钢结构设计原理之钢结构的材料讲义

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（O）：有害杂质，与S相似。（8）氮（N）：有害杂质，与P相似。（9）铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。2、成定材过舟程的猜影响冶炼：芽平炉、拣转炉浇铸哑：钢蚕水—钢锭—初轧—成材（传统工资艺）钢水—连铸机—钢坯—成材（新工慌艺）轧制溪：改虚善钢脚材内饲部组吵织结咸构，颗钢材雪因辊庆轧次凉数不塑同，套其强度亦不功相同神。热处理润：显著掉提高强迹度。（1）钢亿材的创冷加岛工硬掩化冷加罗工硬稻化——当荷载骡超过材晴料比例器极限卸译载后，拉出现残息余变形牙，再次碍加载则互比例极叨限（或爷屈服点姓）提高膏的现象差，也称“应变灰硬化”。时效硬堂化——随时磨间的垫增长贪，碳肯和氮走的化肉合物弃从晶雪体中榆析出悼，使材料硬染化的现攀象。应变骄时效——钢材验产生休塑性副变形恳时，敞碳、过氮化俭合物斥更易沉析出便。即阔冷作锤硬化医的同句时可笛以加蹲速时歪效硬鱼化，鞋因此佩也称“人工时咳效”。3、其它避因素（2）温纯度影六响a．正温冒范围20沃0℃以内对汉钢材性另能无大垒影响，鼠该范围咳内随温圆度升高胶总的趋饺势是强骂度、弹糠性模量黄降低，颤塑性增恭大。8006004002000N/m刘m2Efuδfy200400600温度薄对钢辱材机温械性坟能的剖影响20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)250希℃左右抗戴拉强度惠略有提区高，塑混性降低抄，脆性横增加—兰脆现跨象，该温设度区段然称为“兰脆区”。26碧0～320箩℃产生徐变现象肯。60商0℃左右弹鲁性模量袄趋于零广，承邻载能力喂几乎完胀全丧失将。当温度少低于常右温时，席钢材的艇脆性倾忠向随温兄度降低概而增加佣，材料争强度荒略有矮提高活，但扫其塑振性和探韧性应降低谷，该倒现象慈称为懒低稳挺冷脆响。b．负川温范链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父)应力拥集中a.应力志集中扎的概饭念构件表镜面不平并整，有厉刻槽、粱缺口，同厚度突承变时，猜应力不销均匀，盾力线变鸡曲折，猫缺陷处斥有高峰弓应力—应力则集中。b.应力集卵中的影角响c.减小应较力集中超现象的动措施<1:2.5由于钢廊材具有拐良好的像塑性性郑能，当枪承受静智力荷载炊且在常以温下工列作时，鉴只要符倾合规范萍规定的孔设计要粥求，可锦以不考塞虑应力醒集中的赏影响。2.魂4钢材延阵性破坏嘱和非延驴性破坏抚、沾循础环加载绿和快速盘加载的绕效应1、延扭性破层坏和艰非延矛性破争坏（多塑性诸破坏签和脆压性破吊坏）塑性破辩坏破坏前船有明显喘的塑性变巨形，破惑坏过碗程长匠，断刚口发蛮暗，堆可以词采取台补救龄措施蝴。脆性破狐坏坏前没瓣有明显辣的变形院和征兆弦，破坏扬时的变兆形远比锦材料应诵有的变盛形能力密小，破坏突然，叠断口平秤直、发也亮呈晶酸粒状，蝴无机会衬补救。将结构抢或构件轰设计成延性结晌构是我删们设念计的顷目的旅。但序并非象所有彼的塑摇性材祸料都庆发生慕塑性螺破坏稳。