水工鋼結(jié)構(gòu)第二章

1、第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料和計(jì)算方法鋼結(jié)構(gòu)的材料和計(jì)算方法鋼鋼結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)對對鋼鋼材材的的要要求求 有較高的強(qiáng)度有較高的強(qiáng)度 塑性好塑性好 沖擊韌性好沖擊韌性好 冷加工性能好冷加工性能好 可焊性好可焊性好 耐久性好耐久性好 第一節(jié)第一節(jié) 鋼材的主要性能鋼材的主要性能一、鋼材的破壞形式一、鋼材的破壞形式 鋼材的強(qiáng)度斷裂破壞：鋼材的強(qiáng)度斷裂破壞：塑性破壞、脆性破壞塑性破壞、脆性破壞 塑性破壞：伴隨有明顯的變形的破壞塑性破壞：伴隨有明顯的變形的破壞 第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料和計(jì)算方法鋼結(jié)構(gòu)的材料和計(jì)算方法一、鋼材的破壞形式一、鋼材的破壞形式一、鋼材的破壞形式一、鋼材的破壞形式脆性破壞：沒有明顯變形征兆

2、的突然發(fā)生的破壞。脆性破壞：沒有明顯變形征兆的突然發(fā)生的破壞。 1972 1972年廊坊因一個(gè)桿脆斷屋架倒塌年廊坊因一個(gè)桿脆斷屋架倒塌19951995年韓國一大橋倒塌年韓國一大橋倒塌 19991999年四川綦（年四川綦（qiqi）江彩虹橋倒塌）江彩虹橋倒塌二、鋼材的主要機(jī)械性能二、鋼材的主要機(jī)械性能鋼材在常溫、靜載、單向一次均勻受拉時(shí)的機(jī)械性能鋼材在常溫、靜載、單向一次均勻受拉時(shí)的機(jī)械性能Lod dL Lo- -標(biāo)距標(biāo)距d d - -直徑直徑長試件長試件 L Lo=10o=10d d 短試件短試件 L Lo=5o=5d d條件：條件：標(biāo)準(zhǔn)試件標(biāo)準(zhǔn)試件(GB22863)(GB22863)， 表面

3、光滑，有內(nèi)圓角表面光滑，有內(nèi)圓角, ,常溫下常溫下緩慢加載，一次完成緩慢加載，一次完成軟鋼軟鋼VS硬鋼硬鋼含含C量量0.06% 0.15% 極軟鋼極軟鋼 0.15%0.30%軟鋼軟鋼 0.30%0.50%半硬鋼半硬鋼 0.50%0.80%硬鋼硬鋼 0.80%2.11%極硬鋼極硬鋼 二、鋼材的主要機(jī)械性能二、鋼材的主要機(jī)械性能鋼材在常溫、靜載、單向一次均勻受拉時(shí)的機(jī)械性能鋼材在常溫、靜載、單向一次均勻受拉時(shí)的機(jī)械性能ufOpfEBCDAEyfA.軟鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線軟鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線F2.11%生鐵A.A.軟鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以分為軟鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以分為四個(gè)階段四個(gè)階段： (1)(1)彈性及彈塑性

4、階段彈性及彈塑性階段(OB(OB段段) )OAOA段材料處于線彈性，段材料處于線彈性，即即: :EABAB段有一定的段有一定的非線性變形非線性變形, , 但但整個(gè)整個(gè)OBOB段卸載段卸載時(shí)，時(shí)，=0=0；E=206=20610103 3N/mmN/mm2 2( (適于各種鋼材）適于各種鋼材）比例極限（比例極限（A A點(diǎn)）點(diǎn)）ufOpfEBCDAEyf應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線pfF（2 2）塑性階段（）塑性階段（BCD)BCD) 該段很短該段很短, ,表現(xiàn)出鋼材的非彈性性質(zhì)表現(xiàn)出鋼材的非彈性性質(zhì); ; B B屈服上限屈服上限; ; C C屈服下限屈服下限( (取下限為屈服強(qiáng)度取下限為屈服強(qiáng)度f

