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1、第二章 钢结构的材料和计算方法,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,1、钢结构对材料的要求,规范推荐的结构用钢： 碳素结构钢 Q235 国标碳素结构钢GB/T 700-88 carbon structural steels 低合金高强度结构钢 Q345 Q390 Q420 high strength low alloy structural steels 国标低合金结构钢GB/T 1591-94 国标桥梁用结构钢GB/T 714-2000,钢材的主要性能Materials behaviour,钢结构设计原理 Design Principle
2、s of Steel Structure,钢材的破坏形式,（1）试验条件 （a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的5或10倍。 （b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。 （c）试验温度要控制在室温20左右。,低碳钢在常温下的拉伸试验,钢材的应力-应变关系,A. 有屈服点钢材s-e曲线一般可以分为五个阶段：,(a)弹性阶段(OB段),单调拉伸应力-应变曲线,OA段：纯弹性阶段 s=Ee A点对应的应力： sp （比例极限）,AB段：有一定的塑性 变形, 但整个 OB段卸载时, e=0 B点对应的应力： se （弹性极限）,（b）屈服阶段弹塑性阶段
3、塑性变形阶段（塑性流动） （BCD),塑性变形：卸载后试件不能完全恢复原来的长度。不能恢复的这一部分变形称为塑性变形。,屈服点（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分的最低值。,流幅：屈服台阶，水平段。,特点：应力与应变不再成正比关系，应变增加很快，应力-应变曲线呈锯齿形波动， 出现应力不增加而应变仍然在继续发展。,第二章 钢结构的材料,（c）自强（强化）阶段(DE段),随荷载的增加缓慢增大,但增加较快 抗拉强度（极限强度）fu 试件所能承受的最大拉应力,（d）破坏（颈缩）阶段(EF段),截面出现了横向收缩，截面面积开始显著缩小，塑性变形迅速增大，应力不断降低，变形却延续发展，直至F点试件断裂。,F
4、,B.对无明显屈服点的钢材,设计时以卸载后试件中残余应变为0.2所对应的应力 作为屈服点 “条件屈服点”或“名义屈服点”,无屈服点钢材的应力-应变曲线,没有明显屈服点的钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。,单向拉伸时钢材的力学性能指标,（1）屈服强度fy应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。,（2）抗拉强度fu应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前所能承受的最大应力。,屈强比大好还是小好？,（3）伸长率试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。,l0 原标距长 l1 拉断后标距长度
5、d0 试件直径 试件有两种标距：l0/ d0=5 和 l0/ d0=10 相应的伸长率用5和10表示。,实际工程中以伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形能力。,应力应变曲线的简化,曲线简化的依据： 1）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。 2）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅的范围（e0.15-2.5）已足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。,简化的应力应变曲线,钢材是符合理想中的弹性-塑性材料,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。,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。,鉴别指标：通过冷弯冲头加压。当试件弯曲至180时，
6、检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。,冲击韧性： 带缺口的钢材试件，在冲击试验机上被摆锤击断时所能吸收的机械能。 Mesnager 试件 Charpy 试件 夏比冲击韧性记为Cv 规范以夏比试件为准 Q235钢 CV=27 J 为合格 , Q345、Q390 、Q420钢 CV=34 J 为合格。,P摆锤重力 l 摆长,附录一 表4,可焊性,好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材。,影响钢材可焊性的因素,钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12%0.20%
7、范围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235B）。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。,钢材防锈 常用方法： 涂料防护（油脂漆、环氧树脂、沥青漆等） 喷镀保护（镀锌、镀鉻） 电化学保护（外接电源阴极保护法，牺牲 阳极保护法）,1.化学成分,Fe，C，S，P，N，O，Mn，Si，Cu，Ni，Cr，Nb,Fe：碳素钢约99%，合金钢约95%。,C：影响钢材的强度、塑性、韧性及可焊性。一般控制在0.22% 以下，在0.2%以下时，可焊性良好。,S：是钢材中的有害元素。在高温下使钢材变脆，即热脆现象。 塑性、韧性、可焊性、疲劳强度，含量不得超过0.045%。,P：是钢材中的有害元素。在低温时使钢材变脆，即冷脆
8、现象。塑性、韧性、可焊性、疲劳强度，含量不得超过0.045%。,O和N：钢材中的有害杂质。O使钢热脆，N使钢冷脆。,影响钢材力学性能的主要因素Main Factors of Influence on Mechanics Performance of Steel Mat.,Mn：一种弱脱氧剂，可消除硫、氧对钢材的热脆影响，能改善冷脆性 能。强度、塑性和韧性无甚影响（含量不高时）。碳素结构钢 0.3-0.8%；低合金高强度结构钢 1.0-1.6%。,Si：作为脱氧剂加在低碳钢钢液中，制成质量较高的镇静钢。强度 、塑性和韧性无甚影响（含量不高时）。碳素结构钢 0.3%；低合金高强度结构钢 0.55%
