钢结构设计原理课件_第二章

1、LOGO钢结构基本原理钢结构基本原理 土木工程学院土木工程学院主讲：匡小平主讲：匡小平LOGO2 本章内容本章内容: （1） 钢结构对材料的基本要求钢结构对材料的基本要求 （2） 钢材的破坏形式钢材的破坏形式 （3） 钢材的主要机械性钢材的主要机械性 （4） 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素 （5） 钢的种类和钢材规格钢的种类和钢材规格本章重点本章重点: 钢材的主要机械性能、各种因素对钢材的主要机械性能、各种因素对 钢材性能的影响钢材性能的影响本章难点本章难点: 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素LOGO2.1 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求对钢材的基本要求

2、：对钢材的基本要求： 1、具有较高的抗拉强具有较高的抗拉强度度 fu和屈服点和屈服点 fy ( (结构的承载结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻力大，所需的截面小，结构的自重轻).). 2、具有较好的塑性、韧性具有较好的塑性、韧性( (塑性好，不易发生脆性破塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载坏；韧性好，利于承受动力荷载).). 3、良好的工艺性能良好的工艺性能( (包括冷加工、热加工以及焊接性包括冷加工、热加工以及焊接性能能) )LOGO 规范规定：规范规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结长率

3、、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击性的合格保证常温或负温冲击性的合格保证. .据上要求据上要求, ,钢结构设钢结构设计规范计规范GB50017-2003GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：碳推荐承重结构用钢宜采用：碳素结构钢中的素结构钢中的Q235Q235钢及低合金高强结构钢中的钢及低合金高强结构钢中的Q345Q345、Q390Q390和和Q420Q420钢四种钢材。钢四种钢材。

4、2.1 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求LOGO2.2.2 2 钢材的主要性能钢材的主要性能 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能 钢材的主要性能是机械性能，可通过某些试验（拉钢材的主要性能是机械性能，可通过某些试验（拉伸、冷弯、冲击）确定。伸、冷弯、冲击）确定。图图2.1 碳素结构钢的应力碳素结构钢的应力-应变关系应变关系 fp比例极限比例极限 fy屈服强度屈服强度 ( (强度标准、设计依据强度标准、设计依据) ) fu极限强度极限强度( (最大承载强度、强度储备最大承载强度、强度储备) )LOGO条件屈服点：条件屈服点：以卸荷后以卸荷后试件中残余应变为试件中残余应变

5、为0.2 %所对应的应力（所对应的应力（f0.2) )延伸率（塑性性能）延伸率（塑性性能）%LLL100001塑性：塑性：在在静力荷载静力荷载作用下，钢材吸收作用下，钢材吸收变形能变形能的能力的能力。图图2.2 高强度钢的应力高强度钢的应力-应变曲线应变曲线2.2.2 2 钢材的主要性能钢材的主要性能LOGO2.2.2 2 钢材的主要性能钢材的主要性能2.3.2 冷弯性能冷弯性能 冷弯性能冷弯性能是检验钢材弯是检验钢材弯曲变形能力或塑性性能，还曲变形能力或塑性性能，还是显示是显示钢材内部缺陷钢材内部缺陷状况的状况的一项指标；是鉴定钢材在一项指标；是鉴定钢材在弯弯曲状态曲状态下下塑性应变能力塑性

6、应变能力和和钢钢材质量材质量的综合指标的综合指标。图图2.3 钢材冷弯试验示意图钢材冷弯试验示意图LOGO2.3.3 冲击韧性冲击韧性 韧性韧性是钢材抵抗冲是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总料在断裂时所吸收的总能量来量度（能量来量度（C Cv v）。韧）。韧性是钢材强度和塑性的性是钢材强度和塑性的综合指标。综合指标。 冲击韧性：冲击韧性：在在动力荷动力荷载载作用下，材料吸收作用下，材料吸收能量能量的能力。的能力。图图2.4 冲击韧性试验冲击韧性试验LOGO2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 2.3.1 化学成分化学成分 钢是含

