建筑钢材的性能课件

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1、第13章 建筑钢材的性能,13.1 建筑结构钢的品种和规格 13.2 建筑钢材的力学性能 13.3 钢结构选材要求 13.4 钢材及其连接的强度取值,2019/5/3,3,13.1 建筑结构钢的品种和规格,建筑结构钢的种类 碳素结构钢 低碳钢：碳含量 0.25% 中碳钢：碳含量 0.25%0.6% 高碳钢：碳含量 0.6%1.4%,13.1.1 建筑结构钢的种类和牌号,建筑结构用钢多采用低碳钢,高强度螺栓采用中碳钢,建筑结构钢不采用高碳钢,2019/5/3,4,低合金高强度结构钢 锰系合金钢 硅锰系合金钢 硅钒系合金钢 硅钛系合金钢,2019/5/3,5,钢材牌号 碳素结构钢 牌号：Q195、

2、Q215、Q235、Q255, Q275 等级：A、B、C、D四级 低合金高强度结构钢 牌号：Q29512Mn、09MnV Q34516Mn、12MnV Q39015MnV、15MnTi Q420，Q460 等级：A、B、C、D、E五级,2019/5/3,6,铸造碳钢 ZG200-400 ZG230-450 ZG270-500 ZG310-570 螺栓用钢 碳钢或合金钢制造 抗拉强度（t/cm2）.屈强比 普通螺栓：4.6 级、4.8 级、5.6 级、8.8 级 高强度螺栓：8.8 级、10.9 级,铸钢代号ZG、屈服点强度fy-抗拉强度fu,2019/5/3,7,13.1.2 钢材品种和规格

3、,热轧钢板 规格 厚钢板：厚度4.5 60 mm 薄钢板：厚度0.35 4 mm 扁 钢：厚度460mm，宽度30200mm 表示方法 符号“”后加“厚宽长”或 “长宽厚” 例如：128002100 12004008,2019/5/3,8,热轧型钢 工字钢 普通工字钢 以截面高度的cm数编号 （20号以上分a、b、c）：I30a，I30b，I30c 轻型工字钢（腹翼均较薄） H型钢 宽翼缘：HK （B=H） 窄翼缘：HZ （B=0.33H0.5H）,2019/5/3,9,角钢 等边角钢：以边宽和厚度表示 不等边角钢：以长边宽、短边宽和厚度表示 如：1008 10080 8 槽钢 普通槽钢，轻型

4、槽钢 以高度的cm数表示，30a 钢管 无缝钢管 + 焊接钢管 外径厚度,如：2006,2019/5/3,10,冷加工薄壁钢板 冷弯薄壁型钢 Q235或Q345薄钢板经模压或弯曲而成 厚度1.5 5 mm,彩色钢板 防锈涂层彩色压型钢板 夹芯彩色钢板,2019/5/3,11,活动板房,2019/5/3,12,13.2 建筑钢材的力学性能,单向拉伸力学性能 抗拉强度 屈服强度fy 强度极限fu 屈强比fy / fu,13.2.1 钢材的静态力学性能,2019/5/3,13,塑性 伸长率（延伸率）,断面收缩率,物理性质指标 材料模量：弹性模量E、剪变模量G 材料性能：质量密度 线膨胀系数,附表32

5、,2019/5/3,14,复杂应力下的屈服条件 采用理论：第四强度理论 屈服条件 三向应力状态,二向应力状态,一般受弯梁,纯剪应力,2019/5/3,15,一、冷弯性能 冷弯性能的概念 钢材在冷加工产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力 冷弯试验 试验机上按照规定的弯心直径d，通过冷冲头加压 试件弯曲至180,13.2.2 冷弯性能和冲击韧性,2019/5/3,16,冷弯试验结果 放大镜检查 若表面不出现裂纹和分层=合格 若表面出现裂纹或分层=不合格 它是鉴定钢材塑性应变能力和质量的综合指标,2019/5/3,17,冲击韧性 冲击韧性指标 夏比V型缺口，冲击功 Akv 与温度有关,2019/5/

