钢结构A-2.钢结构的材料概要.ppt

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第二章钢结构的材料 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure钢结构对材料的要求 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure钢材的破坏形式特征断口后果塑性破坏（延性破坏）构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强度后，构件产生明显的变形并断裂。常温及静态荷载作用下，一般为塑性破坏。破坏时构件有明显的颈缩现象。常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。在破坏前有很明显的变形，并有较长的变形持续时间，便于发现和补救。脆性破坏在破坏前无明显变形，平均应力也小（一般都小于屈服点），没有任何预兆。局部高峰值应力可能使材料局部拉断形成裂纹；冲击振动荷载；低温状态等可导致脆性破坏。平直和呈有光泽的晶粒。突然发生的，危险性大，应尽量避免。 （1）试验条件（a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的5或10倍。（b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。（c）试验温度要控制在室温20℃左右。d标准试件低碳钢在常温下的拉伸试验 钢材的应力-应变关系A.有屈服点钢材s-e曲线一般可以分为五个阶段：(a)弹性阶段(OB段)OBCDAE单调拉伸应力-应变曲线OA段：纯弹性阶段s=EeA点对应的应力：sp（比例极限）AB段：有一定的塑性变形,但整个OB段卸载时,e=0B点对应的应力：se（弹性极限） （b）屈服阶段[弹塑性阶段塑性变形阶段（塑性流动）]（BCD)塑性变形：卸载后试件不能完全恢复原来的长度。不能恢复的这一部分变形称为塑性变形。屈服点（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分的最低值。流幅：从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应变幅度称为流幅。特点：应力与应变不再成正比关系，应变增加很快，应力-应变曲线呈锯齿形波动，出现应力不增加而应变仍然在继续发展。OBCDAE 第二章钢结构的材料（c）自强（强化）阶段(DE段)随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快抗拉强度（极限强度）fu试件所能承受的最大拉应力（d）破坏（颈缩）阶段(EF段)OBCDAE截面出现了横向收缩，截面面积开始显著缩小，塑性变形迅速增大，应力不断降低，变形却延续发展，直至F点试件断裂。F B.对无明显屈服点的钢材设计时以卸载后试件中残余应变为0.2％所对应的应力作为屈服点——“条件屈服点”或“名义屈服点”fy=f0.20.2%fuεp无屈服点钢材的应力-应变曲线没有明显屈服点的钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。 单向拉伸时钢材的力学性能指标（1）屈服强度fy应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。（2）抗拉强度fu应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前所能承受的最大应力。（3）钢材的塑性当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用断面收缩率和伸长率表示，通过静力拉伸试验得到。屈强比大好还是小好？ （4）伸长率δ试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。l0—原标距长l1—拉断后标距长度d0—试件直径试件有两种标距：l0/d0=5和l0/d0=10相应的伸长率用δ5和δ10表示。实际工程中以伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形能力。 （5）断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。式中：A0——试件原来的断面面积A1——试件拉断后颈缩区的断面面积断面收缩率越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。A0A1 应力应变曲线的简化曲线简化的依据：1）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。2）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅的范围（e≈0.15％-2.5％）已足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。ε2.5%fyε00.15%ε简化的应力－应变曲线钢材是符合理想中的弹性-塑性材料 冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。冷弯性能钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。鉴别指标：通过冷弯冲头加压。当试件弯曲至180°时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。 冲击韧性：带缺口的钢材试件，在冲击试验机上被摆锤击断时所能吸收的机械能。Mesnager试件Charpy试件夏比冲击韧性记为Cv规范以夏比试件为准Q235钢CV=27J为合格,Q345、Q390、Q420钢CV=34J为合格。P—摆锤重力l—摆长 可焊性好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材。影响钢材可焊性的因素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（如Q235B）。