钢结构第一章钢结构材料.ppt

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1、第一章 钢结构的材料和计算方法,第一节 钢材的主要性能,一、钢材的破坏形式 1.钢结构对材料的要求,强度高，良好的弹性、塑性和韧性，良好的工艺性能,2、破坏形式 塑性破坏应力达到抗拉强度后，很大的塑性变形,有十分明显的预兆 脆性破坏应力常低于钢材的屈服强度，没有明显预兆，破坏突然发生,第一章 钢结构的材料和计算方法,二、钢材的主要机械性能,机械性能反映强度、刚度、塑性指标,屈服点fy 抗拉强度fu 伸长率u 冷弯性能 冲击韧性,第一章 钢结构的材料和计算方法,单向一次均匀拉伸试验标准材性试验,应力 应变曲线,碳素结构钢材的应力-应变图,弹性阶段：OB段弹塑性阶段：BC段塑性阶段：CD段 自强阶

2、段：DE段 破坏阶段：EF段,第一章 钢结构的材料和计算方法,弹性模量E屈服强度(yield strength)fy抗拉强度(tensile strength)fu伸长率(elongation)u,*E为常量，低碳钢有明显屈服点，fy作为钢材强度标准值，fu/fy为强度储备，伸长率u 表示塑性变形能力。,u永久变形/标定长度100，以5或10表示,其中5,10指试件标定长度与试件直径之比为5，10,第一章 钢结构的材料和计算方法,屈服点fy作为钢材强度标准值。为什么？,应力达到 f p：,两者应变很接近,计算时将钢的弹性工作阶段提高到屈服点,f y之后，变形很大，结构将因过大的残余变形 而不能

3、继续使用,理想的弹塑性体,应力达到 f u，应变,2.冷弯(cold bending)试验 钢材质量的综合指标 加工性能，塑性应变能力 试件冷弯1800不出现裂纹或分层为合格,第一章 钢结构的材料和计算方法,3.冲击韧性试验冲击功Akv 抗脆断、抗动载能力。Akv=27J或34J合格，常温(20)和低温(0，-20，-40)试验。,第一章 钢结构的材料和计算方法,4其它可焊性(weldability)、耐磨性(abrasion resistance)、抗火性(fire resistance)、耐腐蚀性(corrosion resistance)等。,第一章 钢结构的材料和计算方法,一、化学成分

4、的影响,第一章 钢结构的材料和计算方法,第二节 影响钢材力学性能的主要因素,化学成分影响强度、延性、可加工性、耐久性,碳C：含C量,，强度,，塑性、韧性、疲劳强度,可焊性、抗腐蚀性,C0.22%,焊接结构：,C0.20%,非焊接结构：,第一章 钢结构的材料和计算方法,有害成分：降低钢材塑性，韧性，可焊性，疲劳强度,S 热脆（高温时，使钢变脆）P冷脆,氧O热脆,N冷脆，脱氧处理,有益成分：合金成分：适当的含量提高强度，对塑、韧性无显著影响 Mn，Si，脱氧剂，,第一章 钢结构的材料和计算方法,(1)冶炼平炉，转炉(2)轧制薄板，均匀，强度高；,二、生产过程,(3)脱氧程度沸腾钢，半镇静钢，镇静钢

5、；,第一章 钢结构的材料和计算方法,(4)热处理控制降温速度或重新加热，改变晶体结构和材性。淬火，快速降温，提高强度、降低韧性；退火，炉中控制，缓慢降温；回火，自然降温和控制降温相结合；正火，空气中自然降温；,第一章 钢结构的材料和计算方法,第一章 钢结构的材料和计算方法,三、复杂应力和应力集中的影响,（一）复杂应力的影响,塑性阶段,复杂应力：第四强度理论,弹性阶段,塑性阶段,第一章 钢结构的材料和计算方法,讨论：,，但,均,在同号应力作用下，钢材强度提高，塑性降低,2、有一异号应力，钢的弹性范围和强度随异号应力增大而降低，塑性变形增大,三向受拉时，易发生脆性破坏,第一章 钢结构的材料和计算方

6、法,（二）应力集中,在孔边出现应力高峰，除切向正应力，还存在径向正应力，处于同号平面应力场。厚壁构件会出现同号立体应力场。易发生脆性破坏,在构件缺陷或截面变化附近，主应力迹线曲折、密集、出现应力高峰，叫应力集中。,四、加工过程(1)冷加工冲、钻、剪、弯、割、锯，局部产生塑性变形和应变硬化（冷作硬化）,第一章 钢结构的材料和计算方法,提高钢的弹性范围，塑性、韧性降低,(2)热加工焊、割，局部升温，热影响区；不均匀冷却，焊接残余应力；,第一章 钢结构的材料和计算方法,五温度高温软化，无保护措施耐火极限仅15分钟,低温冷脆，脆性转变温度；,第一章 钢结构的材料和计算方法,第三节 钢材的疲劳,第一章

