钢结构基本原理及设计

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1、第2章 钢结构材料,2-1 概述,2-2 钢材的生产,2-3 钢材的主要性能,第2章 钢结构材料,2-4 各种因素对钢材性能的影响,2-5 钢材的疲劳,2-6 建筑用钢的种类、规格和选用,1）有较高的强度，屈强比满足要求，保证安全储备,2）有足够的变形能力,塑性-破坏前有预兆，能内力重分布,韧性-在动载下破坏能吸收较大能量,2-1 概述,4）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载,5）易生产、价格便宜,3）有良好的加工性能，适应冷热加工，有良好的可焊性,钢结构设计规范（GB50017-2002)推荐的普通碳素结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420符合要求,2-1 概述,

2、2-2 钢材的生产,2.2.1 钢材的冶炼,一. 炼铁,二. 炼钢 碳素钢 低合金高强度结构钢 常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。 电炉炼钢炼成的钢质量好。 耗电量大，成本高。 转炉炼钢是利用高压空气或氧气 氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，生产周 期短，效率高、质量好、成本低。,钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制,2-2 钢材的生产,2-2 钢材的生产,2-2 钢材的生产,平炉炼钢，平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。 平炉钢周期长，效率低成本高,三. 钢材的浇注和脱氧 按脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为 沸腾钢、半镇静钢、镇静

3、钢和特殊镇静钢4类。,沸腾钢采用脱氧能力较弱锰作脱氧剂，脱氧不完全。钢中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。 镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧化铁过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不出现沸腾现象。质量好，成本高。 半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。 特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，脱氧程度高于镇静钢。 低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。,2-2 钢材的生产,以“Q”代表屈服点 屈服点数值共分195、215、235、255和275(MPa)5种 质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别由A、B、C、D符号表示 脱氧方法以F表示沸腾钢，b

4、表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢。Z和TZ在钢的牌号中予以省略 C级只能是Z，D级只能是TZ。 例如：Q235AF表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢 Q215B，表示屈服点为215MPa的B级镇静钢 Q215Bb 表示屈服点为215MPa的B级半镇静钢,2-2 钢材的生产,一. 钢材的组织构造 碳素结构钢是在纯铁中加适量的碳来提高强度 铁素体 强度、硬度较低，而塑性、韧性良好 渗碳体 铁碳化合物 熔点高，硬度大，几乎没有塑性 与铁素体晶粒形成珠光体，在铁素体晶粒空隙中， 形成网状间层。珠光体强度很高，坚硬富有弹性 低合金结构钢是在低碳钢中加入少量的合金元素 合金元素及其化合物溶

5、解于铁素体和珠光体中，使 强度提高，塑性、韧性和焊接性能不降低,2.2.2 钢材的组织构造和缺陷,2-2 钢材的生产,二. 钢材的铸造缺陷 冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等,热加工、冷加工和热处理三种。 将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状,产生出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工 在常温下对钢材进行加工称为冷加工 通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，称为热处理,2.2.3 钢材的加工,2-2 钢材的生产,一. 热加工 开轧和锻压温度控制在11501300 钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，压合钢坯中的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。 热轧薄板

6、和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，钢材的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢 钢材强度按板厚分组,2-2 钢材的生产,钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，经轧制之后被压成薄片 会出现分层现象。使钢板沿厚度方向受拉的性能恶化,钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横向）的性能，使各向异性增大。 钢板部件应沿其横向切取试件进行拉伸和冷弯试验。,2-2 钢材的生产,二. 冷加工 冷轧卷板和冷轧钢板 冷弯薄壁型钢和压型钢板 高强钢丝,2-2 钢材的生产,2-2 钢材的生产,三. 热处理 包括退火、正火、淬火和回火 退火和正火改善组织以提高钢的机械性能 其操作方法为：

7、在炉中钢材加热保温一段时间后，随炉温冷却至500以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全退火 若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。正火的冷却速度比退火快，强度和硬度有所提高 低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件和冷加工件中的残余应力,2-2 钢材的生产,淬火工艺是将钢件加热到900以上，保温后快速在水中或油中冷却 增加了钢材强度和硬度，使塑性和韧性降低 回火工艺将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，而后在空气中冷却 消除残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加塑性和韧性，形成较稳定的组织。 通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强度较高的钢材，如Q420中的C、D、E级钢和高

8、强度螺栓的钢材都要经过调质处理。,2-2 钢材的生产,钢材有两种完全不同的破坏形式： 塑性破坏 脆性破坏 塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。 脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。,2-3 钢材的主要性能,2.3.1 钢材的破坏形式,2-3 钢材的主要性能,钢材的多项性能指标通过单向拉伸试验获得 给出相应钢材的单调拉伸应力应变曲线。由试验曲线看出，在比例极限p以前钢材的工作是弹性的；比例极限以后，进入了弹塑性阶段；达

9、到了屈服点fy后，塑性平台；出现强化阶段，产生颈缩而破坏。,2.3.2 钢材在单向一次拉伸下工作性能,2-3 钢材的主要性能,一. 四个工作阶段：,1）弹性阶段：,2）弹塑性阶段：,应力由 0 比例极限fp,应力由 fp 屈服点 fy,3）塑性阶段：,应力保持 fy 不变，应变由(0.10.2)% (23)%;,4）强化阶段：,应力由 fy 抗拉强度 fu,设计以钢材的屈服点 f y 作为静力强度承载力极限,2-3 钢材的主要性能,f y,如果没有残余应力，比例极限与屈服应力合为一点，弹塑性阶段消失，为简化计算，将应力应变关系简化为如图,二. 理想弹塑性体,理想弹塑性体应力应变关系,1强度 设

