楊建第二章鋼結(jié)構(gòu)材料ppt課件

1、第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1 對(duì)建筑用鋼材的性能要求對(duì)建筑用鋼材的性能要求較高的強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度較高的強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度f(wàn)u和屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度f(wàn)y足夠的變形能力：塑性、韌性足夠的變形能力：塑性、韌性良好的加工性能：冷加工、熱加工、可焊性良好的加工性能：冷加工、熱加工、可焊性2.2 鋼材的主要性能及其鑒定鋼材的主要性能及其鑒定1、單軸拉伸時(shí)的工作性能、單軸拉伸時(shí)的工作性能條件：標(biāo)準(zhǔn)試件，常溫條件：標(biāo)準(zhǔn)試件，常溫20）下緩慢加載，直）下緩慢加載，直到拉斷破壞，一次完成。到拉斷破壞，一次完成。 標(biāo)準(zhǔn)試件標(biāo)準(zhǔn)試件l0 / d =5，10；l0標(biāo)距；標(biāo)距； d直徑直徑Lod d縮裂和破壞應(yīng)變

2、硬化塑性彈性801461001012161418f 300200yf 400u/MPaa)20IVIIIIIIf yf u/MPab)f p塑性階段：塑性階段：E為零，為零，失去承載的能力。失去承載的能力。應(yīng)變硬化階段：又應(yīng)變硬化階段：又恢復(fù)承載的能力，但恢復(fù)承載的能力，但很快被拉斷。很快被拉斷。uOAEBCDAEy彈性階段：彈性階段：E為常量為常量彈塑性階段：彈塑性階段：E為變量為變量對(duì)無(wú)明顯屈服點(diǎn)的鋼材 該種鋼材在拉伸過(guò)程中沒有屈服階段，塑性變?cè)摲N鋼材在拉伸過(guò)程中沒有屈服階段，塑性變 形小，破壞突然。形小，破壞突然。 設(shè)計(jì)時(shí)取相當(dāng)于設(shè)計(jì)時(shí)取相當(dāng)于 殘余變形為殘余變形為0.2%0.2% 時(shí)所

3、對(duì)應(yīng)的應(yīng)力時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 作為屈服點(diǎn)作為屈服點(diǎn)“條件屈服點(diǎn)條件屈服點(diǎn)”fy=f0.20.2%fup應(yīng)力應(yīng)變曲線的簡(jiǎn)化1)fy1)fy與與fefe相差很小；相差很小；2)2)超越超越 fyfy到屈服臺(tái)到屈服臺(tái)階終止的變形約為階終止的變形約為2.5%-3%2.5%-3%，足以滿，足以滿足考慮結(jié)構(gòu)的塑性足考慮結(jié)構(gòu)的塑性變形發(fā)展的要求。變形發(fā)展的要求。 （1 1鋼材可以簡(jiǎn)化為理想彈塑性體鋼材可以簡(jiǎn)化為理想彈塑性體2.5%-3%fy 00.15% （2鋼材在靜載作用下：鋼材在靜載作用下： 強(qiáng)度計(jì)算以強(qiáng)度計(jì)算以fy為依據(jù)為依據(jù);fu為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。（3 3斷裂時(shí)變形約為彈性變形的斷裂時(shí)

4、變形約為彈性變形的200200倍，在破壞前倍，在破壞前 產(chǎn)生明顯可見的塑性產(chǎn)生明顯可見的塑性 變形，變形， 可及時(shí)補(bǔ)救，可及時(shí)補(bǔ)救， 故幾乎不可能發(fā)生。故幾乎不可能發(fā)生。O0.15%22%fufyfu-fu-fyfy單向拉伸時(shí)鋼材的機(jī)械性能指標(biāo) （1屈服點(diǎn)fy應(yīng)力應(yīng)變曲線開始產(chǎn)生塑性流動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，它是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的重要指標(biāo)。 當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件截面 fy時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失了繼續(xù)承載的能力。（2 2抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度f(wàn)u-fu-應(yīng)力應(yīng)變曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，它是鋼材最大的抗拉強(qiáng)度。直接反映鋼材應(yīng)力，它是鋼材最大的抗拉強(qiáng)度。直接反映鋼材的內(nèi)部組織的

