钢结构上第二章建筑钢材课件

1、钢 结 构主 讲：陈建锋第 2 章 钢结构的材料 本章讲述钢结构用钢，简称结构钢（Q235、Q345、Q390及Q420）的主要机械性能及影响这些性能的主要因素；钢材受力的两种破坏形式及防止脆性破坏的措施；介绍我国目前生产的建筑钢材品种及规格。结构钢：用于建造钢结构的钢材。 2.1 建筑钢材的基本要求较高的强度较好的塑性及韧性良好的加工性能良好的可焊性较好的抗锈蚀能力价格便宜 现行钢结构设计规范（GBJ50017）推荐承重结构的钢材宜采用碳素结构钢中的Q235，及低合金高强度结构钢中的Q345、Q390及Q420钢。2.2 建筑钢材的两种破坏形式塑性破坏：破坏前变形明显，破坏时应力达fy，有明

2、显颈缩现象。 塑性变形后出现内力重分布，应力趋于均匀。 吸收很大的能量，延续时间长，有明显的塑性变形，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。易发现可补救。 脆性破坏：破坏前变形很小，破坏时应力低于fy，突然断裂，危险性大。 断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆性破坏危险性大。破坏突然无先兆无法采取补救措施。 设计、施工中应防止出现脆性破坏钢材的断裂破坏通常是在受拉状态下发生，分为以下两种破坏方式：2.3 建筑钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能：也称钢材的力学性能，是钢厂生产供应的钢材在标准条件下，拉伸、冷弯、冲击等单独作用下所显示出的各种机械性能。 一单向拉伸时的性能1依据：金属材料室温拉伸实验方法

3、GB/T228-2002。2过程：结构钢标准试件在室温以满足静力加载的加载速度一次加载得到的应力应变曲线， 屈服强度fy 强度极限承载应力标准fy (4) 强化阶段： 抗拉强度fu，强度储备 ; 强化模量Est (5)颈缩阶段 应力达到抗拉强度fu后，承载力最弱截面急剧收缩，荷载下降直至拉断破坏。 反应钢材塑性变形能力的指标：伸长率；截面收缩率。 fy 、fu 、 伸长率是钢结构对钢材要求所必需的三项基本机械性能指标。(1) 弹性阶段：E、fp、fe(2) 弹塑性阶段：Et=d/d (3) 塑性阶段（屈服阶段）：上（下）屈服强度条件屈服强度0.2图2-1 单轴应力 ffpfyfu单轴拉伸试验反

4、应结构钢 强度和塑性看静力拉伸试验动画看应力s应变e曲线动画 屈服强度(yield strength) fy 抗拉强度(tensile strength) fu 伸长率(elongation) d 弹性模量EE为常量，低碳钢有明显屈服点，fy作为破坏标志，fu/fy为强度储备，伸长率d表示塑性变形能力。图2-1 单轴应力 ffpfyfu指标:0 fy图 2-2 为了简化计算，将图2-1所示应力-应变关系简化为图2-2。 实际设计中对se曲线的简化 fy, 完全塑性 fu 作为安全储备伸长率根据试件原标距长度 l0与试件中间部分的直径d0 的比值为10或5而分为10或5，为试件拉断时原标距间长度

5、伸长值与原标距比值的百分率。 式中 ： l1 为试件拉断后标距间长度。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面面积比值的百分率。 式中： A0 试件原来的断面面积； A1 试件拉断后颈缩区的断面面积；1依据：我国标准金属材料弯曲试验方法GB/T232-1999，由冷弯试验来确定钢材的冷弯性能。2过程：以规定的弯心直径在试验机上用冲头加压，使试件弯曲180度。3作用：冷弯试验不仅反映材料的弯曲变形及塑性变形能力，同时也可反映金属的冶金质量，材质均匀性，加工性能。是反应钢材质量的一个综合指标。二、 冷弯(cold bending)试验冷弯角a4指标：将根据试件厚度按规定的弯曲直径

