鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求 1 較高的抗拉強(qiáng)度f(wàn)u和屈服點(diǎn)fy 2 塑性 沖擊韌性好 3 冷加工性能好 4 可焊性好 5 耐久性好 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料Chapter2MaterialofSteelStructure 2 1鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材的主要機(jī)械性能 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 1 1鋼材單向拉伸時(shí)的工作性能 1 試驗(yàn)條件 a 試件的尺寸要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 表面光滑 沒(méi)有孔洞 刻槽等缺陷 試件的標(biāo)定長(zhǎng)度取其直徑的5或10倍 b 荷載要分級(jí)逐次增加 直到試件破壞 c 試驗(yàn)溫度要控制在室溫20 左右 1 鋼材的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 有屈服點(diǎn)鋼材s e曲線可以分為幾個(gè)階段 a 彈性階段 OA段 單向拉伸應(yīng)力 應(yīng)變曲線 OP段 線彈性階段s EeP點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 fp 比例極限 PA段 有一定的塑性變形 但整個(gè)OB段卸載時(shí) e 0A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 fe 彈性極限 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure b 彈塑性階段 AB 塑性變形 卸載后試件不能完全恢復(fù)原來(lái)的長(zhǎng)度 不能恢復(fù)的這一部分變形稱為塑性變形 屈服點(diǎn) 屈服強(qiáng)度 屈服階段曲線波動(dòng)部分的最低值 特點(diǎn) 應(yīng)力與應(yīng)變不再成正比關(guān)系 應(yīng)變?cè)黾雍芸?應(yīng)力 應(yīng)變曲線呈鋸齒形波動(dòng) 出現(xiàn)應(yīng)力不增加而應(yīng)變?nèi)匀辉诶^續(xù)發(fā)展 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure d 強(qiáng)化階段 CD段 抗拉強(qiáng)度 極限強(qiáng)度 fu試件所能承受的最大拉應(yīng)力 流幅 從屈服階段的開(kāi)始到曲線再度上升的應(yīng)變幅度 c 塑性階段 BC段 特點(diǎn) 應(yīng)力不變 變形持續(xù)增加 形成塑性流動(dòng)現(xiàn)象 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 應(yīng)力 應(yīng)變曲線反映的鋼材性能指標(biāo) 1 屈服點(diǎn)fy應(yīng)力應(yīng)變曲線開(kāi)始產(chǎn)生塑性流動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 取屈服階段波動(dòng)部分的應(yīng)力最低值 它是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的重要指標(biāo) 2 抗拉強(qiáng)度f(wàn)u應(yīng)力應(yīng)變曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 它是鋼材破壞前所能承受的最大應(yīng)力 3 鋼材的塑性當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)后 鋼材能產(chǎn)生顯著的殘余變形 塑性變形 而不立即斷裂的性質(zhì) 塑性好壞可用斷面收縮率 和伸長(zhǎng)率 表示 通過(guò)靜力拉伸試驗(yàn)得到 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 4 伸長(zhǎng)率 試件斷裂后的永久變形與原標(biāo)定長(zhǎng)度的百比 l0 原標(biāo)距長(zhǎng)l1 拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度d0 試件直徑試件有兩種標(biāo)距 l0 d0 5和l0 d0 10相應(yīng)的伸長(zhǎng)率用 5和 10表示 實(shí)際工程中以伸長(zhǎng)率 代表材料的塑性變形能力 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 5 斷面收縮率 是指試件拉斷后 頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分比 