水工钢结构第2章绪论

1、 合肥工业大学水利系 第二章第二章 钢结构的材料和计算方法钢结构的材料和计算方法 合肥工业大学水利系 2.12.1钢结构对钢材性能的要求钢结构对钢材性能的要求 钢材的种类很多，性能差别很大，用作钢结构的钢材必须符合下列 要求。 2.1.1 2.1.1 较高的强度较高的强度 较高的抗拉强度较高的抗拉强度fufu和屈服强度和屈服强度fy fy 。 fu-fu-是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，它直接反映是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，它直接反映 钢材内部组织的优劣，钢材内部组织的优劣， fufu高可以增加结构的安全储备。高可以增加结构的安全储备。 fy-fy-是衡量结构承载能力的指标，是衡量

2、结构承载能力的指标， fyfy高则可减轻结构自重高则可减轻结构自重 ，节约钢材和降低造价。，节约钢材和降低造价。 2.1.2 2.1.2 足够的变形能力足够的变形能力 即塑性和韧性性能好。即塑性和韧性性能好。 塑性好塑性好: : 结构在静载和动载作用下有足够的应变能力，可减结构在静载和动载作用下有足够的应变能力，可减 轻结构出现脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调轻结构出现脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调 整局部高峰应力。整局部高峰应力。 韧性好韧性好: : 结构具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。结构具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。 合肥工业大学水利系 v2.1.3 2.1.3

3、良好的工艺性能良好的工艺性能 良好的工艺性能包括冷加工、热加工和可焊性能。良好的工艺性能包括冷加工、热加工和可焊性能。 具有良好的工艺性能的钢材不但易于加工成各种形式的具有良好的工艺性能的钢材不但易于加工成各种形式的 结构，而且不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等结构，而且不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等 造成较大的不利影响。造成较大的不利影响。 此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材 具有适应低温、高温、腐蚀性环境以及重复荷载作用等具有适应低温、高温、腐蚀性环境以及重复荷载作用等 的性能。在符合上述性能的条件下，钢材也应该容易生的性能

4、。在符合上述性能的条件下，钢材也应该容易生 产，价格便宜。产，价格便宜。 合肥工业大学水利系 2.2 2.2 钢材的破坏形式钢材的破坏形式 v钢材有两种破坏形式，即塑性破坏和脆性钢材有两种破坏形式，即塑性破坏和脆性 破坏。破坏。 v塑性破坏塑性破坏( (常温和静载常温和静载) ) v变形大，变形持续的时间较长，断裂后的断口呈纤维变形大，变形持续的时间较长，断裂后的断口呈纤维 状，色泽发暗。状，色泽发暗。 v此外，塑性变形后出现内力重分布，使结构中原先受此外，塑性变形后出现内力重分布，使结构中原先受 力不等的部分应力趋于均匀，因而提高了结构的承载力不等的部分应力趋于均匀，因而提高了结构的承载 能

5、力。能力。 合肥工业大学水利系 v脆性破坏脆性破坏( (动载或复杂应力动载或复杂应力、低温、低温) ) v塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于 钢材的屈服点钢材的屈服点f fy y ，断裂从应力集中处开始。冶金和机，断裂从应力集中处开始。冶金和机 械加工过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，常是断械加工过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，常是断 裂的发源地。裂的发源地。 v破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直并破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直并 呈有光泽的晶粒状。由于脆性破坏前没有明显的预兆，呈有光泽的晶粒状。由

6、于脆性破坏前没有明显的预兆， 无法及时察觉和采取补救措施，而且个别构件的断裂常无法及时察觉和采取补救措施，而且个别构件的断裂常 会引起整体结构塌毁，后果严重，损失较大。会引起整体结构塌毁，后果严重，损失较大。 v因此，在设计、施工和使用过程中，应特别注意防止钢因此，在设计、施工和使用过程中，应特别注意防止钢 结构的脆性破坏。结构的脆性破坏。 注意注意: :不能说发生脆性破坏的一定是脆性材料。不能说发生脆性破坏的一定是脆性材料。 合肥工业大学水利系 2.3 2.3 钢材的主要性能钢材的主要性能 v2.3.1 2.3.1 单向均匀拉伸时的性能单向均匀拉伸时的性能 v钢材标准试件在常温、静载情况下，

7、单向一钢材标准试件在常温、静载情况下，单向一次均匀受拉次均匀受拉 试验时的应力试验时的应力应变曲线，如应变曲线，如图图2.12.1所示。所示。 v从这条曲线中可以看出钢材的单向受拉过程中有下列几从这条曲线中可以看出钢材的单向受拉过程中有下列几 个阶段：个阶段： v弹性阶段（曲线的弹性阶段（曲线的OAOA段）段） v弹塑性阶段（曲线的弹塑性阶段（曲线的ABAB段）段） v屈服阶段（曲线的屈服阶段（曲线的BCBC段）段） v应变硬化阶段（曲线的应变硬化阶段（曲线的CDCD段）段） v颈缩阶段（曲线的颈缩阶段（曲线的DEDE段）段） 合肥工业大学水利系 A B C D E 0 tan-1 E fy

8、fu fpfe 图2.1 低碳钢拉伸曲线示意图 弹性阶段 比例极限fp 弹塑性阶段 塑性阶段( 屈服阶段)fy 强化阶段 抗拉强度fu 颈缩破坏 阶段 合肥工业大学水利系 v 钢材的拉伸试验所得屈服点钢材的拉伸试验所得屈服点fyfy、抗拉强度、抗拉强度fufu和伸长率和伸长率，是钢，是钢 材机械性能的三项重要指标。材机械性能的三项重要指标。 v 钢结构设计中，将钢材屈服点钢结构设计中，将钢材屈服点fyfy作为钢材的标准强度。设计时作为钢材的标准强度。设计时 将曲线简化为如将曲线简化为如图图2.22.2所示的理想弹塑性的模型。根据这条曲所示的理想弹塑性的模型。根据这条曲 线，认为钢材应力小于线，

