第2章 钢结构的材料

1、设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料1.了解钢材的破坏形了解钢材的破坏形式和主要性能。式和主要性能。2.了解影响钢材性能了解影响钢材性能的主要因素。的主要因素。3.了解钢材疲劳破坏了解钢材疲劳破坏及计算方法。及计算方法。4.了解钢材的种类及了解钢材的种类及选用原则要求。选用原则要求。2.1 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求2.2 2.2 钢材的破坏形式钢材的破坏形式2.3 2.3 钢材的主要性能钢材的主要性能2.4 2.4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响2.5

2、2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件2.6 2.6 钢材的疲劳钢材的疲劳2.7 2.7 钢的种类和钢材的规格钢的种类和钢材的规格本章目录本章目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.12.1节节 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求1. 1. 概述概述2. 2. 钢结构对材料的基本要求钢结构对材料的基本要求了解钢结构对材料性能的基本要求了解钢结构对材料性能的基本要求 本节目录本节目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.1.1 2.1.1 概述概述 含碳量小于含碳量小

3、于2的铁碳合金称作钢，含碳量大于的铁碳合金称作钢，含碳量大于2时称作铁。钢材种类繁多，性能差别很大，适用于钢结时称作铁。钢材种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构只是其中一小部分。构只是其中一小部分。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（1 1）较高的抗拉强度）较高的抗拉强度 fu和屈服点和屈服点 fy；（2 2）较好的塑性、韧性；）较好的塑性、韧性；（3 3）良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；）良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；（4 4）对环境的良好适应性。）对环境的良好适应性。2.1.2 2.1.2 钢结构对材料的基本要求钢结构对材料的基本要求设计原理设

4、计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.22.2节节 钢材的破坏形式钢材的破坏形式钢材的两种破坏形式钢材的两种破坏形式了解钢材的破坏形式和特点了解钢材的破坏形式和特点 本节目录本节目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.2.1 2.2.1 钢材的两种破坏形式钢材的两种破坏形式破坏形式破坏形式特特 征征断断 口口后后 果果塑性破坏塑性破坏构件应力超过屈服构件应力超过屈服点，并且达到抗拉点，并且达到抗拉极限强度后，构件极限强度后，构件产生明显的变形并产生明显的变形并断裂。断裂。断裂时断口与断裂时断口与作用力方向呈作用力方向呈

5、4545，呈纤维，呈纤维状，色泽发暗状，色泽发暗在破坏前有很明在破坏前有很明显的变形，并有显的变形，并有较长的变形持续较长的变形持续时间，便于发现时间，便于发现和补救。和补救。脆性破坏脆性破坏在破坏前无明显变在破坏前无明显变形，平均应力也小形，平均应力也小（一般都小于屈服（一般都小于屈服点），没有任何预点），没有任何预兆。兆。断口平直并呈断口平直并呈有光泽的晶粒有光泽的晶粒状。状。突然发生的，危突然发生的，危险性大，应尽量险性大，应尽量避免。避免。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.32.3节节 钢材的主要性能钢材的主要性能1. 1. 受拉、受压及受剪时的

6、性能受拉、受压及受剪时的性能2. 2. 冷弯性能冷弯性能3. 3. 冲击韧性冲击韧性掌握钢材的主要力学性能要求及含义掌握钢材的主要力学性能要求及含义本节目录本节目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.3.1 2.3.1 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能1 1、钢材在单向一次拉伸下的工作性能、钢材在单向一次拉伸下的工作性能试验条件：标准试件试验条件：标准试件（GB/T228），），常温常温（205）下缓慢加载，一次完成。含碳量为下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%0.3%。标准试件：标准试件：Lo/d=5或或10；Lo- - -

7、标距；标距；d - - -直径直径图图2.3.12.3.1设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2 2、有明显屈服点钢材的、有明显屈服点钢材的-曲线曲线ufOPfEBCDAGyfH图图2.3.22.3.2设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2 2、有明显屈服点钢材的、有明显屈服点钢材的-曲线曲线图图2.3.32.3.3设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 可划分为以下五个阶段：可划分为以下五个阶段： (1)(1)弹性阶段弹性阶段( (OB段段) )OA段材料处于纯弹性，即段材料处于纯弹性，即: :EAB段有

