鋼結(jié)構(gòu)課件的材料

1第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料第一節(jié)鋼材在單向均勻受拉時(shí)的工作性能第二節(jié)鋼的分類與力學(xué)性能第三節(jié)影響鋼材力學(xué)性能的因素第四節(jié)建筑結(jié)構(gòu)用鋼的種類與選用第五節(jié)鋼材的規(guī)格第六節(jié)鋼材的疲勞和疲勞強(qiáng)度第七節(jié)結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算2本章重點(diǎn)1.重點(diǎn)掌握建筑結(jié)構(gòu)用鋼材的主要力學(xué)性能及影響因素。

2.熟悉建筑鋼材的分類和選用。

3.熟悉鋼材的疲勞和疲勞強(qiáng)度概念，疲勞計(jì)算需要注意的問題；了解疲勞的計(jì)算。3第二章鋼結(jié)構(gòu)材料

第一節(jié)鋼材在單向均勻受拉時(shí)的工作性能1、彈性階段（OA段）

OA段符合虎克定律：

=Eε

2、屈服階段（AC段）3、強(qiáng)化階段（CD段）4、頸縮階段（DE段）討論：1)因fp與fy的值很接近，實(shí)際工程中常以fy為鋼材單向均勻受拉時(shí)彈、塑性的分界。

fy時(shí)彈性階段；＞fy時(shí)塑性階段2)fy為鋼材屈服點(diǎn)，設(shè)計(jì)中把它看作構(gòu)件應(yīng)力可達(dá)到的限值，鋼材的強(qiáng)度就是以fy來確定的。fu為抗拉強(qiáng)度，設(shè)計(jì)中視為鋼材抗破斷能力的限值，也是鋼材力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

fy/fu稱為屈強(qiáng)比，表明設(shè)計(jì)強(qiáng)度的儲備能力。fy/fu越大，強(qiáng)度儲備越小。fy/fu越小，強(qiáng)度儲備越大。強(qiáng)度儲備越大，越安全，但fy/fu太小時(shí)，強(qiáng)度利用率低，不經(jīng)濟(jì)。圖2-2理想彈性－塑性體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線5一、鋼的分類

鋼一般是由生鐵在煉鋼爐中熔煉而成的；但是生鐵中含有較多的碳和其它雜質(zhì)。理論上，凡是把含碳量小于2%，含雜質(zhì)比較少的鐵碳合金稱為鋼；含碳量2%~4.5%的稱為生鐵；含碳量小于0.08%，稱為工業(yè)純鐵。煉鋼的實(shí)質(zhì)

就是把熔融的生鐵進(jìn)行氧化，使含碳量降低到2%以下，并且使其他雜質(zhì)降低到容許的范圍。第二節(jié)鋼的分類與力學(xué)性能61.按冶煉方式分類

分類三大類:（1）轉(zhuǎn)爐鋼（2）平爐鋼（3）電爐鋼；（1）轉(zhuǎn)爐鋼以熔融的鐵水為原料、由轉(zhuǎn)爐的底部或側(cè)面向轉(zhuǎn)爐中吹入高壓熱空氣（或氧氣）進(jìn)行冶煉而得到的鋼，叫做轉(zhuǎn)爐鋼。轉(zhuǎn)爐鋼的缺點(diǎn)吹煉時(shí)易混入空氣中的氮、氫等雜質(zhì)，故建筑中常用的是氧氣轉(zhuǎn)爐鋼；熔煉時(shí)間短，雜質(zhì)含量不易控制，因此質(zhì)量差。7（2）平爐鋼以固態(tài)或液態(tài)的生鐵、鐵礦石或廢鋼為原料、用煤氣或重油為燃料在平爐中冶煉而得到的鋼，叫做平爐鋼。平爐鋼的特點(diǎn)熔煉時(shí)間長，易控制質(zhì)量，因此質(zhì)量好，但成本較轉(zhuǎn)爐鋼高。1.按冶煉方式分類8（3）電爐鋼用電熱進(jìn)行高溫冶煉而得到的鋼；一般用高壓電弧作為熱源，故熔煉的溫度高，且溫度可以自由調(diào)節(jié)，清除雜質(zhì)則容易得多，故電爐鋼的質(zhì)量最好。電爐鋼的特點(diǎn)熔煉溫度可自由調(diào)節(jié)，清除雜質(zhì)徹底，因此質(zhì)量最好，但成本最高。1.按冶煉方式分類9（1）沸騰鋼；（2）鎮(zhèn)靜鋼；（3）半鎮(zhèn)靜鋼沸騰鋼的特點(diǎn)