7、碳量小于钢是含碳量小于2%2%的铁碳合金。钢中基本元素：的铁碳合金。钢中基本元素：F Fe e、C C、SiSi、MnMn、S S、P P、N N、O O。 普通碳素钢中，普通碳素钢中， FeFe占占99%99%，其余元素占其余元素占1%1%。在在低合金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元素低合金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元素（镍、钒、钛等）（含量低于（镍、钒、钛等）（含量低于5%5%） 各种元素对钢材机械性能的影响如下。各种元素对钢材机械性能的影响如下。LOGO碳碳C C ：含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和 疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀

8、性恶疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶 化。一般在碳素结构钢中不应超过化。一般在碳素结构钢中不应超过0.22 % ； 在焊接结构中还应低于在焊接结构中还应低于0.2 %。硅硅SiSi：碳素结构钢中应控制碳素结构钢中应控制0.3 %, 在低合金高强在低合金高强 度钢中硅的含量可达度钢中硅的含量可达0.55 %。锰锰MnMn：含含MnMn适量使强度适量使强度，降低，降低S S、O O的热脆影响，的热脆影响， 改善热加工性能，对其它性能影响不大改善热加工性能，对其它性能影响不大, ,有益有益. . 在碳素结构钢中锰的含量为在碳素结构钢中锰的含量为0.3 %0.8 % ， 在低合金高强度钢中锰的含量

9、可达在低合金高强度钢中锰的含量可达 1.0 % 1.6%。2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGO2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 硫硫S S：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度， 在高温时，使钢材变脆，称之为热脆。含量在高温时，使钢材变脆，称之为热脆。含量 应不超过应不超过0.045%。 ( (有害成分有害成分) )磷磷P P：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度， 在低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量在低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量

10、 应不超过应不超过0.045%。可以提高强度和抗锈蚀。可以提高强度和抗锈蚀 性。性。 ( (有害成分有害成分) )氧氧O O：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度， 在高温时，发生热脆。在高温时，发生热脆。 ( (有害成分有害成分) )氮氮N N：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度， 在低温时，发生冷脆。在低温时，发生冷脆。 ( (有害成分有害成分) )LOGO钒和钛：钒和钛：是钢中的合金元素，能提高钢的强度和是钢中的合金元素，能提高钢的强度和 抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑

11、性。铜铜 ：可显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提可显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提 高钢的强度，但对焊接性能有不利影响。高钢的强度，但对焊接性能有不利影响。2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGO 冶金缺陷冶金缺陷 在冶炼、轧制过程中常常出现的缺陷有偏析、在冶炼、轧制过程中常常出现的缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹和分层。非金属夹杂、气孔、裂纹和分层。冶炼（脱氧）冶炼（脱氧）图图2.5 钢锭剖面钢锭剖面缩孔缩孔保温帽保温帽(a)沸腾钢沸腾钢 (b)镇静钢镇静钢2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGO注意：注意：薄钢板的薄钢板的

12、强度比厚钢板的强度比厚钢板的强度高。强度高。轧制轧制轧棍轧棍图图2.6 钢的轧制使晶粒细化钢的轧制使晶粒细化 冶金缺陷冶金缺陷2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGO 冶金缺陷冶金缺陷2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 0.0350.0400.0300.0350.0250.0300.0250.0250.0300.090.100.080.090.070.080.060.070.0550.060.050.0550.0450. 050.040.0450.0350.040.030. 0350.0250.030.025图图2.7 钢锭中硫的

