2015钢结构第二章钢结构的材料摘要.ppt

上节总结：,一、课程内容：钢结构是采用钢材制作而成的结构，是建筑工程的主要结构形式之一。课程的主要内容包括材料、连接、基本构件、典型建结构的设计四大部分。不同结构形式都是由基本构件连结而成，基本构件的核心问题是稳定问题。二、钢结构的特点：可靠性高、材料的强度高，钢结构自重轻，钢材的塑性和韧性好，钢结构制造简便，施工工期短，钢结构密闭性好,钢材的耐锈蚀性差，钢结构耐热但不耐火，钢材在低温时脆性增大 三、钢结构的应用：1.大跨度结构 2.高层建筑3.工业建筑 4.轻型结构 5.高耸结构 6.活动式结构 7.可拆卸或移动的结构 8.容器和大直径管道9.抗震要求高的结构10.急需早日交付使用的工程或运输条件差的工程11特种结构12钢桥13、住宅 水工：钢闸门、拦污栅、升船机、压力管（水库、压力前池、调压室向水轮机输送）。综上所述，钢结构是在各种工程中广泛应用的一种重要的结构形式。随着我国经济建设的发展和钢产量的提高，钢结构将会发挥日益重要的作用。,第二节 钢结构的设计方法,设计要求：,不适合采用其他材料结构时采用。优先采用定型和标准化的结构构件和节点。研究和完善结构型式时，应尽量做到结构简化和材料集中使用（扩大构件）。可靠性保证运输、安装、使用过程合理选材、精心设计、保证耐久性尽可能先进设计方法、连接方式、结构形式、材料减轻自重节省钢材，受力明确，发挥钢材性能防腐、防高温、低温造型美观,一结构设计的目的,任何结构都是为了完成所要求的某些功能而设计的。工程结构必须具备下列功能：1安全性：结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力，以及在偶然事件发生时和发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。2适用性：结构在正常使用的条件下，满足预定使用要求的能力.3耐久性：结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。结构的安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性。结构设计（计算）的目的是在满足各种预定功能的前提下，做到技术先进、安全适用、经济合理和确保质量。要实现这一目的，必须借助于合理的设计方法。,二设计方法,1影响结构可靠性的因素 对于一般的工程结构，影响结构可靠性的因素可以归并为荷载效应S（荷载作用引起的结构或构件的内力、变形等）和结构抗力R（结构或构件承受荷载效应的能力，如承载力、刚度等）两个基本变量。Z=R-S（1-1）Z结构完成预定功能状态的函数。Z0结构处于可靠状态；Z0 结构处于失效状态；Z0结构处于临界状态，一旦超过这一状态，结构将不再能满足设计要求。因此它也称为极限状态。,2概率极限状态设计法,1)结构设计应考虑下列两种极限状态：（1）承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载能力，或达到不适于继续承载的变形的极限状态。（2）正常使用极限状态：结构或构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态。2)结构可靠度：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率(Pr)。Pf=P(z0)Pr=P(z0)=1-Pf,二设计方法,设计使用年限分类,3）钢结构设计规范(GB50017)设计方法,对于承载能力极限状态采用应力表达式正常使用极限状态4）现行水工、桥梁钢结构专门规范的设计方法容许应力法（如水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95）,第三节 钢结构的发展,一、钢结构快速发展的条件,我国的钢产量从1996年起年产已突破1亿吨,2001年1.57 亿吨，2002年达1.8亿吨。钢产量的提高为发展钢结构提供了主要的物质基础。一系列的规范和规程的颁发及计算机技术的应用、材料、设计方法、结构体系的发展，使我国的钢结构发展具备了必要的技术基础。中国建筑技术政策（1996年 2010年）中具体地提出了发展钢结构的要求，这是几十年来第一次国家明确提出的政策支持。这些将会促进钢结构应用的进一步发展，必将对钢结构提出更多更高的要求。钢结构是环保型的、易于产业化的和可再次利用的或者说可持续发展的结构，应积极合理地扩大在工程中的应用。,二、钢结构发展的几个方面,1.设计方法和计算理论的改进1）水工、桥梁钢结构应早日采用概率极限状态设计法。2）(GB50017)向采用更为先进合理的全概率极限状态设计法的方向努力。3）设计由构件或某一截面的可靠度，向以整个结构体系可靠度分析为目标的结构设计发展。4)钢结构的计算理论，如稳定计算、塑性设计、优化设计以及在动力荷载作用下的性能等，都需要进一步深入研究。,二、钢结构发展的几个方面,2.优质钢材的应用采用高强度钢材:可以用较少的材料做成功效较高的结构，对于跨度大、荷载大的结构和移动式结构极为有利。