钢结构设计原理——2第二章

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1、钢结构设计原理钢结构设计原理钢结构设计原理钢结构设计原理湖南大学 土木工程学院湖南大学 土木工程学院杜运兴杜运兴杜运兴杜运兴 15802636289158026362891580263628915802636289 Design Principles of Steel StructuresDesign Principles of Steel Structures第二章第二章第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料钢结构的材料钢结构的材料钢结构设计原理2.1 概述2.1 概述2.2 钢材的生产2.2 钢材的生产2.3 钢材的主要性能2.3 钢材的主要性能2.4 各种因素对钢材性能的影响2.4 各种

2、因素对钢材性能的影响2.5 钢材的疲劳2.5 钢材的疲劳2.6 建筑用钢的种类、规格和选用2.6 建筑用钢的种类、规格和选用2.1 概述钢是铁、碳为主要元素的合金，铁是主要元素，碳和其他 元素所占比例非常少。钢是铁、碳为主要元素的合金，铁是主要元素，碳和其他 元素所占比例非常少。Q345、Q390、Q420钢材的种类繁多，适用于钢结构的钢材只是很小一部分。碳素结构钢（carbon structure steels）：Q235低合金高强度结构钢（high strength low alloy structural steels）：Q345、Q390、Q420钢材的种类繁多，适用于钢结构的钢材只是

3、很小一部分。碳素结构钢（carbon structure steels）：Q235低合金高强度结构钢（high strength low alloy structural steels）：钢结构钢材须满足的基本要求：钢结构钢材须满足的基本要求：?较高的强度较高的强度fy高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价。高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价。fu高可以增加结构的安全保障。高可以增加结构的安全保障。?有很好的塑性和韧性，即足够的变形能力有很好的塑性和韧性，即足够的变形能力?良好的制造加工性能（冷、热加工、可焊性）良好的制造加工性能（冷、热加工、可焊性）?特殊工作条件下的

4、某些特有性能。如低温、有害介质及疲劳等。特殊工作条件下的某些特有性能。如低温、有害介质及疲劳等。2.2 钢材的生产2.2.1 钢材的冶炼2.2.1 钢材的冶炼钢材的生产大致可分为钢材的生产大致可分为炼铁炼铁、炼钢炼钢和和轧制轧制三道工序铁矿石1、炼铁还原剂一氧化碳三道工序铁矿石1、炼铁还原剂一氧化碳焦炭熔剂焦炭熔剂石灰石石灰石2.2 钢材的生产2、炼钢2、炼钢 转炉钢有三种形式。 空气底吹转炉钢质量甚差，国内已不生产。 空气侧吹转炉钢质量略差，各项性能不如氧气顶吹转炉钢。 氧气顶吹转炉钢有害元素少、杂质少、纯洁度高；质量和 加工性能都接近平炉钢；生产效率高，成本低，投资省，建厂 快。 平炉钢原

5、料广泛，容积大，广量高，冶炼工艺较简单，钢材 质量 优良，化学成分稳定（偏析度小），机械性能可靠，能冶炼各 种用途的钢。缺点为生产成本高，建厂规模大，工期长，投资大。 电炉钢质量最好，成本最高，土建少用。 转炉钢有三种形式。 空气底吹转炉钢质量甚差，国内已不生产。 空气侧吹转炉钢质量略差，各项性能不如氧气顶吹转炉钢。 氧气顶吹转炉钢有害元素少、杂质少、纯洁度高；质量和 加工性能都接近平炉钢；生产效率高，成本低，投资省，建厂 快。 平炉钢原料广泛，容积大，广量高，冶炼工艺较简单，钢材 质量 优良，化学成分稳定（偏析度小），机械性能可靠，能冶炼各 种用途的钢。缺点为生产成本高，建厂规模大，工期长，

6、投资大。 电炉钢质量最好，成本最高，土建少用。平炉炼钢平炉炼钢2.2 钢材的生产转 炉 炼 钢电炉炼钢转 炉 炼 钢电炉炼钢2.2 钢材的生产3.钢材的浇注和脱氧3.钢材的浇注和脱氧 脱氧剂 脱氧剂Mn、Si等 沸腾钢等 沸腾钢用用Mn脱氧，不充分，质量不好，成本低。 镇静钢脱氧，不充分，质量不好，成本低。 镇静钢除锰外，还用硅和铝为脱氧剂，脱氧完全，质量好，成本高。 半镇静钢除锰外，还用硅和铝为脱氧剂，脱氧完全，质量好，成本高。 半镇静钢介于沸腾钢和镇静钢之间。连铸法介于沸腾钢和镇静钢之间。连铸法2.2 钢材的生产2.2.2 钢材的组织构造和缺陷2.2.2 钢材的组织构造和缺陷 1.钢材的组

