鋼結構的設計原理與材料設計

第二章鋼結構的材料大綱要求:

1.了解鋼結構的兩種破壞形式；

2.掌握結構用鋼材的主要性能及其機械性能指標；3.掌握影響鋼材性能的主要因素特別是導致鋼材變脆的主要因素；4.了解結構用鋼材的種類、牌號、規(guī)格；5.了解鋼材選擇的依據(jù)，做到正確選擇鋼材；6.掌握鋼材疲勞的概念和疲勞計算方法。1.較高的抗拉強度fu和屈服點fy；2.較好的塑性、韌性；3.良好的工藝性能（冷、熱加工，可焊性）；4.對環(huán)境的良好適應性。§2.1

鋼結構對材料的要求一、塑性破壞

破壞前有明顯的塑性變形，破壞過程長，斷口發(fā)暗，可以采取補救措施。

二、脆性破壞

壞前沒有明顯的變形和征兆，破壞時的變形遠比材料應有的變形能力小，破壞突然，斷口平直、發(fā)亮呈晶粒狀，無機會補救?！?.2鋼材的破壞形式一、受拉、受壓、受彎及受剪時的性能（一）一次拉伸時的性能

1.條件：標準試件（GB228—63），常溫（20℃）下緩慢加載，一次完成。含碳量為0.1%－0.3%。標準試件：lo/d=5、10；lo-標距；d--直徑§2.3

鋼材的主要性能d2.階段劃分A.有屈服點鋼材σ--ε曲線可以分為五個階段：(1)彈性階段(OB段)OA段材料處于純彈性，即:AB段有一定的塑性變形,但整個OB段卸載時，ε=0；E=206×103N/mm2OBCDAE（2）彈塑性階段（BC)

該段很短,表現(xiàn)出鋼材的非彈性性質;

σB—屈服上限;σC—屈服下限

(屈服點fy)（3）塑性階段（CD)

該段σ基本保持不變（水平),ε急劇增大,稱為屈服臺階或流幅段,變形模量E=0OBCDAEO‘S（4）強化階段(DE段)極限抗拉強度fu（5）頸縮階段(EF段)隨荷載的增加σ緩慢增大,但ε增加較快OBCDAEB.對無明顯屈服點的鋼材

該種鋼材在拉伸過程中沒有屈服階段，塑性變形小，破壞突然。

設計時取相當于殘余變形為0.2%

時所對應的應力作為屈服點—‘條件屈服點’fy=f0.20.2%fuεp3.應力應變曲線的的簡化1)fy與fb相差很?。?)超過fy到屈服臺階終止止的變形約為2.5%--3%，足以滿足考慮慮結構的塑性變變形發(fā)展的要求求。（1）鋼材可以簡化化為理想彈塑性體ε2.5%--3%fy

