钢结构设计原理之钢结构的材料讲义

第二章钢结构的材料2.1对建筑用钢材的性能要求较高的强度：抗拉强度fu和屈服强度fy足够的变形能力：塑性、韧性良好的加工性能：冷加工、热加工、可焊性2.2钢材的主要性能及其鉴定1、单轴拉伸时的工作性能条件：标准试件，常温（20℃）下缓慢加载，直到拉断破坏，一次完成。

标准试件l0/d=5，10；l0—标距；d—直径dⅢ塑性阶段：E为零，失去承载的能力。

Ⅳ应变硬化阶段：又恢复承载的能力，但很快被拉断。OBCDAEⅠ弹性阶段：E为常量

Ⅱ弹塑性阶段：E为变量

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%fuεp应力应变曲线的简化1)fy与fe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-fy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。当结构或构件截面＞fy时，认为结构或构件丧失了继续承载的能力。（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。直接反映钢材的内部组织的优劣，fu愈高，强度储备愈高。fu/fy——强屈比，钢材塑性设计的一个重要条件。（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。A0A12冷弯性能在冷弯试验中表现的性能，既能看出钢材塑性变形的能力，又可看出钢材的冶金质量。add+2.1a3、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

由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性，（1）梅式U型缺口：ak值（2）夏比V型缺口：CV单位：J;Cv受温度的影响4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。钢材性能的鉴定做钢材的各种性能的鉴定试验时应满足相关的国家标准。钢材的机械性能指标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Cv(包括常温冲击韧性、0度时冲击韧性负温冲击韧性）。小节1、化学成分

普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%；普通低合金钢中合金元素＜5%。

（1）碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般控制在0.22%以下，在0.2％以下时，可焊性良好。2.3影响钢材性能的因素

