《鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝教案》教案單元1

《鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝》教案單元一建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼材模塊一鋼結(jié)構(gòu)材料及基本技術(shù)理論單元一建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼材1建筑鋼材的主要力學(xué)性能力學(xué)性能又稱機械性能，是衡量鋼材質(zhì)量的重要指標(biāo)。冶煉、軋制缺陷最終體現(xiàn)在→力學(xué)性能上。圖2.1碳素結(jié)構(gòu)鋼的σ-ε曲線圖2.2高強度鋼的σ-ε曲線1.強度強度和塑性一般由常溫靜載下單向拉伸試驗曲線表明。強度體現(xiàn)材料的承載能力，主要指標(biāo)有屈服點fy和抗拉強度fu，通過靜力拉伸試驗得到。（1）屈服點fy鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常把鋼材應(yīng)力達到屈服點fy作為評價鋼結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)的標(biāo)志。（2）抗拉強度fufu—是鋼材承受靜載的極限能力，表示鋼材達到屈服點后還有多少安全貯備，是抵抗塑性破壞的重要指標(biāo)。2.塑性鋼材的塑性為當(dāng)應(yīng)力超過屈服點后，能產(chǎn)生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即斷裂的性質(zhì)。主要指標(biāo)有伸長率d和斷面收縮率y，通過靜力拉伸試驗得到。（1）伸長率δ反映鋼材斷裂前經(jīng)受變形的能力。δ越大，鋼材破壞吸收的應(yīng)變能愈多，塑性越好。δ=EQ\F(L1-L0,L0)×100%L0/do=5，以δ5表示；L0/do=10，以δ10表示。（2）截面收縮率y指試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分率。ψ=EQ\F(A0-A1,A0)×100%標(biāo)志著鋼材頸縮區(qū)在三向拉應(yīng)力狀態(tài)下的最大塑性變形能力。ψ越大，塑性越好。3.韌性韌性是衡量鋼材在動力荷載作用下，抵抗脆性破壞的能力。衡量指標(biāo)沖擊韌性值，用沖擊試驗測定。沖擊試驗：用帶夏比V形缺口的標(biāo)準(zhǔn)試件，在試驗機上通過動擺施加沖擊荷載，使之?dāng)嗔?。由此測出試件受沖擊荷載發(fā)生斷裂所吸收的沖擊功，即為材料的沖擊韌性值。單位“J”。范圍：只有經(jīng)常承受較大動力荷載的結(jié)構(gòu)、特別是焊接結(jié)構(gòu)低溫工作；4.冷彎性能冷彎性能是指鋼材冷加工（常溫）產(chǎn)生塑性變形時，對產(chǎn)生裂紋的抵抗能力。冷彎性能是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下的塑性應(yīng)變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標(biāo)。用冷彎試驗來檢驗。冷彎試驗的目的：（1）檢驗鋼材能否適應(yīng)構(gòu)件加工制作過程的冷加工工藝；（2）暴露出鋼材的內(nèi)部缺陷（是否有顆粒組織結(jié)晶狀況、夾雜物分布和夾層、內(nèi)部微觀裂紋氣泡和夾層）要求：以試件在冷彎180°后其外側(cè)不出現(xiàn)裂紋和分層為合格。5.良好的工藝性能（冷加工、熱加工、可焊性）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服點、碳、硫磷含量的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證；對某些承受動力荷載的結(jié)構(gòu)以及重要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有常溫或負(fù)溫沖擊韌性的合格保證；2各種因素對鋼材主要性能的影響1、化學(xué)成份碳素結(jié)構(gòu)鋼基本元素是Fe（99%）其它元素約占1%→但對鋼材的性能有決定性影響（強度、塑性、韌性、可焊性）1.