杨建-第二章钢结构材料.ppt

第二章 钢结构的材料,2.1 对建筑用钢材的性能要求 较高的强度：抗拉强度fu和屈服强度fy 足够的变形能力：塑性、韧性 良好的加工性能：冷加工、热加工、可焊性,2.2 钢材的主要性能及其鉴定,1、单轴拉伸时的工作性能 条件：标准试件，常温（20）下缓慢加载，直到拉断破坏，一次完成。 标准试件l0 / d =5，10；l0标距； d直径,d,塑性阶段：E为零，失去承载的能力。 应变硬化阶段：又恢复承载的能力，但很快被拉断。,弹性阶段：E为常量 弹塑性阶段：E为变量,对无明显屈服点的钢材,该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变 形小，破坏突然。,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“条件屈服点”,应力应变曲线的简化,1)fy与fe相差很小； 2)超过 fy到屈服台阶终止的变形约为2.5%-3%，足以满足考虑结构的塑性变形发展的要求。,（1）钢材可以简化为理想弹塑性体,（2）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。,（3）断裂时变形约为弹性变形的200倍，在破坏前 产生明显可见的塑性 变形， 可及时补救， 故几乎不可能发生。,0.15%,22%,fu,fy,fu-fy,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和确定钢材强度设计值的重要指标。 当结构或构件截面 fy时，认为结构或构件丧失了继续承载的能力。,（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。直接反映钢材的内部组织的优劣， fu愈高，强度储备愈高。 fu/ fy强屈比，钢材塑性设计的一个重要条件。,（3）伸长率,（4）断面收缩率,它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。,当l0/d=5时，用5表示，当l0/d=10时，用10表示。,A0,A1,2 冷弯性能,在冷弯试验中表现的性能，既能看出钢材塑性变形的能力，又可看出钢材的冶金质量。,3、冲击韧性,衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。,(a)梅氏U型缺口 (b)夏比V型缺口,由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性，（1）梅式U型缺口： ak值（2）夏比V型缺口：CV 单位：J;Cv受温度的影响,4 可焊性,钢材采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数及一定的结构形式等条件下，获得合格焊缝的难易程度。 与含C量和合金元素有关。,钢材性能的鉴定,做钢材的各种性能的鉴定试验时应满足相关的国家标准。,钢材的机械性能指标,1、屈服点fy； 2、伸长率； 3、抗拉强度fu； 4、冷弯试验； 5、冲击韧性Cv (包括常温冲击韧性、 0度时冲击韧性 负温冲击韧性）。,小 节,1、化学成分 普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%； 普通低合金钢中合金元素5%。 （1） 碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。 一般控制在0.22%以下， 在0.2以下时，可焊性良好。,2.3 影响钢材性能的因素,（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，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。 （8）氮（N）：有害杂质，与P相似。 （9）铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。,2、成材过程的影响,冶炼：平炉、转炉 浇铸：钢水钢锭初轧成材（传统工艺） 钢水连铸机钢坯成材（新工艺） 轧制：改善钢材内部组织结构，钢材因辊轧次数不同，其强度亦不相同。 热处理：显著提高强度。,（1）钢材的冷加工硬化,冷加工硬化在常温下的加工称为冷加工。当荷载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则比例极限（或屈服点）提高的现象，也称“应变硬化”。 时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。 应变时效钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。,3、其它因素,（2）温度影响,a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。,800,600,400,200,0,N/mm2,E,fu,fy,200,400,600,温度对钢材机械性能的影响,20,40,60,80,%,T(0C),250左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加兰脆现象，该温度区段称为“兰脆区”。 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，该现象称为低稳冷脆。,b负温范围,(3)应力集中,a.应力集中的概念 构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力应力集中。,b.应力集中的影响,c.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。,2.4 钢材延性破坏和非延性破坏、 循环加载和快速加载的效应,1、延性破坏和非延性破坏（塑性破坏和脆性破坏） 塑性破坏 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 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。 将结构或构件设计成延性结构是我们设计的目的。但并非所有的塑性材料都发生塑性破坏。,二个钢构件，材质相同，长度相同：,直径d0=10mm d0=10mm (刻槽处） 破坏时，拉长较多； 破坏时，无明显变形； 屈服时：fy=251N/mm2 fy=274N/mm2 拉断时：fu=431 N/mm2 fu=431 N/mm2 可见：改变了工作条件，即使塑性材料也可能发生脆性破坏，在设计中应避免这种情况出现。,2、循环荷载的效应（又称重复荷载）,土木工程中，承受重复荷载作用的结构或构件有： 吊车梁：吊车 桥梁：车辆 容器：内部液体 海洋平台：海水 建筑物：地震作用 以上这些重复荷载都是可变荷载，这些重复荷载的作用使构件的钢材易发生疲劳断裂。,循环荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载。,在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。,疲劳破坏的机理,疲劳破坏是积累损伤的结果。 缺陷微观裂纹宏观裂纹。,疲劳破坏的特征,属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。断裂时无明显的变形；裂缝起始点在构件表面处。,（1）疲劳断裂,（2）疲劳强度计算,由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研究阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟，故采用容许应力的计算方法。,式中：-计算部位的应力幅； 对于焊接部位: =max-min； 对于其他部位：=max-0.7min(计算应力幅）。 max、min-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（取负值）。,说明： 1）计算时荷载为可变荷载，且为荷载的标准值； 2)由于来源于试验，已考虑动力效应，计算时不再考虑动力系数； 3)按弹性方法计算截面应力。,并不是所有的承受动力荷载重复作用的构件和连接都进行疲劳验算。,规范规定：直接承受动力荷载重复作用的构件，当应力变化的循环次数n5104次时，对应力循环中出现拉应力的部位进行疲劳验算。,一、建筑钢材的种类 1、碳素结构钢（GB/T 700-88）-低碳钢牌号 Q235-质量等级（A、B、C、D） 浇注方法（F、b、Z、TZ） A-保证fu、fy、，P、S含量 B-保证fu,fy,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;,2.5 建筑钢材的类别及钢材的选用,2.低合金钢(GB/T 1591-94),低合金钢的质量等级分A、B、C、D、E，其中E主要是要求-400 C 的冲击韧性。,二、钢材的选择,（一）选择钢材的原则,1结构或构件的重要性；,2荷载情况（静力荷载，动力荷载）； 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静钢,三、型钢规格,热轧钢板：薄板、厚板 热轧型钢：角钢、槽钢、工字钢、钢管、H型钢、T型钢 冷弯薄壁型钢：,热轧成型的钢板和型钢，冷弯（或冷压）成型的薄壁型钢。,（一）热轧钢板,（表示方法 宽厚度长度