钢结构(上) 第二章.ppt

,本章主要内容：钢结构对材料的要求钢材的破坏形式钢材的主要性能影响钢材性能的主要因素钢材的分类和规格,1、钢结构对材料的要求：(1)较高的抗拉强度fu和屈服强度fy；(2)较高的塑性和韧性；(3)良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和可焊性等)。(4)对特殊结构，还要求有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力GB50017-2003:承重结构采用的刚材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应有含碳量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。2、钢材的破坏形式:(1)塑性破坏:塑性变形大超过应变能力，破坏时应力大于fu。(2)脆性破坏:塑性变形很小，甚至没有，破坏时应力小于fy。,第一节钢结构对材料的要求,力学（机械）性能反映强度、刚度、延性、塑性指标；化学成分影响强度、延性、加工性、耐久性；,第二节钢材的性能指标,1.单向拉伸试验标准材性试验,(1)弹性阶段(OB段)：fe;fp;E(Et)(2)弹塑性阶段(BC段):Et(3)屈服阶段(CD段)：fy(4)强化阶段(DG段)：fu(5)颈缩阶段(GH段)：d,主要力学指标：弹性模量E屈服强度fy抗拉强度fu伸长率d建筑钢材取屈服强度fy为静力强度标准值。,E为常量，低碳钢有明显屈服点，对无明显屈服阶段的钢材，以为名义（条件）屈服点。fy作为破坏标志，fu/fy为强度储备，d表示塑性变形能力。,钢材设计强度的取用：,理想弹塑性体的曲线,2冷弯性能：指钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂纹的抵抗能力。是衡量钢材质量和塑性的综合指标。冷弯试验冷弯角a冷加工性能，塑性变形能力，材质均匀性。,(1)冷弯性能取决与钢材质量，并与d和a有关；(2)冷弯角a=180,试件无裂纹或分层等现象发生。,3冲击韧性：指钢材受冲击及动力荷载作用时抗脆断的能力。是衡量钢材强度和塑性的综合指标。冲击试验冲击功Akv抗脆断、抗动载能力。,冲击试验的试件主要有:梅氏试件(U形槽口)akv(J/mm2);夏比试件(V形槽口)Akv(J);,GB50017-2003规定:(1)对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证。对结构工作温度不高于0但高于-20时，Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-20冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于-20时，对Q235钢和Q345钢应具有-20冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-40冲击韧性的合格保证。(2)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。当结构工作温度不高于-20时，对Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-20冲击韧性的合格保证。,4其它可焊性、耐磨性、耐火性、耐腐蚀性等。可焊性：钢材经过焊接后保持原有机械性能的能力；要求钢材具有可焊性，即钢材经过焊接后，仍能具有必需的塑性和韧性（强度一般不会降低）。可焊性检验方法：(1)抗裂性试验:按一定工艺要求焊接后，立刻将焊接后的钢料制成研片进行观察，判断裂纹数量和大小是否在规定范围之内(2)侧重使用性能的可焊性试验:焊接后的构件经过规定数量的加载，再从指定部位取一定数量的小试件，进行冲击韧性试验，看钢材是否变脆。耐久性：保持钢材各项性能持久性的能力;钢材的锈蚀、时效、以及疲劳均属耐久性问题。,1化学成分钢Fe+C+有利元素+有害元素；有利元素Mn、Si、V等合金元素(低合金钢)；有害元素S、P、O、N、H等；（1）碳素钢低碳（C0.25%），中碳（C0.6%），高碳（C2%），C提高强度，降低塑性、韧性和可焊性、耐锈蚀性。（2）合金钢锰（Mn），高强；铬（Cr）不锈；铜（Cu）耐候；钒、镍、铌，改性。锰：脱氧剂，提高强度，改善脆性；但对可焊性和耐锈力不利。硅：脱氧剂，提高强度，但含量过高，对塑性可焊性耐锈力不利。,第三节影响钢材性能的各种因素,（3）有害元素硫（S）、磷（P）、氢、氮、氧，降低塑性，变脆，可焊性差，严格控制含量。硫：高温时变脆，降低塑性韧性抗疲劳能力和耐锈能力。磷：提高强度和耐锈力，低温变脆，降低塑性可焊性等。S热脆；P冷脆；O类似S;N类似P；H氢脆。2金属缺陷：偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、分层等冶金缺陷。