鋼結(jié)構(gòu)上二章建筑鋼材.ppt

1、a,1,鋼 結(jié) 構(gòu),主 講：陳建鋒,a,2,第 2 章 鋼結(jié)構(gòu)的材料,本章講述鋼結(jié)構(gòu)用鋼，簡稱結(jié)構(gòu)鋼（Q235、Q345、Q390及Q420）的主要機(jī)械性能及影響這些性能的主要因素；鋼材受力的兩種破壞形式及防止脆性破壞的措施；介紹我國目前生產(chǎn)的建筑鋼材品種及規(guī)格,結(jié)構(gòu)鋼：用于建造鋼結(jié)構(gòu)的鋼材,a,3,2.1 建筑鋼材的基本要求,較高的強(qiáng)度 較好的塑性及韌性 良好的加工性能 良好的可焊性 較好的抗銹蝕能力 價(jià)格便宜,現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ50017）推薦承重結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235，及低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼中的Q345、Q390及Q420鋼,a,4,2.2 建筑鋼材的兩種破壞形式,

2、塑性破壞：破壞前變形明顯，破壞時(shí)應(yīng)力達(dá)fy，有明顯頸縮現(xiàn)象。 塑性變形后出現(xiàn)內(nèi)力重分布，應(yīng)力趨于均勻。 吸收很大的能量，延續(xù)時(shí)間長，有明顯的塑性變形，斷裂時(shí)斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。易發(fā)現(xiàn)可補(bǔ)救,脆性破壞：破壞前變形很小，破壞時(shí)應(yīng)力低于fy，突然斷裂，危險(xiǎn)性大。 斷裂時(shí)斷口平齊，呈有光澤的晶粒狀。脆性破壞危險(xiǎn)性大。破壞突然無先兆無法采取補(bǔ)救措施。 設(shè)計(jì)、施工中應(yīng)防止出現(xiàn)脆性破壞,鋼材的斷裂破壞通常是在受拉狀態(tài)下發(fā)生，分為以下兩種破壞方式,a,5,2.3 建筑鋼材的主要機(jī)械性能,鋼材的主要機(jī)械性能：也稱鋼材的力學(xué)性能，是鋼廠生產(chǎn)供應(yīng)的鋼材在標(biāo)準(zhǔn)條件下，拉伸、冷彎、沖擊等單獨(dú)作用下所顯示出的各種機(jī)械

3、性能,一單向拉伸時(shí)的性能 1依據(jù)：金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法GB/T228-2002。 2過程：結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)試件在室溫以滿足靜力加載的加載速度一次加載得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線,a,6,屈服強(qiáng)度fy 強(qiáng)度極限承載應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)fy (4) 強(qiáng)化階段： 抗拉強(qiáng)度fu，強(qiáng)度儲(chǔ)備 ; 強(qiáng)化模量Est (5)頸縮階段 應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度fu后，承載力最弱截面急劇收縮，荷載下降直至拉斷破壞。 反應(yīng)鋼材塑性變形能力的指標(biāo)：伸長率；截面收縮率。 fy 、fu 、 伸長率是鋼結(jié)構(gòu)對鋼材要求所必需的三項(xiàng)基本機(jī)械性能指標(biāo),1) 彈性階段：E、fp、fe (2) 彈塑性階段：Et=d/d (3) 塑性階段（屈服階段,上（下）屈服強(qiáng)度,

4、條件屈服強(qiáng)度0.2,a,7,單軸拉伸試驗(yàn)反應(yīng)結(jié)構(gòu)鋼 強(qiáng)度和塑性,看靜力拉伸試驗(yàn)動(dòng)畫,看應(yīng)力s應(yīng)變e曲線動(dòng)畫,屈服強(qiáng)度(yield strength) fy 抗拉強(qiáng)度(tensile strength) fu 伸長率(elongation) d 彈性模量E,E為常量，低碳鋼有明顯屈服點(diǎn)，fy作為破壞標(biāo)志，fu/fy為強(qiáng)度儲(chǔ)備，伸長率d表示塑性變形能力,指標(biāo),a,8,為了簡化計(jì)算，將圖2-1所示應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系簡化為圖2-2,實(shí)際設(shè)計(jì)中對se曲線的簡化,fy, 完全塑性 fu 作為安全儲(chǔ)備,a,9,伸長率根據(jù)試件原標(biāo)距長度 l0與試件中間部分的直徑d0 的比值為10或5而分為10或5，為試件拉斷時(shí)原