式中 A0 試件原來(lái)的斷面面積A1 試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積 斷面收縮率 越大 鋼材的塑性越好 由于在測(cè)量試件的斷面面積時(shí)容易產(chǎn)生較大的誤差 因而鋼材塑性指標(biāo)仍然采用伸長(zhǎng)率作為保證要求 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 3 應(yīng)力 應(yīng)變曲線的簡(jiǎn)化 曲線簡(jiǎn)化的依據(jù) 1 鋼材在屈服點(diǎn)之前的性質(zhì)接近理想的彈性體 2 屈服點(diǎn)之后的流幅現(xiàn)象又接近理想的塑性體 并且流幅的范圍 e 0 15 2 5 已足夠用來(lái)考慮結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的塑性變形的發(fā)展 簡(jiǎn)化的應(yīng)力 應(yīng)變曲線 鋼材是符合理想中的彈性 塑性材料 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 1 2在復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件 能量屈服強(qiáng)度理論材料由彈性轉(zhuǎn)入塑性的強(qiáng)度指標(biāo)用變形時(shí)單位體積中積聚的能量來(lái)表達(dá) 鋼材單元體上的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài) 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 在三向應(yīng)力作用下 鋼材由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)的條件 可以用折算應(yīng)力和鋼材在單向應(yīng)力時(shí)的屈服點(diǎn)相比較來(lái)判斷 用主應(yīng)力 表示時(shí) 有 或 當(dāng)時(shí)鋼材處于彈性階段 時(shí)鋼材處于塑性階段 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 當(dāng)鋼材厚度較薄時(shí) 厚度方向的應(yīng)力很小 ?？珊雎圆挥?jì) 這時(shí)三向應(yīng)力狀態(tài)可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力狀態(tài) 一般梁中只存在正應(yīng)力 和剪應(yīng)力 則上式可寫為 純剪時(shí) 0則有 即鋼材的剪切屈服點(diǎn)是拉伸屈服點(diǎn)fy的0 58倍 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 1 3鋼材的冷彎和沖擊性能 冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo) 1 冷彎性能 鋼材在冷加工 常溫下加工 產(chǎn)生塑性變形時(shí) 對(duì)發(fā)生裂縫的抵抗能力 鑒別指標(biāo) 通過(guò)冷彎沖頭加壓 當(dāng)試件彎曲至180 時(shí) 檢察試件彎曲部分的外面 里面和側(cè)面 如果沒(méi)有裂紋 斷裂或分層 即認(rèn)為試件冷彎性能合格 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 沖擊韌性 韌性鋼材在塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力 用斷裂時(shí)吸收的總能量 彈性和非彈性能 來(lái)表示 韌性指標(biāo)用沖擊韌性值表示 沖擊韌性也叫沖擊功 單位為J 沖擊韌性試驗(yàn)一般采用試件長(zhǎng)55mm 截面10 10mm2 中間一小槽 在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn) 沖斷試件后 讀出擺錘消耗的功 沖擊韌性試驗(yàn) 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 沖擊試驗(yàn)試件的缺口形式?jīng)_擊韌性與試件刻槽 缺口 有關(guān) 常用缺口形式為夏氏V型 夏氏鑰孔型和梅氏U型 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 沖擊試驗(yàn)缺口采用夏氏V型 沖擊試驗(yàn)試件的缺口形式 沖擊韌性還與試驗(yàn)的溫度有關(guān) 我國(guó)鋼材標(biāo)準(zhǔn)中將試驗(yàn)分為四檔 即 20 0 20 和 40 時(shí)的沖擊韌性 溫度越低 沖擊韌性越低 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 3 可焊性 好的可焊性是指焊接安全 可靠 不發(fā)生焊接裂縫 焊接接頭和焊縫的沖擊韌性以及熱影響區(qū)的塑性和力學(xué)性能都不低于母材 