9、认为钢材应力小于fyfy时是完全弹性的，应力超过后时是完全弹性的，应力超过后fyfy则是则是 完全塑性的。完全塑性的。 v 设计中以设计中以fyfy作为极限，是因为超过作为极限，是因为超过fyfy就进入应变硬化阶段，材就进入应变硬化阶段，材 料性能发生改变，使基本的计算假定（理想弹塑性材料）无效料性能发生改变，使基本的计算假定（理想弹塑性材料）无效 。另外，钢材从开始屈服到破坏，塑性区变形范围很大，约为。另外，钢材从开始屈服到破坏，塑性区变形范围很大，约为 弹性区变形的弹性区变形的200200倍。同时抗拉强度倍。同时抗拉强度fufu又比屈服点高出很多，又比屈服点高出很多， 因此取屈服点因此取屈

10、服点fyfy作为钢材设计应力极限，可以使钢结构有相当作为钢材设计应力极限，可以使钢结构有相当 大的强度储备。大的强度储备。 为什么通常取fy作为 强度标准值,而不用 抗拉强度fu? 合肥工业大学水利系 图2.2 理想弹塑性材料的-曲线 合肥工业大学水利系 v 钢材的伸长率钢材的伸长率是反映钢材塑性（或延性）的指标之一。其是反映钢材塑性（或延性）的指标之一。其 值愈大，钢材破坏时吸收的应变能愈多，塑性愈好。建筑用值愈大，钢材破坏时吸收的应变能愈多，塑性愈好。建筑用 的钢材不仅要求强度高，还要求塑性好，以便调整局部高峰的钢材不仅要求强度高，还要求塑性好，以便调整局部高峰 应力，提高结构抗脆断的能力

11、。应力，提高结构抗脆断的能力。 v 截面收缩率截面收缩率是反映钢材塑性（或延性）的另一个指标，其是反映钢材塑性（或延性）的另一个指标，其 值为试件发生颈缩拉断后，断口处横截面积（即颈缩处最小值为试件发生颈缩拉断后，断口处横截面积（即颈缩处最小 横截面积）横截面积）A A1 1与原横截面积与原横截面积A A0 0的缩减百分比，即的缩减百分比，即 %100 )( 0 10 A AA 截面收缩率标志着钢材颈缩区在三向拉应力状态下截面收缩率标志着钢材颈缩区在三向拉应力状态下 的最大塑性变形能力。的最大塑性变形能力。值愈大，塑性愈好对于值愈大，塑性愈好对于 抗层状撕裂的抗层状撕裂的Z Z向钢，要求向钢，

12、要求值不得过低。值不得过低。 合肥工业大学水利系 v 建筑中有时也使用强度很高的钢材，例如用于制造高强度建筑中有时也使用强度很高的钢材，例如用于制造高强度 螺栓的经过热处理的钢材。这类钢材没有明显的屈服台阶螺栓的经过热处理的钢材。这类钢材没有明显的屈服台阶 （见图（见图2.32.3），伸长率也相对较小。对于这类钢材，取卸荷），伸长率也相对较小。对于这类钢材，取卸荷 后残余应变为后残余应变为0.2%0.2%时时, ,所对应的应力作为屈服点，又称为名所对应的应力作为屈服点，又称为名 义屈服点。义屈服点。 图2.3 钢材的名义屈服点 合肥工业大学水利系 v冷弯性能由冷弯试验来确定（冷弯性能由冷弯试验

13、来确定（图图2.42.4）。）。 v冷弯试验冷弯试验: :按照规定的弯心直径在试验机上用冲头按照规定的弯心直径在试验机上用冲头 加压，使试件弯成加压，使试件弯成1801800 0，如试件外表面不出现裂纹，如试件外表面不出现裂纹 和分层，即为合格。和分层，即为合格。 v冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或 塑性性能。还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫塑性性能。还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫 、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都 将降低钢材的冷弯性能。将降低钢材的冷弯性能。 v因此，冷弯性能合格是判别钢

14、材的塑性性能和钢因此，冷弯性能合格是判别钢材的塑性性能和钢 材质量的综合指标。材质量的综合指标。 合肥工业大学水利系 a d d+2.1a 图 2.4 钢材冷弯试验示意图 合肥工业大学水利系 v拉力试验所表现的钢材性能，如强度和塑性，是拉力试验所表现的钢材性能，如强度和塑性，是 静力性能静力性能 v冲击韧性试验可获得钢材的动力性能。韧性是钢冲击韧性试验可获得钢材的动力性能。韧性是钢 材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸 收的总能量（包括弹性和非弹性能）来量度，其收的总能量（包括弹性和非弹性能）来量度，其 值为值为图图2.12.1中中曲线与横坐标所

15、包围的总面积曲线与横坐标所包围的总面积 ，总面积愈大韧性愈高，故韧性是钢材强度和塑，总面积愈大韧性愈高，故韧性是钢材强度和塑 性的综合指标。通常是钢材强度提高，韧性降低性的综合指标。通常是钢材强度提高，韧性降低 ，表示钢材趋于脆性。，表示钢材趋于脆性。 合肥工业大学水利系 v钢材的冲击韧性数值随试件缺口形式和使用试验钢材的冲击韧性数值随试件缺口形式和使用试验 机不同而异。机不同而异。 v现行国家标准规定采用恰贝（现行国家标准规定采用恰贝（CharpyCharpy）V V形缺口试形缺口试 件在恰贝试验机上进行件在恰贝试验机上进行 图图2.5(a) 2.5(a) ，折断试件所，折断试件所 消耗的功

