钢结构基础第二章

第二章钢结构的材料大纲要求:

1.了解钢结构的两种破坏形式；

2.掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指标；3.掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢材变脆的主要因素；4.了解结构用钢材的种类、牌号、规格；5.了解钢材选择的依据，做到正确选择钢材；6.掌握钢材疲劳的概念和疲劳计算方法。1.较高的抗拉强度fu和屈服点fy；2.较好的塑性、韧性；3.良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；4.对环境的良好适应性。§2.1

钢结构对材料的要求一、塑性破坏

破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，断口发暗，可以采取补救措施。

二、脆性破坏

坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变形远比材料应有的变形能力小，破坏突然，断口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。§2.2钢材的破坏形式一、受拉、受压、受弯及受剪时的性能（一）一次拉伸时的性能

1.条件：标准试件（GB228—63），常温（20℃）下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%－0.3%。标准试件：lo/d=5、10；lo-标距；d--直径§2.3

钢材的主要性能d2.阶段划分A.有屈服点钢材σ--ε曲线可以分为五个阶段：(1)弹性阶段(OB段)OA段材料处于纯弹性，即:AB段有一定的塑性变形,但整个OB段卸载时，ε=0；E=206×103N/mm2OBCDAE（2）弹塑性阶段（BC)

该段很短,表现出钢材的非弹性性质;

σB—屈服上限;σC—屈服下限

(屈服点fy)（3）塑性阶段（CD)

该段σ基本保持不变（水平),ε急剧增大,称为屈服台阶或流幅段,变形模量E=0OBCDAEO‘S（4）强化阶段(DE段)极限抗拉强度fu（5）颈缩阶段(EF段)随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快OBCDAEB.对无明显屈服点的钢材

该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。

设计时取相当于残余变形为0.2%

时所对应的应力作为屈服点—‘条件屈服点’fy=f0.20.2%fuεp3.应力应变曲线的简化1)fy与fb相差很小；2)超过fy到屈服台阶终止的变形约为2.5%--3%，足以满足考虑结构的塑性变形发展的要求。

（1）钢材可以简化为理想弹塑性体ε2.5%--3%fy

ε00.15%ε

（2）钢材在静载作用下：强度计算以fy为依据;fu为结构的安全储备。（3）断裂时变形约为弹性变形的200倍，在破坏前产生明显可见的塑性变形，可及时补救，故几乎不可能发生。O0.15%22%fufyfu-fy4.单向拉伸时钢材的机械性能指标

（1）屈服点fy--应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。（2）抗拉强度fu--应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材最大的抗拉强度。（3）伸长率（4）断面收缩率它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。当l0/d=5时，用δ5表示，当l0/d=10时，用δ10表示。A0A1同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。（二）受压时的性能

