郑州大学钢结构课件第2章二

1、 刚生产出来的钢材力学性刚生产出来的钢材力学性能随时间表现出强度增大而塑能随时间表现出强度增大而塑性降低的现象，称之为性降低的现象，称之为时效硬时效硬化化。 超过比例极限后卸载，再超过比例极限后卸载，再加载时提高了屈服强度，却牺加载时提高了屈服强度，却牺牲了塑性。这种现象称牲了塑性。这种现象称冷作硬冷作硬化化（或应变硬化、冷硬）。（或应变硬化、冷硬）。 2.4.4 2.4.4 钢材硬化钢材硬化 将经过冷作硬化的钢材再经过一段时间之后还会进一步出现时效硬将经过冷作硬化的钢材再经过一段时间之后还会进一步出现时效硬化的现象。化的现象。 冷硬提高了钢材的强度。但却使钢材变脆，牺牲了塑性，对于承受冷硬提

2、高了钢材的强度。但却使钢材变脆，牺牲了塑性，对于承受动力荷载重要构件，不应使用经过冷硬的钢材。动力荷载重要构件，不应使用经过冷硬的钢材。对于有疲劳影响对于有疲劳影响的构件的构件在有冷作硬化的部分还需要进行处理以消除冷作硬化的影响。在有冷作硬化的部分还需要进行处理以消除冷作硬化的影响。2.4.5 2.4.5 温度影响温度影响1、在正温范围、在正温范围 在在250左右钢材的左右钢材的极限强度有所提高，同极限强度有所提高，同时塑性韧性均下降，材时塑性韧性均下降，材料呈现出脆性。这是由料呈现出脆性。这是由于钢材表面氧化膜呈蓝于钢材表面氧化膜呈蓝色，称为色，称为蓝脆现象蓝脆现象。应。应避免在蓝脆温度热加

3、工。避免在蓝脆温度热加工。 在正温范围（正常温在正温范围（正常温度以上），总的趋势是：度以上），总的趋势是：随着温度增加，钢材强度随着温度增加，钢材强度下降，塑性增大。下降，塑性增大。 2 2、在负温范围、在负温范围 在负温范围，即当温度从常在负温范围，即当温度从常温下降时，塑性、韧性降低，下温下降时，塑性、韧性降低，下降到某一降到某一温度温度时冲击韧性突然变时冲击韧性突然变得很降，发生脆性破坏，这就是得很降，发生脆性破坏，这就是低温冷脆低温冷脆。因而对直接承受动力因而对直接承受动力荷载作用的重要结构，应根据环荷载作用的重要结构，应根据环境温度选择耐低温的钢种（如境温度选择耐低温的钢种（如Q2

4、35C、Q235D等），防止结构等），防止结构发生低温脆性破坏。发生低温脆性破坏。2.4.6 2.4.6 应力集中应力集中 NN03)X(max)2)X(max)y0NN1) 应力集中现象应力集中现象 在加工过程中，如过出现表面不光滑、不平整或有空洞在加工过程中，如过出现表面不光滑、不平整或有空洞等缺陷。后果等缺陷。后果: :导致导致应力集中应力集中（图）。往往会造成构件脆性（图）。往往会造成构件脆性破坏。破坏。0.425100%(N/mm2)10测距1001010图图 应力集中对应力集中对-关系的影响关系的影响应力集中越应力集中越严重，试件严重，试件破坏所需要破坏所需要的功越小，的功越小，越

5、危险。越危险。应力集中是应力集中是导致脆性破导致脆性破坏的主要原坏的主要原因之一，应因之一，应于避免。于避免。2.5.12.5.1 单向应力状态下的屈服条件单向应力状态下的屈服条件yf2.5.22.5.2 复杂应力状态下的屈服条件复杂应力状态下的屈服条件2.5 在复杂应力下钢材的屈服条件（在复杂应力下钢材的屈服条件（2.3.2）复杂应力状态复杂应力状态复杂应力状态下的应力的形式复杂应力状态下的应力的形式yyxxzz112233xyyxyzzxxzyyxxxyxyyxyx2211钢材的多轴应力状态钢材的多轴应力状态2.5.3 2.5.3 折算应力折算应力折算应力折算应力 ZS为：为：222222

