钢结构的材料.ppt课件

1、钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1有较高的强度，屈强比满足要求，保证平安贮藏有较高的强度，屈强比满足要求，保证平安贮藏2有足够的变形才干有足够的变形才干塑性塑性-破坏前有预兆，能内力重分布破坏前有预兆，能内力重分布韧性韧性-在动载下破坏能吸收较大能量在动载下破坏能吸收较大能量4顺应低温、有害介质侵蚀及接受疲劳荷载顺应低温、有害介质侵蚀及接受疲劳荷载 5易消费、价钱廉价易消费、价钱廉价3有良好的加工性能，顺应冷热加工，有良好的可焊性有良好的加工性能，顺应冷热加工，有良好的可焊性GB50017-2019)引荐的普通碳素构引荐的普通碳素构造钢造钢Q23

2、5钢和低合金高强度构造钢钢和低合金高强度构造钢Q345、Q390及及Q420符合符合要求要求钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2.2.1 钢材的冶炼一一. . 炼铁炼铁二二. . 炼钢炼钢碳素钢碳素钢 低合金高强度构造钢低合金高强度构造钢常用的炼钢炉有三种方式：转炉、平炉和电炉。常用的炼钢炉有三种方式：转炉、平炉和电炉。电炉炼钢炼成的钢质量好。电炉炼钢炼成的钢质量好。耗电量大，本钱高。耗电量大，本钱高。转炉炼钢是利用高压空气或氧气转炉炼钢是利用高压空气或氧气 氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，消氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，消费周费周 期短，效率高、质量好、期短，效率高、

3、质量好、本钱低。本钱低。钢材的消费分为炼铁、炼钢和轧制钢材的消费分为炼铁、炼钢和轧制钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计平炉炼钢，平炉的原料广泛，容平炉炼钢，平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。量优良。平炉钢周期长，效率低本钱高平炉钢周期长，效率低本钱高钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计三三. . 钢材的浇注和脱氧钢材的浇注和脱氧 按脱氧的方法和程度的不同，碳素构造钢可按脱氧的方法和程度的不同，碳素构造钢可分为分为 沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特

4、殊镇静钢沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4 4类。类。 沸腾钢采用脱氧才干较弱锰作脱氧剂，脱氧不完全。钢沸腾钢采用脱氧才干较弱锰作脱氧剂，脱氧不完全。钢中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。 镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在复原氧镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在复原氧化铁过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸化铁过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不出现沸腾景象。质量好，本钱高。出，浇注时不出现沸腾景象。质量好，本钱高。 半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。 特殊镇

5、静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，脱氧程特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，脱氧程度高于镇静钢。度高于镇静钢。 低合金高强度构造钢普通都是镇静钢。低合金高强度构造钢普通都是镇静钢。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计以以“Q代表屈服点代表屈服点屈服点数值共分屈服点数值共分195、215、235、255和和275(MPa)5种种质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别由由A、B、C、D符号表示符号表示脱氧方法以脱氧方法以F表示沸腾钢，表示沸腾钢，b表示半镇静钢，表示半镇静钢，Z表示镇静表示镇静钢，钢，TZ表示特殊镇静钢。表示特殊

6、镇静钢。Z和和TZ在钢的牌号中予以省略在钢的牌号中予以省略C级只能是级只能是Z，D级只能是级只能是TZ。例如：例如：Q235AF表示屈服点为表示屈服点为235MPa的的A级沸腾钢级沸腾钢 Q215B，表示屈服点为，表示屈服点为215MPa的的B级镇静钢级镇静钢 Q215Bb 表示屈服点为表示屈服点为215MPa的的B级半镇静钢级半镇静钢钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计一. 钢材的组织构造 碳素构造钢是在纯铁中加适量的碳来提高强度 铁素体 强度、硬度较低，而塑性、韧性良好 渗碳体 铁碳化合物 熔点高，硬度大，几乎没有塑性 与铁素体晶粒构成珠光体，在铁素体晶粒空隙中， 构成网状间层。珠光体