采用短试件l0/d=3,屈服点同单向拉伸时的屈服点。（三）受弯时的性能（四）受剪时的性能抗剪强度可由折算应力计算公式得到：二、冷弯性能

衡量钢材塑性性能和质量优劣的综合指标。三、冲击韧性

衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。(a)梅氏U型缺口(b)夏比V型缺口U型缺口试件的韧性指标：ak——冲击韧性值；Ak——冲击功；A——试件缺口处净截面积。V型缺口试件的韧性指标通过冲击功Ak表示。冲击韧性试验装置四、可焊性钢材采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数及一定的结构形式等条件下，获得合格焊缝的难易程度。与含C量和合金元素有关,0.12%~0.20%的可焊性最好。Ni(镍);Mo(钼)钢材的机纳械性能指汇标1、屈服最点fy；2、伸长率δ；3、抗拉派强度fu；4、冷弯佳试验；5、冲击韧妨性Cv(包括常壤温冲击诵韧性、0度时冲检击韧性负温冲努击韧性雷）。小午结一、化学成分普通碳独素钢中Fe占99%，其他杂质揭元素占1%；普通低继合金钢置中合金嫌元素＜5%。1.碳（C）：钢材跃强度的霜主要来馋源，随其含量漏增加，强雪度增加，病塑性降低捷，可焊性央降低，抗记腐蚀性降为低。一般邪控制在0.2织2%以下，激在0.2％以下时慰，可焊性附良好。§2.应4各种因素资对钢材性扑能的影响2.硫（S）：有害龄元素，惹热脆性侮冷。不厘得超过0.0丈5%。3.磷（P）：有害丢元素，西冷脆性这。抗腐够蚀能力阻略有提三高，可迷焊性降发低。不打得超过0.04逗5%。4.锰（Mn）：合金元挎素。弱脱住氧剂。与S形成MnS，熔点160锄0℃，可以消弱除一部分S的有害刚作用。5.硅（Si）：合金板元素。著强脱氧决剂。6.钒（V）：合金元磁素。细化单晶粒，提举高强度，姓其碳化物构具有高温酒稳定性，神适用于受牌荷较大的福焊接结构降。7.氧（O）：有害杂洗质，与S相似。8.氮（N）：有害杂颤质，与P相似。9.铜（Cu）：提高抗端锈蚀性，筝提高强度严，对可焊哨性有影响誓。二．冶金知缺陷常见的堪冶金缺脊陷有：偏析：化脆学成分分号布的不均届匀程度；非金属夹节杂；气孔；裂纹等旁。1．冶亮炼钢材的征冶炼方全法主要吨有平炉浸炼钢、降氧气顶眼吹转炉动炼钢、涂碱性侧乒吹转炉搞炼钢及哗电炉炼听钢。在蓝建筑钢墨结构中虹，主要紧使用氧系气顶吹嫩转炉生岩产的钢却材。目馆前氧气眼顶吹转神炉钢的黄质量，尊由于生午产技术侍的提高射，已不巡寿低于平描炉钢的莫质量。冶炼这子一冶金羽过程形贡成钢的抽化学成痰分与含阁量、钢窃的金相浴组织结散构，不茅可避免森地存在主冶金缺疮陷，从抚而确定匹不同的踪蝶钢种、瘦钢号及家其相应办的力学旅性能。2．浇川铸把熔炼好刷的钢水浇雄铸成钢锭塘或钢坯有谋两种方法堵，一种是鸽浇入铸模包做成钢锭线，另一种碧是浇入连蚕续浇铸机纠做成钢坯股。铸锭过译程中因脱伶氧程度不门同，最终树成为镇静政钢、半镇思静钢与沸遍腾钢。钢在冶劣炼及浇粮铸过程从中会不货可避免枕地产生编冶金缺找陷。常贴见的冶苏金缺陷丹有偏析纪、非金锡属夹杂决、气孔新及裂纹争等等。晨这些缺挨陷都将努影响钢碧的力学志性能。3．轧制钢材的违轧制能同使金属扎的晶粒俯变细，贪也能使娇气泡、肠裂纹等旦焊合，李因而改搏善了钢姿材的力改学性能前。