含雜質(zhì)較多，質(zhì)量較差，致密性差，但成本低；

鎮(zhèn)靜鋼的特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，是質(zhì)量較好的鋼種，但是產(chǎn)品率低，且成本較高；

半鎮(zhèn)靜鋼的特點(diǎn)脫氧程度以及鋼的質(zhì)量介于沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼之間。2.按脫氧的方式分類103.按加工方式分類(1）熱加工鋼材

是將鋼錠加熱到一定溫度，使得鋼錠呈塑性狀態(tài)進(jìn)行的壓力加工，如熱軋、熱鍛（2）冷加工鋼材

指在常溫下進(jìn)行加工的鋼材壓力加工的目的：去除冶煉、鑄錠過程中鋼材結(jié)構(gòu)的不均勻、氣泡等缺陷；114.按化學(xué)成分分類分類：（1）碳素鋼；（2）合金鋼（1）碳素鋼：指含碳量小于2%的鋼，一般又分為以下三種：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼（2）合金鋼：

為改善鋼的某些性質(zhì)而特意加入的一定量的一種或幾種合金元素；如硅、錳和鎳等。

合金鋼分為低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼。125.按質(zhì)量等級分類（1）普通質(zhì)量鋼；（2）優(yōu)質(zhì)鋼；（3）高級優(yōu)質(zhì)鋼；（4）特級優(yōu)質(zhì)鋼6.按用途分分為三大類:（1）建筑用鋼：又分為結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土用鋼。建筑結(jié)構(gòu)中最常用的鋼種是碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼；（2）工具鋼：用于各種切削工具的鋼；（3）特種鋼：具有特殊性能的鋼，如耐酸鋼、耐熱鋼、不銹鋼等。普通鋼P(yáng)≤0.045%,S≤0.050%優(yōu)質(zhì)鋼P(yáng)≤0.035%,S≤0.035%高級優(yōu)質(zhì)鋼P(yáng)≤0.025%,S≤0.025%特級優(yōu)質(zhì)鋼P(yáng)≤0.025%,S≤0.015%131、強(qiáng)度：fy，fu是兩項(xiàng)重要的強(qiáng)度指標(biāo)。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度一般均依據(jù)fy

確定。2、塑性：當(dāng)鋼材應(yīng)力超過屈服點(diǎn)后，能產(chǎn)生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即破壞的性質(zhì)。

主要指標(biāo)：

伸長率δ：δ

＝×100﹪

斷面收縮率ψ

：ψ

＝×100﹪二、鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)143、韌性：鋼材抵抗沖擊荷載的能力。

它與塑性有關(guān)但又不完全相同，是強(qiáng)度與塑性的綜合表現(xiàn)。韌性指標(biāo)：

4、可焊性

施工上的可焊性：指焊縫金屬產(chǎn)生裂紋的敏感性。使用性能上的可焊性：要求焊縫處的力學(xué)性能不低于母材的力學(xué)性能。圖2-4沖擊試驗(yàn)155、冷彎性能

鋼材的冷彎性能是衡量鋼材在常溫下彎曲加工產(chǎn)生塑性變形時(shí)對產(chǎn)生裂紋的抵抗能力的一項(xiàng)指標(biāo)。冷彎試驗(yàn)是鑒定鋼材質(zhì)量的一種好方法，常作為靜力拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的補(bǔ)充試驗(yàn)。綜上所述：fy，fu,δ是承重鋼結(jié)構(gòu)對鋼材要求所必需的三項(xiàng)基本力學(xué)性能指標(biāo)。

