1、第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.1 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)用材的要求 2.2鋼材的破壞形式 2.3鋼材的主要性能及其鑒定 2.4影響鋼材性能的因素 2.6鋼材的疲勞破壞和疲勞計(jì)算 2.7 鋼材的種類、選用和型鋼規(guī)格,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.1 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)用材的要求,較高的強(qiáng)度,2.1 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)用材的要求,足夠的變形能力，塑性、韌性好具有,良好的加工性能（包括冷加工、熱加工和可焊性）,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）規(guī)定： 承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材還應(yīng)具有冷彎試

2、驗(yàn)的合格保證。需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材，應(yīng)具有常溫或負(fù)溫沖擊韌性的合格保證。對(duì)需要驗(yàn)算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證。 規(guī)范推薦的鋼種為Q235、Q345、Q390、Q420,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.2 鋼材的破壞形式,塑性破壞：破壞前有明顯的變形，破壞歷時(shí)時(shí) 間長，可以采取補(bǔ)救措施。,2.2 鋼結(jié)構(gòu)的破壞形式,脆性破壞：破壞前沒有明顯的變形，破壞發(fā)生 突然，沒有機(jī)會(huì)補(bǔ)救。,脆性破壞的原因：鋼材內(nèi)部缺陷，焊接缺陷、構(gòu)造 不合理、使用不當(dāng)?shù)取?應(yīng)盡量發(fā)揮材料的塑性 避免一切脆性破壞的可能性,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.2 鋼材的主要性能及其鑒定,1、單向拉伸時(shí)的工作性能,

3、2.3 鋼材的主要性能及其鑒定,強(qiáng)度指標(biāo)是由鋼材的單向均勻受拉試驗(yàn)測得的,強(qiáng)度指標(biāo)：比例極限 ；屈服強(qiáng)度 ；極限強(qiáng)度,試驗(yàn)條件：標(biāo)準(zhǔn)試件在常溫（20）下緩慢加載， 一次完成,2.3.1、鋼材的力學(xué)性能,return,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.2 鋼材的主要性能及其鑒定,鋼材在單向均勻受拉時(shí)工作性能表現(xiàn)為四個(gè)階段,彈性階段: 應(yīng)力最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)比例極限 彈性模量 應(yīng)力,2. 彈塑性階段: 應(yīng)力介于 和 之間 彈塑性模量 是變數(shù),3. 塑性階段: 應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度,4. 強(qiáng)化頸縮階段: 應(yīng)力最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)抗拉極限,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.2 鋼材的主要性能及其鑒定,鋼材的工作性能可以看作理想彈性塑性體,

4、1. 計(jì)算簡便,2. 與 相差不大,3. 雖然 ，但 對(duì)應(yīng) 的應(yīng)變非常大（不滿足正 常使用極限狀態(tài)）,4. 以 作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的依據(jù)，具有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備， 若出現(xiàn)偶然因素，使人們有機(jī)會(huì)補(bǔ)救,屈強(qiáng)比 ：Q235鋼為0.57，Q345鋼為0.67,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.2 鋼材的主要性能及其鑒定,簡化計(jì)算, 采用理想彈塑性模型,作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大應(yīng)力,作為鋼材實(shí)際破壞強(qiáng)度,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.2 鋼材的主要性能及其鑒定,2、塑性性能,塑性：在靜力荷載作用下，鋼材吸收變形能的能力,衡量塑性性能的指標(biāo)：伸長率,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.2 鋼材的主要性能及其鑒定,3、冷彎性能,冷彎性能是檢驗(yàn)