（2）硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。

（3）磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。

（4）锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点1600℃，可以消除一部分S的有害作用。

（5）硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。

（6）钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。（7）氧（O）：有害杂惧质，与S相似存。（8）氮煌（N）：有害炼杂质奴，与P相似贡。（9）铜君（Cu）：提高刮抗锈旗蚀性山，提始高强夕度，王对可益焊性州有影妨响。2、成材逃过程的与影响冶炼竖：平犁炉、纽奉转炉浇铸：动钢水—钢锭—初轧—成材发（传统飘工艺）钢水—连铸任机—钢坯—成材（新工艺）轧制元：改肃善钢校材内满部组怨织结越构，辫钢材君因辊湿轧次询数不算同，蛇其强度亦不相庆同。热处话理：天显著忙提高鸭强度径。（1）钢材更的冷加挪工硬化冷加辉工硬保化——当荷隔载超秆过材坏料比看例极虏限卸害载后喉，出雨现残拣余变短形，类再次算加载火则比桂例极唤限（距或屈拦服点遭）提夕高的杜现象仁，也悄称“应变稻硬化”。时效免硬化——随时间后的增长差，碳和陷氮的化弹合物从既晶体中穴析出，室使材料硬兽化的现毯象。应变时丛效——钢材羞产生刮塑性帖变形怕时，锄碳、陕氮化表合物样更易狗析出弊。即轻冷作贿硬化羊的同竿时可僻以加柜速时比效硬里化，澡因此伍也称“人工致时效”。3、其炊它因养素（2）温度蒙影响a．正温腊范围200算℃以内对促钢材性艘能无大丽影响，售该范围遥内随温塑度升高宫总的趋末势是强衡度、弹饮性模量斗降低，码塑性增驱大。80060040饭02000N/m宾m2Efuδfy20040救060下0温度对所钢材机领械性能草的影响20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)250花℃左右抗形拉强度们略有提何高，塑皮性降低辱，脆性隶增加—兰脆议现象，该温宵度区段纤称为“兰脆区”。26管0～32观0℃产生徐变现象。60肢0℃左右恳弹性欠模量袄趋于良零殖，承秒载能炒力几锤乎完怒全丧骗失。当温百度低展于常痛温时晨，钢肢材的族脆性稳倾向暂随温侧度降钓低而楚增加滴，材料脚强度沟略有四提高张，但万其塑扁性和闯韧性苦降低炸，该扬现象页称为原低稳华冷脆漏。b．负赶温范汗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)应力肠集中a.应力玩集中怒的概侧念构件恨表面芹不平地整，文有刻易槽、往缺口咱，厚驱度突娘变时倡，应宾力不悉均匀艰，力饰线变示曲折命，缺烛陷处炒有高决峰应坟力—应力集遗中。b.应力集疤中的影停响c.减小洒应力排集中汇现象夜的措蜘施<1:2.5由于钢恐材具有涂良好的欣塑性性餐能，当哪承受静府力荷载导且在常浙温下工玻作时，趟只要符银合规范吐规定的誓设计要具求，可武以不考饲虑应力坐集中的驾影响。2.4钢材站延性晃破坏勿和非农延性乓破坏警、还循环土加载浪和快关速加墓载的院效应1、延性便破坏和太非延性淘破坏（遮塑性破消坏和脆负性破坏胁）塑性嫂破坏破坏碧前有换明显穴的塑性变弊形，破构坏过麻程长衣，断得口发吼暗，章可以璃采取燃补救盈措施纽奉。脆性破翼坏坏前庙没有蓝明显厉的变盘形和颗征兆途，破瓶坏时娘的变孝形远率比材摄料应摆有的路变形惰能力体小，破坏突然钳，断菊口平啄直、疮发亮放呈晶益粒状贺，无皮机会效补救拦。将结构烤或构件虎设计成延性结醒构是我们闻设计的帆目的。薄但并非够所有的杂塑性材贱料都发盖生塑性汗破坏。二个坡钢构盗件，垫材质医相同就，长亩度相浴同：直径d0=1附0m迫md0=10藏mm址(刻槽处丸）破坏时搏，拉长律较多；糖破坏论时，无水明显变按形；屈服时：fy=25饭1N/颤mm2fy=27煎4N/挣mm2拉断时：fu=4厚31谋N跟/m为m2fu=43育1N诵/mm2可见：哀改变了售工作条唯件，即伞使塑性呜材料也半可能发孤生脆性桃破坏，迎在设计侵中应避装免这种帖情况出茎现。2、循环荷虹载的效惭应（撑又称重复私荷载）土木遥工程币中，场承受绑重复蚁荷载穷作用双的结裂构或盆构件完有：吊车梁盛：吊车桥梁扰：车暂辆容器：打内部液旨体海洋绪平台弃：海鸟水建筑丙物：腿地震尤作用以上援这些哨重复弯荷载昏都是可变涌荷载，这合些重德复荷输载的绳作用克使构当件的抓钢材咱易发更生疲劳断含裂。循环蚀荷载——结构或纹构件承办受的随并时间变凶化的荷煎载。在循享环荷碰载（秤连续骆反复压荷载秆）作兆用下胞，经筑过有欣限次著循环顿，钢蔽材发敬生破城坏的锐现象克，称赵之为遭疲劳妄。疲劳破供坏的机拦理疲劳破侨坏是积武累损伤福的结果顿。缺陷→微观裂幻玉纹→宏观裂疾纹。疲劳勺破坏岭的特年征属于脆尽性破坏蛮，截面询平均应让力小于王屈服点饺。断裂调时无明旁显的变尚形；裂川缝起始求点在构双件表面束处。（1）疲貌劳断绘裂（2）疲注劳强钱度计拒算（一）陵常幅照疲劳根据和试验斜数据籍可以历绘出蚕构件弯或连谣接的合应力退幅Δσ与相应晚的致损端循环次钢数n的关径系曲气线，弦按试宫验数课据回归的Δσ本-n曲线礼为平蛙均曲礼线(图a)，取对数渔坐标(图b)。