第二章 钢结构的材料
学习本章的主要目的是如何选择钢材。这就
要求首先掌握钢材的性能，其中最重要的是脆
断。
第一节 钢结构对所用材料的要求
一、钢材的破坏形式
1.塑性破坏：钢材在产生很大的变形以后发生的
断裂破坏称为塑性破坏，也称为延性破坏。
2.脆性破坏：钢材在变形很小的情况下突然发
生断裂破坏。
二、钢结构对所用材料的要求 物美价廉
?强度 fy,fu高。强度高可减轻结构自重。
?塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，抗
动力荷载好，耐疲劳。
?良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。
?耐腐性好。
?价格便宜。
?有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的
能力。
?,钢结构设计规范（ GB50017),推荐使用：
碳素结构钢中的 Q235钢、低合金结构钢中
的 Q345钢,Q390钢,Q420钢。
?随着研究的深入，必将有一些满足要求的
其它种类钢材可供使用。若选用钢结构设
计规范还未推荐的钢材时，需有可靠的依
据，以确保钢结构的质量。
?专用钢结构用材见相关规范。
第二节 钢材的主要机械性能
? 钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生
产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击
等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由
相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验
方法都必须按照各相关国家标准规定进行。
一、单向拉伸时的性能
标准试件在室温（ 100C～ 350C),以满足静力
加载的加载速度一次加载所得钢材的应力 σ～ ε
应变曲线显示的钢材机械性能如下,
(1)弹性阶段 σ≤ fp,σ与 ε呈线性关系，称该直线
的斜率 E为钢材的弹性模量。在钢结构设计中，
对所有钢材统一取 E =2.06× 105N/mm2 。
(2)弹塑性阶段 σ与 ε呈非线性关系，切线模量 Et
＝ dσ/dε,Et随应力增大而减小，当 σ= fy 时, Et=0。
(3) 塑性阶段 也称屈服阶段,σ= fy后钢材暂时不
能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，因
此钢结构设计取 fy作为强度极限承载力的标志。
(4) 强化阶段 试件能承受的最大拉应力 fu为钢材的抗拉强
度。取 fy作为强度极限承载力的标志,fu就成为材料的
强度储备。
(5)颈缩破坏阶段
(6) 可把钢材视为理想弹塑性体。
(7) 伸长率 δ =(l1-l0)/ l0*100%,反映钢材的塑性变形能力。
二、冷弯性能
?
三、冲击韧性
冲击韧性值用击断试样所需
的冲击功 AKV表示,单位为 J。
冲击韧性与温度有关，当
温度低于某一负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在
寒冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构，除应有常温
冲击韧性的保证外，尚应依钢材的类别，使其具有 -20oC
或 -40oC的冲击韧性保证，应 AKV ≥27J（焦耳） 。
将试件弯成 180 o，若试件外表面不出现裂纹
和分层，即为合格。综合反映钢材的塑性性
能和冶金质量。重要结构中需要有良好的冷
热加工性能时，应有冷弯合格保证。
四、钢材受压和受剪时的性能
? 钢材在单向受压（短试件）时，受力性能
基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相
似，但屈服点 τy及抗剪强度 τu均低于 fy和 fu；
剪变模量 G也低于弹性模量 E。
第三节 影响钢材性能的主要因素
一、化学成分的影响
碳 (C )、锰（ Mn）、钒（ V）是有利元素，但
也要注意对含量的限制。
硫（ S）、磷（ P）氧（ O）、氮（ N）会降
低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应严
格限制含量。
二、钢材生产过程的影响
1,冶炼炉种的影响 已无必要强调炉种的影响。
2,钢的脱氧 钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗
细不匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉
中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧
程度或方法不同，把钢分为沸腾钢 (F)、半镇
静钢 (b)、镇静钢 (Z)和特殊镇静钢 (TZ)。
3.钢材的轧制 将钢锭加热至 1200～ 1300o C,通过
轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称
