钢结构 第二章.doc

本文由尤文_哲科贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第2章 章 钢结构的材料 2.1 钢结构对钢材性能的要求 2.2 钢材的主要力学性能 2.3影响钢材性能的主要因素 影响钢材性能的主要因素 2.4复杂应力状态下的工作性能 复杂应力状态下的工作性能 2.5 钢材的疲劳性能 2.6 钢材的种类及选择 2.1 钢结构对钢材的基本要求 钢材种类繁多，规格、 钢材种类繁多，规格、用途也不相 对建筑结构用钢来说， 同，对建筑结构用钢来说，主要有三 方面的要求。 方面的要求。 (1)较高的强度： 结构的承载力大，所需的截面小， 结构的承载力大，所需的截面小， 结构的自重轻； 结构的自重轻； 塑性好， (2)较好的塑性及韧性：塑性好， 不易发生脆性破坏；韧性好， 不易发生脆性破坏；韧性好，利于 承受动力荷载； 承受动力荷载； (3)良好的加工性能与耐久性： 包括可焊性、 包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性 能； 2.2 钢材的主要力学性能 1. 单向拉伸试验曲线 2.钢材的主要机械性能 2.钢材的主要机械性能 （1） 强度指标： ） 强度指标： fy 屈服强度，为主要设计依据；fu 屈服强度，为主要设计依据； 为钢材的最大承载强度，即极限强度， 为钢材的最大承载强度，即极限强度， 可作为安全储备。 可作为安全储备。 （2）塑性指标： ）塑性指标： 延伸率 和颈缩率。 延伸率5（10）和颈缩率。描述 钢材产生塑性变形时而不发生脆性断裂 的能力，便于内力重分布，吸收能量， 的能力，便于内力重分布，吸收能量， 为重要指标。 为重要指标。 （3）冷弯性能： 冷弯性能： 在冷加工 过程中产 生塑性变 形时， 形时，对 产生裂纹 的敏感性， 的敏感性， 是判别钢 材塑性及 冶金质量 的综合指 标。 （4）韧性冲 韧性 击韧性指标： 击韧性指标： k 描述钢材在 描述钢材在 一定温度下塑变及 断裂过程中吸收能 量的能力， 量的能力，用于表 征钢材承受动力荷 载的能力（ 载的能力（动力指 o o ），按 标），按20 、 0 、 o o -20 、-40 。 （5）可焊性： 表征钢材焊接后具备良好焊接 接头性能的能力不产生裂纹， 接头性能的能力不产生裂纹， 焊缝影响区材性满足有关要求。 焊缝影响区材性满足有关要求。 2.3 影响钢材性能的主要因素 1. 化学成份 2. 生产工艺 3. 冷作硬化与时效硬化 4. 复杂应力与应力集中 5. 残余应力 6. 温度 1.化学成份的影响 1.化学成份的影响 基本成份为F 含量占99 99； (1) 基本成份为Fe，含量占99； 有益元素C Si、 有益元素C、Si、Mn; 有害元素 S、P、N、O. C的影响 的影响： C使强度 塑性、 使强度 (2) C的影响：含C使强度塑性、 韧性、可焊性 韧性、可焊性， 焊接结构应控制在0.20% 。 Si的影响 的影响： Si适量使强度 （3）Si的影响：含Si适量使强度 其它影响不大，有益， 其它影响不大，有益，含量应 控制在0.10.3% 控制在0.1 0.3% 。 Mn的影响 的影响： Mn适量使强度 （4）Mn的影响：含Mn适量使强度 可降低S 的热脆影响， 可降低S、O的热脆影响，改善 热加工性能，对其它性能影响不大。 热加工性能，对其它性能影响不大。 (5) S的影响：塑性、韧性、性 的影响：塑性、韧性、 能冷弯、可焊性 能冷弯、可焊性，高温时使钢 材变脆热脆现象。 材变脆热脆现象。 (6) P的影响：低温时使钢材变 的影响： 冷脆现象；其它影响同S 脆冷脆现象；其它影响同S，且 控制量同S。 (7)O、 的影响： (7)O、N的影响：可使钢材变得 极脆。 发生热脆）； ）；N 极脆。O同S（发生热脆）；N同 发生冷脆）， ），一般应控制含 P（发生冷脆），一般应控制含 量0.008% 。 2. 生产工艺的影响 （1）冶炼过程主要控制化学成 分。 （2）浇铸的影响主要为脱氧方 沸腾钢用Mn为脱氧剂， Mn为脱氧剂 法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，时间 价格低，质量差； 快，价格低，质量差；镇静钢用 Si为脱氧剂，时间慢，价格高， Si为脱氧剂，时间慢，价格高， 为脱氧剂 质量好。 质量好。 (3) 反复的轧制可使得钢材规格 变小，改善钢材的塑性， 变小，改善钢材的塑性，同时可 以使钢材中的气孔、裂纹、 以使钢材中的气孔、裂纹、疏松 等缺陷焊合， 等缺陷焊合，使金属晶体组织密 晶粒细化， 实，晶粒细化，消除纤维组织缺 使钢材的力学性能提高。 陷，使钢材的力学性能提高。同 一牌号的钢材，厚度或直径越小， 一牌号的钢材，厚度或直径越小， 强度越高。 强度越高。 3.冷作硬化与时效硬化的影响 （1）由于某种因素的影响而 使钢材强度提高，塑性、 使钢材强度提高，塑性、韧性下 增加脆性的现象称之为硬化 降，增加脆性的现象称之为硬化 现象。 现象。一般为重复荷载作用下弹 性极限提高（ 性极限提高（进入塑性阶段后 发生）。 发生）。 （2）冷加工时（常温进行弯折、 冷加工时（常温进行弯折、 冲孔剪切等）， ），钢材发生塑性 冲孔剪切等），钢材发生塑性 变形从而使钢材变硬的现象称 之为冷作硬化 冷作硬化。 之为冷作硬化。 ? （3）钢材中的C、N，随着时间 钢材中的C 的增长和温度的变化， 的增长和温度的变化，而形成 碳化物和氮化物， 碳化物和氮化物，使钢材变脆 老化”现象称之为时效硬 的“老化”现象称之为时效硬 化。 可划分为裂纹的形成， （2）可划分为裂纹的形成，裂 纹缓慢扩展和最后迅速断裂三 个阶段。 个阶段。 （3）疲劳强度与反复荷载引起 应力种类（ 拉应力、 压应力、 的 应力种类 （ 拉应力 、 压应力 、 剪应力和复杂应力等） 剪应力和复杂应力等 ） 、 应力 循环形式、 应力循环次数、 循环形式 、 应力循环次数 、 应 力集中程度和残余应力等有关 等有关。 力集中程度和残余应力 等有关 。 4.复杂应力与应力集中的影响 （1）钢材在多向同号应力场作用下， 钢材在多向同号应力场作用下， 一个方向的变形受到另一向的限制， 一个方向的变形受到另一向的限制， 而使钢材强度增加，塑性、韧性下降， 而使钢材强度增加，塑性、韧性下降， 异号应力场时则相反。 异号应力场时则相反。 （2）钢构件由于截面的改变以及孔 凹槽、 洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产 生应力集中，应力集中的实际为： 生应力集中，应力集中的实际为：局 部应力增大并多为同号应力场。 部应力增大并多为同号应力场。 5. 残余应力的影响 钢材在轧制、焊接、 钢材在轧制、焊接、切割等过 程中会产生在构件内部自相平 衡的内力, 衡的内力,残余应力虽对构件的 静力强度无影响， 静力强度无影响，但对构件的 变形（刚度）、 ）、疲劳以及稳定 变形（刚度）、疲劳以及稳定 承载力产生不利影响。 承载力产生不利影响 6. 温度的影响 （1）正温影响 总体影响规律为温度上升，钢材的 总体影响规律为温度上升， 强度降低，塑性、韧性提高， 强度降低，塑性、韧性提高，温度达 o 450左右时， 450-600 c左右时，钢材的强度几乎降 至为零，而塑性、韧性极大， 至为零，而塑性、韧性极大，易于进 行热加工，此温度称之为热煅温度 热煅温度。 行热加工，此温度称之为热煅温度。 需要说明：钢材在250 左右时，强度提高， 需要说明：钢材在250 左右时，强度提高， 塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色， 塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一现象称 o 之为蓝脆现象 钢材在200 以上时应采取隔热措 蓝脆现象。 之为蓝脆现象。钢材在200 以上时应采取隔热措 施。 o （2）负温影响 随着温度的降低钢材的强度提 高，塑性、韧性降低，脆性增大， 塑性、韧性降低，脆性增大， 称之为低温冷脆，当温度降至某 称之为低温冷脆， 低温冷脆 一特定温度时钢材的脆性急剧增 称此温度点为转脆温度 转脆温度。 