第二课：钢结构材料

1、钢结构基本原理钢结构基本原理 二二0一四年九月一四年九月高层建筑结构概述二0一二年九月fyfu单轴拉伸经历单轴拉伸经历5个阶个阶段：段： 弹弹 性性 阶阶 段（段（OE） 弹塑性阶段（弹塑性阶段（ES） 屈屈 服服 阶阶 段（段（SC） 强强 化化 阶阶 段（段（CB） 颈颈 缩缩 阶阶 段（段（BD） 碳素结构钢的应力碳素结构钢的应力-应变关系应变关系fp1 1、均匀受拉时的工作性能、均匀受拉时的工作性能A: f fp p 200M200MPaPa, , e ep p 0.1%C: f fy y235MPa, e ey y0.15%2.5%B: f fu u 370-460MPa, e eu

2、 u 21%钢材是理想的弹塑性材料钢材是理想的弹塑性材料钢材的屈强比钢材的屈强比fy/fpfy/fp 是结构的安全储备是结构的安全储备钢材的塑性：伸长率钢材的塑性：伸长率d d与收缩率与收缩率y y, , 原尺寸与拉断后尺寸相对比原尺寸与拉断后尺寸相对比100100100%100%llAAlAdy2、单轴反复应力下的工作性能钢材反复加载曲线：钢材反复加载曲线： 冷作硬化、时效、疲劳、滞回曲线冷作硬化、时效、疲劳、滞回曲线3、复杂应力下的工作性能塑性弹性yzsyzszxyzxyxzzyyxzyxzsff2222223yyyzszsxyyxyxzsfff58. 031,3333222222纯剪：受

3、弯梁：平面应力：双拉：屈服点高、伸长率低，拉压：屈服点低、伸长率高，yxyxzsyxyxzsyxfff58. 03,，时4、抗冲击性能和冷弯性能强度和塑性指标承受静力荷载性能：静力拉伸试验钢材抗冲击性能承受动力荷载性能：冲击韧性akV型、U型缺口, ak=Ak/An 强度和韧性的综合指标Ak冲击功N.m(J), Ak=W(h1-h2), W=摆锤重，h1/h2=冲断前后摆锤高度An试件缺口处净截面面积钢材的冷弯性能：钢材的冷弯性能：钢材常温下冷加工产生塑性变形时对发生裂缝的抵抗能力钢材常温下冷加工产生塑性变形时对发生裂缝的抵抗能力 衡量钢材力学性能的综合指标衡量钢材力学性能的综合指标 冷弯试验

4、冷弯试验 检验钢材内部缺陷（晶粒、结晶、杂物）检验钢材内部缺陷（晶粒、结晶、杂物） 拉伸试验和冲击试验的补充拉伸试验和冲击试验的补充 韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量来量度（收的总能量来量度（C Cv v）摆锤摆锤h1h2冲击韧性冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力。：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力。韧性是钢材强度和塑性的综合指标。韧性是钢材强度和塑性的综合指标。 冲击韧性试验冲击韧性试验焊接焊接 焊接热影响区和焊接热影响效应焊接热影响区和焊接热影响效应 焊接应力、塑性韧性等力学指标退化焊接应力、塑性

5、韧性等力学指标退化可焊性好：焊缝处及热影响区力学性能不低于母材、可焊性好：焊缝处及热影响区力学性能不低于母材、 无焊接裂缝、安全可靠无焊接裂缝、安全可靠可焊性取决于钢材化学成分含量：可焊性取决于钢材化学成分含量： 低碳钢：碳低碳钢：碳0.27%、锰、锰0.7%、硅、硅0.4%、硫磷、硫磷0.05% 低合金钢：碳当量低合金钢：碳当量 EC%=C+Mn+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15可焊性试验：施工中试验、使用中试验、冲击韧性、裂纹可焊性试验：施工中试验、使用中试验、冲击韧性、裂纹5、可焊性干腐蚀：金属和非金属元素直接结合干腐蚀：金属和非金属元素直接结合湿腐蚀：水分多的环境下与非金属

6、元素结合形成腐蚀物湿腐蚀：水分多的环境下与非金属元素结合形成腐蚀物提高抗腐蚀性能：提高抗腐蚀性能： 涂料涂料 底层处理底层处理(抛丸除锈等抛丸除锈等) + 底漆底漆 + 面漆面漆 耐侯钢材耐侯钢材 Cu-P-Ti-Re: 09CuPCrNi,16CuCr, 12MnCuCr Cu-P-Ni-Cr: SMA400AW, AP, SMA490AW6、抗腐蚀性能延性破坏：延性破坏： 塑性破坏，应力塑性破坏，应力fyfu，径缩变形断裂，变形时间长，径缩变形断裂，变形时间长 剪应力超过晶粒抗剪能力剪应力超过晶粒抗剪能力脆性破坏：脆性破坏： 脆性断裂，应力脆性断裂，应力fy破坏破坏 ？不适用于脆性断裂？不

