钢结构门式刚架设计

1、第2章 钢材 导 学学什么？难点和重点？思 考 ？1 钢材拉伸试件的应力和强度这两个概念是否同一？2 影响钢材强度和塑性指标的主要因素有哪些？3 伸长率是如何定义的？4 为什么钢结构设计规范对钢材有伸长率的要求？5 若某一批钢材牌号为Q235时，是否钢材的屈服点就是235MPa？ 你知道钢材的屈服点大致分布情况如何？6 如何理解“钢材的塑性指标比钢材的强度指标更重要”？7 你认为屈强比高的材料（0.9左右）和屈强低（0.60.7）的材 料分别用在哪些场合是合适的？8 钢材“怕冷”，“怕热”的大致范围？ 高温和低温下可否使用钢结构？9 一块平板，经过冷加工成为圆管，再用一条焊缝将其焊起来，在 焊

2、接之前钢材经历了什么变化？在焊接之后钢材又经历了什么变 化？1 钢材的基本性能和指标2 影响钢材性能的主要因素3 复杂应力与应力集中 4 钢材疲劳现象5 超屈服荷载作用（反复作用）6 钢材的塑性破坏和脆性破坏7 钢材的品种与规格8 钢材的选用原则1 钢材的应力应变曲线和关键指标2 引起钢材脆性破坏的可能的原因3 钢材的疲劳计算1 钢材的基本性能和指标 钢材应力应变曲线弹性阶段线弹性非线弹性屈服阶段强化阶段颈缩阶段注意各阶段在曲线上位置、特征、应力上限、应变上限BDOffffAECF1 钢材的基本性能和指标强度 比例极限、比例极限、屈服强度、抗拉强度屈服强度、抗拉强度、屈强比、屈强比塑性 伸长率

3、、面缩率伸长率、面缩率韧性 静力韧性、冲击韧性静力韧性、冲击韧性冷弯性能 冷弯实验冷弯实验可焊性 施工可焊性、使用可焊性施工可焊性、使用可焊性耐久性 抗腐蚀能力、抗疲劳能力抗腐蚀能力、抗疲劳能力各性能特征指标、指标来源、作用BDOffffAECF比例极限、屈服强度、抗拉强度、屈强比%100%100010001AAAlll5 、10 伸长率、面缩率（缺口净面积）（冲击功）nkkAAa 2 影响钢材性能的主要因素(1) 化学成分占钢材占钢材99%的铁的铁Fe除外，还有除外，还有 C、Si、Mn、 V、 S(O)、P(N) 等等(2) 生产过程冶炼、浇铸、轧制冶炼、浇铸、轧制(3) 时效时效使钢材强

4、度提高，塑性、冲击韧性降低。时效使钢材强度提高，塑性、冲击韧性降低。 (4) 冷作硬化在冷加工过程中引起钢材硬化称冷作硬化。会提高强度、降低韧在冷加工过程中引起钢材硬化称冷作硬化。会提高强度、降低韧性、塑性。性、塑性。 (5) 温度高温：高温：2500C蓝脆（抗拉强度提高而韧性下降）蓝脆（抗拉强度提高而韧性下降）6000C时强度为零）时强度为零）低温：到冷脆临界温度时，冲击韧性急剧下降。低温：到冷脆临界温度时，冲击韧性急剧下降。 2 影响钢材性能的主要因素(1) 化学成分占钢材占钢材99%的铁的铁Fe除外，还有除外，还有 C、Si、Mn、 V、 S(O)、P(N) 等等(2) 生产过程冶炼、浇

5、铸、轧制冶炼、浇铸、轧制(3) 时效时效使钢材强度提高，塑性、冲击韧性降低。时效使钢材强度提高，塑性、冲击韧性降低。 (4) 冷作硬化在冷加工过程中引起钢材硬化称冷作硬化。会提高强度、降低韧在冷加工过程中引起钢材硬化称冷作硬化。会提高强度、降低韧性、塑性。性、塑性。 (5) 温度高温：高温：2500C蓝脆。（抗拉提高而韧性下降，蓝脆。（抗拉提高而韧性下降，6000C时强度为零）时强度为零）低温：到冷脆临界温度时，冲击韧性急剧下降。低温：到冷脆临界温度时，冲击韧性急剧下降。 冶炼过程控制钢材的化学成分。冶炼过程控制钢材的化学成分。平炉钢平炉钢顶吹氧气转炉炼钢法顶吹氧气转炉炼钢法碱性侧吹转炉炼钢法