为热轧钢材。轧钢机的压力作用可使钢锭中
的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。钢材
的压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大
时，其强度和冲击韧性也愈高。
三、温度的影响
?正温度范围内 （ t>0oC）, t<200oC时，钢材的性
能变化不大。 t在 250oC左右，钢材塑性和韧性下
降，破坏常呈脆性破坏特征。 t =(260～ 320)oC时，
钢材有徐变现象。 t>300oC时，钢材的强度和 E开
始显著下降，而 δ显著增大。当 t>400oC时，钢材
的强度和 E都急剧降低,t>600oC时其承载能力几
乎丧失。
? 在负温度范围内 （ t<0oC）：随着温度降低，塑
性和韧性降低，材料变脆，称为低温冷脆。钢材
冲击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温度
t0称为脆性转变温度。设计选用钢材时应使其脆
性转变温度区的下限温度 t1低于结构所处的工作
环境温度，即可保证钢结构低温工作的安全。
四、冷加工硬化和时效硬化
1.应变硬化 钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、
冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的
塑性变形，从而使 fy提高，但同时降低了钢材的塑
性和韧性，这种现象称为冷加工硬化。
2.时效硬化 钢材经过一定时间后强度提高但塑性
降低，这种现象称为时效硬化。不同种类钢材
的时效硬化过程可从几小时到数十年。
3.人工时效 使钢材产生 10%的塑性变形，再加热
到 200～ 300 oC，然后冷却到室温进行试验。这
样可使时效在几小时内完成。
4.设计要求 钢结构设计一般不利用冷加工硬化造
成的强度提高，而且对直接承受动力荷载的钢
结构还应设法消除冷加工硬化的影响，如将局
部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。
五、复杂应力状态的影响
在复杂应力如平面或立体
应力作用下，钢材的屈服并不
只取决于某一方向的应力，而
是由反映各方向应力综合影响
的 屈服条件来确定。
同号应力场使材料脆性加大。
)(3)( 222222 zxyzxyxzzyyxzyxeq ????????????? ?????????
六、应力集中的影响
? 钢构件在缺陷或截面变化处附近
将产生局部高峰应力，其余部位
应力较低，称为应力集中。在应
力高峰区域存在着同号的双向或
三向应力。这种同号的双向或三
向应力场有使钢材变脆的趋势。
应力集中系数越大，变脆的倾向
亦愈严重。
? 在负温下或动力荷载作用下，应
力集中往往是引起脆性断裂的根
源，设计中应设法避免或减小应
力集中，并选用质量优良的钢材。
第四节 钢材的疲劳
一、钢材疲劳的基本概念
钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强度甚
至低于屈服点时突然断裂,称为钢材的疲劳或疲劳破坏 。
钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致应力
集中。在多次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应
力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数 n
（疲劳寿命）时，裂纹扩展使得净截面承载力不足以承
受外力作用时，构件突然断裂，发生疲劳破坏。 疲劳
破坏一般经历 裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂
三个阶段。
二、疲劳计算
? 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循
环。 Δσ=σ max-σ min称为应力幅，表示应力变
化的幅度。
? 试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义
最大应力 σ max作用的结果，而是焊缝部位足够
大小的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的
的疲劳寿命不仅与应力幅有关，还与 其他因
素有关。规范把疲劳计算公式中的应力幅调整
为折算应力幅，以反映其实际工作情况。
? 疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅
和变幅疲劳两种情况进行计算。
1,常幅疲劳计算
Δσ≤[Δσ]
C,β—— 参数，根据表 2— 2中的构件和连接
类别按表 2-3采用。
Δσ—— 对焊接部位 △ σ =σmax-σmin；对非焊接部
位 △ σ=σmax-0.7σmin。
由上式可见，容许应力幅与钢材的强度
无关，这表明不同钢材具有相同的抗疲劳
性能。
??
1
)/(][ nC??
