钢结构的材料

关于钢结构的材料第一页，共九十六页，2022年，8月28日2．1钢结构对材料的要求(1)为什么要求较高的抗拉强度fu和屈服点fy：

fy是衡量结构承载能力的指标，fy高则可减轻结构自重，节约钢材和降低造价。fu是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣，同时fu高可以增加结构的安全保障。

(2)为什么要求较高的塑性和韧性

塑性和韧性好，结构在静载和动载作用下有足够的应变能力，既可减轻结构脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调整局部应力，同时又具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。

第二页，共九十六页，2022年，8月28日2．1钢结构对材料的要求(3)为什么要有良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和可焊性能)？工艺性能指什么？

良好的工艺性能不但要易于加工成各种形式的结构，而且不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等造成较大的不利影响。（4）为什么要有较好的环境适应能力？环境适应能力指什么？根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。第三页，共九十六页，2022年，8月28日钢结构设计规范具体规定钢结构设计规范对钢材的基本要求是什么？承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。第四页，共九十六页，2022年，8月28日2．2钢材的破坏形式

钢结构破坏型式：什么是塑性破坏和脆性破坏？塑性破坏是由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度后才发生。破坏前构件产生较大的塑性变形，断裂后的断口呈纤维状，色泽发暗。在塑性破坏前，由于总有较大的塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时发现而采限措施予以补救，不致引起严重后果。另外，塑性变形后出现内力重分布，使结构中原先受力不等的部分应力趋于均匀，因而提高结构的承载能力。第五页，共九十六页，2022年，8月28日2．2钢材的破坏形式脆性破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点，断裂从应力集中处开始。冶金和机械加工过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，常是断裂的发源地。破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶粒状。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察和采取补救措施，而且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁，危及人民生命财产的安全，后果严重，损失较大。在设计、施工和使用钢结构时，要特别注意防止出现脆性破坏。第六页，共九十六页，2022年，8月28日2．3钢材的主要性能

2．3．1受拉、受压及受剪时的性能2．3．2冷弯性能2．3．3冲击韧性第七页，共九十六页，2022年，8月28日2．3．1受拉、受压及受剪时的性能

钢材标准试件在常温静载情况下，单向均匀受拉试验时的荷载-变形(F-ΔL)曲线或应力σ-应变ε曲线，如图2.1。2．3．1．1强度性能弹性阶段（OP段直线），弹性模量E=tanα

P点应力fP称为比例极限。非线性弹性阶段(PE段曲线)，切线模量Et=dσ/dε

。此段上限E点的应力fe称为弹性极限。弹性极限和比例极限相距很近，实际上很难区分在ES段，故通常只提比例极限。弹塑性阶段（在ES曲线）这时表现为非弹性加塑性性质，即卸荷曲线成为与OP平行的直线(图2.1中的虚线)，留下永久性的残余变形。此段上限S点的应力fy称为屈服点。第八页，共九十六页，2022年，8月28日2．3．1受拉、受压及受剪时的性能

2．3．1．1强度性能S点的应力fy称为屈服点。塑性流动阶段（屈服台阶SC段）该阶段应力保持不变的情况下，应变继续增加。强化阶段（CB段）超过屈服台阶，材料出现应变硬化，曲线上升，直至曲线最高处的B点，这点的应力fu称为抗拉强度或极限强度。破坏阶段(BD段)当应力达到B点时，试件发生颈缩现象，至D点而断裂。当以屈服点的应力fy作为强度限值时，抗拉强度fu成为材料的强度储备。第九页，共九十六页，2022年，8月28日2．3．1受拉、受压及受剪时的性能为什么采用钢材理想弹塑性计算模型？2,计算模型：可假定屈服点以前钢材为完全弹性的，屈服点以后则为完全塑性的，这样就可把钢材视为理想的弹-塑性体，其应力-应变曲线表现为双直线，如图2.2所示。原因如下：1)对于没有缺陷和残余应力影响的试件，比例极限和屈服点比较接近，且屈服点前的应变很小(对低碳钢约为0.15%)。2)通常当应力达到屈服点后，将使结构产生很大的在使用上不容许的残余变形(此时对低碳钢=2.5%);3)距fu因还有一定距离，即足够的安全储备，在设计时屈服点为钢材可以达到的最大应力。第十页，共九十六页，2022年，8月28日2．3．1受拉、受压及受剪时的性能

