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ch2_钢结构的材料

发布时间：2024-11-10 来源：未知

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钢结构

第二章钢结构的材料第二章钢结构的材料第一节

性能第二节第三节第四节第五节第六节第七节2010-9-9

第二章钢结构材料第一节钢材在单向均匀受拉时的工作性能1、弹性阶段(OA段)OA段符合虎克定律： = Eε

2、屈服阶段(AC段) 3、强化阶段(CD段) 4、颈缩阶段(DE段)

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讨论：1)、因fp与fy的值很接近，实际工程中常以fy为钢材单向均匀受拉时弹、塑性的分界。

fy时

弹性阶段； >fy时塑性阶段图2-2理想弹性-塑性体的应力-应变曲线

2)、fy为钢材屈服点，设计中把它看作

构件应力可达到的限值。fu为抗拉强度，设计中视为钢材抗破断能力的限值，也是钢材力学性能的一项重要指标。 fy/fu称为屈强比，表明设计强度的储备能力。 fy/fu越大，强度储备越小。 fy/fu越小，强度储备越大。强度储备越大，越安全，但fy/fu太小时，强度利用率低，不经济。

第二节钢结构对材料性能的要求钢结构的钢材应符合下列规定： 1)钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.2; 2)钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率δ应大于20%; 3)钢材应有良好的可焊性和合格的冲击韧性。

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1、强度：fy,fu是两项重要的强度指标。钢结构设计强度一般均依据 fy确定。 2、塑性：当钢材应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形(塑性变形)而不立即破坏的性质。主要指标：伸长率δ:δ=

l1 l0×100﹪ l0

断面收缩率ψ:ψ=

A0 A1×100﹪ A0

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3、韧性：钢材抵抗冲击荷载的能力。它与塑性有关但又不完全相同，是强度与塑性的综合表现。

韧性指标：

k

Ak An

图2-4冲击试验 4、可焊性：施工上的可焊性：指焊缝金属产生裂纹的敏感性。使用性能上的可焊性：要求焊缝处的力学性能不低于母材的力学性能。

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5、冷弯性能钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂纹的抵抗能力的一项指标。冷弯试验是鉴定钢材质量的一种好方法，常作为静力拉伸试验和冲击试验的补充试验。

综上所述： fy,fu,δ是承重钢结构对钢材要求所必需的三项基本力学性能指

标。图2-5冷弯试验

第三节影响钢材力学性能的因素1、化学成分的影响； 2、冶金和轧制过程的影响； 3、时效硬化的影响； 4、冷作硬化的影响； 5、温度的影响； 6、应力集中和残余应力的影响； 7、复杂应力状态的影响。

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1、化学成分的影响(1)基本成份为Fe,含量占99%;C、Si、Mn为有益元素，总量不超过1.5%;S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素，总量不超过1%。 (2) C的影响：含C↑使强度↑;塑性、韧性、可焊性↓,应控制在≤0.22%,焊接结构应控制在≤0.20%。 (3)Si的影响：含Si适量使强度↑;其它影响不大，有益，含量应控制在≤0.1~0.3%。

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(4)Mn的影响：含Mn适量使强度↑,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。普通碳塑钢含量应控制在≤0.3~0.8%,低合金钢为≤1.2~1.6% (5)S的影响：含量↑使强度↑;塑性、韧性、冷弯性能、可焊性↓,一般应控制在≤0.05%,焊接结构为≤0.045%;高温时使钢材变脆-热脆现象。 (6)P的影响：低温时使钢材变脆-冷脆现象；其它影响同S,且控制量同S。 (7)O、N的影响：可使钢材变得极脆。O同S (发生热脆);N同P(发生冷脆),一般应控制含量≤0.008%。2010-9-9©版权所有：上海理工大学土木工程系 10

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2、冶金和轧制过程的影响1)、冶炼方法分类：平炉炼钢法顶吹氧气转炉侧吹(空气)转炉炼钢(已淘汰) 2)、脱氧方法：沸腾钢(F)镇静钢(Z),特殊镇静钢(TZ)半镇静钢(b) 3)、钢材的轧制：在1200~1300℃高温下，经轧制细化了钢的晶粒，焊合了小气泡、裂纹等缺陷，使金属组织更致密。轧制钢材强度、塑性、韧性均较好，且薄板比厚板力学性能更好。

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3、时效硬化影响由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，脆性增加的现象称之为硬化现象。钢材中的C、N,随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化”现象称之为时效硬化。

4、冷作硬化的影响冷加工时(常温进行弯折、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。

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5、温度的影响1)升温情况 200~250℃时， fu提高但塑性、

韧性有所降低，此时的破坏称“蓝脆”现象。 250~350℃时， fy、 fu、E显著降低，δ增大，易产生“徐变”现象。 400~600℃时， fy、 fu、E急剧下降，600℃时承载力几乎完全丧失。 2)降温情况钢材强度略有提高，但塑性和冲击韧性下降。设计时要防止低温冷脆性破坏；选材时应使其转变温度下限T1低于结构工作环境温度。如：Q235钢，工作温度≥ -15℃。

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6、应力集中和残余应力的影响钢材在多向同号应力场作用下，一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，异号应力场时则相反。钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部应力增大并多为同号应力场。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,残余应力残余应力虽对构件的静力强度无影响，但对构件的变形(刚度)、疲劳以及稳定承载力产生不对构件的变形(刚度)、疲劳以及稳定承载力产生不利影响(后续章节中将详细介绍)。利影响

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7、复杂应力状态的影响在复杂受力情况下，按材力能量强度理论推导可用折算应力 zs来判断其工作状态：三向应力：来判断其工作状态：三向应力：

zs= ( 2 x 2 2 z y x y y z z

x

) 3(

2 xy

2 yz

zx)

