大三下課件-第2章-鋼結(jié)構(gòu)材料

第2第2主要內(nèi)容鋼結(jié)構(gòu)的材1鋼材的基本性能及2鋼材的主要3鋼材的疲勞4重點在建筑鋼結(jié)構(gòu)工程和橋梁鋼結(jié)構(gòu)工程中，規(guī)范推薦的普通素結(jié)構(gòu)鋼是Q235，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼是Q345、Q390彈性階段(OE屈服階段(ESC強化階段(CB頸縮階段(BD 拉伸實驗頻 鋼結(jié)構(gòu)用鋼的幾項重要性能指1.彈性階段，比例極

fp：應(yīng)力屈服階段，屈服強

fy：屈服強化和頸縮階段，抗拉強度fu 對于Q235鋼，各階段對應(yīng)的強度值和應(yīng)變值 12頁2.塑性性鋼材的塑性性能可用伸長率和斷面收縮率衡量伸長率（2-斷面收縮率試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值（2-A0A1l1l0試件被拉斷時的絕對變形值與試件原標(biāo)距之比3.鋼材和鋼鑄件的物理性能指表2-4.鋼材在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力指標(biāo)一般由沖擊試驗獲得，稱為沖擊韌性指標(biāo)Akv表示。彈性模量剪變模量線膨脹系數(shù)（以每℃計質(zhì)量密度12×10-鋼結(jié)構(gòu)用鋼的幾項重要性能指沖擊

我國鋼材標(biāo)準(zhǔn)中將試驗分為四檔，即+20℃時

Akv-20℃時

Akv，-40℃

Akv鋼結(jié)構(gòu)用鋼的幾項重要性能指5.鋼材的 冷實冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)冷彎如果試件外面、里面和側(cè)面均不出現(xiàn)或分層，即為合格。冷彎試驗是鑒定鋼材質(zhì)量（主要是塑性和可焊性）常作為靜力拉伸試驗和沖擊試驗的補充試驗鋼結(jié)構(gòu)用鋼的幾項重要性能指6.指焊縫及其附近金屬的焊接安全可靠，不發(fā)生或者少發(fā)生焊接裂縫其塑性和力學(xué)性能都不低于母材低碳低合金CEC6 5 （2-當(dāng)鋼材的碳當(dāng)量小于0.38%時其可焊性是好的，Q345鋼屬于這種情況用碳當(dāng)量CE衡硫量和含磷量小于0.045%時，具有較好的可焊性。 7.鋼材沿厚度方向的性能受拉作用時，常常會產(chǎn)生與厚度方向垂直（稱為Z方向）的裂紋，出現(xiàn)層狀。為了避免這種情況發(fā)生，采用“厚度方向性能鋼板”是現(xiàn) 《厚度方向性能鋼板》（GB/T5313）把它分為Z15鋼材在單軸反復(fù)應(yīng)力作用下當(dāng)鋼材的反復(fù)應(yīng)力fy，即材料處于彈塑性階段時，重復(fù)應(yīng)力和反復(fù)應(yīng)力當(dāng)構(gòu)件反復(fù)應(yīng)力fy，即材料處于彈性階段時，在反復(fù)應(yīng)力作用下鋼材鋼材在單軸反復(fù)應(yīng)力作用下的工作性鋼材在多次重復(fù)的循環(huán)應(yīng)變作用下滯回環(huán)豐滿而穩(wěn)定。這是鋼 12)212)223)231鋼材在復(fù)雜應(yīng)力作用下的工作性（2-由（2-4）式123為同應(yīng)力且數(shù)值接近時，即使他們都大于fy折算應(yīng)力fy，說明材料很難進(jìn)入塑狀態(tài)。當(dāng)平面或應(yīng)力皆為拉應(yīng)力時，材料處于脆性狀態(tài)，破壞時沒有明顯的塑性變形。陷開始裂紋緩慢而迅速應(yīng)力比應(yīng)力比基本概念應(yīng)力幅

（2-應(yīng)應(yīng)力幅計算式（2-9）中的maxmin，與應(yīng)力的意義是不相同的——應(yīng)力幅；表示應(yīng)力變化max——應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力，取正值min——應(yīng)力循環(huán)中的最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值注焊焊接部位的疲勞強度主要與應(yīng)力幅有關(guān)，而與應(yīng)力比、名義應(yīng)力max及鋼材的fy的關(guān)系不是非常密切基本概念疲 和疲勞強度材料或構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞時，應(yīng)力幅的大小和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N有關(guān)。較小的N達(dá)到疲勞破壞所必須的相對大些，這時的應(yīng)力幅稱為對應(yīng)循環(huán)次數(shù)N的疲勞強度。同樣，對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N稱為材料或構(gòu)件的疲勞 疲勞強度極限當(dāng)應(yīng)力幅小到一定程度時，無論應(yīng)力循環(huán)多少次也不會發(fā)生疲勞破壞這個應(yīng)力幅稱為疲勞強度極限，簡稱疲勞極限鋼材的疲勞破壞影響鋼材疲勞強度外部