5、fy y) )（3 3）自強(qiáng)階段（）自強(qiáng)階段（DE)DE) 該段該段基本基本 保持不變（水保持不變（水 平平),), 急劇急劇 增大增大, ,稱為屈稱為屈 服臺階或流服臺階或流 幅段幅段ufOpfEBCDAEyfyf屈服強(qiáng)度：重要的機(jī)械性能指標(biāo)，作為鋼材強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值屈服強(qiáng)度：重要的機(jī)械性能指標(biāo)，作為鋼材強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度ufF（4 4）頸縮階段）頸縮階段(EF(EF段段) )伸長率伸長率00100%lll 是衡量鋼材塑性性能的一項(xiàng)主要指標(biāo)，愈大，塑性愈好。ufOpfEBCDAEyfFB.B.對無明顯屈服點(diǎn)的鋼材對無明顯屈服點(diǎn)的鋼材( (硬鋼硬鋼) ) 該種鋼材在拉伸過程中沒有屈服階段

6、，塑性變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。形小，破壞突然。 fy=f0.20.2%fup應(yīng)力應(yīng)變曲線的簡化應(yīng)力應(yīng)變曲線的簡化因?yàn)橐驗(yàn)?1):1)fy y與與fp p相差很小；相差很小； 2) 2)計(jì)算簡便計(jì)算簡便!（1 1）在鋼結(jié)構(gòu)的）在鋼結(jié)構(gòu)的中中, ,可以假定鋼材為可以假定鋼材為2.5%-3%fy 00.15%含義：鋼材在屈服點(diǎn)以前應(yīng)力與應(yīng)變含義：鋼材在屈服點(diǎn)以前應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律，接近理想彈性體關(guān)系符合胡克定律，接近理想彈性體工作；屈服點(diǎn)以后塑性平臺階段又近工作；屈服點(diǎn)以后塑性平臺階段又近似于理想的塑性體。似于理想的塑性體。ufOpfEBCDAEyf （2

7、 2）以）以 f fy y 作為作為。因?yàn)椋阂驗(yàn)椋? 1） 雖然雖然 f fu u f fy y ，但對應(yīng)的變形非常大。，但對應(yīng)的變形非常大。 2 2） 以以 f fy y 作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的依據(jù)，具有較大的作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的依據(jù)，具有較大的 強(qiáng)度儲備，若出現(xiàn)偶然因素，使人們有機(jī)會搶救強(qiáng)度儲備，若出現(xiàn)偶然因素，使人們有機(jī)會搶救. .O0.15%22%fufyfu-fy冷彎實(shí)驗(yàn)（冷彎實(shí)驗(yàn)（180彎曲試驗(yàn)）彎曲試驗(yàn)）以鋼材試件冷彎不出現(xiàn)裂縫或以鋼材試件冷彎不出現(xiàn)裂縫或分層為試驗(yàn)合格。分層為試驗(yàn)合格。冷彎試驗(yàn)是冷彎試驗(yàn)是鋼材的塑性、冷加工能力和顯鋼材的塑性、冷加工能力和顯示鋼材內(nèi)部缺陷（分層、非金示鋼材內(nèi)部

8、缺陷（分層、非金屬加渣）狀況的一項(xiàng)指標(biāo)。屬加渣）狀況的一項(xiàng)指標(biāo)。 彎心直徑彎心直徑附錄一附錄一表表4沖擊韌性（附錄一沖擊韌性（附錄一 表表2、表、表4） 衡量指鋼材在沖擊荷載作用下斷裂時(shí)吸收機(jī)械能的一種衡量指鋼材在沖擊荷載作用下斷裂時(shí)吸收機(jī)械能的一種能力，是衡量鋼材抵抗因低溫、應(yīng)力集中、沖擊荷載作用而能力，是衡量鋼材抵抗因低溫、應(yīng)力集中、沖擊荷載作用而脆性斷裂能力脆性斷裂能力的一項(xiàng)指標(biāo)。的一項(xiàng)指標(biāo)。沖斷試樣所消耗的能量的大小來衡量鋼材的沖擊韌性沖斷試樣所消耗的能量的大小來衡量鋼材的沖擊韌性AkvAkv（沖擊功）是衡量沖擊韌性的指標(biāo)（沖擊功）是衡量沖擊韌性的指標(biāo)三、鋼材的焊接性能、抗蝕性和防腐蝕

