钢 结 构课件第三讲

1、大纲要求大纲要求: : 1.了解钢结构的两种破坏形式； 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。2.1 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求 国民经济各部门几乎都需要钢材，但由于各自国民经济各部门几乎都需要钢材，但由于各自用途的不同，所需钢材性能各异。如有的机器零用途的不同，所需钢材性能各异。如有的机器零件需要钢材有较高的强度、耐磨性和中等的韧性；件需要钢材有较高的强度、耐磨性和中等的韧性；有的石油化工

2、设备需要钢材具有耐高温性能；机有的石油化工设备需要钢材具有耐高温性能；机械加工的切削工具，需要钢材有很高的强度和硬械加工的切削工具，需要钢材有很高的强度和硬度等等。因此，虽然碳素钢有一百多种，合金钢度等等。因此，虽然碳素钢有一百多种，合金钢有三百多种，符合钢结构性能要求的钢材只有碳有三百多种，符合钢结构性能要求的钢材只有碳素钢及合金钢中的少数几种。素钢及合金钢中的少数几种。1.1.较高的抗拉强度较高的抗拉强度f fu u和屈服点和屈服点f fy y；2.2.较好的较好的塑性、韧性塑性、韧性；3.3.良好的良好的工艺性能工艺性能（冷、热加工，可焊性）；（冷、热加工，可焊性）；4.4.对环境的良好

3、适应性。对环境的良好适应性。用作钢结构的钢材必须具有下列性能用作钢结构的钢材必须具有下列性能: :：特殊要求特殊要求 建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范GB50011-2001GB50011-2001第第3.9.2-33.9.2-3）要求：要求：v1 1）钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值）钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小与的比值不应小与1.21.2。v2 2）钢材应有明显的屈服平台，且伸长率应大）钢材应有明显的屈服平台，且伸长率应大于于20%20%；v3 3）钢材应有良好的可焊性能和合格的冲击韧）钢材应有良好的可焊性能和合格的冲击韧性。性。 现行规范（现行规范（GBJ5001

4、7GBJ500170202）推荐承重结构的钢材）推荐承重结构的钢材采用碳素结构钢中的采用碳素结构钢中的Q235Q235钢，及低合金高强结构钢，及低合金高强结构钢中的钢中的Q345Q345、Q390Q390及及Q420Q420钢较好的满足了以上要钢较好的满足了以上要求。选用规范还未推荐的钢材时，需有可靠依据。求。选用规范还未推荐的钢材时，需有可靠依据。以确保钢结构的质量。以确保钢结构的质量。一、塑性破坏一、塑性破坏 破坏前有明显的破坏前有明显的塑性变形塑性变形，破坏过程长，破坏过程长，断口发暗，可以采取补救措施。断口发暗，可以采取补救措施。 二、脆性破坏二、脆性破坏 坏前没有明显的变形和征兆，破

5、坏时的变形坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变形远比材料应有的变形能力小，远比材料应有的变形能力小，破坏破坏突然，断口突然，断口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。2.2 2.2 建筑钢材的两种破坏形式建筑钢材的两种破坏形式避免脆性破坏的方法避免脆性破坏的方法v合理的设计v正确制造v正确使用一、受拉、受压、受弯及受剪时的性能一、受拉、受压、受弯及受剪时的性能（一）一次拉伸时的性能（一）一次拉伸时的性能 1.1.条件：条件：标准试件（标准试件（GB22863GB22863），常温（），常温（2020） 下缓慢加载，一次完成。含碳量为下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1

6、%0.1%0.3%0.3%。 标准试件：标准试件：l lo o/d=5/d=5、1010；l lo o- -标距；标距； d -d - -直径直径2.3 钢材的主要性能L od d2.2.阶段划分阶段划分A.A.有屈服点钢材有屈服点钢材-曲线可以分为曲线可以分为五个阶段五个阶段： (1) (1)弹性阶段弹性阶段(OB(OB段段) )OAOA段材料处于纯弹性，段材料处于纯弹性，即即: :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（2 2）弹塑性阶段（）弹塑性阶

7、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( (屈服点屈服点) )（3 3）塑性阶段（）塑性阶段（CD)CD) 该段该段基本基本 保持不变（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（4 4）强化阶段）强化阶段(DE(DE段段) )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