什么是条件屈服点3高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶。这类钢的屈服条件是根据试验分析结果而人为规定的，故称为条件屈服点(或屈服强度)。条件屈服点是以卸荷后试件中残余应变为0.2%所对应的应力定义的(有时用表示)，见图2.3。第十一页，共九十六页，2022年，8月28日2．3．1受拉、受压及受剪时的性能

2．3．1．2塑性性能试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，称为伸长率。当试件标距长度与试件直径d(圆形试件)之比为10时，以δ10表示；当该比值为5时，以δ5表示。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。第十二页，共九十六页，2022年，8月28日

2．3．1．3钢材物理性能指标钢材在单向受压(粗而短的试件)时，受力性能基本上和单向受拉时相同。受剪的情况也相似，但屈服点τy及抗剪强度τu均较受拉时为低；剪变模量G也低于弹性模量E。钢材和钢铸件的弹性模量E、剪变模量G、线性膨胀系数和质量密度ρ见表2.1弹性模量E(N/mm2)剪变模量G(N/mm2)线膨胀系数α(以每℃计)质量密度ρ(kg/m3)206×10379×10312×10-678502．3．1受拉、受压及受剪时的性能

第十三页，共九十六页，2022年，8月28日2．3．2冷弯性能冷弯性能试验由冷弯试验来确定(图2.4)。试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头加压，使试件弯成180°，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。因此，冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。第十四页，共九十六页，2022年，8月28日2．3．3冲击韧性

冲击韧性试验材料的冲击韧性数值随试件缺口形式和使用试验机不同而异。1988年6月29日国家标准局发布了新的国家标准《碳素结构钢》(GB700—88)，规定采用夏比(Charpy)V形缺口试件[图2.5(a)]在夏比试验机上进行，所得结果以试件断开所消耗的功Cv表示，单位为J.，第十五页，共九十六页，2022年，8月28日2．3．3冲击韧性韧性和脆性：韧性：钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量表示。韧性愈低，钢材的脆性愈大。韧性和温度温度降低，钢材韧性急剧下降，固在寒冷地区建造的结构不但要求钢材具有常温(20℃)冲击韧性指标，还要求具有负温(0℃、-20℃或-40℃)冲击韧性指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。第十六页，共九十六页，2022年，8月28日2．4各种因素对钢材主要性能的影响

2．4．1化学成分

2．4．2冶金缺陷2．4．3钢材硬化2．4．4温度影响2．4．5应力集中2．4．6反复荷载作用第十七页，共九十六页，2022年，8月28日2．4．1化学成分

碳素钢=铁+炭+其它杂质元素合金钢=铁+炭+其它杂质元素+合金元素化学元素含量：碳素钢：铁(Fe)，纯铁质软，在碳素结构钢中约占99%；碳和其他元素仅占1%，但对钢材的力学性能却有决定性的影响。杂质元素包括硅(Si)、锰(Mn)、硫(S)、磷(P)、氮(N)、氧(O)等。合金钢：碳素钢中加≤5%的合金元素如铜(Cu)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、铬(Cr)等。第十八页，共九十六页，2022年，8月28日碳对钢材性能的影响在碳素结构钢中，碳是仅次于纯铁的主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳含量增加，钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下降，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性。因此，尽管碳是使钢材获得足够强度的主要元素，但在钢结构中采用的碳素结构钢，对含碳量要加以限制，一般不应超过0.22%，在焊接结构中还应低于0.20%。第十九页，共九十六页，2022年，8月28日硫和磷对钢材性能的影响硫和磷(其中特别是硫)是钢中的有害成分，它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。在高温时，硫使钢变脆，谓之热脆；在低温时，磷使钢变脆，谓之冷脆。一般硫的含量应不超过0.045%，硫的含量不超过0.045%。但是，磷可提高钢材的强度和抗锈性。可使用的高磷钢，其含量可达0.12%，这时应减少钢材中的含碳量，以保证一定的塑性和韧性。第二十页，共九十六页，2022年，8月28日氧和氮对钢材性能的影响氧和氮都是钢中的有害杂质。氧的作用和硫类似，使钢热脆；氮的作用和磷类似，使钢冷脆。由于氧、氮容易在熔炼过程中逸出，一般不会超过极限含量，故通常不要求作含量分析。第二十一页，共九十六页，2022年，8月28日硅和锰对钢材性能的影响硅和锰是钢中的有益元素，它们都是炼钢的脱氧剂。它们使钢材的强度提高，含量不过高时，对塑性和韧性无显著的不良影响。在碳素结构钢中，硅的含量应不大于0.3%，锰的含量为0.3%~0.8%。对于低合金高强度结构钢，锰的含量可达1.0%~1.6%，硅的含量可达0.55%。第二十二页，共九十六页，2022年，8月28日钒钛和铜对钢材性能的影响钒和钛是钢中的合金元素，能提高钢的强度和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。铜在碳素结构钢中属于杂质成分。它可以显著地提高钢的抗腐蚀性能，也可以提高钢的强度，但对可焊性有不利影响。第二十三页，共九十六页，2022年，8月28日化学元素对钢材性能影响的总结见下表第二十四页，共九十六页，2022年，8月28日2．4．2冶金缺陷

