me鋼結(jié)構(gòu)第二章(材料)

鋼結(jié)構(gòu)原理

土木工程系1第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料本章內(nèi)容:§2.1鋼結(jié)構(gòu)對材料的基本要求

§2.2鋼材的破壞形式

§2.3鋼材的主要性能

§2.4影響鋼材性能的主要因素

§2.5復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件

§2.6鋼材的疲勞§2.7鋼的種類和鋼材規(guī)格本章重點:鋼材的主要性能、各種因素對鋼材性能的影響，鋼材的種類、規(guī)格及選擇原則。本章難點:影響鋼材性能的主要因素、鋼材的疲勞2鋼結(jié)構(gòu)對鋼材的基本要求：

1、具有較高的抗拉強度fu和屈服點fy

(強度高，所需的截面就小，結(jié)構(gòu)的自重輕)。§2.1鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003推薦承重結(jié)構(gòu)用鋼宜采用：碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼及低合金高強結(jié)構(gòu)鋼中的Q345、Q390和Q420鋼四種鋼材。

2、具有較好的塑性、韌性(塑性好，不易發(fā)生脆性破壞；韌性好，利于承受動力荷載)。

3、良好的工藝性能——適應(yīng)冷加工、熱加工，可焊性好。

4、對環(huán)境的良好適應(yīng)性——適應(yīng)低溫、高溫，耐腐蝕、耐火、耐疲勞。3鋼材的破壞形式：塑性破壞和脆性破壞。§2.2

鋼材的破壞形式一種鋼材具有塑性變形能力的大小，不僅取決于鋼材原始的化學(xué)成分，熔煉與軋制條件，也取決于后來所處的工作條件。即使原來塑性表現(xiàn)極好的鋼材，改變了工作條件，如在很低的溫度之下受沖擊作用，也完全可能呈現(xiàn)脆性破壞。嚴(yán)格地說，不宜把鋼材劃分為塑性和脆性材料，而應(yīng)該區(qū)分材料可能發(fā)生的塑性破壞與脆性破壞。4§2.2

鋼材的破壞形式對比內(nèi)容塑性破壞脆性破壞破壞應(yīng)力破壞前變形明顯不明顯斷口外形杯形平直斷口色澤暗淡有光澤斷口細(xì)部纖維狀晶粒狀破壞過程延續(xù)較長時間突然破壞機理剪應(yīng)力超過晶?？辜裟芰瓚?yīng)力超過晶粒抗拉能力危害性便于發(fā)現(xiàn)和補救，較輕大對策合理設(shè)計結(jié)構(gòu)強度考慮低溫、疲勞和沖擊作用，合理選擇材料種類、構(gòu)造形式、施工工藝52.3.1單向拉伸時的工作性能§2.3

鋼材的主要性能

（1）試驗條件

（a）試件的尺寸要符合國家標(biāo)準(zhǔn)，表面光滑，沒有孔洞、刻槽等缺陷。試件的標(biāo)距長度取其直徑的5或10倍。（b）荷載要分級逐次增加，直到試件破壞。（c）試驗溫度要控制在室溫20℃左右。

荷載－變形（F－ΔL）曲線應(yīng)力－應(yīng)變（σ－ε）曲線《金屬材料室溫拉伸試驗方法》(GB/T228)

6（a）

有屈服點鋼材s---e曲線可以分為四個階段：§2.3

鋼材的主要性能圖2.1碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系屈服階段（PESC)強化階段(CB段)頸縮階段(BD段)彈性階段（OP)

fp—比例極限

fy—屈服強度

(強度限制、設(shè)計依據(jù))

fu—極限強度(強度儲備)（2）鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系7§2.3

鋼材的主要性能設(shè)計時以卸載后試件中殘余應(yīng)變?yōu)?.2％所對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服點——“條件屈服點”或“名義屈服點”（有時用f0.2表示）沒有明顯屈服點的鋼材在拉伸過程中沒有明顯的塑性平臺，塑性變形小，設(shè)計中不利用它的塑性。

