第二章 钢结构的材料

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第二章钢结构的材料本文由张明正1990贡献ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。黄淮学院第2章钢结构的材料主要内容：主要内容：对钢结构用材的要求钢材的主要性能及其鉴定影响钢材性能的因素建筑钢材的类别及钢材的选用重点：重点：影响钢材性能的因素建筑钢材的类别及钢材的选用难点：难点：建筑钢材的类别及钢材的选用2011-3-231黄淮学院2.1钢结构对材料的要求一、用作钢结构的钢必须符合下列要求：用作钢结构的钢必须符合下列要求：1、高的强度。即抗拉强度fu和屈服点y比较高。、高的强度。即抗拉强度和屈服点f比较高。2、足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。、足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。3、良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。、良好的加工性能。即适合冷、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包括大气锈蚀)以及重复荷载作、适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀用等的性能。用等的性能。二、钢结构设计规范具体规定：钢结构设计规范具体规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、磷含量的合格保证；硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。2011-3-232 黄淮学院第二节钢材的破坏形式一、钢材有两种性质完全不同的破坏形式即塑性破坏和脆性破坏钢结构所用的材料虽然有较高的塑性和韧性，钢结构所用的材料虽然有较高的塑性和韧性，一般为塑性破坏，但在一定的条件下，仍然有脆性破坏的可能性。破坏，但在一定的条件下，仍然有脆性破坏的可能性。二、塑性破坏变形大，变形大，破坏前构件产生较大的塑性变形三、脆性破坏脆性破坏前塑性变形很小，破坏前没有明显的预兆甚至没有脆性破坏前塑性变形很小，破坏前没有明显的预兆甚至没有没有明显的预兆塑性变形2011-3-2332.3钢材的主要性能及其鉴定受拉、2.3.1受拉、受压及受剪时的性能2.3.1.1单向拉伸时的工作性能条件：常温、条件：常温、静载条件下一次拉伸黄淮学院2011-3-23钢材的一次拉伸应力－图2.1钢材的一次拉伸应力－应变曲线4黄淮学院σfyσfy0ε0 0.2%残余应变ε图2.2理想弹塑性材料的σ-ε曲线料的曲线图2.3钢材的条件屈服点2011-3-235黄淮学院1.比例极限σP比例极限σ比例极限这是应力-应变图中直线段的最大应力值严格地说，应变图中直线段的最大应力值。这是应力应变图中直线段的最大应力值。严格地说，略高处还有弹性极限，但弹性极限与σ极其接近，比σP略高处还有弹性极限，但弹性极限与σP极其接近，所以通常略去弹性极限的点，看做是弹性极限。所以通常略去弹性极限的点，把σP看做是弹性极限。2.屈服点σy屈服点σ屈服点应变ε之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应变ε在σP之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应力-应变间成曲线关系一直到屈服点。应变间成曲线关系，应力应变间成曲线关系，一直到屈服点。卸荷后试件中残余应变为0.2％条件屈服点：卸荷后试件中残余应变为％所对应的应力高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶。高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶。这类钢的屈服条件是根据试验分析结果而人为规定的，条件是根据试验分析结果而人为规定的，故称为条件屈服点(或屈服强度或屈服强度)。服点或屈服强度。2011-3-236黄淮学院3.抗拉强度σu抗拉强度σ抗拉强度屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，但相最高点。对地说·应变增加得快呈现曲线关系直到最高点应变增加得快，对地说应变增加得快，呈现曲线关系直到最高点。2.3.1.2塑性性能伸长率δ伸长率δ5和δ10伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度 的五倍或十倍为标定长度，比。取圆形试件直径的五倍或十倍为标定长度，其相应的伸长率用δ表示，伸长率用δ5和δ10表示，伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。结构制造时，这种能力使材料经受剪切、变形的能力。结构制造时，这种能力使材料经受剪切、冲弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。屈服点、抗拉强度和伸长率，屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。这三项力学性能指标的要求。2011-3-237黄淮学院屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，其意义是：其意义是1．