钢结构的材料

1、设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料1.了解钢材的破坏形了解钢材的破坏形式和主要性能。式和主要性能。2.了解影响钢材性能了解影响钢材性能的主要因素。的主要因素。3.了解钢材疲劳破坏了解钢材疲劳破坏及计算方法。及计算方法。4.了解钢材的种类及了解钢材的种类及选用原则要求。选用原则要求。2.1 2.1 建筑结构对钢材的要求建筑结构对钢材的要求2.2 2.2 钢材的破坏形式钢材的破坏形式2.3 2.3 钢材的主要性能钢材的主要性能2.4 2.4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2.5 2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条

2、件2.6 2.6 钢结构的疲劳钢结构的疲劳2.7 2.7 钢材的种类和规格钢材的种类和规格本章目录本章目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.12.1节节 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求1. 1. 建筑结构对钢材的要求建筑结构对钢材的要求了解钢结构对材料性能的基本要求了解钢结构对材料性能的基本要求 本节目录本节目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.1 2.1 建筑结构对钢材的要求建筑结构对钢材的要求 建筑钢结构在工作中可能处于不同的环境条件建筑钢结构在工作中可能处于不同的环境条件中，

3、也有可能承受不同形式的荷载，结构件的受力形中，也有可能承受不同形式的荷载，结构件的受力形式也不同。因此要正文钢材性能及影响因素，了解结式也不同。因此要正文钢材性能及影响因素，了解结构发生脆性破坏的原因，并对结构所处具体情况合理构发生脆性破坏的原因，并对结构所处具体情况合理选择钢材，正确设计、加工和使用。选择钢材，正确设计、加工和使用。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（1 1）较高的抗拉强度）较高的抗拉强度 fu和屈服点和屈服点 fy；（2 2）较好的塑性、韧性；）较好的塑性、韧性；（3 3）良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；）良好的工艺性能（冷、热加工，可

4、焊性）；建筑结构对钢材性能的要求：建筑结构对钢材性能的要求：设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.22.2节节 钢材的破坏形式钢材的破坏形式钢材的两种破坏形式钢材的两种破坏形式了解钢材的破坏形式和特点了解钢材的破坏形式和特点 本节目录本节目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.2.1 2.2.1 钢材的两种破坏形式钢材的两种破坏形式破坏形式破坏形式特特 征征断断 口口后后 果果塑性破坏塑性破坏构件应力超过屈服构件应力超过屈服点，并且达到抗拉点，并且达到抗拉极限强度后，构件极限强度后，构件产生明显的变形并产生明

5、显的变形并断裂。断裂。断裂时断口与断裂时断口与作用力方向呈作用力方向呈4545，呈纤维，呈纤维状，色泽发暗状，色泽发暗在破坏前有很明在破坏前有很明显的变形，并有显的变形，并有较长的变形持续较长的变形持续时间，便于发现时间，便于发现和补救。和补救。脆性破坏脆性破坏在破坏前无明显变在破坏前无明显变形，平均应力也小形，平均应力也小（一般都小于屈服（一般都小于屈服点），没有任何预点），没有任何预兆。兆。断口平直并呈断口平直并呈有光泽的晶粒有光泽的晶粒状。状。突然发生的，危突然发生的，危险性大，应尽量险性大，应尽量避免。避免。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.32

6、.3节节 钢材的主要性能钢材的主要性能1.1. 钢材的强度指标钢材的强度指标2.2. 钢材塑性性能指标钢材塑性性能指标3. 3. 冷弯性能冷弯性能4. 4. 冲击韧性冲击韧性掌握钢材的主要力学性能要求及含义掌握钢材的主要力学性能要求及含义本节目录本节目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.3.1 2.3.1 钢材的强度指标钢材的强度指标ABDCP yfuf)/(2mmN 0(%) 钢材比例极限钢材比例极限 钢材屈服点钢材屈服点 抗拉极限抗拉极限OA段，弹性阶段段，弹性阶段AB段，变形模量逐渐下降段，变形模量逐渐下降BC段，塑性阶段段，塑性阶段C

