钢结构设计原理2钢结构的材料

哈尔滨工业大学第2章

钢结构的材料§2.1概述建筑用钢：碳素结构E钢va、l低u合at金i高on强o度n钢ly.ated·wi钢t材h

应As具p有os较e高.S的l强id度e、s

塑fo性r和.韧NE性T，3及.5良C好l的ie加n工t性Pr能o钢材性C能o与py化r学ig成h分t

、20组0织4-构2造01、1冶A炼sp和o成se型P方t法y等Lt内d在.因素密切相关，也受荷载类型、结构形式、连接方法和工作环境等外界因素的影响。本章包括钢材的生产过程和组织构造；钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响；钢材的种类、规格及选用原则。钢结构设计原理哈尔滨工业大学§2.2钢材的生产1)炼铁§2.2.1钢材的冶炼钢结构设计原理Evaluation

only.ated

wi高t温h

下As通p过os一e氧.S化l碳id和e碳s等fo还r原.剂N除ET去3氧.化5

铁Cl矿i石en中t的Pro氧，还C原o出py铁r，ig以h石t

灰20石0作4-为2熔01剂1把A砂sp质o和se粘P土t等y杂Lt质d.熔化为熔渣。产生生铁，含碳量在2.06%以上除铸铁管外，建筑中很少使用哈尔滨工业大学2)炼钢钢结构设计原理高温下通过氧化作用除去生铁中多余的碳和其它杂质，使它们转变为氧化物进入渣中，或成气体逸出。含碳量在2.06％以下的铁碳合金称为碳素钢。常用的炼钢炉有：平E炉v、al转u炉at和i电on炉o。nly.ated

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Pro电炉C炼o钢py是r利ig用h电t

热20原0理4-，2以01废1钢A和sp生o铁se等P为t主y要Lt原d.料，在电弧炉内冶炼。不与空气接触，易于清除杂质和严格控制化学成分，炼成的钢质量好。但因耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。哈尔滨工业大学转炉炼钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液中的碳和其它杂质氧化，在高温下使铁液变为钢液。氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，质量和加工性能优良，且可根据需要添加不同的元素，冶炼碳素钢和合金钢。由钢结构设计原理于氧气顶吹转炉可以利用高炉炼出的生铁熔液直接炼钢，生产周期短、效率高、质E量va好l、ua成t本io低n，o已nl成y为.国内外发ated展w最i快th的A炼s钢po方s法e.。Slides

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Ltd.平炉炼钢是利用煤气或其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。但平炉炼钢周期长，效率低，成本高，现已逐渐被氧气顶吹转炉炼钢所取代。哈尔滨工业大学3)按钢材的脱氧方法和程度的分类钢结构设计原理体充分逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好，但成本高。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，脱氧程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全，钢液进入钢锭模时有气体逸出，出现沸腾现象。冷却很快，一氧化碳不能全部逸出，凝固后钢材中有较多的氧化铁夹杂和气孔。钢E的va质l量ua较t差i。on现o在n已ly较.少有供货。ated

wit镇h静As钢p采os用e锰.S加l硅id作e脱s氧f剂or，.脱N氧ET较3完.全5

，Cl硅i在en还t原Pro氧化铁C的o过py程r中ig还h会t

产20生0热4-量2，01使1钢A液sp冷o却se缓P慢t，y使Lt气d.哈尔滨工业大学不超过5％的其它合金元素（少量的锰、硅、钒、铌、钛、铝、铬、镍、铜、氮、稀土等），来改善钢材的性能。§2.2.2钢材的组织构造和缺陷钢结构设计原理1)建筑钢材的分类碳素结构钢是通过在强度较低而塑性较好的纯铁中加适量的碳来提高强度的E，va一l般ua常t用i的on低o碳n钢ly含.碳量不超过ated

wi0t.2h5A％s。pose.Slides

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Pro低合金C结o构py钢r是ig在h碳t素20结0构4-钢2的01基1础A上sp，o适s当e

添Pt加y总L量td.哈尔滨工业大学2)碳素钢的组织构造常温下主要由铁素体和 碳体（Fe3C）组成。铁素体是碳溶入α铁体心立方晶体(纯铁的一种形式)后的固溶体，常温下溶碳仅0.0008％，与纯铁的显微组织没有明显的区别，其强度Ev、a硬lu度a较ti低o，n

而on塑l性y.、韧性良好。是钢的主要成分，约占重量的99％。ated

with碳A体s是po铁s碳e.化S合li物d，es含f碳o6r.6.7N％E，T

熔3.点5高C，li硬e度nt大P，ro几乎没有Co塑p性yr，i在gh钢t中2与00铁4素-2体0晶1粒1

形As成p机os械e混P合ty物L-t-珠d.光体，填充在铁素体晶粒的空隙中，形成网状间层。珠

光体强度很高，坚硬而富于弹性。碳素钢的力学性能与铁素体和珠光体的比例有关。同时，铁素体的晶粒越细小，珠光体的分布越均匀，钢的性能也就越好。钢结构设计原理哈尔滨工业大学碳素钢多晶体结构示意图钢结构设计原理α铁的体心立方晶体Evaluation