9、措施三、鋼材的焊接性能、抗蝕性和防腐蝕措施 1 1、鋼材的焊接性能、鋼材的焊接性能 是指在給定的構(gòu)造型式和焊接工藝條件下獲得符合質(zhì)是指在給定的構(gòu)造型式和焊接工藝條件下獲得符合質(zhì)量要求的焊縫連接的性能。量要求的焊縫連接的性能。 焊接性能差的鋼材在焊接區(qū)域容易發(fā)生脆性斷裂焊接性能差的鋼材在焊接區(qū)域容易發(fā)生脆性斷裂 。2 2、鋼材的抗蝕性、鋼材的抗蝕性用腐蝕速度來衡量用腐蝕速度來衡量每年腐蝕厚度的毫米數(shù)（每年腐蝕厚度的毫米數(shù)（mm/amm/a）單位時(shí)間內(nèi)單位面積腐蝕減損的重量（單位時(shí)間內(nèi)單位面積腐蝕減損的重量（g/g/（m m2 2aa）三、鋼材的焊接性能、抗蝕性和防腐蝕措施三、鋼材的焊接性能、抗蝕

10、性和防腐蝕措施 3 3、水工鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕措施、水工鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕措施 涂料保護(hù)涂料保護(hù) 噴鍍保護(hù)噴鍍保護(hù) 電化學(xué)保護(hù)電化學(xué)保護(hù)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料和計(jì)算方法鋼結(jié)構(gòu)的材料和計(jì)算方法第二節(jié)第二節(jié) 影響鋼材力學(xué)性能的主要因素影響鋼材力學(xué)性能的主要因素冶煉澆注軋制冶煉澆注軋制復(fù)雜應(yīng)力和復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)力集中應(yīng)力集中鋼材硬化鋼材硬化（冷作、時(shí)效）（冷作、時(shí)效）溫度溫度化學(xué)成分化學(xué)成分第二節(jié)第二節(jié) 影響鋼材力學(xué)性能的主要因素影響鋼材力學(xué)性能的主要因素一、化學(xué)成分的影響（附錄一一、化學(xué)成分的影響（附錄一 表表1 1、表、表3 3）碳素鋼和合金鋼碳素鋼和合金鋼化學(xué)成分強(qiáng)度塑性可焊性其他碳碳C C錳錳MnMn不

11、明顯不明顯過量過量改善冷脆性改善冷脆性硅硅SiSi不明顯不明顯過量過量改善冷脆性改善冷脆性釩釩V V過量過量抗腐蝕性抗腐蝕性硫硫S S熱脆熱脆抗腐蝕性抗腐蝕性氧氧O O磷磷P P冷脆冷脆抗腐蝕性抗腐蝕性氮氮N N二、鋼材冶煉、澆注和軋制的影響二、鋼材冶煉、澆注和軋制的影響 鋼材生產(chǎn)流程：鋼材生產(chǎn)流程：冶煉冶煉澆注成錠澆注成錠軋制軋制 1 1、冶煉主要是平爐和轉(zhuǎn)爐兩種、冶煉主要是平爐和轉(zhuǎn)爐兩種二、鋼材冶煉、澆注和軋制的影響二、鋼材冶煉、澆注和軋制的影響鋼材生產(chǎn)流程：鋼材生產(chǎn)流程：冶煉冶煉澆注成錠澆注成錠軋制軋制 2 2、澆注成錠、澆注成錠二、鋼材冶煉、澆注和軋制的影響二、鋼材冶煉、澆注和軋制的影

12、響鋼材生產(chǎn)流程：鋼材生產(chǎn)流程：冶煉冶煉澆注成錠澆注成錠軋制軋制 2 2、澆注過程中因脫氧程度不同而分為、澆注過程中因脫氧程度不同而分為沸騰鋼（沸騰鋼（F F）、半鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼（b b）、）、鎮(zhèn)靜鋼（鎮(zhèn)靜鋼（Z Z）和特殊鎮(zhèn)靜鋼）和特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ)(TZ)。（1 1）沸騰鋼：）沸騰鋼：用用MnMn作脫氧劑，脫氧不完全，能滿足一般承重結(jié)構(gòu)作脫氧劑，脫氧不完全，能滿足一般承重結(jié)構(gòu)的要求，應(yīng)用較多。的要求，應(yīng)用較多。（2 2）半鎮(zhèn)靜鋼：）半鎮(zhèn)靜鋼：用用MnMn和少量和少量SiSi作脫氧劑，脫氧程度介于上下兩者作脫氧劑，脫氧程度介于上下兩者之間。之間。（3 3）鎮(zhèn)靜鋼：鎮(zhèn)靜鋼：用用MnMn和和Si

