第2章钢结构的材料解析ppt课件.ppt

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1第2章钢结构的材料 2本章内容第一节钢材的工作性能第二节钢结构对钢材性能的要求第三节影响钢材性能的主要因素第四节钢材的种类、规格和选用原则 3钢材的主要强度指标和变形性能根据常温（20±5°）、静载条件下标准试件一次拉伸试验确定。常温静载条件下，图2-1所示低碳钢标准试件单向一次拉伸试验得到的简化光滑应力-应变曲线如图2-2所示，钢材历经五个阶段:第一节钢材的工作性能一、钢材静力单向均匀拉伸时的性能 4图2-1静力拉伸试验的标准试件图2-2钢材一次单向拉伸简化应力-应变曲线 5(1)阶段Ⅰ：弹性阶段（OA段）比例极限fp:E=2.06×105N/mm2卸除荷载后试件的变形将完全恢复。(2)阶段Ⅱ：弹塑性阶段（AB段）σ与ε呈非线性关系，应力增加时，相应增加的应变除弹性应变外还有塑性应变，卸载时，其中塑性应变不能恢复，称为残余应变。B点对应应力fy称为屈服点（又称屈服强度），对应的应变约为0.15%。 6(3)阶段Ⅲ：塑性阶段（屈服阶段、BC段）屈服点fy:应力达到屈服点fy后，应力-应变关系呈水平线段BC，称为屈服平台，钢材表现为完全塑性，整个屈服平台对应的应变幅称为流幅(约为0.15%~2.5%)，流幅越大，钢材的塑性越好。(4)阶段Ⅳ：应变硬化阶段（强化阶段、CD段）抗拉强度fu：经过屈服阶段后，钢材内部组织重新排列并建立了新的平衡，产生了继续承受增长荷载的能力，此阶段的应力-应变为上升的非线性关系，直至应力达到最大值，称为抗拉强度fu。 7(5)阶段Ⅴ：颈缩阶段（DE段）在承载力最弱的截面处，横截面急剧收缩——颈缩，变形也随之剧增，荷载下降，直至断裂。对于没有缺陷和残余应力影响的试件,可认为钢材是图2-3所示理想弹-塑性体，经历两个阶段，即假定钢材应力小于fy时是完全弹性的，应力超过fy后则是完全塑性的。设计时，取fy作为强度限值，而取fu作为材料的强度储备。图2-3理想弹-塑性应力-应变曲线图 8高强度钢材没有明显屈服点和屈服平台，这类钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的，称为条件屈服点，用f0.2表示，定义为试件卸载后其残余应变为0.2%对应的应力，如图2-4所示。图2-4高强度钢的应力-应变曲线 9名义应力低于屈服点、材料处于弹性阶段，当荷载循环达到一定次数后，钢材会发生突然脆性断裂破坏，疲劳计算方法详见第9章。二、反复荷载作用下钢材的性能(一)高周疲劳破坏(疲劳破坏)(二)低周疲劳破坏反复应力高于屈服强度、材料处于弹塑性阶段，反复荷载会使钢材的残余应变逐渐增长，最后产生突然破坏。 10钢材在受拉产生塑性变形后，卸载并反向加载使钢材受压，抗压屈服强度会降低，如图2-5所示，应力—应变曲线形成滞回环（滞回曲线），滞回环所围面积代表荷载循环一次单位体积的钢材所吸收的能量。(三)包辛格（Bauschinger）效应图2-5钢材滞回曲线 11钢结构构件中经常存在孔洞、槽口、凹角、截面的厚度和宽度的突然改变及钢材的内部缺陷等。此时，构件中的应力分布变得很不均匀，在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部分应力较低，如图2-6所示，这种现象称为应力集中。应力集中产生的高峰应力区附近总是存在平面或三维应力场，有使钢材变脆的趋势。三、复杂应力状态下钢材的性能 12图2-6孔洞的应力集中（a）钢板开圆孔（b）钢板开长圆孔 13钢材在单向拉伸时，可借助于实验得到屈服条件，即当σ=fy时，材料开始屈服，进入塑性状态。实际钢结构中，钢材常是在双向或三向复杂应力状态下工作，如图2-7所示，这时钢材的屈服并不取决于某一个方向的应力，从而不能用实验得到普遍适用的表达式，而是应利用材料力学强度理论用折算应力σeq和钢材在单向应力下的屈服点相比较来判别。研究表明，对均匀性和塑性较好的钢材，适合采用第四强度理论即能量强度理论，折算应力σeq按计算如下： 14图2-7复杂应力状态 15当用主应力表示时（2-1）当用应力分量表示时（2-2）当σeq300℃时，强度、弹性模量显著下降，塑性变形显著增大。>400℃强度、弹性模量急剧降低，600℃几乎丧失承载能力。超过150℃之后钢结构表面需加设隔热保护层。 34图2-11Akv随温度T的变化(三)温度影响（2）负温范围随着温度下降，钢材强度略有提高，但塑性、韧性降低，钢材的脆性倾向增加，对冲击韧性的影响十分突出。如图2-11所示。 35牌号：Q195，Q215A及B，Q235A、B、C及D，Q255A及B以及Q275。含碳量越多，屈服点越高，塑性越低。符号含义见图2-12。