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1、鋼結(jié)構(gòu)基本原理,土木工程學(xué)院,長春工程學(xué)院,Changchun Institute of Technology,2 鋼 結(jié) 構(gòu) 的 材 料,本章內(nèi)容: （1） 鋼結(jié)構(gòu)對材料的基本要求 （2） 鋼材的破壞形式 （3） 鋼材的主要機械性 （4） 影響鋼材性能的主要因素 （5） 鋼的種類和鋼材規(guī)格 本章重點: 鋼材的主要機械性能、各種因素對 鋼材性能的影響 本章難點: 影響鋼材性能的主要因素,,2.1 鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求,對鋼材的基本要求： 1、具有較高的抗拉強度 fu和屈服點 fy (結(jié)構(gòu)的承載力大，所需的截面小，結(jié)構(gòu)的自重輕). 2、具有較好
2、的塑性、韌性(塑性好，不易發(fā)生脆性破壞；韌性好，利于承受動力荷載). 3、良好的工藝性能(包括冷加工、熱加工以及焊接性能),,規(guī)范規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強度、伸 長率、屈服點和碳、硫、磷含量的合格保證；焊接結(jié) 構(gòu)尚應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證；對某些承受動力荷 載的結(jié)構(gòu)以及重要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有 常溫或負溫沖擊性的合格保證.據(jù)上要求,鋼結(jié)構(gòu)設(shè) 計規(guī)范GB50017-2003推薦承重結(jié)構(gòu)用鋼宜采用：碳 素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼及低合金高強結(jié)構(gòu)鋼中的Q345、 Q390和Q420鋼四種鋼材。,2.1 鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求,,2.2 鋼材的破壞形式,1、塑性破壞：斷口呈纖維狀，色澤發(fā)
3、暗。破 壞前有明顯的變形，破壞歷時 時間長，可以采取補救措施。 2、脆性破壞：破壞前沒有任何預(yù)兆，破壞是 突然發(fā)生的，斷口平直并呈有 光澤的晶粒狀。,鋼材的破壞形式：塑性破壞和脆性破壞。,在設(shè)計、施工和使用鋼結(jié)構(gòu)時，注意防止脆性破壞。,,2.3 鋼材的主要性能,2.3.1 受拉、受壓及受剪時的性能,鋼材的主要性能是機械性能，可通過某些試驗（拉伸、冷彎、沖擊）確定。,圖2.1 碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,fp比例極限 fy屈服強度 (強度標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計依據(jù)),fu極限強度 (最大承載強度、強度儲備),,條件屈服點：以卸荷后試件中殘余應(yīng)變?yōu)?.2 %所
4、對應(yīng)的應(yīng)力（f0.2),延伸率（塑性性能）,塑性：在靜力荷載作用下，鋼材吸收變形能的能力。,圖2.2 高強度鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,2.3 鋼材的主要性能,,2.3 鋼材的主要性能,2.3.2 冷彎性能,冷彎性能是檢驗鋼材彎曲變形能力或塑性性能，還是顯示鋼材內(nèi)部缺陷狀況的一項指標(biāo)；是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下塑性應(yīng)變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標(biāo)。,圖2.3 鋼材冷彎試驗示意圖,,1.2 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法,2.3.3 沖擊韌性,韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它用材料在斷裂時所吸收的總能量來量度（Cv）。韌性是鋼材強度和塑性的綜合指標(biāo)。,沖擊韌性：在動力荷載作用下，材料吸收能量的能力。,圖2.4 沖擊韌性試驗,
