钢结构的材料课件.ppt

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1、钢结构设计原理,第二章 钢结构的材料,2.1钢结构对材料的要求钢的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的仅是小部分。钢结构的钢必须符合下列要求： (1)较高的抗拉强度 和屈服点 是衡量结构承载能力的指标， 高则可减轻结构自重。 是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，反映钢材内部组织的优劣， 高可以增加结构的安全保障。 (2)足够的变形能力 较高的塑性和韧性，塑性和韧性好，减轻结构脆性破坏的倾向，通过较大的塑性变形调整局部应力，具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。,2.1钢结构对材料的要求(3)良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和可焊性能) 易于加工成各种形式的结构，不致因加工而对结构的强度、塑性、

2、韧性等造成较大的不利影响。 根据具体工作条件，有时还要求具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。 设计规范规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。,2.2 钢材的破坏形式钢材有两种性质完全不同的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。 塑性破坏：由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力，在构件的应力达到了钢材的抗拉强度后才发生。破坏前构件产生较大的塑性变形。由于较大的塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时发现而采取措施予以补救，不致引

3、起严重后果。塑性变形后出现内力重分布，使结构中原先受力不等的部分应力趋于均匀，因而提高结构的承载能力。,2.2 钢材的破坏形式脆性破坏：塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点，断裂从应力集中处开始。冶金和机械加工过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，常是断裂的发源地。破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察和采取补救措施，且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁，后果严重，损失较大。在设计、施工和使用钢结构时，要特别注意防止出现脆性破坏。,2.3 钢材的主要性能,2.3.1 单向均匀拉伸时钢材的性能 1.条件：标准试件（GB22863），常

4、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,d,2.阶段划分,A.有屈服点钢材-曲线可以分为五个阶段：,OA段材料处于纯弹性，即:,AB段有一定的塑性变形, 但整个OB段卸载时，=0；E=206103N/mm2,(1)弹性阶段(OB段),（2）弹塑性阶段（BC) 该段很短,表现出钢材的非弹性性质; B屈服上限; C屈服下限(屈服点),（3）塑性阶段（CD) 该段基本 保持不变（水 平), 急剧 增大,称为屈 服台阶,（4）强化阶段(DE段),极限抗拉强度fu,（5）颈缩阶段(EF段),随荷载的增加缓慢增大,但增加较快,B.

5、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 残余变形为0.2% 时所对应的应力 作为屈服点条 件屈服点,3.应力应变曲线的简化,1)fy与fb相差很小；2)超过 fy到屈服台阶终止的变形约为2.5%-3%，足以满足考虑结构的塑性变形发展的要求。,（1）钢材可以简化为理想弹塑性体,（2）钢材在静载作用下： 强度计算以fy为依据;fu为结构的安全储备。,（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， 可及时补救， 故几乎不可能发生。,4.单向拉伸时钢材的机械性能指标,（1）屈服点fy-应力应变曲线开始产生塑性流动时

6、对应的应力，它是衡量钢材的承载能力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。,2.塑性性能,伸长率:试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，称为伸长率。当试件标距长度与试件直径d(圆形试件)之比为10时，以 表示；当该比值为5时，以 表示。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。,3.钢材物理性能指标 单向受压时:采用短试件lo/d=3,受力性能基本上和单向受拉时相同。受剪时: 和单向受拉也相似，但屈服点 及抗剪强度 均较受拉时为低；剪变模量G也低于弹性模量E。,2.3.2 冷弯性能,冷弯性能是鉴定钢材在弯曲状态下

7、的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。冷弯性能由冷弯试验来确定。试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头加压，使试件弯成l80，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷。,2.3.3 冲击韧性,韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，采用材料在断裂时所吸收的总能量(包括弹性和非弹性能)来量度。通常是钢材强度提高，韧性降低，则表示钢材趋于脆性。,采用夏比V形缺口试件在夏比试验机上进行，所得结构以所消耗的功Cv表示，单位为J。,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,2.4.1 化学成分钢由各种化学成分组成，化学成分及其含量对钢的性能

