本钢结构PPT教案

1、会计学1本钢结构本钢结构22. 2.钢结构对材料性能的要求钢结构对材料性能的要求3.3.影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素4. 4.钢材疲劳的概念和计算方法钢材疲劳的概念和计算方法5. 5.结构用钢材的种类和规格结构用钢材的种类和规格第1页/共69页32.12.1 钢材的钢材的工作性能工作性能Lod d第2页/共69页4单击图片播放单击图片播放第3页/共69页52.2.阶段划分阶段划分A.A.有屈服点钢材有屈服点钢材-曲线可以分为曲线可以分为五个阶段五个阶段： (1) (1)弹性阶段弹性阶段(OB(OB段段) )OAOA段材料处于纯弹性段材料处于纯弹性，即即: :EABAB段有一定的

2、段有一定的非弹性变形非弹性变形, , 但但整个整个OBOB段卸载段卸载时，时，=0=0；E=206E=20610103 3N/mmN/mm2 2uOAEBCDAEyF第4页/共69页6（2 2）弹塑性阶段（）弹塑性阶段（BC)BC) 该段很短该段很短, ,表现出钢材的非弹性性质表现出钢材的非弹性性质; ; B B屈服上限屈服上限; ; C C屈服下限屈服下限( (屈服点屈服点) )（3 3）塑性阶段（）塑性阶段（CD)CD) 该段该段基本基本 保持不变（水保持不变（水 平平),), 急剧急剧 增大增大, ,称为屈称为屈 服台阶或流服台阶或流 幅段幅段, ,变形模变形模 量量 E = 0E =

3、0uOAEBCDAEyF第5页/共69页7极限抗拉强度极限抗拉强度f fu u（5 5）颈缩阶段）颈缩阶段(EF(EF段段) )随荷载的增加随荷载的增加缓慢增大缓慢增大, ,但但增加较快增加较快uOAEBCDAEyF第6页/共69页8 该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变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。形小，破坏突然。 设计时取相当于设计时取相当于 残余变形为残余变形为0.2%0.2% 时所对应的应力时所对应的应力 作为屈服点作为屈服点条件屈服点条件屈服点fy=f0.20.2%fup第7页/共69页9（1 1）钢材可以简化为）钢材可以简化为理想弹塑性体理想弹塑性体

4、2.5%-3%fy 00.15%第8页/共69页10（3 3）断裂时变形约为弹性变形的）断裂时变形约为弹性变形的200200倍，在破坏前倍，在破坏前 产生明显可见的塑性产生明显可见的塑性 变形，变形， 可及时补救，可及时补救， 故几乎不可能发生。故几乎不可能发生。O0.15%22%fufyf fu u- -f fy y第9页/共69页11（2 2）抗拉强度抗拉强度f fu u-应力应变曲线最高点对应的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。应力，它是钢材最大的抗拉强度。第10页/共69页12LodNNNLdN（3 3）伸长率）伸长率)12(%10000 lll )22(%1000

5、10 AAA （4 4）断面收缩率）断面收缩率它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。当当l l0 0/d=5/d=5时，用时，用5 5表示，当表示，当l l0 0/d=10/d=10时，用时，用1010表示。表示。A0A1第11页/共69页13（二）受压时的性能 采用短试件采用短试件l l0 0/d=3, /d=3, 屈服点同单向拉伸时的屈服点。屈服点同单向拉伸时的屈服点。（三）受弯时的性能（四）受剪时的性能231079)32(3mmNGffyvy 抗剪强度可由折算应力计算公式得到：抗剪强度可由折算应力计算公式得到：第12页/共69页能力小，能力小，破坏破坏突

6、然，断口平直、发突然，断口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。亮呈晶粒状，无机会补救。钢材的破坏形式钢材的破坏形式第13页/共69页反复荷载作用下钢材的性能反复荷载作用下钢材的性能第14页/共69页第15页/共69页17）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达； 复杂应力作用下钢材的性能复杂应力作用下钢材的性能假定：假定：）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。第16页/共69页18oxzyyzyxxyxz