16、用消耗的功用CvCv表示，单位为表示，单位为J J。 v过去我国长期以来采用梅氏过去我国长期以来采用梅氏U U形缺口试件在梅氏试形缺口试件在梅氏试 验机上进行验机上进行 图图2.5(b)2.5(b)，所得结果以单位截面积，所得结果以单位截面积 上所消耗的冲击功上所消耗的冲击功akak表示，单位为表示，单位为J/cmJ/cm2 2。 v由于恰贝试件比梅氏试件具有更为尖锐的缺口，由于恰贝试件比梅氏试件具有更为尖锐的缺口， 更接近构件中可能出现的严重缺陷，近年来用更接近构件中可能出现的严重缺陷，近年来用CvCv 来表示钢材冲击韧性的方法日趋普遍。来表示钢材冲击韧性的方法日趋普遍。 合肥工业大学水利系

17、 30 R2.5 1010 40 55 r=1.0 2 r=0.25 (a)(b) 90 2 图冲击韧性 (a)恰贝试件试验； (b)梅氏试验 合肥工业大学水利系 v可焊性是指采用一般的焊接工艺就可完成合格的可焊性是指采用一般的焊接工艺就可完成合格的 焊缝的性能。焊缝的性能。 v钢材的可焊性受含碳量和合金元素含量的影响钢材的可焊性受含碳量和合金元素含量的影响。 v含碳量在含碳量在0.1%0.1%0.2%0.2%范围的碳素钢可焊性最好，可焊性范围的碳素钢可焊性最好，可焊性 良好的钢材，用普通的焊接方法焊接后焊缝金属及其附良好的钢材，用普通的焊接方法焊接后焊缝金属及其附 近的热影响区金属不产生裂纹

18、，并且它们的机械性能不近的热影响区金属不产生裂纹，并且它们的机械性能不 低于母材的机械性能。低于母材的机械性能。 v钢材的可焊性与钢材的品种、塑性钢材的可焊性与钢材的品种、塑性、冲击韧性冲击韧性、 焊缝构造及所采取的焊接工艺规程有关。焊缝构造及所采取的焊接工艺规程有关。 合肥工业大学水利系 v影响钢材腐蚀的因素影响钢材腐蚀的因素: :湿度、空气、水中化学物质湿度、空气、水中化学物质 的数量和活力等。的数量和活力等。 v防腐蚀措施防腐蚀措施: : v涂料防护涂料防护: : 油脂漆类、环氧树脂漆类、沥青漆类、氯油脂漆类、环氧树脂漆类、沥青漆类、氯 化橡胶等化橡胶等 v喷镀保护喷镀保护: : 镀锌镀

19、锌、镀铬镀铬 v电化学保护电化学保护 合肥工业大学水利系 2.4 2.4 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素 v2.4.1 2.4.1 化学成分的影响化学成分的影响 v钢是由各种化学成分组成的，化学成分及其含量对钢的性能钢是由各种化学成分组成的，化学成分及其含量对钢的性能 特别是力学性能有着重要的影响。特别是力学性能有着重要的影响。 基本成份基本成份 Fe:Fe:钢中含量占钢中含量占9999 C: C: 含含CC使强度使强度塑性、韧性、可焊性塑性、韧性、可焊性，应，应 控制在控制在0.22%0.22%，焊接结构应控，焊接结构应控0.20%0.20%。 Si:Si:含含SiSi适量使强

20、度适量使强度 其它影响不大，有益其它影响不大，有益, ,应控制应控制 杂质元素杂质元素 在在0.10.10.3%0.3% Mn: Mn:含含SiSi适量使强度适量使强度 降低降低S S、O O的热脆影响的热脆影响, ,改善热改善热 加工性能，对其它性能影响不大加工性能，对其它性能影响不大, ,有益。有益。 S: S: 含量含量使强度使强度塑性、韧性、冷弯性能、可焊性塑性、韧性、冷弯性能、可焊性 ; ;高温时使钢材变脆高温时使钢材变脆热脆现象热脆现象 有害元素有害元素 P: P: 低温时使钢材变脆低温时使钢材变脆冷脆现象冷脆现象；其它同；其它同S S N N、O:OO:O同同S S；N N同同P

21、 P，控制含量，控制含量0.008%0.008% V、Ti、B所含百分比不大,可使晶粒细化,强度、抗蚀性, 塑性韧性不显著降低有益元素 合肥工业大学水利系 v 炼钢的三个过程炼钢的三个过程: :熔炼熔炼、浇注浇注、轧制轧制 v 建筑用的轧制钢材，是将炼钢炉炼出的钢液注入盛钢桶中，再建筑用的轧制钢材，是将炼钢炉炼出的钢液注入盛钢桶中，再 由盛钢桶送入浇注车间，浇注成钢锭，一般钢锭冷却至常温放由盛钢桶送入浇注车间，浇注成钢锭，一般钢锭冷却至常温放 置，需要时再将钢锭加热切割，送入轧钢机中反复碾压轧制成置，需要时再将钢锭加热切割，送入轧钢机中反复碾压轧制成 各种型号的钢材。各种型号的钢材。 v (1

22、)(1)冶炼炉种的影响冶炼炉种的影响-熔炼熔炼 v 氧气顶吹转炉法氧气顶吹转炉法 钢结构用钢钢结构用钢 v 碱性平炉法碱性平炉法 v 电炉法电炉法-价高价高 合肥工业大学水利系 v 钢材在冶炼、轧制过程中常常出现的缺陷有钢材在冶炼、轧制过程中常常出现的缺陷有: :偏析、夹杂、气偏析、夹杂、气 泡、分层及裂纹等。泡、分层及裂纹等。 v 为保证钢材质量，需要在钢液中加入脱氧剂进行脱氧。为保证钢材质量，需要在钢液中加入脱氧剂进行脱氧。 v (2)(2)钢的脱氧钢的脱氧-浇注浇注 v根据脱氧程度不同，钢材分为根据脱氧程度不同，钢材分为: : v沸腾钢沸腾钢: :冶炼时间短冶炼时间短, ,缺陷多缺陷多,