碳（c）：含量增加時鋼材強度增加，塑性降低，冷彎性能、沖擊韌性，尤其是低溫下的沖擊韌性也會降低，還會使鋼材的可焊性和防銹性能降低。2.硅（si）：強脫氧劑，可以提高鋼材強度，對塑性、冷彎性能、沖擊韌性和可焊性沒有明顯影響。3.錳（Mn）：弱脫氧劑，可以提高鋼材強度，對塑性、冷彎性能、沖擊韌性不會過多降低。還可改善冷脆的傾向。4.硫（S）磷（P）：有害雜質(zhì)，S→熱脆，P→冷脆。5.氧、氮（O、N）：有害雜質(zhì)，O→熱脆，N→冷脆。2、軋制與冶金缺陷常見現(xiàn)象：偏析、非金屬雜質(zhì)、裂紋、分層3、鋼材的硬化（1）冷作硬化（應(yīng)變硬化）冷拉、冷彎、沖孔機械剪切等冷加工使鋼材產(chǎn)生很大塑性變形，從而提高鋼材的屈服點，降低鋼材的塑性和韌性，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化。（2）時效硬化在高溫中熔化于鐵中的少數(shù)氮和碳（N、C）隨著時間的增長逐漸從純鐵中析出，形成自由碳化物和氮化物，對純鐵的塑性變形起抑制作用。強度提高，塑性、韌性下降、（亦稱老化）分為：人工時效、自然時效注意：在一般鋼結(jié)構(gòu)中，不利用硬化后所提高的強度；有些重要的鋼結(jié)構(gòu)要求對人工時效后的鋼材檢驗其沖擊韌性，以保證結(jié)構(gòu)具有抗脆性破壞的能力。4、溫度的影響鋼材隨溫度變動而有所變化，總的趨勢是：溫度升高，鋼材強度降低，應(yīng)變增大；反之，溫度降低，鋼材強度會略有增加，塑性和韌性都會降低而變脆。5、應(yīng)力集中鋼結(jié)構(gòu)的工作性能和力學(xué)性能指標(biāo)都是以軸心受拉桿件中的應(yīng)力在截面均勻分布的情況作為基礎(chǔ)的。實際上鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件有著存在著孔洞、槽口、凹角、截面突變、內(nèi)部缺陷→應(yīng)力分布不再均勻→應(yīng)力集中原因：構(gòu)造情況（靜載→不考慮應(yīng)力集中）6.反復(fù)荷載作用的影響1.鋼材的疲勞斷裂的概念鋼材的疲勞斷裂是微觀裂紋在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴展直至斷裂的脆性破壞。鋼材的疲勞強度取決于應(yīng)力集中（或缺口效應(yīng)）和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。2、破壞機理過程：（1）截面幾何形狀突然改變處的應(yīng)力集中，對疲勞很為不利，在高峰應(yīng)力形成雙向或三向同號拉應(yīng)力場，在反復(fù)應(yīng)力作用下，首先在應(yīng)力高峰處出現(xiàn)微觀裂紋→宏觀裂縫。（2）在反復(fù)荷載的繼續(xù)作用下，裂縫不斷開展、Ae↓、應(yīng)力集中現(xiàn)象↑↑→裂縫增加。（3）在雙向或三向同號拉應(yīng)力場，材料的塑性變形受到限制，因此，當(dāng)反復(fù)荷載達到一定的循環(huán)次數(shù)時，裂縫的開展使截面削弱過多經(jīng)不住外力的作用，就會發(fā)生脆性斷裂，產(chǎn)生鋼材疲勞破壞。（4）存在殘余應(yīng)力，在交變荷載作用下，加劇疲勞破壞。注：鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞：屬高周低應(yīng)變疲勞。即總應(yīng)變幅小，破壞前荷載循環(huán)次數(shù)多。分為：人工時效、自然時效注意：在一般鋼結(jié)構(gòu)中，不利用硬化后所提高的強度；有些重要的鋼結(jié)構(gòu)要求對人工時效后的鋼材檢驗其沖擊韌性，以保證結(jié)構(gòu)具有抗脆性破壞的能力。4、溫度的影響鋼材隨溫度變動而有所變化，總的趨勢是：溫度升高，鋼材強度降低，應(yīng)變增大；反之，溫度降低，鋼材強度會略有增加，塑性和韌性都會降低而變脆。5、應(yīng)力集中鋼結(jié)構(gòu)的工作性能和力學(xué)性能指標(biāo)都是以軸心受拉桿件中的應(yīng)力在截面均勻分布的情況作為基礎(chǔ)的。