13、Si作脫氧劑，脫氧過程中有大量氣體溢出。作脫氧劑，脫氧過程中有大量氣體溢出。適用于低溫并承受動力荷載的焊接結(jié)構(gòu)和重要結(jié)構(gòu)中。適用于低溫并承受動力荷載的焊接結(jié)構(gòu)和重要結(jié)構(gòu)中。（4 4）特殊鎮(zhèn)靜鋼：）特殊鎮(zhèn)靜鋼：補(bǔ)充補(bǔ)充AlAl作脫氧劑。作脫氧劑。澆注缺陷的影響澆注缺陷的影響 偏析偏析 金屬結(jié)晶后化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象。金屬結(jié)晶后化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象。主要是硫、磷偏析，其后果是主要是硫、磷偏析，其后果是偏析區(qū)鋼材的塑性、偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性、可焊性韌性、可焊性變壞。變壞。裂紋裂紋 鋼材中存在的微觀裂紋。鋼材中存在的微觀裂紋。 非金屬夾雜非金屬夾雜 指鋼材中的非金屬化合物，如指鋼材中的非金屬

14、化合物，如硫化物、氧化物，他們使硫化物、氧化物，他們使鋼材性能變脆鋼材性能變脆。 氣泡氣泡 澆鑄時(shí)由澆鑄時(shí)由FeOFeO和和C C作用所生成的作用所生成的COCO氣體不氣體不能充分逸出而滯留在鋼錠那形成的微小空洞。能充分逸出而滯留在鋼錠那形成的微小空洞。 分層分層 澆鑄時(shí)的非金屬夾雜在軋制后可能造成鋼澆鑄時(shí)的非金屬夾雜在軋制后可能造成鋼材的分層材的分層, ,使鋼材厚度方向的受拉性能降低。使鋼材厚度方向的受拉性能降低。2022-3-12二、鋼材冶煉和軋制的影響二、鋼材冶煉和軋制的影響 3 3、軋制：把鋼錠再加熱至、軋制：把鋼錠再加熱至12001200至至13001300，用軋鋼，用軋鋼機(jī)將其扎成

15、所需要的形狀和尺寸。機(jī)將其扎成所需要的形狀和尺寸。軋制的影響：軋鋼機(jī)壓力作用可使鋼錠中的小氣泡軋制的影響：軋鋼機(jī)壓力作用可使鋼錠中的小氣泡和質(zhì)地較梳松部分密實(shí)起來，消除缺陷和細(xì)化鋼的和質(zhì)地較梳松部分密實(shí)起來，消除缺陷和細(xì)化鋼的晶粒，而且壓縮比愈大其強(qiáng)度和沖擊韌性也愈高。晶粒，而且壓縮比愈大其強(qiáng)度和沖擊韌性也愈高。鋼材軋制次數(shù)愈多愈薄，內(nèi)部組織愈均勻，強(qiáng)度也鋼材軋制次數(shù)愈多愈薄，內(nèi)部組織愈均勻，強(qiáng)度也愈高。故鋼材的機(jī)械性能要按厚度或直徑的大小進(jìn)愈高。故鋼材的機(jī)械性能要按厚度或直徑的大小進(jìn)行分組。行分組。（P32 P32 表表2-42-4）寬翼緣寬翼緣H型鋼型鋼軋制示意圖軋制示意圖三、復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)

16、力集中的影響三、復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)力集中的影響 1 1、復(fù)雜應(yīng)力的影響、復(fù)雜應(yīng)力的影響 單向應(yīng)力條件下，鋼材進(jìn)入塑性工作階段的條件是單向應(yīng)力條件下，鋼材進(jìn)入塑性工作階段的條件是 按照第四強(qiáng)度理論來衡量：鋼的塑性條件用折按照第四強(qiáng)度理論來衡量：鋼的塑性條件用折算應(yīng)力來衡量算應(yīng)力來衡量 三向主應(yīng)力三向主應(yīng)力)( 3)(222222zxyzxyxzzyyxzyxeq)(133221232221eqyeqf當(dāng)當(dāng) 時(shí)，鋼材處于彈性工作階段時(shí)，鋼材處于彈性工作階段當(dāng)當(dāng) 時(shí)，鋼材進(jìn)入塑形工作階段時(shí)，鋼材進(jìn)入塑形工作階段yeqfyf三、復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)力集中的影響三、復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)力集中的影響 1 1、復(fù)雜應(yīng)力的影響、復(fù)

