大學本科鋼結(jié)構(gòu)設計原理課件-第2章鋼結(jié)構(gòu)材料2

一、概念1、循環(huán)荷載——結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的隨時間變化的荷載。PP11A1-1A§2.6

鋼材的疲勞（1）應力循環(huán)（2）應力循環(huán)特征—應力比ρ--構(gòu)件截面應力隨時間的變化。（3）應力幅

在循環(huán)荷載作用下，應力從最大到最小重復一次為一次循環(huán)，最大應力與最小應力之差為應力幅:為常量常幅循環(huán)：為變量變幅循環(huán)：+σ-σt(b)脈沖循環(huán)(a)完全對稱循環(huán)(c)不完全對稱循環(huán)(d)不完全對稱循環(huán)2.鋼材的疲勞

在循環(huán)荷載（連續(xù)反復荷載）作用下，經(jīng)過有限次循環(huán)，鋼材發(fā)生破壞的現(xiàn)象，稱之為疲勞。3.疲勞破壞的機理

疲勞破壞是積累損傷的結(jié)果。缺陷→微觀裂紋→宏觀裂紋。4.疲勞破壞的特征屬于脆性破壞，截面平均應力小于屈服點。5.影響鋼材疲勞的主要因素（1）構(gòu)件和連接的分類

規(guī)范將構(gòu)件和連接的種類分為8類，第1類為軋制的型鋼（殘余應力?。┢趶姸茸罡?；第8類為角焊縫應力集中最嚴重疲勞強度最低。詳見鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范“疲勞計算的構(gòu)件和連接分類（附錄E）”。當名義循環(huán)應力為拉應力，焊縫附近的應力為屈服強度。（2）應力幅（Δσ）和應力循環(huán)特征（應力比ρ）A.對于焊接結(jié)構(gòu)：

應力幅對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度有很大影響，而與名義最大應力σmax和應力比ρ無關。B.對于非焊接結(jié)構(gòu)和軋制鋼材

在循環(huán)次數(shù)N一定的情況下，根據(jù)試驗資料可以繪出N次循環(huán)的疲勞圖(σmax和σmin關系曲線)。

當ρ=0和ρ=-1時的疲勞強度分別為σ0和σ-1，連接BC并延長至A、D。非焊接結(jié)構(gòu)的疲勞圖DA

由上述推導可知，對于非焊接結(jié)構(gòu)和軋制鋼材，疲勞強度與最大應力、應力比、循環(huán)次數(shù)和缺口效應（構(gòu)造類型的應力集中情況）有關。ABCD直線方程為：DA非焊接結(jié)構(gòu)的疲勞圖（3）應力循環(huán)次數(shù)N（疲勞壽命）應力循環(huán)次數(shù)N<5×104，不需要進行疲勞計算。

應力幅越低，作用循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高；應力幅相同，作用的循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高。0NX105N1N2fy123456

由試驗結(jié)果，以及上述分析可知鋼材的疲勞強度主要與構(gòu)件和連接分類（內(nèi)部缺陷、應力集中、殘余應力）、應力循環(huán)次數(shù)和應力幅有關。

焊接部位的疲勞強度與鋼材的靜力強度(屈服點fy)基本無關。

對于只有壓應力的應力循環(huán)作用，由于鋼材內(nèi)部缺陷不易開展，則不會發(fā)生疲勞破壞，不必進行疲勞計算。二、疲勞強度計算（一）常幅疲勞

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以繪出構(gòu)件或連接的應力幅Δσ與相應的致?lián)p循環(huán)次數(shù)N的關系曲線，按試驗數(shù)據(jù)回歸的Δσ-N曲線為平均曲線(圖a)，取對數(shù)坐標(圖b)。1.容許應力幅[Δσ]

由于現(xiàn)階段對鋼材發(fā)生疲勞破壞尚處于進一步研究階段，按概率極限狀態(tài)計算疲勞強度還不成熟，故采用容許應力幅的計算方法。Δσ-N曲線(a)0N式中：β--直線對縱坐標的斜率；

b1--直線在橫軸坐標上的截距；

N--循環(huán)次數(shù)。(b)0N=5×104N=5X106............b1

考慮試驗數(shù)據(jù)的離散性，取平均值減去2倍lgN的標準差s作為疲勞強度下限，當lgΔσ為正態(tài)分布時，保證率為97.7%。下限值的直線方程為：此時的Δσ即為容許應力幅：式中：系數(shù)β、c--根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范“疲勞計算的構(gòu)件和連接分類”查表得到。2S2S(b)0N=5×104N=5X106............b12.疲勞強度計算式中：Δσ--計算部位的應力幅；對于焊接部位:Δσ=σmax-σmin；對于其他部位：Δσ=σmax-0.7σmin(折算應力幅）。

σmax、σmin--計算部位每次應力循環(huán)中的最大拉應力和最小拉應力或壓應力（取負值）。說明：1）計算時用荷載的標準值；

2）由于來源于試驗，已考慮動力效應，計算時不再考慮動力系數(shù)；（二）變幅疲勞和吊車欠載效應系數(shù)σσmaxσmin0t—欠載效應系數(shù)。重級工作制硬鉤吊車1.0；重級工作制軟鉤吊車0.8；中級工作制吊車0.5。--循環(huán)次數(shù)N=2X106的容許應力幅。式中：對于吊車梁，按下式計算其疲勞強度：