13、偏析钢锭中硫的偏析(a)镇静钢锭镇静钢锭(b)沸腾钢锭沸腾钢锭钢液含硫钢液含硫0.032%钢液含硫钢液含硫0.04%图图2.8 型钢硫的偏析型钢硫的偏析是硫、磷，是硫、磷，将使偏将使偏析区钢材的塑性、析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。韧性及可焊性变坏。1.偏析：偏析：钢中化学成分分布不均匀，钢中化学成分分布不均匀，主要主要的偏析的偏析LOGO 2、非金属夹杂：、非金属夹杂：钢材中存在非金属钢材中存在非金属化合物（硫化物、氧化物），使钢材性化合物（硫化物、氧化物），使钢材性能变脆。能变脆。 3、裂纹、分层：、裂纹、分层：浇注时的非金属夹杂浇注时的非金属夹杂物在轧制中可能造成钢材的分层，影响钢物在

14、轧制中可能造成钢材的分层，影响钢材的冷弯性能。材的冷弯性能。 冶金缺陷冶金缺陷2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGO冷作硬化冷作硬化当加载超过材料当加载超过材料比例极限比例极限卸载后，出现卸载后，出现残残 余变形余变形，再次加载则再次加载则屈服点提高，塑性和屈服点提高，塑性和 韧性降低韧性降低的现象，也称的现象，也称“应变硬化应变硬化”。时效硬化时效硬化随时间的增长随时间的增长，碳和氮的化合物碳和氮的化合物从晶体中从晶体中 析出，使材料硬化的现象。析出，使材料硬化的现象。应变时效应变时效钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易

15、 析出。即析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬冷作硬化的同时可以加速时效硬 化化，因此也称，因此也称“人工时效人工时效”。 钢材硬化钢材硬化2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGO 温度影响温度影响 温度升高，钢材强度是降低、应变增大；反之，温度升高，钢材强度是降低、应变增大；反之，温度降低，钢材强度略有增加，塑性和韧性降低而温度降低，钢材强度略有增加，塑性和韧性降低而变脆，见图变脆，见图2.9。 蓝脆：蓝脆：在在250度度左右时，强度提高而伸长率和左右时，强度提高而伸长率和冲击韧性降低，钢材表面氧化膜呈蓝色，此种现象冲击韧性降低，钢材表面氧化膜呈蓝色，此种现

16、象称为蓝脆现象。称为蓝脆现象。 徐变：徐变：当温度在当温度在260320度度时，在应力持续不时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变。现象称为徐变。当温度达到当温度达到600度度时强度很低，不能承担荷载。时强度很低，不能承担荷载。2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGOfufy(%)(%) E Et ()图图2.9 温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGO图图2.10 冲击韧性与温度的关系曲线冲击韧性与温

17、度的关系曲线2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 当温度低于常温时，当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度钢材的脆性倾向随温度降低而增加。降低而增加。 T1T1 T2T2之间温度之间温度转变脆性区，冲击功急转变脆性区，冲击功急剧下降。而且不同的钢剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不材其脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。同，必须通过试验确定。使用温度必须高于使用温度必须高于T1T1，但不一定高于但不一定高于T2T2。LOGO 应力集中应力集中 构件上孔洞、刻槽、凹角、裂纹以及截面厚度构件上孔洞、刻槽、凹角、裂纹以及截面厚度或宽度改变等部位，在力作用下，该处出现

18、高峰应或宽度改变等部位，在力作用下，该处出现高峰应力，而其它部位应力较低，截面应力分布不均匀现力，而其它部位应力较低，截面应力分布不均匀现象象应力集中应力集中。应力集中系数应力集中系数 :maxk 应力集中是造成构件脆性破坏的主要原因之一。应力集中是造成构件脆性破坏的主要原因之一。应力集中系数越大，变脆的倾向越严重。应力集中系数越大，变脆的倾向越严重。2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGO图图2.11 孔洞及槽孔处的应力集中孔洞及槽孔处的应力集中 应力集中应力集中 2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGO 反复荷载作用反复荷

19、载作用疲劳破坏疲劳破坏: : 钢材在直接的反复的动力荷载作用下，钢材的强钢材在直接的反复的动力荷载作用下，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度，这种现象称为疲劳。极限强度，这种现象称为疲劳。疲劳破坏表现为突然疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。发生的脆性断裂。 钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。重要变化，甚至发生疲劳破坏。为防止脆性破坏，在设计、制造及使用中应注意为防止脆性破坏，在设计、制造及使用中应注意: : 合理设计合理设计 正确制造正