影響鋼材可焊性的因素 鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影響 碳含量在0 12 0 20 范圍內(nèi)的碳素鋼 可焊性最好 如Q235B 對(duì)于高強(qiáng)度低合金鋼中 低合金元素大多對(duì)可焊性有不利影響 我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ81 2002 建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程 推薦使用碳當(dāng)量來(lái)衡量低合金鋼的可焊性 當(dāng)碳當(dāng)量小于0 38 鋼材的可焊性好 如Q345 可不采取措施直接施焊 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 鋼材的機(jī)械性能指標(biāo) 1 屈服點(diǎn)fy2 抗拉強(qiáng)度f(wàn)u3 伸長(zhǎng)率 4 斷面收縮率 5 冷彎性能6 沖擊韌性 小結(jié) 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 2鋼材的兩種破壞形式 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 3影響鋼材性能的主要因素 1938 1950年 在 14 C左右的冬季條件下 比利時(shí)共有14座大橋斷裂 1954年11月 英國(guó)制造的32000t油船 世界協(xié)和號(hào) 在海浪4 5m 6m大海中航行時(shí)船底斷裂 事故原因 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 3影響鋼材性能的主要因素 2 3 1化學(xué)成份的影響 鋼材的化學(xué)成分直接影響鋼的組織構(gòu)造 從而影響鋼材的力學(xué)性能 建筑鋼材主要是碳含量不大于0 22 的普通碳素鋼和普通低合金鋼 鐵 Fe 是鋼材的基本元素 普通碳素鋼中占99 此外還有碳 C 硅 Si 錳 Mn 等有益元素 及硫 S 磷 P 氧 O 氮 N 等有害元素 這些總含量不大 約1 但對(duì)鋼材力學(xué)性能卻有很大影響 低合金鋼中有 5 的合金元素 如銅 Cu 釩 V 鈦 Ti 鉻 Cr 等 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 碳 C 形成鋼材強(qiáng)度的主要成分 隨其含量增加 強(qiáng)度增加 塑性和韌性降低 可焊性和抗腐蝕性降低 脆性增加 低溫脆斷危險(xiǎn)增加 碳含量小于0 1 或大于0 3 時(shí) 鋼材沒(méi)有明顯屈服點(diǎn) 鋼結(jié)構(gòu)一般控制在0 25 以下 焊接結(jié)構(gòu)0 12 0 2 2 硫 S 鋼材中的有害元素 具有熱脆性 溫度達(dá)到800 1000 時(shí) 硫化鐵會(huì)熔化使鋼材變脆 從而引發(fā)熱裂紋 規(guī)范規(guī)定結(jié)構(gòu)用鋼中硫的含量不得超過(guò)0 055 焊接結(jié)構(gòu)不允許超過(guò)0 05 3 氧 O 有害雜質(zhì) 與S相似 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 4 磷 P 磷在一定程度上可提高鋼的強(qiáng)度和抗銹蝕的能力 鋼材中的有害元素 具有冷脆性 溫度較低時(shí)促使鋼材變脆 降低鋼材的塑性 韌性 可焊性 因此 磷的含量也要嚴(yán)格控制 規(guī)范中規(guī)定不得超過(guò)0 05 焊接結(jié)構(gòu)中不允許超過(guò)0 045 5 氮 N 有害雜質(zhì) 與P相似 含量規(guī)定不得超過(guò)0 008 6 錳 Mn 有益元素 在普通碳素鋼中 是一種弱脫氧劑 可提高鋼材強(qiáng)度 與S形成MnS 熔點(diǎn)1600 可以消除硫?qū)︿摬牡臒岽嘤绊?7 硅 Si 有益元素 在普通碳素鋼中 是一種強(qiáng)脫氧劑 常與錳共同除氧 生成鎮(zhèn)靜鋼 含量應(yīng)控制在0 1 0 3 之內(nèi) 8 釩 V 有益合金元素 細(xì)化晶粒 提高強(qiáng)度 其碳化物具有高溫穩(wěn)定性 適用于受荷較大的焊接結(jié)構(gòu) 9 銅 Cu 屬雜質(zhì) 提高抗銹蝕性 提高強(qiáng)度 對(duì)可焊性有影響 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 3 2冶金缺陷的影響 1 偏析金屬結(jié)晶后化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象 主要是硫 磷偏析 其后果是偏析區(qū)鋼材的塑性 韌性 可焊性變壞 3 裂紋鋼材中存在的微觀裂紋 2 非金屬夾雜指鋼材中的非金屬化合物 如硫化物 氧化物 他們使鋼材性能變脆 4 氣孔澆鑄時(shí)由FeO和C作用所生成的CO氣體不能充分逸出而滯留在鋼錠那形成的微小空洞 5 