常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。偏析是钢中化学成分不一致和不均匀性，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的性能。非金属夹杂是钢中含有硫化物与氧化物等杂质，气孔是浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分逸出而形成的。这些缺陷都将影响钢材的力学性能。浇注时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，会严重降低钢材的冷弯性能。冶金缺陷对钢材性能的影响，不仅在结构构件受力工作时表现出来，有时在加工制作过程中也表现出来。第二十五页，共九十六页，2022年，8月28日2．4．3钢材硬化

冷加工的影响：冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化(或应变硬化)。在高温时熔化于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性下降。这种现象称为时效硬化，俗称老化。时效硬化的过程一般很长，但如在材料塑性变形后加热，可使时效硬化发展特别迅速。这种方法谓之人工时效。第二十六页，共九十六页，2022年，8月28日2．4．3钢材硬化

应变时效，应变硬化(冷作硬化)后又加时效硬化。在一般钢结构中，不利用硬化所提高的强度，有些重要结构要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。另外，应将局部硬化部分用刨边或扩钻予以清除。第二十七页，共九十六页，2022年，8月28日2．4．4温度影响钢材性能随温度变动而有所变化。总的趋势是：温度升高，钢材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆(图2.6)。第二十八页，共九十六页，2022年，8月28日2．4．4温度影响

高温影响：温度升高，约在200℃以内钢材性能没有很大变化，430℃~540℃之间强度急剧下降，600℃时强度很低，不能承担荷载。但在250℃左右，钢材的强度反而略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色，称为蓝脆现象。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度在260℃~320℃时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变现象。第二十九页，共九十六页，2022年，8月28日2．4．4温度影响

低温影响当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。11第三十页，共九十六页，2022年，8月28日2．4．4温度影响

低温影响图2.7是钢材冲击韧性与温度的关系曲线。由图可见，随着温度的降低Cv值迅速下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏，同时可见这一转变是在一个温度区间T1T2内完成的，此温度区T1T2称为钢材的脆性转变温度区，在此区内曲线的反弯点(最陡点)所对应的温度T0称为转变温度。如果把低于T0完全脆性破坏的最高温度T1作为钢材的脆断设计温度即可保证钢结构低温工作的安全。11第三十一页，共九十六页，2022年，8月28日2．4．5应力集中成因：在钢结构的构件中有时存在着孔洞、槽口、凹角、截面突然改变以及钢材内部缺陷等。此时，构件中的应力分布将不再保持均匀，而是在某些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成所谓应力集中现象(图2.8)。第三十二页，共九十六页，2022年，8月28日2．4．5应力集中应力集中系数高峰区的最大应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数。应力集中系数愈大，变脆的倾向亦愈严重。应力集中使钢材变脆：研究表明，在应力高峰区域总是存在着同号的双向或三向应力，这是因为由高峰拉应力引起的截面横向收缩受到附近低应力区的阻碍而引起垂直于内力方向的拉应力，在较厚的构件里还产生三向应力状态，使材料处于复杂受力状态，由能量强度理论得知，这种同号的平面或立体应力场有使钢材变脆的趋势。第三十三页，共九十六页，2022年，8月28日2．4．5应力集中应力集中处理但由于建筑钢材塑性较好，在一定程度上能促使应力进行重分配，使应力分布严重不均的现象趋于平缓。故受静荷载作用的构件在常温下工作时，在计算中可不考虑应力集中的影响。但在负温下或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破坏的根源，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。第三十四页，共九十六页，2022年，8月28日2．4．6反复荷载作用

钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。在直接的连续反复的动力荷载作用下，根据试验，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极限强度，这种现象称为钢的疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。关于钢材的疲劳性能，本章第6节还要较详细叙述。第三十五页，共九十六页，2022年，8月28日掌握影响钢材性能因素，防止脆性破坏本节介绍了各种因素对建筑钢材基本性能的影响，研究和分析这些影响的最终目的是了解建筑钢材在什么条件下可能发生脆性破坏，从而可以采取措施予以防止。钢材的脆性破坏往往是多种因素影响的结果，例如当温度降低，荷载速度增大，使用应力较高，特别是这些因素同时存在时，材料或构件就有可能发生脆性断裂。为了防止脆性破坏的发生，一般需要在设计、制造及使用中注意下列各点：第三十六页，共九十六页，2022年，8月28日掌握影响钢材性能因素，防止脆性破坏(1)合理的设计

构造应力求合理，使能均匀、连续地传递应力，避免构件截面剧烈变化。对于焊接结构，可参考第3章有关焊接连接的内容。低温下工作，受动力作用的钢结构应选择合适的钢材，使所有钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度，例如分别选用Q235-C(或D)、Q345-C(或D)钢等，并尽量使用较薄的材料。第三十七页，共九十六页，2022年，8月28日钢材性能及影响因素总结(2)正确的制造

应严格遵守设计对制造所提出的技术要求，例如尽量避免使用材料出现硬化，因剪切、冲孔而造成的局部硬化区，要通过扩钻或刨边来除掉；要正确地选择焊接工艺，保证焊接质量，不在构件上任意起弧、打火和锤击，必要时可用热处理和方法消除重要构件中的焊接残余应力，重要部位的焊接，要由经过考试挑选的有经验的焊工操作。第三十八页，共九十六页，2022年，8月28日钢材性能及影响因素总结(3)正确的使用例如，不在主要结构上任意焊接附加的零件，不任意悬挂重物，不任意超负荷使用结构；要注意检查维护，及时油漆防锈，避免任何撞击和机械损伤；原设计在室温工作的结构，在冬季停产检修时要注意保暖等。对设计工作者来说，不仅要注意适当选择材料和正确处理细部构造设计，对制造工艺的影响也不能忽视。对使用也应提出在使用期中应注意的主要问题。第三十九页，共九十六页，2022年，8月28日2．5复杂应力作用下钢材的屈服条件

在单向拉力试验中，单向应力达到屈服点时，钢材即进入塑性状态。在复杂应力如平面或立体应力(图2.9)作用下，钢材由弹性状态转入塑性状态的条件是什么？

第四十页，共九十六页，2022年，8月28日2．5复杂应力作用下钢材的屈服条件按能量强度理论(或第四强度理论)计算的折算应力σred

与单向应力下的屈服点相比较来判断：

σred=

第四十一页，共九十六页，2022年，8月28日2．5复杂应力作用下钢材的屈服条件当σred

＜fy时，为弹性状态；σred≥fy时为塑料性状态。如三向应力有一向应力很小(如厚度较小，厚度方向的应力可忽略不计)或为零时，则属于平面应力状态，式(2.1)成为σred=(2.2)在一般的梁中，只存在正应力和剪应力，则σred=

(2.3)第四十二页，共九十六页，2022年，8月28日2．5复杂应力作用下钢材的屈服条件当只有剪应力时，则σred=由此得

=0.58fy(2.4)因此，钢结构设计规范确定钢材抗剪设计强度为抗拉设计强度的0.58倍。当平面或立体应力均为拉应力时，材料破坏时没有明显的塑性变形产生，即材料处于脆性状态。第四十三页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