7、强度很高，巩固富有弹性 低合金构造钢是在低碳钢中参与少量的合金元素 合金元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中，使 强度提高，塑性、韧性和焊接性能不降低钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二. . 钢材的铸造缺陷钢材的铸造缺陷 冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等纹等热加工、冷加工和热处置三种。热加工、冷加工和热处置三种。 将钢坯加热至塑性形状，依托外力改动其外形将钢坯加热至塑性形状，依托外力改动其外形, ,产生产生出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工 在常温下对钢材进展加工称为冷加工在常温下对钢材进展

8、加工称为冷加工 经过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织构经过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织构造发生变化，称为热处置造发生变化，称为热处置钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计一一. 热加工热加工 开轧和锻压温度控制在开轧和锻压温度控制在11501300 钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，压钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，压合钢坯中的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。合钢坯中的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。 热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，钢材的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊多，钢材的性能改善明

9、显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢接性能均优于厚板和厚壁型钢 钢材强度按板厚分组钢材强度按板厚分组钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，经轧制之后被压成薄片 会出现分层景象。使钢板沿厚度方向受拉的性能恶化 钢材沿轧制方向纵向的性能优于垂直轧制方向横向的性能，使各向异性增大。钢板部件应沿其横向切取试件进展拉伸和冷弯实验。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二. . 冷加工冷加工冷轧卷板和冷轧钢板冷轧卷板和冷轧钢板冷弯薄壁型钢和压型钢板冷弯薄壁型钢和压型钢板高强钢丝高强钢丝钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结

10、构基本原理及设计三三. 热处置热处置 包括退火、正火、淬火和回火包括退火、正火、淬火和回火 退火和正火改善组织以提高钢的机械性退火和正火改善组织以提高钢的机械性能能 其操作方法为：在炉中钢材加热保温一其操作方法为：在炉中钢材加热保温一段时间后，随炉温冷却至段时间后，随炉温冷却至500以下，再放至以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全退火空气中冷却的工艺称为完全退火 假设保温后从炉中取出在空气中冷却的假设保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。正火的冷却速度比退火快，工艺称为正火。正火的冷却速度比退火快，强度和硬度有所提高强度和硬度有所提高 低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、低温退火，主要用

11、来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件和冷加工件中的剩余应力锻件、焊接件和冷加工件中的剩余应力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计淬火工艺是将钢件加热到淬火工艺是将钢件加热到900以上，保温后快速在以上，保温后快速在水中或油中冷却水中或油中冷却添加了钢材强度和硬度，使塑性和韧性降低添加了钢材强度和硬度，使塑性和韧性降低回火工艺将淬火后的钢材加热到某一温度进展保温，回火工艺将淬火后的钢材加热到某一温度进展保温，而后在空气中冷却而后在空气中冷却消除剩余应力，调整强度和硬度，减少脆性，添加消除剩余应力，调整强度和硬度，减少脆性，添加塑性和韧性，构成较稳定的组织。塑性和韧性，构成较稳定的组织。通常称淬火

12、加高温回火的工艺为调质处置。强度较通常称淬火加高温回火的工艺为调质处置。强度较高的钢材，如高的钢材，如Q420中的中的C、D、E级钢和高强度螺栓的钢级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处置。材都要经过调质处置。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢材有两种完全不同的破坏方式：钢材有两种完全不同的破坏方式：塑性破坏塑性破坏脆性破坏脆性破坏塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材外表出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。破坏常在钢材外表出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。后的断口呈纤维状，色泽发暗。脆性

13、破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，而忽然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有没有塑性变形，而忽然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。光泽的晶粒状或有人字纹。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢材的多项性能目的经过单向拉伸实验获得钢材的多项性能目的经过单向拉伸实验获得给出相应钢材的单调拉伸应力应变曲线。由实验曲线给出相应钢材的单调拉伸应力应变曲线。由实验曲线看出，在比例极限看出，在比例极限p以前钢材的任务是弹性的；比例极限以以前钢材的任务是弹性的；比例极限以后，进入了弹塑性阶段；到达了屈服点后，进入了弹

14、塑性阶段；到达了屈服点fy后，塑性平台；出后，塑性平台；出现强化阶段，产生颈缩而破坏。现强化阶段，产生颈缩而破坏。 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1弹性阶段：弹性阶段：2弹塑性阶段：弹塑性阶段：应力由应力由 0 比例极限比例极限fp应力由应力由 fp 屈服点屈服点 fypfyfuf3塑性阶段：塑性阶段：应力坚持应力坚持 fy 不变，应变由不变，应变由(0.10.2)% (23)%;4强化阶段：强化阶段：应力由应力由 fy 抗拉强度抗拉强度 fu设计以钢材的屈服点设计以钢材的屈服点 f y f y 作为静力强度承载力极限作为静力强度承载力极限钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计f

