大學(xué)本科鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)間變化的荷載。PP11A1-1A§2.6

鋼材的疲勞（1）應(yīng)力循環(huán)（2）應(yīng)力循環(huán)特征—應(yīng)力比ρ--構(gòu)件截面應(yīng)力隨時(shí)間的變化。（3）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: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(duì)稱循環(huán)(c)不完全對(duì)稱循環(huán)(d)不完全對(duì)稱循環(huán)2.鋼材的疲勞

在循環(huán)荷載（連續(xù)反復(fù)荷載）作用下，經(jīng)過(guò)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(jī)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(yīng)力小于屈服點(diǎn)。5.影響鋼材疲勞的主要因素（1）構(gòu)件和連接的分類(lèi)

規(guī)范將構(gòu)件和連接的種類(lèi)分為8類(lèi)，第1類(lèi)為軋制的型鋼（殘余應(yīng)力?。┢趶?qiáng)度最高；第8類(lèi)為角焊縫應(yīng)力集中最嚴(yán)重疲勞強(qiáng)度最低。詳見(jiàn)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范“疲勞計(jì)算的構(gòu)件和連接分類(lèi)（附錄E）”。當(dāng)名義循環(huán)應(yīng)力為拉應(yīng)力，焊縫附近的應(yīng)力為屈服強(qiáng)度。（2）應(yīng)力幅（Δσ）和應(yīng)力循環(huán)特征（應(yīng)力比ρ）A.對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)：

應(yīng)力幅對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有很大影響，而與名義最大應(yīng)力σmax和應(yīng)力比ρ無(wú)關(guān)。B.對(duì)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(yàn)資料可以繪出N次循環(huán)的疲勞圖(σmax和σmin關(guān)系曲線)。

當(dāng)ρ=0和ρ=-1時(shí)的疲勞強(qiáng)度分別為σ0和σ-1，連接BC并延長(zhǎng)至A、D。非焊接結(jié)構(gòu)的疲勞圖DA

由上述推導(dǎo)可知，對(duì)于非焊接結(jié)構(gòu)和軋制鋼材，疲勞強(qiáng)度與最大應(yīng)力、應(yīng)力比、循環(huán)次數(shù)和缺口效應(yīng)（構(gòu)造類(lèi)型的應(yīng)力集中情況）有關(guān)。ABCD直線方程為：DA非焊接結(jié)構(gòu)的疲勞圖（3）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。0NX105N1N2fy123456

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

焊接部位的疲勞強(qiáng)度與鋼材的靜力強(qiáng)度(屈服點(diǎn)fy)基本無(wú)關(guān)。

對(duì)于只有壓應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)作用，由于鋼材內(nèi)部缺陷不易開(kāi)展，則不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，不必進(jìn)行疲勞計(jì)算。二、疲勞強(qiáng)度計(jì)算（一）常幅疲勞

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

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

b1--直線在橫軸坐標(biāo)上的截距；

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

考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，取平均值減去2倍lgN的標(biāo)準(zhǔn)差s作為疲勞強(qiáng)度下限，當(dāng)lgΔσ為正態(tài)分布時(shí)，保證率為97.7%。下限值的直線方程為：此時(shí)的Δσ即為容許應(yīng)力幅：式中：系數(shù)β、c--根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范“疲勞計(jì)算的構(gòu)件和連接分類(lèi)”查表得到。2S2S(b)0N=5×104N=5X106............b12.疲勞強(qiáng)度計(jì)算式中：Δσ--計(jì)算部位的應(yīng)力幅；對(duì)于焊接部位:Δσ=σmax-σmin；對(duì)于其他部位：Δσ=σmax-0.7σmin(折算應(yīng)力幅）。

σmax、σmin--計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力和最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力（取負(fù)值）。說(shuō)明：1）計(jì)算時(shí)用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值；

2）由于來(lái)源于試驗(yàn)，已考慮動(dòng)力效應(yīng)，計(jì)算時(shí)不再考慮動(dòng)力系數(shù)；（二）變幅疲勞和吊車(chē)欠載效應(yīng)系數(shù)σσmaxσmin0t—欠載效應(yīng)系數(shù)。重級(jí)工作制硬鉤吊車(chē)1.0；重級(jí)工作制軟鉤吊車(chē)0.8；中級(jí)工作制吊車(chē)0.5。--循環(huán)次數(shù)N=2X106的容許應(yīng)力幅。式中：對(duì)于吊車(chē)梁，按下式計(jì)算其疲勞強(qiáng)度：

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

兩種應(yīng)力循環(huán)的應(yīng)力幅都是150N/mm2

，疲勞強(qiáng)度相同，顯然不合理。

2、螺栓受拉時(shí)螺紋處的應(yīng)力集中很大，疲勞強(qiáng)度很低，常有疲勞破壞的實(shí)例，但規(guī)范沒(méi)有規(guī)定，應(yīng)予補(bǔ)充。思考:一、鋼的種類(lèi)

1、碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB/T700-88）---低碳鋼牌號(hào)

Q235--質(zhì)量等級(jí)（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(shí)Cv，P，S，C含量；

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

鋼材的種類(lèi)和規(guī)格2.低合金鋼(GB/T1591-94)GB/T1591-94Q295Q390Q345Q420相應(yīng)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(jí)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(dòng)力荷載）；

靜力荷載作用下可選擇經(jīng)濟(jì)性較好的Q235鋼材。動(dòng)力荷載作用下應(yīng)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(duì)材質(zhì)的要求嚴(yán)格，應(yīng)嚴(yán)格控制C、S、P的極限含量；非焊接結(jié)構(gòu)對(duì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)分別符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T700和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T1591的規(guī)定。當(dāng)采用其他牌號(hào)的鋼材時(shí)，尚符合相應(yīng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求。2、承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尚具有含碳量的合格保證。

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

4、對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)的鋼材亦應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證，當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度等于或低于－20℃時(shí)，對(duì)Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有0℃沖擊韌性合格的保證；對(duì)Q390鋼和Q420鋼應(yīng)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(yīng)具有常溫沖擊韌性合格的保證。

6、當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)為防止鋼材的層狀撕裂而采用Z向鋼時(shí)，其材質(zhì)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《厚度方向性能鋼板》GB/T5313的規(guī)定。8、對(duì)于外露環(huán)境，且對(duì)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(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《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(lái)評(píng)定。該標(biāo)準(zhǔn)將沿厚度方向的斷面收縮率分為三個(gè)等級(jí)，即Z15，Z25，Z35，分別對(duì)應(yīng)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(zhǎng)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(lèi)a(或b、c)槽鋼根據(jù)截面高度h及厚度分類(lèi)a(或b、c)3.角鋼∠肢寬度×肢厚度

等肢角鋼∠長(zhǎng)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(wú)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~