钢结构原理与设计 第二章 钢结构材料

第二章钢结构材料,钢材的力学性能影响钢材性能的因素钢材的屈服条件钢材的牌号与选用钢材的破坏形式疲劳计算,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,2.1钢材的力学性能,1软钢单向拉伸试验反映的力学性能,1弹性变形阶段fp,p=0.1%2弹塑性变形阶段,fy，y=0.15%3塑性变形阶段st=2.5%4强化(应变硬化)阶段fu5颈缩阶段,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,理想弹塑性模型,硬钢单向拉伸试验,条件屈服强度f0.2,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,拉伸试验反映的力学性能,（1）屈服点反映强度指标（2）抗拉强度反映强度储备,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,（3）弹性模量反映应力应变关系E=206GPaG=79GPa=0.3,（4）伸长率与断面收缩率反映塑性变形性能,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,2、冷弯性能,冷弯性能衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂缝的抵抗能力，是评估钢材质量的综合指标。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,指标：无裂缝、断裂或起层则合格，否则不合格（针对标准试件）,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,3、冲击韧性,冲击韧性反映钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收能量的能力，衡量钢材抵抗脆性破坏的机械性能指标。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,冲击韧性指标：击断构件所作的功Akv，J。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,冲击韧性指标随温度的变化,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,指标：常温与低温下（+20、0、-20、-40度）的冲击韧性指标Akv,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,碳素结构钢：B、C、D质量等级的钢材要分别进行+20、0、-20的冲击试验(V形缺口)，Akv不小于27J。,4、可焊性,概念：在一定的焊接工艺条件下焊接后，焊缝金属和近焊缝区的钢材不产生裂纹，施焊后焊缝的力学性能不低于焊接母材的力学性能。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,控制指标：含碳量限制C0.20%。,5、常见的结构钢,碳素结构钢中的低碳钢：含碳量限制C0.25%。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,低合金高强度钢：,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,桥梁用钢,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,6、耐候钢,腐蚀作用：1、“干腐蚀”；2、“湿腐蚀”,措施：1、涂料；2、耐候钢（Cu-P-Ti-Re）铜-磷-钛-稀土体系,2.2影响钢材性能的主要因素,1、化学成分的影响,含碳量含碳量愈高，强度愈高，塑性韧性可焊性降低。低碳钢：C0.25%中碳钢：0.25%-0.60%高碳钢：0.60%-1.7%合金元素适量的合金含量，提高强度，而不降低塑性韧性。如Mn、V、Nb、Ti,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,锰含量适量可提高强度，而不降低塑性韧性；过量降低可焊性。硅含量适量可提高强度，而不降低塑性韧性；过量降低塑性韧性、可焊性及抗锈性。S、P、O、N有害元素，降低塑性韧性、可焊性及抗锈性。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,2、生产过程对钢材性能的影响,炉种电炉钢、平炉钢、转炉钢电炉费用高，不用于建筑结构钢；氧气转炉、平炉同样对待。“钢由氧气转炉、平炉或电炉冶炼，除非需方有特殊要求，并在合同中注明，冶炼方法一般由供方自行确定”,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,脱氧方法:用锰、硅、铝作为脱氧剂进行脱氧,它们之间的脱氧能力比为锰:硅:铝=1:5:90。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,沸腾钢：Mn为脱氧剂；强度与塑性不低于镇静钢，韧性与疲劳性能差；价格便宜半镇静钢：MnSi为脱氧剂；很少使用镇静钢：MnSi为脱氧剂；性能好；成本高；使用多特镇静钢：MnSiAl为脱氧剂；性能更好,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,轧制方式：热轧：改善钢材性能；薄板优于厚板（表2.2）包括热轧型钢、热轧钢板冷轧：主要用于冷轧薄钢板,热处理方式（淬火、回火等）热轧后的钢材经热处理得到调质钢；淬火提高强度，降低韧性；回火可恢复韧性；用于高强螺栓。,3、钢材硬化对钢材性能的影响,应变硬化,冷弯、冷拉的冷加工出现应变硬化，要设法消除影响。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,钢板剪切；钢板冲孔,时效硬化,利用人工时效，测定硬化后的冲击韧性，以保证长期韧性。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,4、温度的影响,高温,低温,强度、弹模降低。