钢结构原理与设计教程_第2章 钢结构的材料.pptx

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1、1.了解钢材的破坏形式和主要性能。2.了解影响钢材性能的主要因素。3.了解钢材疲劳破坏及计算方法。4.了解钢材的种类及选用原则要求。,2.1 建筑结构对钢材的要求2.2 钢材的破坏形式2.3 钢材的主要性能2.4 各种因素对钢材主要性能的影响2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件2.6 钢结构的疲劳2.7 钢材的种类和规格,本章目录,基本要求,第2.1节 钢结构对材料的要求,1. 建筑结构对钢材的要求,了解钢结构对材料性能的基本要求,本节目录,基本要求,2.1 建筑结构对钢材的要求,建筑钢结构在工作中可能处于不同的环境条件中，也有可能承受不同形式的荷载，结构件的受力形式也不同。因此要正文钢材性能

2、及影响因素，了解结构发生脆性破坏的原因，并对结构所处具体情况合理选择钢材，正确设计、加工和使用。,（1）较高的抗拉强度 fu和屈服点 fy；（2）较好的塑性、韧性；（3）良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；,建筑结构对钢材性能的要求：,钢材的两种破坏形式,了解钢材的破坏形式和特点,本节目录,基本要求,2.2.1 钢材的两种破坏形式,第2.3节 钢材的主要性能,钢材的强度指标钢材塑性性能指标3. 冷弯性能4. 冲击韧性,掌握钢材的主要力学性能要求及含义,本节目录,基本要求,2.3.1 钢材的强度指标,A,B,D,C,钢材比例极限 钢材屈服点 抗拉极限OA段，弹性阶段AB段，变形模量逐渐下降BC

3、段，塑性阶段CD段，强化阶段,钢材一次拉伸应力应变曲线,2、有明显屈服点钢材的-曲线,可划分为以下五个阶段：,(1)弹性阶段(OB段),OA段材料处于纯弹性，即:,AB段有一定的塑性变形, 但整个OB段卸载时 = 0,弹性模量：E=206103N/mm2,其中，A点应力 f p称为比例极限。,(2)弹塑性阶段（BC段),该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留下永久的残余变形。,(3)塑性阶段（CD段),该段基本保持不变（水平),急剧增大,称为屈服台阶。变形模量E = 0。,该段应力最高点和最低点分别称为上屈服点和下屈服点，下屈服点比较稳定，设计中则以下屈服点为依据。,（4）强化阶段(DG段

4、),当应力达到G点时，出现颈缩现象，至H点而断裂。,随荷载的增加缓慢增大,但增加较快。曲线最高点处G点的应力 fu称为抗拉强度或极限强度。,（5）颈缩破坏阶段(GH段),3、对无明显屈服点的钢材,高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶，塑性变形小，设计中不宜利用它的塑性。,设计时取相当于残余变形为0.2%时所对应的应力作为屈服点称为条件屈服点或名义屈服点,4、应力应变曲线的简化,设计时将钢材简化为理想弹塑性体,钢材在静载作用下： 强度计算以fy为依据，fu为结构的安全储备。,5、单向拉伸时钢材的机械性能指标,（1）屈服点 fy 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

5、和确定钢材强度设计值的重要指标。,（2）抗拉强度 fu 应力应变曲线最高点对应的应力,它是钢材最大的抗拉强度。,（3）伸长率,当lo/d=5时，用5表示当l0/d=10时，用10表示,（5 10）,实际工程中以伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形能力。钢材的塑性是指：当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。,试件断裂时的绝对变形值与原标距长度的百分比，用表示。,（4）断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比，用表示。,式中： A0 试件原来的断面面积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积,图2.3.6,采用短试件l0/d=3，屈服点

6、同单向拉伸时的屈服点。,6、受压时的性能,7、受剪时的性能,抗剪强度可由折算应力计算公式得到：,2.3.2 冷弯性能,冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标,鉴定合格指标：通过冷弯冲头加压，当试件弯曲至180时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。,图2.3.7,2.3.3 冲击韧性,冲击韧性钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。,用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号Wkv或Cv表示，单位为J。,冲击韧性由冲击韧性试验确定。,图2.3.8,影响冲击韧性的因素：,冲击韧

7、性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏V型和梅氏U型，近年来，我国冲击试验已用夏氏V型代替梅氏U型。,冲击韧性还与试验的温度有关。根据温度不同，我国钢材标准中将试验分为四档，即+20, 0，-20和-40时的冲击韧性。 温度越低，冲击韧性越低。,钢材的机械性能指标,屈服点 fy伸长率 抗拉强度 fu冷弯试验冲击韧性 Cv,小结,第2.4节 各种因素对钢材主要性能的影响,1. 化学成分2. 成材过程3. 钢材硬化,1.了解影响钢材性能的主要因素,本节目录,基本要求,2.了解防止脆性断裂破坏的方法,4. 温度影响5. 应力集中,2.4.1 化学成分,普通碳素钢中Fe占99%，C和其他元素仅占1%，但

