钢结构 第二章

本文由尤文_哲科贡献ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。第2章章钢结构的材料2.1钢结构对钢材性能的要求2.2钢材的主要力学性能2.3影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素2.4复杂应力状态下的工作性能复杂应力状态下的工作性能2.5钢材的疲劳性能2.6钢材的种类及选择2.1钢结构对钢材的基本要求钢材种类繁多，规格、钢材种类繁多，规格、用途也不相对建筑结构用钢来说，同，对建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。方面的要求。(1)较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻；结构的自重轻；塑性好，(2)较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载；承受动力荷载；(3)良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能；2.2钢材的主要力学性能1.单向拉伸试验曲线2.钢材的主要机械性能2.钢材的主要机械性能（1）强度指标：）强度指标：fy屈服强度，为主要设计依据；fu屈服强度，为主要设计依据；为钢材的最大承载强度，即极限强度，为钢材的最大承载强度，即极限强度，可作为安全储备。可作为安全储备。（2）塑性指标：）塑性指标：延伸率δ和颈缩率。延伸率δ5（δ10）和颈缩率。描述钢材产生塑性变形时而不发生脆性断裂的能力，便于内力重分布，吸收能量，的能力，便于内力重分布，吸收能量，为重要指标。为重要指标。（3）冷弯性能：冷弯性能：在冷加工过程中产生塑性变形时，形时，对产生裂纹的敏感性，的敏感性，是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标。（4）韧性－冲韧性－击韧性指标：击韧性指标：αk—描述钢材在描述钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力，量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的能力（载的能力（动力指oo），按标），按20、0、oo-20、-40。（5）可焊性：表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能力－不产生裂纹，接头性能的能力－不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求。焊缝影响区材性满足有关要求。2.3影响钢材性能的主要因素1.化学成份2.生产工艺3.冷作硬化与时效硬化4.复杂应力与应力集中5.残余应力6.温度1.化学成份的影响1.化学成份的影响基本成份为F含量占9999％；(1)基本成份为Fe，含量占99％；有益元素CSi、有益元素C、Si、Mn;有害元素S、P、N、O.C的影响的影响：C↑使强度塑性、使强度↑(2)C的影响：含C↑使强度↑塑性、韧性、可焊性↓韧性、可焊性↓，焊接结构应控制在≤0.20%。Si的影响的影响：Si适量使强度（3）Si的影响：含Si适量使强度其它影响不大，有益，↑其它影响不大，有益，含量应控制在≤0.1~0.3%控制在≤0.10.3%。Mn的影响的影响：Mn适量使强度（4）Mn的影响：含Mn适量使强度可降低S的热脆影响，↑可降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大。热加工性能，对其它性能影响不大。(5)S的影响：塑性、韧性、性的影响：塑性、韧性、能冷弯、可焊性↓能冷弯、可焊性↓，高温时使钢材变脆－热脆现象。材变脆－热脆现象。(6)P的影响：低温时使钢材变的影响：冷脆现象；其它影响同S脆－冷脆现象；其它影响同S，且控制量同S。(7)O、的影响：(7)O、N的影响：可使钢材变得极脆。发生热脆）；）；N极脆。O同S（发生热脆）；N同发生冷脆），），一般应控制含P（发生冷脆），一般应控制含量≤0.008%。2.生产工艺的影响（1）冶炼过程主要控制化学成分。（2）浇铸的影响主要为脱氧方沸腾钢用Mn为脱氧剂，Mn为脱氧剂法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，时间价格低，质量差；快，价格低，质量差；镇静钢用Si为脱氧剂，时间慢，价格高，Si为脱氧剂，时间慢，价格高，为脱氧剂质量好。