7、D段，强化阶段段，强化阶段钢材一次拉伸应力钢材一次拉伸应力应变曲线应变曲线P yfuf设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2 2、有明显屈服点钢材的、有明显屈服点钢材的-曲线曲线ufOPfEBCDAGyfH图图2.3.22.3.2设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 可划分为以下五个阶段：可划分为以下五个阶段： (1)(1)弹性阶段弹性阶段( (OB段段) )OA段材料处于纯弹性，即段材料处于纯弹性，即: :EAB段有一定的塑性变形段有一定的塑性变形, , 但整个但整个OB段卸载时段卸载时 = 0弹性模量：弹性模量：E=206103N

8、/mm2其中，其中，A点应力点应力 f p称为比例极限。称为比例极限。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料(2)(2)弹塑性阶段弹塑性阶段（BC段段) ) 该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留下永久的残余变形。下永久的残余变形。(3)(3)塑性阶段塑性阶段（CD段段) ) 该段该段基本保持不变（水平基本保持不变（水平),),急剧增大急剧增大, ,称为屈服称为屈服台阶。变形模量台阶。变形模量E = 0。 该段应力最高点和最低点分别称为上屈服点和下该段应力最高点和最低点分别称为上屈服点和下屈服点，下屈服点比较稳定，设计中

9、则以下屈服点为屈服点，下屈服点比较稳定，设计中则以下屈服点为依据。依据。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（4 4）强化阶段强化阶段( (DG段段) ) 当应力达到当应力达到G G点时，出现颈缩现象，至点时，出现颈缩现象，至H点而断裂。点而断裂。 随荷载的增加随荷载的增加缓慢增大缓慢增大, ,但但增加较快。曲线最增加较快。曲线最高点处高点处G点的应力点的应力 fu称为抗拉强度或极限强度。称为抗拉强度或极限强度。（5 5）颈缩破坏阶段颈缩破坏阶段( (GH段段) )设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料3 3、对无明显屈服点的钢材、对无

10、明显屈服点的钢材 高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶，高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶，塑性变形小，设计中不宜利用它的塑性。塑性变形小，设计中不宜利用它的塑性。 设计时取相当于残余变形设计时取相当于残余变形为为0.2%时所对应的应力作为时所对应的应力作为屈服点屈服点称为条件屈服点或称为条件屈服点或名义屈服点名义屈服点fy=f0.20.2%fup图图2.3.42.3.4设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料4 4、应力应变曲线的简化、应力应变曲线的简化设计时将钢材简化为理想弹塑性体设计时将钢材简化为理想弹塑性体钢材在静载作用下：钢材在静载作用下： 强度计

11、算以强度计算以fy为依据，为依据，fu为结构的安全储备。为结构的安全储备。22.5%-3%fy 1 0.15%图图2.3.52.3.5设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料5 5、单向拉伸时钢材的机械性能指标、单向拉伸时钢材的机械性能指标 （1 1）屈服点屈服点 fy 应力应变曲线开始产生塑性流动应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。度设计值的重要指标。 （2 2）抗拉强度抗拉强度 fu 应力应变曲线最高点对应的应应力应变曲线最高点对应的应力力, ,它是钢材最大

12、的抗拉强度。它是钢材最大的抗拉强度。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（3 3）伸长率伸长率00100%lll当当lo/d=5时，用时，用5表示表示当当l0/d=10时，用时，用10表示表示（5 10）实际工程中以伸长率实际工程中以伸长率 代表材料断裂前具有的塑性变形能力。代表材料断裂前具有的塑性变形能力。钢材的塑性是指：当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残钢材的塑性是指：当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。试件断裂时的绝对变形值与原标距长度的百分比，用试件断裂时的绝对变形值与原标距

13、长度的百分比，用表示。表示。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（4 4）断面收缩率断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比，用面面积比值的百分比，用 表示。表示。%100110AAA式中：式中： A0 试件原来的断面面积试件原来的断面面积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积试件拉断后颈缩区的断面面积 图图2.3.62.3.6设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 采用短试件采用短试件l0/d=3，屈服点同单向拉伸时的屈服点。，屈服点同单向拉伸时的屈服点。6 6、