6、ZS3xyzxyyzzxxyyzzx（2-12-1）用主应力用主应力1 、2、3 表示时，有表示时，有222ZS123122331() 或或222ZS1223311()()() 2 形状改变形状改变能量理论能量理论外荷载对单元体单位体积所做的形状改变功或外荷载对单元体单位体积所做的形状改变功或单元体单位体积内所聚积的形状改变应变能达到一定数量时就会引起单元体单位体积内所聚积的形状改变应变能达到一定数量时就会引起钢材的屈服。如：材料力学中的强度理论。钢材的屈服。如：材料力学中的强度理论。2.5.4 2.5.4 单向拉伸及纯剪设计公式单向拉伸及纯剪设计公式222222ZS3xyzxyyzzxxyy

7、zzxf 单向拉伸单向拉伸f复杂应力状态：复杂应力状态：一般梁的应力状态：一般梁的应力状态：22ZS3f平面应力状态：平面应力状态：222ZS3xyxyxyf 纯剪状态的屈服条件纯剪状态的屈服条件3yf则纯剪屈服强度则纯剪屈服强度10.583vyyyfffP=P0sint/aPPta2.6 2.6 钢材的疲劳（教材钢材的疲劳（教材2.4.62.4.6）2.6.1 2.6.1 疲劳现象疲劳现象 在在连续反复（循环）荷载连续反复（循环）荷载作用下，作用下，当当应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度便发生便发生突然脆性断裂突然脆性断裂。这种现象称钢材。这种现象称钢材疲劳破坏

8、疲劳破坏。2.6.2 产生疲劳的原因产生疲劳的原因 （1 1）连续反复荷载）连续反复荷载 （2 2）材料局部缺陷（工艺微裂纹、焊缝、夹渣等）材料局部缺陷（工艺微裂纹、焊缝、夹渣等）2.6.3 疲劳破坏机理疲劳破坏机理（1 1）初始微裂纹）初始微裂纹 材料缺陷形成微裂纹或加载使杂质附近发生应力集中，材料缺陷形成微裂纹或加载使杂质附近发生应力集中，造成新的微裂纹。造成新的微裂纹。（2 2）反复荷载下微裂纹发展成宏观裂纹）反复荷载下微裂纹发展成宏观裂纹 反复荷载下微裂纹尖端应力集中、材料硬化，裂纹反复荷载下微裂纹尖端应力集中、材料硬化，裂纹开展，出现宏观裂纹。开展，出现宏观裂纹。 （3）宏观裂纹发展

9、，断面削弱，脆性断裂）宏观裂纹发展，断面削弱，脆性断裂裂纹尖端应力集中使裂纹裂纹尖端应力集中使裂纹开展开展 反复荷载继续作用，裂纹尖端材料进一步硬化，裂纹继续发展，反复荷载继续作用，裂纹尖端材料进一步硬化，裂纹继续发展，荷载循环一次，裂纹发展一步，当荷载循环到一定次数时，断面极荷载循环一次，裂纹发展一步，当荷载循环到一定次数时，断面极大削弱，导致脆性破坏。大削弱，导致脆性破坏。 恶性循环、脆性断裂恶性循环、脆性断裂加载加载裂纹尖端应力集中裂纹尖端应力集中材料硬化材料硬化卸载卸载裂纹扩大裂纹扩大3 3、影响钢材疲劳破坏的主要因素、影响钢材疲劳破坏的主要因素疲劳与钢材的质量、构件的几何尺寸和缺陷等

10、因素有关外，主要疲劳与钢材的质量、构件的几何尺寸和缺陷等因素有关外，主要取决于循环荷载在钢材内引起的反复循环取决于循环荷载在钢材内引起的反复循环应力的特征和循环次数应力的特征和循环次数。 应力特征的描述：应力特征的描述： (1)(1)循环应力的特征可用应力随时间变化的曲线即循环应力的特征可用应力随时间变化的曲线即应力谱应力谱描述。疲描述。疲劳试验中通常采用的几种应力谱如图：劳试验中通常采用的几种应力谱如图： (2)(2)循环应力谱特征循环应力谱特征应力比应力比： = min/ max； 应力幅应力幅：= max- min。3 3、钢材、钢材S-NS-N曲线和疲劳强度曲线和疲劳强度 (1)(1)

