鋼結(jié)構(gòu)基本原理 鋼結(jié)構(gòu)的材料

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1、會計學(xué)1鋼結(jié)構(gòu)基本原理鋼結(jié)構(gòu)基本原理 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2第一節(jié)第一節(jié) 鋼材的工作性能鋼材的工作性能 一、鋼材靜力單向均勻拉伸時的性能一、鋼材靜力單向均勻拉伸時的性能 第1頁/共51頁3圖圖2-1 2-1 靜力拉伸試驗的標(biāo)準(zhǔn)試件靜力拉伸試驗的標(biāo)準(zhǔn)試件 圖圖2-22-2鋼材一次單向拉伸簡化應(yīng)力鋼材一次單向拉伸簡化應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 第2頁/共51頁4( (1) )階段階段：彈性階段（：彈性階段（OA段）段）比例極限比例極限fp: E=2.06105N/mm2 卸除荷載后試件的變形將完全恢復(fù)。卸除荷載后試件的變形將完全恢復(fù)。 E(2)階段階段：彈塑性階段（：彈塑性階段（AB段）段）與與呈

2、非線性關(guān)系，應(yīng)力增加時，相應(yīng)增加的應(yīng)變除彈性應(yīng)變外還有塑性應(yīng)變，卸載時，其中塑性應(yīng)變不能恢復(fù)，稱為殘余應(yīng)變。呈非線性關(guān)系，應(yīng)力增加時，相應(yīng)增加的應(yīng)變除彈性應(yīng)變外還有塑性應(yīng)變，卸載時，其中塑性應(yīng)變不能恢復(fù)，稱為殘余應(yīng)變。B點對應(yīng)應(yīng)力點對應(yīng)應(yīng)力fy稱為屈服點（又稱屈服強(qiáng)度），對應(yīng)的應(yīng)變約為稱為屈服點（又稱屈服強(qiáng)度），對應(yīng)的應(yīng)變約為0.15%。第3頁/共51頁5(3)階段階段：塑性階段（屈服階段、：塑性階段（屈服階段、BC段）段） 屈服點屈服點fy:應(yīng)力達(dá)到屈服點應(yīng)力達(dá)到屈服點fy后，應(yīng)力后，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈水平線段應(yīng)變關(guān)系呈水平線段BC，稱為屈服平臺，鋼材表現(xiàn)為完全塑性，整個屈服平臺對應(yīng)的應(yīng)變幅稱

3、為流幅，稱為屈服平臺，鋼材表現(xiàn)為完全塑性，整個屈服平臺對應(yīng)的應(yīng)變幅稱為流幅(約為約為0.15%2.5%)，流幅越大，鋼材的塑性越好。，流幅越大，鋼材的塑性越好。 (4) 階段階段：應(yīng)變硬化階段（強(qiáng)化階段、：應(yīng)變硬化階段（強(qiáng)化階段、CD段）段）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度fu：經(jīng)過屈服階段后，鋼材內(nèi)部組織重新排列并建立了新的平衡，產(chǎn)生了繼續(xù)承受增長荷載的能力，此階段的應(yīng)力：經(jīng)過屈服階段后，鋼材內(nèi)部組織重新排列并建立了新的平衡，產(chǎn)生了繼續(xù)承受增長荷載的能力，此階段的應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)樯仙姆蔷€性關(guān)系，直至應(yīng)力達(dá)到最大值，稱為抗拉強(qiáng)度應(yīng)變?yōu)樯仙姆蔷€性關(guān)系，直至應(yīng)力達(dá)到最大值，稱為抗拉強(qiáng)度fu。第4頁/共51頁6(5

4、)階段階段：頸縮階段（：頸縮階段（DE段）段） 在承載力最弱的截面處，橫截面急劇收縮在承載力最弱的截面處，橫截面急劇收縮頸縮，變形也隨之劇增，荷載下降，直至斷裂。頸縮，變形也隨之劇增，荷載下降，直至斷裂。對于沒有缺陷和殘余應(yīng)力影響的試件對于沒有缺陷和殘余應(yīng)力影響的試件,可認(rèn)為鋼材是圖可認(rèn)為鋼材是圖2-3所示理想彈所示理想彈-塑性體，經(jīng)歷兩個階段，即假定鋼材應(yīng)力小于塑性體，經(jīng)歷兩個階段，即假定鋼材應(yīng)力小于fy時是完全彈性的，應(yīng)力超過時是完全彈性的，應(yīng)力超過fy后則是完全塑性的。設(shè)計時，取后則是完全塑性的。設(shè)計時，取fy作為強(qiáng)度限值，而取作為強(qiáng)度限值，而取fu作為材料的強(qiáng)度儲備。作為材料的強(qiáng)度儲備