實際上鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件有著存在著孔洞、槽口、凹角、截面突變、內(nèi)部缺陷→應(yīng)力分布不再均勻→應(yīng)力集中原因：構(gòu)造情況（靜載→不考慮應(yīng)力集中）6.反復(fù)荷載作用的影響1.鋼材的疲勞斷裂的概念鋼材的疲勞斷裂是微觀裂紋在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴展直至斷裂的脆性破壞。鋼材的疲勞強度取決于應(yīng)力集中（或缺口效應(yīng)）和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。2、破壞機理過程：（1）截面幾何形狀突然改變處的應(yīng)力集中，對疲勞很為不利，在高峰應(yīng)力形成雙向或三向同號拉應(yīng)力場，在反復(fù)應(yīng)力作用下，首先在應(yīng)力高峰處出現(xiàn)微觀裂紋→宏觀裂縫。（2）在反復(fù)荷載的繼續(xù)作用下，裂縫不斷開展、Ae↓、應(yīng)力集中現(xiàn)象↑↑→裂縫增加。（3）在雙向或三向同號拉應(yīng)力場，材料的塑性變形受到限制，因此，當(dāng)反復(fù)荷載達到一定的循環(huán)次數(shù)時，裂縫的開展使截面削弱過多經(jīng)不住外力的作用，就會發(fā)生脆性斷裂，產(chǎn)生鋼材疲勞破壞。（4）存在殘余應(yīng)力，在交變荷載作用下，加劇疲勞破壞。注：鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞：屬高周低應(yīng)變疲勞。即總應(yīng)變幅小，破壞前荷載循環(huán)次數(shù)多。設(shè)計規(guī)定：當(dāng)循環(huán)次數(shù)N≥5×104,應(yīng)進行疲勞計算。為了防止脆性破壞的發(fā)生，一般需要在設(shè)計，制造及使用中注意下列各點：（1）合理的設(shè)計構(gòu)造應(yīng)力求合理，使能均勻、連續(xù)地傳遞應(yīng)力，避免構(gòu)件截面劇烈變化。對于焊接結(jié)構(gòu)，可參考焊接連接的內(nèi)容。低溫下工作受動力作用的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇合適的鋼材，使所用鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于結(jié)構(gòu)的工作溫度，例如分別選用Q235－C（或D）、Q345－C（或D）鋼等，并盡量使用較薄的材料。（2）正確的制造應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)計對制造所提出的技術(shù)要求，例如盡量避免使材料出現(xiàn)應(yīng)變硬化，因剪切、沖孔而造成的局部硬化區(qū)，要通過擴鉆或刨邊來除掉；要正確地選擇焊接工藝，保證焊接質(zhì)量，不在構(gòu)件上任意起弧、打火和錘擊，必要時可用熱處理的方法消除重要構(gòu)件中的焊接殘余應(yīng)力；重要部位的焊接，要由經(jīng)過考試挑選的有經(jīng)驗的焊工操作。（3）正確的使用例如：不在主要結(jié)構(gòu)上任意焊接附加的零件，不任意懸掛重物，不任意超負(fù)荷使用結(jié)構(gòu)；要注意檢查維護，及時油漆防銹，避免任何撞擊和機械損傷；原設(shè)計在溫室工作的結(jié)構(gòu)，在冬季停產(chǎn)檢修時要注意保暖等。3建筑用鋼材的種類、規(guī)格及選擇1．鋼材的種類按用途分：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼；結(jié)構(gòu)鋼分為：建筑用鋼和機械用鋼；按治煉方法分：轉(zhuǎn)爐鋼（氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐鋼）、平爐鋼；按脫氧方法分：沸騰鋼（F）、半鎮(zhèn)靜鋼（b）、鎮(zhèn)靜鋼（Z）、特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ）；按成形方法分：軋制鋼（冷軋、熱軋）鍛鋼、鑄鋼；按化學(xué)成分分：碳素鋼、合金鋼；建筑上采用的是碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼的牌號由代表屈服點的字母Q，屈服點數(shù)值，質(zhì)量等級符號（A、B、C、D），脫氧方法符號等四個部分按順序組成。