7、zyzxZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力（应力分量（应力分量）112233单元体受主应单元体受主应力力第17页/共69页192221223311()()()(22)2zsyf222222() 3()(2 1)zsxyzxyyzzxxyyzzxyf 1.1.以应力分量表示以应力分量表示2.2.以主应力表示以主应力表示zsyf材料处于弹性状态材料处于弹性状态zsyf材料处于塑性状态材料处于塑性状态第18页/共69页20图示简支梁图示简支梁1-11-1截面腹板与翼缘交界截面腹板与翼缘交界A A点的应力点的应力1-1xyA需折算应力的典型情况需折算应力的典型情况2223zsxyxyxyyf PP

8、MM11AXVY第19页/共69页21一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：2-2xA223zsxxyyfVM22AYXq第20页/共69页223-3APMVP33YXM3-3 3-3 截面仅有剪力，弯矩、局部压力均为零，故该截面仅有剪力，弯矩、局部压力均为零，故该截面除剪应力外，正应力均为零，即为纯剪状态。截面除剪应力外，正应力均为零，即为纯剪状态。0.58(26)3yyvyfff3zsyf第21页/共69页23（弹性和非弹性能）来表示。（弹性和非弹性能）来表示。2.22.2 钢结构对材料性能的要求钢结构对材料性能的要求第22页/共69页24第23页/共69

9、页25单击图片播放单击图片播放第24页/共69页26 衡量钢材塑衡量钢材塑性性能和质性性能和质量优劣的综量优劣的综合指标。合指标。add+2.1a第25页/共69页27单击图片播放单击图片播放第26页/共69页28 主要取决于钢材的成分，尤其是碳和其它杂质主要取决于钢材的成分，尤其是碳和其它杂质的含量，可通过试验评定。的含量，可通过试验评定。第27页/共69页292.32.3 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素第28页/共69页30第29页/共69页31二冶金缺陷二冶金缺陷常见的冶金缺陷有：常见的冶金缺陷有：偏析：化学成分分布的不均匀程度；偏析：化学成分分布的不均匀程度；非金属夹杂；

10、非金属夹杂；气孔；气孔；裂纹等。裂纹等。第30页/共69页32第31页/共69页33 1 1正温范围正温范围 200200以内对钢材性能无大影响以内对钢材性能无大影响. .该范围内随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。该范围内随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。8006004002000N/mm2Efufy200400600温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响20406080%220210200190180170160E Ex10 x103 3T(0C)第32页/共69页34第33页/共69页352 2负温范围负温范围脆性破坏脆性破坏转变过渡区段转变过渡区

11、段塑性破坏塑性破坏反弯点反弯点试验温度试验温度T T0 0C C冲击断裂功冲击断裂功C Cv vT1T2T0冲击韧性与温度的关系曲线冲击韧性与温度的关系曲线第34页/共69页36第35页/共69页371:2.5 由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。要求，可以不考虑应力集中的影响。第36页/共69页38一、概念一、概念1 1、循环荷载循环荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载。PP11A1-1A2.42.4

12、钢材的疲劳钢材的疲劳第37页/共69页39（1 1）应力循环）应力循环（2 2）应力循环特征）应力循环特征应力比应力比minmax1-构件截面应力构件截面应力随时间的变化。随时间的变化。（3 3）应力幅）应力幅maxmin 在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅: :为常量为常量 常幅循环：常幅循环：为变量为变量 变幅循环：变幅循环： + +- -t t第38页/共69页40(b)(b)脉冲循环脉冲循环(a)(a)完全对称循环完全对称循环(c)(c)不完全对称循环不

13、完全对称循环(d)(d)不完全对称循环不完全对称循环第39页/共69页41 在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。3.3.疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理 疲劳破坏是损伤积累的结果。疲劳破坏是损伤积累的结果。缺陷缺陷微观裂纹微观裂纹宏观裂纹宏观裂纹。4.4.疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。第40页/共69页42（1 1）构件和连接的分类）构件和连接的分类 切割，轧制边）切割，轧制边）残余应力（焊接，火焰

14、残余应力（焊接，火焰应力集中应力集中构造缺陷构造缺陷材料内部缺陷材料内部缺陷缺陷缺陷 规范将构件和连接的种类分为规范将构件和连接的种类分为 8类类，第第1类类为轧为轧制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；第第8类类为角为角焊缝应力集中最严重疲劳强度最低。焊缝应力集中最严重疲劳强度最低。 详见钢结构设详见钢结构设计规范计规范“疲劳计算的构件和连接分类（附表疲劳计算的构件和连接分类（附表2）”。第41页/共69页43ffyy maxminmax焊缝附近主体焊缝附近主体金属的应力由金属的应力由：实际应力循环均形成在拉应力范围实际应力循环均形成在拉应力范围min yf

