钢结构设计原理钢结材料PPT学习教案

1、会计学1钢结构设计原理钢结材料钢结构设计原理钢结材料用作钢结构的钢材的性能用作钢结构的钢材的性能：1、较高的强度、较高的强度 即抗拉强度即抗拉强度fu和屈服点和屈服点fy比较高比较高2、足够的变形能力、足够的变形能力 即塑性和韧性性能好即塑性和韧性性能好3、良好的加工性能、良好的加工性能 适合冷、热加工，良好的可焊性适合冷、热加工，良好的可焊性第1页/共51页4、适应低温、有害介质侵蚀、适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀包括大气锈蚀)以及以及重复荷载作用等的性能重复荷载作用等的性能5、容易生产，价格便宜、容易生产，价格便宜钢结构设计规范钢结构设计规范 (GB500172003) 推荐的推荐的

2、 钢材：钢材： 普通碳素结构钢：普通碳素结构钢：Q235钢钢 低合金高强度结构钢：低合金高强度结构钢：Q345、Q390及及Q420 2.1 对钢结构用材的要求对钢结构用材的要求第2页/共51页包括拉伸性能、冷弯性能、冲击韧性和可焊性等。包括拉伸性能、冷弯性能、冲击韧性和可焊性等。2.2 钢材的主要性能及其鉴定钢材的主要性能及其鉴定2.2.1 单向拉伸单向拉伸时的工作性能时的工作性能条件：常温、条件：常温、静载条件下一静载条件下一次拉伸次拉伸第3页/共51页主要力学指标主要力学指标比例极限比例极限 P屈服点屈服点 y y抗拉强度抗拉强度 u u伸长率伸长率 5和和10第4页/共51页 屈服点屈

3、服点yEEt=0yEt=1%2%EEEyEt=0yyyEst=12%Est钢材计算模型钢材计算模型作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。理想弹塑性体的模型。理想弹塑性体的模型。第5页/共51页名义屈服点名义屈服点0.2第6页/共51页2.2.2 冷弯性能冷弯性能 根据试样根据试样厚度（厚度（a），），按规定的按规定的弯心直径弯心直径(d)将试样将试样弯弯曲曲180度度，其，其表面及侧面无裂纹或分层表面及侧面无裂纹或分层 Q235: 纵向试样纵向试样 横向试样横向试样16 a 60mm d = a d = 1.5a 60 a 100 d = 2a

4、 d = 2.5a100 a 150 d = 2.5a d = 3a材料塑性变形能力材料塑性变形能力冶金质量冶金质量第7页/共51页2.2.3 冲击韧性冲击韧性韧性是钢材断裂时韧性是钢材断裂时吸收机械能吸收机械能能力的量度能力的量度测量方法测量方法梅氏（梅氏（Mesnage U-notch）：）：ak(J/cm2)夏比（夏比（Charpy V-notch）：）： Akv 或或Cv(J)第8页/共51页 钢材质量等级钢材质量等级 环境温度环境温度 CVN冲击功冲击功 -A 不要求不要求 -B 20 27JQ235 -C 027J -D -20 27J -A 不要求不要求 -B 20 34J Q3

5、45 -C 0 34J -D -20 34J -E -40 27J钢材冲击韧性要求钢材冲击韧性要求第9页/共51页2.2.4 可焊性可焊性 采用采用一般焊接工艺一般焊接工艺就可完成合格的就可完成合格的(无裂纹的无裂纹的)焊缝的性能。钢材的可焊性受焊缝的性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素碳含量和合金元素含量含量的影响。碳含量在的影响。碳含量在0.120.20范围内的碳范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。响区变脆。 Q235A为为0.14%0.22%，可焊性较差。，可焊性较差。 合金元素的合金元素的 影响用影响用表示。表示。第1

6、0页/共51页2.2.5 钢材性能的鉴定钢材性能的鉴定钢结构工程施工质量验收规范钢结构工程施工质量验收规范 (GB502052001) 检验指标检验指标: 屈服强度屈服强度抗拉强度抗拉强度伸长率伸长率冷弯性能冷弯性能冲击韧性冲击韧性工艺性能工艺性能化学成分化学成分第11页/共51页 检查项目检查项目:质量合格证明文件、中文标识、检验报告质量合格证明文件、中文标识、检验报告 对于需要复验的钢材，按国家有关标准执行：对于需要复验的钢材，按国家有关标准执行：H型钢取翼缘部位；型钢取翼缘部位；钢板、钢带拉伸和弯曲取横向试样；钢板、钢带拉伸和弯曲取横向试样；冲击韧性取纵向试样。冲击韧性取纵向试样。2.2