6、将试件弯曲180度，如表面无裂纹或分层则合格。看动画三、 冲击韧性3大小：钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功(冲击韧性值Cv单位J或ak单位J /cm2)来表示。 钢结构设计规范对钢材的冲击韧性Cv有常温和负温要求的规定。选用钢材时，根据结构的使用情况和要求提出相应温度的冲击韧性指标要求。常温(20)和低温(0，-20，-40) 试验.1钢材的冲击韧性：钢材在冲击荷载作用下，在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力。是衡量钢材抵抗可能因温度、应力集中、冲击荷载作用等而至脆性断裂能力的一项机械性能。它是强度与塑性的综合表现，表现材料动力性能。 2依据：缺口冲击试验测定冲击韧性依据金属夏比缺口冲击试验

7、方法GB/T229-1994。 用带缺口（V型或U型）的标准试件（下图）进行冲击试验，试件破坏时截面单位面积吸收的能量，称冲击韧性。冲击韧性越好，表明钢材越不易脆断。(a)(b) 冲击韧性试件P四、可焊性(weld ability) 焊接接头和焊缝的冲击韧性及近缝区塑性不低于母材性能。 (使用性能上的可焊性) （1）可焊性好意味着钢材施焊后能获得良好的焊接接头性能。（2）评定可焊性好的标志 在一定的焊接工艺条件下，焊缝和近缝区均不产生裂纹(施工上的可焊性 ) 2.4 影响钢材性能的主要因素一、化学成分的影响(chemical compositions) 普通碳素钢中含有多种化学成分，其中，铁占

8、99%左右，碳、硅、锰、硫、磷、氮、氧等共占1%左右。在低合金钢中还有合金元素，他们含量低于5%。影响钢材主要性能的元素有：C、Si、Mn、S、P、O、N基本有利元素：1、碳 影响强度、塑性、韧性。提高含碳量，强度提高，塑性、韧性、疲劳强度下降，可焊性、抗锈蚀性能变劣。 钢结构中，不宜采用含碳量高的钢材，一般不超过0.22%。2、硅 脱氧剂，适量（含量不超过0.2%时）可提高钢材强度，而对塑性、韧性和可焊性无明显不良影响。3、锰 适量可提高强度而不明显影响塑性，同时可消除热脆和改善冷脆倾向。是低合金钢中的主要合金元素成分。4、钒 可提高钢材强度和焊缝性能。15MnV钢可用于船舶、桥梁等荷载大的

9、焊接结构以及高中压容器。1、硫 在高温下（800-1000）生成硫化铁，使钢材变脆（热脆），因而降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、可焊性和抗锈蚀能力。应严格控制钢材中的含硫量，不得超过0.05%，16锰桥钢不超过0.045%。 2、磷 可提高强度、提高抗锈蚀能力，但严重降低塑性、韧性和可焊性，特别易发生低温脆断（冷脆），应严格控制其含量，一般不超过0.045%，15锰钒钢不超过0.040%。有害元素：7、氮、氧 有害杂质，严格控制。氧类似硫 热脆氮类似磷 冷脆二、冶炼、浇注、轧制过程及热处理的影响3、裂纹 钢材中存在的微观裂纹。2、夹层 钢材中的夹层是由于钢锭内留有气泡，有时气泡内害有非金属杂质夹

10、渣，当轧制温度及压力不够时，不能使气泡压合，气泡被压扁延伸，形成夹层。1、偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀。（S、P偏析恶化材性）4、热处理(heat treatment)轧制后的钢材，通过热处理，控制降温速度或 重新加热， 改变晶体结构和材性，以期达到调质的目的。淬火(quench) ：加热900度以上，水冷快速降温，提高强度硬度、降低塑性韧性；回火(temper)：淬火后的钢材，加热500-600度，自然降温空冷；减小脆性，提高综合性能。正火(normalize)：800-900度，空气中自然降温；改善组织，细化晶粒。退火(anneal)：炉中控制，缓慢降温；降低硬度，消除残余应力，细化