17、雜應(yīng)力的影響同號平面應(yīng)力狀態(tài)，即同號平面應(yīng)力狀態(tài)，即 且且 二者同號二者同號0321)(133221232221eq1212221eq危險(xiǎn)情況，應(yīng)盡量避免危險(xiǎn)情況，應(yīng)盡量避免同號立體應(yīng)力狀態(tài)同號立體應(yīng)力狀態(tài)同上：危險(xiǎn)情況，應(yīng)盡量避免同上：危險(xiǎn)情況，應(yīng)盡量避免yyeqff有可能已經(jīng)時(shí)，1三、復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)力集中的影響三、復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)力集中的影響 1 1、復(fù)雜應(yīng)力的影響、復(fù)雜應(yīng)力的影響異號平面應(yīng)力狀態(tài)，即異號平面應(yīng)力狀態(tài)，即 且且 二者異號二者異號yyeqff肯定時(shí)，10321)(133221232221eq1212221eq安全情況，可以出現(xiàn)安全情況，可以出現(xiàn)異號立體應(yīng)力狀態(tài)異號立體應(yīng)力狀態(tài)同上：

18、安全情況，可以出現(xiàn)同上：安全情況，可以出現(xiàn)三、復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)力集中的影響三、復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)力集中的影響 2 2、應(yīng)力集中的影響（圖、應(yīng)力集中的影響（圖2-52-5） 當(dāng)承受動當(dāng)承受動荷載時(shí)往往導(dǎo)荷載時(shí)往往導(dǎo)致脆性破壞。致脆性破壞。 當(dāng)承受靜當(dāng)承受靜荷載時(shí)，只要荷載時(shí)，只要構(gòu)造合理，應(yīng)構(gòu)造合理，應(yīng)力集中力集中一般不一般不影響截面的靜影響截面的靜力極限承載力力極限承載力，設(shè)計(jì)時(shí)可不考設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮其影響。慮其影響。03切向正應(yīng)力0r375. 0徑向正應(yīng)力05切向正應(yīng)力四、硬化的影響四、硬化的影響1 1、硬化、硬化 鋼材在彈性范圍內(nèi)重復(fù)加、卸荷載一般不致改變鋼材在彈性范圍內(nèi)重復(fù)加、卸荷載一般不致改變鋼材

19、的性能。當(dāng)超過此范圍后將引起鋼材的性能變化，鋼材的性能。當(dāng)超過此范圍后將引起鋼材的性能變化，表現(xiàn)為鋼材的屈服強(qiáng)度、彈性范圍增加，塑性和伸長表現(xiàn)為鋼材的屈服強(qiáng)度、彈性范圍增加，塑性和伸長率降低，這一性質(zhì)稱為率降低，這一性質(zhì)稱為硬化硬化。 四、硬化的影響四、硬化的影響3 3、時(shí)效硬化、時(shí)效硬化 鋼材隨時(shí)間進(jìn)展將使屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高、鋼材隨時(shí)間進(jìn)展將使屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高、伸長率和沖擊韌性降低，稱為伸長率和沖擊韌性降低，稱為時(shí)效硬化時(shí)效硬化。 隨著時(shí)間的增長碳、氮從純鐵中析出，形成滲隨著時(shí)間的增長碳、氮從純鐵中析出，形成滲碳體和氮化物，散布在晶粒的滑動面上，阻礙滑移、碳體和氮化物，散布在晶粒的

20、滑動面上，阻礙滑移、約束結(jié)構(gòu)變形，使鋼變硬變脆。約束結(jié)構(gòu)變形，使鋼變硬變脆。 2 2、冷作硬化、冷作硬化 鋼結(jié)構(gòu)在制造過程中，在常溫下進(jìn)行冷加工，鋼結(jié)構(gòu)在制造過程中，在常溫下進(jìn)行冷加工，產(chǎn)生了很大的塑性形變而引起的鋼的硬化現(xiàn)象，稱產(chǎn)生了很大的塑性形變而引起的鋼的硬化現(xiàn)象，稱為為冷作硬化冷作硬化。五、溫度影響五、溫度影響 鋼材的機(jī)械性能隨溫度的不同而有變化，鋼材鋼材的機(jī)械性能隨溫度的不同而有變化，鋼材的的塑性塑性和和沖擊韌性沖擊韌性會隨溫度的下降而降低。會隨溫度的下降而降低。 00C C150150C C200200C C250250C C300300C C600600C C脆性轉(zhuǎn)變溫度脆性轉(zhuǎn)變