7、.5 钢材性能的鉴定钢材性能的鉴定第12页/共51页 包括化学成分、成材过程、其他包括化学成分、成材过程、其他 2.3.1 化学成分化学成分 碳素结构钢由碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素钝铁、碳及杂质元素组成，其中组成，其中纯铁约占纯铁约占99，碳及杂质元素约占，碳及杂质元素约占1。低合金结构。低合金结构钢中，除上述元素外还加入钢中，除上述元素外还加入合金元素合金元素，后者总量通常，后者总量通常不超过不超过3。2.3 影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素第13页/共51页碳（碳（C） 碳是碳素结构钢中碳是碳素结构钢中仅次于铁仅次于铁的主要元素，是影响的主要元素，是影响钢钢材强度材强度的主要因素，

8、随着含碳量的增加，钢材强度提高，的主要因素，随着含碳量的增加，钢材强度提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过般不应超过0.22%，对焊接结构应低于，对焊接结构应低于0.2%。锰（锰（Mn）锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为

9、显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%0.8%，在低合金钢中一般为，在低合金钢中一般为1.0%1.7%。化学元素化学元素第14页/共51页硅（硅（Si） 硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。可焊性。钒钒(V)、铌、铌(Nb)、钛、钛(Ti) 钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国

10、的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。强度，又保持良好的塑性、韧性。化学元素化学元素第15页/共51页铝铝(Al)、铬、铬(Cr)、镍、镍(Ni) 铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于度的合金元素，用于Q390钢和钢和Q420钢。钢。硫（硫（S） 硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、硫是一种有害元素，降低钢

11、材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量不得超过中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过，在焊接结构中不超过0.045%。化学元素化学元素第16页/共51页磷磷(P) 磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。能力。氧氧(O)、氮、氮(N

12、) 氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。，与磷相似。化学元素化学元素第17页/共51页2.3.2 成材过程的影响成材过程的影响 冶炼冶炼 可分为平炉炼钢、可分为平炉炼钢、碱性侧吹转、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢炉炼钢及电炉炼钢 浇铸浇铸 一种是浇入铸模做成钢锭，另一种是浇入连续浇铸一种是浇入铸模做成钢锭，另一种是浇入连续浇铸机做成钢坯。机做成钢坯。 按脱氧程度不同，分为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢按脱氧程度不同，分为镇静钢、半镇静

13、钢与沸腾钢。 冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等。冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等。第18页/共51页 轧制轧制 钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合，因而改善了钢材的力学性能纹等焊合，因而改善了钢材的力学性能。 热处理热处理 热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。的塑性和韧性。正火（正火（850900） 回火（回火（650）淬火（淬火（900） 调质处理（淬火加回火）调质处理（淬火加回火）2.3.2 成材过程的影响成材过程的影响第19页/共51页2.3.3

14、 影响钢材性能的其他因素影响钢材性能的其他因素冷加工冷加工 硬化硬化(应变硬化应变硬化) 第20页/共51页2.3.3 影响钢材性能的其他因素影响钢材性能的其他因素 温度的影响温度的影响 正温范围正温范围 正温范围总的趋势是随着温度的升高，正温范围总的趋势是随着温度的升高， 钢材强度降低，变形增大。钢材强度降低，变形增大。第21页/共51页250 有兰脆现象有兰脆现象260320 有徐变现象有徐变现象第22页/共51页 f fy y与与f fu u都增高都增高但塑性变形能但塑性变形能力减小，因而力减小，因而材料转脆，对材料转脆，对冲击韧性的影冲击韧性的影响十分突出。响十分突出。温度转变区温度转

