農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)計與建造第二章(一)鋼結(jié)構(gòu)材料

1、中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料輕鋼結(jié)構(gòu)住宅屋面系統(tǒng)中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料高層鋼結(jié)構(gòu)中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)廠房及構(gòu)件加工中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1 2.1 鋼材的主要力學性能鋼材的主要力學性能 2.2 2.2 影響鋼材性能的因素影響鋼材性能的因素 2.3 2.3 復雜應(yīng)力下的屈服條件復雜應(yīng)力下的屈服條件2.4

2、 2.4 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和疲勞計算鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和疲勞計算 2.5 2.5 鋼材的種類、選用和型鋼規(guī)格鋼材的種類、選用和型鋼規(guī)格本章內(nèi)容本章內(nèi)容：中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼材的種類很多，其化學成分不同，性能各異。鋼材的性能主要有：力學性能、加工性能和抗侵蝕等性能。因此，必須了解鋼材的強度、塑性、冷彎、強度、塑性、冷彎、韌性、可焊性韌性、可焊性以及影響鋼材性能變化的各種因素影響鋼材性能變化的各種因素，才能根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)所受的荷載、工作環(huán)境，選擇符合要求的鋼材。2.1 2.1 鋼材的主要力學性能鋼材的主要力學性能中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（

3、煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1.1 鋼材的強度指標和塑性指標鋼材的強度指標和塑性指標（1 1）單向均勻受拉的工作特性）單向均勻受拉的工作特性 在常溫靜載情況下，Q235鋼材標準試件（圖2.1）受單向拉伸試驗時的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2.2。圖2.1 標準試件l0d000.150.12.5ffffAECF22/%BDuyep圖2.2 Q235鋼單向受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 拉伸曲線反映了鋼材的力學特性，描述如下：1)1)彈性階段：彈性階段：OAEOAE段段 OA直線的斜率稱為彈性模量E，fp稱為比例極限，fe稱為彈性

4、極限。2)2)彈塑性階段：彈塑性階段：ECEC段段 與不呈比例，除彈性變形外還有塑性變形，fy稱為屈服強度，又叫屈服點（yield point，材料力學中用s表示）。工作特性工作特性00.150.12.5ffffAECF22/%BDuyep單向受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料3)3)屈服階段：屈服階段：CFCF段段 鋼材完全屈服，不增加（保持fy），而驟增。4)4)強化階段：強化階段：FBFB段段 經(jīng)過屈服階段后，鋼材內(nèi)部組織重新排列，抵抗外力的能力增強。5)5)頸縮階段：頸縮階段：BDBD段段 應(yīng)力超過fu后，試件出現(xiàn)“頸縮”而斷裂

5、， fu稱為抗拉強度(tensile strength，材料力學中用b表示）。工作特性工作特性00.150.12.5ffffAECF22/%BDuyep單向受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線 根據(jù)上述特性，可確定鋼材的根據(jù)上述特性，可確定鋼材的強度指標強度指標和和塑性指標塑性指標。中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料(2)(2)強度指標強度指標 由于fy、fp、fe很接近，應(yīng)變很小，0.1%(y0.15%)可以把三點看作為一點，并以屈服點fy作為代表。 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，把鋼材的屈服點把鋼材的屈服點fy y作為鋼材的強度標準作為鋼材的強度標準值值fk kfy y。 常用結(jié)構(gòu)鋼

6、材的強度設(shè)計值強度設(shè)計值f（design value）可查材料手冊。彈性設(shè)計時，構(gòu)件的應(yīng)力不能大于f值。 抗拉強度fu在實際構(gòu)件中是不允許達到的，鋼材的抗拉強度fu值高，可以增加結(jié)構(gòu)的安全保障。中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 另外，Q235鋼材在屈服前接近理想的彈性體，而屈服后的流變現(xiàn)象接近理想的塑性體，且流變的范圍很大（=0.15%2.5%）。因此，可認為鋼材是可認為鋼材是理想的彈理想的彈- -塑性體塑性體（圖2.3）。即假定鋼材應(yīng)力小于fy時是完全彈性的，應(yīng)力超過fy后則是完全塑性的。利用鋼材理想彈塑性假定，可以簡化鋼構(gòu)件的彈塑性分析計算。強度