23、 ,晶粒较粗晶粒较粗, ,塑性塑性、韧性、可焊性较差、韧性、可焊性较差 , ,价格低价格低, ,不可用于动载、低温不可用于动载、低温. . v镇静钢镇静钢: :冶炼时间长冶炼时间长, ,缺陷少缺陷少, ,氧气杂质少氧气杂质少, ,晶粒较细晶粒较细, ,均匀均匀, ,价格高价格高 . . v半镇静钢半镇静钢: :介于以上两者之间介于以上两者之间 v特殊镇静钢。特殊镇静钢。 合肥工业大学水利系 v 轧制钢材的结晶晶粒细密均匀，钢材内部的气泡、裂纹可以得轧制钢材的结晶晶粒细密均匀，钢材内部的气泡、裂纹可以得 到压合。因此轧制钢材的性能比铸钢优越。轧制次数多的钢材到压合。因此轧制钢材的性能比铸钢优越。

24、轧制次数多的钢材 比轧制次数少的性能改善程度要好些，一般薄的钢材的强度及比轧制次数少的性能改善程度要好些，一般薄的钢材的强度及 冲击韧性优于厚的钢材。此外钢材性能与轧制方向也有关，一冲击韧性优于厚的钢材。此外钢材性能与轧制方向也有关，一 般钢材顺轧制方向的强度和冲击韧性比横方向的要好。般钢材顺轧制方向的强度和冲击韧性比横方向的要好。 v 对于某些特殊用途的钢材，在轧制后还常经过热处理进行调质对于某些特殊用途的钢材，在轧制后还常经过热处理进行调质 ，以改善钢材性能。常见的热处理方式有淬火、正火、回火、，以改善钢材性能。常见的热处理方式有淬火、正火、回火、 退火等等。用作高强度螺栓的合金钢，如退火

25、等等。用作高强度螺栓的合金钢，如20MnTiB(2020MnTiB(20锰钛硼锰钛硼) ) 就要进行热处理调质（淬火后高温回火），使其强度提高，同就要进行热处理调质（淬火后高温回火），使其强度提高，同 时又保持良好的塑性和韧性。时又保持良好的塑性和韧性。 合肥工业大学水利系 v 图图2.6(a)2.6(a)示出低碳钢试件单向拉伸的示出低碳钢试件单向拉伸的-曲线。曲线。 由由-曲曲 线的变化，可看出钢材受荷超过弹性范围以后，若重复地卸载线的变化，可看出钢材受荷超过弹性范围以后，若重复地卸载 、加载，将使钢材弹性极限提高，塑性降低。这种现象称为、加载，将使钢材弹性极限提高，塑性降低。这种现象称为应

26、应 变硬化或冷作硬化。变硬化或冷作硬化。 v 轧制钢材放置一段时间后，其机械性能也会发生变化。钢材的轧制钢材放置一段时间后，其机械性能也会发生变化。钢材的 曲线会由原来图曲线会由原来图2.6(a)2.6(a)中的实线变成虚线所示的曲线。比较实中的实线变成虚线所示的曲线。比较实 线和虚线，可以看出钢材放置一段时间后，强度提高，塑性降线和虚线，可以看出钢材放置一段时间后，强度提高，塑性降 低。这种现象称为时效硬化。低。这种现象称为时效硬化。 v 如果钢材经过冷加工产生过塑性变形，时效过程会加快如果钢材经过冷加工产生过塑性变形，时效过程会加快（图（图 2.6(b)2.6(b)）。如果冷加工后又将钢材

27、加热（例如加热到。如果冷加工后又将钢材加热（例如加热到100100左左 右），其时效过程就更加迅速。这种处理称为人工时效。右），其时效过程就更加迅速。这种处理称为人工时效。 合肥工业大学水利系 O A BC D E 1 2 3 4 O 时效前 时效后 冷作硬化及时效后 时效前 (a)(b) 图 2.6 钢的冷作硬化与时效 硬化(示意图) 合肥工业大学水利系 v 钢材性能随温度变动而有所变化，总的趋势是：温度升高，钢钢材性能随温度变动而有所变化，总的趋势是：温度升高，钢 材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增 加，塑性和韧性却

28、会降低而变脆加，塑性和韧性却会降低而变脆（图（图2.72.7）。 v 温度升高，约在温度升高，约在200200以内钢材性能没有很大变化，以内钢材性能没有很大变化， 430540430540之间强度急剧下降，之间强度急剧下降，600600时强度很低不能承担荷时强度很低不能承担荷 载。载。 v 但在但在250250左右，钢材的强度反而略有提高，同时塑性和韧性左右，钢材的强度反而略有提高，同时塑性和韧性 均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈蓝色，称为蓝均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈蓝色，称为蓝 脆现象。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。脆现象。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加

29、工。 v 当温度在当温度在260260320320时，在应力持续不变的情况下，钢材时，在应力持续不变的情况下，钢材 以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变现象。以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变现象。 合肥工业大学水利系 fu E fy 160103 170103 180103 190103 200103 210103 220103 100200300400500600 20 40 60 80 0 200 400 600 800 fu(N/mm 2) fy % E(N/mm 2) t( C) 合肥工业大学水利系 v 当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度当温度从常温开始

