1第一章--钢结构的材料和计算方法PPT课件

1、2021/7/24122021/7/24第一章第一章 钢结构的材料和计算方法钢结构的材料和计算方法n本章包括如下六节内容：本章包括如下六节内容：n第一节第一节 钢材的主要性能钢材的主要性能n第二节第二节 影响钢材力学性能的主要因素影响钢材力学性能的主要因素n第三节第三节 钢材的疲劳钢材的疲劳n第四节第四节 钢材的钢号及选用钢材的钢号及选用n第五节第五节 轧成钢材的规格及用途轧成钢材的规格及用途n第六节第六节 钢结构的计算方法钢结构的计算方法32021/7/24第一节第一节 钢材的主要性能钢材的主要性能n 1. 1.塑性破坏：钢材在产生不可恢复的塑性破坏：钢材在产生不可恢复的塑性变形后发生的断裂

2、破坏称为塑性屈服塑性变形后发生的断裂破坏称为塑性屈服破坏，也称为延性破坏。破坏，也称为延性破坏。n 2.2.脆性破坏：钢材在变形很小的情况脆性破坏：钢材在变形很小的情况下突然发生断裂。下突然发生断裂。一、钢材的破坏形式一、钢材的破坏形式42021/7/24钢结构对所用材料的要求钢结构对所用材料的要求n强度强度f fy y、f fu u高。强度高可减轻结构自重。高。强度高可减轻结构自重。 n塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，抗动力荷载好，耐疲劳。抗动力荷载好，耐疲劳。n良好的加工性能，冷、热加工和可焊性好。良好的加工性能，冷、热加工和可焊性好。n耐腐蚀性

3、能好。耐腐蚀性能好。n价格低。价格低。n有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的能力。的能力。52021/7/24n钢结构设计规范（钢结构设计规范（GB50017)GB50017)推荐使用：推荐使用：碳素结构钢中的碳素结构钢中的Q235Q235钢、低合金结构钢中钢、低合金结构钢中的的Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢、钢、Q420Q420钢。钢。n随着研究的深入，必将有一些满足要求的随着研究的深入，必将有一些满足要求的其它种类钢材可供使用。若选用钢结构设其它种类钢材可供使用。若选用钢结构设计规范还未推荐的钢材时，需有可靠的依计规范还未推荐的钢材时，

4、需有可靠的依据，以确保钢结构的质量。据，以确保钢结构的质量。n专用钢结构用材见相关规范。专用钢结构用材见相关规范。62021/7/24二、钢材的主要机械性能二、钢材的主要机械性能n钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生产供钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击等单独作应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到，用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验方法都必须按照各相试验采用的试件的制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行。关国家标准规定进行。1、单向拉伸时的性能、单

5、向拉伸时的性能 钢的工作大致可划分为：弹性、弹塑性、塑性（屈钢的工作大致可划分为：弹性、弹塑性、塑性（屈服）、强化和颈缩四个阶段。服）、强化和颈缩四个阶段。标准试件在室温（标准试件在室温（10100 0C C35350 0C) C) 、以满足静力加载的、以满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力加载速度一次加载所得钢材的应力 应变曲线应变曲线显示的钢材机械性能如下：显示的钢材机械性能如下： 72021/7/2482021/7/24(1)(1)弹性阶段弹性阶段f fp p，与与呈线性关系，称该直线的斜率呈线性关系，称该直线的斜率E E为钢材为钢材的弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢材统一取的

6、弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢材统一取E E =2.06=2.0610105 5N/mm2 N/mm2 。(2)(2)弹塑性阶段弹塑性阶段与与呈非线性关系，切线模量呈非线性关系，切线模量E Et td d/d/d, , E Et t随随应力增大而减小，当应力增大而减小，当= f= fy y 时时，E Et=0t=0。 (3)(3)塑性阶段也称屈服阶段，塑性阶段也称屈服阶段，= f= fy y后钢材暂时不能承受更大的荷后钢材暂时不能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，因此钢结构设计取载，且伴随产生很大的变形，因此钢结构设计取f fy y作为强度极限作为强度极限承载力的标志。承载力的标志。(

7、4)(4)强化阶段强化阶段 试件能承受的最大拉应力试件能承受的最大拉应力f fu u为钢材的抗拉强度。取为钢材的抗拉强度。取f fy y作为强度极限承载力的标志，作为强度极限承载力的标志，f fu u就成为材料的强度储备。就成为材料的强度储备。(5)(5)颈缩破坏阶段颈缩破坏阶段 (6)(6)可把钢材视为理想弹塑性体。可把钢材视为理想弹塑性体。(7)(7)伸长率伸长率 =(=(l l1 1-l-l0 0)/)/ l l0 0* *100% ,100% ,反映钢材的塑性变形能力。反映钢材的塑性变形能力。92021/7/242.钢材抗拉、压和弯的性能相同钢材抗拉、压和弯的性能相同n屈服极限相同10

8、2021/7/243、冷弯性能、冷弯性能n将试件弯成将试件弯成180180o o，若，若试件外表面不出现裂试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。纹和分层，即为合格。综合反映钢材的塑性综合反映钢材的塑性性能和冶金质量。重性能和冶金质量。重要结构中需要有良好要结构中需要有良好的冷热加工性能时，的冷热加工性能时，应有冷弯合格保证。应有冷弯合格保证。112021/7/24 4 4、冲击韧性、冲击韧性 n冲击韧性值用击断试样所需的冲击功冲击韧性值用击断试样所需的冲击功AKVAKV表示表示, ,单位为单位为J J。 n冲击韧性与温度有关，当温度低于某一冲击韧性与温度有关，当温度低于某一负温值时，冲击韧性值

