钢结构设计原理第2章+钢结材料

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1、第 二 章 钢 结 构 材 料,2.1 对钢结构用材的要求 2.2 钢材的主要性能及其鉴定 2.3 影响钢材性能的因素 2.4 钢材的延性破坏和非延性破坏 2.5 建筑钢材的类别及钢材的选用,本章内容：,2.1 对钢结构用材的要求,用作钢结构的钢材的性能： 1、较高的强度 即抗拉强度fu和屈服点fy比较高 2、足够的变形能力 即塑性和韧性性能好 3、良好的加工性能 适合冷、热加工，良好的可焊性,4、适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等的性能 5、容易生产，价格便宜 钢结构设计规范 (GB500172003) 推荐的 钢材： 普通碳素结构钢：Q235钢 低合金高强度结构钢：Q

2、345、Q390及Q420,2.1 对钢结构用材的要求,包括拉伸性能、冷弯性能、冲击韧性和可焊性等。,2.2 钢材的主要性能及其鉴定,2.2.1 单向拉伸时的工作性能 条件：常温、静载条件下一次拉伸,主要力学指标,比例极限P 屈服点 y 抗拉强度u 伸长率 5和10,屈服点,钢材计算模型,作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。 理想弹塑性体的模型。,名义屈服点,2.2.2 冷弯性能,根据试样厚度（a），按规定的弯心直径(d)将试样弯曲180度，其表面及侧面无裂纹或分层,Q235: 纵向试样 横向试样 16 a 60mm d = a d = 1.5a 60 a 100 d = 2a d =

3、 2.5a 100 a 150 d = 2.5a d = 3a,表示的性能： 材料塑性变形能力 冶金质量,2.2.3 冲击韧性,韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度 测量方法 梅氏（Mesnage U-notch）：ak(J/cm2) 夏比（Charpy V-notch）： Akv 或Cv(J),钢材冲击韧性要求,2.2.4 可焊性,采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂纹的)焊缝的性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.120.20范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。 Q235A为0.14%0.22%，可焊性较差。 合金元素的 影响用碳当量表示。,

4、2.2.5 钢材性能的鉴定,钢结构工程施工质量验收规范 (GB502052001) 检验指标: 屈服强度 抗拉强度 伸长率 冷弯性能 冲击韧性 工艺性能 化学成分, 检查项目: 质量合格证明文件、中文标识、检验报告 对于需要复验的钢材，按国家有关标准执行： H型钢取翼缘部位； 钢板、钢带拉伸和弯曲取横向试样； 冲击韧性取纵向试样。,2.2.5 钢材性能的鉴定,包括化学成分、成材过程、其他 2.3.1 化学成分 碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99，碳及杂质元素约占1。低合金结构钢中，除上述元素外还加入合金元素，后者总量通常不超过3。,2.3 影响钢材性能的因素,碳（C） 碳是碳

5、素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢材强度的主要因素，随着含碳量的增加，钢材强度提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于0.2%。 锰（Mn）锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%0.8%，在低合金钢中一般为1.0%1.7%。,化学元素,硅（Si） 硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、

6、抗锈蚀性和可焊性。 钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti) 钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。,化学元素,铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni) 铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。 硫（S） 硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。,化学元素,磷(P) 磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷

7、是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。 氧(O)、氮(N) 氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。,化学元素,2.3.2 成材过程的影响,冶炼 可分为平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢 浇铸 一种是浇入铸模做成钢锭，另一种是浇入连续浇铸机做成钢坯。 按脱氧程度不同，分为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。 冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等。,轧制 钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合，因而改善了钢材的力学性能。

8、热处理 热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。 正火（850900） 回火（650） 淬火（900） 调质处理（淬火加回火）,2.3.2 成材过程的影响,2.3.3 影响钢材性能的其他因素,冷加工 硬化 (应变硬化),2.3.3 影响钢材性能的其他因素,温度的影响 正温范围 正温范围总的趋势是随着温度的升高， 钢材强度降低，变形增大。,250 有兰脆现象 260320 有徐变现象,fy与fu都增高 但塑性变形能 力减小，因而 材料转脆，对 冲击韧性的影 响十分突出。,温度转变区,负温范围,在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。,应力集中,

9、孔洞、缺口处 的应力集中,2.4 钢材的延性破坏和非延性破坏 循环加载和快速加载的效应,2.4.1 延性破坏和非延性破坏 塑性材料与脆性材料 有屈服现象 没有明显屈服现象而能发生较大塑性变形 材料原始性能以及在常温、静载并一次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形，与所处工作条件有关,塑性破坏：超过屈服点 fy即有明显的塑性变形产生，达到抗拉强度 fu时将在很大变形情况下断裂; 脆性破坏：没有塑性变形或在塑性变形很小时即发生破坏。,塑性破坏与脆性破坏,疲劳断裂的概念 疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。,裂纹的形成 缓慢扩展 迅速扩展,2.4.2 循环荷载效