6、3,18,常温塑性性能好 低温脆变性：钢材很明显 冲击韧性指标的要求 Q235钢：20C 、0C 、-20C，Akv 27J Q345、Q390钢： 20C，Akv 34J 0C，Akv 34J -20C，Akv 34J -40C，Akv 27J,钢材质量等级划分的依据,2019/5/3,19,一、可焊接性 可焊性的概念 在一定工艺条件下，钢材经受住焊接时产生的高温热循环作用 焊缝金属和邻近焊缝区钢材不产生裂纹，焊接后焊缝的主要力学性能不低于母材的力学性能 可焊性的含义 钢材本身具有可焊接的条件 接头强度、刚度与母材相等或相近,13.2.3 钢材的可焊性和其他性能,2019/5/3,20,二、

7、钢材的其他性能 耐腐蚀性 一般钢材耐腐蚀性差，需喷涂或电镀保护 耐候钢，耐大气腐蚀能力强 耐火性 耐火性能差（耐火极限30min以内） 需要包裹或喷涂防护 Z向性能 厚钢板（t40mm）金属夹杂引起分层，厚度方向即Z向受拉性能大大降低。 为避免Z向受力时出现撕裂，厚度方向的收缩率不能太小=Z向性能。,断面收缩率15%,国产厚钢板Z向性能 一般达不到要求,2019/5/3,21,13.2.4 影响钢材性能的主要因素,化学成分 主要元素 铁Fe：钢的基本元素，纯铁软、强度低 碳C：形成钢材强度的主要成分 结构钢碳含量不宜过高：低碳钢 有益元素 锰Mn，硅Si：脱氧剂，合金元素 钒V，铌Ni，钛Ti

8、：合金元素 铝，铬，镍：铝强脱氧剂，铬、镍合金元素,2019/5/3,22,有害元素 磷P：强度、硬度、耐磨性，塑性、韧性 和可焊性 硫S：热脆，可焊、耐疲劳、韧性、抗磨 氧O：韧性、可焊性 氮N：使钢冷脆，也可作为合金元素存在,各种化学成分的含量要求见：,表13-2 碳素结构钢化学成分,表13-3 低合金高强度结构钢的牌号化学成分,2019/5/3,23,冶金工艺 工艺过程 炼钢 浇注 轧制 炼钢炉炉种 平炉钢：工艺成熟、质量好，成本较高 转炉钢：氧气转炉钢周期短，成本低， 质量不亚于平炉钢，广泛采用 电炉钢：成本高，不作为建材使用,2019/5/3,24,浇注与脱氧方式 浇注 熔炼后的钢水

9、出炉后， 先放在盛钢液的罐内， 再注入钢锭模，冷却形成钢锭 脱氧方式 浇注成锭过程中，因钢液中残留氧会使钢材晶粒粗细不均匀而容易发生热脆，故必须加入脱氧剂以消除氧 沸腾钢 F 镇静钢 Z 半镇静钢 b 特殊镇静钢 Tz,Z、Tz可以省略。,2019/5/3,25,Q235A、B级可以是F、b或Z,Q235C级只能是Z,Q235D级只能是Tz,Q345A、B级只有Z,Q345C、D、E级只有Tz,质量等级和脱氧方式,2019/5/3,26,钢材轧制 轧制过程：高温下，轧钢机将钢锭轧制成钢坯 再通过不同形状和尺寸的轧钢机 最后形成型材或板材 轧制影响 晶粒变得细小致密 气泡、裂纹等缺陷焊合,轧制的

