钢结构基本原理优秀PPT.ppt

钢结构基本原理第一页，本课件共有37页2 钢结构的材料钢结构的材料本章内容本章内容:(1)钢结构对材料的基本要求钢结构对材料的基本要求 (2)钢材的破坏形式钢材的破坏形式 (3)钢材的主要机械性钢材的主要机械性 (4)影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素 (5)钢的种类和钢材规格钢的种类和钢材规格本章重点本章重点:钢材的主要机械性能、各种因素对钢材的主要机械性能、各种因素对 钢材性能的影响钢材性能的影响本章难点本章难点:影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素第二页，本课件共有37页 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求对钢材的基本要求：对钢材的基本要求：1、具有较高的抗拉强度具有较高的抗拉强度 fu和屈服点和屈服点 fy(结构的承载力大，结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻所需的截面小，结构的自重轻).).2、具有较好的塑性、韧性具有较好的塑性、韧性(塑性好，不易发生脆性破坏；塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载韧性好，利于承受动力荷载).).3、良好的工艺性能良好的工艺性能(包括冷加工、热加工以及焊接性能包括冷加工、热加工以及焊接性能)第三页，本课件共有37页 规范规定：规范规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击性的合格保证常温或负温冲击性的合格保证.据上要求据上要求,钢结构设钢结构设计规范计规范GB50017-2003GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：碳推荐承重结构用钢宜采用：碳素结构钢中的素结构钢中的Q235Q235钢及低合金高强结构钢中的钢及低合金高强结构钢中的Q345Q345、Q390Q390和和Q420Q420钢四种钢材。钢四种钢材。第四页，本课件共有37页2.2 钢材的破坏形式钢材的破坏形式1、塑性破坏：塑性破坏：断口呈纤维状，色泽发暗。破断口呈纤维状，色泽发暗。破 坏前坏前有有明显的变形明显的变形，破坏历时，破坏历时 时间长，可以采取补救措施。时间长，可以采取补救措施。2、脆性破坏：脆性破坏：破坏前破坏前没有没有任何预兆任何预兆，破坏是，破坏是 突然发生的，断口平直并呈有突然发生的，断口平直并呈有 光泽的晶粒状。光泽的晶粒状。钢材的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。钢材的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。在设计、施工和使用钢结构时，注意防止在设计、施工和使用钢结构时，注意防止脆性破坏。脆性破坏。第五页，本课件共有37页 钢钢材材的的主主要要性性能能是是机机械械性性能能，可可通通过过某某些些试试验验（拉拉伸、冷弯、冲击）确定。伸、冷弯、冲击）确定。2.3 钢材的主要性能钢材的主要性能 fp比例极限比例极限 fy屈服强度屈服强度 (强度标准、设计依据强度标准、设计依据)fu极限强度极限强度(最大承载强度、强度储备最大承载强度、强度储备)2.3.1 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能图图2.1 碳素结构钢的应力碳素结构钢的应力-应变关系应变关系第六页，本课件共有37页条件屈服点：条件屈服点：以卸荷后试以卸荷后试件中残余应变为件中残余应变为0.2%所所对应的应力（对应的应力（f0.2)延伸率（塑性性能）延伸率（塑性性能）塑性塑性：在：在静力荷载静力荷载作用下，作用下，钢材吸收钢材吸收变形能变形能的能力。的能力。图图2.2 高强度钢的应力高强度钢的应力-应变曲线应变曲线第七页，本课件共有37页2.3.2 冷弯性能冷弯性能 冷弯性能冷弯性能是检验钢材弯曲变是检验钢材弯曲变形能力或塑性性能，还是显示形能力或塑性性能，还是显示钢材内部缺陷钢材内部缺陷状况的一项指标；状况的一项指标；是鉴定钢材在是鉴定钢材在弯曲状态弯曲状态下下塑性塑性应变应变能力和钢材质量的综合指能力和钢材质量的综合指标。