10、应,应力比 应力幅 平均应力,关于循环荷载的几个概念,一个循环: 连续重复荷载之下应力往复变化一周,完全对称循环(-1),静荷载作用(+1),脉冲循环(0),一般应力循环(-1 +1), - n 曲线,根据试验数据可以画出构件或连接的应力幅 与相应的致损循环次数 n 的关系曲线, - n 曲线,疲劳验算及容许应力幅（n5104）,容许应力方法 重复可变荷载，标准值，不乘动力系数, 对焊接结构为应力幅 max-min； 对非焊接部位为计算应力幅 max-0.7min, 常幅疲劳的容许应力幅。与构造细部和疲劳 寿命有关，和钢材种类无关。,常幅疲劳:,变幅疲劳线性累积损伤准则,f 中、重级吊车荷载折

11、算成2106时的欠载效应等效系数，根据对国内吊车荷载谱的调查统计结果，重级工作制硬勾吊车为1.0，重级工作制软勾吊车为0.8，中级工作制吊车为0.5。,2.4.3 快速加荷效应,快速加荷使钢材fy、fu偏高。影响能量吸收的能力，随着加荷速率的减小，曲线向温度较低的方向移动。,缓慢加荷： = 10-5s-1 中速加荷： = 10-3s-1 动力加荷： = 10s-1 除遭遇强烈地震外，建筑结构通常为静态的结构，即考虑荷载动力系数后按静态结构对待，但承受多次循环荷载时要验算疲劳。,按应变速率 = d / dt 把加荷速率分3级：,2.5 建筑钢材的类别及钢材的选用,钢种：碳素结构钢、低合金高强度结

12、构钢 钢号：Q+屈服强度+质量等级+脱氧程度 1、碳素结构钢 (GB700) Q195、 Q215 A及B，Q235 A、B、C及D， Q255 A及B、Q275等 质量等级：AD质量等级由低高， 区别：冲击韧性（CVN）、冷弯性能。,2.5.1 建筑钢材的类别,冲击 韧性（CVN）： Q235A：不要求 Q235B：常温（205） 27J Q235C：0 27J Q235D：-2027J 冷弯性能： A级不要求；B、C和D级钢均要求冷弯性能合格。 脱氧程度：Z、b、F和TZ A、B：Z、b、F C：Z D：TZ,1、碳素结构钢 (GB700),说明下列钢号代表的意义： Q235A Q235A

13、b Q235AF Q235Bb Q235BF Q235C Q235D,Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等 质量等级：AE质量等级由低高， 区别：冲击韧性（CVN）。 A：不要求 B：常温（2050C）34J C：00C 34J D：-200C 34J E：-400C 27J,2、低合金高强度结构钢(GB/T1591),脱氧程度：Z和TZ A、B：Z C、D和E：TZ,种类：平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳 材料：优质碳素钢经过多次冷拔而成，分为光面钢丝和镀锌钢丝 抗拉强度：15701700N/mm2 特点：松弛,3、高强钢丝和钢索材料,平行钢丝束由 7 根、 19 根、 37 根或

14、61 根钢丝组成,钢绞线亦称单股钢丝绳，由多根钢丝捻成。,钢丝绳多由 7 股钢绞线捻成，以一股钢绞线为核心，外层的6 股钢绞线沿同一方向缠绕。,原则：安全可靠、经济合理 考虑因素： 结构或构件的重要性； 荷载性质（静载或动载） ; 连接方法（焊接、铆接或螺栓连接） ; 工作条件（温度及腐蚀介质）。 对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构，选用质量较高的钢材。,2.5.2 钢材的选择,构件钢材 Q235A：不直接承受动荷载、非焊接 Q235(345)B、C、D：需要验算疲劳的适用温度 Q390(420)B、C、D、E：需要验算疲劳的适用温度 脱氧方法 连接钢材 与主体金

15、属强度相适应： Q235E43 Q345E50 Q390、Q420E55,2.5.2 钢材的选择,种类：钢板、型钢 热轧钢板 -厚宽长（mm）:-104002000 厚板：4.560mm；薄板：0.354mm 热轧型钢 角钢 L10010、L100808 槽钢 32a、 32Q 工字钢 I32c，I32Q,2.5.3 型钢规格,H型钢 HW、HM、HN：HW300300 剖分T型钢 TW、TM、TN ：TW150300 钢管 dt： 1006,2.5.3 型钢规格,冷弯薄壁型钢 26mm,冷弯型钢的截面形式,钢结构用钢材的性能要求 较高的强度 足够的变形能力 良好的加工性能 钢材在单向拉伸时的主要性能 屈服点 抗拉强度 伸长率,本章主要内容,其他性能要求 冷弯性能 冲击韧性 可焊性 影响钢材性能的因素 化学成分：C, P, S, O,N, Si等 成材过程：冶炼、浇筑、轧制、热处理 冷加工,本章主要内容,疲劳断裂的概念 微观裂纹 连续重复荷载 影响疲劳性能的因素 应力幅 循环次数 构件或连接构造细节 与钢材种类无关,本章主要内容,疲劳验算 容许应力法