8、一定的塑性变形段有一定的塑性变形, , 但整个但整个OB段卸载时段卸载时 = 0弹性模量：弹性模量：E=206103N/mm2其中，其中，A点应力点应力 f p称为比例极限。称为比例极限。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料(2)(2)弹塑性阶段弹塑性阶段（BC段段) ) 该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留下永久的残余变形。下永久的残余变形。(3)(3)塑性阶段塑性阶段（CD段段) ) 该段该段基本保持不变（水平基本保持不变（水平),),急剧增大急剧增大, ,称为屈服称为屈服台阶。变形模量台阶。变形模量E = 0。

9、 该段应力最高点和最低点分别称为上屈服点和下该段应力最高点和最低点分别称为上屈服点和下屈服点，下屈服点比较稳定，设计中则以下屈服点为屈服点，下屈服点比较稳定，设计中则以下屈服点为依据。依据。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（4 4）强化阶段强化阶段( (DG段段) ) 当应力达到当应力达到G G点时，出现颈缩现象，至点时，出现颈缩现象，至H点而断裂。点而断裂。 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。曲线最增加较快。曲线最高点处高点处G点的应力点的应力 fu称为抗拉强度或极限强度。称为抗拉强度或极限强度。（5 5）颈缩破坏阶段颈缩破坏阶段(

10、 (GH段段) )设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料3 3、对无明显屈服点的钢材、对无明显屈服点的钢材 高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶，高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶，塑性变形小，设计中不宜利用它的塑性。塑性变形小，设计中不宜利用它的塑性。 设计时取相当于残余变形设计时取相当于残余变形为为0.2%时所对应的应力作为时所对应的应力作为屈服点屈服点称为条件屈服点或称为条件屈服点或名义屈服点名义屈服点fy=f0.20.2%fup图图2.3.42.3.4设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料4 4、应力应变曲线的简化、应力

11、应变曲线的简化设计时将钢材简化为理想弹塑性体设计时将钢材简化为理想弹塑性体钢材在静载作用下：钢材在静载作用下： 强度计算以强度计算以fy为依据，为依据，fu为结构的安全储备。为结构的安全储备。22.5%-3%fy 1 0.15%图图2.3.52.3.5设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料5 5、单向拉伸时钢材的机械性能指标、单向拉伸时钢材的机械性能指标 （1 1）屈服点屈服点 fy 应力应变曲线开始产生塑性流动应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。度设计值的重

12、要指标。 （2 2）抗拉强度抗拉强度 fu 应力应变曲线最高点对应的应应力应变曲线最高点对应的应力力, ,它是钢材最大的抗拉强度。它是钢材最大的抗拉强度。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（3 3）伸长率伸长率00100%lll当当lo/d=5时，用时，用5表示表示当当l0/d=10时，用时，用10表示表示（5 10）实际工程中以伸长率实际工程中以伸长率 代表材料断裂前具有的塑性变形能力。代表材料断裂前具有的塑性变形能力。钢材的塑性是指：当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残钢材的塑性是指：当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性

13、质。余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。试件断裂时的绝对变形值与原标距长度的百分比，用试件断裂时的绝对变形值与原标距长度的百分比，用表示。表示。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（4 4）断面收缩率断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比，用面面积比值的百分比，用 表示。表示。%100110AAA式中：式中： A0 试件原来的断面面积试件原来的断面面积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积试件拉断后颈缩区的断面面积 图图2.3.62.3.6设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的

14、材料钢结构的材料 采用短试件采用短试件l0/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。6 6、受压时的性能、受压时的性能7 7、受剪时的性能、受剪时的性能3279 103vyyNGmmff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：设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.3.2 2.3.2 冷弯性能冷弯性能 冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标综合指标 鉴定合格指标：通过冷弯冲头加压，当试件弯曲至鉴定合格指标：通过冷弯冲头加压，当试件弯曲至180时，检察试件弯曲

15、部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。 图图2.3.7设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.3.3 2.3.3 冲击韧性冲击韧性冲击韧性冲击韧性钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。 用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号Wkv或或Cv表