8、对钢材力学性能有着决定性的影响。 普通低合金钢中合金元素小于5%。,(1)碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性、韧性和疲劳强度降低，同时恶化钢的焊接性能和抗腐蚀性。钢结构用钢中，碳含量一般控制在0.22%以下，当其含量在0.2以下时，可焊性良好。,(2)硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。 (3)磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。 (4)锰（Mn）：合金元素,弱脱氧剂。与S形成MnS,熔点1600,可以消除一部分S的有害作用。 (5)硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。,(6)钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，

9、其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。 (7)氧（O）：有害杂质，与S相似（热脆）。 (8)氮（N）：有害杂质，与P相似（冷脆） 。 (9)铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。,2.4.2 成材过程的影响,常见的冶金缺陷有： 偏析：钢中化学成分不一致和不均匀性称为偏析。主要是硫和磷的偏析，使钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。 非金属夹杂：常见的夹杂物为硫化物和氧化物。硫化物使钢材在800 1200高温下变脆，氧化物会降低钢材的力学性能和工艺性能。 气孔：浇注时由FeO与C作用所生成的CO气体不能充分逸出而留在钢锭内形成的。 裂纹：钢材中已出现的局部破坏 分层：指沿厚度方

10、向形成层间并不相互脱离的分层。分层处易被锈蚀, 且分层使钢材性能变差。,2.4.3 钢材硬化,冷作硬化在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象。,时效硬化随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象。,应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。,注意:不管哪一种硬化，都要降低钢材的塑性和韧性，对钢材不利。因此钢结构设计中一般不利用硬化后提高的强度，而且对于直接承受动荷载的结构还应设

11、法消除硬化的影响。例如，经过剪切机剪切的钢板，为了消除剪切边缘的冷作硬化，可采用火焰烧烤使之“退火”或将边缘刨去35mm。,2.4.4 温度影响,1正温范围,200以内对钢材性能无大影响，该范围内随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。,250左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加蓝脆现象，该温度区段称为“蓝脆区”。 260320产生徐变现象。 600左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。,当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加，材料强度略有提高，但其塑性和韧性降低，该现象称为低温冷脆。,2负温范围,2.4.5 应力集中,1.应力集中的概念 在钢结构构件中不可避免的存

12、在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。,2.应力集中的影响,可以看出截面槽口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，脆性破坏的倾向愈大。,3.减小应力集中现象的措施,由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。,本节讨论：防止脆性断裂的方法,(1)合理选择钢材 温度冷脆转变温度低 厚度薄,(2)合理设计 合理的设计应该在考虑材料的断裂韧性水平、最低工作温度、荷载特征、应力集中等因素后，再选择合理的

13、结构型式，尤其是合理的构造细节十分重要。 设计时应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限度，尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。,(3)合理制作和安装 冷加工栓孔 钻、扩 焊接合理工艺、参数，减小焊接残余应力，如厚钢板，焊前预热，焊后保温 安装减小装配残余应力,(4)合理使用及维修措施避免突然荷载,第2.5节 复杂应力作用下钢材的屈服条件,1.掌握复杂应力作用钢材屈服条件及应用,基本要求,基本假定：,（1）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；,（2）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。,在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状

14、态的条件，可用按能量强度理论计算的折算应力red和钢材在单向应力下的屈服点fy相比较来判断，即,1.以一般应力分量表示,2.以主应力表示,当时钢材处于弹性状态，时钢材处于塑性状态。,(2-2),(2-1),对于薄板，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，这时三向应力状态可简化为平面应力状态，式（2-1）成为,3.几种特殊情况,一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：,（2-4）,（2-3）,纯剪时 = 0 ，则有,（2-5）,即：钢材的剪切屈服点是单轴拉伸屈服点 fy的0.58倍。因此，规范规定：钢材的抗剪设计强度为抗拉设计强度的0.58 倍。,（2-6）,第2.6节 钢材的疲劳,1. 疲劳破坏及影响

15、因素2. 疲劳破坏的计算3. 改善疲劳的措施,1.了解钢材疲劳破坏的特征2. 掌握疲劳破坏的计算方法,本节目录,基本要求,2.6.1 疲劳破坏特征,1.概念 钢材在连续反复荷载的作用，当应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度时发生突然断裂的现象，这种现象称为钢材的疲劳。,2.疲劳破坏的机理 疲劳破坏是积累损伤的结果。 破坏过程：缺陷微观裂纹宏观裂纹断裂。,3. 影响疲劳破坏的主要因素,构造细节应力集中程度和残余应力大小,荷载循环次数5104次，验算疲劳,荷载引起的循环应力特征 应力幅（焊接结构） 应力比（非焊接结构）,注意：与钢材的静力强度和最大应力无明显关系 不出现拉应力，不会发生疲劳破坏,2.

