第2章 钢结构的材料

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1、,第2章,钢结构的材料,第2章 钢结构的材料,2.1 钢材的主要性能 2.2 影响钢材性能的因素 2.3 钢材的疲劳 2.4 建筑钢材的规格和选用,塑性破坏：破坏前有明显的变形，破坏历时时间长，可以采 取补救措施。断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。构件的应力达 到了钢材的抗拉强度。,一、 钢结构的破坏形式,脆性破坏：破坏前没有明显的变形，破坏发生突然，没有机会补救。断口平直并呈有光泽的晶粒状。,脆性破坏的原因：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造 不合理、使用不当等。,应尽量发挥材料的塑性 避免一切脆性破坏的可能性,2.1 钢材的主要性能,广东某展览厅网架倒塌 广东某国际展览中心包括展厅、会议中心和一栋1

2、6层的酒店，总建筑面积42000m2。1989年建成投入使用。1992年降大暴雨，其中4号展厅网架倒塌。在倒塌现场发现大量高强螺栓被拉断或折断，部分杆件有明显压屈，但未发现杆件拉断及明显颈缩现象，也未发现杆件与锥头焊缝拉开。另外，网架建成后多次发现积水现象，事故现场两排水口表面均有堵塞。 由于4号展厅除承担本身雨水外，还要承担会议中心屋面溢流而来的雨水。由于溢流口、雨水斗设置不合理，未能有效排水导致网架积水超载。 高强螺栓超极限承载力而被拉断，高强螺栓安全度低于杆件安全度，其安全度不足。,钢贮罐脆性断裂 1989年1月22日，内蒙古某糖厂一个直径为20 m，高为15.76 m的刚交工验收不久的

3、废糖蜜钢贮罐发生断裂。破坏过程呈突发性，没有任何先兆，非常迅速。破坏时罐蜜贮量为4027t，不仅未达到设计贮量，并低于试用内糖期间曾达到的4559t水平，罐体内应力并不太高，距钢材屈服强度相差较远，地震和人为破坏及废糖蜜自燃爆炸的因素可排除，请分析钢贮罐发生断裂的原因。,塑性断裂在发生前有明显预兆，而脆性断裂是突发性的。 经调查表明，其裂口特征：罐体下部第1、2层母材撕裂，断口呈颗粒状，人字形纹尖端朝上，呈脆性断裂。 对钢材材质进行复验，发现部分钢板含碳量和含硫量较高，降低了钢材的塑性和可焊性，其常温冲击韧性比规定值偏低，故该钢材易出现脆性断裂。且焊接质量差，综合分析可知，罐体破坏的根源是焊接

4、质量低而导致的低温脆性断裂。对接焊缝中大量未焊透部位如同张开型的焊接裂纹，在罐壁环向拉力的作用下，能引起严重的应力集中，成为罐体断裂的引发点。在荷载变化、应力集中、残余应力和温差应力的作用下，会缓慢扩展。而钢材的韧性较差，不能阻止裂纹的扩展，最后达到临界值，而突然断裂。,海油田平台倾覆 1980年3月27日，北海爱科菲斯科油田的A.L.基儿兰德号平台突然从水下深部传来一次震动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，致使23人丧生，造成巨大的经济损失。 现代海洋钢结构如移动式钻井平台，特别是固定式桩基平台，在恶劣的海洋环境中受风浪和海流的长期反复作用和冲击振动；在严寒海域长期受冰载及流

5、水随海潮对平台的冲击碰撞；另外低温作用以及海水腐蚀介质的作用等都给钢结构平台带来极为不利的影响。突出问题就是海洋钢结构的脆性断裂和疲劳破坏。 上述事故的调查分析显示，事故原因是撑竿中水声器支座疲劳裂纹萌生、扩展，导致撑竿迅速断裂。由于撑竿断裂，使相邻5个支杆过载而破坏，接着所支撑的承重脚柱破坏，使平台20分钟内全部倾覆。,钢吊车梁裂缝 某钢厂原料跨吊车任务繁重，而冷轧跨吊车不太繁忙。两者互按同一标准设计，后者吊车梁使用40多年未发现裂缝，而前者因产生较多裂缝已更换。请分析裂缝的成因。 由于前者任务繁重，承受的交变荷载次数多，故会产生疲劳破坏。,二、单向受拉时的性能,试验条件：标准试件在常温（2