5、標(biāo)距間長度伸長值與原標(biāo)距比值的百分率。 式中 ： l1 為試件拉斷后標(biāo)距間長度,斷面收縮率 是指試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分率。 式中： A0 試件原來的斷面面積； A1 試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積,a,10,1依據(jù)：我國標(biāo)準(zhǔn)金屬材料彎曲試驗(yàn)方法GB/T232-1999，由冷彎試驗(yàn)來確定鋼材的冷彎性能。 2過程：以規(guī)定的彎心直徑在試驗(yàn)機(jī)上用沖頭加壓，使試件彎曲180度。 3作用：冷彎試驗(yàn)不僅反映材料的彎曲變形及塑性變形能力，同時(shí)也可反映金屬的冶金質(zhì)量，材質(zhì)均勻性，加工性能。是反應(yīng)鋼材質(zhì)量的一個(gè)綜合指標(biāo),二、 冷彎(cold bending)試驗(yàn)冷彎角a,4指標(biāo)：將根

6、據(jù)試件厚度按規(guī)定的彎曲直徑將試件彎曲180度，如表面無裂紋或分層則合格,a,11,看動(dòng)畫,a,12,三、 沖擊韌性,3大?。轰摬捻g性通過沖擊試驗(yàn)，測定沖擊功(沖擊韌性值Cv單位J或ak單位J /cm2)來表示。 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對鋼材的沖擊韌性Cv有常溫和負(fù)溫要求的規(guī)定。選用鋼材時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用情況和要求提出相應(yīng)溫度的沖擊韌性指標(biāo)要求。常溫(20)和低溫(0，-20，-40) 試驗(yàn),1鋼材的沖擊韌性：鋼材在沖擊荷載作用下，在塑性變形和斷裂的過程中吸收能量的能力。是衡量鋼材抵抗可能因溫度、應(yīng)力集中、沖擊荷載作用等而至脆性斷裂能力的一項(xiàng)機(jī)械性能。它是強(qiáng)度與塑性的綜合表現(xiàn)，表現(xiàn)材料動(dòng)力性能,2依據(jù)：

7、缺口沖擊試驗(yàn)測定沖擊韌性依據(jù)金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法GB/T229-1994,a,13,用帶缺口（V型或U型）的標(biāo)準(zhǔn)試件（下圖）進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試件破壞時(shí)截面單位面積吸收的能量，稱沖擊韌性。沖擊韌性越好，表明鋼材越不易脆斷,a,14,四、可焊性(weld ability,焊接接頭和焊縫的沖擊韌性及近縫區(qū)塑性不低于母材性能。 (使用性能上的可焊性,1）可焊性好意味著鋼材施焊后能獲得良好的焊接接頭性能,2）評定可焊性好的標(biāo)志,在一定的焊接工藝條件下，焊縫和近縫區(qū)均不產(chǎn)生裂紋(施工上的可焊性,a,15,2.4 影響鋼材性能的主要因素,一、化學(xué)成分的影響(chemical compositions,普通

8、碳素鋼中含有多種化學(xué)成分，其中，鐵占99%左右，碳、硅、錳、硫、磷、氮、氧等共占1%左右。在低合金鋼中還有合金元素，他們含量低于5%。影響鋼材主要性能的元素有：C、Si、Mn、S、P、O、N,a,16,基本有利元素,1、碳 影響強(qiáng)度、塑性、韌性。提高含碳量，強(qiáng)度提高，塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度下降，可焊性、抗銹蝕性能變劣。 鋼結(jié)構(gòu)中，不宜采用含碳量高的鋼材，一般不超過0.22,2、硅 脫氧劑，適量（含量不超過0.2%時(shí)）可提高鋼材強(qiáng)度，而對塑性、韌性和可焊性無明顯不良影響,a,17,3、錳 適量可提高強(qiáng)度而不明顯影響塑性，同時(shí)可消除熱脆和改善冷脆傾向。是低合金鋼中的主要合金元素成分,4、釩 可提高鋼