15、y假设没有剩余应力，比例假设没有剩余应力，比例极限与屈服应力合为一点，弹塑极限与屈服应力合为一点，弹塑性阶段消逝，为简化计算，将应性阶段消逝，为简化计算，将应力应变关系简化为如图力应变关系简化为如图1强度强度 设计时以钢材的屈服强度为根底，抗拉强度设计时以钢材的屈服强度为根底，抗拉强度u是钢材破是钢材破坏前所接受最大应力，此时构造因塑性变形很大而失去运用坏前所接受最大应力，此时构造因塑性变形很大而失去运用性能，性能，uy值的大小，作为钢材强度贮藏的参数值的大小，作为钢材强度贮藏的参数钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计衡量钢材塑性变形才干的主要目的是伸长率衡量钢材塑性变形才干的主要目的是伸

16、长率和断面收和断面收缩率缩率。 原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。普通原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。普通以以l0d0=5为规范试件。伸长率为规范试件。伸长率5：式中：式中：l0试件原标距长度；试件原标距长度； d0试件标距长度内的直径；试件标距长度内的直径； l1 试件拉断后标距间的长度。试件拉断后标距间的长度。 1050100%lll钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计断面的颈缩率：断面的颈缩率：010100%AAA式中：式中：A0试件规范断面的面积试件规范断面的面积 A1试件拉断后颈缩区的断面积试件拉断后颈缩区的断面积钢材单调拉伸应力应变曲线提供了三个重要的力学性钢

17、材单调拉伸应力应变曲线提供了三个重要的力学性能目的：抗拉强度能目的：抗拉强度fu、伸长率、伸长率和屈服点和屈服点fy。抗拉强度抗拉强度fu是钢材一项重要强度目的，反映钢材受拉时是钢材一项重要强度目的，反映钢材受拉时能接受的极限应力能接受的极限应力伸长率伸长率是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形才干的目是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形才干的目的，其相应伸长率分别用的，其相应伸长率分别用5或或10表示表示屈服点屈服点fy是钢构造设计中应力允许到达的最大限值是钢构造设计中应力允许到达的最大限值钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计冷弯性能实验方法冷弯性能实验方法

18、具有一定弯心直径具有一定弯心直径d的冲头的冲头对规范试件中部施加荷载使之弯曲对规范试件中部施加荷载使之弯曲不出现裂纹或分层，判别钢材的冷弯性能不出现裂纹或分层，判别钢材的冷弯性能冷弯性能实验冷弯性能实验钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 冲击韧性值随温度的降低而降低冲击韧性值随温度的降低而降低 相当温度下的冲击韧性目的：相当温度下的冲击韧性目的： 在冰冷地域接受动力作用重要承重构造，应根据任务温在冰冷地域接受动力作用重要承重构造，应根据任务温度和所用钢材牌号，提出相当温度下的冲击韧性目的要求度和所用钢材牌号，提出相当温度下的冲击韧性目的要求 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢材的

19、冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂过程中吸收机械动能的一种才干，是衡量钢材抵抗冲击过程中吸收机械动能的一种才干，是衡量钢材抵抗冲击荷裁作用荷裁作用我国以前曾采用过梅氏试件我国以前曾采用过梅氏试件(U形缺口形缺口)作冲击韧性作冲击韧性实验。实验。 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计多轴应力下，资料的综合强度目的要用变形时单位体积多轴应力下，资料的综合强度目的要用变形时单位体积中积聚的能量来衡量中积聚的能量来衡量外形改动比能实际：外形改动比能实际：三向应力下，外形改动比能等于单向拉伸下积聚的比能时，三向应力下，外形改动比能等于单向拉伸下积聚的比

