形 屋 架
单斜式腹杆
人字式腹杆
再分式腹杆
《钢结构设计》—— 第2章 中、重型厂房结构设计
2.1.2.2 桁架的外形及腹杆形式
平 行 弦 屋 架
人字式腹杆
交叉式腹杆
《钢结构设计》—— 第2章 中、重型厂房结构设计
三角形屋架（<18m）
• 房屋的整体横向刚度较低； • 屋架弦杆受力不均，支座处内力较大，跨中内力较小，弦
《钢结构设计》—— 第2章 中、重型厂房结构设计
《钢结构设计》—— 第2章 中、重型厂房结构设计
梯形屋架(<36m)
• 弦杆受力较为均匀。 • 人字式按支座斜杆与弦杆组成的支承点在下弦或在上弦分
为下承式和上承式两种。一般情况下，与柱刚接的屋架宜 采用下承式；与柱铰接时则下承式或上承式均可。下承式 使排架柱计算高度减小，便于在下弦设置屋盖纵向水平支 撑；上承式使屋架重心降低，支座斜腹杆受拉，且给安装 带来很大的方便。
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2—下弦横向水平支撑；3—纵向水(平b) 支撑；4—垂直支撑；5—系杆；6—温度伸缩缝
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《钢结构设计》—— 第2章 中、重型厂房结构设计
(4) 垂直支撑 垂直支撑应设置在相邻两榀屋架和天窗架对应的竖直腹杆（或
斜腹杆）间，并于上、下弦横向水平支撑布置在同一开间，以确保 屋盖结构组成空间几何不变体系。
2.1.2.2 桁架的外形及腹杆形式
梯 形 屋 架
单斜式腹杆
人字式腹杆
再分式腹杆
《钢结构设计》—— 第2章 中、重型厂房结构设计
2.1.2.2 桁架的外形及腹杆形式
平 行 弦 屋 架
人字式腹杆
交叉式腹杆
《钢结构设计》—— 第2章 中、重型厂房结构设计
三角形屋架（<18m）
• 房屋的整体横向刚度较低； • 屋架弦杆受力不均，支座处内力较大，跨中内力较小，弦
《钢结构设计》—— 第2章 中、重型厂房结构设计
2.第二章建筑钢材全解
课后思考
从新进货的一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做 拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为 42.4 kN，41.5 kN；抗拉极限荷载分别为62.0 kN，61.6 kN,钢筋公称直径为12 mm，标距为 60 mm，拉断时长度分别为66.0 mm，67.0 mm。计算该钢筋的屈服强度，抗拉强度及伸长 率。
（三）按冶炼时脱氧程度分类
钢按冶炼时脱氧程度可分为镇静钢、特殊镇 静钢、沸腾钢和半镇静钢。
钢材的化学成分
1、碳(C) — 决定钢材性能的主要元素 含碳量的影响 随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度相应 提高，而塑性和韧性相应降低。 当含碳量超过1%时，钢材的极限强度开始 下降。 含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感 性，降低抗大气腐蚀性和可焊性。
此外，钢材在温度高于723 ℃时，还存在奥 氏体。奥氏体为碳在γ -Fe中的固溶体，溶碳能力
较强，高温时含碳量可达2.06％，低温下降至0.8 ％。其强度、硬度不高，但塑性好。碳钢处于红热 状态时即存在这种组织，这时钢易于轧制成型。
碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响
钢材的化学成分
硅、锰大部分溶于铁素体中，当硅含量小于1％时，可提高 钢材的强度，对塑性、韧性影响不大；锰一般含量在1％～2％之 间，除强化外，能消弱硫和氧引起的热脆性，且改善钢材的热加 工性。硅、锰是我国低合金钢的主要合金元素。 钛是强脱氧剂，钒是碳化物和氮化物的形成元素，二者皆能 细化晶粒，增加强度，常用在建筑的低合金钢中。 磷主要溶于铁素体中起强化作用，同时可提高钢材的耐磨、 耐蚀性，但塑性、韧性显著降低，当温度很低时，对后二者影响 更大。氮溶于铁素体中或呈氮化物形式存在，对钢材性质影响与 C、P相似。二者在低合金钢中可配合其它元素作为合金元素。 硫、氧主要存在于非金属夹杂物中，降低各种力学性能，硫 化物造成的低溶点使钢材在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可 焊性，且有强烈的偏析作用；氧有促进时效倾向的作用，氧化物 所造成的低溶点亦使钢的可焊性变坏。
[东北大学]21春学期《钢结构(二)》在线平时作业3-答案
[东北大学][东北大学]21春学期《钢结构（二）》在线平时作业3
