《钢结构第一章钢结构材料幻灯片资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢结构第一章钢结构材料幻灯片资料（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章 钢结构的材料和计算方法,第一节 钢材的主要性能,一、钢材的破坏形式 1.钢结构对材料的要求,强度高，良好的弹性、塑性和韧性，良好的工艺性能,2、破坏形式 塑性破坏 应力达到抗拉强度后，很大的塑性变形,有十分明显的预兆 脆性破坏 应力常低于钢材的屈服强度，没有明显预兆，破坏突然发生,第一章 钢结构的材料和计算方法,二、钢材的主要机械性能,机械性能反映强度、刚度、塑性指标,屈服点fy 抗拉强度fu 伸长率u 冷弯性能 冲击韧性,第一章 钢结构的材料和计算方法,单向一次均匀拉伸试验标准材性试验,应力 应变曲线,碳素结构钢材的应力-应变图,弹性阶段 ：OB段 弹塑性阶段：BC段 塑性阶段：CD
2、段 自强阶段：DE段 破坏阶段：EF段,第一章 钢结构的材料和计算方法, 屈服点fy作为钢材强度标准值。为什么？,应力达到 f p ：,两者应变很接近,计算时将钢的弹性工作阶段提高到屈服点,f y之后，变形很大，结构将因过大的残余变形 而不能继续使用,理想的弹塑性体,应力达到 f u，应变,2.冷弯(cold bending)试验 钢材质量的综合指标 加工性能，塑性应变能力 试件冷弯1800不出现裂纹或分层为合格,第一章 钢结构的材料和计算方法,3.冲击韧性试验冲击功Akv 抗脆断、抗动载能力。Akv=27J或34J合格，常温(20)和低温(0，-20，-40) 试验。,第一章 钢结构的材料和
3、计算方法,4其它可焊性(weldability)、耐磨性(abrasion resistance)、抗火性(fire resistance)、耐腐蚀性(corrosion resistance)等。,第一章 钢结构的材料和计算方法,一、化学成分的影响,第一章 钢结构的材料和计算方法,第二节 影响钢材力学性能的主要因素,化学成分影响强度、延性、可加工性、耐久性,碳C：含C量,，强度,，塑性、韧性、疲劳强度,可焊性、抗腐蚀性,C0.22%,焊接结构：,C0.20%,非焊接结构：,第一章 钢结构的材料和计算方法,有害成分： 降低钢材塑性，韧性，可焊性，疲劳强度,S 热脆（高温时，使钢变脆） P冷脆,
4、氧O热脆, N冷脆，脱氧处理,有益成分： 合金成分：适当的含量提高强度，对塑、韧性无显著影响 Mn，Si，脱氧剂，,第一章 钢结构的材料和计算方法,(1)冶炼 平炉，转炉 (2)轧制 薄板，均匀，强度高；,二、生产过程,(3)脱氧程度 沸腾钢，半镇静钢，镇静钢；,第一章 钢结构的材料和计算方法,(4)热处理控制降温速度或重新加热， 改变晶体结构和材性。 淬火，快速降温，提高强度、降低韧性； 退火，炉中控制，缓慢降温； 回火，自然降温和控制降温相结合； 正火，空气中自然降温；,第一章 钢结构的材料和计算方法,第一章 钢结构的材料和计算方法,三、复杂应力和应力集中的影响,（一）复杂应力的影响,塑性
5、阶段,复杂应力：第四强度理论,弹性阶段,塑性阶段,第一章 钢结构的材料和计算方法,讨论：,，但,均,在同号应力作用下，钢材强度提高，塑性降低,2、有一异号应力， 钢的弹性范围和强度随异号应力增大而降低， 塑性变形增大,三向受拉时，易发生脆性破坏,第一章 钢结构的材料和计算方法,（二）应力集中,在孔边出现应力高峰，除切向正应力， 还存在径向正应力，处于同号平面应力场。 厚壁构件会出现同号立体应力场。 易发生脆性破坏,在构件缺陷或截面变化附近，主应力迹线曲折、 密集、出现应力高峰，叫应力集中。,四、加工过程 (1)冷加工冲、钻、剪、弯、割、锯，局部产生塑性变形和应变硬化（冷作硬化）,第一章 钢结构