5、,2.4 各種因素對鋼材性能的影響,2.4.1 化學(xué)成分,鋼是含碳量小于2%的鐵碳合金。鋼中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。 普通碳素鋼中， Fe占99%，其余元素占1%。在低合金鋼中，除了上述元素外，還有一定合金元素（鎳、釩、鈦等）（含量低于5%） 各種元素對鋼材機械性能的影響如下。,,碳C ：含量增加，鋼材強度提高，而塑性、韌性和 疲勞強度低。同時焊接性能和抗腐蝕性惡 化。一般在碳素結(jié)構(gòu)鋼中不應(yīng)超過0.22 % ； 在焊接結(jié)構(gòu)中還應(yīng)低于0.2 %。 硅Si：碳素結(jié)構(gòu)鋼中應(yīng)控制0.3 %, 在低合金高強 度鋼中硅的含量可達0.55 %。 錳Mn：含Mn適量使強度，
6、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,有益. 在碳素結(jié)構(gòu)鋼中錳的含量為0.3 %0.8 % ， 在低合金高強度鋼中錳的含量可達 1.0 % 1.6%。,2.4 各種因素對鋼材性能的影響,,2.4 各種因素對鋼材性能的影響,硫S：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度， 在高溫時，使鋼材變脆，稱之為熱脆。含量 應(yīng)不超過0.045%。 (有害成分) 磷P：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度， 在低溫時，使鋼材變脆，稱之為冷脆。含量 應(yīng)不超過0.045%?？梢蕴岣邚姸群涂逛P蝕 性。 (有害成分) 氧O：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度， 在高
7、溫時，發(fā)生熱脆。 (有害成分) 氮N：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度， 在低溫時，發(fā)生冷脆。 (有害成分),,釩和鈦：是鋼中的合金元素，能提高鋼的強度和 抗腐蝕性能，又不顯著降低鋼的塑性。 銅 ：可顯著提高鋼的抗腐蝕性能，也可以提 高鋼的強度，但對焊接性能有不利影響。,2.4 各種因素對鋼材性能的影響,,2.4.2 冶金缺陷,在冶煉、軋制過程中常常出現(xiàn)的缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋和分層。,冶煉（脫氧）,圖2.5 鋼錠剖面,縮孔,保溫帽,(a)沸騰鋼 (b)鎮(zhèn)靜鋼,2.4 各種因素對鋼材性能的影響,,注意：薄鋼板的強度比厚鋼板的強度高。,軋制,軋棍,圖2.6 鋼
8、的軋制使晶粒細化,2.4.2 冶金缺陷,2.4 各種因素對鋼材性能的影響,,2.4.2 冶金缺陷,2.4 各種因素對鋼材性能的影響,0.0350.040,0.0300.035,0.0250.030,0.025,0.0250.030,0.090.10 0.080.09 0.070.08 0.060.07,0.0550.06 0.050.055 0.0450. 05,0.040.045 0.0350.04 0.030. 035,0.0250.03 0.025,圖2.7 鋼錠中硫的偏析,(a)鎮(zhèn)靜鋼錠,(b)沸騰鋼錠,鋼液含硫0.032%,鋼液含硫0.04%,圖2.8 型鋼硫的偏析,是硫、磷，將使偏
9、 析區(qū)鋼材的塑性、 韌性及可焊性變壞。,1.偏析：鋼中化學(xué)成分分布不均勻，主要的偏析,,2、非金屬夾雜：鋼材中存在非金屬化合物（硫化物、氧化物），使鋼材性能變脆。,3、裂紋、分層：澆注時的非金屬夾雜物在軋制中可能造成鋼材的分層，影響鋼材的冷彎性能。,2.4.2 冶金缺陷,2.4 各種因素對鋼材性能的影響,,冷作硬化當(dāng)加載超過材料比例極限卸載后，出現(xiàn)殘 余變形，再次加載則屈服點提高，塑性和 韌性降低的現(xiàn)象，也稱“應(yīng)變硬化”。,時效硬化隨時間的增長，碳和氮的化合物從晶體中 析出，使材料硬化的現(xiàn)象。,應(yīng)變時效鋼材產(chǎn)生塑性變形時，碳、氮化合物更易 析出。即冷作硬化的同時可以加速
10、時效硬 化，因此也稱“人工時效”。,2.4.3 鋼材硬化,2.4 各種因素對鋼材性能的影響,,2.4.4 溫度影響,溫度升高，鋼材強度是降低、應(yīng)變增大；反之，溫度降低，鋼材強度略有增加，塑性和韌性降低而變脆，見圖2.9。,藍脆：在250度左右時，強度提高而伸長率和沖擊韌性降低，鋼材表面氧化膜呈藍色，此種現(xiàn)象稱為藍脆現(xiàn)象。,徐變：當(dāng)溫度在260320度時，在應(yīng)力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形，此種現(xiàn)象稱為徐變。,當(dāng)溫度達到600度時強度很低，不能承擔(dān)荷載。,2.4 各種因素對鋼材性能的影響,,fu fy,(%) E,t (),圖2.9 溫度對鋼材機械性能的影響,2.4 各種因
