2003版本钢结构课件

1其次章钢结构的材料2本章提要

1.钢材的工作性能

2.钢构造对材料性能的要求3.影响钢材性能的主要因素4.钢材疲乏的概念和计算方法5.构造用钢材的种类和规格32.1.1静力单向拉伸时的性能1.工作条件标准试件〔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2.1

钢材的工作性能d4单击图片播放52.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段有确定的非弹性变形,但整个OB段卸载时，ε=0；E=206×103N/mm2OBCDAEF6〔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)〔3〕塑性阶段〔CD)该段σ根本保持不变〔水平),ε急剧增大,称为屈服台阶或流幅段,变形模量E=0OBCDAEF7〔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OBCDAEF8B.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。设计时取相当于剩余变形为0.2%时所对应的应力作为屈服点—‘条件屈服点’fy=f0.20.2%fuεp93.应力应变曲线的简化1)fy与fp相差很小；2)超过fy到屈服台阶终止的变形约为2.5%--3%，足以满足考虑构造的塑性变形进展的要求。〔1〕钢材可以简化为抱负弹塑性体ε2.5%--3%fy

ε00.15%ε10〔2〕钢材在静载作用下：强度计算以fy为依据;fu为构造的安全贮存。〔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，可准时补救，故几乎不行能发生。O0.15%22%fufyfu-fy114.单向拉伸时钢材的机械性能指标〔1〕屈服点fy--应力应变曲线开头产生塑性流淌时对应的应力，它是衡量钢材的承载力气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。12〔3〕伸长率〔4〕断面收缩率它是衡量钢材塑性应变力气的重要指标。当l0/d=5时，用δ5表示，当l0/d=10时，用δ10表示。A0A113同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。〔二〕受压时的性能承受短试件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：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，可以实行补救措施。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力气小，破坏突然，断口平直、发亮呈晶粒状，无时机补救。2.1.2钢材的破坏形式一、高周疲乏破坏应力低于屈服强度，到达确定次数后突然破坏，简称疲乏破坏。2.4特地介绍。二、包幸格效应钢材受拉产生塑性变形，反向受压加载时屈服强度降低。2.1.3反复荷载作用下钢材的性能三、低周疲乏钢材反复应力高于屈服强度，次数不多的状况下消逝突然断裂，如地震作用下破坏-剩余应变积存破坏。17１〕材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；简洁应力作用下钢材的性能假定：２〕当简洁应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。18oZXY单元体受复杂应力（应力分量）单元体受主应力191.以应力重量表示2.以主应力表示材料处于弹性状态材料处于塑性状态20图示简支梁1-1截面腹板与翼缘交界A点的应力1-1A需折算应力的典型状况PPMM11AXVY21一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：2-2AVM22AYXq22

3-3APMVP33YXM3-3截面仅有剪力，弯矩、局部压力均为零，故该截面除剪应力外，正应力均为零，即为纯剪状态。231.较高的抗拉强度fu和屈服点fy2.较好的塑性：主要承受伸长率表达3.良好的冲击韧性衡量钢材在动力〔冲击〕荷载、简洁应力作用下抗脆性破坏力气的指标，用断裂时吸取的总能量〔弹性和非弹性能〕来表示。2.2钢构造对材料性能的要求24(a)梅氏U型缺口(b)夏比V型缺口由试件断裂吸取的能量Cv来衡钢材的冲击韧性，单位：J。Cv受温度的影响25冲击韧性试验装置单击图片播放264.合格的冷弯性能

衡量钢材塑性性能和质量优劣的综合指标。add+2.1a27单击图片播放285.良好的可焊性

主要取决于钢材的成分，尤其是碳和其它杂质的含量，可通过试验评定。29一、化学成分一般碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%；一般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。一般把握在0.22%以下，在0.2％以下时，可焊性良好。2.3

影响钢材性能的主要因素302.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。抗腐蚀力气略有提高，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℃，可以消退一局部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构造。317.氧〔O〕：有害杂质，与S相像。8.氮〔N〕：有害杂质，与P相像。9.铜〔Cu〕：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。二．冶金缺陷常见的冶金缺陷有：偏析：化学成分分布的不均匀程度；非金属夹杂；气孔；裂纹等。32三、钢材的硬化冷作硬化——当荷载超过材料比例极限卸载后，消逝剩余变形，再次加载则比例极限〔或屈服点〕提高的现象，也称“应变硬化”。时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。33四、温度影响

