钢结构的材料与计算方法.ppt

1、钢结构材料及计算方法。本章重点介绍机械性能、化学成分、钢材选择和钢结构设计方法等。并在学习过程中掌握以下内容：(1)了解钢结构的特点、应用范围、发展过程和趋势；(2)掌握304不锈钢板的初步拉伸试验方法和应力应变曲线；本章摘要，(3)掌握钢材的力学性能和化学成分；(4)掌握钢材的选择方法；(5)掌握钢结构的设计方法。本章内容，16.1钢结构的特点、应用范围和发展，16.2钢材的力学性能和化学成分，16.3其他因素对钢材性能的影响，16.4钢材的品种和选择，16.5钢结构的设计方法和指标，16.1钢结构的特点、应用范围和发展，钢结构是由钢板、型钢和薄壁型钢组成的构件，与其他材料相比，该结构由焊接

2、而成， 铆接和螺栓连接具有以下特点：(1)钢材强度高，结构自重轻，(2)塑性和韧性好，(3)材料均匀，(4)工业化程度高，钢结构16.1.1的特点，(5)可焊性，(6)耐腐蚀性差，(7)大跨度结构，(2)重型厂房结构，(3)动载荷作用下的厂房结构，(4)多层、高层和超高层建筑，(5)高层结构，(6)板壳结构，(7)可拆卸结构，16.1 (1)高强度低合金钢(2)轧制新型型钢(3)改进计算方法(4)结构形式(5)优化原则的应用，16.1.3钢结构的发展，16.2钢的力学性能和化学成分，(1)屈服点和抗拉强度建筑用钢的强度和塑性一般用常温和静载下的单轴拉伸试验曲线来表示，这是钢的标准试验。根据加载

3、过程中测得的数据绘制应力-应变曲线(即曲线)。 如图16.1所示，是低碳钢的应力-应变曲线。16.2.1钢的力学性能，当应力超过fp时，应变增加得比应力快，而当它达到b点时，应变急剧增加，但应力基本不变。这个阶段称为屈服阶段，应力-应变曲线为水平截面，钢筋产生相当大的塑性变形，对应于c点的应力fy称为屈服强度。对于没有明显屈服点和塑性平台的钢材，对应于卸载后0.2%残余变形的应力作为屈服点，称为名义屈服点F0.2。在屈服点阶段后，重新调整钢材内部结构，进入强化阶段，直到曲线最高点即抗拉强度fu出现颈缩，此时变形急剧增加，应力下降，最终试样断裂。抗拉强度是钢在失效前能承受的最大应力，但巨大的塑性

4、变形使其毫无意义，只能作为强度储备。Fy/fu称为屈强比，其值越大，表明钢得到了充分利用；越小，安全储备越大。(2)塑钢的塑性是指在应力超过屈服点后，它能产生显著的塑性变形而不立即断裂，这可以通过试样在静态拉伸下的伸长率来测量。伸长率是指如图16.2所示，拉伸试样后，原始轨距的伸长值与原始轨距之比的百分比，即(3)冷弯性能冷弯性能是指钢在冷加工(即常温加工)时的抗裂性。冷弯试验方法是在材料试验机上按规定的弯曲中心直径D将板厚A、板宽B弯曲180，弯曲处无裂纹、无分层为合格。同时，它可以检查内部缺陷(晶粒结构、结晶、杂质分布等)。)的钢和识别钢的可焊性，所以冷弯性能是衡量钢质量的综合指标(图16

5、.3)。(4)冲击韧性钢的韧性是钢在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，也是钢在动态载荷下抵抗脆性破坏的能力。冲击韧性指数通过冲击试验获得，称为冲击值。在冲击试验中，将一个横截面为10毫米和10毫米、长度为55毫米、中间有一个小凹槽的矩形试样(图16.5)放在摆式冲击试验机上进行冲压(图16.4)，冲击能量Ak(单位为J)可以从试验机的刻度盘上读出。钢结构用钢的力学性能指标见表16.1和表16.2，图16.1低碳钢单轴拉伸应力应变图，图16.2静态拉伸标准试样，图16.3冷弯试验示意图，图16.4冲击韧性试验和试样缺口形式，(a)试验示意图；(二)梅的“U”形切口；(3)夏比V形缺口，图16.

6、5冲击试样取样方法，表16.1 Q235钢的力学性能，表16.2 Q345和Q390钢的力学性能，钢的化学成分直接影响钢的显微组织和力学性能。钢的基本元素是铁，约占碳素结构钢的99%，其余为碳、锰、硅和冶炼中难以去除的硫、磷、氧、氮等有害元素。在低合金结构钢中，通过适当增加锰和硅的含量可以改善钢的机械性能。如果加入少量的钒、钛、铌、铜等元素，某些性能会得到更显著的改善。钢材的化学成分见表16.3和16.4、16.2.2，Q235钢的化学成分(熔炼分析)见表16.3(% ), Q345和Q390钢的化学成分见表16.4(% ),其他因素对钢性能的影响见表16.3，根据冶炼方法，钢可分为平炉钢，根

7、据脱氧条件不同，可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。钢锭在12001300的高温下进行多次热轧。热轧改善了钢锭的铸造结构，使晶体致密，消除了一些缺陷，提高了力学性能。钢锭厚度与型钢厚度之比称为压缩比。压缩比越大，质量越好。16.3.1在冶炼和轧制过程中，随着时间的增加，钢的强度增加，塑性和韧性降低，这称为时效硬化。所谓人工时效是指无缝钢管塑性变形约10%，然后加热至2501小时，然后在空气中冷却，这样时效可以在几个小时内完成。当钢在弹塑性或塑性阶段卸载后再加载时，其屈服点会增加，弹性工作范围会增加，但塑性和韧性会降低。这种现象被称为冷加工硬化。16.3.2钢的硬化，当钢在250左右时，抗拉强度提高