7、适用于脆性断裂 断裂力学理论断裂力学理论 ！ I型裂纹：张开型型裂纹：张开型 II型裂纹：滑移型型裂纹：滑移型 III型裂纹：撕开型型裂纹：撕开型7 7、延性破坏、累积损伤、脆性破坏、疲劳破坏、延性破坏、累积损伤、脆性破坏、疲劳破坏 系数 裂纹宽度一半 应力应力强度因子： 临界应力0：裂纹失稳扩展时应力断裂韧性KIC：IKa 0ICKa KIKIC 失稳，裂纹扩展弹性断裂力学公式：弹性断裂力学公式(张开位移理论)：2IICyIICaEfdddd稳定不稳定位移临界值ICyICEfKd影响脆性断裂的因素：裂纹尺寸、作用应力、材料韧性影响脆性断裂的因素：裂纹尺寸、作用应力、材料韧性提高抗脆断措施：提

8、高抗脆断措施： 焊接施工管理，避免焊接裂纹、杂质焊接施工管理，避免焊接裂纹、杂质 避免焊缝集中、采取措施避免或消除焊接残余应力避免焊缝集中、采取措施避免或消除焊接残余应力 优化细部构造措施、避免应力集中优化细部构造措施、避免应力集中 选择合理钢材，低温动力下工作时选用高等级钢选择合理钢材，低温动力下工作时选用高等级钢应力腐蚀断裂：应力腐蚀断裂：S(0.20.5)I CCIKK疲劳破坏：疲劳破坏：反复荷载下低应力状态突然破坏反复荷载下低应力状态突然破坏 反复荷载下的脆性破坏反复荷载下的脆性破坏疲劳破坏过程：裂纹形成疲劳破坏过程：裂纹形成裂纹缓慢扩展裂纹缓慢扩展裂纹失稳扩展裂纹失稳扩展 (焊缝焊缝

9、)内部缺陷内部缺陷 应力集中应力集中影响因素：应力循环形式和次数、应力集中、残余应力、缺陷影响因素：应力循环形式和次数、应力集中、残余应力、缺陷应力比：应力比：rrminmin/maxmax 绝对值较小绝对值较小 绝对值较大绝对值较大 拉拉(+)(+)压压(-)(-)应力幅：由于存在残余应力，应力幅：由于存在残余应力，r r不能代表实际应力变化情况不能代表实际应力变化情况 DDmaxmaxminmin 最大拉应力最大拉应力 最小拉应力或压应力最小拉应力或压应力 拉拉(+)(+)压压(-) (-) 疲劳强度曲线：疲劳强度曲线：匀质材料疲劳强度与应力比的关系匀质材料疲劳强度与应力比的关系：应力幅与

10、应力循环次数关系：2211ImIm13 22113 2211lglg/lg,1121(3,1)20axinaaaaKKKadadaAKAKdNdNdadaNAAKaaNaAaacaAacN DDDDDDDD DDD DrrKKKKp1,0maxmaxmax0minmax0110损伤累积破坏：损伤：荷载+环境+温度+化学缺陷 塑性损伤、疲劳损伤、材质变化、蠕变损伤损伤不断积累导致的破坏损伤累积破坏损伤变量D：无损伤0、破坏1，D=(0,1) 单调递增、不可逆Nip1nNmipp1nn1211,1piippiDDyyDDED EfD feeeeee化学成分的影响化学成分的影响 Fe-99%, C、

11、Si、Mn、V1.5%，Cr、Ni、Cu、Ti、Nb S、P、O、N0.1%CC: : 屈服点和抗拉强度屈服点和抗拉强度，塑性，塑性/ /韧性韧性/ /可焊性可焊性/ /耐腐蚀性耐腐蚀性/ /疲劳疲劳/ /冷弯冷弯适量适量Si Si (0.1%-0.3%) (0.1%-0.3%): : 强度强度，过量降低塑性，过量降低塑性/ /韧性韧性/ /可焊性可焊性/ /抗锈性抗锈性适量适量Mn(0.3%-0.8%)Mn(0.3%-0.8%)：强度：强度,消除热冷脆消除热冷脆, ,过量降低塑性过量降低塑性/ /韧性韧性/ /可焊性可焊性/ /抗锈抗锈性性S S硫化铁硫化铁: : 降低塑性降低塑性/ /韧性

