水工钢结构第二章.ppt

第二章钢结构的材料和计算方法 钢结构对钢材的要求 有较高的强度 塑性好 冲击韧性好 冷加工性能好 可焊性好 耐久性好 第一节钢材的主要性能一 钢材的破坏形式钢材的强度断裂破坏 塑性破坏 脆性破坏塑性破坏 伴随有明显的变形的破坏 第二章钢结构的材料和计算方法 一 钢材的破坏形式 一 钢材的破坏形式 脆性破坏 没有明显变形征兆的突然发生的破坏 1972年廊坊因一个杆脆断屋架倒塌1995年韩国一大桥倒塌1999年四川綦 qi 江彩虹桥倒塌 二 钢材的主要机械性能 钢材在常温 静载 单向一次均匀受拉时的机械性能 d Lo 标距d 直径 长试件Lo 10d短试件Lo 5d 条件 标准试件 GB228 63 表面光滑 有内圆角 常温下缓慢加载 一次完成 软钢VS硬钢含C量0 06 0 15 极软钢0 15 0 30 软钢0 30 0 50 半硬钢0 50 0 80 硬钢0 80 2 11 极硬钢 二 钢材的主要机械性能 钢材在常温 静载 单向一次均匀受拉时的机械性能 A 软钢应力应变曲线 F 2 11 生铁 A 软钢的应力应变曲线可以分为四个阶段 1 弹性及弹塑性阶段 OB段 OA段材料处于线弹性 即 AB段有一定的非线性变形 但整个OB段卸载时 0 E 206 103N mm2 适于各种钢材 比例极限 A点 应力应变曲线 F 2 塑性阶段 BCD 该段很短 表现出钢材的非弹性性质 B 屈服上限 C 屈服下限 取下限为屈服强度fy 3 自强阶段 DE 该段 基本保持不变 水平 急剧增大 称为屈服台阶或流幅段 屈服强度 重要的机械性能指标 作为钢材强度的标准值 抗拉强度 F 4 颈缩阶段 EF段 伸长率 是衡量钢材塑性性能的一项主要指标 愈大 塑性愈好 F B 对无明显屈服点的钢材 硬钢 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 应力应变曲线的简化 因为 1 fy与fp相差很小 2 计算简便 1 在钢结构的强度设计中 可以假定钢材为理想的弹塑性体 含义 钢材在屈服点以前应力与应变关系符合胡克定律 接近理想弹性体工作 屈服点以后塑性平台阶段又近似于理想的塑性体 2 以fy作为强度标准值 因为 1 虽然fu fy 但对应的变形非常大 2 以fy作为设计强度的依据 具有较大的强度储备 若出现偶然因素 使人们有机会抢救 冷弯实验 180 弯曲试验 以钢材试件冷弯不出现裂缝或分层为试验合格 冷弯试验是钢材的塑性 冷加工能力和显示钢材内部缺陷 分层 非金属加渣 状况的一项指标 弯心直径附录一表4 冲击韧性 附录一表2 表4 衡量指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力 是衡量钢材抵抗因低温 应力集中 冲击荷载作用而脆性断裂能力的一项指标 冲断试样所消耗的能量的大小来衡量钢材的冲击韧性Akv 冲击功 是衡量冲击韧性的指标 三 钢材的焊接性能 抗蚀性和防腐蚀措施 1 钢材的焊接性能是指在给定的构造型式和焊接工艺条件下获得符合质量要求的焊缝连接的性能 焊接性能差的钢材在焊接区域容易发生脆性断裂 2 钢材的抗蚀性用腐蚀速度来衡量每年腐蚀厚度的毫米数 mm a 单位时间内单位面积腐蚀减损的重量 g m2 a 三 钢材的焊接性能 抗蚀性和防腐蚀措施 3 水工钢结构防腐蚀措施 涂料保护 喷镀保护 电化学保护 第二章钢结构的材料和计算方法 第二节影响钢材力学性能的主要因素 影响因素 第二节影响钢材力学性能的主要因素 一 化学成分的影响 附录一表1 表3 碳素钢和合金钢 二 钢材冶炼 浇注和轧制的影响 钢材生产流程 冶炼 浇注成锭 轧制1 冶炼主要是平炉和转炉两种 二 钢材冶炼 浇注和轧制的影响 钢材生产流程 冶炼 浇注成锭 轧制2 浇注成锭 二 钢材冶炼 浇注和轧制的影响 钢材生产流程 冶炼 浇注成锭 轧制2 浇注过程中因脱氧程度不同而分为沸腾钢 F 半镇静钢 b 镇静钢 Z 