（b）無明顯屈服點的鋼材圖2.2高強度鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線fy=f0.28(3)單向拉伸時鋼材的機械性能指標(biāo)2.3.1單向拉伸時的工作性能§2.3

鋼材的主要性能①屈服點fy

是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強度設(shè)計值的重要指標(biāo)。（作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計可以達(dá)到的最大應(yīng)力）②

抗拉強度fu

應(yīng)力應(yīng)變曲線最高點對應(yīng)的應(yīng)力，它是鋼材破壞前所能承受的最大應(yīng)力。鋼材達(dá)到fu

時，已產(chǎn)生很大塑性變形而失去使用性能，但fu

高則可以增加結(jié)構(gòu)的安全保障（fu/fy

的值可看作鋼材強度儲備系數(shù)）鋼材的塑性

當(dāng)應(yīng)力超過屈服點后，鋼材能產(chǎn)生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即斷裂的性質(zhì)。塑性好壞可用伸長率表示，通過靜力拉伸試驗得到。

9伸長率δ

試件斷裂前的永久變形與原標(biāo)定長度的百比。

l0—原標(biāo)距長

l1—拉斷后標(biāo)距長度

d0

—試件直徑 試件有兩種標(biāo)距：l0/d0=5

和l0/d0=10

相應(yīng)的伸長率用δ5和δ10表示。實際工程中以伸長率代表材料斷裂前具有的塑性變形能力。2.3.1單向拉伸時的工作性能§2.3

鋼材的主要性能10(4)應(yīng)力應(yīng)變曲線的簡化2.3.1單向拉伸時的工作性能§2.3

鋼材的主要性能曲線簡化的依據(jù)：1）鋼材在屈服點之前的性質(zhì)接近理想的彈性體。2）屈服點之后的流幅現(xiàn)象又接近理想的塑性體，并且流幅的范圍（e≈0.15％-2.5％）已足夠用來考慮結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的塑性變形的發(fā)展。ε2.5%

fy

ε0

0.15%ε鋼材可視為理想的彈性-塑性材料

圖2.3

簡化的應(yīng)力-應(yīng)變曲線11(5)鋼材的物理力學(xué)性能指標(biāo)2.3.1單向拉伸時的工作性能§2.3

鋼材的主要性能彈性模量E(N/㎜2)泊松比μ剪變模量G(N/㎜2)線膨脹系數(shù)(以每℃計)質(zhì)量密度(kg/m3)206×1030.30.79×1051.2×10-57850表2.1鋼材的物理力學(xué)性能指標(biāo)12圖2.4

鋼材冷彎試驗示意圖2.3.2

冷彎性能§2.3

鋼材的主要性能

冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)。鋼材在冷加工（常溫下加工）產(chǎn)生塑性變形時，對發(fā)生裂縫的抵抗能力。

鑒別指標(biāo)：用沖頭加壓，當(dāng)試件彎曲至180°時，試件表面和側(cè)面，無裂紋、斷裂或分層，即認(rèn)為試件冷彎性能合格。

13

沖擊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（Cv）。它是鋼材強度和塑性的綜合指標(biāo)。圖2.5

沖擊韌性試驗2.3.3

沖擊韌性§2.3

鋼材的主要性能沖擊韌性與試驗的溫度有關(guān)。我國鋼材標(biāo)準(zhǔn)中將試驗分為四檔，即+20℃,0℃，-20℃和-40℃時的沖擊韌性。溫度越低，沖擊韌性越低。夏比V形缺口梅氏U形缺口

以前我國規(guī)定采用梅氏U型缺口的試件，現(xiàn)用夏氏V型缺口。夏比試件的尺寸一般為10mm×10mm×55mm。14§2.3

鋼材的主要性能鋼材的主要性能1、屈服點fy2、抗拉強度fu3、伸長率δ4、冷彎性能5、沖擊韌性Cv

小結(jié)15

鋼是含碳量小于2%的鐵碳合金。鋼中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。普通碳素鋼中，F(xiàn)e占99%，其余元素占1%。在低合金鋼中，除了上述元素外，還有一定合金元素（鎳、釩、鈦等）（含量低于5%）。