分層澆鑄時(shí)的非金屬夾雜在軋制后可能造成鋼材的分層 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 3 3鋼材的硬化影響 冷作硬化 應(yīng)變硬化 在冷加工或一次加載使鋼材產(chǎn)生較大的塑性變形的情況下 卸載后再重新加載 鋼材的屈服點(diǎn)提高 塑性和韌性降低的現(xiàn)象 時(shí)效硬化隨著時(shí)間的增加 純鐵體中有一些數(shù)量極少的碳和氮的固熔物質(zhì)析出 使鋼材的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度提高 塑性和韌性下降的現(xiàn)象 應(yīng)變時(shí)效硬化鋼材產(chǎn)生一定數(shù)量的塑性變形后 鐵素體晶體中的固溶碳和氮更容易析出 從而使已經(jīng)冷作硬化的鋼材又發(fā)生時(shí)效硬化現(xiàn)象 在高溫作用下會(huì)快速發(fā)展 人工時(shí)效 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 硬化對(duì)鋼材性能的影響 時(shí)效硬化 應(yīng)變時(shí)效 應(yīng)變硬化 提高鋼材的強(qiáng)度 但塑性和韌性嚴(yán)重下降 脆性增加 鋼結(jié)構(gòu)中不采用鋼材硬化提高鋼材的強(qiáng)度 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 3 4溫度的影響 正溫范圍 1 溫度在150 以內(nèi) 鋼材材質(zhì)變化很小 鋼結(jié)構(gòu)可用于溫度不高于150 的場(chǎng)合 2 溫度在250 左右的區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象 fu有局部性提高 同時(shí)塑性降至最低 材料有轉(zhuǎn)脆傾向 3 當(dāng)溫度達(dá)到600 時(shí) 鋼材進(jìn)入熱塑性狀態(tài) 強(qiáng)度下降嚴(yán)重 將喪失承載能力 負(fù)溫范圍 隨著溫度的降低 鋼材的強(qiáng)度提高 而塑性和韌性降低 逐漸變脆 稱為鋼材的低溫冷脆 鋼材的沖擊韌性對(duì)溫度的降低十分敏感 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 3 5應(yīng)力集中的影響 應(yīng)力集中現(xiàn)象 構(gòu)造缺陷 構(gòu)件表面不平整 有刻槽 缺口 厚度突變等 應(yīng)力集中 由于構(gòu)造缺陷 應(yīng)力不均勻 力線變曲折 缺陷處有高峰應(yīng)力 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 2 3 5應(yīng)力集中的影響 構(gòu)造缺陷 構(gòu)件表面不平整 有刻槽 缺口 厚度突變等 應(yīng)力集中 由于構(gòu)造缺陷 應(yīng)力不均勻 力線變曲折 缺陷處有高峰應(yīng)力 應(yīng)力集中的危害 塑性降低 脆性增加 構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免截面突變和尖銳角的情況 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 不同槽口試件靜力拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力 應(yīng)變曲線 應(yīng)力集中對(duì) 曲線關(guān)系的影響 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 3 6鋼材的疲勞 1疲勞破壞的特征 在每一個(gè)循環(huán)中 Ds smax smin稱為應(yīng)力幅 此處smax為最大拉應(yīng)力 smin為最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力 拉應(yīng)力取正號(hào)而壓應(yīng)力取負(fù)號(hào) smax smin 應(yīng)力比 循環(huán)應(yīng)力中最小的峰值應(yīng)力smin與最大的峰值應(yīng)力smax之比 r smin smax 拉應(yīng)力取正號(hào)而壓應(yīng)力取負(fù)號(hào) r 1 完全對(duì)稱循環(huán) r 0 脈沖循環(huán) r 1 靜力荷載作用 循環(huán)荷載 隨時(shí)間而變化的荷載 如吊車荷載 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 定義 鋼材在持續(xù)循環(huán)荷載作用下 微觀裂縫不斷擴(kuò)展直至斷裂的脆性破壞 疲勞破壞時(shí)應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度 甚至低于屈服強(qiáng)度 疲勞破壞的原因 鋼材中存在一些局部缺陷 在荷載作用下 缺陷處的截面上應(yīng)力分布不均 形成應(yīng)力集中現(xiàn)象 