8、特别是力学性能有重要的影响。铁(Fe)钢材的基本元素，纯铁质软，在碳索结构钢中约占99，碳和其他元素仅占1，但对钢材的力学性能却有着决定性的影响。在碳素钢中，碳是仅次于纯铁的主要元素，直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳含量增加，钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下降，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性。因此，对含碳量要加以限制，一般不应超过0.22，在焊接结构中还应低于0.20。,2.4.1 化学成分,硫和磷(特别是硫)有害成分 降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。高温时，硫使钢变脆热脆；低温时，磷使钢变脆冷脆。一般硫的含量应不超过0.045，磷的含量不超过0.045。但是，磷可提高

9、钢材的强度和抗锈性。高磷钢，磷含量可达0.12，这时应减少钢材中的含碳量，以保持一定的塑性和韧性。 氧和氮有害杂质 氧使钢热脆；氮使钢冷脆。由于氧、氮容易在熔炼过程中逐出，一般不会超过极限含量，故通常不要求做含量分析。,2.4.1 化学成分,硅和锰有益元素 炼钢的脱氧剂。使钢材的强度提高，含量适宜时，对塑性和韧性无显著的不良影响。与S形成MnS，熔点1600，可以消除一部分S的有害作用。钒和钛合金元素 提高钢的强度和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。 铜在碳素结构钢中属于杂质成分， 可以显著提高钢的抗腐蚀性能和钢的强度，但对可焊性有不利影响。,2.4.2 冶金缺陷,常见的冶金缺陷偏析、非金属夹

10、杂、气孔、裂纹及分层等。偏析 钢中化学成分不一致和不均匀性，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的性能。非金属夹杂 钢中含有硫化物与氧化物等杂质。气孔 浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分逸出而形成的。分层 浇注时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，会严重降低钢材的冷弯性能。 冶金缺陷对钢材性能的影响，不仅在结构或构件受力工作时表现出来，有时在加工制作过程中也可表现出来。,2.4.3 钢材硬化,冷作硬化(或应变硬化) 冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高钢的屈服点，同时降低钢的塑性和韧性。时效硬化（俗称老化）高温时熔化于铁中的氮和碳，随着时间的增长

11、逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性下降。应变时效硬化 钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效” 。 一般钢结构中，不利用硬化提高的强度，有些重要结构要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性，以保证足够的抗脆性破坏能力。,2.4.4温度影响,钢材性能随温度变化 温度升高，钢材强度降低，应变增大；温度降低，钢材强度略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆。200以内钢材性能无很大变化，430540间强度急剧下降，600时强度很低不能承担荷载。蓝脆现象 250左右，钢材的强度略有提高

12、，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。徐变现象 当温度在260320时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形。,2.4.4温度影响,低温冷脆 当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆。,2.4.5 应力集中,构件实际上存在着孔洞、截面突变以及钢材内部缺陷等。构件中的应力分布不再均匀，某些区域产生局部高峰应力，另外一些区域应力降低，形成所谓应力集中现象。,2.4.5 应力集中,静载、常温 可不考虑应力集中的影响。动载、负温 应力集中的影响十分突出，引起脆性破坏，

13、故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。,2.4.6反复荷载作用,反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。疲劳 在直接连续反复的动力荷载作用下，根据试验，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。,以上介绍了各种因素对建筑钢材基本性能的影响，研究和分析这些影响的最终目的是了解建筑钢材在什么条件下可能发生脆性破坏，从而采取措施予以防止。一般需要在设计、制造及使用中注意： (1) 合理的设计 构造力求合理，均匀、连续地传递应力，避免构件截面剧烈变化。低温，动力荷载作用时应选择合适的钢材，使所用

14、钢材脆性转变温度低于结构的工作温度。 (2) 正确的制造 严格遵守设计的技术要求，如尽量避免使材料出现应变硬化，正确地选择焊接工艺，保证焊接质量。 (3) 正确的使用 如不在主要结构上任意焊接附加的零件，不任意悬挂重物。,2.6 钢材的疲劳,钢材的疲劳断裂 微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。（截面平均应力小于屈服点） 钢材的疲劳强度取决于应力集中(或缺口效应)和应力循环次数。规定循环次数N5104，应进行疲劳计算。,疲劳破坏的机理,疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷微观裂纹宏观裂纹,应力幅 应力谱中最大应力与最小应力之差，即 ， 为每次应力循环中的最大拉应力(取正值)， 为每