8、快增加较快uOAEBCDAEyB.B.对无明显屈服点的钢材对无明显屈服点的钢材 该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变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。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 作为屈服点作为屈服点条条 件屈服点件屈服点fy=f0.20.2%fup3.3.应力应变曲线的简化应力应变曲线的简化1)f1)fy y与与f fp p相差很小；相差很小；2)2)超过超过 f fy y到屈服台阶终到屈服台阶终止的变形约为止的变形约为2.5%-3%2.5%-3%，足以满足考虑结构的塑足以满足考

9、虑结构的塑性变形发展的要求。性变形发展的要求。 （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% （2 2）钢材在静载作用下：）钢材在静载作用下： 强度计算以强度计算以f fy y为依据为依据;f;fu u为结构的安全储备。为结构的安全储备。（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， 故断裂几乎不可能发生。故断裂几乎不可能发生。O0.15%22%fufyf fu u-f-fy y4.4.单向拉伸时钢材的机械性能指标单

10、向拉伸时钢材的机械性能指标 （1 1）屈服点屈服点f fy y-应力应变曲线开始产生塑性流动时应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的对应的应力，它是衡量钢材的承载能力承载能力和确定钢材和确定钢材强度设计值强度设计值的重要指标。的重要指标。（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。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

11、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同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。（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2310793mmNGffyvy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：二、冷弯性能二、冷弯性能 衡量钢材塑衡量钢材塑性性能和质性性能和质量优劣的综量优劣的综合指标。合指标。ad

12、d+2.1a冷弯试验的意义v检验钢材能否适应构件加工制作过程中的冷作工艺。v可以暴露材料内部缺陷（如颗粒结晶及非金属夹杂分布甚至在一定程度包含可焊性）。三、冲击韧性三、冲击韧性 衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。(a)(a)梅氏梅氏U U型缺口型缺口 (b)(b)夏比夏比V V型缺口型缺口 由试件断裂吸收的能量由试件断裂吸收的能量A AKVKV来衡钢材的冲击韧性，来衡钢材的冲击韧性， 单位：单位：J J。冲击韧

13、性试验装置实验室使用的冲击试验机实验室使用的冲击试验机冲击韧性的影响因素冲击韧性的影响因素 v冲击韧性值受冲击韧性值受温度温度影响较大，温度低于某值时急剧降影响较大，温度低于某值时急剧降低，所以，当处于低温环境的重要构件（如吊车梁）低，所以，当处于低温环境的重要构件（如吊车梁）承受动力荷载作用时，规范规定，不但常温（承受动力荷载作用时，规范规定，不但常温（205）冲击韧性要有保证，还要有负温（冲击韧性要有保证，还要有负温（20或或40）冲击韧性的保证。设计时，可按具体作用要求来提出冲击韧性的保证。设计时，可按具体作用要求来提出相应的冲击韧性指标的要求。相应的冲击韧性指标的要求。 四、可焊性四、

14、可焊性可焊性可焊性: :是指采用一般焊接工艺就可完成的（无裂纹是指采用一般焊接工艺就可完成的（无裂纹 的）焊缝的性能。的）焊缝的性能。影响因素：影响因素：碳（碳（C C）及合金元素的含量的影响。）及合金元素的含量的影响。C C含量在含量在0.12%0.12% 0.20%0.20%范围内的碳素钢，可焊性最好。范围内的碳素钢，可焊性最好。五、五、 钢材性能的鉴定钢材性能的鉴定 屈服强度、抗拉强度、伸长率屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能及、冷弯性能及冲击韧性冲击韧性。此外，钢材的工艺性能和化学成分。此外，钢材的工艺性能和化学成分也是反映钢材性能的重要内容。也是反映钢材性能的重要内容。 根据根据钢

15、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(GB50205-2001)(GB50205-2001)的规定，对进入钢结构工程实的规定，对进入钢结构工程实施现场的主要材料需进行进场验收即检查钢施现场的主要材料需进行进场验收即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报告，材的质量合格证明文件、中文标识及检验报告，确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行国确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求。对属于下列情况之一的钢家标准和设计要求。对属于下列情况之一的钢材，应进行抽样复验，其复验结果应符合现行材，应进行抽样复验，其复验结果应符合现行国家产品标准和要求。国家产品标准和要求。v1)1)国外进口钢材；国外进口钢材；v2)2)钢材混批；钢材混批；v3)3)板厚等于或大于板厚等于或大于40mm40mm