7、指標強度指標0fASy圖2.3 理想彈塑性的應(yīng)力應(yīng)變曲線中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 高強度鋼材高強度鋼材沒有明顯的屈服臺階，這類鋼的屈服點是根據(jù)實驗分析結(jié)果人為規(guī)定的，稱為條件屈服（用f0.2表示，定義為試件卸載后其殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時所對應(yīng)的應(yīng)力）。這類鋼材在設(shè)計中不宜利用塑性。 00.2fES0.2圖2.4 高強度鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線強度指標強度指標中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 鋼材在單向受壓時（短試件）鋼材在單向受壓時（短試件） ，抗壓強度與單向受拉時，抗壓強度與單向受拉時相同。相同。鋼材受扭轉(zhuǎn)

8、時的應(yīng)力應(yīng)變曲線也與受拉時相似，但剪切屈服點和抗剪強度低于fy和fu；剪變模量G也低于彈性模量E。鋼材和鑄鋼件的彈性模量、剪變模量、線膨脹系數(shù)和質(zhì)量密度列于表2.1。強度指標強度指標中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料斷面收縮率：式中l(wèi)0試件拉伸前標距長度; l1試件拉斷后原標距間長度; A0試件截面面積; A1拉斷后頸縮區(qū)的截面面積。鋼材的伸長率愈大，鋼材塑性愈好(3)(3)塑性指標塑性指標延伸率：%100001lll%100010AAA中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1.2 2.1.2 冷彎性能冷彎性能

9、 冷彎性能是指鋼材在冷加工冷加工產(chǎn)生塑性變形（deformed）時，對產(chǎn)生對產(chǎn)生裂縫的抵抗能力裂縫的抵抗能力。如圖2.3所示將試件彎曲成規(guī)定的角度后,檢查試件彎曲部分的表面有無裂縫、裂斷、分層等，沒有即為合格。 冷彎試驗是鑒定鋼材質(zhì)量的一種良好方法，常作為靜力拉伸試驗和沖擊試驗的一種補充試驗，是一項衡量鋼材力學性能的綜合指標。aadd+2.1a圖2.5 冷彎1800試件 中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1.3 2.1.3 沖擊韌性沖擊韌性 沖擊韌性是衡量鋼材強度、塑性及材質(zhì)的一項綜合指標一項綜合指標。鋼材的韌性與軋制方法、環(huán)境溫度有關(guān)。沖擊韌性由

10、沖擊試驗測定。 沖擊韌性： (Nm/cm2) 式中：AK試驗機的沖擊功（焦耳)； A缺口處凈截面面積(cm2)。AAkk1551U形缺口R=0.25R=1245210101-1圖2.6 沖擊韌性試驗中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1.4 2.1.4 可焊性可焊性 焊接后焊縫金屬及其附近的熱影響區(qū)金屬不產(chǎn)生裂紋，并且焊縫的力學性能不低于母材的力學性能。2.1.5 2.1.5 耐久性耐久性 耐腐蝕性耐腐蝕性：鋼材耐腐蝕性較差，必須采取防護措施，新建結(jié)構(gòu)需要油漆，已建成的結(jié)構(gòu)需定期維護。 耐老化性耐老化性：隨著時間的增長，鋼材的力學性能有所改變，出現(xiàn)“

11、時效”現(xiàn)象，即“老化”?！皶r效” 使鋼材變脆。 耐長期高溫性耐長期高溫性：在長期高溫條件下工作的鋼材，其破壞強度比常溫拉伸試驗的強度低得多，應(yīng)另行測定“強度”。 耐疲勞性耐疲勞性：鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在長期連續(xù)的交變荷載或重復荷載作用下，應(yīng)力雖低于fy也會發(fā)生破壞，稱為“疲勞破壞”。中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1.6 2.1.6 鋼構(gòu)件的兩種破壞形式鋼構(gòu)件的兩種破壞形式1)1)塑性破壞塑性破壞構(gòu)件破壞前有明顯的變形有明顯的變形或破壞前兆破壞前兆,破壞的斷口常為杯形，呈纖維狀，