国外已把屈服强度为700800N/mm2或更高强度的低合金结构钢列入设计规范。研究强度更高的钢材及其合理使用将是重要的课题。生产和推广应用经济断面钢材：如轧制H型钢、T型钢、冷弯薄壁型钢、彩色涂层压型钢板等。研制和应用高功能结构钢：（1）耐火钢：我国已生产出了耐火耐候钢，并用于工程建设。（2）耐大气腐蚀钢（耐候钢）：研究生产新的高性能耐候钢和耐火耐候钢及涂料仍然是今后研究的重点。12（3）低屈强比耐震结构钢：钢材的屈强比越低，材料破断前产生稳定塑性变形的能力越高，吸震性能越好。,二、钢结构发展的几个方面,3.结构型式的革新 新型结构：如网架和网壳结构、薄壁型钢结构、悬挂结构、索膜结构、索网结构和其它杂交结构。预应力结构、钢混凝土组合结构、钢混凝土混合结构、4.制造工业水平的提高 改进钢结构制造的工艺和进行设备更新，提高机械化和自动化水平。应促进一些结构形成系列化、标准化、产品化，实现工厂化批量生产，作为产品投放市场，降低造价。,5、最优化原理的应用,结构优化设计包括确定优化的结构形式和确定优化的截面尺寸。由于电子计算机的逐步普及，促使结构优化设计得到相应的发展。我国编制的钢吊车梁标准图集，就是根据耗钢量最小的条件写出目标函数，把强度、稳定、刚度等一系列设计要求作为约束条件，用计算机解得优化的截面尺寸，比过去的标准设计节省钢材510。优化设计已逐步推广到塔桅结构、网架结构设计等各个方面。,设计参考资料,水工设计手册水闸水利水电工程钢闸门设计规范钢结构设计规范2003水利水电工程结构可靠度设计统一标准1991水工建筑物荷载设计规范1997船闸总体设计规范2001水电站压力钢管设计规范2003,练习,大跨度结构应优先选用钢材，其主要原因是。（A）钢结构具有良好的装配性（B）钢材的韧性好（C）钢材接近均质等向体，力学计算结果与实际结果最符合（D）钢材的重量与强度之比小于混凝土等其他材料,上节总结：,一、课程内容：钢结构是采用钢材制作而成的结构，是建筑工程的主要结构形式之一。课程的主要内容包括材料、连接、基本构件、典型建结构的设计四大部分。不同结构形式都是由基本构件连结而成，基本构件的核心问题是稳定问题。二、钢结构的特点：可靠性高、材料的强度高，钢结构自重轻，钢材的塑性和韧性好，钢结构制造简便，施工工期短，钢结构密闭性好,钢材的耐锈蚀性差，钢结构耐热但不耐火，钢材在低温时脆性增大 三、钢结构的应用：1.大跨度结构 2.高层建筑3.工业建筑 4.轻型结构 5.高耸结构 6.活动式结构 7.可拆卸或移动的结构 8.容器和大直径管道9.抗震要求高的结构10.急需早日交付使用的工程或运输条件差的工程11特种结构12钢桥13、住宅 水工：钢闸门、拦污栅、升船机、压力管（水库、压力前池、调压室向水轮机输送）。综上所述，钢结构是在各种工程中广泛应用的一种重要的结构形式。随着我国经济建设的发展和钢产量的提高，钢结构将会发挥日益重要的作用。,第二节 钢结构的设计方法,设计要求：,不适合采用其他材料结构时采用。优先采用定型和标准化的结构构件和节点。研究和完善结构型式时，应尽量做到结构简化和材料集中使用（扩大构件）。可靠性保证运输、安装、使用过程合理选材、精心设计、保证耐久性尽可能先进设计方法、连接方式、结构形式、材料减轻自重节省钢材，受力明确，发挥钢材性能防腐、防高温、低温造型美观,一结构设计的目的,任何结构都是为了完成所要求的某些功能而设计的。工程结构必须具备下列功能：1安全性：结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力，以及在偶然事件发生时和发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。2适用性：结构在正常使用的条件下，满足预定使用要求的能力.3耐久性：结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。结构的安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性。结构设计（计算）的目的是在满足各种预定功能的前提下，做到技术先进、安全适用、经济合理和确保质量。要实现这一目的，必须借助于合理的设计方法。,二设计方法,1影响结构可靠性的因素 对于一般的工程结构，影响结构可靠性的因素可以归并为荷载效应S（荷载作用引起的结构或构件的内力、变形等）和结构抗力R（结构或构件承受荷载效应的能力，如承载力、刚度等）两个基本变量。Z=R-S（1-1）Z结构完成预定功能状态的函数。Z0结构处于可靠状态；Z0 结构处于失效状态；Z0结构处于临界状态，一旦超过这一状态，结构将不再能满足设计要求。因此它也称为极限状态。,2概率极限状态设计法,1)结构设计应考虑下列两种极限状态：（1）承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载能力，或达到不适于继续承载的变形的极限状态。（2）正常使用极限状态：结构或构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态。