第二課：鋼結構材料

1、鋼結構基本原理鋼結構基本原理 二二0一四年九月一四年九月高層建筑結構概述二0一二年九月fyfu單軸拉伸經歷單軸拉伸經歷5個階個階段：段： 彈彈 性性 階階 段（段（OE） 彈塑性階段（彈塑性階段（ES） 屈屈 服服 階階 段（段（SC） 強強 化化 階階 段（段（CB） 頸頸 縮縮 階階 段（段（BD） 碳素結構鋼的應力碳素結構鋼的應力-應變關系應變關系fp1 1、均勻受拉時的工作性能、均勻受拉時的工作性能A: f fp p 200M200MPaPa, , e ep p 0.1%C: f fy y235MPa, e ey y0.15%2.5%B: f fu u 370-460MPa, e eu

2、 u 21%鋼材是理想的彈塑性材料鋼材是理想的彈塑性材料鋼材的屈強比鋼材的屈強比fy/fpfy/fp 是結構的安全儲備是結構的安全儲備鋼材的塑性：伸長率鋼材的塑性：伸長率d d與收縮率與收縮率y y, , 原尺寸與拉斷后尺寸相對比原尺寸與拉斷后尺寸相對比100100100%100%llAAlAdy2、單軸反復應力下的工作性能鋼材反復加載曲線：鋼材反復加載曲線： 冷作硬化、時效、疲勞、滯回曲線冷作硬化、時效、疲勞、滯回曲線3、復雜應力下的工作性能塑性彈性yzsyzszxyzxyxzzyyxzyxzsff2222223yyyzszsxyyxyxzsfff58. 031,3333222222純剪：受

3、彎梁：平面應力：雙拉：屈服點高、伸長率低，拉壓：屈服點低、伸長率高，yxyxzsyxyxzsyxfff58. 03,，時4、抗沖擊性能和冷彎性能強度和塑性指標承受靜力荷載性能：靜力拉伸試驗鋼材抗沖擊性能承受動力荷載性能：沖擊韌性akV型、U型缺口, ak=Ak/An 強度和韌性的綜合指標Ak沖擊功N.m(J), Ak=W(h1-h2), W=擺錘重，h1/h2=沖斷前后擺錘高度An試件缺口處凈截面面積鋼材的冷彎性能：鋼材的冷彎性能：鋼材常溫下冷加工產生塑性變形時對發(fā)生裂縫的抵抗能力鋼材常溫下冷加工產生塑性變形時對發(fā)生裂縫的抵抗能力 衡量鋼材力學性能的綜合指標衡量鋼材力學性能的綜合指標 冷彎試驗

4、冷彎試驗 檢驗鋼材內部缺陷（晶粒、結晶、雜物）檢驗鋼材內部缺陷（晶粒、結晶、雜物） 拉伸試驗和沖擊試驗的補充拉伸試驗和沖擊試驗的補充 韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它用材料在斷裂時所吸韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它用材料在斷裂時所吸收的總能量來量度（收的總能量來量度（C Cv v）擺錘擺錘h1h2沖擊韌性沖擊韌性：在動力荷載作用下，材料吸收能量的能力。：在動力荷載作用下，材料吸收能量的能力。韌性是鋼材強度和塑性的綜合指標。韌性是鋼材強度和塑性的綜合指標。 沖擊韌性試驗沖擊韌性試驗焊接焊接 焊接熱影響區(qū)和焊接熱影響效應焊接熱影響區(qū)和焊接熱影響效應 焊接應力、塑性韌性等力學指標退化焊接應力、塑性

5、韌性等力學指標退化可焊性好：焊縫處及熱影響區(qū)力學性能不低于母材、可焊性好：焊縫處及熱影響區(qū)力學性能不低于母材、 無焊接裂縫、安全可靠無焊接裂縫、安全可靠可焊性取決于鋼材化學成分含量：可焊性取決于鋼材化學成分含量： 低碳鋼：碳低碳鋼：碳0.27%、錳、錳0.7%、硅、硅0.4%、硫磷、硫磷0.05% 低合金鋼：碳當量低合金鋼：碳當量 EC%=C+Mn+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15可焊性試驗：施工中試驗、使用中試驗、沖擊韌性、裂紋可焊性試驗：施工中試驗、使用中試驗、沖擊韌性、裂紋5、可焊性干腐蝕：金屬和非金屬元素直接結合干腐蝕：金屬和非金屬元素直接結合濕腐蝕：水分多的環(huán)境下與非金屬