偏析:钢中化学成分的不一致性和不均匀性裂纹：先天的裂纹，或是微观的或是宏观的分层：在厚度方向分成多层，各层相互连接，并不脱离夹杂物：尤其是硫化物和氧化物等,3加工过程钢材硬化冷加工(冷作硬化)冲、钻、剪、弯、折，局部硬化；热加工(焊、割等)局部升温，热影响区；不均匀冷却，焊接残余应力；时效硬化随时间使力学性能改变。,4温度影响在正常温度下：性能基本不随温度变化在高温度下：温度升高，强度、弹性模量均有下降趋势。蓝脆现象：250左右，抗拉强度反而提高，塑性和韧性下降。在低温时：温度降低，强度略提高，塑性等下降，有脆性倾向。冷脆现象：当温度降低至某一温度以下时材料变脆。5应力集中：构件内部缺陷或截面形状等改变时，应力分布不均匀，出现局部高峰应力，促使钢材变脆。影响因素：截面变化愈剧烈，应力集中现象愈明显。6反复荷载:疲劳破坏脆断。,第四节钢材的种类和规格及选用,一、钢材的分类1、按冶炼方法分为平炉、氧气顶吹转炉、侧吹碱性转炉等几种。2、按脱氧方法分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢等几种。3、按成型方法分为轧制钢（又分为热轧和冷轧）、锻钢、铸钢等几种。4、按化学成份分为碳素钢和合金钢。5、按用途分为结构钢（又分建筑用钢和机械用钢）、工具钢、特殊钢。我国目前建筑用钢主要有：普通碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。,钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法”四部分组成。Q：表示“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度”（N/mm2）；质量等级：分AE五个质量等级（字序越高质量越好）；脱氧方法：F沸腾钢；Z镇静钢（一般省略）；b半镇静钢；TZ特殊镇静钢。1、普通碳素结构分A、B、C、D四级，A级保证抗拉强度、屈服强度及伸长率；B、C、D级除保证A级指标外，尚应保证冷弯性能和冲击韧性（B级20oc、C级0oc、D级-20oc）。A、B级有镇静钢、半镇静钢、沸腾钢，C级只有镇静钢，D级只产生特殊镇静钢。符号：Q235-A.F,Q235-B.b,Q235-C,Q235-D五种牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。,二、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类,2、低合金高强度结构钢分A、B、C、D、E五级，只有镇静钢和特殊镇静钢。A级应增加冷弯试验，其他质量级别钢如供方能保证弯曲试验结果符合规定要求，可不作检验。E级除与ABCD级相同要求外，主要要求增加-40oc的冲击韧性。五种牌号：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。符号：Q345-A,Q390-B3、优质碳素结构钢经过热处理（调质和正火）得到的优质钢。它于普通碳素钢的区别在于杂质元素较少，S、P含量小于等于0.035%,并严格限制其它缺陷综合性能较好。如前所述建筑结构用钢，宜选普通碳素结构钢中的Q235及低合金钢中的Q345、Q390、Q420四种钢材。,三、建筑结构用钢的选择,钢材的质量和性能，由钢材力学性能中的抗拉强度fu、屈服强度fy、伸长率5（10）、冷弯180o及冲击韧性k，化学成分C、S、P等的极限含量，以及冶炼脱氧方法来衡量。选材时应根据结构的重要性、荷载性质（静、动）、应力状态、结构型式、连接方法、钢材的厚度、工作环境等因素来综合考虑以选择适宜钢材。选用总原则：安全可靠、经济合理。一般承重结构应有fu、fy、5以及C（0.22%）、S、P的极限含量合格保证；焊接及重要的非焊接承重结构还应具备冷弯180o合格保证（C0.2%）；承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时,还应根据具体情况增加对k的不同要求。,4.注意事项(1)结构要求：Q235-A.F不保证Akv指标和C含量，用于非焊接结构；Q235-B.F全保证，用于焊接结构（t25mm）；Q345保证fu,fy,d,a,指标和S,P,C含量，只需选钢号并要求Akv附加条件；(2)厚板强度低，Z向性能，低温条件应特别考虑。,1、热轧钢板表示方法：”宽X厚X长“（mm），如800X12X2100。薄钢板：厚度为0.354mm，宽度60300mm，长412m。厚钢板：厚度为4.560mm，宽度5001500mm，长0.54m。特厚钢板：厚度大于60mm，宽度6003800mm，长49m。2、热轧型钢（1）角钢：分等边角钢和不等边角钢。表示：“L边宽X厚度”（2）工字钢：分普通工字钢、轻型工字钢和H型钢。普通工字钢表示：”“+“号数”，号数为截面高度的厘米数。分a、b、c三类。