2)结构可靠度：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率(Pr)。Pf=P(z0)Pr=P(z0)=1-Pf,二设计方法,设计使用年限分类,3）钢结构设计规范(GB50017)设计方法,对于承载能力极限状态采用应力表达式正常使用极限状态4）现行水工、桥梁钢结构专门规范的设计方法容许应力法（如水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95）,计算指标的标准值与设计值,(1)标准值 指某项计算指标在结构使用期间内在正常情况下的最不利的可能值。由于各种变异因素，其可能值一般情况下是随机变量。为确保结构计算的可靠性要求，规范规定了各种计算参数的标准值取值方法和取值标准。例如，结构所承受的各种荷载的标准值应按现行国家标准建筑结构荷载规范的规定采用。钢材的强度标准值，按某种钢材在强度试验时的统计数据以概率统计保证率不低于95的上限值选取。,(2)设计值,考虑到设计计算时和施工中许多不可预计与不可避免因素造成的误差，以及使用过程中各种偶然因素对结构的影响，为保证结构的可靠度指标符合规定要求，在按极限状态进行概率分析时，规定了各种计算参量在设计计算中的取值要求，称为各指标的设计值。设计值一般按标准值乘以(或除以)规定的荷载分项系数(或结构抗力系数)取得。结构抗力指标(强度、刚度等)的设计值，通常可由规范提供的相关表格中直接查到。荷载分项系数按结构荷载规范选取。同时，我们把按各项计算参量的设计值要求，计算所得的某项功能指标，称为该指标的设计值。例如荷载作用下杆件的弯矩设计值、轴力设计值等。,学习本章的主要目的是如何选择钢材。这就要求首先掌握钢材的性能，其中最重要的是脆断。,第二章 钢结构的材料,第一节 钢结构对所用材料的要求,1.塑性破坏：钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破坏，也称为延性破坏。塑性破坏是由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度后才发生。在塑性破坏前，由于总有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，不致引起严重后果。而且适度的塑性变形能起到调整结构内力分布的作用，使原先结构应力不均匀的，局部高峰的应力部分趋于均匀，从而提高结构的承载能力。2.脆性破坏：钢材在变形很小的情况下突然发生断裂破坏。分为一般脆性破坏和疲劳破坏应力集中（动力荷载、同号复杂应力）、本身质量问题（低温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，元素含量、夹杂物、晶粒较粗）、低温、钢板厚度（主应力控制，易于脆性断裂）由于脆性破坏具有突然性，无法预测，而且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁，危及生命财产的安全，后果严重。故比塑性破坏要危险得多，在钢结构工程设计、施工与安装中应采取适当措施尽力避免选好材、减少应力集中、设计构件选用较薄钢板,一、钢材的破坏形式,钢结构的原材料是钢，钢的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的钢只是其中的一小部分。用作钢结构的钢必须符合下列要求：1、强度fy、fu高：2、塑性、韧性、耐久性好：可防止脆性破坏，抗动力荷载好，耐疲劳。3、良好的加工性能：冷、热加工和可焊性好 4、耐腐性好 5、价格便宜(易于施工、价格合理)有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的能力。,二、钢结构对所用材料的要求,物美价廉,规范规定,按以上要求，钢结构设计规范具体规定：承重结构采用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。对需要验算疲劳强度的结构用钢材，根据具体情况应当具有常温或负温冲击韧性的合格保证。,二、钢结构对所用材料的要求,钢结构设计规范（GB50017)推荐使用：碳素结构钢中的Q235钢、低合金结构钢中的Q345钢、Q390钢、Q420钢。随着研究的深入，必将有一些满足要求的其它种类钢材可供使用。若选用钢结构设计规范还未推荐的钢材时，需有可靠的依据，以确保钢结构的质量。专用钢结构用材见相关规范。,第二节钢材的主要机械性能,钢材的主要性能,钢材的主要性能包括钢材的力学性能、焊接性能与耐久性能。钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。它包括强度、塑性、冷弯性能及韧度等。它们由相应实验得到，试验采用试件的制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行。,一、单向拉伸时的性能（强度性能）,钢材的强度性能可用几个有代表性的强度指标来表述，它包括材料的比例极限、弹性极限、屈服点与抗拉强度。