12、色澤發(fā)暗,塑性破壞容易被發(fā)現(xiàn)而采取補救措施,可避免造成嚴重后果.2)2)脆性破壞脆性破壞破壞前構(gòu)件變形很小變形很小,平均應(yīng)力一般都小于屈服點fy,破壞始于應(yīng)力集中處,如缺口、裂紋、凹角和多向受拉區(qū)域.破壞斷口平直，呈有光澤的晶粒狀。破壞前沒有任何預兆,無法及時被發(fā)現(xiàn)和采取補救措施,危及生命財產(chǎn)安全,后果嚴重。因此，設(shè)計時應(yīng)盡量避免構(gòu)件出設(shè)計時應(yīng)盡量避免構(gòu)件出現(xiàn)脆性破壞。現(xiàn)脆性破壞。中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 2.2.1 2.2.1 化學成分的影響化學成分的影響主要化學成分鐵鐵（Fe，在碳素結(jié)構(gòu)鋼中約占99%） 少量元素碳碳（C）、硅硅（Si）、

13、錳錳（Mn）、磷磷（P）、硫硫（S）、氧氧（O）、氮（N）、鈦鈦（Ti）、釩釩 （V）碳碳碳是決定鋼材性能的最重要元素碳是決定鋼材性能的最重要元素。含碳量增加，強度含碳量增加，強度上升，硬度提高，塑韌性下降上升，硬度提高，塑韌性下降。建筑用鋼一般多用碳素結(jié)構(gòu)鋼，屬于低碳鋼，含碳量小于低碳鋼，含碳量小于0.25%0.25%；工程所用低合金鋼，其含碳量小于0.20%。2.2 2.2 影響鋼材性能的因素影響鋼材性能的因素中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 硅硅 硅是作為脫氧劑脫氧劑存在鋼中，是鋼中的有益有益元素。硅含量較低（小于1.0%）時，能提高鋼材的強度

14、，而對塑性和韌性能提高鋼材的強度，而對塑性和韌性無明顯影響無明顯影響。 錳錳 錳是煉鋼時用來脫氧去硫脫氧去硫而存在于鋼中的，是鋼中的有益元素。錳具有很強的脫氧去硫能力，能消除或減輕氧、硫所引起的熱脆性，能提高鋼材的強度和硬度。磷磷 磷是鋼中很有害的元素很有害的元素。隨著磷含量的增加，鋼材的強度、屈強比、硬度均提高，而塑性和韌性顯著降低。特別是溫度愈低，對塑性和韌性的影響愈大，加大鋼材的冷脆性加大鋼材的冷脆性。影響因素影響因素中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料硫硫 硫是鋼中很有害的元素很有害的元素。硫的存在會加大鋼材的熱脆性，降低鋼材的各種機械性能，也使

15、鋼材的可焊性、沖擊韌性、耐疲勞性和抗腐蝕性等均降低。氧氧氧是鋼中的有害元素有害元素。隨著氧含量的增加，鋼材的強度有所提高，但塑性特別是韌性顯著降低，可焊性變差。氧的存在會造成鋼材的熱脆性熱脆性。氮氮 氮對鋼材性能的影響與碳、磷相似，隨著氮含量的增加，可使鋼材的強度提高，塑性特別是韌性顯著降低，可韌性顯著降低，可焊性變差，冷脆性加劇焊性變差，冷脆性加劇。氮在鋁、鈮、釩等元素的配合下可以減少其不利影響，改善鋼材性能，可作為低合金鋼的合金元素使用。影響因素影響因素中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料鈦鈦 鈦是強脫氧劑鈦是強脫氧劑。鈦能顯著提高強度，改善韌性、可