5、。圖圖2-3 2-3 理想彈理想彈-塑性應(yīng)力塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖應(yīng)變曲線圖 第5頁/共51頁7高強(qiáng)度鋼材沒有明顯屈服點和屈服平臺，這類鋼的屈服點是根據(jù)實驗分析結(jié)果人為規(guī)定的，稱為條件屈服點，用高強(qiáng)度鋼材沒有明顯屈服點和屈服平臺，這類鋼的屈服點是根據(jù)實驗分析結(jié)果人為規(guī)定的，稱為條件屈服點，用f0.2表示，定義為試件卸載后其殘余應(yīng)變?yōu)楸硎?，定義為試件卸載后其殘余應(yīng)變?yōu)?.2%對應(yīng)的應(yīng)力，如圖對應(yīng)的應(yīng)力，如圖2-4所示。所示。圖圖2-42-4高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 第6頁/共51頁8二、反復(fù)荷載作用下鋼材的性能二、反復(fù)荷載作用下鋼材的性能 ( (一一) )高周疲勞破壞高周疲勞

6、破壞( (疲勞破壞疲勞破壞) ) ( (二二) )低周疲勞破壞低周疲勞破壞反復(fù)應(yīng)力高于屈服強(qiáng)度、材料處于彈塑性階段，反復(fù)荷載會使鋼材的殘余應(yīng)變逐漸增長，最后產(chǎn)生突然破壞。反復(fù)應(yīng)力高于屈服強(qiáng)度、材料處于彈塑性階段，反復(fù)荷載會使鋼材的殘余應(yīng)變逐漸增長，最后產(chǎn)生突然破壞。第7頁/共51頁9( (三三) )包辛格（包辛格（BauschingerBauschinger）效應(yīng)）效應(yīng) 圖圖2-5 2-5 鋼材滯回曲線鋼材滯回曲線 第8頁/共51頁10三、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下鋼材的性能三、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下鋼材的性能 第9頁/共51頁11圖圖2-62-6 孔洞的應(yīng)力集中孔洞的應(yīng)力集中（a）鋼板開圓孔）鋼板開圓孔 （b）

7、鋼板開長圓孔）鋼板開長圓孔 第10頁/共51頁12第11頁/共51頁13圖圖2-72-7復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài) 第12頁/共51頁14)()()(21213232221eq（2-1）當(dāng)用應(yīng)力分量表示時當(dāng)用應(yīng)力分量表示時)(3)(222222yzxzxyzyzxyxzyxeq（2-2）當(dāng)當(dāng)eqeq 300時，時， 強(qiáng)度、彈性模量顯著下降，強(qiáng)度、彈性模量顯著下降，塑性變形顯著增大。塑性變形顯著增大。 400 強(qiáng)度、彈性模量急劇降低，強(qiáng)度、彈性模量急劇降低， 600 幾乎喪失承載能力。幾乎喪失承載能力。超過超過150之后鋼結(jié)構(gòu)表面需加設(shè)隔熱保護(hù)之后鋼結(jié)構(gòu)表面需加設(shè)隔熱保護(hù)層。層。第31頁/共51頁

8、33圖圖2-112-11Akv隨溫度隨溫度T的變化的變化 ( (三三) )溫度影響溫度影響 （2）負(fù)溫范圍）負(fù)溫范圍隨著溫度下降，鋼材強(qiáng)度略有提高，但塑性隨著溫度下降，鋼材強(qiáng)度略有提高，但塑性、韌性降低，鋼材的脆性傾向增加，對沖擊韌性、韌性降低，鋼材的脆性傾向增加，對沖擊韌性的影響十分突出。如圖的影響十分突出。如圖2-11所示。所示。第32頁/共51頁34第四節(jié)第四節(jié) 鋼材的種類、規(guī)格和選用原則鋼材的種類、規(guī)格和選用原則 一、鋼材的種類一、鋼材的種類 ( (一一) ) 碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼 圖圖2-122-12碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號中符號含義碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號中符號含義 第33頁/共51頁35( (二二)

