钢结构-2钢结构的材料.ppt

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第二章钢结构的材料2.钢结构的材料2.1对钢结构用材的要求2.2钢材的破坏形式2.3钢材的主要性能及其鉴定2.4影响钢材性能的因素2.6钢材的疲劳破坏和疲劳计算2.7钢材的种类、选用和型钢规格 第二章钢结构的材料2.1对钢结构用材的要求较高的强度2.1对钢结构用材的要求足够的变形能力，塑性、韧性好具有良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用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，应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。对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。规范推荐的钢种为Q235、Q345、Q390、Q420 第二章钢结构的材料2.2钢材的破坏形式塑性破坏：破坏前有明显的变形，破坏历时时间长，可以采取补救措施。2.2钢结构的破坏形式脆性破坏：破坏前没有明显的变形，破坏发生突然，没有机会补救。脆性破坏的原因：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造不合理、使用不当等。应尽量发挥材料的塑性避免一切脆性破坏的可能性 第二章钢结构的材料2.2钢材的主要性能及其鉴定1、单向拉伸时的工作性能2.3钢材的主要性能及其鉴定强度指标是由钢材的单向均匀受拉试验测得的强度指标：比例极限；屈服强度；极限强度试验条件：标准试件在常温（20℃）下缓慢加载，一次完成2.3.1、钢材的力学性能 return 第二章钢结构的材料2.2钢材的主要性能及其鉴定钢材在单向均匀受拉时工作性能表现为四个阶段弹性阶段:应力最高点对应比例极限弹性模量应力2.弹塑性阶段:应力介于和之间弹塑性模量是变数3.塑性阶段:应力达到屈服强度4.强化颈缩阶段:应力最高点对应抗拉极限 第二章钢结构的材料2.2钢材的主要性能及其鉴定钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体1.计算简便2.与相差不大3.虽然＞，但对应的应变非常大（不满足正常使用极限状态）4.以作为设计强度的依据，具有较大的强度储备，若出现偶然因素，使人们有机会补救屈强比：Q235钢为0.57，Q345钢为0.67 第二章钢结构的材料2.2钢材的主要性能及其鉴定简化计算,采用理想弹塑性模型作为钢结构设计的最大应力作为钢材实际破坏强度 第二章钢结构的材料2.2钢材的主要性能及其鉴定2、塑性性能塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力衡量塑性性能的指标：伸长率 第二章钢结构的材料2.2钢材的主要性能及其鉴定3、冷弯性能冷弯性能是检验钢材适应冷加工（常温下加工）的能力和显示钢材内部缺陷状况的一项指标冷弯性能是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性变形能力的指标冷弯性能由冷弯试验确定冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标 return 第二章钢结构的材料2.2钢材的主要性能及其鉴定4、冲击韧性冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力衡量冲击韧性的指标：冲击功韧性是钢材强度和塑性的综合指标梅氏U型缺口试件:冲击试验的标准试件型式：夏比V型缺口试件:我国采用夏比V型缺口试件冲击韧性受温度的影响 return 第二章钢结构的材料2.2钢材的主要性能及其鉴定2.3.2、可焊性可焊性指采用一般焊接工艺就可完成合格的焊缝的性能可焊性受化学成分的影响比较大碳当量：衡量低合金钢的可焊性的计算<0.38焊接性能一般=0.38~0.45焊接性能较难>0.45焊接性能难 第二章钢结构的材料2.2钢材的主要性能及其鉴定钢材物理性能指标弹性模量泊松比剪变模量线膨胀系数质量密度 第二章钢结构的材料2.3影响钢材性能的因素2.4.1、化学成分2.4影响钢材性能的因素普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%普通低合金钢中有＜5%的合金元素碳（C）：钢材强度的主要来源，但是随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般控制在0.12％～0.2%，在0.2％以下时，可焊性良好硫（S）：热脆性，不得超过0.05%磷（P）：冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045% 第二章钢结构的材料2.3影响钢材性能的因素锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点为1600℃，可以消除一部分S的有害作用。硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。氧（O）：有害杂质，效果同S。氮（N）：有害杂质，效果同P。 第二章钢结构的材料2.4.2、冶金缺陷常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹等。偏析——化学成分分布的不均匀程度。2.4.3、加荷速度1．材性试验要求缓慢加载2．要考虑动荷载对结构的不利影响加荷速度高，钢材屈服点提高，呈脆性。因此，2.3影响钢材性能的因素 第二章钢结构的材料钢材硬化冷作硬化—当加载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称“应变硬化”应变时效——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”。时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。2.3影响钢材性能的因素 第二章钢结构的材料2.4.4、温度的影响1.正温范围100℃以内对钢材性能无影响；100℃以上随温度升高，总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大250℃左右抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增加——蓝脆现象。该温度区段称为“蓝脆区”。250～350℃在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形——徐变现象。600℃左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。2.3影响钢材性能的因素 第二章钢结构的材料2.负温范围当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加。T1～T2之间温度转变脆性区，冲击功急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。使用温度必须高于T1，但不一定高于T22.3影响钢材性能的因素 第二章钢结构的材料2.4.5、应力集中的影响构造缺陷：构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变等应力集中：由于构造缺陷，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力。应力集中的危害：塑性降低，脆性增加构造设计时应避免截面突变和尖锐角的情况2.3影响钢材性能的因素 第二章钢结构的材料2.5、复杂应力作用下钢材的屈服条件假定：1.材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；2.当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。弹性状态塑性状态平面应力状态梁的应力状态纯剪应力状态2.3影响钢材性能的因素 疲劳破坏试验表明，钢构件在连续反复荷载作用下，尽管应力低于抗拉强度，甚至低于屈服点，但经过一定的循环次数后，也会发生断裂破坏。这种经历长期反复荷载作用而发生突然断裂的现象，称为疲劳破坏。疲劳破坏前构件没有明显的变形特征，属于脆性破坏。破坏原因:钢构件上难免有微观裂纹（crack），如非金属杂质、扎制或加工时造成的微小裂纹等。在荷载作用下，受拉区的微裂纹尖端因应力集中而出现高应力区，并伴随双向或三向拉应力场，使钢材的塑性发展受到限制。在工作初期，由于应力较小，这些微小裂纹不会立刻引起构件断裂。但在长期反复荷载作用下，裂纹尖端的拉应力使裂纹有逐步扩展的趋势并缓慢地扩展，与此同时，构件的有效截面也逐步2.6钢结构的疲劳破坏和疲劳计算 减小。经过一定的循环（circle）次数后，一旦裂纹扩展到构件截面不能承受荷载时，构件出现突然断裂。 2.6.1钢材的常幅疲劳反复荷载在构件内引起的应力随时间变化的曲线称为循环应力谱（图2-11）。用ρ=σmin/σmax来表示（拉应力为正，压应力为负）。例如，ρ=-1表示完全对称（symmetry）循环，ρ=0表示脉冲（pulse）循环。ρ值可以介于-1和+1之间。（a）完全对称循环ρ=-1（b）脉动应力循环ρ=0图2-11循环应力谱 应力变化的幅度称为应力幅，用△σ=σmax-σmin表示。在应力循环过程中，如果应力幅保持为常量，称为常幅循环应力，否则称变幅应力循环。