16、示，单位为表示，单位为J。 冲击韧性由冲击冲击韧性由冲击韧性试验确定。韧性试验确定。图图2.3.8设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料图图2.3.9 冲击韧性演示冲击韧性演示设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料影响冲击韧性的因素：影响冲击韧性的因素： 冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏V型和梅型和梅氏氏U型，近年来，我国冲击试验已用夏氏型，近年来，我国冲击试验已用夏氏V型代替梅氏型代替梅氏U型。型。 冲击韧性还与试验的温度有关。根据温度不同，我国钢冲击韧性还与试验的温度有关。根据温度不

17、同，我国钢材标准中将试验分为四档，即材标准中将试验分为四档，即+20, 0，-20和和-40时的时的冲击韧性。冲击韧性。 温度越低，冲击韧性越低。温度越低，冲击韧性越低。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料钢材的机械性能指标钢材的机械性能指标屈服点屈服点 fy伸长率伸长率 抗拉强度抗拉强度 fu冷弯试验冷弯试验冲击韧性冲击韧性 Cv小结小结设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.42.4节节 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响1. 1. 化学成分化学成分2. 2. 冶金缺陷冶金缺陷3. 3. 钢材硬化钢材硬化

18、1.1.了解影响钢材性能的主要因素了解影响钢材性能的主要因素本节目录本节目录基本要求基本要求2.2.了解防止脆性断裂破坏的方法了解防止脆性断裂破坏的方法 4. 4. 温度影响温度影响5. 5. 应力集中应力集中6. 6. 荷载的影响荷载的影响设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.1 2.4.1 化学成分化学成分 普通碳素钢中普通碳素钢中Fe占占99%，C和和其他元素仅占其他元素仅占1%，但，但对钢材力学性能有着决定性的影响。对钢材力学性能有着决定性的影响。 普通低合金钢中合金元素普通低合金钢中合金元素小于小于5%。 (1) (1)碳（碳（C）：钢材强度的主要

19、来源，随其含量增加，：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性、韧性和疲劳强度降低，同时恶化钢的强度增加，塑性、韧性和疲劳强度降低，同时恶化钢的焊接性能和抗腐蚀性。钢结构用钢中，碳含量一般控制焊接性能和抗腐蚀性。钢结构用钢中，碳含量一般控制在在0.22%以下，当其含量在以下，当其含量在0.2以下时，可焊性良好。以下时，可焊性良好。 设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料图图2.4.1 含碳量对含碳量对-关系的影响关系的影响0%TC0.3%设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 (2)(2)硫（硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过：

20、有害元素，热脆性。不得超过0.05%。 (3) (3)磷（磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过提高，可焊性降低。不得超过0.045%。 (4)(4)锰（锰（Mn）：合金元素：合金元素, ,弱脱氧剂。与弱脱氧剂。与S形成形成MnS, ,熔点熔点1600, ,可以消除一部分可以消除一部分S的有害作用。的有害作用。 (5) (5)硅（硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。：合金元素。强脱氧剂。 设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 (6) (6)钒（钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其：合金元素。细化晶粒

21、，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。 (7) (7)氧氧（O）：有害杂质，与：有害杂质，与S相似（热脆）。相似（热脆）。 (8) (8)氮氮（N）：有害杂质，与：有害杂质，与P相似（冷脆）相似（冷脆） 。 (9) (9)铜铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。性有影响。 设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.2 2.4.2 冶金缺陷冶金缺陷常见的冶金缺陷有：常见的冶金缺陷有： 偏析偏析：钢中化学成分不一致和不均匀性称为偏析。主要是硫和：钢中

22、化学成分不一致和不均匀性称为偏析。主要是硫和磷的偏析，使钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。磷的偏析，使钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。 非金属夹杂非金属夹杂：常见的夹杂物为硫化物和氧化物。硫化物使钢材：常见的夹杂物为硫化物和氧化物。硫化物使钢材在在800 1200高温下变脆，氧化物会降低钢材的力学性能和工艺高温下变脆，氧化物会降低钢材的力学性能和工艺性能。性能。 气孔气孔：浇注时由：浇注时由FeO与与C作用所生成的作用所生成的CO气体不能充分逸出而气体不能充分逸出而留在钢锭内形成的。留在钢锭内形成的。 裂纹裂纹：钢材中已出现的局部破坏：钢材中已出现的局部破坏 分层分层：指沿厚度方向形成层间并不相互脱

