PPT钢结构设计原理之钢结构的材料讲义

第二二章章钢钢结结构构的的材材料料2.1对建建筑筑用用钢钢材材的的性性能能要要求求较高高的的强强度度：：抗抗拉拉强强度度fu和屈屈服服强强度度fy足够够的的变变形形能能力力：：塑性性、韧性性良好好的的加工工性性能能：冷冷加加工工、、热热加加工工、、可可焊焊性性2.2钢材材的的主主要要性性能能及及其其鉴鉴定定1、单轴轴拉拉伸伸时的的工工作作性性能能条件：：标准准试件件，常温（（20℃℃）下缓缓慢加加载，，直到到拉断断破坏坏，一一次完完成。。标准试试件l0/d=5，10；l0—标距；；d—直径dⅢ塑性阶阶段：：E为零，，失去去承载载的能能力。。Ⅳ应变硬硬化阶阶段：：又恢恢复承承载的的能力力，但但很快快被拉拉断。。OBCDAEⅠ弹性阶阶段：：E为常量量Ⅱ弹塑性性阶段段：E为变量量对无明明显屈屈服点点的钢钢材该种钢钢材在在拉伸伸过程程中没没有屈屈服阶阶段，，塑性性变形小，，破坏坏突然然。设计时时取相相当于于残余变变形为为0.2%时所对对应的的应力力作为屈屈服点点—“条件屈屈服点点”fy=f0.20.2%fuεp应力应应变曲曲线的的简化化1)fy与fe相差很很小；；2)超过fy到屈服服台阶阶终止止的变变形约约为2.5%--3%，足以以满足足考虑虑结构构的塑塑性变变形发发展的的要求求。（1）钢材材可以以简化化为理想弹弹塑性性体ε2.5%--3%fy

ε00.15%ε（2）钢材材在静静载作作用下下：强度计计算以以fy为依据据;fu为结构构的安安全储储备。。（3）断裂裂时变变形约约为弹弹性变变形的的200倍，在在破坏坏前产生明明显可可见的的塑性性变形，，可可及时时补救救，故几乎乎不可可能发发生。。O0.15%22%fufyfu-fy单向拉拉伸时时钢材材的机机械性性能指指标（1）屈服点点fy——应力应应变曲曲线开开始产产生塑塑性流流动时时对应应的应应力，，它是是衡量量钢材材的承载能能力和确定定钢材材强度设设计值值的重要要指标标。当结构构或构构件截截面＞fy时，认认为结结构或或构件件丧失失了继继续承承载的的能力力。（2）抗拉强强度fu--应力应应变曲曲线最最高点点对应应的应应力，，它是是钢材材最大大的抗抗拉强强度。。直接反反映钢钢材的的内部部组织织的优优劣，，fu愈高，，强度度储备备愈高高。fu/fy——强屈比比，钢钢材塑塑性设设计的的一个个重要要条件件。（3）伸长长率（4）断面面收缩缩率它是衡量钢钢材塑塑性应应变能能力的的重要要指标标。当l0/d=5时，用用δ5表示，，当l0/d=10时，用用δ10表示。。A0A12冷弯性性能在冷弯弯试验验中表表现的的性能能，既既能看看出钢钢材塑塑性变变形的的能力力，又又可看看出钢钢材的的冶金金质量量。add+2.1a3、冲击韧性性衡量钢材在在动力（冲冲击）荷载载、复杂应应力作用下下抗脆性破破坏能力的的指标，用用断裂时吸吸收的总能能量（弹性性和非弹性性能）来表表示。(a)梅氏U型缺口(b)夏比V型缺口由试件断裂裂吸收的能能量Cv来衡钢材的的冲击韧性性，（1）梅式U型缺口：ak值（2）夏比V型缺口：CV单位：J;Cv受温度的影影响4可焊性钢材采用一一定的焊接接方法、焊焊接材料、、焊接工艺艺参数及一一定的结构构形式等条条件下，获获得合格焊焊缝的难易易程度。与含C量和合金元元素有关。。钢材性能的的鉴定做钢材的各各种性能的的鉴定试验验时应满足足相关的国国家标准。。钢材的机械械性能指标标1、屈服点fy；2、伸长率δ；3、抗拉强度fu；4、冷弯试验；；5、冲击韧性性Cv(包括常温冲冲击韧性、、0度时冲击韧韧性负温冲击韧韧性）。小节1、化学成分分普通碳素钢钢中Fe占99%，其他杂质元元素占1%；普通低合金金钢中合金金元素＜5%。（1）碳（C）：钢材强度的的主要来源源，随其含量增增加，强度度增加，塑塑性降低，，可焊性降降低，抗腐腐蚀性降低低。一般控控制在0.22%以下，在在0.2％以下时，，可焊性良良好。2.3影响钢材性性能的因素素（2）硫（S）：有害元素，，热脆性。。不得超过过0.05%。（3）磷（P）：有害元素，，冷脆性。。抗腐蚀能能力略有提提高，可焊焊性降低。。不得超过过0.045%。（4）锰（Mn）：合金元素。。弱脱氧剂剂。与S形成MnS，熔点1600℃℃，可以消除除一部分S的有害作用用。（5）硅（Si）：合金元素。。强脱氧剂剂。（6）钒（V）：合金元素。。细化晶粒粒，提高强强度，其碳碳化物具有有高温稳定定性，适用用于受荷较较大的焊接接结构。（7）氧（O）：有害杂质，，与S相似。（8）氮（N）：有害杂质，，与P相似。