华中科技大学钢结构设计原理钢结构材料

华中科技大学钢结构设计原理钢结构材料第1页/共72页大纲要求:1.了解钢结构的两种破坏形式；

2.掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指标；3.掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢材变脆的主要因素；4.了解结构用钢材的种类、牌号、规格；5.了解钢材选择的依据，做到正确选择钢材；6.掌握钢材疲劳的概念和疲劳计算方法。第2页/共72页

一基本要求：1.较高的抗拉强度fu和屈服点fy；2.较好的塑性、韧性；3.良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；4.对环境的良好适应性。§2.1

钢结构对材料的要求第3页/共72页二钢材的组织构造和铸造缺陷铁素体+渗碳体－珠光体缺陷：偏析,夹杂,气孔,缩孔,裂纹,晶粒带不均等如图为冷却速度不同造成的不同结晶带1表面细晶粒层2柱状晶粒区3心部等轴晶粒区第4页/共72页§2.2钢材的破坏形式一、塑性破坏

破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，断口发暗，可以采取补救措施。

二、脆性破坏

坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变形远比材料应有的变形能力小，破坏突然，断口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。第5页/共72页一、受拉、受压、受弯及受剪时的性能（一）一次拉伸时的性能

1.条件：标准试件（GB228—63），常温（20℃）下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%－0.3%。标准试件：lo/d=5、10；lo-标距；d--直径§2.3

钢材的主要性能d第6页/共72页第7页/共72页2.阶段划分A.有屈服点钢材σ--ε曲线可以分为五个阶段：(1)弹性阶段(OB段)OA段材料处于纯弹性,A对应比例极限AB段有一定的塑性变形,但整个OB段卸载时，ε=0；E=206×103N/mm2OBCDAE第8页/共72页（2）弹塑性阶段（BC)

该段很短,表现出钢材的非弹性性质;

σB—屈服上限;σC—屈服下限(屈服点强度)（3）塑性阶段（CD)

该段σ基本保持不变（水平),ε急剧增大,称为屈服台阶或流幅段,变形模量E=0OBCDAE第9页/共72页（4）强化阶段(DE段)极限抗拉强度fu（5）颈缩阶段(EF段)随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快OBCDAE第10页/共72页B.对无明显屈服点的钢材

该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。

设计时取相当于残余变形为0.2%

时所对应的应力作为屈服点—‘条件屈服点’第11页/共72页3.应力应变曲线的简化1)fy与比例极限fp相差很小；2)超过fy到屈服台阶终止的变形约为2.5%--3%，足以满足考虑结构的塑性变形发展的要求。

（1）钢材可以简化为理想弹塑性体ε2.5%--3%fy

ε00.15%ε第12页/共72页

（2）钢材在静载作用下：强度计算以fy为依据;fu为结构的安全储备。（3）断裂时变形约为弹性变形的200倍，在破坏前产生明显可见的塑性变形，可及时补救，故几乎不可能发生。O0.15%22%fufyfu-fy第13页/共72页4.单向拉伸时钢材的机械性能指标

（1）屈服点fy--应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它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。（2）抗拉强度fu--应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材最大的抗拉强度。第14页/共72页（3）伸长率（4）断面收缩率它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。当l0/d=5时，用δ5表示，当l0/d=10时，用δ10表示。A0A1第15页/共72页同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。（二）受压时的性能

采用短试件l0/d=3,屈服点同单向拉伸时的屈服点。（三）受弯时的性能（四）受剪时的性能抗剪强度可由折算应力计算公式得到：第16页/共72页二、冷弯性能

衡量钢材塑性性能和质量优劣及可焊性的综合指标。add+2.1a第17页/共72页第18页/共72页三、冲击韧性

衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。第19页/共72页(a)梅氏U型缺口(b)夏比V型缺口（单位：mm）

由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性，单位：J(N*m)。Cv受温度的影响第20页/共72页冲击韧性试验装置第21页/共72页钢材的机械性能指标1、屈服点fy；2、伸长率δ；3、抗拉强度fu；4、冷弯试验；5、冲击韧性Cv(包括常温冲击韧性、

0度时冲击韧性负温冲击韧性）。小结第22页/共72页

一、化学成分的影响

普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%；普通低合金钢中合金元素＜5%。

1.碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般控制在0.22%以下，在0.2％以下时，可焊性良好。§2.4

