课件-第一章 钢结构的材料和计算方法.ppt

1、第一章 钢结构的材料和计算方法,第一节 钢材的主要性能 第二节 影响钢材性能的主要因素 第三节 钢材的疲劳 第四节 钢材的钢号及选用 第五节 轧成钢材的规格及用途 第六节 钢结构的计算方法,本章重点介绍钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响；介绍钢材的种类、规格及选用原则。,钢材的生产,钢材的生产,一、炼铁,氧化物,生铁,二、炼钢,含碳量在2.06以下的铁碳合金称为碳素钢。,高炉,一氧化碳、碳,炼钢炉：转炉、平炉和电炉,转炉：使用高压空气或氧气将碳和杂质氧化,三、钢材的浇注和脱氧,脱氧剂的不同：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢,新的冶炼技术：连续铸造法生产钢坯(连铸法),国内大钢厂已很

2、少生产沸腾钢,钢材的生产大致可分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。,钢材的主要性能,第一节 钢材的主要性能,建筑结构用钢的基本要求： (1) 较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻； (2) 较好的弹性、塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载； (3) 良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能。,钢结构设计规范GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：碳素钢中的Q235钢及低合金高强钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。,一、钢材的破坏形式,钢材的主要性能,1、塑性破坏 2、脆性破坏,破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显

3、的相互垂直交错的锈迹剥落线。只有当构件中的应力达到抗拉强度后才会发生破坏，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。 一般发生在静力荷载作用时。,破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。 钢材承受动力荷载情况下，常会发生低应力脆性破坏。脆性破坏往往是导致钢结构破坏的主要原因之一。,二、钢材的主要机械性能,强度 塑性 冷弯性能 冲击韧性,钢材的主要性能,单向静力拉伸试验：用规定形状和尺寸的标准件，在常温下以规定的加载速度施加荷载，试验结果用应力应变曲线表示。,1、强度,比例极限,屈服点,抗拉强度,钢材的主要性能,四个阶段:,钢材一次单向拉伸时应

4、力-应变曲线,弹性阶段(OA),屈服阶段(AB),强化阶段(BC),破坏阶段(CD),（）弹性阶段（OA段）,常用低碳钢的弹性模量 E = 2.06102 Gpa。 弹性变形在卸载后可以完全恢复。,试件发生弹性变形，应力应变呈线性关系，直线斜率为弹性模量E = / 点相对应的应力为比例极限 f p,（）屈服阶段（段） 应力超过 f p 时，应变增加的速度大于应力增长速度，应力与应变不再成比例，开始产生塑性变形。到达屈服点 B 后，应力发生很小的波动，应变却急剧增长，出现屈服台阶。,一般以比较稳定的屈服下限对应的应力作为屈服极限值 f y。 常用低碳钢的 f y为185235 MPa。 有些钢材

5、没有明显的屈服台阶，一般取卸载后有 0.2% 残余应变所对应的应力为名义屈服极限值0.2 。,钢材名义屈服极限值,钢材的主要性能,有些钢材没有明显的屈服台阶，一般取卸载后有 0.2% 残余应变所对应的应力为名义屈服极限值0.2 。,M,O,（3）强化阶段（BC段）,超过屈服点以后，试件内部组织结构发生变化，抵抗变形能力又重新提高。C点对应的应力称为抗拉极限强度 f u 。 常用低碳钢的 f u 为 375500 MPa。,钢材的主要性能,（4）破坏阶段（CD段）,钢材的颈缩现象,钢材强化达到最高点后，在试件薄弱处的截面将显著缩小，产生“ 颈缩现象 ”。由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，拉

