钢结构设计原理第二章钢结构的材料 学习培训模板课件

1、哈尔滨工业大学（威海） 第2章 钢结构的材料 钢结构设计原理第二章 钢结构材料 本章主要掌握钢材的生产工艺、主要性能、疲劳特性等。 概述 钢材的生产 钢材的主要性能 各种因素对钢材性能的影响 钢材的疲劳建筑用钢的种类、规格和选用2.1 概述建筑用钢：碳素结构钢、低合金高强度钢钢材应具有较高的强度、塑性和韧性，及良好的加工性能影响钢材性能的因素包括：内在因素：化学成分、组织构造、冶炼和成型方法外在因素：荷载类型、结构形式、连接方法和工作环境等第二章 钢结构材料2.2 钢材的生产2.2.1 钢材的冶炼 炼铁、炼钢、钢材的浇注和脱氧2.2.2 钢材的组织构造和缺陷2.2.3 钢材的加工 热加工、冷加

2、工、热处理第二章 钢结构材料2.2.1 钢材的冶炼铁矿石（氧化铁） 生铁（含碳量2.06%以上）高温 co、c石灰石 砂质和粘土等 熔渣高温炼铁生铁：坚硬、脆、熔点低，常用于铸铁2.2.1 钢材的冶炼炼钢生铁碳、杂质氧化作用钢（含碳0.45时，淬硬倾向更加明显，需严格控制工艺。2.4.2 钢材的焊接性能2.4.3钢材的硬化时效硬化氮和碳随时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用，使钢材的强度提高，塑性和韧性下降称为时效硬化（也称老化） 时效硬化的时间较长，但振动荷载、反复荷载及温度变化等情况下，会加速发展。2）冷作硬化（或应变硬化） 冷加工使钢材产生较大的

3、塑性变形，卸荷后再重新加载，钢材屈服点提高，塑性和韧性降低的现象。 3）冷作时效(应变时效)硬化 在钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶氮和碳将更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。2.4.3钢材的硬化在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。 应力集中现象2.4.4应力集中的影响不同槽口试件静力拉伸试验的应力应变曲线 应力集中对-曲线关系的影响 截面槽口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。

4、1020300.425100%(N/mm2)10测距100101006007005004003002001002.4.4应力集中的影响加载速度的影响冲击荷载作用时，加载速度很高，钢材的塑性滑移在加载瞬间跟不上应变速率，反映出屈服点提高的倾向室温环境下：(20左右)钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率的增加而提高，同时还能保持良好的塑性变形能力温度较低时：应变速率对钢材性能的影响要大得多2.4.5荷载类型的影响2.4 各种因素对钢材的影响循环荷载的影响疲劳：钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏。 高周疲劳的断裂寿命较长，应力水平较低fy ，断裂前的循环次数多

5、n5104，通常的疲劳都属于这一种。 低周疲劳的断裂寿命较短，断裂应力水平较高fy，破坏前的循环次数少n=1025104。 2.4.5荷载类型的影响2.4.6温度的影响正温范围：（1）温度在150以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于150的场合。（2）温度在250左右的区间内出现蓝脆现象，fu 有局部性提高，同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。（3）当温度达到600时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。2.4 各种因素对钢材的影响钢材的隔热、防火措施:根据防火等级，喷涂不同厚度的防火涂料当结构可能受到炽热熔化金属的侵害时，应采用砖或耐热材料做成的隔热层加以保护当结构表面

6、长期受辐射热达150以上或在短时间内可能受到火焰作用时，应采取有效的防护措施（如隔热层或水套等）2.4.6温度的影响2.4 各种因素对钢材的影响冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏两种破坏均有塑性破坏转变温度区冲击断裂功试验温度T1T0T2（1）冲击功曲线的反弯点T0称为转变温度。界限温度T1和T2分别为脆性转变温度和全塑性转变温度。（2）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间T1 T2内完成的，此温度区间称为钢材的脆性转变温度区。2.4.6温度的影响负温范围： 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，称钢材的低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。 冲击韧性和温度关系

7、示意图脆性破坏两种破坏均有塑性破坏转变温度区冲击断裂功试验温度T1T0T2（3）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。（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。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T1,接近T0。2.4.6温度的影响2.4.7 防止脆性断裂的方法外因 钢材在构造和加工工程中引起的应力集中、低温影响、动力荷 载的作用、冷作硬化和应变时效硬化等 内因 钢材的化学成分、组织构造和缺陷等(1）合理的选用钢材; (2）对于低温工作和受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆

8、性转变温度低于结构的工作温度;(3) 尽量使用较薄的型钢和板材，使其具有良好的冲击韧性;(4）设计时结构的构造要合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、连续的传递应力，从而减小构件的应力集中。影响钢材出现脆性破坏的因素合 理 设 计2.4 各种因素对钢材的影响正 确 制 造(1) 严格按照设计要求进行制作，不得随意进行钢材代换，不得随意将螺栓连接该为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度。(2) 为了避免冷作硬化现象的发生，应采用钻孔或冲孔后再扩钻的方法，以及对剪切边进行刨边。(3) 为了减少焊接残余应力导致的应力集中，应该制定合理的焊接工艺和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处理方法

9、消除主要构件中的焊接残余应力。(4) 焊接中不得在构件上任意打火起弧，影响焊接的质量，应按照规范的要求进行。 2.4.7 防止脆性断裂的方法合 理 使 用(1) 不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构。(2) 原设计在室温工作的结构，在冬季停产时要注意保暖。(3) 不要在主要结构上任意焊接或附加零件悬挂物。(4) 避免因生产和运输不当对结构造成的撞击或机械损伤。(5) 平时对结构应注意检察和维护。 2.4.7 防止脆性断裂的方法疲劳破坏的特征定义：钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏。破坏过程：裂纹形成-裂纹扩展-最后迅速断裂而破坏破坏特点：（1

10、）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破坏。（3）疲劳对缺陷十分敏感。 （2）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放射和年轮状花纹。2.5 钢材的疲劳第二章 钢结构材料疲劳的种类常幅疲劳：常幅交变荷载；引起常幅循环应力，简称循环应力；转动的机械零件可能发生常幅疲劳破坏。变幅疲劳：吊车梁、吊车桥、钢桥等可能发生变幅疲劳破坏。 2.5.1 疲劳(高周疲劳)破坏的特征2.5 钢材的疲劳疲劳破坏特征突然性 破坏前没有塑性变形，属于脆性断裂长期性 长期累积损伤，包括裂纹萌生、缓慢扩展和断裂 三

11、个阶段低应力 名义循环应力（远）低于屈服点缺陷敏感性 对包括缺口、裂纹及组织缺陷等十分敏感裂纹源、裂纹扩展区和断裂区图示2.5.1 疲劳(高周疲劳)破坏的特征 应力比（） 循环应力中绝对值最小的峰值应力smin与绝对值最大的峰值应力smax之比。r= smin /smax(拉应力取正号而压应力取负号) 应力幅（Ds） Ds=smax-smin，此处smax为最大拉应力，取正值，smin为最小拉应力或压应力。（拉应力取正号而压应力取负号） 应力循环次数（n，疲劳寿命） 结构或构件破坏时所经历的应力变化次数，常幅时为5104以上时需要考虑疲劳2.5 钢材的疲劳2.5.2 常幅疲劳的计算常幅疲劳当应

12、力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。 1.非焊接结构的疲劳大量试验研究表明，疲劳强度除于主体金属和连接类型有关外，还与循环应力比r和循环次数n有关。当以n=2106为疲劳寿命时，我国钢结构设计规范给出了验算以拉应力为主的疲劳计算公式 （2.5.1）（2.5.2）2.5.2 常幅疲劳的计算2. 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构件和连接的类型、应力幅Ds以及循环次数n，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fy ，该处是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。 fy+- -(a)(b)2.5.2 常幅疲劳的计算最大：最小：真实应力比：焊

13、缝附近真实应力比的大小取决于应力幅Ds的大小2.5.2 常幅疲劳的计算0NX105n1n2fy123456SS0.b11双对数坐标系中成直线关系，便于使用。曲线系试验回归方程，反映了平均值之间的关系。考虑到试验数据的离散性，取平均值减去2倍的标准差（2s）作为疲劳强度的下限值，如图虚线所示。(保证率97.7)称该虚线上的应力幅为对应某疲劳寿命的容许应力幅1。2.5.2 常幅疲劳的计算设计时使实际应力幅小于容许应力幅即可：。容许应力幅将图中的虚线延长与横坐标交于点lgC，设该线对纵坐标的斜率为-1/则对应疲劳寿命n的容许应力幅可由两个相似三角形的关系求出： 注意：不同类型的构件和连接，疲劳寿命与