和特殊镇静钢 TZ 1 沸腾钢 用Mn作脱氧剂 脱氧不完全 能满足一般承重结构的要求 应用较多 2 半镇静钢 用Mn和少量Si作脱氧剂 脱氧程度介于上下两者之间 3 镇静钢 用Mn和Si作脱氧剂 脱氧过程中有大量气体溢出 适用于低温并承受动力荷载的焊接结构和重要结构中 4 特殊镇静钢 补充Al作脱氧剂 浇注缺陷的影响 偏析金属结晶后化学成分分布不均匀的现象 主要是硫 磷偏析 其后果是偏析区钢材的塑性 韧性 可焊性变坏 裂纹钢材中存在的微观裂纹 非金属夹杂指钢材中的非金属化合物 如硫化物 氧化物 他们使钢材性能变脆 气泡浇铸时由FeO和C作用所生成的CO气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞 分层浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层 使钢材厚度方向的受拉性能降低 2020 1 5 二 钢材冶炼和轧制的影响 3 轧制 把钢锭再加热至1200至1300 用轧钢机将其扎成所需要的形状和尺寸 轧制的影响 轧钢机压力作用可使钢锭中的小气泡和质地较梳松部分密实起来 消除缺陷和细化钢的晶粒 而且压缩比愈大其强度和冲击韧性也愈高 钢材轧制次数愈多愈薄 内部组织愈均匀 强度也愈高 故钢材的机械性能要按厚度或直径的大小进行分组 P32表2 4 宽翼缘H型钢轧制示意图 三 复杂应力和应力集中的影响 1 复杂应力的影响单向应力条件下 钢材进入塑性工作阶段的条件是按照第四强度理论来衡量 钢的塑性条件用折算应力来衡量三向主应力 当时 钢材处于弹性工作阶段当时 钢材进入塑形工作阶段 三 复杂应力和应力集中的影响 1 复杂应力的影响 同号平面应力状态 即且二者同号 危险情况 应尽量避免 同号立体应力状态 同上 危险情况 应尽量避免 三 复杂应力和应力集中的影响 1 复杂应力的影响 异号平面应力状态 即且二者异号 安全情况 可以出现 异号立体应力状态 同上 安全情况 可以出现 三 复杂应力和应力集中的影响 2 应力集中的影响 图2 5 当承受动荷载时往往导致脆性破坏 当承受静荷载时 只要构造合理 应力集中一般不影响截面的静力极限承载力 设计时可不考虑其影响 四 硬化的影响 1 硬化钢材在弹性范围内重复加 卸荷载一般不致改变钢材的性能 当超过此范围后将引起钢材的性能变化 表现为钢材的屈服强度 弹性范围增加 塑性和伸长率降低 这一性质称为硬化 四 硬化的影响 3 时效硬化钢材随时间进展将使屈服强度和抗拉强度提高 伸长率和冲击韧性降低 称为时效硬化 随着时间的增长碳 氮从纯铁中析出 形成渗碳体和氮化物 散布在晶粒的滑动面上 阻碍滑移 约束结构变形 使钢变硬变脆 2 冷作硬化钢结构在制造过程中 在常温下进行冷加工 产生了很大的塑性形变而引起的钢的硬化现象 称为冷作硬化 五 温度影响 钢材的机械性能随温度的不同而有变化 钢材的塑性和冲击韧性会随温度的下降而降低 0 C150 C200 C250 C300 C600 C 脆性转变温度 影响因素 第三节钢材的疲劳 一 钢材疲劳破坏特点钢材在循环应力反复作用下裂纹生成 扩展以至断裂破坏的现象称为钢材的疲劳破坏 疲劳破坏属于脆性断裂 但又与一般的脆性断裂不同 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 第二章钢结构的材料和计算方法 一 钢材疲劳破坏特点 典型的疲劳断口斑纹 裂纹扩展区和脆性断裂区 一 钢材疲劳破坏特点 钢材的疲劳破坏与钢材的质量 构件的几何尺寸和缺陷等因素有关 主要取决于循环荷载在钢材内引起的反复循环应力的特征和循环次数 循环应力的特征可用应力随时间变化的曲线即应力谱描述 一 钢材疲劳破坏特点 疲劳试验通常采用的几种正弦应力谱 应力谱的特征可用应力比 也可用应力幅 应力循环次数n 疲劳寿命 应力循环次数n 5 104 不需要进行疲劳计算 应力幅越低 作用循环次数越多 疲劳寿命越高 0 