6、力也就随着下降，最后发生断裂。,钢材的主要性能,比例极限fp； 屈服点fy ：强度设计标准值，设计依据； 抗拉强度fu：钢材的最大承载能力，强度储备。,钢材受均匀压缩或受弯也有类似受拉时的工作特性，但是其抗剪要比抗拉强度低很多。,钢材的主要性能,2、塑性,钢材产生塑变时而不发生脆性断裂的能力，有助于内力重分布，提高结构可靠度。,伸长率是试件拉断后，标距长度的伸长量L与原标距长度 L0 的比值。,钢材拉伸时塑性变形在标距内的分布是不均匀的，颈缩处的伸长较大。 钢材拉伸试件取 L0 = 5d0 或 10d0，则其相应的伸长率5大于10。,钢材的主要性能,3、冷弯性能,钢材塑性和冷加工性能的指标，对

7、产生裂纹的敏感性，是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标。,冷弯试验：用标准规定的弯头压弯试件到规定的角度（180或90）时，检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。,钢材的主要性能,冲击韧性冲击韧性k，钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的能力（动力指标），按常温（20o）、零温（0o） 、负温（-20o、-40o）区分 。 韧性是强度和塑性的综合表现。 两种测量方法：梅氏试验法和夏比法(恰贝法),3、冲击韧性,钢材的主要性能,钢材的主要性能,冲击试验,可焊性在给定的构造形式和焊接工艺条件下获得符合质量要求的焊缝连接的性能。不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求

8、。,三、钢材的焊接性能、抗蚀性和防腐蚀措施,焊接结构的失事，往往是由于钢材的焊接性能不良，在低温和受动载时发生脆性裂断。对于重要的承受动力荷载的焊接结构，应对所用钢材进行焊接性能的鉴定。,1、钢材的焊接性能,钢的焊接性能与钢的含碳量、塑性及冲击韧性有密切关系，可以间接的用钢材的冲击韧性来鉴定。冲击韧性合格的钢材，其焊接质量也容易得到保证。,钢材的主要性能,2、钢材的腐蚀现象,钢材的主要性能,(a) 削弱有效截面 (b) 产生局部锈坑，引起应力集中 (c) 降低结构承载能力,(1) 腐蚀对钢结构的危害,(2) 水工钢结构的防腐蚀措施,(a) 涂料防护 (b) 喷镀防护 (c) 电化学保护,外接电

9、源的阴极保护法 牺牲阳极保护法,一、化学成份 二、冶炼及轧制 三、复杂应力与应力集中 四、冷作硬化与时效硬化 五、残余应力 六、温度,第二节 影响钢材力学性能的主要因素,影响钢材力学性能的主要因素,一、化学成份的影响 基本成份为Fe，碳钢中含量占99，C、Si、Mn为杂质元素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。 C：含C使强度塑性、韧性、可焊性，应控制在0.22%，焊接结构应控制在0.20%。 Si：含Si适量使强度 其它影响不大，有益，应控制0.10.3% Mn：含Mn适量使强度 降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益。 S：含量使强度塑性、韧性、性能冷弯

10、、可焊性；高温时使钢材变脆热脆现象。 P：低温时使钢材变脆冷脆现象；其它同S O、N：O同S；N同P，控制含量0.008%,影响钢材力学性能的主要因素,二、冶金与轧制的影响 冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用Si为脱氧剂，时间慢，价格高，质量好。 反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。 三、冷作硬化与时效硬化 由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象称之为硬化现象。 冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生塑性

11、变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化。 钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化”现象称之为时效硬化。,影响钢材力学性能的主要因素,四、复杂应力与应力集中的影响 钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反。 钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部应力增大并多为同号应力场。,影响钢材力学性能的主要因素,1、复杂应力 能量强度理论（第四强度理论）, 同号应力作用下 eq 1：当eqf y 时，1 、 ，强度降低，塑性变形增大,孔边应力集

12、中,影响钢材力学性能的主要因素,五、残余应力的影响 钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内部自相平衡的内力,残余应力虽对构件的强度无影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不利影响。,六、温度的影响 温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。 正温影响 总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这一现象称之为热塑现象，温度达600o左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为热煅温度。 需要说明：钢材在300o左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象。钢材在300o以上时应采取隔热措施。 负温

