me 钢结构第二章(材料)

1、1钢结构原理钢结构原理 土木工程系2第二章第二章 本章内容本章内容: : 2.1 2.1 钢结构钢结构对材料的基本要求对材料的基本要求 2.2 2.2 钢材钢材的破坏形式的破坏形式 2.3 2.3 钢材钢材的的主要性能主要性能 2.4 2.4 影响影响钢材性能的主要因素钢材性能的主要因素 2.5 2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件 2.6 2.6 钢材的疲劳钢材的疲劳 2.7 2.7 钢的种类和钢材规格钢的种类和钢材规格本章本章重点重点: : 钢材的钢材的主要性能主要性能、各种因素、各种因素对钢材对钢材性能性能的影响，的影响， 钢材的种类、规格及选择原则。钢材的种

2、类、规格及选择原则。本章本章难点难点: : 影响钢材性能的主要影响钢材性能的主要因素、钢材的疲劳因素、钢材的疲劳3钢结构对钢材的基本要求：钢结构对钢材的基本要求： 1 1、具有较高的抗拉强度具有较高的抗拉强度 fu和屈服点和屈服点 fy ( (强度高，所需的强度高，所需的截面就小，结构的自重轻截面就小，结构的自重轻) )。2 2. .1 1 钢结构钢结构对材料的要求对材料的要求v钢结构设计规范钢结构设计规范GB50017-2003GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采推荐承重结构用钢宜采用：碳素结构钢中的用：碳素结构钢中的Q235Q235钢及低合金高强结构钢中的钢及低合金高强结构钢中的Q

3、345Q345、Q390Q390和和Q420Q420钢四种钢材。钢四种钢材。 2 2、具有较好的塑性、韧性具有较好的塑性、韧性( (塑性好，不易发生脆性破坏；塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载韧性好，利于承受动力荷载) )。 3 3、良好的工艺性能良好的工艺性能适应冷加工、热加工，可焊性适应冷加工、热加工，可焊性好。好。 4 4、对环境的良好适应性对环境的良好适应性适应低温、高温，耐腐蚀、适应低温、高温，耐腐蚀、耐火、耐疲劳。耐火、耐疲劳。4钢材的破坏形式：钢材的破坏形式：塑性破坏塑性破坏和和脆性破坏脆性破坏。2 2. .2 2 钢材的破坏形式钢材的破坏形式52 2. .2 2

4、 钢材的破坏形式钢材的破坏形式ufyf62 2. .3 3.1 .1 单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能2 2. .3 3 钢材的主要性能钢材的主要性能 （1 1）试验条件）试验条件 （a a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺 陷。试件的标距长度取其直径的陷。试件的标距长度取其直径的5 5或或1010倍。倍。 （b b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。 （c c）试验温度要控制在室温）试验温度要控制在室温2020左右。左右。 荷载变形（荷载变形（FL）曲线）曲线应力应变（应

5、力应变（）曲线）曲线金属材料室温拉伸试验方法(GB/T228) 7（a a） 有屈服点钢材有屈服点钢材s-es-e曲线可以分为曲线可以分为四个阶段四个阶段：2 2. .3 3 钢材的主要性能钢材的主要性能usPsyf图图2.1 2.1 碳素结构钢的应力碳素结构钢的应力- -应变关系应变关系屈服阶段（屈服阶段（PESC)PESC)强化阶段强化阶段(CB(CB段段) )颈缩阶段颈缩阶段(BD(BD段段) )弹性阶段（弹性阶段（OP)OP) fp比例极限比例极限 fy屈服强度屈服强度 ( (强度限制、设计依据强度限制、设计依据) ) fu极限强度极限强度( (强度储备强度储备) ) （2 2）钢材的

6、应力）钢材的应力- -应变关系应变关系 82 2. .3 3 钢材的主要性能钢材的主要性能 设计时以卸载后试件中设计时以卸载后试件中残余应变残余应变为为0.20.2所对应的应力作为所对应的应力作为屈服点屈服点“条件屈服点条件屈服点”或或“名义屈服点名义屈服点”（有时用（有时用f0.2表示）表示）没有明显屈服点的没有明显屈服点的钢钢材在拉伸过程中没有材在拉伸过程中没有明显的塑性平台，塑明显的塑性平台，塑性变形小，设计中不性变形小，设计中不利用它的塑性。利用它的塑性。 （b b）无明显屈服点的钢材）无明显屈服点的钢材图图2.2 2.2 高强度钢的应力高强度钢的应力- -应变曲线应变曲线fy=f0.