9、 )低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 在鋼的冶煉過程中加入通常低于在鋼的冶煉過程中加入通常低于3%的合金的合金元素，使鋼的強(qiáng)度明顯提高，其牌號按屈服點由元素，使鋼的強(qiáng)度明顯提高，其牌號按屈服點由小到大排列，有小到大排列，有Q295、Q345、Q390、Q420和和Q460等五種，牌號意義和碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。等五種，牌號意義和碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。第34頁/共51頁36( (三三) )耐大氣腐蝕鋼（耐候鋼）耐大氣腐蝕鋼（耐候鋼） （1）高耐候結(jié)構(gòu)鋼）高耐候結(jié)構(gòu)鋼 按其化學(xué)成分分為：銅磷鋼和銅磷鉻鎳鋼兩按其化學(xué)成分分為：銅磷鋼和銅磷鉻鎳鋼兩種。其牌號表示方法是由分別代表種。其牌號表示方法是由分別代表“

10、屈服點屈服點”的的拼音首字母拼音首字母Q、屈服點的數(shù)值和、屈服點的數(shù)值和“高耐候高耐候”拼音字拼音字母母GNH順序組成。順序組成。（2）焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼）焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼表示方法是由分別代表表示方法是由分別代表“屈服點屈服點”得拼音首得拼音首字母字母Q、屈服點的數(shù)值和、屈服點的數(shù)值和“耐候耐候”的拼音字母的拼音字母NH以及質(zhì)量等級（以及質(zhì)量等級（C、D、E）順序組成。）順序組成。第35頁/共51頁37( (四四) )橋梁用結(jié)構(gòu)鋼橋梁用結(jié)構(gòu)鋼 由于橋梁所受荷載性質(zhì)特殊，橋梁用鋼的力由于橋梁所受荷載性質(zhì)特殊，橋梁用鋼的力學(xué)性能、焊接性能等技術(shù)要求一般都嚴(yán)于房屋建學(xué)性能、焊接性能等技術(shù)要求一般都嚴(yán)于

11、房屋建筑用鋼，其牌號表達(dá)方式與其他鋼材一樣，由屈筑用鋼，其牌號表達(dá)方式與其他鋼材一樣，由屈服點拼音首字母服點拼音首字母Q、屈服點數(shù)值、橋梁鋼拼音字母、屈服點數(shù)值、橋梁鋼拼音字母q和質(zhì)量等級（和質(zhì)量等級（C、D、E）四部分順序組成。）四部分順序組成。第36頁/共51頁38( (五五) Z) Z向鋼向鋼 Z向鋼主要有向鋼主要有Z15、Z25、Z35三個級別，分三個級別，分別代表鋼板的厚度方向斷面收縮率別代表鋼板的厚度方向斷面收縮率Yz不小于不小于15%、25%和和35%。Z向鋼常用于船舶、海上采油平臺、向鋼常用于船舶、海上采油平臺、壓力容器等重要焊接結(jié)構(gòu)。壓力容器等重要焊接結(jié)構(gòu)。 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)對

12、厚度方向性能有要求的鋼高層建筑鋼結(jié)構(gòu)對厚度方向性能有要求的鋼板，牌號由代表屈服點拼音首字母板，牌號由代表屈服點拼音首字母Q、屈服點數(shù)值、屈服點數(shù)值、高層建筑拼音字母高層建筑拼音字母GJ、質(zhì)量等級（、質(zhì)量等級（C、D、E）和）和后綴字母后綴字母Z組成，如組成，如Q235GJZ。第37頁/共51頁39二、鋼材規(guī)格二、鋼材規(guī)格 第38頁/共51頁40( (一一) )鋼板鋼板 熱軋鋼板分厚鋼板和薄鋼板兩種。厚鋼板的熱軋鋼板分厚鋼板和薄鋼板兩種。厚鋼板的厚度為厚度為4.560mm，用于制作焊接組合截面構(gòu)件，用于制作焊接組合截面構(gòu)件，如焊接工字形截面梁翼緣板、腹板等；薄鋼板，如焊接工字形截面梁翼緣板、腹板

