钢结构第2章钢结构的材料.ppt

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1、设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料1.了解钢材的破坏形了解钢材的破坏形式和主要性能。式和主要性能。2.了解影响钢材性能了解影响钢材性能的主要因素。的主要因素。3.了解钢材疲劳破坏了解钢材疲劳破坏及计算方法。及计算方法。4.了解钢材的种类及了解钢材的种类及选用原则要求。选用原则要求。2.1 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求2.2 2.2 钢材的破坏形式钢材的破坏形式2.3 2.3 钢材的主要性能钢材的主要性能2.4 2.4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2.5

2、2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件2.6 2.6 钢材的疲劳钢材的疲劳2.7 2.7 钢的种类和钢材的规格钢的种类和钢材的规格本章目录本章目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.12.1节节 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求1.1.概述概述2.2.钢结构对材料的基本要求钢结构对材料的基本要求了解钢结构对材料性能的基本要求了解钢结构对材料性能的基本要求 本节目录本节目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.1.1 2.1.1 概述概述 含碳量小于含碳量小于2的铁

3、碳合金称作钢，含碳量大于的铁碳合金称作钢，含碳量大于2时称作铁。钢材种类繁多，性能差别很大，适用于钢结时称作铁。钢材种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构只是其中一小部分。构只是其中一小部分。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（1 1）较高的抗拉强度）较高的抗拉强度 fu和屈服点和屈服点 fy；（2 2）较好的塑性、韧性；）较好的塑性、韧性；（3 3）良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；）良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；（4 4）对环境的良好适应性。）对环境的良好适应性。2.1.2 2.1.2 钢结构对材料的基本要求钢结构对材料的基本要求设计原理设计原理钢

4、结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.22.2节节 钢材的破坏形式钢材的破坏形式钢材的两种破坏形式钢材的两种破坏形式了解钢材的破坏形式和特点了解钢材的破坏形式和特点 本节目录本节目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.2.1 2.2.1 钢材的两种破坏形式钢材的两种破坏形式破坏形式破坏形式特特征征断断口口后后果果塑性破坏塑性破坏构件应力超过屈服构件应力超过屈服点，并且达到抗拉点，并且达到抗拉极限强度后，构件极限强度后，构件产生明显的变形并产生明显的变形并断裂。断裂。断裂时断口与断裂时断口与作用力方向呈作用力方向呈4545，呈纤

5、维，呈纤维状，色泽发暗状，色泽发暗在破坏前有很明在破坏前有很明显的变形，并有显的变形，并有较长的变形持续较长的变形持续时间，便于发现时间，便于发现和补救。和补救。脆性破坏脆性破坏在破坏前无明显变在破坏前无明显变形，平均应力也小形，平均应力也小（一般都小于屈服（一般都小于屈服点），没有任何预点），没有任何预兆。兆。断口平直并呈断口平直并呈有光泽的晶粒有光泽的晶粒状。状。突然发生的，危突然发生的，危险性大，应尽量险性大，应尽量避免。避免。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.32.3节节 钢材的主要性能钢材的主要性能1.1.受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受

6、剪时的性能2.2.冷弯性能冷弯性能3.3.冲击韧性冲击韧性掌握钢材的主要力学性能要求及含义掌握钢材的主要力学性能要求及含义本节目录本节目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.3.1 2.3.1 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能1 1、钢材在单向一次拉伸下的工作性能、钢材在单向一次拉伸下的工作性能试验条件：标准试件试验条件：标准试件（GB/T228），），常温常温（205）下下缓慢加载，一次完成。含碳量为缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%0.3%。标准试件：标准试件：Lo/d=5或或10；Lo-标距；标距；d-直径直径图图2.3

7、.12.3.1设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2 2、有明显屈服点钢材的、有明显屈服点钢材的-曲线曲线OBCDAGH图图2.3.22.3.2设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2 2、有明显屈服点钢材的、有明显屈服点钢材的-曲线曲线图图2.3.32.3.3设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 可划分为以下五个阶段：可划分为以下五个阶段：(1)(1)弹性阶段弹性阶段(OB段段)OA段材料处于纯弹性，即段材料处于纯弹性，即:AB段有一定的塑性变形段有一定的塑性变形,但整个但整个OB段卸载时段卸载时 =0弹