ε00.15%ε（2）鋼材在靜載作作用下：強度計算以fy為依據(jù);fu為結構的安全儲儲備。（3）斷裂時變形約約為彈性變形的的200倍，在破壞前產(chǎn)生明顯可見的的塑性變形，可及時時補救，故幾乎不可能發(fā)發(fā)生。O0.15%22%fufyfu-fy4.單向拉伸時鋼材材的機械性能指指標（1）屈服點fy--應力應變曲線開開始產(chǎn)生塑性流流動時對應的應應力，它是衡量量鋼材的承載能力和確定鋼材強度設計值的重要指標。（2）抗拉強度fu--應力應變曲線最最高點對應的應應力，它是鋼材材最大的抗拉強強度。（3）伸長率（4）斷面收縮率它是衡量鋼材塑塑性應變能力的的重要指標。當l0/d=5時，用δ5表示，當l0/d=10時，用δ10表示。A0A1同單向拉伸時的的性能，屈服點點也相差不多。。（二）受壓時的的性能采用短試件l0/d=3,屈服點同單向拉拉伸時的屈服點點。（三）受彎時的的性能（四）受剪時時的性能抗剪強度可由由折算應力計計算公式得到到：二、冷彎性能能衡量鋼材塑性性性能和質量量優(yōu)劣的綜合合指標。三、沖擊韌性性衡量鋼材在動動力（沖擊））荷載、復雜雜應力作用下下抗脆性破壞壞能力的指標標，用斷裂時時吸收的總能能量（彈性和和非彈性能））來表示。(a)梅氏U型缺口(b)夏比V型缺口U型缺口試件的的韌性指標：：ak——沖擊韌性值；；Ak——沖擊功；A——試件缺口處凈凈截面積。V型缺口試件的的韌性指標通通過沖擊功Ak表示。沖擊韌性試驗驗裝置四、可焊性鋼材采用一定定的焊接方法法、焊接材料料、焊接工藝藝參數(shù)及一定定的結構形式式等條件下，，獲得合格焊焊縫的難易程程度。與含C量和合金元素素有關,0.12%~0.20%的可焊性最好好。Ni(鎳);Mo(鉬)鋼材的機械性性能指標1、屈服點fy；2、伸長率δ；3、抗拉強度fu；4、冷彎試驗；；5、沖擊韌性Cv(包括常溫沖擊擊韌性、0度時沖擊韌性性負溫沖擊韌性性）。小結一、化學成分普通碳素鋼中中Fe占99%，其他雜質元素素占1%；普通低合金鋼鋼中合金元素素＜5%。1.碳（C）：鋼材強度的的主要來源，，隨其含量增加加，強度增加加，塑性降低低，可焊性降降低，抗腐蝕蝕性降低。一般控制制在0.22%以下，在0.2％以下時，可可焊性良好。?！?.4各種因素對鋼鋼材性能的影影響2.硫（S）：有害元素，，熱脆性冷。。不得超過0.05%。3.磷（P）：有害元素，，冷脆性。抗抗腐蝕能力略略有提高，可可焊性降低。。不得超過0.045%。4.錳（Mn）：合金元素。。弱脫氧劑。。與S形成MnS，熔點1600℃，可以消除一一部分S的有害作用。5.硅（Si）：合金元素。。強脫氧劑。。6.釩（V）：合金元素。。細化晶粒，，提高強度，，其碳化物具具有高溫穩(wěn)定定性，適用于于受荷較大的的焊接結構。。7.氧（O）：有害雜質，，與S相似。8.氮（N）：有害雜質，，與P相似。9.銅（Cu）：提高抗銹蝕蝕性，提高強強度，對可焊焊性有影響。。二．冶金缺陷陷常見的冶金缺缺陷有：偏析：化學成成分分布的不不均勻程度；；非金屬夾雜；；氣孔；裂紋等。1．冶煉鋼材的冶煉方方法主要有平平爐煉鋼、氧氧氣頂吹轉爐爐煉鋼、堿性性側吹轉爐煉煉鋼及電爐煉煉鋼。在建筑筑鋼結構中，，主要使用氧氧氣頂吹轉爐爐生產(chǎn)的鋼材材。目前氧氣氣頂吹轉爐鋼鋼的質量，由由于生產(chǎn)技術術的提高，已已不低于平爐爐鋼的質量。。冶煉這一冶金金過程形成鋼鋼的化學成分分與含量、鋼鋼的金相組織織結構，不可可避免地存在在冶金缺陷，，從而確定不不同的鋼種、、鋼號及其相相應的力學性性能。2．澆鑄把熔煉好的鋼鋼水澆鑄成鋼鋼錠或鋼坯有有兩種方法，，一種是澆入入鑄模做成鋼鋼錠，另一種種是澆入連續(xù)續(xù)澆鑄機做成成鋼坯。