钢结构原理与设计第二章钢结构材料.ppt

第二章第二章 钢结构钢结构材料材料v 钢材的力学性能钢材的力学性能v 影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素v 钢材的屈服条件钢材的屈服条件v 钢材的牌号与选用钢材的牌号与选用v 钢材的破坏形式钢材的破坏形式v 疲劳计算疲劳计算第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系2.1 2.1 钢材钢材的力学性能的力学性能1 1 软钢软钢单向拉伸单向拉伸试验反映的力学性能试验反映的力学性能1 1 弹性变形阶段弹性变形阶段 f fp,p,p p=0.1%=0.1%2 2 弹塑性变形阶段弹塑性变形阶段,f fy y，y y=0.15%=0.15%3 3 塑性变形阶段塑性变形阶段 stst=2.5%=2.5%4 4 强化强化(应变硬化应变硬化)阶段阶段 f fu u 5 5 颈缩阶段颈缩阶段第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系理想弹塑性模型理想弹塑性模型硬钢单向拉伸硬钢单向拉伸试验试验条件屈服强度条件屈服强度f f0.20.2第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系150300450600750900000.050.100.150.200.250.300.35应变应变(%)应应力力(MPa)0.2%fy=235MPafy=345MPafy=690MPa抗拉强度抗拉强度fu热处理低合金钢热处理低合金钢低合金高低合金高强度结构钢强度结构钢碳素结构钢碳素结构钢P 拉伸试验反映的力学性能拉伸试验反映的力学性能（1）屈服点）屈服点反映强度指标反映强度指标（2）抗拉强度）抗拉强度反映强度储备反映强度储备第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系（3）弹性模量）弹性模量 反映应力应变关系反映应力应变关系 E=206 GPa G=79 GPa =0.3（4）伸长率与断面收缩率）伸长率与断面收缩率反映塑性变形性能反映塑性变形性能第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系2 2、冷弯性能冷弯性能 冷弯性能衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形冷弯性能衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂缝的抵抗能力，是评估钢材质量的综合指时对产生裂缝的抵抗能力，是评估钢材质量的综合指标。标。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系 指标：无裂缝、断裂或起层则合格，否则不合格指标：无裂缝、断裂或起层则合格，否则不合格 （针对标准试件针对标准试件）第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系3 3、冲击韧性、冲击韧性 冲击韧性反映钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收能量的能冲击韧性反映钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收能量的能力，衡量钢材抵抗脆性破坏的机械性能指标。力，衡量钢材抵抗脆性破坏的机械性能指标。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系冲击韧性指标：击断构件所作的功冲击韧性指标：击断构件所作的功A Akvkv ，J J。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系 冲击韧性指标随温度的变化冲击韧性指标随温度的变化第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系指标：常温与低温下（指标：常温与低温下（+20+20、0 0、-20-20、-40-40度）的冲度）的冲击韧性指标击韧性指标A Akvkv第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系碳素结构钢：碳素结构钢：B、C、D质量等级的钢材要分别进行质量等级的钢材要分别进行+20、0、-20的冲击试验的冲击试验(V形缺口形缺口)，A Akvkv不小于不小于27J。4 4、可焊性、可焊性概念概念：在一定的焊接工艺条件下焊接后，焊缝金属和：在一定的焊接工艺条件下焊接后，焊缝金属和近焊缝区的钢材不产生裂纹，施焊后焊缝的力学性能近焊缝区的钢材不产生裂纹，施焊后焊缝的力学性能不低于焊接母材的力学性能。不低于焊接母材的力学性能。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系控制指标控制指标：含碳量限制：含碳量限制C0.20%C0.20%。