《钢结构的材》PPT课件

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1、第 二 章 钢结构的材料 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 第 二 章 钢结构的材料 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

2、，是学习钢结构课程的重要内容。 第 二 章 钢结构的材料 DE颈缩阶段 BC屈服阶段 AB弹塑性阶段 CD应变硬化阶段 OA弹性阶段 低碳钢拉伸曲线示意图 f y屈服点 伸长率 f u抗拉强度 第二节 2.1.1 钢材在单向均匀受拉时的工作性能 第 二 章 钢结构的材料 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！ O f y O f y 0. 2% 残余应变 理想材料的 -曲线 钢材的条件屈服点 第二节 第 二 章 钢结构的材料 第 二 章 钢结构的材料 %1 00 0 10 A AA 截面收缩率：标志着钢材颈缩区在三向拉应 力状态下的最大 塑性

3、变形能力。 A0 原横截面积 A1 发生拉断后，断口处横截面积 第二节 第 二 章 钢结构的材料 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。 第 二 章 钢结构的材料 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： 第 二 章 钢结构的材料 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

4、作用时，屈服条件为： 因此剪切屈服强度为： 即剪应力达到屈服点的 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。 第 二 章 钢结构的材料 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

5、）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 第 二 章 钢结构的材料 10 10 55 1 1 1-1 R=0.2 5 2 45 o 冲击韧度试验示意图 带缺口的试件 （ 夏 氏 ） V 型 缺 口 第二节 第 二 章 钢结构的材料 冷弯试验 又称弯曲试验，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 第 二 章 钢结构的材料 d t d+2. 1

6、t a 标准试件厚度 冲头弯心直径 a 达到 180o,试 验完毕，检查 数据。 冷 弯 试 验 示 意 图 第二节 第 二 章 钢结构的材料 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 第 二 章 钢结构的材料 2.2 钢材的两种破坏形式 钢材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

7、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 。 第 二 章 钢结构的材料 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。 第 二 章 钢结构的材料 有害 元素： 硫 (S) 磷 (P) 氧 (O) 氮 (N) 氢 (H

8、)是冶炼过程中留 在钢中的杂质，含量高时可分别使钢 热脆 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

9、控制其含量，详见规范。 2.3.1 化学成分的影响 第 二 章 钢结构的材料 碳素结构钢按含碳量多少分为三类： 低碳钢：（含碳量不大于 0.25%） 中碳钢：（含碳量 0.25% 0.60%） 高碳钢：（含碳量不低于 0.60%） 第 二 章 钢结构的材料 化学元素 强度 硬度 塑性 韧性 可焊性 其 他 碳（ C） 1% 冷 脆 性 锰（ Mn） 脱氧、硫剂 钛（ Ti） 强脱氧剂 钒（ V) 时效 磷（ P） 偏析、冷脆 氮（ N） 冷脆性 硫（ S） 氧（ O） 表 化学元素对钢材性能的影响 第 二 章 钢结构的材料 钢结构设计中常用五种数据： 钢材的质量密度： =7850kg/m3=7

10、6.98kN/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 。 第 二 章 钢结构的材料 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。 第 二 章 钢结构的材料 1 炉种 我国建筑钢材采用平炉、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

11、后形成钢锭，此过程称为浇注。 3 轧制 钢材成品是由钢锭在 1200 1300 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。 第 二 章 钢结构的材料 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） 、 沸 腾钢（ F） 。 冶金缺陷有偏析、非金

12、属杂质、气孔及裂纹等； blast furnace at night 第 二 章 钢结构的材料 (A)沸腾钢 (B)镇静钢 第 二 章 钢结构的材料 第 二 章 钢结构的材料 第 二 章 钢结构的材料 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 800 1200 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。 第

13、二 章 钢结构的材料 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

14、强度和抗脆断能力。 第 二 章 钢结构的材料 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。 第 二 章 钢结构的材料 第 二 章 钢结构的材料

15、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，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：

16、随温度 的降低，强度略有提高，塑性、韧性显著下降，脆性 增加。 2.3.4温度影响 第 二 章 钢结构的材料 2.3.5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。 第 二 章 钢结构的材料 2.4 钢材的种类、选择及规格 2.4.1 钢材的品种和标号

17、 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-A F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。 第 二 章 钢结构的材料 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%时为低合 金钢，高于 5%时为高合金钢。 第 二 章 钢结构的材料 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

18、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。 第 二 章 钢结构的材料 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： 同样的缺陷对拉应力比压应力影响更大。 1.钢材的选择

19、第 二 章 钢结构的材料 2. 钢材的选用 第 二 章 钢结构的材料 2.4.3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 600 10 12000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。 第 二 章 钢结构的材料 第 二 章 钢结构的材料 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。

20、 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。 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。 第 二 章 钢结构的材料 第 二 章 钢结构的材料 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。

21、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。 第 二 章 钢结构的材料 第 二 章 钢结构的材料 型钢的储存 第 二 章 钢结构的材料 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

22、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。 第 二 章 钢结构的材料 Slab cutoff 板的切割 第 二 章 钢结构的材料 Soaking 热处理 第 二 章 钢结构的材料 压 型 钢 板 制 作 片 段 第 二 章 钢结构的材料 热轧 H型钢的切割片段 第 二 章 钢结构的材料 1.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）； 2.在同一项工程中选用的型钢、钢板规格不宜过多； 3.一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； 4.规格或材料代用时应严格审查确认其材质、性

23、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 第 二 章 钢结构的材料 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 缓慢扩展与最后迅速断裂。 钢材的疲劳破坏 第 二 章 钢结构的材料 疲劳破坏的构件断口上面一部分呈现半

24、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。 第 二 章 钢结构的材料 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。 =max min称为应力幅 ，表示应力变化的幅度。应

25、力幅总 为正值（拉 “ +”，压 “ ” ）。 第 二 章 钢结构的材料 2. 关于 n曲线 第 二 章 钢结构的材料 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。 第 二 章 钢结构的材料 我国 规范 将构件和连接分为八类，一类是没有

26、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级别无关，因为它们带来的影响 不大，已经略去。 第 二 章 钢结构的材料 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 n 105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

27、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，而疲劳试验中已包含了动力的影响。 3. 疲劳验算 第 二 章 钢结构的材料 常幅疲劳按下式进行验算 : （ 1.20） 式中 : 对焊接结构为应力幅 =max min；对 非焊接部位为计算应力幅 =max 0.7min，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

28、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。 第 二 章 钢结构的材料 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 。 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

29、 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 =2 106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： 6102 f f 6102 第 二 章 钢结构的材料 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