1．正温范围

200℃以内对钢材性能无大影响.该范围内随温度上升总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。8006004002000N/mm2Efuδfy200400600温度对钢材机械性能的影响20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)34250℃左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加—蓝脆现象〔外表氧化膜呈蓝色〕，该温度区段称为“蓝脆区”。260～320℃产生徐变现象。600℃左右弹性模量趋于零，承载力气几乎完全丧失。35

当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加，材料强度略有提高，但其塑性和韧性降低，该现象称为低温冷脆。

2．负温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36五、应力集中1.应力集中的概念构件外表不平坦，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有顶峰应力—应力集中。372.减小应力集中现象的措施

<1:2.5由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合标准规定的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。38一、概念1、循环荷载——构造或构件承受的随时间变化的荷载。PP11A1-1A2.4钢材的疲乏39〔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-σt40(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412.钢材的疲乏在循环荷载〔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，称之为疲乏。3.疲乏破坏的机理疲乏破坏是损伤积存的结果。缺陷→微观裂纹→宏观裂纹。4.疲乏破坏的特征属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。425.影响钢材疲乏的主要因素〔1〕构件和连接的分类标准将构件和连接的种类分为8类，第1类为轧制的型钢〔剩余应力小〕疲乏强度最高；第8类为角焊缝应力集中最严峻疲乏强度最低。详见钢构造设计标准“疲乏计算的构件和连接分类〔附表2〕”。43焊缝四周主体金属的应力由：实际应力循环均形成在拉应力范围〔2〕应力幅〔Δσ〕和应力循环特征〔应力比ρ〕A.对于焊接构造：44应力幅对焊接构造的疲乏强度有很大影响，而与名义最大应力σmax和应力比ρ无关。45B.对于非焊接构造和轧制钢材在循环次数N确定的状况下，依据试验资料可以绘出N次循环的疲乏图(σmax和σmin关系曲线)。当ρ=0和ρ=-1时的疲乏强度分别为σ0和σ-1，连接BC并延长至A、D。非焊接结构的疲劳图DA46由上述推导可知，对于非焊接构造和轧制钢材，疲乏强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应〔构造类型的应力集中状况〕有关。ABCD直线方程为：DA非焊接结构的疲劳图47〔3〕应力循环次数N〔疲乏寿命〕一般钢构造如应力循环次数N<5×104，不需要进展疲乏计算。在确定的应力条件下，破坏对应的循环次数越多，疲乏寿命越高。0NX105N1N2fy12345648由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲乏强度主要与构件和连接分类〔内部缺陷、应力集中、剩余应力〕、应力循环次数和应力幅有关。焊接部位的疲乏强度与钢材的静力强度(屈服点fy)根本无关。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，则不会发生疲乏破坏，不必进展疲乏计算。49二、疲乏强度计算〔一〕常幅疲乏依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乏破坏尚处于需要进一步争论阶段，按概率极限状态计算疲乏强度还不成熟，故承受容许应力幅的计算方法。50Δσ-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............b151考虑试验数据的离散性，取平均值减去2倍lgN的标准差s作为疲乏强度下限，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--依据钢构造设计标准“疲乏计算的构件和连接分类”查表得到。2S2S(b)0N=5×104N=5X106............b1522.疲乏强度计算式中：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(计算应力幅〕。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；53〔二〕变幅疲乏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，按下式计算其疲乏强度：541、不消逝拉应力的部位可不计算疲乏。但对消逝拉应力的部位，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，疲乏强度一样，明显不合理。2、螺栓受拉时螺纹处的应力集中很大，疲乏强度很低，常有疲乏破坏的实例，但标准没有规定，应予补充。争论：55一、钢的种类1、碳素构造钢〔GB700-2023〕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;2.5

钢材的种类和规格562.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。57二、钢材的选择〔一〕选择钢材的原则1．构造或构件的重要性；582．荷载状况〔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〕；焊接构造对材质的要求严格，应严格把握C、S、P的极限含量；非焊接构造对C的要求可降低一些。4．构造所处的工作条件〔环境温度，腐蚀等〕；低温下工作的构造应选择低温脆断性能好的冷静钢钢材的厚度。厚度大的焊接构造应承受材质较好的钢材。59〔二〕钢材选择建议1、承重构造的钢材宜承受Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准《碳素构造钢》GB700和《低合金高强度构造钢》GB/T1591的规定。当承受其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准的规定和要求。2、承重构造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，对焊接构造尚具有含碳量的合格保证。60

3、对于需要验算疲乏的焊接构造，应具有常温冲击韧性的合格保证；当构造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。当构造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。614、对于需要验算疲乏的非焊接构造的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当构造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、当焊接构造为防止钢材的层状撕裂而承受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。628、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构造，宜承受耐候钢，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、钢板的抗撕裂性能承受厚度方向的断面收缩率Ψ