各種元素對鋼材機械性能的影響如下：§2.4

各種因素對鋼材主要性能的影響2.4.1

化學(xué)成份16碳C：含量增加，鋼材強度提高，而塑性、韌性和疲勞強度低。同時焊接性能和抗腐蝕性惡化。一般在碳素結(jié)構(gòu)鋼中不應(yīng)超過0.22%；在焊接結(jié)構(gòu)中還應(yīng)低于0.2%。硅Si：含Si適量使強度↑，碳素結(jié)構(gòu)鋼中應(yīng)控制≤0.3%,在低合金高強度鋼中硅的含量可達(dá)0.55%。錳Mn：含Mn適量使強度↑，降低S、O的熱脆影響，改善熱加工性能，對其它性能影響不大,有益。在碳素結(jié)構(gòu)鋼中錳的含量為0.3%～0.8%，在低合金高強度鋼中錳的含量可達(dá)1.0%～1.6%?！?.4

各種因素對鋼材主要性能的影響2.4.1

化學(xué)成份17硫S：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在高溫時，使鋼材變脆，稱之為熱脆。含量應(yīng)不超過0.045%。

(有害成分)磷P：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在低溫時，使鋼材變脆，稱之為冷脆。含量應(yīng)不超過0.045%?？梢蕴岣邚姸群涂逛P蝕性。(有害成分)氧O：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在高溫時，發(fā)生熱脆。(有害成分)氮N：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在低溫時，發(fā)生冷脆。(有害成分)§2.4

各種因素對鋼材主要性能的影響2.4.1

化學(xué)成份18釩和鈦：是鋼中的合金元素，能提高鋼的強度和抗腐蝕性能，又不顯著降低鋼的塑性。銅

：可顯著提高鋼的抗腐蝕性能，也可以提高鋼的強度，但對焊接性能有不利影響?！?.4

各種因素對鋼材主要性能的影響2.4.1

化學(xué)成份19

在生產(chǎn)過程中常常出現(xiàn)的缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋和分層?！?.4

各種因素對鋼材主要性能的影響2.4.2

冶金缺陷圖2.5型鋼硫的偏析1.偏析：鋼中化學(xué)成分分布不均勻，主要的偏析是硫、磷，將使偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。生鐵、廢鋼等冶煉鋼液澆鑄鋼錠或鋼坯熱軋或冷加工型鋼或鋼板熱處理高強度鋼材203.裂紋

鋼材中存在的微觀裂紋。2.非金屬夾雜指鋼材中的非金屬化合物，如硫化物、氧化物，他們使鋼材性能變脆。4.氣泡

澆鑄時由FeO和C作用所生成的CO氣體不能充分逸出而滯留在鋼錠那形成的微小空洞。5.分層澆鑄時的非金屬夾雜在軋制后可能造成鋼材的分層?！?.4

各種因素對鋼材主要性能的影響2.4.2

冶金缺陷21冶煉時，投入脫氧劑來減少雜質(zhì)——氧化鐵圖2.6鋼錠剖面縮孔保溫帽(a)沸騰鋼(b)鎮(zhèn)靜鋼§2.4

各種因素對鋼材主要性能的影響2.4.2

冶金缺陷脫氧的作用因脫氧程度不同，最終成為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。22§2.4

各種因素對鋼材主要性能的影響2.4.2

冶金缺陷23注意：薄鋼板的強度比厚鋼板的強度高。軋棍圖2.7鋼的軋制使晶粒細(xì)化§2.4

各種因素對鋼材主要性能的影響2.4.2

冶金缺陷24§2.4

各種因素對鋼材主要性能的影響2.4.3

鋼材硬化冷作硬化

在冷加工或一次加載使鋼材產(chǎn)生較大的塑性變形的情況下，卸載后再重新加載，鋼材的屈服點提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象。時效硬化在高溫時熔化于鐵中的少量碳和氮的固熔物質(zhì)，隨著時間的增加逐漸從純鐵中析出，使鋼材的屈服點和抗拉強度提高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象。在交變荷載、重復(fù)荷載和溫度變化等情況下，會加速時效硬化的發(fā)展。在高溫作用下會快速發(fā)展（人工時效）。