8、，塑性和韧性降低。这种现象被称为蓝色脆性(因为表面氧化膜是蓝色的)。应避免在蓝色脆性温度范围内进行热加工，否则容易产生裂纹。当温度从常温下降时，强度略有增加，但塑性和韧性下降，变脆。当温度下降到一定范围时，冲击韧性急剧下降，破坏特征明显转变为脆性破坏，称为低温冷脆性。16.3.3温度的影响，16.3.4在复杂应力下的工作，图16.6由于横截面几何形状的突然变化，复杂的应力状态导致应力线密集而曲折，导致孔边缘和缺口尖端出现局部峰值应力，而其他部分的应力降低，形成所谓的应力集中现象。从图16.7可以看出，应力集中程度取决于构件形状的变化，这种变化剧烈，峰值应力大。图16.8是不同拉伸槽试样的应力-

9、应变图，显示形状变化越严重，应力集中越严重，抗拉强度越高，脆性破坏的风险越大。承受静荷载的构件应符合规范的相关要求，以避免截面形状的突然变化，设计中不得考虑应力集中。16.3.5应力集中的影响，图16.7应力集中和图16.8应力集中对钢性能的影响。在连续重复载荷下，尽管应力低于16.3.6、重复荷载的影响，16.4钢材的品种和选用，钢材按用途分为结构钢、工具钢和特种钢，结构钢可分为建筑用钢和机械用钢；根据冶炼方法，钢可分为转炉钢和平炉钢。目前转炉炼钢采用氧气顶吹转炉钢，其成本低于平炉钢，按脱氧方法可分为沸腾钢(F)、半沸腾钢(B)、镇静钢(Z)和特种镇静钢(TZ)。钢种中可以省略镇静钢和特种镇

10、静钢的代号，镇静钢脱氧充分，而沸腾钢脱氧较差，所以一般采用镇静钢；16.4.1结构钢的品种和牌号按成型方法分为轧制钢、锻钢和铸钢；根据化学成分，它分为碳钢和合金钢。碳素结构钢、低合金钢和优质碳素结构钢通常用于建筑工程。(1)碳素结构钢目前，碳素结构钢所用的国家标准碳素结构钢(GB 70088)按质量等级分为四个等级，即a级最差，d级最好。本标准中钢材类型的表示方法包括四个部分：字母q、屈服点值(N/mm2)、质量等级代码(a、b、c、d)和脱氧方法代码(f、b、z、TZ)。碳素结构钢(GB 70088)根据屈服点值，碳素结构钢分为五个等级：Q195、Q215、Q235、Q255和Q275。(2

11、)低合金结构钢低合金结构钢国家标准低合金高强度结构钢(GB/T 1591)按质量等级分为A、B、C、D、E五个等级，其表示方法与碳素结构钢相同，即钢的厚度(直径)为16毫米时的屈服点，分为Q295、Q345、Q390、Q420和Q460五个等级。(1)承重结构用钢应采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢。(2)在下列情况下，Q235沸腾钢不应用于承重结构和构件：焊接结构不是焊接结构；(3)承重结构用钢应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，焊接结构也应具有碳含量的合格保证。16.4.2钢材的选择，(4)需要进行疲劳检查的焊接结构用钢，其常温冲击韧性应有合格的保证。对

12、于需要进行疲劳检查的非焊接结构的钢材，还应具有常温冲击韧性的合格保证。(5)起重机起重量不小于50t的中间工作吊车梁用钢的冲击韧性要求应与需要检查疲劳的部件相同。钢结构用钢主要有热轧钢板、型钢、冷弯薄壁型钢和压型钢板。(1)钢板分为薄钢板、厚钢板和平钢板，其规格用符号“”加毫米数“宽、厚”表示。例如，60012代表宽度为600毫米、厚度为12毫米的钢板。薄钢板：0.354毫米厚，5001500毫米宽，0.54米；长；厚钢板：4.560毫米厚，6003000毫米宽，412米；长；扁钢：460毫米厚，12200毫米宽，39米长。16.4.3钢材规格，(2)热轧钢结构通常用作角钢、槽钢、工字钢和工字

13、钢(图16.9)。工字梁又分为普通梁和轻型梁，分别用符号“I”和“QI”表示。工字钢分为宽翼缘工字钢、窄翼缘工字钢和工字钢桩。(3)冷弯薄壁型钢和压型钢板冷弯薄壁型钢采用1.55毫米薄钢板成型或冷弯成型，其截面形式如图16.10所示。压型钢板是由0.42毫米厚的钢板、镀锌钢板和彩涂钢板经冷轧制成的波纹板。中国有26种压型钢板，图16.11显示了其中的一些。图16.9热轧型钢，图16.10冷弯薄壁型钢，图16.11压型钢板，16.5钢结构设计方法和设计指标，(1)可变荷载效应控制的承载力极限状态设计表达式：永久荷载效应控制的组合，16.5.1计算根据规范，在下列情况下计算结构构件或连接时，表16.5和表16.10规定的强度设计值应乘以相应的折减系数：(1)单面连接的单角钢的强度和连接按轴力计算，乘以系数0.85；根据轴压16.5.2设计指标计算稳定性，(2)无垫板单面对接焊缝乘以系数