《钢结构材料》PPT课件

钢结构材料,1、结合钢结构的性能特点，谈一下钢结构的应用。2、承载能力极限状态和正常使用极限状态的概念。,承载能力的极限状态：结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用的某项限值时的极限状态,课前提问：,第二章钢结构的材料,本章讲述建筑钢材（Q235、Q345、Q390及Q420）的主要机械性能及影响这些性能的主要因素；钢材受力的两种破坏形式及防止脆性破坏的措施；介绍我国目前生产的建筑钢材品种及规格。,2-1钢结构对材料的要求,较高的抗拉强度fu和屈服点fy较高的塑性和韧性良好的工艺性能在一定特殊情况下，适应低温、高温和腐蚀性环境的能力,分别涉及钢材材性：强度、塑性、韧性、可焊性、冷弯性能、耐久性等方面,现行钢结构设计规范（GBJ50017-2003）推荐承重结构的钢材宜采用碳素结构钢中的Q235，及低合金高强度结构钢中的Q345、Q390及Q420钢。,两种性质完全不同的破坏形式：塑性破坏（ductilefracture）破坏前有较大变形，有预兆，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗脆性破坏（brittlefracture）破坏前无明显变形，无预兆，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状,2-2钢材的破坏形式,脆性破坏没有任何预兆，破坏速度极快，无法察觉和补救，且一旦发生常引发整个结构的破坏，后果严重，故在钢结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意防止发生脆性破坏,单向均匀拉伸试验,2-3钢材的主要性能,一、受拉、压、剪时的性能,荷载变形（FL）曲线应力应变（）曲线,钢材应力应变（）曲线,1、强度性能,程,希,望,您,学,有,所,用,理想弹塑性体应力应变（）曲线,2、塑性性能,钢材的塑性：当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质,伸长率：试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数根据试件原标距长度l0与试件中间部分的直径d0的比值为10或5而分为10或5断面收缩率：指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率,指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标,二、冷弯性能,钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，表示钢材抵抗冲击荷载的能力钢材强度与塑性的综合表现,三、冲击韧性,四、可焊性(weldability),焊接接头和焊缝的冲击韧性及近缝区塑性不低于母材性能。(使用性能上的可焊性),（1）可焊性好意味着钢材施焊后能获得良好的焊接接头性能。,（2）评定可焊性好的标志,在一定的焊接工艺条件下，焊缝和近缝区均不产生裂纹(施工上的可焊性),2.4影响钢材性能的主要因素,一、化学成分的影响(chemicalcompositions),普通碳素钢中含有多种化学成分，其中，铁占99%左右，碳、硅、锰、硫、磷、氮、氧等共占1%左右。在低合金钢中还有合金元素(Mn、V、Si)，他们含量低于5%。影响钢材主要性能的元素有：C、Si、Mn、S、P、O、N,基本有利元素：,1、碳（C）影响强度、塑性、韧性。提高含碳量，强度提高，塑性和韧性下降，可焊性、抗锈蚀性能变劣。钢结构中，不宜采用含碳量高的钢材，一般不超过0.22%。,2、硅（Si）脱氧剂，适量（含量不超过0.2%时）可提高钢材强度，而对塑性、韧性和可焊性无明显不良影响。,3、锰（Mn）适量可提高强度而不明显影响塑性，同时可消除热脆和改善冷脆倾向。是低合金钢中的主要合金元素成分。,4、钒（V）可提高钢材强度和焊缝性能。15MnV钢可用于船舶、桥梁等荷载大的焊接结构以及高中压容器。,1、硫（S）在高温下（800-1000）生成硫化铁，使钢材变脆（热脆），因而降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、可焊性和抗锈蚀能力。应严格控制钢材中的含硫量，不得超过0.05%，16锰桥钢不超过0.045%。,2、磷（P）可提高强度、提高抗锈蚀能力，但严重降低塑性、韧性和可焊性，特别易发生低温脆断（冷脆），应严格控制其含量，一般不超过0.045%，15锰钒钢不超过0.040%。,有害元素：,3、氮、氧、氮类似磷，氧类似硫。有害杂质，严格控制。,二、冶炼、浇注、轧制过程及热处理的影响,3、裂纹钢材中存在的微观裂纹。