质量好。(3)反复的轧制可使得钢材规格变小，改善钢材的塑性，变小，改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，等缺陷焊合，使金属晶体组织密晶粒细化，实，晶粒细化，消除纤维组织缺使钢材的力学性能提高。陷，使钢材的力学性能提高。同一牌号的钢材，厚度或直径越小，一牌号的钢材，厚度或直径越小，强度越高。强度越高。3.冷作硬化与时效硬化的影响（1）由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、使钢材强度提高，塑性、韧性下增加脆性的现象称之为硬化降，增加脆性的现象称之为硬化现象。现象。一般为重复荷载作用下弹性极限提高（性极限提高（进入塑性阶段后发生）。发生）。（2）冷加工时（常温进行弯折、冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），），钢材发生塑性冲孔剪切等），钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化冷作硬化。之为冷作硬化。?（3）钢材中的C、N，随着时间钢材中的C的增长和温度的变化，的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，碳化物和氮化物，使钢材变脆老化”现象称之为时效硬的“老化”现象称之为时效硬化。可划分为裂纹的形成，（2）可划分为裂纹的形成，裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。个阶段。（3）疲劳强度与反复荷载引起应力种类（拉应力、压应力、的应力种类（拉应力、压应力、剪应力和复杂应力等）剪应力和复杂应力等）、应力循环形式、应力循环次数、循环形式、应力循环次数、应力集中程度和残余应力等有关等有关。力集中程度和残余应力等有关。4.复杂应力与应力集中的影响（1）钢材在多向同号应力场作用下，钢材在多向同号应力场作用下，一个方向的变形受到另一向的限制，一个方向的变形受到另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反。异号应力场时则相反。（2）钢构件由于截面的改变以及孔凹槽、洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中，应力集中的实际为：生应力集中，应力集中的实际为：局部应力增大并多为同号应力场。部应力增大并多为同号应力场。5.残余应力的影响钢材在轧制、焊接、钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内部自相平衡的内力,衡的内力,残余应力虽对构件的静力强度无影响，静力强度无影响，但对构件的变形（刚度）、）、疲劳以及稳定变形（刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不利影响。承载力产生不利影响6.温度的影响（1）正温影响总体影响规律为温度上升，钢材的总体影响规律为温度上升，强度降低，塑性、韧性提高，强度降低，塑性、韧性提高，温度达o450左右时，450-600c左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为热煅温度热煅温度。行热加工，此温度称之为热煅温度。需要说明：钢材在250左右时，强度提高，需要说明：钢材在250左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一现象称o之为蓝脆现象钢材在200以上时应采取隔热措蓝脆现象。之为蓝脆现象。钢材在200以上时应采取隔热措施。o（2）负温影响随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某称之为低温冷脆，低温冷脆一特定温度时钢材的脆性急剧增称此温度点为转脆温度转脆温度。大，称此温度点为转脆温度。2.4复杂应力状态下的工作性能1.复杂应力时的折算应力1222σe=[(σ1?σ2)+(σ2?σ3)+(σ3?σ1)]2σe=σ+3τ22fvy=fy/3≈0.58fyσe=σ+3τ=3τ=fy=3fvy22同号应力，强度提高，2.同号应力，强度提高，易发生脆性破坏。脆性破坏。异号应力，强度降低，3.