鋼結(jié)構(gòu)-2鋼結(jié)構(gòu)材料

第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1對(duì)鋼結(jié)構(gòu)用材的要求2.2鋼材的破壞形式2.3鋼材的主要性能及其鑒定2.4影響鋼材性能的因素2.5復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件2.6鋼材的疲勞破壞和疲勞計(jì)算2.7鋼材的種類、選用和型鋼規(guī)格第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1對(duì)鋼結(jié)構(gòu)用材的要求較高的強(qiáng)度2.1對(duì)鋼結(jié)構(gòu)用材的要求足夠的變形能力，塑性、韌性好具有良好的加工性能（包括冷加工、熱加工和可焊性）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證，對(duì)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)采用的鋼材還應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(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。對(duì)需要驗(yàn)算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證。規(guī)范推薦的鋼種為Q235、Q345、Q390、Q420第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2鋼材的破壞形式

塑性破壞：破壞前有明顯的變形，破壞歷時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，可以采取補(bǔ)救措施。2.2鋼結(jié)構(gòu)的破壞形式

脆性破壞：破壞前沒有明顯的變形，破壞發(fā)生突然，沒有機(jī)會(huì)補(bǔ)救。脆性破壞的原因：鋼材內(nèi)部缺陷，焊接缺陷、構(gòu)造不合理、使用不當(dāng)?shù)?。?yīng)盡量發(fā)揮材料的塑性避免一切脆性破壞的可能性

第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2鋼材的主要性能及其鑒定1、單向拉伸時(shí)的工作性能2.3鋼材的主要性能及其鑒定強(qiáng)度指標(biāo)是由鋼材的單向均勻受拉試驗(yàn)測(cè)得的強(qiáng)度指標(biāo)：比例極限；屈服強(qiáng)度；極限強(qiáng)度試驗(yàn)條件：標(biāo)準(zhǔn)試件在常溫（20℃）下緩慢加載，一次完成2.3.1、鋼材的力學(xué)性能5圖2-1靜力拉伸試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試件圖2-2鋼材一次單向拉伸簡(jiǎn)化應(yīng)力-應(yīng)變曲線

第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2鋼材的主要性能及其鑒定

鋼材在單向均勻受拉時(shí)工作性能表現(xiàn)為四個(gè)階段

彈性階段:應(yīng)力最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)比例極限彈性模量應(yīng)力2.彈塑性階段:應(yīng)力介于和之間彈塑性模量是變數(shù)3.塑性階段:應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度4.強(qiáng)化頸縮階段:應(yīng)力最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)抗拉極限第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2鋼材的主要性能及其鑒定

鋼材的工作性能可以看作理想彈性塑性體1.計(jì)算簡(jiǎn)便2.與相差不大3.雖然＞，但對(duì)應(yīng)的應(yīng)變非常大（不滿足正常使用極限狀態(tài)）4.以作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的依據(jù)，具有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，若出現(xiàn)偶然因素，使人們有機(jī)會(huì)補(bǔ)救

屈強(qiáng)比：Q235鋼為0.57，Q345鋼為0.67第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2鋼材的主要性能及其鑒定簡(jiǎn)化計(jì)算,采用理想彈塑性模型作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大應(yīng)力作為鋼材實(shí)際破壞強(qiáng)度第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2鋼材的主要性能及其鑒定2、塑性性能塑性：在靜力荷載作用下，鋼材吸收變形能的能力衡量塑性性能的指標(biāo)：伸長(zhǎng)率第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2鋼材的主要性能及其鑒定3、冷彎性能

冷彎性能是檢驗(yàn)鋼材適應(yīng)冷加工（常溫下加工）的能力和顯示鋼材內(nèi)部缺陷狀況的一項(xiàng)指標(biāo)

冷彎性能是考察鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)展塑性變形能力的指標(biāo)

冷彎性能由冷彎試驗(yàn)確定

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)return第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2鋼材的主要性能及其鑒定4、沖擊韌性沖擊韌性：在動(dòng)力荷載作用下，材料吸收能量的能力衡量沖擊韌性的指標(biāo)：沖擊功

韌性是鋼材強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)

梅氏U型缺口試件:沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試件型式：夏比V型缺口試件:我國(guó)采用夏比V型缺口試件沖擊韌性受溫度的影響return第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2鋼材的主要性能及其鑒定2.3.2、可焊性

可焊性指采用一般焊接工藝就可完成合格的焊縫的性能

可焊性受化學(xué)成分的影響比較大碳含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.2%時(shí)，具有良好的可焊性。第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2鋼材的主要性能及其鑒定