15、（2 2）应力幅（应力幅（）和应力循环特征（应力比）和应力循环特征（应力比）A. 对于焊接结构：对于焊接结构：fyfyfyfyfyfy第42页/共69页44 应力幅应力幅对焊接结构的疲劳强度有对焊接结构的疲劳强度有很大很大影响影响，而与名义最大应力，而与名义最大应力maxmax和应力比和应力比无关。无关。第43页/共69页45 在循环次数在循环次数N N一定的情况下，根据试验资料可以一定的情况下，根据试验资料可以绘出绘出N N次循环的次循环的疲劳图疲劳图( (maxmax和和minmin关系曲线关系曲线) )。 当当=0=0和和=-1=-1时的疲劳强度分别为时的疲劳强度分别为0 0 和和-1-

16、1，连接连接BCBC并延长至并延长至A A、D D。疲劳破坏。疲劳破坏。次时，将发生次时，将发生环达到环达到则这组应力循则这组应力循或上方，或上方，上上的点落在直线的点落在直线当坐标为当坐标为NABCD),(minmax 拉）拉）(max （压）（压）min 1 1 非焊接结构的疲劳图非焊接结构的疲劳图0 （拉）（拉）min fyDA),(11 B),(ooC 第44页/共69页46 由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应（构造类型的应力集中情况）有关。（构

17、造类型的应力集中情况）有关。maxminokABCDABCD直线方程为直线方程为：max(1)okmaxmin11, ok式中：式中：拉）拉）(max （压）（压）min fy1 1 DA非焊接结构的疲劳图非焊接结构的疲劳图0 ),(11 B),(ooC （拉）（拉）min 第45页/共69页47 一般钢结构如应力循环次数一般钢结构如应力循环次数N5510104 4，不需，不需要进行疲劳计算。要进行疲劳计算。 在确定的应力条件下，破坏对应的循在确定的应力条件下，破坏对应的循环次数越多，疲劳寿命越高。环次数越多，疲劳寿命越高。0 NX105 1N1 2N2 bf fy123456第46页/共69

18、页48 焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度(屈服点屈服点fy)基本无关。基本无关。 对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。劳计算。第47页/共69页49（一）常幅疲劳（一）常幅疲劳 根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅与相应的致损循环次数与相应的致损循环次数N的关系曲线，按试验数据回的关系曲线，按试验数据回归的归的-N-N曲线为平均曲线曲线为平均曲线( (图图a)a)，取对数坐标，

19、取对数坐标( (图图b)b)。1.1.容许应力幅容许应力幅 由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于需要进一由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于需要进一步研究阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟步研究阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟，故采用容许应力幅的计算方法。，故采用容许应力幅的计算方法。第48页/共69页50-N-N曲线曲线(a)0N1lglg()Nb11:10bNC即式中：式中：-直线对纵坐标的斜率；直线对纵坐标的斜率； b b1 1-直线在横轴坐标上的截距；直线在横轴坐标上的截距； N-循环次数。循环次数。(b)0NlgN=5104N=5X106 lg.b b1 1第49页/共69

20、页51 考虑试验数据的离散性，取平均值减去考虑试验数据的离散性，取平均值减去2 2倍倍lglgN N的的标准差标准差 s s 作为疲劳强度下限，当作为疲劳强度下限，当lglg为正态分布为正态分布时，保证率为时，保证率为97.7%97.7%。下限值的直线方程为：下限值的直线方程为：)lg(2)lg(lg21 bsbN此时的此时的即为容许应力幅：即为容许应力幅：1(2 14)CN式中：式中：系数系数、C C- - -根据钢结构根据钢结构设计规范设计规范“疲劳计算的构件和疲劳计算的构件和连接分类连接分类”查表得到。查表得到。2S2S 2S2S(b)0NlgN=5104N=5X106 lg.b b1

21、12:10bNC即第50页/共69页522.2.疲劳强度计算疲劳强度计算(215) 式中：式中：-计算部位的应力幅；计算部位的应力幅； 对于焊接部位对于焊接部位: : =maxmax-minmin； 对于其他部位：对于其他部位：=maxmax-0.7-0.7minmin( (计算应力幅）。计算应力幅）。 maxmax、minmin-计算部位每次应力循环中的最大拉应力和计算部位每次应力循环中的最大拉应力和 最小拉应力或压应力（取负值）。最小拉应力或压应力（取负值）。说明：说明： 1 1）计算时用荷载的标准值；）计算时用荷载的标准值； 2 2）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算）由于来源于试验，