N1 N2 fy 1 2 3 4 5 6 nX105 应力幅与应力循环次数的关系 二 常幅疲劳验算 曲线 由实验获得 直角坐标系双对数坐标系 二 常幅疲劳验算 钢结构设计规范 GB50017 2003 规定常幅疲劳按下式进行验算 试验表明 在一定循环次数下 发生疲劳破坏的应力幅大小 主要取决于构件或连接的细部构造 n 应力循环次数 c 系数 根据不同形式的构件或连接而异附录二 表2 1 容许应力幅N mm2 二 常幅疲劳验算 附录二 按照残余应力和应力集中程度将构件和连接分类分成8类 1类最轻 8类最重 表2 1 例题2 1 一个轴心拉力的钢板 Q345钢 截面为400mm 20mm 在垂直拉力方向由对接焊缝连接 如下图所示 焊缝表面加工磨平 质量一级 钢板承受重复荷载 预期循环次数n 106次 荷载标准值Nmax 1300kN Nmin 0kN 试进行疲劳验算 Q1 在给定荷载的条件下 最多可循环多少次 Q2 在指定的循环次数下 若Nmin 0kN 求允许的最大Nmax 三 变幅疲劳验算 正确的方法是结合结构实际变幅荷载进行疲劳计算 钢结构设计规范 根据线性累积损伤法则 把变幅疲劳折合成常幅疲劳进行计算 线性累积损伤法则假定疲劳破坏与不同水平的应力幅出现的先后次序无关 虽然与实际有所不同 但可简化计算 且能保证安全 三 变幅疲劳验算 步骤 1 实测使用期内变幅荷载规律 算出2 把不同应力幅按大小分成n级 并统计每一级的循环次数 记为n1 n2 nn3 计算等效应力幅4 验算疲劳强度容许应力幅不变 例题2 2 某Q345钢构件焊接部位的疲劳类别属于6类 经测试每年的应力循环次数约4万次 其中各种应力幅及出现的频率为 15N mm2占5 35N mm2占20 80N mm2占30 100N mm2占25 130N mm2占15 160N mm2占5 1 按设计基准期T 50年考虑 试验算疲劳强度是否满足要求 2 求该焊接部位的设计疲劳寿命 年 四 疲劳计算应注意的问题 直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件和连接 当应力循环次数n 50000时 应进行疲劳计算 疲劳计算时 作用于结构的荷载取标准值 在全压应力 不出现拉应力 循环中 裂缝不会扩展 故可不作疲劳验算 试验证明 钢材静力强度的不同 对大多数焊接类的疲劳强度无明显影响 第四节钢材的钢号及选用 一 建筑钢的种类钢结构常用的钢材 碳素钢和低合金钢两类 碳素钢根据含碳量分 生铁或铸铁 高碳钢 中碳钢 低碳钢 熟铁 钢结构用钢要求C 0 22 焊接结构要求C 0 2 按合金元素总含量分 低合金钢 中合金钢和高合金钢 按浇注方法 沸腾钢 半镇静钢 镇静钢 特殊镇静钢 二 建筑钢的牌号 Q235 碳素钢 屈服强度值 单位N mm2 按质量分为A B C D四种 A最差 D最好 一般A B级为F bZ Z C级为Z D级为TZ 故Z TZ可以略去不写 Q235 CQ235 B F 附录一表1 性能 附录一表2 fy及 随厚度分级增加而有所降低 抗拉强度不随厚度变化这三个指标值和质量级别无关 二 建筑钢的牌号 低合金钢Q345 Q390 Q420 按质量分为A B C D E五种 A最差 E最好 一般均为Z Q345 CQ390 EQ420 D 附录一表3 性能 附录一表4 三 专用结构钢 专用结构钢的牌号 是在相应钢的牌号后加上专业用途的汉语拼音字母 如q 桥 c 船 R 容 g 锅 等 例如16Mnq 16锰桥钢表示含碳量为0 16 主要元素为Mn的低合金桥梁用钢 15MnVq 四 建筑钢的选用 选用钢材的任务是确定钢材牌号 包括钢种 冶炼方法 脱氧方法 质量等级等 及提出应有的机械性能和化学成分保证项目 原则 既要安全可靠 满足使用要求 又要尽可能节约 降低造价 选用钢材主要考虑以下几点 1 结构所承受的荷载特性 2 结构类型及重要性 3 连接方法 4 结构的工作温度和所处的环境 