20、能时，钢材由弹性转入塑性形状钢材由弹性转入塑性形状2.3.4钢材在复杂应力形状下的屈服条件2221223311()()()2zsyf时，为塑性形状；时，为塑性形状； 时，为弹性形状时，为弹性形状 yzsfyzsf钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计对塑性资料，同号应力形状易发生脆断，钢材在异号应对塑性资料，同号应力形状易发生脆断，钢材在异号应力形状时容易发生塑性破坏。力形状时容易发生塑性破坏。z正应力与剪应力表示：正应力与剪应力表示：2222223 xyzxyyzzxxyyzzxyf钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计fy单轴拉伸单轴拉伸双轴异号受力双轴异号受力双轴同号受力双轴同号受力

21、当当1、2、3为同号为同号应力且数值接近时，应力且数值接近时，即使它们各自都远大即使它们各自都远大于于fy，折算应力，折算应力zs仍小于仍小于fy阐明钢材很难进入塑阐明钢材很难进入塑性形状性形状破坏表现为脆性破坏表现为脆性 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计在实腹梁的腹板中：在实腹梁的腹板中：yzf223当纯剪时：当纯剪时：yzf23yyvyfff58. 03 钢材的抗剪设计强度为：钢材的抗剪设计强度为：yvff58. 0平面应力形状下平面应力形状下yxyyxyxzf2223钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 碳碳 含碳量低，钢的强度不高但塑含碳量低，钢的强度不高但塑性大伸长率和冲

22、击韧性高，钢性大伸长率和冲击韧性高，钢质柔软，易于冷加工、切削和焊质柔软，易于冷加工、切削和焊接接含碳量较高，钢的强度高，但塑含碳量较高，钢的强度高，但塑性小，硬度大，性脆，不易加工性小，硬度大，性脆，不易加工钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计锰元素锰元素(Mn)是一种弱脱氧剂是一种弱脱氧剂锰提高钢材的屈服强度和抗拉强度，改善钢材的冷脆倾锰提高钢材的屈服强度和抗拉强度，改善钢材的冷脆倾向，降低硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，向，降低硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，不显著降低塑性和冲击韧性。不显著降低塑性和冲击韧性。普通碳素钢中，锰含量在普通碳素钢中，锰含量在0.3

23、0.8，低合金钢中，在，低合金钢中，在1.21. 6之间，过多会使钢材变硬变脆降低钢材耐腐蚀和之间，过多会使钢材变硬变脆降低钢材耐腐蚀和可焊性。可焊性。硅元素硅元素(Si)是一种较强的脱氧剂。是一种较强的脱氧剂。适量的硅可提高钢材强度而对其塑性、冷弯性能、冲击适量的硅可提高钢材强度而对其塑性、冷弯性能、冲击性能、可焊性能无明显不良影响。性能、可焊性能无明显不良影响。在碳素钢中含量不超越在碳素钢中含量不超越0.3，低合金钢中限制在，低合金钢中限制在0.6以以内。过高硅含量降低钢材的塑性、韧性、抗锈性和可焊性。内。过高硅含量降低钢材的塑性、韧性、抗锈性和可焊性。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及

24、设计 钒元素钒元素(V)是低合金钢中合金元素。可以细化钢材晶粒构是低合金钢中合金元素。可以细化钢材晶粒构造而提高钢材屈服强度和抗拉强度。钒的化合物稳定，使钢造而提高钢材屈服强度和抗拉强度。钒的化合物稳定，使钢的高温硬度提高，的高温硬度提高，15MnV钢是在钢是在16Mn钢根底上参与适量的钒钢根底上参与适量的钒(0.040.12)熔炼成强度较高低合金钢。熔炼成强度较高低合金钢。 硫元素(S)是一种有害元素。硫与铁化合成硫化铁(FeS)分布在纯铁体层间中，当温度在8001200时熔化而使钢材出现热裂纹，且易脆断。称为热脆景象。使钢材焊接性能和热加工性能变坏，降低钢材塑性和冲击韧性。钢结构基本原理及

25、设计钢结构基本原理及设计 氧、氮是有害元素，容易从铁液中逸出，故含量甚少。氧、氮是有害元素，容易从铁液中逸出，故含量甚少。氧的作用与硫类似，增大钢的热脆性。氧的作用与硫类似，增大钢的热脆性。氮的作用同磷类似，能显著降低钢材的塑性和冲击韧性，冷氮的作用同磷类似，能显著降低钢材的塑性和冲击韧性，冷弯性能和焊接性能，特别是增大钢材的冷脆性弯性能和焊接性能，特别是增大钢材的冷脆性 磷元素磷元素(P)也是一种有害元素。也是一种有害元素。 磷的存在可提高钢材的强度和抗锈蚀性，但严重降低钢磷的存在可提高钢材的强度和抗锈蚀性，但严重降低钢材的塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性。材的塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊

26、性。在低温下，钢材易产生低温脆断在低温下，钢材易产生低温脆断,称为冷脆景象。称为冷脆景象。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响 含碳量超越时，焊缝及热影响区容易变脆含碳量超越时，焊缝及热影响区容易变脆 普通普通Q235A的含碳量较高，因此这一牌号通常不能用于的含碳量较高，因此这一牌号通常不能用于焊接构件。而焊接构件。而Q235B、C、D的含碳量控制在上述的适宜范围的含碳量控制在上述的适宜范围之内，适宜焊接运用之内，适宜焊接运用 在高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利在高强度低合金钢中，低合金元素

27、大多对可焊性有不利影响，影响，运用碳当量来衡量低合金运用碳当量来衡量低合金钢的可焊性，其的计算公式如下：钢的可焊性，其的计算公式如下： 1556CuNiVMoCrMnCCE钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 其中其中C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu分别为分别为碳、分别为分别为碳、锰、铬、钼、钒、镍和铜的百分含量。锰、铬、钼、钒、镍和铜的百分含量。 钢材焊接性能的优劣除了与钢材的碳当量有直接关系之钢材焊接性能的优劣除了与钢材的碳当量有直接关系之外，还与母材厚度、焊接方法、焊接工艺参数以及构造方式外，还与母材厚度、焊接方法、焊接工艺参数以及构造方式等条件有关。等条件有关。 当当CE在在0

28、.380.45范围内时，钢材呈现淬硬倾向，范围内时，钢材呈现淬硬倾向，施焊时需求控制焊接工艺、采用预热措施并使热影响区缓施焊时需求控制焊接工艺、采用预热措施并使热影响区缓慢冷却，以免发生淬硬开裂；慢冷却，以免发生淬硬开裂； 当当CE大于大于0.45时，钢材的淬硬倾向更加明显，需严厉时，钢材的淬硬倾向更加明显，需严厉控制焊接工艺和预热温度才干获得合格的焊缝。控制焊接工艺和预热温度才干获得合格的焊缝。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 钢材的硬化有三种情况：钢材的硬化有三种情况： 时效硬化、冷作硬化或应变硬化和应变时效硬化时效硬化、冷作硬化或应变硬化和应变时效硬化 在高温时溶于铁中的少量氮和

29、碳，随着时间的增长逐渐在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制造用，从而使钢的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制造用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种景象称为时效硬化材的强度提高，塑性和韧性下降。这种景象称为时效硬化 在冷加工使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后在冷加工使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的景象称再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的景象称为冷作硬化为冷作硬化

30、钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 应力应力应变曲线将沿图应变曲线将沿图中中EDHK进展，屈服点由进展，屈服点由D点点提高到提高到H点点塑性区和应变硬化区的范围塑性区和应变硬化区的范围减少。这也是一个对钢构造减少。这也是一个对钢构造的不利要素。的不利要素。时效过程长时效过程长在塑性变形后对钢材加热到在塑性变形后对钢材加热到200300 C，使时效在几小，使时效在几小时内完成，称为人工时效。时内完成，称为人工时效。重要构造常需进展人工时效，然后再测定其冲击韧性，重要构造常需进展人工时效，然后再测定其冲击韧性，以保证钢材长期具有较好的韧性。以保证钢材长期具有较好的韧性。钢结构基本原理及设计钢

31、结构基本原理及设计当截面有裂纹当截面有裂纹(内部的或外表内部的或外表的的)、孔洞、刻槽、凹角时以及截面、孔洞、刻槽、凹角时以及截面厚度或宽度忽然改动时厚度或宽度忽然改动时构件中应力分布变得不均匀。构件中应力分布变得不均匀。在缺陷或截面变化处附近，应力线在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现顶峰应力的景象曲折、密集、出现顶峰应力的景象称为应力集中。称为应力集中。当数值相等三向拉应力时，直当数值相等三向拉应力时，直到资料断裂也不屈服。到资料断裂也不屈服。三向拉应力形状容易脆性破坏三向拉应力形状容易脆性破坏钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 应力集中景象能够由内应力产生：应力集中景象能