2,变幅疲劳计算
? 可近似地按照线性疲劳累积损伤原则, 将随机变化的
应力幅折算为等效应力幅 Δσe,按下式进行疲劳计算,
? 吊车梁：根据实测结果, 推算出设计基准期 50年内
各种吊车梁的应力循环总次数 n(等效于满荷载时 n=
2?106次 ), 相应的 欠载效应的等效系数 ?f值如表 2— 3
所示, 重级工作制吊车梁的疲劳验算公式为
? ?
? ????
??
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?
?
?
?
?
?
?
? ?
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?
?
/1
i
ii
e n
n
? ? 6102 ???? ??? f
?当 n≥105时，应进行疲劳计算。
?疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算公式是以
实验为依据的，实验中已包含了动力的影响，故
荷载应采用标准值且不乘动力系数，应力幅按弹
性工作计算。
?在完全压应力（不出现拉应力）循环中，由于压
应力不会使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况
可不进行疲劳计算。
三、疲劳计算应注意问题
第五节 钢材的钢种、钢号及选择
1,碳素结构钢 钢号由代表屈服点的字母 Q,屈服强度
数值 （ t≤16mm时的 fy，单位是 N/mm2）,质量等级符号
（分为 A,B,C,D四级，质量依次提高）、脱氧方法符
号（沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢的代号分
别为 F,b,Z和 TZ，其中 Z和 TZ在钢号中省略不写）等四
个部分按顺序组成。例如 Q235-B〃F,表示屈服强度为
235 N/mm2的 B级沸腾钢。钢材的质量等级中,A,B级钢
按脱氧方法可为沸腾钢、半镇静钢或镇静钢,C级为镇
静钢,D级为特殊镇静钢。
一、钢种 钢材的种类，钢结构常用的是
碳素结构钢和低合金结构钢。
二、钢号 钢材的牌号简称为钢号。
2,低合金结构钢
?低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入一种
或几种适量的合金元素而成的钢。其钢材牌号
的表示方法与碳素结构钢相似，但质量等级分
为 A,B,C,D,E五级，且无脱氧方法符号。例
如 Q345-B,Q390-D,Q420-E。
3,专用结构钢
(1)特殊用途的钢结构常采用专用结构钢。专
用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途
代号（压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材的专
业用途代号分别为 R,q,C和 g）来表示。
(2)耐候钢 在钢材冶炼时加入少量的合金元素如 Cu,Cr、
Ni,Mo,Nb,Ti,Zr,V等，提高钢材的耐腐蚀性能。
也称为耐大气腐蚀钢。例如 15MnCuCr— QT钢表示含
碳量为 0.15%，合金元素为锰、铜、铬的淬火加回火热
处理耐候钢。
（ 3）连接用钢 钢结构连接中的铆钉、高强度螺栓、焊
条用钢丝等，也采用满足各自连接件要求的专门用钢。
三、钢材的选择
钢材的选择既要确定所用钢材的钢号，又要提出应有
的机械性能和化学成分保证项目，是钢结构设计的首要
环节。选材的基本原则是既保证安全可靠，又经济合理。
钢材的质量等级愈高，其价格也愈高。因此应根据结构
的不同特点，来选择适宜的钢材。
四、常用钢材的规格
? 钢结构所用钢材主要是热轧成型的钢板、型钢
（图 2-9)和冷加工（冷弯、冷压和冷轧）成型的
薄壁型钢（图 2-10)。
1,热轧钢板 钢板的标注符号是, －（截面代号）
宽度 × 厚度 × 长度,,单位为 mm,亦可用, －宽
度 × 厚度, 或, －厚度, 来表示。如 －
360× 12× 3600，亦可表示如－ 360× 12或－ 12。
2,热轧型钢
（ 1）角钢 分为等边和不等边角钢两种。角钢标注
符号是,∟ 边宽 × 厚度（等边角钢）或 ∟ 长边宽
× 短边宽 × 厚度（不等边角钢），单位为 mm” 。
如 ∟ 100× 8和 ∟ 100× 80× 8。
（ 2）槽钢 有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽钢规格用
槽钢符号（普通槽钢和轻型槽钢的符号分别为 [ 和 Q[）
和截面高度（单位为 cm）表示，当腹板厚度不同时，还
要标注出腹板厚度类别符号 a,b,c，例如 [10,[20a、
