材料力学性能、影响因素

1、思考题思考题1.理解个理解个“钢结构钢结构”概念。概念。2.桁架、框架、拱、索受力特点。桁架、框架、拱、索受力特点。3.举例身边的钢结构。举例身边的钢结构。4. 钢材缺点。钢材缺点。5. 如何学好本门课程。如何学好本门课程。6.钢结构设计施工图与施工详图区别与联系钢结构设计施工图与施工详图区别与联系 办公楼钢结构设计总说明办公楼钢结构设计总说明一、工程概况一、工程概况1.本工程为办公楼，采用四层填充墙本工程为办公楼，采用四层填充墙钢框架结构钢框架结构，钢筋混凝钢筋混凝土楼面、屋面，钢筋混凝土独立基础，钢筋混凝土楼梯土楼面、屋面，钢筋混凝土独立基础，钢筋混凝土楼梯，总高总高14.40m。2.设计

2、标高设计标高0.000相当于相当于绝对标高绝对标高27.50m。二、工程地质条件二、工程地质条件1.本工程场地土类型为中软场地土，建筑场地类别为本工程场地土类型为中软场地土，建筑场地类别为类，类，在在8度地震作用度地震作用下地层土质下地层土质不发生液化不发生液化。2.场区历年场区历年最高地下水位最高地下水位为为26.2m。3拟建场地地基土的拟建场地地基土的标准冻结深度标准冻结深度为为0.8m。 三、设计条件三、设计条件1.本工程本工程设计正常使用年限设计正常使用年限为为50年。年。2.本工程建筑类别为本工程建筑类别为丙类丙类，结构安全等级为二级。，结构安全等级为二级。3.本工程本工程抗震设防类

3、别抗震设防类别为丙类，为丙类，抗震设防烈度抗震设防烈度为为8度，设计基度，设计基本加速度为本加速度为0.2g，设计地震分组为第一组。，设计地震分组为第一组。4.本工程本工程环境类别环境类别：地上为一类，地下为二：地上为一类，地下为二b类。类。5.本工程本工程基础设计等级基础设计等级为丙级，为丙级，基础持力层基础持力层为粘质粉土粉为粘质粉土粉质粘土层，质粘土层，地基承载力地基承载力为为fak=160kPa。四、材料四、材料 1.混凝土基础、地梁、地圈梁为混凝土基础、地梁、地圈梁为C30，基础垫层为，基础垫层为C10，砌，砌体中的构造柱、圈梁、腰带及现浇过梁为体中的构造柱、圈梁、腰带及现浇过梁为C

4、20。 2.钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值实测值的比值的比值 1.25，且且钢筋的屈服强度实测值与强度标准值的比值钢筋的屈服强度实测值与强度标准值的比值 1.30。钢。钢筋的强度标准值应具有不小于筋的强度标准值应具有不小于95的保证率的保证率3.钢结构：框架构件为钢结构：框架构件为Q235B；屋面构件、支撑、墙架、地；屋面构件、支撑、墙架、地脚螺栓等为脚螺栓等为Q235B。4.部分墙梁采用热镀锌带钢压制而成的檩条，镀层标准为部分墙梁采用热镀锌带钢压制而成的檩条，镀层标准为A级，镀锌量为级，镀锌量为250275g。5. 抗震抗震钢结构钢材钢结构钢材的的屈强比屈

5、强比不应小于不应小于1.20，应有明显的屈服，应有明显的屈服台阶，伸长率应大于台阶，伸长率应大于20，应有良好的可焊性和合格的，应有良好的可焊性和合格的冲击韧性。冲击韧性。6.焊条：刚架、框架电弧焊采用焊条：刚架、框架电弧焊采用E50系列系列焊条，其余均采用焊条，其余均采用E43系列焊条。系列焊条。五、结构楼面五、结构楼面设计荷载标准值设计荷载标准值及结构构件及结构构件主筋保护层厚度主筋保护层厚度值值六、钢结构六、钢结构1.钢结构钢结构加工制作加工制作前应编制工艺和施工组织设计，建立健全前应编制工艺和施工组织设计，建立健全质量保证体系。质量保证体系。 2.框架结构施工过程中使用的框架结构施工过