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Ltd.哈尔滨工业大学3)钢材的铸造缺陷内部晶体形状的不均匀偏析—硫磷等富集非金属夹杂—硫化物、氧化物气孔Evaluation

only.钢结构设计原理ated缩w孔ith

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Pro凝固内应力Co产p生yr的i裂g纹ht

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Ltd.哈尔滨工业大学§2.2.3钢材的加工热加工、冷加工、热处理三种1)热加工Evaluation

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Ltd.热加工可使晶粒变细，在高温和压力下压合钢坯中的气孔、裂纹，改善力学性能。壁厚较薄的热轧型钢和钢板，因辊轧次数较多，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢。钢材强度按板厚分组就是这个缘故。钢结构设计原理哈尔滨工业大学热加工使钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横向）的性能，使其各向异性增大。钢中的硫化物和氧化物等经轧制之后被压成薄片，对厚板来说更容易出现分层现象，沿厚度方向受力时可能出现层状撕裂现象。Evaluation

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Ltd.钢结构设计原理哈尔滨工业大学2)冷加工钢结构设计原理钢丝束、钢绞线或钢丝绳。包括冷轧、冷弯、冷拔等延伸性加工，也包括剪、冲、钻、刨等切削性加工。如冷轧卷板和冷轧钢板、冷弯薄壁型钢和压型钢板、冷加工后会产生局部E或v整al体u硬at化i，on提o高n了ly钢.材的强度ated

w和i硬th度A，s却p降os低e了.S塑l性id和e韧s

性fo，r这.种NE现T象3称.5为C冷l作ie硬n化t

Pro（或应变C硬o化py）r。ight

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Ltd.优点：冷拔高强度钢丝就是充分利用了冷作硬化现象；冷弯薄壁型钢在强度验算时，可有条件地利用这种强度提高现象。缺点：多数情况下会造成钢材冷硬变脆，成为脆裂的起因。对于重要结构，要尽量避免局部冷加工硬化的发生。哈尔滨工业大学3)热处理钢结构设计原理如Q420C、D、E和高强螺栓等都是要经过热处理的。热处理是将钢在固态范围内，施以不同的加热、保温和冷却措施，改变其内部组织构造，达到改善钢材性能的一种加工工艺。钢材的普通热处理包E括v退al火u、at正i火on、o淬n火ly和.回火四种ated

w基i本th工A艺s。pose.Slides

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Ltd.哈尔滨工业大学§2.3钢材的主要性能1)塑性破坏会发生破坏，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。塑性破坏前总有较大的塑性变形发生，且变形持续时间较长，容易被发现和抢修加固，不至发生严重后果。塑性破坏前的较大塑性变形能力，可实现内力重分布。钢结构的塑性设计正是利用了这种塑性变形能力。§2.3.1钢材的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏两种形式钢结构设计原理Evaluation

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wi破t坏h

前As具p有os较e大.S的l塑id性e变s形fo，r常.在N钢ET材3表.面5

出Cl现i明en显t

Pro的垂直交C错o的py锈r迹ig剥h落t

线20。0只4-有2应01力1达A到sp抗o拉se强P度t后y才Ltd.哈尔滨工业大学2)脆性破坏钢结构设计原理破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，突然迅速断裂。破坏后断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。破坏前没有预兆，速E度v极al快u，at无i法on察o觉n和ly补.救，一旦发生常引发整个结构的破坏，后果严重，因此在钢结构ated

w的i设th计A、s施p工os和e使.S用l过id程e中s

，fo要r特.别NE注T意3防.5止C这l种ie破n坏t

Pro的发生。Copyright

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Ltd.哈尔滨工业大学§2.3.2钢材在单向一次拉伸下的工作性能钢结构设计原理单向一次拉伸试验（见动画资源－材料试验）可由曲线直接获得：比例极限σp（proportional

limitE）valuation

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wi屈t服h点Asfypose.Slides

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Pro（yield

pCooinpty）right

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Ltd.抗拉强度fu（tensile

strength）伸长率δ5或δ10（elongation）哈尔滨工业大学2)名义屈服点f0.2调质处理的低合金钢没有明显的屈服点和塑性平台。这类钢的屈服点是以卸载后试件中残余应变为0.2％所对应的应力人为定义的，称为名义屈服点或f0.2Evaluation

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Ltd.钢结构设计原理哈尔滨工业大学3)断面收缩率ψ钢结构设计原理试样拉断后，颈缩处横断面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，也是单调拉伸试验提供的一个塑性指标。ψ越大，塑性越好。在国家标准《厚度方向性能钢板》中，使用沿厚度方向的标准拉伸试件的断面收缩Ev率a来lu定a义tiZo向n钢o的n种ly类.，如ψ分别大于或等于15％、25％、35％时，为Z15、Z25、Z35钢。ated

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Pro4)应力－应C变o曲py线ri的gh简t化20计0算4-模20型11

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Ltd.理想弹塑性模型与实际误差不大哈尔滨工业大学§2.3.3钢材的其它性能冷弯性能与冷弯试验（见动画资源－材料试验）在试验机上把试件弯曲180°以试件表面和侧面不出现裂纹和分层钢结构设计原理为合格。是判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。·焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材，应具有冷弯试验的合格保证。Evaluation