15、变区负温范围负温范围第23页/共51页 在缺陷或截面变在缺陷或截面变化处附近，应力化处附近，应力线曲折、密集、线曲折、密集、出现高峰应力的出现高峰应力的现象称为应力集现象称为应力集中。中。应力集中应力集中孔洞、缺口处孔洞、缺口处 的应力集中的应力集中第24页/共51页2.4 钢材的延性破坏和非延性破坏钢材的延性破坏和非延性破坏 循环加载和快速加载的效应循环加载和快速加载的效应2.4.1 延性破坏和非延性破坏延性破坏和非延性破坏塑性材料塑性材料与与脆性材料脆性材料 有屈服现象有屈服现象 没有明显屈服现象而能发生较大塑性变形没有明显屈服现象而能发生较大塑性变形 材料原始性能以及在常温、静载并一次加

16、荷的工作材料原始性能以及在常温、静载并一次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形，与所处条件之下能在破坏前发生较大塑性变形，与所处工作工作条件条件有关有关第25页/共51页塑性破坏塑性破坏：超过屈服点超过屈服点 fy即有明显的塑性变形产即有明显的塑性变形产生，达到抗拉强度生，达到抗拉强度 fu时将在很大变形情况下断裂时将在很大变形情况下断裂;脆性破坏：脆性破坏：没有塑性变形或在塑性变形很小时即没有塑性变形或在塑性变形很小时即发生破坏。发生破坏。塑性破坏与脆性破坏塑性破坏与脆性破坏第26页/共51页疲劳断裂的概念疲劳断裂的概念 疲劳断裂是微观裂缝在疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载连续重复荷

17、载作用下不作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。断扩展直至断裂的脆性破坏。裂纹的形成裂纹的形成缓慢扩展缓慢扩展迅速扩展迅速扩展2.4.2 循环荷载效应循环荷载效应第27页/共51页应力比应力比平均应力平均应力关于循环荷载的几个概念关于循环荷载的几个概念一个循环一个循环: : 连续重复荷载之下应力往复变化一周连续重复荷载之下应力往复变化一周maxmin=minmax()2/+=minmaxm第28页/共51页完全对称循环完全对称循环( ( -1)-1)静荷载作用静荷载作用( ( +1)+1)脉冲循环脉冲循环( ( 0)0)一般应力循环一般应力循环(-1(-1 +1+1) )第29页/共51页 - n

18、 曲线曲线 根据试验数据可以画出构件或连接的应力幅根据试验数据可以画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 的关系曲线的关系曲线 - n 曲线曲线第30页/共51页疲劳验算及容许应力幅（疲劳验算及容许应力幅（n5104）容许应力方法容许应力方法重复可变荷载，标准值，不乘动力系数重复可变荷载，标准值，不乘动力系数 对焊接结构为应力幅对焊接结构为应力幅 max- min； 对非焊接部位为计算应力幅对非焊接部位为计算应力幅 max-0.7 min 常幅疲劳的容许应力幅。与构造细部和疲常幅疲劳的容许应力幅。与构造细部和疲劳劳 寿命有关，和钢材种类无关。寿命有关，和钢材种类无

19、关。常幅疲劳常幅疲劳: : 第31页/共51页变幅疲劳变幅疲劳线性累积损伤准则线性累积损伤准则 6102f f 中、重级吊车荷载折算成中、重级吊车荷载折算成2 106时的时的欠载欠载效应等效系数效应等效系数，根据对国内吊车荷载谱，根据对国内吊车荷载谱的调查统计结果，重级工作制硬勾吊车的调查统计结果，重级工作制硬勾吊车为为1.0，重级工作制软勾吊车为，重级工作制软勾吊车为0.8，中级，中级工作制吊车为工作制吊车为0.5。 第32页/共51页2.4.3 快速加荷效应快速加荷效应 快速加荷使钢材快速加荷使钢材fy、fu偏高。影响能量吸收的能力偏高。影响能量吸收的能力，随着加荷速率的减小，曲线向温度较

20、低的方向移动，随着加荷速率的减小，曲线向温度较低的方向移动。第33页/共51页 缓慢加荷：缓慢加荷： = 10-5s-1 中速加荷：中速加荷： = 10-3s-1 动力加荷：动力加荷： = 10s-1 除遭遇强烈地震外，建筑结构通常为静态的结构除遭遇强烈地震外，建筑结构通常为静态的结构，即考虑，即考虑荷载动力系数荷载动力系数后按静态结构对待，但承受多后按静态结构对待，但承受多次循环荷载时要验算次循环荷载时要验算疲劳疲劳。按按应变速率应变速率 = d / dt 把加荷速率分把加荷速率分3级：级：第34页/共51页2.5 建筑钢材的类别及钢材的选用建筑钢材的类别及钢材的选用钢种：钢种：碳素结构钢、