试卷总分:100 得分:100
一、单选题 (共 20 道试题,共 100 分)
1.某元素超量严重降低钢材的塑性及韧性，特别是在温度较低时促使钢材变脆。
该元素是______。
A.硫
B.磷
C.碳
D.锰
正确参考选择:B
2.对于直接承受动力荷载的结构，下列荷载取值正确的是______。
A.在计算强度时，动力荷载设计值应乘以动力系数；在计算稳定性、疲劳和变形时，动力荷载标准值不应乘以动力系数
B.在计算强度和稳定性时，动力荷载设计值应乘以动力系数；在计算疲劳和变形时，动力荷载设计值不应乘以动力系数
C.在计算强度、稳定性和疲劳时，动力荷载设计值应乘以动力系数；在计算变形时，动力荷载标准值不应乘以动力系数
D.在计算强度和稳定性时，动力荷载设计值应乘以动力系数；在计算疲劳和变形时，动力荷载标准值不应乘以动力系数
正确参考选择:D
3.在抗拉连接中采用摩擦型高强度螺栓或承压型高强度螺栓，承载力设计值_________。
A.是后者大于前者
B.是前者大于后者
C.相等
D.不一定相等
正确参考选择:D
4.此题目对应作业试卷
A.1
B.2
C.3
D.不能确定
正确参考选择:C
5.此题目对应作业试卷
A.A
B.B
C.C
D.D
正确参考选择:B
6.大跨度结构应优先选用钢结构，其主要原因是______。
项目2 钢结构材料的选用
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任务2.2 建筑钢材的两种破坏形式
2.2.1 塑性材料与脆性材料
塑性材料 指常温低荷一次加载情况下，材料在破坏前 有明显屈服台阶的材料。实际操作中，有屈 服现象的钢材或者虽然没有明显屈服现象而 能发生较大塑性变形的钢材，一般属于塑性 材料。
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任务2.2 建筑钢材的两种破坏形式
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任务2.4 影响钢材性能的主要因素
2.4.3 热处理的影响
钢材经过适当的热处理程序，例如调质(淬火后高温回火)
等，可以显著提高强度，并有良好的塑性与韧性。
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任务2.4 影响钢材性能的主要因素
2.4.4 温度的影响
钢材的内部晶体组织对温度很敏感，温度升高与降低都使 钢材性能发生变化。相比之下，低温变脆的性能更重要。
235 225 375～ 500
26 25 B=；d= (试样方向为横 向) d=a (试样方向为纵 向)
B C
20 0 27
215
24
D
-20
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任务2.3 建筑钢材的主要性能及其质量控制
2.3.2 建筑钢材的质量控制
表2-1 钢材的力学性能
≤16 Q34 17～35 5 36～50 ≤16 GB/T1591— Q39 17～35 1994 0 36～50 ≤16 345 325 295 390 d=2a 490～ 650 19(20) 470～ 630 21(22) d=2a B C d=3a D E B 20 0 -20 -40 20 34
任务2.5 钢材的种类、规格与选用
2.5.2 钢材的规格
表2-4 常用型钢的标注方法
轻型工字钢加注Q字，N为工字钢的型 号。如：I表示截面高度为的a类厚板工 字钢
钢结构工程量计算
示例
Exampl e
示例
Exampl e
六、栓钉、高强螺栓工程量计算示例：
1、栓钉按个计算。注意栓钉的纵横分布及间距。 2、高强螺栓按个计算。
示例
Exampl e
七、其他示例：
1、高强螺栓图例如图纸未说明，则按右侧图例。 2、焊缝说明看右图了解。 3、防火涂料按展开面积计算。钢材的展开面积可按金 属结构钢材总重量乘以“金属结构不同主材厚度展开 面积系数表”中不同厚度主材展开面积的系数计算。 查看陕西2004补充定额第十章工程量计算规则第7条。
04 现场实操训练
练习
Practice
现场练习与讨论：
请大家做几个练习题： 1、按温泉城工程图纸结构平面布置图内的钢结构构件1-2轴交J轴上的A-GZ1 及其防火涂料、A-GKL1及其上的高强螺栓的工程量。 2、按温泉城工程图纸水箱间平面布置图内的钢承板、栓钉、封板的工程量。 3、按检修车库图纸Gs-5计算4-5轴交A-B轴内SC-4的重量。 4、按检修车库图纸Gs-6计算1-2轴交A-B轴檩条、撑杆、拉条、隅撑的重量。 ......