23、离的分层。分层处易：指沿厚度方向形成层间并不相互脱离的分层。分层处易被锈蚀被锈蚀, , 且分层使钢材性能变差。且分层使钢材性能变差。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.3 2.4.3 钢材硬化钢材硬化 冷作硬化冷作硬化在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象韧性降低的现象。 时效硬化时效硬化随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的

24、屈服点和抗拉强度提高，的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象塑性和韧性下降的现象。 应变时效硬化应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。发生时效硬化现象。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料图图2.4.2 硬化对钢材性能的影响硬化对钢材性能的影响0冷作硬化冷作硬化时效硬化时效硬化冷作硬化后冷作硬化后的塑性区的塑性区243 1fyfp冷加工及时效冷加工及时效冷

25、加工及时效冷加工及时效后的塑性区后的塑性区fy0设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料图图2.4.3设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 注意注意: :不管哪一种硬化，都要降低钢材的塑性和不管哪一种硬化，都要降低钢材的塑性和韧性，对钢材不利。因此钢结构设计中一般不利用韧性，对钢材不利。因此钢结构设计中一般不利用硬化后提高的强度，而且对于直接承受动荷载的结硬化后提高的强度，而且对于直接承受动荷载的结构还应设法消除硬化的影响。构还应设法消除硬化的影响。 例如，经过剪切机剪切的钢板，为了消除剪切例如，经过剪切机剪切的钢板，为了消除剪切边缘的冷

26、作硬化，可采用火焰烧烤使之边缘的冷作硬化，可采用火焰烧烤使之“退火退火”或或将边缘刨去将边缘刨去35mm。 设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.4 2.4.4 温度影响温度影响图图2.4.4 温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响8006004002000N/mm2Efufy20040060020406080%220210200190180170160E Ex10 x103 3N/mmN/mm2 2t(0C)设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 1 1正温范围正温范围 200以内对钢材性能无大影响，该范围内随温度以内

27、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。升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。 250左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加加蓝蓝脆现象，该温度区段称为脆现象，该温度区段称为“蓝蓝脆区脆区”。 260320产生徐变现象。产生徐变现象。 600左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。失。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 当 温 度 低当 温 度 低于常温时，钢于常温时，钢材的脆性倾向材的脆性倾向随温度降低而随温度降低而增加，材料强增加，材料

28、强度略有提高，度略有提高，但其塑性和韧但其塑性和韧性降低，该现性降低，该现象称为象称为低温冷低温冷脆脆。2 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冲冲 击击 断断 裂裂 功功 C Cv vT1T2T0图图2.4.5 冲击韧性与温度的关系曲线冲击韧性与温度的关系曲线设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.5 2.4.5 应力集中应力集中 1.1.应力集中的概念应力集中的概念 在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、

29、形状变化和内部缺陷等，此时截角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。部高峰应力，形成所谓应力集中现象。 图图2.4.6 孔洞及槽孔孔洞及槽孔处的应力集处的应力集中现象中现象y yz zy yx xz zx xx xy y0 00 01 11 1x xy y0 00 01 11 1设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 2.2.应力集中的影响应力集中的影响 可以看出截面槽可以看出截面槽口改变愈急剧，应力口改变愈急剧，应力集中现象愈厉

30、害，其集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑抗拉强度愈高，但塑性愈差，脆性破坏的性愈差，脆性破坏的倾向愈大。倾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10测距10010100600700500400300200100图图2.4.7 应力集中对应力集中对-曲线关系的影响曲线关系的影响设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料3.3.减小应力集中现象的措施减小应力集中现象的措施 由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载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要求，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

31、力集中的影响。可以不考虑应力集中的影响。1:2.5图图2.4.8设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.4.6 2.4.6 荷载的影响荷载的影响 1.1.加荷速度的影响加荷速度的影响 加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。因此，试验时需规定加载速度。温下大得多。因此，试验时需规定加载速度。 2. 2. 循环荷载的影响循环荷载的影响 钢材在钢材在直接的直接的连续连续反复的动力反复的动力荷载作用下，损伤会荷载作用

