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1、第二章 钢结构的材料,钢结构设计原理,21 建筑钢材的两种主要 破坏形式,塑性破坏破坏前有明显的变形，破坏 历时时间长，断口发暗，可 以采取补救措施。,脆性破坏破坏前没有明显的变形和征 兆，破坏时产生的变形远比材 料应有的变形能力小，破坏发 生突然，断口平齐、发亮，无 机会补救。,1972年廊坊因一个杆脆断屋架倒塌 1979年吉林煤气罐大爆炸（12月中旬） 1995年南朝鲜大桥倒塌,原因：钢材内部缺陷、焊接缺陷、构造 不合理、使用不当等 原则：在制作和使用过程中，应充分考 虑各方面因素，尽量发挥材料的 塑性，避免一切脆性破坏的可能 性。,22 建筑钢材单轴应力作用 下的工作性能,条件：标准试件
2、（GB22863），常温（20）下缓慢加载，一次完成。 标准试件：,l0标距 d直径, 含碳量为1%3%。,一、一次拉伸,标准拉伸曲线可以分为四个阶段： 1）弹性段：材料处于纯弹性， 曲线呈线性； 2） 弹塑性段：曲线呈非线性； 3） 塑性段（波动段，下屈服点稳定）：水平段； 4） 强化段,从拉伸曲线可以得到 ,通过对曲线的分析，假定钢材为理想的弹性塑性体。 因为 ： 1）计算简便； 2） 与 相差不大 3） 虽然 ，但对应的应变非常大 4） 以 作为设计强度的依据，具有较大的强度储备，若出现偶然因素，使人们有机会补救。,2.5%,0,0,（第二极限状态不满足）；,屈强比； Q235为0.57
3、，Q345为0.67,二.冷弯性能,钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。 冷弯试验常温下弯曲180 (按原有厚度)，检查外表面，不能有裂纹、起层（或分层）这是衡量材料塑性及均匀程度的更加严格的要求。,冷弯试验结果要求（GB/T700）,注：B为式样宽度，a为钢材厚度（直径）,三冲击韧性,冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，通过弯曲冲击韧性试验确定，是钢材在受动力荷载时的韧性指标。,冲击试验试件的缺口形式梅氏（Mesnager）试件与恰贝（Charpy）试件 冲击韧性与试件刻槽（缺口）有关，常用缺口形式为恰贝V型，恰贝钥孔型和梅氏U型，我国国家标准规定：冲击试验缺口采用
4、恰贝V型。,1试件,试验装置及原理,符号及单位,采用单位面积上所消耗的功作为冲击韧性值，用ak表示,Ak冲断试件消耗的功，J F试件断口处的面积，cm2,低温下，冲击韧性急剧下降故应测其负温冲击韧性 我国钢材标准中将试验分为四档，即+20, 0，-20和-40时的冲击韧性。 GB70065给出了钢材常温及负温冲击韧 性指标。如Q235(A3) 常温： 负温下（-20）：,Q235的拉伸试验和冲击试验结果要求（GB/T700）,钢材的性能可以排列为：,复杂应力状态下的工 作性能,假定：）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达； ）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时达到塑
5、性时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。,写成设计公式,1） 当 相近时，从公式中表现为无 论应 力值多么大，材料都不破坏当真？,讨论,（1）当三向应力皆为压力静水压力，不破 坏。 （2）当三向应力皆为拉力时，一定破坏 此时材料由于三向受拉，限制了材料的塑性发展，材料要发生脆性破坏。能量理论所得的公式只适用于塑性材料，因此，形式上的不破坏与实际的脆性破坏是不矛盾的，只是实际的脆性破坏不再符合能量理论的基本假定。,2）对于一般应力状态，可以根据具体应力 状态及形式，采用如上公式对构件进行 检查。如实腹梁腹板 ， 则,3）纯剪状态,（a）单向拉伸 （b）双向拉伸 （c）双向异号应力,相对于单向拉伸而
6、言，钢材在钢材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度提高，但是塑性下降。 主应力同号时，不易屈服，塑性下降，越接近越明显。 主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显。,不同受力状态对钢材材性的影响,24 钢材的疲劳,一 钢材疲劳破坏的特征,1概念 循环荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载；,应力幅 在循环荷载作用下，应力从最大 到最小重复一次为一次循环，最 大应力与最小应力 之差为应力 幅。 应力循环次数结构或构件破坏时所经历的 应力变化次数 n,常幅疲劳荷载所有应力循环中，应力幅保持 常量 变幅疲劳荷载在应力循环过程中，应力幅是 变量 钢材的疲劳钢材在连续循环荷载作用下，当 循环次数达到某
7、一值n时钢材的 破坏,2 特点： （1）疲劳破坏时，应力远小于材料 静力 强度； （2）破坏属于突然的脆性破坏。,3 原因： 缺陷微观裂纹宏观裂纹,4. 影响钢材疲劳的主要因素,应力幅 应力循环次数 缺陷,材料内部缺陷 构造缺陷（应力集中） 残余应力（焊接、火焰切割、轧制边）,二常幅疲劳计算,考虑安全系数后 对应于n次循环的容许应力幅 C, 系数，按构件及连接的类型分8类，查表。,设计计算 计算部位的应力幅 焊接部位 其他部位,说明: 1）计算时用荷载的标准值； 2) 由于 来源于试验，已考虑动力效应, 计算 时不再考虑动力系数； 3) 为最低疲劳寿命，GB50017-2003规定当 时，进行
8、疲劳计算；,4) 对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。 5) 实际工程中，只有重级工作制吊车梁需要计算，中、轻级工作制吊车梁不必算。 6) 对于海水腐蚀、低周疲劳等情况不属于此计算范畴,三变幅疲劳计算,变幅疲劳的等效应力幅；按下式确定,以应力幅循环次数表示的结构预期使用寿命； 预期寿命内应力幅达到 的应力循环次数。,欠载效应系数。,四.重级工作制吊车梁和重级、中级吊车梁桁架的疲劳可作为常幅疲劳按下式计算（规范设计公式）,重级、硬钩1.0 重级、软钩0.8 中级0.5, 次时的容许应力幅。,（）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中； （）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸； （）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。,五. 提高疲劳强度和疲劳寿命的措施,