大，称此温度点为转脆温度。 2.4 复杂应力状态下的工作性能 1. 复杂应力时的折算应力 1 2 2 2 e = ( 1 ? 2 ) + ( 2 ? 3 ) + ( 3 ? 1 ) 2 e = + 3 2 2 f vy = f y / 3 0.58 f y e = + 3 = 3 = f y = 3 f vy 2 2 同号应力，强度提高， 2. 同号应力，强度提高，易发生 脆性破坏。 脆性破坏。 异号应力，强度降低， 3. 异号应力，强度降低，易发生 塑性破坏。 塑性破坏。 2.5 钢材的破坏形式 一、塑性破坏 ? 二、脆性破坏 ? 三、疲劳破坏 一、 塑性破坏 1. 塑性变形很大、经历时间又较长的破坏也称延性破 坏： 2. 塑性破坏的特征 特征是构件应力超过屈服点、并达到抗 特征 拉极限强度后、构件产生明显的变形并断裂，它是 钢材晶粒中对角面上的剪应力值超过抵抗能力而引 起晶粒相对滑移的结果； 3. 断口 断口与作用力方向常成45，断口呈纤维状，色泽 灰暗而不反光，有时还能看到滑移的痕迹。 4. 钢材的塑性破坏是由于剪应力超过晶粒抗剪能力 超过晶粒抗剪能力而 超过晶粒抗剪能力 产生的。 二、脆性破坏 1、特征 ? 脆性破坏在破坏前无明显变形平均应力小， 往往比屈服点低很多。脆性断裂没有任何预 兆，破坏断口平直并呈有光泽的品粒状。 ? 从力学观点来分析，脆性破坏是由于拉应力 超过晶粒抗拉能力而产生的。 ? 脆性破坏是突然发生的，危险性大，应尽量 避免。 2、影响脆性断裂的因素 1)钢材质量差：钢材的碳、硫、磷、氧、氮 等元素含量过高金缺陷严重、韧性差等。 (2)结构构件构造不当；孔洞、缺口或截面改 变急剧或布置不当，导致应力集中； (3)制造安装质量差；焊接、安装工艺不合 理焊缝交错； 4)结构受有较大动力荷载，或在较低环境温 度下工作等。 3、防止的措施 防止脆性断裂的关键是在设计、制造和使 用钢结构时： 要注意改善构造的形式，降低应力集中 程度；尽量避免和减少焊接残余应力及 其他工艺引起的残余应力；选用冷脆转 变温度低的钢材(即保证负温冲击韧性指 标)；尽量采用薄钢板。 三、疲劳破坏 1.何为疲劳破坏 1.何为疲劳破坏？ 钢材在连续反复荷载作用下， 钢材在连续反复荷载作用下，虽然应 力还低于极限强度，甚至还低于屈服点， 力还低于极限强度，甚至还低于屈服点， 而发生的断裂。 而发生的断裂。 2.主要特点 2.主要特点： 主要特点 破坏之前， （1）破坏之前，不出现明显的 变形和局部收缩，和脆性破坏一样， 变形和局部收缩，和脆性破坏一样， 是一种突然发生的断裂。 是一种突然发生的断裂。 可划分为裂纹的形成， （2）可划分为裂纹的形成，裂 纹缓慢扩展和最后迅速断裂三 个阶段。 个阶段。 （3）疲劳强度与反复荷载引起 应力种类（ 拉应力、 压应力、 的 应力种类 （ 拉应力 、 压应力 、 剪应力和复杂应力等） 剪应力和复杂应力等 ） 、 应力 循环形式、 应力循环次数、 循环形式 、 应力循环次数 、 应 力集中程度和残余应力等有关 等有关。 力集中程度和残余应力 等有关 。 3、几个概念 （1）、应力比 循环中绝对值最小的峰值应力 与绝对值最 大的峰值应力点之比 min = max （2）、应力幅 = max ? min 4、疲劳计算的主要规定： （ 1） 承受动力荷载重复作用的 钢结构构件及其连接， 钢结构构件及其连接，当应力变 化循环次数n等于或大于2 化循环次数n等于或大于2106时， 应进行疲劳计算； 应进行疲劳计算； （ 2 ） 在应力循环中不出现拉应 力的部位，可不进行疲劳计算； 力的部位，可不进行疲劳计算； 计算疲劳时， （3）计算疲劳时，应采用荷载的 标准值，不应乘以动力系数； 标准值，不应乘以动力系数； 疲劳计算采用容许应力幅法， （4）疲劳计算采用容许应力幅法， 并按弹性状态计算应力， 并按弹性状态计算应力 ， 分常幅 疲劳和变幅疲劳两方面进行计算； 疲劳和变幅疲劳两方面进行计算 ； ? （5）规范对疲劳计算的构件和连 接划分为1 个类别， 接划分为1到8个类别，其中给出了 19种不同情况的构件或连接 种不同情况的构件或连接。 