11、素對鋼材性能的影響,,圖2.10 沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線,2.4 各種因素對鋼材性能的影響,當(dāng)溫度低于常溫時，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而增加。,T1 T2之間溫度轉(zhuǎn)變脆性區(qū)，沖擊功急劇下降。而且不同的鋼材其脆性轉(zhuǎn)變區(qū)溫度不同，必須通過試驗確定。使用溫度必須高于T1，但不一定高于T2。,,2.4.5 應(yīng)力集中,構(gòu)件上孔洞、刻槽、凹角、裂紋以及截面厚度或?qū)挾雀淖兊炔课?，在力作用下，該處出現(xiàn)高峰應(yīng)力，而其它部位應(yīng)力較低，截面應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象應(yīng)力集中。,應(yīng)力集中系數(shù) :,應(yīng)力集中是造成構(gòu)件脆性破壞的主要原因之一。 應(yīng)力集中系數(shù)越大，變脆的傾向越嚴(yán)重。,2.4 各種因素對鋼材性能的影響,,圖2.11
12、 孔洞及槽孔處的應(yīng)力集中,2.4.5 應(yīng)力集中,2.4 各種因素對鋼材性能的影響,,2.4.6 反復(fù)荷載作用,疲勞破壞: 鋼材在直接的反復(fù)的動力荷載作用下，鋼材的強度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗的極限強度，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞破壞表現(xiàn)為突然發(fā)生的脆性斷裂。,鋼材在反復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的抗力及性能都會發(fā)生重要變化，甚至發(fā)生疲勞破壞。,為防止脆性破壞，在設(shè)計、制造及使用中應(yīng)注意: 合理設(shè)計 正確制造 正確使用,2.4 各種因素對鋼材性能的影響,,2.5 復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件,在單軸應(yīng)力作用下 時鋼材屈服，構(gòu)件由彈性工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為塑性工作狀態(tài)。 在多軸應(yīng)力作用下鋼材的屈服
13、條件不能以某一軸向應(yīng)力超過某屈服點來判別，而是按材料力學(xué)的能量強度理論計算折算應(yīng)力與鋼材在單軸應(yīng)力作用下的比較判斷。,圖2.12 復(fù)雜應(yīng)力,,當(dāng)用應(yīng)力分量表示時：,當(dāng)用主應(yīng)力表示時：,在普通梁中，一般只存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力：,2.5 復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件,,（1）當(dāng)三個主應(yīng)力同號且數(shù)值接近時，即使很大，但鋼材很難屈服，發(fā)生脆性破壞。 （2）有異號應(yīng)力，且同號兩個應(yīng)力差較大，即使 ，但 可能大于 ，發(fā)生塑性破壞。,純剪：,討論：,2.5 復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件,,2.7 鋼材的種類和規(guī)格,按 用 途：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼(如不銹鋼等)。 按冶煉方法：轉(zhuǎn)爐鋼、平爐鋼。 按脫氧方
14、法：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼。 按成型方法：軋制鋼、鍛鋼、鑄鋼。 按化學(xué)成分：碳素鋼、合金鋼。 在建筑工程中采用的是： 碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。,2.7.1 鋼材的種類,,鋼的牌號有四部分組成： 1、Q代表屈服強度的字母； 2、屈服點的數(shù)值195、215、235、275、295、345、390 、420、460等； 3、質(zhì)量等級符號 A、B、C、D四個等級(碳素結(jié)構(gòu)鋼) A、B、C、D、E五個等級（低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼） 4、脫氧方法符號F代表沸騰鋼、 z代表鎮(zhèn)靜鋼、Tz代表特殊鎮(zhèn)靜鋼。,2.7 鋼材的種類和規(guī)格,2.7.1 鋼材的種類,,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 主要