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。 1.化学成分Fe，C，S，P，N，O，Mn，Si，Cu，Ni，Cr，NbFe：碳素钢约99%，合金钢约95%。C：影响钢材的强度、塑性、韧性及可焊性。一般控制在0.22%以下，在0.2%以下时，可焊性良好。S：是钢材中的有害元素。在高温下使钢材变脆，即热脆现象。塑性、韧性、可焊性、疲劳强度，含量不得超过0.045%。P：是钢材中的有害元素。在低温时使钢材变脆，即冷脆现象。塑性、韧性、可焊性、疲劳强度，含量不得超过0.045%。O和N：钢材中的有害杂质。O使钢热脆，N使钢冷脆。影响钢材力学性能的主要因素MainFactorsofInfluenceonMechanicsPerformanceofSteelMat. Mn：一种弱脱氧剂，可消除硫、氧对钢材的热脆影响，能改善冷脆性能。强度、塑性和韧性无甚影响（含量不高时）。碳素结构钢0.3-0.8%；低合金高强度结构钢1.0-1.6%。Si：作为脱氧剂加在低碳钢钢液中，制成质量较高的镇静钢。强度、塑性和韧性无甚影响（含量不高时）。碳素结构钢≯0.3%；低合金高强度结构钢≯0.55%。Cu，Ni，Cr，Nb：加入Cu和Ni可制成耐候钢，加入Ni和Cr可制成不锈钢，在钢中添加微量的Cr、Nb等合金元素制成耐火钢。2.冶金缺陷1.偏析：化学成分不一致，不均匀。硫、磷偏析严重影响钢材性能。2.非金属夹杂：硫化物和氧化物。3.气孔：一氧化碳气体不能充分逸出而形成。4.分层：非金属杂质造成的，会降低钢材的冷弯性能。 3.应力集中的影响在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。应力集中现象 不同槽口试件静力拉伸试验的应力——应变曲线应力集中对σ-ε曲线关系的影响可以看出截面槽口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。1020300.425100ε%σ(N/mm2)①①②②③③④④φ10测距100φ10φ100600700500400300200100 复杂应力状态下钢材的屈服强度oZXY单元体受复杂应力（应力分量）单元体主应力状态 复杂应力状态下的屈服条件（由第四强度理论确定）1、平面应力状态2、三向应力状态（Misesyieldcondition)3、平面纯剪应力状态 同号应力eqfy钢材易进入塑性状态，钢材强度降低，塑性变形大。局部应力集中，在动荷载及低温条件下，易使钢材产生脆性破坏。 4.钢材硬化sefyfp0sefyfp0sefyfp0 钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure5.温度的影响正温范围：（1）温度在150℃以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于150℃的场合。（2）温度在250℃左右的区间内出现蓝脆现象，fu有局部性提高，同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。（3）当温度达到600℃时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。负温范围：随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。8006004002000N/mm2Efuδfy20040060020406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C) 冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏两种破坏均有塑性破坏转变温度区冲击断裂功试验温度T1T0T2（1）冲击功曲线的反弯点T0称为转变温度。界限温度T1和T2分别为脆性转变温度和全塑性转变温度。（2）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间T1～T2内完成的，此温度区间称为钢材的脆性转变温度区。（3）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。（4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于T1,接近T0。 6.荷载类型的影响荷载可分为静力和动力两大类1.加荷速度的影响这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载5分钟后再读数据。2.循环荷载的影响钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏（疲劳破坏）。 7.残余应力在热轧型钢过程中，冷却时，截面上各部分温差使型钢产生了残余应力(内部应力)。以热轧工字钢的冷却过程为例，从最终轧制温度To(约6000C)开始，截面上出现了各部分温度差别，翼缘边缘和腹扳中部等外露部分比翼缘与腹板接合处冷却得快，首先冷却并阻止高温纤维冷却所产生的收缩。因此到冷却过程全部完成后(常温下)，最早冷却的区域受压应力，而最后冷却的区域受拉应力。焊接将产生残余应力和残余变形 钢材的疲劳Fatigue 钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐积累损伤、产生裂纹即裂纹逐渐扩展，当循环次数达到某定值时，发生突然破坏的现象，称为疲劳。（high-cyclefatiguelow-cyclefatigue)高周低应力疲劳：破坏前的应力循环次数n≥5×104，疲劳破坏时的应力较低，。一般属于此类疲劳。低周高应力疲劳：破坏前的应力循环次数n=102~5×104,疲劳破坏时的应力水平较高，。应力比：应力幅：循环次数：n（要求n≥5×104时，应进行疲劳计算） 常幅疲劳——当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。1.非焊接结构的疲劳大量试验研究表明，疲劳强度除与主体金属和连接类型有关外，还与循环应力比r和循环次数n有关。应力循环特性常用应力比值来表示，以拉应力为正值。