6、元素結合形成腐蝕物濕腐蝕：水分多的環(huán)境下與非金屬元素結合形成腐蝕物提高抗腐蝕性能：提高抗腐蝕性能： 涂料涂料 底層處理底層處理(拋丸除銹等拋丸除銹等) + 底漆底漆 + 面漆面漆 耐侯鋼材耐侯鋼材 Cu-P-Ti-Re: 09CuPCrNi,16CuCr, 12MnCuCr Cu-P-Ni-Cr: SMA400AW, AP, SMA490AW6、抗腐蝕性能延性破壞：延性破壞： 塑性破壞，應力塑性破壞，應力fyfu，徑縮變形斷裂，變形時間長，徑縮變形斷裂，變形時間長 剪應力超過晶?？辜裟芰魬Τ^晶粒抗剪能力脆性破壞：脆性破壞： 脆性斷裂，應力脆性斷裂，應力fy破壞破壞 ？不適用于脆性斷裂？不

7、適用于脆性斷裂 斷裂力學理論斷裂力學理論 ！ I型裂紋：張開型型裂紋：張開型 II型裂紋：滑移型型裂紋：滑移型 III型裂紋：撕開型型裂紋：撕開型7 7、延性破壞、累積損傷、脆性破壞、疲勞破壞、延性破壞、累積損傷、脆性破壞、疲勞破壞 系數 裂紋寬度一半 應力應力強度因子： 臨界應力0：裂紋失穩(wěn)擴展時應力斷裂韌性KIC：IKa 0ICKa KIKIC 失穩(wěn)，裂紋擴展彈性斷裂力學公式：彈性斷裂力學公式(張開位移理論)：2IICyIICaEfdddd穩(wěn)定不穩(wěn)定位移臨界值ICyICEfKd影響脆性斷裂的因素：裂紋尺寸、作用應力、材料韌性影響脆性斷裂的因素：裂紋尺寸、作用應力、材料韌性提高抗脆斷措施：提

8、高抗脆斷措施： 焊接施工管理，避免焊接裂紋、雜質焊接施工管理，避免焊接裂紋、雜質 避免焊縫集中、采取措施避免或消除焊接殘余應力避免焊縫集中、采取措施避免或消除焊接殘余應力 優(yōu)化細部構造措施、避免應力集中優(yōu)化細部構造措施、避免應力集中 選擇合理鋼材，低溫動力下工作時選用高等級鋼選擇合理鋼材，低溫動力下工作時選用高等級鋼應力腐蝕斷裂：應力腐蝕斷裂：S(0.20.5)I CCIKK疲勞破壞：疲勞破壞：反復荷載下低應力狀態(tài)突然破壞反復荷載下低應力狀態(tài)突然破壞 反復荷載下的脆性破壞反復荷載下的脆性破壞疲勞破壞過程：裂紋形成疲勞破壞過程：裂紋形成裂紋緩慢擴展裂紋緩慢擴展裂紋失穩(wěn)擴展裂紋失穩(wěn)擴展 (焊縫焊縫

9、)內部缺陷內部缺陷 應力集中應力集中影響因素：應力循環(huán)形式和次數、應力集中、殘余應力、缺陷影響因素：應力循環(huán)形式和次數、應力集中、殘余應力、缺陷應力比：應力比：rrminmin/maxmax 絕對值較小絕對值較小 絕對值較大絕對值較大 拉拉(+)(+)壓壓(-)(-)應力幅：由于存在殘余應力，應力幅：由于存在殘余應力，r r不能代表實際應力變化情況不能代表實際應力變化情況 DDmaxmaxminmin 最大拉應力最大拉應力 最小拉應力或壓應力最小拉應力或壓應力 拉拉(+)(+)壓壓(-) (-) 疲勞強度曲線：疲勞強度曲線：勻質材料疲勞強度與應力比的關系勻質材料疲勞強度與應力比的關系：應力幅與