11、 钢材的最大应力钢材的最大应力 maxmax随疲劳破坏时应力循环次数随疲劳破坏时应力循环次数n n的增加而降低的增加而降低，且曲线具有平行于，且曲线具有平行于x x轴的渐近线。当轴的渐近线。当n n趋于很大时，趋于很大时， maxmax趋于常数，这个趋于常数，这个应力或应力幅称为疲劳强度极限应力或应力幅称为疲劳强度极限( (疲劳强度疲劳强度) ) 。相应的应力循环次数。相应的应力循环次数成为疲劳寿命。成为疲劳寿命。(2)为保证疲劳寿命，在为保证疲劳寿命，在设计基准期内应力循环次数设计基准期内应力循环次数n应大于规定的疲劳极限。国际应大于规定的疲劳极限。国际焊接学会（焊接学会（IIW）和国际标准

12、）和国际标准化组织（化组织（ISO）建议）建议n=5106次为疲劳极限。次为疲劳极限。ef 我国钢结构设计规范以我国钢结构设计规范以n=5n=510105 5作为承受动力荷载反复作为承受动力荷载反复作用的钢结构构件（如吊车梁，吊车桁架和工作平台梁等）作用的钢结构构件（如吊车梁，吊车桁架和工作平台梁等）及其连接所具有的最小疲劳极限。因此，当设计要求的应力及其连接所具有的最小疲劳极限。因此，当设计要求的应力循环次数循环次数n5n510104 4时，应进行疲劳检算。对于钢吊车梁，计时，应进行疲劳检算。对于钢吊车梁，计算按算按2 210106 6考虑。考虑。 疲劳计算原则：控制标准荷载下的应力幅。并按

13、照常幅疲劳计算原则：控制标准荷载下的应力幅。并按照常幅疲劳和变幅疲劳不同情况分别进行计算。疲劳和变幅疲劳不同情况分别进行计算。 应力幅应力幅：循环一周最大、最小应力差：循环一周最大、最小应力差 = = maxmax- - min min 疲劳计算的控制条件：疲劳计算的控制条件： 屈服强度屈服强度标准值标准值 （95%保证率）保证率）如：如： Q235, fy=235N/mm2, 质量等级质量等级分成分成 A、B、C、D 四级质量；四级质量； A, B级有级有F（沸腾钢）（沸腾钢）, ,Z（镇静钢），（镇静钢）， C级为级为Z Z， D级为级为TZ（特殊镇静钢）。（特殊镇静钢）。1 1、碳素结构

14、钢、碳素结构钢( (GB700-2006) （1）牌号与符号屈服点代号屈服点代号+ +屈服点标准值屈服点标准值 + +质量等级质量等级+ +脱氧方法脱氧方法Q汉语拼音汉语拼音可以省略可以省略 符号符号如如：Q235-AF, Q235-C, Q235-D（2）钢材分组）钢材分组钢材按厚度分为钢材按厚度分为6组（组（教材教材p255）16，1640，4160，60100， 100150， 150（3）钢材等级）钢材等级A级：保证fy，fu，5合格，冷弯仅在需要时提供保证，不作冲击实验；B级：保证fy，fu，5，冷弯合格，常温（20）冲击韧性合格；C级：保证fy，fu，5，冷弯合格，0冲击韧性合格；

15、D级：保证fy，fu，5，冷弯合格，-20冲击韧性合格；（4）化学成分）化学成分 保证C、S、P的极限含量，但对于A级钢C含量不作交货保证，故A级钢不能用于焊接结构低合金钢低合金钢Q295，Q345, Q390, Q420,Q460 最低屈服强度（最低屈服强度（95%95%保证率）保证率）： fy=295，345, 390, 420，460N/mm2, 分成分成A、B、C、D、E 5E 5级质量。级质量。 符号符号如如：Q345-A,Q390-B。2 2、低合金钢、低合金钢( (GB1591-1994最新标准为最新标准为2008年版年版) （1）牌号与符号）牌号与符号与碳素结构钢一样表示，但屈

16、服强度的数值不一样。与碳素结构钢一样表示，但屈服强度的数值不一样。与碳素结构钢不同，低合金钢没有沸腾钢。与碳素结构钢不同，低合金钢没有沸腾钢。 （2）特性）特性要求化学成分：要求化学成分：C C、MnMn、SiSi、S S、P P含量的合格。含量的合格。 要求保证要求保证 fy，fu，5，及冷弯合格；，及冷弯合格；与碳素结构钢相比，增加了与碳素结构钢相比，增加了E E 级钢。要求级钢。要求-40-40的冲击韧性保证。的冲击韧性保证。GB/T1591-20083 3、优质碳素结构钢优质碳素结构钢 ( (GB/T699-1999) 牌号与符号 钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的钢号开