异号应力，强度降低，易发生塑性破坏。塑性破坏。2.5钢材的破坏形式一、塑性破坏?二、脆性破坏?三、疲劳破坏一、塑性破坏1.塑性变形很大、经历时间又较长的破坏也称延性破坏：2.塑性破坏的特征特征是构件应力超过屈服点、并达到抗特征拉极限强度后、构件产生明显的变形并断裂，它是钢材晶粒中对角面上的剪应力值超过抵抗能力而引起晶粒相对滑移的结果；3.断口断口与作用力方向常成45°，断口呈纤维状，色泽灰暗而不反光，有时还能看到滑移的痕迹。4.钢材的塑性破坏是由于剪应力超过晶粒抗剪能力超过晶粒抗剪能力而超过晶粒抗剪能力产生的。二、脆性破坏1、特征?脆性破坏在破坏前无明显变形．平均应力小，往往比屈服点低很多。脆性断裂没有任何预兆，破坏断口平直并呈有光泽的品粒状。?从力学观点来分析，脆性破坏是由于拉应力超过晶粒抗拉能力而产生的。?脆性破坏是突然发生的，危险性大，应尽量避免。2、影响脆性断裂的因素〔1)钢材质量差：钢材的碳、硫、磷、氧、氮等元素含量过高金缺陷严重、韧性差等。(2)结构构件构造不当；孔洞、缺口或截面改变急剧或布置不当，导致应力集中；(3)制造安装质量差；焊接、安装工艺不合理．焊缝交错；〔4)结构受有较大动力荷载，或在较低环境温度下工作等。3、防止的措施防止脆性断裂的关键是在设计、制造和使用钢结构时：要注意改善构造的形式，降低应力集中程度；尽量避免和减少焊接残余应力及其他工艺引起的残余应力；选用冷脆转变温度低的钢材(即保证负温冲击韧性指标)；尽量采用薄钢板。三、疲劳破坏1.何为疲劳破坏1.何为疲劳破坏？钢材在连续反复荷载作用下，钢材在连续反复荷载作用下，虽然应力还低于极限强度，甚至还低于屈服点，力还低于极限强度，甚至还低于屈服点，而发生的断裂。而发生的断裂。2.主要特点2.主要特点：主要特点破坏之前，（1）破坏之前，不出现明显的变形和局部收缩，和脆性破坏一样，变形和局部收缩，和脆性破坏一样，是一种突然发生的断裂。是一种突然发生的断裂。可划分为裂纹的形成，（2）可划分为裂纹的形成，裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。个阶段。（3）疲劳强度与反复荷载引起应力种类（拉应力、压应力、的应力种类（拉应力、压应力、剪应力和复杂应力等）剪应力和复杂应力等）、应力循环形式、应力循环次数、循环形式、应力循环次数、应力集中程度和残余应力等有关等有关。力集中程度和残余应力等有关。3、几个概念（1）、应力比循环中绝对值最小的峰值应力与绝对值最大的峰值应力点之比σminρ=σmax（2）、应力幅σ=σmax?σmin4、疲劳计算的主要规定：（1）承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，钢结构构件及其连接，当应力变化循环次数n等于或大于2化循环次数n等于或大于2×106时，应进行疲劳计算；应进行疲劳计算；（2）在应力循环中不出现拉应力的部位，可不进行疲劳计算；力的部位，可不进行疲劳计算；计算疲劳时，（3）计算疲劳时，应采用荷载的标准值，不应乘以动力系数；标准值，不应乘以动力系数；疲劳计算采用容许应力幅法，（4）疲劳计算采用容许应力幅法，并按弹性状态计算应力，并按弹性状态计算应力，分常幅疲劳和变幅疲劳两方面进行计算；疲劳和变幅疲劳两方面进行计算；σ≤[?σ]（5）规范对疲劳计算的构件和连接划分为1个类别，接划分为1到8个类别，其中给出了19种不同情况的构件或连接种不同情况的构件或连接。19种不同情况的构件或连接。类别数字愈大，则其疲劳性能愈差。数字愈大，则其疲劳性能愈差。（6）变幅疲劳的验算公式为σe≤[?σ]β∑ni(?σi)?σe=??∑ni????1/β2.6钢材的种类与选择一、钢材的种类按用途分类——结构钢、工具钢、特殊钢——按冶炼方法分——平炉钢、转炉钢按脱氧程度分——沸腾钢F、半镇静b、镇静Z、特殊镇静TZ按化学成分分类碳素结构钢分：碳素结构钢分：A、B、C、D四含所有脱氧方法；级，含所有脱氧方法；低合金结构钢分：低合金结构钢分：A、B、C、D、E五级，五级，只有镇静钢和特殊镇静钢。钢材牌号钢材牌号：Q+屈服点值+质量等级+Q+屈服点值+质量等级+脱氧方法屈服点值服强度”服强度”；质量等级：质量等级：分A~E五级（字序越高质量越E五级（好）；脱氧方法：沸腾钢；镇静钢（脱氧方法：F－沸腾钢；Z－镇静钢（一般省）；b半镇静钢；TZ－特殊镇静钢。略）；b－半镇静钢；TZ－特殊镇静钢。Q：为“屈”字拼音首位字母，意为“屈字拼音首位字母，意为“2．建筑结构用钢的选择原