5 5、常见的结构钢、常见的结构钢碳素结构钢中的碳素结构钢中的低碳钢低碳钢：含碳量限制：含碳量限制C0.25%C0.25%。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系低合金高强度钢低合金高强度钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系桥梁用钢桥梁用钢第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系6 6、耐候钢、耐候钢腐蚀作用腐蚀作用：1 1、“干腐蚀干腐蚀”；2 2、“湿腐蚀湿腐蚀”措施措施：1 1、涂料；、涂料；2 2、耐候钢（、耐候钢（Cu-P-Ti-ReCu-P-Ti-Re）铜）铜-磷磷-钛钛-稀土体系稀土体系 2.2 2.2 影响影响钢材性能的主要因素钢材性能的主要因素1 1、化学成分、化学成分的影响的影响含碳量含碳量含碳量愈高，强度愈高，塑性韧性可焊性降低。含碳量愈高，强度愈高，塑性韧性可焊性降低。低碳钢：低碳钢：C0.25%C0.25%中碳钢：中碳钢：0.25%-0.60%0.25%-0.60%高碳钢：高碳钢：0.60%-1.7%0.60%-1.7%合金元素合金元素适量的合金含量，提高强度，而不降低塑性韧性。适量的合金含量，提高强度，而不降低塑性韧性。如如MnMn、V V、NbNb、TiTi第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系锰含量锰含量适量可提高强度，而不降低塑性韧性；过量降低可适量可提高强度，而不降低塑性韧性；过量降低可焊性。焊性。硅含量硅含量适量可提高强度，而不降低塑性韧性；过量降低塑适量可提高强度，而不降低塑性韧性；过量降低塑性韧性、可焊性及抗锈性。性韧性、可焊性及抗锈性。S S、P P、O O、N N有害元素，降低塑性韧性、可焊性及抗锈性。有害元素，降低塑性韧性、可焊性及抗锈性。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系2 2、生产、生产过程对钢材性能的影响过程对钢材性能的影响炉种炉种电炉钢、平炉钢、转炉钢电炉钢、平炉钢、转炉钢电炉费用高，不用于建筑结构钢；电炉费用高，不用于建筑结构钢；氧气转炉、平炉同氧气转炉、平炉同样对待样对待。“钢由氧气转炉、平炉或电炉冶炼，除非需方有特殊钢由氧气转炉、平炉或电炉冶炼，除非需方有特殊要求，并在合同中注明，冶炼方法一般由供方自行确定要求，并在合同中注明，冶炼方法一般由供方自行确定”第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系脱氧方法脱氧方法:用锰、硅、铝作为脱氧剂进行脱氧用锰、硅、铝作为脱氧剂进行脱氧,它们之间的它们之间的脱氧能力比为锰脱氧能力比为锰:硅硅:铝铝=1:5:90。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系沸腾钢沸腾钢：MnMn为脱氧剂；强度与塑性不低于镇静钢，为脱氧剂；强度与塑性不低于镇静钢，韧性与疲劳性能差；价格便宜韧性与疲劳性能差；价格便宜半镇静钢半镇静钢：MnSiMnSi为脱氧剂；很少使用为脱氧剂；很少使用镇静钢镇静钢：MnSiMnSi为脱氧剂；性能好；成本高；使用多为脱氧剂；性能好；成本高；使用多特镇静钢特镇静钢：MnSiAlMnSiAl为脱氧剂；性能更好为脱氧剂；性能更好 第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系轧制方式：轧制方式：热轧：改善钢材性能；薄板优于热轧：改善钢材性能；薄板优于 厚板（表厚板（表2.22.2）包括热轧型钢、热轧钢板包括热轧型钢、热轧钢板冷轧：主要用于冷轧薄钢板冷轧：主要用于冷轧薄钢板热处理方式热处理方式（淬火、回火等）（淬火、回火等）热轧后的钢材经热处理得到调质钢；淬火提高强热轧后的钢材经热处理得到调质钢；淬火提高强度，降低韧性；回火可恢复韧性；用于高强螺栓。度，降低韧性；回火可恢复韧性；用于高强螺栓。3 3、钢材、钢材硬化对钢材性能的影响硬化对钢材性能的影响应变硬化应变硬化冷弯、冷拉的冷加冷弯、冷拉的冷加工出现应变硬化，工出现应变硬化，要设法消除影响。要设法消除影响。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系钢板剪切；钢板冲孔钢板剪切；钢板冲孔时效硬化时效硬化利用人工时效，测利用人工时效，测定硬化后的冲击韧定硬化后的冲击韧性，以保证长期韧性，以保证长期韧性。性。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系4 4、温度、温度的影响的影响高温高温低温低温强度、弹模降低。强度、弹模降低。