■《钢结构》钢结构的材料索小永安徽工程大学版PPT课件

1,.,第2章钢结构的材料,讲解：索小永,钢结构,SteelStructure,安徽工程大学建筑工程学院,（2013版）,2,.,学了本章后，你将会知道6个问题的答案：,随便什么样的钢材都可以用来做钢结构吗？钢材在受力下会发生什么样的破坏形式？钢材的主要性能是什么？钢材也会疲劳吗？钢材的有哪些类别？如何认识不同规格的型钢？,3,.,问1：,随便什么样的钢材都可以用来做钢结构吗？,4,.,2.1钢结构对材料的要求,1.较高的抗拉强度fu和屈服点fy；2.较好的塑性、韧性；3.良好的工艺性能（冷加工、热加工和焊接性能）；4.对环境的良好适应性（低温、高温、腐蚀）。,5,.,问2：,钢材在受力下会发生什么样的破坏形式？,6,.,2.2钢材的破坏形式,在设计、施工和使用钢结构时，注意防止脆性破坏。,大多数情况下：,特定情况下：,7,.,问3：,钢材的主要性能是什么？,8,.,2.3钢材的主要力学性能,一、受拉、受压作用下的工作性能,钢材拉伸试验,9,.,试验试件,或,10,.,试验仪器,11,.,实验简介,加载环境：（20）下缓慢加载，一次完成。,12,.,试件被拉长，标距发生了变化,施加拉力,13,.,颈缩,拉力达到一定数值时,14,.,试验一：有屈服点钢材拉伸实验过程,1、弹性阶段（OE段）,2、弹塑性阶段（EG段）,3、塑性阶段（GF段）,4、强化阶段（FB段）,5、颈缩阶段（BD段）,应力-应变曲线,G,（如：普通碳素结构钢）,15,.,1、弹性阶段（OE段）,应力-应变曲线,G,AE段仍具有弹性但非线性,E点的应力称为弹性极限；在此段卸载没有残余变形。E=206103N/mm2,OA段材料处于纯弹性，A点的应力称为比例极限,16,.,2、弹塑性阶段（EG段）,应力-应变曲线,G,该段很短,表现出钢材的非弹性性质;此段上限G点的应力fy称屈服点。作为钢结构设计的最大应力。在此段卸载将有残余变形。,屈服强度fy,钢材可以简化为理想弹塑性体,17,.,3、塑性阶段（GF段）,应力-应变曲线,G,该段开始波动较大，之后逐渐平稳，其最高和最低点分别称屈服上限、屈服下限(屈服点)此段不变，急剧增大，形成的水平段称为屈服平台,变形模量E=0,屈服强度fy,18,.,4、强化阶段（FB段）,应力-应变曲线,G,随荷载的增加缓慢增大,但增加较快,屈服强度fy,19,.,5、颈缩阶段（BD段）,应力-应变曲线,G,屈服强度fy,极限抗拉强度fu,20,.,回顾：有屈服点钢材拉伸实验过程,1、弹性阶段（OE段）,2、弹塑性阶段（EG段）,3、塑性阶段（GF段）,4、强化阶段（FB段）,5、颈缩阶段（BD段）,应力-应变曲线,G,极限抗拉强度fu,屈服强度fy,21,.,是衡量钢材强度设计值的重要指标。是衡量结构承载力的指标。作为钢结构设计的最大应力。,2、抗拉强度（屈服强度、极限强度）fu,理解和区分fy和fu,3、强度储备指标：屈强比fy/fuQ235钢为0.57，Q345钢为0.67,1、屈服强度fy,作为作为一种安全储备，使构件在弹塑性工作阶段具有较大的承载力。是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力。是钢材的最大抗拉强度，也是实际破坏强度。,22,.,应力-应变曲线,G,极限抗拉强度fu,屈服强度fy,认识屈服台阶带来的预警作用,超过fy到屈服台阶终止的变形约为2.5%-3%，足以满足考虑结构的塑性变形发展的要求。断裂时变形约为弹性变形的200倍，在强化阶段前产生明显可见的塑性变形，可及时补救，故断裂破坏几乎不可能发生。,23,.,该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。,设计时取相当于残余变形为0.2%时所对应的应力作为屈服点-条件屈服点（人为）,试验二：无明显屈服点钢材拉伸实验过程,（如：高强度钢）,24,.,两种钢材拉伸实验的试件破坏特征对比,有屈服平台的试件,没有屈服平台的试件,25,.,有屈服平台的钢材，例如Q235、Q345、Q390、Q420，塑性变形能力大，是钢结构的主要用钢。高强度钢没有屈服平台的钢材，塑性变形能力小，钢结构不能使用。,两种钢材拉伸实验的结果运用对比,26,.,伸长率,它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。,当l0/d=5时，用5表示，当l0/d=10时，用10表示。,27,.,弹性模量剪变模量线膨胀系数质量密度,钢材的物理性能指标,28,.,图冷弯试验示意图,二、冷弯性能,冲压成180后，构件不出现裂纹和分层。衡量钢材塑性性能和冶金质量优劣的综合指标。,29,.,三、冲击韧性,衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。缺口韧性值受温度影响，温度低于某值时将急剧降低。,冲击韧性试验简图,30,.,钢材的机械性能指标,1、屈服点fy；2、伸长率；3、抗拉强度fu；4、冷弯试验；5、冲击韧性Cv,小结,屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。,31,.,一、化学成分普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%；普通低合金钢中合金元素3%。(碳及其它元素虽所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响)1.碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性、韧性和疲劳强度降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般控制在0.22%以下，在0.2以下时，可焊性良好。,2.4各种因素对钢材性能的影响,32,.,2.硫（S）：有害元素，降低塑性、韧性。热脆性。不得超过0.05%。3.磷（P）：有害元素，降低塑性、韧性。冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点1600，可以消除一部分S的有害作用。5.硅（Si）：合金元素；强脱氧剂；粒度变细。,33,.,6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。7.氧（O）：有害杂质，与S相似。8.氮（N）：有害杂质，与P相似。9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。,34,.,二冶金缺陷,常见的冶金缺陷有：偏析（化学成分分布的不均匀程度）非金属夹杂；气孔；裂纹等。,35,.,硬化的形式,时效硬化冷作硬化应变时效,三、钢材的硬化,36,.,时效硬化,随时间的推移，钢材的性能发生变化的现象称时效。时效使钢材强度(屈服点和抗拉强度)提高，塑性降低，特别是冲击韧性大大降低，钢材变脆。发生时效的过程可以从几天到几十年。,时效的原因：纯铁体中碳和氮的固熔物质，从纯铁体中析出，起着强化作用。,37,.,冷作硬化（应变硬化）,钢结构制造时，在冷(常温)加工过程中引起的钢材硬化现象，通常称为冷作（应变）硬化。冷作硬化会改变钢材力学性能，即强度提高，但是降低了钢材的塑性和冲击韧性，增加出现脆性破坏的可能性，对钢结构是有害的。,钢结构的冷加工包括剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等。,38,.,应变时效,应变时效是应变硬化和时效硬化的复合作用。,39,.,不管哪一种硬化，都会提高钢材的强度，降低钢材的塑性和韧性，对钢材的使用不利，钢结构不利用硬化提高强度，相反对特殊和重要的结构还需消除硬化的影响：把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去。,40,.,四、温度影响,高温：250左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加兰脆现象，（因表面氧化膜呈蓝色）。该温度区段称为“兰脆区”。应避免在蓝脆温度范围内进行热加工，否则易出现裂纹。260320在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形徐变现象。600左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。低温：当温度从常温下降时，强度略有提高，但塑性和韧性则降低而变脆，当温度下降到某一区间时，冲击韧性急剧下降，破坏特征明显地转变为脆性破坏，这就是低温冷脆。,41,.,五、应力集中,1.应力集中的概念构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力应力集中。,42,.,2.减小应力集中现象的措施,由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。,43,.,1.钢的疲劳钢材在连续的重复荷载作用下，虽然应力低于抗拉强度，甚至低于屈服点时，也会发生破坏。,六、重复荷载作用的影响,2.疲劳破坏的机理疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷微观裂纹宏观裂纹。,3.疲劳破坏的特征无明显的塑性变形和局部收缩，是一种突然性的脆性断裂。,承受重级工作制吊车的吊车梁必须考虑结构的疲劳问题,44,.,问4：,钢材也会疲劳吗？,45,.,1疲劳断裂的概念疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。断口可能贯穿于母材，可能贯穿于连接焊缝，也可能贯穿于母材及焊缝。出现疲劳断裂时，截面上的应力低于材料的抗拉强度，甚至低于屈服强度。同时，疲劳破坏属于脆性破坏，塑性变形极小，因此是一种没有明显变形的突然破坏，危险性较大。,2.6钢材的疲劳,46,.,疲劳破坏的构件断口上面一部分呈现半椭圆形光滑区，其余部分则为粗糙区。,断口示意1光滑区；2粗糙区,47,.,应力循环特性常用应力比值来表示，以拉应力为正值。连续重复荷载之下应力往复变化一周叫做一个循环。,完全对称循环(-1）,脉冲循环(0),2、循环荷载的效应,静荷载作用(+1),一般应力循环(-15x104时应进行疲劳验算。疲劳验算我国采用容许应力法。永久荷载所产生的应力为不变值，没有应力幅。应力幅只由重复作用的可变荷载产生，所以疲劳验算按可变荷载标准值进行。荷载计算中不乘以吊车动力系数，常幅疲劳按下式进行验算。,:对焊接结构为应力幅max-min；对非焊接部位为折算应力幅max-0.7min，应力以拉为正，压为负；:常幅疲劳的容许应力幅。,式中C，系数。,50,.,5变幅疲劳实际结构大部分承受的是变幅循环应力作用，即每次循环的应力幅水平不是都达到最大值，而是欠载状态的变幅疲劳。变幅循环应力的合理验算方法是，将变幅应力谱按各应力幅出现的概率，根据线性累积损伤原理，找出应力幅为常数的等效应力幅，再按常幅疲劳验算。,吊车梁是钢结构中变幅疲劳工作的典型构件f:变幅荷载的欠载效应系数。