7、织构造低碳钢含碳量不超过0.25%铁素体，溶碳仅0.0008%，强度、硬度低，塑性、韧性良好渗碳体（Fe1.钢材的组织构造低碳钢含碳量不超过0.25%铁素体，溶碳仅0.0008%，强度、硬度低，塑性、韧性良好渗碳体（Fe3 3C）含碳6.67%，熔点高，硬度大，几乎没有塑性低合金钢结构的其他合金总量不超过 5%C）含碳6.67%，熔点高，硬度大，几乎没有塑性低合金钢结构的其他合金总量不超过 5%碳素钢的力学性能由铁素体和珠光体两种成分碳素钢的力学性能由铁素体和珠光体两种成分碳素钢的力学性能由铁素体和珠光体两种成分碳素钢的力学性能由铁素体和珠光体两种成分 的比例决定的。的比例决定的。的比例决定的

8、。的比例决定的。2.2 钢材的生产铁素体渗碳体铁素体渗碳体机械混合形 成珠光体珠光体强度很 高，坚硬而富于 弹性。铁素体的晶粒越细小，珠光体的分布越均匀，钢的性 能也越好。机械混合形 成珠光体珠光体强度很 高，坚硬而富于 弹性。铁素体的晶粒越细小，珠光体的分布越均匀，钢的性 能也越好。2.2 钢材的生产片状珠光体（片状珠光体（1000倍）针状和块状铁素体（100 倍）倍）针状和块状铁素体（100 倍）2.2 钢材的生产低合金钢低合金钢是低碳钢中加入少量的锰、硅、钒、铌、钛、铝、 鉻、镍、铜、氮、稀土等合金元素。合金铁素体合金渗碳体是低碳钢中加入少量的锰、硅、钒、铌、钛、铝、 鉻、镍、铜、氮、稀

9、土等合金元素。合金铁素体合金渗碳体珠光体类网状间层珠光体类网状间层珠光体类网状间层使钢材的强度得到提高，而珠光体类网状间层使钢材的强度得到提高，而珠光体类网状间层使钢材的强度得到提高，而珠光体类网状间层使钢材的强度得到提高，而 塑性、韧性和可焊性能并不降低塑性、韧性和可焊性能并不降低塑性、韧性和可焊性能并不降低塑性、韧性和可焊性能并不降低2.钢材的铸造缺陷2.钢材的铸造缺陷2.2 钢材的生产构造缺陷偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔、裂纹构造缺陷偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔、裂纹2.钢材的铸造缺陷2.钢材的铸造缺陷2.2 钢材的生产铸锭方框偏析铸锭方框偏析铸锭断面气孔分布状况示意图铸锭断面气孔分布状

10、况示意图 (a)表面气孔表面气孔 (b)皮下气孔皮下气孔 (c)内部满面气孔内部满面气孔 (d) 内部缩松气孔内部缩松气孔(a)(b)(c)(d)2.2 钢材的生产2.2.3 钢材的加工2.2.3 钢材的加工1.热加工钢材的加工分为1.热加工钢材的加工分为热加工热加工、冷加 工冷加 工、热处理热处理适宜的温度控制范围：1150- 1300 作用：改善钢材的力学性能 （钢材强度按厚度分组，附录 1） 各向异性增大，且易出现 分层现象。适宜的温度控制范围：1150- 1300 作用：改善钢材的力学性能 （钢材强度按厚度分组，附录 1） 各向异性增大，且易出现 分层现象。2.2 钢材的生产2. 冷加