11、晶粒，消除组织缺陷。 三、钢材硬化的影响 超过比例极限后卸载，再加载时提高了屈服强度，却牺牲了塑性。这种现象称冷硬。 冷硬提高了钢材的弹性范围，被广泛用于提高承载力。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。1、冷作硬化回顾应力应变曲线2、时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。时效硬化使fy、fu提高，Cv 、d 降低。人工快速时效：钢材产生塑性变形时，再经加热至200300度，可加速时效硬化。仅需几小时，时效就可以完成。也称“人工时效”。四、应力集中的影响 钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷

12、等使一些区域产生局部高峰应力，此谓应力集中现象。应力集中越严重，钢材塑性越差。应力集中五、残余应力的影响由于不均匀的加热或冷却，使得钢材收缩和膨胀不均匀，先冷却部分与后冷却部分相互牵制，从而在截面内形成自相平衡的内应力。残余应力：1.中柱一端不焊死给中柱升温，塑变，再降温。升温中柱上顶，超过600度，中柱塑性变形，降温后中柱收缩，柱高小于原长。2.中柱两端都焊死 升降温后中柱受拉，边柱受压，产生自平衡残余应力。 高温区受拉，低温区受压六、温度的影响 对于正温范围（正常温度以上），总的趋势是：随着温度增加，钢材强度下降(下表)，塑性增大。20100200300400500600Fy(%)1009

13、5826540100 温度超过300C以后，屈服点和极限强度显著下降，达到600C时强度几乎丧失殆尽。蓝脆现象钢材受温度影响总的趋势是随温度升高，fy 、 fu 、 E下降，但温度达250C左右时，钢材抗拉强度提高，塑性、韧性下降，表面氧化膜呈蓝色，即发生蓝脆现象。低温冷脆在负温范围，即当温度从常温下降时，塑性、韧性降低，下降到某一温度时冲击韧性突然变得很降，发生脆性破坏，这就是低温冷脆现象。七、复杂应力的影响单向应力作用下 =fy, 塑性状态复杂应力作用下eq = fy 塑性状态复杂应力状态下钢材屈服条件可用折算应力eq与单向应力时的屈服点fy来比较折算应力 eq 的计算1、用主应力 、 、

14、 表示时或yyxxzz112233xyyxyzzxxzyyxxxyxyyxyx2211 钢材的多轴应力状态2、用三向受力应力分量表示3、当两向受力（3=0或z = zx = yz = 0 ）时或oZXY单元体受复杂应力（应力分量）oZXY单元体受复杂应力（应力分量）单元体受主应力4、在单向受弯梁内（ 只和 ）纯剪状态下：剪应力达0.58fy时，钢材进入塑性，规范取钢材抗剪强度为抗拉强度设计值得0.58倍。复杂应力对钢材性能的影响异号复杂应力：强度降低，塑性提高同号复杂应力：强度提高，塑性降低，性能变脆八、钢材的疲劳P=P0sint/aPPta1、疲劳现象在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有

15、限次循环，当应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度便发生突然脆性断裂。这种现象称钢材疲劳破坏。一、疲劳现象及破坏特征循环荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载。疲劳破坏的特征：属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。2、产生疲劳的原因（1）连续反复荷载（2）材料局部缺陷（工艺微裂纹、焊缝夹渣等）3、疲劳破坏机理（1）形成微裂纹 材料已有微裂纹或加载使杂质附近发生应力集中，造成新的微裂纹。（2）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，裂纹开展，出现宏观裂纹。（3）宏观裂纹发展，断面削弱，脆性断裂疲劳破坏是损伤积累的结果。缺陷微观裂纹宏观裂纹。4、疲劳强度钢材在某一连续反复荷

16、载作用下，经过n次循环后，出现疲劳破坏，相应的最大应力 称为疲劳强度。当循环次数为无限大时的最大应力成为疲劳强度极限 (一般取n5x106)5、影响疲劳强度的因素（1）构造状态（冶金缺陷，应力集中程度，残余应力）tt（2）应力幅（3）应力循环次数n（4）应力比0 同号循环0 异号循环应力循环及应力幅：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为常量常幅循环：为变量变幅循环： 应力幅越低，作用循环次数越多，疲劳寿命越高；应力幅相同，作用的循环次数越多，疲劳寿命越高。应力循环次数N5104，不需要进行疲劳计算。二、疲劳计算规范采用容许应力幅的方法计算疲劳。