5、鋼材適應(yīng)冷加工（常溫下加工） 的能力和顯示鋼材內(nèi)部缺陷狀況的一項(xiàng)指標(biāo),冷彎性能是考察鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)展塑性 變形能力的指標(biāo),冷彎性能由冷彎試驗(yàn)確定,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),return,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.2 鋼材的主要性能及其鑒定,4、沖擊韌性,沖擊韌性：在動(dòng)力荷載作用下，材料吸收能量的能力,衡量沖擊韌性的指標(biāo)：沖擊功,韌性是鋼材強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo),沖擊韌性受溫度的影響,return,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.2 鋼材的主要性能及其鑒定,2.3.2、 可焊性,可焊性指采用一般焊接工藝就可完成合格的焊縫的性能,可焊性受化學(xué)成分的影響比較大,碳當(dāng)量：,

6、衡量低合金鋼的可焊性的計(jì)算,0.38焊接性能一般,=0.380.45焊接性能較難,0.45焊接性能難,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.2 鋼材的主要性能及其鑒定,鋼材物理性能指標(biāo),彈性模量 泊松比 剪變模量 線膨脹系數(shù) 質(zhì)量密度,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.3 影響鋼材性能的因素,2.4.1、化學(xué)成分,2.4 影響鋼材性能的因素,普通碳素鋼中Fe占99%，其他雜質(zhì)元素占1% 普通低合金鋼中有5%的合金元素,碳（C）：鋼材強(qiáng)度的主要來源，但是隨其含量增加，強(qiáng)度增 加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蝕性降低。一般 控制在0.120.2%，在0.2以下時(shí)，可焊性良好,硫（S）：熱脆性，不得超過0.05%,磷（P

7、）：冷脆性。抗腐蝕能力略有提高，可焊性降低。 不得超過0.045%,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.3 影響鋼材性能的因素,錳（Mn）：合金元素。弱脫氧劑。與S形成MnS，熔點(diǎn)為 1600，可以消除一部分S的有害作用。,硅（Si）：合金元素。強(qiáng)脫氧劑。,氧（O）：有害雜質(zhì)，效果同S。,氮（N）：有害雜質(zhì)，效果同P。,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.4.2、冶金缺陷,常見的冶金缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋等。 偏析化學(xué)成分分布的不均勻程度。,2.4.3、加荷速度,1材性試驗(yàn)要求緩慢加載 2要考慮動(dòng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響,加荷速度高，鋼材屈服點(diǎn)提高，呈脆性。因此，,2.3 影響鋼材性能的因素,第二章 鋼結(jié)

8、構(gòu)的材料,鋼材硬化,冷作硬化當(dāng)加載超過材料比例極限卸載后，出現(xiàn)殘余變形，再次加載則屈服點(diǎn)提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象，也稱“應(yīng)變硬化”,應(yīng)變時(shí)效鋼材產(chǎn)生塑性變形時(shí)，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同時(shí)可以加速時(shí)效硬化，因此也稱“人工時(shí)效”。,時(shí)效硬化隨時(shí)間的增長，碳和氮的化合物從晶體中析出，使材料硬化的現(xiàn)象。,2.3 影響鋼材性能的因素,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.4.4、溫度的影響,1. 正溫范圍,100以內(nèi) 對(duì)鋼材性能無影響；,100以上 隨溫度升高，總的趨勢是強(qiáng)度、彈性模量降低， 塑性增大,250左右 抗拉強(qiáng)度略有提高，塑性和韌性降低，脆性增 加藍(lán)脆現(xiàn)象。該溫度區(qū)段稱為“藍(lán)脆區(qū)”。,250

9、350 在應(yīng)力不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù) 變形徐變現(xiàn)象。,600左右 彈性模量趨于零 ，承載能力幾乎完全喪失。,2.3 影響鋼材性能的因素,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2. 負(fù)溫范圍,當(dāng)溫度低于常溫時(shí)，鋼材的脆 性傾向隨溫度降低而增加。,T1 T2 之間溫度轉(zhuǎn)變脆性區(qū)，沖擊功急劇下降。而且不同的鋼材其脆性轉(zhuǎn)變區(qū)溫度不同，必須通過試驗(yàn)確定。使用溫度必須高于T1 ，但不一定高于T2,2.3 影響鋼材性能的因素,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.4.5、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