在應(yīng)力高峰附近出現(xiàn)微觀裂紋 而在循環(huán)荷載作用下 微觀裂紋不斷擴(kuò)展 逐漸形成宏觀裂紋 裂紋處的應(yīng)力集中現(xiàn)象更嚴(yán)重 在應(yīng)力高峰附近形成雙向或三向同號(hào)拉應(yīng)力場(chǎng) 使鋼材的削弱處的截面就會(huì)發(fā)生脆性斷裂破壞 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 破壞特點(diǎn) 1 疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力小于鋼材的屈服強(qiáng)度 鋼材的塑性還沒(méi)有展開(kāi) 屬于脆性破壞 3 疲勞對(duì)缺陷十分敏感 2 斷口特征 具有光滑和粗糙的兩個(gè)區(qū)域 破壞過(guò)程 裂紋的形成 裂紋的擴(kuò)展 最后的迅速斷裂而破壞 實(shí)驗(yàn)證明疲勞強(qiáng)度與靜力強(qiáng)度f(wàn)y無(wú)明顯關(guān)系 影響疲勞強(qiáng)度的最主要因素是構(gòu)造狀況 應(yīng)力集中程度 殘余應(yīng)力 作用的應(yīng)力幅 及循環(huán)荷載的循環(huán)次數(shù) 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2常幅疲勞 當(dāng)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅保持常量時(shí) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) n 疲勞壽命 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力變化次數(shù) 大量疲勞試驗(yàn)證明 應(yīng)力幅與疲勞壽命n之間呈下圖關(guān)系 1 應(yīng)力幅值越低 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)就越多 疲勞壽命也越高 2 當(dāng)應(yīng)力幅值減小到一定程度時(shí) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)趨向無(wú)窮大 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 應(yīng)力幅 與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n 疲勞壽命 的關(guān)系 容許應(yīng)力幅 的定義 1 應(yīng)力幅 循環(huán)次數(shù) 紅色實(shí)線所示 關(guān)系曲線為試驗(yàn)回歸曲線 反應(yīng)了平均值之間的關(guān)系 2 容許應(yīng)力幅的表達(dá)式 3 式中 系數(shù) C根據(jù) 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 疲勞計(jì)算的構(gòu)件和連接分類 查表得到 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 疲勞計(jì)算采用容許應(yīng)力幅法 當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n 5 104時(shí)需疲勞驗(yàn)算 常幅疲勞的計(jì)算公式 標(biāo)準(zhǔn)荷載下的設(shè)計(jì)應(yīng)力幅 對(duì)于焊接部位的設(shè)計(jì)應(yīng)力幅 max min 對(duì)于非焊接部位的折算應(yīng)力幅 max 0 7 min max每次應(yīng)力循環(huán)中 計(jì)算部位的最大拉應(yīng)力 取正值 min每次應(yīng)力循環(huán)中 計(jì)算部位的最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力 拉應(yīng)力取正值 壓應(yīng)力取負(fù)值 常幅疲勞的容許應(yīng)力幅 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 計(jì)算 max min時(shí) 按荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算 不考慮動(dòng)力系數(shù) 同時(shí)不考慮恒載 注意 以上計(jì)算 只適用于常溫下 且無(wú)強(qiáng)烈腐蝕性環(huán)境中 否則 應(yīng)按有關(guān)規(guī)定執(zhí)行 3吊車梁疲勞計(jì)算 未知變幅荷載循環(huán)規(guī)律 受變幅循環(huán)荷載作用 若沒(méi)有測(cè)到或無(wú)法預(yù)測(cè)荷載循環(huán)規(guī)律 按常幅疲勞計(jì)算 f 2 106 在計(jì)算部位的設(shè)計(jì)應(yīng)力幅 最大應(yīng)力幅 