6、程中使用的计量器计量器具必须经计量法定单位具必须经计量法定单位验证合格，并在验证合格，并在有效期有效期内制作、安装与验收内制作、安装与验收统一用尺统一用尺3.钢构件上的钢构件上的预留孔洞预留孔洞应按设计图纸的尺寸、位置，在应按设计图纸的尺寸、位置，在工厂工厂制作制作并按设计要求进行补强。在工地发现遗漏时时未经设并按设计要求进行补强。在工地发现遗漏时时未经设计许可，不得以任何方法制孔。应制定补孔工艺措施并经设计许可，不得以任何方法制孔。应制定补孔工艺措施并经设计单位同意方可施工，不允许在受力状态的构件上加焊零件计单位同意方可施工，不允许在受力状态的构件上加焊零件4.刚架、梁柱上的刚架、梁柱上的加

7、劲板、支撑板加劲板、支撑板等采用手工电弧焊在加工等采用手工电弧焊在加工车间完成，施焊工艺及板上剖口尺寸应符合有关规定车间完成，施焊工艺及板上剖口尺寸应符合有关规定5.梁的板件拼接梁的板件拼接，对于焊接钢梁，焊缝的焊接强度不小，对于焊接钢梁，焊缝的焊接强度不小于母材强度。拼接位置，于母材强度。拼接位置，下翼缘下翼缘应距支座应距支座13跨度内，跨度内，上翼缘和腹板的拼接应与下翼缘拉接位置相互上翼缘和腹板的拼接应与下翼缘拉接位置相互错开错开，且，且不小于不小于200。对热轧型钢梁的拼接应距支座。对热轧型钢梁的拼接应距支座13跨度内跨度内6.板材拼接焊缝板材拼接焊缝为为一级一级坡口全熔透焊缝。坡口全熔

8、透焊缝。7.图中未注明的图中未注明的角焊缝角焊缝均为均为6mm，长度均为满焊，未注，长度均为满焊，未注明的圆弧半径均为明的圆弧半径均为35mm。8.柱脚锚栓柱脚锚栓埋设埋设位移偏差位移偏差不大于不大于2mm，标高控制标高控制必须满必须满足螺栓在混凝土内握裹长度及螺杆螺扣露出的长度。足螺栓在混凝土内握裹长度及螺杆螺扣露出的长度。9.钢构件钢构件除锈后除锈后应立即应立即涂漆涂漆，溶剂基无机富锌底漆，中，溶剂基无机富锌底漆，中面漆应采用保护性能好，同时还应与面漆应采用保护性能好，同时还应与防火涂料防火涂料同时选择同时选择10.框架的框架的高强度连接高强度连接面应严格进行金属表面面应严格进行金属表面除

9、锈除锈处理，处理，除锈等级除锈等级质量要求达到国家标准。质量要求达到国家标准。11.涂装涂装后的后的漆膜外观漆膜外观应均匀、平整、丰满而有光泽，不应均匀、平整、丰满而有光泽，不允许咬底、裂纹、剥落、针孔等缺陷。涂层厚度用磁厚允许咬底、裂纹、剥落、针孔等缺陷。涂层厚度用磁厚仪测定，总厚度应达到设计规定的要求。仪测定，总厚度应达到设计规定的要求。12.建筑建筑防火防火分类及耐火等级为二类、二级。分类及耐火等级为二类、二级。13.耐火极限耐火极限：刚架钢柱：刚架钢柱2.0h，刚架钢梁，刚架钢梁l.5h，部分墙梁，部分墙梁0.5h，屋面板，屋面板0.5h，吊顶，吊顶0.5h。14.防火保护材料防火保护