16、焊顯著提高強度，改善韌性、可焊 性，但稍降低塑性性，但稍降低塑性。鈦是常用的微量合金元素。釩釩 釩是弱脫氧劑釩是弱脫氧劑。釩加入鋼中可減弱碳和氮的不利影響，有效地提高強度，但有時也會增加焊接淬硬傾向，釩也是常用的微量合金元素。影響因素影響因素中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2.2 2.2.2 冶煉、澆鑄、軋制的影響冶煉、澆鑄、軋制的影響(1)(1)冶煉冶煉 我國目前鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是平爐和氧氣轉(zhuǎn)爐平爐和氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉而成，兩種冶煉方法煉制的鋼質(zhì)量大體相當。影響因素影響因素中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料中國

17、農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料(2)(2)脫氧方法脫氧方法 用錳、硅、鋁作為脫氧劑進行脫氧（deoxidize）.它們之間的脫氧能力比為錳:硅:鋁=1:5:90。按脫氧程度或方法不同而分為沸騰鋼(F)、鎮(zhèn)定鋼(Z)、半鎮(zhèn)定鋼(b)和特殊鎮(zhèn)定鋼(TZ)。沸騰鋼沸騰鋼 組織不夠致密，成分不太均勻，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴重，故質(zhì)量較差。但因其成本低、產(chǎn)量高，故被廣泛用于一般工程。鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼 成本較高，但其組織致密，成分均勻，含硫量較少，性能穩(wěn)定，故質(zhì)量好。適用于預應(yīng)力混凝土等重要結(jié)構(gòu)工程。半鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼 質(zhì)量較好。特殊鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼 質(zhì)量最好，適用于特別

18、重要的結(jié)構(gòu)工程。影響因素影響因素中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料（3 3）軋制）軋制 軋制（rolling）鋼材是把鋼錠加熱到鋼錠加熱到1200-1200-13001300高溫高溫時進行，這時鋼具有較好的熱塑性，利用軋鋼機壓力的作用，可使鋼錠中的小氣泡、裂紋和質(zhì)地較疏松部分壓合密實，消除組織缺陷和細化鋼的晶粒。因此，軋制鋼比鑄鋼質(zhì)量好軋制鋼比鑄鋼質(zhì)量好。壓縮比越大，鋼材的力學性能越好。此外，由于軋輥的壓延作用，鋼材順軋輥軋制方向的性能比橫向的性能好。影響因素影響因素中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料中國農(nóng)業(yè)大

19、學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2.3 2.2.3 殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力的影響 熱軋型鋼中的殘余應(yīng)力熱軋型鋼中的殘余應(yīng)力（remaining stress）是因不不均勻冷卻均勻冷卻而產(chǎn)生的。型鋼冷卻時其邊緣、尖角及薄細部位因與空氣接觸多而冷卻快，先冷卻部位常形成強勁的約束（constraint），阻止后冷卻部位的自由收縮，從而使后冷卻部位受拉，形成自相平衡的復雜的殘余應(yīng)力分布。此此后鋼材的調(diào)直和加工后鋼材的調(diào)直和加工（剪切、氣割、焊接等）還將改變這種分布。構(gòu)件承受荷載時，荷載引起的應(yīng)力將與殘余應(yīng)力構(gòu)件承受荷載時，荷載引起的應(yīng)力將與殘余應(yīng)力疊加疊加（sup

20、erposition），使構(gòu)件有些部位提前達到屈服并發(fā)展塑性變形，使截面的彈性區(qū)域減少。因此殘余應(yīng)力將降低構(gòu)件的剛度（stiffness）和穩(wěn)定性。影響因素影響因素中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 2.2.4 2.2.4 溫度的影響溫度的影響(1)(1)溫度升高溫度升高 當溫度升高，鋼材的強度和彈性模量的總趨勢是降低，但在150150以下以下時變化不大。當溫度在在250250時時，鋼材的抗拉強度有較大的提高，但塑性、韌性變差，此時的破壞為脆性破壞，稱為“藍脆藍脆”,(發(fā)生在鋼表面有藍色氧化膜的溫度范圍，因此稱為藍脆) 。當溫度超過超過300300時時