反復(fù)荷載引起的應(yīng)力種類（如拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力、復(fù)雜應(yīng)力等）應(yīng)力循環(huán)的形式和鋼 殘余應(yīng)力的大因鋼 應(yīng)力集中的程鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞及影響因素鋼構(gòu)件和鋼結(jié)構(gòu)光滑區(qū)（圖中1區(qū)粗糙區(qū)（圖中2區(qū)裂紋在長期連續(xù)反復(fù)應(yīng)力作用下日益擴(kuò)展使構(gòu)件截面被逐漸削弱直至截面殘余部分不足以抵抗破壞時，構(gòu)件會突然斷裂。表面呈顆粒狀的粗糙區(qū)就是由 作用而形成的。3.鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞及影響因素影響鋼構(gòu)件和結(jié)構(gòu)疲勞強度的因素應(yīng)力集中程度越嚴(yán)重，鋼構(gòu)件越容易發(fā)生疲勞破壞，疲勞強度就越鋼構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因構(gòu)件形狀變化（截面形狀突變、截面削弱，構(gòu)件）構(gòu)存在的構(gòu)件在冷加工過程中的加工硬化會導(dǎo)致應(yīng)力集中和韌性降鋼結(jié)構(gòu)的疲勞驗算鋼構(gòu)常見的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接形式，按常見的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接形式，按應(yīng)力集中程度的大小，由低至高分為個類別。第1類為基本無應(yīng)力集中影響的無連接處的主體金屬，應(yīng)力集中程度最弱。第8類則為應(yīng)力集中程度最嚴(yán)重的角焊縫。第2至第7類是有不同程度應(yīng)力集中的主體金屬。（見附表-1）及它們的連接，當(dāng)實際應(yīng)力循環(huán)次數(shù)>5×104次時，才需要進(jìn)行疲勞計算。鋼結(jié)構(gòu)的疲勞驗算容許應(yīng)力幅的計算

（2-11N ——應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（預(yù)期使 C、β——參數(shù)，確定構(gòu)件和連接分類后按表2-2取連接類12連接類12345678C Cβ44333333β44333333鋼結(jié)構(gòu)的疲勞驗算荷載產(chǎn)生的應(yīng)力值為不變值，不產(chǎn)生應(yīng)力幅。應(yīng)力幅只由重復(fù)作用的可變荷載產(chǎn)生，所以疲勞計算時，取重復(fù)作用的可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值來計算應(yīng)力幅。常幅疲勞的驗算