15、用于鋼結(jié)構(gòu)某些節(jié)點或用作連接件。 建筑結(jié)構(gòu)用鋼板 高性能建筑結(jié)構(gòu)鋼材(GJ鋼)，牌號由以下組成： 1、Q代表屈服強度的字母； 2、屈服點的數(shù)值； 3、代表高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼的漢語拼音字母GJ； 4、質(zhì)量等級符號B、C、D、E四個等級 對于厚度方向性能鋼板，在質(zhì)量等級后面加上厚度方向性能級別（Z15、Z25、Z35 ）。 適用于建造高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)及其他重要建筑結(jié)構(gòu)。,2.7 鋼材的種類和規(guī)格,2.7.1 鋼材的種類,,確定鋼材種類及其質(zhì)量等級。,鋼材的選用原則 1、結(jié)構(gòu)的重要性 安全等級不同，所選鋼材的質(zhì)量等級也應(yīng)不同， 重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件選用質(zhì)量好的鋼材。 2、荷載特
16、征 荷載為靜力或動力荷載，應(yīng)選用各項性能不同的鋼材。,2.7.2 鋼材的選擇,2.7 鋼材的種類和規(guī)格,,3、連接方法 焊接應(yīng)選擇可焊性好的鋼材。 非焊接結(jié)構(gòu)對含碳量可降低要求。 4、結(jié)構(gòu)所處的溫度和環(huán)境 處于負溫下工作時，選用負溫沖擊合格的鋼材， 結(jié)構(gòu)周圍有腐蝕介質(zhì)存在時要選用抗銹性好的鋼材。 5、鋼材的厚度 厚度大焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用材質(zhì)較好的鋼材。,2.7.2 鋼材的選擇,2.7 鋼材的種類和規(guī)格,鋼材的選用原則,,承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服點和硫、磷的極限含量。 焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)的鋼材尚應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證。 對需要驗算疲勞以及主要的
17、受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材，應(yīng)具有常溫或負溫沖擊性的合格保證.,鋼材選擇的建議：,2.7.2 鋼材的選擇,2.7 鋼材的種類和規(guī)格,,鋼結(jié)構(gòu)采用的型材有： 熱軋鋼板、熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼。 1、熱軋鋼板 “-” 寬度厚度長度（mm） 2、熱軋型鋼 （1）熱軋角鋼 等肢角鋼 L肢寬肢厚 不等肢角鋼 L長肢寬短肢寬肢厚,2.7.3 鋼材規(guī)格,2.7 鋼材的種類和規(guī)格,,（2）熱軋工字鋼 普通工字鋼 “I”和號數(shù)(代表截面高度厘米數(shù)) 輕型工字鋼 “QI”和號數(shù)(代表截面高度厘米數(shù)) 20號以上的工字鋼，按腹板厚度 同一號數(shù)又分a、b、c三類。,（3）熱軋槽鋼 普通槽鋼 “”和號數(shù) 輕型槽鋼 “
18、Q”和號數(shù) 14號以上的槽鋼，按腹板厚度 同一號數(shù)又分a、b、c三類,2.7.3 鋼材規(guī)格,2.7 鋼材的種類和規(guī)格,,（4）H型鋼(高X寬X腹板厚X翼緣厚） 寬翼緣H型鋼（HW,HM,HN)，用于軸壓、壓彎 構(gòu)件。型號以公稱高度的毫米數(shù)表示，其后標(biāo)注a、b、 c。 H型鋼可以剖分為T型鋼供應(yīng)， 規(guī)格標(biāo)記同H型鋼，只是高度 是H型鋼的一半。,2.7.3 鋼材規(guī)格,2.7 鋼材的種類和規(guī)格,,3、鋼管 無縫鋼管和焊接鋼管 “”外徑厚度 4、薄壁型鋼 用薄鋼板經(jīng)模壓或彎曲而制成。壁厚一般為 1.55mm。用作輕型屋面及墻面等構(gòu)件。,1、影響鋼材性能的因素,2、選用鋼材的原則,小結(jié)：,2.7.3 鋼材規(guī)格,2.7 鋼材的種類和規(guī)格,本章小結(jié),（1） 鋼結(jié)構(gòu)對材料的基本要求 （2） 鋼材的破壞形式 （3） 鋼材的主要機械性 （4） 影響鋼材性能的主要因素 （5） 鋼的種類和鋼材規(guī)格,2 鋼結(jié)構(gòu)的材料,
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