6、碱性侧吹转炉炼钢法2 影响钢材性能的主要因素(1) 化学成分占钢材占钢材99%的铁的铁Fe除外，还有除外，还有 C、Si、Mn、 V、 S(O)、P(N) 等等(2) 生产过程冶炼、浇铸、轧制冶炼、浇铸、轧制(3) 时效时效使钢材强度提高，塑性、冲击韧性降低。时效使钢材强度提高，塑性、冲击韧性降低。 (4) 冷作硬化在冷加工过程中引起钢材硬化称冷作硬化。会提高强度、降低韧在冷加工过程中引起钢材硬化称冷作硬化。会提高强度、降低韧性、塑性。性、塑性。 (5) 温度高温：高温：2500C蓝脆。（抗拉提高而韧性下降，蓝脆。（抗拉提高而韧性下降，6000C时强度为零）时强度为零）低温：到冷脆临界温度时，

7、冲击韧性急剧下降。低温：到冷脆临界温度时，冲击韧性急剧下降。 浇铸过程控制脱氧程度。浇铸过程控制脱氧程度。沸腾钢用锰脱氧，脱氧不彻底，成本低，以前沸腾钢用锰脱氧，脱氧不彻底，成本低，以前土木工程常用，但现在提高要求了，许多结构限土木工程常用，但现在提高要求了，许多结构限用：疲劳、低温下非焊接结构，焊接结构；用：疲劳、低温下非焊接结构，焊接结构； 镇静钢用硅脱氧，脱氧彻底，成本高，质量好；镇静钢用硅脱氧，脱氧彻底，成本高，质量好；半镇静钢介于前两者之间；半镇静钢介于前两者之间；特殊镇静钢在锰硅脱氧后再用铝或钛补充脱氧。特殊镇静钢在锰硅脱氧后再用铝或钛补充脱氧。 2 影响钢材性能的主要因素(1)

8、化学成分占钢材占钢材99%的铁的铁Fe除外，还有除外，还有 C、Si、Mn、 V、 S(O)、P(N) 等等(2) 生产过程冶炼、浇铸、轧制冶炼、浇铸、轧制(3) 时效时效使钢材强度提高，塑性、冲击韧性降低。时效使钢材强度提高，塑性、冲击韧性降低。 (4) 冷作硬化在冷加工过程中引起钢材硬化称冷作硬化。会提高强度、降低韧在冷加工过程中引起钢材硬化称冷作硬化。会提高强度、降低韧性、塑性。性、塑性。 (5) 温度高温：高温：2500C蓝脆。（抗拉提高而韧性下降，蓝脆。（抗拉提高而韧性下降，6000C时强度为零）时强度为零）低温：到冷脆临界温度时，冲击韧性急剧下降。低温：到冷脆临界温度时，冲击韧性急

9、剧下降。 轧制过程：轧制可减少缺陷，使金属轧制过程：轧制可减少缺陷，使金属组织更为致密。组织更为致密。轧制方法：高温加压轧制方法：高温加压 厚度大于厚度大于40mm需进行需进行Z向试验。向试验。经轧制后不均匀冷却会产生残余应力。经轧制后不均匀冷却会产生残余应力。3 复杂应力与应力集中（1）钢材在复杂应力作用下的性能材料由弹性状态转变为塑性状态时的综合强度指标，要用材料由弹性状态转变为塑性状态时的综合强度指标，要用单位体积内的变形能衡量。即用能量（第四）强度理论判单位体积内的变形能衡量。即用能量（第四）强度理论判定。折算应力公式为：定。折算应力公式为： 2222223xzyzxyzxzyyxZy

10、xZS在平面状态下，与在平面状态下，与Z有关者均为零有关者均为零 ：在一般梁中：在一般梁中： 在纯剪时：在纯剪时： 2223xyyxyxZS223ZSyZSf33222212ZSxyyzzx3 复杂应力与应力集中（2）应力集中1 1）定义：由于构件形状或截面的突然变化及缺陷导致结构）定义：由于构件形状或截面的突然变化及缺陷导致结构局部应力大大超越其平均值的现象。局部应力大大超越其平均值的现象。2 2）不利影响：促成脆性断裂和疲劳破坏。）不利影响：促成脆性断裂和疲劳破坏。3 3）对策：）对策：钢材要有良好的塑性；钢材要有良好的塑性； 园滑而渐变的过渡构造设计；园滑而渐变的过渡构造设计； 减少轧制

11、、焊接的缺陷。减少轧制、焊接的缺陷。 4 钢材疲劳现象钢材的高周疲劳破坏机理 外部条件：连续反复荷载作用； 内部变化过程：材料内部裂纹缓慢扩展，最后迅速扩张、断裂； 破坏特征：应力低于屈服点，无明显变形，断口平直，突然断裂，属脆性破坏。4 钢材疲劳现象应力循环形式应力比应力幅应力比反复荷载作用下，钢材某点应力循环幅值中绝对值最小应力与绝对值最大应力之比(拉为正、压为负)称为应力比。应力幅反复荷载作用下，钢材某点最大拉应力与另一个幅值（拉为正压为负）之差为应力幅。4 钢材疲劳现象4 钢材疲劳现象1NC4 钢材疲劳现象iin应力幅 的作用次数 第 种应力幅 ii1iiNn应力幅 为常量时疲劳破坏的

