钢结构第一章钢结构材料课件

1、一、钢材的破坏形式一、钢材的破坏形式 1.1.钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求强度高，良好的弹性、塑性和韧性，良好的工艺性能强度高，良好的弹性、塑性和韧性，良好的工艺性能 2 2、破坏形式、破坏形式 塑性破坏塑性破坏应力达到抗拉强度后，很大的塑性变形应力达到抗拉强度后，很大的塑性变形, ,有十分明显的预兆有十分明显的预兆 脆性破坏脆性破坏应力常低于钢材的屈服强度，没有明显预兆，破坏突然发生应力常低于钢材的屈服强度，没有明显预兆，破坏突然发生二、钢材的主要机械性能机械性能机械性能反映强度、刚度、塑性指标反映强度、刚度、塑性指标屈服点屈服点f fy y 抗拉强度抗拉强度f fu u 伸长率伸长

2、率u u 冷弯性能冷弯性能 冲击韧性冲击韧性单向一次均匀拉伸试验标准材性试验标准材性试验应力应力 应变应变曲线曲线碳素结构钢材的应力碳素结构钢材的应力-应变图应变图弹性阶段弹性阶段 ：OB段段弹塑性阶段：弹塑性阶段：BCBC段段塑性阶段：塑性阶段：CDCD段段 自强阶段：自强阶段：DEDE段段 破坏阶段：破坏阶段：EFEF段段 弹性模量弹性模量E屈服强度屈服强度(yield strength) fy抗拉强度抗拉强度(tensile strength) fu伸长率伸长率(elongation) u * E为常量，低碳钢有明显屈服点，为常量，低碳钢有明显屈服点，fy作为作为钢材强度标准值钢材强度标

3、准值 ， fu /fy为强度储备，伸长率为强度储备，伸长率u 表示塑性变形能力。表示塑性变形能力。 u永久变形永久变形/标定长度标定长度100，以，以5或或10表示表示其中5,10指试件标定长度与试件直径之比为5，10 屈服点屈服点f fy y作为钢材强度标准值。作为钢材强度标准值。为什么？为什么？ 应力达到应力达到 f p ：p0.1 f y：y0.15两者应变很接近两者应变很接近 计算时将钢的弹性工作阶段提高到屈服点计算时将钢的弹性工作阶段提高到屈服点 f y之后，变形很大，结构将因过大的残余变形之后，变形很大，结构将因过大的残余变形 而不能继续使用而不能继续使用理想的弹塑性体理想的弹塑性

4、体 应力达到应力达到 f u，应变，应变 u16 2.2.冷弯冷弯( (coldcold bending)bending)试验试验 钢材质量的综合指标钢材质量的综合指标 加工性能，塑性加工性能，塑性应变应变能力能力 试件冷弯试件冷弯1801800 0不出现裂纹或分层为合格不出现裂纹或分层为合格 3.3.冲击冲击韧性试验韧性试验冲击功冲击功Akv 抗脆断、抗动载能力。抗脆断、抗动载能力。Akv= =27J或或34J合格，常温合格，常温(20)和低温和低温(0，-20，-40) 试验。试验。4 4其它其它可焊性可焊性(weldability)、耐磨性、耐磨性(abrasion resistance

5、)、抗火性、抗火性(fire resistance)、耐腐蚀性、耐腐蚀性(corrosion resistance)等。等。一、化学成分的影响第二节 影响钢材力学性能的主要因素化学成分化学成分影响影响强度、延性、可加工性、耐久性强度、延性、可加工性、耐久性碳碳C：含：含C量量 ，强度，强度 ，塑性、韧性、疲劳强度，塑性、韧性、疲劳强度 可焊性、抗腐蚀性可焊性、抗腐蚀性 C0.22%焊接结构：焊接结构： C0.20%非焊接结构：非焊接结构： 有害成分有害成分： 降低钢材塑性，韧性，可焊性，疲劳强度降低钢材塑性，韧性，可焊性，疲劳强度 S 热脆（高温时，使钢变脆）热脆（高温时，使钢变脆） P冷脆冷

