《钢结构讲义2a》ppt课件

《《钢结构讲义2a》ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《钢结构讲义2a》ppt课件（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。 足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。 良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。 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。 容易生产，价格便宜。, 2.1 对钢结构用材的要求,安全储备,设计依据,延性设计,耗能能力,钢规P24 ：,第二章 建筑钢材及性能,第二章 建筑钢材及性能,2.2 建筑钢材在单轴应力下的工作性能 按GB将钢材加工成标准试件，在+20的条件下做 拉伸试验，缓慢加载，得到应力应变曲线。 工作特性分为 四个阶段： 弹性阶段：0 fp (比例极限)， 线性关系，变形小，卸载后变形恢复。,、, 弹塑性阶段

2、：fpfy(屈服点)， 弹性变形 塑性变形不可恢复的残余变形 E由2.06105 0 塑性阶段（又称塑流阶段）： BC 屈服平台， 不变，不断增长。 强化阶段（又称自强阶段）： 钢材恢复承载能力，当 fu（抗拉强度）发生 颈缩现象而破坏， 塑性破坏：变形很大，超过了材料可能的应变能力，是在 材料达到 fu以后发生的。变形大且时间长，易 发现，断口与作用力方向成 45角。 脆性破坏：塑性变形很小，甚至没有，应力低于fu 甚至可 能低于fy ,破坏是突然的。断口齐平，破坏前 无预兆。,变形,为塑性破坏。,通过单向拉伸试验，得到三个机械性能指标 fu、fy、 fu(抗拉强度)：衡量经巨量变形后的抗拉

3、能力； fy（屈服点）：衡量结构承载能力的指标； 均为钢材的静力强度指标。 （伸长率）：衡量塑性变形能力的指标。 分为5和10 ， 10 意为标距长度/直径 注意：fy 是材料的标准强度，非设计强度， 式中： ：材料抗力分项系数 1.087（Q235钢） 1.111（Q345、Q390、Q420）,设计强度为：,通过分析，得出2点结论： 由于残余应力的存在， fy 0.8 fu,以 fy 作弹性、 塑性工作的分界点，将曲线简化为两段直线 组成的理想弹性塑性体， 如此就可用弹性理论进行强度计算。 以 fy 作弹性设计时的强度指标 依据：a. 以 fy作弹性、塑性工作的分界点，屈服 后，（23），

4、易察觉；若过 大，产生的变形过大，不允许。 b. 从 fy fu ,塑性工作区很大，有足够的变 形保证截面上的应力不超过fu ， fy fu 作为强度储备。 fy / fu ：屈强比,受压、受剪、受弯时的关系如何？ 受压、受剪、受弯时的关系基本同受拉， 受压、受弯的强度指标取受拉时的数值， 受剪的强度指标 fyv(或y)=0.58 fy (后面讲原因) 钢材屈服点 fy 的高低和钢材晶粒的粗细有关，轧 制次数多，钢材就薄，晶粒细，材质好，屈服点就高。 由此可以得出，相同种类不同厚度的钢材，屈服 点是不一样的。 据此，规范将不同厚度的钢材分组，不同组取 不同的强度设计值。 碳素结构钢 低合金高强

5、度结构钢,有屈服点的钢材,含碳量小于2.06，建筑用钢 含C量小于0.25,加入小于5的合金元素,无屈服点的钢材，如热处理低合金钢，如何确定 屈服点？ 以卸载后残余应变为0.2时所 对应的应力为屈服点。以0.2 表示， 又称为条件屈服点。 冷弯性能：更严格的衡量塑性变形能力的指标，通 过冷弯试验确定。 冷弯试验是按材料的原有厚度经表面 加工成板状，作180冷弯，以弯曲处的 外面、侧面不起层、不开裂为合格。 不同厚度的钢材，d不同。 注意：焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的 钢材必须具有冷弯性能的合格保证。,厚度方向断面收缩率（又称Z向收缩率）： 厚度40mm以上钢板，受力时可 能会发生

