【钢结构课程】2.1 钢结构用钢的种类及如何选用

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第二章 钢结构的材料

2.1 钢结构用钢的种类及如何选用

 2.1.1 钢结构用钢的种类

钢材牌号由:“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法”四部分组成。

 Q:表示“屈”字拼音首位字母,意为“屈服强度”;

 质量等级:分A~E五级(字序越高质量越好);

脱氧方法:F-沸腾钢;Z-镇静钢(一般省略);  b-半镇静钢;TZ-特殊镇静钢。

注:素结构钢分:A、B、C、D 四级,含所有脱氧方法;低合金结构钢分:A、B、C、D、E五级,只有镇静钢和特殊镇静钢。

如前所述建筑结构用钢,宜选素结构钢中的Q235及低合金钢中的Q345、Q390、Q420四种钢材。

(1) 碳素结构钢

 碳素结构钢的牌号(简称钢号)有 Q195 、Q235A 、 B 、 C 及 D , Q275 。其中的 Q 是屈服强度中屈字汉语拼音的字首,后接的阿拉伯字表示以 N/mm2为单位屈服强度的大小, A 、 B 、 C 或 D等表示按质量划分的级别,D级质量最好。最后还有一个表示脱氧方法的符号如 F ,Z或 b 。从 Q195 到 Q275 ,是按强度由低到高排列的;钢材强度主要由其中碳元素含量的多少来决定,但与其他一些元素的含量也有关系。所以,钢号的由低到高在较大程度上代表了含碳量的由低到高。

国内钢结构建筑中的次要构件使用最多的钢材是Q235(南方多用Q235B,北方多用Q235C),市场上的热轧钢材(如角钢、槽钢、工字钢、热轧方管、热轧圆管)多为Q235材质,Q345材质也有,但相对少一些。次要构件如支撑、檩托板等;

(2) 低合金高强度结构钢

 低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素使钢的强度明显提高,故称低合金高强度结构钢。Q345 、 Q390 和 Q420 是钢结构设计规范规定采用的钢种。其符号的含义和碳素结构钢牌号的含义相同。这三种钢都包括 A 、 B 、 C 、 D 、 E 五种质量等级,和碳素结构钢一样,不同质量等级是按对冲击韧性(夏比 V 型缺口试验)的要求区分的。 A 级无冲击功要求; B 级要求提供20 ℃冲击功 AKv ≥ 34J(纵向) ; C 级要求提供0℃冲击功 AKV ≥ 34J(纵向) ; D 级要求提供一20 ℃冲击功 AKv≥34J(纵向) ; E 级要求提供一40 ℃冲击功 AKv ≥27J(纵向)。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。低合金高强度结构钢的 A 、 B 级属于镇静钢, C 、D 、 E 级属于特殊镇静钢。

 国内钢结构建筑的主要受力构件多采用Q345材质(南方多用Q345B,北方多用Q345C或Q345D)。主要构件如框架(刚架)结构的梁柱、吊车梁、大跨桁架等;

(3) 高强钢丝和钢索材料

 悬索结构和斜张拉结构的钢索、桅杆结构的钢丝绳等通常都采用由高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳。高强钢丝是由优质碳素钢经过多次冷拔而成,分为光面钢丝和镀锌钢丝两种类型。

 钢丝强度的主要指标是抗拉强度,其值在 1570-1700 N/mm2范围内,而屈服强度通常不作要求。高强钢丝的伸长率较小,最低为 4 % ,但高强钢丝(和钢索)却有一个不同于一般结构钢材的特点—— 松弛,即在保持长度不变的情况下所承拉力随时间延长而略有降低。    

 平行钢丝束由 7 根、 19 根、 37 根或 61 根钢丝组成。钢丝束内各钢丝受力均匀,弹性模量接近一般受力钢材。用来组成钢丝束的钢丝除圆形截面外,还有梯形和异形截面的钢丝。

【钢结构课程】2.1 钢结构用钢的种类及如何选用 上图为平行钢丝束的截面  

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上图为钢绞线

 钢绞线亦称单股钢丝绳,由多根钢丝捻成。钢丝绳多由 7 股钢绞线捻成,以一股钢绞线为核心,外层的 6 股钢绞线沿同一方向缠绕。

【钢结构课程】2.1 钢结构用钢的种类及如何选用上图为钢丝绳的捻法及截面

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上图为钢丝绳


2.1.2 钢材的选择

选择钢材的目的是要做到结构安全可靠,同时用材经济合理。

对建筑结构用钢来说,主要有三方面的要求。

(1)较高的强度:结构的承载力大,所需的截面小,结构的自重轻;

(2)较好的塑性及韧性:塑性好,不易发生脆性破坏;韧性好,利于承受动力荷载;

(3)良好的加工性能与耐久性:包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能;

据上要求,《钢结构设计规范》GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用:炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。