标。图图2.3 钢材冷弯试验示意图钢材冷弯试验示意图第八页，本课件共有37页2.3.3 冲击韧性冲击韧性 韧韧性性是是钢钢材材抵抵抗抗冲冲击击荷荷载载的的能能力力，它它用用材材料料在在断断裂裂时时所所吸吸收收的的总总能能量量来来量量度度（C Cv v）。韧韧性性是是钢钢材材强强度度和塑性的综合指标。和塑性的综合指标。冲击韧性冲击韧性：在：在动力荷载动力荷载作用下，材料吸收作用下，材料吸收能量能量的能的能力。力。图图2.4 冲击韧性试验冲击韧性试验第九页，本课件共有37页2.4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 2.4.1 化学成分化学成分 钢钢是是含含碳碳量量小小于于2%2%的的铁铁碳碳合合金金。钢钢中中基基本本元元素素：F Fe e、C C、SiSi、MnMn、S S、P P、N N、O O。普普通通碳碳素素钢钢中中，FeFe占占99%99%，其其余余元元素素占占1%1%。在在低低合合金金钢钢中中，除除了了上上述述元元素素外外，还还有有一一定定合合金金元元素素（镍、钒、钛等）（含量低于（镍、钒、钛等）（含量低于5%5%）各种元素对钢材机械性能的影响如下。各种元素对钢材机械性能的影响如下。第十页，本课件共有37页碳碳C C：含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和 疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶 化。一般在碳素结构钢中不应超过化。一般在碳素结构钢中不应超过0.22%；在焊接结构中还应低于在焊接结构中还应低于0.2%。硅硅SiSi：碳素结构钢中应控制碳素结构钢中应控制0.3%,在低合金高强在低合金高强 度钢中硅的含量可达度钢中硅的含量可达0.55%。锰锰MnMn：含含MnMn适量使强度适量使强度，降低，降低S S、O O的热脆影响，的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大改善热加工性能，对其它性能影响不大,有益有益.在碳素结构钢中锰的含量为在碳素结构钢中锰的含量为0.3%0.8%，在低合金高强度钢中锰的含量可达在低合金高强度钢中锰的含量可达 1.0%1.6%。第十一页，本课件共有37页硫硫S S：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，使钢材变脆，称之为热脆。含量在高温时，使钢材变脆，称之为热脆。含量 应不超过应不超过0.045%。(有害成分有害成分)磷磷P P：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量在低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量 应不超过应不超过0.045%。可以提高强度和抗锈蚀。可以提高强度和抗锈蚀 性。性。(有害成分有害成分)氧氧O O：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，发生热脆。在高温时，发生热脆。(有害成分有害成分)氮氮N N：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，发生冷脆。在低温时，发生冷脆。(有害成分有害成分)第十二页，本课件共有37页钒和钛：钒和钛：是钢中的合金元素，能提高钢的强度和是钢中的合金元素，能提高钢的强度和 抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。铜铜 ：可显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提可显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提 高钢的强度，但对焊接性能有不利影响。高钢的强度，但对焊接性能有不利影响。第十三页，本课件共有37页2.4.2 冶金缺陷冶金缺陷 在在冶冶炼炼、轧轧制制过过程程中中常常常常出出现现的的缺缺陷陷有有偏偏析析、非金属夹杂、气孔、裂纹和分层。非金属夹杂、气孔、裂纹和分层。冶炼（脱氧）冶炼（脱氧）图图2.5 钢锭剖面钢锭剖面缩孔保温帽(a)沸腾钢 (b)镇静钢第十四页，本课件共有37页注意：注意：薄钢板的薄钢板的强度比厚钢板的强度比厚钢板的强度高。