常幅疲劳试验可以测定钢材的疲劳强度极限。试验用一组（10根）相同材料的光滑小试件，每次将一根试件安装在疲劳试验机上，第一根试件可施加较大的弯矩，使试件受纯弯曲，上缘受拉，下缘受压；图2-13钢材的疲劳强度极限当电机带动试件旋转时，试件表面各点的应力交替出现拉、压变化，转动一圈完成一次循环，由施加的弯矩可以算出应力幅；当经过某一循环次数n，试件破坏，得到△σ－n曲线上的一个点（图2.7）。疲劳极限 依次对其余试件进行实验，并逐步减小弯矩，也即减小应力幅△σ，试件破坏时的循环次数将不断增加，每一根试件得到△σ－n曲线上的一个点。当应力幅△σ小于一定值时，即使有无限次循环，试件也不会产生疲劳破坏。按照有关国际标准建议，将n＝5×106所对应的应力幅称为材料的疲劳极限。 钢结构的疲劳计算我国《钢结构设计规范》（GB500017－2003）规定，当构件的工作应力循环次数n＞5×104时，应进行疲劳计算。另外，不同构件或连接形式其疲劳性能各不相同，因此也不能用一个标准来衡量。《钢结构设计规范》（GB500017－2003）将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归并为八个疲劳计算类别（见附录6）。其中一类疲劳性能最好，八类最差。疲劳计算表达式如下：1)常幅疲劳计算计算公式：△σ≤[△σ]29 式中△σ——应力幅。对焊接部位，△σ=σmax-σmin；对非焊接部位，△σ=σmax-0.7σmin。σmax——计算部位每次应力循环中的最大拉应力（取正值）；σmin——计算部位每次应力循环中的最大压应力（取负值）；[△σ]——常幅疲劳的容许应力幅（N/mm2）,按下式计算：[△σ]=(C/n)1/β式中:n——应力循环次；C,β——系数,根据疲劳计算分类按表2-3取值。30 2.6.2变幅疲劳计算实际工程构件的工作应力幅多为变化的，或称随机荷载，如吊车起吊荷载每次可能都不一样，且多数工作荷载小于设计荷载。对于重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架，按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的应力幅折算成等效常应力幅按下式计算：式中：——欠载效应的等效系数——循环次数n＝2×106的容许应力幅,可按式2-9计算。 进行疲劳计算时需注意以下三点：1）目前疲劳计算仍采用容许应力法，荷载采用标准值，不考虑分项系数和动力系数，并按弹性工作计算。2）计算时可认为疲劳容许应力幅与钢材种类无关。3)完全压应力循环中，可不予验算疲劳。 第二章钢结构的材料2.5钢的种类和钢材规格2.7钢的种类和钢材规格2.7.1、钢的种类1.化学成分普通碳素钢Q235普通低合金钢Q345、Q390、Q420平炉成本高，质量好（6小时100t左右）氧气顶吹转炉成本低，质量也可（15分钟150t）2.炉种3.脱氧程度沸腾钢（F）脱氧较差镇静钢（Z）脱氧充分半镇静钢（b）脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间特殊镇静钢（TZ） 第二章钢结构的材料2.5钢的种类和钢材规格4.质量等级A级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量B、C、D级：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℃）及碳、硅、锰、硫、磷含量E级：除满足D级的要求外，还要求-40℃时的冲击韧性5.钢材编号碳素钢：Q×××质量等级（A～D）脱氧程度（F，b）低合金钢：Q×××质量等级（A～E）如Q235-A·F、Q345-C 第二章钢结构的材料2.5钢的种类和钢材规格2.7.2.钢材的选择（1）结构或构件的重要性；（2）荷载的种类（静荷载或动荷载）；（3）连接方法（焊接或非焊接）；（4）工作条件（温度，腐蚀等）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用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，应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。对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。 第二章钢结构的材料2.5钢的种类和钢材规格2.7.3、钢材的规格1.热轧钢板（1）工字钢普通工字钢Ⅰ20aH型钢HW300×300×10×15T型钢TW150×300×10×15（2）槽钢[32b（3）角钢L125×10L125×80×10（4）钢管φ400×62.热轧型钢（P318，附录型钢表）3.冷弯薄壁型钢壁厚1.5～5mm 角钢槽钢钢管 工字钢H型钢 钢铰线钢丝绳