21、，其強度和彈性模量開始顯著下降，而塑性開始顯著增大，鋼材產(chǎn)生徐變。達到達到600600時，強度幾乎為零時，強度幾乎為零。影響因素影響因素中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料(2)(2)溫度降低溫度降低 溫度下降到負溫時，鋼鋼材的強度雖有提高，但塑性材的強度雖有提高，但塑性和韌性降低、脆性增加，出和韌性降低、脆性增加，出現(xiàn)脆性轉(zhuǎn)變溫度。現(xiàn)脆性轉(zhuǎn)變溫度。以韌性指標為例（右圖），反彎點對應(yīng)的溫度T0即為脆性轉(zhuǎn)變溫度。選用鋼材時應(yīng)使結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度高于脆性轉(zhuǎn)變溫度的下限值T1，且在環(huán)境

22、溫度下具有足夠的沖擊韌性值。脆性破壞兩種破壞兼有塑性破壞（轉(zhuǎn)變溫度區(qū)）T1T0T2T(oC)Akv(J)影響因素影響因素中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2.5 2.2.5 鋼材硬化的影響鋼材硬化的影響(1)(1)冷作硬化冷作硬化 鋼材在常溫下冷加工冷加工（拉、拔、彎、沖切、剪切等）的過程。當加載到強化區(qū)間卸載后，鋼材的塑性變形不能恢復，再次加載時，鋼材的屈服強度提高，彈性范圍增加，但塑性和伸長率降低。這一性質(zhì)稱為冷作硬化冷作硬化（stiffening）。中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼材的冷作硬化中國

23、農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料(2)(2)時效硬化時效硬化 鋼材隨存放時間延長隨存放時間延長，會出現(xiàn)屈服強度提高，彈性范屈服強度提高，彈性范圍增加，伸長率降低圍增加，伸長率降低，這一性質(zhì)稱為時效effectiveness for a given period of time）硬化。這是因為隨著時間的推移，鋼材化學成分中的氮和碳逐漸析出氮和碳逐漸析出，形成了自由的氮化物和碳化物，他們能起到阻止純鐵體晶粒間的滑移，約束塑性發(fā)展，從而提高鋼材的強度，降低塑性。中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國

24、農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2.6 2.2.6 應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中的影響 在構(gòu)件截面發(fā)生變化的區(qū)域，截面應(yīng)力分布并不均勻，突變處將產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力局部高峰應(yīng)力，這種因截面尺寸顯著變化而引起應(yīng)力局部增大的現(xiàn)象稱應(yīng)力集中應(yīng)力集中（stress concentration）。分析表明：應(yīng)力集中產(chǎn)生的高峰應(yīng)力區(qū)附近總是存在平面或三維應(yīng)力場，使鋼材性能變脆而引發(fā)脆性破壞使鋼材性能變脆而引發(fā)脆性破壞。 鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中現(xiàn)象不可避免，但只要在設(shè)計和施工時注意采取合理的構(gòu)件形狀和構(gòu)造措施，使截面的變化平緩過渡，就能降低應(yīng)力集中的影響。中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第

25、2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.4 2.4 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和疲勞計算壞和疲勞計算2.4.1 2.4.1 疲勞破壞疲勞破壞 試驗表明，鋼構(gòu)件在連續(xù)反復荷載作用反復荷載作用下，盡管應(yīng)力低于抗拉強度，甚至低于屈服點，但經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，也會發(fā)生斷裂破壞。這種經(jīng)歷長期反復荷載作用而發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，稱為疲勞破壞. 疲勞破壞前構(gòu)件沒有明顯的變形特征，屬于脆性破壞中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料1967年12月15日下午美國普萊森特角懸索橋因一吊桿斷裂而在60秒內(nèi)倒塌。46人喪生，37輛各種車輛掉入河中。中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學

26、（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料破壞原因破壞原因:鋼構(gòu)件上難免有微觀裂紋有微觀裂紋（crack），如非金屬雜質(zhì)、扎制或加工時造成的微小裂紋等。在荷載作用下，受拉區(qū)的微裂紋尖端因應(yīng)力集中而出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)微裂紋尖端因應(yīng)力集中而出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)，并伴隨雙向或三向拉應(yīng)力場，使鋼材的塑性發(fā)展受到限制。在工作初期，由于應(yīng)力較小，這些微小裂紋不會立刻引起構(gòu)件斷裂。但在長期反復荷載作用下，裂紋尖端的拉應(yīng)力使裂紋有逐步擴展的趨勢并緩慢地擴展，與此同時，構(gòu)件的有效截面也逐步減小。經(jīng)過一定的循環(huán)（circle）次數(shù)后，一旦裂紋擴展到構(gòu)