應(yīng)變時效硬化鋼材產(chǎn)生一定數(shù)量的塑性變形后，鐵素體晶體中的固溶碳和氮更容易析出，從而使已經(jīng)冷作硬化的鋼材又發(fā)生時效硬化現(xiàn)象。25§2.4

各種因素對鋼材主要性能的影響2.4.4

溫度影響正溫范圍：T升高（1）溫度在150℃以內(nèi)，鋼材材質(zhì)變化很小，鋼結(jié)構(gòu)可用于溫度不高于150℃的場合。（2）溫度在250℃左右的區(qū)間內(nèi)，fu

有局部性提高，沖擊韌性降低，出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象。（3）260C～320C時，應(yīng)力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形——徐變現(xiàn)象。（3）當(dāng)溫度達(dá)到600℃時，鋼材進(jìn)入熱塑性狀態(tài)，強度下降嚴(yán)重，將喪失承載能力?！鎓ufyδE負(fù)溫范圍：T下降，隨著溫度的降低，鋼材的強度提高，而塑性和韌性降低，逐漸變脆，稱為鋼材的低溫冷脆。鋼材的沖擊韌性對溫度的降低十分敏感。

圖2.8溫度對鋼材力學(xué)性能的影響26§2.4

各種因素對鋼材主要性能的影響2.4.4

溫度影響脆性破壞兩種破壞均有塑性破壞轉(zhuǎn)變溫度區(qū)沖擊斷裂功試驗溫度T1T0T2（1）沖擊功曲線的反彎點T0稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。界限溫度T1和T2分別為全脆性轉(zhuǎn)變溫度和全塑性轉(zhuǎn)變溫度。（2）鋼材由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐氖窃跍囟葏^(qū)間T1

～T2內(nèi)完成的，此溫度區(qū)間稱為鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)。（3）在全脆性轉(zhuǎn)變溫度以下，鋼材表現(xiàn)為完全的脆性破壞；而在全塑性轉(zhuǎn)變溫度以上，鋼材則表現(xiàn)為完全的塑性破壞。（4）不同牌號和等級的鋼材具有不同的轉(zhuǎn)變溫度區(qū)和轉(zhuǎn)變溫度，均應(yīng)通過試驗來確定。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了防止脆性破壞，選用鋼材時應(yīng)使其工作溫度大于T1,接近T0。圖2.9沖擊韌性和溫度關(guān)系示意圖27

構(gòu)件上孔洞、刻槽、凹角、裂紋以及截面厚度或?qū)挾雀淖兊炔课唬诹ψ饔孟?，該處出現(xiàn)高峰應(yīng)力，而其它部位應(yīng)力較低，截面應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象——應(yīng)力集中。§2.4

各種因素對鋼材主要性能的影響2.4.5

應(yīng)力集中圖2.9孔洞及槽孔處的應(yīng)力集中28應(yīng)力集中處常產(chǎn)生三向的同號拉應(yīng)力，使材料沿力作用方向塑性變形的發(fā)展受到很大約束，易使鋼材開裂時也沒有明顯的塑性變形。有應(yīng)力集中的鋼材，材性變脆應(yīng)力集中對塑性良好的鋼結(jié)構(gòu)靜力強度影響不大，但降低疲勞強度。對負(fù)溫和動力荷載作用下的結(jié)構(gòu)，容易引起脆性破壞。由力學(xué)知識我們知道，沒有明顯塑性變形的斷裂是脆性斷裂。同號的平面或立體應(yīng)力場有使鋼材變脆的趨勢?！?.4

各種因素對鋼材主要性能的影響29不同槽口試件靜力拉伸試驗的應(yīng)力——應(yīng)變曲線應(yīng)力集中對σ-ε曲線關(guān)系的影響

可以看出截面槽口改變愈急劇，應(yīng)力集中現(xiàn)象愈厲害，其抗拉強度愈高，但塑性愈差，破壞的脆性傾向愈大。1020300.425100ε%σ(N/mm2)①①②②③③④④φ10測距100φ10φ100600700500400300200100§2.4