19种不同情况的构件或连接。类别 数字愈大，则其疲劳性能愈差。 数字愈大，则其疲劳性能愈差。 （6）变幅疲劳的验算公式为 e ? ni (? i ) ? e = ? ? ni ? ? ? ? 1/ 2.6 钢材的种类与选择 一、钢材的种类 按用途分类结构钢、工具钢、特殊钢 按冶炼方法分平炉钢、转炉钢 按脱氧程度分沸腾钢F、半镇静b、镇 静Z、特殊镇静TZ 按化学成分分类 碳素结构钢分： 碳素结构钢分： A、B、C、D 四 含所有脱氧方法； 级，含所有脱氧方法； 低合金结构钢分： 低合金结构钢分：A、B、C、D、E 五级， 五级，只有镇静钢和特殊镇静 钢。 钢材牌号 钢材牌号： Q+屈服点值+质量等级+ Q+屈服点值+质量等级+脱氧方法 屈服点值 服强度” 服强度”； 质量等级： 质量等级：分AE五级（字序越高质量越 E五级（ 好）； 脱氧方法： 沸腾钢； 镇静钢（ 脱氧方法：F沸腾钢；Z镇静钢（一般省 ）；b 半镇静钢；TZ特殊镇静钢。 略）；b半镇静钢；TZ特殊镇静钢。 Q：为“屈”字拼音首位字母，意为“屈 字拼音首位字母，意为“ 2建筑结构用钢的选择原则 （）选材时应根据: 选材时应根据: 结构的重要性 荷载性质（ 荷载性质（静、动） 连接方法 工作环境 等因素综合考虑以选择适宜钢材。 等因素综合考虑以选择适宜钢材。 一般承重结构应有： （）一般承重结构应有： fu、fy、5以及C、S、P的极限 以及C 含量合格保证； 含量合格保证； 承受动力荷载需要验算结构疲 劳强度时, 除上述要求外， 劳强度时, 除上述要求外，对 的有要求。 k的有要求。 3建筑结构用钢规格 （1）钢板 薄钢板: 薄钢板: 厚0.354, 宽5001800; 厚钢板: 厚钢板: 厚4.560, 宽7003000; 特厚板: 特厚板 厚60, 宽6003800; 扁 钢: 厚4.560, 宽12200. 图纸中用宽 表示. 图纸中用 宽厚表示 （2）型钢 角 钢：等边 1008 不等边100808 不等边 热轧） 槽 钢：12a（热轧） （2）型钢 工字钢： 热轧） 工字钢：I32a（热轧） H型钢：H340150812 型钢： 型钢 可分为HW、HM、HN、HP； 、 可分为 、 、 ； 热轧和焊接两种。 热轧和焊接两种。 T型钢：T248180812 型钢： 型钢 可分为TW、TM、TN；通常由 、 可分为 、 ；通常由H 型钢剖分而成。 型钢剖分而成。 钢 管：可分为热轧无缝钢管 和焊接钢管（ 和焊接钢管（又为直缝焊接和 螺旋焊接）两种。 螺旋焊接）两种。 冷弯薄壁型钢： 冷弯薄壁型钢： 冷轧而成、 冷轧而成、厚1.512，国外 ， 已达25mm。 已达 。 用于承重时， 用于承重时，冷弯试验和 S 、P含量应合格。 含量应合格。 含量应合格 三、结构钢材的选用 1结构钢材选材原则 选择钢材的目的是要做到结构安全可 靠，同时用材经济合理。 (1)结构或构件的重要性。 (2)荷载性质(静载或动载)。 (3)连接方法焊接、铆接或螺栓连接)。 (4)应力特征。 (5)结构的工作温度。 (6) (6)钢材厚度。 (7)环境条件。 2结构钢材选材的要求 1)基本要求 (2)焊接结构附加要求： (3)抗震结构附加要求： 1)基本要求 为保证承重结构的承载能力及防止在 一定条件下出现脆性破坏。 应根据结构的重要性、荷载特征、连 接方法、环境温度以及构件所处部位等 情况选择合适的牌号和材质： 承重结构的钢材应保证抗拉强度、屈服 点、伸长率和硫、磷的合格保证；对焊 接结构尚应具有碳含量的合格保证 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结 构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格 保证。 对于需要验算疲劳的焊接结构、非焊 接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的 合格保证。 (2)焊接结构附加要求： 含碳量。钢材的含碳量不应超