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1 第二章建筑钢材及性能 2 一 建筑钢材在单轴应力下的工作性能在 20 的条件下做拉伸试验 缓慢加载 得到应力应变曲线 工作特性分为四个阶段 弹性阶段 0 fp 比例极限 线性关系 变形小 卸载后变形恢复 弹性模量 按GB将钢材加工成标准试件 3 弹塑性阶段 fp fy 屈服点 弹性变形塑性变形 不可恢复的残余变形弹性模量E由2 06 1050 塑性阶段 又称塑流阶段 B C屈服平台 不变 不断增长 强化阶段 又称自强阶段 钢材恢复承载能力 当 fu 抗拉强度 时 发生颈缩现象而破坏 变形 为塑性破坏 4 变形很大 是在材料达到fu以后发生的 变形大且时间长 易发现 断口与作用力方向成45 角 常在钢材表面出现相互垂直的锈迹剥落线 塑性变形很小 甚至没有 应力低于fu甚至可能低于fy 破坏是突然的 断口齐平 破坏前无预兆 通过单向拉伸试验 得到三个机械性能指标fu fy 伸长率 衡量塑性变形能力的指标 l0 试件的标距长度l1 拉断时的标距长度分为 5和 10 10意为标距长度 直径 宽度 10 塑性破坏 脆性破坏 5 fu 抗拉强度 衡量经巨量变形后的抗拉能力 fy 屈服点 衡量结构承载能力的指标 均为钢材的静力强度指标 注意 fy是材料的标准强度 非设计强度 式中 材料抗力分项系数1 087 Q235钢 1 111 Q345 Q390 Q420 通过分析 得出2点结论 由于残余应力的存在 fp 0 8fy 以fy作弹性 塑性工作的分界点 将 曲线简化为两段直线组成的理想弹性 塑性体 如此就可用弹性理论进行强度计算 设计强度为 6 以fy作弹性设计时的强度指标依据 a 以fy作弹性 塑性工作的分界点 屈服后 2 3 易察觉 若 过大 产生的变形过大 不允许 b 从fy fu 塑性工作区很大 有足够的变形保证截面上的应力不超过fu fy fu作为强度储备 fy fu 屈强比受压 受剪 受弯时的 关系如何 受压 受剪 受弯时的 关系基本同受拉 受压 受弯的强度指标取受拉时的数值 受剪的强度指标fyv 或 y 0 58fy 后面讲原因 钢材屈服点fy的高低和钢材晶粒的粗细有关 轧制次数多 钢材就薄 晶粒细 材质好 屈服点就高 7 由此可以得出 相同种类不同厚度的钢材 设计强度是不一样的 据此 规范 将不同厚度的钢材分组 不同组取不同的强度设计值 钢材强度设计值N mm2碳素结构钢低合金高强度结构钢 有屈服点的钢材 含碳量小于2 06 建筑用钢含C量小于0 25 加入少于5 的合金元素 8 无屈服点的钢材 如热处理低合金钢 如何确定屈服点 以卸载后残余应变为0 2 时所对应的应力为屈服点 以 0 2表示 又称为条件屈服点 冷弯性能 更严格的衡量塑性变形能力的指标 通过冷弯试验确定 冷弯试验是按材料的原有厚度经表面加工成板状 作180 冷弯 以弯曲处的外面 侧面不起层 不开裂为合格 不同厚度的钢材 d不同 注意 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材必须具有冷弯性能的合格保证 9 厚度方向断面收缩率 又称Z向收缩率 厚度40mm以上钢板 受力时可能会发生层状撕裂 故应满足Z向收缩率要求 量大 质量好 不易出现层状撕裂 故无此要求 Z向收缩率用 Z表示A0 原横截面面积A1 拉断时 断口处横截面面积Z15相应的 Z 15 Z15钢Z25相应的 Z 25 Z25钢Z35相应的 Z 35 Z35钢 薄钢板轧制时 压缩 分为三个质量等级 10 钢材受动荷时的韧性指标 衡量钢材承受动荷作用时抵抗脆性破坏的指标就是冲击韧性 韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力 