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）钢蚊材在渴静载策作用金下：强度吉计算吉以fy为依狠据;fu为结导构的仔安全芹储备熄。（3）断肆裂时腾变形绵约为棒弹性还变形厦的20阶0倍，歼在破拣坏前产生究明显嚷可见筝的塑武性变形视，真可及拳时补摊救，故几唯乎不妇可能丹发生读。O0.烦15警%22样%fufyfu-fy单向环拉伸痛时钢论材的俱机械都性能候指标（1）屈服轧点fy——应力冶应变服曲线渡开始倒产生畅塑性雀流动舞时对坦应的暂应力细，它百是衡赛量钢升材的承载革能力和确蚂定钢步材强度字设计敬值的重充要指社标。当结悉构或堆构件柄截面＞fy时，它认为闸结构势或构裁件丧腐失了它继续樱承载危的能忆力。（2）抗拉匙强度fu--应力晕应变挺曲线策最高丽点对修应的萄应力爪，它丝式是钢乳材最董大的善抗拉纪强度算。直接奶反映凶钢材涨的内扰部组脉织的哥优劣坡，fu愈高挖，强京度储都备愈胞高。fu/fy——强屈揉比，烘钢材酸塑性浴设计无的一偷个重忘要条袍件。（3）伸击长率（4）断初面收茧缩率它是衡量芳钢材负塑性荡应变背能力燃的重匀要指陵标。当l0/d竖=5时，雷用δ5表示也，当l0/d旧=1弯0时，柔用δ10表示视。A0A12冷弯吃性能在冷鬼弯试子验中藏表现琴的性封能，截既能胖看出施钢材侨塑性全变形粗的能删力，锦又可桥看出断钢材娱的冶射金质庆量。add+2.1a3、冲对击韧祸性衡量宴钢材兆在动迫力（角冲击遇）荷若载、驶复杂放应力惑作用逗下抗疑脆性烦破坏异能力邪的指犹标，炊用断剥裂时支吸收葛的总穴能量肺（弹口性和绩非弹币性能气）来议表示藏。(a证)梅氏U型缺液口(b流)夏比V型缺优口由试支件断石裂吸布收的烈能量Cv来衡朽钢材外的冲兼击韧名性，（1）梅控式U型缺榴口：ak值（2）夏亚比V型缺威口：CV单位辱：J;Cv受温板度的已影响4可焊钞性钢材痰采用锹一定速的焊营接方川法、浸焊接维材料笑、焊银接工梨艺参策数及寺一定谋的结日构形质式等彩条件抄下，尝获得密合格勿焊缝粗的难铃易程跳度。与含C量和甩合金臭元素言有关踏。钢材吴性能震的鉴姓定做钢杂材的泳各种挨性能淘的鉴瓦定试南验时户应满扇足相饿关的膝国家隶标准政。钢材应的机化械性瘦能指择标1、屈侄服点fy；2、伸长卸率δ；3、抗拉悼强度fu；4、冷弯程试验岂；5、冲竭击韧宽性Cv(包括愤常温臭冲击档韧性焦、0度时乎冲击柴韧性负温汁冲击象韧性母）。小祝节1、化滑学成再分普通呢碳素串钢中Fe占99方%，其他笛杂质扛元素赔占1%；普通芳低合庸金钢某中合茄金元化素＜5%。（1）多碳（C）：钢材完强度舌的主挽要来牌源，随其肌含量巡寿增加化，强忌度增膜加，掘塑性究降低誉，可也焊性猜降低坦，抗丘腐蚀挎性降辫低。迈一般扭控制冶在0.何22猎%以下避，批在0.沃2％以扒下时祥，可挤焊性危良好冠。2.稳3影响论钢材哪性能否的因村素（2）硫摸（S）：有害单元素占，热筒脆性狱。不凤得超秘过0.全05番%。（3）磷叫（P）：有害皇元素在，冷贼脆性估。抗缠腐蚀客能力储略有背提高膀，可授焊性亡降低蛮。不挠得超偶过0.仪04蛇5%。（4）锰毫（Mn）：合金慰元素惑。弱脱脱氧慰剂。纳与S形成Mn剑S，熔点16穿00允℃，可家以消流除一凳部分S的有请害作峰用。（5）硅堆（Si）：合金毛元素瓜。强浙脱氧尽剂。（6）钒投（V）：合金举元素鸟。细旋化晶笛粒，林提高章强度幼，其晋碳化愤物具竞有高愉温稳伍定性役，适痒用于梅受荷设较大仁的焊破接结纷构。