作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。应作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。力达到σy时的应变与σP时的应变较接近，可以认为应力力达到σ时的应变与σ时的应变较接近，达到σ时为弹性变形的终点。同时，达到σ达到σy时为弹性变形的终点。同时，达到σy后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加，大的应变范围内应力不会继续增加，表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力，故此以σ继续承担更大荷载的能力，故此以σy作为弹性计算时强度的标准。度的标准。2．形成理想弹塑性体的模型，2．形成理想弹塑性体的模型，为发展钢结构计算理论提供基础。之前，钢材近于理想弹性体，之后，供基础。σy之前，钢材近于理想弹性体，σy之后，塑性应变范围很大而应力保持不增长，所以接近理想塑性性应变范围很大而应力保持不增长，因此，体。因此，可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的应力-应变模型钢结构设计规范对塑性设计的规定，应变模型。应力应变模型。钢结构设计规范对塑性设计的规定，就以材料是理想弹塑性体的假设为依据，就以材料是理想弹塑性体的假设为依据，忽略了应变硬化的有利作用。化的有利作用。 2011-3-238黄淮学院2.3.2冷弯性能根据试样厚度，根据试样厚度，按规定的弯心直径将试样弯曲180弯心直径将试样弯曲度，其表面及侧无裂纹或分层则为“分层则为“冷弯试验合格”。冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。合指标。图2.4钢材的冷弯试验2011-3-239黄淮学院2.2.3冲击韧性与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。韧性是钢韧性材断裂时吸收机械能能力的量度。材断裂时吸收机械能能力的量度。吸收较多能量才断裂的钢材，是韧性好的钢材。钢材，是韧性好的钢材。钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量，用钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量，单位体积吸收的能量来表示，其值等于应力-应变曲线下单位体积吸收的能量来表示，其值等于应力应变曲线下的面积。的面积。然而，实际工作中，然而，实际工作中，不用上述方法来衡量钢材的韧性而用冲击韧性衡量钢材抗脆断的性能，，而用冲击韧性衡量钢材抗脆断的性能，因为实际结构中脆性断裂并不发生在单向受拉的地方，而总是发生在有缺脆性断裂并不发生在单向受拉的地方，而总是发生在有缺口高峰应力的地方的地方，口高峰应力的地方，在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。的应力状态。2011-3-2310黄淮学院由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区建造的由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区建造的结构不但要求钢材具有常温(20℃)冲击韧常温(20℃)结构不但要求钢材具有常温(20℃)冲击韧性指标，还要求具有负温(o℃(o℃、 20℃或一40℃)冲击韧性或一40℃)性指标，还要求具有负温(o℃、一20℃或一40℃)冲击韧性指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。图2.5钢材的冲击试验钢材的冲击试验2011-3-2311黄淮学院2.2.4可焊性与可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无与可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的无裂纹的)焊缝的性能焊缝的性能。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。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12％~0.20％范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量量在％％范围内的碳素钢，可焊性最好。再高可使焊缝和热影响区变脆。再高可使焊缝和热影响区变脆。2011-3-2312黄淮学院2.2.5钢材性能的鉴定与根据《钢结构工程施工质量验收规范》与根据《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)的规定，对进入钢结构工程实施的规定，的规定现场的主要材料需进行进场验收，现场的主要材料需进行进场验收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报告，质量合格证明文件、中文标识及检验报告，确认钢材的品种、规格、钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求。和设计要求。2011-3-2313黄淮学院2.4影响钢材性能的因素2.4.1化学成分的影响钢是含碳量小于％的铁碳合金，大于2％钢是含碳量小于2％的铁碳合金，碳大于％小于时则为铸铁。 