13、等；薄鋼板的厚度為的厚度為0.354mm，用于制作冷彎薄壁型鋼。，用于制作冷彎薄壁型鋼。鋼板的表示方法為鋼板的表示方法為“寬度寬度厚度厚度長度長度”。第39頁/共51頁41圖圖2-132-13熱軋型鋼截面形式熱軋型鋼截面形式 ( (二二) )熱軋型鋼熱軋型鋼 常用熱軋型鋼有角鋼、槽鋼、工字鋼、常用熱軋型鋼有角鋼、槽鋼、工字鋼、H型型鋼、鋼、T型鋼和鋼管等，截面見圖型鋼和鋼管等，截面見圖2-13。第40頁/共51頁42( (二二) )熱軋型鋼熱軋型鋼 （1）角鋼）角鋼等邊角鋼表示：等邊角鋼表示：“邊寬邊寬厚度厚度” ；不等邊角鋼表示：不等邊角鋼表示： “長邊寬長邊寬短邊寬短邊寬厚度厚度”。（2）

14、槽鋼）槽鋼普通槽鋼表示：普通槽鋼表示：“”+截面高度（截面高度（cm）；）；輕型槽鋼表示：輕型槽鋼表示： “”+截面高度（截面高度（cm）+“Q” 。（3）工字鋼）工字鋼 普通工字鋼：普通工字鋼： “I”+截面高度（截面高度（cm）；）； 輕型工字鋼輕型工字鋼“I”+截面高度（截面高度（cm） +“Q” 。第41頁/共51頁43( (二二) )熱軋型鋼熱軋型鋼 （4）H型鋼和剖分型鋼和剖分T型鋼型鋼H型鋼有寬翼緣型鋼有寬翼緣H型鋼、中翼緣型鋼、中翼緣H型鋼和窄翼型鋼和窄翼緣緣H型鋼，分別用標(biāo)記型鋼，分別用標(biāo)記HW、HM和和HN表示。各種表示。各種H型鋼均可剖分為型鋼均可剖分為T型鋼，相應(yīng)標(biāo)記用

15、型鋼，相應(yīng)標(biāo)記用TW、TM、TN表示。表示。H型鋼和剖分型鋼和剖分T型鋼的表示方法是：標(biāo)記型鋼的表示方法是：標(biāo)記符號、高度符號、高度寬度寬度 腹板厚度腹板厚度翼緣厚度。翼緣厚度。（5） 鋼管鋼管鋼管分無縫鋼管和焊接鋼管兩種，表示方法鋼管分無縫鋼管和焊接鋼管兩種，表示方法：“外徑外徑壁厚壁厚” 。第42頁/共51頁44圖圖2-142-14薄壁型鋼的截面形式薄壁型鋼的截面形式 ( (三三) )冷彎薄壁型鋼冷彎薄壁型鋼 薄壁型鋼由薄鋼板經(jīng)冷彎或模壓而成，其截薄壁型鋼由薄鋼板經(jīng)冷彎或模壓而成，其截面形式見圖面形式見圖2-14。薄壁型鋼的壁厚一般為。薄壁型鋼的壁厚一般為 1.55mm，用于承重結(jié)構(gòu)時其壁

16、厚不宜小于，用于承重結(jié)構(gòu)時其壁厚不宜小于2mm。用。用于輕型屋面及墻面的壓型鋼板板厚為于輕型屋面及墻面的壓型鋼板板厚為0.41.6mm。第43頁/共51頁45( (四四) )鋼索鋼索 用高強(qiáng)鋼絲組成的平行鋼絲束、鋼絞線或鋼用高強(qiáng)鋼絲組成的平行鋼絲束、鋼絞線或鋼絲繩統(tǒng)稱為鋼索。絲繩統(tǒng)稱為鋼索。第44頁/共51頁46三、鋼材選用原則三、鋼材選用原則 第45頁/共51頁47( (一一) )結(jié)構(gòu)重要性結(jié)構(gòu)重要性 對于重要結(jié)構(gòu)，如重型工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)、大跨對于重要結(jié)構(gòu)，如重型工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、高層或超高層民用建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)筑物等，度結(jié)構(gòu)、高層或超高層民用建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)筑物等，應(yīng)選用質(zhì)量高的鋼材。對于一般