30、下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度 虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称 为低温冷脆。为低温冷脆。 v 图图2.82.8是钢材冲击韧性与温度的关系曲线。由图可见，随着温是钢材冲击韧性与温度的关系曲线。由图可见，随着温 度的降低度的降低,Cv,Cv值迅速下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏值迅速下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏 ，同时可见这一转变是在一个温度区间内，同时可见这一转变是在一个温度区间内T T1 1 T T2 2完成的，此温度 完成的，此温度 区称为钢材的脆性转变温度区，在此区内曲线的反弯点（最陡区称为钢

31、材的脆性转变温度区，在此区内曲线的反弯点（最陡 点）所对应的温度点）所对应的温度T T0 0称为转变温度。称为转变温度。 v 不同钢材的脆性转变温度需要由大量试验资料统计分析确定。不同钢材的脆性转变温度需要由大量试验资料统计分析确定。 在结构设计中要求避免完全脆性破坏，所以结构所处的温度应在结构设计中要求避免完全脆性破坏，所以结构所处的温度应 大于大于T T1 1。 合肥工业大学水利系 试验温度T 脆性破坏 转变过渡区段 塑性破坏 冲击断裂功Cv C T1T0T2 图 2.8 冲击韧性与温度的关系曲 合肥工业大学水利系 v 钢结构的构件中有时存在着孔洞、槽口、凹角、缺陷以及截面钢结构的构件中有

32、时存在着孔洞、槽口、凹角、缺陷以及截面 突然改变时，构件中的应力分布将不再保持均匀，而是在缺陷突然改变时，构件中的应力分布将不再保持均匀，而是在缺陷 以及截面突然改变处附近，出现应力线曲折、密集、产生高峰以及截面突然改变处附近，出现应力线曲折、密集、产生高峰 应力的现象称为应力集中现象（应力的现象称为应力集中现象（图图2.92.9）。）。 v 高峰区的最大应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数高峰区的最大应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数 。 v 研究表明，材料处于复杂受力状态，钢材有变脆的趋势。应力研究表明，材料处于复杂受力状态，钢材有变脆的趋势。应力 集中系数愈大，变脆的倾向亦

33、愈严重。由于建筑钢材塑性较好集中系数愈大，变脆的倾向亦愈严重。由于建筑钢材塑性较好 ，在一定程度上能促使应力进行重分布，使应力不均匀的现象，在一定程度上能促使应力进行重分布，使应力不均匀的现象 趋于平缓。趋于平缓。 合肥工业大学水利系 图2 .9 孔 洞 及 槽 孔 x y y x 1111 合肥工业大学水利系 v对于受静荷载作用的构件在常温下工作对于受静荷载作用的构件在常温下工作 时，在计算中可不考虑应力集中的影响时，在计算中可不考虑应力集中的影响 。但在负温下或动力荷载作用下工作的。但在负温下或动力荷载作用下工作的 结构，应力集中的不利影响将十分突出结构，应力集中的不利影响将十分突出 ，往

34、往是引起脆性破坏的根源，故在设，往往是引起脆性破坏的根源，故在设 计中应采取措施避免或减小应力集中，计中应采取措施避免或减小应力集中， 并选用质量优良的钢材。并选用质量优良的钢材。 合肥工业大学水利系 v钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会 发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。 v根据试验，钢材在直接的、连续反复的动力荷载根据试验，钢材在直接的、连续反复的动力荷载 作用下，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷作用下，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷 载作用下的拉伸试验的极限强度载作用下的拉伸试验的极限强度fufu，这种

35、现象称，这种现象称 为钢材的疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆性为钢材的疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆性 断裂。断裂。 v疲劳破坏是累积损伤的结果。疲劳破坏是累积损伤的结果。 v构件的应力水平不高或反复次数不多的钢材一般构件的应力水平不高或反复次数不多的钢材一般 不会发生疲劳破坏，计算中不必考虑疲劳的影响不会发生疲劳破坏，计算中不必考虑疲劳的影响 。 v对于长期承受频繁的反复荷载的结构及其连接，对于长期承受频繁的反复荷载的结构及其连接， 设计中就必须考虑结构的疲劳问题。设计中就必须考虑结构的疲劳问题。 合肥工业大学水利系 v防止钢材的脆性破坏措施防止钢材的脆性破坏措施: : v合理的设计合理的

36、设计 v正确的制造正确的制造 v正确的使用正确的使用 v对设计工作来说，不仅要注意适当选择材对设计工作来说，不仅要注意适当选择材 料和正确处理细部构造设计，对制造工艺料和正确处理细部构造设计，对制造工艺 的影响也不能忽视。对使用也应提出在使的影响也不能忽视。对使用也应提出在使 用期中应注意的主要问题用期中应注意的主要问题 。 合肥工业大学水利系 2.4.7 复杂应力作用下钢材的屈服条件 v在单向拉力试验中，单向应力达到屈服点在单向拉力试验中，单向应力达到屈服点 时，钢材即进入塑性状态。时，钢材即进入塑性状态。 v在复杂应力如双向或三向应力作用下在复杂应力如双向或三向应力作用下（图（图 2-10

37、2-10）钢材由弹性状态转入塑性状态的条钢材由弹性状态转入塑性状态的条 件是按能量强度理论（或第四强度理论）件是按能量强度理论（或第四强度理论） 计算的折算应力计算的折算应力 与单向应力作用下的与单向应力作用下的 屈服点相比较来判断屈服点相比较来判断。 eq 合肥工业大学水利系 0y z txz t x y tyx tyz t zx t zy x y z x 图 2.10 复杂应力 合肥工业大学水利系 v当当eq eq f fy y时，为弹性状态；时，为弹性状态； eq eqf fy y 时为塑性状态。时为塑性状态。 v折算应力折算应力eq eq的表达式（ 的表达式（. .）为）为 )3( )

