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1、钢结构设计原理钢结构的材料,河北建筑工程学院HeBei Institute of Architecture and Civil Engineering,2.1 钢结构所用钢材的主要机械性能,钢结构对材料性能的要求是多方面的，其所用钢材不但要强度高，弹性好，而且还要具有一定的塑性、韧性、可焊性、冷弯性能等一系列重要的力学性能。符合钢结构上述性能要求的钢材仅有碳素钢和合金钢中的少数几种，了解和掌握这些钢材在各种应力状态和不同使用条件下的工作性能，根据结构的重要性和使用要求、荷载性质、连接方法、工作环境、受力特性等选择合适的钢材，是学习钢结构课程的重要内容。,低碳钢拉伸曲线示意图,第二节,2.1.1
2、 钢材在单向均匀受拉时的工作性能,fu 抗拉强度、fy 屈服点、伸长率是钢结构设计对钢材机械性能要求的三项重要指标！,第二节,第二节,2.1.2 钢材在复杂应力作用下的工作性能,钢结构构件在双向或三向应力场中工作，称之为复杂应力状态。在复杂应力作用下钢材屈服条件也是学习钢结构的基本内容之一。,实际结构中，三向应力往往有一个方向的应力因很小可忽略不计或等于零，即为平面应力状态，此时3=0，或者z=xz=yz=0，此时式2.5和式2.7可分别写为：,钢梁强度计算时常常碰到梁腹板仅受正应力和剪应力共同作用的情况，此时屈服条件为：,平面应力状态下受纯剪切作用时，屈服条件为：,因此剪切屈服强度为：,即剪
3、应力达到屈服点的0.58倍时，钢材进入塑性状态。所以钢材的抗剪设计强度取0.58倍的抗拉强度设计值。,韧 性：是指钢材抵抗冲击或振动荷载的能力，其衡量指标常用 冲击韧性 表示。,要保证结构承受动力荷载的安全，就要求钢材的韧性好、冲击韧性高。（承受动力荷载的钢结构，厂房的吊车、桥梁结构等）,冲击韧度由冲击试验求得；,冲击功 用Cv表示，其单位为N.m，CV 值越高，材料在动载下抵抗脆性破坏的能力越强，韧性越好。是衡量钢材强度、塑性及材质的一项综合指标。,冲击实验试件夏氏（Charpy）带V型缺口标准试件(夏比试件),2.1.3 钢材抗冲击性能和冷弯性能,o,冲击韧度试验示意图,第二节,冷弯试验又
4、称弯曲试验，一方面可以检验钢材能否适应构件加工制作过程中的冷作工艺；,另一方面可以暴露出钢材的内部缺陷（如颗粒组织、结晶状况，夹杂物分布及夹层情况，内部微观气泡等）；,进一步检验钢材的塑性和可焊性，是评价钢材机械性能优劣的一项综合性指标。,第二节,a,冷弯试验示意图,第二节,可焊性：钢材的可焊性与钢材的品种、焊缝构造、采取的焊接工艺有关。,钢材在焊接过程中，焊缝及附近的金属要经历升温、融化、冷却及凝固的过程。只要焊缝的构造设计合理并遵循恰当的工艺规程，我国钢结构设计规范所规定的几种建筑钢材（含C量不超过0.2%时），均有良好的可焊性。,2.1.4 钢材的可焊性,2.2 钢材的两种破坏形式,钢材
5、在一般情况下是弹塑性材料，但特殊条件下可以转变为脆性材料，因而钢材有两种性质完全不同的破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。其特征为：,塑性破坏：材料在破坏之前有显著变形，并吸收大量能量，从发生变形到最后破坏，持续很长时间。脆性破坏：材料在破坏之前没有显著变形，吸收能量很少，破坏突然发生。,2.3 影响钢材性能的主要因素,结构用钢必须同时具有较高的强度、塑性、韧性、冷弯性能，还必须具有良好的加工性能，如可焊性等。影响钢材这些性能的因素很多，主要有化学成分，钢材的冶金和轧制工艺，硬化，温度和应力集中等。,有害元素：硫(S)磷(P)氧(O)氮(N)氢(H)是冶炼过程中留在钢中的杂质，含量高时可分别使钢热