各种因素对钢材性能的影响第23页/共72页

2.硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。

3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，塑韧性可焊性降低。不得超过0.045%。

4.锰（Mn）：合金元素,弱脱氧硫剂。与S形成MnS，熔点1600℃，可以消除一部分S,O的有害作用。

5.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂,生热慢冷镇静钢

6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。第24页/共72页7.氧（O）：有害杂质，与S相似。8.氮（N）：有害杂质，与P相似。9.铜铬镍：形成保护层提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。10氢：有害，氢脆（薄弱处富集产生内压力裂纹，形成氢白点）二．冶炼及轧制的影响冶炼中产生的冶金缺陷有：偏析（化学成分分布不均程度）非金属夹杂,气孔,裂纹等。轧制影响:1厚钢板>4.5mm薄钢板0.25~4mm泡纹焊合晶细，故设计强度按厚度分级；2出现分层：夹杂被压成薄片（对粗轧的厚板,无法焊合）使得沿轧向好于垂轧向好于厚度向。P21图冶炼影响:按脱氧脱硫程度分为镇静钢，半镇静钢,沸腾钢第25页/共72页三、钢材硬化及热处理的影响

冷作硬化——当荷载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则比例极限（或屈服点）提高的现象，也称“应变硬化”。

时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。

应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化.

人工时效——10％塑变，加热至250度，保温1小时后再作试验，来判断硬化性能:即能否用于易脆性破坏处。

热处理：退火,正火,淬火,回火p21第26页/共72页四、温度影响

1．正温范围

200℃以内对钢材性能无大影响，该范围内随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。8006004002000N/mm2Efuδfy200400600温度对钢材机械性能的影响20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)第27页/共72页

250℃左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加—兰脆现象，该温度区段称为“兰脆区”。

260～320℃产生徐变现象。

600℃左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。第28页/共72页

当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加，材料强度略有提高，但其塑性和韧性降低，该现象称为低稳冷脆。

2．负温范围脆性破坏转变过渡区段塑性破坏反弯点试验温度T0C冲击断裂功CvT1T2T0冲击韧性与温度的关系曲线第29页/共72页五、应力集中的影响1.应力集中的概念

构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力—易导致脆性破坏的现象称为应力集中。第30页/共72页2.应力集中的影响第31页/共72页3.减小应力集中现象的措施

<1:2.5

由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。第32页/共72页六、焊接残余应力的影响第33页/共72页残余应力影响:

对强度无影响,对刚度下降,对压杆弱轴有影响,

对低温加速冷脆,对疲劳残拉坏残压好第34页/共72页§2.5

复杂应力作用下钢材的屈服条件假定：１）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；２）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。第35页/共72页oZXY单元体受复杂应力（应力分量）单元体受主应力第36页/共72页1.以应力分量表示2.以主应力表示材料处于弹性状态材料处于塑性状态第37页/共72页讨论：

（1）三向受压时(静水压力)————理论上不破坏;（2）三向受拉时

——一定破坏;

由于三向受拉限制了材料的塑性发展，材料要发生脆性破坏。能量理论所得的公式只适用于塑性明显的材料，因此形式上的不破坏与实际的脆性破坏是不矛盾,只是实际的脆性破坏不再符合能量理论的基本假定。第38页/共72页图示简支梁1-1截面腹板与翼缘交界A点的应力1-1A对于薄板，厚度方向的应力很小，为平面受力状态。PPMM11AXVY第39页/共72页一般均布荷载梁只存在正应力和剪应力，则：2-2AVM22AYXq33第40页/共72页

3-3APMVP44YXM3-3截面弯矩最大；4－4截面仅有剪力，弯矩、局部压力均为零，故该截面除剪应力外，正应力均为零，即为纯剪状态。第41页/共72页一、概念1、循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。PP11A1-1A§2.6

钢材的疲劳第42页/共72页（1）应力循环（2）应力循环特征—应力比ρ--构件截面应力随时间的变化。（3）应力幅--

在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅:为常量常幅循环：为变量变幅循环：+σ-σt第43页/共72页(b)脉冲循环(a)完全对称循环(c)不完全对称循环(d)不完全对称循环第44页/共72页2.钢材的疲劳

在连续交变荷载作用下，钢材内部结构及应力的非均匀性导致裂纹扩展,使钢材在尚未达到极限强度甚至低于屈服点时，发生突然的脆性破坏的现象。3.疲劳破坏的机理

疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷→微观裂纹→宏观裂纹。4.疲劳破坏的特征属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。第45页/共72页5.影响钢材疲劳的主要因素（1）构件和连接的分类