（7）氧嚷（O）：有害屑杂质库，与S相似喘。（8）氮微（N）：有害尿杂质起，与P相似怜。（9）铜尿（Cu）：提高龙抗锈答蚀性匆，提营高强对度，爆对可啦焊性语有影浅响。2、成页材过水程的唤影响冶炼容：平作炉、劣转炉浇铸毯：钢求水—钢锭—初轧—成材弹（传统稻工艺）钢水—连铸烟机—钢坯—成材尼（新工盏艺）轧制秃：改克善钢吉材内代部组殊织结棍构，桶钢材粮因辊上轧次专数不王同，欠其强度亦不雷相同保。热处业理：野显著栋提高左强度每。（1）钢蜡材的营冷加慢工硬息化冷加透工硬皆化——当荷图载超惭过材林料比货例极愈限卸栏载后镇，出单现残别余变极形，津再次垂加载勤则比乘例极出限（缴或屈甚服点虫）提闯高的笼现象驳，也芳称“应变表硬化”。时效链硬化——随时宫间的脆增长斧，碳竭和氮晶的化倦合物调从晶走体中筑析出剥，使材料月硬化盲的现宵象。应变桌时效——钢材乞产生纱塑性炮变形清时，览碳、朵氮化慎合物伶更易妹析出句。即群冷作迈硬化佳的同睬时可贺以加乎速时舰效硬触化，阀因此尸也称“人工园时效”。3、其杏它因手素（2）温砍度影调响a．正纷温范扫围20仍0℃以内幼对钢纳材性溪能无史大影葬响，溉该范浴围内叨随温森度升炮高总咐的趋弃势是拐强度煎、弹组性模邮量降殃低，坑塑性言增大梢。80喘060妹040违020捞00N/籍mm2Efuδfy20仔040近060兵0温度阵对钢廊材机换械性礼能的白影响20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)25虹0℃左右愚抗拉窜强度寸略有询提高阶，塑膝性降具低，为脆性赏增加—兰脆顿现象，该跨温度鲁区段员称为氧“兰脆园区”。26杰0～32萝0℃产生徐变现象俘。60业0℃左右会弹性送模量吵趋于养零文，承惊载能蹈力几嚷乎完响全丧公失。当温药度低始于常斩温时响，钢旷材的躺脆性夺倾向阔随温金度降伴低而汗增加俭，材料镜强度服略有后提高祸，但矩其塑扔性和庄韧性廉降低题，该理现象志称为凯低稳狭冷脆年。b．负胡温范罗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伐)应力挪集中a.应力型集中青的概融念构件态表面秘不平稿整，铜有刻待槽、垫缺口装，厚斧度突酿变时但，应霞力不财均匀赚，力序线变诵曲折牺，缺菜陷处酸有高葱峰应谊力—应力时集中。b.应力他集中茧的影纯响c.减小舌应力升集中碧现象杜的措能施<1:2.5由于查钢材科具有播良好能的塑辫性性早能，窝当承燃受静为力荷宣载且帅在常仔温下惹工作貌时，静只要够符合然规范牢规定屑的设飘计要饱求，研可以妻不考苹虑应踪蝶力集惕中的纲影响税。2.扎4钢材垄延性承破坏皂和非鄙延性购破坏丸、贪循环另加载骨和快凳速加掌载的妨效应1、延狸性破死坏和豆非延皱性破惨坏（微塑性两破坏驴和脆搜性破练坏）塑性唯破坏破坏某前有辅明显愧的塑性昨变形，破迅坏过双程长烈，断川口发盲暗，摧可以喊采取冤补救胳措施杰。脆性杠破坏坏前窑没有最明显绪的变毙形和脖征兆脊，破秆坏时翁的变格形远筝比材积料应悬有的枝变形烦能力垒小，破坏突然值，断趋口平雁直、浇发亮馋呈晶虑粒状烈，无傲机会贷补救差。将结县构或疑构件殖设计夹成延性音结构是我蹈们设鉴计的序目的混。但粥并非吗所有余的塑棒性材椅料都皮发生云塑性湾破坏贷。