12、韧性/ /疲劳疲劳/ /可焊性可焊性/ /抗锈性，产生热脆，抗锈性，产生热脆，0.045%0.045%P P：强度：强度/ /抗锈蚀性抗锈蚀性, , 严重降低塑性严重降低塑性/ /韧性韧性/ /冷弯，产生冷脆，冷弯，产生冷脆，0.045%0.045%O/NO/N：OO产生热脆产生热脆,0.05%,0.05%；N N产生冷脆产生冷脆,0.008%,0.008%8、影响钢材性能的一般因素生产过程的影响生产过程的影响 冶炼冶炼浇铸浇铸轧制轧制矫正矫正冶炼：方法：碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法、碱性侧吹转炉炼钢法目的：控制化学成分 碱性侧吹效果差，已淘汰。 平炉/顶吹效果接近，顶吹效率高应用更多。

13、浇铸：钢液钢罐 脱氧剂 氧化铁 脱氧程度: 沸腾钢/半镇静钢/镇静钢/特殊镇静钢 沸腾钢：Mn为脱氧剂，脱氧程度差，浇铸时氧化铁+碳CO气体， 冷却快、成品率高、成本低； 材质不均匀、塑性韧性可焊性差。 镇静钢：Si为脱氧剂，脱氧能力强，脱氧充分，冷却缓慢无沸腾现象 冷却收缩上部缩孔大、切头大、成品率低、成本高，力学性能好 半镇静钢：介于沸腾钢与镇静钢间 特殊镇静钢：Mn/Si脱氧后，用铝钛补充脱氧，明显改善力学性能 轧制： 钢锭钢板/型钢 高温加压(1200-1300OC)改善内部组织/力学性能 轧制钢板薄力学性能好、强度/塑性/韧性好 轧制方向材性由于垂直方向，试件沿垂直方向下料 较厚钢板

14、中杂质薄片分层Z向性能差(层状撕裂) 需进行Z向材性试验时效的影响 碳/氮固熔物质随时间增加析出表面散步在晶粒滑移面上， 约束塑性变形，提高强度，降低冲击韧性。 时效时间从数天到数年。 塑性变形后再加热(200-300OC)使时效的发生仅需几小时。冷作硬化的影响： 常温下，塑性阶段反复加载会提高钢材的弹性极限， 成为冷作硬化效应温度的影响： 冷脆：温度下降至T1时，钢材由塑性破坏转化为脆性破坏 热脆(蓝脆)：250OC时冲击韧性下降 避免蓝脆范围内热加工 300-600OC：屈服/抗拉极限/弹性模量下降，600OC时接近零 应力集中的影响： 杂质、槽口、裂缝、形状突变会产生局部应力高峰， 应力

15、高峰处一般存在同号平面或立体应力使材质变脆， 低温+应力集中 脆性断裂破坏 常温静力作用下，应力增大应力重分布，设计时可不考虑 动力荷载作用下，易疲劳破坏，采取措施减小应力集中。品种牌号：品种牌号：普通碳素钢、低合金结构钢普通碳素钢、低合金结构钢普通碳素钢：普通碳素钢：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。(N/mm2) 力学性能质保书：力学性能质保书：fy、fu、d d 化学成分质保书：化学成分质保书：C、Mn、Si、S、P质量等级：质量等级：A、B、C、D A:无冲击功要求无冲击功要求; B: 20OC时时Ak27J; C: 0OC时时Ak27J; D:-20OC时时Ak27J

16、脱氧方式：脱氧方式：Z(可不标注可不标注)、b、F、TZ (可不标注可不标注) A、BZ、b、F; C Z; D TZQ235A、Q235AF、Q235Bb、Q235D、Q235C老标准：老标准：甲类钢甲类钢(A,按力学性能供应按力学性能供应)、乙类钢、乙类钢(B,按化学成分供应按化学成分供应)、特类钢、特类钢(C,按力学性能和化学成分供按力学性能和化学成分供应应)1、2、3、4、5、6、7号钢，号钢，3号钢号钢Q235。顶吹。顶吹YA3甲类甲类3号镇静钢；号镇静钢；CY3F特类顶吹特类顶吹3号沸腾钢号沸腾钢9、钢材分类低合金钢：低合金钢：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460 提供

17、力学性能质保书提供力学性能质保书(fy、fu、d d、冷弯试验、冷弯试验) 化学成分质保书化学成分质保书(C、Mn、Si、S、P、V、Nb、Ti) Q345A、Q345B、Q345C、Q345D、Q345E Q390A、Q390B、Q390C、Q390D、Q390E A、B、C、D、E表示质量由低到高表示质量由低到高 A:无冲击功要求无冲击功要求; B: 20OC时时Ak34J; C: 0OC时时Ak34J; D:-20OC时时Ak34J; E:-40OC时时Ak27J 脱氧方式分为镇静钢脱氧方式分为镇静钢(A、B)、特殊镇静钢、特殊镇静钢(C、D、E)。Q345BB级镇静钢级镇静钢, Q39

