钢结构设计原理之钢结构的材料讲义三

第二章钢结构的材料2.1对建筑用钢材的性能要求较高的强度：抗拉强度fu和屈服强度fy足够的变形能力：塑性、韧性良好的加工性能：冷加工、热加工、可焊性2.2钢材的主要性能及其鉴定1、单轴拉伸时的工作性能条件：标准试件，常温（20℃）下缓慢加载，直到拉断破坏，一次完成。

标准试件l0/d=5，10；l0—标距；d—直径dⅢ塑性阶段：E为零，失去承载的能力。

Ⅳ应变硬化阶段：又恢复承载的能力，但很快被拉断。OBCDAEⅠ弹性阶段：E为常量

Ⅱ弹塑性阶段：E为变量

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”fy=f0.20.2%fuεp应力应变曲线的简化1)fy与fe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

（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。当结构或构件截面＞fy时，认为结构或构件丧失了继续承载的能力。（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。直接反映钢材的内部组织的优劣，fu愈高，强度储备愈高。fu/fy——强屈比，钢材塑性设计的一个重要条件。（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。A0A12冷弯性能在冷弯试验中表现的性能，既能看出钢材塑性变形的能力，又可看出钢材的冶金质量。add+2.1a3、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。(a)梅氏U型缺口(b)夏比V型缺口

由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性，（1）梅式U型缺口：ak值（2）夏比V型缺口：CV单位：J;Cv受温度的影响4可焊性钢材采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数及一定的结构形式等条件下，获得合格焊缝的难易程度。与含C量和合金元素有关。钢材性能的鉴定做钢材的各种性能的鉴定试验时应满足相关的国家标准。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）。小节1、化学成分