6、的材料和计算方法,提高钢的弹性范围，塑性、韧性降低,(2)热加工焊、割，局部升温，热影响区；不均匀冷却，焊接残余应力；,第一章 钢结构的材料和计算方法,五温度 高温软化，无保护措施耐火极限仅15分钟,低温冷脆，脆性转变温度；,第一章 钢结构的材料和计算方法,第三节 钢材的疲劳,第一章 钢结构的材料和计算方法,一、概念 疲劳断裂是微观裂纹在连续反复荷载作用下 不断扩展直至断裂的脆性破坏. 疲劳破坏经历三个阶段： 裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。,第一章 钢结构的材料和计算方法,完全对称循环,脉冲循环,第一章 钢结构的材料和计算方法,应力幅,为常量 ，常幅应力循环,为变量 ，变幅应力循环
7、,二、常幅疲劳验算 应力幅验算疲劳强度,第一章 钢结构的材料和计算方法,式中：s为标准差，表示lgn的离散程度。,由上式得到常幅疲劳的容许应力幅,规范：,第一章 钢结构的材料和计算方法,第四节 钢材的钢号及选用,钢材种类 按用途分为：结构钢 工具钢 特殊钢（如不锈钢） 冶炼方法分：转炉钢（氧气顶吹转炉） 平炉钢（质量好，成本高） 按脱氧方法：沸腾钢 半镇静钢 镇静钢特殊镇静钢 按成型方法：轧制钢 锻钢 铸钢 按化学成分：碳素钢 合金钢 结构中常用普通碳素钢、低合金高强度钢,第一章 钢结构的材料和计算方法,一、钢号 常用钢材： 普通碳素钢：（按含碳量）分17号， 强度由低到高，塑性、韧性降低，常
8、用3号钢。 低合金钢：16Mn，15 MnV，16 MnVq,二、供应方法及符号 国家标准GB70079，普通碳素钢按保证的项目不同分为三类 甲类钢：主要按机械性能供应 A 乙类钢：按化学成分供应 B 特类钢：机械性能和化学成分 C,第一章 钢结构的材料和计算方法,普通碳素钢标号： 钢类 炉种 钢号 浇注方法 A、B、C (平炉) Y（氧气转炉） 17 F（沸腾钢） b(半镇静钢) （镇静 钢）,如A3甲类平炉3号镇静钢,普通低合金钢表示： 如16Mn前两位数表示其平均含碳量为0.16， 主要合金元素为锰。,第一章 钢结构的材料和计算方法,普通碳素钢新标准GB70088,标号： 代表屈服点字母
9、 屈服点数值 质量等级 脱氧方法 Q A、B、C、D F（沸腾钢） b(半镇静钢) 可省去 Z（镇静钢） TZ（特镇静钢）,如Q235A屈服强度为235 N/mm2，A级镇静钢（3号钢）,第一章 钢结构的材料和计算方法,质量等级分为四级： A级钢：只保证抗拉强度、屈服点、伸长率、必要时可附加冷弯试验要求, 化学成分对碳、锰含量可不作为交货条件。 B ：保证抗拉强度、屈服点、伸长率 、冷弯、常温（20 ）冲击韧性 C ：保证抗拉强度、屈服点、伸长率 、冷弯、0 冲击韧性 D ：保证抗拉强度、屈服点、伸长率 、冷弯、20 冲击韧性,低合金钢GB/T159194：,标号： Q 屈服点数值 质量等级（
10、A、B、C、D、E）,E ：保证抗拉强度、屈服点、伸长率 、冷弯、40 冲击韧性,如Q345(16Mn)、Q390(15 MnV),第一章 钢结构的材料和计算方法,第一章 钢结构的材料和计算方法,三、钢材的选用 1.选用原则结构重要性，荷载情况，连接方法，工作 环境，钢板厚度(相同钢号的钢材，钢材越薄，强度越高 )。 2.设计说明选择钢号，提出机械性能指标fu , fy ,伸长率, 冷弯性能, 冲击韧性，控制化学成分S,P,C含量。 3.材料供应Q235-B、C、D保证fu , fy ,伸长率, 冷弯性能, 冲击韧性指标和S,P,C含量，只需选钢号。,第一章 钢结构的材料和计算方法,4.选用条