32、够由内应力产生： 在浇注、轧制和焊接加工过程中，不同部位钢材在浇注、轧制和焊接加工过程中，不同部位钢材冷却速度不同产生。冷却速度不同产生。 焊接剩余应力：焊接剩余应力： 在焊缝附近剩余拉应力常到达屈服点，在焊缝交在焊缝附近剩余拉应力常到达屈服点，在焊缝交叉处经常出现双向、甚至三向剩余拉应力场，使钢材叉处经常出现双向、甚至三向剩余拉应力场，使钢材部分变脆。部分变脆。 当外力引起的应力与内应力处于不利组合时，会当外力引起的应力与内应力处于不利组合时，会引发脆性破坏。引发脆性破坏。 因此，在进展钢构造设计时，应尽量使构件和衔因此，在进展钢构造设计时，应尽量使构件和衔接节点的外形和构造合理，防止截面的

33、忽然改动。接节点的外形和构造合理，防止截面的忽然改动。 钢构造焊接构造设计和施工时，尽量减少焊接剩钢构造焊接构造设计和施工时，尽量减少焊接剩余应力。余应力。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 荷载可分为静力的和动力的两大类。荷载可分为静力的和动力的两大类。 快速加载快速加载 动力荷载中的冲击荷载动力荷载中的冲击荷载 延续交变荷载，循环荷载延续交变荷载，循环荷载 吊车梁吊车梁 地震地震钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计在在150以内，钢材的强度、弹性模量和塑性均与常温以内，钢材的强度、弹性模量和塑性均与常温相近。相近。在在250左右，抗拉强度

34、有部分性提高，伸长率和断面左右，抗拉强度有部分性提高，伸长率和断面收缩率均降至最低，出现蓝脆景象钢材外表氧化膜呈蓝收缩率均降至最低，出现蓝脆景象钢材外表氧化膜呈蓝色。显然钢材的热加工应避开这一温度区段。色。显然钢材的热加工应避开这一温度区段。在在300以后，强度和弹性模量均开场显著下降，塑性以后，强度和弹性模量均开场显著下降，塑性显著上升。显著上升。到达到达600时，强度几乎为零，塑性急剧上升，钢材处时，强度几乎为零，塑性急剧上升，钢材处于热塑性形状。于热塑性形状。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 当温度低于常温时，随着温度的降低，钢材的强度提高，当温度低于常温时，随着温度的降低，钢材

35、的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。 在直接接受动力作用的钢构造设计中，为了防止脆性破在直接接受动力作用的钢构造设计中，为了防止脆性破坏，冲击实验并进展统计分析才干得到。坏，冲击实验并进展统计分析才干得到。 我国有关规范对不同牌号和等级的钢材，规定了在不同我国有关规范对不同牌号和等级的钢材，规定了在不同温度下的冲击韧性目的温度下的冲击韧性目的 对对Q235钢，除钢，除A级不要求外，其它各级钢均取级不要求外，其它各级钢均取CV=27J 对低合金高强度钢，除对低合金高强度钢，除A级不要求外，级不要求外，E级钢采用级钢采用CV=

36、27J钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计影响要素：钢材的化学成分、组织构造和缺陷等；构造影响要素：钢材的化学成分、组织构造和缺陷等；构造缺陷和焊接加工引起的应力集中、低温影响、动荷作用、冷缺陷和焊接加工引起的应力集中、低温影响、动荷作用、冷作硬化和应变时效硬化等。作硬化和应变时效硬化等。防止脆性破坏的发生：防止脆性破坏的发生：(1) 合理设计。合理设计。(2) 正确制造。正确制造。(3) 合理运用。合理运用。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 内部缺陷内部缺陷-应力集中应力集中-产生微裂纹产生微裂纹-微裂纹在循环微裂纹在循环荷载下扩展荷载下扩展-截面减弱截面减弱-宏观裂纹失稳扩展宏