10、：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,2.3 影響鋼材性能的因素,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.5、 復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件,假定：1. 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 中積聚的能量來表達(dá)； 2. 當(dāng)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下變形能等于單軸受力時(shí)的變形能 時(shí)，鋼材即由彈性轉(zhuǎn)入塑性。,彈性狀態(tài),塑性狀態(tài),平面應(yīng)力狀態(tài),梁的應(yīng)力狀態(tài),純剪應(yīng)力狀態(tài),2.3 影響鋼材性能的因素,疲勞破壞 試驗(yàn)表明，鋼構(gòu)件在連續(xù)反復(fù)荷載作用下，盡管應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服點(diǎn)，但經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，也會(huì)發(fā)生斷裂破壞。這種經(jīng)歷長期反復(fù)荷載作用而發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，稱為疲勞破壞。疲勞破壞前

11、構(gòu)件沒有明顯的變形特征，屬于脆性破壞。 破壞原因:鋼構(gòu)件上難免有微觀裂紋（crack），如非金屬雜質(zhì)、扎制或加工時(shí)造成的微小裂紋等。在荷載作用下，受拉區(qū)的微裂紋尖端因應(yīng)力集中而出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)，并伴隨雙向或三向拉應(yīng)力場，使鋼材的塑性發(fā)展受到限制。在工作初期，由于應(yīng)力較小，這些微小裂紋不會(huì)立刻引起構(gòu)件斷裂。但在長期反復(fù)荷載作用下，裂紋尖端的拉應(yīng)力使裂紋有逐步擴(kuò)展的趨勢并緩慢地?cái)U(kuò)展，與此同時(shí)，構(gòu)件的有效截面也逐步,2.6 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和疲勞計(jì)算,減小。經(jīng)過一定的循環(huán)（circle）次數(shù)后，一旦裂紋擴(kuò)展到構(gòu)件截面不能承受荷載時(shí)，構(gòu)件出現(xiàn)突然斷裂。,2.6.1 鋼材的常幅疲勞 反復(fù)荷載在構(gòu)件內(nèi)引起的應(yīng)

12、力隨時(shí)間變化的曲線稱為循 環(huán)應(yīng)力譜（圖2-11）。 用=min/max來表示（拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）。例如，=-1表示完全對(duì)稱（symmetry）循環(huán)，=0表示脈沖（pulse）循環(huán)。值可以介于-1和+1之間。,（a）完全對(duì)稱循環(huán) =-1 （b）脈動(dòng)應(yīng)力循環(huán) =0 圖2-11 循環(huán)應(yīng)力譜,應(yīng)力變化的幅度稱為應(yīng)力幅，用=max-min表示。在應(yīng)力循環(huán)過程中，如果應(yīng)力幅保持為常量，稱為常幅循環(huán)應(yīng)力，否則稱變幅應(yīng)力循環(huán)。常幅疲勞試驗(yàn)可以測定鋼材的疲勞強(qiáng)度極限。試驗(yàn)用一組（10根）相同材料的光滑小 試件，每次將一根試件安裝在疲勞試驗(yàn)機(jī)上，第一根試件可施加較大的彎矩，使試件受純彎曲，上緣受拉，下緣受壓

13、；,圖2-13 鋼材的疲勞強(qiáng)度極限,當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)試件旋轉(zhuǎn)時(shí)，試件表面各點(diǎn)的應(yīng)力交替出現(xiàn)拉、壓變化，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈完成一次循環(huán)，由施加的彎矩可以算出應(yīng)力幅；當(dāng)經(jīng)過某一循環(huán)次數(shù)n，試件破壞，得到n曲線上的一個(gè)點(diǎn)（圖2.7）。,疲勞極限,依次對(duì)其余試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并逐步減小彎矩，也即減小應(yīng)力幅 ，試件破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)將不斷增加，每一根試件得到n曲線上的一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)力幅小于一定值時(shí)，即使有無限次循環(huán)，試件也不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。按照有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)建議，將n5106所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅稱為材料的疲勞極限。,29,鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算 我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB5000172003）規(guī)定，當(dāng)構(gòu)件的工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n5104時(shí)，應(yīng)進(jìn)行