（兰脆现象）,低温变脆（冷脆转变温度）,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,2.3钢材屈服条件,简单应力状态,复杂应力状态,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,几点说明：,三向同号主应力作用，脆性破坏平面应力状态，见式2.7平面纯剪，见式2.8,2.4钢材的牌号与选用,1低碳钢牌号（碳素结构钢GB/T700-88）,Q235-BZ-质量等级符号脱氧方式符号，如：,质量等级符号A、B、C、D级脱氧方式符号F、b、Z、TZ,2低合金钢牌号（低合金高强度结构钢GB/T1591-94）如：Q345-B,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,质量等级符号A、B、C、D、E级脱氧方式符号一般为Z,故不标出,低碳钢：,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,低合金高强度钢：,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,3钢结构对钢材性能的要求,(1)承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度、磷硫含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。（2）焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材尚应具有冷弯试验合格保证。（3）对需验算疲劳的结构，其钢材应具有常温或低温冲击韧性的合格保证。（4）吊车起重量等于或大于50t中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性要求与需验算疲劳的结构同。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,4钢材选用的依据,（1）结构类型及重要性：（2）荷载特征：静力、动力（3）连接方法：焊接、非焊接（4）结构工作环境：常温、低温（5）构件应力状态：拉、压,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,5型钢及钢板,（1）热轧钢板：-84003000（2）热轧型钢：角钢、H型钢、槽钢等（3）冷弯薄壁型钢：厚度为26mm,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,工字钢,H型钢,钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：,第二章钢结构材料,钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：,第二章钢结构材料,钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：,第二章钢结构材料,钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：,第二章钢结构材料,钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：,第二章钢结构材料,钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：,第二章钢结构材料,钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：,第二章钢结构材料,钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：,第二章钢结构材料,钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：,第二章钢结构材料,钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：,第二章钢结构材料,钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：,第二章钢结构材料,2.5钢材的破坏形式,1塑性破坏特征,（1）破坏前塑性变形较大，易发现，危险性小。（2）破坏时应力达到钢材的抗拉强度fu。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,2脆性破坏特征,（1）破坏前变形较小，突然发生，危险性大。（2）破坏时应力常小于屈服点fy。（3）断口平直，呈有光泽的晶粒状。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,3脆性破坏实例,（4）内蒙古焊接贮罐断裂：荷载不大，焊接不透，气温低。,（1）德国Zoo桥：1936年，完工6个月，气温-10度，脆坏。（2）比利时Hasselt桥：全焊空腹桁梁，跨度200英尺，完工14个月，1938年，气温下降，脆坏坠毁。（3）美国PointPleasant桥：吊桥，跨度210米，1967年冬天，突然断裂，梁跨弹起，75辆汽车抛入天空，钢梁随之塌落，46人死亡，9人伤。,“自从桥梁钢结构引进焊接技术后，桥梁断裂破坏事故屡有发生”源于铁路钢结构设计规范,4影响脆性破坏的主要因素及预防措施,（1）钢材质量：选用合适的钢材。（2）钢板的厚度：厚板缺陷较多。铁路规范根据杆件受力特点、钢材牌号、设计温度规定了最大板厚。（3）加载的速度：避免突然受力。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,（4）应力的性质与大小：避免截面突变，应力集中。（5）最低使用温度：低温条件下，注意选材与焊接（6）连接方式：低温焊接问题，焊缝布置等。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,4层状撕裂,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,厚钢板撕裂特点：三个方向强度不一致，容易出现沿厚度方向撕裂。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,预防措施：（1）合理布置焊缝。