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w冷i弯th试A验s能po检s验e.材S料li承d受es规f定o的r弯.N曲ET

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Pro变形能力，Co还p能yr显i示gh内t部2冶00金4缺-2陷0，11

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Ltd.哈尔滨工业大学钢结构设计原理2)冲击韧性与夏比缺口冲击试验（见动画资源－材料试验）冲击韧性也称缺口韧性（notchtoughness）是评定钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标。通常用带有夏比V型缺口（CharpyV-notch）的标准试件做冲击试验，以击断试件所消耗的冲击功大小来衡量钢材抵抗脆性破坏的能力。Evaluation

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Ltd.哈尔滨工业大学冲击韧性也叫冲击功，用AKV或CV表示，单位为J。冲击韧性与钢材牌号、质量等级、工作温度有关。寒冷地区承受动力荷载的重要结构，应对冲击韧性指标提出要求，以防脆性破坏。Evaluation

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Ltd.钢结构设计原理哈尔滨工业大学§2.3.4钢材在复杂应力状态下的屈服条件Evaluation

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Ltd.1)Mises屈服条件·平面或三向应力状态时，屈服条件由形状改变比能理论得到折算应力为：钢结构设计原理哈尔滨工业大学·

以主应力表示的折算应力为：Evaluation

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Pro可以看出C，op当yσr1i、gσh2、t

σ230为0同4-号2应01力1且A数sp值o接se近P时t，y即Lt使d各.自都远大于fy，折算应力σzs仍小于fy，说明钢材很难进入塑性状态。当为三向同号应力场时，甚至直到破坏也没有明显的塑性变形产生，表现为脆性破坏。相反，在异号应力场下，钢材会较早地进入塑性状态，表现为较好的塑性破坏。钢结构设计原理哈尔滨工业大学2)Mises屈服条件的典型应用·在平面应力状态下（如钢材厚度较薄时，厚度方向应力很小常可忽略不计）

（如受局部压应力作用的梁的腹板）

，上式成为：板）：Evaluation

only.ate·d

w当i只th有A正s应po力s和e.剪S应li力d时es（f如o不r受.N局E部T压3.应5力C作l用ie的n梁t

的Pr腹o钢结构设计原理Copyright

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Ltd.·

当承受纯剪应力时：所以得到钢材的抗剪强度为：哈尔滨工业大学§2.4各种因素对钢材性能的影响没有明显的屈服点，且塑性很小。

碳素钢按碳的含量区分：小于0.25％的为低碳钢，介于0.25％和0.6％之间的为中碳钢，大于0.6％的为高碳钢。

含碳量超过0.2％时，钢材的焊接性能将开始恶化。因此，规范推荐的钢材，含碳量均不超过0.22％，对于焊接结构则严格控制在0.2％以内。§2.4.1化学成分的影响1)碳C·

除铁以外的主要元素，Ev是a形lu成a钢ti材o强n

度on的l主y.要成分。ate·d

wCi↑th，Afys、pfous↑e，.δS5l、iCdVe↓s，f冷o弯r

性.N能E、T

焊3.接5性C能li和e抗nt锈P蚀r性o钢结构设计原理能等也变C劣o↓py。rCi含gh量t超2过000.43-％2时01，1抗A拉sp强o度se很P高t，y

但Lt却d.哈尔滨工业大学2)硫S钢结构设计原理硫是有害元素，常以硫化铁形式夹杂于钢中。

当温度达800～1000℃时，硫化铁会熔化使钢材变脆，因而在进行焊接或热加工时，有可能引发热裂纹，称为热脆。··

随着钢材牌号和质量等级的提高，含硫量的限值由0.05％依次降至0.025％，厚度方向性能钢板的含硫量更限制在0.01％以下。·

S↑，C↓，疲劳强度E↓v，al冷u弯at性i能on、o焊n接ly性.能和抗锈蚀性Vated

w能i等th↓A。spose.Slides

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Pro非金属硫Co化p物yr夹i杂gh经t热2加00工4后-2还0会11在A厚s钢po板s中e形P成ty局L部td.分层现象，在采用焊接连接的节点中，沿板厚方向承受拉力时，会发生层状撕裂破坏。哈尔滨工业大学3)磷P钢结构设计原理4)锰Mn

锰是有益元素，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，消除硫对钢的热脆影响，改善钢的冷脆倾向，同时不显著降低塑性和韧性。锰还是低合金钢的主要元素，其含量为0.8％～1.8％。但锰对焊接性能不利，因此含量也不宜过多。磷可提高钢的强度和抗锈蚀能力。

严重地降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能，特别是在温度较低时促使钢材变脆，称为冷脆。

磷的含量也要严格控制，随着钢材牌号和质量等级的提高，含磷量的限值由0.045％依次降至0.025％。但是当采取特殊的冶炼Ev工a艺lu时a，ti磷o可n

作on为l一y.种合金元素ated

w来i制th造A含s磷p的os低e合.S金l钢id，e此s

时fo其r含.量NE可T达30..512C％l～ie0.n1t3%P。roCopyright

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Ltd.哈尔滨工业大学5)硅Si钢结构设计原理中为0.2％～0.55％。6)氧和氮O＆N