6、脆氧氧O热脆热脆, N冷脆，脱氧处理冷脆，脱氧处理 有益成分：有益成分：合金成分：适当的含量提高强度，对塑、韧性无显著影响合金成分：适当的含量提高强度，对塑、韧性无显著影响 Mn，Si，脱氧剂，脱氧剂，(1)冶炼冶炼平炉，转炉平炉，转炉 (2)轧制轧制薄板，均匀，强度高；薄板，均匀，强度高；二、二、生产过程生产过程(3)脱氧程度脱氧程度沸腾钢，半镇静钢，镇静钢；沸腾钢，半镇静钢，镇静钢；(4)(4)热处理热处理控制降温速度或重新加热，控制降温速度或重新加热， 改变晶体结构和改变晶体结构和材性。材性。淬火，快速降温，提高强度、降低韧性；淬火，快速降温，提高强度、降低韧性；退火，炉中控制，退火，炉

7、中控制，缓慢缓慢降温；降温；回火，自然降温和控制降温相结合回火，自然降温和控制降温相结合；正火，空气中自然降温；正火，空气中自然降温；三、复杂应力和应力集中的影响三、复杂应力和应力集中的影响（一）复杂应力的影响（一）复杂应力的影响 yf塑性阶段 yf弹性阶段弹性阶段 单向应力： 复杂应力：第四强度理论复杂应力：第四强度理论)(3)(222222zxyzxyxzzyyxzyxeqyeqfyeqf弹性阶段弹性阶段 塑性阶段 213232221133221232221)()()(21)(eq讨论：讨论： 1、当、当 213同号，且值相近，即使同号，且值相近，即使 ，但 213均均yfyeqf在同号应

8、力作用下，钢材强度提高，塑性降低在同号应力作用下，钢材强度提高，塑性降低 2、有一异号应力，、有一异号应力， 钢的弹性范围和强度随异号应力增大而降低，钢的弹性范围和强度随异号应力增大而降低， 塑性变形增大塑性变形增大三向受拉时，易发生脆性破坏三向受拉时，易发生脆性破坏 （二）应力集中（二）应力集中在孔边出现应力高峰，除切向正应力，在孔边出现应力高峰，除切向正应力，还存在径向正应力，处于同号平面应力场。还存在径向正应力，处于同号平面应力场。厚壁构件会出现同号立体应力场。厚壁构件会出现同号立体应力场。易发生脆性破坏易发生脆性破坏 在构件缺陷或截面变化附近，主应力迹线曲折、在构件缺陷或截面变化附近，

9、主应力迹线曲折、密集、出现应力高峰，叫应力集中。密集、出现应力高峰，叫应力集中。四、加工过程四、加工过程(1)(1)冷加工冷加工冲、钻、剪、弯、割、锯，局部产生塑冲、钻、剪、弯、割、锯，局部产生塑性变形和应变硬化性变形和应变硬化（冷作硬化）（冷作硬化）提高钢的弹性范围，塑性、韧性降低(2)热加工热加工焊、割焊、割，局部升温，热影响区；不均匀，局部升温，热影响区；不均匀冷却，焊接残余应力；冷却，焊接残余应力；五温度五温度高温软化，无保护措施耐火高温软化，无保护措施耐火极限仅极限仅15分钟分钟低温冷脆，脆性转变温度；低温冷脆，脆性转变温度；第三节 钢材的疲劳一、概念一、概念 疲劳断裂是疲劳断裂是微

10、观裂纹微观裂纹在在连续反复荷载作用连续反复荷载作用下下不断扩展直至断裂的不断扩展直至断裂的脆性破坏脆性破坏. 疲劳破坏经历三个阶段：疲劳破坏经历三个阶段： 裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。二、疲劳破坏的特点二、疲劳破坏的特点 疲劳强度取决于应力集中程度疲劳强度取决于应力集中程度 应力循环次数等应力循环次数等maxmins应力循环特性应力循环特性 1s 完全对称循环完全对称循环0s 脉冲循环脉冲循环应力幅应力幅 minmax 为常量为常量 ，常幅应力循环，常幅应力循环 为变量为变量 ，变幅应力循环，变幅应力循环二、常幅疲劳验算 应力幅验算疲劳强