时则为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。构钢中的低碳钢及低合金结构钢。碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占纯铁约占99由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占碳及杂质元素约占1％。％，碳及杂质元素约占％，碳及杂质元素约占％。低合金结构钢中，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％。％。碳及其他元素元素，后者总量通常不超过％。碳及其他元素虽然所占比重不大，虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响。2011-3-2314黄淮学院碳（C））碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，仅次于铁的主要元素碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影钢材强度的主要因素的主要因素。响钢材强度的主要因素。C↑，塑性和韧性、尤其，塑性和韧性↓、是低温冲击韧性↓，可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能↓↓。是低温冲击韧性，可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能。因此结构用钢的含碳量一般不应超过一般不应超过0.22%，对焊因此结构用钢的含碳量一般不应超过，接结构应低于0.2%。接结构应低于。锰（Mn））锰是一种弱脱氧剂，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、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。而不显著降低钢材的塑性和韧性。2011-3-2315黄淮学院硅（Si））硅是一种强脱氧剂脱氧剂，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、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，无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。材的塑性、韧性、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。我国的钛都能使钢材晶粒细化。低合金钢都含有这三种元素，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， 金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑韧性。性、韧性。2011-3-2316黄淮学院铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)、、铝是强脱氧剂用铝进行补充脱氧，强脱氧剂，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。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铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于钢和Q420钢。钢和钢硫（S））硫是一种有害元素降低钢材的塑性、韧性、有害元素，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，可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆即热脆。热脆。2011-3-2317黄淮学院磷(P)磷既是有害元素也是能利用的合金元素。有害元素也是能利用的合金元素磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆冷脆。种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。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，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，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。硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。2011-3-2318黄淮学院2.4.2冶金缺陷2.4.2冶金缺陷常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及偏析裂纹等等这些缺陷都将影响钢的力学性能。等等。裂纹等等。这些缺陷都将影响钢的力学性能。偏析是钢中化学成分不一致和不均匀性，特别是硫、 偏析是钢中化学成分不一致和不均匀性，特别是硫、是钢中化学成分不一致和不均匀性磷偏析严重恶化钢材的性能。磷偏析严重恶化钢材的性能。非金属夹杂是钢中含有硫化物与氧化物等杂质是钢中含有硫化物与氧化物等杂质。