27、件截面不能承受荷載時，構(gòu)件出現(xiàn)突然斷裂。中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 2.4.2 2.4.2 鋼材的疲勞強度極限鋼材的疲勞強度極限 反復荷載在構(gòu)件內(nèi)引起的應(yīng)力隨時間變化的曲線反復荷載在構(gòu)件內(nèi)引起的應(yīng)力隨時間變化的曲線稱為循環(huán)應(yīng)力譜（圖2.6）。用=min/max來表示（拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負）。例如，=-1表示完全對稱（symmetry）循環(huán)，=0表示脈沖（pulse）循環(huán)。值可以介于-1和+1之間。maxt0minmaxt0min（a）完全對稱循環(huán) =-1 （b）脈動應(yīng)力循環(huán) =0 圖2.6 循環(huán)應(yīng)力譜中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第

28、第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 應(yīng)力變化的幅度稱為應(yīng)力幅應(yīng)力變化的幅度稱為應(yīng)力幅，用=max-min表示。在應(yīng)力循環(huán)過程中，如果應(yīng)力幅保持為常量，稱為常幅循環(huán)常幅循環(huán)應(yīng)力，否則稱變幅應(yīng)力循環(huán)。常幅疲勞試驗可以測定鋼材的疲勞強度極限。試驗用一組（10根）相同材料的光滑小試件，每次將一根試件安裝在疲勞試驗機上，第一根試件可施加較大的彎矩，使試件受純彎曲，上緣受拉，下緣受壓；no圖2.7 鋼材的疲勞強度極限當電機帶動試件旋轉(zhuǎn)時，試件表面各點的應(yīng)力交替出現(xiàn)拉、壓變化，轉(zhuǎn)動一圈完成一次循環(huán)，由施加的彎矩可以算出應(yīng)力幅；當經(jīng)過某一循環(huán)次數(shù)n，試件破壞，得到n曲線上的一個點（圖2.7）。疲勞極限疲勞極限

29、中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 依次對其余試件進行實驗，并逐步減小彎矩，也即減小應(yīng)力幅 ，試件破壞時的循環(huán)次數(shù)將不斷增加，每一根試件得到n曲線上的一個點。當應(yīng)力幅當應(yīng)力幅小于一定值時，即使有無限次循環(huán)，試件也不會產(chǎn)生疲小于一定值時，即使有無限次循環(huán)，試件也不會產(chǎn)生疲勞破壞勞破壞。按照有關(guān)國際標準建議，將n5 510106 6所對應(yīng)的所對應(yīng)的應(yīng)力幅稱為材料的疲勞極限。應(yīng)力幅稱為材料的疲勞極限。疲勞極限疲勞極限中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.5 2.5 鋼材的種類、選用和型鋼規(guī)格鋼材的種類、選用和型鋼規(guī)格

30、2.5.1 2.5.1 鋼材的種類鋼材的種類常用鋼材碳素結(jié)構(gòu)鋼低合金高強度鋼橋梁用鋼耐候鋼中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料n（1 1）碳素結(jié)構(gòu)鋼）碳素結(jié)構(gòu)鋼 n 按國家現(xiàn)行標準碳素結(jié)構(gòu)鋼(GB/T700-2006)規(guī)定，碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號（brand）由代表屈服點的字母代表屈服點的字母Q Q、屈服屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級（點數(shù)值、質(zhì)量等級（A A、B B、C C、D D）、脫氧方法符號）、脫氧方法符號（F、b、Z、TZ，分別表示沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼）四個部分順序組成。n 目前生產(chǎn)的碳素結(jié)構(gòu)鋼有：Q195、Q215、Q235、Q255和Q27