7、29(3)(3)单向拉伸时钢材的机械性能指标单向拉伸时钢材的机械性能指标2 2. .3 3.1 .1 单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能2 2. .3 3 钢材的主要性能钢材的主要性能 屈服点屈服点 fy是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值 的重要指标。（的重要指标。（作为作为钢结构设计钢结构设计可以达到的最大应力）可以达到的最大应力） 抗拉强度抗拉强度 fu应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢 材破坏前所能承受的最大应力。钢材达到材破坏前所能承受的最大应力。钢材达到 fu 时，已产生时，已产生 很大塑性变形

8、而失去使用性能，但很大塑性变形而失去使用性能，但 fu 高则可以增加结构高则可以增加结构 的安全保障（的安全保障（ fu fy 的值可看作钢材强度储备系数）的值可看作钢材强度储备系数） 钢材的塑性钢材的塑性当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残 余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用。塑性好坏可用伸长率伸长率 表示，通过静力拉伸试验得到。表示，通过静力拉伸试验得到。 10v 伸长率伸长率试件试件断裂前断裂前的永久变形与原标定长度的百比。的永久变形与原标定长度的百比。NNLL0dNNd%100001-llll0

9、 原标距长原标距长l1 拉断后标距长度拉断后标距长度d0 试件直径试件直径试件有两种标距：试件有两种标距：l0/ d0=5 和和 l0/ d0=10 相应的伸长率用相应的伸长率用5和和10表示。表示。实际工程中以实际工程中以伸长率伸长率 代表材料断裂前具有的塑性变形能力。代表材料断裂前具有的塑性变形能力。2 2. .3 3.1 .1 单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能2 2. .3 3 钢材的主要性能钢材的主要性能11(4)(4)应力应变曲线的简化应力应变曲线的简化2 2. .3 3.1 .1 单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能2 2. .3 3 钢材的主要性能钢材的主要性能曲线简

10、化的依据：曲线简化的依据：1 1）钢材在屈服点之前的性质）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。接近理想的弹性体。2 2）屈服点之后的流幅现象又）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅接近理想的塑性体，并且流幅的范围（的范围（e0.15e0.15-2.5-2.5）已足够用来考虑结构或构件的已足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。塑性变形的发展。2.5% fy 00.15%钢材可视为钢材可视为理想的弹性理想的弹性- -塑性材料塑性材料 图图2.3 2.3 简化的应力简化的应力- -应变曲线应变曲线12(5)(5)钢材的物理力学性能指标钢材的物理力学性能指标2 2. .3 3.1 .

11、1 单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能2 2. .3 3 钢材的主要性能钢材的主要性能表表2.1 钢材的物理力学性能指标钢材的物理力学性能指标13图图2.4 2.4 钢材冷弯试验示意图钢材冷弯试验示意图2 2. .3 3. .2 2 冷弯性能冷弯性能2 2. .3 3 钢材的主要性能钢材的主要性能 冷弯性能是判别钢材塑性变形冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。能力和冶金质量的综合指标。钢材在冷加工（常温下加工）钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。的抵抗能力。 鉴别指标鉴别指标：用冲头加压，当试件：用冲头加压，当试件弯曲

12、至弯曲至180时，试件表面和侧时，试件表面和侧面，无裂纹、断裂或分层，即认面，无裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。为试件冷弯性能合格。 14 冲击韧性冲击韧性是钢材抵抗冲击荷是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量来量度（吸收的总能量来量度（C Cv v）。它）。它是钢材强度和塑性的综合指标。是钢材强度和塑性的综合指标。图图2.5 2.5 冲击韧性试验冲击韧性试验2 2. .3 3. .3 3 冲击韧性冲击韧性2 2. .3 3 钢材的主要性能钢材的主要性能 冲击韧性与试验的温度有关。冲击韧性与试验的温度有关。我国钢材标准中将试验分为四档，即

13、我国钢材标准中将试验分为四档，即+20, 0+20, 0，-20-20和和-40-40时的冲击时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。韧性。温度越低，冲击韧性越低。夏比夏比V形缺口形缺口梅氏梅氏U形缺口形缺口 以前我国规定采用梅氏以前我国规定采用梅氏U U型型缺口的试件，现用夏氏缺口的试件，现用夏氏V V型缺口。型缺口。夏 比 试 件 的 尺 寸 一 般 为夏 比 试 件 的 尺 寸 一 般 为10mm10mm55mm。152 2. .3 3 钢材的主要性能钢材的主要性能钢材的主要性能钢材的主要性能1、屈服点、屈服点 fy2、抗拉强度、抗拉强度 fu3、伸长率、伸长率 4、冷弯性能、冷弯性能5、