6、脆或冷脆。,碳(C)元素：会使钢材强度增强，塑性降低，冷弯性能及冲击韧度，尤其是低温下的冲击韧度也会降低，还会使钢材的可焊性及抗锈能力变差。,合金元素：提高钢材强度，增加钢材的抗锈能力，不会显著降低钢材的塑性；或作为脱氧剂加入。如锰、硅、钒、铜、钛、铬、铌、镍等。,在冶炼过程中存留的杂质：硫(S)能使钢材的塑性及冲击韧性降低，并使钢材在高温时出现裂纹，称为“热脆”现象，这对钢材热加工不利。磷(P)使钢材在低温下冲击韧性降低很多，称为“冷脆”现象，这对低温下工作的结构不利。硫和磷作为一般杂质，应严格控制其含量，详见规范。,2.3.1 化学成分的影响,碳素结构钢按含碳量多少分为三类：低碳钢：（含碳
7、量不大于0.25%）中碳钢：（含碳量0.25%0.60%）高碳钢：（含碳量不低于0.60%）,表化学元素对钢材性能的影响,钢结构设计中常用五种数据：,钢材的质量密度：=7850kg/m3=76.98kN/m3;,钢材的泊桑比：=0.3；,钢材的温度线膨胀系数：=1.2*10-5/0C;,钢材的弹性模量：E=206*103N/mm2。,第二节,钢材的剪变模量：G=7.9*104N/mm2。,2.3.2 冶炼、浇注和热轧的影响,钢的化学成分与含量是在冶炼和浇注过程中形成的，它不可避免地产生各种冶金缺陷，从而影响钢材的力学性能。这一生产过程的影响包括冶炼时的炉种、浇注前的脱氧和热轧等。,1炉种 我国
8、建筑钢材采用平炉、氧气转炉两种冶炼方法。2浇注 熔炼后的钢水出炉后，先放在盛钢液的钢罐内，再注入钢锭模，经冷却后形成钢锭，此过程称为浇注。3轧制 钢材成品是由钢锭在12001300高温下轧制成型的，我国生产的钢材大都是热轧型钢和热轧钢板。4冶金缺陷 钢材在冶炼过程中，常因冶炼及浇注方法不当而产生各种冶金缺陷。常见缺陷有偏析、夹杂、气孔及裂纹等。,冶炼主要分平炉和氧气转炉两种；冶炼的过程主要是控制钢材的化学成分；,注锭过程中主要是脱氧；由于在由钢液浇铸成钢锭的过程中，析出的氧和铁化合成氧化铁，它以杂质的形式混杂在钢中，从而降低钢材的力学性能；因脱氧程度不同，最终分成镇静钢（Z）、半镇静钢（b）、
9、沸腾钢（F）。冶金缺陷有偏析、非金属杂质、气孔及裂纹等；,blast furnace at night,偏析：钢材中化学元素分布不均匀称为偏析。偏析严重影响钢材的机械力学性能，特别是硫、磷等有害杂质的偏析，将使偏析区内钢材强度、塑性、韧性及可焊性等性能降低。沸腾钢中杂质元素较多，偏析现象较为严重。夹杂：钢材中含有硫化物和氧化物等非金属杂质，它们对钢材性能的影响极为不利。硫化物使钢材在8001200时变脆；氧化物，特别是粗大的氧化物使钢材的机械力学性能和工艺性能明显降低。,气孔和裂纹：钢材在浇注后的冷凝过程中冷却过快时，内部气体不能及时排出，便形成气孔；由于冷脆、热脆及不均匀收缩等原因，钢材中可