13、影响 随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度。,影响钢材力学性能的主要因素,第三节 钢材的疲劳,钢材的疲劳,一、疲劳破坏 钢材在变幅荷载的反复作用下，在应力远小于抗拉强度时就发生破坏，破坏时断口较整齐，表面有半椭圆状呈放射线的疲劳纹理，断裂前无预兆，是脆性断裂。,疲劳破坏断口呈现光滑和粗糙两个区域。,规范规定：承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当n等于或大于105次时，应进行疲劳计算。,应力比值：s = min / max 对称循环： s = 1 脉冲循环： s = 0 应 力 幅： =

14、max min 常幅循环： = 常量 变幅循环： = 变量,应力循环形式,钢材的疲劳,疲劳强度：试件在变幅应力的作用下，在规定的周期内，试件不发生断裂所能承受的最大应力幅。 长期承受频繁循环荷载作用的结构，必须验算结构的疲劳强度。,钢材的疲劳,钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，当荷载变化不大或只承受变化压应力，而不承受拉应力，以及循环次数 n 105 的结构，一般不会发生疲劳破坏，可不进行疲劳验算。,二、疲劳验算 疲劳验算的主要依据是应力幅 ，在一定循环次数下，发生疲劳破坏时应力幅的大小取决于构件和连接的细部构造 （按残余应力和应力集中的严重程度分为8类），每类对应其 n曲线或 log lo

15、gn 曲线。,n,（1）,（2）,（3）,1、常幅疲劳验算,焊 接 部 位,非焊接部位,或,系 数 c、,2、变幅疲劳验算 根据统计分析预测变幅规律，将应力幅按大小分为 10 级，每级作用的次数为 n i，每级单独作用时，按常幅疲劳计算的疲劳寿命为N i。按线性疲劳累积损伤原则， i 的损伤率为 n i / N i ，从而将变幅疲劳折算成常幅疲劳进行计算。,（1）发生变幅疲劳破坏时,对每一级应力幅有：,则,（2）设一等效常幅应力幅 e ，疲劳寿命为n i,（3）,第四节 钢材的钢号及选用,一、建筑钢的钢号(GB700-88、GB/T1591-94),钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方

16、法”四部分组成。 Q：表示“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度”（195275MPa）； 质量等级：分AD四级； 脱氧方法：F沸腾钢；Z镇静钢（一般省略）； b半镇静钢；TZ特殊镇静钢。,1、碳素结构钢,Q235-AF,钢材屈服强度“屈”字拼音首位字母,质量等级,碳素结构钢分A、B、C、D 四级,脱氧方法,F沸腾钢 Z镇静钢（一般省略） b半镇静钢 TZ特殊镇静钢,屈服强度值（MPa）,表示：屈服点为235 MPa A级沸腾碳素结构钢。,质量等级 A 不要求做冲击试验 B 要求做常温冲击试验 C 要求做0冲击试验 D 要求做20冲击试验,Q235A 承受静荷载作用的结构 Q235C和D级 重要

17、的焊接结构 Q235D 较低温度下使用的结构 Q195、Q215钢钉、铆钉、螺栓、铁丝 Q255及Q275 机械零件和工具,碳素结构钢的运用,碳素结构钢的牌号有 Q195、Q215、Q235、Q255、Q275，钢结构规范中推荐使用的碳素结构钢为 Q235。,钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等级”三部分组成。 Q：表示“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度” （295 460MPa） ； 质量等级：分AE五级（字序越高质量越好）；,2、低合金高强度结构钢,质量等级 E 要求做40的冲击试验,新旧低合金高强度结构钢标准牌号对照表,钢结构规范中推荐适用低合金钢中的Q345、Q390、Q420三种钢材