10、應力循環(huán)次數關系：2211ImIm13 22113 2211lglg/lg,1121(3,1)20axinaaaaKKKadadaAKAKdNdNdadaNAAKaaNaAaacaAacN DDDDDDDD DDD DrrKKKKp1,0maxmaxmax0minmax0110損傷累積破壞：損傷：荷載+環(huán)境+溫度+化學缺陷 塑性損傷、疲勞損傷、材質變化、蠕變損傷損傷不斷積累導致的破壞損傷累積破壞損傷變量D：無損傷0、破壞1，D=(0,1) 單調遞增、不可逆Nip1nNmipp1nn1211,1piippiDDyyDDED EfD feeeeee化學成分的影響化學成分的影響 Fe-99%, C、

11、Si、Mn、V1.5%，Cr、Ni、Cu、Ti、Nb S、P、O、N0.1%CC: : 屈服點和抗拉強度屈服點和抗拉強度，塑性，塑性/ /韌性韌性/ /可焊性可焊性/ /耐腐蝕性耐腐蝕性/ /疲勞疲勞/ /冷彎冷彎適量適量Si Si (0.1%-0.3%) (0.1%-0.3%): : 強度強度，過量降低塑性，過量降低塑性/ /韌性韌性/ /可焊性可焊性/ /抗銹性抗銹性適量適量Mn(0.3%-0.8%)Mn(0.3%-0.8%)：強度：強度,消除熱冷脆消除熱冷脆, ,過量降低塑性過量降低塑性/ /韌性韌性/ /可焊性可焊性/ /抗銹抗銹性性S S硫化鐵硫化鐵: : 降低塑性降低塑性/ /韌性

12、韌性/ /疲勞疲勞/ /可焊性可焊性/ /抗銹性，產生熱脆，抗銹性，產生熱脆，0.045%0.045%P P：強度：強度/ /抗銹蝕性抗銹蝕性, , 嚴重降低塑性嚴重降低塑性/ /韌性韌性/ /冷彎，產生冷脆，冷彎，產生冷脆，0.045%0.045%O/NO/N：OO產生熱脆產生熱脆,0.05%,0.05%；N N產生冷脆產生冷脆,0.008%,0.008%8、影響鋼材性能的一般因素生產過程的影響生產過程的影響 冶煉冶煉澆鑄澆鑄軋制軋制矯正矯正冶煉：方法：堿性平爐煉鋼法、頂吹氧氣轉爐煉鋼法、堿性側吹轉爐煉鋼法目的：控制化學成分 堿性側吹效果差，已淘汰。 平爐/頂吹效果接近，頂吹效率高應用更多。

13、澆鑄：鋼液鋼罐 脫氧劑 氧化鐵 脫氧程度: 沸騰鋼/半鎮(zhèn)靜鋼/鎮(zhèn)靜鋼/特殊鎮(zhèn)靜鋼 沸騰鋼：Mn為脫氧劑，脫氧程度差，澆鑄時氧化鐵+碳CO氣體， 冷卻快、成品率高、成本低； 材質不均勻、塑性韌性可焊性差。 鎮(zhèn)靜鋼：Si為脫氧劑，脫氧能力強，脫氧充分，冷卻緩慢無沸騰現象 冷卻收縮上部縮孔大、切頭大、成品率低、成本高，力學性能好 半鎮(zhèn)靜鋼：介于沸騰鋼與鎮(zhèn)靜鋼間 特殊鎮(zhèn)靜鋼：Mn/Si脫氧后，用鋁鈦補充脫氧，明顯改善力學性能 軋制： 鋼錠鋼板/型鋼 高溫加壓(1200-1300OC)改善內部組織/力學性能 軋制鋼板薄力學性能好、強度/塑性/韌性好 軋制方向材性由于垂直方向，試件沿垂直方向下料 較厚鋼板