四 建筑钢的选用 Q235 A F和Q235 B F不宜用的几种情况 1 焊接结构 1 直接承受动力荷载或震动荷载且需要进行疲劳验算的 2 低温2 非焊接结构低温且直接承受动力荷载 第五节轧成钢材的规格及用途 选用型钢规格时 需考虑以下几点 1 选薄的 轧的次数多 内部均匀 强度高 2 同一结构中所选用规格不宜过多 尺寸的级差不要过密 以省工时 少出错 3 了解供应情况和价格 常用轧成钢材的类型钢板角钢工字钢槽钢钢管 第五节轧成钢材的规格及用途 第五节轧成钢材的规格及用途 1 钢板表示方法 宽度 厚度 长度 单位 mm分为厚板 薄板及扁钢三种 厚钢板 厚度4 60mm 宽度700 3000mm 热轧成型 主要用作梁 柱 实腹式框架等构件的腹板和翼缘 以及桁架中的节点板 薄钢板 厚度为0 35 4mm 宽度500 1800mm 冷轧成型 主要用于制造冷弯薄壁型钢 扁钢 厚度为4 60mm 宽度12 200mm 主要用于组合梁的翼缘板 各种构件的连接板 桁架节点板和零件等 钢板 扁钢 第五节轧成钢材的规格及用途 2 角钢 等肢角钢和不等肢角钢 可成对使用 作为独立的受力构件 格构柱等亦可作为构件间的连接零件 表示方法 L90 10 肢宽 壁厚 mm L100 75 8 第五节轧成钢材的规格及用途 3 工字钢和H型钢工字钢主要用于腹板平面内受弯构件 亦可用一对工字钢组成格构柱 表示方法 I20a 附录三 用号数表示 号数即为其截面高度的厘米数 32号以上的工字钢 同一号数有三种腹板厚度 分别为a b c三类 cm H型钢翼缘较宽 刚度稳定性好 主要用于翼缘平面内受弯构件 第五节轧成钢材的规格及用途 4 槽钢常作为连接构件 以及跨度和荷载较小的次梁表示方法 25b 附录三 以其截面高度的厘米数编号 高度 表征宽度的字母 cm 第五节轧成钢材的规格及用途 5 钢管截面对称 回转半径大 稳定性好常作为受压构件 塔桅结构 采油平台下部结构外径 厚度 第五节轧成钢材的规格及用途 6 压型钢板V型 U型 梯形等波形钢板主要用作屋面板 楼板 墙面板或者其他特殊用途 第六节钢结构的计算方法 一 概率极限状态设计法概要结构计算的目的是保证结构的构件和连接在使用的荷载作用下 能安全可靠的工作 恰当处理结构的可靠性 安全 适用 耐久 和经济性两方面的要求 计算方法 有容许应力法和半概率半经验的极限状态法 概率极限状态法 近年来 由于可靠度理论的发展 我国GB50068 2001 建筑结构可靠度设计统一标准 规定 各建筑物应采用 以概率论为基础的极限状态设计法 该法简称 概率极限状态法 一 概率极限状态设计法概要 结构可靠度的定义 结构在规定的时间内 在规定的条件下 完成预定功能的概率 规定时间 是指设计基准使用期 一般为50年 预定功能 1 能承受正常使用 施工 各种作用 2 正常使用时 工作性能良好 3 在正常维护下 要有足够的耐久性 4 偶然事件发生时和发生后 仍然保持必需的整体稳定性 一 概率极限状态设计法概要 根据要求的功能 规定出具体的极限状态 分为两类 1 承载能力的极限状态 是结构或构件达到最大承载能力 当结构出现下列状态 即认为超过承载能力的极限状态 a 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡 b 结构 构件或连接因应力超过材料的极限强度值而破坏 c 结构发生疲劳破坏 d 结构或构件丧失稳定 一 概率极限状态设计法概要 2 正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用的某项规定限值或耐久性能的规定限值 出现下列状态之一 即认为超过了正常使用极限状态 a 影响正常使用或外观的变形 b 影响正常使用或耐久性的局部损坏 c 影响正常使用的振动 一 概率极限状态设计法概要 以Z表示结构的功能函数 由构件和连接的抗力R 荷载对构件和连接的综合效应简称荷载效应SZ R S Z 0可靠状态 Z