11、度smbn2lglg式中式中：s为标准差，表示为标准差，表示lgn的离散程度。的离散程度。 由上式得到常幅疲劳的容许应力幅由上式得到常幅疲劳的容许应力幅 msbn1210规范：规范： 1cn 第四节 钢材的钢号及选用钢材种类钢材种类按用途分为：结构钢按用途分为：结构钢 工具钢工具钢 特殊钢（如不锈钢）特殊钢（如不锈钢）冶炼方法分：转炉钢（氧气顶吹转炉）冶炼方法分：转炉钢（氧气顶吹转炉） 平炉钢（质量好，成本高）平炉钢（质量好，成本高）按脱氧方法：沸腾钢按脱氧方法：沸腾钢 半镇静钢半镇静钢 镇静钢镇静钢 特殊镇静钢特殊镇静钢按成型方法：轧制钢按成型方法：轧制钢 锻钢锻钢 铸钢铸钢按化学成分：碳素

12、钢按化学成分：碳素钢 合金钢合金钢结构中常用普通碳素钢、低合金高强度钢结构中常用普通碳素钢、低合金高强度钢一、钢号一、钢号常用钢材：常用钢材：普通碳素钢：（按含碳量）分普通碳素钢：（按含碳量）分17号，号， 强度由低到高，塑性、韧性降低，常用强度由低到高，塑性、韧性降低，常用3号钢。号钢。低合金钢：低合金钢：16Mn，15 MnV，16 MnVq二、供应方法及符号二、供应方法及符号国家标准国家标准GB70079，普通碳素钢按保证的项目不同分为三类，普通碳素钢按保证的项目不同分为三类甲类钢：主要按机械性能供应甲类钢：主要按机械性能供应 A乙类钢：按化学成分供应乙类钢：按化学成分供应 B特类钢：机

13、械性能和化学成分特类钢：机械性能和化学成分 C普通碳素钢标号普通碳素钢标号： 钢类钢类 炉种炉种 钢号钢号 浇注方法浇注方法 A、B、C (平炉平炉) Y（氧气转炉）（氧气转炉） 17 F（沸腾钢）（沸腾钢） b(半镇静钢半镇静钢) （镇静（镇静 钢）钢）如A3甲类平炉3号镇静钢普通低合金钢表示：普通低合金钢表示：如如16Mn前两位数表示其平均含碳量为前两位数表示其平均含碳量为0.16， 主要合金元素为锰。主要合金元素为锰。普通碳素钢新标准普通碳素钢新标准GB70088标号：标号：代表屈服点字母代表屈服点字母 屈服点数值屈服点数值 质量等级质量等级 脱氧方法脱氧方法 Q A、B、C、D F（沸

14、腾钢）（沸腾钢） b(半镇静钢半镇静钢) 可省去可省去 Z（镇静钢）（镇静钢） TZ（特镇静钢（特镇静钢） 如如Q235A屈服强度为屈服强度为235 N/mm2，A级镇静钢（级镇静钢（3号钢）号钢） 质量等级分为四级：质量等级分为四级： A级钢：只保证抗拉强度、屈服点、伸长率、必要时可附加冷弯试验要求级钢：只保证抗拉强度、屈服点、伸长率、必要时可附加冷弯试验要求, 化学成分对碳、锰含量可不作为交货条件。化学成分对碳、锰含量可不作为交货条件。 B ：保证抗拉强度、屈服点、伸长率：保证抗拉强度、屈服点、伸长率 、冷弯、常温（、冷弯、常温（20 ）冲击韧性）冲击韧性 C ：保证抗拉强度、屈服点、伸长

15、率：保证抗拉强度、屈服点、伸长率 、冷弯、冷弯、0 冲击韧性冲击韧性 D ：保证抗拉强度、屈服点、伸长率：保证抗拉强度、屈服点、伸长率 、冷弯、冷弯、20 冲击韧性冲击韧性CCC低合金钢低合金钢GB/T159194：标号：标号： Q 屈服点数值屈服点数值 质量等级（质量等级（A、B、C、D、E）E ：保证抗拉强度、屈服点、伸长率：保证抗拉强度、屈服点、伸长率 、冷弯、冷弯、40 冲击韧性冲击韧性 C如如Q345(16Mn)、Q390(15 MnV)三、钢材的选用三、钢材的选用1.1.选用原则选用原则结构重要性，荷载情况，连接方法，工作结构重要性，荷载情况，连接方法，工作 环境，钢板厚度环境，钢