鑄錠錠過程中因脫脫氧程度不同同，最終成為為鎮(zhèn)靜鋼、半半鎮(zhèn)靜鋼與沸沸騰鋼。鋼在冶煉及澆澆鑄過程中會會不可避免地地產(chǎn)生冶金缺缺陷。常見的的冶金缺陷有有偏析、非金金屬夾雜、氣氣孔及裂紋等等等。這些缺缺陷都將影響響鋼的力學性性能。3．軋制鋼材的軋制能能使金屬的晶晶粒變細，也也能使氣泡、、裂紋等焊合合，因而改善善了鋼材的力力學性能。薄薄板因輥軋次次數(shù)多，其強強度比厚板略略高、澆鑄時時的非金屬夾夾雜物在軋制制后能造成鋼鋼材的分層，，所以分層是是鋼材(尤其其是厚板)的的一種缺。設設計時應盡量量避免拉力垂垂直于板面的的情況，以防防止層間撕裂裂。4．熱處理熱處理的目的的在于取得高高強度的同時時能夠保持良良好的塑性和和韌性。正火火屬于最簡單單的熱處理：：把鋼材加熱熱至850~900oC并保持一段時時間后在空氣氣中自然冷卻卻，即為正火火。如果鋼材材在終止軋制制時溫度正好好控制在上述述溫度范圍，，可得到正火火的效果，稱稱為控軋?；鼗鼗鹗菍摬牟闹匦录訜嶂林?50oC并保溫一段時時間，然后在在空氣中自然然冷卻。淬火火加回火也稱稱調質處理，，淬火是把鋼鋼材加熱至900oC以上，保溫一一段時間，然然后放入水或或油中快速冷冷卻。強度很很高的鋼材，，包括高強度度螺栓的材料料都要經(jīng)過調調質處理。三、鋼材的硬硬化冷作硬化——當荷載超過材材料比例極限限卸載后，出出現(xiàn)殘余變形形，再次加載載則比例極限限（或屈服點點）提高的現(xiàn)現(xiàn)象，也稱“應變硬化”。時效硬化——隨時間的增長長，碳和氮的的化合物從晶晶體中析出，，使材料硬化的現(xiàn)現(xiàn)象。應變時效——鋼材產(chǎn)生塑性性變形時，碳碳、氮化合物物更易析出。。即冷作硬化化的同時可以以加速時效硬硬化，因此也也稱“人工時效”。四、溫度影響響1．正溫范圍200℃以內(nèi)對鋼材性能無無大影響，該范圍圍內(nèi)隨溫度升高總總的趨勢是屈服強強度、抗拉強度以以及彈性模量都是是降低的8006004002000N/mm2Efuδfy200400600溫度對鋼材機械性能的影響20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)250℃左右抗拉強度略有有提高，塑性降低低，脆性增加—藍脆現(xiàn)象，該溫度區(qū)段稱為為“藍脆區(qū)”。260～320℃產(chǎn)生徐變現(xiàn)象600℃左右彈性模量趨于于零，承載能力力幾乎完全喪失。。8006004002000N/mm2Efuδfy200400600溫度對鋼材機械性能的影響20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)當溫度低于常溫時時，鋼材的脆性傾傾向隨溫度降低而而增加，材料強度略有提高高，但其塑性和韌韌性降低，該現(xiàn)象象稱為低穩(wěn)冷脆。。2．負溫范圍脆性破壞轉變過渡區(qū)段塑性破壞反彎點試驗溫度T0C沖擊斷裂功CvT1T2T0沖擊韌性與溫度的關系曲線五、應力集中1.應力集中的概念構件表面不平整，，有刻槽、缺口，，厚度突變時，應應力不均勻，力線線變曲折，缺陷處處有高峰應力—應力集中。2.應力集中的影響六、焊接殘余應力力oZXY單元體受復雜應力（應力分量）單元體受主應力§2.5復雜應力作用下鋼鋼材的屈服條件復雜應力狀態(tài)１）材料由彈性轉轉入塑性的強度指指標用可變形時單單位體積中積聚的的能量來表達；假定：２）當復雜應力狀狀態(tài)下變形能等于于單軸受力時的變變形能時，鋼材即即由彈性轉入塑性性。能量強度理論1.以應力分量表示2.以主應力表示材料處于彈性狀態(tài)態(tài)材料處于塑性狀態(tài)態(tài)圖示簡支梁1-1截面腹板與翼緣交交界A點的應力1-1A對于薄板，厚度方方向的應力很小，，為平面受力狀態(tài)態(tài)。