其中A級只保證抗拉強度、屈服點、伸長率，必要時可附加冷彎；B、C、D均保證抗拉強度、屈服點、伸長率、冷彎、沖擊韌性（-20℃、0℃、例：Q235-B·FQ235-C一般將碳素結(jié)構(gòu)鋼按屈服點，數(shù)值分為五個牌號：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275（根據(jù)鋼材厚度直徑≤16mm）（1#、2#、3#V、4#、5#、）低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼在碳素鋼中加入合金元素可較好的改善鋼材機械性能，加入合金元素的碳素鋼稱為合金鋼。（合金元素含量≤5%稱為低合金鋼）牌號新標(biāo)準(zhǔn)不用鋼的品種表示鋼的牌號，采用與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同的鋼的牌號表示法，仍然依據(jù)鋼材厚度d≤16mm時的屈服點大小。牌號：Q345、Q390、Q420、Q460質(zhì)量等級：A、B、C、D、E注：E（主要要求-40℃低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼一般為鎮(zhèn)靜鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼2鋼材的品種和規(guī)格鋼結(jié)構(gòu)采用的型材有熱軋成型的鋼板、型鋼。1、鋼板1.鋼板類型：厚鋼板（4.5~60mm）、薄鋼板（0.35~4mm）、扁鋼；2.鋼板的表示方法：在符號“—”后加“寬度×厚度×長度”如：-600×10×1200（mm）3.鋼板的規(guī)格：厚鋼板：厚度為4.5～60mm，寬度為600～3000mm，長4～12m。薄鋼板：厚度為0.35～4mm，寬度為500～1500mm,長0.5～4m。扁鋼：厚度為4～60mm，寬度為12～200mm，長3～9m。2、型鋼1）角鋼等邊角鋼“L”后加“肢寬×肢厚”L100×10不等邊角鋼“L”后加“長肢×短肢×肢厚”L100×80×82）工字鋼包括普通工字鋼、輕型工字鋼工字鋼：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)有三種不同的腹板厚度分別為a、b、c三類。長度為5～19m。3）熱軋H型鋼熱軋H型鋼：HW（寬）、HM（中）、HN（窄）→T表示方法：高度H×寬度B×腹板厚度t1×翼緣厚度t2；例：HM340×250×9×144）熱軋剖分T型鋼TW（寬）、TM（中）、TN（窄）→表示方法：高度H×寬度B×腹板厚度t1×翼緣厚度t2；TM170×250×9×145）槽鋼普通槽鋼、輕型槽鋼30aa、b、c表示腹板厚，從[14a、（b）以14cm起有不同腹板厚，用其截面高度的cm數(shù)表示，長度為5～19m。6）鋼管：無縫鋼管、焊接鋼管7）冷彎薄壁型鋼薄壁型鋼是用薄鋼板（一般采用Q235、Q345鋼）經(jīng)模壓或彎曲而制成，其壁厚1.5～12mm。3、壓型鋼板壓型鋼板采用熱鍍鋅鋼板或彩色鍍鋅鋼板，經(jīng)輥壓冷彎成各種波型、具有輕質(zhì)，高強美觀、耐用、施工方便、抗震、防火等特點。保溫要求：采用雙層鋼板中間夾保溫層（超細(xì)玻璃纖維棉或巖棉）；尺寸：寬以50mm為模數(shù)，長500mm為模數(shù)，厚4mm，長4m。太空板太空板采用高強水泥發(fā)泡工藝制備的人工輕石為芯材，以玻璃纖維網(wǎng)（或纖維束）增強的上下水泥面層及鋼邊肋（或砼邊肋）復(fù)合而成的新型輕質(zhì)屋面板材。具有剛度好，強度高，延性好等特點，有良好的結(jié)構(gòu)性能和工程應(yīng)用前途。常用尺寸：3×3㎡、1.5×6㎡、3×3㎡4、厚度方向性能鋼板高層及超高層鋼結(jié)構(gòu)柱，常由厚鋼板組成。厚鋼板的層狀撕裂發(fā)生階段:焊接過程中受力過程中層狀撕裂的機理：殘留在鋼材中的非金屬薄片，也就是一種微裂紋，在沿板厚方向拉力作用下，這些微裂紋將擴展，并逐漸連通，最后形成貫通的階梯狀裂縫而突然斷裂。層狀撕裂一般發(fā)生在板厚方向有較大拉應(yīng)力時。焊接節(jié)點的焊縫冷卻時，會