鋼材物理性能指標(biāo)彈性模量泊松比剪變模量線膨脹系數(shù)質(zhì)量密度第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.3影響鋼材性能的因素2.4.1、化學(xué)成分2.4影響鋼材性能的因素普通碳素鋼中Fe占99%，其他雜質(zhì)元素占1%普通低合金鋼中有＜5%的合金元素碳（C）：鋼材強(qiáng)度的主要來(lái)源，但是隨其含量增加，強(qiáng)度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蝕性降低。一般控制在0.12％～0.2%，在0.2％以下時(shí)，可焊性良好硫（S）：熱脆性，不得超過(guò)0.05%磷（P）：冷脆性?？垢g能力略有提高，可焊性降低。不得超過(guò)0.035%第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.3影響鋼材性能的因素錳（Mn）：合金元素。弱脫氧劑。與S形成MnS，熔點(diǎn)為1600℃，可以消除一部分S的有害作用。硅（Si）：合金元素。強(qiáng)脫氧劑。氧（O）：有害雜質(zhì)，效果同S。氮（N）：有害雜質(zhì)，效果同P。第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.4.2、冶金缺陷常見的冶金缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋等。偏析——化學(xué)成分分布的不均勻程度。2.4.3、冷加工性能1．材性試驗(yàn)要求緩慢加載2．要考慮動(dòng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響加荷速度高，鋼材屈服點(diǎn)提高，呈脆性。因此，2.3影響鋼材性能的因素第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼材硬化冷作硬化—當(dāng)加載超過(guò)材料比例極限卸載后，出現(xiàn)殘余變形，再次加載則屈服點(diǎn)提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象，也稱“應(yīng)變硬化”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”。

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。2.3影響鋼材性能的因素第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.4.4、溫度的影響1.正溫范圍

100℃以內(nèi)對(duì)鋼材性能無(wú)影響；

100℃以上隨溫度升高，總的趨勢(shì)是強(qiáng)度、彈性模量降低，

塑性增大

250℃左右 抗拉強(qiáng)度略有提高，塑性和韌性降低，脆性增加——藍(lán)脆現(xiàn)象。該溫度區(qū)段稱為“藍(lán)脆區(qū)”。

250～350℃ 在應(yīng)力不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形——徐變現(xiàn)象。

600℃左右

彈性模量趨于零，承載能力幾乎完全喪失。2.3影響鋼材性能的因素第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.負(fù)溫范圍當(dāng)溫度低于常溫時(shí)，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而增加。T1～T2

之間溫度轉(zhuǎn)變脆性區(qū)，沖擊功急劇下降。而且不同的鋼材其脆性轉(zhuǎn)變區(qū)溫度不同，必須通過(guò)試驗(yàn)確定。使用溫度必須高于T1

，但不一定高于T22.3影響鋼材性能的因素第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.4.5、應(yīng)力集中的影響構(gòu)造缺陷：構(gòu)件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突變等應(yīng)力集中：由于構(gòu)造缺陷，應(yīng)力不均勻，力線變曲折，缺陷處有高峰應(yīng)力。應(yīng)力集中的危害：塑性降低，脆性增加

構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免截面突變和尖銳角的情況2.3影響鋼材性能的因素第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.5、復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件假定：1.材料由彈性轉(zhuǎn)入塑性的強(qiáng)度指標(biāo)用變形時(shí)單位體積中積聚的能量來(lái)表達(dá)；2.當(dāng)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下變形能等于單軸受力時(shí)的變形能時(shí)，鋼材即由彈性轉(zhuǎn)入塑性。彈性狀態(tài)塑性狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)梁的應(yīng)力狀態(tài)純剪應(yīng)力狀態(tài)2.3影響鋼材性能的因素24韓國(guó)圣水大橋因疲勞破壞而突然塌落2.6鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和疲勞計(jì)算疲勞破壞試驗(yàn)表明，鋼構(gòu)件在連續(xù)反復(fù)荷載作用下，盡管應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)后，也會(huì)發(fā)生斷裂破壞。這種經(jīng)歷長(zhǎng)期反復(fù)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。破壞原因:鋼構(gòu)件上難免有微觀裂紋（crack），如非金屬雜質(zhì)、軋制或加工時(shí)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)，并伴隨雙向或三向拉應(yīng)力場(chǎng)，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(huì)立刻引起構(gòu)件斷裂。但在長(zhǎng)期反復(fù)荷載作用下，裂紋尖端的拉應(yīng)力使裂紋有逐步擴(kuò)展的趨勢(shì)并緩慢地?cái)U(kuò)展，與此同時(shí)，構(gòu)件的有效截面也逐步減小。經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)（circle）次數(shù)后，一旦裂紋擴(kuò)展到構(gòu)件截面不能承受荷載時(shí)，構(gòu)件出現(xiàn)突然斷裂。