示例
Exampl e
四、钢檩条工程量计算示例：
钢檩条无论是C型檩条和Z型檩条均按查理 论重量（或用檩条展开面积*厚度*7.85）* 图示尺寸总长度计算。
五、钢承板、墙面板工程量计算示例：
1、钢承板按图示铺设水平投影面积计算， 不计算搭接部分面积。 注意箱型柱单个截面积是否超过0.3平米。 2、墙面板按图示铺挂面积计算，扣除门 窗洞口面积。 注意单个排风口大小是否超过0.3平米。
相关说明 Relevant description
二、钢结构清单工程量计算规则（陕西清单09版）：
一、金属构件： 1、统一规则：按设计图示尺寸以质量计算。不扣除孔眼、切边、切肢的质量，焊条、铆钉、螺栓等不另增加质量，
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§2.1 概述(Introduction)
钢 结 构 钢 材 须 满 足 的 基 本 要 求 (structural steel’s basic reqiurements)： 特殊工作条件下的某些特有性能(special structural steel) 。如 低 温 (low temperature) 、 有 害 介 质 (corrosive action) 及 疲 劳 (fatigue)等。 根据以上各项要求，钢结构规范 (Structurall steel design codes) （ GB50017-2003 ）推荐用钢：《规范》推荐承重结构 宜采用普通碳素钢(carbon structural steel)Q235钢和低合金结 构钢(low alloy structural steel)Q345钢、Q390钢及Q420钢。
热轧车间
冲压设备(punching equipment)
§2.3 钢材的主要性能(Mechanical behaviors)
钢材的性能 ——表征钢材在给定外界条件下的行为 即钢材在各种作用下所表现出来的各种特性。如弹性、塑性、 韧性和强度等性能(elasticity, plasticity, toughness, strength)，称为 力学性能(mechanical behavior)。 使用性能 (Service 工程材料的性能 performance) (Performance of Engineering Materials) 工艺性能 (processing property) 力学性能(mechanical behavior) 物理性能(physical property) 化学性能(chemic property) 铸造性 (castability) 可锻性(forgeability) 可焊性(weldability) 切削加工性(machinability) 热处理性 (heat-treatability)
2.3.1 钢材的破坏形式
(Failure modes) 塑性破坏(plastic failure)
特征：破坏前有明显的塑性变形，破坏过 程长，断口发暗，可以采取补救措施。
脆性破坏 (brittle failure)
特征：坏前没有明显的变形和征兆，破坏 时的变形远比材料应有的变形能力小， 破坏突然，断口平直、发亮呈晶粒状， 无机会补救。 组织结构和外部工作条件决定破坏形式。
影响：冷作硬化（应变硬化）(cold-hardening,strain-hardening)
尽量避免。
3.热处理（退火、正火、淬火和回火） (heat treating: annealling, normalizing,quenching, tempering)
作用(function)：改善钢材性能。 (why?)
§2.2
钢材的生产
2.2.1 钢材的冶炼(smelting and refining)
包括炼铁(puddling)、炼钢(steel-making)和轧制(rolling)三道工序
1.炼铁(puddling)
2.炼钢(steel-making) ● 转炉钢(convertor steel)——质量较差，杂质含量较多。 空气底吹转炉钢——质量甚差，国内已不生产。 空气侧吹转炉钢——质量略差，各项性能不如氧气顶吹转炉钢。 氧气顶吹转炉钢——有害元素少、杂质少、纯洁度高；质量和 加工性能都接近平炉钢；生产效率高，成本低，投资省，建厂快。 ● 平炉钢——原料广泛，容积大，广量高，冶炼工艺较简单，钢材质量 优良，化学成分稳定（偏析度小），机械性能可靠，能冶炼各种用途的 钢。缺点为生产成本高，建厂规模大，工期长，投资大。 ● 电炉钢(electric steel)——质量最好，成本最高，土建少用。
4.钢结构运输、安装和使用维护中的缺陷(transportation, installation and erection, maintenance)
铸锭方框偏析
(a)
(b)
(c)
(d)
铸锭断面气孔分布状况示意图 (a)表面气孔 (b)皮下气孔 (c)内部满面气孔 (d)内部缩松气孔
2.2.3 钢材的加工(machining and forming) 1.热加工(hot-forming)
平炉炼钢
电弧炉炼钢
转炉炼钢
3.钢材的浇注(steel casting)和脱氧(deoxidation) ● 脱氧剂——Mn、Si等 ● 沸腾钢——用Mn脱氧，不充分，质量不好，成本低。
● 镇静钢——除锰外，还用硅和铝为脱氧剂，脱氧完全，质量
好，成本高。 ● 半镇静钢——介于沸腾钢和镇静钢之间。
2.2.2 钢材的组织构造(Microstructure)和缺陷(defects)
含碳量为0.1%－0.3%。 标准试件：lo/d=5、10；lo-标距； d --直径(diameter)
d0 L0
A.有屈服点(yield point)钢材σ-ε曲线可以分为五个阶 段：
(1)弹性阶段(elasticity)(OF段) OA段材料处于纯弹性，即:
E F
B
E
AF段有一定的塑性变 形, 但整个OF段卸载 u 时，ε=0； y A E=206×103N/mm2
第二章 钢结构的材料
(Mechanical properties of structural steel) §2-1 概述 (Introduction) §2-2 钢材的生产 (Production) §2-3 钢材的主要性能 (Main mechanical properties)
§2-4
各种因素对钢材性能的影响(Effects of factors of
indexes) 强度、塑性和韧性、良好的加工性能、特殊性能(strength, elasticity, plasticity,ductility and better machinability) 强度(strength)—钢材抵抗破坏的能力。钢材强度有屈服 强度fy 和抗拉强度fu(yield strength and tensile strength)。
2.3.2 钢材在单向一次拉伸下的工作性能(behavior under uniaxial tensile load)
液压式万能电子材料试验机
拉伸试验机 (tensile testing machine)
条件(test conditions)：标准试件(standard specimen)
（GB228—63），常温（20℃）下缓慢加载，一次完成。
D A C
O
E
（4）强化阶段(DE段)(strain hardening) 随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快 （5）颈缩阶段(EG段)(necking) 极限抗拉强度fu (ultimate tensile strength)
E F
B
G
u
D A C
y A
O
E
单向拉伸时钢材的几个重要机械性能指标(mechanical
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（1）屈服点屈服强度fy (yield piont)--应力应变曲线开始产生
塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力(load carrying capacity)和确定钢材强度设计值的重要指标。 （2）抗拉强度fu (tensile strength) --应力应变曲线最高点对 应的应力，它是钢材受拉时所能承受的极限应力(stress limit or ultimate stress)。
1. What is microstructure? “组织结构”
晶格示意图(crystal structure)
体心立方晶格
面心立方晶格
密排六方立方晶格
针状和块状铁素体（100倍）
片状珠光体（1000倍）
2. 缺陷(Defects and imperfection)
钢结构的缺陷类型(defects and imperfection types)
了解钢材的生产过程(Production procedure)和组织构造 (Microstructure) ， 钢 材 的 种 类 (types) 、 规 格 (Specificacions)及选用原则(selection principle)； 掌 握 钢 材 的 主 要 性 能 要 求 (Main mechanical requirements)，以及各种因素对钢材性能(behaviors)的影 响(effect) 。
有很好的塑性和韧性，即足够的变形能力(better
plasticity and to be
toughness or ductility, i.e. better deformation resistance)
良好的制造加工性能（冷、热加工、可焊性） (easy
mashined and manufactured－ cold-formed, hot-rolled, weldability)
O
G
D A C
E
（2）弹塑性阶段(elasto-plasticity)（FB) 该段很短,表现出钢材的非弹性性质; （3）塑性阶段 (plasticity)（BCD) 该段ζ基本保持不变 （水平), ε急剧增大, 称为屈服台阶或流幅 段,变形模量E = 0，
E F
B
G
σB—屈服上限 u y A (maximum yield); σC—屈服下限 minimum yield(屈 服点)
退火和正火改善组织以提高钢的机械性能 其操作方法为：在炉中钢材加热保温一段时间后，随炉温冷却 至500℃以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全退火 若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。正火的冷 却速度比退火快，强度和硬度有所提高 低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件和冷加 工件中的残余应力 淬火：工艺是将钢件加热到900℃以上，保温后快速在水中或油中 冷却。增加了钢材强度和硬度，使塑性和韧性降低 回火：工艺将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，而后在空气 中冷却。消除残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加塑性和 韧性，形成较稳定的组织。 通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强度较高的钢材，如 Q420中的C、D、E级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处理。