非金属夹杂是钢中含有硫化物与氧化物等杂质。气孔是浇注钢锭时是浇注钢锭时，气孔是浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分逸出而形成的。化碳气体不能充分逸出而形成的。分层浇注时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分会严重降低钢材的冷弯性能。层，会严重降低钢材的冷弯性能。2011-3-2319黄淮学院钢材硬化2.4.3钢材硬化1.冷加工硬化应变硬化冷加工硬化(应变硬化冷加工硬化应变硬化)在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等加工使钢材产生很大塑性变形等加工使钢材产生很大塑性变形，机械剪切等加工使钢材产生很大塑性变形，由于减小了塑性和韧性性能，减小了塑性和韧性性能，普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度。化现象所提高的强度。重要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去。2011-3-2320黄淮学院此外，此外，还有性质类似的时效硬化与应变时效。时效硬化与应变时效。时效硬化指钢材仅随时时效硬化指钢材仅随时间的增长而转脆。间的增长而转脆。应变时效指应变硬化又应变时效指应变硬化又加时效硬化由于这些是使钢材转脆的性质，材转脆的性质，所以有些重要结构要求对钢材进行人工时效，然后测定其冲击韧性时效，然后测定其冲击韧性，以保证结构具有长期的抗脆性破坏能力。脆性破坏能力。2011-3-23 图钢材的硬化21黄淮学院2.4.4温度影响温度影响正温范围总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低，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。变形增大。约在200oC以内钢材性能没有很大变化，430-540oC之间以内钢材性能没有很大变化，约在以内钢材性能没有很大变化之间则强度(f急剧下降；则强度y与fu)急剧下降；到600oC时强度很低不能承担荷急剧下降时强度很低不能承担荷此外，附近有兰脆现象，附近有兰脆现象时有徐变载。此外，250oC附近有兰脆现象，约260-320oC时有徐变现象。现象。兰脆现象指温度在oC左右的区间内，fu有局部性提高指温度在250左右的区间内左右的区间内，兰脆现象指温度在也有回升现象，同时塑性有所降低，，fy也有回升现象，同时塑性有所降低，材料有转脆倾向在兰脆区进行热加工，可能引起裂纹。。在兰脆区进行热加工，可能引起裂纹。徐变现象指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速徐变现象指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现象。度继续变形的现象。设计时以规定150oC为适宜，超过之后结构表面即需加为适宜，设计时以规定为适宜设隔热保护层。设隔热保护层。2011-3-2322黄淮学院负温范围fy与fu都增高但塑性变形能力减小，高但塑性变形能力减小，因而材料转脆，因而材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。性的影响十分突出。材料由韧性破坏转到脆性破坏叫该种钢材的转变温度，叫该种钢材的转变温度，在结构设计中要求避免完全脆性破坏，全脆性破坏，所以结构所处温度应大于脆性转变温度。值随温度T的变化图2.7Cv值随温度的变化2011-3-2323黄淮学院 2.4.5应力集中应力集中当截面完整性遭到破坏，如有裂纹(内部的或表面当截面完整性遭到破坏，如有裂纹内部的或表面裂纹的)、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突然改变时，构件中的应力分布将变得很不均匀。然改变时，构件中的应力分布将变得很不均匀。在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折密集、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。应力的现象称为应力集中。孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力。孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力。这是因为材料的某一点在x方向伸长的同时方向伸长的同时，方向(横向为材料的某一点在方向伸长的同时，在y方向横向方向横向)将要收缩，当板厚较大时还将引起z方向收缩方向收缩。将要收缩，当板厚较大时还将引起方向收缩。2011-3-2324黄淮学院由力学知识知道，由力学知识知道，三向同号应力且各应力数值接近材料不易屈服。时，材料不易屈服。当为数值相等三向拉应力时，值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。材料断裂也不屈服。没有塑性变形的断裂是脆性断裂脆性断裂。性变形的断裂是脆性断裂。所以，三向应力的应力状态，所以，三向应力的应力状态，使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束，形的发展受到很大约束，材料容易脆性破坏。因此，料容易脆性破坏。因此，对于厚钢材应该要求更高的韧性。