37、观裂纹失稳扩展-断裂断裂引起疲劳破坏的交变荷载有两种类型引起疲劳破坏的交变荷载有两种类型常幅交变荷载常幅交变荷载 常幅疲劳常幅疲劳 变幅交变荷载变幅交变荷载 变幅疲劳变幅疲劳转动的机械零件转动的机械零件 常幅疲劳破坏，常幅疲劳破坏，吊车桥、钢桥吊车桥、钢桥 变幅疲劳破坏。变幅疲劳破坏。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1) 低周疲劳低周疲劳 高周疲劳高周疲劳2) 特征特征 a 忽然性忽然性 b 疲劳破坏的断口与普通脆性断口不同，三个区域：疲劳破坏的断口与普通脆性断口不同，三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。扩展区外表较光滑，裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。扩展区外表较光滑，可见放射和年轮状

38、花纹，是疲劳断裂的主要断口特可见放射和年轮状花纹，是疲劳断裂的主要断口特征。征。 c 疲劳对缺陷敏感。疲劳对缺陷敏感。 缺口缺口 裂纹裂纹 组织缺陷组织缺陷钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计t同号应力循环, 0t异号应力循环, 0maxminmaxmin2minmaxm平均应力：平均应力：应力比：应力比：maxmin应力辐：应力辐：minmax循环应力和变幅应力循环应力和变幅应力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1有无缺陷、缺陷的尺寸，有无剩余应力。有无缺陷、缺陷的尺寸，有无剩余应力。2应力程度应力程度fSmax3应力辐应力辐minmax4应力比应力比maxmin疲劳强度最小时,1

39、C 对弹性资料，这一要对弹性资料，这一要素影响不象对弹塑性资料素影响不象对弹塑性资料那样大。那样大。时，称常幅循环时，称常幅循环钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计maxminkpp10pmax钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计kpp10验算部位最大拉应力；验算部位最大拉应力；以拉应力为主的疲劳允许强度；以拉应力为主的疲劳允许强度；=0时的疲劳允许强度，实验定；时的疲劳允许强度，实验定；构造方式有关的系数，实验定。构造方式有关的系数，实验定。maxpp0以应力为准那么的疲劳验算方法不适用于焊接构造以应力为准那么的疲劳验算方法不适用于焊接构造 kpmax钢结构基本原理及设计钢结构基本原

40、理及设计 焊接构造疲劳寿命主要的要素焊接构造疲劳寿命主要的要素 构件和衔接的构造类型构件和衔接的构造类型和应力幅，而与应力比无关和应力幅，而与应力比无关 焊接剩余应力的影响焊接剩余应力的影响fyfymaxmin=max-minfy-t+-(a)(b)(c)焊缝附近的真是循环应力焊缝附近的真是循环应力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 当名义循环应力为拉时，焊缝附近的剩余拉应力已当名义循环应力为拉时，焊缝附近的剩余拉应力已达屈服点不再添加，实践拉应力坚持达屈服点不再添加，实践拉应力坚持fy不变；当名义循环不变；当名义循环应力减小到最小时，焊缝附近的实践应力将降至应力减小到最小时，焊缝附近的

41、实践应力将降至 显然，焊缝附近的真实应力比为显然，焊缝附近的真实应力比为 只需应力幅为常数，不论循环荷载下的名义应力比为只需应力幅为常数，不论循环荷载下的名义应力比为何值，焊缝附近的真实应力比也为常数。焊缝部位的疲劳何值，焊缝附近的真实应力比也为常数。焊缝部位的疲劳寿命主要与寿命主要与 有关。有关。)(minmaxyyffyyff钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计nn11lglgnlgnLglgC1(a)(b)2snCnClglglglglg1Cn应力幅与循环寿命的关系应力幅与循环寿命的关系钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计可求得允许应力幅的表达式可求得允许应力幅的表达式C、均为不

42、同构件和衔接类别的实验参数。均为不同构件和衔接类别的实验参数。 1nC循环次数循环次数n应应力力幅幅1234疲劳极限疲劳极限新规范给出的疲劳曲线新规范给出的疲劳曲线(n)图图钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计0minmaxpkminmax7 . 0采用荷载的规范值采用荷载的规范值允许应力设计法允许应力设计法内力计算中不乘动力系数内力计算中不乘动力系数 实验包括动力作用实验包括动力作用 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计e1iiNnCNii)()(iiCN钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计lglgn123en1 n2n3N1N2N3ni1变幅疲劳的疲劳曲线变幅疲劳的疲劳曲线钢结