2 106 循環(huán)次數(shù)n 2 106次的容許應(yīng)力幅 f 欠載效應(yīng)的系數(shù) 查表 考慮實(shí)際變幅荷載有時(shí)出現(xiàn)低于設(shè)計(jì)應(yīng)力幅的情況 此計(jì)算適合于重級(jí)工作制吊車梁 重級(jí) 中級(jí)工作制吊車桁架的疲勞計(jì)算 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 疲勞破壞中一些值得注意的問(wèn)題 1 疲勞驗(yàn)算采用的是容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法 而不是以概率論為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法 這主要是因?yàn)楹附訕?gòu)件焊縫周圍的力學(xué)性能非常復(fù)雜 目前還沒(méi)有較好試驗(yàn)或數(shù)值方法對(duì)其進(jìn)行以概率論為基礎(chǔ)的研究 2 對(duì)于只有壓應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)作用 由于鋼材內(nèi)部缺陷不易開(kāi)展 則不會(huì)發(fā)生疲勞破壞 不必進(jìn)行疲勞計(jì)算 3 國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)證明 大多數(shù)焊接連接類別的疲勞強(qiáng)度不受鋼材強(qiáng)度的影響 故可認(rèn)為疲勞容許應(yīng)力幅與鋼種無(wú)關(guān) 4 提高疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的措施 采取合理構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 盡可能減少應(yīng)力集中 嚴(yán)格控制施工質(zhì)量 減小初始裂紋尺寸 采取必要的工藝措施如打磨 敲打等 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 鋼材的生產(chǎn) 鋼材的生產(chǎn)大致分為煉鐵 煉鋼和軋制三道工序 電爐鋼是利用電熱原理 在電弧爐內(nèi)冶煉 質(zhì)量好 但耗電量大 成本高 一般只用來(lái)冶煉特種用途的鋼材 煉鋼爐有三種形式 轉(zhuǎn)爐 平爐和電爐 轉(zhuǎn)爐鋼是利用高壓空氣或氧氣使?fàn)t內(nèi)生鐵熔液的碳和其它雜物氧化 在高溫下使鐵液變?yōu)殇撘?生產(chǎn)周期短 效率高 質(zhì)量好 成本低 已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外發(fā)展最快的煉鋼方法 平爐鋼是利用煤氣和其它燃料供應(yīng)熱能 把廢鋼 生鐵熔液或鑄鐵塊和不同的合金元素等冶煉成各種用途的鋼 生產(chǎn)周期長(zhǎng) 效率低 成本高 現(xiàn)已逐步被轉(zhuǎn)爐鋼所取代 1 煉鋼 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 鋼液中殘留的氧 將使鋼材晶粒粗細(xì)不均勻并發(fā)生熱脆 降低鋼材的力學(xué)性能 按照鋼液在煉鋼爐中進(jìn)行脫氧的方法和程度不同 碳素結(jié)構(gòu)鋼可分為沸騰鋼 半鎮(zhèn)靜鋼 鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼 3 脫氧 澆注是指把熔煉好的鋼液做成鋼錠或鋼坯 用連續(xù)鑄造法生產(chǎn)鋼坯的工藝和設(shè)備 由于機(jī)械化 自動(dòng)化程度高的優(yōu)勢(shì) 已經(jīng)逐漸取代了笨重而復(fù)雜的鑄錠工藝和設(shè)備 2 澆注 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 在錳和硅脫氧后 再用鋁補(bǔ)充脫氧 其脫氧程度高于鎮(zhèn)靜鋼 沸騰鋼 采用的脫氧劑為脫氧能力較弱的錳 因此脫氧不完全 且澆注時(shí)會(huì)有氣體逸出 出現(xiàn)鋼液的沸騰現(xiàn)象 由于沸騰鋼在鑄模中冷卻很快 氣體逸出不完全 凝固后的鋼材中留有較多的雜質(zhì)和氣體 鋼的質(zhì)量較差 鎮(zhèn)靜鋼 采用錳加硅做脫氧劑 脫氧較完全 由于硅在還原的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量 使鋼液冷卻緩慢 讓氣體充分逸出 鋼的質(zhì)量好 但成本高 半鎮(zhèn)靜鋼 特殊鎮(zhèn)靜鋼 脫氧程度和鋼材質(zhì)量介于上述二者之間 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 4 加工 熱加工 冷加工和熱處理 熱處理指通過(guò)加熱 保溫 冷卻的操作方法 使鋼材的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 以獲得所需性能的加工工藝 退火 正火 