二个佳钢构涝件，从材质完相同守，长纱度相帮同：直径d0=1盼0m陷md0=1骑0m终m挂(刻槽乳处）破坏挤时，待拉长督较多换；搜破坏删时，迅无明贷显变帽形；屈服时：fy=2钟51益N/鲜mm2fy=2宋74洗N/仪mm2拉断时：fu=4活31密N蛇/m炼m2fu=4妻31允N斜/m樱m2可见虽：改抗变了坛工作冷条件坝，即这使塑厌性材冤料也班可能惠发生跌脆性续破坏形，在窑设计虾中应蛾避免遍这种阻情况洞出现批。2、循环京荷载的效旅应（热又称重复配荷载）土木娘工程歉中，换承受予重复略荷载密作用选的结野构或来构件料有：吊车裂梁：镜吊车桥梁虎：车权辆容器阴：内促部液台体海洋吩平台捎：海伴水建筑纹物：标地震园作用以上滚这些愚重复断荷载宣都是可变黎荷载，这枝些重扩复荷趟载的姑作用领使构圆件的森钢材闯易发蓬生疲劳乐断裂。循环抵荷载——结构连或构祸件承案受的茫随时赏间变牢化的肆荷载杨。在循竟环荷令载（爬连续纲反复锁荷载爸）作慌用下紫，经拳过有眼限次拜循环东，钢只材发伏生破只坏的蚁现象晃，称盒之为陈疲劳含。疲劳输破坏四的机颈理疲劳歼破坏旗是积漠累损忧伤的观结果政。缺陷→微观绪裂纹→宏观典裂纹。疲劳贱破坏相的特说征属于尖脆性树破坏扒，截砌面平脚均应创力小龟于屈互服点诉。断砖裂时尤无明架显的妨变形腰；裂碗缝起蒸始点哀在构蹈件表陕面处东。（1）疲呜劳断雅裂（2）疲峡劳强阅度计滩算（一）渣常幅识疲劳根据脾试验屡数据惯可以款绘出胶构件突或连兼接的蜂应力船幅Δσ与相兽应的岁致损屈循环流次数n的关次系曲腊线，扒按试烦验数偏据回归的Δσ淋-n曲线乒为平用均曲姐线(图a)，取对句数坐足标(图b)。1.容许爱应力叫幅[Δ亚σ]由于求现阶行段对慕钢材确发生申疲劳劲破坏乐尚处彻于进烂一步级研究袍阶段佣，按缩慧概率注极限源状态千计算狸疲劳怜强度敌还不纷成熟粉，故哑采用容许灭应力的计方算方会法。Δσ落-n曲线(a去)0N式中,β--直线窃对纵狂坐标捉的斜跑率；b1--直线强在横全轴坐宗标上常的截拥距；n--循环异次数致。(b)0n=5×104n=5X106............b1考虑猛试验掘数据滔的离混散性棒，取宁平均挤值减享去2倍lg愧N的标性准差s作为短疲劳宿强度床下限扔，当lg楼Δσ为正铅态分坐布时俩，保做证率多为97芦.7绝%。下限酷值的雨直线照方程荐为：此时止的Δσ即为吊容许巩应力杨幅：式中么：系数β、c--根据份钢结超构设单计规臣范“令疲劳制计算下的构结件和幕连接半分类除”查恐表得愁到。2S2S(b)0n=5×104n=5X106............b12.疲劳江强度及计算式中励：Δσ--计算送部位斗的应露力幅破；对于园焊接户部位:Δσ早=σma摸x-σmi兼n；对于刘其他锁部位狐：Δσ虏=σma萌x-0金.7慢σmi到n(计算稍应力隐幅）钩。σma粗x、σmi宰n--计算叹部位庙每次摸应力剪循环粪中的妙最大乌拉应炕力和最小舌拉应练力或至压应跑力（走取负着值）借。说明务：1）计慎算时渠荷载吊为可都变荷弟载，孕且为番荷载准的标喝准值王；2)由于圣来源炒于试枯验，蛙已考贤虑动戴力效怖应，数计算林时不匆再考名虑动晶力系睬数；3)按弹朱性方植法计犹算截泄面应吼力σ。（二）签变幅院疲劳友和吊愤车欠盼载效幕应系挠数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：对于兽吊车挎梁，造按下模式计腹算其咐疲劳已强度跟：并不摊是所的有的枯承受福动力弦荷载芒重复喊作用席的构垦件和汽连接刻都进蓄行疲谱劳验诵算。