（2-折算應(yīng)力max0.7min，應(yīng)力以拉為正，壓為負(fù)——常幅度疲勞的容許應(yīng)力幅；先由附表9-1確定構(gòu)件和連接類別，再由表2-2查取參數(shù)C、β；見式（2-10）一一般應(yīng)選取受拉區(qū)應(yīng)力集中較嚴(yán)重處對對變幅疲勞，若能預(yù)期間各種荷載的頻率分布、水平以及頻次分布總和所構(gòu)成的設(shè)計應(yīng)力譜，則可將其折算勞，按下式neiNi1疲勞破鋼結(jié)構(gòu)的疲勞驗算變幅疲勞(1)已知設(shè)計應(yīng)力譜（2-（2-式中，式中，αf——欠載效應(yīng)的等效系數(shù)，見表2-6——循環(huán)次數(shù)n為2×106次的容許應(yīng)力幅，見表2-4（2-10）疲勞破鋼結(jié)構(gòu)的疲勞驗算變幅(2)重級工作制吊車梁和重級、中級工作制吊車桁架的疲勞計算（2-規(guī)范規(guī)定按照簡化的常幅疲勞冶金鋼材化學(xué)溫應(yīng)力影響鋼材性能的主要因1.化學(xué)成分的影響硅（Si）：硅是有益元素，也是強脫氧劑。硅能使鋼材的粒度變細(xì)，控 釩（）、鈮（Nb）、鈦（i）：釩、鈮、鈦都能使鋼材晶粒細(xì)化。我國的低合金鋼都含有這三種元素，既可提高鋼材強度，又保持良好的塑性、韌性。錳（Mn）：錳是有益元素，它能顯著提高鋼材強度但不過多降低塑性和1.碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強度鋼的化學(xué)成分分別見附錄1附表1-1和附表1-2氧（O）、氮（N）：氧和氮也是有害雜質(zhì)，氧能使鋼熱脆，其作用比磷（P）磷是有害元素，它在低溫下使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆，其硫（S）硫是有害元素，當(dāng)熱加工及焊接使溫度達(dá)800～1000℃時，與抗銹蝕性能。一般不得超過0.045～0.05%鋁（Al）、鉻（Cr）、鎳（Ni）鋁是強脫氧劑，用鋁進(jìn)行補充脫氧，不僅進(jìn)一步減少鋼中的有害氧化物，而且能細(xì)化晶粒。鉻和鎳是提高鋼材強2.冶金缺陷的影響常見的冶金缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋及分層是指鋼中化學(xué)成分的不一致和不均勻性是指鋼中含有的硫化物與氧化物3.鋼材硬化的影響冷作時效是指氮和碳，隨著時間的增長逐漸從純鐵中析出，形成自由碳高，塑性、韌性下降，俗稱。硬化的結(jié)果總是要降低鋼材的塑性和韌性，因此一般不利用硬化所提高的強度，同時要保證硬化后鋼材抗脆斷的4溫度的影響脆(見圖2-16)。正溫范圍內(nèi)（0℃以上TT≤200℃時，鋼材性能沒有T在250℃左右，鋼材的強度反而略溫度的正溫范圍內(nèi)（0℃以上T在260℃～320℃時，在應(yīng)力持續(xù)繼續(xù)變形，此種現(xiàn)象稱 現(xiàn)象T在430℃～540℃之間強度急劇，600℃時強度很低不能承影響鋼材性能的主要因溫度的正溫降到負(fù)溫時（特別是0℃以下低溫由圖-可見，隨著溫度的降低沖擊韌性值迅速下降，材料將由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?。這一轉(zhuǎn)變是在一個溫度區(qū)間~2內(nèi)完成的，此溫度區(qū)稱為鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，在此區(qū)內(nèi)曲線的反彎點0所對應(yīng)的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度。影響鋼材性能的主要因應(yīng)力集中的影響應(yīng)力域產(chǎn)生局部應(yīng)力，在另外一些中現(xiàn)象（見圖2-18）。應(yīng)力集中造成雙向或三向應(yīng)力場的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，從而使鋼材應(yīng)力集中造成雙向或三向應(yīng)力場的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，從而使鋼材低，容易產(chǎn)生脆性破壞！在負(fù)溫或動力荷載作用下工作的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中的不利影響將十分突出，往往是引起脆性破壞的根源，故在設(shè)計中應(yīng)采取措施避免或減小應(yīng)力集中。鋼材的種類按冶煉方法分平爐鋼轉(zhuǎn)爐鋼按脫氧方法分沸騰鋼（代號F） 鋼（代號b）：脫氧程度介于沸騰鋼 鋼之間鋼（代號Z）特 鋼（代號TZ）：加強脫氧劑鋁或鈦補充脫氧 鋼鋼結(jié)構(gòu)用材的種類和規(guī)鋼材的種類按成型方法分類軋制鋼(熱軋、冷軋)、鍛鑄鋼鋼結(jié)構(gòu)用的鋼材主要有兩種：碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)鋼的表示方法（Z、TZ可省略

