华中科技大学钢结构设计原理钢结构材料

1、会计学1华中科技大学钢结构设计原理钢结构材华中科技大学钢结构设计原理钢结构材料料第1页/共78页2.掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指 标；3.掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢材变脆的主要因素；4.了解结构用钢材的种类、牌号、规格；5.了解钢材选择的依据，做到正确选择钢材；6.掌握钢材疲劳的概念和疲劳计算方法。第2页/共78页2.12.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求第3页/共78页第4页/共78页第5页/共78页2.3 钢材的主要性能Lod d第6页/共78页第7页/共78页2.2.阶段划分阶段划分A.A.有屈服点钢材有屈服点钢材-曲线可以分为五个阶段：曲线可以分为五个阶段

2、： (1) (1)弹性阶段弹性阶段(OB(OB段段) )OAOA段材料处于纯弹段材料处于纯弹性性,A,A对应比例极限对应比例极限EABAB段有一定的段有一定的塑性变形塑性变形, , 但但整个整个OBOB段卸载段卸载时，时，=0=0；E=206E=20610103 3N/mmN/mm2 2uOAEBCDAEy第8页/共78页（2 2）弹塑性阶段（）弹塑性阶段（BC)BC) 该段很短该段很短, ,表现出钢材的非弹性性质表现出钢材的非弹性性质; ; B B屈服上限屈服上限; ; C C屈服下限屈服下限( (屈服点强度屈服点强度) )（3 3）塑性阶段（）塑性阶段（CD)CD) 该段该段基本基本 保持

3、不变（水保持不变（水 平平),), 急剧急剧 增大增大, ,称为屈称为屈 服台阶或流服台阶或流 幅段幅段, ,变形模变形模 量量 E = 0E = 0uOAEBCDAEy第9页/共78页极限抗拉强度极限抗拉强度f fu u（5 5）颈缩阶段）颈缩阶段(EF(EF段段) )随荷载的增加随荷载的增加缓慢增大缓慢增大, ,但但增加较快增加较快uOAEBCDAEy第10页/共78页 该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，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。塑性变形小，破坏突然。 设计时取相当于设计时取相当于 残余变形为残余变形为0.2%0.2% 时所对应的应力时所对应的应力 作为屈服点

4、作为屈服点条件屈服点条件屈服点第11页/共78页（1 1）钢材可以简化为）钢材可以简化为理想弹塑性体理想弹塑性体2.5%-3%fy 00.15%第12页/共78页（3 3）断裂时变形约为弹性变形的）断裂时变形约为弹性变形的200200倍，在破坏前倍，在破坏前 产生明显可见的塑性产生明显可见的塑性 变形，变形， 可及时补救，可及时补救， 故几乎不可能发生。故几乎不可能发生。O0.15%22%fufyf fu u-f-fy y第13页/共78页（2 2）抗拉强度抗拉强度f fu u-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，它是钢材最大的抗拉强度。力，它是钢材最大的抗拉强度。第14页

5、/共78页LodNNNLdN（3 3）伸长率）伸长率)12(%10000 lll )22(%100010 AAA （4 4）断面收缩率）断面收缩率它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。当当l l0 0/d=5/d=5时，用时，用5 5表示，当表示，当l l0 0/d=10/d=10时，用时，用1010表示。表示。A0A1第15页/共78页（二）受压时的性能 采用短试件采用短试件l l0 0/d=3, /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。（三）受弯时的性能（四）受剪时的性能231079)32(3mmNGffyvy 抗剪强度可由折算

6、应力计算公式得到：抗剪强度可由折算应力计算公式得到：第16页/共78页 衡量钢材塑性性能和质量优劣及可焊性的综合指标。add+2.1a第17页/共78页第18页/共78页第19页/共78页第20页/共78页第21页/共78页小 结第22页/共78页2.4 各种因素对钢材性能的影响第23页/共78页第24页/共78页二冶炼及轧制二冶炼及轧制的影响冶炼中产生的冶金缺陷有：冶炼中产生的冶金缺陷有：偏析（化学成分分布不均程度）非金属夹杂偏析（化学成分分布不均程度）非金属夹杂, ,气孔气孔, ,裂纹等。裂纹等。轧制影响轧制影响: 1 厚钢板厚钢板4.5mm 薄钢板薄钢板0.254mm泡纹焊合晶细，故设计