规范将构件和连接的种类分为8类，第1类为轧制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；第8类为角焊缝应力集中最严重（应力集中系数最大）疲劳强度最低。详见钢结构设计规范“疲劳计算的构件和连接分类（附录E）”。第46页/共72页焊缝附近主体金属的真实应力比：真实应力比与名义应力比不同，应力幅是关键：（2）应力幅（Δσ）和应力循环特征（应力比ρ）A.对于焊接结构：第47页/共72页

结论：对焊接结构来讲，应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名义最大应力σmax和名义应力比ρ无关。第48页/共72页B.对于非焊接结构和轧制钢材

在循环次数N一定的情况下，根据试验资料可以绘出N次循环的疲劳图(σmax和σmin关系曲线)。而当应力比不同时，疲劳图的形态不同。因此——对于非焊接结构和轧制钢材，疲劳强度与最大应力、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。但为了与焊接结构在形式上统一，仍然用“应力幅”的形式表达：即：折算应力幅。第49页/共72页（3）应力循环次数N（疲劳寿命）应力循环次数N<5×104，不需要进行疲劳计算。

应力幅越低，作用循环次数越多，疲劳寿命越高；应力幅相同，作用的循环次数越多，疲劳寿命越高。0NX105N1N2fy123456第50页/共72页

由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度主要与构件和连接分类（内部缺陷、应力集中、残余应力）、应力循环次数和应力幅有关。

焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度(屈服点fy)基本无关。

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。其他不必验算疲劳的情况还有：

高温，地震荷载，非直接动载第51页/共72页二、疲劳强度计算（一）常幅疲劳

根据试验数据可以绘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，按试验数据回归的Δσ-N曲线为平均曲线(图a)，取对数坐标(图b)。1.容许应力幅[Δσ]

由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研究阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟，故采用容许应力幅的计算方法。第52页/共72页Δσ-N曲线(a)0N式中：β--直线对纵坐标的斜率；

b1--直线在横轴坐标上的截距；

N--循环次数。(b)0N=5×104N=5X106............b1第53页/共72页

考虑试验数据的离散性，取平均值减去2倍lgN的标准差s作为疲劳强度下限，当lgΔσ为正态分布时，可满足保证率为97.7%。下限值的直线方程为：可以推出容许应力幅：式中：系数β、c--根据钢结构设计规范“疲劳计算的构件和连接分类”查表得到。2S2S(b)0N=5×104N=5X106............b1第54页/共72页第55页/共72页2.疲劳强度计算式中：Δσ--计算部位的应力幅；对于焊接部位:Δσ=σmax-σmin；对于其他部位：Δσ=σmax-0.7σmin(计算应力幅）。

σmax、σmin--计算部位每次应力循环中的最大拉应力和最小拉应力或压应力（取负值）。说明：1）计算时用荷载的标准值；

2）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算时不再考虑动力系数；第56页/共72页（二）吊车欠载效应系数(简化变幅为常幅)σσmaxσmin0t—欠载效应系数。重级工作制硬钩吊车1.0；重级工作制软钩吊车0.8；中级工作制吊车0.5。--循环次数N=2X106的容许应力幅。式中：对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度：第57页/共72页一、钢的种类

1、碳素结构钢（GB/T700-88）---低碳钢牌号

Q235--质量等级（A、B、C、D特）浇注方法（F、Z、b,Tz）

A--保证fu、fy、δ，P、S含量

B--保证fu,fy,δ,冷弯，常温时Cv，P，S，C含量；

C--保证fu,fy,δ,冷弯,0oC时Cv，P，S，C含量;D--保证fu,fy,δ,冷弯,-20oC时Cv，P，S，C含量;§2.7

钢材的种类和规格第58页/共72页2.低合金钢(GB/T1591-94)GB/T1591-94Q295Q390Q345Q420相应的钢材品种（GB/T1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTiRE

低合金钢的质量等级分A、B、C(C及C以上为特级)、D、E，其中E主要是要求-400C的冲击韧性。3.标注法：按Q235-B.F例；屈服强度类别，级别(钢号)，浇注法第59页/共72页二、钢材的选择（一）选择钢材的原则1．结构或构件的重要性；第60页/共72页2．荷载情况（静力荷载，动力荷载）；

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钢材。3．连接方法（焊接连接、螺栓连接）；

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。4．结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）；

低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢钢材的厚度。

厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。6主结构尽量使用单一钢种以便于工程管理第61页/共72页（二）钢材选择建议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，尚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。第62页/共72页

3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于0℃但高于－20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格的保证；对于Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证；对Q390和Q420钢应具有－40℃冲击韧性的合格保证。第63页/共72页

4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。5、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，对于低合金钢用碳当量来保证可焊性。

第64页/共72页7、对