5、優(yōu)劣，的內(nèi)部組織的優(yōu)劣， fufu愈高，強(qiáng)度儲(chǔ)備愈高。愈高，強(qiáng)度儲(chǔ)備愈高。 fu/ fyfu/ fy強(qiáng)屈比，鋼材塑性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要條強(qiáng)屈比，鋼材塑性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要條件。件。LodNNNLdN（3 3伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率)12(%10000 lll )22(%100010 AAA （4 4斷面收縮率斷面收縮率它是衡量鋼材塑性應(yīng)變能力的重要指標(biāo)。它是衡量鋼材塑性應(yīng)變能力的重要指標(biāo)。當(dāng)當(dāng)l0/d=5l0/d=5時(shí)，用時(shí)，用55表示，當(dāng)表示，當(dāng)l0/d=10l0/d=10時(shí)，用時(shí)，用1010表示。表示。A0A12 冷彎性能冷彎性能 在冷彎試驗(yàn)中表在冷彎試驗(yàn)中表現(xiàn)的性能，既能現(xiàn)的性能，既能看出鋼材塑性變看出鋼材

6、塑性變形的能力，又可形的能力，又可看出鋼材的冶金看出鋼材的冶金質(zhì)量。質(zhì)量。add+2.1a3、沖擊韌性 衡量鋼材在動(dòng)力沖擊荷載、復(fù)雜應(yīng)力作用下抗脆性破壞能力的指標(biāo)，用斷裂時(shí)吸收的總能量彈性和非彈性能來(lái)表示。(a)梅氏U型缺口 (b)夏比V型缺口 由試件斷裂吸收的能量Cv來(lái)衡鋼材的沖擊韌性，（1梅式U型缺口： ak值2夏比V型缺口：CV 單位：J;Cv受溫度的影響4 可焊性可焊性n鋼材采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接鋼材采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)及一定的結(jié)構(gòu)形式等條件下，獲得工藝參數(shù)及一定的結(jié)構(gòu)形式等條件下，獲得合格焊縫的難易程度。合格焊縫的難易程度。n與含與含C量和合金元素有

7、關(guān)。量和合金元素有關(guān)。鋼材性能的鑒定鋼材性能的鑒定n做鋼材的各種性能的鑒定試驗(yàn)時(shí)做鋼材的各種性能的鑒定試驗(yàn)時(shí)應(yīng)滿足相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)滿足相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。鋼材的機(jī)械性能指標(biāo)1 1、屈服點(diǎn)、屈服點(diǎn)fyfy；2 2、伸長(zhǎng)率、伸長(zhǎng)率；3 3、抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度f(wàn)ufu；4 4、冷彎試驗(yàn)；、冷彎試驗(yàn)；5 5、沖擊韌性、沖擊韌性CvCv ( (包括常溫沖擊韌性、包括常溫沖擊韌性、 0 0度時(shí)沖擊韌性度時(shí)沖擊韌性 負(fù)溫沖擊韌性）。負(fù)溫沖擊韌性）。小 節(jié)1、化學(xué)成分、化學(xué)成分 普通碳素鋼中普通碳素鋼中Fe占占99%，其他雜質(zhì)元素占，其他雜質(zhì)元素占1%； 普通低合金鋼中合金元素普通低合金鋼中合金元素5%。 （1

8、） 碳碳C）：鋼材強(qiáng)度的主要來(lái)源，隨其含量增加，）：鋼材強(qiáng)度的主要來(lái)源，隨其含量增加，強(qiáng)度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蝕性降低。強(qiáng)度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蝕性降低。 一般控制在一般控制在0.22%以下，以下， 在在0.2以下時(shí)，可焊性良好。以下時(shí)，可焊性良好。 2.3 影響鋼材性能的因素影響鋼材性能的因素 （2硫S）：有害元素，熱脆性。不得超過(guò)0.05%。 （3磷P）：有害元素，冷脆性。抗腐蝕能力略有提高，可焊性降低。不得超過(guò)0.045%。 （4錳Mn）：合金元素。弱脫氧劑。與S形成MnS，熔點(diǎn)1600，可以消除一部分S的有害作用。 （5硅Si）：合金元素。強(qiáng)脫氧劑。 （6釩V）