第四节钢材的种类、规格和选用原则一、钢材的种类(一)碳素结构钢图2-12碳素结构钢牌号中符号含义 36(二)低合金高强度结构钢在钢的冶炼过程中加入通常低于3%的合金元素，使钢的强度明显提高，其牌号按屈服点由小到大排列，有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五种，牌号意义和碳素结构钢相同。 37(三)耐大气腐蚀钢（耐候钢）（1）高耐候结构钢按其化学成分分为：铜磷钢和铜磷铬镍钢两种。其牌号表示方法是由分别代表“屈服点”的拼音首字母Q、屈服点的数值和“高耐候”拼音字母GNH顺序组成。（2）焊接结构用耐候钢表示方法是由分别代表“屈服点”得拼音首字母Q、屈服点的数值和“耐候”的拼音字母NH以及质量等级（C、D、E）顺序组成。 38(四)桥梁用结构钢由于桥梁所受荷载性质特殊，桥梁用钢的力学性能、焊接性能等技术要求一般都严于房屋建筑用钢，其牌号表达方式与其他钢材一样，由屈服点拼音首字母Q、屈服点数值、桥梁钢拼音字母q和质量等级（C、D、E）四部分顺序组成。 39(五)Z向钢Z向钢主要有Z15、Z25、Z35三个级别，分别代表钢板的厚度方向断面收缩率Yz不小于15%、25%和35%。Z向钢常用于船舶、海上采油平台、压力容器等重要焊接结构。高层建筑钢结构对厚度方向性能有要求的钢板，牌号由代表屈服点拼音首字母Q、屈服点数值、高层建筑拼音字母GJ、质量等级（C、D、E）和后缀字母Z组成，如Q235GJZ。 40钢结构中采用的钢材品种主要为热轧钢板、钢带和型钢以及冷轧钢板、钢带和冷弯薄壁型钢及压型钢板。二、钢材规格 41(一)钢板热轧钢板分厚钢板和薄钢板两种。厚钢板的厚度为4.5～60mm，用于制作焊接组合截面构件，如焊接工字形截面梁翼缘板、腹板等；薄钢板的厚度为0.35～4mm，用于制作冷弯薄壁型钢。钢板的表示方法为“－宽度×厚度×长度”。 42图2-13热轧型钢截面形式(二)热轧型钢常用热轧型钢有角钢、槽钢、工字钢、H型钢、T型钢和钢管等，截面见图2-13。 43(二)热轧型钢（1）角钢等边角钢表示：“∟边宽×厚度”；不等边角钢表示：“∟长边宽×短边宽×厚度”。（2）槽钢普通槽钢表示：“[”+截面高度（cm）；轻型槽钢表示：“[”+截面高度（cm）+“Q”。（3）工字钢普通工字钢：“I”+截面高度（cm）；轻型工字钢“I”+截面高度（cm）+“Q”。 44(二)热轧型钢（4）H型钢和剖分T型钢H型钢有宽翼缘H型钢、中翼缘H型钢和窄翼缘H型钢，分别用标记HW、HM和HN表示。各种H型钢均可剖分为T型钢，相应标记用TW、TM、TN表示。H型钢和剖分T型钢的表示方法是：标记符号、高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度。（5）钢管钢管分无缝钢管和焊接钢管两种，表示方法：“Ф外径×壁厚”。 45图2-14薄壁型钢的截面形式(三)冷弯薄壁型钢薄壁型钢由薄钢板经冷弯或模压而成，其截面形式见图2-14。薄壁型钢的壁厚一般为1.5～5mm，用于承重结构时其壁厚不宜小于2mm。用于轻型屋面及墙面的压型钢板板厚为0.4～1.6mm。 46(四)钢索用高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线或钢丝绳统称为钢索。 47钢材选用原则既要保证结构安全可靠，又要做到用料经济合理。三、钢材选用原则 48(一)结构重要性对于重要结构，如重型工业建筑结构、大跨度结构、高层或超高层民用建筑结构或构筑物等，应选用质量高的钢材。对于一般工业与民用建筑结构，可根据工作性质分别选用普通质量的钢材。 49(二)荷载性质对承受动力荷载的结构应选用塑性、冲击韧性好的钢材，如Q235C或Q345C；对承受静力荷载的结构可选用一般质量的钢材如Q235BF。 50(三)连接方法焊接结构由于在焊接过程中不可避免地出现焊接应力、焊接变形和焊接缺陷，因此，应选择碳、硫、磷含量较低，塑性、韧性和可焊性都较好的钢材。对于非焊接结构，这些要求可以放宽。 51(四)结构工作环境结构所处的环境如温度变化、腐蚀作用等对钢材可能产生很大影响。在低温下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好抵抗低温脆断性能的镇静钢，结构可能出现的最低温应高于钢材的冷脆转变温度。当周围有腐蚀介质时，应对钢材的抗锈蚀性提出相应要求。 52(五)钢材厚度厚度大的焊接结构应采用质量较好的钢材。在钢种的选用方面，对重要承重结构推荐采用Q235、Q345、Q390、Q420钢。承重结构钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度保证（通称三项保证）和硫、磷含量的合格保证；焊接结构还应有碳含量合格保证，冷弯、冲击韧性等要求；有疲劳验算和抗震要求的结构钢材，要求有冲击韧性的合格保证。在钢材规格的选用方面，宜优先选用型钢，如对于承受荷载不大的钢梁宜选用窄翼缘H型钢，钢柱宜选用宽翼缘H型钢。