31、5五種，含碳量越多，屈服點越高，塑性越低。 Q235Q235的含碳量低于0.22，屬于低碳鋼屬于低碳鋼，其強度適中，塑性、韌性和可焊性較好，是建筑鋼結(jié)構(gòu)常用的鋼材品種之是建筑鋼結(jié)構(gòu)常用的鋼材品種之一一。中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號舉例：碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號舉例：Q235A.FQ235A.FQ ：鋼材屈服點代號235:屈服點數(shù)值（N/mm2）A:質(zhì)量等級代號(A、B、C、D)F:脫氧程度代號(F、b、Z、TZ，其中Z、TZ可以省略)中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料(2) (2) 低合金高強度鋼低合

32、金高強度鋼 低合金高強度鋼是在碳素鋼中加入少量幾種合金元素碳素鋼中加入少量幾種合金元素，其總量雖低于總量雖低于5%5%，但鋼的強度明顯提高，但鋼的強度明顯提高，故稱為低合金高強度鋼。其牌號按屈服點由小到大排列，有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五種，牌號意義和碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。(3) (3) 耐大氣腐蝕用鋼（耐候鋼）耐大氣腐蝕用鋼（耐候鋼） 在鋼的冶煉過程中，加入少量特定的合金元素加入少量特定的合金元素，一般指銅（Cu）、磷（p）、鉻（Cr）、鎳（Ni）等，使之在金屬基在金屬基體表面形成保護層體表面形成保護層，提高鋼材耐大氣腐蝕性能，這類鋼統(tǒng)稱為耐大氣腐蝕用鋼或耐候鋼。我國目前

33、生產(chǎn)的耐候鋼分為高耐候結(jié)構(gòu)鋼和焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼兩類。鋼材的種類鋼材的種類中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料1 1）高耐候結(jié)構(gòu)鋼）高耐候結(jié)構(gòu)鋼 其耐候性能比焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼好，故稱為高耐候結(jié)構(gòu)鋼。按其化學成分分為：銅磷鋼和銅磷鉻鎳鋼兩種。其牌號表示方法是由分別代表“屈服點”的拼音字母Q、屈服點的數(shù)值和“高耐候”拼音字母GNH順序組成，含Cr、Ni的高耐候鋼在牌號后加代號“L”。例如，Q345GNHL表示屈服點為345（N/mm2）、含有鉻鎳的高耐候鋼。若將高耐候結(jié)構(gòu)用于焊接結(jié)構(gòu)，其鋼板厚度應(yīng)不大于16mm。2 2）焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼）焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼 這類

34、鋼能保持良好的焊接特性良好的焊接特性，適用厚度達100mm。其表示方法是由分別代表“屈服點”拼音字母Q、屈服點的數(shù)值和“耐候”的拼音字母NH以及質(zhì)量等級（C、D、E）順序組成。鋼材的種類鋼材的種類中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料(4)(4)橋梁用結(jié)構(gòu)鋼橋梁用結(jié)構(gòu)鋼 由于橋梁所受荷載性質(zhì)特殊，橋梁用鋼的力學性能、焊接性能等技術(shù)要求一般都嚴于房屋建筑用鋼，其牌號表達方式與其他鋼材一樣，由屈服點拼音字母Q、屈服點數(shù)值、橋梁鋼拼音字母q和質(zhì)量等級（C、D、E）四部分順序組成，如Q235qC。（5 5）厚度方向性能鋼板）厚度方向性能鋼板(Z(Z向板）向板）由于

35、扎制工藝的原因，厚鋼板沿厚度方向（厚鋼板沿厚度方向（Z Z向）的力學性能向）的力學性能最差。最差。當結(jié)構(gòu)局部構(gòu)造形成有板厚方向的拉力作用時，很容易沿平行于鋼板表面層間內(nèi)出現(xiàn)層狀撕裂。因此，對于重要焊接構(gòu)件的鋼板，還要求厚度方向有良好的抗層間撕裂性能。鋼材的種類鋼材的種類中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.5.2 2.5.2 鋼材的選用鋼材的選用 基本原則：即要保證結(jié)構(gòu)的安全可靠，又要做到用料經(jīng)基本原則：即要保證結(jié)構(gòu)的安全可靠，又要做到用料經(jīng)濟合理。濟合理。選擇鋼材時考慮的因素：1)結(jié)構(gòu)的重要性； 2)荷載的性質(zhì)；3)連接方法；4)結(jié)構(gòu)的工作溫度 5)