连续重复荷载之下应力往复变化一周叫做一个循环。 2.焊接结构的疲劳通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是构件和连接的类型、应力幅Ds以及循环次数n，而与应力比无关。焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点fy，该处是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。最大：最小：真实应力比：焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅Ds的大小-----++残余应力的分布 应力幅与应力循环次数n（疲劳寿命）的关系0NX105n1n2fy123456SS0............b11(1)应力幅值越低，应力循环次数就越多，疲劳寿命也越高。(2)当应力幅值减小到一定程度时，应力循环次数趋向无穷大。容许应力幅[]的定义（1）应力幅－循环次数（红色实线所示）关系曲线为试验回归曲线，反应了平均值之间的关系。 （2）考虑到试验的离散性，取平均值减去两倍lgn的标准差（2s）作为疲劳强度的下限值，图中蓝色虚线所示。该虚线上的应力幅定义为对应于某疲劳寿命的容许应力幅。（3）如果lgn符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为97.7％。(4）容许应力幅的表达式[Ds]可通过两个相似三角形求出：SS0............b11(5)式中：系数β、C根据《钢结构设计规范-疲劳计算的构件和连接分类》查表得到。(6)容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同种类的钢材具有相同的抗疲劳性能。 3.常幅疲劳验算疲劳容许应力幅[]与应力循环次数n的关系曲线11β＝4β＝3[](N/mm2)（对数尺）n（对数尺）规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归并划分为8个疲劳计算类别，并对每个类别规定了相应的参数取值。 参数Ｃ和b的取值构件和连接类别12345678Ｃ1940×1012861×10123.26×10122.18×10121.47×10120.96×10120.65×10120.41×1012β44333333国内外试验证明，除了个别在疲劳计算中不起控制作用类别的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响。 疲劳计算采用容许应力幅法，按弹性状态计算应力进行计算。计算只适用于无高温（t≤150℃）、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算（应力循环次数n≥5×104)。常幅疲劳的计算公式标准荷载下的设计应力幅；对于焊接部位的设计应力幅:=max-min；对于非焊接部位的折算应力幅：=max-0.7minmax每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）min每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应力取正值，压应力取负值）；[]常幅疲劳的容许应力幅 变幅疲劳当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。Δσi-1Δσ2Δσ1Δσiσt变幅荷载可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳，然后按常幅疲劳检算式检算。（a）检算公式e—等效常幅疲劳应力幅。[]—常幅疲劳的容许应力幅。情形一　能够测得使用期内应力变幅规律 （b)计算若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅e按下式进行疲劳计算：Σni以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；ni预期寿命内应力幅水平达到i的应力循环次数 情形二——不能测得使用期内应力变幅规律设计重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，按常幅疲劳进行计算。计算公式—欠载效应的等效系数—循环次数为n=2×106次的容许应力幅。 1.00.80.5重级工作制硬钩吊车重级工作制软钩吊车梁中级工作制吊车f吊车梁类别吊车梁或吊车桁架欠载效应系数59697890103118144176N/mm2[]n=2×10687654321连接形式类别n=2×106的容许应力幅值 疲劳破坏中一些值得注意的问题（1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。（2）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。（3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。（4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施（ａ）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；（ｂ）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；（ｃ）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。 钢材的生产铁矿石-------〉铁-------〉钢--------〉轧制成型炼铁：以CO、C作为还原剂，高温下将铁矿石中的铁还原出来。生铁含碳量高（〉2.06%）。炼钢：高温下氧化反应除去生铁中多余的碳和杂质。使含碳量〈2.06%。精炼：脱氧 用轧钢机将钢锭轧成钢胚，再通过一系列不同形状和孔径的轧机，轧成所需形状和尺寸的钢材。钢材的热轧成型，压密钢的晶粒，改善钢的材质。薄的钢材，辊轧次数多，压缩比大，因而屈服点及伸长率均大于厚板。钢材的力学性能按板厚或直径分组。 