14、受压时的性能、受压时的性能7 7、受剪时的性能、受剪时的性能3279 103vyyNGmmff抗剪强度可由折算应力计算公式得到：抗剪强度可由折算应力计算公式得到：设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.3.2 2.3.2 冷弯性能冷弯性能 冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标综合指标 鉴定合格指标：通过冷弯冲头加压，当试件弯曲至鉴定合格指标：通过冷弯冲头加压，当试件弯曲至180时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯

15、性能合格。断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。 图图2.3.7设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.3.3 2.3.3 冲击韧性冲击韧性冲击韧性冲击韧性钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。 用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号Wkv或或Cv表示，单位为表示，单位为J。 冲击韧性由冲击冲击韧性由冲击韧性试验确定。韧性试验确定。图图2.3.8设计原理设计原理钢结

16、构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料影响冲击韧性的因素：影响冲击韧性的因素： 冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏V型和梅型和梅氏氏U型，近年来，我国冲击试验已用夏氏型，近年来，我国冲击试验已用夏氏V型代替梅氏型代替梅氏U型。型。 冲击韧性还与试验的温度有关。根据温度不同，我国钢冲击韧性还与试验的温度有关。根据温度不同，我国钢材标准中将试验分为四档，即材标准中将试验分为四档，即+20, 0，-20和和-40时的时的冲击韧性。冲击韧性。 温度越低，冲击韧性越低。温度越低，冲击韧性越低。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料

17、钢结构的材料钢材的机械性能指标钢材的机械性能指标屈服点屈服点 fy伸长率伸长率 抗拉强度抗拉强度 fu冷弯试验冷弯试验冲击韧性冲击韧性 Cv小结小结设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.42.4节节 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响1. 1. 化学成分化学成分2.2. 成材过程成材过程3. 3. 钢材硬化钢材硬化1.1.了解影响钢材性能的主要因素了解影响钢材性能的主要因素本节目录本节目录基本要求基本要求2.2.了解防止脆性断裂破坏的方法了解防止脆性断裂破坏的方法 4. 4. 温度影响温度影响5. 5. 应力集中应力集中设计原理设计原理

18、钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.1 2.4.1 化学成分化学成分 普通碳素钢中普通碳素钢中Fe占占99%，C和和其他元素仅占其他元素仅占1%，但，但对钢材力学性能有着决定性的影响。对钢材力学性能有着决定性的影响。 普通低合金钢中合金元素普通低合金钢中合金元素小于小于5%。 (1) (1)碳（碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，：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，同时恶化钢的强度增加，塑性、韧性和疲劳强度降低，同时恶化钢的焊接性能和抗腐蚀性。钢结构用钢中，碳含量一般控制焊接性能和抗腐蚀性。钢结构用钢中，碳含量一般控制在在0.2

19、2%以下，当其含量在以下，当其含量在0.2以下时，可焊性良好。以下时，可焊性良好。 设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料图图2.4.1 含碳量对含碳量对-关系的影响关系的影响0%TC0.3%设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 (2)(2)硫（硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。 (3) (3)磷（磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过提高，可焊性降低。不得超过0.045%。 (4)(4)锰（锰（Mn）：合金元素：合金元素, ,弱脱

20、氧剂。与弱脱氧剂。与S形成形成MnS, ,熔点熔点1600, ,可以消除一部分可以消除一部分S的有害作用。的有害作用。 (5) (5)硅（硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。：合金元素。强脱氧剂。 设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 (6) (6)钒（钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其：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。碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。 (7) (7)氧氧（O）：有害杂质，与：有害杂质，与S相似（热脆）。相似（热脆）。 (8) (8)氮氮（N）：有害杂质，与：有害杂质，与P相似（冷