9、将急剧降低。因负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在寒冷地区建造的直接承受动力荷载此在寒冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构，除应有常温冲击韧性的保证的钢结构，除应有常温冲击韧性的保证外，尚应依钢材的类别，使其具有外，尚应依钢材的类别，使其具有-20-20 C C 或或-40-40 C C的冲击韧性保证，应的冲击韧性保证，应AKVAKV 27J 27J（焦耳）。（焦耳）。122021/7/24冲冲 击击 实实 验验132021/7/24 5 5、钢材受压和受剪时的性能、钢材受压和受剪时的性能 n 钢材在单向受压（短试件）时，受力性钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与单向受拉相同。受剪的

10、情况也能基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似，但屈服点相似，但屈服点y y及抗剪强度及抗剪强度u u均低于均低于f fy y和和f fu u；剪变模量；剪变模量G G也低于弹性模量也低于弹性模量E E。142021/7/24第二节 影响钢材力学性能的主要因素影响钢材力学性能的主要因素n碳碳(C )(C )、锰（、锰（MnMn）、钒（）、钒（V V）是有利元素，但）是有利元素，但也要注意对含量的限制。也要注意对含量的限制。n硫（硫（S S）、磷（）、磷（P P）氧（）氧（O O）、氮（）、氮（N N）会降低）会降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应严格

11、限制含量。严格限制含量。一、化学成分的影响152021/7/24162021/7/24二、钢材生产过程的影响二、钢材生产过程的影响冶炼炉种的影响冶炼炉种的影响-已无必要强调炉种的影响。已无必要强调炉种的影响。钢的脱氧钢的脱氧-钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不桶中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不同，把钢分为沸腾钢同，把钢分为沸腾钢(F)(F)、半镇静钢、半镇静钢(b)(b)、镇静钢、镇静钢(Z)(Z)和特殊镇静钢和特殊镇静钢(TZ

12、)(TZ)。钢材的轧制钢材的轧制-将钢锭加热至将钢锭加热至1200120013001300o o C C ，通过轧，通过轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧钢材。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和钢材。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。钢材的压缩比（钢坯裂纹弥合，并使组织密实。钢材的压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大时，其强度和冲击韧与轧成钢材厚度之比）愈大时，其强度和冲击韧性也愈高。性也愈高。 172021/7/24三、温度的影响三、温度的影响n正温度范围内（正温度范围内（t t00o oC C）: :t t20

13、0300300o oC C时，钢材的强度和时，钢材的强度和E E开始显著下降，而开始显著下降，而显著增大。当显著增大。当t t400400o oC C时，钢材的强度和时，钢材的强度和E E都急剧降低，都急剧降低，t t600600o oC C时其承载能力几乎丧失。时其承载能力几乎丧失。n在负温度范围内（在负温度范围内（t t000结构处于可靠状态；结构处于可靠状态； Z Z 0 0 结构处于失效状态；结构处于失效状态； Z Z0 0结构处于极限状态，一旦超过这一状态，结构处于极限状态，一旦超过这一状态，结构将不再能满足设计要求。结构将不再能满足设计要求。542021/7/242概率极限状态设计

14、法概率极限状态设计法1)1)结构设计应考虑下列两种极限状态：结构设计应考虑下列两种极限状态：（1 1） 承载能力极限状态承载能力极限状态：结构或构件达到最：结构或构件达到最大承载能力，或达到不适于继续承载的变形的大承载能力，或达到不适于继续承载的变形的极限状态。极限状态。（2 2） 正常使用极限状态正常使用极限状态：结构或构件达到使：结构或构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态。用功能上允许的某一限值的极限状态。2)2)结构可靠度结构可靠度 结构在规定的时间内，在规定的结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率条件下，完成预定功能的概率(P(Pr r ) ) 。 P Pf f

15、=P (z0)=P (z0) P Pr r = P (z0) =1- P= P (z0) =1- Pf f 552021/7/24设计使用年限分类设计使用年限分类类别类别 设计使用年限设计使用年限示例示例1 15 5临时性结构临时性结构2 22525易于替换的结构构件易于替换的结构构件3 35050普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物4 4100100纪念性建筑和特别重要纪念性建筑和特别重要的结构的结构562021/7/243 3）钢结构设计规范钢结构设计规范(GB50017)(GB50017)设计方法设计方法n对于承载能力极限状态采用应力表达式对于承载能力极限状态采用应力表达式n用设计载荷计算用

16、设计载荷计算fQiKQiniciKQQGKG)(2110 572021/7/24n正常使用极限状态正常使用极限状态n用标准载荷计算用标准载荷计算21WWWWWQiKniciKQGK582021/7/244）水工钢结构设计）水工钢结构设计n由于所受荷载涉及水文泥沙波浪等自然条由于所受荷载涉及水文泥沙波浪等自然条件比较复杂，统计资料不足。同时，经常件比较复杂，统计资料不足。同时，经常处于水位变动或盐雾潮湿等容易腐蚀的环处于水位变动或盐雾潮湿等容易腐蚀的环境，在计算中如何反映实际问题尚待解决。境，在计算中如何反映实际问题尚待解决。因此，水工钢结构目前还不具备采用概率因此，水工钢结构目前还不具备采用概率极限状态法计算条件，在上述各专门规范极限状态法计算条件，在上述各专门规范中规定水工钢结构仍采用容许应力计算法。中规定水工钢结构仍采用容许应力计算法。592021/7/24n水利水电工程钢闸门设计规范水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95SL74-95所采所采用的容许应力计算法是以结构的极限状态用的容许应力计算法是以结构的极限状态( (强度强度稳定变形等稳定变形等) )为依据