14、允许应力幅的关系是不同的，即C和是不同的。 要由试验确定2.5.2 常幅疲劳的计算SS0.b11试验参数C、的确定为设计方便，按连接方式和受力特点，将构件和连接归纳划分为8类。 (附录7)2.5.2 常幅疲劳的计算常幅疲劳的校核准则详细归纳由于疲劳问题的复杂性，目前尚没有条件采用以概率理论为基础的极限状态设计法，仍然采用容许应力设计法。进行内力计算时，应采用荷载标准值。由于确定容许应力幅的试验中自动包括了动力作用，故内力计算中也不再乘以动力系数。 常幅疲劳的统一校核准则为 ： 对焊接部位为应力幅，=max-min；对非焊接部位为折算应力幅，=max-0.7min；max最大拉应力（取正）；mi

15、n最小拉应力或压应力（拉取正，压取负）； 常幅疲劳的容许应力幅，单位为N/mm2。2.5.2 常幅疲劳的计算变幅疲劳的计算原理2.5.3 变幅疲劳的计算基本思想：根据Miner线性累积损伤准则，将变幅应力幅折算为常幅等效应力幅e，然后按常幅疲劳进行校核。 设某个构件或连接的设计应力谱由若干个不同应力幅水平i的常幅循环应力组成，每个应力幅水平i所对应的循环次数为ni，相对的疲劳寿命为Ni，Miner的线性累积损伤准则为 ：2.5 钢材的疲劳2.5.3 变幅疲劳的计算使用常幅疲劳公式，得第i个应力幅水平下的疲劳寿命：则由：可得：设想另有一等效常幅疲劳应力幅e，循环ni次后，也使该部件产生疲劳破坏，

16、则有： 于是：2.5.3 变幅疲劳的计算则等效应力幅： ni预期寿命内应力幅水平为i的应力循环次数。 2.5.3 变幅疲劳的计算水库计数法 疲劳计算采用容许应力幅法，按弹性状态计算应力进行计算。计算只适用于无高温（t150）、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n5104)。常幅疲劳的计算公式（2.5.7）标准荷载下的设计应力幅；对于焊接部位的设计应力幅: = max- min ； 对于非焊接部位的折算应力幅：= max- 0.7min max每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值） min每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应力取正值，压应力取负值）；常幅疲

17、劳的容许应力幅2.5 钢材的疲劳（b) 计算 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为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅e按下式进行疲劳计算：ni 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； ni 预期寿命内应力幅水平达到i的应力循环次数2.5 钢材的疲劳 （a）检算公式e等效常幅疲劳应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。 情形一能够测得使用期内应力变幅规律 情形二不能测得使用期内应力变幅规律 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，应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果没有对实际应力幅

18、的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，按常幅疲劳进行计算。 计算公式（2.5.15） 欠载效应的等效系数循环次数为n=2106次的容许应力幅。2.5 钢材的疲劳1.00.80.5重级工作制硬钩吊车 重级工作制软钩吊车梁中级工作制吊车 f吊车梁类别表2-2 吊车梁或吊车桁架欠载效应系数59697890103118144176N/mm2n=210687654321连接形式类别表2-3 n=2106的容许应力幅值2.5 钢材的疲劳疲劳破坏中一些值得注意的问题（1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，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，目前还没有较好试验或数

19、值方法对其进行以概率论为基础的研究。（2）对于只有压应力的应力循环作用，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。（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度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。（4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施（）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；（）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；（）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。2.5 钢材的疲劳2.6.1 建筑用钢的种类（1）碳素结构钢（GB/T 700-1988）a）碳素结构钢的表达方式由（屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号）四个部分组成。b)质量等级符

20、号是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同化分为A、B、C、D共4个质量等级。c)脱氧方法符号也有四种，其中F代表沸腾钢，b代表半镇静钢，Z代表镇静钢，TZ代表特种镇静钢，在具体标注时Z和TZ可以省略。d）钢结构设计规范将Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范GB/T700的要求。2.6建筑用钢种类、规格和选用第二章 钢结构材料（2）低合金高强度结构钢(GB/T 1591-1994)a)含碳量均不大于0.20，强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，但合金元素的总量低于5。b)牌号为Q345，Q390,Q420的钢材都有较高的强度和

21、较好的塑性、韧性和焊接性能，被规范选为承重结构用钢。c)低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似，只是质量等级分为A、B、C、D、E五等，低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢，故可不加脱氧方法的符号。d)钢材的化学成分和拉伸、冲击、冷弯试验结果应满足规范GB/T1591要求。2.6.1 建筑用钢种类（3）优质碳素结构钢(GB/T 699-1988)a)磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035，对于其他缺陷的限制也较严格。b)主要用作制造冷拔高强钢丝、高强螺栓以及自攻螺钉等。2.6.1 建筑用钢的种类2.6.2 钢材的规格钢结构所用的钢材主要有热轧成型的钢板和型钢，以及冷加