38、( 2 zx 2 yz 2 xyxzzyyx 2 z 2 y 2 x eq 如三向应力中有一向应力很小（如厚度较小，如三向应力中有一向应力很小（如厚度较小， 厚度方向的应力可忽略不计）或为零时，则属厚度方向的应力可忽略不计）或为零时，则属 于平面应力状态，式于平面应力状态，式(2.1)(2.1)成为成为 222 3 xyyxyxeq （2.22.2） 合肥工业大学水利系 v在一般的梁中，只存在正应力在一般的梁中，只存在正应力和剪应力和剪应力 ，则，则 v当只有剪应力时，当只有剪应力时， ，由此得，由此得 v因此，规范规定钢材抗剪设计强度为抗拉因此，规范规定钢材抗剪设计强度为抗拉 设计强度的设计

39、强度的0.580.58倍。倍。 22 3 eq f eqy 2 33 ff yy 58. 03 （2.42.4） (2.3)(2.3) 合肥工业大学水利系 2.5 2.5 钢材的疲劳钢材的疲劳 v 钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展至钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展至 断裂的脆性破坏。断裂的脆性破坏。 v 钢材的疲劳强度取决于应力集中（或缺口效应）和应力循环次钢材的疲劳强度取决于应力集中（或缺口效应）和应力循环次 数。数。 v截面几何形状突然改变处的应力集中，对疲劳很为不利。截面几何形状突然改变处的应力集中，对疲劳很为不利。 v若钢材中存在着残余应力，在交

40、变荷载作用下将更加剧疲劳若钢材中存在着残余应力，在交变荷载作用下将更加剧疲劳 破坏的倾向。破坏的倾向。 v 观察表明，钢材疲劳破坏后的截面断口，一般具有光滑的和粗观察表明，钢材疲劳破坏后的截面断口，一般具有光滑的和粗 糙的两个区域。糙的两个区域。 v 通常钢结构的疲劳破坏属高周低应变疲劳，即总应变幅小，破通常钢结构的疲劳破坏属高周低应变疲劳，即总应变幅小，破 坏前荷载循环次数多。设计规范规定，循环次数坏前荷载循环次数多。设计规范规定，循环次数10104 4 ，应进行疲劳计算。，应进行疲劳计算。 断口示意图断口示意图 1光滑区；光滑区；2粗糙区粗糙区 合肥工业大学水利系 v 应力幅应力幅为应力谱

41、（如为应力谱（如图图2.112.11中的实线所示）中最大应力中的实线所示）中最大应力 与最小应力之差，即与最小应力之差，即 v =maxmax min min （2.52.5） v 式中：式中： vmaxmax每次应力循环中的最大拉应力（取正值）；每次应力循环中的最大拉应力（取正值）； vminmin每次应力循环中的最小拉应力（取正值）或压应力每次应力循环中的最小拉应力（取正值）或压应力 （取负值）。（取负值）。 v 如果重复作用的荷载数值不随时间变化，则在所有应力循环内如果重复作用的荷载数值不随时间变化，则在所有应力循环内 的应力幅将保持常量，称为常幅疲劳的应力幅将保持常量，称为常幅疲劳 合

42、肥工业大学水利系 v应力循环特征一般用应力比应力循环特征一般用应力比来表示，其含义为来表示，其含义为 绝对值最小与最大应力之比绝对值最小与最大应力之比= = min /min / maxmax, ,拉应拉应 力取正值，压应力取负值。力取正值，压应力取负值。 v图图2-11(a)2-11(a)的的 =-1 =-1，称为完全对称循环；图，称为完全对称循环；图2-2- 11(b)11(b)的的 =0 =0，称为脉冲循环；图，称为脉冲循环；图2-11(c)2-11(c)、(d)(d) 的的在在0 0与与-1-1之间，称为不完全对称循环，但图之间，称为不完全对称循环，但图2-2- 11(c)11(c)为

43、以拉应力为主，而图为以拉应力为主，而图2-11(d)2-11(d)则以压应力则以压应力 为主。为主。 合肥工业大学水利系 图2.11 循环应力谱 min max r=f y + - - + - + - + = m in/m ax=0 r=f y t t t t min max min max =m in/m ax=-1 0= m in/m ax-10= m ax/m in-1 (a)(b) (c)(d) r=f y r=f y 合肥工业大学水利系 v钢结构设计规范钢结构设计规范GBJ50017-2003GBJ50017-2003规定常幅规定常幅 疲劳按下式进行计算疲劳按下式进行计算: : v

44、（2-92-9） v为容许应力幅为容许应力幅 vC C 、-系数，随构件、应力集中程度和残系数，随构件、应力集中程度和残 余应力的大小而异余应力的大小而异. . /1 N C 合肥工业大学水利系 v为了设计的方便，我国钢结构设计规范按连接方为了设计的方便，我国钢结构设计规范按连接方 式、受力特点和疲劳强度，再适当照顾式、受力特点和疲劳强度，再适当照顾 NN 曲线簇的等间距布置、归纳分类，划分为曲线簇的等间距布置、归纳分类，划分为8 8类（类（图图 2-142-14），它们的），它们的和和C C值见表值见表2-22-2。 构件和连接 类别 12345678 C 1940 1012 860 101

45、2 3.26 1012 2.18 1012 1.47 1012 0.96 1012 0.65 1012 0.41 1012 44333333 表表2-2 2-2 参数参数C C、 值值 合肥工业大学水利系 40 50 60 80 100 150 200 300 400 10510510510 66 10 6 1 2 3 4 5 6 7 8 N N/mm 2 1 1 =1 =3 25 1025 图 2.14 各类 结构 和连 接类 别 的 N 曲线 合肥工业大学水利系 v实际工程中，结构大多承受变幅循环应力的作用 ，而不是承受常幅循环应力的作用。 v我国规范规定：重级工作制吊车梁和重级、中级 工