9、：合金元素。細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度，其碳化物具有高溫穩(wěn)定性，適用于受荷較大的焊接結(jié)構(gòu)。（7 7氧氧O O）：有害雜質(zhì)，與）：有害雜質(zhì)，與S S相似。相似。（8 8氮氮N N）：有害雜質(zhì)，與）：有害雜質(zhì)，與P P相似。相似。（9 9銅銅CuCu）：提高抗銹蝕性，提高強(qiáng)度，對(duì)可焊）：提高抗銹蝕性，提高強(qiáng)度，對(duì)可焊性有影響。性有影響。2、成材過(guò)程的影響、成材過(guò)程的影響n冶煉：平爐、轉(zhuǎn)爐冶煉：平爐、轉(zhuǎn)爐n澆鑄：鋼水澆鑄：鋼水鋼錠鋼錠初軋初軋成材傳統(tǒng)工藝）成材傳統(tǒng)工藝）n 鋼水鋼水連鑄機(jī)連鑄機(jī)鋼坯鋼坯成材新工成材新工藝）藝）n軋制：改善鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，鋼材因輥軋軋制：改善鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，鋼材因輥軋次數(shù)不

10、同，其強(qiáng)度亦不相同。次數(shù)不同，其強(qiáng)度亦不相同。n熱處理：顯著提高強(qiáng)度。熱處理：顯著提高強(qiáng)度。（1鋼材的冷加工硬化鋼材的冷加工硬化 冷加工硬化在常溫下的加工稱為冷加工。當(dāng)荷載超過(guò)材料比例極限卸載后，出現(xiàn)殘余變形，再次加載則比例極限或屈服點(diǎn)提高的現(xiàn)象，也稱“應(yīng)變硬化”。 時(shí)效硬化隨時(shí)間的增長(zhǎng)，碳和氮的化合物從晶體中析出，使材料硬化的現(xiàn)象。 應(yīng)變時(shí)效鋼材產(chǎn)生塑性變形時(shí)，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同時(shí)可以加速時(shí)效硬化，因此也稱“人工時(shí)效”。3、其它因素、其它因素（2溫度影響 a a正溫范圍正溫范圍 200200以內(nèi)對(duì)以內(nèi)對(duì)鋼材性能無(wú)大鋼材性能無(wú)大影響，該范圍影響，該范圍內(nèi)隨溫度升高內(nèi)隨溫度升高

11、總的趨勢(shì)是強(qiáng)總的趨勢(shì)是強(qiáng)度、彈性模量度、彈性模量降低，塑性增降低，塑性增大。大。8006004002000N/mm2Efufy200400600溫度對(duì)鋼材機(jī)械性能的影響溫度對(duì)鋼材機(jī)械性能的影響20406080%220210200190180170160Ex103Ex103T(0C) 250左右抗拉強(qiáng)度略有提高，塑性降低，脆性增加蘭脆現(xiàn)象，該溫度區(qū)段稱為“蘭脆區(qū)”。 260320產(chǎn)生徐變現(xiàn)象。 600左右彈性模量趨于零 ，承載能力幾乎完全喪失。 當(dāng)溫度低于常溫時(shí)，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而增加，材料強(qiáng)度略有提高，但其塑性和韌性降低，該現(xiàn)象稱為低穩(wěn)冷脆。b b負(fù)溫范圍負(fù)溫范圍脆性破壞脆性破壞轉(zhuǎn)變過(guò)

12、渡區(qū)段轉(zhuǎn)變過(guò)渡區(qū)段塑性破壞塑性破壞反彎點(diǎn)反彎點(diǎn)試驗(yàn)溫度試驗(yàn)溫度T0CT0C沖擊斷裂功沖擊斷裂功CvCvT1T2T0沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線(3)應(yīng)力集中應(yīng)力集中a.應(yīng)力集中的概念 構(gòu)件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突變時(shí)，應(yīng)力不均勻，力線變曲折，缺陷處有高峰應(yīng)力應(yīng)力集中。b.應(yīng)力集中的影響c.減小應(yīng)力集中現(xiàn)象的措施 1:2.5 由于鋼材具有良好的塑性性能，當(dāng)承受靜力荷載且在常溫下工作時(shí)，只要符合規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)要求，可以不考慮應(yīng)力集中的影響。2.4 鋼材延性破壞和非延性破壞、鋼材延性破壞和非延性破壞、 循環(huán)加載和快速加載的效應(yīng)循環(huán)加載和快速加載的效應(yīng)1、延性破壞和非延性破