各種因素對鋼材主要性能的影響30疲勞破壞:

鋼材在直接的反復(fù)的動力荷載作用下，鋼材的強度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗的極限強度，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞破壞表現(xiàn)為突然發(fā)生的脆性斷裂。

鋼材在反復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的抗力及性能都會發(fā)生重要變化，甚至發(fā)生疲勞破壞。為防止脆性破壞，在設(shè)計、制造及使用中應(yīng)注意:

合理設(shè)計正確制造正確使用§2.4

各種因素對鋼材主要性能的影響2.4.6

反復(fù)荷載作用31在單軸應(yīng)力作用下

時鋼材屈服，構(gòu)件由彈性工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為塑性工作狀態(tài)。在多軸應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件不能以某一軸向應(yīng)力超過某屈服點來判別，而是按材料力學(xué)的能量強度理論計算折算應(yīng)力與鋼材在單軸應(yīng)力作用下的屈服點fy相比較來判斷。圖2.12復(fù)雜應(yīng)力§2.5復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件32推導(dǎo)當(dāng)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下變形能等于單軸受力時的變形能時，鋼材即由彈性轉(zhuǎn)入塑性。oZXY單元體受復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的分量單元體受主應(yīng)力鋼材單元體上的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)§2.5復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件能量強度理論（或第四強度理論）：材料由彈性轉(zhuǎn)入塑性的強度指標(biāo)用變形時單位體積中積聚的能量來表達(dá)。33當(dāng)用應(yīng)力分量表示時：

當(dāng)用主應(yīng)力表示時：

§2.5復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件當(dāng) 時鋼材處于彈性階段， 時鋼材處于塑性階段。在多軸應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件不能以某一軸向應(yīng)力超過某屈服點來判別，而是按材料力學(xué)的能量強度理論計算折算應(yīng)力與鋼材在單軸應(yīng)力作用下的屈服點相比較來判斷。34§2.5復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件

當(dāng)鋼材厚度較薄時，厚度方向的應(yīng)力很小，?？珊雎圆挥嫞@時三向應(yīng)力狀態(tài)可以簡化為平面應(yīng)力狀態(tài)：

（2.2）一般梁中只存在正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ，則上式可寫為：（2.3）純剪時σ=0

則有：（2.4）即鋼材的剪切屈服點是拉伸屈服點fy的0.58

倍。附表1.135疲勞斷裂：是微觀裂縫在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴展直至斷裂的脆性破壞。斷口可能貫穿于母材，可能貫穿于連接焊縫，也可能貫穿于母材及焊縫。§2.6鋼材的疲勞

疲勞破壞特點：（1）疲勞破壞時的應(yīng)力小于鋼材的屈服強度，鋼材的塑性還沒有展開，屬于脆性破壞。突然，危險性大。（3）疲勞對缺陷（包括缺口、裂紋及組織缺陷等）十分敏感。

（2）疲勞破壞的斷口與一般脆性破壞的斷口不同。一般脆性破壞后的斷口平直，呈有光澤的晶粒狀或人字紋。而疲勞破壞的主要斷口特征是放射和年輪狀花紋。36疲勞斷裂過程裂紋形成裂紋穩(wěn)定擴展裂紋失穩(wěn)擴展斷裂非焊接結(jié)構(gòu)三階段焊接結(jié)構(gòu)二階段本身存在類似裂紋的缺陷§2.6鋼材的疲勞疲勞分類高周疲勞（應(yīng)力疲勞）工作應(yīng)力小于fy，沒有明顯的塑性變形，壽命n≥5×104次。如吊車梁、橋梁、海洋平臺在日常荷載下的疲勞破壞。

低周疲勞（應(yīng)變疲勞）工作應(yīng)力大于fy，有較大的塑性變形，壽命n＝102～5×104次。如強烈地震下一般鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。37疲勞荷載類型常幅循環(huán)應(yīng)力譜σt變幅應(yīng)力譜應(yīng)力比（）拉應(yīng)力取正號而壓應(yīng)力取負(fù)號應(yīng)力幅（）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（n，疲勞壽命）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞時所經(jīng)歷的應(yīng)力變化次數(shù)。§2.6鋼材的疲勞38§2.6鋼材的疲勞2.6.1常幅疲勞1.非焊接結(jié)構(gòu)的疲勞