10、能存在微观或宏观裂纹。气孔和裂纹的存在使钢材的匀质性变差，一旦有外力作用，在气孔及裂纹附近将产生应力分布不均匀现象，成为脆性破坏的根源，同时也使钢材的韧性、冷弯性能及疲劳强度大大降低。分层：钢材的分层主要发生在厚板中，钢材轧制时在厚度方向形成分层，但各层之间仍互相连接，并不脱离。分层现象会严重降低钢材的冷弯性能，在分层的夹缝里，还容易侵入潮气因而引起锈蚀。特别在应力作用下还会加速锈蚀，甚至形成裂纹，大大降低钢材的韧性，疲劳强度和抗脆断能力。,2.3.3 钢材的硬化影响,1时效硬化 钢材仅随时间的增长而变脆的现象称为时效硬化（或时效现象）。2应变硬化 这种钢材经冷加工（冷弯、冷拉等）而产生塑性变
11、形，卸载后重新加载，可使钢材的屈服点得到提高，但大大降低钢材的塑性和韧性的现象称为应变硬化或冷加工硬化。3应变时效硬化 钢材经过应变硬化后，其时效硬化速度将加快，从而在较短时间内钢材又产生显著的时效硬化现象称为应变时效硬化。,时效硬化、应变硬化及应变时效硬化对钢材性能的影响，都导致钢材强度提高，但严重降低塑性、韧性，增加脆性。,前述钢材各项性能指标大都是常温情况下得到的。随着温度的变化，各项性能指标都将发生明显的变化。当温度在85-200之间时，随着温度的继续升高，钢材的各项性能的变化总趋势是抗拉强度、屈服点及弹性模量均减小，塑性、韧性上升。在250左右，钢材的抗拉强度反而回升到高于常温下的值
12、，塑性和冲击韧性下降，脆性增加，钢材的表面氧化膜呈现蓝色，此现象称为蓝脆现象。为防止钢材出现热裂纹，应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度高于300以后，强度指标显著下降，塑性变形能力迅速上升。到600时，钢材进入热塑状态，强度几乎为零，失去承载能力。低温下，钢材性能变化的总趋势是：随温度的降低，强度略有提高，塑性、韧性显著下降，脆性增加。,温度影响,应力集中影响,当构件截面发生急剧改变，出现几何不连续现象时，例如裂纹、孔洞、凹角以及截面尺寸突然变化等，在截面变化处附近出现高峰应力，称为应力集中。由于应力集中处应力线曲折，应力方向与构件受力方向不再保持一致，从而产生了横向应力y，在厚板中还会
13、产生沿厚度方向的应力z，出现双向或三向同号应力场，造成钢材变脆。因而设计时要注意不使截面有突然的改变，特别是在低温地区更应如此。,2.4 钢材的种类、选择及规格,2.4.1 钢材的品种和标号,1碳素结构钢,普通碳素钢的标号规则是：按代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号等四个部分顺序组成。以Q235为例，具体表示方法为：Q235-#，#分别表示质量等级符号和脱氧方法。例如Q235-AF表示屈服点为235（N/2），沸腾钢，质量等级为A级的碳素结构钢。,2低合金结构钢,为了改善钢材的机械力学性能，在碳素钢中加入少量的一种或几种合金元素，即得到合金钢，合金元素含量低于5%时为低
14、合金钢，高于5%时为高合金钢。,原钢结构设计规范普通低合金钢的标号规则是：前面二位数表示平均含碳量的万分数，其后按照含量大小为序缀上合金元素的化学符号。当某元素含量超过1.5%时，在相应元素符号后标出其含量百分数的整数部分。,2.4.2 钢材的选择与选用,选择钢材是钢结构设计的重要内容，目的是要作到既使结构安全可靠，同时又要尽最大可能节约钢材，降低造价，因而应根据结构的特点，选择适宜的钢材。,结构的类型及重要性：结构可分为重要、次要和一般三类；荷载的性质：静载，动载；满载，欠载；连接方法：焊接结构；非焊接结构。结构的工作温度：钢材的塑性、冲击韧性随温度下降而降低。构件的受力性质：同样的缺陷对拉