9、材強(qiáng)度和焊縫性能。15MnV鋼可用于船舶、橋梁等荷載大的焊接結(jié)構(gòu)以及高中壓容器,a,18,1、硫 在高溫下（800-1000）生成硫化鐵，使鋼材變脆（熱脆），因而降低鋼材的沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、可焊性和抗銹蝕能力。應(yīng)嚴(yán)格控制鋼材中的含硫量，不得超過0.05%，16錳橋鋼不超過0.045,2、磷 可提高強(qiáng)度、提高抗銹蝕能力，但嚴(yán)重降低塑性、韌性和可焊性，特別易發(fā)生低溫脆斷（冷脆），應(yīng)嚴(yán)格控制其含量，一般不超過0.045%，15錳釩鋼不超過0.040,有害元素,a,19,7、氮、氧 有害雜質(zhì)，嚴(yán)格控制。 氧類似硫 熱脆 氮類似磷 冷脆,a,20,二、冶煉、澆注、軋制過程及熱處理的影響,3、裂紋 鋼材

10、中存在的微觀裂紋,2、夾層 鋼材中的夾層是由于鋼錠內(nèi)留有氣泡，有時(shí)氣泡內(nèi)害有非金屬雜質(zhì)夾渣，當(dāng)軋制溫度及壓力不夠時(shí)，不能使氣泡壓合，氣泡被壓扁延伸，形成夾層,1、偏析 金屬結(jié)晶后化學(xué)成分分布不均勻。（S、P偏析惡化材性,a,21,4、熱處理(heat treatment)軋制后的鋼材，通過熱處理，控制降溫速度或 重新加熱， 改變晶體結(jié)構(gòu)和材性，以期達(dá)到調(diào)質(zhì)的目的。 淬火(quench) ：加熱900度以上，水冷快速降溫，提高強(qiáng)度硬度、降低塑性韌性； 回火(temper)：淬火后的鋼材，加熱500-600度，自然降溫空冷；減小脆性，提高綜合性能。 正火(normalize)：800-900度，空

11、氣中自然降溫；改善組織，細(xì)化晶粒。 退火(anneal)：爐中控制，緩慢降溫；降低硬度，消除殘余應(yīng)力，細(xì)化晶粒，消除組織缺陷,a,22,三、鋼材硬化的影響,超過比例極限后卸載，再加載時(shí)提高了屈服強(qiáng)度，卻犧牲了塑性。這種現(xiàn)象稱冷硬。 冷硬提高了鋼材的彈性范圍，被廣泛用于提高承載力。但卻使鋼材變脆，犧牲了塑性，對于承受動(dòng)力荷載重要構(gòu)件，不應(yīng)使用經(jīng)過冷硬的鋼材,1、冷作硬化,回顧應(yīng)力應(yīng)變曲線,a,23,2、時(shí)效硬化,隨時(shí)間的增長，碳和氮的化合物從晶體中析出，使材料硬化的現(xiàn)象。時(shí)效硬化使fy、fu提高，Cv 、d 降低,人工快速時(shí)效,鋼材產(chǎn)生塑性變形時(shí)，再經(jīng)加熱至200300度，可加速時(shí)效硬化。僅需幾

12、小時(shí)，時(shí)效就可以完成。也稱“人工時(shí)效,a,24,四、應(yīng)力集中的影響,鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變化、形狀變化、內(nèi)部缺陷等使一些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，此謂應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中越嚴(yán)重，鋼材塑性越差,應(yīng)力集中,a,25,五、殘余應(yīng)力的影響,由于不均勻的加熱或冷卻，使得鋼材收縮和膨脹不均勻，先冷卻部分與后冷卻部分相互牽制，從而在截面內(nèi)形成自相平衡的內(nèi)應(yīng)力,殘余應(yīng)力,1.中柱一端不焊死,給中柱升溫，塑變，再降溫。升溫中柱上頂，超過600度，中柱塑性變形，降溫后中柱收縮，柱高小于原長,2.中柱兩端都焊死 升降溫后中柱受拉，邊柱受壓，產(chǎn)生自平衡殘余應(yīng)力。 高溫區(qū)受拉，低溫區(qū)受壓,a,2

13、6,a,27,六、溫度的影響,對于正溫范圍（正常溫度以上），總的趨勢是：隨著溫度增加，鋼材強(qiáng)度下降(下表)，塑性增大,溫度超過300C以后，屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度顯著下降，達(dá)到600C時(shí)強(qiáng)度幾乎喪失殆盡,a,28,藍(lán)脆現(xiàn)象,鋼材受溫度影響總的趨勢是隨溫度升高，fy 、 fu 、 E下降，但溫度達(dá)250C左右時(shí)，鋼材抗拉強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降，表面氧化膜呈藍(lán)色，即發(fā)生藍(lán)脆現(xiàn)象,低溫冷脆,在負(fù)溫范圍，即當(dāng)溫度從常溫下降時(shí)，塑性、韌性降低，下降到某一溫度時(shí)沖擊韌性突然變得很降，發(fā)生脆性破壞，這就是低溫冷脆現(xiàn)象,a,29,七、復(fù)雜應(yīng)力的影響,單向應(yīng)力作用下,=fy, 塑性狀態(tài),復(fù)雜應(yīng)力作用下,eq = f