强度高。轧制轧制轧棍图图2.6 钢的轧制使晶粒细化钢的轧制使晶粒细化第十五页，本课件共有37页0.0350.0400.0300.0350.0250.0300.0250.0250.0300.090.100.080.090.070.080.060.070.0550.060.050.0550.0450.050.040.0450.0350.040.030.0350.0250.030.025图图2.7 钢锭中硫的偏析钢锭中硫的偏析(a)镇静钢锭(b)沸腾钢锭钢液含硫0.032%钢液含硫0.04%图图2.8 型钢硫的偏析型钢硫的偏析是硫、磷，是硫、磷，将使偏将使偏析区钢材的塑性、析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。韧性及可焊性变坏。1.1.偏析：偏析：钢中化学成分分布不均匀，钢中化学成分分布不均匀，主要的偏析主要的偏析第十六页，本课件共有37页 2、非金属夹杂：、非金属夹杂：钢材中存在非金属化合物（硫钢材中存在非金属化合物（硫化物、氧化物），使钢材性能变脆。化物、氧化物），使钢材性能变脆。3、裂纹、分层：、裂纹、分层：浇注时的非金属夹杂物在轧制浇注时的非金属夹杂物在轧制中可能造成钢材的分层，影响钢材的冷弯性能。中可能造成钢材的分层，影响钢材的冷弯性能。第十七页，本课件共有37页冷作硬化冷作硬化当加载超过材料当加载超过材料比例极限比例极限卸载后，出现卸载后，出现残残 余变形余变形，再次加载则，再次加载则屈服点提高，塑性和屈服点提高，塑性和 韧性降低韧性降低的现象，也称的现象，也称“应变硬化应变硬化”。时效硬化时效硬化随时间的增长随时间的增长，碳和氮的化合物碳和氮的化合物从晶体中从晶体中 析出，使材料硬化的现象。析出，使材料硬化的现象。应变时效应变时效钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易 析出。即析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬冷作硬化的同时可以加速时效硬 化化，因此也称，因此也称“人工时效人工时效”。2.4.3 钢材硬化钢材硬化第十八页，本课件共有37页2.4.4 温度影响温度影响 温温度度升升高高，钢钢材材强强度度是是降降低低、应应变变增增大大；反反之之，温温度度降降低低，钢钢材材强强度度略略有有增增加加，塑塑性性和和韧韧性性降降低低而而变变脆，见图脆，见图2.9。蓝蓝脆脆：在在250度度左左右右时时，强强度度提提高高而而伸伸长长率率和和冲冲击击韧韧性性降降低低，钢钢材材表表面面氧氧化化膜膜呈呈蓝蓝色色，此此种种现现象象称称为为蓝脆现象。蓝脆现象。徐变：徐变：当温度在当温度在260320度度时，在应力持续不变的时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变。为徐变。当温度达到当温度达到600度度时强度很低，不能承担荷载。时强度很低，不能承担荷载。第十九页，本课件共有37页fufy(%)Et()图图2.9 温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响第二十页，本课件共有37页 当温度当温度低于常温低于常温时，时，钢材的钢材的脆性倾向随温度脆性倾向随温度降低而增加。降低而增加。T T1 1 T T2 2之间之间温度转温度转变脆性区变脆性区，冲击功急剧，冲击功急剧下降。而且不同的钢材下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，其脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。使必须通过试验确定。使用用温度必须高于温度必须高于T T1 1，但，但不一定高于不一定高于T T2 2。图图2.10 冲击韧性与温度的关系曲线冲击韧性与温度的关系曲线第二十一页，本课件共有37页2.4.5 应力集中应力集中 构构件件上上孔孔洞洞、刻刻槽槽、凹凹角角、裂裂纹纹以以及及截截面面厚厚度度或或宽宽度度改改变变等等部部位位，在在力力作作用用下下，该该处处出出现现高高峰峰应应力力，而而其其它它部部位位应应力较低，截面应力分布不均匀现象力较低，截面应力分布不均匀现象应力集中。应力集中。应力集中系数应力集中系数:应力集中是造成构件脆性破坏的主要原因之一。应力集中是造成构件脆性破坏的主要原因之一。