18、0DD级特殊镇静钢级特殊镇静钢, Q345CC级特殊镇静钢级特殊镇静钢老牌号：老牌号：16MnQ345，15MnVQ390优质碳素钢：优质碳素钢： 碳素钢经热处理碳素钢经热处理(调质处理调质处理/正火处理正火处理)，杂质元素少、，杂质元素少、 P/S0.02%,相当于特殊镇静钢相当于特殊镇静钢英国：英国：40A / 40B / 50E，ksi(千磅千磅/英寸英寸2)欧洲：意大利接近欧洲：意大利接近ISO美国：美国：A36 结构钢结构钢(MPa)，A242低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢(ksi)日本：日本：SS400一般结构用轧制钢一般结构用轧制钢 SS400A、B、C, SM490A、B

19、、C, 焊接结构用轧制钢焊接结构用轧制钢 SMA400, SMA490, 焊接结构用热轧耐候钢焊接结构用热轧耐候钢俄罗斯：俄罗斯：C235, C245, C275, C390 (MPa)Q235美美A36,A53/日日SS400,SM400,SMA400/俄罗斯俄罗斯C235/英英40/法法E24/德德St37Q345美美A572,A242,A588/日日SM490YA,SM490YB,SM520/ 俄罗斯俄罗斯C345/英英50D/法法E36/德德St52 选用钢材的原则(1) 结构类型及重要性结构类型及重要性 重要：大跨度屋盖、重级工作制吊车梁重要：大跨度屋盖、重级工作制吊车梁 一般：普通

20、厂房屋架和梁柱一般：普通厂房屋架和梁柱 次要：楼梯、平台、栏杆次要：楼梯、平台、栏杆(2) (2) 荷载性质荷载性质 静力、动力静力、动力( (满载、欠载满载、欠载) ) 常温静力：常温静力：B B级级F F；动力：韧性和疲劳好；动力：韧性和疲劳好CC级级Z Z(3) (3) 连接方法连接方法 焊接：力学性能和化学指标要求、可焊性好焊接：力学性能和化学指标要求、可焊性好 非焊接：力学性能非焊接：力学性能(4) (4) 工作环境工作环境 低温下注意冷脆，选用低温下注意冷脆，选用CC、D D级级Z Z(5)(5)结构受力结构受力 受拉构件选用受拉构件选用CC、D D级级Z Z钢板钢板 薄钢板：厚薄

21、钢板：厚0.35-4mm，宽，宽500-1800mm，长，长0.4-6m 厚钢板：厚厚钢板：厚4.5-60mm(60mm，宽，宽600-3800mm，长，长4-9m 扁钢：厚扁钢：厚4-60mm，宽，宽12-200mm，长，长3-9m型钢型钢 热轧普通型钢：角钢、工字钢、槽钢热轧普通型钢：角钢、工字钢、槽钢 热轧热轧H型钢型钢(H350 x250 x10 x16)和和T型钢型钢(T248x199x9x14) 热轧无缝钢管、焊接钢管热轧无缝钢管、焊接钢管(直缝焊和螺旋焊直缝焊和螺旋焊) ， 102x5 无缝钢管：无缝钢管： 32-630mm， 直缝钢管：直缝钢管： 19.1-426mm，螺旋钢管

22、：，螺旋钢管： 219.1-1420mm9、钢材规格冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢 壁厚：壁厚：1.5-12mm，承重构件厚，承重构件厚2mm、Q235/Q345/Q3901 1、热轧钢板、热轧钢板 “ “-” -” 宽度宽度厚度厚度长度（长度（mmmm）2 2、热轧型钢、热轧型钢（角钢、工字钢、槽钢、（角钢、工字钢、槽钢、 H型钢和钢管）型钢和钢管） （1 1）热轧角钢）热轧角钢 等肢角钢等肢角钢 L L肢宽肢宽肢厚肢厚 不等肢角钢不等肢角钢 L L长肢宽长肢宽短肢宽短肢宽肢厚肢厚（2 2）热轧工字钢）热轧工字钢普通工字钢普通工字钢 “ “I”I”和号数和号数( (代表截面高度厘米数代表截面高度厘米数) )轻型工字钢轻型工字钢 “ “QI”QI”和号数和号数( (代表截面高度厘米数代表截面高度厘米数)