用以下实验显示：标准试件在室温（1035)、以满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力应变曲线显示的钢材机械性能如下：,(1)弹性阶段：fp，与呈线性关系，称该直线的斜率E为钢材的弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢材统一取E=2.06105 N/mm2。比例极限fp：这是应力一应变图中直线段的最大应力值。实际上，比比例极限略高处还存在弹性极限，但弹性极限与比例极限十分接近，所以通常略去弹性极限的点，将比例极限看做是弹性极限。这样，当应力不超过比例极限时，应力与应变成正比，卸荷后变形完全恢复，符合虎克定律。这一阶段是弹性阶段OA。(2)弹塑性阶段：与呈非线性关系，切线模量Etd/d,Et随应力增大而减小，当=fy 时，Et=0。应变超过比例极限之后不再与应力成正比，而是逐渐加大，应力一应变成曲线关系，一直到达屈服点。这一阶段是弹塑性阶段AB，B点的应力为屈服点。这一阶段的变形由弹性变形和塑性变形组成，其中弹性变形在卸载后恢复为零，而塑性变形不能恢复，成为残余变形，或者叫永久变形。,(3)塑性阶段，也称屈服阶段：=fy后钢材暂时不能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，因此，钢结构设计取 fy作为强度极限承载力的标志当应力达到屈服强度后，应力保持不变而应变持续发展，形成水平阶段，即屈服平台BC。这时犹如钢材屈服于所施加的荷载，故称为屈服阶段。实际上由于加载速度及试件状况等使用条件的不同，屈服开始时总是形成曲线上下波动，波动最高点称为上屈服点，最低点为下屈服点。下屈服点的数值对试验条件不敏感，所以计算时取下屈服点作为钢材的屈服极限含碳量高的钢或高强度钢（调质处理低合金钢），一般没有明显的屈服点，这时取对应于残余应变=02时的应力作为钢材的屈服点，称为条件屈服点或屈服强度。为简单划一，钢结构设计中常不区分钢材的屈服点或条件屈服点，而统一称作屈服强度。考虑应力达到屈服强度后钢材暂时不能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，因此钢结构设计取屈服强度作为钢材的强度承载力极限。（钢材强度标准值）,(4)强化阶段：试件能承受的最大拉应力fu为钢材的抗拉强度。fu作为材料的强度储备。钢材经历了屈服阶段较大的塑性变形后，金属内部结构得到调整，出现应变硬化，产生了继续承受增长荷载的能力，应力一应变曲线又开始上升，一直到D点，应变达到20%甚至更大，称为钢材的强化阶段。试件能承受的最大拉应力，称为钢材的抗拉强度。在这一阶段的变形模量称为强化模量，它比弹性模量低得多。,(5)颈缩破坏阶段 到达抗拉强度后，试件出现局部横向收缩变形，随后断裂。因为到达屈服强度后，产生较大变形，所以取其为强度标准值，而到达D点后，构件开始断裂，所以抗拉强度作为强度储备。屈强比表示强度储备大小(6)可把钢材视为理想弹塑性体。,二、塑性变形能力,塑性是指钢材破坏前产生塑性变形的能力，其值可用由静力拉伸试验得到的力学性能指标伸长率=(l1-l0)/l0*100%与截面收缩率来衡量。值越大，表明钢材塑性越好。截面收缩率还可反映钢材的颈缩部分在三向拉应力情况下的最大塑性变形能力，这对于需考虑厚度方向抗层状撕裂能力的z向钢板很重要。,三、冷弯性能,将试件弯成180，若试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。比单项拉伸试验更严格，反应钢材的冷加工性能，而且还可暴露钢材的内部缺陷综合反映钢材的塑性性能和冶金质量。重要结构中需要有良好的冷热加工性能时，应有冷弯合格保证。,三、冲击韧性（缺口韧性）,韧性是钢材断裂吸收机械能能力的度量，应力应变曲线下面面积大小，不能用于实际工作中衡量（应力集中和动荷载）冲击韧性值用击断带V形缺口试样所需的冲击功AkV表示,单位为J。衡量抵抗脆性破坏的能力。冲击韧性与温度有关当温度低于某一负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在寒冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构，除应有常温冲击韧性的保证外，尚应依钢材的类别，使其具有-20 或-40的冲击韧性保证，应AkV 27J（焦耳）。,四、钢材受压和受剪时的性能,钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似，但受剪屈服强度y及抗剪强度u均低于fy和fu；剪变模量G也低于弹性模量E。,五、钢材的焊接性能,钢材的焊接性是指在给定的构造形式和焊接工艺条件下获得符合质量要求的焊缝连接的性能。焊接性能差的钢材在焊接的热影响区容易发生脆性裂缝(如热裂缝或冷裂缝)，不易保证焊接质量，除非采用特定的复杂焊接工艺。故对于重要的承受动力荷载的焊接结构，应对所用钢材进行焊接性能的鉴定。钢材的焊接性能可用试验焊缝的试件进行试验，以测定焊缝及其热影响区钢材的抗裂性、塑性和冲击韧性等。