钢结构的材料.ppt

第二章钢结构的材料 钢材的破坏形式 1 塑性破坏 钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破坏 也称为延性破坏 2 脆性破坏 钢材在变形很小的情况下突然发生断裂破坏 钢结构对所用材料的要求 强度fy fu高 强度高可减轻结构自重 塑性 韧性 耐久性好 可防止脆性破坏 抗动力荷载好 耐疲劳 良好的加工性能 冷 热加工和可焊性好 耐腐性好 有时还要求钢材具有适应低温 高温等环境的能力 钢结构设计规范 GB50017 推荐使用 碳素结构钢中的Q235钢 低合金结构钢中的Q345钢 Q390钢 Q420钢 第一节钢材的主要机械性能 钢材的机械性能 力学性能 由试验得到 试验采用的试件的制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行 一 单向拉伸性能 标准试件在室温 100C 350C 满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力应变曲线显示的钢材机械性能如下 可把钢材视为理想弹塑性体 强度 fy强度设计标准值 设计依据 fu钢材的最大承载强度 二 冷弯性能 伸长率 反映钢材的塑性变形能力 将试件弯成180o 若试件外表面不出现裂纹和分层 即为合格 冷弯试验综合反映钢材的塑性性能和冶金质量 三 冲击韧性 冲击韧性值用击断试样所需的冲击功AKV表示 单位为J 冲击韧性与温度有关 当温度低于某一值时 冲击韧性值将急剧降低 因此在寒冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构 除应有常温冲击韧性的保证外 尚应依钢材的类别 使其具有 20oC或 40oC的冲击韧性保证 应AKV 27J 焦耳 四 钢材受压和受剪时的性能 钢材在单向受压 短试件 时 受力性能基本与单向受拉相同 受剪的情况也相似 但屈服点 y及抗剪强度 u均低于fy和fu 剪变模量G也低于弹性模量E 第三节影响钢材性能的主要因素 一 化学成分的影响 基本成份为Fe 钢中含量占99 C含量小于0 22 Si Mn为脱氧元素 S P N O为冶炼过程中不易除尽的有害元素 C 含C 使强度 塑性 韧性 可焊性 应控制在 0 22 焊接结构应控制在 0 20 Si 含Si适量使强度 其它影响不大 有益 应控制 0 1 0 3 Mn 含Si适量使强度 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 有益 S 含量 使强度 塑性 韧性 性能冷弯 可焊性 高温时使钢材变脆 热脆现象 P 低温时使钢材变脆 冷脆现象 其它同SO N O同S N同P 控制含量 0 008 二 钢材生产过程的影响 钢的脱氧因脱氧程度或方法不同 把钢分为沸腾钢 F 半镇静钢 b 镇静钢 Z 和特殊镇静钢 TZ 钢材的轧制轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合 并使组织密实 其强度和冲击韧性也愈高 三 温度的影响 温度T0称为脆性转变温度 四 冷加工硬化和时效硬化1 应变硬化钢材在常温下加工称为冷加工 冷轧 冷弯 冲孔 机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形 从而使fy提高 但同时降低了钢材的塑性和韧性 这种现象称为冷加工硬化 2 时效硬化钢材经过一定时间后强度提高但塑性降低 这种现象称为时效硬化 不同种类钢材的时效硬化过程可从几小时到数十年 3 人工时效使钢材产生10 的塑性变形 再加热到200 300oC 然后冷却到室温进行试验 这样可使时效在几小时内完成 4 设计要求钢结构设计一般不利用冷加工硬化造成的强度提高 而且对直接承受动力荷载的钢结构还应设法消除冷加工硬化的影响 如将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除 五 复杂应力状态的影响 在复杂应力如平面或立体应力作用下 钢材的屈服并不只取决于某一方向的应力 而是由反映各方向应力综合影响的屈服条件来确定 六 应力集中的影响 钢构件在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力 称为应力集中 在应力高峰区域存在着同号的双向或三向应力 这种同号的双向或三向应力场有使钢材变脆的趋势 在负温下或动力荷载作用下 应力集中往往是引起脆性断裂的根源 设计中应设法避免或减小应力集中 并选用质量优良的钢材 第四节钢材的疲劳 一 钢材疲劳的基本概念钢材在反复荷载作用下 