1.鋼材的種類鋼號中質(zhì)量分級由A到D，表示質(zhì)量由低到高A級鋼——B級鋼——要求常溫（20±5℃）沖擊韌性值A(chǔ)kv≥27JC級鋼——要求（0℃）沖擊韌性值A(chǔ)kv≥27JD級鋼——要求負(fù)溫（－20℃）沖擊韌性值A(chǔ)kv≥27J碳素1-1和附表1-2準(zhǔn)規(guī)定的化學(xué)成分和機械性能取值（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼1.鋼材的種類A級鋼——B級鋼——要求常溫（20±5℃）沖擊韌性值A(chǔ)kv≥34JC級鋼——要求（0℃）沖擊韌性值A(chǔ)kv≥34JD級鋼——要求負(fù)溫（－20℃）沖擊韌性值A(chǔ)kv≥34J、冷彎合格；E級鋼——要求負(fù)溫（－40℃）沖擊韌性值A(chǔ)kv≥27J低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的A、B級鋼(Z)，C、D、E級鋼(TZ)低合金鋼是在鋼的冶煉過程中添加少量幾種合金元素（合金元素分為Q295、Q345、Q390、Q420、Q460，中間的三種為鋼（2）低合金鋼1（3）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是碳素鋼（3）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是碳素鋼經(jīng)過熱處理，如調(diào)質(zhì)處理和正火處理綜合性能較好。它與碳素鋼的主要區(qū)別在于雜質(zhì)元素少，其他缺陷也受到嚴(yán)格限制。用于高強度螺栓的8級優(yōu)質(zhì)碳素鋼（45號鋼）和級低合金高強度鋼的強度較高，塑性和韌性也比較優(yōu)越。（4）耐候鋼和耐火鋼耐候鋼：在鋼冶煉過程中，加入少量特定的合金元素，使之在金屬基體表面上形成保護(hù)層，以提高鋼材耐大氣腐蝕性能。鋼結(jié)構(gòu)用材的種類和規(guī)2鋼材的選擇選用正確選擇鋼材的目的是保證結(jié)構(gòu)安全可結(jié)構(gòu)的重荷載情連接方鋼材厚度和結(jié)構(gòu)形結(jié)構(gòu)所處的溫度和環(huán)選用對于重要結(jié)構(gòu)、直接承受動載的結(jié)構(gòu)、處于低溫條件下的結(jié)構(gòu)及焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用質(zhì)量較高的鋼材。具體建議見 。鋼結(jié)構(gòu)用材的種類和規(guī)3.鋼材的規(guī)格3鋼材的規(guī)格分厚板、薄板及扁鋼鋼板表示方法：—寬度×厚度×長度，單位鋼板和扁鋼的規(guī)格見附表3-X扁鋼扁鋼(厚度為4～60mm，寬度12～200mm)。主節(jié)點板和零件等。薄鋼板(厚度為5-4mm，寬度500-1800mm)，冷軋成型。主要用于制造冷彎薄壁型鋼。厚鋼板(厚度4.5～60mm，寬度700～3000mm)，（1）鋼板3鋼材的規(guī)格分不等邊和等邊兩種角鋼的規(guī)格見附表3-5和附表3-6等邊角鋼以邊寬和厚度表示：L邊寬×厚度，單位不等邊角鋼的表示方法為：L長邊寬×短邊寬×厚度，單位（2）角鋼3鋼材的規(guī)格熱軋成型，有普通工字鋼和輕型工字鋼普通工字鋼的規(guī)格見附表3-1輕型工字鋼的腹板和翼緣均較普通工字鋼薄，因而在相同重量下其截面模量和回轉(zhuǎn)半徑均較大。用號數(shù)表示，號數(shù)即為其截面高度的厘米數(shù)；20號以上的工字鋼，同一號數(shù)有三種腹板厚度，分別為a、b、c三類。（3）工字鋼3鋼材的規(guī)格熱軋成型，有普通槽鋼和輕型槽鋼兩種以其截面。普通槽鋼的規(guī)格見附表3-4號碼相同較大，重量（4）槽鋼鋼結(jié)構(gòu)用材的種類和規(guī)3.鋼材的規(guī)格有熱軋成型和焊接兩種H型鋼分：寬翼緣H型鋼：代號HW，翼緣寬度B與截面高度H相中翼緣H型鋼：代號窄翼緣H型鋼：代號HN，B=剖分T型H型鋼及剖分T型H型鋼的規(guī)格見附表3-2，剖分T型鋼的規(guī)格見附表3-3（5）H型鋼和剖分T型鋼3鋼材的規(guī)格 無 焊普 的規(guī)格見附表3-7鋼結(jié)構(gòu)用材的種類和規(guī)3.鋼材的規(guī)格常用截面形冷軋，用薄鋼板(一般采用Q215、Q235或Q345鋼)，經(jīng)模壓或（7）薄壁型鋼鋼結(jié)構(gòu)用材的種類和規(guī)3.鋼材的規(guī)格（（8）冷軋成型，帶有防銹涂層的彩色薄板，所用鋼板厚度為1.6mm，一般用作輕型屋面 結(jié)構(gòu)鋼材在單向均勻拉伸時的四個工作階段，以及對應(yīng)的屈服點、抗拉強度、變形、伸長率是對鋼材最基本性能的描述，具有重要的意義。簡化的理想彈性塑性體對鋼材強度分析十分重要。鋼材在單向均勻拉伸時的四個工作階段，以及對應(yīng)的屈服點、抗拉強度、變形、伸長率是對鋼材最基本性能的描述，具有重要的意義。簡化的理想彈性塑性體對鋼材強度分析十分重要。低碳鋼的主要性能指標(biāo)，包括強度、變形、塑性（包括伸長率和斷面收縮率）、韌性（常溫沖擊韌性和負(fù)溫沖擊韌