11、工在常温或低于再结晶温度情况下，通过机械的力量，使钢材 产生所需要的永久塑性变形，获得需要的薄板或型钢的工艺 成为冷加工 。经过冷加工的钢材均产生不同程度的塑性变形，金属晶粒沿 变形方向被拉长，局部晶粒破碎，位错密度增加，残余应力 增加。冷轧、冷弯、冷拔，切削等 影响：冷作硬化（应变硬化）2. 冷加工在常温或低于再结晶温度情况下，通过机械的力量，使钢材 产生所需要的永久塑性变形，获得需要的薄板或型钢的工艺 成为冷加工 。经过冷加工的钢材均产生不同程度的塑性变形，金属晶粒沿 变形方向被拉长，局部晶粒破碎，位错密度增加，残余应力 增加。冷轧、冷弯、冷拔，切削等 影响：冷作硬化（应变硬化）2.2 钢

12、材的生产3. 热处理钢的热处理是将固态范围内，施以不同的加热、保温和冷却 措施，籍改变其内部组织构造，达到改善钢材性能的一种加 工工艺 。退火、正火、淬火和回火 作用：改善钢材性能。3. 热处理钢的热处理是将固态范围内，施以不同的加热、保温和冷却 措施，籍改变其内部组织构造，达到改善钢材性能的一种加 工工艺 。退火、正火、淬火和回火 作用：改善钢材性能。2.3 钢材的主要性能工程材料的性能工程材料的性能使用性能使用性能力学性能力学性能 物理性能 化学性能物理性能 化学性能工艺性能工艺性能表征钢材在给定外界条件下的行为 即钢材在各种作用下所表现出来的各种特性。如弹 性、塑性、韧性和强度等性能，称

13、为力学性能。表征钢材在给定外界条件下的行为 即钢材在各种作用下所表现出来的各种特性。如弹 性、塑性、韧性和强度等性能，称为力学性能。钢材的性能钢材的性能铸造性 可锻性铸造性 可锻性 可焊性 切削加工性可焊性 切削加工性 热处理性热处理性2.3 钢材的主要性能钢材的破坏形式分为钢材的破坏形式分为塑性破坏塑性破坏、脆性破坏塑性破坏脆性破坏塑性破坏特征：破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，断口发暗，可以采取补救措施。破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，断口发暗，可以采取补救措施。脆性破坏脆性破坏特征：坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变形远比材料应有的变形能力小，破坏突然，断口平直、发亮呈晶粒状，无

14、机会补救。坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变形远比材料应有的变形能力小，破坏突然，断口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。组织结构和外部工作条件决定破坏形式。组织结构和外部工作条件决定破坏形式。2.3.1 钢材的破坏形式2.3.1 钢材的破坏形式2.3 钢材的主要性能2.3.2 钢材在单向一次拉伸下的工作性能2.3.2 钢材在单向一次拉伸下的工作性能拉伸试验机拉伸试验机液压式万能电子材料试验机液压式万能电子材料试验机2.3 钢材的主要性能LodNNNLdN条件：条件：标准试件（GB228标准试件（GB22863），常温（20）下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%0.3%。标准试件：l63），常

15、温（20）下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%0.3%。标准试件：lo o/d=5、10；l/d=5、10；lo o-标距；-标距；d -d -直径-直径2.3 钢材的主要性能有屈服点钢材-曲线可以分为五个阶段：有屈服点钢材-曲线可以分为五个阶段：(1)弹性阶段(1)弹性阶段(OF段)段)OA段材料处于纯弹性，即:E=AF段有一定的塑性变 形, 但整个OF段卸载 时，=0； E=206103N/mm2uOAE=BCDAEyFG2.3 钢材的主要性能（2）非线形弹性阶段（）非线形弹性阶段（FB)该段很短该段很短,表现出钢材的非线形弹性性质表现出钢材的非线形弹性性质;（3）塑性阶段 （）塑性阶段

16、 （BCD) 该段基本保持不 变（水平该段基本保持不 变（水平), 急剧增 大急剧增 大,称为屈服台阶或 流幅段称为屈服台阶或 流幅段,变形模 量变形模 量E = 0，B屈服上限屈服上限; C屈服下限屈服下限(屈 服点屈 服点)uOAE=BCDAEyFG2.3 钢材的主要性能（4）强化阶段）强化阶段(DE段段)极限抗拉强度极限抗拉强度fu（5）颈缩阶段）颈缩阶段(EG段段)随荷载的增加缓慢增大随荷载的增加缓慢增大,但增加较快但增加较快uOAE=BCDAEyFG2.3 钢材的主要性能对无明显屈服点的钢材对无明显屈服点的钢材该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变 形小，破坏突然。设计时取相当于