21、脆）相似（冷脆） 。 (9) (9)铜铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。性有影响。 设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.2 2.4.2 成材过程的影响成材过程的影响常见的冶金缺陷有：常见的冶金缺陷有： 偏析偏析：钢中化学成分不一致和不均匀性称为偏析。主要是硫和：钢中化学成分不一致和不均匀性称为偏析。主要是硫和磷的偏析，使钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。磷的偏析，使钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。 非金属夹杂非金属夹杂：常见的夹杂物为硫化物和氧化物。硫化物使钢材：常见的夹杂物为硫化物和氧化物。硫化物使钢材在在80

22、0 1200高温下变脆，氧化物会降低钢材的力学性能和工艺高温下变脆，氧化物会降低钢材的力学性能和工艺性能。性能。 气孔气孔：浇注时由：浇注时由FeO与与C作用所生成的作用所生成的CO气体不能充分逸出而气体不能充分逸出而留在钢锭内形成的。留在钢锭内形成的。 裂纹裂纹：钢材中已出现的局部破坏：钢材中已出现的局部破坏 分层分层：指沿厚度方向形成层间并不相互脱离的分层。分层处易：指沿厚度方向形成层间并不相互脱离的分层。分层处易被锈蚀被锈蚀, , 且分层使钢材性能变差。且分层使钢材性能变差。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.3 2.4.3 钢材硬化钢材硬化 冷作硬

23、化冷作硬化在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象韧性降低的现象。 时效硬化时效硬化随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象塑性和韧性下降的现象。 应变时效硬化应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，

24、从而使已经冷作硬化的钢材又晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。发生时效硬化现象。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料图图2.4.2 硬化对钢材性能的影响硬化对钢材性能的影响0冷作硬化冷作硬化时效硬化时效硬化冷作硬化后冷作硬化后的塑性区的塑性区243 1fyfp冷加工及时效冷加工及时效冷加工及时效冷加工及时效后的塑性区后的塑性区fy0设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 注意注意: :不管哪一种硬化，都要降低钢材的塑性和不管哪一种硬化，都要降低钢材的塑性和韧性，对钢材不利。因此钢结构设计中一般不利用

25、韧性，对钢材不利。因此钢结构设计中一般不利用硬化后提高的强度，而且对于直接承受动荷载的结硬化后提高的强度，而且对于直接承受动荷载的结构还应设法消除硬化的影响。构还应设法消除硬化的影响。 例如，经过剪切机剪切的钢板，为了消除剪切例如，经过剪切机剪切的钢板，为了消除剪切边缘的冷作硬化，可采用火焰烧烤使之边缘的冷作硬化，可采用火焰烧烤使之“退火退火”或或将边缘刨去将边缘刨去35mm。 设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.4 2.4.4 温度影响温度影响图图2.4.4 温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响8006004002000N/mm2Efufy2

26、0040060020406080%220210200190180170160E Ex10 x103 3N/mmN/mm2 2t(0C)设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 1 1正温范围正温范围 200以内对钢材性能无大影响，该范围内随温度以内对钢材性能无大影响，该范围内随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。 250左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加加蓝蓝脆现象，该温度区段称为脆现象，该温度区段称为“蓝蓝脆区脆区”。 260320产生徐变现象。产生徐变现象。 600

27、左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。失。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 当 温 度 低当 温 度 低于常温时，钢于常温时，钢材的脆性倾向材的脆性倾向随温度降低而随温度降低而增加，材料强增加，材料强度略有提高，度略有提高，但其塑性和韧但其塑性和韧性降低，该现性降低，该现象称为象称为低温冷低温冷脆脆。2 2负温范围负温范围脆性破坏脆性破坏转变过渡区段转变过渡区段塑性破坏塑性破坏反弯点反弯点试验温度试验温度T T0 0C C冲冲 击击 断断 裂裂 功功 C Cv vT1T2T0图图2.4.5 冲击韧性与温度的关系曲线冲击

28、韧性与温度的关系曲线设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.5 2.4.5 应力集中应力集中 1.1.应力集中的概念应力集中的概念 在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。部高峰应力，形成所谓应力集中现象。 图图2.4.6 孔洞及槽孔孔洞及槽孔处的应力集处的应力集中现象中现象y yz zy