7、强度按厚度分级泡纹焊合晶细，故设计强度按厚度分级；2 出现分层：夹杂被压成薄片（对粗轧的厚板出现分层：夹杂被压成薄片（对粗轧的厚板,无法焊合）使得沿轧向好于垂无法焊合）使得沿轧向好于垂轧向好于厚度向。轧向好于厚度向。P21图图冶炼影响冶炼影响:按脱氧脱硫程度分为镇静钢，半镇静钢按脱氧脱硫程度分为镇静钢，半镇静钢,沸腾钢沸腾钢第25页/共78页第26页/共78页 1 1正温范围正温范围 200200以内对钢材性能以内对钢材性能无大影响，该范围内无大影响，该范围内随温度升高总的趋势随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降是强度、弹性模量降低，塑性增大。低，塑性增大。8006004002000N/mm2

8、Efufy200400600温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响20406080%220210200190180170160E Ex10 x103 3T(0C)第27页/共78页第28页/共78页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冲击断裂功冲击断裂功C Cv vT1T2T0冲击韧性与温度的关系曲线冲击韧性与温度的关系曲线第29页/共78页第30页/共78页2.2.应力集中的影响应力集中的影响第31页/共78页1:2.5 由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷由于钢材具有良好的塑性性能，当承受

9、静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要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。求，可以不考虑应力集中的影响。第32页/共78页第33页/共78页残余应力影响: 对强度强度无影响,对刚度刚度下降,对压杆压杆弱轴有影响, 对低温加速冷脆对低温加速冷脆,对疲劳残拉坏残压好对疲劳残拉坏残压好第34页/共78页第35页/共78页oxzyyzyxxyxzzyzxZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力（应力分量（应力分量）112233单元体受主应力单元体受主应力第36页/共78页 )52()()()(21213232221 yredf ) 42 ()(3)(22

10、2222 yzxyzxyxzzyyxzyxredf 1.1.以应力分量表示以应力分量表示2.2.以主应力表示以主应力表示fyred 材料处于弹性状态材料处于弹性状态fyred 材料处于塑性状态材料处于塑性状态第37页/共78页 （1 1）三向受压时）三向受压时( (静水压力静水压力) ) 理论上理论上不破坏不破坏; ;（2 2）三向受拉时）三向受拉时 一定破坏一定破坏; ; 由于三向受拉限制了材料的塑性发展，材由于三向受拉限制了材料的塑性发展，材料要发生脆性破坏。料要发生脆性破坏。 能量理论所得的公式只适用于塑性明显的能量理论所得的公式只适用于塑性明显的材料，因此形式上的不破坏与实际的脆性破坏

11、是材料，因此形式上的不破坏与实际的脆性破坏是不矛盾不矛盾, ,只是实际的脆性破坏不再符合能量理论只是实际的脆性破坏不再符合能量理论的基本假定。的基本假定。第38页/共78页图示简支梁1-1截面腹板与翼缘交界A点的应力1-1xyA对于薄板，厚度方向的应力很小，为平面受力状态。对于薄板，厚度方向的应力很小，为平面受力状态。) 62(3222 yxyyxyxredf PPMM11AXVY第39页/共78页一般均布荷载梁只存在正应力和剪应力，则一般均布荷载梁只存在正应力和剪应力，则：2-2xA)72(322 yxyxredf VM22AYXq第40页/共78页3-3APMVP44YXM3-3 3-3

12、截面弯矩最大；截面弯矩最大；4 44 4截面仅有剪力，弯矩、局截面仅有剪力，弯矩、局部压力均为零，故该截面除剪应力外，正应力均为部压力均为零，故该截面除剪应力外，正应力均为零，即为纯剪状态。零，即为纯剪状态。)82(58. 03 vyyyfff yredf 3第41页/共78页一一、概念、概念1 1、循环荷载循环荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载。结构或构件承受的随时间变化的荷载。PP11A1-1A2.6 钢材的疲劳第42页/共78页（1 1）应力循环）应力循环（2 2）应力循环特征）应力循环特征应力比)92(maxmin )102(1 -构件截面应力构件截面应力随时间的变化。随时间的变化。