7、钢结构的材料和计算方法,一、概念 疲劳断裂是微观裂纹在连续反复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏.疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。,第一章 钢结构的材料和计算方法,完全对称循环,脉冲循环,第一章 钢结构的材料和计算方法,应力幅,为常量，常幅应力循环,为变量，变幅应力循环,二、常幅疲劳验算 应力幅验算疲劳强度,第一章 钢结构的材料和计算方法,式中：s为标准差，表示lgn的离散程度。,由上式得到常幅疲劳的容许应力幅,规范：,第一章 钢结构的材料和计算方法,第四节 钢材的钢号及选用,钢材种类按用途分为：结构钢 工具钢 特殊钢（如不锈钢）冶炼方法分：转炉钢（氧气顶吹转

8、炉）平炉钢（质量好，成本高）按脱氧方法：沸腾钢 半镇静钢 镇静钢特殊镇静钢按成型方法：轧制钢 锻钢 铸钢按化学成分：碳素钢 合金钢结构中常用普通碳素钢、低合金高强度钢,第一章 钢结构的材料和计算方法,一、钢号常用钢材：普通碳素钢：（按含碳量）分17号，强度由低到高，塑性、韧性降低，常用3号钢。低合金钢：16Mn，15 MnV，16 MnVq,二、供应方法及符号国家标准GB70079，普通碳素钢按保证的项目不同分为三类甲类钢：主要按机械性能供应 A乙类钢：按化学成分供应 B特类钢：机械性能和化学成分 C,第一章 钢结构的材料和计算方法,普通碳素钢标号：钢类 炉种 钢号 浇注方法 A、B、C(平炉

9、)Y（氧气转炉）17 F（沸腾钢）b(半镇静钢)（镇静 钢）,如A3甲类平炉3号镇静钢,普通低合金钢表示：如16Mn前两位数表示其平均含碳量为0.16，主要合金元素为锰。,第一章 钢结构的材料和计算方法,普通碳素钢新标准GB70088,标号：代表屈服点字母 屈服点数值 质量等级 脱氧方法 Q A、B、C、D F（沸腾钢）b(半镇静钢)可省去 Z（镇静钢）TZ（特镇静钢）,如Q235A屈服强度为235 N/mm2，A级镇静钢（3号钢）,第一章 钢结构的材料和计算方法,质量等级分为四级：A级钢：只保证抗拉强度、屈服点、伸长率、必要时可附加冷弯试验要求,化学成分对碳、锰含量可不作为交货条件。B：保证

10、抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯、常温（20）冲击韧性 C：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯、0 冲击韧性 D：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯、20 冲击韧性,低合金钢GB/T159194：,标号：Q 屈服点数值 质量等级（A、B、C、D、E）,E：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯、40 冲击韧性,如Q345(16Mn)、Q390(15 MnV),第一章 钢结构的材料和计算方法,第一章 钢结构的材料和计算方法,三、钢材的选用1.选用原则结构重要性，荷载情况，连接方法，工作 环境，钢板厚度(相同钢号的钢材，钢材越薄，强度越高)。2.设计说明选择钢号，提出机械性能指标fu,fy,伸长率,冷弯

11、性能,冲击韧性，控制化学成分S,P,C含量。3.材料供应Q235-B、C、D保证fu,fy,伸长率,冷弯性能,冲击韧性指标和S,P,C含量，只需选钢号。,第一章 钢结构的材料和计算方法,4.选用条件(1)焊接结构严格控制S,P,C含量。(2)受动载结构(吊车梁，桥梁)应提出冲击韧性指标。(3)低温环境(室外，露天)应提出低温冲击韧性要求。(4)厚板(高层，大跨)应提出Z向性能要求。,第一章 钢结构的材料和计算方法,Q235-A.F不保证冲击韧性指标和C含量，用于非焊接结构；Q235-B.F全保证，可用于焊接结构（t25mm）；Q345保证fu,fy,伸长率,冷弯性能指标和S,P,C含量，只需选

12、钢号并要求冲击韧性指标附加条件；厚板(t40mm)强度低，要求Z向性能，低温条件应特别考虑。,第一章 钢结构的材料和计算方法,第一章 钢结构的材料和计算方法,第五节 轧成钢材的规格,钢板 宽度厚度长度 单位 厚钢板：厚4.560，宽度0.63.0m，薄钢板：厚0.24，主要用于压制冷弯薄壁型钢 扁钢：厚360，宽度10200,第一章 钢结构的材料和计算方法,角钢 等肢角钢：肢宽厚度 单位不等肢角钢：长肢宽短肢宽厚度 100 x10,工字钢工 截面高度a（或b,c）单位 a（或b,c）表示腹板厚度不同，a最薄，以2递增 工 20b,第一章 钢结构的材料和计算方法,H型钢：宽翼缘H型钢：HW 翼缘