9、。,Cu，Ni，Cr，Nb：加入Cu和Ni可制成耐候钢，加入Ni和Cr可制成不锈 钢，在钢中添加微量的Cr、Nb等合金元素制成耐火钢。,2.冶金缺陷,1. 偏析：化学成分不一致，不均匀。 硫、磷偏析严重 影响钢材性能。 2. 非金属夹杂 ：硫化物和氧化物。 3. 气孔 ：一氧化碳气体不能充分逸出而形成。 4. 分层：非金属杂质造成的，会降低钢材的冷弯性能。,钢材的生产,铁矿石-铁-钢-轧制成型 炼铁：以CO、C作为还原剂，高温下将铁矿石中的铁还原出来。生铁含碳量高（ 2.06%）。 炼钢： 高温下氧化反应除去生铁中多余的碳和杂质。使含碳量2.06%。 精炼：脱氧,炼钢炉种： 电炉： 质量最佳，
10、费用较贵 平炉： 传统炼钢法，612小时 氧气转炉：现代炼钢法，38分钟左右 目前氧气转炉法成为主流。,沸腾钢：以Mn为脱氧剂 F 半镇静钢：介于沸腾钢与镇静钢之间（加入少量Si ） b 镇静钢：除Mn外，增加Si为脱氧剂 Z 特殊镇静钢：在用硅脱氧后，再用铝补充脱氧 TZ 设计文件中的标识方法：Q+屈服点数值+质量等级+脱氧方法 Q235钢分为A、B、C、D质量等级 ，Z TZ 可以省略。 Q235C 为镇静钢 Q235D 为特殊镇静钢 Q345、Q390、 Q420无沸腾钢和半镇静钢。名称中就无脱氧方法符号。 举例：Q235BF Q235C Q345A Q345B Q390D Q420B,
11、用轧钢机将钢锭轧成钢胚，再通过一系列不同形状和孔径的轧机，轧成所需形状和尺寸的钢材。 钢材的热轧成型，压密钢的晶粒，改善钢的材质。薄的钢材，辊轧次数多，压缩比大，因而屈服点及伸长率均大于厚板。 钢材的力学性能按板厚或直径分组。,3.应力集中的影响,在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。,应力集中现象,不同槽口试件静力拉伸试验的应力应变曲线,应力集中对-曲线关系的影响,可以看出截面槽口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大
12、。,复杂应力状态下钢材的屈服强度,复杂应力状态下的屈服条件（由第四强度理论确定） 1、平面应力状态 2、三向应力状态（Mises yield condition) 3、平面纯剪应力状态,同号应力 eqfy 钢材易进入塑性状态，钢材强度降低，塑性变形大。 局部应力集中，在动荷载及低温条件下，易使钢材产生脆性破坏。,4.钢材硬化,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,5.温度的影响,正温范围： （1）温度在150以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于150的场合。 （2）温度在250左右的区间内出现蓝脆现象，fu 有局部性提高，同时塑性降
13、至最低，材料有转脆倾向。 （3）当温度达到600时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。,负温范围：随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。,（1）冲击功曲线的反弯点T0称为转变温度。界限温度T1和T2分别为脆性转变温度和全塑性转变温度。,（2）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间T1 T2内完成的，此温度区间称为钢材的脆性转变温度区。,（3）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。,（4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均
14、应通过试验来确定。在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于T1,接近T0。,6.荷载类型的影响,荷载可分为静力和动力两大类,1.加荷速度的影响 这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。 因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载5分钟后再读数据。,2.循环荷载的影响 钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏（疲劳破坏）。,钢材的疲劳Fatigue,钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐积累损伤、产生裂纹即裂纹逐渐扩展，当循环次数达到某定值时，发
15、生突然破坏的现象，称为疲劳。（high-cycle fatigue low-cycle fatigue) 高周低应力疲劳：破坏前的应力循环次数n5104 ，疲劳破坏时的应力较低， 。 一般属于此类疲劳。 低周高应力疲劳：破坏前的应力循环次数n=1025104 ,疲劳破坏时的应力水平较高， 。 应力比： 应力幅： 循环次数： n （要求n 5104时，应进行疲劳计算）,常幅疲劳 当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。,1.非焊接结构的疲劳,大量试验研究表明，疲劳强度除与主体金属和连接类型有关外，还与循环应力比r和循环次数n有关。,应力循环特性常用应力比值来表示，以拉应力为正值。连续重复荷
16、载之下应力往复变化一周叫做一个循环。,2. 焊接结构的疲劳,通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是构件和连接的类型、应力幅Ds以及循环次数n，而与应力比无关。,焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点fy ，该处是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。,最大：,最小：,真实应力比：,焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅Ds的大小,残余应力的分布,应力幅与应力循环次数n（疲劳寿命）的关系,(1)应力幅值越低，应力循环次数就越多，疲劳寿命也越高。,(2)当应力幅值减小到一定程度时，应力循环次数趋向无穷大。,容许应力幅的定义 （1）应力幅循环次数（红色实线所示）关系曲线为试验回归曲线，反应了平均值之间的关系。,（2）考虑到试验的离散性，取平均值减去两倍lgn的标准差（