8、性模量：弹性模量：E=206103N/mm2其中，其中，A点应力点应力 f p称为比例极限。称为比例极限。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料(2)(2)弹塑性阶段弹塑性阶段（BC段段)该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留下永久的残余变形。下永久的残余变形。(3)(3)塑性阶段塑性阶段（CD段段)该段该段基本保持不变（水平基本保持不变（水平),),急剧增大急剧增大,称为屈称为屈服台阶。变形模量服台阶。变形模量E=0。该该段段应应力力最最高高点点和和最最低低点点分分别别称称为为上上屈屈服服点点和和下下屈屈服服点点，下下

9、屈屈服服点点比比较较稳稳定定，设设计计中中则则以以下下屈屈服服点点为为依据。依据。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（4 4）强化阶段强化阶段(DG段段)当应力达到当应力达到G G点时，出现颈缩现象，至点时，出现颈缩现象，至H点而断裂。点而断裂。随荷载的增加随荷载的增加缓慢增大缓慢增大,但但增加较快。曲线最增加较快。曲线最高点处高点处G点的应力点的应力 fu称为抗拉强度或极限强度。称为抗拉强度或极限强度。（5 5）颈缩破坏阶段颈缩破坏阶段(GH段段)设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料3 3、对无明显屈服点的钢材、对无明显屈服点的钢

10、材 高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶，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。塑性变形小，设计中不宜利用它的塑性。设设计计时时取取相相当当于于残残余余变变形形为为0.2%时时所所对对应应的的应应力力作作为为屈屈服服点点称称为为条条件件屈屈服服点点或或名义屈服点名义屈服点fy=f0.20.2%fup图图2.3.42.3.4设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料4 4、应力应变曲线的简化、应力应变曲线的简化设计时将钢材简化为理想弹塑性体设计时将钢材简化为理想弹塑性体钢材在静载作用下：钢材在静载作用下：强度计算以强度计算以fy

11、为依据，为依据，fu为结构的安全储备。为结构的安全储备。22.5%-3%fy10.15%图图2.3.52.3.5设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料5 5、单向拉伸时钢材的机械性能指标、单向拉伸时钢材的机械性能指标 （1 1）屈服点屈服点 fy应力应变曲线开始产生塑性流动时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和确定钢材强度对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。设计值的重要指标。（2 2）抗拉强度抗拉强度 fu应力应变曲线最高点对应的应应力应变曲线最高点对应的应力力,它是钢材最大的抗拉强度。它是钢材最大的抗拉强

12、度。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（3 3）伸长率伸长率当当lo/d=5时，用时，用5表示表示当当l0/d=10时，用时，用10表示表示（510）实际工程中以伸长率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。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。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，用试件断裂时的绝对变形值与原标距长度的百分比，用表示。表示。设计原理设计原理钢结构钢

13、结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（4 4）断面收缩率断面收缩率 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，用面面积比值的百分比，用 表示。表示。式中：式中：A0试件原来的断面面积试件原来的断面面积 A1试件拉断后颈缩区的断面面积试件拉断后颈缩区的断面面积 图图2.3.62.3.6设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 采用短试件采用短试件l0/d=3，屈服点同单向拉伸时的屈服点。，屈服点同单向拉伸时的屈服点。6 6、受压时的性能、受压时的性能7 7、受剪时的性能、受剪时的性能抗剪强度可由折算

14、应力计算公式得到：抗剪强度可由折算应力计算公式得到：设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.3.2 2.3.2 冷弯性能冷弯性能 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综合指标 鉴鉴定定合合格格指指标标：通通过过冷冷弯弯冲冲头头加加压压，当当试试件件弯弯曲曲至至180时时，检检察察试试件件弯弯曲曲部部分分的的外外面面、里里面面和和侧侧面面，如如果果没没有有裂裂纹纹、断断裂裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。或分层，即认为试件冷弯性能合格。图图2.3.7设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的

15、材料2.3.3 2.3.3 冲击韧性冲击韧性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。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或或Cv表示，单位为表示，单位为J。冲冲击击韧韧性性由由冲冲击击韧性试验确定。韧性试验确定。图图2.3.8设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料图图2.3.9冲击韧性演示冲击韧性演示设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢

16、结构的材料钢结构的材料影响冲击韧性的因素：影响冲击韧性的因素：冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏V型和梅型和梅氏氏U型，近年来，我国冲击试验已用夏氏型，近年来，我国冲击试验已用夏氏V型代替梅氏型代替梅氏U型。型。冲冲击击韧韧性性还还与与试试验验的的温温度度有有关关。根根据据温温度度不不同同，我我国国钢钢材材标标准准中中将将试试验验分分为为四四档档，即即+20,0，-20和和-40时时的的冲击韧性。冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。温度越低，冲击韧性越低。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料钢材的机械性能指标钢材的机

17、械性能指标屈服点屈服点 fy伸长率伸长率 抗拉强度抗拉强度 fu冷弯试验冷弯试验冲击韧性冲击韧性 Cv小结小结设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.42.4节节 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响1.1.化学成分化学成分2.2.冶金缺陷冶金缺陷3.3.钢材硬化钢材硬化1.1.了解影响钢材性能的主要因素了解影响钢材性能的主要因素本节目录本节目录基本要求基本要求2.2.了解防止脆性断裂破坏的方法了解防止脆性断裂破坏的方法 4.4.温度影响温度影响5.5.应力集中应力集中6.6.荷载的影响荷载的影响设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢

18、结构的材料钢结构的材料2.4.1 2.4.1 化学成分化学成分 普通碳素钢中普通碳素钢中Fe占占99%，C和和其他元素仅占其他元素仅占1%，但，但对钢材力学性能有着决定性的影响。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普通低合金钢中合金元素小于小于5%。(1)(1)碳碳（C）：钢钢材材强强度度的的主主要要来来源源，随随其其含含量量增增加加，强强度度增增加加，塑塑性性、韧韧性性和和疲疲劳劳强强度度降降低低，同同时时恶恶化化钢钢的的焊焊接接性性能能和和抗抗腐腐蚀蚀性性。钢钢结结构构用用钢钢中中，碳碳含含量量一一般般控控制制在在0.22%以下，当其含量在以下，当其含量在0.2以下时，可

19、焊性良好。以下时，可焊性良好。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料图图2.4.1含碳量对含碳量对-关系的影响关系的影响0%TC0.3%设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 (2)(2)硫（硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。(3)(3)磷（磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过高，可焊性降低。不得超过0.045%。(4)(4)锰（锰（Mn）：合金元素：合金元素,弱脱氧剂。与弱脱氧剂。与S形成形成MnS,熔熔点点1600,可以消除一

20、部分可以消除一部分S的有害作用。的有害作用。(5)(5)硅（硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。：合金元素。强脱氧剂。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 (6)(6)钒（钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。(7)(7)氧氧（O）：有害杂质，与：有害杂质，与S相似（热脆）。相似（热脆）。(8)(8)氮氮（N）：有害杂质，与：有害杂质，与P相似（冷脆）相似（冷脆）。(9)(9)铜铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性：提高抗锈蚀性

21、，提高强度，对可焊性有影响。有影响。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.2 2.4.2 冶金缺陷冶金缺陷常见的冶金缺陷有：常见的冶金缺陷有：偏偏析析：钢钢中中化化学学成成分分不不一一致致和和不不均均匀匀性性称称为为偏偏析析。主主要要是是硫硫和和磷的偏析，使钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。磷的偏析，使钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。非非金金属属夹夹杂杂：常常见见的的夹夹杂杂物物为为硫硫化化物物和和氧氧化化物物。硫硫化化物物使使钢钢材材在在8001200高高温温下下变变脆脆，氧氧化化物物会会降降低低钢钢材材的的力力学学性性能能和和工工艺艺性能。性能。气气孔孔：浇浇

22、注注时时由由FeO与与C作作用用所所生生成成的的CO气气体体不不能能充充分分逸逸出出而而留在钢锭内形成的。留在钢锭内形成的。裂纹裂纹：钢材中已出现的局部破坏：钢材中已出现的局部破坏 分分层层：指指沿沿厚厚度度方方向向形形成成层层间间并并不不相相互互脱脱离离的的分分层层。分分层层处处易易被锈蚀被锈蚀,且分层使钢材性能变差。且分层使钢材性能变差。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.3 2.4.3 钢材硬化钢材硬化冷冷作作硬硬化化在在冷冷加加工工或或一一次次加加载载使使钢钢材材产产生生较较大大的的塑塑性性变变形形的的情情况况下下，卸卸载载后后再再重重新新加加载载

