鋼結(jié)構(gòu)課件鋼結(jié)構(gòu)用鋼材課件

1、第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)用鋼材鋼結(jié)構(gòu)用鋼材2.1 鋼材的基本要求和主要性能2.1.1 建筑鋼材的基本要求 用于建筑的鋼材，在性能方面要求具有較高的強(qiáng)度、較好的塑性及韌性，以及良好的加工性能。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)還要求可焊性良好。在低溫下工作的結(jié)構(gòu)，要求鋼材在低溫下也能保持較好的韌性。在易受大氣侵蝕的露天環(huán)境下工作的結(jié)構(gòu)，或在有害 介質(zhì)侵蝕的環(huán)境下工作的結(jié)構(gòu)，要求鋼材具有較好的抗銹能力。2.1.2 鋼材的拉伸試驗(yàn)1)彈性階段圖2.1中OB段，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系,= E；該段稱彈性階段，B點(diǎn)的應(yīng)力p稱為比例極限，亦稱彈性極限；E為該直線段的斜率，為鋼材的彈性模量，E=2.06105 N/mm2。2)彈塑性階段

2、圖2.1中BC段，應(yīng)力與應(yīng)變呈曲線關(guān)系，表明應(yīng)變的增長(zhǎng)比應(yīng)力快，切線模量，曲線上任一點(diǎn)的切線斜率，隨應(yīng)變?cè)黾佣档?。鋼材的變形包括卸荷后可恢?fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的塑性變形兩部分。圖2.1 鋼材的拉伸試驗(yàn) (a)有明顯屈服點(diǎn)的鋼材料材 (b)沒(méi)有明顯屈服點(diǎn)的鋼材 彈性階段 彈塑性階段 屈服階段 強(qiáng)化階段 頸縮階段3)屈服階段4)強(qiáng)化階段5)頸縮階段2.1.3 鋼材的強(qiáng)度2.1.4 鋼材的塑性 鋼材的伸長(zhǎng)率是反映鋼材塑性的指標(biāo),是以試件拉斷后，標(biāo)距長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量(l1-l0)與原標(biāo)距長(zhǎng)度l0的比值百分?jǐn)?shù)表達(dá),即 橫截面的收縮率是塑性性能的另一指標(biāo)，是指橫截面面積縮小值(A0-A1)與原截面面積A0

3、比值的百分率，即2.1.5 鋼材的冷彎性能鋼材的冷彎性能是衡量鋼材在常溫下彎曲加工產(chǎn)生塑性變形時(shí),對(duì)產(chǎn)生裂紋的抵抗能力的一項(xiàng)指標(biāo)。圖2.2是冷彎試驗(yàn)示意圖。圖2.2 鋼材冷彎試驗(yàn)示意圖2.1.6 沖擊韌度 鋼材的沖擊韌度是衡量鋼材在沖擊荷載作用下,抵抗脆性斷裂的能力的一項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。 我國(guó)規(guī)定鋼材的沖擊韌性按V形試件沖擊功Axvxv確定如圖2.3所示。 對(duì)于碳素結(jié)構(gòu)鋼(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7001988)Q235 A級(jí)鋼不做沖擊試驗(yàn)；Q235 B、-C、D級(jí)鋼，分別要求20 、0 ，-20 的沖擊功AKV27J。圖2.3 鋼材沖擊韌性試驗(yàn)示意圖2.1.7 焊接性能鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝

4、條件下，獲得性能良好的焊接接頭。2.2 影響鋼材性能的主要因素2.2.1 化學(xué)成分的影響 鋼的基本元素是鐵(Fe)，普通碳素鋼中w(Fe)=99，其余為碳(C)、硅(Si)、錳(Mn)；有害元素尚有硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)等。合金鋼中還需摻入一定數(shù)量的鉻、鎳、銅、釩、鈦、鈮等元素以改善鋼的力學(xué)性能。2.2.2 冶煉、澆注和軋制過(guò)程的影響 鋼因冶煉后澆注工藝過(guò)程和脫氧程度的不同而分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。 用于某些特殊用途的鋼材，在軋制后還常經(jīng)過(guò)熱處理進(jìn)行調(diào)質(zhì)，以改善鋼材性能。2.2.3 殘余應(yīng)力的影響 熱軋型鋼在冷卻過(guò)程中，在截面尖角、邊緣及薄細(xì)部位，率先冷卻，其他部位漸次冷