32、下，损伤会逐渐累积，逐渐累积，缺陷会发展成微观缺陷会发展成微观裂纹裂纹，继而发展到宏观，继而发展到宏观裂裂纹，纹，截面削弱到一定程度而突然截面削弱到一定程度而突然破坏（破坏（这种现象叫这种现象叫疲劳疲劳破坏）。破坏）。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料本节讨论：本节讨论：防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法 (1)(1)合理选择钢材合理选择钢材 温度温度冷脆转变温度低冷脆转变温度低 厚度厚度薄薄 (2)(2)合理设计合理设计 合理的设计应该在考虑材料的断裂韧性水平、最低合理的设计应该在考虑材料的断裂韧性水平、最低工作温度、荷载特征、应力集中等因素后，再选择合理工

33、作温度、荷载特征、应力集中等因素后，再选择合理的结构型式，尤其是合理的构造细节十分重要。的结构型式，尤其是合理的构造细节十分重要。 设计时应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限设计时应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限度，尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。度，尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 (3)(3)合理制作和安装合理制作和安装 冷加工冷加工栓孔栓孔 钻、扩钻、扩 焊接焊接合理工艺、参数，减小焊接残余应力，合理工艺、参数，减小焊接残余应力，如厚钢板，焊前预热，焊后保温如厚钢板，焊前预热，焊后保温 安装安装减小

34、装配残余应力减小装配残余应力 (4)(4)合理使用及维修措施合理使用及维修措施避免突然荷载避免突然荷载设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.52.5节节 复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件1.掌握复杂应力作用钢材屈服条件及应用掌握复杂应力作用钢材屈服条件及应用基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料基本基本假定：假定： （1 1）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位）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；体积中积聚的能量来表达； （2 2）当复杂应力状态下变形能等于

35、单轴受力时的变）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。形能时，钢材即由弹性转入塑性。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料yOxzyzyxxyxzzyzxZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力图图2.5.1112233单元体受主应力单元体受主应力图图2.5.2设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件，可用状态的条件，可用按能量强度理论计算的按能量强度理论计算的折算应力折算应力red和钢材在单向应力和钢材在单向应力下

36、的屈服点下的屈服点fy相比较来判断，即相比较来判断，即1.1.以一般应力分量表示以一般应力分量表示2.2.以主应力表示以主应力表示当当时钢材处于弹性状态，时钢材处于弹性状态，时钢材处于塑性状态。时钢材处于塑性状态。redyfredyf2221223311()()()(2 2)2redyf(2-2)(2-2)222222()3 ()(21)redxyzxyyzzxxyyzzxyf (2-1)(2-1)设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 对于薄板，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，对于薄板，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，这时三向应力状态可简化为平面应力状态，式（

37、这时三向应力状态可简化为平面应力状态，式（2-12-1）成为成为 3.3.几种特殊情况几种特殊情况一般的梁，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：223redyf（2-42-4）222(2 )33redxyx yxyyf（2-32-3）设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料纯剪时纯剪时 = 0 ，则有则有233redyf（2-52-5）即：钢材的剪切屈服点是单轴拉伸屈服点即：钢材的剪切屈服点是单轴拉伸屈服点 fy的的0.58倍。倍。因此，规范规定：钢材的抗剪设计强度为抗拉设计强度因此，规范规定：钢材的抗剪设计强度为抗拉设计强度的的0.58 倍

38、。倍。0 .5 8(2 6 )3yyvyfff （2-62-6）设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.62.6节节 钢材的疲劳钢材的疲劳1. 1. 疲劳破坏特征疲劳破坏特征2. 2. 常幅疲劳常幅疲劳3. 3. 变幅疲劳变幅疲劳1.1.了解钢材疲劳破坏的特征了解钢材疲劳破坏的特征2. 2. 掌握疲劳破坏的计算方法掌握疲劳破坏的计算方法本节目录本节目录基本要求基本要求设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.6.1 2.6.1 疲劳破坏特征疲劳破坏特征 1.1.概念概念 钢材在连续反复荷载的作用，当应力低于抗拉强度，钢材在连续反复荷

39、载的作用，当应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度时发生突然断裂的现象，这种现象称甚至低于屈服强度时发生突然断裂的现象，这种现象称为钢材的疲劳。为钢材的疲劳。 2.2.疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理 疲劳破坏是积累损伤的结果。疲劳破坏是积累损伤的结果。 破坏过程：破坏过程：缺陷缺陷微观裂纹微观裂纹宏观裂纹宏观裂纹断裂。断裂。 3 3. .疲劳破坏与脆性破坏比较疲劳破坏与脆性破坏比较设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料相同点：相同点：突然断裂，断裂时名义应力都低于屈服点突然断裂，断裂时名义应力都低于屈服点不同点之一：不同点之一： 疲劳破坏疲劳破坏 裂纹扩展稳定，缓慢，多次