23、，钢钢材材的的屈屈服服点点提提高高，塑塑性性和和韧韧性降低的现象性降低的现象。时时效效硬硬化化随随着着时时间间的的增增加加，纯纯铁铁体体中中有有一一些些数数量量极极少少的的碳碳和和氮氮的的固固熔熔物物质质析析出出，使使钢钢材材的的屈屈服服点点和和抗抗拉拉强强度度提提高高，塑性和韧性下降的现象塑性和韧性下降的现象。应变时效硬化应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体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。发生时效硬化现象。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章

24、钢结构的材料钢结构的材料图图2.4.2 硬化对钢材性能的影响硬化对钢材性能的影响0冷作硬化冷作硬化时效硬化时效硬化冷作硬化后冷作硬化后的塑性区的塑性区2431fyfp冷加工及时效冷加工及时效冷加工及时效冷加工及时效后的塑性区后的塑性区fy0设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料图图2.4.3设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 注注意意:不不管管哪哪一一种种硬硬化化，都都要要降降低低钢钢材材的的塑塑性性和和韧韧性性，对对钢钢材材不不利利。因因此此钢钢结结构构设设计计中中一一般般不不利利用用硬硬化化后后提提高高的的强强度度，而而且且对对于

25、于直直接接承承受受动动荷荷载载的的结结构构还还应设法消除硬化的影响。应设法消除硬化的影响。例例如如，经经过过剪剪切切机机剪剪切切的的钢钢板板，为为了了消消除除剪剪切切边边缘缘的的冷冷作作硬硬化化，可可采采用用火火焰焰烧烧烤烤使使之之“退退火火”或或将边缘刨去将边缘刨去35mm。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.4 2.4.4 温度影响温度影响图图2.4.4温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响8006004002000N/mm2Efufy20040060020406080%220210200190180170160E Ex10 x103 3N/

26、mmN/mm2 2t(0C)设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 1 1正温范围正温范围 200以以内内对对钢钢材材性性能能无无大大影影响响，该该范范围围内内随随温温度度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。250左左右右抗抗拉拉强强度度略略有有提提高高，塑塑性性降降低低，脆脆性性增增加加蓝蓝脆现象，该温度区段称为脆现象，该温度区段称为“蓝蓝脆区脆区”。260320产生徐变现象。产生徐变现象。600左左右右弹弹性性模模量量趋趋于于零零，承承载载能能力力几几乎乎完完全全丧丧失。失。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第

27、二章 钢结构的材料钢结构的材料 当当 温温 度度 低低于于常常温温时时，钢钢材材的的脆脆性性倾倾向向随随温温度度降降低低而而增增加加，材材料料强强度度略略有有提提高高，但但其其塑塑性性和和韧韧性性降降低低，该该现现象象称称为为低低温温冷冷脆脆。2 2负温范围负温范围脆性破坏脆性破坏转变过渡区段转变过渡区段塑性破坏塑性破坏反弯点反弯点试验温度试验温度T T0 0C C冲冲 击击 断断 裂裂 功功 C Cv vT1T2T0图图2.4.5 冲击韧性与温度的关系曲线冲击韧性与温度的关系曲线设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.5 2.4.5 应力集中应力集中 1.1

28、.应力集中的概念应力集中的概念 在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、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。部高峰应力，形成所谓应力集中现象。图图2.4.6孔洞及槽孔孔洞及槽孔处的应力集处的应力集中现象中现象y yz zy yx xz zx xx xy y0 00 01 11 1x xy y0 00 01 11 1设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结

29、构的材料钢结构的材料 2.2.应力集中的影响应力集中的影响 可以看出截面槽可以看出截面槽口改变愈急剧，应力口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑抗拉强度愈高，但塑性愈差，脆性破坏的性愈差，脆性破坏的倾向愈大。倾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10测距10010100600700500400300200100图图2.4.7应力集中对应力集中对-曲线曲线关系的影响关系的影响设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料3.3.减小应力集中现象的措施减小应力集中现象的措施 由由于于钢钢材材具具有有良良好好的的塑塑性性性性能能，

30、当当承承受受静静力力荷荷载载且且在在常常温温下下工工作作时时，只只要要符符合合规规范范规规定定的的设设计计要要求求，可以不考虑应力集中的影响。可以不考虑应力集中的影响。1:2.5图图2.4.8设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.6 2.4.6 荷载的影响荷载的影响 1.1.加荷速度的影响加荷速度的影响 加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。因此，试验时需规定加载速度。温下大得多。因此，试验时需规定加载

