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對鋼結(jié)構(gòu)用材的要求較高的強度2.1對鋼結(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)計規(guī)范》（GB50017-2003）規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結(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)具有冷彎試驗的合格保證。需要驗算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材，應(yīng)具有常溫或負溫沖擊韌性的合格保證。對需要驗算疲勞的非焊接結(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，破壞歷時時間長，可以采取補救措施。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，沒有機會補救。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?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、單向拉伸時的工作性能2.3鋼材的主要性能及其鑒定強度指標是由鋼材的單向均勻受拉試驗測得的強度指標：比例極限；屈服強度；極限強度試驗條件：標準試件在常溫（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靜力拉伸試驗的標準試件圖2-2鋼材一次單向拉伸簡化應(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工作性能表現(xiàn)為四個階段

彈性階段:應(yīng)力最高點對應(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)力達到屈服強度4.強化頸縮階段:應(yīng)力最高點對應(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.計算簡便2.與相差不大3.雖然＞，但對應(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)計強度的依據(jù)，具有較大的強度儲備，若出現(xiàn)偶然因素，使人們有機會補救

屈強比：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化計算,采用理想彈塑性模型作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的最大應(yīng)力作為鋼材實際破壞強度第二章鋼結(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：伸長率第二章鋼結(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)部缺陷狀況的一項指標

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

冷彎性能由冷彎試驗確定

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：在動力荷載作用下，材料吸收能量的能力衡量沖擊韌性的指標：沖擊功

韌性是鋼材強度和塑性的綜合指標

梅氏U型缺口試件:沖擊試驗的標準試件型式：夏比V型缺口試件:我國采用夏比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)量分數(shù)≤0.2%時，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）：鋼材強度的主要來源，但是隨其含量增加，強度增加，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，可焊性良好硫（S）：熱脆性，不得超過0.05%磷（P）：冷脆性?？垢g能力略有提高，可焊性降低。不得超過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，熔點為1600℃，可以消除一部分S的有害作用。硅（Si）：合金元素。強脫氧劑。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．材性試驗要求緩慢加載2．要考慮動荷載對結(jié)構(gòu)的不利影響加荷速度高，鋼材屈服點提高，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—當加載超過材料比例極限卸載后，出現(xiàn)殘余變形，再次加載則屈服點提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象，也稱“應(yīng)變硬化”應(yīng)變時效——鋼材產(chǎn)生塑性變形時，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同時可以加速時效硬化，因此也稱“人工時效”。

時效硬化——隨時間的增長，碳和氮的化合物從晶體中析出，使材料硬化的現(xiàn)象。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)對鋼材性能無影響；

100℃以上隨溫度升高，總的趨勢是強度、彈性模量降低，

塑性增大

250℃左右 抗拉強度略有提高，塑性和韌性降低，脆性增加——藍脆現(xiàn)象。該溫度區(qū)段稱為“藍脆區(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.負溫范圍當溫度低于常溫時，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，必須通過試驗確定。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)計時應(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)入塑性的強度指標用變形時單位體積中積聚的能量來表達；2.當復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下變形能等于單軸受力時的變形能時，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算疲勞破壞試驗表明，鋼構(gòu)件在連續(xù)反復(fù)荷載作用下，盡管應(yīng)力低于抗拉強度，甚至低于屈服點，但經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，也會發(fā)生斷裂破壞。這種經(jīng)歷長期反復(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，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，這些微小裂紋不會立刻引起構(gòu)件斷裂。但在長期反復(fù)荷載作用下，裂紋尖端的拉應(yīng)力使裂紋有逐步擴展的趨勢并緩慢地擴展，與此同時，構(gòu)件的有效截面也逐步減小。經(jīng)過一定的循環(huán)（circle）次數(shù)后，一旦裂紋擴展到構(gòu)件截面不能承受荷載時，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)力隨時間變化的曲線稱為循環(huán)應(yīng)力譜（圖2-11）。用ρ=σmin/σmax來表示（拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負）。例如，ρ=-1表示完全對稱（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）完全對稱循環(huán)ρ=-1（b）脈動應(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)。常幅疲勞試驗可以測定鋼材的疲勞強度極限。試驗用一組（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機上，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鋼材的疲勞強度極限當電機帶動試件旋轉(zhuǎn)時，試件表面各點的應(yīng)力交替出現(xiàn)拉、壓變化，轉(zhuǎn)動一圈完成一次循環(huán)，由施加的彎矩可以算出應(yīng)力幅；當經(jīng)過某一循環(huán)次數(shù)n，試件破壞，得到△σ－n曲線上的一個點（圖2.7）。疲勞極限依次對其余試件進行實驗，并逐步減小彎矩，也即減小應(yīng)力幅△σ，試件破壞時的循環(huán)次數(shù)將不斷增加，每一根試件得到△σ－n曲線上的一個點。當應(yīng)力幅△σ小于一定值時，即使有無限次循環(huán)，試件也不會產(chǎn)生疲勞破壞。按照有關(guān)國際標準建議，將n＝5×106所對應(yīng)的應(yīng)力幅稱為材料的疲勞極限。鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計算

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

n＞5×104時，應(yīng)進行疲勞計算。

另外，不同構(gòu)件或連接形式其疲勞性能各不相同，因此也不能用一個標準來衡量?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB500017－2003）將不同構(gòu)造和受力特點的鋼構(gòu)件和連接，按其疲勞性能的高低歸并為八個疲勞計算類別（見附錄6）。其中一類疲勞性能最好，八類最差。疲勞計算表達式如下：

一、常幅疲勞計算

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

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

實際工程構(gòu)件的工作應(yīng)力幅多為變化的，或稱隨機荷載，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)計荷載。對于重級工作制吊車梁和重級、中級工作制吊車桁架，按照線性疲勞累積損傷原則，將隨機變化的應(yīng)力幅折算成等效常應(yīng)力幅按下式計算：

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計算。進行疲勞計算時需注意以下三點：

1）目前疲勞計算仍采用容許應(yīng)力法，荷載采用標準值，不考慮分項系數(shù)和動力系數(shù)，并按彈性工作計算。

2）計算時可認為疲勞容許應(yīng)力幅與鋼材種類無關(guān)。

3)完全壓應(yīng)力循環(huán)中，可不予驗算疲勞。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A級：保證抗拉強度、屈服點和伸長率及硫、磷含量B、C、D級：保證抗拉強度、屈服點、伸長率、冷彎和沖擊韌性（分別為20℃、0℃、-20℃）及碳、硅、錳、硫、磷含量E級：除滿足D級的要求外，還要求-40℃時的沖擊韌性5.鋼材編號碳素鋼：Q×××質(zhì)量等級（A～D）脫氧程度（F，b）低合金鋼：Q×××質(zhì)量等級（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)計規(guī)范》（GB50017-2003）規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結(jié)構(gòu)