在循環(huán)次數(shù)N一定的情況下，根據(jù)試驗資料可以繪出N次循環(huán)的疲勞圖(σmax和σmin關(guān)系曲線)。

當(dāng)ρ=0（C點）和ρ=-1（B點）時的疲勞強度分別為σ0和σ-1，連接BC并延長至A、D。非焊接結(jié)構(gòu)的疲勞圖（N=2×106)DA39§2.6鋼材的疲勞

由上述推導(dǎo)可知，對于非焊接結(jié)構(gòu)和軋制鋼材，疲勞強度與最大應(yīng)力、應(yīng)力比、循環(huán)次數(shù)和缺口效應(yīng)（構(gòu)造類型的應(yīng)力集中情況）有關(guān)。ABCD直線方程為：DA非焊接結(jié)構(gòu)的疲勞圖（N=2×106)40§2.6鋼材的疲勞2.焊接結(jié)構(gòu)的疲勞通過大量試驗研究表明，控制焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命最主要的因素是構(gòu)件和連接的類型、應(yīng)力幅Ds以及循環(huán)次數(shù)n，而與應(yīng)力比無關(guān)。焊縫部位存在殘余拉應(yīng)力，通常達(dá)到鋼材的屈服點

fy

，該處是產(chǎn)生和發(fā)展疲勞裂紋最敏感的區(qū)域。最大：最?。赫鎸崙?yīng)力比：殘余應(yīng)力的分布疲勞強度取決于應(yīng)力幅Ds的大小41§2.6鋼材的疲勞3.容許應(yīng)力幅的推導(dǎo)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回歸，可以得到應(yīng)力幅Ds與疲勞破壞循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線，即Ds-N曲線（圖中紅色實線）：S

S0............b11此曲線方程為：試驗數(shù)據(jù)回歸得到的是平均值之間的關(guān)系，考慮數(shù)據(jù)的離散性，將平均值減去2s（lgN的標(biāo)準(zhǔn)差的2倍），作為疲勞強度的下限值（圖中藍(lán)色虛線）。則下限曲線方程為42§2.6鋼材的疲勞令,則：將此Ds取為容許應(yīng)力幅，即：不同的構(gòu)件和連接，Ds-N曲線不同，則C值和β

值各不相同，《規(guī)范》進(jìn)行歸納，將構(gòu)件和連接劃分為8類（P319附錄6），它們的C值和β

值查表2.2。S

S0............b1143§2.6鋼材的疲勞容許應(yīng)力幅[Ds]與鋼材的強度無關(guān)，這表明不同種類的鋼材具有相同的抗疲勞性能。表2.2參數(shù)Ｃ、b444.常幅疲勞驗算§2.6鋼材的疲勞

疲勞計算采用容許應(yīng)力幅法，按彈性狀態(tài)計算應(yīng)力進(jìn)行計算。計算只適用于無高溫（t≤150℃）、無嚴(yán)重腐蝕環(huán)境中的高周低應(yīng)變的疲勞計算（應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n≥5×104)。常幅疲勞的計算公式：

標(biāo)準(zhǔn)荷載下的設(shè)計應(yīng)力幅；

對于焊接部位的設(shè)計應(yīng)力幅:

=max-min

；

對于非焊接部位的折算應(yīng)力幅：=max-0.7min

max 每次應(yīng)力循環(huán)中，計算部位的最大拉應(yīng)力（取正值）min

每次應(yīng)力循環(huán)中，計算部位的最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力 （拉應(yīng) 力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值）；[]

常幅疲勞的容許應(yīng)力幅試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計45§2.6鋼材的疲勞2.6.2變幅疲勞和吊車梁的欠載效應(yīng)系數(shù)當(dāng)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅隨機變化時為變幅疲勞。2變幅荷載可將變幅疲勞折算為等效的常幅疲勞，然后按常幅疲勞檢算式檢算。e—等效常幅疲勞應(yīng)力幅。