淬火和回火 熱加工指將鋼坯加熱至塑性狀態(tài) 依靠外力改變其形狀 生產(chǎn)出各種厚度的鋼板和型鋼 熱加工的開(kāi)軋和鍛壓溫度控制在1150 1300 冷加工指在常溫下對(duì)鋼材進(jìn)行加工 冷作硬化現(xiàn)象 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 4建筑用鋼種類 規(guī)格和選用 2 4 1建筑用鋼的種類 1 碳素結(jié)構(gòu)鋼 GB T700 1988 碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)是按屈服點(diǎn)的字母 屈服點(diǎn)數(shù)值 質(zhì)量等級(jí)符號(hào) 脫氧方法符號(hào)的順序排列 如Q235 A F屈服點(diǎn)的字母 Q屈服點(diǎn)數(shù)值 195 215 235 255 275質(zhì)量等級(jí)符號(hào) 共分為A B C D四級(jí)A級(jí)質(zhì)量最差 D級(jí)質(zhì)量最好 強(qiáng)度低塑性 韌性差 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 脫氧方法 沸騰鋼 F 鎮(zhèn)靜鋼 Z 半鎮(zhèn)靜鋼 B 特殊鎮(zhèn)靜鋼 TZ A B級(jí)鋼 脫氧方法有F BC級(jí)鋼 脫氧方法只有Z 可省略不寫D級(jí)鋼 脫氧方法只有TZ 可省略不寫 A 供方保證fy fu 及Si S P含量 C Mn含量不作為交貨條件 C 0 2 B 供方保證fy fu C 冷彎性能及C S Mn D Si P含量 C 0 20 另 20 的沖擊韌性 另0 的沖擊韌性 另 20 的沖擊韌性 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 GB T1591 1994 a 含碳量均不大于0 20 強(qiáng)度的提高主要依靠添加少量幾種合金元素來(lái)達(dá)到 但合金元素的總量低于5 c 牌號(hào)為Q345 Q390 Q420的鋼材都有較高的強(qiáng)度和較好的塑性 韌性和焊接性能 被 規(guī)范 選為承重結(jié)構(gòu)用鋼 b 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)命名與碳素結(jié)構(gòu)鋼相似 只是質(zhì)量等級(jí)分為A B C D E五等 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼采用的脫氧方法均為鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼 故可不加脫氧方法的符號(hào) 每一級(jí)的質(zhì)量保證項(xiàng)目類似碳素結(jié)構(gòu)鋼 A級(jí)鋼應(yīng)進(jìn)行冷彎試驗(yàn) E級(jí)質(zhì)量保證項(xiàng)目同B C D 另外還要保證 40 的AKV 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 3 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 GB T699 1988 a 磷 硫等有害元素的含量均不大于0 035 對(duì)于其他缺陷的限制也較嚴(yán)格 b 主要用作制造冷拔高強(qiáng)鋼絲 高強(qiáng)螺栓以及自攻螺釘?shù)?鋼號(hào) 如45或45Mn 前面兩位數(shù)表示含C量的萬(wàn)分?jǐn)?shù) 前者表示含Mn量較少 后者表示含Mn量較多 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 4 2鋼材的選擇 1 選擇鋼材的原則安全可靠 經(jīng)濟(jì)合理 為了保證承重結(jié)構(gòu)的承載能力 防止出現(xiàn)脆性破壞 在選擇鋼材時(shí)應(yīng)具體考慮以下因素 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性 荷載性質(zhì) 連接方法 工作環(huán)境等 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure a 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性對(duì)于重要的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件 框架的橫梁 桁架 屋面樓面的大梁等 應(yīng)采用質(zhì)量較高的鋼材 b 荷載特征靜力荷載作用下可選擇經(jīng)濟(jì)性較好的Q235鋼材 動(dòng)力荷載作用下應(yīng)選擇綜合性能較好的鋼材 c 連接方式焊接結(jié)構(gòu)對(duì)材質(zhì)的要求嚴(yán)格 應(yīng)嚴(yán)格控制C S P的極限含量 非焊接結(jié)構(gòu)對(duì)C的要求可降低一些 d 