15、次应力循环中的最小拉应力(取正值)或压应力(取负值)。引起疲劳破坏的交变荷载有两种类型：一种为常幅交变荷载，引起的应力称为常幅循环应力；一种为变幅交变荷载，引起的内力称为变幅循环应力。由这两种荷载引起的疲劳分别称为常幅疲劳和变幅疲劳。,2.6.1 常幅疲劳计算,式中：-计算部位的应力幅； 对于焊接部位: =max-min； 对于其他部位：=max-0.7min。 max、min-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）。,2.6.2 变幅疲劳计算,对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度：,进行疲劳强度计算时，注意： (1)容许应力幅法，荷载采用标准值，不考虑荷载分项系数和动

16、力系数，应力按弹性工作计算。 (2)应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力，只要应力幅超过容许值就产生疲劳裂纹。但在完全压应力(不出现拉应力)循环中，裂纹不会继续发展，故此种情况可不予验算。 (3)根据试验，不同钢种的不同静力强度对焊接部位的疲劳强度无显著影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。,2.7 钢的种类和钢材规格,2.7.1 钢的种类 用途分类：结构钢、工具钢和特殊钢(如不锈钢等)。 结构钢：建筑用钢、机械用钢。冶炼方法：转炉钢、平炉钢。转炉钢 采用氧气顶吹转炉钢，侧吹(空气)转炉钢所含杂质多，使钢易脆，质量很低，已取消这种钢的使用。平炉钢 质量好，冶炼时间长，成本高。氧气转炉钢

17、质量与平炉钢相当而成本则较低。脱氧方法：沸腾钢(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(Z)和特殊镇静钢(TZ)，镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去镇静钢 脱氧充分，沸腾钢脱氧较差，半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间。一般采用镇静钢。,2.7.1 钢的种类,成型方法：轧制钢(热轧、冷轧)、锻钢和铸钢。化学成分：碳素钢和合金钢。建筑工程中采用碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。(1)对碳素结构钢 按质量等级分为A、B、C、D四级。A级钢只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时尚可附加冷弯试验的要求，化学成分对碳、锰可以不作为交货条件。B、C、D钢均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（分别为2

18、0，0，20)等力学性能。化学成分碳、硫、磷的极限含量。,2.7.1 钢的种类,钢的牌号表示方法 屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。根据厚度(直径)l6mm的钢材的屈服点数值，分为Q195、Q2l5、Q235、Q255、Q275。钢结构一般仅用Q235。钢的牌号根据需要可为Q235A；Q235B；Q235C；Q235D等。冶炼方法一般由供方自行决定，设计者不再另行提出，如需方有特殊要求时可在合同中加以注明。,2.7.1 钢的种类,(2)低合金高强度结构钢牌号表示方法 根据厚度(直径)l6mm钢材的的屈服点大小，分为Q295、Q345、

19、Q390、Q420、Q460。钢的牌号仍有质量等级符号，除与碳素结构钢A、B、C、D四个等级相同外增加一个等级E，主要是要求-40的冲击韧性。钢的牌号如：Q345-B、Q390-C等等。低合金高强度结构钢一般为镇静钢，因此钢的牌号中不注明脱氧方法。冶炼方法也由供方自行选择。 A级钢应进行冷弯试验，其他质量级别钢如供方能保证弯曲试验结果符合规定要求，可不作检验。Q460和各牌号D、E级钢一般不供应型钢、钢棒。,2.7.1 钢的种类,成型方法：轧制钢(热轧、冷轧)、锻钢和铸钢。化学成分：碳素钢和合金钢。建筑工程中采用碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。(1)对碳素结构钢 按质量等级分为