29、yx xz zx xx xy y0 00 01 11 1x xy y0 00 01 11 1设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 2.2.应力集中的影响应力集中的影响 可以看出截面槽可以看出截面槽口改变愈急剧，应力口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑抗拉强度愈高，但塑性愈差，脆性破坏的性愈差，脆性破坏的倾向愈大。倾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10测距10010100600700500400300200100图图2.4.7 应力集中对应力集中对-曲线曲线关系的影响关系的影响设计原理设计原理钢结构钢结构第二章

30、第二章 钢结构的材料钢结构的材料3.3.减小应力集中现象的措施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，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。可以不考虑应力集中的影响。1:2.5图图2.4.8设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料本节讨论：本节讨论：防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法 (1)(1)合理选择钢材合理选择钢材 温度温度冷脆转变温度低冷脆转变温度低 厚度厚度薄薄 (2)(2)合理设计合理设计 合理的设计应该在考

31、虑材料的断裂韧性水平、最低合理的设计应该在考虑材料的断裂韧性水平、最低工作温度、荷载特征、应力集中等因素后，再选择合理工作温度、荷载特征、应力集中等因素后，再选择合理的结构型式，尤其是合理的构造细节十分重要。的结构型式，尤其是合理的构造细节十分重要。 设计时应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限设计时应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限度，尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。度，尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 (3)(3)合理制作和安装合理制作和安装 冷加工冷加工栓孔栓孔 钻、扩钻、扩 焊接焊接合理工艺、参数，减

32、小焊接残余应力，合理工艺、参数，减小焊接残余应力，如厚钢板，焊前预热，焊后保温如厚钢板，焊前预热，焊后保温 安装安装减小装配残余应力减小装配残余应力 (4)(4)合理使用及维修措施合理使用及维修措施避免突然荷载避免突然荷载设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.52.5节节 复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件1.掌握复杂应力作用钢材屈服条件及应用掌握复杂应力作用钢材屈服条件及应用基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料基本基本假定：假定： （1 1）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位）材料由

33、弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；体积中积聚的能量来表达； （2 2）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。形能时，钢材即由弹性转入塑性。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料yOxzyzyxxyxzzyzxZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力图图2.5.1112233单元体受主应力单元体受主应力图图2.5.2设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条

34、件，可用状态的条件，可用按能量强度理论计算的按能量强度理论计算的折算应力折算应力red和钢材在单向应力和钢材在单向应力下的屈服点下的屈服点fy相比较来判断，即相比较来判断，即1.1.以一般应力分量表示以一般应力分量表示2.2.以主应力表示以主应力表示当当时钢材处于弹性状态，时钢材处于弹性状态，时钢材处于塑性状态。时钢材处于塑性状态。redyfredyf2221223311()()()(2 2)2redyf(2-2)(2-2)222222()3 ()(21)redxyzxyyzzxxyyzzxyf (2-1)(2-1)设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 对于薄板，

35、厚度方向的应力很小，常可忽略不计，对于薄板，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，这时三向应力状态可简化为平面应力状态，式（这时三向应力状态可简化为平面应力状态，式（2-12-1）成为成为 3.3.几种特殊情况几种特殊情况一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：223redyf（2-42-4）222(2 )33redxyx yxyyf（2-32-3）设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料纯剪时纯剪时 = 0 ，则有则有233redyf（2-52-5）即：钢材的剪切屈服点是单轴拉伸屈服点即：钢材的剪切屈服点是单轴拉伸屈服点 fy的的0.58

36、倍。倍。因此，规范规定：钢材的抗剪设计强度为抗拉设计强度因此，规范规定：钢材的抗剪设计强度为抗拉设计强度的的0.58 倍。倍。0 .5 8(2 6 )3yyvyfff （2-62-6）设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.62.6节节 钢材的疲劳钢材的疲劳1. 1. 疲劳破坏及影响因素疲劳破坏及影响因素2. 2. 疲劳破坏的计算疲劳破坏的计算3. 3. 改善疲劳的措施改善疲劳的措施1.1.了解钢材疲劳破坏的特征了解钢材疲劳破坏的特征2. 2. 掌握疲劳破坏的计算方法掌握疲劳破坏的计算方法本节目录本节目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章