氧和氮属于有害元素。氧与硫类似使钢热脆，氮的影响和磷类似，因此其含量均应严格控制。

但当采用特殊的合金组分匹配时，氮可作为一种合金元素来提高低合金钢的强度和抗腐蚀性，如在九江长江大桥中已成功使用的15MnVN钢。

硅是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生产镇静钢。

适量的硅，可以细化晶粒，提高钢的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能无显著不良影响。硅的含量在一般镇静钢Ev中a为lu0a.1t2i％o～n

0o.n3l0％y.，在低合金钢ate·d

w过it量h的A硅sp会o恶se化.焊Sl接i性de能s和f抗or锈.蚀N性ET能3。.5

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Ltd.哈尔滨工业大学7)其它元素钢结构设计原理不小于0.015％。·

钒、铌、钛等元素加入适量，能细化晶粒和弥散强化，提高钢材的强度和韧性，又可保持良好的塑性。

铝是强脱氧剂，还能细化晶粒，可提高钢的强度和低温韧性，在要求低温冲击韧性合格保证的低合金钢中，其含量铬、镍是提高钢材强度Ev的a合lu金a元ti素o，n

用on于lQy3.90及以上牌号ated

w的i钢th材A中s，p但os其e含.S量l应id受e限s

制fo，r以.免NE影T响3钢.5材C的l其ie它n性t能Pr。o铜和铬、Co镍p、yr钼i等gh，t可2在00金4属-2表0面11形A成s保po护s层e，P提ty高L钢t对d.大气的抗腐蚀能力。耐候钢中，铜含量为0.20％～0.40％。

镧、铈等稀土元素（RE）可提高钢的抗氧化性，并改善其它性能，在低合金钢中其含量按0.02％～0.20％控制。

氢是有害元素，氢分子产生巨大的内压力，使钢材开裂，称为氢脆。钢的强度等级越高，对氢脆越敏感。哈尔滨工业大学·

Q235A的含碳量较高，且含碳量不作为交货条件，因此§2.4.2钢材的焊接性能钢结构设计原理碳素钢的焊接性能含碳量对碳素钢的焊接性能影响显著当含碳量0.12％～0.E20v％al时u，at碳i素on钢o的n焊l接y.性能最好；含ated

w碳i量th超A过s上p述os范e围.S时l，id焊e缝s

及fo热r影.响NE区T容3易.5变C脆l。ient

Pro这一牌号C通o常py不r能ig用h于t

焊20接0构4-件2；01而1Q2A3s5pBo、sCe、PDt的y含Ltd.碳量控制在上述的适宜范围之内，是适合焊接使用的普通碳素钢牌号。哈尔滨工业大学2)高强度低合金钢的焊接性能钢结构设计原理低合金元素大多对可焊性有不利影响

使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性，其的计算公式如下：Evaluation

only.ate·d

wCiEt≤h0.A3s8p％o时se，.钢Sl材i的de可s焊f性o很r

好.N，E可T

以3.不5用C采li取e措nt施P直ro接施焊；Copyright

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Ltd.CE＝0.38％～0.45％时，钢材呈现淬硬倾向，施焊时需要

控制焊接工艺、采用预热措施并使热影响区缓慢冷却，以免发生淬硬开裂；CE>0.45％时，钢材的淬硬倾向更加明显，需严格控制焊接工艺和预热温度才能获得合格的焊缝。哈尔滨工业大学3)影响钢材焊接性能的因素钢结构设计原理碳当量母材厚度焊接方法·Evaluation

only.ate·d

w焊it接h工A艺sp参o数se.Slides

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Pro结构形式Copyright

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Ltd.哈尔滨工业大学塑性滑移起到遏制作用，从·

产生时效硬化的过程一般较长，但在振动荷载、反复荷载及温度变化等情况下，会加速发展。§2.4.3钢材的硬化1)时效硬化·

氮和碳随时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素E体va晶luation

only.钢结构设计原理ated

w粒i的th滑A动s界p面os上e，.S对l晶id粒e的s

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Pro而使钢材C的o强py度r提ig高h，t

塑20性04-2011

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Ltd.和韧性下降。这种现象称为时效硬化（也称老化）。哈尔滨工业大学2)冷作硬化（或应变硬化）钢结构设计原理·

冷加工使钢材产生较大的塑性变形，卸荷后再重新加载，钢材屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，称为冷作硬化。Evaluation

only.ate3d)冷wi作th时A效s(p应os变e.时Sl效i)d硬es化for

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Pro·

在钢材产Co生p一yr定i数gh量t的2塑00性4-2011

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Ltd.变形后，铁素体晶体中的固溶氮和碳将更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象，称为应变时效硬化。哈尔滨工业大学4)冷作硬化的产生及避免方法钢结构设计原理·后再行扩钻或完全改为钻孔。