吸收能量多 韧性好 确定冲击韧性的方法就是冲击试验 试验采用夏比V型缺口试件 Q235钢AKV 27J 20 0 20 Q345钢AKV 34J 20 0 20 Q390钢AKV 27J 40 实际结构中 脆断总是发生在缺陷应力集中处 因为该处存在同号拉应力场 使塑性变形受到限制 11 二 建筑钢材在多轴应力下的工作性能双向 三向受力时 不能以单向受力时的fy为屈服点 采用第四强度理论较为合适 单向拉伸达塑性状态时 积聚于单位体积中的形状改变能为 三向主应力作用下 单位体积形状改变能为 式中 泊桑比 12 能量理论认为 U U 时 多向应力状态下的钢材进入塑性 即由弹性转为塑性状态的工作条件为 令 当折算应力 eq fy时 弹性 当折算应力 eq fy时 塑性 多向应力下 以折算应力 eq作为强度计算的标准 将折算应力 eq变形为 分析 有异号应力 且同号应力差较大 就易进入塑性 说明异号应力场下易发生塑性破坏 13 三个主应力同号且接近 eq小 不易进入塑性 直至破坏 也不进入塑性 三向等值压缩时 不会破坏 说明同号拉应力场下易脆性破坏 用正应力和剪应力表示折算应力 钢结构中 构件厚度小 厚度方向应力小 忽略 形成平面应力状态 即 达到屈服时 即 纯剪时 因此时屈服 用fyv代替 即有 fyv 0 58fy 14 三 各种因素对钢材性能的影响1938 1950年 在 14 左右的冬季条件下 比利时共有14座大桥断裂 1954年 英国制造的32000t油船 世界协和号 在海浪4 5 6m高的大海中航行时 船底断裂 1 化学成分C 铁以外最重要的元素 C 0 3 或C 0 1 时 钢材无明显屈服点 C 强度 塑性 冲击韧性 焊接性能 脆性 低温脆断危险 钢结构采用低碳钢 C 0 25 焊接结构C 0 2 有害元素 800 1000 时 硫化铁熔化使钢材变脆 因此热加工或焊接时 有可能引起热裂纹 称为 热脆 S 15 S 冲击韧性 焊接性能 疲劳强度 所以 S 0 045 Q235以上钢材 S 0 05 Q235钢材 有益元素 弱脱氧剂 提高强度 不过多降低塑性和韧性 消除热脆 改善冷脆 Mn过多 降低焊接性能 强脱氧剂 Si 0 2 时 提高强度 而不显著影响塑性 韧性 冷弯性能 焊接性能 Si含量达1 时 则不然 提高强度和抗锈蚀能力 严重降低塑性 韧性 焊接性能 所以 P 0 04 Q235以上钢材 P 0 045 Q235钢材 提高强度 抗锈蚀能力 不显著降低塑性 有害元素 O 热脆 N 冷脆 Mn Si P V N O 16 2 钢材的焊接性能钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响 碳素钢 当0 12 C 0 20 时 焊接性能好 低合金钢 焊接性能用碳当量CE来衡量 CE 0 38 时 焊接性能好 可直接施焊 0 38 CE 0 45 时 施焊前预热 控制焊接工艺 CE 0 45 时 严格控制焊接工艺和预热温度 通常采用可焊性试验的方法来检验钢材的焊接性能 从而制定重要结构和构件的焊接制度和工艺 式中化学符号表示该化学元素含量的百分数 17 3 冶金缺陷 缺陷有 偏析 非金属夹杂 气孔 裂纹 起层等 气孔 CO气体没有逸出形成 非金属夹杂 钢材中含有氧化物 硫化物 使钢材 偏析 化学杂质元素分布的不均匀性 主要的偏析是S P的偏析 偏析 塑性 韧性 焊接性能 疲劳强度 变脆 18 4 温度影响温度从常温下降 fy稍有 脆性 塑性 韧性 当温度降到某一数值时 冲击韧性AKV突然显著下降 钢材易产生脆性断裂 称 低温冷脆 所以 应针对结构所处的温度对钢材提出AKV要求 温度从常温上升 200 以下 强度 塑性 250 左右 强度 