37、 钢结构的材料钢结构的材料2.6.1 2.6.1 疲劳破坏特征疲劳破坏特征 1.1.概念概念 钢材在连续反复荷载的作用，当应力低于抗拉强度，钢材在连续反复荷载的作用，当应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度时发生突然断裂的现象，这种现象称甚至低于屈服强度时发生突然断裂的现象，这种现象称为钢材的疲劳。为钢材的疲劳。 2.2.疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理 疲劳破坏是积累损伤的结果。疲劳破坏是积累损伤的结果。 破坏过程：破坏过程：缺陷缺陷微观裂纹微观裂纹宏观裂纹宏观裂纹断裂。断裂。 设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料3. 3. 影响疲劳破坏的主要因素影响疲劳破坏的主要因素

38、 构造细节构造细节应力集中程度和残余应力大小应力集中程度和残余应力大小 荷载循环次数荷载循环次数5104次，验算疲劳次，验算疲劳 荷载引起的循环应力特征荷载引起的循环应力特征 应力幅（焊接结构）应力幅（焊接结构） 应力比（非焊接结构）应力比（非焊接结构）注意：注意：与钢材的静力强度和最大应力无明显关系与钢材的静力强度和最大应力无明显关系 不出现拉应力，不会发生疲劳破坏不出现拉应力，不会发生疲劳破坏设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.6.2 2.6.2 疲劳破坏的计算疲劳破坏的计算在应力循环中，最大应力和最小应力的差即应力幅。应力在应力循环中，最大应力和最小应力

39、的差即应力幅。应力幅值计算公式如下：幅值计算公式如下： minmax 式中式中 应力幅值；应力幅值； 应力循环产生的最大拉应力；应力循环产生的最大拉应力； 应力循环产生的最小应力，受拉为正，受压应力循环产生的最小应力，受拉为正，受压 为负。为负。 max min 设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.6.3 2.6.3 改善疲劳的措施改善疲劳的措施。图图2.6.10 吊车梁加劲肋做法吊车梁加劲肋做法 试验表明，影响钢材疲劳强度的因素主要是构件或连接的构造细节，如试验表明，影响钢材疲劳强度的因素主要是构件或连接的构造细节，如钢材的冶金缺陷、应力集中程度以及作用的应

40、力幅值及荷载循环次数。钢材的冶金缺陷、应力集中程度以及作用的应力幅值及荷载循环次数。 改善结构疲劳性能应针对上述因素合理选材，在设计中采用合理的构造改善结构疲劳性能应针对上述因素合理选材，在设计中采用合理的构造细节，降低应力集中程度。细节，降低应力集中程度。 50100设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.72.7节节 钢材的种类和规格钢材的种类和规格1. 1. 建筑用钢分类建筑用钢分类2. 2. 钢材的选择及建议钢材的选择及建议3. 3. 型钢的规格型钢的规格1.1.了解钢材的种类、命名和选择了解钢材的种类、命名和选择本节目录本节目录基本要求基本要求2.2

41、.了解钢材的主要规格了解钢材的主要规格设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.7.1 2.7.1 钢材的种类钢材的种类 按用途钢可分为：结构钢、工具钢和特殊钢。按用途钢可分为：结构钢、工具钢和特殊钢。 按冶炼方法，钢可分为转炉、平炉和电炉。按冶炼方法，钢可分为转炉、平炉和电炉。 按照脱氧方法和程度的不同，可分为沸腾钢、半镇按照脱氧方法和程度的不同，可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。静钢、镇静钢和特殊镇静钢。 按化学成分，钢又可分为碳素钢和低合金钢。按化学成分，钢又可分为碳素钢和低合金钢。 1 1. .碳素结构钢碳素结构钢 命名方式命名方式: :由四部分组