14、冲击韧性、冲击韧性 Cv 小小 结结16 钢是含碳量小于钢是含碳量小于2%2%的铁碳合金。钢中基本元素：的铁碳合金。钢中基本元素：F Fe e、C C、SiSi、MnMn、S S、P P、N N、OO。 普通碳素钢中，普通碳素钢中， FeFe占占99%99%，其余元素占其余元素占1%1%。在低合金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元在低合金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元素（镍、钒、钛等）（含量低于素（镍、钒、钛等）（含量低于5%5%）。）。 各种元素对钢材机械性能的各种元素对钢材机械性能的影响如下：影响如下：2 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2

15、2. .4 4. .1 1 化学成份化学成份17碳碳C C ：含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和疲劳强含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶化。一般在碳素结构钢度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶化。一般在碳素结构钢中不应超过中不应超过0.22 % 0.22 % ；在焊接结构中还应低于；在焊接结构中还应低于0.2 %0.2 %。硅硅SiSi： 含含SiSi适量使强度适量使强度，碳素结构钢中应控制，碳素结构钢中应控制0.3 %, 0.3 %, 在低合金高强度钢中硅的含量可达在低合金高强度钢中硅的含量可达0.55 %0.55 %。锰锰MnMn：含含MnMn适量使强

16、度适量使强度，降低，降低S S、O O的热脆影响，改的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大善热加工性能，对其它性能影响不大, ,有益。在碳素结构钢有益。在碳素结构钢中锰的含量为中锰的含量为0.3 %0.3 %0.8 % 0.8 % ，在低合金高强度钢中锰的，在低合金高强度钢中锰的含量可达含量可达1.0 % 1.0 % 1.6%1.6%。2 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2 2. .4 4. .1 1 化学成份化学成份18硫硫S S：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，使钢材变脆，称之为热脆

17、。含量应不超过高温时，使钢材变脆，称之为热脆。含量应不超过0.045%0.045%。 ( (有害成分有害成分) )磷磷P P：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量应不超过低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量应不超过0.045%0.045%。可以提高强度和抗锈蚀。可以提高强度和抗锈蚀 性。性。 ( (有害成分有害成分) )氧氧OO：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，发生热脆。高温时，发生热脆。 ( (有害成分有害成分) )氮氮N N：降低钢材的塑性、韧性、

18、可焊性和疲劳强度，在降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，发生冷脆。低温时，发生冷脆。 ( (有害成分有害成分) )2 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2 2. .4 4. .1 1 化学成份化学成份19钒和钛：钒和钛：是钢中的合金元素，能提高钢的强度是钢中的合金元素，能提高钢的强度和抗和抗腐蚀腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。性能，又不显著降低钢的塑性。铜铜 ：可可显著提高钢的抗腐蚀性能，也显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提高可以提高钢的钢的强度，但对焊接性能有不利影响。强度，但对焊接性能有不利影响。2 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的

19、影响各种因素对钢材主要性能的影响2 2. .4 4. .1 1 化学成份化学成份20 在生产过程在生产过程中常常出现的缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、中常常出现的缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹和分层。裂纹和分层。2 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2 2. .4 4. .2 2 冶金缺陷冶金缺陷图图2.5 2.5 型钢硫的偏析型钢硫的偏析1.1.偏析：偏析：钢中化学成分分布不均匀，主要的钢中化学成分分布不均匀，主要的偏析是硫、磷，将使偏析是硫、磷，将使偏析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。偏析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。生铁、废钢等生铁、废钢等冶炼冶

20、炼钢液钢液浇铸浇铸钢锭或钢锭或钢坯钢坯热轧或热轧或冷加工冷加工型钢或型钢或钢板钢板热处理热处理高强度高强度钢材钢材213.3.裂纹裂纹 钢材中存在的微观裂纹。钢材中存在的微观裂纹。2.2.非金属夹杂非金属夹杂 指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使钢材性能变脆。化物，他们使钢材性能变脆。4.4.气泡气泡 浇铸浇铸时由时由FeOFeO和和C C作用所生成的作用所生成的COCO气体不能充分气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。5.5.分层分层 浇铸时的非金属夹杂在浇铸时的非金属夹杂在轧制轧制后可能造成钢材的分层

21、。后可能造成钢材的分层。2 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2 2. .4 4. .2 2 冶金缺陷冶金缺陷22冶炼时，投入脱氧剂来冶炼时，投入脱氧剂来减少杂质减少杂质氧化铁氧化铁图图2.6 2.6 钢锭剖面钢锭剖面缩孔缩孔保温帽保温帽(a)沸腾钢沸腾钢 (b)镇静钢镇静钢2 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2 2. .4 4. .2 2 冶金缺陷冶金缺陷脱氧的作用脱氧的作用232 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2 2. .4 4. .2 2 冶金缺陷冶金缺陷24注意：注意