Q[20a。与普通槽钢截面高度相同的轻型槽钢的翼缘和
腹板均较薄，截面面积小但回转半径大。
（ 3）工字钢 有普通工字钢和轻型工字钢两种。标注方法
与槽钢相同，但槽钢符号,[” 应改为, I”,例如 I18、
I50a,QI50。
（ 4） H型钢 H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等厚度，
截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它构件连接。热
轧 H型钢分为宽、中、窄翼缘 H型钢，它们的代号分别
为 HW,HM和 HN。标注方法与槽钢相同，但代号,[”
应改变为” H”,例如 HW260a,HM360,HN300b。
? 钢管 钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管。用,Ф
外径 × 壁厚”表示，单位为 mm，例如 Ф360× 6。
3.薄壁型钢
? 薄壁型钢通常是用 1.5～ 6mm厚的薄钢板冷加工而成，
其截面形式和尺寸可按工程要求合理设计。与相同截
面积的热轧型钢相比，其截面抵抗矩大，钢材用量可
显著减少。但因板壁较薄，对锈蚀影响较为敏感。
五、其它钢材的使用
?当上述钢材不能满足要求时，还可选用优质碳
素结构钢或其它低合金钢。当在有腐蚀介质中
使用钢结构时，可采用耐侯钢。具体可参考
,钢结构材料手册, 。
六、我国目前建筑钢材存在的主要问题
? 1．厚板可焊性差,Q345等厚板焊接时，易出现层状撕
裂。应采用 Z向钢，即, 厚度方向性能钢板 GB5313》,
要求沿厚度方向有良好的抗层状撕裂性能，用厚度方
向拉力试验的断面收缩率来评定。应生产优质特厚钢。
? 2．高强度低合金结构钢在冷弯薄壁型钢中的应用尚未
解决好，不能满足轻型房屋钢结构的需要。主要应解
决其冲压性差的问题。
? 3．我国现只能生产镀锌钢板，不能生产抗腐蚀性能更
好的镀铝锌钢板，。需引进生产线或专利来解决。
? 4．型材品种规格还不能满足建筑需要。要开发生产薄
壁热轧 H型钢等。
? 5．建筑用高强度低合金结构钢品种太少，应用比重较
低。生产耐火钢。
第六节 国外钢材品种和钢号简介
? 各国的钢号基本上是以强度等级来划分，表示方式为,
字首符号 钢材的强度值 钢材质量等级
字首符号,美国采用 A(Alloy)；日本采用 SS（一般结
构用轧制钢材，第一个 S为 Steel的第一个字母）,SM
（焊接结构用轧制钢材）,SMA（焊接结构用耐候性轧
制钢材）等；德国采用 St（德文钢 Stahl）；意大利采用
Fe；法国采用 A,E等；独联体各国采用 C（俄文钢的第
一个字母）；英国无字首符号。
钢材的强度值,单位一般为 N/mm 2,但美国为 Ksi(千
磅／英寸 2 )。强度值有的采用 fu，有的采用 fy 。 ISO国际
标准、欧共体各国、日本等采用 fu，美国、独联体各国
等采用 fy。
钢材质量等级,分为 A,B,C,D,E等。
各国钢材品种与我国钢材品种对应表
中国 美 国 日 本 英 国 法 国 德 国 俄罗斯
235 A36 SS400 SM400
SMA400
40 E24
St37
C235
Q345 A572-50 SM490YA SM490YB
SM520
50D E36
St44 C345
Q390 A572-60 SM570 50F A50 St50 C390
Q420 A572-65 A60 St60 C440
各国钢材标准不同，很难明确地找出与我国钢材品
种之间的相应关系，正确做法是检查它们提供的质保
书 (化学成分和机械性能 )，以确定该钢种与我国哪个钢
种是可代替的。以强度为依据的各国钢材与我国钢材
相应关系列于下表 。
学习本章的主要目的是如何选择钢材。这就
要求首先掌握钢材的性能，其中最重要的是脆
断。
第一节 钢结构对所用材料的要求
一、钢材的破坏形式
1.塑性破坏：钢材在产生很大的变形以后发生的
断裂破坏称为塑性破坏，也称为延性破坏。
2.脆性破坏：钢材在变形很小的情况下突然发
生断裂破坏。
二、钢结构对所用材料的要求 物美价廉
?强度 fy,fu高。强度高可减轻结构自重。
?塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，抗
动力荷载好，耐疲劳。
?良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。
?耐腐性好。
?价格便宜。
?有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的
能力。
?,钢结构设计规范（ GB50017),推荐使用：