2011-3-23孔洞、图2.8孔洞、缺口处的应力集中25黄淮学院2.4.6反复荷载作用2.4.6反复荷载作用在直接的连续反复的动力荷载作用下，根据试验，在直接的连续反复的动力荷载作用下，根据试验，钢材的强度将降低， 的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验钢的疲劳。的极限强度，这种现象称为钢的疲劳的极限强度，这种现象称为钢的疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂突然发生的脆性断裂。为了防止脆性破坏的发生，一般需要在设计、为了防止脆性破坏的发生，一般需要在设计、制造及使用中注意下列各点：用中注意下列各点：(1)合理的设计合理的设计(2)正确的制造正确的制造(3)正确的使用正确的使用2011-3-2326黄淮学院2.4.7复杂应力作用下钢材的屈服条件在复杂应力如双向或三向应力作用下（），钢材由在复杂应力如双向或三向应力作用下（图2.9），钢材由），弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论能量强度理论（弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论（或第四强度理论）计算的折算应力折算应力与单向应力作用下的屈服四强度理论）计算的折算应力与单向应力作用下的屈服点相比较来判断。点相比较来判断。σ当时，为弹性状态；时为塑性状态。当时，rcdρ=σmin/σmax>-1-σ0>ρ=σmax/σ min>-1△tσmaxσtσ△σ△σσ(c)(d)31黄淮学院图2.11(a)的，称为完全对称循环；的称为完全对称循环；图2.11(b)的，称为脉冲循环；的称为脉冲循环；的在0与之间称为不完全对称循环，之间，图2.11(c)、(d)的在与-1之间，称为不完全对称循环，但图、的在2.11(c)为以拉应力为主，而图为以拉应力为主，则以压应力为主。为以拉应力为主而图2.11(d)则以压应力为主。则以压应力为主对轧制钢材或非焊接结构+σmax(拉)ρ=+1DCB图2.11为次的疲劳图。2.11为次的疲劳图。为次的疲劳图当时的疲劳度分别为ρ=0和ρ=?1，由此便可决定两点，由此便可决定两点，并通过B并通过B、C两点得直线ABCD。 32A图2.12非焊接结构的疲劳图2011-3-23σ-1-σmin(压)σo-1ρ=+σmin(拉)黄淮学院σmax?kσmin=σ0或σmax(1?kρ)=σ0从上面的推导可知，从上面的推导可知，对轧制钢材或非焊接结疲劳强度与最大应力、应力比、构，疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应（构造类型的应力集中情况）有关。和缺口效应（构造类型的应力集中情况）有关。2011-3-2333黄淮学院△σ-n曲线根据试验数据可以画出构件或连接的应力幅△σ。的关系曲线（）。这种曲与相应的致损循环次数n的关系曲线（图a）。这种曲线是疲劳验算的基础。致损循环次数也叫做疲劳寿命。线是疲劳验算的基础。致损循环次数也叫做疲劳寿命。目前国内外都常用双对数坐标轴的方法使曲线改为直线以便于分析（）。在双对数坐标图中在双对数坐标图中，直线以便于分析（图b）。在双对数坐标图中，疲劳方程就是直线式（图中实直线）程就是直线式（图中实直线）2011-3-23图2.12σ-n曲线σ34 黄淮学院疲劳验算及容许应力幅直接受到重复荷载作用的构件，如吊车梁、桥梁、直接受到重复荷载作用的构件，如吊车梁、桥梁、输送栈桥和某些工作平台梁等以及它们的连接，送栈桥和某些工作平台梁等以及它们的连接，当应力循时应进行疲劳验算。环次数n>105时应进行疲劳验算。时应进行疲劳验算永久荷载所产生的应力为不变值，没有应力幅。永久荷载所产生的应力为不变值，没有应力幅。应力幅只由重复作用的可变荷载产生，幅只由重复作用的可变荷载产生，所以疲劳验算按可变荷载标准值进行。荷载计算中不乘以吊车动力系数，荷载标准值进行。荷载计算中不乘以吊车动力系数，常幅疲劳按下式进行验算。幅疲劳按下式进行验算。式中△σ——对焊接结构为应力幅△σ＝σmax-σmin；对非焊接部位为计算应力幅△σ＝σmax-σmin，应力以拉为正，压为负；[△σ]——常幅疲劳的容许应力幅。2011-3-23式中C，β——系数。焊接结构中根据各种不同的构造细部使疲劳强度不同程度地降低，详见第8章。35黄淮学院2.5.2变幅疲劳和吊车梁的欠载效应系数af?σ≤[?σ]N=2×106[?σ]N=2×106——循环次数N=2×106的容许应力幅，应按式（）的容许应力幅，应按式（2.9）计算afa=0.5——欠载效应系数。对重级工作制硬钩吊车欠载效应系数。f。 af=1.0；重级工作制软钩吊车af=0.8；中级工作制吊车af=0.5362011-3-23黄淮学院进行疲劳强度计算时，有下列问题予注意：进行疲劳强度计算时，有下列问题予注意：⑴按概率极限状态计算方法进行疲劳强度计算，目前正处于按概率极限状态计算方法进行疲劳强度计算，研究阶段，因此，疲劳强度计算用容许应力幅法，研究阶段，因此，疲劳强度计算用容许应力幅法，荷载应采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，应采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，而且应力按弹性工作计算。应力按弹性工作计算。⑵根据应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力，只根据应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力，要应力幅超过容许值就会产生疲劳裂纹。