对于比较重要的钢结构，要尽量避免局部冷作硬化现象的发生。

如钢材的剪切和冲孔，在剪断的边缘和冲出的孔壁处产生严重的冷作硬化，甚E至va出l现ua微t细io的n裂o纹n，ly促.使钢材局ated

w部i变th脆A。spose.Slides

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Pro避免方法Co：p可yr将i剪gh切t处2刨00边4；-2冲0孔11用A较s小po的s冲e头P，ty冲L完td.哈尔滨工业大学§2.4.4应力集中的影响Evaluation

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Ltd.钢结构设计原理哈尔滨工业大学Evaluation

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Ltd.钢结构设计原理哈尔滨工业大学1)应力集中的特点钢结构设计原理·受力方向的最大应力σmax和按净截面的平均应力σ0＝N/An的比值称为应力集中系数，即k=σmax/σ0。·

因此，设计时应尽量使构件和连接节点的形状和构造合理，防止截面的突然改变。在进行焊接构造设计和施工时，应尽量减少焊接残余应力。

在孔洞、槽口、截面突然改变以及钢材内部缺陷的位置，应力分布不再保持均匀，产生应力集中。对于厚板甚至会产生三向拉应力状态。通常出现同号力场，钢Ev材a强lu度a有ti所o提n

高on，l但y.塑性降低，ated

w容i易th发A生s变p脆os破e坏.S。lides

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Pro应力集中Co的p严yr重i程gh度t用2应00力4集-2中0系11数A衡s量po，s缺e口P边ty缘L沿td.哈尔滨工业大学§2.4.5荷载类型的影响钢结构设计原理的塑性变形能力。·多。加载速度的影响

冲击荷载作用时，加载速度很高，由于钢材的塑性滑移在加载瞬间跟不上应变速率，因而反映出屈服点提高的倾向。试验研究表明，在20E℃v左a右lu的a室ti温o环n

境on下l，y.钢材的屈服点ated

w和i抗th拉A强s度p随os应e变.S速l率id的e增s

加fo而r提.高NE，T同3时.5还C能l保ie持n良t好Pro应变速率Co在p温yr度i较gh低t时2对00钢4材-2性0能11的A影s响po要s比e常P温ty下L大t得d.哈尔滨工业大学2)循环荷载的影响钢结构设计原理应变疲劳或高应力疲劳。·

包辛格效应：钢材承受拉力至产生塑性变形，卸载后，再使其受拉，其受拉的屈服强度将提高至卸载点（冷作硬化现象）；而当卸载后使其受压，其受压的屈服强度将低于一次受压时所获得的值。这种经预拉后抗拉屈服强度提高，抗压屈服强度降低的现象称为包辛格效应。

疲劳：钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，此现象称为疲劳。

高周疲劳的断裂寿命较长，断裂前的应力循环次数n≥5×1断裂应力水平较低，σ＜fy，因此也称低应力疲劳或疲劳，一般常见的疲劳多属于这E类va。luation

only.ate·d

w低it周h疲A劳sp的o断se裂.寿Sl命i较de短s，f破or坏.前N的ET循3环.次5数Cnl=i1e0n2~t5×Pr10o4断裂应力C水o平py较r高ig，hσt≥2f0y0，4伴-有20塑1性1

应As变p发os生e，P因ty此L也t称d.为哈尔滨工业大学Evaluation

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Ltd.钢结构设计原理哈尔滨工业大学§2.4.6温度的影响降至最低，出现了所谓的蓝脆现·

在300℃以后，强度和弹性模量均开始显著下降，塑性显著上升，达到600℃时，强度几乎为零，

塑性急剧上升，处于热塑性状态。√高温的影响在150℃以内，钢材强度、弹性模量和塑性均变化不大，耐热。在250℃左右，抗拉强度有Ev局a部luation

only.钢结构设计原理at性ed提w高i，th伸A长s率po和s断e.面S收li缩d率es均for

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Pro象（钢材表面C氧op化y膜ri呈g蓝ht色2）0。04-2011

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Ltd.热加工应避开这一温度区段。哈尔滨工业大学√钢材的绝热、防火措施钢结构设计原理·当结构可能受到炽热熔化金属的侵害时，应采用砖或耐热材料做成的隔热层加以保护；·

当结构表面长期受辐射热达150℃以上或在短时间内可能受到火焰作用时，应采取有E效v的al防u护at措i施on（o如n加ly隔.热层或水套ate等d

）wi。th

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Pro·按国家防火Co规p范yr，i根gh据t建2筑00物4的-防20火1等1

级As对p不os同e构P件ty所L要t求d.的耐火极限进行设计，选择合适的防火保护层（包括防火涂料等的种类、涂层或防火层的厚度及质量要求等）。哈尔滨工业大学√低温的影响同冲击韧性指标的钢材。·对Q235钢，除A级不要求外，其它各级钢均取CV=27J；对低合金高强度钢，除A级不要求外，E级钢采用CV=27J，其它各级钢均取CV=34J。温度越低，钢材的冲击韧性越差，端面晶粒区所占面积越大，越表现为脆性破坏。反弯点为脆性转变温度。在直接承受动力作用的钢E结va构l设uation

only.ate计d中w，it应h使A钢sp材o的se脆.性Sl转i变d温es度for

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Pro钢结构设计原理低于工作温度Co，p从yr而i选gh择t具2有0不04-2011