基本概念：疲劳断裂是微观裂纹在连接重复荷载作用下不断扩展直到断裂的脆性破坏。在反复应力作用下，首先在应力高峰（内部有缺陷）处出现微观裂纹，在反复荷载的继续作用下，裂纹不断开展，其有效截面面积相应减小，应力集中现象越来越严重，使裂纹继续开展，然后逐渐形成宏观裂缝；同时，由于出现双向或三向拉应力场，材料的塑性变形受到限制。最后，当反复循环荷载达到一定的循环次数时，裂缝的开展使截面削弱过多经受不住外力的作用，导致发生脆性断裂，即钢材的疲劳破坏。第四十四页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

基本概念：破坏特征：钢材疲劳破坏后的截面缺口，一般具有光滑的和粗糙的两个区域，光滑部分表现裂缝的扩张和闭合过程是由裂缝逐渐发展引起的，说明疲劳破坏也经历一个缓慢的转变过程，而粗糙部分表明钢材最终断裂一瞬间的脆性破坏性质和拉伸试验的断口颇为相似，破坏是突然的，几乎以2000m/s的速度断裂，因而比较危险。应力循环次数N：反复荷载作用下，应力从最大到最小所循环的次数第四十五页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

基本概念：疲劳强度：钢材抵抗疲劳破坏的能力。取决于应力变化的程度，应力集中(或缺陷效应)和应力循环次数。可见：截面几何形状突然改变处的应力集中；在缺陷处形成的双向或三向同号拉应力场，残余应力等都是影响疲劳强度的重要因素。用什么物理指标来衡量钢材的疲劳强度？第四十六页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．1常幅疲劳应力循环特征用应力比ρ来表示，其含义为绝对值最小与最大应力之比(拉应力取正值，压应力取负值图2.10(a)的ρ=-1，称为完全对称循环；图2.10(b)的ρ=0，称为脉冲循环；第四十七页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．1常幅疲劳应力循环特征图2.10(c)、(d)的ρ在0与-1之间，称为不完全对称循环，但图2.10(c)为以拉应力为主，而图2.10(d)则以压应力为主。第四十八页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．1常幅疲劳应力幅：应力幅Δσ为应力谱(如图2.10中的实线所示)中最大应力与最小应力之差，即

Δσ=σmax-σminσmax——每次应力循环中的最大拉应力(取正值)，

σmin——为每次应力循环的最小拉应力(取正值)或压应力(取负值)。第四十九页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．1常幅疲劳常幅疲劳：如果重复作用的荷载效用随时间发生周期性变化，则在所有应力循环内应力幅保持常量的疲劳，称为常幅疲劳。第五十页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．1常幅疲劳疲劳破坏：在一定动荷载（Δσ，ρ)作用下，经过n次循环作用，材料发生的脆性断裂破坏。

钢结构的疲劳破坏属高周低应变疲劳，即破坏前总应变很小，荷载循环次数N很大。为此设计规范经研究后规定，当循环次数N≥105，应进行疲劳计算。通常用应力幅的概念来进行计算Δσ≤[Δσ]第五十一页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．1常幅疲劳如何确定[Δσ]？（通过试验确定）对轧制钢材或非焊接结构根据研究表明：在循环次数N一定的情况下，可根据试验资料绘出N次循环的疲劳图，即σmax和σmin的关系曲线。该曲线的曲率不大，可近似用直线来代替，所以只要求得两个试验点便可决定疲劳图。

第五十二页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

图2.11为n=2×106次的试验疲劳图,当ρ=0和ρ=-1时对应的疲劳状态为B(-σ-1，σ-1)和C(0，σ0)两点，通过B、C两点得直线ABCD，该线上每一点都对应着一个疲劳破坏状态（n=2×106

，ρ，Δσ=σmax-σmin）第五十三页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳D点的水平线代表钢材的屈服强度，即使σmax不超过fy,当坐标为σmax和σmin的点落在直线ABCD上或其上方时，当应力循环达到N次时，也将发生疲劳破坏。线段BCD以受拉力为主，线段AB以受压为主。第五十四页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．1常幅疲劳ABCD直线的方程为：σmax—kσmin=σ0或σmax(1—kρ)=σ0(2.5)式中，k=(σ0—σ-1)/σ-1，为直线ABCD的斜率