40、反复加载裂纹扩展稳定，缓慢，多次反复加载 脆性破坏脆性破坏 裂纹扩展不稳定，迅速，一次加载就可能裂纹扩展不稳定，迅速，一次加载就可能 破坏破坏不同点之二：不同点之二： 疲劳破坏疲劳破坏 断口分为疲劳区和瞬断区（疲劳区记载了裂断口分为疲劳区和瞬断区（疲劳区记载了裂 缝扩展和闭合的过程，颜色发暗，表面有较缝扩展和闭合的过程，颜色发暗，表面有较 清楚的疲好纹理，呈沙滩状或波纹状。瞬断清楚的疲好纹理，呈沙滩状或波纹状。瞬断 区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到 一临界尺寸时脆性断裂的待点，瞬断区晶粒一临界尺寸时脆性断裂的待点，瞬断区晶粒 粗亮。）粗亮。） 脆性破

41、坏脆性破坏 闪光的晶粒状闪光的晶粒状设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料4 4. . 影响疲劳破坏的主要因素影响疲劳破坏的主要因素 构造细节构造细节应力集中程度和残余应力大小应力集中程度和残余应力大小 荷载循环次数荷载循环次数5104次，验算疲劳次，验算疲劳 荷载引起的循环应力特征荷载引起的循环应力特征 应力幅（焊接结构）应力幅（焊接结构） 应力比（非焊接结构）应力比（非焊接结构）注意：注意：与钢材的静力强度和最大应力无明显关系与钢材的静力强度和最大应力无明显关系 不出现拉应力，不会发生疲劳破坏不出现拉应力，不会发生疲劳破坏设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章

42、 钢结构的材料钢结构的材料5 5. .几个概念几个概念 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。应力循环应力循环构件截面应力随时间的变化。构件截面应力随时间的变化。 应力循环次数应力循环次数结构或构件破坏时所经历的应力变结构或构件破坏时所经历的应力变 化次数。化次数。应力比应力比循环应力中绝对值最小的峰值应力循环应力中绝对值最小的峰值应力min与绝与绝对值最大的峰值应力对值最大的峰值应力max之比。之比。= min /max( (拉应力取拉应力取正号而压应力取负号正号而压应力取负号) )设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材

43、料 应力幅应力幅在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复在循环荷载作用下，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一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅: : = =maxmax- -minmin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： 此处此处max为最大拉应力，取正值，为最大拉应力，取正值，min为最小拉应力或压为最小拉应力或压应力。（拉应力取正号而压应力取负号）应力。（拉应力取正号而压应力取负号） + +- -t t图图2.6.1设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 循环循环应力谱应力谱图图2.6.

44、2 完全对称循环完全对称循环r r=f=fy yt t=minmin/ /max max = = -1-1minminmaxmax+ +- -0 0图图2.6.3 脉冲循环脉冲循环r r=f=fy yt t=minmin/ /max max =0=0+ +- -0 0设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 循环循环应力谱应力谱+ +- -图图2.6.5 不完全对称循环二不完全对称循环二r r=f=fy yt t0 0=minmin/ /max max -1-1minminmaxmax0 0图图2.6.4 不完全对称循环一不完全对称循环一r r=f=fy yt t0

45、0=minmin/ /max max -1-1minminmaxmax+ +- -0 0设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.6.2 2.6.2 常幅疲劳常幅疲劳当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。 对焊接结构：对焊接结构：r r=f=fy yt t=minmin/ /maxmax=-1=-1minminmaxmax+ +- -0 0图图2.6.6fyfyfyfyfyfy图图2.6.7设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 可以看出，由于焊接残余应力焊缝附近主体金属的可以看出，由

46、于焊接残余应力焊缝附近主体金属的最大应力已达最大应力已达 fy，因此，有，因此，有应力增大时保持应力增大时保持 fy不变不变应力减小时从应力减小时从minyyff名义应力比名义应力比minmax真实应力比真实应力比yyff设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名义最大应力义最大应力max和应力比和应力比无关。无关。 可见，只要可见，只要为常数，不管名义为常数，不管名义为何值，真实为何值，真实也为常数，因此：也为常数，因此：1.1.容许应力幅容许应力幅 根据试验数据可以绘出构件或连