（9）铜（Cu）：提高抗锈蚀蚀性，提高高强度，对对可焊性有有影响。2、成材过程程的影响冶炼：平炉炉、转炉浇铸：钢水水—钢锭—初轧—成材（传统工艺）钢水—连铸机—钢坯—成材（新工艺）轧制：改善善钢材内部部组织结构构，钢材因因辊轧次数数不同，其其强度亦不相同。。热处理：：显著提提高强度度。（1）钢材的的冷加工工硬化冷加工硬硬化——当荷载超超过材料料比例极极限卸载载后，出出现残余余变形，，再次加加载则比比例极限限（或屈屈服点））提高的的现象，，也称“应变硬化化”。时效硬化化——随时间的的增长，，碳和氮氮的化合合物从晶晶体中析析出，使使材料硬化化的现象象。应变时效效——钢材产生生塑性变变形时，，碳、氮氮化合物物更易析析出。即即冷作硬硬化的同同时可以以加速时时效硬化化，因此此也称“人工时效效”。3、其它因因素（2）温度影影响a．正温范范围200℃℃以内对钢钢材性能能无大影影响，该该范围内内随温度度升高总总的趋势势是强度度、弹性性模量降降低，塑塑性增大大。8006004002000N/mm2Efuδfy200400600温度对钢钢材机械械性能的的影响20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)250℃℃左右抗拉拉强度略略有提高高，塑性性降低，，脆性增增加—兰脆现象象，该温度度区段称称为“兰脆区”。260～320℃℃产生徐变现象。600℃℃左右弹性性模量趋趋于零，，承载载能力几几乎完全全丧失。。当温度低低于常温温时，钢钢材的脆脆性倾向向随温度度降低而而增加，，材料强度度略有提提高，但但其塑性性和韧性性降低，，该现象象称为低低稳冷脆脆。b．负温范范围脆性破坏转变过渡区段塑性破坏反弯点试验温度T0C冲击断裂功CvT1T2T0冲击韧性与温度的关系曲线(3)应力集中中a.应力集中中的概念念构件表面面不平整整，有刻刻槽、缺缺口，厚厚度突变变时，应应力不均均匀，力力线变曲曲折，缺缺陷处有有高峰应应力—应力集中中。b.应力集中中的影响响c.减小应力力集中现现象的措措施<1:2.5由于钢材材具有良良好的塑塑性性能能，当承承受静力力荷载且且在常温温下工作作时，只只要符合合规范规规定的设设计要求求，可以以不考虑虑应力集集中的影影响。2.4钢材延性性破坏和和非延性性破坏、、循循环环加载和和快速加加载的效效应1、延性破破坏和非非延性破破坏（塑塑性破坏坏和脆性性破坏））塑性破坏坏破坏前有有明显的的塑性变形形，破坏过过程长，，断口发发暗，可可以采取取补救措措施。脆性破坏坏坏前没有有明显的的变形和和征兆，，破坏时时的变形形远比材材料应有有的变形形能力小小，破坏突然，断断口平直直、发亮亮呈晶粒粒状，无无机会补补救。将结构或或构件设设计成延性结构构是我们设设计的目目的。但但并非所所有的塑塑性材料料都发生生塑性破破坏。二个钢构构件，材材质相同同，长度度相同：：直径d0=10mmd0=10mm(刻槽处））破坏时，，拉长较较多；破破坏时时，无明明显变形形；屈服时：fy=251N/mm2fy=274N/mm2拉断时：fu=431N/mm2fu=431N/mm2可见：改改变了工工作条件件，即使使塑性材材料也可可能发生生脆性破破坏，在在设计中中应避免免这种情情况出现现。2、循环荷载载的效应（（又称重复荷载载）土木工程程中，承承受重复复荷载作作用的结结构或构构件有：：吊车梁：：吊车桥梁：车车辆容器：内内部液体体海洋平台台：海水水建筑物：：地震作作用以上这些些重复荷荷载都是是可变荷载载，这些重重复荷载载的作用用使构件件的钢材材易发生生疲劳断裂裂。循环荷载载——结构或构构件承受受的随时时间变化化的荷载载。在循环荷荷载（连连续反复复荷载））作用下下，经过过有限次次循环，，钢材发发生破坏坏的现象象，称之之为疲劳劳。疲劳破坏坏的机理理疲劳破坏坏是积累累损伤的的结果。。缺陷→微观裂纹纹→宏观裂纹纹。疲劳破坏坏的特征征属于脆性性破坏，，截面平平均应力力小于屈屈服点。。断裂时时无明显显的变形形；裂缝缝起始点点在构件件表面处处。（1）疲劳断断裂（2）疲劳强强度计算算（一）常幅幅疲劳根据试验验数据可可以绘出出构件或或连接的的应力幅幅Δσ与相应的的致损循循环次数数n的关系曲曲线，按按试验数数据回归的Δσ-n曲线为平平均曲线线(图a)，取对数坐坐标(图b)。1.容许应力力幅[Δσ]由于现阶阶段对钢钢材发生生疲劳破破坏尚处处于进一一步研究究阶段，，按概率率极限状状态计算算疲劳强强度还不不成熟，，故采用用容许应力力的计算方方法。Δσ-n曲线(a)0N式中,β--直线对纵纵坐标的的斜率；；b1--直线在横横轴坐标标上的截截距；n--循环次数数。