21、溫度冶煉澆注軋制冶煉澆注軋制復(fù)雜應(yīng)力和復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)力集中應(yīng)力集中鋼材硬化鋼材硬化（冷作、時(shí)效）（冷作、時(shí)效）溫度溫度化學(xué)成分化學(xué)成分第三節(jié)第三節(jié) 鋼材的疲勞鋼材的疲勞一、鋼材疲勞破壞特點(diǎn)一、鋼材疲勞破壞特點(diǎn) 鋼材在循環(huán)應(yīng)力反復(fù)作用下裂紋生成，擴(kuò)展以至鋼材在循環(huán)應(yīng)力反復(fù)作用下裂紋生成，擴(kuò)展以至斷裂破壞的現(xiàn)象稱為鋼材的斷裂破壞的現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞破壞疲勞破壞 。疲勞破壞屬于疲勞破壞屬于脆性斷裂脆性斷裂，但又與一般的脆性斷裂不同。，但又與一般的脆性斷裂不同。 疲勞破壞一般經(jīng)歷疲勞破壞一般經(jīng)歷裂紋形成裂紋形成、裂紋緩慢擴(kuò)展裂紋緩慢擴(kuò)展和和最最后迅速斷裂后迅速斷裂三個(gè)階段。三個(gè)階段。 第二章第二章 鋼結(jié)

22、構(gòu)的材料和計(jì)算方法鋼結(jié)構(gòu)的材料和計(jì)算方法一、鋼材疲勞破壞特點(diǎn)一、鋼材疲勞破壞特點(diǎn)典型的疲勞斷口斑紋典型的疲勞斷口斑紋 ：裂紋擴(kuò)展區(qū)裂紋擴(kuò)展區(qū)和和脆性斷裂區(qū)脆性斷裂區(qū)一、鋼材疲勞破壞特點(diǎn)一、鋼材疲勞破壞特點(diǎn) 鋼材的疲勞破壞與鋼材的質(zhì)量鋼材的疲勞破壞與鋼材的質(zhì)量, ,構(gòu)件的幾何尺構(gòu)件的幾何尺寸和缺陷等因素有關(guān)。寸和缺陷等因素有關(guān)。 主要取決于循環(huán)荷載在鋼材內(nèi)引起的主要取決于循環(huán)荷載在鋼材內(nèi)引起的反復(fù)循環(huán)反復(fù)循環(huán)應(yīng)力的特征應(yīng)力的特征和和循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)。 循環(huán)應(yīng)力的特征可用應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線即循環(huán)應(yīng)力的特征可用應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線即應(yīng)力譜應(yīng)力譜描述。描述。 一、鋼材疲勞破壞特點(diǎn)一、鋼材疲勞破壞特點(diǎn)

23、 疲勞試驗(yàn)通常采用的幾種正弦應(yīng)力譜，應(yīng)力譜疲勞試驗(yàn)通常采用的幾種正弦應(yīng)力譜，應(yīng)力譜的特征可用的特征可用應(yīng)力比應(yīng)力比。也可用。也可用應(yīng)力幅應(yīng)力幅 。maxmin/minmax應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n n（疲勞壽命）（疲勞壽命）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n5510104 4，不需要進(jìn)行疲勞計(jì)算。，不需要進(jìn)行疲勞計(jì)算。 應(yīng)力幅越低，作用循環(huán)次數(shù)越多，應(yīng)力幅越低，作用循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高。疲勞壽命越高。0 1N1 2N2 bf fy123456nX105應(yīng)力幅與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系應(yīng)力幅與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系二、常幅疲勞驗(yàn)算二、常幅疲勞驗(yàn)算 n曲線曲線 由實(shí)驗(yàn)獲得由實(shí)驗(yàn)獲得 為一常數(shù)直角坐標(biāo)系直角坐

24、標(biāo)系 雙對數(shù)坐標(biāo)系雙對數(shù)坐標(biāo)系二、常幅疲勞驗(yàn)算二、常幅疲勞驗(yàn)算 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017GB5001720032003）規(guī)定常）規(guī)定常幅疲勞按下式進(jìn)行驗(yàn)算：幅疲勞按下式進(jìn)行驗(yàn)算： 1)(nc 試驗(yàn)表明，在一定循環(huán)次數(shù)下，發(fā)生疲勞破壞試驗(yàn)表明，在一定循環(huán)次數(shù)下，發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力幅大小，主要取決于的應(yīng)力幅大小，主要取決于構(gòu)件或連接的細(xì)部構(gòu)造。構(gòu)件或連接的細(xì)部構(gòu)造。 n n：應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；：應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；c c、：系數(shù)，根據(jù)不同形式的構(gòu)件或連接而異：系數(shù)，根據(jù)不同形式的構(gòu)件或連接而異附錄二，表附錄二，表2-12-1容許應(yīng)力幅容許應(yīng)力幅N/mmN/mm2 2二、常幅疲勞驗(yàn)算二、常