1.容许应仿力幅[Δ脾σ]由于恩现阶铃段对察钢材管发生筐疲劳禾破坏庭尚处精于进温一步吴研究项阶段治，按喉概率而极限番状态远计算忧疲劳疑强度辫还不卫成熟表，故产采用容许应汤力的计玩算方教法。Δσ遣-n曲线(a)0N式中,β--直线对削纵坐标拉的斜率拒；b1--直线在宾横轴坐闸标上的螺截距；n--循环厚次数东。(b)0n=5×104n=5X106............b1考虑试语验数据柔的离散买性，取肉平均值绘减去2倍lgN的标准尚差s作为疲纺劳强度奋下限，刚当lg盐Δσ为正陡态分缘瑞布时帆，保反证率队为97.且7%。下限值产的直线楚方程为言：此时在的Δσ即为容不许应力衡幅：式中巨：系数β、c--根据傻钢结环构设拨计规盈范“扩疲劳抄计算赢的构查件和谋连接棚分类旁”查仗表得晋到。2S2S(b)0n=5×104n=5X106............b12.疲劳强各度计算式中：Δσ--计算帜部位扁的应夕力幅尺；对于计焊接芝部位:Δσ监=σmax-σmi购n；对于其最他部位型：Δσ祥=σmax-0.敲7σmi虾n(计算撒应力宵幅）骄。σmax、σmi御n--计算努部位根每次岸应力码循环毁中的束最大纸拉应卖力和最小拉责应力或厨压应力篮（取负海值）。说明番：1）计辈算时套荷载汪为可千变荷边载，土且为棍荷载路的标孝准值羊；2)由于来旷源于试采验，已夺考虑动录力效应陕，计算致时不再岗考虑动与力系数岭；3)按弹性谷方法计鸽算截面自应力σ。（二）变弊幅疲劳薪和吊车坛欠载效紧应系数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：对于吊霸车梁，宵按下式茧计算其韵疲劳强予度：并不是境所有的广承受动侍力荷载幅重复作轨用的构怜件和连救接都进棍行疲劳号验算。规范披规定肚：直兽接承全受动夺力荷烤载重只复作葡用的盐构件堆，当气应力扫变化般的循担环次纠数n＞5×1跪04次时似，对差应力湿循环包中出聋现拉仅应力两的部泡位进肤行疲摇劳验李算。一、建筑钢况材的种类1、碳潜素结哭构钢厕（GB/椅T7纳00-味88）---低碳哭钢牌护号Q2击35箩--质量等饭级（A、B、C、D）浇注方嫁法（F、b、Z、TZ）A--保证fu、fy、δ，P、S含量B-拳-保证fu,fy,δ,冷弯舍，常游温时Cv，P，S，C含量拐；C-霸-保证fu,fy,δ,冷弯,0oC时Cv，P，S，C含量;D-释-保证fu,fy,δ,冷弯,-从20oC时Cv，P，S，C含量;2.5建筑钢盛材的类粉别及钢醉材的选艘用2.低合金捏钢(G秃B/盒T竖15麻91于-9庭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低合似金钢复的质柄量等节级分A、B、C、D、E，其中E主要姓是要掉求-4摔00C的冲击念韧性。二、乞钢材损的选胶择（一）选飞择钢材直的原则1．结室构或咱构件次的重觉要性惠；2．荷载翅情况（芽静力荷学载，动贿力荷载屯）；静力荷事载作用创下可选化择经济残性较好泥的Q23愉5钢材。动力荷是载作用未下应选亦择综合欲性能较夹好钢材追。3．连接故方法（闻焊接连涨接、螺针栓连接鸭）；焊接反结构局对材或质的萌要求患严格税，应忘严格泰控制C、S、P的极兄限含象量；灯非焊周接结日构对C的要求蒙可降低膨一些。4．结祖构所击处的喂工作神条件性（环寸境温庭度，繁腐蚀帽等）搞；低温下名工作的胁结构应竖选择低剃温脆断尿性能好昂的镇静乳钢（二）蹲钢材选君择建议1、承坛重结皱构的斤钢材脸宜采号用Q2忍35钢、Q34家5钢、Q3障90钢和Q42顺0钢，其颤质量应杠分别符傲合国家径标准《碳素结吧构钢》GB茎/T7业00和《低合金铅高强度鸡结构钢》GB艺/T1栋591的规衬定。挺当采徐用其煌他牌打号的朱钢材己时，筝尚符起合相轻应有倍关标港准的诉规定智和要捕求。2、承缺重结徐构的唇钢材写应具减有抗孩拉强矮度、彻伸长搁率、姨屈服贩强度柄和硫炼、磷孤含量唱的合溉格保聚证，盗对焊捞接结闻构尚秃具有约含碳渡量的小合格访保证链。3、对于协需要屡验算俘疲劳馋的焊听接结在构，汪应具羊有常误温冲惑击韧阵性的双合格法保证梳；当结构异工作温跌度等于忌或低于0℃但高嚷于－20℃时，Q2景35钢和Q34杜5钢应增具有0℃冲击真韧性虽合格仁的保破证；对于Q3客90钢和Q42康0钢应具猛有－20蹦℃冲击拼韧性斜的合万格保脂证。当结构谋工作温每度等于通或低于次－20℃时，对Q23叉5钢和Q34惩5钢应品具有贩－20稍℃冲击里韧性荡的合士格保石证；对Q3而90和Q4晓20钢应具拿有－40圣℃冲击韧圣性的合吓格保证。4、对仇于需夸要验怨算疲愧劳的博非焊宜接结挤构的阿钢材坛亦应彻具有滑常温除冲击胁韧性笔的合战格保威证，当湾结构锹工作桶温度申等于捎或低腐于－20℃时，对Q2傲35钢和Q3耳45钢应擦具有0℃冲击韧捉性合格元的保证滑；对Q39蒙0钢和Q4耗20钢应句具有诱－20垃℃冲击韧三性的合桂格保证每。5、重要优的受拉研或受弯赶的焊接皆构件中念，厚度请大于等岂于16恳mm的钢材井应具有奸常温冲宏击韧性赌合格的英保证。6、当焊绢接结洁构为目防止倍钢材团的层已状撕案裂而毕采用Z向钢铺时，连其材惜质应摸符合滨现行薪国家洒标准《厚度方干向性能毁钢板》GB骆/T5规313的规定招。8、对押于外汗露环留境，忆且对品大气面腐蚀铁有特药殊要摄求的作或在兴腐蚀微性气