第五十五页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．1常幅疲劳显然对于任意点（非焊接结构）：当σmax—kσmin>σ0时，则该点对应的状态进入疲劳破坏状态，所以疲劳强度的计算公式为σmax—kσmin<[Δσ]=σ0-0

第五十六页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．1常幅疲劳疲劳强度的影响因素对轧制钢材或非焊接结构，疲劳强度与最大最小应力、应力比、循环次数和缺口效应(构造类型的应力集中情况)有关。第五十七页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．1常幅疲劳对焊接结构并不是这样，由于焊接加热及随后的冷却，将在截面上产生垂直于截面的残余应力。在焊缝及其附近主体金属残余拉应力通常达到钢材的屈服点fy，而此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。第五十八页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．1常幅疲劳疲劳强度的影响因素（对焊接结构）在重复荷载作用下，循环内应力开始处于增大阶段时，焊缝附近的高峰应力将不再增加(只是塑性范围加大)，即σmax=fy。之后，循环内应力下降σmin，然后再升至σmax=fy，即不论应力比ρ值如何，焊缝附近的实际应力循环情况均形成在拉应力范围内的Δσ=fy-σmin的循环(图2.10中的虚线所示)。所以疲劳强度与名义最大应力和ρ无关，而仅仅与应力幅Δσ有关。第五十九页，共九十六页，2022年，8月28日第六十页，共九十六页，2022年，8月28日

2．6．1常幅疲劳试验确定容许应力幅根据试验数据可以画出构件或连接的应力幅Δσ与相应的致损循环次数N的关系曲线[图2.12(a)]。目前国内外都常用双对数坐标轴的方法使曲线改为直线以便于工作[图2.12(b)]。第六十一页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．1常幅疲劳试验确定容许应力幅在双对数坐标图中，疲劳直线方程为

(2.6)

（2.7)式中β——直线对纵坐标的斜率；b1——直线在横坐标轴上的截距；

N——循环次数。第六十二页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．1常幅疲劳考虑到试验数据的离散性，取平均值减去2倍的标准差(2s)作为疲劳强度下限值[图2.12(b)实线下方之虚线]，如果为正态分布，从构件或连接抗力方面来讲，保证率为97.7%。下限值的直线方程为：或取此作为容许应力幅

(2.9)

第六十三页，共九十六页，2022年，8月28日

2．6．1常幅疲劳对于不同焊接构件和连接形式，按试验数据回归的直线方程，其斜率也不尽相同。为了设计的方便，我国钢结构设计规范按连接方式，受力特点和疲劳强度，再适当照顾线簇的等间距布置、归纳分类，划分为8类(图2.13)，第六十四页，共九十六页，2022年，8月28日2．6．1常幅疲劳它们的β和C值见表2.2。构件和连接分类的构造图见附录6。据此，可计算出容许应力幅。第六十五页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．1常幅疲劳验算公式：对焊接结构的焊接部位的常幅疲劳，应按下式计算：≤[Δσ]第六十六页，共九十六页，2022年，8月28日