11、件 (1)焊接结构严格控制S,P,C含量。 (2)受动载结构(吊车梁，桥梁)应提出冲击韧性指标。 (3)低温环境(室外，露天)应提出低温冲击韧性要求。 (4)厚板(高层，大跨)应提出Z向性能要求。,第一章 钢结构的材料和计算方法,Q235-A.F不保证冲击韧性指标和C含量，用于非焊接结构；Q235-B.F全保证，可用于焊接结构（t25mm）； Q345保证fu, fy,伸长率, 冷弯性能指标和S,P,C含量，只需选钢号并要求冲击韧性指标附加条件； 厚板(t40mm)强度低，要求Z向性能，低温条件应特别考虑。,第一章 钢结构的材料和计算方法,第一章 钢结构的材料和计算方法,第五节 轧成钢材的规格
12、,钢板 宽度厚度长度 单位 厚钢板：厚4.560，宽度0.63.0m， 薄钢板：厚0.24，主要用于压制冷弯薄壁型钢 扁钢：厚360，宽度10200,第一章 钢结构的材料和计算方法,角钢 等肢角钢 ： 肢宽厚度 单位 不等肢角钢： 长肢宽短肢宽厚度 100 x10,工字钢 工 截面高度a（或b,c） 单位 a（或b,c）表示腹板厚度不同， a最薄，以2递增 工 20b,第一章 钢结构的材料和计算方法,H型钢： 宽翼缘H型钢：HW 翼缘宽度B与截面高度H相等 中翼缘H型钢：HM B=(1/22/3)H 窄翼缘H型钢：HN B=(1/31/2)H,T型钢TW,TM,TN,表示方法： HW（HM ，
13、HN）截面高度翼缘宽度 腹板厚度翼缘厚度 ,第一章 钢结构的材料和计算方法,槽钢 截面高度a,b,c 单位 20a,钢管 圆钢管：外径厚度 单位,冷弯薄壁型钢 L型钢，C型钢，Z型钢， S型钢，压型板等,第一章 钢结构的材料和计算方法,压型钢板，彩钢瓦等,第一章 钢结构的材料和计算方法,第六节 钢结构设计基本方法,一、结构设计的概念 1、目标 （1） 技术先进， 安全适用, 经济合理，确保质量 ； （2）承受各种作用，满足功能要求。,第一章 钢结构的材料和计算方法,2、设计方法： 容许应力设计法（TJ17-74） 极限状态设计法（GB50017-2003,AISC-LRFD, EuroCode
14、 4）,（2）荷载 恒载(G)，活载(Q)，风载(W) 静载，动载，温度, 沉降，地震可变作用，永久作用,（1）使结构产生内力和变形, 作用效应，外部因素；,3、荷载效应（S）,第一章 钢结构的材料和计算方法,4、抗力（R） （1）结构承受作用的能力，结构特性； （2）与结构形式、尺寸、材料性能有关。,第一章 钢结构的材料和计算方法,5、功能 （1）设计基准期内 （2）安全性, 适用性,耐久性。,四项基本功能,2.功能函数 Z=R-S Z0，或RS，可靠状态； Z0，或RS，失效状态； Z=0，或R=S，极限状态,第一章 钢结构的材料和计算方法,二、极限状态设计法 1.可靠度：结构在规定的时间
15、内，在规定的条件下， 完成预定的功能的概率。,（1）承载能力极限状态 不发生破坏、倒塌、失稳、倾覆；,第一章 钢结构的材料和计算方法,（2）正常使用极限状态 不发生过大变形、振动、裂缝。,第一章 钢结构的材料和计算方法,3、随机变量 作用效应和抗力随机分布；标准值，设计值。,第一章 钢结构的材料和计算方法,第一章 钢结构的材料和计算方法,4、可靠度指标 可靠概率（Ps）， 失效概率（Pf），,第一章 钢结构的材料和计算方法,称为可靠度指标,向标准正态分布转换,令,则,钢结构构件,（采用校准法确定）,5、结构安全等级 结构重要性分三级 （重要、一般、次要）。,第一章 钢结构的材料和计算方法,二、设计表达式 1、统计变量： 标准值，设计值，分项系数； 荷载分项系数：永久荷载分项系数 可变荷载分项系数 抗力分项系数 恒载SG=gGSGk；活载SQ=gQSQk； 抗力R=Rk/gR,第一章 钢结构的材料和计算方法,2、荷载组合： 承载能力极限状态 正常使用极限状态 设计基准期内最不利组合,第一章 钢结构的材料和计算方法,3、一般表达式 承载能力极限状态： gG=1.2；gQ=1.4；gR=1.1,yci为荷载组合系数； f 为材料强度设计值。 go为结构重