5、卻，先冷卻部位約束阻止后冷卻部位的自由收縮，產(chǎn)生復(fù)雜的熱軋殘余應(yīng)力分布。不同形狀和尺寸規(guī)格的型鋼殘余應(yīng)力分布不同。 鋼材經(jīng)過(guò)氣割或焊接后，由于不均勻的加熱和冷卻，也將引起殘余應(yīng)力。 鋼材中殘余應(yīng)力的特點(diǎn)是應(yīng)力自相平衡且與外荷載無(wú)關(guān)。 此外殘余應(yīng)力與外荷載應(yīng)力疊加常常產(chǎn)生二向或三向應(yīng)力，將使鋼材抗沖擊斷裂能力及抗疲勞破壞能力降低。尤其是低溫下受沖擊荷載的結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力存在更容易引起低工作應(yīng)力狀態(tài)下的脆性斷裂。對(duì)鋼材進(jìn)行“退火”熱處理，在一定程度上可以消除一些殘余應(yīng)力。2.2.4 應(yīng)力集中的影響 鋼結(jié)構(gòu)的鋼材存在孔洞、槽口、凹角裂紋、 厚度變化、形狀變化及內(nèi)部缺陷等構(gòu)造缺陷，鋼材中的應(yīng)力在缺陷區(qū)域

6、的某些部位將出現(xiàn)局部高峰應(yīng)力,而其他部位出現(xiàn)應(yīng)力降低，這種在較小區(qū)域內(nèi)應(yīng)力突然增高的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。應(yīng)力集中的高低取決于構(gòu)件截面改變的急劇程度，如槽孔尖端處的應(yīng)力集中較圓孔邊的應(yīng)力集中大得多。2.2.5 溫度影響 溫度在100 以上時(shí)總的趨勢(shì)是強(qiáng)度降低，塑性增大；達(dá)250 左右時(shí)，鋼材的抗拉強(qiáng) 度f(wàn)u略有提高,塑性和沖擊韌性降低，鋼材呈脆性破壞特征，這種現(xiàn)象稱為“藍(lán)脆”，在此區(qū)域加工易產(chǎn)生裂紋。溫度在250350 時(shí)，鋼材強(qiáng)度開(kāi)始顯著下降,鋼材將產(chǎn)生徐變現(xiàn)象；當(dāng)溫度超過(guò)400 時(shí)，強(qiáng)度和彈性模量都急劇降低；達(dá)600 時(shí)，其承載能力幾乎喪盡。2.2.6 鋼材的冷作硬化和時(shí)效 鋼材在冷加工過(guò)程中

7、使鋼材產(chǎn)生很大的塑性變形甚至斷裂，再重新加荷時(shí)將使屈服點(diǎn)提高，但使塑性和韌性降低這種現(xiàn)象稱為冷 作硬化或應(yīng)變硬化。 時(shí)效硬化是指鋼材僅隨時(shí)間增長(zhǎng)而變脆的現(xiàn)象，冷作硬化的鋼材，同時(shí)伴生著時(shí)效硬化，故稱為應(yīng)變時(shí)效硬化。2.2.7 鋼材的防護(hù)1)鋼材脆性斷裂的預(yù)防2)鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)3)鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕措施2.3 鋼材的種類、規(guī)格與選用2.3.1 鋼材的種類 鋼材的種類或稱鋼種，按用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊用途鋼等；按化學(xué)成分可分為碳素鋼和合金鋼，碳素鋼按含碳量又分為低碳鋼(w(C)0.25)、中碳鋼(0.250.6)，以及熟鐵(w(C)0.06)、生鐵或鑄鐵(w(C)2)。1)碳素結(jié)構(gòu)鋼 我國(guó)頒布