塑性 AKV 钢材变脆 称为 蓝脆现象 所以 经常受高温时 应采取隔热措施 19 5 应力集中当试件表面不平整 有缺口存在时 在轴心荷载作用下 截面上应力分布不均匀 缺口附近的应力特别高 称应力集中 缺口尖端 max净截面平均应力 0 N An应力集中系数 k max 0缺口处 方向与轴向不一致 力线倾斜 因而产生横向剪力 y 在孔边缘形成双向拉应力场 若考虑厚度 三向拉应力场 这就是脆断的原因 20 应力集中现象产生的原因 构件的不正确造型 设计时避免 残余应力 研究不够 非金属夹杂 21 6 钢材的硬化钢材中 C N的固溶物存在于纯铁体的结晶体中 随时间增长 它们析出 存在于晶粒之间的间层中 对纯铁体的塑性变形起到抑制作用 使钢材的强度上升 塑性降低 此种现象称 时效硬化 又称 应变硬化 加热使此过程迅速完成 称 人工时效 弹性阶段 不影响钢材性能弹塑性阶段 强度提高 即弹性变形区域扩大 塑性降低现象 称 冷作硬化 钢材经冷作硬化后又发生时效硬化 称 应变时效 加卸荷 22 时效硬化和人工时效与冷作硬化的区别 相同点 扩大了弹性工作范围 减少了塑性 不同点 前者在扩大弹性范围的同时 还提高了抗拉强度 而后者没有提高抗拉强度 冷作硬化通常是在经过冷加工后产生的 冷加工区域的边缘会产生冷作硬化 成为产生裂缝的根源 所以 要消除冷作硬化区域 受动荷的重要构件 冷作硬化区域必须除去 23 7 加荷速度快速拉伸 沿0B线变化 此时试件的温度有所降低 持荷保持不变 试件吸收热量 产生BA 称 弹性后效 若突然快速卸荷 沿AC线变化 试件温度上升 随后放热后冷却 回到0点 加荷速度提高 钢材的屈服强度提高 呈脆性 故试验时按规定的速度加荷 通常作法 加载后持荷5分钟后读数 得到准确的试验值 24 以上介绍影响钢材性能因素的目的是了解钢材在什么条件下发生脆性破坏从而采取措施预防 为了防止脆性破坏的发生 需注意以下三点 构造应合理 应能均匀 连续地传递应力 避免构件截面剧烈变化 合理的选用材料 应严格按照设计要求进行制作 如避免材料出现硬化 要通过扩孔或刨边除掉硬化区 选择合理的焊接工艺 对制作和安装过程中所造成的缺陷应进行清理和修复 不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构 不在主要结构上焊接附加的零件 悬挂重物 避免在运输和安装过程中对结构造成撞击 本节开始时所述事故原因 前者 应力集中 残余应力 低温AKV值太小 后者 大部分板件不满足冲击韧性要求 合理的设计 正确的制造 正确的使用 25 四 建筑钢材的动力工作性能 可不讲 1 钢材疲劳破坏的特征循环荷载 随时间而变化的荷载 如吊车梁和支承振动的平台梁每一个循环中 max min称为应力幅若 为常数 即 1 2 n称为常幅应力循环 若 为变数 即 1 2 n称为变幅应力循环 应力循环特征用应力比值 min max表示 1 1 26 疲劳破坏 钢材在循环荷载作用下 当应力还低于钢材的抗拉强度 甚至低于屈服点时 就发生断裂破坏 钢材中存在一些局部缺陷 如不均匀的杂质 轧制时形成的微裂纹或加工时造成的刻槽 孔洞 裂纹等 在荷载作用下 缺陷处的截面上应力分布不均 形成应力集中现象 在应力高峰附近出现微观裂纹 而在循环荷载作用下 微观裂纹不断扩展 逐渐形成宏观裂纹 这时截面被削弱 裂纹处的应力集中现象更严重 在应力高峰附近形成双向或三向同号拉应力场 使钢材的塑性变形受到限制 荷载循环到一定次数时 削弱处的截面就会发生脆性断裂破坏 疲劳破坏的原因 27 疲劳破坏过程一般经历三个阶段 即裂纹的萌生 裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂 破坏前无明显的宏观塑性变形 属于脆性破坏 