10、材料应绝缘性好，具有一定的应绝缘性好，具有一定的抗冲击能力抗冲击能力，能牢固附在构件上，又不腐蚀钢材，且经消防局认可的能牢固附在构件上，又不腐蚀钢材，且经消防局认可的薄型、超薄型防火涂料、厚型或不燃性板材，具体薄型、超薄型防火涂料、厚型或不燃性板材，具体厚度厚度按照计算决定。按照计算决定。第一节第一节 建筑结构用钢的基本要求建筑结构用钢的基本要求1.较高的强度较高的强度2.较好的塑性及韧性较好的塑性及韧性3.良好的加工性能良好的加工性能4.良好的可焊性良好的可焊性5.较好的抗锈蚀能力较好的抗锈蚀能力 现行现行钢结构设计规范钢结构设计规范（GB50017GB50017）推荐承重）推荐承重结构的钢

11、材宜采用碳素结构钢中的结构的钢材宜采用碳素结构钢中的Q235Q235，及低合金高，及低合金高强度结构钢中的强度结构钢中的Q345Q345、Q390Q390及及Q420Q420钢。钢。一、强度和塑性一、强度和塑性单轴拉伸试验单轴拉伸试验 屈服强度屈服强度(yield strength) fy 抗拉强度抗拉强度(tensile strength) fu 伸长率伸长率(elongation) d d 弹性模量弹性模量EE为常量，低碳钢有明显屈服点，为常量，低碳钢有明显屈服点，fy作为破坏标志作为破坏标志，fu/fy为强度储备为强度储备，伸长率，伸长率d d表示塑性变表示塑性变形能力形能力。图图2-1

12、 2-1 单轴应力单轴应力 ffpfyfu0 fy图图 2-2 为了简化计算，将图为了简化计算，将图2-12-1所示应力所示应力- -应变关系简应变关系简化为图化为图2-22-2。 实际设计中对实际设计中对曲线的简化曲线的简化 fy, 完全塑性完全塑性 f fu u 作作为为安全安全储备储备伸长率伸长率d d根据试件标距长度根据试件标距长度 l l0 0与直径与直径d d0 0 的比值分为的比值分为d d1010或或d d5 5，为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百，为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百分率。分率。 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

13、值是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率。与原断面面积比值的百分率。反映三向拉应力状态下最大反映三向拉应力状态下最大塑性变形能力。对于塑性变形能力。对于GJGJ钢尤其重要钢尤其重要 二、二、 冷弯冷弯(cold bending)试验试验冷弯角冷弯角a加工性能加工性能，塑性变性能力塑性变性能力，材质均匀性，材质均匀性：根据试件厚度按规定的弯曲直径将试件弯曲：根据试件厚度按规定的弯曲直径将试件弯曲1801800 0，如表面无裂纹或分层则合格如表面无裂纹或分层则合格. .三、三、 冲击冲击韧性韧性 ：钢材在塑性变形和断裂的过程中：钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收吸收能量的能力

14、能量的能力，也是表示钢材，也是表示钢材抵抗冲击荷载或振抵抗冲击荷载或振动荷载的能力动荷载的能力，它是，它是强度与塑性的综合表现强度与塑性的综合表现。 钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功来表示。钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功来表示。设计规范对钢材的冲击韧性有常温和负温要求设计规范对钢材的冲击韧性有常温和负温要求的规定。的规定。常温常温(20)和低温和低温(0，-20，-40) 试验试验. . 用带缺口（用带缺口（V V型或型或U U型）的标准试件进行冲击试验，型）的标准试件进行冲击试验，试件破坏时截面单位面积吸收的能量，试件破坏时截面单位面积吸收的能量，称冲击韧性。称冲击韧性。冲击韧性越好，表明

15、钢材越不易脆断冲击韧性越好，表明钢材越不易脆断。(a)(b) 冲击韧性试件冲击韧性试件P 焊接接头和焊缝的冲击焊接接头和焊缝的冲击韧性及近缝区塑性不低于母材性韧性及近缝区塑性不低于母材性能。能。 ( (使用性能上的可焊性使用性能上的可焊性) )根据板厚、钢材分类、受力状态、根据板厚、钢材分类、受力状态、钢材碳当量，钢结构工程焊接难钢材碳当量，钢结构工程焊接难度分为：度分为：易易A A、一般、一般B B、较难、较难C C、难难D D 四个难度等级四个难度等级P11-12P11-12四、四、可焊性可焊性（1 1）可焊性好：施焊后能获得良好的焊接接头性能。）可焊性好：施焊后能获得良好的焊接接头性能。