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Ltd.哈尔滨工业大学§2.4.7防止脆性断裂的方法钢结构设计原理应尽量使用较薄的型钢和板材。√合理设计·

正确选用钢材。不宜采用比实际需要强度更高的材料；低温下受动力荷载时，Ev应a使lu所a选ti钢o材n

的on脆l性y.转变温度低ated于w结it构h的A工sp作o温se度.。Slides

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Pro·

构造力求C合o理py。right

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Ltd.避免构件截面的突然改变，减少应力集中。采取构造措施以防断裂的失稳扩展。连接应尽量采用螺栓连接。采用焊接连接时，应避免焊缝的密集和交叉，尽量采用焊接残余应力小的构造形式。哈尔滨工业大学√正确制造钢结构设计原理严格按设计要求进行制作。例如不得随意进行钢材代换，不得随意将螺栓连接改为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度等等。应尽量采用钻孔或冲孔E后va再l扩ua钻t，i以on及o对n剪ly切.边进行刨边等方法来避免冷作硬化现象。ate·d

w为i保t证h

焊As接p质os量e，.S减l少id焊e接s

应fo力r，.应NE制T定3合.5理C的l焊ie接n工t艺Pro和技术措施Co，p并yr由i考gh试t合2格0的04焊-工20施1焊1

，As必p要os时e可P采ty用L热td.处理方法消除主要构件中的焊接残余应力。焊接中不得在构件上任意打火起弧。在制作和安装过程中所造成的缺陷，如定位焊缝、引弧板、吊装辅件等均应进行清理和修复。制作和安装过程中及完成后，要严格执行质量检验制度。哈尔滨工业大学√合理使用钢结构设计原理·

平时应注意检查和维护等。不得随意改变结构使用用途或任意超负荷使用结构；原设计在室温工作的结构，在冬季停产检修时要注意保暖；不在主要结构上任意焊E接va附l加ua零t件i悬on挂o重n物ly；.ate·d

w避i免t因h

生As产p和os运e输.S不l当id对e结s

构fo造r成.撞NE击T或3机.5械C损l伤ie；nt

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Ltd.哈尔滨工业大学§2.5钢材的疲劳应力；吊车梁、吊车桥、钢桥等可能发生变幅疲劳破坏。§2.5.1疲劳(高周疲劳)破坏的特征√疲劳的种类·

常幅疲劳：常幅交变荷E载va；l引ua起t常i幅on循o环n应ly力.，简称循环ated应w力it；h转A动sp的o机se械.零Sl件i可d能es发f生o常r

幅.N疲E劳T

破3.坏5。Client

Pro钢结构设计原理·

变幅疲劳C：o变py幅r交ig变h荷t

载20；0引4-起2变01幅1循A环sp应o力se，P简t称y变Lt幅d.哈尔滨工业大学√疲劳破坏特征钢结构设计原理·疲劳破坏具有突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂。与一般脆断不同，疲劳是在名义应力低于屈服点的低应力循环下，经历了长期的Ev累a积lu损a伤ti过o程n后on才l突y.然发生的。ated

w破it坏h经A历s裂po纹s的e.萌S生li、d裂es纹f的o缓r

慢.N扩E展T

和3.最5后C迅li速e断nt裂P，ro三个阶段，因此疲劳破坏是有寿命的破坏，是延时断裂。疲劳破坏C的o断py口r与ig一h般t

脆20性0断4-口2不01同1，A可sp分o为se三P个t区y域Lt：d.裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。疲劳对缺陷（包括缺口、裂纹及组织缺陷等）十分敏感。哈尔滨工业大学Evaluation

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Ltd.钢结构设计原理哈尔滨工业大学√影响疲劳的主要因素钢结构设计原理·

细部构造状况局部缺陷（轧制时形成的微裂纹、加工时形成的刻槽、孔洞、裂纹等）残余应力·

荷载循环次数常幅时为5×104以上时需要考虑疲劳·

出现拉应力与钢材静力强度没有明显关系Evaluation

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w应i力t幅h

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Pro应力比不C是op衡y量ri疲g劳ht强2度0的04主-要20因1素1

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Ltd.哈尔滨工业大学§2.5.2常幅疲劳√应力幅与循环寿命的关系·

应力幅与疲劳寿命之间为钢结构设计原理负指数的幂函数关系有一个循环n1寿命与之对Evaluation

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w任i意t一h

个As应p力os幅eΔ.σS1l，i就des

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Pro应，说明在Co该p应yr力i幅gh值t下2004-2011

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Ltd.循环n1次，构件或连接就会发生疲劳破坏。哈尔滨工业大学双对数坐标系中成直线关系，便于使用。曲线系试验回归方程，反映了平均值之间的关系。考虑到试验数据的离散性，取平钢结构设计原理均值减去2倍的标准差（2sE）valuation

only.作为疲劳强度的下限值，如ate图d虚w线it所h示A。spose.Slides

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Pro如lgn符合正Co态p分yr布i，gh则t构2件004-2011