2.6.1鋼材的常幅疲勞反復(fù)荷載在構(gòu)件內(nèi)引起的應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線稱為循環(huán)應(yīng)力譜（圖2-11）。用ρ=σmin/σmax來(lái)表示（拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）。例如，ρ=-1表示完全對(duì)稱（symmetry）循環(huán)，ρ=0表示脈沖（pulse）循環(huán)。ρ值可以介于-1和+1之間。（a）完全對(duì)稱循環(huán)ρ=-1（b）脈動(dòng)應(yīng)力循環(huán)ρ=0圖2-11循環(huán)應(yīng)力譜應(yīng)力變化的幅度稱為應(yīng)力幅，用△σ=σmax-σmin表示。在應(yīng)力循環(huán)過(guò)程中，如果應(yīng)力幅保持為常量，稱為常幅循環(huán)應(yīng)力，否則稱變幅應(yīng)力循環(huán)。常幅疲勞試驗(yàn)可以測(cè)定鋼材的疲勞強(qiáng)度極限。試驗(yàn)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(yàn)機(jī)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；圖2-13鋼材的疲勞強(qiáng)度極限當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)試件旋轉(zhuǎn)時(shí)，試件表面各點(diǎn)的應(yīng)力交替出現(xiàn)拉、壓變化，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈完成一次循環(huán)，由施加的彎矩可以算出應(yīng)力幅；當(dāng)經(jīng)過(guò)某一循環(huán)次數(shù)n，試件破壞，得到△σ－n曲線上的一個(gè)點(diǎn)（圖2.7）。疲勞極限依次對(duì)其余試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并逐步減小彎矩，也即減小應(yīng)力幅△σ，試件破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)將不斷增加，每一根試件得到△σ－n曲線上的一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)力幅△σ小于一定值時(shí)，即使有無(wú)限次循環(huán)，試件也不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。按照有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建議，將n＝5×106所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅稱為材料的疲勞極限。鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算

我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB500017－2003）規(guī)定，當(dāng)構(gòu)件的工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

n＞5×104時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。

另外，不同構(gòu)件或連接形式其疲勞性能各不相同，因此也不能用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB500017－2003）將不同構(gòu)造和受力特點(diǎn)的鋼構(gòu)件和連接，按其疲勞性能的高低歸并為八個(gè)疲勞計(jì)算類別（見附錄6）。其中一類疲勞性能最好，八類最差。疲勞計(jì)算表達(dá)式如下：

一、常幅疲勞計(jì)算

計(jì)算公式：△σ≤[△σ]30式中△σ——應(yīng)力幅。對(duì)焊接部位，△σ=σmax-σmin；對(duì)非焊接部位，△σ=σmax-0.7σmin。σmax——計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力（取正值）；σmin——計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大壓應(yīng)力（取負(fù)值）；[△σ]——常幅疲勞的容許應(yīng)力幅（N/mm2）,按下式計(jì)算：[△σ]=(C/n)1/β

式中:n——應(yīng)力循環(huán)次；C,β——系數(shù),根據(jù)疲勞計(jì)算分類按表2-3取值。31二、變幅疲勞計(jì)算

實(shí)際工程構(gòu)件的工作應(yīng)力幅多為變化的，或稱隨機(jī)荷載，如吊車起吊荷載每次可能都不一樣，且多數(shù)工作荷載小于設(shè)計(jì)荷載。對(duì)于重級(jí)工作制吊車梁和重級(jí)、中級(jí)工作制吊車桁架，按照線性疲勞累積損傷原則，將隨機(jī)變化的應(yīng)力幅折算成等效常應(yīng)力幅按下式計(jì)算：

式中：——欠載效應(yīng)的等效系數(shù)——循環(huán)次數(shù)n＝2×106的容許應(yīng)力幅,可按式2-9計(jì)算。進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)需注意以下三點(diǎn)：

1）目前疲勞計(jì)算仍采用容許應(yīng)力法，荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮分項(xiàng)系數(shù)和動(dòng)力系數(shù)，并按彈性工作計(jì)算。

2）計(jì)算時(shí)可認(rèn)為疲勞容許應(yīng)力幅與鋼材種類無(wú)關(guān)。

3)完全壓應(yīng)力循環(huán)中，可不予驗(yàn)算疲勞。第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.5鋼的種類和鋼材規(guī)格2.7鋼的種類和鋼材規(guī)格2.7.1、鋼的種類1.化學(xué)成分普通碳素鋼Q235普通低合金鋼Q345、Q390、Q420平爐成本高，質(zhì)量好（6小時(shí)100t左右）氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐成本低，質(zhì)量也可（15分鐘150t）2.爐種3.脫氧程度沸騰鋼（F）脫氧較差鎮(zhèn)靜鋼（Z）脫氧充分半鎮(zhèn)靜鋼（b）脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ）第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.5鋼的種類和鋼材規(guī)格4.質(zhì)量等級(jí)A級(jí)：保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)和伸長(zhǎng)率及硫、磷含量B、C、D級(jí)：保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、伸長(zhǎng)率、冷彎和沖擊韌性（分別為20℃、0℃、-20℃）及碳、硅、錳、硫、磷含量E級(jí)：除滿足D級(jí)的要求外，還要求-40℃時(shí)的沖擊韌性5.鋼材編號(hào)碳素鋼：Q×××質(zhì)量等級(jí)（A～D）脫氧程度（F，b）低合金鋼：Q×××質(zhì)量等級(jí)（A～E）如Q235-A·F、Q345-C第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料2.5鋼的種類和鋼材規(guī)格2.7.2.鋼材的選擇（1）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性；（2）荷載的種類（靜荷載或動(dòng)荷載）；（3）連接方法（焊接或非焊接）；（4）工作條件（溫度，腐蝕等）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)