8、的“碳素結(jié)構(gòu)鋼”(GB7001988)，將專用于結(jié)構(gòu)的普通碳素鋼共分為Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五種。2)低合金結(jié)構(gòu)鋼 我國(guó)頒布的“低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼”(GBT15911994)將低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼按屈服點(diǎn)數(shù)值分為五個(gè)牌號(hào)：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。 低合金結(jié)構(gòu)鋼是在冶煉碳素結(jié)構(gòu)鋼時(shí)加一種或幾種適量的合金元素而煉成的鋼種，可提高強(qiáng)度、沖擊韌性、耐腐蝕性又不太降低塑性。3)專用結(jié)構(gòu)鋼 特殊用途的專用結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上冶煉而成，其有害元素含量低、晶粒細(xì)、組織致密、機(jī)械性能的附加保證項(xiàng)目較多，因而質(zhì)量更高、檢驗(yàn)更嚴(yán)密，一般用于橋梁

9、、船舶、壓力容器和鍋爐等特殊用途的鋼結(jié)構(gòu)中。 鋼結(jié)構(gòu)連接中鉚釘、高強(qiáng)度螺栓、焊條用鋼等，也是屬于專用結(jié)構(gòu)鋼。4)Z向鋼和耐候鋼2.3.2 鋼材的規(guī)格 鋼結(jié)構(gòu)采用的鋼材主要為熱軋成型的鋼板和型鋼，以及冷變成型的薄壁型鋼(圖2.4)。1)熱軋鋼板2)熱軋型鋼 常用形式有角鋼、工字鋼和槽鋼，如圖2.4(a)所示。 角鋼： 工字鋼： 槽鋼：可分為普通和輕型兩種。 鋼管：3)冷彎薄壁型鋼4)壓型鋼板圖2.4 鋼材的規(guī)格（a）常用熱扎型鋼 （b）冷彎薄壁型鋼和壓型鋼板2.3.3 鋼材的選用和保證項(xiàng)目(1)選用的原則 1)結(jié)構(gòu)的重要性。 2)荷載特性。 3)連接方式。 4)結(jié)構(gòu)工作的溫度環(huán)境。 5)鋼材厚度

10、。(2)鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材的要求 1)較高的強(qiáng)度。 2)足夠的變形能力。 3)良好的加工性能。(3)鋼材的選用和保證項(xiàng)目 1)建筑結(jié)構(gòu)鋼材的選用。 選用時(shí)應(yīng)考慮下列情況并依據(jù)工程實(shí)際情況參照表2.1選用。一般結(jié)構(gòu)多選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235F；大跨度或荷載重，尤其是低溫工作環(huán)境，以及承受較大動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，宜采用強(qiáng)度高，沖擊韌性好的低合金鋼Q345或Q390鋼。若動(dòng)力荷載很大時(shí)可選用16Mnq或15MnVq鋼。平爐鋼和氧氣轉(zhuǎn)爐鋼兩者質(zhì)量相當(dāng)，訂貨和設(shè)計(jì)時(shí)不加區(qū)別，由鋼廠決定。鋼材出廠最少應(yīng)具有fy、fu、5三項(xiàng)力學(xué)性能和硫、磷含量?jī)身?xiàng)化學(xué)成分的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)有碳含量的合格保證。對(duì)于較大跨度的桁架、柱、托架等構(gòu)件，承受直接動(dòng)力荷載的橋式起重機(jī)梁、儲(chǔ)罐等鋼材還要有冷彎試驗(yàn)的合格保證。對(duì)于重級(jí)工作制橋式起重機(jī)和起重量大于50 t的中級(jí)工作制橋式起重機(jī)的橋式起重機(jī) 梁或類似構(gòu)件，應(yīng)具有常溫(20 )沖擊韌性的