PPMM11AXVY3-3APMVP33YXM3-3截面僅有剪力，彎彎矩、局部壓力均均為零，故該截面面除剪應力外，正正應力均為零，即即為純剪狀態(tài)。一般的梁，只存在在正應力和剪應力力，則：2-2AVM22AYXq討論：（1）三向受壓時(靜水壓力)（2）三向受拉時————不破壞;————一定破壞;由于三向受拉限制制了材料的塑性發(fā)發(fā)展，材料要發(fā)生生脆性破壞。能量理論所得的公公式只適用于塑性性材料，因此形式式上的不破壞與實際的脆性破壞是不矛盾的，只只是實際的脆性破破壞不再符合能量量理論的基本假定定。一、概念1、循環(huán)荷載——結構或構件承受的的隨時間變化的荷荷載?！?.6鋼材的疲勞2、鋼材的疲勞在循環(huán)荷載（連續(xù)續(xù)反復荷載）作用用下，經(jīng)過有限次次循環(huán)，鋼材發(fā)生生破壞的現(xiàn)象，稱稱之為疲勞。疲勞斷裂是微觀裂裂縫在連續(xù)重復荷荷載作用下不斷擴擴展直至斷裂的脆脆性破壞。斷口可可能貫穿于母材，，可能貫穿于連接接焊縫，也可能貫貫穿于母材及焊縫縫。3.疲勞破壞的機理疲勞破壞是積累損損傷的結果。缺陷→微觀裂紋→→宏觀裂紋。4.疲勞破壞的特征屬于脆性破壞，截截面平均應力小于于屈服點。疲勞破壞的構件斷斷口上面一部分呈現(xiàn)半橢圓形光光滑區(qū)，其余部分則為粗糙區(qū)。5.影響鋼材疲勞的主主要因素（1）構件和連接的分分類規(guī)范將構件和連接接的種類分為8類，第1類為軋制的型鋼（殘殘余應力?。┢趧趶姸茸罡?；第8類為角焊縫應力集中中最嚴重疲勞強度度最低。詳見見鋼結構設計規(guī)范范“疲勞計算的構件和和連接分類（附錄錄E）”。a:應力循環(huán)特征—應力比ρb:應力幅在循環(huán)荷載作用下下，應力從最大到到最小重復一次為為一次循環(huán)，最大大應力與最小應力力之差為應力幅:為常量常幅循環(huán)：為變量變幅循環(huán)：+σ-σt（2）應力幅（Δσ）和應力循環(huán)特征征（應力比ρ）完全對稱循環(huán)(＝-1)靜靜荷載作作用(＝+1)脈沖循環(huán)(＝0)一一般應應力循環(huán)(-1<<+1)應力幅對焊接結構的疲勞勞強度有很大影響，而與名義最大應應力σmax和應力比ρ無關。（2）應力循環(huán)次數(shù)N（疲勞壽命）應力循環(huán)次數(shù)N<5×104，不需要進行疲勞勞計算。當構件條件相同，，應力比為定值時時，最大應力σmax隨應力循環(huán)次數(shù)n的增加而降低，且且曲線具有平行于于n軸的漸近線。當n趨于很大時，σmax趨于應力循環(huán)無窮多次試件不至于于發(fā)生疲勞破壞的的極限值0NX105N1N2fy123456由試驗結果，以及及上述分析可知鋼鋼材的疲勞強度主主要與構件和連接接分類（內(nèi)部缺陷陷、應力集中、殘殘余應力）、應力力循環(huán)次數(shù)和應力力幅有關。焊接部位的疲勞強強度與鋼材的靜力力強度(屈服點fy)基本無關。對于只有壓應力的的應力循環(huán)作用，，由于鋼材內(nèi)部缺缺陷不易開展，則則不會發(fā)生疲勞破破壞，不必進行疲疲勞計算。二、疲勞強度計算算（一）常幅疲勞根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以以繪出構件或連接接的應力幅Δσ與相應的致?lián)p循環(huán)環(huán)次數(shù)N的關系曲線，按試試驗數(shù)據(jù)回歸的Δσ-N曲線為平均曲線(圖a)，取對數(shù)坐標(圖b)。