2

当 zs< fy时，弹性状态。当 zs≥ fy时，塑性状态。双向应力： zs= 2x 2y x y 3 2xy一般梁中，只有则 zs=

2

x

和

,3

2 x

3

纯剪时， =0,则 zs=纯剪时，取 zs= 3 =fy,则表示剪应力达到 0.58fy时，钢材将进入塑性状态。2010-9-9

=fvy=0.58 fy图2-8复杂应力状态15

第四节建筑结构用钢的种类与选用一、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法”四部分组成。 Q:表示“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度”; 质量等级：分A~E五级(次序越高质量越好); 脱氧方法：F-沸腾钢； Z-镇静钢； b-半镇静钢；TZ-特殊镇静钢。 Z和TZ一般可以省略。注：结构用钢主要有结构用钢主要有：普通碳素钢(低碳，C≤ 0.22﹪ )低合金钢(低合金，合金元素<5﹪)

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炭素结构钢分：A、B、C、D四级，含所有脱氧方法；低合金结构钢分：A、B、C、D、E五级，只有镇

静钢和特殊镇静钢。 1、碳素结构钢 A,B A,B主要有五种：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275钢号表示方法举例：(Q235-A,B,C,D) Q235-A·F Q235-B·b Q235-C Q235-D Q—屈服点，235—表示 fy=235 N/ mm2 A—无冲击要求 B、C、D—要求20℃、 0℃、-20℃时冲击功≥27J

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2、低合金高强度结构钢低合金钢是在冶炼过程中添加一种或几种少量合金元素，其总量低于5%的钢材。常用的低合金钢有Q345、 Q390、Q420等。碳素结构钢和低合金钢可以采取适当的热处理(如调质处理)进一步提高其强度。例如用于制造高强度螺栓的45号优质碳素钢以及40硼钢(40B)、20锰钛硼钢(20MnTiB )就是通过调质处理提高强度的。

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第五节钢材的规格1、钢板特厚钢板：厚度>60mm,宽600~3800mm,长度4~9m厚钢板：厚4.5~60mm,宽700~3000mm,长度4~12m薄钢板：厚0.35~4mm,宽500~1800mm,长度0.4~6m扁钢：厚4~60mm,宽12~200mm,长度3~9m 2、型钢角钢：等边 L100× 8,不等边 L140× 90× 8;工字钢：Ⅰ20a,Ⅰ20b;槽钢：[ 30a,[ 25b; H型钢和T型钢(H×B×tw×tf, h×B×tw×tf );钢管：Φ102× 5(Φ外径×壁厚) 3、冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢采用薄钢板冷轧制成。其壁厚一般为1.5~12mm,但承重结构受力构件的壁厚不宜小于2mm。薄壁型钢能充分利用钢材的强度以节约钢材，在轻钢结构中得到广泛应用。常用冷弯薄壁型钢截面型式有等边角钢、卷边等边角钢、Z型钢、卷边Z型钢、槽钢、卷边槽钢(C型钢)、钢管等。2010-9-9©版权所有：上海理工大学土木工程系 19

第六节钢材的疲劳和疲劳强度1、一般概念1)疲劳破坏：钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩疲劳破坏展以致断裂的破坏现象。疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。 2)疲劳破坏的特点：疲劳破坏的特点 a)呈现脆性破坏特征 b)破坏时，截面的应力低于钢材的抗拉强度，甚至低于 fy,破坏断口整齐。 3)疲劳强度：构件在反复荷载作用下，经过一定次数的疲劳强度循环后出现疲劳破坏时的最大应力 p。 4)应力循环特征：连续重复荷载之下应力从最大到最小重复一周叫做一个循环。应力循环特征常用

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2、影响疲劳强度的因素1)、与应力循环特征有关应力比绝对值最小、最大峰值应力比值

应力以拉为正，压为负

min max

或应力幅

最大拉应力

3)、与循环次数有关

当n>5×106次时，

p

已趋于稳定，

f

e

称为疲劳强度的极限。

4)、应力集中和残余应力凡出现应力集中的地方，都会加速疲劳的破坏；残余应力使结构更易出现疲劳破坏。

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第七节结构疲劳计算1、常幅疲劳

max min

对应焊接部位对应非焊接部位

max 0.7 min

c n

1/

c,β—系数，根据构件和连接类别按下表采用

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8类构件和连接的[△ ]-n曲线

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系数 C、值构件和连接类别 C 1 1940× 10 12 4 2 861× 10 12 4 3 3.26× 1012 3 4 2.18× 1012 3 5 1.47× 1012 3 6 0.96× 1012 3 7 0.65× 1012 3 8 0.41× 1012 3

2、变幅疲劳若能预测结构在使用寿命期间各种荷载应力幅水平以及循环次数分布所构成的设计应力谱。即：已知 1, 2… n及相应循环次数 n1, n2… nn则按累积损伤原理把变幅疲劳折合成等效常幅疲劳问题。

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e e

1/

n i i ni

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3、吊车梁的疲劳验算(没有设计应力谱的变幅疲劳)按等效常幅疲劳计算

即

e f ( ) max ( ) [ ] 2 10f max

6

f-中级、重级吊车荷载折算成 2 10 6时的欠载效应等效系

数，重级工作制硬勾吊车为1.0,重级工作制软勾吊车为0.8,中级工作制吊车为0.5。 1)当应力变化的循环次数≥ 5×104次时才进行疲劳计算。 2)由于疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算时应取活载的标准值按弹性状态计算 ,吊车荷载不计动力系数。 3)在应力循环中不出现拉应力的部位可不作疲劳计算。 4)钢材的静力强度对大多数焊接连接类别的疲劳强度无显著

4、疲劳计算应注意的问题

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