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。2.3影响钢材性能的因素

（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，可焊性降低。不得超过0.045%。

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

（5）硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。

（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。（7）氧碰（O）：有害杂罪质，与S相似败。（8）氮（N）：有害先杂质梦，与P相似惯。（9）铜淹（Cu）：提高抗担锈蚀性夹，提高联强度，蓄对可焊屠性有影横响。2、成材缠过程的业影响冶炼：芝平炉、考转炉浇铸察：钢狠水—钢锭—初轧—成材（传统御工艺）钢水—连铸机—钢坯—成材刻（新工艺）轧制：悬改善钢搬材内部航组织结悼构，钢棉材因辊给轧次数容不同，搜其强度亦不相竭同。热处理本：显著袋提高强脖度。（1）钢材膏的冷加情工硬化冷加工候硬化——当荷让载超行过材笨料比格例极仓限卸丛载后怖，出钱现残雅余变收形，晶再次僚加载愉则比肆例极纯限（裂或屈皆服点详）提辽高的爱现象地，也脚称“应变硬蜻化”。时效蛇硬化——随时间化的增长肤，碳和莫氮的化症合物从魔晶体中炉析出，解使材料抽硬化堆的现续象。应变时院效——钢材产闭生塑性虹变形时尿，碳、秋氮化合乖物更易介析出。粥即冷作捧硬化的众同时可妈以加速丢时效硬随化，因疮此也称“人工时程效”。3、其治它因份素（2）温度篮影响a．正温装范围200锹℃以内朴对钢盗材性搬能无晚大影或响，谈该范蓬围内污随温宵度升评高总们的趋雹势是埋强度扣、弹晴性模缎量降增低，户塑性票增大撒。80060舞040碌020立00N/m念m2Efuδfy20鼻0400600温度位对钢爪材机借械性讽能的方影响20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)250黎℃左右抗茂拉强度跃略有提骑高，塑览性降低期，脆性孙增加—兰脆现咱象，该粗温度陶区段缓称为仆“兰脆区”。26究0～320蛇℃产生徐变现象炭。600砌℃左右弹肢性模量判趋于零恢，承夫载能力就几乎完座全丧失附。当温载度低斤于常漆温时球，钢饿材的维脆性多倾向贯随温盖度降剃低而群增加择，材料强狸度略有离提高，涛但其塑狂性和韧崭性降低盟，该现目象称为蒙低稳冷误脆。b．负温细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(3共)应力处集中a.应力集枯中的概毁念构件省表面问不平舟整，耍有刻雷槽、购缺口迁，厚虽度突父变时样，应曾力不埋均匀兔，力翻线变甜曲折每，缺赵陷处沙有高被峰应茧力—应力集句中。b.应力溉集中芬的影菌响c.减小投应力予集中垂现象筝的措央施<1:2.5由于钢剑材具有弹良好的研塑性性货能，当酷承受静席力荷载闯且在常术温下工脆作时，挪只要符死合规范反规定的串设计要槐求，可巨以不考驶虑应力夜集中的荡影响。2.4钢材延文性破坏神和非延州性破坏窗、葵循恒环加载威和快速强加载的示效应1、延划性破挑坏和跌非延傅性破映坏（班塑性秩破坏帆和脆粥性破扣坏）塑性破环坏破坏摘前有喝明显罪的塑性却变形，破巩坏过昏程长塞，断五口发溉暗，蛙可以唇采取趴补救狼措施谱。脆性破躺坏坏前没户有明显陡的变形申和征兆钳，破坏宰时的变皮形远比魔材料应弃有的变合形能力好小，破坏突然，适断口平保直、发花亮呈晶锐粒状，肉无机会写补救。将结构好或构件虹设计成延性结纵构是我们脊设计的价目的。斗但并非握所有的疯塑性材啄料都发宰生塑性疯破坏。二个菠钢构巧件，疲材质婚相同插，长令度相形同：直径d0=1恳0m钳md0=1剖0m滔m茄(刻槽处安）破坏时待，拉长立较多；造破坏乒时，无闸明显变躁形；屈服时：fy=2板51宰N/材mm2fy=2店74碰N/壤mm2拉断时：fu=43智1N禾/mm2fu=43装1N说/mm2可见贡：改略变了伯工作干条件纺，即自使塑财性材宰料也嗓可能岩发生初脆性烧破坏失，在昼设计生中应容避免辨这种考情况亿出现舍。2、循环描荷载的效应寨（又称重复喝荷载）土木城工程闯中，怠承受戴重复办荷载碰作用置的结阁构或求构件互有：吊车梁瘦：吊车桥梁：尿车辆容器惩：内让部液密体海洋懒平台慢：海解水建筑钓物：缓地震假作用以上蠢这些临重复湿荷载译都是可变棕荷载，这满些重密复荷马载的鞭作用蜂使构茫件的蹦钢材安易发左生疲劳剧断裂。循环荷纪载——结构裹或构遥件承械受的则随时碰间变川化的帅荷载泪。在循环敲荷载（凤连续反小复荷载慎）作用聋下，经峰过有限沸次循环返，钢材血发生破迎坏的现俭象，称趋之为疲触劳。疲劳破融坏的机赔理疲劳练破坏袋是积而累损著伤的妙结果矮。缺陷→微观裂涛纹→宏观若裂纹。疲劳忧破坏痰的特泉征属于侧脆性锐破坏抢，截盈面平适均应雾力小蝴于屈允服点线。断阔裂时趟无明收显的窜变形挪；裂纹缝起过始点控在构新件表剥面处雀。（1）疲劳兽断裂（2）疲劳猴强度计可算（一）广常幅辟疲劳根据膊试验更数据模可以壳绘出挨构件寸或连虎接的浇应力愿幅Δσ与相应拥的致损猴循环次纺数n的关系冲曲线，尊按试验船数据回归的Δσ掘-n曲线咏为平锄均曲是线(图a)，取对脊数坐肥标(图b)。1.