13、宽度B与截面高度H相等中翼缘H型钢：HM B=(1/22/3)H窄翼缘H型钢：HN B=(1/31/2)H,T型钢TW,TM,TN,表示方法：HW（HM，HN）截面高度翼缘宽度腹板厚度翼缘厚度,第一章 钢结构的材料和计算方法,槽钢 截面高度a,b,c 单位 20a,钢管 圆钢管：外径厚度 单位,冷弯薄壁型钢L型钢，C型钢，Z型钢，S型钢，压型板等,第一章 钢结构的材料和计算方法,压型钢板，彩钢瓦等,第一章 钢结构的材料和计算方法,第六节 钢结构设计基本方法,一、结构设计的概念1、目标（1）技术先进，安全适用,经济合理，确保质量；（2）承受各种作用，满足功能要求。,第一章 钢结构的材料和计算方法

14、,2、设计方法：容许应力设计法（TJ17-74）极限状态设计法（GB50017-2003,AISC-LRFD,EuroCode 4）,（2）荷载恒载(G)，活载(Q)，风载(W)静载，动载，温度,沉降，地震可变作用，永久作用,（1）使结构产生内力和变形,作用效应，外部因素；,3、荷载效应（S）,第一章 钢结构的材料和计算方法,4、抗力（R）（1）结构承受作用的能力，结构特性；（2）与结构形式、尺寸、材料性能有关。,第一章 钢结构的材料和计算方法,5、功能（1）设计基准期内（2）安全性,适用性,耐久性。,四项基本功能,2.功能函数 Z=R-SZ0，或RS，可靠状态；Z0，或RS，失效状态；Z=0

15、，或R=S，极限状态,第一章 钢结构的材料和计算方法,二、极限状态设计法1.可靠度：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定的功能的概率。,（1）承载能力极限状态 不发生破坏、倒塌、失稳、倾覆；,第一章 钢结构的材料和计算方法,（2）正常使用极限状态 不发生过大变形、振动、裂缝。,第一章 钢结构的材料和计算方法,3、随机变量作用效应和抗力随机分布；标准值，设计值。,第一章 钢结构的材料和计算方法,第一章 钢结构的材料和计算方法,4、可靠度指标可靠概率（Ps），失效概率（Pf），,第一章 钢结构的材料和计算方法,称为可靠度指标,向标准正态分布转换,令,则,钢结构构件,（采用校准法确定）,5、

16、结构安全等级结构重要性分三级（重要、一般、次要）。,第一章 钢结构的材料和计算方法,二、设计表达式1、统计变量：标准值，设计值，分项系数；荷载分项系数：永久荷载分项系数 可变荷载分项系数抗力分项系数恒载SG=gGSGk；活载SQ=gQSQk；抗力R=Rk/gR,第一章 钢结构的材料和计算方法,2、荷载组合：承载能力极限状态正常使用极限状态设计基准期内最不利组合,第一章 钢结构的材料和计算方法,3、一般表达式承载能力极限状态：gG=1.2；gQ=1.4；gR=1.1,yci为荷载组合系数；f 为材料强度设计值。go为结构重要性系数，go=1.1(一级)；go=1.0(二级)；go=0.9(三级)

17、；,第一章 钢结构的材料和计算方法,正常使用极限状态：,钢材强度设计值抗拉、抗弯、抗压、抗剪；按厚度分组已考虑分项系数gR1.1。Q235:f=215N/mm2(t16mm)Q345:f=315N/mm2(t16mm)弹性模量E=206000N/mm2。,第一章 钢结构的材料和计算方法,第一章 钢结构的材料和计算方法,三、结构设计规范 碳素结构钢(GB700-88),低合金高强度结构钢(GB/T1591-94)：材料性能指标；建筑结构荷载规范(GB50009-2001)：活载、风载、雪载标准值、材料自重(实测统计值)；建筑抗震设计规范(GB50011-2001)：地震烈度、地震作用标准值计算、

18、抗震设计；,第一章 钢结构的材料和计算方法,钢结构设计规范(GB50017-2003)：热轧和焊接结构，材料强度、构件设计、连接设计、构造要求；冷弯薄壁型钢结构技术规范(GB50018-2002)：冷弯薄壁结构，材料强度、构件设计、连接设计、构造要求；钢结构工程施工质量验收规范(GB50205-2001)：制作、安装工艺和质量控制要求；钢结构工程质量检验评定标准(GB50221-95)：制作和安装质量、精度指标；正常设计、正常施工、正常使用、正常维护。,第一章 钢结构的材料和计算方法,四、钢结构设计基本过程1、结构方案：结构体系，材料，构件布置；2、荷载计算：恒、活、风、雪、吊车、地震等；3、荷载组合：恒+活、恒+活+风、恒+活+地震等，地震和风作用的方向，吊车不同的位置；4、内力分析：截面估算，结构力学，弹性分析，变形计算；5、构件设计：验算两种极限状态，优化设计；6、构造要求：考虑制作和安装问题，考虑不可计算因素；7、施工详图：保证制作和安装需求。,第一章 钢结构的材料和计算方法,第一章 钢结构的材料和计算方法,五、水工钢结构按容许应力计算方法,由标准荷载求得S 构件几何特性A,W优点：沿用弹性匀质材料的材料力学概念，计算较方便缺点：缺乏明确的结构可靠度概念，安全系数确定比较主观，取单一的设计安全系数；没考虑荷载和材料性能的随机变异性，不能保证各种结构具有比较一致的可靠度。,