15、应力比压应力影响更大。,1.钢材的选择,2.钢材的选用,钢材规格,1热轧钢板 热轧钢板用“”符号后加“宽度厚度长度”表示，如6001012000为10mm厚，600mm宽，12m长的钢板。2热轧型钢 常用的热轧型钢有角钢、槽钢、工字钢及钢管等。3薄壁型钢 薄壁型钢截面轮廓尺寸相对较大而壁较薄，材料的质量分布最为合理，截面惯性矩较大，因此受力性能较好，并节省材料，但由于断面壁薄，锈蚀影响较为突出。,H型钢为具有代表性的开口截面型钢：,组成型钢的平板一律朝外，便于与其他构件连接。,构件棱角清晰，能显示出钢结构的鲜明轮廓。,开口截面型钢沿两个轴方向的截面几何特性不同，就是说，使用时必须注意截面的朝向
16、。,对于受压构件来说，尽管强轴方向的屈曲抗力很高，但弱轴方向的屈曲抗力低，所以整个截面的的屈曲抗力仍然较低。,型钢都可以单独使用，但是，开口截面可以很方便地用两个截面组合成为组合构件。,另一方面，钢管等闭合截面型钢，在截面形状上，恰好与开口截面具有相反的性质：,型钢只有一个表面露在外面，内侧是封闭的，与其他构件连接和进行内力传递时，要求特殊的连接节点。,构件尺寸就是型钢尺寸。,截面型钢沿在各方向的截面特性相同。,良好的抗压性能，有利于减少用钢量。,由于截面是封闭的，适于单独使用，很难实现由几个截面组成的组合截面。,型钢的储存,图中可见：沸腾钢的气泡明显多于镇静钢沸腾钢是脱氧不完全的钢，浇铸后在
17、钢液冷却时有大量一氧化碳气体外逸，引起钢液剧烈沸腾。沸腾钢内部杂质和夹杂物多，化学成分和力学性能不够均匀、强度低、冲击韧性和可焊性差，但生产成本低，可用于一般地建筑结构。镇静钢是指在浇铸时，钢液平静地冷却凝固，基本无一氧化碳气泡产生,是脱氧较完全的钢。钢质均匀密实，品质好，但成本高。镇静钢可用于承受冲击荷载地重要结构。,沸腾钢用锰作为脱氧剂，脱氧能力较弱。镇静钢用硅作为脱氧剂，硅的脱氧能力较强，大约是锰的5倍。,Slab cutoff 板的切割,Soaking 热处理,压 型 钢 板 制 作 片 段,热轧H型钢的切割片段,应优先选用经济高效截面的型材（如宽翼缘H型钢、冷弯型钢）；在同一项工程中
18、选用的型钢、钢板规格不宜过多；一般不宜选用最大规格的型钢，也不应选用带号的加厚槽钢与工字钢以及轻型槽钢等；规格或材料代用时应严格审查确认其材质、性能符合原设计要求。必要时材料材质的复验，并经设计人员确认。,2.4.4 选用钢材规格时注意事项,1.疲劳断裂的概念 疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。断口可能贯穿于母材，或贯穿于连接焊缝，也可能同时贯穿于母材及焊缝。出现疲劳断裂时，截面上的应力低于材料的抗拉强度，甚至低于屈服强度。同时，疲劳破坏属于脆性破坏，塑性变形极小，因此是一种没有明显变形的突然破坏，危险性较大。疲劳断裂的过程可分为三个阶段，即裂纹的形成、裂纹缓慢
19、扩展与最后迅速断裂。,钢材的疲劳破坏,疲劳破坏的构件断口上面一部分呈现半椭圆形光滑区，其余部分则为粗糙区。微观裂纹随着应力的连续重复作用而扩展，裂纹两边的材料时而相互挤压时而分离，形成光滑区;裂纹的扩展使截面逐渐被削弱，至截面残余部分不足以抵抗破坏时，构件突然断裂，因有撕裂作用而形成粗糙区。,连续重复荷载作用下应力从最大到最小重复一周叫做一个循环，应力循环特性常用应力比值 min max来表示，以拉应力为正值。当 1时称为完全对称循环（图1.9a），1 时相当于静荷载作用（图1.9 f），0时称脉冲循环（图1.9c）。也可以是+1与1之间的值。=maxmin称为应力幅，表示应力变化的幅度。应力