12、循环次数 iNie等效应力1iiienn4 钢材疲劳现象4 钢材疲劳现象5 超屈服荷载作用（反复作用）（1）定义： 结构在较少次数的高强度（部分材料已进入屈服状态）反复荷载作用下因损伤累积而造成断裂称超屈服荷载累积损伤断裂或低周疲劳断裂（次数少于104）。 （2）原因： 外部原因：高强度较少次数的反复荷载作用； 内部原因：应力集中，材料的脆性，损伤的不可逆转性。 （3）防止对策： 对钢材和焊缝作无损探伤，防止内部缺陷； 合理设计构造细部，避免三向拉应力； 减小应力集中； 低温工作条件下用低温冲击韧性较好的材料； 防止施工附加件形成“人工裂缝”。 6 钢材的塑性破坏和脆性破坏 引起脆性破坏的原因

13、ufyf对比内容塑性破坏脆性破坏破坏应力破坏前变形明显不明显断口外形杯形平直断口色泽暗淡有光泽断口细部纤维状晶粒状破坏过程延续较长时间突然破坏机理剪应力超过晶粒抗剪能力拉应力超过晶粒抗拉能力危害性便于发现和补救，较轻大对策合理设计结构强度考虑疲劳和冲击作用，合理选择材料种类、构造形式、施工工艺7 钢材的品种与规格（1）品种（牌号）的表示 Q Q屈服强度 屈服强度数值，单位： 质量等级，分A、B、C、D、E五级，越后质量越好 脱氧方法，括号内代号表示： F沸腾钢； b半镇静钢； （Z）镇静钢；（ ）表示可以不写； （TZ）特殊镇静钢（D级以上只能是TZ级）如：Q235D 7 钢材的品种与规格（2

14、）常用品种 普通碳素钢 Q235AF,b,(z) (旧称旧称3号钢号钢) Q235BF,b,(z) 常温下常温下Ak要求要求 Q235C (z) 零度零度Ak要求要求 Q235D (TZ) -20度度Ak要求要求 低合金钢 Q345A, B, C, D, E：Ak 34J（E为为27J） Q390A, B, C, D, E Q420A, B, C, D, E 7 钢材的品种与规格（3）钢材质量保证规定力学性能力学性能 ： 屈服强度、抗拉强度、伸长率；屈服强度、抗拉强度、伸长率； 焊接承重结构和重要非焊接承重结构有冷弯试焊接承重结构和重要非焊接承重结构有冷弯试验的要求；验的要求； 有疲劳、低温工

15、作的钢结构需有冲击韧性要求。有疲劳、低温工作的钢结构需有冲击韧性要求。化学成分：化学成分： 低碳钢：碳、锰、硅、硫、磷；低碳钢：碳、锰、硅、硫、磷； 低合金钢：碳、锰、硅、硫、磷、钒、铌、钛低合金钢：碳、锰、硅、硫、磷、钒、铌、钛等。等。7 钢材的品种与规格（4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工字钢： 钢管： H型钢： 焊接工字钢: 8 钢材的选用原则 结构类型及重要性结构类型及重要性 荷载性质：静力、动力荷载性质：静力、动力 连接方法：焊接、非焊接连接方法：焊接、非焊接 工作温度：常温、低温工作温度：常温、低温 应力条件：拉、压应力条件：拉、压 思考？钢结构有哪些

16、优点？为什么？ 钢材性能有哪些？其中哪些为力学性能？选用钢材时有哪些性能要求？可能引起钢结构脆性破坏的因素？ 化学成分冶金缺陷（偏析、非金属夹杂）温度（热脆、低温冷脆）冷作硬化时效硬化应力集中同号三向主应力状态7 钢材的品种与规格（4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工字钢： 钢管： H型钢： 焊接工字钢:7 钢材的品种与规格（4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工字钢： 钢管： H型钢： 焊接工字钢:7 钢材的品种与规格（4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工字钢： 钢管： H型钢： 焊接工字钢:7 钢材的品种与规格（4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工字钢： 钢管： H型钢： 焊接工字钢:7 钢材的品种与规格（4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工字钢： 钢管： H型钢： 焊接工字钢:7 钢材的品种与规格（4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工字钢： 钢管： H型钢： 焊接工字钢:7 钢材的品种与规格（4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工字钢： 钢管： H型钢： 焊接工字钢:7 钢材的品种与规格（4）规格 钢板 ： 圆钢： 等边角钢： 不等边角钢： 槽钢： 工