22、：薄钢板的强度比薄钢板的强度比厚钢板的强度高。厚钢板的强度高。轧棍轧棍图图2.7 2.7 钢的轧制使晶粒细化钢的轧制使晶粒细化2 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2 2. .4 4. .2 2 冶金缺陷冶金缺陷252 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2 2. .4 4. .3 3 钢材硬化钢材硬化冷作硬化冷作硬化在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的

23、现象的现象 。时效硬化时效硬化在高温时熔化于铁中的少量在高温时熔化于铁中的少量碳和氮的固熔物质，随着碳和氮的固熔物质，随着时间的增加逐渐从纯铁中析出，时间的增加逐渐从纯铁中析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象塑性和韧性下降的现象 。在交变荷载、重复荷载和温度变化等情在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，会加速时效硬化的发展。在高温作用下会快速发展况下，会加速时效硬化的发展。在高温作用下会快速发展（人工（人工时效）时效）。 应变时效硬化应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更

24、容易析出，从而使已经的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时冷作硬化的钢材又发生时效硬化效硬化现象。现象。262 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2 2. .4 4. .4 4 温度影响温度影响正温范围：正温范围：T T升高升高（1 1）温度在）温度在150150以内，钢材材质变化很小，以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于钢结构可用于温度不高于150150的场合。的场合。（2 2）温度在）温度在250250左右的区间内，左右的区间内，f fu u 有局有局部性提高，冲击韧性降低，出现部性提高，冲击韧性降低，出现蓝脆现象。蓝脆现象

25、。（3 3）260260 C C320320 C C时，应力持续不变的时，应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形徐变现象徐变现象。（3 3）当温度达到）当温度达到600600时，钢材进入热塑性时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将状态，强度下降严重，将丧失承载能力丧失承载能力。)/(2mmNs(%)fufyE负温范围：负温范围：T T下降，下降，随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。钢材的冲击韧

26、性对温度的降低十分敏感。 图图2.8 2.8 温度对钢材力学性能的影响温度对钢材力学性能的影响272 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2 2. .4 4. .4 4 温度影响温度影响脆性破坏脆性破坏两种破两种破坏均有坏均有塑性破坏塑性破坏转变温转变温度区度区冲击断裂功冲击断裂功试验温度试验温度T1T0T2（1 1）冲击功曲线的反弯点）冲击功曲线的反弯点T T0 0称为称为脆性转变温度脆性转变温度。界限。界限温度温度T T1 1和和T T2 2分别为分别为全脆性转全脆性转变温度变温度和和全塑性转变温度全塑性转变温度。（2 2）钢材由塑性破坏转变为）钢材由塑

27、性破坏转变为脆性破坏是在温度区间脆性破坏是在温度区间T T1 1 T T2 2内完成的，此温度区间称为内完成的，此温度区间称为钢材的钢材的脆性转变温度区脆性转变温度区。（3 3）在全脆性转变温度以下，钢材表现）在全脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。（4 4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于在

28、钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于T T1 1, ,接近接近T T0 0。图图2.9 2.9 冲击韧性和温度关系示意图冲击韧性和温度关系示意图28 构件构件上孔洞、刻槽、凹角、裂纹以及截面厚度或上孔洞、刻槽、凹角、裂纹以及截面厚度或宽度改变等部位，在力作用下，该处出现高峰应力，宽度改变等部位，在力作用下，该处出现高峰应力，而其它部位应力较低，截面应力分布不均匀现象而其它部位应力较低，截面应力分布不均匀现象应力集中应力集中。2 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2 2. .4 4. .5 5 应力集中应力集中图图2.9 2.9 孔洞

29、及槽孔处的应力集中孔洞及槽孔处的应力集中29l 应力集中处常产生三向的同号应力集中处常产生三向的同号拉应力，使材料沿力作用方向塑拉应力，使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束，易性变形的发展受到很大约束，易使钢材开裂时也没有明显的塑性使钢材开裂时也没有明显的塑性变形。变形。l 有应力集中的钢材，有应力集中的钢材，材性变脆材性变脆l 应力集中对塑性良好的钢结构应力集中对塑性良好的钢结构静力强度影响不大，但静力强度影响不大，但降低疲劳降低疲劳强度强度。对负温和动力荷载作用下。对负温和动力荷载作用下的结构，容易引起脆性破坏。的结构，容易引起脆性破坏。 由力学知识我们知道，没有明显塑性变形的断裂

30、是脆性断裂。由力学知识我们知道，没有明显塑性变形的断裂是脆性断裂。同号的平面或立体应力场有使钢材变脆的趋势。同号的平面或立体应力场有使钢材变脆的趋势。2 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响30不同槽口试件静力拉伸试验的应力不同槽口试件静力拉伸试验的应力应变曲线应变曲线 应力集中对应力集中对-曲线曲线关系的影响关系的影响 可以看出截面槽可以看出截面槽口改变愈急剧，应口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破坏但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。的脆性倾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10