16、（2 2）评定可焊性好的标志）评定可焊性好的标志 在一定的焊接工艺条件下，焊缝和近缝区均不产生裂在一定的焊接工艺条件下，焊缝和近缝区均不产生裂纹纹( (施工上的可焊性施工上的可焊性 ) )五、钢材的耐火、耐候性五、钢材的耐火、耐候性（1 1）耐火性能：）耐火性能：在一定高温下，保持结构在一定时间内不致垮塌，以保证在一定高温下，保持结构在一定时间内不致垮塌，以保证人员和重要物资安全撤离火灾现场。人员和重要物资安全撤离火灾现场。耐火性能指标：在耐火性能指标：在6006000 0C C高温时的屈服点应具有高于常温高温时的屈服点应具有高于常温时屈服点的时屈服点的2/32/3（2 2）耐候性能）耐候性能

17、添加合金元素添加合金元素表面镀锌或铝锌表面镀锌或铝锌+ +彩色聚酯类涂料彩色聚酯类涂料破坏前有显著的变形，吸收很大的能量，破坏前有显著的变形，吸收很大的能量， 延续时间长，有明显的塑性变形，断裂时延续时间长，有明显的塑性变形，断裂时 断口呈纤维状，色泽发暗。断口呈纤维状，色泽发暗。 破坏前无明显变形，破坏突然发生，断破坏前无明显变形，破坏突然发生，断 裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆 性破坏危险性大。性破坏危险性大。疲劳破坏：材料有缺陷，在反复荷载作用下，裂纹发展，在远低于材料强度极限，突然脆性断裂。 第四节第四节 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因

18、素1、化学成份、化学成份2、冶金及轧制、冶金及轧制3、冷作硬化与时效硬化、冷作硬化与时效硬化4、复杂应力与应力集中、复杂应力与应力集中5、残余应力、残余应力6、温度、温度1、化学成份的影响C、Si、Mn为为杂质元素杂质元素，S、P、N、O为为有害元素有害元素。 C：含：含C使强度使强度塑性、韧性、可焊性塑性、韧性、可焊性，应控制在，应控制在0.22%，焊接结构应控制在，焊接结构应控制在0.20%。 Si：含：含Si适量使强度适量使强度其它影响不大，有益其它影响不大，有益 Mn：含：含Si适量使强度适量使强度 降低降低S、O的热脆影响，改善热加的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，工性

19、能，对其它性能影响不大，有益有益。 S：含量：含量使强度使强度塑性、韧性、性能冷弯、可焊性塑性、韧性、性能冷弯、可焊性； 高温时使钢材变脆高温时使钢材变脆热脆现象热脆现象。 P：低温时使钢材变脆：低温时使钢材变脆冷脆现象冷脆现象；其它同；其它同S O、N：O同同S；N同同P，控制含量，控制含量0.008%2、冶金与轧制的影响 冶金的影响：沸腾钢冶金的影响：沸腾钢（已淘汰已淘汰）；）；镇静钢镇静钢 反复的轧制：改善塑性，使气孔、裂纹、疏松等缺陷反复的轧制：改善塑性，使气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织焊合，金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，缺陷，力学

20、性能提高力学性能提高。3、冷作硬化与时效硬化冷作硬化与时效硬化 使钢材使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象的现象称为称为硬化现象硬化现象。 冷加工冷加工时，钢材发生时，钢材发生塑性变形塑性变形，使钢材变硬的现象称，使钢材变硬的现象称冷作硬化冷作硬化。 随着随着时间的增长时间的增长和温度的变化，和温度的变化，钢材变脆钢材变脆的的“老化老化”现象称现象称时效硬化时效硬化。4、复杂应力与应力集中的影响 在在多向同号应力多向同号应力作用下，变形受到限制，使钢材强度增作用下，变形受到限制，使钢材强度增加，塑性、韧性下降加，塑性、韧性下降 异号应力时则相反。异号应力时则相