14、y 塑性狀態(tài),復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下鋼材屈服條件可用折算應(yīng)力eq與單向應(yīng)力時(shí)的屈服點(diǎn)fy來比較,a,30,折算應(yīng)力 eq 的計(jì)算,1、用主應(yīng)力 、 、 表示時(shí),或,a,31,2、用三向受力應(yīng)力分量表示,3、當(dāng)兩向受力（3=0或z = zx = yz = 0 ）時(shí),或,a,32,a,33,4、在單向受彎梁內(nèi)（ 只和,純剪狀態(tài)下,剪應(yīng)力達(dá)0.58fy時(shí)，鋼材進(jìn)入塑性，規(guī)范取鋼材抗剪強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值得0.58倍,a,34,復(fù)雜應(yīng)力對鋼材性能的影響,異號復(fù)雜應(yīng)力：強(qiáng)度降低，塑性提高,同號復(fù)雜應(yīng)力：強(qiáng)度提高，塑性降低，性能變脆,a,35,八、鋼材的疲勞,1、疲勞現(xiàn)象,在循環(huán)荷載（連續(xù)反復(fù)荷載）作用下，經(jīng)過有

15、限次循環(huán)，當(dāng)應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度甚至低于屈服強(qiáng)度便發(fā)生突然脆性斷裂。這種現(xiàn)象稱鋼材疲勞破壞,一、疲勞現(xiàn)象及破壞特征,循環(huán)荷載結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的隨時(shí)間變化的荷載,疲勞破壞的特征：屬于脆性破壞，截面平均應(yīng)力小于屈服點(diǎn),a,36,2、產(chǎn)生疲勞的原因,1）連續(xù)反復(fù)荷載 （2）材料局部缺陷（工藝微裂紋、焊縫夾渣等,3、疲勞破壞機(jī)理,1）形成微裂紋,材料已有微裂紋或加載使雜質(zhì)附近發(fā)生應(yīng)力集中，造成新的微裂紋,2）反復(fù)荷載下微裂紋發(fā)展成宏觀裂紋,反復(fù)荷載下微裂紋尖端應(yīng)力集中、材料硬化，裂紋開展，出現(xiàn)宏觀裂紋,3）宏觀裂紋發(fā)展，斷面削弱，脆性斷裂,疲勞破壞是損傷積累的結(jié)果。 缺陷微觀裂紋宏觀裂紋,a,37,4、疲勞

16、強(qiáng)度,鋼材在某一連續(xù)反復(fù)荷載作用下，經(jīng)過n次循環(huán)后，出現(xiàn)疲勞破壞，相應(yīng)的最大應(yīng)力 稱為疲勞強(qiáng)度。當(dāng)循環(huán)次數(shù)為無限大時(shí)的最大應(yīng)力成為疲勞強(qiáng)度極限 (一般取n5x106,5、影響疲勞強(qiáng)度的因素,1）構(gòu)造狀態(tài)（冶金缺陷，應(yīng)力集中程度，殘余應(yīng)力,2）應(yīng)力幅,a,38,3）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n,4）應(yīng)力比,0 同號循環(huán),0 異號循環(huán),應(yīng)力循環(huán)及應(yīng)力幅：在循環(huán)荷載作用下，應(yīng)力從最大到最小重復(fù)一次為一次循環(huán)，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差為應(yīng)力幅,應(yīng)力幅越低，作用循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高；應(yīng)力幅相同，作用的循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N5104，不需要進(jìn)行疲勞計(jì)算,a,39,二、疲勞計(jì)算,規(guī)范采用容許應(yīng)力幅