31、测距100101006007005004003002001002 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响31疲劳破坏疲劳破坏: : 钢材在直接的反复的动力荷载作用下，钢材的强钢材在直接的反复的动力荷载作用下，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度，这种现象称为疲劳。极限强度，这种现象称为疲劳。疲劳破坏表现为突然疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。发生的脆性断裂。 钢材钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。重要变化，甚

32、至发生疲劳破坏。为防止脆性破坏，在设计、制造及使用中应注意为防止脆性破坏，在设计、制造及使用中应注意: : 合理合理设计设计 正确制造正确制造 正确使用正确使用2 2. .4 4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2 2. .4 4. .6 6 反复荷载作用反复荷载作用32在单轴应力作用下在单轴应力作用下 时时钢材钢材屈服，构件由弹性工作状态转屈服，构件由弹性工作状态转为塑性工作状态。为塑性工作状态。在多轴应力作用下在多轴应力作用下钢材的屈服钢材的屈服条件不能以某一轴向应力超过条件不能以某一轴向应力超过某屈服点来判别，而是按材料某屈服点来判别，而是按材料力学的力学的能量强

33、度理论能量强度理论计算折算计算折算应力与钢材在单轴应力作用下应力与钢材在单轴应力作用下的屈服点的屈服点fy相比较来判相比较来判断。断。=yfs图图2.12 2.12 复杂应力复杂应力2 2. .5 5 复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件33推导推导 当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。材即由弹性转入塑性。osxszsyyzyxxyxzzyzxZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力状态下的分量状态下的分量s1s1s2s2s3s3单元体受单元体受主应力主应力钢材单元体上的复杂应力状态钢材单元体

34、上的复杂应力状态2 2. .5 5 复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件能量强度理论（或第四强度理论）：能量强度理论（或第四强度理论）： 材料由弹性转入塑性的材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达。强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达。34当用应力分量表示时：当用应力分量表示时： )( 3)(222222zxyzxyxzzyyxzyxredssssssssss-当用主应力表示时：当用主应力表示时： 21323222121sssssss-red2 2. .5 5 复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件当当时钢材处于弹性阶段，时钢

35、材处于弹性阶段，时钢材处于塑性阶段。时钢材处于塑性阶段。redyfsredyfs 在在多轴应力作用下多轴应力作用下钢材的屈服条件不能以某一轴向应力超过某屈服钢材的屈服条件不能以某一轴向应力超过某屈服点来判别，而是按材料力学的点来判别，而是按材料力学的能量强度理论能量强度理论计算计算折算应力折算应力与钢材在与钢材在单单轴应力作用下轴应力作用下的屈服点的屈服点相比较来判相比较来判断。断。352 2. .5 5 复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件 当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，这当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，这时三向应力状态可以简化为

36、平面应力状态时三向应力状态可以简化为平面应力状态： 222red3xyxyxyyfssss s-（2.22.2）一般梁中只存在正应力一般梁中只存在正应力和剪应力和剪应力，则上式可写为：，则上式可写为：22red3yfss（2.32.3）纯剪时纯剪时= 0 则有：则有：2red33yfs（2.42.4）yyff58. 031即钢材的剪切屈服点是拉伸屈即钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点服点fy的的0.58 倍。附表倍。附表1.11.1v0.58ff36v疲劳断裂疲劳断裂：是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展：是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。断口可能贯穿于母材，可能贯穿于直至

37、断裂的脆性破坏。断口可能贯穿于母材，可能贯穿于连接焊缝，也可能贯穿于母材及焊缝。连接焊缝，也可能贯穿于母材及焊缝。2 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳（3 3）疲劳对缺陷）疲劳对缺陷十分敏感。十分敏感。 （2 2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是而疲劳破坏的主要断口特征是放射和放射和年轮状花纹年轮状花纹。37v 疲劳断裂过程疲劳断裂过程裂纹形成裂纹形成裂纹稳定扩展裂纹稳定扩展裂纹失稳裂纹失稳扩展断裂扩展断裂非焊接

38、结构非焊接结构三阶段三阶段焊接结构焊接结构二阶段二阶段本身存在本身存在类似裂纹类似裂纹的缺陷的缺陷2 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳v 疲劳分类疲劳分类l 高周疲劳（应力疲劳）高周疲劳（应力疲劳） 工作应力小于工作应力小于fy，没有明显的塑性变形，没有明显的塑性变形，寿命寿命n5104次。如吊车梁、桥梁、海洋次。如吊车梁、桥梁、海洋平台在日常荷载下的疲劳破坏。平台在日常荷载下的疲劳破坏。l 低周疲劳（应变疲劳）低周疲劳（应变疲劳）工作应力大于工作应力大于fy，有较大的塑性变形，寿命，有较大的塑性变形，寿命n1025104次。如强烈地震下一般钢结次。如强烈地震下一般钢结构的疲劳破坏。构的疲