6、0）下缓慢加载（静载）,OAE弹性阶段 比例极限、弹性极限,ECF屈服阶段 屈服点,F B强化阶段 抗拉强度（极限强度）,B D颈缩阶段,2.2 钢材的主要性能及其鉴定,钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体,1. 计算简便,2. 与 相差不大,3. 虽然 ，但 对应 的应变非常大（不满足正 常使用极限状态）,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,屈强比 ：Q235钢为0.57，Q345钢为0.67,简化计算, 采用理想弹塑性模型,作为钢结构设计的最大应力,作为钢材实际破坏强度,三、塑性性能,塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力,衡量塑性性

7、能的指标：伸长率,四、冷弯性能,冷弯性能是检验钢材适应冷加工（常温下加工） 的能力和显示钢材内部缺陷状况的一项指标,冷弯性能是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性 变形能力的指标,冷弯性能由冷弯试验确定,冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的 综合指标,五、冲击韧性,冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力,衡量冲击韧性的指标：冲击功,韧性是钢材强度和塑性的综合指标,冲击韧性受温度的影响,六、 可焊性,可焊性指采用一般焊接工艺就可完成合格的焊缝的性能,可焊性受化学成分的影响比较大,碳当量：,衡量低合金钢的可焊性的计算,0.38焊接性能一般,=0.380.45焊接性能较难,0.45焊接性能

8、难,2.2 钢材的主要性能及其鉴定,钢材物理性能指标,弹性模量 泊松比 剪变模量 线膨胀系数 质量密度,小结 钢材的五项主要机械性能指标,屈服点 fy ,抗拉强度 fu,衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的指标。,钢材的强度极限，仅作为安全储备。,伸长率5,冷弯性能 ,冲击韧性 ,衡量钢材塑性变形能力的重要指标。,衡量钢材塑性性能和冶金质量的综合指标。,衡量钢材在动荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标。,一、化学成分,2.2 影响钢材性能的因素,普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1% 普通低合金钢中有5%的合金元素,碳（C）：钢材强度的主要来源，但是随其含量增加，强度增 加，塑性降低，可

9、焊性降低，抗腐蚀性降低。一般 控制在0.120.2%，在0.2以下时，可焊性良好,硫（S）：热脆性，不得超过0.045%,磷（P）：冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。 不得超过0.045%,锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点为 1600，可以消除一部分S的有害作用。,硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。,氧（O）：有害杂质，效果同S。,氮（N）：有害杂质，效果同P。,二、冶金缺陷,常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹等。 偏析化学成分分布的不均匀程度。,三、加荷速度,1材性试验要求缓慢加载 2要考虑动荷载对结构的不利影响,加荷速度高，钢材屈服点提高，呈脆性。因此，,

10、四、钢材硬化,冷作硬化当加载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称“应变硬化”,应变时效钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。,时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。,五、温度的影响,1. 正温范围,100以内 对钢材性能无影响；,100以上 随温度升高，总的趋势是强度、弹性模量降低， 塑性增大,250左右 抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增 加蓝脆现象。该温度区段称为“蓝脆区”。,250350 在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续 形徐变现象。

11、,600左右 弹性模量趋于零 ，承载能力几乎完全丧失。,2. 负温范围,当温度低于常温时，钢材的脆 性倾向随温度降低而增加。,T1 T2 之间温度转变脆性区，冲击功急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。使用温度必须高于T1 ，但不一定高于T2,六、应力集中的影响,构造缺陷：构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变等,应力集中：由于构造缺陷，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处 有高峰应力。,应力集中的危害：塑性降低，脆性增加,构造设计时应避免截面突变和尖锐角的情况,七、厚度的影响,随着厚度的增加，钢材的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度均下降,八、 复杂应力作用下钢材的屈服条件,假定