薄板霉因辊轧致次数多瞎，其强私度比厚化板略高葡、浇铸野时的非奔金属夹通杂物在宣轧制后无能造成狱钢材的俩分层，瞎所以分沙层是钢透材(尤罢其是厚吴板)的屈一种缺陕。设计竹时应尽没量避免幅拉力垂我直于板巴面的情纽奉况，以限防止层辅间撕裂迷。4．热陕处理热处理的烈目的在于惰取得高强宪度的同时纷能够保持香良好的塑本性和韧性桨。正火属副于最简单纠的热处理剪：把钢材快加热至8禾50~9趋00oC并保持一艰段时间后挪在空气中帮自然冷却收，即为正扣火。如果俗钢材在终达止轧制时弄温度正好夺控制在上望述温度范撞围，可得遭到正火的丘效果，称金为控轧。辆回火是将者钢材重新录加热至6感50oC并保温宽一段时须间，然尖后在空惹气中自烛然冷却碍。淬火秀加回火真也称调邪质处理许，淬火案是把钢杠材加热锣至90更0oC以上，捕保温一钩段时间都，然后渴放入水迅或油中乡丰快速冷芹却。强弃度很高五的钢材勇，包括沿高强度荐螺栓的咽材料都岗要经过炕调质处坑理。三、钢首材的硬钥化冷作硬化——当荷载超慎过材料比胆例极限卸能载后，出祥现残余变奔形，再次江加载则比渐例极限（挡或屈服点烘）提高的条现象，也卸称“应变硬化”。时效硬化——随时间的杰增长，碳辅和氮的化时合物从晶鱼体中析出螺，使材料硬嗓化的现浴象。应变时巡寿效——钢材产生剑塑性变形弃时，碳、次氮化合物房诚更易析出判。即冷作迅硬化的同锋时可以加答速时效硬蜜化，因此殃也称“人工时效”。四、温果度影响1．正温观范围200淹℃以内对钢也材性能无婚大影响，转该范围内著随温度升糟高总的趋刮势是屈服乘强度、抗构拉强度以拌及弹性模蔽量都是降默低的8006004002000N/mm2Efuδfy200400600温度对钢材机械性能的影响20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)250冶℃左右抗拉妥强度略有袍提高，塑奔性降低，子脆性增加—蓝脆现站象，该温度汉区段称为“蓝脆区”。260～320置℃产生徐嫂变现象600沟℃左右弹性议模量趋于获零，承案载能力几逗乎完全丧昨失。8006004002000N/mm2Efuδfy200400600温度对钢材机械性能的影响20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)当温度撤低于常系温时，妄钢材的肺脆性倾膊向随温对度降低乌而增加秋，材料强扶度略有之提高，严但其塑码性和韧泪性降低盐，该现词象称为单低稳冷英脆。2．负温范醋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五、应打力集中1.应力集阔中的概杰念构件表棉面不平道整，有中刻槽、漠缺口，器厚度突高变时，维应力不课均匀，句力线变终曲折，炮缺陷处创有高峰泽应力—应力集归中。2.应力集端中的影排响六、焊接耕残余应力oZXY单元体受复杂应力（应力分量）单元体受主应力§2.资5复杂应岩力作用呜下钢材垫的屈服梢条件复杂应力域状态１）材料洒由弹性转称入塑性的疯强度指标裁用可变形魄时单位体居积中积聚粗的能量来谅表达；假定：２）当复溜杂应力状落态下变形欲能等于单角轴受力时童的变形能护时，钢材斜即由弹性舌转入塑性闭。能量强月度理论1.以应力分罗量表示2.以主应力搭表示材料处于享弹性状态材料处佳于塑性企状态图示简废支梁1-1截面腹板疯与翼缘交矮界A点的应剂力1-1A对于薄泡板，厚秒度方向归的应力久很小，货为平面架受力状上态。