10、计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度u是钢材破坏前所承受最大应力，此时结构因塑性变形很大而失去使用性能，uy值的大小，作为钢材强度储备的参数,三. 钢材的机械性能,2-3 钢材的主要性能,衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率和断面收缩率。,2塑性,原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。一般以l0d0=5为标准试件。伸长率5：,式中：l0试件原标距长度； d0试件标距长度内的直径； l1 试件拉断后标距间的长度。,2-3 钢材的主要性能,断面的颈缩率：,式中：A0试件标准断面的面积 A1试件拉断后颈缩区的断面积,钢材单调拉伸应力应变曲线提供了三个重要的力学性能指标：抗拉强度fu、伸长率和屈

11、服点fy。 抗拉强度fu是钢材一项重要强度指标，反映钢材受拉时能承受的极限应力 伸长率是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标，其相应伸长率分别用5或10表示 屈服点fy是钢结构设计中应力允许达到的最大限值,2-3 钢材的主要性能,一. 冷弯性能 钢材的冷弯性能由冷弯试验确定 试验时，根据钢材的牌号和不同的板厚，按国家相关标准规定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲180 以试件表面和侧面不出现裂纹和分层为合格 冷弯试验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力大小，还能显示其内部的冶金缺陷 判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标,2.3.3 钢材的其它性能,2-3 钢材的主要性能,冷弯性能试验方法

12、 具有一定弯心直径d的冲头 对标准试件中部施加荷载使之弯曲 不出现裂纹或分层，判断钢材的冷弯性能,冷弯性能试验,2-3 钢材的主要性能,二. 冲击韧性 单调拉伸试验比较不同钢材在正常情况下韧性好坏 冲击韧性是评定带有缺口钢材冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标， 通常用带有夏比V型缺口的标准试件,冲击韧性值随温度的降低而降低 相当温度下的冲击韧性指标： 在寒冷地区承受动力作用重要承重结构，应根据工作温度和所用钢材牌号，提出相当温度下的冲击韧性指标要求,2-3 钢材的主要性能,钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂过程中吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击荷裁作用 我国以前曾采用过梅

13、氏试件(U形缺口)作冲击韧性试验。,2-3 钢材的主要性能,多轴应力下，材料的综合强度指标要用变形时单位体积中积聚的能量来衡量,形状改变比能理论：,三向应力下，形状改变比能等于单向拉伸下积聚的比能时，钢材由弹性转入塑性状态,2.3.4钢材在复杂应力状态下的屈服条件,时，为塑性状态； 时，为弹性状态,2-3 钢材的主要性能,对塑性材料，同号应力状态易发生脆断，钢材在异号应力状态时容易发生塑性破坏。,正应力与剪应力表示：,2-3 钢材的主要性能,当1、2、3为同号应力且数值接近时， 即使它们各自都远大于fy，折算应力zs仍小于fy 说明钢材很难进入塑性状态 破坏表现为脆性,2-3 钢材的主要性能,

14、在实腹梁的腹板中：,当纯剪时：,钢材的抗剪设计强度为：,平面应力状态下,2-3 钢材的主要性能,碳 含碳量低，钢的强度不高但塑性大伸长率和冲击韧性高，钢质柔软，易于冷加工、切削和焊接 含碳量较高，钢的强度高，但塑性小，硬度大，性脆，不易加工,2.4.1 化学成分的影响,2-4 各种因素对钢材性能的影响,2-4 各种因素对钢材性能的影响,锰元素(Mn)是一种弱脱氧剂 锰提高钢材的屈服强度和抗拉强度，改善钢材的冷脆倾向，降低硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，不显著降低塑性和冲击韧性。 普通碳素钢中，锰含量在0.30.8，低合金钢中，在1.21. 6之间，过多会使钢材变硬变脆降低钢材耐腐蚀

15、和可焊性。,硅元素(Si)是一种较强的脱氧剂。 适量的硅可提高钢材强度而对其塑性、冷弯性能、冲击性能、可焊性能无明显不良影响。 在碳素钢中含量不超过0.3，低合金钢中限制在0.6以内。过高硅含量降低钢材的塑性、韧性、抗锈性和可焊性。,2-4 各种因素对钢材性能的影响,钒元素(V)是低合金钢中合金元素。可以细化钢材晶粒结构而提高钢材屈服强度和抗拉强度。钒的化合物稳定，使钢的高温硬度提高，15MnV钢是在16Mn钢基础上加入适量的钒(0.040.12)熔炼成强度较高低合金钢。,硫元素(S)是一种有害元素。硫与铁化合成硫化铁(FeS)散布在纯铁体层间中，当温度在8001200时熔化而使钢材出现热裂纹

16、，且易脆断。称为热脆现象。使钢材焊接性能和热加工性能变坏，降低钢材塑性和冲击韧性。,2-4 各种因素对钢材性能的影响,氧、氮是有害元素，容易从铁液中逸出，故含量甚少。氧的作用与硫类似，增大钢的热脆性。 氮的作用同磷类似，能显著降低钢材的塑性和冲击韧性，冷弯性能和焊接性能，特别是增大钢材的冷脆性,2-4 各种因素对钢材性能的影响,磷元素(P)也是一种有害元素。 磷的存在可提高钢材的强度和抗锈蚀性，但严重降低钢材的塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性。 在低温下，钢材易产生低温脆断,称为冷脆现象。,钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响 含碳量超过时，焊缝及热影响区容易变脆 一般Q235A的含碳量较高，因此