a类腹板最薄，宜采用；c类腹板最厚，尽量少用。轻型工字钢表示与普通工字钢基本相同，只在前面加上字母Q。,四、钢材的规格,(3)H型钢:分宽翼缘、中宽翼缘和窄翼缘三种。表示：”H高度X宽度X腹板厚度X翼缘厚度“（mm）。翼缘宽为B，截面高为H宽翼缘（HW）：B=H中宽翼缘（HM）：B=（1/22/3）H窄翼缘（HN）：B=（1/31/2）H(4)槽钢:分普通和轻型槽钢。普通槽钢表示：”“+“号数”，号数为截面高度的厘米数。(5)钢管：有无缝和焊接钢管，用”“+”外径X厚度“表示。3、冷弯薄壁型钢厚度一般为1.55mm。特点是截面开展，特别经济。,一、单向应力状态下的屈服条件,二、复杂应力状态下的屈服条件,(1)形状改变能量理论外荷载对单元体单位体积所做的形状改变功或单元体单位体积内所聚积的形状改变应变能达到一定数量时就会引起钢材的屈服。,第五节钢材在复杂应力下的工作,(3)三向主应力作用下的应变能：,(2)单向应力作用下的应变能：,(4)三向主应力作用下的屈服条件：,(5)三向主应力作用下的屈服条件：,(7)双向应力状态下的屈服条件：,(6)复杂应力状态下的屈服条件：,(8)单向正应力和剪应力作用下的屈服条件：,(9)平面纯剪应力状态下的屈服条件：,第六节钢材的脆性断裂与防止,一、钢材或钢结构的脆性断裂(1)是指低名义应力（低于钢材抗拉强度或屈服强度）情况下发生突然断裂的破坏。其断裂面通常是纹理方向单一和较平的劈裂表面，很少或没有剪切唇边。(2)脆性断裂大多是缺陷发展以致裂纹失稳扩展而发生。(3)实际工程的脆性断裂破坏事故所占比例比较大。,二、影响脆性断裂的因素(1)钢材质量差；(2)结构构件构造不当；(3)制造安装质量差；(4)结构受有较大动力荷载，或在较低环境温度下工作等。三、脆性断裂的防止在结构设计、制造和施工安装中，设法考虑减小缺陷或类裂纹的尺度、降低裂纹场的实际应力（包括应力集中和残余应力）水平和选用合适的钢材以防止脆性断裂。(1)合理设计和选用钢材；(2)合理制造和安装；(3)建立必要的使用维修规定和措施。,第六节钢结构的疲劳,一、钢材的疲劳与钢构件和连接的疲劳曲线1、疲劳和疲劳特征(1)钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展以致破坏的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。(2)疲劳破坏时，截面上的应力低于钢材的抗拉强度；通常没有明显的变形，呈现出突然的脆性破坏特征。,2、疲劳的影响因素(1)钢材的疲劳除了与钢材的质量、构件的几何尺寸和缺陷等因素有关外，主要取决于循环荷载在钢材内引起的反复循环应力的特征和循环次数。(2)循环应力的特征可用应力随时间变化的曲线即应力谱描述。疲劳试验中通常采用的几种正弦波应力谱如图：(3)循环应力谱特征应力比：=min/max；应力幅：=max-min。,3、钢材S-N曲线和疲劳强度(1)钢材的最大应力max随疲劳破坏时应力循环次数n的增加而降低，且曲线具有平行于x轴的渐近线。当n趋于很大时，max趋于，称为疲劳强度极限(耐久疲劳强度)。,(2)常取相应于n=5106次的疲劳强度作为钢材的耐久疲劳强度(条件破裂强度)。,规范规定：直接承受动力荷载的结构，当循环次数N5X104时需进行疲劳计算。,4、常幅疲劳容许应力幅计算：(1)焊接钢构件和连接的疲劳试验研究表明，在常幅循环应力作用下，引起疲劳破坏的应力幅=max-min与其循环作用次数n的关系曲线为：,(2)规范GB50017-2003按容许应力幅计算方法来验算钢构件和连接的疲劳。容许应力幅取图中实线偏左k倍标准差S（疲劳试验数据统计分析中lgn分布的标准差）的疲劳曲线。(3)取k2，具有97.7的保证率。则常幅疲劳的容许应力幅计算公式为：,(4)规范GB50017-2003按照疲劳性能的高低将不同构造和受力特点的钢构件和连接归并划分为八个疲劳计算类别(参见P506-507附表七)，并对每个类别规定了相应的C、的参数取值，如下表：,(5)相应于每个类别的-n疲劳曲线如下图：,二、钢构件和连接的疲劳计算规范GB50017-2003对定，直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n5104次时，应进行疲劳计算。根两种类型进行计算：1、常幅疲劳计算,式中，对焊接部位为应力幅=max-min，对非焊接部位为折算应力幅=max-0.7min；max、min分别是计算部位每次应力循环中的最大拉应力（取正值）、以及最小拉应力（取正值）或压应力（取负值）；,2、变幅疲劳计算对于受有随机性荷载作用的结构构件和连接，其应力和应力幅常常是变化的，而且各种应力幅的重现次数和出现的先后次序也是不确定的。通常的计算方法是统计分析预测结构在设计基准期内各种荷载的频率分布、应力幅水平以及频次分布综合所构成的设计应力谱，计算出各种应力幅及其重现次数，近似按照线性疲劳累积损伤原则进行计算：式中，ni为以应力循环次数