20、确制造 正确使用正确使用2.2.3 3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGO2.2.3 3 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 在单轴应力作用下在单轴应力作用下 时时钢材屈服，构件由弹性工作状钢材屈服，构件由弹性工作状态转为塑性工作状态。态转为塑性工作状态。在多轴应力作用下在多轴应力作用下钢材的屈服钢材的屈服条件不能以某一轴向应力超过条件不能以某一轴向应力超过某屈服点来判别，而是按材料某屈服点来判别，而是按材料力学的能量强度理论计算折算力学的能量强度理论计算折算应力与钢材在单轴应力作用下应力与钢材在单轴应力作用下的的比较判断。比较判断。yf图图2.1

21、2 复杂应力复杂应力LOGO当用应力分量表示时：当用应力分量表示时： )( 3)(222222zxyzxyxzzyyxzyxred当用主应力表示时：当用主应力表示时： 21323222121red在普通梁中，一般只存在正应力和剪应力：在普通梁中，一般只存在正应力和剪应力： 223red2.2.3 3 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 LOGO （1 1）当三个主应力同号且数值接近时，即使）当三个主应力同号且数值接近时，即使很大，但钢材很难屈服，发生脆性破坏。很大，但钢材很难屈服，发生脆性破坏。 （2 2）有异号应力，且同号两个应力差较大，）有异号应力，且同号两个应力差较

22、大，即使即使 ，但，但 可能大于可能大于 ，发生，发生塑性破坏。塑性破坏。yfredyf 纯剪：纯剪： 23redyyff58. 03讨论讨论：2.2.3 3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 LOGO 2.4 2.4 钢材的破坏形式钢材的破坏形式钢材的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。1、塑性破坏塑性破坏：断口呈纤维状，色泽发暗。破断口呈纤维状，色泽发暗。破 坏前坏前有有明显的变形明显的变形，破坏历时破坏历时 时间长，可以采取补救措施。时间长，可以采取补救措施。2、脆性破坏脆性破坏：破坏前破坏前没有没有任何预兆任何预兆，破坏是破坏是 突然发生的，断口平直并呈有突然发生的，断

23、口平直并呈有 光泽的晶粒状。光泽的晶粒状。LOGO塑性破坏破坏时有很大的塑性变形脆性破坏破坏突然、几乎不出现塑性变形疲劳破坏没有明显变形的突然破坏LOGO发生脆性破坏的原因发生脆性破坏的原因1、钢材质量差、钢材质量差2、结构、构件的构造不当、结构、构件的构造不当3、制造安装质量差、制造安装质量差 4、结构受较大动力荷载、结构受较大动力荷载在设计、施工和使用钢结构时，注意防止脆性破坏。LOGO2.2.5 5 钢材的种类和规格钢材的种类和规格 按按 用用 途：途：结构钢、工具钢、特殊钢结构钢、工具钢、特殊钢( (如不锈钢等如不锈钢等) )。按冶炼方法：按冶炼方法：转炉钢、平炉钢。转炉钢、平炉钢。按

24、脱氧方法：按脱氧方法：沸腾钢、镇静钢、特殊镇静钢。沸腾钢、镇静钢、特殊镇静钢。按成型方法：按成型方法：轧制钢、锻钢、铸钢。轧制钢、锻钢、铸钢。按化学成分：按化学成分：碳素钢、合金钢。碳素钢、合金钢。在建筑工程中采用的是：在建筑工程中采用的是：碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢。碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢。 钢材的种类钢材的种类LOGO 钢的牌号有四部分组成：钢的牌号有四部分组成： 1 1、Q Q代表屈服强度的字母；代表屈服强度的字母； 2 2、屈服点的数值、屈服点的数值195195、215215、235235、275275、295295、345345、390 3