16、板厚度( (相同钢号的钢材，相同钢号的钢材，钢材越薄，强度越高钢材越薄，强度越高 )。2.2.设计说明设计说明选择钢号，提出机械性能指标选择钢号，提出机械性能指标f fu u , , f fy y , ,伸长伸长率率, , 冷弯性能冷弯性能, , 冲击韧性，控制化学成分冲击韧性，控制化学成分S,P,CS,P,C含量。含量。3.3.材料供应材料供应Q235-BQ235-B、C C、D D保证保证f fu u , , f fy y , ,伸长率伸长率, 冷弯性冷弯性能能, 冲击韧性冲击韧性指标和指标和S,P,CS,P,C含量，只需选钢号。含量，只需选钢号。4.4.选用条件选用条件(1)(1)焊接结

17、构严格控制焊接结构严格控制S,P,CS,P,C含量。含量。(2)(2)受动载结构受动载结构( (吊车梁，桥梁吊车梁，桥梁) )应提出冲击韧性指标。应提出冲击韧性指标。(3)(3)低温环境低温环境( (室外，露天室外，露天) )应提出低温冲击韧性要求。应提出低温冲击韧性要求。(4)(4)厚板厚板( (高层，大跨高层，大跨) )应提出应提出Z Z向性能要求。向性能要求。Q235-A.F不保证冲击韧性指标和不保证冲击韧性指标和C含量，用于非焊接结构；含量，用于非焊接结构；Q235-B.F全保证，可用于焊接结构（全保证，可用于焊接结构（t25mm）；）；Q345保证保证fu, fy,伸长率伸长率, 冷

18、弯性能指标和冷弯性能指标和S,P,C含量，只需选钢号并含量，只需选钢号并要求冲击韧性指标附加条件；要求冲击韧性指标附加条件；厚板厚板(t40mm)强度低，要求强度低，要求Z向性能，低温条件应特别考虑。向性能，低温条件应特别考虑。第五节 轧成钢材的规格钢板钢板 宽度宽度厚度厚度长度长度 单位单位 厚钢板：厚厚钢板：厚4.54.56060，宽度，宽度m3.0m， 薄钢板：厚薄钢板：厚0.20.24 4，主要用于压制冷弯薄壁型钢，主要用于压制冷弯薄壁型钢 扁钢：厚扁钢：厚3 36060，宽度，宽度1010200200角钢角钢 等肢角钢等肢角钢 ： 肢宽肢宽厚度厚度 单位单位不等肢角

19、钢：不等肢角钢： 长肢宽长肢宽短肢宽短肢宽厚度厚度 100 x10工字钢工字钢工工 截面高度截面高度a（或（或b,c） 单位单位 a（或（或b,c）表示腹板厚度不同，）表示腹板厚度不同， a最薄，以最薄，以2递增递增 工工 20bH H型钢型钢：宽翼缘宽翼缘H H型钢：型钢：HW HW 翼缘宽度翼缘宽度B B与截面高度与截面高度H H相等相等中翼缘中翼缘H H型钢：型钢：HM B=(1/2HM B=(1/22/3)H2/3)H窄翼缘窄翼缘H H型钢：型钢：HN B=(1/3HN B=(1/31/2)H1/2)HT型钢型钢 TW,TM,TN表示方法：表示方法：HW（HM ，HN）截面高度）截面高

20、度翼缘宽度翼缘宽度腹板厚度腹板厚度翼缘厚度翼缘厚度 槽钢槽钢 截面高度截面高度a,b,c 单位单位 20a 钢管钢管 圆钢管：圆钢管：外径厚度外径厚度 单位单位冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢L型钢，型钢，C型钢，型钢，Z型钢，型钢， S型钢，压型板等型钢，压型板等压型钢板，彩钢瓦等压型钢板，彩钢瓦等一、结构设计的概念一、结构设计的概念1 1、目标、目标（1） 技术先进，技术先进， 安全适用安全适用, 经济合理，确保质量经济合理，确保质量 ；（2）承受各种作用，满足功能要求。）承受各种作用，满足功能要求。2 2、设计方法：、设计方法：容许应力设计法（容许应力设计法（TJ17-74）极限状态设计法极限状