力學(xué)性能指標(biāo)包括五項(xiàng)指標(biāo)：屈服點(diǎn)fy，抗拉強(qiáng)度fu，伸長率δ

，180°冷彎，常溫及負(fù)溫沖擊韌性。圖2-5冷彎試驗(yàn)16第三節(jié)影響鋼材力學(xué)性能的因素1、化學(xué)成分的影響；2、冶金和軋制過程的影響；3、時(shí)效硬化的影響；4、冷作硬化的影響；5、溫度的影響；6、應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力的影響；7、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的影響。171、化學(xué)成分的影響（1）基本成份為Fe，含量占99％；C、Si、Mn為有益元素，總量不超過1.5%；S、P、N、O為冶煉過程中不易除盡的有害元素，總量不超過1%。（2）C的影響：含C↑使強(qiáng)度↑；塑性、韌性、可焊性↓，應(yīng)控制在≤0.22%，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)控制在≤0.20%。（3）Si的影響：含Si適量使強(qiáng)度↑；其它影響不大，有益，含量應(yīng)控制在≤0.1~0.3%。18（4）Mn的影響：含Mn適量使強(qiáng)度↑，可降低S、O的熱脆影響，改善熱加工性能，對其它性能影響不大。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼含量應(yīng)控制在≤0.3~0.8%

，低合金鋼為≤1.2~1.6%（5）S的影響：含量↑使強(qiáng)度↑；塑性、韌性、冷彎性能、可焊性↓，一般應(yīng)控制在≤0.05%，焊接結(jié)構(gòu)為≤0.045%；高溫時(shí)使鋼材變脆－熱脆現(xiàn)象。（6）P的影響：低溫時(shí)使鋼材變脆－冷脆現(xiàn)象；其它影響同S，且控制量同S。（7）O、N的影響：可使鋼材變得極脆。O同S（發(fā)生熱脆）；N同P（發(fā)生冷脆），一般應(yīng)控制含量≤0.008%。192、冶金和軋制過程的影響1)、冶煉方法分類：轉(zhuǎn)爐煉鋼法平爐煉鋼法電爐煉鋼法2)、脫氧方法：沸騰鋼（F）鎮(zhèn)靜鋼（Z），特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ）半鎮(zhèn)靜鋼（bZ）3)、鋼材的軋制：在1200~1300℃高溫下，經(jīng)軋制細(xì)化了鋼的晶粒，焊合了小氣泡、裂紋等缺陷，使金屬組織更致密。

軋制鋼材強(qiáng)度、塑性、韌性均較好，且薄板比厚板力學(xué)性能更好。203、時(shí)效硬化影響由于某種因素的影響而使鋼材強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降，脆性增加的現(xiàn)象稱之為硬化現(xiàn)象。鋼材中的C、N，隨著時(shí)間的增長和溫度的變化，而形成碳化物和氮化物，使鋼材變脆的“老化”現(xiàn)象稱之為時(shí)效硬化。4、冷作硬化的影響

冷加工時(shí)（常溫進(jìn)行彎折、沖孔剪切等），鋼材發(fā)生塑性變形從而使鋼材變硬的現(xiàn)象稱之為冷作硬化。

圖2-6鋼材的硬化215、溫度的影響1)升溫情況

200~250℃時(shí)，fu提高但塑性、韌性有所降低，此時(shí)的破壞稱“藍(lán)脆”現(xiàn)象。

250~350℃

時(shí)，fy

、fu

、E顯著降低，δ

增大，易產(chǎn)生“徐變”現(xiàn)象。

400~600℃

時(shí)，fy

、fu

、E急劇下降，600℃

時(shí)承載力幾乎完全喪失。2)降溫情況鋼材強(qiáng)度略有提高，但塑性和沖擊韌性下降。設(shè)計(jì)時(shí)要防止低溫冷脆性破壞；選材時(shí)應(yīng)使其轉(zhuǎn)變溫度下限T1低于結(jié)構(gòu)工作環(huán)境溫度。如：Q235鋼，工作溫度≥