39、劳破坏。38v 疲劳荷载类型疲劳荷载类型常幅循环应力谱常幅循环应力谱t变幅应力谱变幅应力谱应力比（应力比（ ）拉应力取正号而压应力取负号拉应力取正号而压应力取负号minmaxss应力幅（应力幅（s s）maxminsss-应力循环次数应力循环次数（n n，疲劳寿命），疲劳寿命）结构或构件破坏时所经历的应力变化次数。结构或构件破坏时所经历的应力变化次数。2 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳392 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳2.6.1 2.6.1 常幅疲劳常幅疲劳1.1.非焊接结构的疲劳非焊接结构的疲劳 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出一定的情况下，根据试

40、验资料可以绘出N N次循环次循环的疲劳图的疲劳图( (maxmax和和minmin关系曲线关系曲线) )。 当当=0=0（C C点）和点）和=-1=-1（B B点）点）时的时的疲劳强度疲劳强度分别为分别为0 0 和和-1-1，连接连接BCBC并延长至并延长至A A、D D。疲疲劳劳破破坏坏。次次时时，将将发发生生环环达达到到则则这这组组应应力力循循或或上上方方，上上的的点点落落在在直直线线当当坐坐标标为为NABCD),(minmaxs ss s拉）拉）(maxs（压）（压）mins s- -1 1- - 非非焊接结构的疲劳图焊接结构的疲劳图（N=2N=210106 6)0 （拉）（拉）mins

41、 s fyDA),(11- - -s ss sB),(ooCs s402 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳 由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，疲劳强度疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应与最大应力、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。集中情况）有关。oksss-minmaxABCDABCD直线方程为直线方程为：okss-)1 (maxmaxmin11,s ss s s ss ss s - - - - -ok式式中中：拉）拉）(maxs s （压）（压）mins s- -fy1 1- - DA非

42、非焊接结构的疲劳图焊接结构的疲劳图（N=2N=210106 6)0 ),(11- - -s ss sB),(ooCs s（拉）（拉）mins s 412 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳2. 2. 焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳 通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是构件和连接的类型构件和连接的类型、应力幅应力幅ss以及以及循环次数循环次数n n，而与应力比无关。，而与应力比无关。 焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点 fy ，该处是该处是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区

43、域。产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。 maxyfs最大：最大：minmaxyfssss- -最小：最小：yyffs-真实应力比真实应力比：fyfyfyfyfyfy残余应力的分布残余应力的分布疲劳强度取决于应力幅疲劳强度取决于应力幅ss的大小的大小422 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳3. 3. 容许应力幅的推导容许应力幅的推导 根据试验数据回归，可以得到应力幅根据试验数据回归，可以得到应力幅ss与疲劳破坏循环与疲劳破坏循环次数次数N之间的关系曲线，即之间的关系曲线，即s-s-NN曲线（图中红色实线）：曲线（图中红色实线）：S S S S0lgns slg.b b1 1lgClgslgn

44、1此曲线方程为：此曲线方程为：)lg(lg1s-bN 试验数据回归得到的是平均值之试验数据回归得到的是平均值之间的关系，考虑数据的离散性，将间的关系，考虑数据的离散性，将平均值减去平均值减去2s2s（lgNlgN的标准差的的标准差的2 2倍），作为疲劳强度的下限值（图倍），作为疲劳强度的下限值（图中蓝色虚线）。则下限曲线方程为中蓝色虚线）。则下限曲线方程为43)lg(2)lg(lg21ss-bsbN2 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳2b10)(sN令令 , ,则：则：2b10Cs/ 1)/NC（将此将此ss取为容许应力幅，即：取为容许应力幅，即：s/ 1)/NC（ 不同的构件和连接，不同

45、的构件和连接， s-s-NN曲线不同，则曲线不同，则C值和值和 值各不值各不相同，相同，规范规范进行归纳，将构件和连接划分为进行归纳，将构件和连接划分为8 8类（类（P319P319附附录录6 6），它们的），它们的C值和值和 值查表值查表2.22.2。S S S S0lgNs slg.b b1 1lgClgslgN0.4110120.6510120.9610121.4710122.1810123.26101286110121940101287654321构件和连构件和连接类别接类别33333344 0.4110120.6510120.9610121.4710122.