21、态设计法（GB50017-2003,AISC-LRFD, EuroCode 4）（2）荷载）荷载恒载恒载(G)，活载，活载(Q)，风载，风载(W)静载，动载，温度静载，动载，温度, 沉降，地震沉降，地震可变作用，永久作用可变作用，永久作用（1）使结构产生内力和变形）使结构产生内力和变形, 作用效应，外部因素；作用效应，外部因素；3 3、荷载效应（、荷载效应（S S）4 4、抗力（、抗力（R R）（1）结构承受作用的能力，结构特性；）结构承受作用的能力，结构特性；（2）与结构形式、尺寸、材料性能有关。）与结构形式、尺寸、材料性能有关。5 5、功能、功能（1）设计基准期内）设计基准期内（2）安全性

22、）安全性, 适用性适用性, ,耐久性耐久性。四项基本功能四项基本功能 2.功能函数功能函数 Z=R-SZ0，或，或RS，可靠状态；，可靠状态；Z0，或，或RS，失效状态；，失效状态；Z=0，或，或R=S，极限状态，极限状态二、极限状态设计法二、极限状态设计法1.1.可靠度可靠度：结构在规定的时间内，在规定的条件下，：结构在规定的时间内，在规定的条件下， 完成预定的功能的概率。完成预定的功能的概率。（1）承载能力极限状态）承载能力极限状态 不发生破坏、倒塌、失稳、倾覆；不发生破坏、倒塌、失稳、倾覆；（2）正常使用极限状态）正常使用极限状态 不发生过大变形、振动、裂缝。不发生过大变形、振动、裂缝。

23、3 3、随机变量、随机变量作用效应和抗力随机分布；作用效应和抗力随机分布；标准值，设计值。标准值，设计值。0ZPPf4 4、可靠度指标、可靠度指标可靠概率（可靠概率（Ps），），失效概率（失效概率（Pf），），0ZPPs0ZPPfsfPP1 0ZPPf 称称为为可靠度指标可靠度指标zzmZZZZZfmmZPZPZP00ZZfmZPP 向标准正态分布转换向标准正态分布转换 10ZZmZZmZttPPf令令 则则钢结构构件钢结构构件 2 . 34109 . 6fP （采用校准法确定）（采用校准法确定） 5 5、结构安全等级、结构安全等级结构重要性分三级结构重要性分三级（重要、一般、次要重要、一般、

24、次要）。）。二、设计表达式二、设计表达式1 1、统计变量：、统计变量：标准值，设计值，分项系数；标准值，设计值，分项系数；荷载分项系数：永久荷载分项系数荷载分项系数：永久荷载分项系数 可变荷载分项系数可变荷载分项系数抗力分项系数抗力分项系数恒载恒载SG=gGSGk；活载活载SQ=gQSQk；抗力抗力R=Rk/gR2 2、荷载组合：、荷载组合：承载能力极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态正常使用极限状态设计基准期内最不利组合设计基准期内最不利组合3 3、一般表达式、一般表达式承载能力极限状态承载能力极限状态：G=1.2；Q=1.4；R=1.1Rk2QikQciQ1kQ1Gko/)SSS(Rn

25、iiGkkRR/Rffci为荷载组合系数；为荷载组合系数； f 为材料强度设计值。为材料强度设计值。o为结构重要性系数，为结构重要性系数， o=1.1(一级一级)；o=1.0 (二级二级)； o=0.9 (三级三级)；正常使用极限状态：正常使用极限状态： wwwwQiKciniKQGK21钢材强度设计值抗拉、抗弯、抗压、抗剪；抗拉、抗弯、抗压、抗剪；按厚度分组按厚度分组已考虑分项系数已考虑分项系数R1.1。Q235: f=215N/mm2(t16mm)Q345: f=315N/mm2(t16mm)弹性模量弹性模量E=206000N/mm2。三、结构设计规范三、结构设计规范 碳素结构钢碳素结构钢

26、(GB700-88),低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢(GB/T1591-94)：材料性能指标；材料性能指标； 建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范(GB50009-2001)：活载、风载、活载、风载、雪载标准值、材料自重雪载标准值、材料自重(实测统计值实测统计值)； 建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范(GB50011-2001)：地震烈度、地震烈度、地震作用标准值计算、抗震设计；地震作用标准值计算、抗震设计； 钢结构设计规范钢结构设计规范(GB50017-2003)：热轧和焊接结构，热轧和焊接结构，材材料强度、构件设计、连接设计、构造要求；料强度、构件设计、连接设计、构造要求； 冷弯薄壁型钢结构技术规范冷弯薄壁型钢结构技术规范(GB50018-2002)：