（兰脆现象）（兰脆现象）低温变脆低温变脆（冷脆转变温度）（冷脆转变温度）第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系2.3 2.3 钢材屈服条件钢材屈服条件简单应力状态简单应力状态复杂应力状态复杂应力状态第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系几点说明：几点说明：v三向同号主应力作用，脆性破坏三向同号主应力作用，脆性破坏v平面应力状态，见式平面应力状态，见式2.7v平面纯剪，见式平面纯剪，见式2.82.4 2.4 钢材钢材的牌号与选用的牌号与选用1 1 低碳钢牌号（低碳钢牌号（碳素结构钢碳素结构钢GB/T700-88GB/T700-88）Q235-B Q235-B Z-Z-质量等级符号质量等级符号脱氧方式符号，如：脱氧方式符号，如：质量等级符号质量等级符号A A、B B、C C、D D级级脱氧方式符号脱氧方式符号F F、b b、Z Z、TZTZ2 2 低合金钢牌号（低合金钢牌号（低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢GB/T1591-GB/T1591-9494）如：）如：Q345-BQ345-B第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系质量等级符号质量等级符号A A、B B、C C、D D、E E级级脱氧方式符号脱氧方式符号一般为一般为Z,Z,故不标出故不标出低碳钢低碳钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系低合金高强度钢低合金高强度钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系3 3 钢结构对钢材性能的要求钢结构对钢材性能的要求 (1)(1)承重结构的钢材应具有承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度、抗拉强度、伸长率、屈服强度、磷硫含量磷硫含量的合格保证，对焊接结构尚应具有的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量碳含量的合格的合格保证。保证。（2 2）焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材尚应）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具有冷弯试验合格冷弯试验合格保证。保证。（3 3）对需验算疲劳的结构，其钢材应具有）对需验算疲劳的结构，其钢材应具有常温或低温冲击常温或低温冲击韧性韧性的合格保证。的合格保证。（4 4）吊车起重量等于或大于）吊车起重量等于或大于50t50t中级工作制吊车梁，对钢中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性要求与需验算疲劳的结构同。材冲击韧性要求与需验算疲劳的结构同。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系4 4 钢材选用的依据钢材选用的依据（1 1）结构类型及重要性：）结构类型及重要性：（2 2）荷载特征：）荷载特征：静力、动力静力、动力（3 3）连接方法：）连接方法：焊接、非焊接焊接、非焊接（4 4）结构工作环境：）结构工作环境：常温、低温常温、低温（5 5）构件应力状态：）构件应力状态：拉、压拉、压第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系5 5 型钢及钢板型钢及钢板（1 1）热轧钢板：）热轧钢板：-8-840040030003000（2 2）热轧型钢：角钢、）热轧型钢：角钢、H H型钢、槽钢等型钢、槽钢等（3 3）冷弯薄壁型钢：厚度为）冷弯薄壁型钢：厚度为2 26mm6mm第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系工字钢工字钢H H型钢型钢 钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料 钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料 钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料 钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料 钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料 钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料 钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料 钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料 钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料 钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料 钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料2.5 2.5 钢材的破坏钢材的破坏形式形式1 1 塑性破坏特征塑性破坏特征（1 1）破坏前塑性变形较大，易发现，危险性小。）