钢材的焊接性能除了与钢的含碳量等化学成分密切相关外，还与钢的塑性及冲击韧性有密切关系。一般来说冲击韧性合格的钢材，其焊接质量也容易保证 焊接工艺评定报告,六、钢材的耐久性能,钢材的耐久性主要表现为其抗腐蚀性能。对于长期暴露在空气中或经常处于干湿交替环境下的钢结构，容易产生锈蚀破坏。（水工钢闸门，15年承载能力下降）钢材腐蚀速度：普通碳钢每年的腐蚀速度经常能达到毫米/年，不锈钢腐蚀速率0.005mm/年。/单位时间单位面积腐蚀减损的重量腐蚀对钢结构的危害不仅仅是对钢材有效截面的均匀削弱，而且由此产生的局部锈坑会导致应力集中，从而降低结构的承载力，使其产生脆性破坏。故对钢材的防锈蚀问题及防腐措施应特别重视。,防腐措施,1、涂料保护2、喷镀保护3、电化学保护,脆断事故,建筑材料中，钢材属弹塑性材料。但是，钢材脆性断裂、构件脆性破坏的工程事故仍时有发生。1不合格钢筋脆断 在工程现场，经常发现不合格钢筋被用于建筑工程。这些钢筋，一部分是回炉热轧再生钢筋，一部分是乡镇小厂利用拆船钢或废旧钢材轧制。其表面质量差，形状很不规则，甚至伴有竹笋状裂缝或纵向裂缝。这些钢筋力学性能变化幅度很大，有的强度相当高，抗拉试验曲线没有屈服点，弯曲试验裂或断。这些不合格钢筋，许多被当作HRB335钢筋用于主体工程，造成质量事故。如某电器厂房880m2的楼面因柱筋偏位，用钢筋扳手进行弯折纠偏，有部分柱筋稍加弯曲即断裂。经取样检验，发现该楼层钢筋抗拉强度有的高达850950MPa、伸长率1左右、弯曲试验脆断。致该层楼盖拆除重做，损失巨大。,我国现行规范对钢材出厂合格证和现场取样检验都有严格规定，不合格的钢材不准出厂、不准使用；并规定“钢筋在加工过程中，如发现脆断、焊接性能不良或力学性能显著不正常等现象，尚应根据现行国家标准对该批钢筋进行化学成分检验或其他专项检验”，“当对钢材的质量有疑义时，应按国家现行标准进行抽样检验”。,2钢筋弯曲直径过小脆断,某电厂车间工地现浇平台钢筋隐蔽验收时发现，有部分钢筋在弯曲部位有裂纹，个别甚至已断开，梁筋锚固可能失效，当即停工检查原因。经检查，该批钢筋是大厂家生产、有出厂合格证，工地取样送市检其力学性能合格；取样作化学分析，也合格。再检查，原来是现场施工的弯曲机用直50mm的弯心去弯曲钢筋(按规范，直径应不小于130mm)，致使一部分钢筋在弯曲部位的外侧产生裂纹；另一部分钢筋则因弯曲过了头，再将之回弯一些，在弯曲部位内侧产生裂纹。,冷弯案例,案例,钢材原料质量控制,1复印件作假、泛滥问题 许多单位工程中，钢材出厂质量证明书几乎全是建材公司提供的复印件(或施工单位的再复印件)，其真实性大有问题：(1)由于转手太多，复印件上的采购单位、使用单位往往与单位工程无关。(2)复印次数无限制，无“验收批”可言，且“张冠李戴”。(3)力学性能复验结果，其屈服点、抗拉强度、伸长率等与复印件的数据出入很大。鉴于当前复印件作假、泛滥情况，建议对仅持有复印件的钢材，均应按钢结构工程施工质量验收规范(GB 50205-2001)的规定，视为“对质量有疑义的钢材”，应经见证取样、送样进行复验。,2伸长率不足问题,原材料复验，有时会碰到钢材力学性能试验各项指标均正常，仅伸长率低于标准值问题，毛病往往出在试件制作。钢材试件一般先用氧乙炔粗切割，再上刨床(或铣床)精加工成标准试件。如果粗切割预留量不足，试件周边受火焰切割热影响变脆，会降低钢材的伸长率。用烧割法取样胚，规范作法是，试件的每个边应至少预留20vm，及不小于该钢材厚度的切削加工余量；火焰切割后，试件应在空气中自然冷却(不能用水冷却，雨天应在室内进行)；试件加工不但几何尺寸要准确，而且不能留有火焰切割的痕迹。,练习,1、钢材在低温下，强度（），塑性（），冲击韧性（）。A提高B下降C不变D可能提高也可能下降2、钢材在构件发生断裂破坏前，有明显先兆的情况是（）的典型特征。A塑性破坏B脆性破坏C强度破坏D失稳破坏3、钢材的设计强度是根据（）确定的。A比例极限B弹性极限C屈服点D极限强度4、同类钢种的钢材，厚度越大，（）。A强度越低B塑性越好C韧性越好D内部构造缺陷越少,练习,1焊接承重结构的钢材应具有下列哪些力学性能的保证?()。A屈服强度、伸长率 B抗拉强度、屈服强度、伸长率 C抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧性 D抗拉强度、屈服强度、伸长率、冷弯试验,第三节 影响钢材性能的主要因素,影响因素：,化学成分生产过程温度冷加工硬化和时效硬化复杂应力状态下应力集中的影响其他影响因素：反复荷载、残余应力,一、化学成分的影响,制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。低合金结构钢中，除上述元素外还加入少量合金元素，后者总量通常不超过3。碳和其他元素虽然所占比重不大，但对钢材的力学性能有着决定性的影响。化学成分直接影响到钢的颗粒组织和结晶构造，从而影响钢材的力学性能。（附录一）碳(C)、锰（Mn）、钒（V）是有利元素，但也要注意对含量的限制。硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）会降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应严格限制含量。,化学成分影响,(1)碳。碳是碳素结构钢中仅次于铁的元素，是影响钢材强度的主要因素。随着碳含量的增加，钢材的强度提高，而塑性和韧性下降，同时冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能也变差。因此，结构用钢中一般应控制在017022，碳含量一般不应超过022；对焊接结构，为了有良好的焊接性能，碳含量应低于020。(2)硫。硫是一种有害元素，它会降低钢材的韧性、疲劳强度、抗锈蚀性能和焊接性能等，尤其在高温时，会使钢材变脆，称为热脆。（硫化铁，高温熔化，焊接和热加工时产生热裂纹热脆）因而应严格控制钢材中的含硫量，随着钢材牌号和质量等级的提高，含硫量的限值由005依次降至0025，厚度方向性能钢板(抗层状撕裂钢板)，含硫量要求控制在001以下。,化学成分,(3)磷。磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷的存在使钢材的强度和抗锈蚀能力提高，但严重降低钢材的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能，特别在低温时，会使钢材变脆，称为冷脆。因此，磷的含量也要严格控制，随着钢材牌号和质量等级的提高，含磷量的限值由0045依次降至0025。但是当采取特殊的冶炼工艺时，磷可作为一种合金元素来制造含磷的低合金钢，此时其含量可达012o13。(4)氧和氮。均为钢材的有害杂质。氧的作用和硫类似，使钢材热脆（0.05%）；而氮的作用和磷类似，使钢材冷脆（0.008%）。,化学成分,(5)锰。锰是有益元素，在普通碳素钢中，是一种弱脱氧化剂，可提高钢材的强度，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材的热加工性能及热脆倾向。同时不显著降低钢材的塑性和韧性。在碳素结构钢中锰的含量为03o8，在低合金钢中为1017。但锰可使钢材的焊接性能降低，因此含量也不宜过多。(6)硅。硅是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种强脱氧化剂，适量的硅，可以细化晶粒，提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能无显著不良影响，硅的含量在碳素镇静钢中为012o30，在低合金钢中为02o55。过量的硅会恶化焊接性能和抗锈蚀性能。为改善钢材的性能，还可掺入一定数量的其他合金元素，如铝、铬、镍、铜、钛、钒（韧性、抗腐蚀性）,联练习,钢中硫和氧的含量超过限制时，会使钢材（）(A)变软(B)热脆(C)冷脆(D)变硬,二、钢材生产过程的影响,钢的脱氧 钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不同，把钢分为沸腾钢(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(Z)和特殊镇静钢(TZ)。钢材的轧制 将钢锭加热至12001300，通过轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧钢材。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。钢材的压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大时，其强度和冲击韧性也愈高。常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂分层、气孔等。偏析是指钢中化学成分分布不均匀，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的性能；非金属夹杂是指钢中含有硫化物、氧化物等杂质在轧制后能造成钢材的分层，分层使钢材沿厚度受拉的性能大大降低。；气孔是浇铸钢锭时，由于氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳不能充分逸出而滞留在钢锭内形成的微小孔洞。这些缺陷都将降低钢材的性能。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。,三、温度的影响,正温度范围内(t0)：t300时，钢材的强度和E开始显著下降，而显著增大。t400时，钢材的强度和E都急剧降低。t600时,其承载能力几乎丧失。150 以上热辐射或可能受到灼热熔化金属侵害应考虑设置隔热保护层。,三、温度的影响,负温度范围内(t0)：随着温度降低，塑性和韧性降低，材料变脆，称为低温冷脆。钢材冲击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温度T0称为脆性转变温度。设计选用钢材时应使其脆性转变温度区的下限温度t1低于结构所处的工作环境温度，即可保证钢结构低温工作的安全。