6、层状撕裂，故应满足Z 向 收缩率要求。 量大，质量好，不易出现层状撕裂，故无此要求。 Z 向收缩率用Z 表示 A0：原横截面面积 A1：拉断时，断口处横截面面积 Z15 相应的Z15 Z15钢 Z25 相应的Z25 Z25钢 Z35 相应的Z35 Z35钢,薄钢板轧制时，压缩,分为三个质量等级,钢材受动荷时的韧性指标： 衡量钢材承受动荷作用时抵抗脆性破坏的指标就是 冲击韧性。 韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能 力，吸收能量多，韧性好。 确定冲击韧性的 方法就是冲击试验, 试验采用夏比V 型 缺口试件。 Q235钢 AKV27J (20、0、-20) Q345钢 AKV34J (20

7、、0、-20) Q390钢 AKV27J (- 40) 实际结构中，脆断总是发生在缺陷应力集中处， 因为该处存在同号应力场，使塑性变形受到限制。,2.2 建筑钢材在多轴应力下的工作性能 双向、三向受力时，不能以单向受力时的 fy为屈服 点，采用第四强度理论较为合适。 单向拉伸达塑性状态时，积聚 于单位体积中的形状改变能为： 三向主应力作用下，单位体积形状改变能为： 式中： 泊桑比,/,能量理论认为,U= U时,多向应力状态下的钢材 进入塑性。 即由弹性转为塑性状态的工作条件为： 当折算应力eq fy 时，弹性； 当折算应力eq fy 时，塑性。 多向应力下，以折算应力eq作为强度计算的标准，

8、将折算应力eq变形为： 有异号应力，且同号应力差较大，就易进入 塑性，说明异号应力场下易发生塑性破坏。,令：,分析：, 三个主应力同号且接近， eq小，不易进入塑 性，直至破坏，也不进入塑性； 三向等值压缩时，不会破坏； 说明同号拉应力场下易脆性破坏。 用正应力和剪应力表示折算应力： 钢结构中，构件厚度小，厚度方向应力小，忽略， 形成平面应力状态，,即：,达到屈服时：,即：,纯剪时：,因此时屈服，,用 fyv 代替 ，,即有： fyv 0.58fy,2.3 各种因素对钢材性能的影响 19381950年，在-14左右的冬季条件下，比利 时共有14座大桥断裂。 1954年11月，英国制造的3200

9、0t油船世界协和号， 在海浪4.56m 高的大海中航行时，船底断裂。 事故原因？ 一 化学成分 C：铁以外最重要的元素，C0.3%或C0.1% 时, 钢材 无明显屈服点。 C强度、 塑性、 冲击韧性、 焊接性 能、脆性、低温脆断危险。 钢结构采用低碳钢，C0.22% , 焊接结构 C0.2% S： 有害元素，8001000时，硫化铁熔化使钢材变 脆，因此热加工或焊接时，有可能引起热裂纹，称 为“热脆”。,S冲击韧性、焊接性能、疲劳强度， 所以， S0.045% (Q345以上钢材） S0.05% (Q235钢材） Mn：有益元素，弱脱氧剂。提高强度，不过多降低塑 性和韧性，消除热脆，改善冷脆；

10、 Mn过多，降低焊接性能。 Si： 强脱氧剂。Si0.2%时，提高强度，而不显著影 响塑性、韧性、冷弯性能、焊接性能； Si 含量达1时，则不然。 P： 提高强度和抗锈蚀能力，严重降低塑性、韧性、 焊接性能。 所以 P0.045% (Q235钢材) P0.04% (Q235以上钢材) V： 提高强度、抗锈蚀能力，不显著降低塑性。 N、O：有害，O热脆，N冷脆。,二 钢材的焊接性能 钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响。 碳素钢：当0.12C0.20%时，焊接性能最好， 含碳量超过上述范围，焊缝和热影响区容易变脆。 低合金钢：焊接性能用碳当量 CE 来衡量， 式中化学符号表示该化学元素含量

11、的百分数。 CE0.38时，焊接性能好，可直接施焊； 0.38CE0.45%时，施焊前预热，控制焊接工艺； CE0.45时，严格控制焊接工艺和预热温度。 通常采用可焊性试验的方法来检验钢材的焊接性能， 从而制定重要结构和构件的焊接制度和工艺。,三 冶金缺陷 缺陷有：偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、起层等。 气孔：CO气体没有逸出形成。 非金属夹杂：钢材中含有氧化物、硫化物，使钢材 变脆。 偏析：化学杂质元素分布的不均匀性， 主要的偏析是S 、P的偏析， 偏析 塑性、韧性、焊接性能、 疲劳强度。 四 应力集中 当试件表面不平整，有缺口存在时，在轴心荷载作 用下，截面上应力分布不均匀，缺口附近的应力