13、壞塑性破壞和脆性破壞）、延性破壞和非延性破壞塑性破壞和脆性破壞）塑性破壞塑性破壞 破壞前有明顯的塑性變形，破壞過(guò)程長(zhǎng)，斷口發(fā)暗，破壞前有明顯的塑性變形，破壞過(guò)程長(zhǎng)，斷口發(fā)暗，可以采取補(bǔ)救措施?？梢圆扇⊙a(bǔ)救措施。脆性破壞脆性破壞 壞前沒有明顯的變形和征兆，破壞時(shí)的變形遠(yuǎn)比材料壞前沒有明顯的變形和征兆，破壞時(shí)的變形遠(yuǎn)比材料應(yīng)有的變形能力小，破壞突然，斷口平直、發(fā)亮呈晶應(yīng)有的變形能力小，破壞突然，斷口平直、發(fā)亮呈晶粒狀，無(wú)機(jī)會(huì)補(bǔ)救。粒狀，無(wú)機(jī)會(huì)補(bǔ)救。將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計(jì)成延性結(jié)構(gòu)是我們?cè)O(shè)計(jì)的目的。但并將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計(jì)成延性結(jié)構(gòu)是我們?cè)O(shè)計(jì)的目的。但并非所有的塑性材料都發(fā)生塑性破壞。非所有的塑性材料都發(fā)生塑

14、性破壞。二個(gè)鋼構(gòu)件，材質(zhì)相同，長(zhǎng)度相同：二個(gè)鋼構(gòu)件，材質(zhì)相同，長(zhǎng)度相同：直徑d0=10mm d0=10mm (刻槽處）破壞時(shí)，拉長(zhǎng)較多； 破壞時(shí)，無(wú)明顯變形；屈服時(shí)：fy=251N/mm2 fy=274N/mm2 拉斷時(shí)：fu=431 N/mm2 fu=431 N/mm2 可見：改變了工作條件，即使塑性材料也可能發(fā)生脆性破壞，在設(shè)計(jì)中應(yīng)避免這種情況出現(xiàn)。2、循環(huán)荷載的效應(yīng)又稱重復(fù)荷載）、循環(huán)荷載的效應(yīng)又稱重復(fù)荷載）土木工程中，承受重復(fù)荷載作用的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件有：土木工程中，承受重復(fù)荷載作用的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件有：吊車梁：吊車吊車梁：吊車橋梁：車輛橋梁：車輛容器：內(nèi)部液體容器：內(nèi)部液體海洋平臺(tái)：海水海洋平臺(tái)

15、：海水建筑物：地震作用建筑物：地震作用以上這些重復(fù)荷載都是可變荷載，這些重復(fù)荷載的作用以上這些重復(fù)荷載都是可變荷載，這些重復(fù)荷載的作用使構(gòu)件的鋼材易發(fā)生疲勞斷裂。使構(gòu)件的鋼材易發(fā)生疲勞斷裂。循環(huán)荷載循環(huán)荷載結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的隨時(shí)間變化的荷載。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的隨時(shí)間變化的荷載。 在循環(huán)荷載連續(xù)反復(fù)荷載作用下，經(jīng)過(guò)有限次循環(huán)，鋼材發(fā)生破壞的現(xiàn)象，稱之為疲勞。疲勞破壞的機(jī)理疲勞破壞的機(jī)理 疲勞破壞是積累損傷的結(jié)果。缺陷微觀裂紋宏觀裂紋。疲勞破壞的特征疲勞破壞的特征屬于脆性破壞，截面平均應(yīng)力小于屈服點(diǎn)。斷裂屬于脆性破壞，截面平均應(yīng)力小于屈服點(diǎn)。斷裂時(shí)無(wú)明顯的變形；裂縫起始點(diǎn)在構(gòu)件表面處。時(shí)無(wú)明顯的變形；

16、裂縫起始點(diǎn)在構(gòu)件表面處。（1疲勞斷裂疲勞斷裂（2疲勞強(qiáng)度計(jì)算疲勞強(qiáng)度計(jì)算 由于現(xiàn)階段對(duì)鋼材發(fā)生疲勞破壞尚處于進(jìn)一步研究階段，按概率極限狀態(tài)計(jì)算疲勞強(qiáng)度還不成熟，故采用容許應(yīng)力的計(jì)算方法。)32(式中：式中：-計(jì)算部位的應(yīng)力幅；計(jì)算部位的應(yīng)力幅； 對(duì)于焊接部位對(duì)于焊接部位: =max-min: =max-min； 對(duì)于其他部位：對(duì)于其他部位：=max-0.7min(=max-0.7min(計(jì)算應(yīng)力幅）。計(jì)算應(yīng)力幅）。 maxmax、min-min-計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力和力和 最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力取負(fù)值）。最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力取負(fù)值）。說(shuō)明：說(shuō)明：1 1計(jì)