22、已考虑动力效应，计算 时不再考虑动力系数；时不再考虑动力系数；第51页/共69页53maxmin0t)192(6102 nf 欠载效应系数欠载效应系数。重级工作制硬钩吊车。重级工作制硬钩吊车1.01.0；重级工作制软钩吊车；重级工作制软钩吊车0.80.8；中级工作制吊车；中级工作制吊车0.50.5。 f -循环次数循环次数 n=2X10=2X106 6 的容许应力幅。的容许应力幅。6102 n 式中：式中：对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度：对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度：第52页/共69页54讨论：讨论：第53页/共69页552.52.5 钢材的种类和规格钢材的种类和规格第54页/共69页5

23、62.2.低合金钢低合金钢(GB/T 1591-94)(GB/T 1591-94)GB/T 1591-94GB/T 1591-94Q295Q390Q345Q420相应的钢材品种相应的钢材品种（GB/T 1591-94)GB/T 1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTiRE 低合金钢的质量等级分低合金钢的质量等级分A A、B B、C C、D D、E E，其中，其中E E主要是要求主要是要求-40-400 0 C C 的冲击韧性。的冲击韧性。第55页/共69页

24、57二、钢材的选择二、钢材的选择（一）选择钢材的原则一）选择钢材的原则1 1结构或构件的重要性；结构或构件的重要性；第56页/共69页582 2荷载情况（静力荷载，动力荷载）；荷载情况（静力荷载，动力荷载）； 静力荷载作用下可选择经济性较好的静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235Q235钢材。钢材。 动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。3 3连接方法（焊接连接、螺栓连接）；连接方法（焊接连接、螺栓连接）； 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C C、S S、P P的极限含量；非焊接结构对的极限含量；非焊接结构对C C

25、的要求可降低一些。的要求可降低一些。4 4结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）；结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）； 低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢5.5. 钢材的厚度。钢材的厚度。 厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。第57页/共69页591 1、承重结构的钢材宜采用、承重结构的钢材宜采用Q235Q235钢、钢、Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢钢和和Q420Q420钢，其质量应分别符合国家标准钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构碳素结构钢钢GB700GB700和和低合金高强度结构

26、钢低合金高强度结构钢GB/T1591GB/T1591的规的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准的规定和要求。准的规定和要求。 2 2、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。第58页/共69页60 3 3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于当结构工作温度等于或低于00但

27、但高于高于2020时，时，Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有00冲击韧性冲击韧性合格的保证合格的保证； 对于对于Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢应具有钢应具有2020冲冲击韧性的合格保证击韧性的合格保证。 当结构工作温度等于或低于当结构工作温度等于或低于2020时，对时，对Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有2020冲击韧性的冲击韧性的合格保证；合格保证； 对对Q390Q390和和Q420Q420钢应具有钢应具有4040冲击韧性冲击韧性的合格保证的合格保证。 第59页/共69页61 4 4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有、对于需要

28、验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低当结构工作温度等于或低于于2020时，对时，对Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有00冲击韧性冲击韧性合格的保证；合格的保证；对对Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢应具有钢应具有2020冲击韧冲击韧性的合格保证。性的合格保证。5 5、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。 6 6、当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用当焊接结构为防止

29、钢材的层状撕裂而采用 Z Z 向钢向钢时，其材质应符合现行国家标准时，其材质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板GB/T5313GB/T5313的规定。的规定。 第60页/共69页628 8、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准焊接耐焊接耐候钢候钢GB/T4172GB/T4172的规定。的规定。 7、钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率z z来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三个等级，即个等级，即Z15Z15，Z25Z25，Z35Z35，分别对应其允许值。，分别对应其允许值。第61页/共69页63 热轧成型的热轧成型的钢板钢板和和型钢型钢，冷弯（或冷压）成型，冷弯（或冷压）成型的的薄壁型钢薄壁型钢。（一）热轧钢板（一）热轧钢板（表示方法（表示方法 宽宽厚度厚度长度长度 ）分为分为: :厚板厚板（厚度（厚度4.5-6