2．6．1常幅疲劳验算公式：对于非焊接部位，最大应力或应力比对疲劳强度有着直接的影响，其疲劳强度应由下式来确定。

σmax—kσmin=σ0或σmax(1—kρ)=σ0

为了与焊接部位的计算方式一致，将上式前一式的左侧定名为“计算应力幅”，而以应力比ρ=0的疲劳应力的σ0-0的值为[Δσ]和式(2.10)中的[Δσ]相当，得≤Δσ](2.11)式(2.11)中的系数k=0.7，是由试验数据统计而确定的。第六十七页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．2变幅疲劳和吊车梁的欠载效应系数上面的分析皆属于常幅疲劳的情况。但在实际上，结构(如厂房吊车梁)所受荷载，其值常小于计算荷载，即性质为变幅的，或称随机荷载。变幅疲劳的应力谱如图2.14所示。第六十八页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．2变幅疲劳和吊车梁的欠载效应系数变幅疲劳的计算方法：引入累积损伤法则。当前通用的是Palmgren-Miner方法，简称Miner方法：设设计应力谱可表示为应力幅分别为Δσ1，Δσ2…，Δσi…对应循环次数分别为n1，n2…，ni…的常幅应力谱的组合，相应的单独作用疲劳寿命为N1，N2…，Ni…。Ni表示在常幅疲劳中Δσi循环作用Ni次后，构件或连接即产生疲劳破坏。则在应力幅Δσj作用下的一次循环所引起的损伤为1/Nj，nj次循环为nj/Nj。第六十九页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．2变幅疲劳和吊车梁的欠载效应系数变幅疲劳的计算方法：按累积损伤法则，将总的损伤按线性叠加计算，则得发生疲劳破坏的条件为：(2.12)或写成

(2.13)若认为变幅疲劳与同类常幅疲劳有相同的曲线，则任一级应力幅水平均有：或(2.14)第七十页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．2变幅疲劳和吊车梁的欠载效应系数变幅疲劳的计算方法：另假设有常幅作用次使同一结构也产生疲劳破坏，则有：

=C

或(2.15)式中——等效应力幅。第七十一页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．2变幅疲劳和吊车梁的欠载效应系数第七十二页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳

2．6．2变幅疲劳和吊车梁的欠载效应系数第七十三页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳进行疲劳强度计算时，有下列问题应予注意：(1)按概率极限状态计算方法进行疲劳强度计算，目前正处于研究阶段，因此，疲劳强度计算用容许应力幅法，荷载应采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，而且应力按弹性工作计算。第七十四页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳进行疲劳强度计算时，有下列问题应予注意：(2)根据应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力，只要应力幅超过容许值就会产生疲劳裂纹。但由于裂纹形成的同时，残余应力自行释放，在完全压应力(不出现拉应力)循环中，裂纹不会继续发展，故规范规定此种情况可不予验算。第七十五页，共九十六页，2022年，8月28日2．6钢材的疲劳进行疲劳强度计算时，有下列问题应予注意：(3)根据试验，不同钢种的不同静力强度对焊接部位的疲劳强度无显著影响。只是轧制钢材(因其残余应力较小)和经焰切的钢材经过加工的对接焊缝(因其残余应力因加工而大为改善)，疲劳强度有随钢材强度提高而稍有增加的趋势，但这些连接和主体金属一般不在构件疲劳计算中起控制作用。故可认为，疲劳容许应力幅与钢种无关。第七十六页，共九十六页，2022年，8月28日2．7钢的种类和钢材规格

2．7．1钢的种类

钢材分类：按用途：结构钢、工具钢和特殊钢（如不锈钢等）。结构钢又分建筑用钢和机械用钢。按冶炼方法：转炉钢，平炉钢（还有电炉钢，是特种合金钢，不用于建筑）。平炉钢质量好，但冶炼时间长，成本高。氧气转炉钢质量与平炉钢相当而成本较低。当前的转炉钢主要采用氧气顶吹转炉钢，按脱氧方法，钢又分为沸腾钢（代号为F）、半镇静钢（代号为b）、镇静钢（代号为Z）和特殊镇静钢（代号为TZ），镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去。镇静钢脱氧充分，沸腾钢脱氧较差，半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间。建筑用钢一般采用镇静钢。第七十七页，共九十六页，2022年，8月28日2．7钢的种类和钢材规格

2．7．1钢的种类

钢材分类：按用途：结构钢、工具钢和特殊钢按冶炼方法：转炉钢，平炉钢按成型方法分类：轧制钢(热轧、冷轧)、锻钢和铸钢。最后按化学成分分类：碳素钢和合金钢。在建筑工程中采用的是碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。第七十八页，共九十六页，2022年，8月28日2．7钢的种类和钢材规格

2．7．1钢的种类

(1)对碳素结构钢，其国家标准(GB700—88)是参照国际标准化组织ISO630《结构钢》制订的。质量等级：A、B、C、D四级，

A：保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时尚可附加冷弯试验的要求，化学成分对碳、锰可以不作为交货条件硫、磷的极限含量在要求限值内。