1.容許應力幅[Δσ]由于現(xiàn)階段對鋼材材發(fā)生疲勞破壞尚尚處于進一步研究究階段，按概率極極限狀態(tài)計算疲勞勞強度還不成熟，，故采用容許應力力幅的計算方法。。Δσ-N曲線(a)0N式中：β--直線對縱坐標的斜斜率；b1--直線在橫軸坐標上上的截距；N--循環(huán)次數(shù)。(b)0N=5×104N=5X106............b1考慮試驗數(shù)據(jù)的離離散性，取平均值值減去2倍lgN的標準差s作為疲勞強度下限限，當lgΔσ為正態(tài)分布時，保保證率為97.7%。下限值的直線方程程為：此時的Δσ即為容許應力幅：：式中：系數(shù)β、c--根據(jù)鋼結構設計規(guī)規(guī)范“疲勞計算的構件和和連接分類”查表得到。2S2S(b)0N=5×104N=5X106............b12.疲勞強度計算式中：Δσ--計算部位的應力幅幅；對于焊接部位:Δσ=σmax-σmin；對于其他部部位：Δσ=σmax-0.7σσmin(計算應力幅幅）。σmax、σmin--計算部位每每次應力循循環(huán)中的最最大拉應力力和最小拉應力力或壓應力力（取負值值）。說明：1）計算時用用荷載的標標準值；2）由于來源源于試驗，，已考慮動動力效應，，計算時不再考慮慮動力系數(shù)數(shù)；（二）變幅幅疲勞和吊吊車欠載效效應系數(shù)σσmaxσmin0t—欠載效應系數(shù)。重級工作制硬鉤吊車1.0；重級工作制軟鉤吊車0.8；中級工作制吊車0.5。--循環(huán)次數(shù)N=2×106的容許應力幅。式中：對于吊車梁梁，按下式式計算其疲疲勞強度：：一、鋼材或或鋼結構的的脆性斷裂裂1、脆性斷裂裂鋼材或鋼結結構的脆性性斷裂是指指低名義應應力（低于于鋼材抗拉拉強度或屈屈服強度））情況下發(fā)發(fā)生突然斷斷裂的破壞壞。其斷裂面通通常是紋理理方向單一一和較平的的劈裂表面面，很少或或者沒有剪剪切唇邊。。§2.7鋼材的脆性性斷裂及防防止二、影響脆脆性斷裂的的因素1、鋼材質量量差2、結構構件件構造不當當3、制造安裝裝質量差4、結構受有有較大的動動力荷載或或在較低環(huán)環(huán)境溫度下下工作等。。三、脆性斷斷裂的防止止1、按斷裂力力學原理進進行斷裂分分析；2、合理設計計和選用鋼鋼材；3、合理制造造和安裝；；4、建立必要要的使用維維修規(guī)定和和措施一、鋼的種種類1、碳素結構構鋼（GB/T700-88）---低碳鋼牌號號Q235--質量等級（（A、B、C、D）澆注方法（（F、Z、Tz）A--保證fu、fy、δ，P、S含量B--保證fu,fy,δ,冷彎，常溫溫時Cv，P，S，C含量；C--保證fu,fy,δ,冷彎,0oC時Cv，P，S，C含量;D--保證fu,fy,δ,冷彎,-20oC時Cv，P，S，C含量;§2.8鋼材的種類類和規(guī)格碳素結構鋼鋼的牌號（（簡稱鋼號號）有Q195、Q235A、B、C及D,Q275。其中的Q是屈服強度度中屈字漢漢語拼音的的字首，后后接的阿拉拉伯字表示示以N/mm2為單位屈服服強度的大大小，A、B、C或D等表示按質質量劃分的的級別。最最后還有一一個表示脫脫氧方法的的符號如F,Z或b。從Q195到Q275，是按強度度由低到高高排列的；；鋼材強度度主要由其其中碳元素素含量的多多少來決定定，但與其其他一些元元素的含量量也有關系系。所以，，鋼號的由由低到高在在較大程度度上代表了了含碳量的的由低到高高。2.低合金鋼(GB/T1591-94)GB/T1591-94Q295Q390Q345Q420相應的鋼材品種（GB/T1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTiRE低合金鋼的的質量等級級分A、B、C、D、E，其中E主要是要求求-400C的沖擊韌性性。