17、头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为万分之几表示，例如平均碳含量为0.45%的钢，的钢，45钢，钢钢，钢号为号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成，它不是顺序号，所以不能读成45号钢。号钢。 锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。 沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，例如平均碳含量为号最后特别标出，例如平均碳含量为0.1%的半镇静钢，的半镇静钢，其钢号为其钢号为10b。4 4、建筑结构用钢板、建筑结构用钢板最近新出

18、的高性能钢材（最近新出的高性能钢材（GJ）建筑结构用钢板建筑结构用钢板（GB/T198792005）是河南舞阳钢厂主编的，是国内首次）是河南舞阳钢厂主编的，是国内首次发布的建筑结构用钢板标准。主要对于适合于高层建筑、发布的建筑结构用钢板标准。主要对于适合于高层建筑、大跨度建筑的要求强度、塑性韧性更高的材料标准。大跨度建筑的要求强度、塑性韧性更高的材料标准。 牌号包括：牌号包括：Q屈服强度数值，高性能建筑结构用钢（屈服强度数值，高性能建筑结构用钢（GJ），质量等级，质量等级B、C、D、E，四部分组成。主要有：，四部分组成。主要有：Q235GJ（ B、C、D、E）；）； Q235GJ（ B、C、D

19、、E）；）；Q390GJ（ B、C、D、E）；）； Q420GJ（ B、C、D、E）；）；Q460GJ（ B、C、D、E）；）；对于有对于有厚度方向性能要求厚度方向性能要求的，则在质量等级后加上厚度方的，则在质量等级后加上厚度方向性能级别（向性能级别（Z15、Z25、Z35），如），如Q345GJCZ25。这种钢，规定了碳当量这种钢，规定了碳当量CE，降低了，降低了P、S含量。含量。 1. 1.选用原则选用原则结构重要性，荷载特征，结构重要性，荷载特征，结构形式，应力结构形式，应力状态，连接方法，工作温度，钢板厚度状态，连接方法，工作温度，钢板厚度。2.7.2 钢材的选用 2. 2.选用要求选

20、用要求承重结构应当具有承重结构应当具有抗拉强度抗拉强度（fu)，屈服强度屈服强度（fy），伸长率伸长率（）,以及以及控制控制化学成分化学成分S,P含量含量的合格保证，对的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量合格保证。焊接结构尚应具有碳含量合格保证。 对于焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还对于焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应当具有应当具有冷弯试验合格保证冷弯试验合格保证。 对于需要验算疲劳的焊接结构，应当有对于需要验算疲劳的焊接结构，应当有冲击韧性保证冲击韧性保证（20，0，-20，-40）。）。3 3、钢结构设计规范中对于钢材选用的具体规定、钢结构设计规范中对于钢

21、材选用的具体规定 （1 1）承重结构宜采用）承重结构宜采用Q235、Q345、Q390、Q420以及更以及更高强度的钢材高强度的钢材. （2 2）对于下列情况的承重结构）对于下列情况的承重结构不应采用不应采用Q235Q235沸腾钢沸腾钢：A A、焊接结构、焊接结构 直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构。直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构。 工作温度低于工作温度低于-20-20时直接承受动力荷载或振动荷载但时直接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构以及承受静力荷载的受弯及受拉的重可不验算疲劳的结构以及承受静力荷载的受弯及受拉的重要承重结构。要承重结构。 工作温度不高于

22、工作温度不高于-30-30的承重结构。的承重结构。B B、非焊接结构、非焊接结构 工作温度不大于工作温度不大于-20-20的直接承受动力荷载且需要验算疲的直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构。劳的结构。4.4.注意事项注意事项(1)(1)结构要求：结构要求： Q235-A.F不保证不保证Cv指标和指标和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，全保证，可可用于焊接结构（用于焊接结构（t25mm）；）； Q345 保证保证 fu，fy，d，冷弯冷弯,指标和指标和S,P,C含量，含量， 只需选钢号并要求只需选钢号并要求Cv附加条件；附加条件； (2)厚板强度低，厚板强