破坏前塑性变形较大，易发现，危险性小。（2 2）破坏时应力达到钢材的抗拉强度）破坏时应力达到钢材的抗拉强度fufu。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系2 2 脆性破坏特征脆性破坏特征（1 1）破坏前变形较小，突然发生，危险性大。）破坏前变形较小，突然发生，危险性大。（2 2）破坏时应力常小于屈服点）破坏时应力常小于屈服点fyfy。（3 3）断口平直，呈有光泽的晶粒状。）断口平直，呈有光泽的晶粒状。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系3 3 脆性破坏实例脆性破坏实例（4 4）内蒙古焊接贮罐断裂：荷载不大，）内蒙古焊接贮罐断裂：荷载不大，焊接焊接不透，不透，气温低气温低。（1 1）德国）德国ZooZoo桥：桥：19361936年，完工年，完工6 6个月，个月，气温气温-10-10度度，脆坏。，脆坏。（2 2）比利时）比利时HasseltHasselt桥：全焊空腹桁梁，跨度桥：全焊空腹桁梁，跨度200200英尺，完工英尺，完工1414个月，个月，19381938年，年，气温下降气温下降，脆坏坠毁。，脆坏坠毁。（3 3）美国）美国Point PleasantPoint Pleasant桥：吊桥，跨度桥：吊桥，跨度210210米，米，19671967年年冬天冬天，突然断裂，梁跨弹起，突然断裂，梁跨弹起，7575辆汽车抛入天空，钢梁随之塌落，辆汽车抛入天空，钢梁随之塌落，4646人人死亡，死亡，9 9人伤。人伤。“自从桥梁钢结构引进焊接技术后，桥梁断裂破坏事故屡有发生自从桥梁钢结构引进焊接技术后，桥梁断裂破坏事故屡有发生”源于铁路钢结构设计规范源于铁路钢结构设计规范4 4 影响脆性破坏的主要因素及预防措施影响脆性破坏的主要因素及预防措施（1 1）钢材质量：）钢材质量：选用合适的钢材选用合适的钢材。（2 2）钢板的厚度：）钢板的厚度：厚板缺陷较多厚板缺陷较多。铁路规范。铁路规范 根据杆件受力特点、钢材根据杆件受力特点、钢材 牌号、设计温度规定了最牌号、设计温度规定了最 大板厚。大板厚。（3 3）加载的速度：）加载的速度：避免突然受力。避免突然受力。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系（4 4）应力的性质与大小：）应力的性质与大小：避免截面突变，应力集中。避免截面突变，应力集中。（5 5）最低使用温度：）最低使用温度：低温条件下，注意选材与焊接低温条件下，注意选材与焊接（6 6）连接方式：）连接方式：低温焊接问题，焊缝布置等。低温焊接问题，焊缝布置等。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系4 4 层状撕裂层状撕裂第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系厚钢板撕裂特点厚钢板撕裂特点：三个方向强度不一致，容易出：三个方向强度不一致，容易出现沿厚度方向撕裂。现沿厚度方向撕裂。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系预防措施预防措施：（1 1）合理布置焊缝。）合理布置焊缝。（2 2）采用）采用Z Z向钢板（向钢板（厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板）v钢材疲劳的概念钢材疲劳的概念v疲劳计算疲劳计算第二章第二章 钢结构材料钢结构材料2.6 2.6 钢材疲劳钢材疲劳中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系1 1 钢材疲劳的概念钢材疲劳的概念生活中的疲劳现象生活中的疲劳现象基本概念基本概念：钢材在反复荷载作用下，当应力低于钢材：钢材在反复荷载作用下，当应力低于钢材抗拉强度甚至低于屈服强度的情况下，发生的突然断裂现抗拉强度甚至低于屈服强度的情况下，发生的突然断裂现象，称为钢材疲劳。象，称为钢材疲劳。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系反复荷载反复荷载:应力随时间变化应力随时间变化,疲劳损伤有累积效应。疲劳损伤有累积效应。应力不高应力不高:应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度。应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度。