不要求大于T2低温环境工作的结构要有负温冲击韧性的合格保证。,四、冷加工硬化和时效硬化,1.应变硬化 钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形，从而使 屈服强度fy 提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种现象称为冷加工硬化。2.时效硬化 钢材经过一定时间后强度提高但塑性降低，这种现象称为时效硬化。不同种类钢材的时效硬化过程可从几小时到数十年。在高温时融化于铁中的少量氮和碳，随着时间的推移逐渐从纯铁中析出，生成碳化物和氮化物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降，这种现象称为时效硬化，俗称老化。产生时效硬化的过程一般较长，但在振动荷载、反复荷载及温度变化等情况下，会加速发展。在钢材产生一定数量的塑性变形后，铁中的氮和碳将更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象，称为应变时效硬化，,四、冷加工硬化和时效硬化,3.人工时效 使钢材产生10%的塑性变形，再加热到200300，然后冷却到室温进行试验。这样 可使时效在几小时内完成。检验冲击韧性 4.设计要求 钢结构设计一般不利用冷加工硬化造成的强度提高，而且对直接承受动力荷载的钢结构还应设法消除冷加工硬化的影响，如将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。,在复杂应力如平面或立体应力作用下钢材的屈服并不只取决于某一方向的应力，而是由反映各方向应力综合影响的屈服条件来确定。同号应力场使材料脆性加大。,五、复杂应力状态的影响,六、应力集中的影响,钢构件在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部位应力较低，称为应力集中。孔洞、凹角、裂缝、截面突变在应力高峰区域存在着同号的双向或三向应力。这种同号的双向或三向应力场有使钢材变脆的趋势。应力集中系数越大，变脆的倾向亦愈严重。在负温下或动力荷载作用下，应力集中往往是引起脆性断裂的根源，设计中应设法避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。,七、其他因素影响,反复荷载疲劳破坏残余应力热轧氧割焊接的加热和冷却过程中在构件内部产生的自相平衡的抗拉应力，对变形、疲劳、稳定承载力不利。,练习,钢材经冷作硬化后，屈服点()，塑性、韧性降低。A降低 B不变 C提高 D视情况而定某构件发生了脆性破坏，经检查发现在破坏时构件内存在以下问题，但可以肯定的是，()对该破坏无直接影响。A钢材的屈服点过低 B构件的荷载增加速度过快 C存在冷加工硬化 D构件由构造原因引起的应力集中,第四节 钢材的疲劳,一、钢材疲劳的基本概念,钢材在反复荷载作用下,在应力低于钢材抗拉强度甚至低于屈服点时突然断裂,称为钢材的疲劳或疲劳破坏.钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷,导致应力集中。在多次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数n（疲劳寿命）时，裂纹扩展使得净截面承载力不足以承受外力作用时，构件突然断裂，发生疲劳破坏。疲劳破坏一般经历裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。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。与静力强度明显关系。截面几何形状突然改变处的应力集中、存在残余应力，对疲劳尤为不利。循环次数5万次以上要进行疲劳计算。,二、疲劳计算,反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。=max-min称为应力幅，表示应力变化的幅度。,影响疲劳破坏的主要因素,钢材本身质量、构件几何尺寸和缺陷（结构措施）最大应力和应力比越大，越安全。裂缝传递压应力（非焊接）应力循环次数应力集中程度（为什么说应力集中是影响钢材性能重要因素）应力幅（焊接）,二、疲劳计算（容许应力幅法）,试验表明:焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最大应力max作用的结果，而是焊缝部位足够大小的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳寿命不仅与应力幅有关，还与其他因素有关。最大应力、应力比、循环次数和缺口效应等规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力幅，以反映其实际工作情况。疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和变幅疲劳两种情况进行计算。,二、疲劳计算,1.