13、（3 3）应力幅）应力幅-)112(minmax 在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅:为常量 常幅循环：为变量 变幅循环： + +- -t t第43页/共78页(b)(b)脉冲循环脉冲循环(a)(a)完全对称循环完全对称循环(c)(c)不完全对称循环不完全对称循环(d)(d)不完全对称循环不完全对称循环第44页/共78页 在连续交变荷载作用下，钢材内部结构及应力的在连续交变荷载作用下，钢材内部结构及应力的 非均匀性导致裂纹扩展非均匀性导致裂纹扩展,使钢材在尚未达到极限强度使钢材在尚未达到极限强度 甚至低于屈服点时，发生突然的脆性破坏的现象甚至低

14、于屈服点时，发生突然的脆性破坏的现象。3.3.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。缺陷缺陷微观裂纹微观裂纹宏观裂纹宏观裂纹。4.4.疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征属于属于脆性脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。破坏，截面平均应力小于屈服点。第45页/共78页（1 1）构件和连接的分类）构件和连接的分类 切割，轧制边）切割，轧制边）残余应力（焊接，火焰残余应力（焊接，火焰应力集中应力集中构造缺陷构造缺陷材料内部缺陷材料内部缺陷缺陷缺陷 规范将构件和连接的种类分为规范将构件和连接的种类分为 8 8类类，第第1 1类类为轧为轧制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高

15、；制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；第第8 8类类为角为角焊缝应力集中最严重（应力集中系数最大）疲劳强焊缝应力集中最严重（应力集中系数最大）疲劳强度最低。详见钢结构设计规范度最低。详见钢结构设计规范“疲劳计算的构件和疲劳计算的构件和连接分类（附录连接分类（附录E E）”。第46页/共78页ffyy/焊缝附近主体金焊缝附近主体金属的真实应力比属的真实应力比：真实应力比真实应力比与名义应力比不同，应与名义应力比不同，应力幅是关键：力幅是关键：min yf（2 2）应力幅（应力幅（）和应力循环特征（应力比）和应力循环特征（应力比）A. 对于焊接结构：对于焊接结构：fyfyfyfyfyfy第47页/

16、共78页 结论：对焊接结构来讲对焊接结构来讲，应力幅应力幅对焊接结构的疲劳强度对焊接结构的疲劳强度有有很大影响很大影响，而与名义最大应力，而与名义最大应力maxmax和名义应力和名义应力比比无关。无关。第48页/共78页 在循环次数在循环次数N N一定的情况下，根据试验资料可以绘一定的情况下，根据试验资料可以绘出出N N次循环的次循环的疲劳图疲劳图( (maxmax和和minmin关系曲线关系曲线) )。而当应。而当应力比不同时，疲劳图的形态不同。因此力比不同时，疲劳图的形态不同。因此对于非焊接结构和轧制钢材，对于非焊接结构和轧制钢材，疲劳强度与最大应力疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺

17、口效应、应力比、循环次数和缺口效应（构造类型的应力（构造类型的应力集中情况）有关。但为了与焊接结构在形式上统一集中情况）有关。但为了与焊接结构在形式上统一，仍然用，仍然用“应力幅应力幅”的形式表达：即：折算应力幅的形式表达：即：折算应力幅。)122(7 . 0minmax第49页/共78页应力循环次数应力循环次数N5510104 4，不需要进行疲劳计算。不需要进行疲劳计算。 应力幅越低，作用循环次数越多，应力幅越低，作用循环次数越多，疲劳寿命越高；疲劳寿命越高； 应力幅相同，作用的循环次数越应力幅相同，作用的循环次数越多，疲劳寿命越高。多，疲劳寿命越高。0 NX105 1N1 2N2 bf f

