大学本科钢结构设计原理课件-第2章钢结构材料2

一、概念1、循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。PP11A1-1A§2.6

钢材的疲劳（1）应力循环（2）应力循环特征—应力比ρ--构件截面应力随时间的变化。（3）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：+σ-σt(b)脉冲循环(a)完全对称循环(c)不完全对称循环(d)不完全对称循环2.钢材的疲劳

在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。3.疲劳破坏的机理

疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷→微观裂纹→宏观裂纹。4.疲劳破坏的特征属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。5.影响钢材疲劳的主要因素（1）构件和连接的分类

规范将构件和连接的种类分为8类，第1类为轧制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；第8类为角焊缝应力集中最严重疲劳强度最低。详见钢结构设计规范“疲劳计算的构件和连接分类（附录E）”。当名义循环应力为拉应力，焊缝附近的应力为屈服强度。（2）应力幅（Δσ）和应力循环特征（应力比ρ）A.对于焊接结构：

应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名义最大应力σmax和应力比ρ无关。B.对于非焊接结构和轧制钢材

在循环次数N一定的情况下，根据试验资料可以绘出N次循环的疲劳图(σmax和σmin关系曲线)。

当ρ=0和ρ=-1时的疲劳强度分别为σ0和σ-1，连接BC并延长至A、D。非焊接结构的疲劳图DA

由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应（构造类型的应力集中情况）有关。ABCD直线方程为：DA非焊接结构的疲劳图（3）应力循环次数N（疲劳寿命）应力循环次数N<5×104，不需要进行疲劳计算。

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。0NX105N1N2fy123456

由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度主要与构件和连接分类（内部缺陷、应力集中、残余应力）、应力循环次数和应力幅有关。

焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度(屈服点fy)基本无关。

对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。二、疲劳强度计算（一）常幅疲劳

根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅Δσ与相应的致损循环次数N的关系曲线，按试验数据回归的Δσ-N曲线为平均曲线(图a)，取对数坐标(图b)。1.容许应力幅[Δσ]

由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研究阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟，故采用容许应力幅的计算方法。Δσ-N曲线(a)0N式中：β--直线对纵坐标的斜率；

b1--直线在横轴坐标上的截距；

N--循环次数。(b)0N=5×104N=5X106............b1

考虑试验数据的离散性，取平均值减去2倍lgN的标准差s作为疲劳强度下限，当lgΔσ为正态分布时，保证率为97.7%。下限值的直线方程为：此时的Δσ即为容许应力幅：式中：系数β、c--根据钢结构设计规范“疲劳计算的构件和连接分类”查表得到。2S2S(b)0N=5×104N=5X106............b12.疲劳强度计算式中：Δσ--计算部位的应力幅；对于焊接部位:Δσ=σmax-σmin；对于其他部位：Δσ=σmax-0.7σmin(折算应力幅）。

σmax、σmin--计算部位每次应力循环中的最大拉应力和最小拉应力或压应力（取负值）。说明：1）计算时用荷载的标准值；

2）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算时不再考虑动力系数；（二）变幅疲劳和吊车欠载效应系数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，按下式计算其疲劳强度：

1、不出现拉应力的部位可不计算疲劳。但对出现拉应力的部位，例如σmax=140N/mm2,σmin=-10N/mm2和σmax=10N/mm2,σmin=-140N/mm2

两种应力循环的应力幅都是150N/mm2

，疲劳强度相同，显然不合理。

2、螺栓受拉时螺纹处的应力集中很大，疲劳强度很低，常有疲劳破坏的实例，但规范没有规定，应予补充。思考:一、钢的种类

1、碳素结构钢（GB/T700-88）---低碳钢牌号

Q235--质量等级（A、B、C、D）浇注方法（F、Z、Tz）

A--保证fu、fy、δ，P、S含量

B--保证fu,fy,δ,冷弯，常温时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,-20oC时Cv，P，S，C含量;§2.7

钢材的种类和规格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、钢材的选择（一）选择钢材的原则1．结构或构件的重要性；2．荷载情况（静力荷载，动力荷载）；

静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。3．连接方法（焊接连接、螺栓连接）；

焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。4．结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）；

低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢钢材的厚度。

厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。（二）钢材选择建议1、承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度结构钢》GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准的规定和要求。2、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。

3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于0℃但高于－20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格的保证；对于Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证；对Q390和Q420钢应具有－40℃冲击韧性的合格保证。

4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。5、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。

6、当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢时，其材质应符合现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T5313的规定。8、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准《焊接耐候钢》GB/T4172的规定。

7、钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率Ψz来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三个等级，即Z15，Z25，Z35，分别对应其允许值。三、钢材的规格

热轧成型的钢板和型钢，冷弯（或冷压）成型的薄壁型钢。（一）热轧钢板（表示方法—宽×厚度×长度）分为:厚板（厚度4.5-60mm)薄板（厚度0.35-4mm)扁钢：厚度4-60mm，宽度20-200mm。(二）热轧型钢1.工字钢2.槽钢工字钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c)槽钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c)3.角钢∠肢宽度×肢厚度

等肢角钢∠长肢宽度×短肢宽度×肢厚度

不等肢角钢4.H型钢分为：宽翼缘HW、中翼缘HM、窄翼缘HNbht1t2表示方法：

H高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度如：

Hh×b×t1×t25.钢管tD表示方法：Φ外径×壁厚分为无缝管和焊接管（三）冷弯薄壁型钢壁厚1.5~5mm压型钢板壁厚0.4~1.5mm与Q235钢（fy=235~