容许应洽力幅[Δσ脱]由于哗现阶往段对柴钢材风发生摩疲劳状破坏返尚处资于进观一步旧研究昨阶段互，按辫概率抬极限茎状态沈计算蓬疲劳姿强度雀还不取成熟总，故夏采用容许哄应力的计算姻方法。Δσ-n曲线(a另)0N式中,β--直线对券纵坐标担的斜率严；b1--直线在屈横轴坐检标上的或截距；n--循环捏次数痰。(b)0n=5×104n=5X106............b1考虑试展验数据付的离散船性，取贞平均值沟减去2倍lgN的标准威差s作为饰疲劳迈强度勇下限眼，当lg发Δσ为正片态分担布时俩，保拔证率乌为97.羡7%。下限值旨的直线桨方程为油：此时启的Δσ即为容瓣许应力辱幅：式中：系数β、c--根据喉钢结恩构设枕计规下范“趁疲劳抬计算药的构毯件和送连接粱分类掘”查争表得饰到。2S2S(b)0n=5×104n=5X106............b12.疲劳强权度计算式中璃：Δσ--计算理部位工的应桑力幅档；对于焊骄接部位:Δσ株=σma态x-σmin；对于哄其他轨部位宵：Δσ=摸σma徒x-0再.7诊σmin(计算应才力幅）娘。σma乳x、σmin--计算绳部位剩每次鸡应力亭循环粉中的司最大宴拉应傍力和最小拉灵应力或院压应力疫（取负捡值）。说明度：1）计算变时荷载稿为可变谨荷载，撞且为荷朱载的标滔准值；2)由于牺来源箱于试旦验，恢已考华虑动租力效忆应，百计算喷时不损再考嘉虑动耽力系木数；3)按弹堡性方袜法计州算截崭面应陕力σ。（二）变步幅疲劳疑和吊车腿欠载效械应系数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：对于吊获车梁，定按下式肝计算其奸疲劳强浊度：并不再是所腐有的槐承受撒动力叶荷载馆重复性作用吊的构林件和扇连接呢都进皂行疲芒劳验颜算。规范债规定逼：直漫接承折受动福力荷斑载重痕复作对用的侦构件叙，当贷应力笼变化迹的循冶环次独数n＞5×叫104次时，谊对应力豆循环中墨出现拉盈应力的耀部位进昂行疲劳厘验算。一、建筑钢轻材的种类1、碳素异结构钢秘（GB况/T佛7锣00她-8率8）---低碳景钢牌萌号Q23签5--质量哗等级疗（A、B、C、D）浇注秘方法寺（F、b、Z、TZ）A--保证fu、fy、δ，P、S含量B--保证fu,fy,δ,冷弯，旷常温时Cv，P，S，C含量；C-策-保证fu,fy,δ,冷弯,0oC时Cv，P，S，C含量;D--保证fu,fy,δ,冷弯,-2鹿0oC时Cv，P，S，C含量;2.5建筑钢茄材的类俯别及钢泡材的选沾用2.低合立金钢(G剖B/畜T麻15卷91标-9胆4)GB/T1591-94Q295Q390Q345Q420相应的钢材品种（GB/T1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTiRE低合金揉钢的质右量等级摘分A、B、C、D、E，其中E主要挺是要造求-4夹00C的冲击径韧性。二、钢瘦材的选钟择（一）援选择饱钢材冰的原征则1．结浴构或闹构件伤的重上要性脂；2．荷岸载情氏况（浪静力茧荷载抗，动跟力荷易载）重；静力荷辈载作用态下可选冤择经济调性较好辱的Q23干5钢材议。动力肿荷载烤作用纵下应辛选择药综合鲜性能喜较好逃钢材乌。3．连塞接方禁法（井焊接缘瑞连接出、螺前栓连固接）下；焊接结牛构对材机质的要见求严格需，应严贪格控制C、S、P的极惹限含精量；沙非焊醒接结坛构对C的要毅求可述降低渐一些胀。4．结构杏所处的狗工作条呜件（环稼境温度象，腐蚀搬等）；低温下逗工作的惹结构应蛛选择低希温脆断过性能好李的镇静议钢（二玻）钢貌材选浊择建场议1、承重近结构的讲钢材宜挡采用Q2饶35钢、Q3谈45钢、Q39已0钢和Q42别0钢，其壤质量应举分别符差合国家卧标准《碳素寇结构授钢》G塑B/域T7利00和《低合金逢高强度勒结构钢》GB测/T1扭591的规皱定。贴当采姥用其你他牌顶号的需钢材尿时，僚尚符习合相题应有贡关标庄准的泻规定友和要提求。2、承蓄重结钳构的杜钢材有应具报有抗雾拉强脾度、召伸长棚率、凯屈服滴强度要和硫青、磷甘含量最的合赏格保另证，狐对焊示接结躬构尚读具有阔含碳句量的窄合格环保证洪。3、对于需躲要验算昼疲劳的庸焊接结北构，应行具有常鉴温冲击岗韧性的骗合格保职证；当结构秋工作温昆度等于须或低于0℃但高莫于－20℃时，Q23愈5钢和Q3好45钢应具罩有0℃冲击担韧性绕合格续的保米证；对于Q39窝0钢和Q42早0钢应具们有－20℃冲击韧尺性的合集格保证隐。当结寄构工混作温绣度等样于或阻低于筒－20℃时，对Q23助5钢和Q3宝45钢应兄具有钱－20养℃冲击韧轻性的合滑格保证芒；对Q39替0和Q42辉0钢应的具有迅－40护℃冲击喜韧性迅的合写格保败证。4、对油于需谊要验雷算疲钱劳的获非焊和接结荒构的我钢材挤亦应狂具有珍常温秤冲击情韧性肾的合是格保脊证，当拒结构漏工作惯温度桶等于脾或低脉于－20薪℃时，对Q2纲35钢和Q3坡45钢应廊具有0℃冲击韧属性合格故的保证金；对Q39废0钢和Q4卡20钢应具喷有－20℃冲击崭韧性言的合交格保会证。5、重庙要的南受拉爱或受尿弯的联焊接友构件在中，闭厚度兵大于革等于16m违m的钢匀材应届具有单常温吊冲击踪蝶韧性苹合格宪的保堡证。6、当焊接模结构为从防止钢歪材的层宪状撕裂柿而采用Z向钢洞时，拔其材煮质应秤符合尤现行伙国家性标准《厚度势方向符性能辨钢板》GB殊/T5其313的规定蓄。8、对于习外露环飘境，且欢对大气婚腐蚀有