在选择钢材时应考虑下列各因素:

(1) 结构或构件的重要性;

(2)荷载性质(静载或动载) ;

(3)连接方法(焊接、铆接或螺栓连接) ;

(4)工作条件(温度及腐蚀介质)。

 对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构,应选用质量较高的钢材。 

钢材的质量和性能,由钢材力学性能中的抗拉强度fu、屈服强度fy、伸长率δ5(δ10)、冷弯180度及冲击韧性αk,化学成分C、S、P等的极限含量,以及冶炼脱氧方法来衡量。

一般承重结构应有fu、fy、δ5以及C(≤0.22%)、S、P的极限含量合格保证;焊接及重要的非焊接承重结构还应具备冷弯180度合格保证(C≤0.2%);承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时,还应根据具体情况增加对αk的不同要求。    

 Q235A 钢的保证项目中,碳含量、冷弯试验合格和冲击韧性值并未作为必要的保证条件,所以只宜用于不直接承受动力作用的结构中。当用于焊接结构时,其质量证明书中应注明碳含量不超过0.2%。

 当选用 Q235A 、 B 级钢时,还需要选定钢材的脱氧方法。

 连接所用钢材,如焊条、自动或半自动焊的焊丝及螺栓的钢材应与主体金属的强度相适应。


2.1.3 材料的规格

 钢结构构件一般宜直接选用型钢,这样可减少制造工作量,降低造价。型钢尺寸不够合适或构件很大时则用钢板制作。型钢有热轧及冷成型两种。

(1)热轧钢板

 热轧钢板按厚度分类:

(a)薄板,厚度不大于3mm(电工钢板除外);

(b)中板,厚度在4-20mm;

(c)厚板,厚度在20-60mm(d)特厚板,厚度大于60mm。

 在图纸中钢板用“-厚 x 宽 x 长(单位为毫米)”前面附加钢板横断面的方法表示,如:-12 x 800 x 2100等。一般钢板采用标准尺寸的平板交货,如2m *6m等多中规格;

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上图为厚板和中板的交货状态

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上图为钢卷的交货状态

(2) 热轧型钢

   角钢——有等边和不等边两种。等边角钢,以边宽和厚度表示,如 L100 x 10为肢宽 100 mm 、厚10mm 的等边角钢。不等边角钢,则以两边宽度和厚度表示,如 L100 x 80 x 10 等。

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上图为角钢    

 槽钢——我国槽钢有两种尺寸系列,即热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。前者的表示法如[ 30a ,指槽钢外廓高度为 750px 且腹板厚度为最薄的一种;后者的表示法例如[25Q ,表示外廓高度为625px , Q 是汉语拼音“轻”的拼音字首。同样号数时,轻型者由于腹板薄及翼缘宽而薄,因而截面积小但回转半径大,能节约钢材减少自重。不过轻型系列的实际产品较少。

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上图为槽钢

 工字钢——与槽钢相同,也分成上述的两个尺寸系列:普通型和轻型。与槽钢一样,工字钢外轮廓高度的厘米数即为型号,普通型者当型号较大时腹板厚度分 a 、 b 及c三种。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。两种工字钢表示法如: I32c , I32Q 等。

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上图为工字钢,与H型钢不同的是工字钢翼缘为倾斜的。

 H 型钢和剖分 T 型钢——热轧 H 型钢分为三类:宽翼缘 H 型钢( HW )、中翼缘 H 型钢(HM )和窄翼缘 H 型钢( HN )。 H 型钢型号的表示方法是先用符号 HW 、 HM 和 HN 表示 H 型钢的类别,后面加“高度(毫米) x 宽度(毫米) ” , 例如HW300x300 ,即为截面高度为 300mm ,翼缘宽度为 300mm 的宽翼缘 H 型钢。剖分 T 型钢也分为三类,即:宽翼缘剖分 T 型钢( TW )、中翼缘剖分 T 型钢 ( TM )和窄翼缘剖分 T 型钢( TN )。剖分 T 型钢系由对应的 H 型钢沿腹板中部对等剖分而成。其表示方法与 H 型钢类同。

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上图为H型钢和T型钢

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上图为钢种热轧型钢截面

(3) 冷弯薄壁型钢

 是用 0.42-6mm 厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的(如图示)。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材,所用钢板厚度为 0.4-2mm ,用做轻型屋面等构件。

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上图为冷弯型钢的常用截面

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上图为C型钢

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上图为压型钢板,用于组合混凝土楼板

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上图为彩钢板,用于屋面板和墙面板

 薄壁型钢的常用型号及截面几何特性见《冷弯薄壁型钢结构技术规范》 GB 50018 一 2002 的附录。



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第一章 钢结构概述

1.1 钢结构的特点

1.2 钢结构的应用范围

1.3 钢结构的设计方法

1.4 钢结构的发展



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