PPMM11AXVY3-3APMVP33YXM3-3截面仅饮有剪力播，弯矩顽、局部启压力均鬼为零，当故该截势面除剪冤应力外污，正应箩力均为昏零，即航为纯剪脉状态。一般的梁但，只存在卧正应力和钉剪应力，符则：2-2AVM22AYXq讨论：（1）三向受交压时(静水压想力)（2）三向斯受拉时———夕—不破坏;————一定破环坏;由于三向奴受拉限制膀了材料的渠塑性发展屑，材料要询发生脆性魄破坏。能量理宜论所得坟的公式象只适用办于塑性家材料，巴因此形花式上的不破坏与实际的脆丸性破坏是不矛盾已的，只积是实际的蛋脆性破坏输不再符合委能量理论祸的基本假宣定。一、概念1、循环荷呀载——结构或构顾件承受的壳随时间变棵化的荷载窝。§2.观6钢材的疲兽劳2、钢材的仍疲劳在循环荷哄载（连续拢反复荷载竖）作用下惹，经过有甜限次循环堵，钢材发腾生破坏的糊现象，称括之为疲劳萍。疲劳断裂肺是微观裂允缝在连续泼重复荷载析作用下不斑断扩展直趴至断裂的棒脆性破坏贞。断口可溪能贯穿于乖母材，可芳能贯穿于回连接焊缝弄，也可能蜻贯穿于母按材及焊缝锯。3.疲劳破坏葛的机理疲劳破指坏是积亡累损伤忌的结果岔。缺陷→微洲观裂纹→章宏观裂纹。4.疲劳破缸坏的特祥征属于脆摧性破坏膨，截面疾平均应奇力小于克屈服点纱。疲劳破由坏的构洋件断口列上面一带部分呈现败半椭圆吃形光滑鞋区，其卡余部分则为粗吊糙区。5.影响钢陕材疲劳推的主要袍因素（1）构件肉和连接跑的分类规范将胸构件和胡连接的糊种类分完为8类，第1类为轧制的纵型钢（残败余应力小诞）疲劳强牙度最高；第8类为角焊缝大应力集中孙最严重疲传劳强度最凳低。晨详见钢结腔构设计规柔范“疲劳计算玻的构件和游连接分类掘（附录E）”。a:应力循严环特征—应力比ρb:应力幅在循环荷包载作用下嘱，应力从云最大到最疮小重复一贴次为一次芹循环，最膛大应力与谱最小应力榆之差为应也力幅:为常量常幅循环：为变量变幅循环：+σ-σt（2）应力幅吐（Δσ）和应丹力循环被特征（论应力比ρ）完全对称耍循环(＝-1饲)骄静奥荷载作浮用(＝+1诊)脉冲循棉环(＝0)宁一般应吩力循环伪(-1晒<<+1)应力幅对焊接逐结构的买疲劳强玻度有很大影响，而与名晓义最大应毙力σmax和应力比ρ无关。（2）应力休循环次踢数N（疲劳谦寿命）应力循增环次数N<5×1魂04，不需要栽进行疲劳章计算。当构件林条件相估同，应竖力比为弊定值时欲，最大徐应力σmax随应力鬼循环次渴数n的增加散而降低俗，且曲缴线具有抹平行于n轴的渐近授线。当n趋于很闪大时，σmax趋于应力幼循环无穷多次谜试件不蛙至于发凝生疲劳瞧破坏的垒极限值0NX105N1N2fy123456由试验戴结果，顷以及上厉述分析把可知钢螺材的疲参劳强度树主要与垦构件和议连接分西类（内嘱部缺陷讽、应力坦集中、垮残余应柱力）、狭应力循钥环次数迎和应力抵幅有关袭。焊接部揉位的疲早劳强度壶与钢材击的静力脾强度(屈服点fy)基本无关排。对于只有骑压应力的存应力循环裁作用，由都于钢材内糠部缺陷不注易开展，搏则不会发岁生疲劳破祝坏，不必缩慧进行疲劳肝计算。二、疲粥劳强度续计算（一）致常幅疲侵劳根据试验彩数据可以刮绘出构件旦或连接的霜应力幅Δσ与相应的受致损循环悄次数N的关系瓣曲线，拦按试验各数据回归的Δσ-N曲线为医平均曲完线(图a)，取对现数坐标(图b)。1.容许应额力幅[Δσ刷]由于现最阶段对俘钢材发喇生疲劳员破坏尚循处于进吊一步研牛究阶段胸，按概奋率极限多状态计闭算疲劳五强度还师不成熟脆，故采随用容许嘱应力幅糖的计算显方法。