规范给出了2106循环次数的f。重级工作制硬钩吊车f1.0重级工作制软钩吊车f0.8中级工作制吊车f0.5,51,.,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，裂纹不会持续地发展，故可不必疲劳验算疲劳容许应力幅与钢种无关,6、疲劳强度计算注意事项,52,.,问5：,钢材的有哪些类别？,53,.,2.7钢的种类和钢材规格,一、钢的种类,1.化学成分,普通碳素钢Q235普通低合金钢Q345、Q390、Q420,平炉：成本高，质量好（6小时100t左右）氧气顶吹转炉：成本低，质量也可（15分钟150t）,2.炉种,3.脱氧程度,沸腾钢（F）脱氧较差镇静钢（Z）脱氧充分半镇静钢（b）脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间特殊镇静钢（TZ）,沸腾钢：为脱氧不完全的钢。冶炼后期不加脱氧剂（如硅、铝等），浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出）。镇静钢：为完全脱氧的钢。通常注成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金一般都是镇静钢。半镇静钢：为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。这类钢具有沸腾钢和镇静钢的某些优点，碳素钢中此类钢是值得提倡和发展的。,54,.,1、碳素结构钢（GB/T700-88）-低碳钢牌号,二、建筑工程用钢,A级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量B、C、D级：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（分别为20、0、-20）及碳、硅、锰、硫、磷含量E级：除满足D级的要求外，还要求-40时的冲击韧性。,Q195、Q215、Q235、Q275,例如：Q235-AF,Q质量等级（AD）脱氧程度（F，b）,55,.,2、低合金高强度钢其牌号按屈服点由小到大排列，有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五种，牌号意义和碳素结构钢相同。不同的是，低合金高强度钢的质量等级分为A、B、C、D、E五级，A级对冲击韧性无要求；B、C、D级对应温度200C、00C、200C的冲击功34J；E级要求400C的冲击功27J。,3、优质碳素结构钢主要用于钢结构某些节点或用作连接件。如用于高强螺栓的45号优质碳素结构钢,4、建筑结构用钢板GJ钢用于建造高层建筑结构、大跨度结构等。,56,.,二、钢材的选择,（一）选择钢材的原则,1结构或构件的重要性；,57,.,2荷载情况（静力荷载，动力荷载）；静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。3连接方法（焊接连接、螺栓连接）；焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。4结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）；低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢,5.钢材的厚度厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。,58,.,（二）钢材选择建议,1、承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢GB/T700和低合金高强度结构钢GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准的规定和要求。,2、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。,59,.,3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于0但高于20时:Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证；对于Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于20时:对Q235钢和Q345钢应具有20冲击韧性的合格保证；对Q390和Q420钢应具有40冲击韧性的合格保证。,60,.,4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于20时：对Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。,5、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。,6、当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢时，其材质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板GB/T5313的规定。,61,.,问6：,如何认识不同规格的型钢？,62,.,三、钢材的规格,热轧成型的钢板和型钢冷弯（或冷压）成型的薄壁型钢,（一）热轧钢板,（表示方法宽厚度长度）,厚板（厚度4.5-60mm)薄板（厚度0.35