46、1810123.26101286110121940101287654321构件和连构件和连接类别接类别2 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳容许应力幅容许应力幅ss与钢材的强度无关与钢材的强度无关，这表明不同种类的钢材具有，这表明不同种类的钢材具有相同的抗疲劳性能。相同的抗疲劳性能。表表2.22.2参数、参数、 s/ 1)/NC（454. 4. 常幅疲劳验算常幅疲劳验算2 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳 疲劳计算采用疲劳计算采用容许应力幅法容许应力幅法，按弹性状态计算应力进行计算。，按弹性状态计算应力进行计算。计算只适用于无高温（计算只适用于无高温（t150t150）、无严重腐蚀环境中

47、的高周低应）、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算（应力循环次数变的疲劳计算（应力循环次数n n5510104 4) )。常幅疲劳的计算公式：常幅疲劳的计算公式：ssss标准荷载下标准荷载下的设计应力幅；的设计应力幅；对于焊接部位的设计应力幅对于焊接部位的设计应力幅: ss= s smax- s smin ； 对于非焊接部位的折算应力幅：对于非焊接部位的折算应力幅：ss= s smax- 0.7s smin s smax 每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值） s smin 每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力每次应力循环中，计算

48、部位的最小拉应力或压应力（拉应（拉应力取正值，压应力取负值）；力取正值，压应力取负值）；ss 常幅疲劳的容许应力幅常幅疲劳的容许应力幅试验试验数据数据统计统计s/ 1)/NC（462 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳2.6.2 2.6.2 变幅疲劳和吊车梁的欠载效应系数变幅疲劳和吊车梁的欠载效应系数当应力循环内的应力幅随机变化时为当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳变幅疲劳。ss2变幅荷载变幅荷载可将变幅疲劳折算为等效的可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳，然后按常幅疲劳常幅疲劳，然后按常幅疲劳检算式检算。检算式检算。sse e等效常幅疲劳应力幅。等效常幅疲劳应力幅。 ss 常幅疲劳的容许

49、应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。 情形一情形一能够测得使用期内应力变幅规律能够测得使用期内应力变幅规律tssnss1ssisse（a a）检算公式）检算公式472 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳482 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳（b) b) 计算计算es 若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅sse e按下

50、按下式进行疲劳计算：式进行疲劳计算：ss1iiiennn ni i 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； n ni i 预期寿命内应力幅水平为预期寿命内应力幅水平为ssi i的的应力循环次数应力循环次数492 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳 情形二情形二不能测得使用期内应力变幅规律不能测得使用期内应力变幅规律 设计设计重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，应力幅是按应力幅是按满载满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果没有对实际应力

51、幅的统计资料，即属本情形。使用没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数欠载效应系数，按常幅疲劳进行计算。按常幅疲劳进行计算。 计算公式：计算公式：6102nf ssf 欠载效应系数欠载效应系数ssef6102ns循环次数为循环次数为n=2106次的容许应力幅。次的容许应力幅。s/ 16)102C（s/ 1)/NC（505959696978789090103103118118144144176176N/mmN/mm2 2 ssss n n=2=210106 68 87 76 65 54 43 32 21 1连接形式类别连接形式类别n=2=210106 6的容许应力幅值的容许应力幅

52、值5959696978789090103103118118144144176176N/mmN/mm2 2 ssss n n=2=210106 68 87 76 65 54 43 32 21 1连接形式类别连接形式类别n=2=210106 6的容许应力幅值的容许应力幅值1.01.00.80.80.50.5重级工作制硬钩吊车重级工作制硬钩吊车重级工作制软钩吊车梁重级工作制软钩吊车梁中级工作制吊车中级工作制吊车 f f吊车梁类别吊车梁类别吊车梁或吊车桁架欠载效应系数吊车梁或吊车桁架欠载效应系数1.01.00.80.80.50.5重级工作制硬钩吊车重级工作制硬钩吊车重级工作制软钩吊车梁重级工作制软钩吊

53、车梁中级工作制吊车中级工作制吊车 f f吊车梁类别吊车梁类别吊车梁或吊车桁架欠载效应系数吊车梁或吊车桁架欠载效应系数2 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳规范规范给出了给出了N=2106时的时的f 值和值和 值：值：512 2. .6 6 钢材的疲劳钢材的疲劳疲劳破坏中一些值得注意的问题疲劳破坏中一些值得注意的问题（1 1）疲劳验算采用的是）疲劳验算采用的是容许应力设计法容许应力设计法，而不是以概率论为基础的，而不是以概率论为基础的设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为

54、基础的研究。目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。荷载荷载采用采用标准值标准值计算。计算。（2 2）对于只有）对于只有压应力压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，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。则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。（3 3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。52按按 用用 途：途：结构钢、工具钢、特殊钢结构钢、工具钢、特殊钢( (如不锈钢