工作環(huán)境處于低溫下工作的結(jié)構(gòu) 應(yīng)選擇抗脆性破壞能力強(qiáng)的鋼材 防止鋼材的冷脆硬化導(dǎo)致的脆性破壞 表2 6 8國(guó)內(nèi)外鋼材牌號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 4 3鋼材的規(guī)格 鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼材主要有熱軋成型的鋼板和型鋼 以及冷加工成型的冷軋薄鋼板和冷彎薄壁型鋼 1 熱軋鋼板 a 分為厚鋼板 薄鋼板和扁鋼 b 表示方法 在符號(hào) 后加 寬度 厚度 長(zhǎng)度 c 供應(yīng)規(guī)格 單位 mm 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 2 熱軋型鋼 常用的熱軋型鋼有角鋼 工字鋼 槽鋼 鋼管等 a 角鋼1 分為等邊和不等邊兩種 2 表示方法為在符號(hào) 后加 長(zhǎng)邊寬 短邊寬 厚度 對(duì)不等邊角鋼 或加 邊長(zhǎng) 厚度 對(duì)等邊角鋼 3 我國(guó)生產(chǎn)的角鋼最大邊長(zhǎng)為200mm 角鋼的供應(yīng)長(zhǎng)度一般為4 19m 肢寬度 肢厚度 等邊角鋼 長(zhǎng)肢寬度 短肢寬度 肢厚度 不等邊角鋼 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure b 工字鋼 1 分為普通工字鋼 輕型工字鋼和H型工字鋼三種 3 H型鋼的基本類型分為寬翼緣 HW 中翼緣 HM 和窄翼緣 HN 三類 表示方法為在代號(hào)后加 高度 寬度 腹板厚度 翼緣厚度 2 普通工字鋼的型號(hào)用符號(hào) 工 后面加截面高度的厘米數(shù)表示 20號(hào)以上的工字鋼 又按腹板的厚度不同 分為a b c等類別 輕型工字鋼的表示方法同普通工字鋼 4 普通工字鋼的型號(hào)為10 63號(hào) 輕型工字鋼的型號(hào)為10 70號(hào) 供應(yīng)長(zhǎng)度為5 19m 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure c 槽鋼 1 分為普通槽鋼和輕型槽鋼兩種 2 表示方法和工字鋼相似 3 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的最大型號(hào)為 40c 供應(yīng)長(zhǎng)度為5 19m d 鋼管 1 分為無(wú)縫鋼管和焊接鋼管兩種 2 型號(hào)可用代號(hào) D 后加 外徑 壁厚 表示 3 國(guó)產(chǎn)熱軋無(wú)縫鋼管的最大外徑可達(dá)630mm 供應(yīng)長(zhǎng)度為3 12m 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 3 冷彎薄壁型鋼和壓型鋼板 冷彎薄壁型鋼 壁厚1 5 6mm 和壓型鋼板 壁厚0 4 1 6mm 截面形式和尺寸均可按受力特點(diǎn)合理設(shè)計(jì) 能充分利用鋼材的強(qiáng)度 達(dá)到節(jié)約鋼材的目的 在國(guó)內(nèi)外輕鋼建筑結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 6 4鋼材選擇的建議 1 承重結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用Q235鋼 Q345鋼 Q390鋼和Q420鋼 其質(zhì)量應(yīng)分別符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 碳素結(jié)構(gòu)鋼 GB T700和 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 GB T1591的規(guī)定 當(dāng)采用其他牌號(hào)的鋼材時(shí) 應(yīng)符合相應(yīng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求 2 承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度 伸長(zhǎng)率 屈服強(qiáng)度和硫 磷含量的合格保證 對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尚具有含碳量的合格保證 3 對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)和非焊接結(jié)構(gòu) 應(yīng)具有沖擊韌性的合格保證 表2 6 6 第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Chapter2MaterialofSteelStructure 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure 4 重要的受拉或受彎的焊接構(gòu)件中 厚度大于等于1