断口特征 具有光滑和粗糙的两个区域光滑部分是裂缝两边的材料时而相互挤压 时而分离而形成的 而粗糙部分是截面的残存部分不足以承受外力 最终一瞬间突然被拉断而形成的 提问 只承受变化压应力 而不出现变化拉应力时 是否会产生疲劳破坏 钢材的疲劳强度由试验确定 影响疲劳强度的最主要因素是构造状况 应力集中程度 残余应力 作用的应力幅 及循环荷载的循环次数 28 实验证明疲劳强度与静力强度无明显关系 2 疲劳计算大量疲劳试验证明 应力幅与疲劳寿命n之间呈右图所示关系当应力幅为 1时 循环荷载达n1次时 试件破坏 当应力幅为 2时 循环荷载达n2次时 试件破坏 即 循环荷载循环n1次时 极限应力幅为 1 循环荷载循环n2次时 极限应力幅为 2 规范 规定 当应力循环次数n 5 104时 应进行疲劳计算 计算略 29 五 建筑钢材的种类 规格和选用1 碳素结构钢碳素结构钢的牌号是按屈服点的字母 屈服点数值 质量等级符号 脱氧方法符号的顺序排列 如Q235 A F屈服点的字母 Q屈服点数值 195 215 235 255 275强度低塑性 韧性差质量等级符号 A 供方保证fy fu 5及Si S P含量 C Mn含量不作为交货条件 C 0 2 B 供方保证fy fu 5 C 冷弯性能及C S Mn D Si P含量 C 0 20 另 20 的AKV 另0 的AKV 另 20 的AKV 30 不同质量等级的同一类钢材 力学性能指标基本相同 化学成分和AKV不同 A级钢不保证冷弯性能 脱氧方法 沸腾钢 F Mn为脱氧剂 脱氧不完全 质量差 镇静钢 Z Mn Si为脱氧剂 脱氧完全 质量好 半镇静钢 b 脱氧程度及质量介于以上两者之间 特殊镇静钢 TZ 外加铝脱氧 质量更好 A B级钢 脱氧方法有F Z bC级钢 脱氧方法只有ZD级钢 脱氧方法只有TZZ TZ可省略 2 低合金高强度结构钢在碳素结构钢中加入少量几种合金元素形成 合金元素的总量低于5 C 0 2 质量好 31 牌号编制与碳素结构钢相同如Q295 Q345 Q390 Q420 Q460分为A B C D E五个质量等级 每一级的质量保证项目类似碳素结构钢 A级钢应进行冷弯试验复验 E级质量保证项目同B C D 另外还要保证 40 的AKV C D E级为特殊镇静钢 A B级为镇静钢 不标注脱氧方法 3优质碳素结构钢 与碳素结构钢相比 杂质少 S P含量小于0 035 钢号 如45或45Mn 前面两位数表示含C量的万分数 前者表示含Mn量 较少 后者表示含Mn量较多 32 钢板 厚钢板4 5 60mm 薄钢板0 35 4mm 表示方法 宽 厚 长 长度可不标 如 100 8 1000角钢 分为等边角钢和不等边角钢 长度4 19m 表示方法 长边宽 短边宽 厚度 边宽 厚度如 200 125 14 工字钢 它的编号以截面高度 cm 表示 长5 19m 如I36a根据腹板厚度分为a b c三类 a类腹板较薄 用于受弯经济 c类腹板较厚 不经济 生产较少 4钢材的规格 33 槽钢 编号规则同工字钢 如 28b 钢管 表示方法 D外径 壁厚 长度3 12m 最大可达D219 分为 H型钢 表示方法 代号 高度H 宽度B 腹板厚 翼缘厚HW 表示宽翼缘H型钢代号HM 表示中翼缘H型钢HN 表示窄翼缘H型钢特点 翼缘板的内外表面平行 如HW400 400 13 21H型钢可剖分为T型钢 代号为TW TM TN 无缝钢管 壁厚 经济性差 焊接卷管 经济性好 34 六 钢材的选用应根据结构的重要性 荷载特征 结构形式 应力状态 连接方法 钢材厚度和工作环境等因素综合考虑 既要满足结构安全可靠 又要尽可能节约钢材 降低造价 1 承重结构钢材应具有fu fy 和S P的合格保证 焊接结构应具有C含量的合格保证 焊接承重结构以及重要