25、幅疲勞驗(yàn)算 附錄二：按照殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中程度將構(gòu)件和連接分類分附錄二：按照殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中程度將構(gòu)件和連接分類分成成8類（類（1類最輕，類最輕，8類最重）類最重）表表2-1例題例題2-1:一個(gè)軸心拉力的鋼板，一個(gè)軸心拉力的鋼板，Q345鋼，截面為鋼，截面為400mm20mm。在垂直拉力方向由對接焊縫連接，。在垂直拉力方向由對接焊縫連接，如下圖所示。焊縫表面加工磨平，質(zhì)量一級。鋼板承如下圖所示。焊縫表面加工磨平，質(zhì)量一級。鋼板承受重復(fù)荷載，預(yù)期循環(huán)次數(shù)受重復(fù)荷載，預(yù)期循環(huán)次數(shù)n106次，荷載標(biāo)準(zhǔn)值次，荷載標(biāo)準(zhǔn)值Nmax1300kN， Nmin0kN，試進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。，試進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。Q1Q1

26、：在給定荷載：在給定荷載的條件下，最多的條件下，最多可循環(huán)多少次？可循環(huán)多少次？Q2Q2：在指定的循環(huán)在指定的循環(huán)次數(shù)下，若次數(shù)下，若Nmin=0kN，求允許，求允許的最大的最大Nmax三、變幅疲勞驗(yàn)算三、變幅疲勞驗(yàn)算 正確的方法是結(jié)合結(jié)構(gòu)實(shí)際變幅荷載進(jìn)行疲勞正確的方法是結(jié)合結(jié)構(gòu)實(shí)際變幅荷載進(jìn)行疲勞計(jì)算。計(jì)算。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范根據(jù)根據(jù)線性累積損傷法則線性累積損傷法則，把變幅疲勞折合成常幅疲勞進(jìn)行計(jì)算。把變幅疲勞折合成常幅疲勞進(jìn)行計(jì)算。線性累積損傷法則假定疲勞破壞與不同水平的應(yīng)力幅出現(xiàn)的線性累積損傷法則假定疲勞破壞與不同水平的應(yīng)力幅出現(xiàn)的先后次序先后次序無關(guān)無關(guān)，雖然與實(shí)際有所不同，

27、但可簡化計(jì)算，且能，雖然與實(shí)際有所不同，但可簡化計(jì)算，且能保證安全。保證安全。三、變幅疲勞驗(yàn)算三、變幅疲勞驗(yàn)算步驟：步驟：1 1、實(shí)測使用期內(nèi)變幅荷載規(guī)律，算出、實(shí)測使用期內(nèi)變幅荷載規(guī)律，算出2 2、把不同應(yīng)力幅按大小分成、把不同應(yīng)力幅按大小分成n n級，并統(tǒng)計(jì)每一級的級，并統(tǒng)計(jì)每一級的循環(huán)次數(shù)，記為循環(huán)次數(shù)，記為n n1 1，n n2 2nnn n3 3、計(jì)算等效應(yīng)力幅、計(jì)算等效應(yīng)力幅4 4、驗(yàn)算疲勞強(qiáng)度、驗(yàn)算疲勞強(qiáng)度 容許應(yīng)力幅不變?nèi)菰S應(yīng)力幅不變n21.、1e)(iiinn）（1e)(nc例題例題2-2:某某Q345鋼構(gòu)件焊接部位的疲勞類別屬于鋼構(gòu)件焊接部位的疲勞類別屬于6類。類。經(jīng)測試每