常幅疲劳计算 C、参数，根据表2-2中的构件和连接类别按 表2-3采用。对焊接部位=max-min；对非焊接部 位=max-0.7min。由上式可见，容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同钢材具有相同的抗疲劳性能。,二、疲劳计算,2.变幅疲劳计算可近似地按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的应力幅折算为等效常应力幅e，按下式进行疲劳计算：2-12吊车梁：根据实测结果，推算出设计基准期50年内各种吊车梁的应力循环总次数n(等效于满荷载时n=2 106次)，相应的欠载效应的等效系数f值如表2-3所示，重级、中级工作制吊车梁的疲劳验算公式为:,三、疲劳计算应注意问题,当n5*104时，应进行疲劳计算。疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算公式是以实验为依据的，实验中已包含了动力的影响，故荷载应采用标准值且不乘动力系数、荷载分项系数，应力幅按弹性工作计算。在完全压应力（不出现拉应力）循环中，由于压应力不会使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况可不进行疲劳计算。,第五节 钢材的钢种、钢号及选择,一、钢种、钢号,钢种：钢材的种类，钢结构常用的是碳素结构钢和低合金结构钢。钢号：钢材的牌号简称为钢号。,一、钢种、钢号,1.碳素结构钢 钢号由等四个部分按顺序组成:代表屈服点的字母Q；屈服强度数值：fy，单位是N/mm2；质量等级符号：分为A、B、C、D四级,质量依次提高;（依据）脱氧方法符号：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢的代号分别为F、b、Z和TZ，其中Z和TZ在钢号中省略不写。钢材的质量等级中，A、B级钢按脱氧方法可为沸腾钢、半镇静钢或镇静钢，C级为镇静钢，D级为特殊镇静钢。Q195及Q215的强度比较低，而Q255的含碳量上限和Q275的含碳量都超出低碳钢的范围。所以建筑结构在碳素结构钢这一钢种中主要应用Q235这一牌号，该牌号钢材强度适中，塑性、韧性均较好，加工和焊接方面的性能也都比较好。,例如:Q235-BF,Q235 AFQ235 AbQ235 A Q235BF Q235 BbQ235 B Q235C Q235DQ195、Q215、Q235、Q255、Q275为常用牌号,一、钢种、钢号,2.低合金结构钢低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入一种或几种适量的合金元素而成的钢。钢的强度明显提高，合金元素的总量低于5，故称为低合金高强度结构钢。其钢材牌号的表示方法与碳素结构钢相似，但质量等级分为A、B、C、D、E五级，且无脱氧方法符号。低合金高强度结构钢分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五种不同强度等级的牌号。其中Q345、Q390和Q420是钢结构设计规范规定选用的钢种，其质量等级分为A、B、C、D、E五级，字母顺序越靠后的钢材质量越高，这三种牌号的钢材均具有较高的强度和较好的塑性、韧性、焊接性能。其牌号与碳素结构钢牌号的表示方法类似，只是前者的A、B级属于镇静钢，C、D、E级属于特殊镇静钢。A例如Q345-B，Q390-D，Q420-E。,一、钢种、钢号,3.专用结构钢 特殊用途的钢结构常采用专用结构钢。专用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途代号（压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材的专业用途代号分别为R、q、C和g）来表示。耐候钢：在钢材冶炼时加入少量的合金元素如Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等，提高钢材的耐腐蚀性能。也称为耐大气腐蚀钢。例如15MnCuCrQT钢表示含碳量为0.15%，合金元素为锰、铜、铬的淬火加回火热处理耐候钢。连接用钢：钢结构连接中的铆钉、高强度螺栓、焊 条用钢丝等，也采用满足各自连接件要求的专门用钢。,二、钢材的选择,钢材的选择既要确定所用钢材的钢号，又要提出应有的机械性能和化学成分保证项目，是钢结构设计的首要环节。选材的基本原则是既保证安全可靠，又经济合理。钢材的质量等级愈高，其价格也愈高。因此应根据结构的不同特点，来选择适宜的钢材。,综合考虑以下因素,结构的重要性。根据建筑结构可靠度设计统一标准(GB 50068-2001)中结构破坏后的严重性，首先应判明建筑物及其构件的分类(为重要、一般还是次要)及安全等级(为一级、二级还是三级)。荷载的性质。要考虑结构所受荷载的特性，如是静荷还是动荷，是直接动荷还是间接动荷。连接方法。需考虑钢材是采用焊接连接还是非焊接连接形式，以便选择符合实际要求的钢材。结构的工作环境。需考虑结构的工作温度及周围环境中