规范颠规定谎：直爪接承游受动探力荷拾载重泉复作裳用的郑构件继，当漂应力早变化拘的循乌环次社数n＞5×靠104次时缩慧，对劣应力救循环孟中出达现拉拣应力顿的部伍位进限行疲易劳验晌算。一、建筑述钢材欣的种类1、碳林素结盼构钢泪（GB臂/T武7垄00厌-8翠8）--肌-低碳团钢牌桶号Q2邮35翻--质量已等级魔（A、B、C、D）浇注亮方法改（F、b、Z、TZ）A-搜-保证fu、fy、δ，P、S含量B-品-保证fu,fy,δ,冷弯仓，常队温时Cv，P，S，C含量键；C-兰-保证fu,fy,δ,冷弯,0oC时Cv，P，S，C含量;D-完-保证fu,fy,δ,冷弯,-怖20oC时Cv，P，S，C含量;2.勾5建筑川钢材因的类豪别及吨钢材瓦的选狮用2.低合允金钢(G昂B/桑T沟15炉91侄-9升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低合芦金钢句的质纹量等摧级分A、B、C、D、E，其中E主要助是要阴求-4药00C的冲订击韧已性。二、起钢材握的选日择（一）盗选择券钢材衡的原然则1．结寨构或狱构件推的重询要性尖；2．荷睛载情激况（教静力奸荷载佛，动忍力荷使载）师；静力看荷载竹作用草下可跳选择据经济祝性较件好的Q2缺35钢材谨。动力辱荷载柄作用赚下应听选择给综合盼性能昆较好拘钢材衔。3．连捞接方雪法（粘焊接铁连接惑、螺呢栓连沫接）瘦；焊接猴结构贫对材乎质的冠要求圈严格禽，应跑严格申控制C、S、P的极知限含顶量；喝非焊汗接结江构对C的要糟求可剂降低盖一些面。4．结脂构所阅处的耀工作颤条件苏（环利境温拆度，谢腐蚀左等）骑；低温引下工塔作的匆结构皆应选非择低劳温脆佳断性虾能好退的镇窝静钢（二关）钢筐材选粱择建这议1、承序重结泽构的轨钢材夫宜采关用Q2茄35钢、Q3亭45钢、Q3携90钢和Q4阿20钢，州其质傍量应评分别毁符合态国家浮标准《碳素抗结构笨钢》G望B/匹T7它00和《低合须金高盏强度胀结构王钢》G弹B/贤T1叨59雁1的规暖定。穷当采依用其喉他牌蒜号的雷钢材耀时，蹦尚符束合相厘应有袋关标组准的较规定壁和要亲求。2、承安重结匙构的婚钢材孤应具喊有抗便拉强复度、雄伸长得率、搭屈服证强度辛和硫栋、磷宰含量宰的合蚁格保灯证，绸对焊昨接结桥构尚这具有划含碳忆量的连合格雕保证暮。3、对于侧需要浴验算份疲劳屑的焊弯接结融构，疲应具谷有常惩温冲慢击韧令性的赞合格趴保证泊；当结率构工布作温严度等际于或龟低于0℃但高环于－20桌℃时，Q2毅35钢和Q3叛45钢应段具有0℃冲击汽韧性拘合格讲的保笨证；对于Q3妈90钢和Q4往20钢应削具有薯－20它℃冲击拨韧性急的合吨格保必证。当结均构工豪作温悦度等桐于或竖低于普－20亿℃时，续对Q2饭35钢和Q3右45钢应氧具有遮－20丢℃冲击秃韧性叉的合痰格保姓证；对Q3掉90和Q4谈20钢应睬具有爹－40吨℃冲击码韧性伞的合替格保肉证。4、对与于需肥要验夏算疲枪劳的搏非焊雅接结蕉构的宽钢材闹亦应巩具有傅常温绵冲击籍韧性劈燕的合乒格保吨证，当趴结构洲工作鞠温度言等于下或低馆于－20悬℃时，藏对Q2盛35钢和Q3称45钢应赌具有0℃冲击挥韧性描合格着的保腿证；对Q3泛90钢和Q4袄20钢应棍具有讯－20叫℃冲击泻韧性边的合格格保回证。5、重活要的缠受拉奖或受游弯的密焊接学构件枣中，查厚度霉大于与等于16水mm的钢除材应潜具有荷常温娘冲击饿韧性含合格粒的保柔证。6、当焊追接结垦构为恭防止隐钢材暗的层爹状撕溜裂而设采用Z向钢企时，桂其材泉质应良符合沟现行遮国家到标准《厚度习方向盗性能礼