10、薄型材、薄钢板强度较高、塑性韧性较好,薄材性能优于厚材性能,钢材性能参数需要根据厚度分组,详见表13-5和表13-6,2019/5/3,27,冶金缺陷 缺陷类型 （1）偏析：化学成分不一致、不均匀 （2）非金属夹杂：含硫化物、氧化物 （3）气孔：浇注钢锭时由Fe和C生成的CO 气体不能充分逸出而形成 （4）裂纹：冷脆、热脆和不均匀收缩形成 （5）分层：浇注时的非金属夹杂物轧制后 形成钢材的分层 对钢材性能影响：负面影响,2019/5/3,28,钢材硬化 时效硬化（老化） 应变硬化 时效应变硬化 温度影响 影响曲线 强度曲线 刚度曲线 塑性曲线,2019/5/3,29,高温强度失效案例 韧性与温

11、度的关系 低温冷脆 脆性转变温度区T1T2 T0转变温度,2019/5/3,30,应力集中 静力荷载下常温构件不考虑 动力荷载下或负温下工作的 构件，问题突出。应有减小应力集中措施 反复荷载作用 疲劳破坏 低应力破坏 脆性破坏 疲劳裂纹,钢结构中控制应力幅！,2019/5/3,31,13.3 钢结构选材要求,钢结构对材料的要求 较高的抗拉强度fu和屈服点fy fy高可使自重，造价 fu高可增加结构的安全保障,13.3.1 钢结构对材料的要求,2019/5/3,32,较高的塑性和韧性 不至于发生脆性破坏 调整局部应力 抗重复荷载作用 良好的工艺性能 冷加工、热加工性能 可焊性 其他适应环境的能力

12、 高、低温 腐蚀介质,2019/5/3,33,选材考虑因素 结构的重要性 荷载情况（静、动） 连接方法 温度和环境 钢材厚度,2019/5/3,34,承重结构钢材保证内容 抗拉强度、屈服点、延伸率 硫、磷的极限含量 冷弯合格保证 焊接承重结构的钢材 重要的非焊接承重结构的钢材,13.3.2 钢材的选择,2019/5/3,35,冲击韧性合格保证 需要验算疲劳的以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证 当结构工作温度0 C 但 -20 C时，Q235钢和Q345钢应具有 0 C 冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-20 C 冲击韧性的合格保证,2019/5

13、/3,36,当结构工作温度-20 C ，Q235钢和Q345钢应具有 -20 C 冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-40 C 冲击韧性的合格保证,选材建议参考表13-4,2019/5/3,37,强度取值方法 标准值 平均值基础上减小 冶金出厂标准：不低于95%保证率 取值见表13-5和表13-6 强度设计值 强度标准值除以材料抗力分项系数,13.4 钢材及其连接 的强度取值,2019/5/3,38,结构钢材强度设计值 抗拉、抗压、抗弯强度设计值 屈服强度标准值除以抗力分项系数 Q235钢1.087，Q345、Q390和Q420钢1.111 端面承压强度设计值 极限强度除以抗力

14、分项系数 系数Q235、Q345钢1.15， Q390 、Q420钢1.175 抗剪强度设计值 取抗拉（压）强度的0.58倍 按5 N/mm2 修约,2019/5/3,39,钢铸件强度设计值 抗拉、抗压、抗弯强度设计值,计算结果修约到5MPa,端面承压强度设计值,抗剪强度设计值,2019/5/3,40,焊缝强度 对接焊缝 抗压强度、抗剪强度设计值，取母材强度 抗拉强度，1、2级焊缝取母材强度 3级焊缝取0.85倍母材强度 角焊缝 抗拉、抗压、抗剪强度设计，取相同的值,Q235钢,Q345钢、Q390钢、Q420钢,熔敷金属的抗拉强度,E43型焊条420，E50型焊条49 0，E55型焊条540,2019/5/3,41,螺栓、铆钉强度设计值 强度设计值确定方法 取材料抗拉强度fu为标准值 标准值乘以经验系数 = 设计值 经验系数（1）根据试验结果确定 强度设计值类型 螺栓、铆钉抗拉强度设计值 螺栓、铆钉抗剪强度设计值 螺栓、铆钉承压强度设计值,附表27附表31,The End,