碳素结构钢中的 Q235钢、低合金结构钢中
的 Q345钢,Q390钢,Q420钢。
?随着研究的深入，必将有一些满足要求的
其它种类钢材可供使用。若选用钢结构设
计规范还未推荐的钢材时，需有可靠的依
据，以确保钢结构的质量。
?专用钢结构用材见相关规范。
第二节 钢材的主要机械性能
? 钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生
产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击
等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由
相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验
方法都必须按照各相关国家标准规定进行。
一、单向拉伸时的性能
标准试件在室温（ 100C～ 350C),以满足静力
加载的加载速度一次加载所得钢材的应力 σ～ ε
应变曲线显示的钢材机械性能如下,
(1)弹性阶段 σ≤ fp,σ与 ε呈线性关系，称该直线
的斜率 E为钢材的弹性模量。在钢结构设计中，
对所有钢材统一取 E =2.06× 105N/mm2 。
(2)弹塑性阶段 σ与 ε呈非线性关系，切线模量 Et
＝ dσ/dε,Et随应力增大而减小，当 σ= fy 时, Et=0。
(3) 塑性阶段 也称屈服阶段,σ= fy后钢材暂时不
能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，因
此钢结构设计取 fy作为强度极限承载力的标志。
(4) 强化阶段 试件能承受的最大拉应力 fu为钢材的抗拉强
度。取 fy作为强度极限承载力的标志,fu就成为材料的
强度储备。
(5)颈缩破坏阶段
(6) 可把钢材视为理想弹塑性体。
(7) 伸长率 δ =(l1-l0)/ l0*100%,反映钢材的塑性变形能力。
二、冷弯性能
?
三、冲击韧性
冲击韧性值用击断试样所需
的冲击功 AKV表示,单位为 J。
冲击韧性与温度有关，当
温度低于某一负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在
寒冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构，除应有常温
冲击韧性的保证外，尚应依钢材的类别，使其具有 -20oC
或 -40oC的冲击韧性保证，应 AKV ≥27J（焦耳） 。
将试件弯成 180 o，若试件外表面不出现裂纹
和分层，即为合格。综合反映钢材的塑性性
能和冶金质量。重要结构中需要有良好的冷
热加工性能时，应有冷弯合格保证。
四、钢材受压和受剪时的性能
? 钢材在单向受压（短试件）时，受力性能
基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相
似，但屈服点 τy及抗剪强度 τu均低于 fy和 fu；
剪变模量 G也低于弹性模量 E。
第三节 影响钢材性能的主要因素
一、化学成分的影响
碳 (C )、锰（ Mn）、钒（ V）是有利元素，但
也要注意对含量的限制。
硫（ S）、磷（ P）氧（ O）、氮（ N）会降
低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应严
格限制含量。
二、钢材生产过程的影响
1,冶炼炉种的影响 已无必要强调炉种的影响。
2,钢的脱氧 钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗
细不匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉
中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧
程度或方法不同，把钢分为沸腾钢 (F)、半镇
静钢 (b)、镇静钢 (Z)和特殊镇静钢 (TZ)。
3.钢材的轧制 将钢锭加热至 1200～ 1300o C,通过
轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称
为热轧钢材。轧钢机的压力作用可使钢锭中
的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。钢材
的压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大
时，其强度和冲击韧性也愈高。
三、温度的影响
?正温度范围内 （ t>0oC）, t<200oC时，钢材的性