突然断裂突然断裂:相对于塑性破坏，破坏更隐蔽，危害更大。相对于塑性破坏，破坏更隐蔽，危害更大。概念要领概念要领第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系2 2 疲劳的形成过程疲劳的形成过程初始裂纹初始裂纹的形成的形成裂纹的缓裂纹的缓慢扩展慢扩展突突 然然断裂破坏断裂破坏 夹杂、偏夹杂、偏析、气泡等析、气泡等缺陷提供了缺陷提供了初始微裂纹初始微裂纹 反复应力反复应力作用促进作用促进了裂纹的了裂纹的扩展扩展 剩余截面剩余截面不足以抵抗不足以抵抗外力而突然外力而突然断裂断裂第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系3 3 工程中的疲劳现象工程中的疲劳现象土木建筑：钢桥、吊车梁、吊车桁架等土木建筑：钢桥、吊车梁、吊车桁架等“美国明尼苏达州美国明尼苏达州I-35W钢桥，钢桥，2007年年8月月2日发生疲劳破坏日发生疲劳破坏”“我国滨州线松花江桥也曾发生疲劳破坏我国滨州线松花江桥也曾发生疲劳破坏”“老桥急需进行疲劳寿命评估老桥急需进行疲劳寿命评估（重载铁路改造）（重载铁路改造）”吊车梁吊车梁第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系机械、材料、航空、汽车、火车等机械、材料、航空、汽车、火车等“疲劳失效占机械事故的疲劳失效占机械事故的50%以上以上”“疲劳失效遍及飞机各主要部件，如机翼、机身、发动机等疲劳失效遍及飞机各主要部件，如机翼、机身、发动机等”“车轴断裂容易导致安全事故车轴断裂容易导致安全事故”“车轮钢圈断裂引发列车脱轨车轮钢圈断裂引发列车脱轨”-德国德国ICE884高速列车脱高速列车脱轨惨祸轨惨祸 致致101人死亡人死亡 第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系4 4 疲劳的影响因素疲劳的影响因素（1 1）应力集中）应力集中应力集中的含义应力集中的含义不同构件不同构件,应力集中不同，疲劳难易程度不同应力集中不同，疲劳难易程度不同第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系常见构件分类常见构件分类 根据应力集中程度的不同，将常见构件分成不同类别根据应力集中程度的不同，将常见构件分成不同类别,各各自取不同的疲劳容许应力值。自取不同的疲劳容许应力值。建筑规范建筑规范1-81-8类类公路规范公路规范A-FA-F类类铁路规范铁路规范-类类第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系(a)(a)轧制工字钢轧制工字钢(b)(b)焊接工字钢（手工焊）焊接工字钢（手工焊）1 1类类4 4类类不同类型杆件疲劳容许应力不同不同类型杆件疲劳容许应力不同第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系（2 2）循环应力大小）循环应力大小应力幅应力幅最大应力最大应力只需只需2 2个参量即可个参量即可完全表述循环应力特征完全表述循环应力特征最小应力最小应力应力比应力比第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系完全对称循环完全对称循环(-1)脉冲循环脉冲循环(0)静荷载作用静荷载作用(+1)一般应力循环一般应力循环不同应力比和应力幅，产生不同的疲劳影响。不同应力比和应力幅，产生不同的疲劳影响。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系（3 3）应力循环次数）应力循环次数S-NS-N曲线曲线（用试验方法得到）（用试验方法得到）实际循环次数实际循环次数n n 疲劳破坏循环次数（即疲劳寿命）疲劳破坏循环次数（即疲劳寿命）N N某一应力比某一应力比第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系疲劳极限强度疲劳极限强度对应某一应力比对应某一应力比疲劳预防途径（疲劳预防途径（1 1）：）：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第二章第二章 钢结构材料钢结构材料对应某一应力比对应某一应力比疲劳预防途径（疲劳预防途径（2 2）：）：中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系5 5 常幅疲劳计算常幅疲劳计算(1)(1)常幅疲劳与变幅疲劳常幅疲劳与变幅疲劳第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系(2)(2)非焊接部位常幅疲劳计算非焊接部位常幅疲劳计算第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系对应某一应力比对应某一应力比疲劳预防途径：疲劳预防途径：(3)(3)焊接部位常幅疲劳计算焊接部位常幅疲劳计算第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系焊接残余应力概念焊接残余应力概念 某部位的某部位的实际应力实际应力=外荷载产生的应力外荷载产生的应力+焊接残余应力焊接残余应力；这样根据外荷载算出的应力不是实际应力，而是名义应力。