14、中雜質薄片分層Z向性能差(層狀撕裂) 需進行Z向材性試驗時效的影響 碳/氮固熔物質隨時間增加析出表面散步在晶粒滑移面上， 約束塑性變形，提高強度，降低沖擊韌性。 時效時間從數天到數年。 塑性變形后再加熱(200-300OC)使時效的發(fā)生僅需幾小時。冷作硬化的影響： 常溫下，塑性階段反復加載會提高鋼材的彈性極限， 成為冷作硬化效應溫度的影響： 冷脆：溫度下降至T1時，鋼材由塑性破壞轉化為脆性破壞 熱脆(藍脆)：250OC時沖擊韌性下降 避免藍脆范圍內熱加工 300-600OC：屈服/抗拉極限/彈性模量下降，600OC時接近零 應力集中的影響： 雜質、槽口、裂縫、形狀突變會產生局部應力高峰， 應力

15、高峰處一般存在同號平面或立體應力使材質變脆， 低溫+應力集中 脆性斷裂破壞 常溫靜力作用下，應力增大應力重分布，設計時可不考慮 動力荷載作用下，易疲勞破壞，采取措施減小應力集中。品種牌號：品種牌號：普通碳素鋼、低合金結構鋼普通碳素鋼、低合金結構鋼普通碳素鋼：普通碳素鋼：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。(N/mm2) 力學性能質保書：力學性能質保書：fy、fu、d d 化學成分質保書：化學成分質保書：C、Mn、Si、S、P質量等級：質量等級：A、B、C、D A:無沖擊功要求無沖擊功要求; B: 20OC時時Ak27J; C: 0OC時時Ak27J; D:-20OC時時Ak27J

16、脫氧方式：脫氧方式：Z(可不標注可不標注)、b、F、TZ (可不標注可不標注) A、BZ、b、F; C Z; D TZQ235A、Q235AF、Q235Bb、Q235D、Q235C老標準：老標準：甲類鋼甲類鋼(A,按力學性能供應按力學性能供應)、乙類鋼、乙類鋼(B,按化學成分供應按化學成分供應)、特類鋼、特類鋼(C,按力學性能和化學成分供按力學性能和化學成分供應應)1、2、3、4、5、6、7號鋼，號鋼，3號鋼號鋼Q235。頂吹。頂吹YA3甲類甲類3號鎮(zhèn)靜鋼；號鎮(zhèn)靜鋼；CY3F特類頂吹特類頂吹3號沸騰鋼號沸騰鋼9、鋼材分類低合金鋼：低合金鋼：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460 提供

17、力學性能質保書提供力學性能質保書(fy、fu、d d、冷彎試驗、冷彎試驗) 化學成分質保書化學成分質保書(C、Mn、Si、S、P、V、Nb、Ti) Q345A、Q345B、Q345C、Q345D、Q345E Q390A、Q390B、Q390C、Q390D、Q390E A、B、C、D、E表示質量由低到高表示質量由低到高 A:無沖擊功要求無沖擊功要求; B: 20OC時時Ak34J; C: 0OC時時Ak34J; D:-20OC時時Ak34J; E:-40OC時時Ak27J 脫氧方式分為鎮(zhèn)靜鋼脫氧方式分為鎮(zhèn)靜鋼(A、B)、特殊鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼(C、D、E)。Q345BB級鎮(zhèn)靜鋼級鎮(zhèn)靜鋼, Q39

18、0DD級特殊鎮(zhèn)靜鋼級特殊鎮(zhèn)靜鋼, Q345CC級特殊鎮(zhèn)靜鋼級特殊鎮(zhèn)靜鋼老牌號：老牌號：16MnQ345，15MnVQ390優(yōu)質碳素鋼：優(yōu)質碳素鋼： 碳素鋼經熱處理碳素鋼經熱處理(調質處理調質處理/正火處理正火處理)，雜質元素少、，雜質元素少、 P/S0.02%,相當于特殊鎮(zhèn)靜鋼相當于特殊鎮(zhèn)靜鋼英國：英國：40A / 40B / 50E，ksi(千磅千磅/英寸英寸2)歐洲：意大利接近歐洲：意大利接近ISO美國：美國：A36 結構鋼結構鋼(MPa)，A242低合金高強度結構鋼低合金高強度結構鋼(ksi)日本：日本：SS400一般結構用軋制鋼一般結構用軋制鋼 SS400A、B、C, SM490A、B