能变化不大。 t在 250oC左右，钢材塑性和韧性下
降，破坏常呈脆性破坏特征。 t =(260～ 320)oC时，
钢材有徐变现象。 t>300oC时，钢材的强度和 E开
始显著下降，而 δ显著增大。当 t>400oC时，钢材
的强度和 E都急剧降低,t>600oC时其承载能力几
乎丧失。
? 在负温度范围内 （ t<0oC）：随着温度降低，塑
性和韧性降低，材料变脆，称为低温冷脆。钢材
冲击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温度
t0称为脆性转变温度。设计选用钢材时应使其脆
性转变温度区的下限温度 t1低于结构所处的工作
环境温度，即可保证钢结构低温工作的安全。
四、冷加工硬化和时效硬化
1.应变硬化 钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、
冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的
塑性变形，从而使 fy提高，但同时降低了钢材的塑
性和韧性，这种现象称为冷加工硬化。
2.时效硬化 钢材经过一定时间后强度提高但塑性
降低，这种现象称为时效硬化。不同种类钢材
的时效硬化过程可从几小时到数十年。
3.人工时效 使钢材产生 10%的塑性变形，再加热
到 200～ 300 oC，然后冷却到室温进行试验。这
样可使时效在几小时内完成。
4.设计要求 钢结构设计一般不利用冷加工硬化造
成的强度提高，而且对直接承受动力荷载的钢
结构还应设法消除冷加工硬化的影响，如将局
部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。
五、复杂应力状态的影响
在复杂应力如平面或立体
应力作用下，钢材的屈服并不
只取决于某一方向的应力，而
是由反映各方向应力综合影响
的 屈服条件来确定。
同号应力场使材料脆性加大。
)(3)( 222222 zxyzxyxzzyyxzyxeq ????????????? ?????????
六、应力集中的影响
? 钢构件在缺陷或截面变化处附近
将产生局部高峰应力，其余部位
应力较低，称为应力集中。在应
力高峰区域存在着同号的双向或
三向应力。这种同号的双向或三
向应力场有使钢材变脆的趋势。
应力集中系数越大，变脆的倾向
亦愈严重。
? 在负温下或动力荷载作用下，应
力集中往往是引起脆性断裂的根
源，设计中应设法避免或减小应
力集中，并选用质量优良的钢材。
第四节 钢材的疲劳
一、钢材疲劳的基本概念
钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强度甚
至低于屈服点时突然断裂,称为钢材的疲劳或疲劳破坏 。
钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致应力
集中。在多次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应
力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数 n
（疲劳寿命）时，裂纹扩展使得净截面承载力不足以承
受外力作用时，构件突然断裂，发生疲劳破坏。 疲劳
破坏一般经历 裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂
三个阶段。
二、疲劳计算
? 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循
环。 Δσ=σ max-σ min称为应力幅，表示应力变
化的幅度。
? 试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义
最大应力 σ max作用的结果，而是焊缝部位足够
大小的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的
的疲劳寿命不仅与应力幅有关，还与 其他因
素有关。规范把疲劳计算公式中的应力幅调整
为折算应力幅，以反映其实际工作情况。
? 疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅
和变幅疲劳两种情况进行计算。
1,常幅疲劳计算
Δσ≤[Δσ]
C,β—— 参数，根据表 2— 2中的构件和连接
类别按表 2-3采用。
Δσ—— 对焊接部位 △ σ =σmax-σmin；对非焊接部
位 △ σ=σmax-0.7σmin。
由上式可见，容许应力幅与钢材的强度
无关，这表明不同钢材具有相同的抗疲劳
性能。
??
1
)/(][ nC??