31、速度。2.2.循环荷载的影响循环荷载的影响 钢材在钢材在直接的直接的连续连续反复的动力反复的动力荷载作用下，损伤会荷载作用下，损伤会逐渐累积，逐渐累积，缺陷会发展成微观缺陷会发展成微观裂纹裂纹，继而发展到宏观，继而发展到宏观裂裂纹，纹，截面削弱到一定程度而突然截面削弱到一定程度而突然破坏（破坏（这种现象叫这种现象叫疲劳疲劳破坏）。破坏）。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料本节讨论：本节讨论：防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法 (1)(1)合理选择钢材合理选择钢材 温度温度冷脆转变温度低冷脆转变温度低 厚度厚度薄薄 (2)(2)合理设计合理设计 合合理理的的设设

32、计计应应该该在在考考虑虑材材料料的的断断裂裂韧韧性性水水平平、最最低低工工作作温温度度、荷荷载载特特征征、应应力力集集中中等等因因素素后后，再再选选择择合合理理的结构型式，尤其是合理的构造细节十分重要。的结构型式，尤其是合理的构造细节十分重要。设设计计时时应应力力求求使使缺缺陷陷引引起起的的应应力力集集中中减减少少到到最最低低限限度，尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。度，尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 (3)(3)合理制作和安装合理制作和安装 冷加工冷加工栓孔栓孔 钻、扩钻、扩 焊焊接接合合理理工工艺艺、参参数数

33、，减减小小焊焊接接残残余余应应力力，如厚钢板，焊前预热，焊后保温如厚钢板，焊前预热，焊后保温 安装安装减小装配残余应力减小装配残余应力 (4)(4)合理使用及维修措施合理使用及维修措施避免突然荷载避免突然荷载设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.52.5节节 复杂应力作用下钢材的屈服条件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掌握复杂应力作用钢材屈服条件及应用基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料基本基本假定：假定：（1 1）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位）材料由弹性转入塑性的强

34、度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；体积中积聚的能量来表达；（2 2）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变）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。形能时，钢材即由弹性转入塑性。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料OZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力图图2.5.1单元体受主应力单元体受主应力图图2.5.2设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 在在三三向向应应力力作作用用下下，钢钢材材由由弹弹性性状状态态转转变变为为塑塑性性状状态态的的条条件件，可可用用按按能能量量强强度度理理论论计计算算的的

35、折折算算应应力力red和钢材在单向应力和钢材在单向应力下的屈服点下的屈服点fy相比较来判断，即相比较来判断，即1.1.以一般应力分量表示以一般应力分量表示2.2.以主应力表示以主应力表示当当时钢材处于弹性状态，时钢材处于弹性状态，时钢材处于塑性状态。时钢材处于塑性状态。(2-2)(2-2)(2-1)(2-1)设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 对对于于薄薄板板，厚厚度度方方向向的的应应力力很很小小，常常可可忽忽略略不不计计，这这时时三三向向应应力力状状态态可可简简化化为为平平面面应应力力状状态态，式式（2-12-1）成为成为3.3.几种特殊情况几种特殊情况一般的

36、梁，只存在正应力和剪应力，则：一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：（2-2-4 4）（2-2-3 3）设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料纯剪时纯剪时=0 ，则有则有（2-2-5 5）即：钢材的剪切屈服点是单轴拉伸屈服点即：钢材的剪切屈服点是单轴拉伸屈服点 fy的的0.58倍。倍。因此，规范规定：钢材的抗剪设计强度为抗拉设计强度因此，规范规定：钢材的抗剪设计强度为抗拉设计强度的的0.58倍。倍。（2-2-6 6）设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.62.6节节 钢材的疲劳钢材的疲劳1.1.疲劳破坏特征疲劳破坏特征2.2.常幅疲

37、劳常幅疲劳3.3.变幅疲劳变幅疲劳1.1.了解钢材疲劳破坏的特征了解钢材疲劳破坏的特征2.2.掌握疲劳破坏的计算方法掌握疲劳破坏的计算方法本节目录本节目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.6.1 2.6.1 疲劳破坏特征疲劳破坏特征 1.1.概念概念 钢材在连续反复荷载的作用，当应力低于抗拉强度，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。为钢材的疲劳。2.2.疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理 疲劳破坏是积累损伤的结果。疲劳破坏是积累损