17、算時(shí)荷載為可變荷載，且為荷載的標(biāo)準(zhǔn)值；計(jì)算時(shí)荷載為可變荷載，且為荷載的標(biāo)準(zhǔn)值；2)2)由于來(lái)源于試驗(yàn)，已考慮動(dòng)力效應(yīng)，計(jì)算時(shí)不再考由于來(lái)源于試驗(yàn)，已考慮動(dòng)力效應(yīng)，計(jì)算時(shí)不再考慮動(dòng)力系數(shù)；慮動(dòng)力系數(shù)；3)3)按彈性方法計(jì)算截面應(yīng)力按彈性方法計(jì)算截面應(yīng)力。并不是所有的承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的構(gòu)件和連接都進(jìn)并不是所有的承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的構(gòu)件和連接都進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。行疲勞驗(yàn)算。n規(guī)范規(guī)定：直接承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的構(gòu)規(guī)范規(guī)定：直接承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的構(gòu)件，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)件，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)n5104次時(shí)，次時(shí)，對(duì)應(yīng)力循環(huán)中出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位進(jìn)行疲勞驗(yàn)對(duì)應(yīng)力循環(huán)中出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。

18、算。一、建筑鋼材的種類 1、碳素結(jié)構(gòu)鋼GB/T 700-88）-低碳鋼牌號(hào) Q235-質(zhì)量等級(jí)A、B、C、D） 澆注方法F、b、Z、TZ） A-保證fu、fy、，P、S含量 B-保證fu,fy,冷彎，常溫時(shí)Cv，P，S，C含量； C-保證 fu,fy,冷彎,0oC時(shí)Cv，P，S，C含量; D-保證fu,fy,冷彎,-20oC時(shí)Cv，P，S，C含量;2.5 建筑鋼材的類別及鋼材的選用建筑鋼材的類別及鋼材的選用2.2.低合金鋼低合金鋼(GB/T 1591-94)(GB/T 1591-94)GB/T 1591-94GB/T 1591-94Q295Q390Q345Q420相應(yīng)的鋼材品種相應(yīng)的鋼材品種G

19、B/T 1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTiRE 低合金鋼的質(zhì)量等級(jí)分低合金鋼的質(zhì)量等級(jí)分A A、B B、C C、D D、E E，其中，其中E E主要是要求主要是要求-400 C -400 C 的沖擊韌性。的沖擊韌性。二、鋼材的選擇二、鋼材的選擇（一選擇鋼材的原則（一選擇鋼材的原則1 1結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性；結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性；2 2荷載情況靜力荷載，動(dòng)力荷載）；荷載情況靜力荷載，動(dòng)力荷載）； 靜力荷載作用下可選擇經(jīng)濟(jì)性較好的靜力荷載作用下可選擇經(jīng)濟(jì)性較好的Q235Q235鋼鋼材。材。 動(dòng)力荷載作用下應(yīng)選擇綜合性能較好鋼材。動(dòng)力荷載作用下應(yīng)選擇綜合性能較好鋼材。3 3連接方法焊接連接、螺栓連接）；連接方法焊接連接、螺栓連接）； 焊接結(jié)構(gòu)對(duì)材質(zhì)的要求嚴(yán)格，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接結(jié)構(gòu)對(duì)材質(zhì)的要求嚴(yán)格，應(yīng)嚴(yán)格控制C C、S S、P P的極限含量；非焊接結(jié)構(gòu)對(duì)的極限含量；非焊接結(jié)構(gòu)對(duì)C C的要求可降低一些。的要求可降低一些。4 4結(jié)構(gòu)所處的工作條件環(huán)境溫度，腐蝕等）；結(jié)構(gòu)所處的工作條件環(huán)境溫度，腐蝕等）； 低溫下工作的結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇低溫脆斷性能好的鎮(zhèn)靜鋼低溫下工