但由于裂纹形要应力幅超过容许值就会产生疲劳裂纹。成的同时，残余应力自行释放，在完全压应力（成的同时，残余应力自行释放，在完全压应力（不出现拉应力）循环中，裂纹不会继续发展，拉应力）循环中，裂纹不会继续发展，故规范规定此种情况可不予验算。情况可不予验算。⑶疲劳容许应力幅与钢种无关。疲劳容许应力幅与钢种无关。2011-3-2337黄淮学院2.7建筑钢材的类别及钢材的选用2.7.1钢的种类2.7.1钢的种类1、钢按用途可分为结构钢、工具钢和特殊钢(如不锈钢钢按用途可分为结构钢、工具钢和特殊钢(可分为结构钢结构钢又分建筑用钢和机械用钢。等)。结构钢又分建筑用钢和机械用钢 按冶炼方法，钢可分为钢可分为转炉钢和平炉钢2、按冶炼方法钢可分为转炉钢和平炉钢按脱氧方法，钢又分为沸腾钢(代号为F)钢又分为沸腾钢F)、3、按脱氧方法钢又分为沸腾钢(代号为F)、半镇静钢代号为b)镇静钢(代号为Z)和特殊镇静钢(代号为TZ)b)、Z)和特殊镇静钢TZ)，(代号为b)、镇静钢(代号为Z)和特殊镇静钢(代号为TZ)，镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去。镇静钢脱氧充分，镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去。镇静钢脱氧充分，沸腾钢脱氧较差，半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间。沸腾钢脱氧较差，半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间。一般采用镇静钢，一般采用镇静钢，尤其是轧制钢材的钢坯推广采用连续铸锭法生产，钢材必然为镇静钢。若采用沸腾钢，铸锭法生产，钢材必然为镇静钢。若采用沸腾钢，不但质量差、价格并不便宜，而且供货困难。质量差、价格并不便宜，而且供货困难。2011-3-2338黄淮学院4、按成型方法分类，钢又分为轧制钢热轧、冷轧、锻钢、按成型方法分类钢又分为轧制钢热轧、冷轧)、钢又分为轧制钢(热轧和铸钢5、按化学成分分类钢又分为碳素钢和合金钢。在建筑工钢又分为碳素钢和合金钢、按化学成分分类，钢又分为碳素钢和合金钢。程中采用的是碳素结构钢、程中采用的是碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。碳素结构钢。(1)碳素结构钢，其国家标准碳素结构钢，碳素结构钢其国家标准(GB/T700-2006)。按质量等级将钢分为A、、、四级四级。按质量等级将钢分为、B、C、D四级。A级钢只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时尚可级钢只保证抗拉强度、级钢只保证抗拉强度屈服点、伸长率，附加冷弯试验的要求，化学成分对碳、附加冷弯试验的要求，化学成分对碳、锰可以不作为交货条件。货条件。B、C、D级钢均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷级钢均保证抗拉强度、、、级钢均保证抗拉强度屈服点、伸长率、弯和冲击韧性等力学性能。弯和冲击韧性等力学性能。钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、由代表屈服点的字母钢的牌号由代表屈服点的字母 、屈服点数值、质量等级符号(A、、、、等级符号、B、C、D)、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。顺序组成。根据钢材厚度直径)≤16mm时的屈服点数值，分为厚度(直径时的屈服点数值，根据钢材厚度直径时的屈服点数值Q195、Q215、Q235、Q255、Q275、、、、2011-3-2339(2)低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢黄淮学院国家标准(GB／T1591—94)代替／代替(GBl591—88)于1995年1国家标准代替于年日实施。直径)≤16mm时的屈服点大小，分为时的屈服点大小，月1日实施。钢材厚度直径日实施钢材厚度(直径时的屈服点大小Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。、、、、。钢的牌号仍有质量等级符号A、、、钢的牌号仍有质量等级符号、B、C、DE五个等级相同外五个等级相同外增加一个等级，主要是要求-40℃的冲击韧性。增加一个等级，主要是要求℃的冲击韧性。低合金高强度结构钢一般为镇静钢，因此钢的牌号中不注明脱氧方法度结构钢一般为镇静钢，因此钢的牌号中不注明脱氧方法.(3)优质碳素结构钢优质碳素结构钢(4)建筑结构用钢板（GB/T19879-2005）高性能建筑结构建筑结构用钢板）钢材GJ2011-3-23402.7.2钢材的选择黄淮学院选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，同时用材经目的是要做到结构安全可靠济合理。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素：济合理。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素：结构或构件的重要性；1.结构或构件的重要性；2.荷载性质静载或动载）荷载性质（2.