18、y123456第50页/共78页 焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度(屈服点屈服点fy)基本无关。基本无关。 对于对于只有压应力只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。破坏，不必进行疲劳计算。其他不必验算疲劳的情况还有： 高温，地震荷载，非直接动载高温，地震荷载，非直接动载第51页/共78页（一）常幅疲劳 根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅与相应的致损循环次数与相应的致损循环次数N的关系曲线，按试验数据回的关系曲线

19、，按试验数据回归的归的-N-N曲线为平均曲线曲线为平均曲线( (图图a)a)，取对数坐标，取对数坐标( (图图b)b)。1.1.容许应力幅容许应力幅 由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研究由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研究阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟，故采阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟，故采用容许应力幅的计算方法。用容许应力幅的计算方法。第52页/共78页-N-N曲线曲线(a)0N)142()lg(lg1 bN式中：式中：-直线对纵坐标的斜率；直线对纵坐标的斜率； b b1 1-直线在横轴坐标上的截距；直线在横轴坐标上的截距； N-循环次数。循环次数。(b

20、)0NlgN=5104N=5X106 lg.b b1 1第53页/共78页 考虑试验数据的离散性，取平均值减去考虑试验数据的离散性，取平均值减去2 2倍倍lgNlgN的的标准差标准差 s s 作为疲劳强度下限，当作为疲劳强度下限，当lglg为正态分布为正态分布时，可满足保证率为时，可满足保证率为97.7%97.7%。下限值的直线方程为：下限值的直线方程为：)lg(2)lg(lg21 bsbN可以推出容许应力幅：可以推出容许应力幅：)172(1 NC式中：式中：系数系数、c c-根据钢结构设计规范根据钢结构设计规范“疲劳计算的构件和连接分类疲劳计算的构件和连接分类”查表得到。查表得到。2S2S

21、2S2S(b)0NlgN=5104N=5X106 lg.b b1 1)162(102Cb取第54页/共78页第55页/共78页2.2.疲劳强度计算疲劳强度计算)182( 式中：式中：-计算部位的应力幅；计算部位的应力幅； 对于焊接部位对于焊接部位: : =maxmax-minmin； 对于其他部位：对于其他部位：=maxmax-0.7-0.7minmin( (计算应力幅）。计算应力幅）。 maxmax、minmin-计算部位每次应力循环中的最大拉应力和计算部位每次应力循环中的最大拉应力和 最小拉应力或压应力（取负值）。最小拉应力或压应力（取负值）。说明：说明： 1 1）计算时用荷载的标准值；）

22、计算时用荷载的标准值； 2 2）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算 时不再考虑动力系数；时不再考虑动力系数；第56页/共78页maxmin0t)192(6102 nf 欠载效应系数欠载效应系数。重级工作制硬钩吊车。重级工作制硬钩吊车1.01.0；重；重级工作制软钩吊车级工作制软钩吊车0.80.8；中级工作制吊车；中级工作制吊车0.50.5。 f -循环次数循环次数 N=2X10N=2X106 6 的容许应力幅。的容许应力幅。6102 n 式中：式中：对于对于吊车梁，吊车梁，按下式计算其疲劳强度：按下式计算其疲劳强度：第57页/共78页2.7 钢材的种类和

23、规格第58页/共78页2.2.低合金钢低合金钢(GB/T 1591-94)(GB/T 1591-94)GB/T 1591-94GB/T 1591-94Q295Q390Q345Q420相应的钢材品种相应的钢材品种（GB/T 1591-94)GB/T 1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTiRE 低合金钢的质量等级分低合金钢的质量等级分A A、B B、C(CC(C及及C C以上为特以上为特级级) )、D D、E E，其中，其中E E主要是要求主要是要求-40-

24、400 0 C C 的冲击韧性。的冲击韧性。3.3.标注法：标注法：按按Q235-B.F例；屈服强度类别，级别例；屈服强度类别，级别(钢号钢号)， 浇注法浇注法第59页/共78页二、钢材的选择二、钢材的选择（一）选择钢材的原则一）选择钢材的原则1 1结构或构件的重要性；结构或构件的重要性；第60页/共78页2 2荷载情况（静力荷载，动力荷载）；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静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235Q235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