43、构基本原理及设计钢结构基本原理及设计等效常幅疲劳应力幅等效常幅疲劳应力幅e，循环，循环 次后：次后： 或或 将上述代入下式将上述代入下式 inCnei)()(eiCn12211nniiiiNnNnNnNnNn有有 得得 那么那么 以应力循环次数表示的构造预期寿命；以应力循环次数表示的构造预期寿命； ni应力幅程度为应力幅程度为i的应力循环次数。的应力循环次数。1)()()()(2211CnCnCnCniinn)()(eiiinCn1)(iiiennin钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计6102f欠载效应的等效系数欠载效应的等效系数 1 变幅疲劳任务环境变幅疲劳任务环境2 获得一些有代表性

44、的车间的重级任务制获得一些有代表性的车间的重级任务制 中级任务制吊车桁架的设计应力谱。中级任务制吊车桁架的设计应力谱。3 按按2106循环次数循环次数4 最大应力幅最大应力幅1 ；常幅设计应力幅；常幅设计应力幅钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计幅与钢种无关幅与钢种无关钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计除除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0.20以下以下 。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 一类为普通含锰量的钢一类为普通含锰量的钢 一类为较高含锰量的钢一类为较高含锰量的钢 两类的钢号均用两位数字表示，它表示

45、钢中的平均含碳两类的钢号均用两位数字表示，它表示钢中的平均含碳量的万分数，前者数字后不加量的万分数，前者数字后不加Mn，后者数字后加，后者数字后加Mn， 45号钢，表示平均含碳量为号钢，表示平均含碳量为0.45的优质碳素钢；的优质碳素钢； 45Mn号钢，表示同样含碳量、但锰的含量也较高的优号钢，表示同样含碳量、但锰的含量也较高的优质碳素钢。质碳素钢。 四四. 其他钢其他钢 防止钢材的层状撕裂而采用防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢，处于向钢，处于外露环境对耐腐蚀有特殊要求或在腐蚀性作外露环境对耐腐蚀有特殊要求或在腐蚀性作用下的构造采用耐候钢用下的构造采用耐候钢钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设

46、计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 常用的有角钢、工字钢、槽钢。常用的有角钢、工字钢、槽钢。 角钢分为等边的和不等边两种，角钢分为等边的和不等边两种， 角钢型号的表示方法为在符号角钢型号的表示方法为在符号“L后加后加“长边宽长边宽短边宽短边宽厚度对不等边角钢，如厚度对不等边角钢，如L125808，或加，或加“边长边长厚厚度对等边角钢，如度对等边角钢，如L1258。我国消费的角钢最大边长为我国消费的角钢最大边长为200mm，供应长度般为，供应长度般为419m工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和H型钢三种。型钢三种。普通工字钢的型号普通工字钢的型号I20a表示高

47、度为表示高度为200mm，腹板厚度为，腹板厚度为a类的工字钢。类的工字钢。轻型工字钢。轻型工字钢。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计普通工字钢的型号为普通工字钢的型号为1063号号轻型工字钢为轻型工字钢为1070号号H型钢可分为宽翼缘型钢可分为宽翼缘HW、中翼缘、中翼缘HM及窄翼缘及窄翼缘HN三类。三类。HW4004001321宽翼缘和中翼缘宽翼缘和中翼缘H型钢可用于钢柱等受压构件型钢可用于钢柱等受压构件窄翼缘窄翼缘H型钢那么适用于钢梁等受弯构件型钢那么适用于钢梁等受弯构件槽钢有普通槽钢和轻型槽钢二种。槽钢有普通槽钢和轻型槽钢二种。32a指截面高度指截面高度320mm，腹板较薄的槽钢。，

48、腹板较薄的槽钢。钢管有无缝钢管和焊接钢管两种。可用代号钢管有无缝钢管和焊接钢管两种。可用代号“D后加后加“外外径径d壁厚壁厚t表示，如表示，如D1808等。等。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计三三. 国内外钢材的互换问题国内外钢材的互换问题钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+

49、x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C

50、0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNc

51、K8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnV

52、jSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOH5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*

53、u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F

54、3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfK8H5z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6

55、F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQ

56、eMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&

57、;s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-x*tmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t

58、!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjSgOdL9I2B+x(u%rZoW