17、工業(yè)與民用建筑應(yīng)選用質(zhì)量高的鋼材。對于一般工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)，可根據(jù)工作性質(zhì)分別選用普通質(zhì)量的鋼材。結(jié)構(gòu)，可根據(jù)工作性質(zhì)分別選用普通質(zhì)量的鋼材。 第46頁/共51頁48( (二二) )荷載性質(zhì)荷載性質(zhì) 對承受動力荷載的結(jié)構(gòu)應(yīng)選用塑性、沖擊韌對承受動力荷載的結(jié)構(gòu)應(yīng)選用塑性、沖擊韌性好的鋼材，如性好的鋼材，如Q235C或或Q345C；對承受靜力荷；對承受靜力荷載的結(jié)構(gòu)可選用一般質(zhì)量的鋼材如載的結(jié)構(gòu)可選用一般質(zhì)量的鋼材如Q235BF。 第47頁/共51頁49( (三三) )連接方法連接方法 焊接結(jié)構(gòu)由于在焊接過程中不可避免地出現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)由于在焊接過程中不可避免地出現(xiàn)焊接應(yīng)力、焊接變形和焊接缺陷，因此

18、，應(yīng)選擇焊接應(yīng)力、焊接變形和焊接缺陷，因此，應(yīng)選擇碳、硫、磷含量較低，塑性、韌性和可焊性都較碳、硫、磷含量較低，塑性、韌性和可焊性都較好的鋼材。對于非焊接結(jié)構(gòu)，這些要求可以放寬。好的鋼材。對于非焊接結(jié)構(gòu)，這些要求可以放寬。 第48頁/共51頁50( (四四) )結(jié)構(gòu)工作環(huán)境結(jié)構(gòu)工作環(huán)境 結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境如溫度變化、腐蝕作用等對結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境如溫度變化、腐蝕作用等對鋼材可能產(chǎn)生很大影響。在低溫下工作的結(jié)構(gòu)，鋼材可能產(chǎn)生很大影響。在低溫下工作的結(jié)構(gòu)，尤其是焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用具有良好抵抗低溫脆斷尤其是焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用具有良好抵抗低溫脆斷性能的鎮(zhèn)靜鋼，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的最低溫應(yīng)高于鋼性能的鎮(zhèn)靜鋼，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)

19、的最低溫應(yīng)高于鋼材的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)周圍有腐蝕介質(zhì)時，應(yīng)對材的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)周圍有腐蝕介質(zhì)時，應(yīng)對鋼材的抗銹蝕性提出相應(yīng)要求。鋼材的抗銹蝕性提出相應(yīng)要求。第49頁/共51頁51( (五五) )鋼材厚度鋼材厚度 厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用質(zhì)量較好的鋼材。厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用質(zhì)量較好的鋼材。在鋼種的選用方面，對重要承重結(jié)構(gòu)推薦采在鋼種的選用方面，對重要承重結(jié)構(gòu)推薦采用用Q235、Q345、Q390、Q420鋼。承重結(jié)構(gòu)鋼材鋼。承重結(jié)構(gòu)鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度保證（通稱應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度保證（通稱三項保證）和硫、磷含量的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)三項保證）和硫、磷含量的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)有碳含量合格保證，冷彎、沖擊韌性等要求還應(yīng)有碳含量合格保證，冷彎、沖擊韌性等要求；有疲勞驗算和抗震要求的結(jié)構(gòu)鋼材，要求有沖；有疲勞驗算和抗震要求的結(jié)構(gòu)鋼材，要求有沖擊韌性的合格保證。擊韌性的合格保證。在鋼材規(guī)格的選用方面，宜優(yōu)先選用型鋼，在鋼材規(guī)格的選用方面，宜優(yōu)先選用型鋼，如對于承受荷載不大的鋼梁宜選用窄翼緣如對于承受荷載不大的鋼梁宜選用窄翼緣H型鋼，型鋼，鋼柱宜選用寬翼緣鋼柱宜選用寬翼緣H型鋼。型鋼。第50頁/共51頁