18、。,低合金钢具有较高的强度和较好的塑性、韧性和可焊性，主要用于轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，尤其是大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构。,低合金钢的运用,3、铸钢 碳素铸钢的牌号由“ ZG ”符号及屈服强度、抗拉强度组成，如 ZG 230 450。 合金铸钢的牌号由“ ZG ”符号及合金结构钢牌号组成，如 ZG 50Mn2。 铸钢主要用于支承结构（滚轮、轨道）,ZG230450 ZG25 ZG270500 ZG35 ZG310570 ZG45 ZG340640 ZG55,新旧钢号的对应,二、建筑钢的选用,选材依据 （1）荷载特性 （2）结构类型及重要性 （3）

19、连接方法 （4）工作温度和环境,一般承重结构可选用 f y、f u、 三项保证和S、P、C 含量合格的 Q235A F； 较重要结构可选用增加了180冷弯合格，有四项保证的 Q235A F、 Q235B F、 Q235A 、 Q235B； 繁重操作的吊车梁等重要结构，在常温工作时可选用再增加了常温冲击韧性合格，有五项保证的 Q235B、 Q235C；在负温工作时，需选用再增加了负温冲击韧性合格，有六项保证的 Q235D。,承重结构选用Q235钢的方法：,1、钢板 - 宽度 厚度 长度 厚钢板：厚 4.5 60 mm 薄钢板：厚 0.2 4 mm 扁钢板：宽 3 60 mm,2、角钢 肢宽 壁厚

20、 等肢角钢 100 10 不等肢角钢 100 8010,第五节 轧成钢材的规格及用途,3、工字钢 工 高度区别腹板厚度的字母 a、b、c 工20a、工20b,4、槽钢 高度 区别腹板厚度的字母 a、b、c 14a、 14b,5、钢管 外径 厚度 6、压型钢板 YX 高 波距 宽度,压型钢板截面,第六节 钢结构的计算方法,结构计算的目的是构件和连接在使用荷载作用下能安全可靠的工作，恰当的处理可靠性和经济性两方面的要求：,三、概率极限状态设计法概要, 安全性 适用性 耐久性,1、可靠性,2、结构可靠度,“结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率”。,3、两类极限状态 承载能力极限状态

21、 达到最大承载能力或出现不能继续承载的过大塑性变形的状态 正常使用极限状态 达到正常使用或耐久性的极限值的状态，如变形、振动、局部破坏等,安全是相对的,荷载效应 S 荷载对结构构件或连接的综合效应。 结构抗力 R 结构或构件的抗力。,4、极限状态方程和功能函数 Z = R - S R S，Z 0 时，可靠状态,当抗力小于荷载效应的概率极小时，即可认为结构是安全可靠的。,5、结构可靠度（P s ）与失效概率（ P f ） P s = 1 P f,失效概率（ P f ）,结构可靠度（P s ）,R、S为相对独立的服从正态分布的随机变量，则Z也服从正态分布。 可靠指标,6、可靠指标 ,（a）正态分布

22、 （b）标准正态分布,P f,有什么关系,将 隐含到分项系数中，简化计算：,增大 值，则 R 、 S也增大，安全度得到提高,（119）,概率法和定值法的基本区别就在于两者的分项系数不同。,7、 分项系数,二、概率极限状态设计方法 GBJ 17-88 钢结构设计规范,荷载标准值：正常情况下的最大值，G K、Q K 荷载设计值：G d = G G K、 Q d = Q Q K 荷载组合值： C Q K,1、承载能力极限状态,2、正常使用极限状态,GK、QK 是由荷载标准值G K、Q K在结构中产生的变形值,三、容许应力计算方法 SL74-95 水利水电工程钢闸门设计规范,水工钢结构设计，受荷载涉及水文，泥沙，波浪等自然条件比较复杂，统计资料不足。 以结构的极限状态(强度、稳定、变形等)为依据，对影响结构可靠度的某种因素以数理统计的方法，并结合我国工程实践，进行多系数分析，求出单一的设计安全系数，以简单的容许应力表达。,半概率、半经验的极限状态计算方法：,内力应根据荷载标准值计算,K1，K2，K3