23、度低，Z Z向性能较差向性能较差。2.7.3 钢材强度设计值见教材见教材p255p255附表附表1.11.1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gR1.087。弹性模量弹性模量E=206000N/mm2。钢材按外形可分为板材、型材、管材、金属制品四大类。钢材按外形可分为板材、型材、管材、金属制品四大类。2.7.4 2.7.4 结构钢材结构钢材规格（教材规格（教材2.2.22.2.2）类类 别别品品 种种说说 明明型材型材重轨重轨每米重量大于每米重量大于3030千克的钢轨（包千克的钢轨（包括起重机轨）括起重机轨）轻轨轻轨每米重量小于或等

24、于每米重量小于或等于3030千克的钢千克的钢轨轨大型型钢大型型钢普通钢圆钢、方钢、扁钢、六角普通钢圆钢、方钢、扁钢、六角钢、工字钢、槽钢、等边钢、工字钢、槽钢、等边和不等边角钢及螺纹钢等。和不等边角钢及螺纹钢等。按尺寸大小分为大、中、小按尺寸大小分为大、中、小型型中型型钢中型型钢小型型钢小型型钢线材线材直径直径5-105-10毫米的圆钢和盘条毫米的圆钢和盘条冷弯型钢冷弯型钢将钢材或钢带冷弯成型制成的型将钢材或钢带冷弯成型制成的型钢钢优质型材优质型材优质钢圆钢、方钢、扁钢、六角优质钢圆钢、方钢、扁钢、六角钢等钢等其它钢材其它钢材包括重轨配件、车轴坯、轮箍等包括重轨配件、车轴坯、轮箍等板材板材薄钢

25、板薄钢板 厚度等于和小于厚度等于和小于4 4毫米的钢板毫米的钢板厚钢板厚钢板厚度大于厚度大于4 4毫米的钢板。毫米的钢板。可分为中板（厚度大于可分为中板（厚度大于4mm4mm小于小于20mm20mm）、厚板（厚度）、厚板（厚度大于大于20mm20mm小于小于60mm60mm）、特）、特厚板（厚度大于厚板（厚度大于60mm60mm）钢带钢带也叫带钢，实际上是长而窄并也叫带钢，实际上是长而窄并成卷供应的薄钢板成卷供应的薄钢板电工硅电工硅钢薄板钢薄板也叫硅钢片或矽钢片也叫硅钢片或矽钢片管材管材无缝钢无缝钢管管用热轧、热轧用热轧、热轧冷拔或挤压冷拔或挤压等方法生产的管壁无接缝等方法生产的管壁无接缝的钢

26、管的钢管焊接钢焊接钢管管将钢板或钢带卷曲成型，然后将钢板或钢带卷曲成型，然后焊接制成的钢管焊接制成的钢管金属金属制品制品金属制金属制品品包括钢丝、钢丝绳、钢绞线等包括钢丝、钢丝绳、钢绞线等在建筑钢结构中常用有板材、型材、管材在建筑钢结构中常用有板材、型材、管材。1 1、钢板钢板热轧板，冷轧板；薄板热轧板，冷轧板；薄板40mm；常用热轧板常用热轧板4.560mm，冷轧板冷轧板0.66mm。 钢钢板的表示：符号板的表示：符号“”加加“板宽板宽板厚板厚板长度板长度”2 2、热轧型钢热轧型钢（1）角钢 等边角钢的表示：符号“L”加“边长厚度”，单位用：mm； 不等边角钢的表示：符号“L”加“长边长短边长厚度”，单位用 mm；（2）工字钢和H型钢 工字钢的表示：符号“工”加“高度”，单位用：cm；记高度为号数；工20后分为a、b，工32后分a、b、c三种。 H型钢（最新标准GB11263-2005）分为宽翼缘、中翼缘和窄翼缘三种，分别用“HW”、“HM”、“HN”表示，如HM340250914。 H型钢的表示：“H”加“高度宽度腹板厚翼缘厚”，单位为：mm。 （3 3）槽钢）槽钢 槽钢类似工字钢，表示为：符号槽钢类似工字钢，表示为：符号“”加加“高度高度”，单位用：，单位用：cm；记；记高度为号数；高度为号数；14后分