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Ltd.或连接的疲劳强度的保证率为97.7％，称该虚线上的应力幅为对应某疲劳寿命的容许应力幅[Δσ1]。设计时使实际应力幅小于容许应力幅即可。哈尔滨工业大学√容许应力幅将图中的虚线延长与横坐标交于点lgC，设该线对纵坐标的斜率为-1/β则对应疲劳寿命n的容许应力幅可由两个相似三角Evaluation

only.ated形w的it关h系A求sp出o：se.Slides

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Ltd.钢结构设计原理哈尔滨工业大学√试验参数C、β的确定·为设计方便，规范将各类型的构件和连接，按连接方式和受力特点，并适当照顾[Δσ]－n曲线族的等间隔设置，归纳划分为8类。各类直线斜率的倒数β取整数，其中1、2类的β为－4，3～8类的β取为－3。(构件和连接的分类见附录7)Evaluation

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Ltd.钢结构设计原理哈尔滨工业大学·从每类直线与横坐标的截距lgC中可求出C。各类的β和C见下表。Evaluation

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Ltd.钢结构设计原理哈尔滨工业大学√常幅疲劳的校核准则由于疲劳问题的复杂性，目前尚没有条件采用以概率理论为基础的极限状态设计法，仍然采用容许应力设计法。进行内力计算时，应采用荷载标准值。由于确定容许应力幅的试验中自动包括了动力作用，故内力计算中也不再乘以动力Ev系a数lu。ation

only.ate·d

w常i幅t疲h

劳As的p统os一e校.S核l准id则e为s

f：or

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Ltd.Δσ－对焊接部位为应力幅，Δσ=σmax-σmin；对非焊接部位为折算应力幅，Δσ=σmax-0.7σmin；σmax－最大拉应力（取正）；σmin－最小拉应力或压应力（拉应力取正，压应力取负）；[Δσ]－常幅疲劳的容许应力幅，单位为N/mm2。钢结构设计原理哈尔滨工业大学§2.5.3变幅疲劳√变幅疲劳的计算原理·

基本思想：根据Miner线性累积损伤准则，将变幅应力幅折算为常幅等效应力幅Δσe，然后按常幅疲劳进行校核。·

设某个构件或连接的设计应力谱由若干个不同应力幅水平Δi

iEvaluation

only.钢结构设计原理atedσw的it常h幅A循sp环o应s力e.组S成li，d每es个f应o力r

幅.N水E平T

Δ3σ.5所C对l应ie的n循t环Pro次数为ni，C相op对y的ri疲g劳ht寿2命0为04Ni-，2M0i1n1erA的s线po性s累e积Pt损y伤L准td.则为：哈尔滨工业大学Evaluation

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Ltd.钢结构设计原理哈尔滨工业大学·与常幅疲劳相同，根据公式(2.5.3)可得每一个应力幅水平下的疲劳寿命：·

则由：Evaluation

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w可i得t：h

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Ltd.设想另有一等效常幅疲劳应力幅Δσe，循环∑ni次后，也使该部件产生疲劳破坏，则有：于是：钢结构设计原理哈尔滨工业大学·

则等效应力幅：∑ni－以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；in

－预期寿命内应力幅E水v平al为uati的o应n力on循l环y次.数。Δσi钢结构设计原理ated

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Ltd.哈尔滨工业大学√吊车梁的疲劳验算软钩吊车为0.8；对中级工作制吊车为0.5；[Δσ]2E6次的容许应力幅，按式(2.5.4)计算，或查GB50017表6.2.3-2·欠载系数αf为循环次数为2×106时对应的等效应力幅与设计应力幅（最大应力幅）的比值。钢结构设计原理·

根据已有设计应力谱的经验数据，使用欠载系数进行设计：αf－欠载效应的等效系E数va。l对ua重t级io工n作o制nl硬y钩.吊车为1.0，ated

wΔiσt－h吊A车sp标o准se轮.压Sl下i的de试s验f应or力.幅N，ET即3最.大5应Cl力i幅en；t

ProC－o等py幅r疲ig劳h时t，20循0环4-次2数01n（1

疲As劳p寿os命e）P为ty2×L1t0d6.哈尔滨工业大学通过相应的疲劳试验确定疲劳强度。·

在应力循环中不出现拉应力的部位可不必计算疲劳。·结构钢材静力强度对焊接构件和连接的疲劳强度无显著影响。§2.5.4疲劳验算中一些值得注意的问题疲劳验算采用容许应力设计方法，而不采用以概率理论为基础的设计方法。应采用标准荷载求解内力。当遇到规范规定的8种以Ev外a的lu连a接ti构o造n

时on，l应y.进行专门的钢结构设计原理ated研w究it之h后A，sp再o决se定.是Sl考i虑d相es近f的o连r

接.N类E别T

予3.以5套C用li，e还nt是ProCopyright

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Ltd.哈尔滨工业大学§2.6建筑用钢的种类、规格和选用§2.6.1建筑用钢的种类√碳素结构钢按国家标准《碳素结构E钢va》lGuBa/Tt7i0o0生n