3．優(yōu)質碳素素結構鋼4．高強鋼絲絲和鋼索材材料懸索結構和和斜張拉結結構的鋼索索、桅桿結結構的鋼絲絲繩等通常常都采用由由高強鋼絲絲組成的平平行鋼絲束束、鋼絞線線和鋼絲繩繩。高強鋼鋼絲是由優(yōu)優(yōu)質碳素鋼鋼經(jīng)過多次次冷拔而成成，分為光光面鋼絲和和鍍鋅鋼絲絲兩種類型型。鋼絲強度的的主要指標標是抗拉強強度，其值值在1570-1700N/mm2范圍內(nèi)，而而屈服強度度通常不作作要求。高高強鋼絲的的伸長率較較小，最低低為4%，但高強鋼鋼絲（和鋼鋼索）卻有有一個不同同于一般結結構鋼材的的特點——松弛，即在在保持長度度不變的情情況下所承承拉力隨時時間延長而而略有降低低。平行鋼絲束束由7根、19根、37根或61根鋼絲組成成，其截面面見圖示。。鋼絲束內(nèi)內(nèi)各鋼絲受受力均勻，，彈性模量量接近一般般受力鋼材材。用來組組成鋼絲束束的鋼絲除除圓形截面面外，還有有梯形和異異形截面的的鋼絲。鋼絞線亦稱稱單股鋼絲絲繩，由多多根鋼絲捻捻成。鋼絲繩多由由7股鋼絞線捻捻成，以一一股鋼絞線線為核心，，外層的6股鋼絞線沿沿同一方向向纏繞。圖2.13平行鋼絲束束的截面圖2.14鋼絲繩的捻捻法及截面面二、鋼材的的選擇（一）選擇鋼鋼材的原則則1．結構或構構件的重要要性；2．荷載情況況（靜力荷荷載，動力力荷載）；；靜力荷載作作用下可選選擇經(jīng)濟性性較好的Q235鋼材。動力荷載作作用下應選選擇綜合性性能較好鋼鋼材。3．連接方法法（焊接連連接、螺栓栓連接）；；焊接結構構對材質質的要求求嚴格，，應嚴格格控制C、S、P的極限含含量；非非焊接結結構對C的要求可可降低一一些。4．結構所所處的工工作條件件（環(huán)境境溫度，，腐蝕等等）；低溫下工工作的結結構應選選擇低溫溫脆斷性性能好的的鎮(zhèn)定鋼鋼鋼材的厚厚度。厚度大的的焊接結結構應采采用材質質較好的的鋼材。。（二）鋼鋼材選擇擇建議1、承重結構構的鋼材材宜采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼，其質質量應分分別符合合國家標標準《碳素結構構鋼》GB/T700和《低合金高高強度結結構鋼》GB/T1591的規(guī)定。。當采用用其他牌牌號的鋼鋼材時，，尚符合合相應有有關標準準的規(guī)定定和要求求。2、承重結結構的鋼鋼材應具具有抗拉拉強度、、伸長率率、屈服服強度和和硫、磷磷含量的的合格保保證，對對焊接結結構尚具具有含碳碳量的合合格保證證。3、對于需要要驗算疲疲勞的焊接結構構，應具有有常溫沖沖擊韌性性的合格格保證；當結構工工作溫度度等于或或低于0℃但高于－－20℃時，Q235鋼和Q345鋼應具有有0℃沖擊韌性性合格的的保證；對于Q390鋼和Q420鋼應具有有－20℃沖擊韌性性的合格格保證。當結構工工作溫度度等于或或低于－－20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應具有有－20℃沖擊韌性性的合格格保證；；對Q390和Q420鋼應具有有－40℃沖擊韌性性的合格格保證。4、對于需需要驗算算疲勞的的非焊接結結構的鋼材亦亦應具有有常溫沖沖擊韌性性的合格格保證，當結構工工作溫度度等于或或低于－－20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應具有有0℃沖擊韌性性合格的的保證；；對Q390鋼和Q420鋼應具有有－20℃沖擊韌性性的合格格保證。。5、重要的的受拉或或受彎的的焊接構構件中，，厚度大大于等于于16mm的鋼材應應具有常常溫沖擊擊韌性合合格的保保證。6、當焊接結結