20、幅总为正值（拉“+”，压“”）。,2.关于n曲线,引用适当的安全系数后，可得疲劳容许应力幅的计算公式:,式中 c、系数，根据钢结构设计规范（GB50017-2003）附录E构件和连接分类，按表2.2取用。n 应力循环次数；针对一定的疲劳寿命n，不同构件或连接破坏的应力幅值的大小主要取决于细部构造。细部构造不好致使应力集中大，破坏时的应力幅值就小；反之，细部构造好以致应力集中小，则应力幅值就大。应力幅值大，表示抗疲劳性能好。,我国规范将构件和连接分为八类，一类是没有应力集中的主体金属，八类是应力集中最严重的角焊缝，二至七类则是有不同程度的应力集中的主体金属。构件和连接的分类，与钢材的种类及其强度
21、级别无关，因为它们带来的影响不大，已经略去。,直接受到重复荷载作用的构件，如吊车梁、吊车桁架、输送栈桥和某些工作平台梁等以及它们的连接，当应力循环次数 n105时应进行疲劳验算。规范规定一般钢结构都是按照以概率为基础的极限状态原则进行验算，但对疲劳部分则规定按容许应力原则进行验算。这是由于现阶段对疲劳裂缝的形成、扩展以至断裂这一过程的极限状态定义，以及有关影响因素的研究还不足的缘故。永久荷载所产生应力为不变值，没有应力幅。应力幅只由重复作用的可变荷载产生，所以疲劳验算按可变荷载标准值进行。荷载标准值相应于按容许应力原则计算时的荷载。荷载计算中不乘以吊车动力系数，因为验算方法是以试验为依据的，而
22、疲劳试验中已包含了动力的影响。,3.疲劳验算,常幅疲劳按下式进行验算:（1.20）式中:对焊接结构为应力幅=maxmin；对非焊接部位为计算应力幅=max0.7min，应力以拉为正，压为负；常幅疲劳的容许应力幅，根据构件和连接的类别以及预期的循环次数，按公式（1.19）及表1.2的系数计算。对于没有设计应力谱的变幅疲劳钢结构可作为常幅疲劳按式（1.20）及（1.19）计算，但式（1.19）中的循环次数n应根据构件使用中满负荷的程度予以折减。,对于没有设计应力谱的变幅疲劳钢结构可作为常幅疲劳按式（1.20）及（1.19）计算，但式（1.19）中的循环次数n 应根据构件使用中满负荷的程度予以折减。
23、重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁梁（桁架式吊车梁）的疲劳由于已积累了一定的实测数据，故可由公式（1.20）改为下式计算（1.21）式中 所验算部位的应力幅或折算应力幅，见式（1.20）；欠载效应系数。规范规定对重级工作制的硬钩吊 车取1.0；重级工作制的软钩吊车取0.8；中级工作制吊车取0.5。循环次数n=2106次的容许应力幅，其值可 由式（1.19）计算，也可由表1.2查得。,变幅疲劳验算：,2-1 为什么说钢材的屈服点、抗拉强度和伸长率是建筑工程用钢的重要技术性能指标？2-2 简述钢材的化学成分对钢材性能的影响。2-3 在复杂应力作用下，钢材的折算强度如何计算？2-4 应力集中如何影响钢材的性能？2-5 碳素结构钢是如何划分牌号的？说明Q235-A F和Q235-D号钢在性能上有何区别？2-6 解释下列钢牌号的含义：Q235-A；Q255-Bb；Q420-D；Q460-C。2-7 钢材有哪几种规格？如何表示？2-8 选用钢材时应考虑哪些因素？,思 考 题,