17、常幅疲劳计算公式 其中， 标准荷载下检算部位的设计应力幅 容许应力幅,N/mm2。 计算部位每次应力循环中的最大拉应力（取正值） 计算部位每次应力循环中的最小拉应力（取正值） 或压应力（取负值）d)tb)ta)tc)t 设计应力幅 计算 焊接部位： 非焊接部位： 容许应力幅计算 根据构件、连接形式类别及预期的循环次数按下式计算 此式是对大量试验资料进行统计整理、并考虑安全系数后得出的。式中 n应力循环次数 c、系数。由规范给出，见表2-1。构件和连接类别12345678C1940101286110123.2610122.1810121.4710120.9610120.6510120.41101

18、244333333参数C、表2-1 试验表明：构件无连接处的主体金属不同（轧制工字钢、两边为轧制边或刨边的钢板、两边为自动、半自动切割边钢板等）参数C、 不同，连接焊缝性质不同（横向焊缝对接焊缝、纵向对接焊缝、翼缘连接焊缝等）参数C、不同。因此，规范按8种类别给出参数C和。i-121it图 变幅荷载变幅疲劳 可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳，然后按常幅疲劳检算式检算。 情形1能够测得使用期内应力变幅规律 情形2不能测得使用期内应力变幅规律 设计重级工作制吊车的吊车梁时，应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果没有对实际应力幅的统计资料，即属情形2。使用欠载效应系数 ，按常幅疲

19、劳进行计算。 计算公式欠载效应的等效系数.取值见下表。 吊车梁类别f重级工作制硬钩吊车 重级工作制软钩吊车梁中级工作制吊车 1.00.80.5表：吊车梁或吊车桁架欠载效应系数循环次数为n=2106次的容许应力幅。可从规范查出，也可用下式计算。 2.5 建筑钢材的种类、规格及选择 一、建筑钢材的种类建筑用钢 普通碳素钢 普通低合金钢。1、普通碳素钢 按其屈服点高低，由高到低排列，分为1号、2号、3号、4号7号等，钢号越高，其含碳量越高，强度越高，塑性越低。建筑钢结构中最常用的是3号钢。命名规则 “QXXX ”，例如Q235 AF、Q235 Bb、Q345 EZ。 其中 Q ：屈服强度的第一个拼音

20、字母。 XXX ：屈服强度值，单位为N/mm2，结构用钢常有235、345、390。 ：质量等级，有A、B、C、D、E五等。其中A无冲击功规定； B有20C时的冲击功要求；C有0C时的冲击功要求； D有20C时的 冲击功要求；E 有40C时的冲击功要求， 低合金钢才有E等。 ：脱氧方法，可分为F、b、Z和TZ，F表示沸腾钢，b表示 半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢，其中Z和TZ 可不写。2、普通低合金钢 普通低合金钢是在普通碳素钢中添加少量的一种或几种合金元素（总量5）以提高其强度、耐腐蚀性、耐热性、低温冲击韧性。其含碳量0.2%，以便钢材的加工和焊接。按加入的合金元素有：16Mn钢、16Mnq钢、 15MnV钢、15MnVq钢和15MnVN钢等。15MnV命名规则 15表示含碳量为万分之15，Mn，V后无阿拉伯数字，表示其含量均1.5，若有数字，表示其含量的百分数。如：36Mn2Si,其中Mn的含量为2。另外，在桥梁、造船、压力容器、锅炉等专业用钢材，分别在末尾加“q”、“c”、“r” 、“g”，如： 16Mnq， 15MnVq3、特种钢Z向钢耐候钢二、建筑钢材的规格1、钢板(plate)（1）热轧钢板和钢带（2）冷轧钢板和钢带，（3）花纹涂板(用作走道板和梯子踏板)，（4）高层建筑结构用钢板； 薄板40mm；常用热轧板625mm， 冷轧板0.62mm。表