36、鋼材的厚度鋼結(jié)構(gòu)用鋼：承重結(jié)構(gòu)承重結(jié)構(gòu)宜用Q235、Q345、Q390、Q420 。品質(zhì)保證： 承重結(jié)構(gòu)鋼材承重結(jié)構(gòu)鋼材 ，應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服強度（通稱三項保證）和硫、磷含量的合格保證； 焊接結(jié)構(gòu)鋼材焊接結(jié)構(gòu)鋼材，除滿足上項外，還應(yīng)有碳含量合格保證，冷彎、沖擊韌性等要求；中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 有疲勞驗算和抗震要求的結(jié)構(gòu)鋼材 ，要求有沖擊韌性的合格保證。 優(yōu)先選用型材優(yōu)先選用型材。 (a)(b)(d)(c)(e)(g)(f)圖2.8 型鋼截面形式中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.5.3

37、 2.5.3 型材及規(guī)格型材及規(guī)格型材包括：熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼、鋼索熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼、鋼索。(1) (1) 熱軋型鋼（鋼板和型鋼）熱軋型鋼（鋼板和型鋼）1 1）鋼板）鋼板鋼板（plate）有厚鋼板、薄鋼板和扁鋼。厚鋼板：厚度為4.560mm，寬度為600300mm，長度為412m；用于制作焊接組合截面構(gòu)件，如焊接工字形截面梁翼緣板、腹板等。薄鋼板：厚度為0.354mm，寬度為5001500mm，長度為0.54m；用于制作冷彎薄壁型鋼。扁鋼：厚度為360mm，寬度為10200mm，長度為39m。用于焊接組合截面構(gòu)件的翼緣板、連接板、桁架節(jié)點板和制作零部件等。鋼板的表示方法鋼板的表示方法

38、為“-寬度厚度長度”，如：“-40012800”。單位為mm。中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2) 2) 角鋼角鋼 角鋼（angle steel）分等邊角鋼和不等邊角鋼。不等邊角鋼的表示方法為，“長邊寬短邊寬厚度”，如“100808”，等邊角鋼表示為“邊寬厚度”，如1008。單位為。 3) 3) 鋼管鋼管 鋼管分無縫鋼管（seamless steel tube）和焊接鋼管（welded steel pipe）兩種，表示方法為“外徑壁厚”，如1804。單位為。4) 4) 槽鋼槽鋼 槽鋼（channel steel）有普通槽鋼和輕型槽鋼普通槽鋼和輕型槽鋼

39、，用截面符號“”和截面高度（cm）表示，高度在20以上的槽鋼，還用字母a、b、c表示不同的腹板厚度。如30a，稱“30號”槽鋼。常作為屋蓋檁條等構(gòu)件。號數(shù)相同的輕型槽鋼與普通槽鋼相比，其翼緣寬而薄，腹板也較薄。型鋼及規(guī)格型鋼及規(guī)格中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料角鋼角鋼槽鋼槽鋼鋼管鋼管型鋼及規(guī)格型鋼及規(guī)格中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）中國農(nóng)業(yè)大學（煙臺）第第2章章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料5 5）工字鋼）工字鋼 有普通工字鋼和輕型工字鋼普通工字鋼和輕型工字鋼。用截面符號“I”和截面高度（cm）表示，高度在20以上的普通工字鋼，用字母a、b、c表示不同的腹板厚度。如I 20c，稱“20號”工字鋼。腹板較薄的工字鋼用于受彎構(gòu)件較為經(jīng)濟。輕型工字鋼的腹板（web）和翼緣（flange）均比普通工字鋼薄，因而在相同重量下其截面模量和回轉(zhuǎn)半徑較大。6 6）H H型