钢结构A钢结构的材料概要.pptx

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1、钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求第1页/共59页钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure钢材的破坏形式钢材的破坏形式 特特 征征断断 口口 后后 果果 塑性破坏塑性破坏（延性破坏）（延性破坏）构件应力超过屈服点，构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强并且达到抗拉极限强度后，构件产生明显度后，构件产生明显的变形并断裂。的变形并断裂。常温及静态荷载作用常温及静态荷载作用下，一般为塑性破坏。下，一般为塑性破坏。破坏时构件有明显的破坏时构件有明显的颈缩

2、现象。颈缩现象。常为杯常为杯形，呈形，呈纤维状，纤维状，色泽发色泽发暗。暗。在破坏前有很在破坏前有很明显的变形，明显的变形，并有较长的变并有较长的变形持续时间，形持续时间，便于发现和补便于发现和补救。救。脆性破坏脆性破坏在破坏前无明显变形，在破坏前无明显变形，平均应力也小（一般平均应力也小（一般都小于屈服点），没都小于屈服点），没有任何预兆。局部高有任何预兆。局部高峰值应力可能使材料峰值应力可能使材料局部拉断形成裂纹；局部拉断形成裂纹；冲击振动荷载；低温冲击振动荷载；低温状态等可导致脆性破状态等可导致脆性破坏。坏。平直和平直和呈有光呈有光泽的晶泽的晶粒。粒。突然发生的，突然发生的，危险性大，应

3、危险性大，应尽量避免。尽量避免。第2页/共59页 （1 1）试验条件）试验条件 （a a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的缺陷。试件的标定长度取其直径的5 5或或1010倍。倍。（b b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。（c c）试验温度要控制在室温）试验温度要控制在室温2020左右。左右。d d标准试件低碳钢在常温下的拉伸试验第3页/共59页钢材的应力钢材的应力-应变关系应变关系 A.A.有屈服点钢材有屈服点钢材-e-e曲线一般可以分为五个阶段：曲线一

4、般可以分为五个阶段：(a)弹性阶段弹性阶段(OB段段)OBCDAE 单调拉伸应力单调拉伸应力-应变曲线应变曲线OAOA段段：纯弹性阶段：纯弹性阶段=E=Ee eA A点对应的应力：点对应的应力：p p（比例极限）（比例极限）ABAB段段：有一定的塑性：有一定的塑性变形变形,但整个但整个OBOB段卸载时段卸载时,e e=0=0B B点对应的应力：点对应的应力：e（弹性极限弹性极限）第4页/共59页（b）屈服阶段屈服阶段弹塑性阶段 塑性变形阶段（塑性流动）（BCD)塑性变形塑性变形：卸载后试件：卸载后试件不能完全恢复原来的长不能完全恢复原来的长度。不能恢复的这一部度。不能恢复的这一部分变形称为塑性

5、变形。分变形称为塑性变形。屈服点（屈服强度）屈服点（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分屈服阶段曲线波动部分的最低值。的最低值。流幅流幅：从屈服阶段的开：从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应始到曲线再度上升的应变幅度称为流幅。变幅度称为流幅。特点特点：应力与应变不再成正比关系，应变增加很快，应力：应力与应变不再成正比关系，应变增加很快，应力-应变曲线呈锯齿形波动，应变曲线呈锯齿形波动，出现应力不增加而应变仍然在继续发展。出现应力不增加而应变仍然在继续发展。OBCDAE第5页/共59页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（c c）自强（强化）阶段）自强（强化）阶段(DE(DE段段)随荷载的增加随荷载

6、的增加缓慢增大缓慢增大,但但增加较快增加较快抗拉强度（极限强度）抗拉强度（极限强度）fu 试件所能承受的最大拉应力试件所能承受的最大拉应力（d d）破坏（颈缩）阶段）破坏（颈缩）阶段(EF(EF段段)OBCDAE截面出现了横向收截面出现了横向收缩，截面面积开始缩，截面面积开始显著缩小，塑性变显著缩小，塑性变形迅速增大，应力形迅速增大，应力不断降低，变形却不断降低，变形却延续发展，直至延续发展，直至F F点点试件断裂。试件断裂。F F第6页/共59页B.B.对无明显屈服点的钢材对无明显屈服点的钢材设计时以卸载后试件中残余应变为设计时以卸载后试件中残余应变为0.20.2所对应的应力所对应的应力 作

7、为屈服点作为屈服点“条件屈服点条件屈服点”或或“名义屈服点名义屈服点”fy=f0.20.2%fup 无屈服点钢材的应力无屈服点钢材的应力-应变曲线应变曲线没有明显屈服点的没有明显屈服点的钢钢材在拉伸过程中没有材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。小，破坏突然。第7页/共59页单向拉伸时钢材的力学性能指标单向拉伸时钢材的力学性能指标 （1 1）屈服强度屈服强度f fy y应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强

8、度设计值的重要指标。的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。（2 2）抗拉强度抗拉强度f fu u应力应变曲线最高点对应的应力，它应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前所能承受的最大应力。是钢材破坏前所能承受的最大应力。（3 3）钢材的塑性钢材的塑性当应力超过屈服点后，钢材能产生显著当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用用断面收缩率断面收缩率 和和伸长率伸长率 表示，通过静力拉伸试验得到。表示，通过静力拉伸试验得到。屈强比大好还是小好？第8页/共59页（4 4）伸长率伸长率试件试件断裂