二个董钢构尿件，则材质响相同卸，长颜度相术同：直径d0=1红0m层md0=1摆0m大m静(刻槽埋处）破坏时都，拉长满较多；套破坏绪时，无驶明显变酱形；屈服时：fy=2栗51汇N/交mm2fy=2祸74储N/间mm2拉断时：fu=4配31左N忍/m胶m2fu=4裤31桐N谅/m袜m2可见：匙改变了旋工作条思件，即孔使塑性姥材料也够可能发港生脆性锈破坏，扬在设计颜中应避阴免这种午情况出距现。2、循环荷跑载的效应略（又称重复荷简载）土木工约程中，本承受重抬复荷载种作用的纸结构或怨构件有咏：吊车梁投：吊车桥梁：线车辆容器叔：内俱部液渗体海洋肚平台耗：海丢水建筑非物：班地震祸作用以上深这些陈重复电荷载蹦都是可变荷找载，这些摩重复荷持载的作院用使构估件的钢晒材易发揉生疲劳绸断裂。循环荷暂载——结构叛或构伴件承产受的互随时请间变晌化的共荷载耕。在循屯环荷免载（墓连续远反复嫩荷载森）作慈用下层，经怜过有盈限次啊循环月，钢易材发桑生破念坏的扰现象降，称饶之为歇疲劳瞒。疲劳破菠坏的机挣理疲劳破灾坏是积洋累损伤航的结果困。缺陷→微观裂揉纹→宏观梢裂纹。疲劳破橡坏的特承征属于脆基性破坏葡，截面柿平均应葵力小于歼屈服点王。断裂庸时无明征显的变画形；裂封缝起始宿点在构敬件表面露处。（1）疲劳派断裂（2）疲劳饮强度计霜算（一）辟常幅叶疲劳根据试眯验数据约可以绘杀出构件稠或连接酬的应力运幅Δσ与相应眯的致损企循环次鱼数n的关系馒曲线，籍按试验钉数据回归的Δσ-n曲线为猫平均曲歇线(图a)，取对傍数坐射标(图b)。1.容许应贪力幅[Δσ猜]由于醉现阶牙段对在钢材酱发生胃疲劳辆破坏倒尚处架于进壁一步辅研究末阶段蚕，按散概率惧极限怖状态捎计算螺疲劳休强度款还不趣成熟唐，故阴采用容许应策力的计算务方法。Δσ傅-n曲线(a庆)0N式中,β--直线对锄纵坐标捕的斜率棕；b1--直线在贪横轴坐尸标上的盐截距；n--循环次载数。(b)0n=5×104n=5X106............b1考虑作试验慕数据蜓的离睛散性丢，取坑平均升值减惯去2倍lgN的标搂准差s作为疲支劳强度星下限，喉当lgΔ伐σ为正问态分康布时肿，保忠证率搏为97.须7%。下限值哲的直线蔽方程为疮：此时的Δσ即为摇容许缝应力捞幅：式中：系数β、c--根据迅钢结惨构设自计规垄范“疤疲劳锐计算蹄的构拖件和桑连接裕分类董”查劝表得捷到。2S2S(b)0n=5×104n=5X106............b12.疲劳强颗度计算式中鉴：Δσ--计算卖部位辟的应纲力幅横；对于牵焊接客部位:Δσ件=σmax-σmin；对于其阴他部位益：Δσ=恩σmax-0.筛7σmin(计算哄应力泡幅）奶。σmax、σmi慢n--计算部踏位每次膛应力循谢环中的若最大拉弹应力和最小穿拉应帐力或故压应还力（筐取负涝值）呼。说明：1）计脸算时比荷载绣为可放变荷畜载，共且为说荷载艘的标野准值界；2)由于来缓源于试伶验，已化考虑动陕力效应近，计算误时不再鸽考虑动四力系数别；3)按弹纹性方卡法计寻算截栽面应泄力σ。（二）防变幅辨疲劳涂和吊政车欠业载效爽应系哪数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：对于吊裂车梁，梯按下式淋计算其灭疲劳强僵度：并不选是所面有的藏承受织动力笼荷载累重复柏作用戴的构汗件和拿连接絮都进准行疲看劳验奔算。规范役规定区：直贩接承逃受动龙力荷季载重档复作泼用的旗构件姜，当税应力拆变化咽的循其环次乎数n＞5×跨104次时，继对应力邮循环中犬出现拉途应力的个部位进倦行疲劳谱验算。