在应力低于钢材抗拉强度甚至低于屈服点时突然断裂 称为钢材的疲劳或疲劳破坏 钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷 导致应力集中 在多次反复荷载作用下 微观裂纹不断开展 应力集中现象越来越严重 当荷载反复循环达一定次数n 疲劳寿命 时 裂纹扩展使得净截面承载力不足以承受外力作用时 构件突然断裂 发生疲劳破坏 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 二 疲劳计算 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环 max min称为应力幅 表示应力变化的幅度 试验表明 焊接结构发生疲劳破是焊缝部位足够大小的应力幅反复作用的结果 非焊接结构的的疲劳寿命不仅与应力幅有关 还与其他因素有关 规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力幅 以反映其实际工作情况 疲劳计算的公式是以试验为依据的 分为常幅和变幅疲劳两种情况进行计算 1 常幅疲劳计算 C 参数 对焊接部位 max min 对非焊接部位 max 0 7 min 由上式可见 容许应力幅与钢材的强度无关 这表明不同钢材具有相同的抗疲劳性能 2 变幅疲劳计算 可近似地按照线性疲劳累积损伤原则 将随机变化的应力幅折算为等效应力幅 e 按下式进行疲劳计算 吊车梁 根据实测结果 推算出设计基准期50年内各种吊车梁的应力循环总次数n 等效于满荷载时n 2 106次 相应的欠载效应的等效系数 f值 当n 105时 应进行疲劳计算 疲劳计算采用的是容许应力幅法 计算公式是以实验为依据的 实验中已包含了动力的影响 故荷载应采用标准值且不乘动力系数 应力幅按弹性工作计算 在完全压应力 不出现拉应力 循环中 由于压应力不会使裂纹继续扩展 故规范规定此种情况可不进行疲劳计算 三 疲劳计算应注意问题 第五节钢材的钢种 钢号及选择 例如Q235 B F 表示屈服强度为235N mm2的B级沸腾钢 钢材的质量等级中 A B级钢按脱氧方法可为沸腾钢 半镇静钢或镇静钢 C级为镇静钢 D级为特殊镇静钢 一 钢种钢材的种类 钢结构常用的是碳素结构钢和低合金结构钢 二 钢材的牌号 专用结构钢 1 特殊用途的钢结构常采用专用结构钢 专用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途代号 压力容器 桥梁 船舶和锅炉用钢材的专业用途代号分别为R q C和g 来表示 2 耐候钢在钢材冶炼时加入少量的合金元素如Cu Cr Ni Mo Nb Ti Zr V等 提高钢材的耐腐蚀性能 也称为耐大气腐蚀钢 例如15MnCuCr QT钢表示含碳量为0 15 合金元素为锰 铜 铬的淬火加回火热处理耐候钢 3 连接用钢钢结构连接中的铆钉 高强度螺栓 焊条用钢丝等 也采用满足各自连接件要求的专门用钢 四 常用钢材的规格 钢结构所用钢材主要是热轧成型的钢板 型钢和冷加工 冷弯 冷压和冷轧 成型的薄壁型钢 1 热轧钢板钢板的标注符号是 截面代号 宽度 厚度 长度 单位为mm 亦可用 宽度 厚度 或 厚度 来表示 如 360 12 3600 亦可表示如 360 12或 12 2 热轧型钢 1 角钢分为等边和不等边角钢两种 角钢标注符号是 边宽 厚度 等边角钢 或 长边宽 短边宽 厚度 不等边角钢 单位为mm 如 100 8和 100 80 8 2 槽钢有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种 槽钢规格用槽钢符号 普通槽钢和轻型槽钢的符号分别为 和Q 和截面高度 单位为cm 表示 当腹板厚度不同时 还要标注出腹板厚度类别符号a b c 例如 10 20a Q 20a 与普通槽钢截面高度相同的轻型槽钢的翼缘和腹板均较薄 截面面积小但回转半径大 3 工字钢有普通工字钢和轻型工字钢两种 标注方法与槽钢相同 但槽钢符号 应改为 I 例如I18 I50a QI50 4 H型钢H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等厚度 截面抵抗矩较大且质量较小 便于与其它构件连接 热轧H型钢分为宽 中 窄翼缘H型钢 它们的代号分别为HW HM和HN 标注方法与槽钢相同 但代号 应改变为 H 例如HW260a HM360 HN300b 钢管钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管 用 外径 壁厚 表示 单位为mm 例如 360 6 3 薄壁型钢薄壁型钢通常是用