19、、C, 焊接結構用軋制鋼焊接結構用軋制鋼 SMA400, SMA490, 焊接結構用熱軋耐候鋼焊接結構用熱軋耐候鋼俄羅斯：俄羅斯：C235, C245, C275, C390 (MPa)Q235美美A36,A53/日日SS400,SM400,SMA400/俄羅斯俄羅斯C235/英英40/法法E24/德德St37Q345美美A572,A242,A588/日日SM490YA,SM490YB,SM520/ 俄羅斯俄羅斯C345/英英50D/法法E36/德德St52 選用鋼材的原則(1) 結構類型及重要性結構類型及重要性 重要：大跨度屋蓋、重級工作制吊車梁重要：大跨度屋蓋、重級工作制吊車梁 一般：普通

20、廠房屋架和梁柱一般：普通廠房屋架和梁柱 次要：樓梯、平臺、欄桿次要：樓梯、平臺、欄桿(2) (2) 荷載性質荷載性質 靜力、動力靜力、動力( (滿載、欠載滿載、欠載) ) 常溫靜力：常溫靜力：B B級級F F；動力：韌性和疲勞好；動力：韌性和疲勞好CC級級Z Z(3) (3) 連接方法連接方法 焊接：力學性能和化學指標要求、可焊性好焊接：力學性能和化學指標要求、可焊性好 非焊接：力學性能非焊接：力學性能(4) (4) 工作環(huán)境工作環(huán)境 低溫下注意冷脆，選用低溫下注意冷脆，選用CC、D D級級Z Z(5)(5)結構受力結構受力 受拉構件選用受拉構件選用CC、D D級級Z Z鋼板鋼板 薄鋼板：厚薄

21、鋼板：厚0.35-4mm，寬，寬500-1800mm，長，長0.4-6m 厚鋼板：厚厚鋼板：厚4.5-60mm(60mm，寬，寬600-3800mm，長，長4-9m 扁鋼：厚扁鋼：厚4-60mm，寬，寬12-200mm，長，長3-9m型鋼型鋼 熱軋普通型鋼：角鋼、工字鋼、槽鋼熱軋普通型鋼：角鋼、工字鋼、槽鋼 熱軋熱軋H型鋼型鋼(H350 x250 x10 x16)和和T型鋼型鋼(T248x199x9x14) 熱軋無縫鋼管、焊接鋼管熱軋無縫鋼管、焊接鋼管(直縫焊和螺旋焊直縫焊和螺旋焊) ， 102x5 無縫鋼管：無縫鋼管： 32-630mm， 直縫鋼管：直縫鋼管： 19.1-426mm，螺旋鋼管

22、：，螺旋鋼管： 219.1-1420mm9、鋼材規(guī)格冷彎薄壁型鋼冷彎薄壁型鋼 壁厚：壁厚：1.5-12mm，承重構件厚，承重構件厚2mm、Q235/Q345/Q3901 1、熱軋鋼板、熱軋鋼板 “ “-” -” 寬度寬度厚度厚度長度（長度（mmmm）2 2、熱軋型鋼、熱軋型鋼（角鋼、工字鋼、槽鋼、（角鋼、工字鋼、槽鋼、 H型鋼和鋼管）型鋼和鋼管） （1 1）熱軋角鋼）熱軋角鋼 等肢角鋼等肢角鋼 L L肢寬肢寬肢厚肢厚 不等肢角鋼不等肢角鋼 L L長肢寬長肢寬短肢寬短肢寬肢厚肢厚（2 2）熱軋工字鋼）熱軋工字鋼普通工字鋼普通工字鋼 “ “I”I”和號數和號數( (代表截面高度厘米數代表截面高度厘米數) )輕型工字鋼輕型工字鋼 “ “QI”QI”和號數和號數( (代表截面高度厘米數代表截面高度厘米數)