荷载性质（静载或动载）;连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）3.连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）;4.工作条件温度及腐蚀介质）。工作条件（4.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、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，应选用质量较高的钢材。件下的结构及焊接结构，应选用质量较高的钢材。2011-3-2341黄淮学院2.7.3型钢的规格钢结构构件一般宜直接选用型钢，钢结构构件一般宜直接选用型钢，这样可减少制造工作量，降低造价。工作量，降低造价。型钢尺寸不够合适或构件很大时则用钢板制作。型钢有热轧及冷成型两种。用钢板制作。型钢有热轧及冷成型两种。1．热轧钢板热轧钢板分厚板及薄板两种，热轧钢板分厚板及薄板两种，厚板的厚度为4.560mm(广泛用来组成焊接构件和连接钢板，薄板厚度广泛用来组成焊接构件和连接钢板)，广泛用来组成焊接构件和连接钢板冷弯薄壁型钢的原料)。为0.35-4mm(冷弯薄壁型钢的原料。在图纸中钢板用冷弯薄壁型钢的原料单位为毫米）“-厚x宽x长（单位为毫米）”前面附加钢板横断面厚的方法表示，的方法表示，如：-12x800x2100等。等2011-3-2342黄淮学院2．热轧型钢角钢——有等边和不等边两种。等边角钢，以边宽有等边和不等边两种。角钢有等边和不等边两种等边角钢，和厚度表示，和厚度表示，如L100x10为肢宽100mm、厚为肢宽10mm的等边角钢。不等边角钢，则以两边宽度和厚度的等边角钢。不等边角钢，表示，表示，如L100x80x10等。槽钢——我国槽钢有两种尺寸系列，即热轧普通槽我国槽钢有两种尺寸系列，槽钢我国槽钢有两种尺寸系列钢与热轧轻型槽钢。前者的表示法如［钢与热轧轻型槽钢。前者的表示法如［30a，指槽钢外且腹板厚度为最薄的一种；廓高度为30cm且腹板厚度为最薄的一种；后者的表示法例如［法例如［25Q，表示外廓高度为25cm,Q是汉语拼 的拼音字首。同样号数时，音“轻”的拼音字首。同样号数时，轻型者由于腹板薄及翼缘宽而薄，因而截面积小但回转半径大，及翼缘宽而薄，因而截面积小但回转半径大，能节约钢材减少自重。不过轻型系列的实际产品较少。材减少自重。不过轻型系列的实际产品较2011-3-2343黄淮学院工字钢——与槽钢相同，也分成上述的两个尺寸系列与槽钢相同，工字钢与槽钢相同普通型和轻型。与槽钢一样，：普通型和轻型。与槽钢一样，工字钢外轮廓高度的厘米数即为型号，数即为型号，普通型者当型号较大时腹板厚度分a、b及c三种。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。两种工三种。三种轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。字钢表示法如：字钢表示法如：I32c,I32b等。H型钢和剖分T型钢型钢——热轧H型钢分为三类：宽翼热轧型钢分为三类：型钢（）、中翼缘型钢（缘H型钢（HW）、中翼缘H型钢（HM）和窄翼缘H型钢（型钢（HN）。H型钢型号的表示方法是先用符号HW型钢的类别，后面加“高度（、HM和HN表示H型钢的类别，后面加“高度（毫米宽度（毫米）例如HW300x300，即为截面高）x宽度（毫米）”,例如型钢。度为300mm，翼缘宽度为300mm的宽翼缘H型钢。型钢也分为三类，型钢（剖分T型钢也分为三类，即：宽翼缘剖分T型钢（TW）、中翼缘剖分T型钢(TM）和窄翼缘剖分T型钢(TN）、中翼缘剖分型钢）。剖分）。剖分T型钢系由对应的H型钢沿腹板中部对等剖分而成。型钢类同。而成。其表示方法与H型钢类同。2011-3-2344黄淮学院图2.15热轧型材的截面2011-3-2345黄淮学院3．冷弯薄壁型钢厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的（是用2-6mm厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的（ 如图示）。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材，）。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材如图示）。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材，所用做轻型屋面等构件。用钢板厚度为0.4-2mm，用做轻型屋面等构件图2.16冷弯型钢的截面形式2011-3-2346例题：黄淮学院1、在构件发生断裂破坏前，有明显先兆的情况是__B的典在构件发生断裂破坏前，有明显先兆的情况是__B的典型特征。型特征。(B)塑性破坏(A)脆性破坏(B)塑性破坏(C)强度破坏(D)失稳破坏钢材的设计强度是根据_C__确定的确定的。2、钢材的设计强度是根据_C__确定的。(B)弹性极限(A)比例极限(B)弹性极限(C)屈服点(D)极限强度结构工程中使用钢材的塑性指标，目前最主要用_D__表示表示。3、结构工程中使用钢材的塑性指标，目前最主要用_D__表示。(B)冲击韧性(A)流幅(B)冲击韧性(C)可焊性(D)伸长率钢材经历了应变硬化（应变强化）之后-__A。4、钢材经历了应变硬化（应变强化）之后__A。(B)塑性提高(A)强度提高(B)塑性提高(C)冷弯性能提高(D)可焊性提高下列因素中_A__与钢构件发生脆性破坏无直接关系与钢构件发生脆性破坏无直接关系。