16、6.2 疲劳破坏的计算在应力循环中，最大应力和最小应力的差即应力幅。应力幅值计算公式如下：,式中 应力幅值； 应力循环产生的最大拉应力； 应力循环产生的最小应力，受拉为正，受压 为负。,2.6.3 改善疲劳的措施。,图2.6.10 吊车梁加劲肋做法,试验表明，影响钢材疲劳强度的因素主要是构件或连接的构造细节，如钢材的冶金缺陷、应力集中程度以及作用的应力幅值及荷载循环次数。 改善结构疲劳性能应针对上述因素合理选材，在设计中采用合理的构造细节，降低应力集中程度。,50,50100,第2.7节 钢材的种类和规格,1. 建筑用钢分类2. 钢材的选择及建议3. 型钢的规格,1.了解钢材的种类、命名和选择

17、,本节目录,基本要求,2.了解钢材的主要规格,2.7.1 钢材的种类,按用途钢可分为：结构钢、工具钢和特殊钢。 按冶炼方法，钢可分为转炉、平炉和电炉。 按照脱氧方法和程度的不同，可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。 按化学成分，钢又可分为碳素钢和低合金钢。,1.碳素结构钢,命名方式:由四部分组成，依次是屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号，如Q235-AF。,说明：（1）质量等级符号A、B、C、D是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同共化分为4个等级。,Q235-质量等级（A、B、C、D） 脱氧方法（F、Z、b、Tz） A 保证fu、fy、，P、S含量 B 保证fu,fy

18、,冷弯，常温时Cv，P，S，C含量； C 保证 fu,fy,冷弯，0oC时Cv，P，S，C含量; D 保证fu,fy,冷弯，-20oC时Cv，P，S，C含量;,（2）脱氧方法符号也有四种，F代表沸腾钢，b代表半镇静钢，Z代表镇静钢，TZ代表特种镇静钢，在具体标注时Z和TZ可以省略。,（3）规范GB50017将Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范GB/T700-2006的要求。,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适量添加几种合金元素（合金元素总量不超过5%）,使钢的强度明显提高。,低合金高强度结构钢的牌号命

19、名与碳素结构钢相似,只是质量等级分为A、B、C、D、E五等（其中E主要是要求-40 的冲击韧性）,低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢,故可不加脱氧方法的符号。,根据钢材厚度（直径）16mm时的屈服点不同，分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等，其中Q345、Q390和Q420钢材都有较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能，是钢结构设计规范推荐采用的钢种。,2.7.2 钢材的选择,1.选择钢材的一般原则,（1）结构或构件的重要性 （2）荷载情况 静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材； 动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。 （3）连接方法（焊接连接、螺

20、栓连接） 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。,（4）结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等） 低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢。 （5）钢材的厚度 厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。,2.钢材选择的建议,（1）承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢GB/T700和低合金高强度结构钢GB/T1591的规定。,（2）承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。 （3）对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲

21、击韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于0但高于20时，Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证；对于Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。,当结构工作温度等于或低于20时，对Q235钢和Q345钢应具有20冲击韧性的合格保证；对Q390和Q420钢应具有40冲击韧性的合格保证。,（4）对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于20时，对Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。,2.7.3 型钢的规格,主要包括：热轧成型的钢板和型钢，以及冷加工成型的冷轧薄钢板

22、和冷弯薄壁型钢。,分为厚钢板、薄钢板和扁钢,1.热轧钢板,表示方法： 宽厚度长度,2.热轧型钢,（1）工字钢,普通工字钢的型号用符号“工”后面加截面高度的厘米数表示，20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为a、b或a、b、c等类别。 轻型工字钢的表示方法同普通工字钢。,类型：分为普通工字钢和轻型工字钢两种。,表示方法：,型号：普通工字钢为10-63号 轻型工字钢为10-70号供应长度：5-19m,供应尺寸规格,图2.7.2,（2）角钢,表示方法： 不等边角钢 长边宽短边宽厚度 等边角钢 边长厚度,类型：分为等边和不等边两种。,最大边长：200mm供应长度：4-19m,供应尺寸规格：,（3）槽钢,表示方法：和工字钢相似,类型：分为普通槽钢和轻型槽钢两种 。,最大型号为40c 供应长度为5-19m,供应尺寸规格：,图2.7.6,图2.7.7,（4）H型钢,分类：宽翼缘(HW)、中翼缘(HM)和窄翼缘(HN),图2.7.9,图2.7.10,（5）钢管,分类：无缝钢管和焊接钢管两种,供应规格： 国产热轧无缝钢管的最大外径可达630mm， 供应长度：3-12m。,表示方法：外径壁厚,图2.7.11,图2.7.13,（6）冷弯薄壁型钢和压型钢板,图2.7.14压型钢板壁厚0.4-1.5mm,图2.7.15,