38、伤的结果。破坏过程：破坏过程：缺陷缺陷微观裂纹微观裂纹宏观裂纹宏观裂纹断裂。断裂。3 3.疲劳破坏与脆性破坏比较疲劳破坏与脆性破坏比较设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料相同点：相同点：突然断裂，断裂时名义应力都低于屈服点突然断裂，断裂时名义应力都低于屈服点不同点之一：不同点之一：疲劳破坏疲劳破坏 裂纹扩展稳定，缓慢，多次反复加载裂纹扩展稳定，缓慢，多次反复加载 脆性破坏脆性破坏 裂纹扩展不稳定，迅速，一次加载就可能裂纹扩展不稳定，迅速，一次加载就可能 破坏破坏不同点之二：不同点之二：疲劳破坏疲劳破坏 断口分为疲劳区和瞬断区（疲劳区记载了裂断口分为疲劳区和瞬断区（

39、疲劳区记载了裂 缝扩展和闭合的过程，颜色发暗，表面有较缝扩展和闭合的过程，颜色发暗，表面有较 清楚的疲好纹理，呈沙滩状或波纹状。瞬断清楚的疲好纹理，呈沙滩状或波纹状。瞬断 区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到 一临界尺寸时脆性断裂的待点，瞬断区晶粒一临界尺寸时脆性断裂的待点，瞬断区晶粒 粗亮。）粗亮。）脆性破坏脆性破坏 闪光的晶粒状闪光的晶粒状设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料4 4.影响疲劳破坏的主要因素影响疲劳破坏的主要因素 构造细节构造细节应力集中程度和残余应力大小应力集中程度和残余应力大小 荷载循环次数荷载循环次数

40、5104次，验算疲劳次，验算疲劳 荷载引起的循环应力特征荷载引起的循环应力特征 应力幅（焊接结构）应力幅（焊接结构）应力比（非焊接结构）应力比（非焊接结构）注意：注意：与钢材的静力强度和最大应力无明显关系与钢材的静力强度和最大应力无明显关系 不出现拉应力，不会发生疲劳破坏不出现拉应力，不会发生疲劳破坏设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料5 5.几个概念几个概念 循环荷载循环荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载。结构或构件承受的随时间变化的荷载。应力循环应力循环构件截面应力随时间的变化。构件截面应力随时间的变化。应力循环次数应力循环次数结构或构件破坏时所经历的应力变

41、结构或构件破坏时所经历的应力变 化次数。化次数。应力比应力比循环应力中绝对值最小的峰值应力循环应力中绝对值最小的峰值应力min与绝与绝对值最大的峰值应力对值最大的峰值应力max之比。之比。=min/max(拉应力取拉应力取正号而压应力取负号正号而压应力取负号)设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 应力幅应力幅在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅:=maxmax-minmin为常量为常量常幅循环：常幅循环：为变量为变量变幅循环：变幅循环

42、：此处此处max为最大拉应力，取正值，为最大拉应力，取正值，min为最小拉应力或压为最小拉应力或压应力。（拉应力取正号而压应力取负号）应力。（拉应力取正号而压应力取负号）+-t t图图2.6.1设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 循环循环应力谱应力谱图图2.6.2完全对称循环完全对称循环r r=f=fy yt t=minmin/max max=-1-1minminmaxmax+-0 0图图2.6.3脉冲循环脉冲循环r r=f=fy yt t=minmin/max max=0=0+-0 0设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 循环循环

43、应力谱应力谱+-图图2.6.5不完全对称循环二不完全对称循环二r r=f=fy yt t0 0=minmin/max max -1-1minminmaxmax0 0图图2.6.4不完全对称循环一不完全对称循环一r r=f=fy yt t0 0=minmin/max max -1-1minminmaxmax+-0 0设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.6.2 2.6.2 常幅疲劳常幅疲劳当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。对焊接结构：对焊接结构：r r=f=fy yt t=minmin/maxmax=-1=