这样根据外荷载算出的应力不是实际应力，而是名义应力。焊接部位应力幅与应力比焊接部位应力幅与应力比外荷载引起的应力：外荷载引起的应力：不存在残余应力时，实际应力幅与应力比：不存在残余应力时，实际应力幅与应力比：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系 焊接部位应力幅与应力比焊接部位应力幅与应力比残余拉应力：残余拉应力：f fy y=235N/mm=235N/mm2 2外荷载引起的应力：外荷载引起的应力：考虑残余应力影响实际应力：考虑残余应力影响实际应力：考虑残余应力实际应力幅与应力比：考虑残余应力实际应力幅与应力比：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系实际应力幅名义应力幅，影响焊接构件的疲劳破坏实际应力幅名义应力幅，影响焊接构件的疲劳破坏结论：结论：实际应力比实际应力比名义应力比，名义应力比无意义名义应力比，名义应力比无意义设计时控制应力幅小于容许应力幅（设计时控制应力幅小于容许应力幅（容许应力法容许应力法）第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系 焊接部位疲劳焊接部位疲劳 应力幅应力幅非焊接部位疲劳非焊接部位疲劳 应力幅应力幅 焊接部位疲劳焊接部位疲劳最大应力与应力比最大应力与应力比第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系容许应力幅（试验统计归纳得到）容许应力幅（试验统计归纳得到）应力幅计算应力幅计算 （焊接部位）（焊接部位）（非焊接部位）（非焊接部位）第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系6 6 变幅疲劳计算变幅疲劳计算基本计算公式基本计算公式应力谱及来源应力谱及来源 应力谱是应力随时间应力谱是应力随时间的变化曲线，通过试验测的变化曲线，通过试验测出或理论计算得到。出或理论计算得到。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系计算公式计算公式等效应力谱计算等效应力谱计算基本原理：基本原理：Palmgren-Palmgren-MinerMiner线性累积损伤准则线性累积损伤准则分析上述方法的应用分析上述方法的应用困难困难第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系循环次数循环次数保持不变保持不变疲劳损伤疲劳损伤度等效度等效7 7 吊车梁与吊车桁架疲劳计算吊车梁与吊车桁架疲劳计算第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系基本计算公式基本计算公式应力幅的计算方法应力幅的计算方法 计算计算最不利标准荷载最不利标准荷载作用在作用在最不利作用位置最不利作用位置，计，计算出关键部位最大与最小应力，得到对应应力幅。算出关键部位最大与最小应力，得到对应应力幅。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系欠载效应的等效系数欠载效应的等效系数（1 1）实际应力幅常低于计算应力幅实际应力幅常低于计算应力幅（2 2）设计期实际循环次数不是设计期实际循环次数不是2 210106 68 8 疲劳计算的有关规定疲劳计算的有关规定直接承受动荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力直接承受动荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数变化的循环次数n n大于大于5 5万次万次时，应进行疲劳计算。时，应进行疲劳计算。不适合特殊条件下的疲劳计算。（不适合特殊条件下的疲劳计算。（高温、腐蚀高温、腐蚀等）等）疲劳计算采用疲劳计算采用容许应力幅法容许应力幅法，应力按弹性状态计算，不出，应力按弹性状态计算，不出现拉应力的部位可不计算疲劳。现拉应力的部位可不计算疲劳。第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系根据设计荷载计算最不利应力状态（根据设计荷载计算最不利应力状态（最大应力、最小应力最大应力、最小应力）第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系拉拉-拉或拉拉或拉-压（以拉为主）的构件：压（以拉为主）的构件：压压-拉（以压为主）的构件：拉（以压为主）的构件：9 9 铁路桥梁疲劳计算介绍铁路桥梁疲劳计算介绍1010、本章总结、本章总结