1、不出現(xiàn)拉應力的部位可不計算疲勞。但對出現(xiàn)拉應力的部位，例如σmax=140N/mm2,σmin=-10N/mm2和σmax=10N/mm2,σmin=-140N/mm2

兩種應力循環(huán)的應力幅都是150N/mm2

，疲勞強度相同，顯然不合理。

2、螺栓受拉時螺紋處的應力集中很大，疲勞強度很低，常有疲勞破壞的實例，但規(guī)范沒有規(guī)定，應予補充。思考:一、鋼的種類

1、碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB/T700-88）---低碳鋼牌號

Q235--質(zhì)量等級（A、B、C、D）澆注方法（F、Z、Tz）

A--保證fu、fy、δ，P、S含量

B--保證fu,fy,δ,冷彎，常溫時Cv，P，S，C含量；

C--保證fu,fy,δ,冷彎,0oC時Cv，P，S，C含量;D--保證fu,fy,δ,冷彎,-20oC時Cv，P，S，C含量;§2.7

鋼材的種類和規(guī)格2.低合金鋼(GB/T1591-94)GB/T1591-94Q295Q390Q345Q420相應的鋼材品種（GB/T1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTiRE

低合金鋼的質(zhì)量等級分A、B、C、D、E，其中E主要是要求-400C的沖擊韌性。二、鋼材的選擇（一）選擇鋼材的原則1．結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性；2．荷載情況（靜力荷載，動力荷載）；

靜力荷載作用下可選擇經(jīng)濟性較好的Q235鋼材。動力荷載作用下應選擇綜合性能較好鋼材。3．連接方法（焊接連接、螺栓連接）；

焊接結(jié)構(gòu)對材質(zhì)的要求嚴格，應嚴格控制C、S、P的極限含量；非焊接結(jié)構(gòu)對C的要求可降低一些。4．結(jié)構(gòu)所處的工作條件（環(huán)境溫度，腐蝕等）；

低溫下工作的結(jié)構(gòu)應選擇低溫脆斷性能好的鎮(zhèn)定鋼鋼材的厚度。

厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應采用材質(zhì)較好的鋼材。（二）鋼材選擇建議1、承重結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼，其質(zhì)量應分別符合國家標準《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T700和《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T1591的規(guī)定。當采用其他牌號的鋼材時，尚符合相應有關標準的規(guī)定和要求。2、承重結(jié)構(gòu)的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結(jié)構(gòu)尚具有含碳量的合格保證。

3、對于需要驗算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)，應具有常溫沖擊韌性的合格保證；當結(jié)構(gòu)工作溫度等于或低于0℃但高于－20℃時，Q235鋼和Q345鋼應具有0℃沖擊韌性合格的保證；對于Q390鋼和Q420鋼應具有－20℃沖擊韌性的合格保證。當結(jié)構(gòu)工作溫度等于或低于－20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應具有－20℃沖擊韌性的合格保證；對Q390和Q420鋼應具有－40℃沖擊韌性的合格保證。

4、對于需要驗算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)的鋼材亦應具有常溫沖擊韌性的合格保證，當結(jié)構(gòu)工作溫度等于或低于－20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應具有0℃沖擊韌性合格的保證；對Q390鋼和Q420鋼應具有－20℃沖擊韌性的合格保證。5、重要的受拉或受彎的焊接構(gòu)件中，厚度大于等于16mm的鋼材應具有常溫沖擊韌性合格的保證。

6、當焊接結(jié)構(gòu)為防止鋼材的層狀撕裂而采用Z向鋼時，其材質(zhì)應符合現(xiàn)行國家標準《厚度方向性能鋼板》GB/T5313的規(guī)定。8、對于外露環(huán)境，且對大氣腐蝕有特殊要求的或在腐蝕性氣態(tài)和固態(tài)介質(zhì)作用下的承重結(jié)構(gòu)，宜采用耐候鋼，其質(zhì)量要求應符合現(xiàn)行國家標準《焊接耐候鋼》GB/T4172的規(guī)定。

7、鋼板的抗撕裂性能采用厚度方向的斷面收縮率Ψz來評定。該標準將沿厚度方向的斷面收縮率分為三個等級，即Z15，Z25，Z35，分別對應其允許值。三、鋼材的規(guī)格

熱軋成型的鋼板和型鋼，冷彎（或冷壓）成型的薄壁型鋼。（一）熱軋鋼板（表示方法—寬×厚度×長度）分為:厚板（厚度4.5-60mm)薄板（厚度0.35-4mm)扁鋼：厚度4-60mm，寬度20-200mm。(二）熱軋型鋼1.工字鋼2.槽鋼工字鋼根據(jù)截面高度h及厚度分類a(或b、c)槽鋼根據(jù)截面高度h及厚度分類a(或b、c)3.角鋼∠肢寬度×肢厚度

等肢角鋼∠長肢寬度×短肢寬度×肢厚度

不等肢角鋼4.H型鋼分為：寬翼緣HW、中翼緣HM、窄翼緣HNbht1t2表示方法：

H高度×寬度×腹板厚度×翼緣厚度如：

Hh×b×t1×t25.鋼管tD表示方法：Φ外徑×壁厚分為無縫管和焊接管（三）冷彎薄壁型鋼壁厚1.5~5mm壓型鋼板壁厚0.4~1.5mm與Q235鋼（fy=235~