B、C、D：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性(分别为+20℃，0℃、-20℃)等力学性能。及碳、硫、磷的极限含量在要求限值内。第七十九页，共九十六页，2022年，8月28日2．7钢的种类和钢材规格

2．7．1钢的种类

(1)对碳素结构钢，其国家标准(GB700—88)是参照国际标准化组织ISO630《结构钢》制订的。牌号表示方法：根据钢材厚度(直径)16mm时的屈服点数值，分为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。钢结构一般仅用Q235，因此钢的牌号根据需要可为Q235-A；Q235-B；Q235-C；Q235-D等。代号中：由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。第八十页，共九十六页，2022年，8月28日2．7钢的种类和钢材规格

2．7．1钢的种类

（2）低合金高强度结构钢：国家标准(GB/T1591—94)代替(GB1591—88)于1995年1月1日实施。新标准不用钢的品种表示钢的牌号。采用与碳素结构钢相同的钢的牌号表示方法。质量等级除与碳素结构钢A、B、C、D四个等级相同外增加一个等级E，主要是要求-40℃的冲击韧性。钢的牌号如：Q345-B、Q390-C等等。低合金高强度结构钢一般为镇静钢，因此的钢的牌号中不注明脱氧方法。冶炼方法也由供方自行选择。但A级钢应进行冷弯试验，其他质量级别钢如供方能保证弯曲试验结果符合规定要求，可不作检验。第八十一页，共九十六页，2022年，8月28日2．7钢的种类和钢材规格

2．7．1钢的种类

（2）低合金高强度结构钢：国家标准(GB/T1591—94)代替(GB1591—88)于1995年1月1日实施。新标准不用钢的品种表示钢的牌号。采用与碳素结构钢相同的钢的牌号表示方法。

牌号表示方法：根据钢材厚度(直径)<16mm时的屈服点大小，分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。它们与旧标准相应的钢的牌号见表2.3第八十二页，共九十六页，2022年，8月28日2．7钢的种类和钢材规格

2．7．1钢的种类

(3)优质碳素结构钢：以不热处理或热处理(退火、正火或高温回火)状态交货，要求热处理状态交货的应在合同中注明，未注明者，按不热处理交货，如用于高强度螺栓的45号优质碳素结构钢需经的热处理，强度较高，对塑性和韧性又无显著影响。第八十三页，共九十六页，2022年，8月28日2．7钢的种类和钢材规格

2．7．1钢的种类

第八十四页，共九十六页，2022年，8月28日2．7．2钢材的选择

2．7．2．1选用原则

选择钢材时考虑的因素有：(1)结构的重要性

对重型工业建筑结构、大跨度结构、高层或超高层的民用建筑结构或构筑物等重要结构，应考虑选用质量好的钢材，对一般工业与民用建筑结构，可按工作性质分别选用普通质量的钢材。另外，按《建筑结构设计统一标准》规定的安全等级，把建筑物分为一级(重要的)、二级(一般的)和三级(次要的)。安全等级不同，要求的钢材质量也应不同。(2)荷载情况荷载可分为静态荷载和动态荷载两种。直接承受动态荷载的结构和强烈地震区的结构，应选用综合性能好的钢材；一般承受静态荷载的结构则可选用价格较低的Q235钢。第八十五页，共九十六页，2022年，8月28日2．7．2钢材的选择

2．7．2．1选用原则

选择钢材时考虑的因素有：(3)连接方法

钢结构的连接方法有焊接和非焊拉两种。由于在焊接过程中，会产生焊接变形、焊接应力以及其他焊接缺陷，如咬肉、气孔、裂纹、夹渣等，有导致结构产生裂缝或脆性断裂的危险。因此，焊接结构对材质的要求应严格一些。例如，在化学成分方面，焊接结构必须严格控制碳、硫、磷的极限含量；而非焊接结构对含碳量可降低要求。第八十六页，共九十六页，2022年，8月28日2．7．2钢材的选择

2．7．2．1选用原则

选择钢材时考虑的因素有：(4)结构所处的温度和环境

钢材处于低温时容易冷脆，因此在低温条件下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢。此外，露天结构的钢材容易产生时效，有害介质作用的钢材容易腐蚀、疲劳和断裂，也应加