,2、夹层钢材中的夹层是由于钢锭内留有气泡，有时气泡内害有非金属杂质夹渣，当轧制温度及压力不够时，不能使气泡压合，气泡被压扁延伸，形成夹层。,（一）冶炼、浇注和轧制的影响沸腾钢、镇静钢、半镇静钢1、偏析金属结晶后化学成分分布不均匀。,（二）热处理(heattreatment)控制降温速度或重新加热，改变晶体结构和材性。淬火(quench)：快速降温，提高强度、降低韧性；退火(anneal)：炉中控制，缓慢降温；回火(temper)：自然降温和控制降温相结合；正火(normalize)：空气中自然降温；,4、轧制的影响改善钢材的力学性能,三、钢材硬化的影响,超过比例极限后卸载，再加载时提高了屈服强度，却牺牲了塑性。这种现象称冷硬。冷硬提高了钢材的弹性范围，被广泛用于提高承载力。但却使钢材变脆，牺牲了塑性，对于承受动力荷载重要构件，不应使用经过冷硬的钢材。,1、冷作硬化,2、时效硬化,钢材中的C和N的化合物以固溶体的形式存在于纯铁的结晶体中。随着时间的增长逐渐析出，进入结晶群之间，对纯铁体的塑性变形起着遏制作用，使fy、fu提高，akv、d降低，这种现象称为时效硬化。,人工快速时效：,经过冷加工后（10左右的塑性变形），加热至200300度，仅需几小时，时效就可以完成。,四、复杂应力的影响,单向应力作用下,=fy,塑性状态,复杂应力作用下,eq=fy塑性状态,折算应力eq的计算,1、用主应力、表示时,或,2、用三向受力应力分量表示,3、当两向受力（3=0或z=zx=yz=0）时,或,4、在单向受弯梁内（只和）,纯剪状态下：,复杂应力对钢材性能的影响,异号复杂应力：强度降低，塑性提高,同号复杂应力：强度提高，塑性降低，性能变脆,五、应力集中的影响,钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应力，此谓应力集中现象。应力集中越严重，钢材塑性越差。,1、产生原因：（1）外部原因：孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化（2）内部原因：内部缺陷、内结应力,2、预防措施：在进行钢结构设计时，应尽量使构件和连接节点的形状和构造合理，防止截面的突然改变，采取圆滑的过渡。在进行钢结构的焊接构造设计和施工时，应尽量减少焊接残余应力。,六、残余应力的影响,由于不均匀的加热或冷却，使得钢材收缩和膨胀不均匀，先冷却部分与后冷却部分相互牵制，从而在截面内形成自相平衡的内结应力。,残余应力：,影响：,对静载下的承载能力没有影响，构件部分提前达到塑性，刚度下降，整体稳定承载力下降。,七、温度的影响,对于正温范围（正常温度以上），总的趋势是：随着温度增加，钢材强度下降(下表)，塑性增大。,温度超过300C以后，屈服点和极限强度显著下降，达到600C时强度几乎等于零。,蓝脆现象,钢材受温度影响总的趋势是随温度升高，fy、fu、E下降，但温度达250C左右时，钢材抗拉强度提高，塑性、韧性下降，表面氧化膜呈蓝色，即发生蓝脆现象。,低温冷脆,在负温范围，即当温度从常温下降时，塑性、韧性降低，下降到某一温度时冲击韧性突然变得很降，发生脆性破坏，这就是低温冷脆现象。,钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能会发生重要变化疲劳（fatigue）：钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，以至断裂的现象强度低于极限强度fu甚至低于屈服强度fy，脆性断裂,八、反复荷载作用,2-6钢材的疲劳,1、疲劳现象,在连续反复（循环）荷载作用下，当应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度便发生突然脆性断裂。这种现象称钢材疲劳破坏。,一、疲劳现象及破坏特征,2、产生疲劳破坏的原因,（1）连续反复荷载（2）材料局部缺陷（工艺微裂纹、焊缝夹渣等）,3、疲劳破坏机理,（1）形成微裂纹,材料已有微裂纹或加载使杂质附近发生应力集中，造成新的微裂纹。,（2）反复荷载下微裂纹发展成宏观裂纹,反复荷载下微裂纹尖端应力集中、材料硬化，裂纹开展，出现宏观裂纹。,（3）宏观裂纹发展，断面削弱，脆性断裂,疲劳破坏的形式脆性破坏,4、疲劳强度,钢材在某一连续反复荷载作用下，经过n次循环后，出现疲劳破坏，相应的最大应力称为疲劳强度。当循环次数为无限大时的最大应力成为疲劳强度极限(一般取n5106),5、影响疲劳强度的因素,（1）构造状态（冶金缺陷，应力集中程度，残余应力）,（2）应力幅,（3）应力循环次数n,（4）应力比,0同号循环,0异号循环,二、疲劳计算,规范采用容许应力幅的方法计算疲劳。,常幅疲劳,计算公式其中，标准荷载下检算部位的设计应力幅容许应力幅,N/mm2。