46、作制吊车桁架的疲劳，可作为常幅疲劳按下式 计算： v v式中 循环次数的容许应力幅， 应按式（2.9）计算； v欠载效应系数。对重级工作制硬钩 吊车；重级工作制软钩吊车；中级 工作制吊车。 6 102 N f a 6 102 N f a 0 . 1 f a 8 . 0 f a 5 . 0 f a 合肥工业大学水利系 v进行疲劳强度计算时，有下列问题予以注意：进行疲劳强度计算时，有下列问题予以注意： v按概率极限状态计算方法进行疲劳强度计算，目前正处按概率极限状态计算方法进行疲劳强度计算，目前正处 于研究阶段，因此，疲劳强度计算用容许应力幅法，荷于研究阶段，因此，疲劳强度计算用容许应力幅法，荷

47、载应采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，而载应采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，而 且应力按弹性工作计算。且应力按弹性工作计算。 v根据应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力，根据应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力， 只要应力幅超过容许值就会产生疲劳裂纹。但由于裂纹只要应力幅超过容许值就会产生疲劳裂纹。但由于裂纹 形成的同时，残余应力自行释放，在完全压应力（不出形成的同时，残余应力自行释放，在完全压应力（不出 现拉应力）循环中，裂纹不会继续发展，故规范规定此现拉应力）循环中，裂纹不会继续发展，故规范规定此 种情况可不予验算。种情况可不予验算。 v根据试验，可认为：疲劳

48、容许应力幅与钢种无关。根据试验，可认为：疲劳容许应力幅与钢种无关。 合肥工业大学水利系 2.6 2.6 钢的种类和钢材规格钢的种类和钢材规格 v 在我国常用的建筑钢材主要为碳素结构钢和低合金高强度结构在我国常用的建筑钢材主要为碳素结构钢和低合金高强度结构 钢两种。结构钢又分为建筑用钢和机械用钢。优质碳素结构钢钢两种。结构钢又分为建筑用钢和机械用钢。优质碳素结构钢 在冷拔碳素钢丝和连接用的紧固件中也有应用。在冷拔碳素钢丝和连接用的紧固件中也有应用。 v 2.6.1.12.6.1.1碳素结构钢碳素结构钢 v碳素结构钢按质量等级分为碳素结构钢按质量等级分为A A、B B、C C、D D四级，从四级，

49、从A-DA-D表示质量表示质量 等级由低到高。除等级由低到高。除A A级外，其它三个级别的含碳量均在级外，其它三个级别的含碳量均在0.2%0.2%以以 下，焊接性能好。因此，规范将下，焊接性能好。因此，规范将Q235Q235号钢材选为承重用结构号钢材选为承重用结构 钢。钢。 v钢的牌号由代表屈服点的钢的牌号由代表屈服点的字母字母Q Q、屈服点数值、质量等级符、屈服点数值、质量等级符 号（号（A A、B B、C C、D D）和和脱氧方法符号脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。等四个部分按顺序组成。 符号符号“F”F”代表沸腾钢，代表沸腾钢，“b”b”代表半镇静钢，符号代表半镇静钢，符号“Z”Z”和

50、和 “TZ”TZ”分别代表镇静钢和特种镇静钢。分别代表镇静钢和特种镇静钢。 v根据钢材的厚度（直径）根据钢材的厚度（直径）16mm16mm时的屈服点数值，分为时的屈服点数值，分为Q195Q195 、Q215Q215、Q235Q235、Q255Q255、Q275Q275。钢结构一般仅用。钢结构一般仅用Q235Q235。 Q235-BF 合肥工业大学水利系 v2.6.1.22.6.1.2低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 v低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量几种低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量几种 合金元素使钢的强度明显提高，故称低合金高强度结构合金元素使钢的强度明显提高，

51、故称低合金高强度结构 钢。钢。 v低合金高强度结构钢，采用与碳素结构钢相同的钢的牌低合金高强度结构钢，采用与碳素结构钢相同的钢的牌 号表示方法，仍然根据钢材的厚度（直径）号表示方法，仍然根据钢材的厚度（直径）16mm16mm时的时的 屈服点数值，分为屈服点数值，分为Q295Q295、Q345Q345、Q390Q390、Q420Q420、Q460Q460。 v钢的牌号仍有质量等级符号，分为钢的牌号仍有质量等级符号，分为A A、B B、C C、D D、E E五个五个 等级，等级，E E级主要是要求级主要是要求-40-40的冲击韧性。钢的牌号如：的冲击韧性。钢的牌号如： Q345-BQ345-B、Q

52、390-CQ390-C等等。低合金高强度结构一般为镇静钢等等。低合金高强度结构一般为镇静钢 ，因此钢的牌号中不注明脱氧方法。，因此钢的牌号中不注明脱氧方法。 合肥工业大学水利系 悬索结构和斜张拉结构的钢索、桅杆结构的钢丝绳等悬索结构和斜张拉结构的钢索、桅杆结构的钢丝绳等 通常都采用由高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线和钢丝通常都采用由高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线和钢丝 绳。高强钢丝是由优质碳素钢经过多次冷拔而成，分为光绳。高强钢丝是由优质碳素钢经过多次冷拔而成，分为光 面钢丝和镀锌钢丝两种类型。面钢丝和镀锌钢丝两种类型。 钢丝强度的主要指标是抗拉强度，其值在钢丝强度的主要指标是抗拉强度，其值