42、成由四部分组成，依次是，依次是屈服点的字母屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号，如，如Q235-AF。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 说明说明：（：（1 1）质量等级符号质量等级符号A、B、C、D是根据钢是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同共化分为材的化学成分和冲击韧性不同共化分为4个等级。个等级。 Q235-质量等级质量等级（A、B、C、D） 脱氧方法脱氧方法（F、Z、b、Tz） A 保证保证fu、fy、，P、S含量含量 B 保证保证fu,fy, ,冷弯，常温时冷弯，常温时Cv，P，S，C含量；含量；

43、C 保证保证 fu,fy, ,冷弯，冷弯，0oC时时Cv，P，S，C含量含量; ; D 保证保证fu,fy, ,冷弯，冷弯，-20oC时时Cv，P，S，C含量含量; ;设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 （2 2）脱氧方法符号也有四种，脱氧方法符号也有四种，F代表沸腾钢，代表沸腾钢，b代代表半镇静钢，表半镇静钢，Z代表镇静钢，代表镇静钢，TZ代表特种镇静钢，在具代表特种镇静钢，在具体标注时体标注时Z和和TZ可以省略。可以省略。 （3 3）规范）规范GB50017将将Q235牌号的钢材选为承重结牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及构

44、用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范冷弯试验结果均应符合规范GB/T700-2006的要求。的要求。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2 2. .低低合金高强度结构钢合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中适量添加低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中适量添加几种合金元素（合金元素总量不超过几种合金元素（合金元素总量不超过5%）, ,使钢的强度使钢的强度明显提高。明显提高。 低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似, ,只是质量等级分为只是质量等级分为A、B、C、D、E

45、五等（其中五等（其中E主要是主要是要求要求-40 的冲击韧性）的冲击韧性）, ,低合金高强度结构钢采用的脱低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢, ,故可不加脱氧方法的符故可不加脱氧方法的符号。号。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 根据钢材厚度（直径）根据钢材厚度（直径）16mm时的屈服点不同，时的屈服点不同，分为分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等，其中等，其中Q345、Q390和和Q420钢材都有较高的强度和较好的塑性、韧性钢材都有较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能，是钢结构设计规范推荐采用

46、的钢种。和焊接性能，是钢结构设计规范推荐采用的钢种。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.7.2 2.7.2 钢材的选择钢材的选择 1 1. .选择钢材的选择钢材的一般一般原则原则 （1 1）结构或构件的重要性）结构或构件的重要性 （2 2）荷载情况）荷载情况 静力荷载作用下可选择经济性较好的静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材；钢材； 动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。 （3 3）连接方法（焊接连接、螺栓连接）连接方法（焊接连接、螺栓连接） 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制焊接结构对材质的要求严格，应严格控

47、制C、S、P的极限含量；非焊接结构对的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。的要求可降低一些。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 （4 4）结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）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。低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢。 （5 5）钢材的厚度）钢材的厚度 厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。2.2.钢材选择的建议钢材选择的建议 （1 1）承重结构的钢材宜采用）承重结构的钢材宜采用Q235钢、钢、Q345钢、钢、Q390钢和钢和Q4

48、20钢，其质量应分别符合国家标准钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢碳素结构钢GB/T700和和低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢GB/T1591的规定。的规定。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 （2 2）承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈）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。碳量的合格保证。 （3 3）对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲）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击韧性的合

49、格保证；当结构工作温度等于或低于0但但高于高于20时，时，Q235钢和钢和Q345钢应具有钢应具有0冲击韧性合冲击韧性合格的保证；对于格的保证；对于Q390钢和钢和Q420钢应钢应具有具有20冲击韧冲击韧性的合格保证。性的合格保证。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 当结构工作温度等于或低于当结构工作温度等于或低于20时，对时，对Q235钢和钢和Q345钢应具有钢应具有20冲击韧性的合格保证；对冲击韧性的合格保证；对Q390和和Q420钢应具有钢应具有40冲击韧性的合格保证。冲击韧性的合格保证。 （4 4）对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具）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有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于于20时，对时，对Q235钢和钢和Q345钢应具有钢应具有0冲击韧性合冲击韧性合格的保证；对格的保证；对Q390钢和钢和Q420钢应具有钢应具有20冲击韧性冲击韧性的合格保证。的合格保证。设计原理设计原理钢结构钢