[]—常幅疲勞的容許應(yīng)力幅。

情形一能夠測得使用期內(nèi)應(yīng)力變幅規(guī)律σtn1i（a）檢算公式46§2.6鋼材的疲勞47§2.6鋼材的疲勞（b)計算

若能預(yù)測結(jié)構(gòu)在使用壽命期間各種荷載的應(yīng)力幅以及次數(shù)分布所構(gòu)成的設(shè)計應(yīng)力譜，則根據(jù)累積損傷原理可將變幅疲勞折合為等效常幅疲勞，將隨機變化的應(yīng)力幅折算為等效應(yīng)力幅e按下式進(jìn)行疲勞計算：Σni

以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命；

ni

預(yù)期壽命內(nèi)應(yīng)力幅水平為i的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)48§2.6鋼材的疲勞

情形二——不能測得使用期內(nèi)應(yīng)力變幅規(guī)律

設(shè)計重級工作制吊車的吊車梁和重級、中級工作制吊車桁架時，應(yīng)力幅是按滿載得出的，實際上常常發(fā)生不同程度欠載情況。如果沒有對實際應(yīng)力幅的統(tǒng)計資料，即屬本情形。使用欠載效應(yīng)系數(shù)，按常幅疲勞進(jìn)行計算。

計算公式：

——欠載效應(yīng)系數(shù)——循環(huán)次數(shù)為n=2×106次的容許應(yīng)力幅。49§2.6鋼材的疲勞《規(guī)范》給出了N=2×106時的αf值和[?σ]值：50§2.6鋼材的疲勞疲勞破壞中一些值得注意的問題（1）疲勞驗算采用的是容許應(yīng)力設(shè)計法，而不是以概率論為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。這主要是因為焊接構(gòu)件焊縫周圍的力學(xué)性能非常復(fù)雜，目前還沒有較好試驗或數(shù)值方法對其進(jìn)行以概率論為基礎(chǔ)的研究。荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值計算。（2）對于只有壓應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)作用，由于鋼材內(nèi)部缺陷不易開展，則不會發(fā)生疲勞破壞，不必進(jìn)行疲勞計算。（3）國內(nèi)外試驗證明，大多數(shù)焊接連接類別的疲勞強度不受鋼材強度的影響，故可認(rèn)為疲勞容許應(yīng)力幅與鋼種無關(guān)。51按用途：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼(如不銹鋼等)。按冶煉方法：轉(zhuǎn)爐鋼、平爐鋼。按脫氧方法：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼。按成型方法：軋制鋼、鍛鋼、鑄鋼。按化學(xué)成分：碳素鋼、合金鋼。在建筑工程中采用的是：碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。2.7.1鋼材的種類§2.7鋼材的種類和鋼材規(guī)格52（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB/T700-2006）碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的字母Q、屈服點（厚度t≤16mm)的數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號等四部分按順序組成。Q275Q215Q235規(guī)范推薦提供fy、fu、保證以及沖擊韌性、冷彎試驗指標(biāo)化學(xué)成分C、Mn、Si、S、P保證供貨含碳量、強度↑塑性↓特點Q195牌號2.7.1鋼材的種類§2.7鋼材的種類和鋼材規(guī)格532.7.1鋼材的種類§2.7鋼材的種類和鋼材規(guī)格碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號542.7.1鋼材的種類§2.7鋼材的種類和鋼材規(guī)格（2）低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼(GB/T1591-1994)Q460Q345規(guī)范推薦Q420規(guī)范推薦Q390規(guī)范推薦提供fy、fu、保證以及沖擊韌性、冷彎試驗指標(biāo)化學(xué)成分C、Mn、Si、S、P、V、Ti保證供貨含碳量、強度↑特點Q295牌號塑性↓低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的字母Q、屈服點（厚度t≤16mm)的數(shù)值、質(zhì)量等級符號等三部分按順序組成。55§2.7鋼材的種類和鋼材規(guī)格低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號56（3）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼a)磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035％，對于其他缺陷的限制也較嚴(yán)格。b)主要用作制造冷拔高強鋼絲、高強螺栓以及自攻螺釘?shù)取?.7.1鋼材的種類§2.7鋼材的種類和鋼材規(guī)格57高性能建筑結(jié)構(gòu)鋼材(GJ鋼)，比低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼有更好的綜合性能。其牌號（如Q345GJCZ25）由以下組成：

