鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課件第二章

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課件第二章第1頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2鋼結(jié)構(gòu)的材料本章內(nèi)容:

（1）

鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的基本要求

（2）鋼材的破壞形式

（3）鋼材的主要機(jī)械性

（4）影響鋼材性能的主要因素

（5）鋼的種類(lèi)和鋼材規(guī)格本章重點(diǎn):鋼材的主要機(jī)械性能、各種因素對(duì)

鋼材性能的影響本章難點(diǎn):影響鋼材性能的主要因素第2頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.1鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求對(duì)鋼材的基本要求：

1、具有較高的抗拉強(qiáng)度f(wàn)u和屈服點(diǎn)fy

(結(jié)構(gòu)的承載力大，所需的截面小，結(jié)構(gòu)的自重輕).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(dòng)力荷載).3、良好的工藝性能(包括冷加工、熱加工以及焊接性能)第3頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

規(guī)范規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服點(diǎn)和碳、硫、磷含量的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證；對(duì)某些承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)以及重要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有常溫或負(fù)溫沖擊性的合格保證.據(jù)上要求,《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼中的Q345、Q390和Q420鋼四種鋼材。2.1鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求第4頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.2鋼材的破壞形式1、塑性破壞：斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。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、脆性破壞：破壞前沒(méi)有任何預(yù)兆，破壞是突然發(fā)生的，斷口平直并呈有光澤的晶粒狀。鋼材的破壞形式：塑性破壞和脆性破壞。

在設(shè)計(jì)、施工和使用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，注意防止脆性破壞。第5頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.3鋼材的主要性能2.3.1受拉、受壓及受剪時(shí)的性能鋼材的主要性能是機(jī)械性能，可通過(guò)某些試驗(yàn)（拉伸、冷彎、沖擊）確定。圖2.1

碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

fp—比例極限

fy—屈服強(qiáng)度

(強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)依據(jù))

fu—極限強(qiáng)度(最大承載強(qiáng)度、強(qiáng)度儲(chǔ)備)第6頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二條件屈服點(diǎn)：以卸荷后試件中殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力（f0.2)δ—延伸率（塑性性能）塑性：在靜力荷載作用下，鋼材吸收變形能的能力。圖2.2

高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線2.3鋼材的主要性能第7頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.3鋼材的主要性能2.3.2冷彎性能冷彎性能是檢驗(yàn)鋼材彎曲變形能力或塑性性能，還是顯示鋼材內(nèi)部缺陷狀況的一項(xiàng)指標(biāo)；是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下塑性應(yīng)變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標(biāo)。圖2.3

鋼材冷彎試驗(yàn)示意圖第8頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.2鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法2.3.3沖擊韌性

韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它用材料在斷裂時(shí)所吸收的總能量來(lái)量度（Cv）。韌性是鋼材強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。

沖擊韌性：在動(dòng)力荷載作用下，材料吸收能量的能力。圖2.4

沖擊韌性試驗(yàn)第9頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

2.4.1化學(xué)成分

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(duì)鋼材機(jī)械性能的影響如下。第10頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二碳C：含量增加，鋼材強(qiáng)度提高，而塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度低。同時(shí)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(guò)0.22%；在焊接結(jié)構(gòu)中還應(yīng)低于0.2%。硅Si：碳素結(jié)構(gòu)鋼中應(yīng)控制≤0.3%,在低合金高強(qiáng)度鋼中硅的含量可達(dá)0.55%。錳Mn：含Mn適量使強(qiáng)度↑，降低S、O的熱脆影響，改善熱加工性能，對(duì)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(qiáng)度鋼中錳的含量可達(dá)

1.0%～1.6%。2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

第11頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

硫S：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，在高溫時(shí)，使鋼材變脆，稱(chēng)之為熱脆。含量應(yīng)不超過(guò)0.045%。

(有害成分)磷P：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，在低溫時(shí)，使鋼材變脆，稱(chēng)之為冷脆。含量應(yīng)不超過(guò)0.045%?？梢蕴岣邚?qiáng)度和抗銹蝕性。

(有害成分)氧O：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，在高溫時(shí)，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(qiáng)度，在低溫時(shí)，發(fā)生冷脆。(有害成分)第12頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二釩和鈦：是鋼中的合金元素，能提高鋼的強(qiáng)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(qiáng)度，但對(duì)焊接性能有不利影響。2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

第13頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.4.2冶金缺陷

在冶煉、軋制過(guò)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。冶煉（脫氧）圖2.5

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(duì)鋼材性能的影響

第14頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二注意：薄鋼板的強(qiáng)度比厚鋼板的強(qiáng)度高。軋制軋棍圖2.6

鋼的軋制使晶粒細(xì)化2.4.2冶金缺陷2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

第15頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.4.2冶金缺陷2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

0.035~0.0400.030~0.0350.025~0.0300.0250.025~0.0300.09~0.100.08~0.090.07~0.080.06~0.070.055~0.060.05~0.0550.045~0.050.04~0.0450.035~0.040.03~0.0350.025~0.030.025圖2.7

鋼錠中硫的偏析(a)鎮(zhèn)靜鋼錠(b)沸騰鋼錠鋼液含硫0.032%鋼液含硫0.04%圖2.8

型鋼硫的偏析是硫、磷，將使偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。1.偏析：鋼中化學(xué)成分分布不均勻，主要的偏析第16頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