25、90 、420420、460460等；等； 3 3、质量等级符号、质量等级符号 A A、B B、C C、D D四个等级四个等级( (碳素结构钢碳素结构钢) ) A A、B B、C C、D D、E E五个等级（五个等级（低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢） 4 4、脱氧方法符号、脱氧方法符号FF代表沸腾钢、代表沸腾钢、z z代表镇静钢、代表镇静钢、TzTz代表特殊镇静钢。代表特殊镇静钢。2.2.6 6 钢材的种类和规格钢材的种类和规格 钢材的种类钢材的种类LOGO优质碳素结构钢优质碳素结构钢 主要用于钢结构某些节点或用作连接件。主要用于钢结构某些节点或用作连接件。建筑结构用钢板建筑结构用钢板

26、高性能建筑结构钢材高性能建筑结构钢材(GJ(GJ钢钢) )，牌号由以下组成：，牌号由以下组成： 1 1、Q Q代表屈服强度的字母；代表屈服强度的字母； 2 2、屈服点的数值、屈服点的数值； 3 3、代表高性能建筑结构用钢的汉语拼音字母、代表高性能建筑结构用钢的汉语拼音字母GJGJ； 4 4、质量等级符号、质量等级符号BB、C C、D D、E E四个等级四个等级 对于厚度方向性能钢板，在质量等级后面加上厚度对于厚度方向性能钢板，在质量等级后面加上厚度方向性能级别（方向性能级别（Z15Z15、Z25Z25、Z35 Z35 ）。）。 适用于建造高层建筑结构、大跨度结构及其他重要适用于建造高层建筑结构

27、、大跨度结构及其他重要建筑结构。建筑结构。2.2.6 6 钢材的种类和规格钢材的种类和规格 钢材的种类钢材的种类LOGO； 钢材的牌号识读钢材的牌号识读 LOGO确定钢材种类及其质量等级确定钢材种类及其质量等级。钢材的选用原则钢材的选用原则 1、结构的重要性结构的重要性 安全等级不同，所选钢材的质量等级也应不同，安全等级不同，所选钢材的质量等级也应不同，重要的结构构件选用质量好的钢材。重要的结构构件选用质量好的钢材。 2、荷载特征荷载特征 荷载为静力或动力荷载，应选用各项性能不同的荷载为静力或动力荷载，应选用各项性能不同的钢材。钢材。 钢材的选择钢材的选择2.2.6 6 钢材的种类和规格钢材的

28、种类和规格 LOGO 3、连接方法、连接方法 焊接应选择可焊性好的钢材。焊接应选择可焊性好的钢材。 非焊接结构对含碳量可降低要求。非焊接结构对含碳量可降低要求。 4、结构所处的温度和环境、结构所处的温度和环境 处于负温下工作时，选用负温冲击处于负温下工作时，选用负温冲击合格的钢材，合格的钢材，结构周围有腐蚀介质存在时要选用抗锈性好的钢材。结构周围有腐蚀介质存在时要选用抗锈性好的钢材。 5、钢材的厚度、钢材的厚度 厚度大焊接结构应采用材质较好的钢材。厚度大焊接结构应采用材质较好的钢材。 钢材的选择钢材的选择2.2.6 6 钢材的种类和规格钢材的种类和规格 钢材的选用原则钢材的选用原则LOGO 承

29、重结构承重结构的钢材应具有的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服抗拉强度、伸长率、屈服点和硫、磷的极限含量。点和硫、磷的极限含量。 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材尚应具有尚应具有冷弯试验的合格保证冷弯试验的合格保证。 对需要验算疲劳以及主要的受拉或受弯的焊接结对需要验算疲劳以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材，应具有构的钢材，应具有常温或负温冲击性的合格保证常温或负温冲击性的合格保证. .钢材选择的建议：钢材选择的建议： 钢材的选择钢材的选择2.2.6 6 钢材的种类和规格钢材的种类和规格 LOGO钢结构采用的型材有：钢结构采用的型材有： 热轧钢