1、Q——代表屈服強度的字母；

2、屈服點的數(shù)值（345、420）；

3、代表高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼的漢語拼音字母GJ；

4、質(zhì)量等級符號——B、C、D、E四個等級對于厚度方向性能鋼板，在質(zhì)量等級后面加上厚度方向性能級別（Z15、Z25、Z35）。適用于建造高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)及其他重要建筑結(jié)構(gòu)?！?.7鋼材的種類和鋼材規(guī)格（4）建筑結(jié)構(gòu)用鋼板（GB/T19879—2005）2.7.1鋼材的種類58確定鋼材種類及其質(zhì)量等級。鋼材的選用原則

1、結(jié)構(gòu)的重要性

安全等級不同，所選鋼材的質(zhì)量等級也應(yīng)不同，重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件選用質(zhì)量好的鋼材。

2、荷載特征

荷載為靜力或動力荷載，應(yīng)選用各項性能不同的鋼材?！?.7鋼材的種類和鋼材規(guī)格2.7.2鋼材的選擇59

3、連接方法焊接應(yīng)選擇可焊性好的鋼材。非焊接結(jié)構(gòu)對含碳量可降低要求。

4、結(jié)構(gòu)所處的溫度和環(huán)境

處于負(fù)溫下工作時，選用負(fù)溫沖擊合格的鋼材，結(jié)構(gòu)周圍有腐蝕介質(zhì)存在時要選用抗銹性好的鋼材。

5、鋼材的厚度

厚度大焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用材質(zhì)較好的鋼材?！摬牡倪x用原則§2.7鋼材的種類和鋼材規(guī)格2.7.2鋼材的選擇60

承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服點和硫、磷含量的合格保證。焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。

焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)的鋼材還應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證。對需要驗算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)和非焊接結(jié)構(gòu)的鋼材，應(yīng)具有常溫或負(fù)溫沖擊韌性的合格保證.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：2.7.2鋼材的選擇§2.7鋼材的種類和鋼材規(guī)格61鋼結(jié)構(gòu)采用的型材有：

熱軋鋼板、熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼。2.7.3鋼材規(guī)格§2.7鋼材的種類和鋼材規(guī)格1、熱軋鋼板（如-1200×8×6000）

“-”寬度×厚度×長度（mm）厚鋼板：厚度4.5~60mm，寬度600~3000mm，長度4~12m

用做大型實腹式梁柱翼緣、腹板薄鋼板：厚度0.35~4mm，寬度500~1500mm，長度0.5~4m

用于制作冷彎薄壁型鋼扁鋼：厚度4~60mm，寬度12~200mm，長度3~9m

用于焊接組合梁柱翼緣板，各種連接板、加勁肋等62（1）熱軋角鋼

§2.7鋼材的種類和鋼材規(guī)格2、熱軋型鋼主要用來制作桁架等格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的桿件和支撐等連接桿件角鋼工字鋼槽鋼H型鋼T型鋼鋼管等邊角鋼不等邊角鋼角鋼分類型號或表示方法最小規(guī)格最大規(guī)格長度（m）等邊角鋼L肢寬×肢厚L20×3L200×244～19不等邊角鋼L長肢×短肢×肢厚L25×16×3L200×125×18角鋼規(guī)格

(單位mm)B其它幾何參數(shù)查P328附表7.5和P330附表7.663（2）熱軋工字鋼（如I30a）普通工字鋼：“I”和號數(shù)(代表截面高度厘米數(shù))輕型工字鋼：“QI”和號數(shù)(代表截面高度厘米數(shù))20號以上的工字鋼，同一號數(shù)按腹板厚度又分a、b、c三類。

§2.7鋼材的種類和鋼材規(guī)格工字鋼分類型號或表示方法（單位cm）最小規(guī)格最大規(guī)格