-15℃。226、應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力的影響鋼材在多向同號應(yīng)力場作用下，一向的變形受到另一向的限制，而使鋼材強(qiáng)度增加，塑性、韌性下降，異號應(yīng)力場時(shí)則相反。鋼構(gòu)件由于截面的改變以及孔洞、凹槽、裂紋等原因而使構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中實(shí)際為：局部應(yīng)力增大并多為同號應(yīng)力場。鋼材在軋制、焊接、切割等過程中會產(chǎn)生在構(gòu)件內(nèi)部自相平衡的內(nèi)力,殘余應(yīng)力雖對構(gòu)件的靜力強(qiáng)度無影響，但對構(gòu)件的變形（剛度）、疲勞以及穩(wěn)定承載力產(chǎn)生不利影響（后續(xù)章節(jié)中將詳細(xì)介紹）。237、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的影響在復(fù)雜受力情況下，按材力能量強(qiáng)度理論推導(dǎo)可用折算應(yīng)力zs來判斷其工作狀態(tài)：三向應(yīng)力：

zs=

當(dāng)zs<fy時(shí)，彈性狀態(tài)。當(dāng)zs≥fy時(shí)，塑性狀態(tài)。

雙向應(yīng)力：

zs=

一般梁中，只有和，則zs=

純剪時(shí)，

=0，則zs=

取zs==fy,則

=fvy=0.58fy

表示剪應(yīng)力達(dá)到0.58fy時(shí)，鋼材將進(jìn)入塑性狀態(tài)。圖2-8復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)24第四節(jié)建筑結(jié)構(gòu)用鋼的種類與選用

一、鋼材的牌號表示方法及結(jié)構(gòu)用鋼的種類鋼材牌號由：“Q、屈服點(diǎn)值、質(zhì)量等級、脫氧方法”四部分組成。Q：表示“屈”字拼音首位字母，意為“屈服強(qiáng)度”；質(zhì)量等級：碳素結(jié)構(gòu)鋼分A~D四級；低合金鋼分A~E五級（次序越高質(zhì)量越好）。脫氧方法：F－沸騰鋼；Z－鎮(zhèn)靜鋼；

b－半鎮(zhèn)靜鋼；TZ－特殊鎮(zhèn)靜鋼。

Z和TZ一般可以省略。注：結(jié)構(gòu)用鋼主要有：碳素結(jié)構(gòu)鋼（低碳，C≤0.22﹪）

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（低合金，合金元素<5﹪）25

碳素結(jié)構(gòu)鋼分：A、B、C、D四級，含所有脫氧方法；低合金結(jié)構(gòu)鋼分：A、B、C、D、E五級，只有鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。

1、碳素結(jié)構(gòu)鋼

A,BA,B

主要有五種：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275

鋼號表示方法舉例：（Q235-A,B,C,D）

Q235-A·FQ235-B·bQ235-CQ235-DQ—

屈服點(diǎn)，235—表示fy=235N/mm2A—

無沖擊性能要求

B、C、D—要求20℃、

0℃、-20℃時(shí)沖擊功≥27J262、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

低合金鋼是在冶煉過程中添加一種或幾種少量合金元素（含量≤5％）的鋼材。常用的低合金鋼有Q345、Q390、Q420等。低合金鋼的質(zhì)量等級分五級：

A—無沖擊性能要求；

B、C、D—要求20℃、0℃、-20℃時(shí)沖擊功≥34J

E—要求-40℃時(shí)沖擊功≥27J

碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼可以采取適當(dāng)?shù)臒崽幚恚ㄈ缯{(diào)質(zhì)處理）進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。例如用于制造高強(qiáng)度螺栓的45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼以及40硼鋼（40B）、20錳鈦硼鋼（20MnTiB）就是通過調(diào)質(zhì)處理提高強(qiáng)度的。271.選用原則

鋼材選用的原則是既要使結(jié)構(gòu)安全可靠和滿足使用要求，又要最大可能節(jié)約鋼材和降低造價(jià)。為保證承重結(jié)構(gòu)的承載力和防止在一定條件下可能出現(xiàn)的脆性破壞，應(yīng)綜合考慮六方面因素：結(jié)構(gòu)的重要性、荷載的性質(zhì)、連接方法、結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的受力性質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式和鋼材厚度。二、鋼材的選用282.鋼材性能要求

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)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(yàn)的合格保證。需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材，應(yīng)具有常溫或負(fù)溫沖擊韌性的合格保證。對需要驗(yàn)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。29