应力集中系数越大，变脆的倾向越严重。应力集中系数越大，变脆的倾向越严重。第二十二页，本课件共有37页图图2.11 孔洞及槽孔处的应力集中孔洞及槽孔处的应力集中第二十三页，本课件共有37页2.4.6 反复荷载作用反复荷载作用疲劳破坏疲劳破坏:钢材在直接的反复的动力荷载作用下，钢材的强度钢材在直接的反复的动力荷载作用下，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度，这种现象称为疲劳。强度，这种现象称为疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。性断裂。钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。要变化，甚至发生疲劳破坏。为防止脆性破坏，在设计、制造及使用中应注意为防止脆性破坏，在设计、制造及使用中应注意:合理设计合理设计 正确制造正确制造 正确使用正确使用第二十四页，本课件共有37页2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件 在在单单轴轴应应力力作作用用下下 时时钢钢材材屈屈服服，构构件件由由弹弹性性工工作作状状态转为塑性工作状态。态转为塑性工作状态。在在多多轴轴应应力力作作用用下下钢钢材材的的屈屈服服条条件件不不能能以以某某一一轴轴向向应应力力超超过过某某屈屈服服点点来来判判别别，而而是是按按材材料料力力学学的的能能量量强强度度理理论论计计算算折折算算应应力力与与钢钢材材在在单单轴轴应应力力作作用用下下的的比较判断。比较判断。图图2.12 复杂应力复杂应力第二十五页，本课件共有37页当用应力分量表示时：当用应力分量表示时：当用主应力表示时：当用主应力表示时：在普通梁中，一般只存在正应力和剪应力：在普通梁中，一般只存在正应力和剪应力：第二十六页，本课件共有37页 （1 1）当当三三个个主主应应力力同同号号且且数数值值接接近近时时，即即使使很很大，但钢材很难屈服，发生脆性破坏。大，但钢材很难屈服，发生脆性破坏。（2 2）有有异异号号应应力力，且且同同号号两两个个应应力力差差较较大大，即即使使 ，但但 可可能能大大于于 ，发发生生塑塑性性破破坏。坏。纯剪：纯剪：讨论讨论：第二十七页，本课件共有37页2.7 钢材的种类和规格钢材的种类和规格 按按 用用 途：途：结构钢、工具钢、特殊钢结构钢、工具钢、特殊钢(如不锈钢等如不锈钢等)。按冶炼方法：按冶炼方法：转炉钢、平炉钢。转炉钢、平炉钢。按脱氧方法：按脱氧方法：沸腾钢、镇静钢、特殊镇静钢。沸腾钢、镇静钢、特殊镇静钢。按成型方法：按成型方法：轧制钢、锻钢、铸钢。轧制钢、锻钢、铸钢。按化学成分按化学成分：碳素钢、合金钢。：碳素钢、合金钢。在建筑工程中采用的是：在建筑工程中采用的是：碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢。碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢。2.7.1 钢材的种类钢材的种类第二十八页，本课件共有37页 钢的牌号有四部分组成：钢的牌号有四部分组成：1 1、Q Q代表屈服强度的字母；代表屈服强度的字母；2 2、屈屈服服点点的的数数值值195195、215215、235235、275275、295295、345345、390 390、420420、460460等；等；3 3、质量等级符号、质量等级符号 A A、B B、C C、D D四个等级四个等级(碳素结构钢碳素结构钢)A A、B B、C C、D D、E E五个等级（五个等级（低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢）4 4、脱脱氧氧方方法法符符号号FF代代表表沸沸腾腾钢钢、b b代代表表半半镇镇静静钢钢、z z代表镇静钢、代表镇静钢、TzTz代表特殊镇静钢。代表特殊镇静钢。第二十九页，本课件共有37页优质碳素结构钢优质碳素结构钢 主要用于钢结构某些节点或用作连接件。主要用于钢结构某些节点或用作连接件。建筑结构用钢板建筑结构用钢板 高性能建筑结构钢材高性能建筑结构钢材(GJ(GJ钢钢)，牌号由以下组成：，牌号由以下组成：1 1、Q Q代表屈服强度的字母；代表屈服强度的字母；2 2、屈服点的数值、屈服点的数值；3 3、代表高性能建筑结构用钢的汉语拼音字母、代表高性能建筑结构用钢的汉语拼音字母GJGJ；4 4、质量等级符号、质量等级符号BB、C C、D D、E E四个等级四个等级 对于厚度方向性能钢板，在质量等级后面加上厚度对于厚度方向性能钢板，在质量等级后面加上厚度方向性能级别（方向性能级别（Z15Z15、Z25Z25、Z35 Z35）。）