17、的方法計(jì)算疲勞,常幅疲勞,計(jì)算公式 其中， 標(biāo)準(zhǔn)荷載下檢算部位的設(shè)計(jì)應(yīng)力幅 容許應(yīng)力幅,N/mm2,a,40,計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力（取正值） 計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最小拉應(yīng)力（取正值） 或壓應(yīng)力（取負(fù)值,設(shè)計(jì)應(yīng)力幅 計(jì)算 焊接部位： 非焊接部位,a,41,容許應(yīng)力幅計(jì)算 根據(jù)構(gòu)件、連接形式類別及預(yù)期的循環(huán)次數(shù)按下式計(jì)算 此式是對大量試驗(yàn)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理、并考慮安全系數(shù)后得出的。 式中 n應(yīng)力循環(huán)次數(shù) c、系數(shù)。由規(guī)范給出，見表2-1,a,42,參數(shù)C,表2-1,試驗(yàn)表明：構(gòu)件無連接處的主體金屬不同（軋制工字鋼、兩邊為軋制邊或刨邊的鋼板、兩邊為自動(dòng)、半自動(dòng)切割邊鋼板等）參數(shù)C、

18、不同，連接焊縫性質(zhì)不同（橫向焊縫對接焊縫、縱向?qū)雍缚p、翼緣連接焊縫等）參數(shù)C、不同。因此，規(guī)范按8種類別給出參數(shù)C和,a,43,a,44,a,45,a,46,變幅疲勞,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,情形1能夠測得使用期內(nèi)應(yīng)力變幅規(guī)律,情形2不能測得使用期內(nèi)應(yīng)力變幅規(guī)律,設(shè)計(jì)重級工作制吊車的吊車梁時(shí)，應(yīng)力幅是按滿載得出的，實(shí)際上常常發(fā)生不同程度欠載情況。如果沒有對實(shí)際應(yīng)力幅的統(tǒng)計(jì)資料，即屬情形2。使用欠載效應(yīng)系數(shù) ，按常幅疲勞進(jìn)行計(jì)算,a,47,計(jì)算公式,欠載效應(yīng)的等效系數(shù).取值見下表,表：吊車梁或吊車桁架欠載效應(yīng)系數(shù),循環(huán)次數(shù)為n=2106次的容許應(yīng)力幅?？蓮囊?guī)

19、范查出，也可用下式計(jì)算,a,48,2.5 建筑鋼材的種類、規(guī)格及選擇,一、建筑鋼材的種類,1、普通碳素鋼 按其屈服點(diǎn)高低，由高到低排列，分為1號、2號、3號、4號7號等，鋼號越高，其含碳量越高，強(qiáng)度越高，塑性越低。建筑鋼結(jié)構(gòu)中最常用的是3號鋼,a,49,命名規(guī)則,QXXX ”，例如Q235 AF、Q235 Bb、Q345 EZ。 其中 Q ：屈服強(qiáng)度的第一個(gè)拼音字母。 XXX ：屈服強(qiáng)度值，單位為N/mm2，結(jié)構(gòu)用鋼常有235、345、390。 ：質(zhì)量等級，有A、B、C、D、E五等。其中A無沖擊功規(guī)定； B有20C時(shí)的沖擊功要求；C有0C時(shí)的沖擊功要求； D有20C時(shí)的 沖擊功要求；E 有40

20、C時(shí)的沖擊功要求， 低合金鋼才有E等。 ：脫氧方法，可分為F、b、Z和TZ，F(xiàn)表示沸騰鋼，b表示 半鎮(zhèn)靜鋼，Z表示鎮(zhèn)靜鋼，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼，其中Z和TZ 可不寫,a,50,2、普通低合金鋼 普通低合金鋼是在普通碳素鋼中添加少量的一種或幾種合金元素（總量5）以提高其強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐熱性、低溫沖擊韌性。其含碳量0.2%，以便鋼材的加工和焊接。按加入的合金元素有：16Mn鋼、16Mnq鋼、 15MnV鋼、15MnVq鋼和15MnVN鋼等,15MnV,命名規(guī)則,15表示含碳量為萬分之15，Mn，V后無阿拉伯?dāng)?shù)字，表示其含量均1.5，若有數(shù)字，表示其含量的百分?jǐn)?shù)。 如：36Mn2Si,其中Mn的含量為2,另外，在橋梁、造船、壓力容器、鍋爐等專業(yè)用鋼材，分別在末尾加“q”、“c”、“r” 、“g”，如： 16Mnq， 15MnVq,a,51,3、特種鋼,Z向鋼,耐候鋼,a,52,二、建筑鋼材的規(guī)格,1、鋼板(plate,1）熱軋鋼板和鋼帶 （2）冷軋鋼板和鋼帶， （3）花紋涂板(用作走道板和梯子踏板)， （4）高層建