2、非金屬夾雜：鋼材中存在非金屬化合物（硫化物、氧化物），使鋼材性能變脆。

3、裂紋、分層：澆注時(shí)的非金屬夾雜物在軋制中可能造成鋼材的分層，影響鋼材的冷彎性能。

2.4.2冶金缺陷2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

第17頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二冷作硬化——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(chēng)“應(yīng)變硬化”。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。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(chēng)“人工時(shí)效”。

2.4.3鋼材硬化2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

第18頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.4.4溫度影響

溫度升高，鋼材強(qiáng)度是降低、應(yīng)變?cè)龃?；反之，溫度降低，鋼材?qiáng)度略有增加，塑性和韌性降低而變脆，見(jiàn)圖2.9。

藍(lán)脆：在250度左右時(shí)，強(qiáng)度提高而伸長(zhǎng)率和沖擊韌性降低，鋼材表面氧化膜呈藍(lán)色，此種現(xiàn)象稱(chēng)為藍(lán)脆現(xiàn)象。

徐變：當(dāng)溫度在260—320度時(shí)，在應(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，此種現(xiàn)象稱(chēng)為徐變。當(dāng)溫度達(dá)到600度時(shí)強(qiáng)度很低，不能承擔(dān)荷載。2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

第19頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二fufyδ(%)Et(℃)圖2.9

溫度對(duì)鋼材機(jī)械性能的影響2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

第20頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二圖2.10

沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

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T2。第21頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.4.5應(yīng)力集中

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?，在力作用下，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。應(yīng)力集中系數(shù)

:應(yīng)力集中是造成構(gòu)件脆性破壞的主要原因之一。應(yīng)力集中系數(shù)越大，變脆的傾向越嚴(yán)重。2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

第22頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二圖2.11

孔洞及槽孔處的應(yīng)力集中2.4.5應(yīng)力集中

2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

第23頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.4.6反復(fù)荷載作用疲勞破壞:

鋼材在直接的反復(fù)的動(dòng)力荷載作用下，鋼材的強(qiáng)度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗(yàn)的極限強(qiáng)度，這種現(xiàn)象稱(chēng)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(huì)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(jì)、制造及使用中應(yīng)注意:

合理設(shè)計(jì)正確制造正確使用2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

第24頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.5復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件

在單軸應(yīng)力作用下

時(shí)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(guò)某屈服點(diǎn)來(lái)判別，而是按材料力學(xué)的能量強(qiáng)度理論計(jì)算折算應(yīng)力與鋼材在單軸應(yīng)力作用下的比較判斷。圖2.12

復(fù)雜應(yīng)力第25頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二當(dāng)用應(yīng)力分量表示時(shí)：

當(dāng)用主應(yīng)力表示時(shí)：

在普通梁中，一般只存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力：

2.5復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件

第26頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

（1）當(dāng)三個(gè)主應(yīng)力同號(hào)且數(shù)值接近時(shí)，即使很大，但鋼材很難屈服，發(fā)生脆性破壞。（2）有異號(hào)應(yīng)力，且同號(hào)兩個(gè)應(yīng)力差較大，即使，但可能大于，發(fā)生塑性破壞。

純剪：

討論：2.5復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件

第27頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.7鋼材的種類(lèi)和規(guī)格

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(qiáng)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(lèi)第28頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二鋼的牌號(hào)有四部分組成：

1、Q——代表屈服強(qiáng)度的字母；

2、屈服點(diǎn)的數(shù)值——195、215、235、275、295、345、390、420、460等；

3、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)——A、B、C、D四個(gè)等級(jí)(碳素結(jié)構(gòu)鋼)A、B、C、D、E五個(gè)等級(jí)（低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼）

4、脫氧方法符號(hào)——F代表沸騰鋼、z代表鎮(zhèn)靜鋼、Tz代表特殊鎮(zhèn)靜鋼。2.7鋼材的種類(lèi)和規(guī)格

2.7.1鋼材的種類(lèi)第29頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

主要用于鋼結(jié)構(gòu)某些節(jié)點(diǎn)或用作連接件。建筑結(jié)構(gòu)用鋼板

高性能建筑結(jié)構(gòu)鋼材(GJ鋼)，牌號(hào)由以下組成：

1、Q——代表屈服強(qiáng)度的字母；

2、屈服點(diǎn)的數(shù)值；

3、代表高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼的漢語(yǔ)拼音字母GJ；

4、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)——B、C、D、E四個(gè)等級(jí)對(duì)于厚度方向性能鋼板，在質(zhì)量等級(jí)后面加上厚度方向性能級(jí)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)。2.7鋼材的種類(lèi)和規(guī)格

2.7.1鋼材的種類(lèi)第30頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二確定鋼材種類(lèi)及其質(zhì)量等級(jí)。鋼材的選用原則

1、結(jié)構(gòu)的重要性

安全等級(jí)不同，所選鋼材的質(zhì)量等級(jí)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(dòng)力荷載，應(yīng)選用各項(xiàng)性能不同的鋼材。2.7.2鋼材的選擇2.7鋼材的種類(lèi)和規(guī)格

第31頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

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(duì)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(shí)，選用負(fù)溫沖擊合格的鋼材，結(jié)構(gòu)周?chē)懈g介質(zhì)存在時(shí)要選用抗銹性好的鋼材。

5、鋼材的厚度

厚