12、特别 高，称应力集中。,缺口尖端max 净截面平均应力： 0N /An An：净截面面积 应力集中系数： k=max / 0 缺口处，方向与轴向 不一致，力线倾斜，因而产生 横向剪力y ， 在孔边缘形成双向拉应力场（若 考虑厚度，三向拉应力场），这就是 脆断的原因。 带槽口试件的曲线，也证明了此点。 无明显屈服点，塑性降低，脆性增大。,应力集中现象产生的原因： 构件的不正确造型（设计时避免） 残余应力（研究不够） 非金属夹杂（规律同截面变化相同） 五 钢材的硬化 钢材中，C、N的固溶物存在于 存铁体的结晶体中，随时间增长， 它们析出，存在于晶粒之间的间层 中，对纯铁体的塑性变形起到抑制 作用，

13、使钢材的强度上升，塑性降 低，此种现象称“时效硬化”。又称“应变硬化”。 加热使此过程迅速完成，称“人工时效”。 弹性阶段： 不影响钢材性能 弹塑性阶段：强度提高，即弹性变形区域扩大， 塑性降低现象，称“冷作硬化”。 钢材经冷作硬化后又发生时效硬化，称“应变时效”。,加卸荷,、,时效硬化和人工时效与冷作硬化的区别： 相同点：扩大了弹性工作范围，减少了塑性。 不同点：前者在扩大弹性范围的同时，还提高了 抗拉强度，而后者没有提高抗拉强度。 冷作硬化通常是在经过冷加工（如冷拉、冷弯、冲孔、 机械剪切等）后产生的，冷加工区域的边缘产生冷作硬化， 成为产生裂缝的根源。 所以，要消除冷作硬化区域（受动荷

14、的重要构件，冷作硬化区域必须除去）。 六 加荷速度 快速拉伸，沿0B线变化，此时试件的温度有所降低， 持荷保持不变，试件吸收热量，产生BA,称“弹性后效”。 若突然快速卸荷，沿AC线变化，试件温度上升，随后 放热后冷却，回到 0 点。 加荷速度提高，钢材的屈服强度提高，呈脆性，故试 验时按规定的速度加荷。,通常作法：加载后持荷5分钟后读数，得到准确的试 验值。 七 温度影响 温度从常温下降fy稍有、 脆性、塑性、韧性。 当温度降到某一数值时，冲击 韧性AKV突然显著下降，钢材易产生 脆性断裂，称“低温冷脆”。 所以，应针对结构所处的温度对钢材提出AKV要求。 温度从常温上升，200以下，强度、

15、塑性， 250左右，强度、塑性、AKV，钢材变脆，称“蓝 脆现象”。 所以，经常受高温时，应采取隔热措施。 以上介绍影响因素的目的是了解钢材在什么条件下 发生脆性破坏，从而采取措施预防。,本节开始时所述事故原因： 前者：应力集中、残余应力、低温AKV值太小。 后者：大部分板件不满足冲击韧性要求。 2.4 建筑钢材的动力工作性能 一 钢材疲劳破坏的特征 循环荷载：随时间而变化的荷载， 如吊车梁和支承振动的平台梁 每一个循环中 max-min 称为应力幅 若为常数，即1 2n 称常幅应力循环。 若为变数，即1 2 n 称变幅应力循环。 应力循环特征用应力比值 min /max表示,疲劳破坏：钢材在循环荷载作用下，当应力还低于 钢材的抗拉强度，甚至低于屈服点时，就发生断裂破坏。 疲劳破坏的原因：钢材中存在一些局部缺陷，如不均 匀的杂质，轧制时形成的微裂纹或加工时造成的刻槽、孔 洞、裂纹等，在荷载作用下，缺陷处的截面上应力分布不 均，形成应力集中现象，在应力高峰附近出现微观裂纹， 而在循环荷载作用下，微观裂纹不断扩展，逐渐形成宏观 裂纹，这时截面被削弱，裂纹处的应力集中现象更严重， 在应力高峰附近形成双向或三向同号拉应力场，使钢