钢结构设计原理 教学课件 作者 赵根田 - 副本第2章 钢结构的材料.ppt

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1、第2章钢结构的材料2.1钢材的主要性能2.1.1钢材的破坏形式塑性破坏脆性破坏2.1.2单向受拉时的性能条件：标准试件，常温（20℃）下缓慢加载，直到拉断破坏，一次完成。标准试件l0/d=5，10；l0—标距；d—直径Ⅰ弹性阶段：E为常量Ⅱ弹塑性阶段：E为变量Ⅲ塑性阶段：E为零，失去承载的能力。Ⅳ应变硬化阶段：又恢复承载的能力，但很快被拉断。一次拉伸试验中重要指标：屈服强度fy：材料强度标准值，当结构或构件截面≥fy时，认为结构或构件丧失了继续承载的能力。fy=0.2（名义屈服点）。抗拉强度fu：构件

2、的最大承载力，直接反映钢材的内部组织的优劣，fu愈高，强度储备愈高。fu/fy——强屈比，钢材塑性设计的一个重要条件。伸长率5，10：=衡量钢材塑性的主要指标。2.1.3冷弯性能在冷弯试验中表现的性能，既能看出钢材塑性变形的能力，又可看出钢材的冶金质量。2.1.4冲击韧性钢材抵抗冲击作用的能力。用冲击韧性值ak表示：ak值大，韧性好。ak值的测定：通过试验：（1）梅式U型缺口：ak值（2）夏比V型缺口：CV2.2影响钢材性能的因素2.2.1化学成分：C（碳）：形成钢材强度的主要成分。Mn（锰）：弱脱氧剂

3、。Si（硅）：强脱氧剂V(钒）、Nb（铌）、Ti（钛）：合金元素Al（铝）、Cr（铬）、Ni（镍）：Al是强脱氧剂，用于补充脱氧。Cr、Ni为合金元素。有害元素：S（硫）：热脆P（磷）：冷脆O（氧）、N（氮）2.2.2冶金过程冶炼：平炉、转炉浇铸：钢水—钢锭—初轧—成材（传统工艺）钢水—连铸机—钢坯—成材（新工艺）轧制：改善内部组织结构热处理：显著提高强度2.2.3钢材硬化冷加工硬化：强度提高，塑性、韧性降低。自然时效、人工时效应变时效2.2.4温度正温在200℃以内钢材性能没有很大变化，430～540℃

4、强度急剧下降。负温钢材强度有一定提高，但塑性和韧性降低，称为低温冷脆2.2.5应力集中钢结构构件中经常存在孔洞、槽口、凹角、截面突变以及裂纹等缺陷，此时，构件中的应力分布将变得很不均匀，在缺陷和截面改变处产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。二个钢构件，材质相同，长度相同：直径d0=10mmd0=10mm(刻槽处）破坏时，拉长较多；破坏时，无明显变形；屈服时：fy=251N/mm2fy=274N/mm2拉断时：fu=431N/mm2fu=431N/mm2可见：改变了工作条件，即使塑性材料也可能发生脆性破

5、坏，在设计中应避免这种情况出现。2.2.6反复荷载作用土木工程中，承受重复荷载作用的结构或构件有：吊车梁：吊车桥梁：车辆容器：内部液体海洋平台：海水建筑物：地震作用以上这些重复荷载都是可变荷载，这些重复荷载的作用使构件的钢材易发生疲劳断裂。2.3钢材的疲劳概念：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。特点：截面应力很小，小于抗拉强度，甚至是屈服强度；断裂时无明显的变形；裂缝起始点在构件表面处。发生的原因：在连续重复荷载作用下，在钢材表面的缺陷处，产生应力集中现象，形成二向或三向拉应力场。在

6、应力高峰处，裂缝逐渐开展，使截面的有效面积逐渐减少而应力集中更加严重，塑性变形受到限制，直到断裂时，变形都很小。影响的因素：钢材的质量（C、S、P含量）、构件的几何尺寸（不能有突变）和冶金缺陷等有关；重复荷载作用下构件截面的应力变化幅度（=max-min)有关；重复荷载的循环次数n有关。并不是所有的承受动力荷载重复作用的构件和连接都进行疲劳验算。规范规定：直接承受动力荷载重复作用的构件，当应力变化的循环次数n＞5×104次时，对应力循环中出现拉应力的部位进行疲劳验算。疲劳计算的方法按“容许应力法”

7、计算，即：Δσ≤[Δσ]计算时应注意：1、荷载为可变荷载，且为标准值；2、动力荷载不乘以动力系数；3、按弹性方法计算截面应力σ。2.4建筑钢材的规格和选用2.4.1钢结构对材料的要求较高的强度：抗拉强度fu和屈服强度fy足够的变形能力：塑性和韧性良好的加工性能：冷加工、热加工、可焊性。2.4.2钢的种类1、碳素结构钢：Q2352、低合金高强度结构钢：Q345、Q390、Q4203、高强钢丝及钢索：主要用于抗拉构件中，如：斜拉结构、悬索结构、桅杆结构等。高强钢丝分光面钢丝和镀锌钢丝，由碳素结构钢多次冷拔而成

8、，其主要指标为抗拉强度fu，且有“松弛”现象。多根钢丝可组成“平行钢丝束”和“钢绞线”；多根钢绞线可组成“钢绞线束”和“钢丝绳”。2.3.4钢材的选择结构的重要性荷载的特征(静载或动载）连接的方法（焊接或螺栓）结构的工作环境（腐蚀程度、构件的工作温度）钢材厚度2.4.4钢材的规格：热轧钢板：薄板、厚板热轧型钢：角钢、槽钢、工字钢、钢管、H型钢、T型钢冷弯薄壁型钢：