53、在 1570-1570- 1700N / mm1700N / mm2 2范围内，而屈服强度通常不作要求。高强钢丝范围内，而屈服强度通常不作要求。高强钢丝 的伸长率较小，最低为的伸长率较小，最低为 4 % 4 % ，但高强钢丝（和钢索）却有，但高强钢丝（和钢索）却有 一个不同于一般结构钢材的特点一个不同于一般结构钢材的特点 松弛，即在保持长度松弛，即在保持长度 不变的情况下所承拉力随时间延长而略有降低。不变的情况下所承拉力随时间延长而略有降低。 合肥工业大学水利系 平行钢丝束由平行钢丝束由 7 7 根、根、 19 19 根、根、 37 37 根或根或 61 61 根钢丝组根钢丝组 成，其截面见图

54、示。钢丝束内各钢丝受力均匀，弹性模量成，其截面见图示。钢丝束内各钢丝受力均匀，弹性模量 接近一般受力钢材。用来组成钢丝束的钢丝除圆形截面外接近一般受力钢材。用来组成钢丝束的钢丝除圆形截面外 ，还有梯形和异形截面的钢丝。，还有梯形和异形截面的钢丝。 钢绞线亦称单股钢丝绳，由多根钢丝捻成。钢绞线亦称单股钢丝绳，由多根钢丝捻成。 钢丝绳多由钢丝绳多由 7 7 股钢绞线捻成，以一股钢绞线为核心，股钢绞线捻成，以一股钢绞线为核心， 外层的外层的 6 6 股钢绞线沿同一方向缠绕。股钢绞线沿同一方向缠绕。 平行钢丝束的截面平行钢丝束的截面 合肥工业大学水利系 钢丝绳的捻法及截面钢丝绳的捻法及截面 合肥工业大

55、学水利系 v2.6.2.1 2.6.2.1 选用原则选用原则 v钢材的选择在钢结构设计中是首要的一环，选钢材的选择在钢结构设计中是首要的一环，选 择的目的是保证安全可靠和经济合理。选择钢择的目的是保证安全可靠和经济合理。选择钢 材时考虑的因素有材时考虑的因素有 : : v结构的重要性结构的重要性 v荷载情况（静载或动载）荷载情况（静载或动载） v连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）连接方法（焊接、铆接或螺栓连接） v工作条件（温度及腐蚀介质）工作条件（温度及腐蚀介质） v钢材厚度钢材厚度 合肥工业大学水利系 v2.6.2.2 2.6.2.2 钢材选择的建议钢材选择的建议 v 对钢材质量的要求，一般

56、地说，承重结构的钢材应保证抗拉强对钢材质量的要求，一般地说，承重结构的钢材应保证抗拉强 度、屈服点、伸长率和硫、磷的极限含量，对焊接结构尚应保度、屈服点、伸长率和硫、磷的极限含量，对焊接结构尚应保 证碳的极限含量。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的证碳的极限含量。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的 钢材应具有冷弯试验的合格保证。钢材应具有冷弯试验的合格保证。 v 对于需要验算疲劳的以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材对于需要验算疲劳的以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材 ，应具有常温冲击韧性的合格保证，应具有常温冲击韧性的合格保证： v当结构工作温度等于或低于当结构工作温度等于或低于0

57、0但高于但高于-20-20时，时，Q235Q235钢和钢和 Q345Q345钢应具有钢应具有00冲击韧性的合格保证；对冲击韧性的合格保证；对Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢应钢应 具有具有-20-20冲击韧性的合格保证。冲击韧性的合格保证。 v当结构工作温度等于或低于当结构工作温度等于或低于-20-20时，对时，对Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具钢应具 有有-20-20冲击韧性的合格保证；对冲击韧性的合格保证；对Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢应具有钢应具有- - 4040冲击韧性的合格保证。冲击韧性的合格保证。 v 对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材，也应具

58、有常温冲击韧对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材，也应具有常温冲击韧 性的合格保证。性的合格保证。 v当结构工作温度高于当结构工作温度高于-20-20时，对时，对Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有00 冲击韧性的合格保证；对冲击韧性的合格保证；对Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢应具有钢应具有-20-20冲击韧冲击韧 性的合格保证。性的合格保证。 合肥工业大学水利系 v 钢结构采用的钢材有热轧成型的钢板和型钢，以及冷加工成钢结构采用的钢材有热轧成型的钢板和型钢，以及冷加工成 型的薄壁型钢。型的薄壁型钢。 v 2.6.3.1 2.6.3.1 热轧钢板热轧钢板 v 热轧

59、钢板分为厚钢板（厚度热轧钢板分为厚钢板（厚度4.54.560mm60mm）、薄钢板（厚度）、薄钢板（厚度0.20.2 4mm4mm）以及扁钢（厚度）以及扁钢（厚度3 360mm60mm，宽度，宽度1010200mm200mm）。钢板）。钢板 的表达方法为在符号的表达方法为在符号“”后加后加“宽度宽度X X厚度厚度X X长度长度”，如，如 600 x10 x1200600 x10 x1200，单位为，单位为mmmm。 v 2.6.3.2 2.6.3.2 热轧型钢热轧型钢 v 热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢和钢管（热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢和钢管（图图2.162.16）。）。 合肥工业大学水利系

60、(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g) 图 2.16 热扎型钢截面 合肥工业大学水利系 角钢角钢分为等边（等肢）和不等边（不等肢）两种分为等边（等肢）和不等边（不等肢）两种 ，常用制作折架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆，常用制作折架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆 件。不等边角钢的表示方法为件。不等边角钢的表示方法为“”后加后加“长边宽长边宽x x短短 边宽边宽x x厚度厚度”，如：，如： 140 x90 x8140 x90 x8，等边角钢，等边角钢“”后后 加加“边宽边宽x x厚度厚度”，如，如 125x8125x8。 槽钢槽钢我国槽钢有两种尺寸系列，即热轧普通槽钢我国槽钢有两种尺寸系