55、等如不锈钢等) )。按冶炼方法：按冶炼方法：转炉钢、平炉钢。转炉钢、平炉钢。按脱氧方法：按脱氧方法：沸腾钢、镇静钢、特殊镇静钢。沸腾钢、镇静钢、特殊镇静钢。按成型方法：按成型方法：轧制钢、锻钢、铸钢。轧制钢、锻钢、铸钢。按化学成分：按化学成分：碳素钢、合金钢。碳素钢、合金钢。在建筑工程中采用的是：在建筑工程中采用的是：碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢。碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢。2.7.1 2.7.1 钢材的种类钢材的种类2 2. .7 7 钢材的种类和钢材规格钢材的种类和钢材规格53（1 1）碳素结构钢（）碳素结构钢（GB/T700-2006GB/T700-

56、2006） 碳素结构钢的碳素结构钢的牌号牌号由代表由代表屈服点的字母屈服点的字母Q Q、屈服点（厚、屈服点（厚度度t16mm)t16mm)的数值、质量等级符号、脱氧方法符号的数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四部等四部分按顺序组成。分按顺序组成。Q275Q215Q235规范推荐规范推荐提供提供fy、fu、 保证以及冲击韧性、冷弯试验指标保证以及冲击韧性、冷弯试验指标化学成分化学成分C、Mn、Si、S、P保证保证供货供货含碳量、强度含碳量、强度塑性塑性特点特点Q195牌号牌号2.7.1 2.7.1 钢材的种类钢材的种类2 2. .7 7 钢材的种类和钢材规格钢材的种类和钢材规格542.7.1 2

57、.7.1 钢材的种类钢材的种类2 2. .7 7 钢材的种类和钢材规格钢材的种类和钢材规格碳素结构钢的牌号碳素结构钢的牌号552.7.1 2.7.1 钢材的种类钢材的种类2 2. .7 7 钢材的种类和钢材规格钢材的种类和钢材规格（2 2）低合金高强度结构钢）低合金高强度结构钢(GB/T 1591-1994)(GB/T 1591-1994)Q460Q345规范推荐规范推荐Q420规范推荐规范推荐Q390规范推荐规范推荐提供提供fy、fu、 保证以及冲击韧性、冷弯试验指标保证以及冲击韧性、冷弯试验指标化学成分化学成分C、Mn、Si、S、P、V、Ti保证保证供货供货含碳量、强度含碳量、强度特点特点

58、Q295牌号牌号塑性塑性 低合金高强度结构钢的低合金高强度结构钢的牌号牌号由代表由代表屈服点的字母屈服点的字母Q Q、屈、屈服点（厚度服点（厚度t16mm)t16mm)的数值、质量等级符号的数值、质量等级符号等三部分按顺等三部分按顺序组成。序组成。562 2. .7 7 钢材的种类和钢材规格钢材的种类和钢材规格低合金高强度结构钢的牌号低合金高强度结构钢的牌号57（3 3）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢a)a)磷、硫等有害元素的含量均磷、硫等有害元素的含量均不大于不大于0.0350.035，对于其他缺对于其他缺陷的限制也较严格。陷的限制也较严格。b)b)主要用作制造主要用作制造冷拔高强钢丝冷拔高

59、强钢丝、高强螺栓高强螺栓以及以及自攻螺钉自攻螺钉等。等。2.7.1 2.7.1 钢材的种类钢材的种类2 2. .7 7 钢材的种类和钢材规格钢材的种类和钢材规格58 高性能高性能建筑结构钢材建筑结构钢材(GJ(GJ钢钢) )，比低合金高强度结构钢有，比低合金高强度结构钢有更好的综合性能。其更好的综合性能。其牌号牌号（如（如Q345GJCQ345GJCZ25Z25）由）由以下组成：以下组成： 1 1、Q Q代表屈服强度的字母；代表屈服强度的字母； 2 2、屈服点的、屈服点的数值（数值（345345、420420）；）； 3 3、代表高性能建筑结构用钢的汉语拼音字母、代表高性能建筑结构用钢的汉语拼

60、音字母GJGJ； 4 4、质量等级符号、质量等级符号BB、C C、D D、E E四个等级四个等级 对于厚度方向性能钢板，在质量等级后面加上厚度方对于厚度方向性能钢板，在质量等级后面加上厚度方向性能级别（向性能级别（Z15Z15、Z25Z25、Z35 Z35 ）。）。 适用于建造适用于建造高层建筑结构、大跨度结构及其他重要建高层建筑结构、大跨度结构及其他重要建筑结构。筑结构。2 2. .7 7 钢材的种类和钢材规格钢材的种类和钢材规格（4 4）建筑结构用钢板（）建筑结构用钢板（GB/T198792005GB/T198792005）2.7.1 2.7.1 钢材的种类钢材的种类59确定钢材种类及其质