2,变幅疲劳计算
? 可近似地按照线性疲劳累积损伤原则, 将随机变化的
应力幅折算为等效应力幅 Δσe,按下式进行疲劳计算,
? 吊车梁：根据实测结果, 推算出设计基准期 50年内
各种吊车梁的应力循环总次数 n(等效于满荷载时 n=
2?106次 ), 相应的 欠载效应的等效系数 ?f值如表 2— 3
所示, 重级工作制吊车梁的疲劳验算公式为
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e n
n
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?当 n≥105时，应进行疲劳计算。
?疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算公式是以
实验为依据的，实验中已包含了动力的影响，故
荷载应采用标准值且不乘动力系数，应力幅按弹
性工作计算。
?在完全压应力（不出现拉应力）循环中，由于压
应力不会使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况
可不进行疲劳计算。
三、疲劳计算应注意问题
第五节 钢材的钢种、钢号及选择
1,碳素结构钢 钢号由代表屈服点的字母 Q,屈服强度
数值 （ t≤16mm时的 fy，单位是 N/mm2）,质量等级符号
（分为 A,B,C,D四级，质量依次提高）、脱氧方法符
号（沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢的代号分
别为 F,b,Z和 TZ，其中 Z和 TZ在钢号中省略不写）等四
个部分按顺序组成。例如 Q235-B〃F,表示屈服强度为
235 N/mm2的 B级沸腾钢。钢材的质量等级中,A,B级钢
按脱氧方法可为沸腾钢、半镇静钢或镇静钢,C级为镇
静钢,D级为特殊镇静钢。
一、钢种 钢材的种类，钢结构常用的是
碳素结构钢和低合金结构钢。
二、钢号 钢材的牌号简称为钢号。
2,低合金结构钢
?低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入一种
或几种适量的合金元素而成的钢。其钢材牌号
的表示方法与碳素结构钢相似，但质量等级分
为 A,B,C,D,E五级，且无脱氧方法符号。例
如 Q345-B,Q390-D,Q420-E。
3,专用结构钢
(1)特殊用途的钢结构常采用专用结构钢。专
用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途
代号（压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材的专
业用途代号分别为 R,q,C和 g）来表示。
(2)耐候钢 在钢材冶炼时加入少量的合金元素如 Cu,Cr、
Ni,Mo,Nb,Ti,Zr,V等，提高钢材的耐腐蚀性能。
也称为耐大气腐蚀钢。例如 15MnCuCr— QT钢表示含
碳量为 0.15%，合金元素为锰、铜、铬的淬火加回火热
处理耐候钢。
（ 3）连接用钢 钢结构连接中的铆钉、高强度螺栓、焊
条用钢丝等，也采用满足各自连接件要求的专门用钢。
三、钢材的选择
钢材的选择既要确定所用钢材的钢号，又要提出应有
的机械性能和化学成分保证项目，是钢结构设计的首要
环节。选材的基本原则是既保证安全可靠，又经济合理。
钢材的质量等级愈高，其价格也愈高。因此应根据结构
的不同特点，来选择适宜的钢材。
四、常用钢材的规格
? 钢结构所用钢材主要是热轧成型的钢板、型钢
（图 2-9)和冷加工（冷弯、冷压和冷轧）成型的
薄壁型钢（图 2-10)。
1,热轧钢板 钢板的标注符号是, －（截面代号）
宽度 × 厚度 × 长度,,单位为 mm,亦可用, －宽
度 × 厚度, 或, －厚度, 来表示。如 －
360× 12× 3600，亦可表示如－ 360× 12或－ 12。
2,热轧型钢
（ 1）角钢 分为等边和不等边角钢两种。角钢标注
符号是,∟ 边宽 × 厚度（等边角钢）或 ∟ 长边宽
× 短边宽 × 厚度（不等边角钢），单位为 mm” 。