,计算部位每次应力循环中的最大拉应力（取正值）计算部位每次应力循环中的最小拉应力（取正值）或压应力（取负值）,设计应力幅计算焊接部位：非焊接部位：,容许应力幅计算根据构件、连接形式类别及预期的循环次数按下式计算此式是对大量试验资料进行统计整理、并考虑安全系数后得出的。式中n应力循环次数c、系数。由规范给出，见表2-1。,参数C、,表2-1,试验表明：构件无连接处的主体金属不同（轧制工字钢、两边为轧制边或刨边的钢板、两边为自动、半自动切割边钢板等）参数C、不同，连接焊缝性质不同（横向焊缝对接焊缝、纵向对接焊缝、翼缘连接焊缝等）参数C、不同。因此，规范按8种类别给出参数C和。,变幅疲劳,可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳，然后按常幅疲劳检算式检算。,情形1能够测得使用期内应力变幅规律,情形2不能测得使用期内应力变幅规律,设计重级工作制吊车的吊车梁时，应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，按常幅疲劳进行计算。,计算公式,欠载效应的等效系数.取值见下表。,表：吊车梁或吊车桁架欠载效应系数,循环次数为n=2106次的容许应力幅。可从规范查出，也可用计算。,疲劳验算用容许应力设计方法，疲劳强度按容许应力幅计算，荷载采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，应力按弹性工作计算。规范中提出的疲劳强度是以试验为依据的，当遇到规范规定的8种以外的连接构造时，应进行专门的研究，套用相近的连接类别或通过相应的疲劳试验确定疲劳强度。在应力循环中不出现拉应力的部位可不必疲劳验算疲劳容许应力幅与钢种无关。,疲劳强度计算注意事项,2-7建筑钢材的种类、规格及选择,一、建筑钢材的种类,1、碳素结构钢国家标准碳素结构钢（GB70088）将碳素结构钢按屈服电数值分5个牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。钢结构规范中推荐的是Q235。,命名规则,“QXXX”，例如Q235AF、Q235Bb、Q345EZ。其中Q：屈服强度的第一个拼音字母。XXX：屈服强度值，单位为N/mm2，结构用钢常有235、345、390。：质量等级，有A、B、C、D、E五等。其中A无冲击功规定；B有20C时的冲击功要求；C有0C时的冲击功要求；D有20C时的冲击功要求；E有40C时的冲击功要求，低合金钢才有E等。：脱氧方法，可分为F、b、Z和TZ，F表示沸腾钢，b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢，其中Z和TZ可不写。,2、低合金钢普通低合金钢是在普通碳素钢中添加少量的一种或几种合金元素（总量5）以提高其强度、耐腐蚀性、耐热性、低温冲击韧性。其含碳量0.2%，以便钢材的加工和焊接。按加入的合金元素有：16Mn钢、16Mnq钢、15MnV钢、15MnVq钢和15MnVN钢等。现行的低合金高强度结构钢（GB/T159194）将低合金高强度钢分5个牌号：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。钢结构规范中推荐的是Q345、Q390、Q420。,另外，在桥梁、造船、压力容器、锅炉等专业用钢材，分别在末尾加“q”、“c”、“r”、“g”，如：Q235q，Q345q,3、特种钢,Z向钢,耐候钢耐火钢,焊接结构用耐候钢（GB/41722000）Q235NH、Q345NH高层建筑结构用钢板（YB41042000）Q235GJ、Q345GJ、Q235GJZ、Q345GJZ,二、建筑钢材的规格,1、钢板(plate),（1）热轧钢板和钢带（2）冷轧钢板和钢带，（3）花纹涂板(用作走道板和梯子踏板)，（4）高层建筑结构用钢板；薄板40mm；常用热轧板625mm，冷轧板0.62mm。,2、热轧型钢(hot-rolledsection)工字钢，H型钢，T型钢，槽钢，角钢，圆管，方管，圆钢。,3、焊接型钢(weldedsection)I形，H形，T形，箱形，十字型。,4、冷弯薄壁（厚度1.55mm）型钢(cold-formedsection),L型钢，C型钢，Z型钢，S型钢等。,5、压型钢板,轻钢结构屋面及墙体一般采用彩色钢板维护结构,可以双层加保温,也可不加,有多种样式可供选择,具体根据用户或设计要求或选用,采用各种紧固件和泛水件配件组装而成。彩钢板根据防腐、防雨及外形要求有不同型号可供选择，下面介绍几种常用板型。,压型彩钢板及设备介绍,常用彩板840型,常用彩板867型,常用彩板880型,常用彩板760型,常用彩板加工设备,三、建筑钢材的选择,(1)结构或构件的重要性（主要的、一般的、次要的）(2)荷载性质（静力荷载还是动力荷载）(3)连接方式（焊接还是其它连接）(4)工作环境（温度及腐蚀介质）(5)结构构件的受力状态(6)钢板厚度,1、原则：保证结构可靠安全