12、：1. 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； 2. 当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能 时，钢材即由弹性转入塑性。,弹性状态,塑性状态,平面应力状态,梁的应力状态,纯剪应力状态,一、钢材的疲劳 1疲劳问题 疲劳问题最初是在1829年由法国采矿工程师尔倍特(W.A.J.Albert)根据所做的铁链的重复载荷试验所提出的。1939年波客来特( Poncelet)首先采用“疲劳”(Fatigue) -词来描述“在反复施加的载荷作用下的结构破坏现象。”但是疲劳一词作为题目的第一篇论文是由勃累士畏特( Braithwaite)于1854年在伦敦土木工程年会上发表的

13、，在第二次世界大战中，发生了多起飞机疲劳失事事故，人们从一系列的灾难性事故中，逐渐认识到疲劳破坏的严重性。,2.3 钢材的疲劳,金属结构的疲劳是工程界早已关注的问题。就金属结构包括飞机、车辆等各类结构都在内的总体，大约80-90%的破坏事故和疲劳有关。其中土建钢结构所占的比例虽然不大，但随着焊接结构的发展，焊接吊车梁的疲劳问题已十分普遍，受到了工程界人士的重视。目前钢结构设计规范(GBJ17-88)中已建立了疲劳验算方法，此方法对防止疲劳破坏的发生有重要作用。,2.疲劳研究的必要性,据国外统计：现代各个工业领域中，80%以上的结构破坏是由于疲劳造成，1967年12月15日，美国西弗吉利亚州的P

14、oint Pleasant大桥在没有任何征兆的情况下突然倒塌，造成46人死亡，调查结果显示是由于一拉杆下缘产生解理断裂，1990年荷兰建成的Bascule桥仅在运营7年之后就观测到危机桥梁安全的严重的疲劳开裂，1998年更换所有的正交异形板。,3.钢材的疲劳,在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。,4.疲劳破坏的机理,疲劳破坏是积累损伤的结果。 缺陷微观裂纹宏观裂纹。,5.疲劳破坏的特征,属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。,对非焊接构件，表面上的刻痕，轧钢皮的凸凹、轧钢缺陷和分层以及焰割边不平整、冲孔壁上的裂纹，都是可能出现的地方。 对于焊接构件

15、，最经常的裂源出现在缝趾处，常有焊渣侵入，还有气孔、欠焊、夹渣等。,6.疲劳断裂的过程及原因,二、 影响疲劳强度的因素,1.应力比 min/max 连续重复荷载之下应力从最大到最小重复一周叫做一个循环。应力循环特征常用应力比来表示，拉应力取正值，压应力取负值。 =1时，称为完全对称循环； =0时，称为脉冲循环； =1时，为静荷载； 01时，为同号应力循环； 10时，为异号应力循环。,2.应力幅 在循环荷载作用下，应力从最大max 到最小min重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅。即 =maxmin 3.应力循环次数 应力循环次数是指在连续重复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数。

16、在不同应力幅作用下，各类构件和连接产生疲劳破坏的应力循环次数不同，应力幅愈大，循环次数愈少。当应力幅小于一定数值时，即使应力无限次循环，也不会产生疲劳破坏，既达到通称的疲劳极限规范( GBJ17-88)参照有关标准的建议，将 次被视为各类构件和连接疲劳极限对应的应力循环次数。,其对应的疲劳极限对应的应力如下,疲劳曲线,4.微观裂纹和应力集中对钢结构的疲劳性能影响显著，而构造细节是应力集中产生的根源。构造细节常见的不利因素如下： 1)钢材的内部缺陷，如偏析、夹渣、分层、裂纹等； 2)制作过裎中剪切、冲孔、切割； 3)焊接结构中产生的残余应力； 4)焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、未焊透等； 5)非焊接结构的孔洞、刻槽等； 6)构件的截而突变； 7)结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等产生的附加应力集中。,三、 提