28、年的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)約經(jīng)測試每年的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)約4萬次，其中各種應(yīng)力萬次，其中各種應(yīng)力幅及出現(xiàn)的頻率為：幅及出現(xiàn)的頻率為： =15N/mm2占占5%， = 35N/mm2占占20%， = 80N/mm2占占30%， = 100N/mm2占占25%， = 130N/mm2占占15%， = 160N/mm2占占5%。（1）按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期）按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期T=50年考慮，試驗(yàn)算疲勞強(qiáng)度是年考慮，試驗(yàn)算疲勞強(qiáng)度是否滿足要求？否滿足要求？（2）求該焊接部位的設(shè)計(jì)疲勞壽命（年）。）求該焊接部位的設(shè)計(jì)疲勞壽命（年）。1234651e)(iiinn）（四、疲勞計(jì)算應(yīng)注意的問題四、疲勞計(jì)算應(yīng)注意的問題直接承受動力荷載重復(fù)

29、作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接，直接承受動力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n50000n50000時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。疲勞計(jì)算時(shí)，作用于結(jié)構(gòu)的荷載取疲勞計(jì)算時(shí)，作用于結(jié)構(gòu)的荷載取標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)值。在全壓應(yīng)力（在全壓應(yīng)力（不出現(xiàn)拉應(yīng)力不出現(xiàn)拉應(yīng)力）循環(huán)中，裂縫不會擴(kuò)）循環(huán)中，裂縫不會擴(kuò)展，故可不作疲勞驗(yàn)算。展，故可不作疲勞驗(yàn)算。試驗(yàn)證明，鋼材靜力強(qiáng)度的不同，對大多數(shù)焊接類試驗(yàn)證明，鋼材靜力強(qiáng)度的不同，對大多數(shù)焊接類的疲勞強(qiáng)度無明顯影響。的疲勞強(qiáng)度無明顯影響。第四節(jié)第四節(jié) 鋼材的鋼號及選用鋼材的鋼號及選用 一、建筑鋼的種類一、建筑鋼的種類 鋼結(jié)構(gòu)常用的鋼材鋼結(jié)

30、構(gòu)常用的鋼材: :碳素鋼碳素鋼和和低合金鋼低合金鋼兩類。兩類。 碳素鋼根據(jù)含碳量分：碳素鋼根據(jù)含碳量分：( (生鐵或鑄鐵生鐵或鑄鐵) ) 高碳鋼，中碳鋼，高碳鋼，中碳鋼，低碳鋼低碳鋼( (熟鐵熟鐵) )。 鋼結(jié)構(gòu)用鋼要求鋼結(jié)構(gòu)用鋼要求C0.22%C0.22%，焊接結(jié)構(gòu)要求，焊接結(jié)構(gòu)要求C0.2%C0Z0可靠狀態(tài)；可靠狀態(tài)；Z=0Z=0極限狀態(tài)；極限狀態(tài)；Z0Z0失效狀態(tài)。失效狀態(tài)。假設(shè)：假設(shè)：S S與與R R獨(dú)立獨(dú)立且都服從正態(tài)分且都服從正態(tài)分布，則布，則Z Z也服從也服從正態(tài)分布。正態(tài)分布。一、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法概要一、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法概要 0)()0(dZZfZPpf功能函數(shù)功能函數(shù)Z

31、Z的概率分布曲線：的概率分布曲線：失效概率為失效概率為P Pf f結(jié)構(gòu)可靠度為結(jié)構(gòu)可靠度為P PS S=1-P=1-Pf f只要結(jié)構(gòu)的失效概率只要結(jié)構(gòu)的失效概率小于預(yù)定的可接受的小于預(yù)定的可接受的程度，就認(rèn)為結(jié)構(gòu)是程度，就認(rèn)為結(jié)構(gòu)是安全的！安全的！一、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法概要一、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法概要 22SRSRZZ功能函數(shù)功能函數(shù)Z Z的概率分布曲線：的概率分布曲線：為平均值為平均值為標(biāo)準(zhǔn)差為標(biāo)準(zhǔn)差稱為可靠指標(biāo)稱為可靠指標(biāo)一、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法概要一、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法概要 可靠度指標(biāo)可靠度指標(biāo)1.01.52.02.5失效概率失效概率pf1.5910-16.6810-22.2810-26.2110-3可靠度指標(biāo)可靠度指標(biāo)3.03.54.04.5失效概率失效概率pf1.3510-32.3310-43.1710-53.4010-6可靠指標(biāo)與失效概率的對應(yīng)關(guān)系推倒：可靠指標(biāo)與失效概率的對應(yīng)關(guān)系推倒： )()()()() 0() 0(tPpZtZPZPZPZPpfZZZZZZZZZf標(biāo)準(zhǔn)化，令二、二、 按規(guī)范的計(jì)算方法按規(guī)范的計(jì)