产on的l钢y.材共有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275种品牌，板材厚度不大于16mmated的w相it应h牌A号sp钢o材se的.屈Sl服i点d分es别f为o1r95.、NE21T53、.2535C、l2i5e5n和t

Pro275N/mm2。Copyright

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Ltd.其中Q235含碳量在0.22％以下，属于低碳钢，钢材的强度适中，塑性、韧性均较好。该牌号钢材又根据化学成分和冲击韧性的不同划分为A、B、C、D共4个质量等级，按字母顺序由A到D，表示质量等级由低到高。除A级外，其它三个级别的含碳量均在0.20％以下，焊接性能也很好。规范将Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。钢结构设计原理哈尔滨工业大学碳素结构钢的钢号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值（N/mm2）、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分组成。符号“F”代表沸腾钢，“b”代表半镇静钢，符号“Z”和“TZ”分别代表镇静钢和特种镇静钢。在具体标注时“Z”和“TZ”可以省略。例如Q235B代表屈服点为235N/mm2的B级镇静钢。Evaluation

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Ltd.钢结构设计原理哈尔滨工业大学√低合金高强度结构钢钢结构设计原理《低合金高强度结构钢》GB/T1591生产的钢材共有Q295、

Q345、Q390、Q420和Q460等5种牌号，板材厚度不大于

16mm的相应牌号钢材的屈服点分别为295、345、390、420和460N/mm2。这些钢的含碳量均不大E于va0.l2u0a％t，io强n度o的nl提y高.主要依靠添ated加w少it量h几A种sp合o金se元.素Sl来i达d到es，f合o金r

元.N素E的T

总3.量5低C于li5e％n，t

Pro故称为低合金高强度钢。其中Q345C、oQp3y9r0i和gQh4t202均0按04化-学20成1分1和A冲sp击o韧se性P各t划y

分Ltd.为A、B、C、D、E共5个质量等级，字母顺序越靠后的钢材质量越高。这三种牌号的钢材均有较高的强度和较好的塑性、韧性、焊接性能，被规范选为承重结构用钢。A、B级为镇静钢，C、D、E级为特种镇静钢，故可不加脱氧方法的符号。哈尔滨工业大学Evaluation

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Ltd.钢结构设计原理哈尔滨工业大学√优质碳素结构钢钢结构设计原理优质碳素结构钢与碳素结构钢的主要区别在于钢中含杂质元素较少，磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035％，其它缺陷的限制也较严格，具有较好的综合性能。按照国家标准《优质碳素结构钢技术条件》GB/T699生产的钢材共有两大类，一类Ev为a普lu通a含ti锰o量n的on钢l，y.另一类为较ated高w含it锰h量A的sp钢o，se两.类Sl的i钢d号es均f用o两r

位.N数E字T

表3.示5，C它li表e示nt钢Pro中的平均含碳量的万分数，前者数字后不加Mn，后者数字后加Mn，如Co45p号yr钢i，gh表t示2平00均4含-2碳0量1为1

0A.s4p5o％s的e优P质ty碳L素td.钢；45Mn号钢，则表示同样含碳量、但锰的含量也较高的优质碳素钢。·可按不热处理和热处理状态交货，价格较高，钢结构仅用经热处理的优质碳素结构钢冷拔高强钢丝或制作高强螺栓、自攻螺钉等。哈尔滨工业大学√其它建筑用钢钢结构设计原理·当焊接承重结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢时，应符合《厚度方向性能钢板》GB/T5313的规定；·

处于外露环境对耐腐蚀有特殊要求或在腐蚀性气、固态介质作用下的承重结构采用Ev耐a候lu钢a时ti，o应n满on足l《y.焊接结构用ated耐w候it钢h》AGsBp/To4s1e72.的Sl规i定de；s

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Pro·当在钢结C构o中py采r用ig铸h钢t

件20时0，4-应2满01足1《A一sp般o工se程P用t铸y造Lt碳d.钢件》GB/T11352的规定等。哈尔滨工业大学§2.6.2钢材的规格钢结构设计原理√钢板钢板有厚钢板、薄钢板、扁钢（或带钢）之分。厚钢板常用做大型梁、柱等实腹式构件的翼缘和腹板，以及节点板等。薄钢板主要用来制造冷Ev弯a薄lu壁a型ti钢o。n

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w扁it钢h可A做s焊po接s组e.合S梁li、d柱es翼f缘o板r

、.N各E种T

连3.接5板C、li加e劲nt肋P等r。o钢板截面C的o表py示r方ig法h为t

在20符0号4-“2－01”1后A加sp“o宽se度P×t厚y度Lt”d，.如－200×20等。钢板的供应规格如下：厚钢板：厚度4.5~60mm，宽度600~3000mm，长度4~12m；薄钢板：厚度0.35~4mm，宽度500~1500mm，长度0.5~4m；扁钢：厚度4~60mm，宽度12~200mm，长度3~9m。哈尔滨工业大学√热轧型钢·

常用的有角钢、工字钢、槽钢等Evaluation

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Pro角钢分为C等o边py（r等ig肢h）t

的20和0不4-等2边01（1不A等