Δσ-创N曲线(a)0N式中：β--直线对哗纵坐标蕉的斜率陆；b1--直线在西横轴坐琴标上的拼截距；N--循环次数灯。(b)0N=5×104N=5X106............b1考虑试劝验数据魂的离散税性，取县平均值缓减去2倍lgN的标准捧差s作为疲恋劳强度充下限，衰当lgΔσ为正态陷分布时障，保证刑率为97.忙7%。下限值的辽直线方程府为：此时的Δσ即为容许专应力幅：式中：系数β、c--根据钢结盟构设计规栽范“疲劳计算蹄的构件和榜连接分类”查表得到认。2S2S(b)0N=5×104N=5X106............b12.疲劳强度峰计算式中：Δσ--计算部位步的应力幅盛；对于焊接艺部位:Δσ=壮σmax-σmin；对于其皇他部位洲：Δσ=主σmax-0.7绸σmin(计算应音力幅）吗。σmax、σmin--计算部位弃每次应力住循环中的帆最大拉应暂力和最小拉应泊力或压应盏力（取负崖值）。说明：1）计算时忌用荷载的鸣标准值；2）由于来若源于试验丑，已考虑某动力效应采，计算时不再傻考虑动格力系数沫；（二）变谎幅疲劳和旁吊车欠载车效应系数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=2×106的容许应力幅。式中：对于吊瓜车梁，矿按下式喊计算其虏疲劳强油度：一、钢盼材或钢若结构的暖脆性断作裂1、脆性絮断裂钢材或钢由结构的脆桐性断裂是咸指低名义主应力（低经于钢材抗蜻拉强度或蜓屈服强度梦）情况下纤发生突然敲断裂的破延坏。其断裂幻玉面通常辛是纹理小方向单学一和较告平的劈月裂表面绿，很少另或者没篮有剪切基唇边。§2.7钢材的什脆性断织裂及防涛止二、影响抚脆性断裂杜的因素1、钢材质芳量差2、结构构啊件构造不感当3、制造安永装质量差4、结构谋受有较党大的动丽力荷载才或在较艰低环境厦温度下蔑工作等竟。三、脆性亲断裂的防脉止1、按断眠裂力学啊原理进隙行断裂弃分析；2、合理设臭计和选用辆钢材；3、合理可制造和送安装；4、建立恒必要的鹊使用维鞭修规定侵和措施一、钢忌的种类1、碳素信结构钢石（GB/T蔑700青-88）---低碳钢牧牌号Q23恼5--质量等级绣（A、B、C、D）浇注方法慰（F、Z、Tz）A--保证fu、fy、δ，P、S含量B--保证fu,fy,δ,冷弯，常布温时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,-2当0oC时Cv，P，S，C含量;§2.8钢材的种限类和规格碳素结构赛钢的牌号序（简称钢赌号）有Q195、Q235初A、B、C及D,缴Q275。其中的Q是屈服炼强度中甘屈字汉远语拼音夜的字首卵，后接朽的阿拉口伯字表帐示以N/渡mm愈2为单位屈祖服强度的税大小，A、B、C或D等表示套按质量趁划分的叼级别。训最后还杂有一个颂表示脱纳氧方法居的符号晋如F,名Z或b。从Q195到Q27流5，是按咳强度由阁低到高臭排列的快；钢材芝强度主酒要由其覆中碳元娇素含量收的多少氏来决定谷，但与献其他一的些元素纵的含量扑也有关痒系。所歌以，钢蛛号的由依低到高低在较大梅程度上仿代表了肉含碳量椅的由低兆到高。2.低合金铺钢(GB/典T15睡91-9暂4)GB/T1591-94Q295Q390Q345Q420相应的钢材品种（GB/T1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTiRE低合金巨钢的质拜量等级垮分A、B、C、D、E，其中E主要是黑要求-400C的冲击韧肆性。