。适用于建造高层建筑结构、大跨度结构及其他重要建适用于建造高层建筑结构、大跨度结构及其他重要建筑结构。筑结构。第三十页，本课件共有37页确定钢材种类及其质量等级确定钢材种类及其质量等级。钢材的选用原则钢材的选用原则 1、结构的重要性结构的重要性 安全等级不同，所选钢材的质量等级也应不同，安全等级不同，所选钢材的质量等级也应不同，重要的结构构件选用质量好的钢材。重要的结构构件选用质量好的钢材。2、荷载特征荷载特征 荷荷载载为为静静力力或或动动力力荷荷载载，应应选选用用各各项项性性能能不不同同的的钢材。钢材。2.7.2 钢材的选择钢材的选择第三十一页，本课件共有37页 3、连接方法、连接方法 焊接应选择可焊性好的钢材。焊接应选择可焊性好的钢材。非焊接结构对含碳量可降低要求。非焊接结构对含碳量可降低要求。4、结构所处的温度和环境、结构所处的温度和环境 处于负温下工作时，选用负温冲击处于负温下工作时，选用负温冲击合格的钢材，合格的钢材，结构周围有腐蚀介质存在时要选用抗锈性好的钢材。结构周围有腐蚀介质存在时要选用抗锈性好的钢材。5、钢材的厚度钢材的厚度 厚度大焊接结构应采用材质较好的钢材。厚度大焊接结构应采用材质较好的钢材。第三十二页，本课件共有37页 承重结构承重结构的钢材应具有的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服抗拉强度、伸长率、屈服点和硫、磷的极限含量。点和硫、磷的极限含量。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材尚应具有尚应具有冷弯试验的合格保证冷弯试验的合格保证。对需要验算疲劳以及主要的受拉或受弯的焊对需要验算疲劳以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材，应具有接结构的钢材，应具有常温或负温冲击性的合格保证常温或负温冲击性的合格保证.钢材选择的建议：钢材选择的建议：第三十三页，本课件共有37页钢结构采用的型材有：钢结构采用的型材有：热轧钢板、热轧型钢、冷弯薄壁型钢。热轧钢板、热轧型钢、冷弯薄壁型钢。1 1、热轧钢板、热轧钢板 “-”-”宽度宽度厚度厚度长度（长度（mmmm）2 2、热轧型钢、热轧型钢 （1 1）热轧角钢）热轧角钢 等肢角钢等肢角钢 L L肢宽肢宽肢厚肢厚 不等肢角钢不等肢角钢 L L长肢宽长肢宽短肢宽短肢宽肢厚肢厚2.7.2 钢材规格钢材规格第三十四页，本课件共有37页（2 2）热轧工字钢）热轧工字钢普通工字钢普通工字钢 “I”I”和号数和号数(代表截面高度厘米数代表截面高度厘米数)轻型工字钢轻型工字钢 “QI”QI”和号数和号数(代表截面高度厘米数代表截面高度厘米数)2020号以上的工字钢，按腹板厚度号以上的工字钢，按腹板厚度同一号数又分同一号数又分a a、b b、c c三类。三类。（3 3）热轧槽钢）热轧槽钢普通槽钢普通槽钢 “”和号数和号数轻型槽钢轻型槽钢 “Q”Q”和号数和号数1414号以上的槽钢，按腹板厚度号以上的槽钢，按腹板厚度同一号数又分同一号数又分a a、b b、c c三类三类第三十五页，本课件共有37页（4 4）H H型钢型钢(高高X宽宽X腹板厚腹板厚X翼缘厚）翼缘厚）宽翼缘宽翼缘H H型钢型钢（HW,HM,HN)，用于轴压、压弯构件。，用于轴压、压弯构件。型号以公称高度的毫米数表示，其后标注型号以公称高度的毫米数表示，其后标注a a、b b、c c。H H型钢可以剖分为型钢可以剖分为T T型钢供应，型钢供应，规格标记同规格标记同H H型钢，只是高度型钢，只是高度是是H H型钢的一半。型钢的一半。第三十六页，本课件共有37页3、钢管钢管 无缝钢管和焊接钢管无缝钢管和焊接钢管 “”“”外径外径厚度厚度4 4、薄壁型钢、薄壁型钢 用薄钢板经模压或弯曲而制成。壁厚一般为用薄钢板经模压或弯曲而制成。壁厚一般为1.51.55mm5mm。用作轻型屋面及墙面等构件。用作轻型屋面及墙面等构件。1、影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素2、选用钢材的原则选用钢材的原则小结：小结：第三十七页，本课件共有37页