22、工成型的冷扎薄钢板和冷弯薄壁型钢。 （1）热轧钢板a) 分为厚钢板、薄钢板和扁钢。b) 表示方法：在符号“-”后加“宽度厚度长度” c) 供应规格 （单位：mm） 厚度 宽度 长度 厚钢板4.5-60600-30004000-12000薄钢板0.35-4500-1500500-4000扁钢4-6012-2003000-90002.6建筑用钢种类、规格和选用（2）热轧型钢常用的热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢、钢管等。 a) 角钢1) 分为等边和不等边两种。2）表示方法为在符号“”后加“长边宽短边宽厚度”（对不等边角钢），或加“边长厚度”（对等边角钢）。3）我国生产的角钢最大边长为200mm，角钢的

23、供应长度一般为4-19m。肢宽度肢厚度 等边角钢长肢宽度短肢宽度肢厚度 不等边角钢2.6.2 钢材的规格b)工字钢1) 分为普通工字钢、轻型工字钢和H型工字钢三种。3) H型钢的基本类型分为宽翼缘（HW），中翼缘（HM）和窄翼缘（HN）三类，表示方法为在代号后加“高度宽度腹板厚度翼缘厚度” 。2）普通工字钢的型号用符号“工”后面加截面高度的厘米数表示，20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为a、b或a、b、c等类别，轻型工字钢的表示方法同普通工字钢。4）普通工字钢的型号为10-63号，轻型工字钢的型号为10-70号，供应长度为5-19m。2.6.2 钢材的规格c) 槽钢 1) 分为普通槽钢

24、和轻型槽钢两种 。2）表示方法和工字钢相似 。3）国内生产的最大型号为40c。 供应长度为5-19m。tDd)钢管 1) 分为无缝钢管和焊接钢管两种 。2）型号可用代号“D”后加“外径壁厚”表示。 3）国产热轧无缝钢管的最大外径可达630mm， 供应长度为3-12m。 2.6.2 钢材的规格（3）冷弯薄壁型钢和压型钢板冷弯薄壁型钢（壁厚1.5-6mm）和压型钢板（壁厚0.4-1.6mm），截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度，达到节约钢材的目的。在国内外轻钢建筑结构中被广泛应用。2.6.2 钢材的规格2.6.3 钢材的选择 （1）选择钢材的原则 安全可靠，经济合理为了保证

25、承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在选择钢材时应具体考虑以下因素：结构或构件的重要性、荷载特征、连接方式、工作环境、结构的应力状态、钢材的厚度。 2.6.2 钢材的规格a）结构或构件的重要性 对于重要的结构或构件（框架的横梁，桁架，屋面楼面的大梁等）应采用质量较高的钢材。b)荷载特征 静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材；动力荷载作用下应选择综合性能较好的钢材。c)连接方式 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。d)工作环境 处于低温下工作的结构，应选择抗脆性破坏能力强的钢材，防止钢材的冷脆硬化导致的脆性破坏。e)结构的应力状态

26、当选用的型材或板材的厚度较大时，应该采用质量较高的钢材，以防止钢材中较大的残余拉应力和缺陷等与外力共同作用形成三向拉力，引起材料的脆性破坏。f)钢材的厚度 钢材越厚其强度越低，选用厚度较大时应采用质量较高的钢材。 2.6.3 钢材的选择 表2.6.8 国内外钢材牌号对应关系中国美国日本欧盟英国俄罗斯澳大利亚Q235A36SS400 SM400 SN400Fe36040C235250 C250Q345A242 A441 A572-50 A588SM490 SN490Fe510 FeE35550B、C、DC345350C350Q39050FC390400Hd400Q420A572-60SA440B

27、 SA440CC4402.6.3 钢材的选择 6.4 钢材选择的建议1）承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢GB/T700和低合金高强度结构钢GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，应符合相应有关标准的规定和要求。 2）承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。 3）对于需要验算疲劳的焊接结构和非焊接结构，应具有冲击韧性的合格保证。（表2.6.6） 2.6.3 钢材的选择 4）重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。 5) 当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用 Z 向钢时，其材质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板GB/T5313的规定。 6) 对于