25、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，应严格控制C C、S S、P P的极限含的极限含量；非焊接结构对量；非焊接结构对C C的要求可降低一些。的要求可降低一些。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。6 6 主结构尽量使用单一钢种以便于工程管理主结构尽量使用单一钢种以便于工程管理 第61页/共78页1 1

26、、承重结构的钢材宜采用、承重结构的钢材宜采用Q235Q235钢、钢、Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢钢和和Q420Q420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碳素结构钢钢GB/T700GB/T700和和低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢GB/T1591GB/T1591的的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关规定。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。标准的规定和要求。 2 2、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服、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强度和硫、磷含量的合格

27、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。第62页/共78页 3 3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击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；韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于当结构工作温度等于或低于00但但高于高于2020时，时，Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有00冲击韧性冲击韧性合格的保证；合格的保证；对于对于Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢应具有钢应具有2020冲击冲击韧性的合格保证。韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于当结构工作温度等于或低于2020时，对时，对Q235Q235钢和钢和Q345Q345

28、钢应具有钢应具有2020冲击韧性的合格冲击韧性的合格保证；保证；对对Q390Q390和和Q420Q420钢应具有钢应具有4040冲击韧性的合格冲击韧性的合格保证保证。 第63页/共78页 4 4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有、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常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低，当结构工作温度等于或低于于2020时，对时，对Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有00冲击韧性冲击韧性合格的保证；合格的保证；对对Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢应具有钢应具有2020冲击韧冲击韧性的合格保证。性的合格

29、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，对于低合金钢用碳当量来保证可焊性。 第64页/共78页7 7、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准候钢，其质量要求应符合现行国家标准焊接耐候钢焊接耐候钢GB/T4172GB/T4172的规定。的规定。 6、钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率z z来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩

30、率分为三个来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三个等级，即等级，即Z15Z15，Z25Z25，Z35Z35，分别对应其允许值。，分别对应其允许值。第65页/共78页 热轧成型的热轧成型的钢板钢板和和型钢型钢，冷弯（或冷压）成型，冷弯（或冷压）成型的的薄壁型钢薄壁型钢。（一）热轧钢板（一）热轧钢板（表示方法（表示方法 宽宽厚度厚度长度长度 ）分为分为: :厚板厚板（厚度（厚度4.5-60mm)4.5-60mm)薄板薄板（厚度（厚度0.25-4mm)0.25-4mm)扁钢扁钢： 厚度厚度4-60mm4-60mm， 宽度宽度20-200mm20-200mm。第66页/共78页1.1.工字钢工字

31、钢2.2.槽钢槽钢工字钢根据截面高度工字钢根据截面高度h h及厚度分类及厚度分类a(a(或或b b、c)c)槽钢根据截面高度槽钢根据截面高度h h及及厚度分类厚度分类a(a(或或b b、c)c)第67页/共78页3.3.角钢角钢肢宽度肢宽度肢厚度肢厚度 等肢角钢等肢角钢长肢宽度长肢宽度短肢宽度短肢宽度肢厚度肢厚度 不等肢角钢不等肢角钢第68页/共78页4.4.H型钢型钢分为：分为：宽翼缘宽翼缘HW、中翼缘、中翼缘HM、窄翼缘、窄翼缘HNbht1t2表示方法：表示方法： H高度高度宽度宽度腹板厚度腹板厚度翼缘厚度翼缘厚度如：如： Hh hb bt t1 1t t2 25.5.钢管钢管tD表示方法：表示方法：外径外径壁厚壁厚分为无缝管和焊接管分为无缝管和焊接管第69页/共78页壁厚壁厚1.55mm压型钢板壁厚压型钢板壁厚0.41.5mm第70页/共78页与与Q235Q235钢（钢（fy=235fy=235255n/mm2255n/mm2）相当的国外钢材：）相当的国外钢材： （A36A36）美国，）美国，43A43A、43B43B（英国），（英国）， St37St37（德国），（德国）， SM41SM41（日本），（日本）， Fe360Fe360（ISOISO）等。）等。与与Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢相当的