20、A、B、C、D四级。A级钢 只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时尚可附加冷弯试验的要求，化学成分对碳、锰可以不作为交货条件。B、C、D钢 均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（分别为20，0，20)等力学性能。化学成分碳、硫、磷的极限含量。,2.7.2 钢材的选择,1 选用原则目的：安全可靠、经济合理。选择钢材时考虑的因素有： (1)重要性 对重要结构，应考虑选用质量好的钢材，对一般工业与民用建筑结构，可按工作性质分别选用普通质量的钢材。按规定的安全等级，一级(重要的)、二级(一般的)和三级(次要的)。安全等级不同，要求的钢材质量也应不同。 (2)荷载性质 直接承受动力荷载的结构和

21、强烈地震区的结构，应选用综合性能好的钢材；一般承受静态荷载的结构则可选用价格较低的Q235钢。,(3)连接方法 连接方法：焊接和非焊接。焊接过程中，会产生焊接变形、焊接应力以及其他焊接缺陷，如咬肉、气孔、裂纹等，有导致结构产生裂缝或脆性断裂的危险。焊接结构对材质的要求应严格一些。例如在化学成分方面，焊接结构必须严格控制碳、硫、磷的极限含量；而非焊接结构对含碳量可降低要求。(4)结构所处的工作条件 低温时钢材容易冷脆，因此在低温条件下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢。此外，有害介质作用的钢材容易腐蚀、疲劳和断裂，也应加以区别地选择不同材质。,(5)钢材厚度 厚度大

22、的钢材轧制的压缩比小；所以厚度大的钢材不但强度较小，而且塑性、冲击韧性和焊接性能也较差。 因此，厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。,2 钢材选择的规定,承重结构的钢材 应保证抗拉强度、屈服点、伸长率和硫、磷的含量，对焊接结构尚应保证碳的含量。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。 需要验算疲劳的焊接结构的钢材 应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于0但高于20时，Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性的合格保证；对Q390和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证；当结构工作低于20时、对Q235钢和Q345钢应具有20冲击韧性的合格保证；对Q

23、390钢和Q420钢应具有40冲击韧性的合格保证。,需要验算疲劳的非焊接结构的钢材 应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于20时，对Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。,2.7.3钢材的规格,型材：热轧成型钢板和型钢 、 冷弯(或冷压)成型的薄壁型钢。 1.热轧钢板: 厚钢板、薄钢板、扁钢。厚钢板: t=4.560mm薄钢板：t=0.35 4mm扁钢： t=460mm，B30200mm。钢板的表示方法为，在符号“-”后加“厚x宽x长”，如-8x600 x1200。,2.热轧型钢 角钢、工字钢、槽钢和钢管角钢两种

24、，不等边角钢的表示方法为L100808，等边角钢L1008，单位为mm。 工字钢 普通工字钢、轻型工字钢和H型钢。普通工字钢和轻型工字钢 用号数表示，即为其截面高度的厘米数。20号以上的工字钢，同一号数a、b、c三类。如I30a、I30b、I30c，a类腹板较薄用作受弯构件较为经济。H型钢 翼缘内外两侧平行，便于与其他构件相连。它可分为宽翼缘H型钢(代号HW，翼缘宽度B与截面高度H相等)、中翼缘H型钢（代号HM，B(1/22/3)H）、窄翼缘H型钢（代号HN，B(1/31/2)H）。,剖分T型钢 由H型钢剖分而成，代号分别为TW、TM和TN。H型钢和剖分T型钢的规格标记：HM 340250914，其剖分T型钢为TM170250914，单位均为mm。 槽钢 普通槽钢和轻型槽钢两种，也以其截面高度的厘米数编号，如30a。 钢管 无缝钢管和焊接钢管两种，用 4006。 3.薄壁型钢 用薄钢板(一般采用Q235或Q345钢)，经模压或弯曲而制成，壁厚一般为1.55mm，在国外薄壁型钢厚度有加大范围的趋势，如美国可用到25.4mm厚。有防锈涂层的彩色压型钢板；所用钢板厚度为0.41.6mm，用作轻型屋面及墙面等构件。,