44、-1minminmaxmax+-0 0图图2.6.6图图2.6.7设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 可以看出，由于焊接残余应力焊缝附近主体金属的可以看出，由于焊接残余应力焊缝附近主体金属的最大应力已达最大应力已达 fy，因此，有，因此，有应力增大时保持应力增大时保持 fy不变不变应力减小时从应力减小时从名义应力比名义应力比真实应力比真实应力比设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名义最大应力义最大应力max和应力比和应力比无关。无关。可见，只要可

45、见，只要为常数，不管名义为常数，不管名义为何值，真实为何值，真实也为常数，因此：也为常数，因此：1.1.容许应力幅容许应力幅 根根据据试试验验数数据据可可以以绘绘出出构构件件或或连连接接的的应应力力幅幅与与相相应应的的致致损损循循环环次次数数N N的的关关系系曲曲线线，按按试试验验数数据据回回归归的的-N曲线为平均曲线曲线为平均曲线(图图a)，取对数坐标，取对数坐标(图图b)。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料图图2.6.8-N曲线曲线(a)0N2S2S 2S2S(b)0N=5104N=5X106.b b1 1设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材

46、料钢结构的材料 考考虑虑试试验验数数据据的的离离散散性性,取取平平均均值值减减去去2倍倍lgN的的标标准准差差s作作为为疲疲劳劳强强度度下下限限，当当lg为为正正态态分分布布时时,保保证证率率为为97.7%。则对应疲劳寿命则对应疲劳寿命n的容许应力幅可由直线斜截式方程的容许应力幅可由直线斜截式方程求出：求出：（y=kx+b）取系数：取系数：lgC是延长直线与横坐标的交点是延长直线与横坐标的交点是直线的斜率是直线的斜率设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料此时的此时的即为容许应力幅：即为容许应力幅：式中

47、：系数式中：系数、C为不同构件和连接类别的试验为不同构件和连接类别的试验参数，称疲劳特征参数。参数，称疲劳特征参数。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2 2.常幅疲劳验算常幅疲劳验算式中：式中：计算部位的应力幅计算部位的应力幅 对于焊接结构对于焊接结构:=max-min 对于非焊接结构：对于非焊接结构：=max-0.7min(折算应力幅）折算应力幅）max、min计算部位每次应力循环中的最大拉应力和计算部位每次应力循环中的最大拉应力和 最小拉应力或压应力（压应力取负值）。最小拉应力或压应力（压应力取负值）。常幅疲劳的容许应力幅常幅疲劳的容许应力幅设计原理设计原理

48、钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料3 3.验算验算公式公式的几点补充说明的几点补充说明 （1 1）计算时用荷载的标准值。）计算时用荷载的标准值。（2 2）由由于于来来源源于于试试验验，已已考考虑虑动动力力效效应应，计计算算时时不不再考虑动力系数。再考虑动力系数。（3 3）公式同样适用剪应力情况验算。）公式同样适用剪应力情况验算。（4 4）针针对对不不同同构构造造和和受受力力特特点点的的钢钢结结构构和和连连接接（应应力力集集中中和和残残余余应应力力分分布布程程度度不不同同）,GB50017-2003把把各各种种不不同同的的构构造造划划分分为为8个个类类别别，给给出出了了8个个类类

49、别别的的C、值。值。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料参数参数和和的取值的取值333333440.410.650.961.472.183.268611940101287654321构件和连接类别构件和连接类别图图2.6.9疲劳容许应力幅疲劳容许应力幅与应力循环次数与应力循环次数n的关系曲线的关系曲线123456784003002001008060105234 5 6 78910621065106107n/（N/mm2）设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 编号越大，其应力集中、残余应力情况越严重，其编号越大，其应力集中、残余应力情况

50、越严重，其C值越小，容许应力幅值越小，容许应力幅越小。越小。（5 5）钢材种类不同，静力强度差别较大，而公式中）钢材种类不同，静力强度差别较大，而公式中 无差别。无差别。试验表明：对目前常用的构件和连接，疲劳强度一试验表明：对目前常用的构件和连接，疲劳强度一般与所用钢材的屈服强度无关。般与所用钢材的屈服强度无关。所以，不能通过提高钢材屈服强度来提高抗疲劳能力。所以，不能通过提高钢材屈服强度来提高抗疲劳能力。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 （6 6）对非焊接结构，残余应力影响较小，疲劳寿）对非焊接结构，残余应力影响较小，疲劳寿命主要与最大应力、应力比有关，但为