21、低合金高强度结构钢碳素结构钢、低合金高强度结构钢钢号：钢号：Q+屈服强度屈服强度+质量等级质量等级+脱氧程度脱氧程度 1、碳素结构钢、碳素结构钢 (GB700) Q195、 Q215 A及及B，Q235 A、B、C及及D， Q255 A及及B、Q275等等质量等级：质量等级：AD质量等级由低质量等级由低高，高， 区别：冲击韧性（区别：冲击韧性（CVN）、冷弯性能。）、冷弯性能。2.5.1 建筑钢材的类别建筑钢材的类别第35页/共51页 冲击冲击 韧性（韧性（CVN）：）：Q235A：不要求：不要求Q235B：常温（：常温（20 5） 27JQ235C：0 27JQ235D：-2027J 冷弯性

22、能：冷弯性能： A级不要求；级不要求；B、C和和D级钢均要求冷弯性能合格。级钢均要求冷弯性能合格。 脱氧程度：脱氧程度：Z、b、F和和TZ A、B：Z、b、F C：Z D：TZ 1、碳素结构钢、碳素结构钢 (GB700)第36页/共51页 说明下列钢号代表的意义：说明下列钢号代表的意义： Q235A Q235Ab Q235AF Q235Bb Q235BF Q235C Q235D第37页/共51页Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等等质量等级：质量等级：AE质量等级由低质量等级由低高，高，区别：冲击韧性（区别：冲击韧性（CVN）。）。A：不要求：不要求 B：常温（：常温（20 50

23、C）34JC：00C 34J D：-200C 34JE：-400C 27J2、低合金高强度结构钢、低合金高强度结构钢(GB/T1591)脱氧程度：脱氧程度：Z和和TZ A、B：Z C、D和和E：TZ第38页/共51页种类：种类：平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳材料：优质碳素钢经过多次冷拔而成，分为光面材料：优质碳素钢经过多次冷拔而成，分为光面钢丝和镀锌钢丝钢丝和镀锌钢丝抗拉强度：抗拉强度：15701700N/mmN/mm2 2特点：松弛特点：松弛3、高强钢丝和钢索材料、高强钢丝和钢索材料第39页/共51页平行钢丝束由平行钢丝束由 7 根、根、 19 根、根、 37 根或根或

24、 61 根钢丝组根钢丝组成成第40页/共51页钢绞线钢绞线亦称单股钢丝绳，由多根钢丝捻成。亦称单股钢丝绳，由多根钢丝捻成。钢丝绳钢丝绳多由多由 7 股钢绞线捻成，以一股钢绞线为核心股钢绞线捻成，以一股钢绞线为核心，外层的，外层的6 股钢绞线沿同一方向缠绕。股钢绞线沿同一方向缠绕。第41页/共51页原则：安全可靠、经济合理原则：安全可靠、经济合理考虑因素：考虑因素：结构或构件的重要性；结构或构件的重要性；荷载性质（静载或动载）荷载性质（静载或动载） ; ; 连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）连接方法（焊接、铆接或螺栓连接） ; ; 工作条件（温度及腐蚀介质）。工作条件（温度及腐蚀介质）。 对于重要

25、结构、直接承受动载的结构、处于低温对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构，选用质量较高的钢材。条件下的结构及焊接结构，选用质量较高的钢材。2.5.2 钢材的选择钢材的选择第42页/共51页 构件钢材构件钢材Q235A：不直接承受动荷载、非焊接：不直接承受动荷载、非焊接Q235(345)B、C、D：需要验算疲劳的适用温度：需要验算疲劳的适用温度 Q390(420)B、C、D、E：需要验算疲劳的适用温度：需要验算疲劳的适用温度脱氧方法脱氧方法连接钢材连接钢材 与主体金属强度相适应：与主体金属强度相适应：Q235E43Q345E50Q390、Q420E552.5.2 钢材的选择钢材的选择第43页/共51页种类：