對抗震鋼結(jié)構(gòu)的鋼材還應(yīng)符合下列要求：（1）鋼材的抗拉強(qiáng)度實(shí)測值與屈服強(qiáng)度實(shí)測值的比值不應(yīng)小于1.2；（2）鋼材應(yīng)有明顯的屈服臺階，且伸長率δ應(yīng)大于20%；（3）鋼材應(yīng)有良好的可焊性和合格的沖擊韌性。30第五節(jié)鋼材的規(guī)格1、鋼板

特厚鋼板：厚度>60mm,寬600~3800mm，長度4~9m

厚鋼板：厚4.5~60mm,寬700~3000mm，長度4~12m

薄鋼板：厚0.35~4mm,寬500~1800mm，長度0.4~6m

扁鋼：厚4~60mm,寬12~200mm，長度3~9m2、型鋼角鋼：等邊L100×8，不等邊L140×90×8；工字鋼：Ⅰ20a，Ⅰ20b；槽鋼：[30a，[25b；

H型鋼和T型鋼（H×B×tw×tf,h×B×tw×tf）；鋼管：Φ102×5（Φ外徑×壁厚）3、冷彎薄壁型鋼

冷彎薄壁型鋼采用薄鋼板冷軋制成。其壁厚一般為1.5~12mm，但承重結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的壁厚不宜小于2mm。薄壁型鋼能充分利用鋼材的強(qiáng)度以節(jié)約鋼材，在輕鋼結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。常用冷彎薄壁型鋼截面型式有等邊角鋼、卷邊等邊角鋼、Z型鋼、卷邊Z型鋼、槽鋼、卷邊槽鋼（C型鋼）、鋼管等。31第六節(jié)鋼材的疲勞和疲勞強(qiáng)度1、一般概念1)疲勞破壞：鋼材在循環(huán)應(yīng)力多次反復(fù)作用下裂紋生成、擴(kuò)展以致斷裂的破壞現(xiàn)象。疲勞破壞經(jīng)歷三個(gè)階段：裂紋的形成，裂紋的緩慢擴(kuò)展和最后迅速斷裂。2)疲勞破壞的特點(diǎn)：

a)

呈現(xiàn)脆性破壞特征；

b)破壞時(shí)，截面的應(yīng)力低于鋼材的抗拉強(qiáng)度，甚至低于

fy，破壞斷口整齊。3)疲勞強(qiáng)度：構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下，經(jīng)過一定次數(shù)N的循環(huán)后出現(xiàn)疲勞破壞時(shí)對應(yīng)的最大應(yīng)力

p。4)應(yīng)力循環(huán)特征：連續(xù)重復(fù)荷載作用下應(yīng)力從最大到最小重復(fù)一周(稱一個(gè)循環(huán))所具有的特征。應(yīng)力循環(huán)特征常用應(yīng)力比或應(yīng)力幅來表示(拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值)。5)應(yīng)力幅：應(yīng)力幅表示應(yīng)力變化的幅度，用

△

=max-min表示，應(yīng)力幅總是正值。32各種應(yīng)力循環(huán)下的應(yīng)力比、應(yīng)力幅332、影響疲勞強(qiáng)度的因素1)、與應(yīng)力循環(huán)特征有關(guān)

應(yīng)力比

或應(yīng)力幅

2)、與荷載作用性質(zhì)有關(guān)

以拉為主時(shí)，疲勞強(qiáng)度較低以壓為主時(shí)，疲勞強(qiáng)度較高應(yīng)力以拉為正，壓為負(fù)最大拉應(yīng)力絕對值最小、最大峰值應(yīng)力比值343）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N（疲勞壽命）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N<5×104，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，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。0N×105N1N2fy12345635當(dāng)n>5×106

次時(shí)，

已趨于穩(wěn)定，稱為疲勞強(qiáng)度的極限。(a)0N(b)0N=5×104N=5×106............b1Δσ-N曲線4)、應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力

凡出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方，都會加速疲勞的破壞；殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)更易出現(xiàn)疲勞破壞。36第七節(jié)結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算1、常幅疲勞

對應(yīng)焊接部位