47、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 N的关系曲线，按试验数据回归的关系曲线，按试验数据回归的的-N曲线为平均曲线曲线为平均曲线( (图图a) )，取对数坐标，取对数坐标( (图图b) )。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料图图2.6.8 -N曲线曲线(a)0N2S2S 2S2S(b)0NlgN=5104N=5X106 lg.b b1 1设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 考虑试验数据的离散性考虑试验数据的离散性, ,取平均值减去取平均值减去2倍倍lgN的标的标准差准差s作为疲

48、劳强度下限，当作为疲劳强度下限，当lg为正态分布时为正态分布时, ,保证率保证率为为97.7%。 则对应疲劳寿命则对应疲劳寿命n的容许应力幅可由直线斜截式方程的容许应力幅可由直线斜截式方程求出：求出：（y=kx+b） 取系数：取系数：lgC是延长直线与横坐标的交点是延长直线与横坐标的交点是直线的斜率是直线的斜率1设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料11lg()lglg1(lglg )1lg(27)nCCnCn 1:(28)Cn即设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料此时的此时的即为容许应力幅：即为容许应力幅：1(29)CN式中：系数式中

49、：系数、C为不同构件和连接类别的试验为不同构件和连接类别的试验参数，称疲劳特征参数。参数，称疲劳特征参数。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2 2. . 常幅疲劳验算常幅疲劳验算(2 10) 式中：式中：计算部位的应力幅计算部位的应力幅 对于焊接结构对于焊接结构: : =max-min 对于非焊接结构：对于非焊接结构：=max-0.7min( (折算应力幅）折算应力幅）max、min 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（压应力取负值）。最小拉应力或压应力（压应力取负值）。常幅疲劳的容许应力幅常幅疲劳的容许

50、应力幅设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料3 3. . 验算验算公式公式的几点补充说明的几点补充说明 （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，计算时不）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算时不再考虑动力系数。再考虑动力系数。 （3 3）公式同样适用剪应力情况验算。）公式同样适用剪应力情况验算。 （4 4）针对不同构造和受力特点的钢结构和连接（应）针对不同构造和受力特点的钢结构和连接（应力集中和残余应力分布程度不同）力集中和残余应力分布程度不同）, ,GB50017-2003把把各种不同的构造划分为各种不同

51、的构造划分为8个类别，给出了个类别，给出了8个类别的个类别的C、值。值。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料参数参数和和的取值的取值333333440.410.650.961.472.183.268611940 101287654321构件和连接类别构件和连接类别图图2.6.9 疲劳容许应力幅疲劳容许应力幅与应力循环次数与应力循环次数n的关系曲线的关系曲线123456784003002001008060105234 5 6 78910621065106107n/（N/mm2）设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 编号越大，其应力集中、

52、残余应力情况越严重，其编号越大，其应力集中、残余应力情况越严重，其C值越小，容许应力幅值越小，容许应力幅越小。越小。 （5 5）钢材种类不同，静力强度差别较大，而公式中）钢材种类不同，静力强度差别较大，而公式中 无差别。无差别。 试验表明：对目前常用的构件和连接，疲劳强度一试验表明：对目前常用的构件和连接，疲劳强度一般与所用钢材的屈服强度无关。般与所用钢材的屈服强度无关。 所以，不能通过提高钢材屈服强度来提高抗疲劳能力。所以，不能通过提高钢材屈服强度来提高抗疲劳能力。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 （6 6）对非焊接结构，残余应力影响较小，疲劳寿）对非焊接结

53、构，残余应力影响较小，疲劳寿命主要与最大应力、应力比有关，但为统一采用一种验命主要与最大应力、应力比有关，但为统一采用一种验算公式，引入了折算应力幅概念。算公式，引入了折算应力幅概念。 （7 7）完全压应力状态不验算疲劳。）完全压应力状态不验算疲劳。 规范规定：在应力循环中不出现拉应力部位可不计规范规定：在应力循环中不出现拉应力部位可不计算疲劳。算疲劳。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.6.3 2.6.3 变幅疲劳变幅疲劳 当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。i-121it图图2.6.10 变幅荷载循环变幅荷载