5、下列因素中_A__与钢构件发生脆性破坏无直接关系。(A)钢材屈服点的大小(B)钢材含碳量(C)负温环境(D)应力集中2011-3-23476、钢材在复杂应力状态下的屈服条件是由_D__等于单向拉伸时、钢材在复杂应力状态下的屈服条件是由等于单向拉伸时的屈服点决定的。的屈服点决定的。(A)最大主拉应力最大主拉应力σ1(B)最大剪应力最大剪应力τ1(C)最大主压应力最大主压应力σ3(D)折算应力折算应力σeq7、在钢结构的构件设计中，认为钢材屈服点是构件可以达到的、在钢结构的构件设计中，认为钢材屈服点是构件可以达到的_A__。。(A)最大应力(B)设计应力(C)疲劳应力(D)稳定临界应力 8、当温度从常温下降为低温时，钢材的塑性和冲击韧性B__。、当温度从常温下降为低温时，钢材的塑性和冲击韧性_。(A)升高(B)下降(C)不变(D)升高不多9、钢材的力学性能指标，最基本、最主要的是C_时的力学性、钢材的力学性能指标，最基本、最主要的是_时的力学性能指标。能指标。(A)承受剪切(B)承受弯曲(C)单向拉伸(D)两向和三向受力10、对于承受静荷常温工作环境下的钢屋架，下列说法不正确的、对于承受静荷常温工作环境下的钢屋架，是_C__。。(A)可选择可选择Q235钢(B)可选择可选择Q345钢钢钢(C)钢材应有冲击韧性的保证(D)钢材应有三项基本保证482011-3-23黄淮学院作业黄淮学院1.在构件发生断裂破坏前，有明显先兆的情况是在构件发生断裂破坏前，有明显先兆的情况是的典型特的典型特征。(A)脆性破坏(B)塑性破坏(C)强度破坏脆性破坏强度破坏(D)失稳破坏2.建筑钢材的伸长率与建筑钢材的伸长率与标准拉伸试件标距间长度的伸长值标准拉伸试件标距间长度的伸长值有关。有关。(A)到达屈服应力时(B)到达极限应力时到达屈服应力时(C)试件断裂瞬间(D)试件断裂后3.钢材的设计强度是根据钢材的设计强度是根据确定的。确定的。确定的(A)比例极限(B)弹性极限(C)屈服点(D)极限强度比例极限屈服点极限强度4.结构工程中使用钢材的塑性指标，目前最主要用结构工程中使用钢材的塑性指标，目前最主要用表示。表示。表示(A)流幅(B)冲击韧性(C)可焊性(D)伸长率流幅可焊性伸长率5.在钢结构房屋中，选择结构用钢材时，下列因素中的在钢结构房屋中，选择结构用钢材时，下列因素中的不不是主要考虑的因素。是主要考虑的因素。(A)建造地点的气温(B)荷载性质建造地点的气温(C)钢材造价(D)建筑的防火等级钢材造价6.2011-3-23热轧型钢冷却后产生的残余应力。热轧型钢冷却后产生的残余应力。49(A)以拉应力为主(B)以压应力为主以拉应力为主(C)包括拉、压应力(D)拉、压应力都很小包括拉、包括拉 黄淮学院7.型钢中的钢和工字钢相比，。型钢中的钢和工字钢相比，。(A)两者所用的钢材不同(B)前者的翼缘相对较宽(C)前者(D)两者的翼缘都有较大的斜度的强度相对较高8.钢材内部除含有、C外，还含有害元素钢材内部除含有Fe、外还含有害元素。。(A)N,O,S,P(B)N,O,SiMn,O,P(D)Mn,Ti9.有二个材料分别为号钢和有二个材料分别为3号钢和号钢和16Mn钢的构件需焊接，采用手工钢的构件需焊接，钢的构件需焊接电弧焊，焊条应选用型。电弧焊，焊条应选用型(A)E43(B)E50E55T5010.在低温工作的钢结构选择钢材除强度、塑性、冷弯性能指在低温工作的钢结构选择钢材除强度、塑性、标外，还需指标。指标。标外，还需指标(A)低温屈服强度(B)低温抗拉强度(C)低温冲击韧性(D)疲劳强度11.钢材脆性破坏同构件钢材脆性破坏同构件无关。无关。无关(A)应力集中(B)低温影响(C)残余应力(D)弹性模量2011-3-2350黄淮学院12.普通碳素钢标号表示普通碳素钢标号C3表示普通碳素钢标号表示。。(A)甲类平炉号沸腾钢(B)乙类氧气顶吹号沸腾钢甲类平炉3号沸腾钢乙类氧气顶吹3号沸腾钢(C)特类平炉号沸腾钢特类平炉3号沸腾钢(D)丙类平炉号镇静钢丙类平炉3号镇静钢13.3号镇静钢设计强度可以提高，是因为镇静钢比沸腾号镇静钢设计强度可以提高5%，号镇静钢设计强度可以提高钢好。好(A)脱氧(B)炉种(C)屈服强度(D)浇注质量14.钢材的理想σ－ε曲线（包括考虑焊接应力和不考虑焊接钢材的理想－曲线（曲线应力）应力）是。。2011-3-2351黄淮学院15.普通碳素钢强化阶段的变形是普通碳素钢强化阶段的变形是。。(A)完全弹性变形(B)完全塑性变形完全弹性变形(C)弹性成分为主的弹塑性变形(D)塑性成分为主的弹 弹性成分为主的弹塑性变形塑性变形16.下列因素中，与钢构件发生脆性破坏无直接关系。下列因素中，与钢构件发生脆性破坏无直接关系。与钢构件发生脆性破坏无直接关系(A)钢材屈服点的大小(B)钢材含碳量(C)负温环境(D)应力集中负温环境应力集中17.同类钢种的钢板，厚度越大，。同类钢种的钢板，厚度越大，。(A)强度越低(B)塑性越好强度越低(C)韧性越好(D)内部构造缺陷越少韧性越好内部构造缺陷越少1８.钢材在复杂应力状态下的屈服条件是由８钢材在复杂应力状态下的屈服条件是由等于单等于单向拉伸时的屈服点决定的。向拉伸时的屈服点决定的。(A)最大主拉应力最大主拉应力σ(B)最大剪应力最大剪应力τ最大主拉应力(C)最大主压应力最大主压应力σ(D)折算应力折算应力σ最大主压应力折算应力１９.αk是钢材的指标。１９是钢材的指标。指标(A)韧性性能(B)强度性能韧性性能(C)塑性性能(D)冷加工性能冷加工性能2011-3-2352黄淮学院ＢＣＣＤＤＣＢＡＡＣＤＣＡＣＤＡＡＡＡ2011-3-23531