3．优质团碳素结胀构钢4．高强瓣钢丝和蒜钢索材俯料悬索结到构和斜绸张拉结剑构的钢顶索、桅点杆结构伴的钢丝莲绳等通菠常都采宽用由高柏强钢丝唱组成的锋平行钢罚丝束、盾钢绞线割和钢丝望绳。高兔强钢丝尊是由优螺质碳素伏钢经过跳多次冷异拔而成土，分为激光面钢演丝和镀柔锌钢丝绕两种类料型。钢丝强度皆的主要指井标是抗拉芒强度，其鸽值在157拨0-1挨700显N/始mm2范围内桂，而屈共服强度访通常不忙作要求刺。高强嘱钢丝的沾伸长率饿较小，支最低为4%，但高强溉钢丝（和闷钢索）却梯有一个不封同于一般满结构钢材辉的特点——松弛，即揭在保持长尚度不变的赌情况下所榴承拉力随溉时间延长参而略有降吨低。平行钢奔丝束由7根、19根、37根或61根钢丝组犹成，其截爽面见图示恼。钢丝束渣内各钢丝掀受力均匀匹，弹性模滑量接近一荣般受力钢势材。用来勺组成钢丝竞束的钢丝帽除圆形截景面外，还贺有梯形和寇异形截面担的钢丝。钢绞线亦鸣称单股钢讲丝绳，由争多根钢丝炭捻成。钢丝绳多较由7股钢绞访线捻成巨，以一榨股钢绞联线为核说心，外堡层的6股钢绞线蕉沿同一方同向缠绕。图2.13平行钢卫丝束的勾截面图2.14钢丝绳披的捻法亡及截面二、钢材纸的选择（一）选择搏钢材的原仪则1．结构或歇构件的重非要性；2．荷载扰情况（解静力荷耀载，动倘力荷载丢）；静力荷势载作用决下可选计择经济紧性较好断的Q235钢材。动力荷载却作用下应宝选择综合牌性能较好五钢材。3．连接摇方法（咳焊接连允接、螺占栓连接场）；焊接结杆构对材壁质的要滴求严格温，应严既格控制C、S、P的极限禽含量；裤非焊接今结构对C的要求通可降低大一些。4．结构绣所处的观工作条暖件（环充境温度悦，腐蚀食等）；低温下工宪作的结构编应选择低拍温脆断性池能好的镇渣定钢钢材的厚来度。厚度大的幼焊接结构润应采用材谎质较好的遇钢材。（二）钢蚁材选择建猎议1、承重结堤构的钢店材宜采用Q23挎5钢、Q345钢、Q390钢和Q42宿0钢，其质粥量应分别磨符合国家套标准《碳素结构哨钢》GB屠/T7滚00和《低合金责高强度靠结构钢》GB/兄T159苏1的规定强。当采呢用其他拔牌号的宝钢材时踪蝶，尚符蜓合相应枕有关标项准的规葡定和要阳求。2、承重结相构的钢材雪应具有抗裤拉强度、满伸长率、士屈服强度裂和硫、磷烈含量的合绒格保证，惭对焊接结情构尚具有彼含碳量的榨合格保证亮。3、对于需拐要验算紧疲劳的焊接结构，应具有圣常温冲击敏韧性的合换格保证；当结构工秘作温度等兽于或低于0℃但高于－20℃时，Q23惨5钢和Q34油5钢应具有0℃冲击韧阀性合格前的保证；对于Q390钢和Q420钢应具另有－20℃冲击韧伤性的合乳格保证。当结构工膏作温度等唤于或低于侵－20℃时，对Q23钱5钢和Q345钢应具传有－20℃冲击韧锻性的合文格保证跃；对Q39死0和Q42啦0钢应具有装－40℃冲击韧通性的合剩格保证。4、对于需拖要验算疲猛劳的非焊接结预构的钢材飞亦应具渴有常温件冲击韧巧性的合反格保证，当结构穗工作温孤度等于乳或低于期－20℃时，对Q23誉5钢和Q34烈5钢应具有0℃冲击韧性悲合格的保坦证；对Q390钢和Q42贱0钢应具有降－20℃冲击韧性夺的合格保眨证。5、重要的巡寿受拉或受肥弯的焊接宇构件中，可厚度大于输等于16mm的钢材疤应具有勒常温冲欣击韧性餐