54、循环 对于受随机荷载作用的变幅疲劳计算，通常近似按对于受随机荷载作用的变幅疲劳计算，通常近似按线性疲劳累积损伤原则将变化的应力幅折算成等效常应线性疲劳累积损伤原则将变化的应力幅折算成等效常应力幅力幅e，然后令，然后令设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料(2 11)e式中：式中：1()iieinn ni以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； ni预期使用寿命内应力幅水平达到预期使用寿命内应力幅水平达到i的应力的应力循环次数。循环次数。 常幅疲劳的容许应力幅常幅疲劳的容许应力幅设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料

55、钢结构的材料对于吊车梁，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：62 10(2 12)fn 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1.0； 重级工作制软钩吊车重级工作制软钩吊车0.8；中级工作制吊车；中级工作制吊车0.5。 f 循环次数循环次数 N=2106 的容许应力幅。的容许应力幅。6102 n 式中：式中：设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第第2.72.7节节 钢材的种类和规格钢材的种类和规格1. 1. 钢材的种类钢材的种类2. 2. 钢材的选择钢材的选择3. 3. 钢材的规格钢材的规格1.1.了解钢材的种类、命名

56、和选择了解钢材的种类、命名和选择本节目录本节目录基本要求基本要求2.2.了解钢材的主要规格了解钢材的主要规格设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2.7.1 2.7.1 钢材的种类钢材的种类 按用途钢可分为：结构钢、工具钢和特殊钢。按用途钢可分为：结构钢、工具钢和特殊钢。 按冶炼方法，钢可分为转炉、平炉和电炉。按冶炼方法，钢可分为转炉、平炉和电炉。 按照脱氧方法和程度的不同，可分为沸腾钢、半镇按照脱氧方法和程度的不同，可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。静钢、镇静钢和特殊镇静钢。 按化学成分，钢又可分为碳素钢和低合金钢。按化学成分，钢又可分为碳素钢和低合金钢

57、。 1 1. .碳素结构钢碳素结构钢 命名方式命名方式: :由四部分组成由四部分组成，依次是，依次是屈服点的字母屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号，如，如Q235-AF。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 说明说明：（：（1 1）质量等级符号质量等级符号A、B、C、D是根据钢是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同共化分为材的化学成分和冲击韧性不同共化分为4个等级。个等级。 Q235-质量等级质量等级（A、B、C、D） 脱氧方法脱氧方法（F、Z、b、Tz） A 保证保证fu、fy、，P、S含量含量 B 保证保证

58、fu,fy, ,冷弯，常温时冷弯，常温时Cv，P，S，C含量；含量； C 保证保证 fu,fy, ,冷弯，冷弯，0oC时时Cv，P，S，C含量含量; ; D 保证保证fu,fy, ,冷弯，冷弯，-20oC时时Cv，P，S，C含量含量; ;设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 （2 2）脱氧方法符号也有四种，脱氧方法符号也有四种，F代表沸腾钢，代表沸腾钢，b代代表半镇静钢，表半镇静钢，Z代表镇静钢，代表镇静钢，TZ代表特种镇静钢，在具代表特种镇静钢，在具体标注时体标注时Z和和TZ可以省略。可以省略。 （3 3）规范）规范GB50017将将Q235牌号的钢材选为承重结

59、牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范冷弯试验结果均应符合规范GB/T700-2006的要求。的要求。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料2 2. .低低合金高强度结构钢合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中适量添加低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中适量添加几种合金元素（合金元素总量不超过几种合金元素（合金元素总量不超过5%）, ,使钢的强度使钢的强度明显提高。明显提高。 低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似低合金高强度结构钢的牌号命名与

60、碳素结构钢相似, ,只是质量等级分为只是质量等级分为A、B、C、D、E五等（其中五等（其中E主要是主要是要求要求-40 的冲击韧性）的冲击韧性）, ,低合金高强度结构钢采用的脱低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢, ,故可不加脱氧方法的符故可不加脱氧方法的符号。号。设计原理设计原理钢结构钢结构第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 根据钢材厚度（直径）根据钢材厚度（直径）16mm时的屈服点不同，时的屈服点不同，分为分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等，其中等，其中Q345、Q390和和Q420钢材都有较高的强度和较好的塑性、韧性钢