钢的种类结构用钢的种类、选用及规格 沸腾钢：以Mn为脱氧剂F半镇静钢：介于沸腾钢与镇静钢之间（加入少量Si）b镇静钢：除Mn外，增加Si为脱氧剂Z特殊镇静钢：在用硅脱氧后，再用铝补充脱氧TZ设计文件中的标识方法：Q+屈服点数值+质量等级+脱氧方法Q235钢分为A、B、C、D质量等级，ZTZ可以省略。Q235C为镇静钢Q235D为特殊镇静钢Q345、Q390、Q420无沸腾钢和半镇静钢。名称中就无脱氧方法符号。举例：Q235BFQ235CQ345AQ345BQ390DQ420B 碳素钢铁和碳的合金低碳钢C<0.25%中碳钢C=0.25%~0.60%高碳钢C>0.6%一般C<0.20%具有良好的可焊性。碳素钢分级：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275钢结构推荐使用Q235（C<0.18%) 低合金钢冶炼时，在低碳钢中加入合金元素Mn、V等低合金钢中合金元素含量<5%适量合金元素，可使钢水在冷却时得到细而均匀的晶粒，从而提高强度又不降低塑性和韧性。推荐使用：Q345(原16Mn、16Mnq)(含碳量0.16%)fy=345MPaQ390(原15MnV15MnVq)(含碳量0.15%)合金含量均小于1.5%fy=390MPaQ420 建筑工程用钢碳素结构钢低合金高强度结构钢优质碳素结构钢A：保证fy、fu、，必要时附加冷弯试验的要求；化学成分对碳、锰不作交货条件。B、C、D级：保证fy、fu、，冷弯性能、冲击韧性（分别为+20℃，0℃，-20℃）；化学成分对碳、硫、磷的极限含量要求严格。A：保证fy、fu、，冷弯性能；化学成分对碳、硫、磷作为保证项目。B、C、D：保证fy、fu、，冷弯性能、冲击韧性（分别为+20℃，0℃，-20℃，-40℃）；化学成分对碳、硫、磷、锰、硅作为保证项目。以不热处理或热处理状态交货 钢材的选择选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，同时用材经济合理。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素：1.结构或构件的重要性；2.荷载性质（静载或动载）;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）。5.钢材厚度对于重要结构、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。 钢材选择的建议承重结构焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构当焊接承重结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢保证fy、fu、以及硫、磷含量，对焊接结构应保证碳含量。具有冷弯试验的合格保证。材质应满足断面收缩率和含硫量的要求。应具有常温冲击韧性的合格保证。应具有常温冲击韧性的合格保证。主要的受拉或受弯的焊接结构和需验算疲劳的焊接结构需验算疲劳的非焊接结构钢材选择的建议 钢材的规格钢结构采用的型材有：热轧钢板、热轧型钢、冷弯薄壁型钢。1、热轧钢板：“-”厚度×宽度×长度（mm）–840036002、热轧型钢（1）热轧角钢等肢角钢：L肢宽×肢厚不等肢角钢：L长肢宽×短肢宽×肢厚L11010L90566（2）热轧工字钢普通工字钢：“I”和号数(代表截面高度厘米数)轻型工字钢：“QI”和号数(代表截面高度厘米数)20号以上的工字钢，按腹板厚度同一号数又分a、b、c类。 （3）热轧槽钢普通槽钢：“[”和号数轻型槽钢：“Q[”和号数14号以上的槽钢，按腹板厚度同一号数又分a、b、c类。（4）H型钢(高X宽X腹板厚X翼缘厚）（HW,HM,HN)宽翼缘H型钢（HW)，用于轴压、压弯构件。H型钢可以剖分为T型钢供应，规格标记同H型钢，只是高度是H型钢的一半。3、钢管无缝钢管和焊接钢管：“ф”外径×厚度4、薄壁型钢用薄钢板经模压或弯曲而制成。壁厚一般为1.5～5mm。用作轻型屋面及墙面等构件。压型钢板YX高波距宽5、钢轨QU70(轨顶宽度70mm)QU80 钢结构防腐钢结构腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种化学腐蚀是气体及非电解质液体作用于金属表面而产生，如化工厂及其附近的钢结构建筑，受到来自化工厂腐蚀性气、液体的跑冒、滴漏等而腐蚀；也可又空气中的CO2、SO2的作用而产生FeO或FeS，从而使钢结构产生腐蚀。电化学腐蚀是钢材表面与电解质溶液中产生电流，形成腐蚀电池，使钢材产生腐蚀。最常见的为吸氧腐蚀。 据有关资料：在工业发达的国家中，腐蚀造成的直接经济损失占国民经济总产值的1%--4%，在中国由于金属腐蚀造成的经济损失每年高达300多亿元以上。因此，必须采用各种有效措施保护钢结构不受外界环境介质影响的能力。钢结构防腐的方法制成合金钢；金属镀层保护；非金属涂层保护；阴极保护；构造措施保护。 防腐涂料选用的基本原则：具有良好的耐腐蚀性；具有良好的附着力；具有良好的耐候性；易于施工；具有色泽；防腐涂料的底漆、中间漆、面漆应配套。 钢材耐热但不耐火，钢材长期经受100℃辐射热时，性能变化不大，具有一定的耐热性能。温度超过200℃会出现兰脆现象，温度达600℃进入热塑性状态，丧失承载能力。一般常用建筑钢材的临界温度（即丧失支撑能力时的温度）为540℃。对于建筑火灾，火场温度多在800℃~1200℃之间。在火灾发生的10分钟内，火场温度即可高达700℃以上，对于裸露的钢材构件，在这样的火场温度下，只要几分钟其温度就可上升到500℃而达到其临界值，进而失去载荷能力，导致建筑物倒塌。钢结构防火 火灾是火失去控制而蔓延的一种灾害性燃烧现象。一般地，火灾的发生必须具备存在能燃烧的物质，能提供持续燃烧的空气、氧气或其他氧化剂，以及能使可燃物质燃烧的着火源，这样三个条件。为此，考虑破坏以上三个条件，现今钢结构建筑的防火保护一般有以下一些措施：冲水冷却保护法单面屏蔽法包封法喷涂无机防火涂料建筑钢结构的防火措施 选用防火保护材料的基本原则是：防火材料应具有良好的绝热性，其导热系数小或热容量大；在火灾升温过程中不开裂、不脱落，能牢固的附着在构件上，本身有一定的强度和粘结度，连接固定方便；不腐蚀钢材，呈碱性且氯离子含量低；不含危害人体健康的石棉等物质。