一、建筑钢底材的种类1、碳素正结构钢榆（GB/皂T7夹00-纪88）--陡-低碳旋钢牌汗号Q2难35漏--质量等测级（A、B、C、D）浇注楚方法催（F、b、Z、TZ）A--保证fu、fy、δ，P、S含量B-杯-保证fu,fy,δ,冷弯误，常仙温时Cv，P，S，C含量违；C--保证fu,fy,δ,冷弯,0oC时Cv，P，S，C含量;D-叠-保证fu,fy,δ,冷弯,-给20oC时Cv，P，S，C含量;2.币5建筑磨钢材童的类征别及办钢材素的选灯用2.低合温金钢(G绿B/我T强15挠91滋-9剃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低合金蒜钢的质姿量等级堤分A、B、C、D、E，其中E主要是封要求-4识00C的冲击梨韧性。二、钢危材的选差择（一）选芹择钢材承的原则1．结构统或构件楚的重要弯性；2．荷载汪情况（蛇静力荷丙载，动具力荷载遥）；静力军荷载贼作用悬下可哨选择环经济躁性较惜好的Q2室35钢材。动力荷婆载作用汗下应选膨择综合林性能较完好钢材语。3．连接愧方法（租焊接连隔接、螺魂栓连接惹）；焊接结诞构对材蠢质的要剑求严格马，应严瓣格控制C、S、P的极化限含建量；津非焊坊接结哭构对C的要否求可卫降低渣一些喊。4．结萍构所乌处的创工作王条件肾（环户境温促度，芳腐蚀序等）卷；低温下谜工作的势结构应森选择低颂温脆断禾性能好余的镇静赶钢（二皮）钢贼材选母择建斤议1、承重地结构的挠钢材宜轮采用Q2厨35钢、Q34场5钢、Q3预90钢和Q42代0钢，坟其质刚量应震分别块符合控国家尖标准《碳素结庆构钢》GB普/T7绒00和《低合金既高强度婶结构钢》G乏B/相T1脑59战1的规捎定。户当采股用其率他牌剪号的县钢材须时，连尚符上合相跪应有抬关标意准的安规定针和要蒸求。2、承重煮结构的扭钢材应棉具有抗轻拉强度多、伸长捐率、屈编服强度韵和硫、片磷含量桨的合格味保证，饲对焊接口结构尚温具有含晓碳量的挎合格保拜证。3、对于需严要验算佣疲劳的啊焊接结州构，应宪具有常雹温冲击唯韧性的熔合格保关证；当结轰构工橡作温倾度等袄于或视低于0℃但高谱于－20停℃时，Q2概35钢和Q34脊5钢应具箩有0℃冲击材韧性哨合格梅的保邻证；对于Q3废90钢和Q42衬0钢应焰具有秆－20姥℃冲击甜韧性脖的合朋格保般证。当结构酬工作温骨度等于盛或低于赢－20赤℃时，对Q2胜35钢和Q3攻45钢应积具有探－20闸℃冲击韧貌性的合错格保证扭；对Q3丧90和Q4黄20钢应改具有吐－40℃冲击梁韧性设的合皱格保霞证。4、对于橡需要验与算疲劳滴的非焊敞接结构折的钢材产亦应具唯有常温摧冲击韧己性的合脂格保证，当结立构工作迷温度等贱于或低榜于－20℃时，对Q2想35钢和Q3浩45钢应具扇有0℃冲击韧俯性合格本的保证坛；对Q39男0钢和Q4勉20钢应从具有拾－20℃冲击玻韧性孝的合冤格保抽证。5、重要部的受拉幕或受弯惰的焊接洽构件中筝，厚度崖大于等构于16m雨m的钢落材应释具有早常温拢冲击滨韧性绕合格崖的保争证。6、当焊接浙结构为翅防止钢煤材的层语状撕裂醋而采用Z向钢痛时，桥其材咽质应厘符合塞现行罚国家蔑标准《厚度方料向性能旧钢板》G热B/茅T5功31永3的规吃定。8、对续于外玻露环枪境，偷且对非大气零腐蚀趋有特浮殊要特求的茄或在敢腐蚀天性气捡态和隐固