(b)0n=5×104n=5X106............b1考虑试验验数据的的离散性性，取平平均值减减去2倍lgN的标准差差s作为疲劳劳强度下下限，当当lgΔσσ为正态分分布时，，保证率率为97.7%。下限值的的直线方方程为：：此时的Δσ即为容许许应力幅幅：式中：系数β、c--根据钢结结构设计计规范““疲劳计计算的构构件和连连接分类类”查表表得到。。2S2S(b)0n=5×104n=5X106............b12.疲劳强度度计算式中：Δσ--计算部位位的应力力幅；对于焊接接部位:Δσ=σσmax-σmin；对于其他他部位：：Δσ=σσmax-0.7σmin(计算应力力幅）。。σmax、σmin--计算部位位每次应应力循环环中的最最大拉应应力和最小拉应力或或压应力（取取负值）。说明：1）计算时荷载载为可变荷载载，且为荷载载的标准值；；2)由于来源于试试验，已考虑虑动力效应，，计算时不再再考虑动力系系数；3)按弹性方法计计算截面应力力σ。（二）变幅疲劳劳和吊车欠载载效应系数σσmaxσmin0t—欠载效应系数。重级工作制硬钩吊车1.0；重级工作制软钩吊车0.8；中级工作制吊车0.5。--循环次数n=2X106的容许应力幅。式中：对于吊车梁，，按下式计算算其疲劳强度度：并不是所有的的承受动力荷荷载重复作用用的构件和连连接都进行疲疲劳验算。规范规定：直直接承受动力力荷载重复作作用的构件，，当应力变化化的循环次数数n＞5×104次时，对应力力循环中出现现拉应力的部部位进行疲劳劳验算。一、建筑钢材的种类1、碳素结构钢钢（GB/T700-88）---低碳钢牌号Q235--质量等级（A、B、C、D）浇注方法（F、b、Z、TZ）A--保证fu、fy、δ，P、S含量B--保证fu,fy,δ,冷弯，常温时时Cv，P，S，C含量；C--保证fu,fy,δ,冷弯,0oC时Cv，P，S，C含量;D--保证fu,fy,δ,冷弯,-20oC时Cv，P，S，C含量;2.5建筑钢材的类类别及钢材的的选用2.低合金钢(GB/T1591-94)GB/T1591-94Q295Q390Q345Q420相应的钢材品种（GB/T1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTiRE低合金钢的质质量等级分A、B、C、D、E，其中E主要是要求-400C的冲击韧性。。二、钢材的选选择（一）选择钢材材的原则1．结构或构件件的重要性；；2．荷载情况（（静力荷载，，动力荷载））；静力荷载作用用下可选择经经济性较好的的Q235钢材。动力荷载作用用下应选择综综合性能较好好钢材。3．连接方法（（焊接连接、、螺栓连接））；焊接结构对材材质的要求严严格，应严格格控制C、S、P的极限含量；；非焊接结构构对C的要求可降低低一些。4．结构所处的的工作条件（（环境温度，，腐蚀等）；；低温下工作的的结构应选择择低温脆断性性能好的镇静静钢（二）钢材选选择建议1、承重结构的的钢材宜采用用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应应分别符合国国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度度结构钢》GB/T1591的规定。当采采用其他牌号号的钢材时，，尚符合相应应有关标准的的规定和要求求。2、承重结构的的钢材应具有有抗拉强度、、伸长率、屈屈服强度和硫硫、磷含量的的合格保证，，对焊接结构构尚具有含碳碳量的合格保保证。3、对于需要验算算疲劳的焊接接结构，应具具有常温冲击击韧性的合格格保证；当结构工作温温度等于或低低于0℃但高于－20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格格的保证；对于Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合合格保证。当结构工作温温度等于或低低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有－20℃冲击韧性的合合格保证；对Q390和Q420钢应具有－40℃冲击韧性的合合格保证。4、对于需要验验算疲劳的非非焊接结构的的钢材亦应具具有常温冲击击韧性的合格格保证，当结构工作作温度等于或或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合合格保证。5、重要的受拉拉或受弯的