（2）采用Z向钢板（厚度方向性能钢板）,钢材疲劳的概念疲劳计算,第二章钢结构材料,2.6钢材疲劳,中南大学桥梁工程系,1钢材疲劳的概念,生活中的疲劳现象,基本概念：钢材在反复荷载作用下，当应力低于钢材抗拉强度甚至低于屈服强度的情况下，发生的突然断裂现象，称为钢材疲劳。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,反复荷载:应力随时间变化,疲劳损伤有累积效应。应力不高:应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度。突然断裂:相对于塑性破坏，破坏更隐蔽，危害更大。,概念要领,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,2疲劳的形成过程,初始裂纹的形成,裂纹的缓慢扩展,突然断裂破坏,夹杂、偏析、气泡等缺陷提供了初始微裂纹,反复应力作用促进了裂纹的扩展,剩余截面不足以抵抗外力而突然断裂,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,3工程中的疲劳现象,土木建筑：钢桥、吊车梁、吊车桁架等,“美国明尼苏达州I-35W钢桥，2007年8月2日发生疲劳破坏”“我国滨州线松花江桥也曾发生疲劳破坏”“老桥急需进行疲劳寿命评估（重载铁路改造）”,吊车梁,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,机械、材料、航空、汽车、火车等,“疲劳失效占机械事故的50%以上”,“疲劳失效遍及飞机各主要部件，如机翼、机身、发动机等”,“车轴断裂容易导致安全事故”“车轮钢圈断裂引发列车脱轨”-德国ICE884高速列车脱轨惨祸致101人死亡,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,4疲劳的影响因素,（1）应力集中,应力集中的含义,不同构件,应力集中不同，疲劳难易程度不同,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,常见构件分类根据应力集中程度的不同，将常见构件分成不同类别,各自取不同的疲劳容许应力值。,建筑规范1-8类,公路规范A-F类,铁路规范-类,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,(a)轧制工字钢,(b)焊接工字钢（手工焊）,1类,4类,不同类型杆件疲劳容许应力不同,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,（2）循环应力大小,应力幅,最大应力,只需2个参量即可完全表述循环应力特征,最小应力,应力比,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,完全对称循环(-1)脉冲循环(0),静荷载作用(+1)一般应力循环,不同应力比和应力幅，产生不同的疲劳影响。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,（3）应力循环次数,S-N曲线（用试验方法得到）,实际循环次数n疲劳破坏循环次数（即疲劳寿命）N,某一应力比,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,疲劳极限强度,对应某一应力比,疲劳预防途径（1）：,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,第二章钢结构材料,疲劳预防途径（2）：,中南大学桥梁工程系,5常幅疲劳计算,(1)常幅疲劳与变幅疲劳,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,(2)非焊接部位常幅疲劳计算,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,疲劳预防途径：,(3)焊接部位常幅疲劳计算,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,焊接残余应力概念,某部位的实际应力=外荷载产生的应力+焊接残余应力；这样根据外荷载算出的应力不是实际应力，而是名义应力。,焊接部位应力幅与应力比,外荷载引起的应力：,不存在残余应力时，实际应力幅与应力比：,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,焊接部位应力幅与应力比,残余拉应力：fy=235N/mm2,外荷载引起的应力：,考虑残余应力影响实际应力：,考虑残余应力实际应力幅与应力比：,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,实际应力幅名义应力幅，影响焊接构件的疲劳破坏,结论：,实际应力比名义应力比，名义应力比无意义,设计时控制应力幅小于容许应力幅（容许应力法）,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,焊接部位疲劳,应力幅,非焊接部位疲劳,应力幅,焊接部位疲劳,最大应力与应力比,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,容许应力幅（试验统计归纳得到）,应力幅计算,（焊接部位）,（非焊接部位）,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,6变幅疲劳计算,基本计算公式,应力谱及来源,应力谱是应力随时间的变化曲线，通过试验测出或理论计算得到。,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,计算公式,等效应力谱计算,基本原理：Palmgren-Miner线性累积损伤准则,分析上述方法的应用困难,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,循环次数保持不变,疲劳损伤度等效,7吊车梁与吊车桁架疲劳计算,第二章钢结构材料,中南大学桥梁工程系,基本计算公式,应力幅的计算方法,计算最不利标准荷载作用在最不利作用位置，计算出关键部位最大与最小应力，得到对应应力幅。,第二章钢结