如 ∟ 100× 8和 ∟ 100× 80× 8。
（ 2）槽钢 有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽钢规格用
槽钢符号（普通槽钢和轻型槽钢的符号分别为 [ 和 Q[）
和截面高度（单位为 cm）表示，当腹板厚度不同时，还
要标注出腹板厚度类别符号 a,b,c，例如 [10,[20a、
Q[20a。与普通槽钢截面高度相同的轻型槽钢的翼缘和
腹板均较薄，截面面积小但回转半径大。
（ 3）工字钢 有普通工字钢和轻型工字钢两种。标注方法
与槽钢相同，但槽钢符号,[” 应改为, I”,例如 I18、
I50a,QI50。
（ 4） H型钢 H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等厚度，
截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它构件连接。热
轧 H型钢分为宽、中、窄翼缘 H型钢，它们的代号分别
为 HW,HM和 HN。标注方法与槽钢相同，但代号,[”
应改变为” H”,例如 HW260a,HM360,HN300b。
? 钢管 钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管。用,Ф
外径 × 壁厚”表示，单位为 mm，例如 Ф360× 6。
3.薄壁型钢
? 薄壁型钢通常是用 1.5～ 6mm厚的薄钢板冷加工而成，
其截面形式和尺寸可按工程要求合理设计。与相同截
面积的热轧型钢相比，其截面抵抗矩大，钢材用量可
显著减少。但因板壁较薄，对锈蚀影响较为敏感。
五、其它钢材的使用
?当上述钢材不能满足要求时，还可选用优质碳
素结构钢或其它低合金钢。当在有腐蚀介质中
使用钢结构时，可采用耐侯钢。具体可参考
,钢结构材料手册, 。
六、我国目前建筑钢材存在的主要问题
? 1．厚板可焊性差,Q345等厚板焊接时，易出现层状撕
裂。应采用 Z向钢，即, 厚度方向性能钢板 GB5313》,
要求沿厚度方向有良好的抗层状撕裂性能，用厚度方
向拉力试验的断面收缩率来评定。应生产优质特厚钢。
? 2．高强度低合金结构钢在冷弯薄壁型钢中的应用尚未
解决好，不能满足轻型房屋钢结构的需要。主要应解
决其冲压性差的问题。
? 3．我国现只能生产镀锌钢板，不能生产抗腐蚀性能更
好的镀铝锌钢板，。需引进生产线或专利来解决。
? 4．型材品种规格还不能满足建筑需要。要开发生产薄
壁热轧 H型钢等。
? 5．建筑用高强度低合金结构钢品种太少，应用比重较
低。生产耐火钢。
第六节 国外钢材品种和钢号简介
? 各国的钢号基本上是以强度等级来划分，表示方式为,
字首符号 钢材的强度值 钢材质量等级
字首符号,美国采用 A(Alloy)；日本采用 SS（一般结
构用轧制钢材，第一个 S为 Steel的第一个字母）,SM
（焊接结构用轧制钢材）,SMA（焊接结构用耐候性轧
制钢材）等；德国采用 St（德文钢 Stahl）；意大利采用
Fe；法国采用 A,E等；独联体各国采用 C（俄文钢的第
一个字母）；英国无字首符号。
钢材的强度值,单位一般为 N/mm 2,但美国为 Ksi(千
磅／英寸 2 )。强度值有的采用 fu，有的采用 fy 。 ISO国际
标准、欧共体各国、日本等采用 fu，美国、独联体各国
等采用 fy。
钢材质量等级,分为 A,B,C,D,E等。
各国钢材品种与我国钢材品种对应表
中国 美 国 日 本 英 国 法 国 德 国 俄罗斯
235 A36 SS400 SM400
SMA400
40 E24
St37
C235
Q345 A572-50 SM490YA SM490YB
SM520
50D E36
St44 C345
Q390 A572-60 SM570 50F A50 St50 C390
Q420 A572-65 A60 St60 C440
各国钢材标准不同，很难明确地找出与我国钢材品
种之间的相应关系，正确做法是检查它们提供的质保
书 (化学成分和机械性能 )，以确定该钢种与我国哪个钢
种是可代替的。以强度为依据的各国钢材与我国钢材
相应关系列于下表 。