14、疲勞計(jì)算。 另外，不同構(gòu)件或連接形式其疲勞性能各不相同，因此也不能用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來衡量。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB5000172003）將不同構(gòu)造和受力特點(diǎn)的鋼構(gòu)件和連接，按其疲勞性能的高低歸并為八個(gè)疲勞計(jì)算類別（見附錄6）。其中一類疲勞性能最好，八類最差。疲勞計(jì)算表達(dá)式如下：1) 常幅疲勞計(jì)算 計(jì)算公式： ,30,式中應(yīng)力幅。對(duì)焊接部位，=max-min；對(duì)非焊接部位， =max-0.7min 。 max計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力（取正值）； min計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大壓應(yīng)力（取負(fù)值）； 常幅疲勞的容許應(yīng)力幅（N/mm2）,按下式計(jì)算： = (C/n) 1/ 式中: n應(yīng)力循環(huán)次； C

15、,系數(shù),根據(jù)疲勞計(jì)算分類按表2-3取值。,2.6.2變幅疲勞計(jì)算 實(shí)際工程構(gòu)件的工作應(yīng)力幅多為變化的，或稱隨機(jī)荷載，如吊車起吊荷載每次可能都不一樣，且多數(shù)工作荷載小于設(shè)計(jì)荷載。對(duì)于重級(jí)工作制吊車梁和重級(jí)、中級(jí)工作制吊車桁架，按照線性疲勞累積損傷原則，將隨機(jī)變化的應(yīng)力幅折算成等效常應(yīng)力幅按下式計(jì)算： 式中： 欠載效應(yīng)的等效系數(shù) 循環(huán)次數(shù)n 2106的容許應(yīng)力幅,可按式2-9計(jì)算。,進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)需注意以下三點(diǎn)：1）目前疲勞計(jì)算仍采用容許應(yīng)力法，荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮分項(xiàng)系數(shù)和動(dòng)力系數(shù)，并按彈性工作計(jì)算。2）計(jì)算時(shí)可認(rèn)為疲勞容許應(yīng)力幅與鋼材種類無關(guān)。3)完全壓應(yīng)力循環(huán)中，可不予驗(yàn)算疲勞。,第二章

16、鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.5 鋼的種類和鋼材規(guī)格,2.7 鋼的種類和鋼材規(guī)格,2.7.1、鋼的種類,1. 化學(xué)成分,普通碳素鋼 Q235 普通低合金鋼 Q345、Q390、Q420,平爐 成本高，質(zhì)量好（6小時(shí)100t左右） 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐 成本低，質(zhì)量也可（15分鐘150t）,2. 爐種,3. 脫氧程度,沸騰鋼（F） 脫氧較差 鎮(zhèn)靜鋼（Z） 脫氧充分 半鎮(zhèn)靜鋼（b） 脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間 特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ）,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.5 鋼的種類和鋼材規(guī)格,4. 質(zhì)量等級(jí),A級(jí)：保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)和伸長率及硫、磷含量 B、C、D級(jí)：保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、伸長率、冷彎和沖擊 韌性（分別為20

17、、0 、-20）及碳、硅、 錳、硫、磷含量 E級(jí)： 除滿足D級(jí)的要求外，還要求-40時(shí)的沖擊韌性,5. 鋼材編號(hào),碳素鋼： Q質(zhì)量等級(jí)（AD）脫氧程度（F，b） 低合金鋼： Q質(zhì)量等級(jí)（AE） 如Q235-AF、Q345-C,第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,2.5 鋼的種類和鋼材規(guī)格,2.7.2. 鋼材的選擇,（1）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性； （2）荷載的種類（靜荷載或動(dòng)荷載）； （3）連接方法（焊接或非焊接）； （4）工作條件（溫度，腐蝕等）,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）規(guī)定： 承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材還應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。需要驗(yàn)