9、前断裂前的永久变形与原标定长度的百比。的永久变形与原标定长度的百比。l0 原标距长原标距长l1 拉断后标距长度拉断后标距长度d0 试件直径试件直径试试件件有有两两种种标标距距：l0/d0=5 和和 l0/d0=10 相相应应的的伸伸长长率率用用5和和10表示。表示。实际工程中以伸长率实际工程中以伸长率 代表材料断裂前具有的塑性变形能力。代表材料断裂前具有的塑性变形能力。第9页/共59页（5 5）断面收缩率断面收缩率 是指试件拉断后，颈缩区的断面面积是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。缩小值与原断面面积比值的百分比。式中：式中：A0 试件原来的断面面积试件原来的断面面

10、积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积试件拉断后颈缩区的断面面积 断面收缩率断面收缩率 越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。A0A1第10页/共59页应力应变曲线的简化应力应变曲线的简化曲线简化的依据：曲线简化的依据：1 1）钢材在屈服点之前的性质）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。接近理想的弹性体。2 2）屈服点之后的流幅现象又）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅接近理想的塑性体，并且流幅

11、的范围（的范围（e e0.150.15-2.5-2.5）已）已足够用来考虑结构或构件的塑足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。性变形的发展。2.5%fy 00.15%简化的应力应变曲线钢材是符合理想中的弹性钢材是符合理想中的弹性-塑性材料塑性材料 第11页/共59页 冷弯性能是判别钢材塑性变形能冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。力和冶金质量的综合指标。冷弯性能冷弯性能钢材在冷加工（常温下加工）钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。的抵抗能力。鉴别指标鉴别指标：通过冷弯冲头加压。：通过冷弯冲头加压。当试件弯曲至当试件弯曲至1

12、80180时，检察试件时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。认为试件冷弯性能合格。第12页/共59页冲击韧性：带缺口的钢材试件，在冲击试验机上被摆锤击断时所能吸收的机械能。Mesnager 试件 Charpy 试件 夏比冲击韧性记为Cv 规范以夏比试件为准Q235钢 CV=27 J 为合格,Q345、Q390、Q420钢 CV=34 J 为合格。P摆锤重力摆锤重力 l摆长摆长第13页/共59页可焊性可焊性 好好的的可可焊焊性性是是指指焊焊接接安安全全、可可靠靠、不不发发生生焊焊接接裂裂缝

13、缝，焊焊接接接接头头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材。和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材。影响钢材可焊性的因素影响钢材可焊性的因素钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12%0.12%0.20%0.20%范范围内的碳素钢，可焊性最好（如围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235BQ235B）。碳含量再高可使焊缝和热影响区）。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。变脆。第14页/共59页1.化学成分F e，C，S，P，N，O，M n，Si，C u，N i，C r，N bFe：碳素钢约99%，合金

14、钢约95%。C：影响钢材的强度、塑性、韧性及可焊性。一般控制在0.22%以下，在0.2%以下时，可焊性良好。S：是钢材中的有害元素。在高温下使钢材变脆，即热脆现象。塑性、韧性、可焊性、疲劳强度，含量不得超过0.045%。P：是钢材中的有害元素。在低温时使钢材变脆，即冷脆现象。塑性、韧性、可焊性、疲劳强度，含量不得超过0.045%。O和N：钢材中的有害杂质。O使钢热脆，N使钢冷脆。影响钢材力学性能的主要因素Main Factors of Influence on Mechanics Performance of Steel Mat.第15页/共59页Mn：一种弱脱氧剂，可消除硫、氧对钢材的热脆影

15、响，能改善冷脆性 能。强度、塑性和韧性无甚影响（含量不高时）。碳素结构钢 0.3-0.8%；低合金高强度结构钢 1.0-1.6%。Si：作为脱氧剂加在低碳钢钢液中，制成质量较高的镇静钢。强度 、塑性和韧性无甚影响（含量不高时）。碳素结构钢 0.3%；低合金高强度结构钢 0.55%。Cu，Ni，Cr，Nb：加入Cu和Ni可制成耐候钢，加入Ni和Cr可制成不锈 钢，在钢中添加微量的Cr、Nb等合金元素制成耐火钢。2.冶金缺陷1.偏析：化学成分不一致，不均匀。硫、磷偏析严重 影响钢材性能。2.非金属夹杂：硫化物和氧化物。3.气孔：一氧化碳气体不能充分逸出而形成。4.分层：非金属杂质造成的，会降低钢材

16、的冷弯性能。第16页/共59页3.3.应力集中的影响应力集中的影响 在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中应力集中现象。现象。应力集中现象应力集中现象第17页/共59页不同槽口试件静力拉伸试验的应力不同槽口试件静力拉伸试验的应力应变曲线应变曲线 应力集中对应力集中对-曲线曲线关系的影响关系的影响 可以看出截面

17、槽口可以看出截面槽口改变愈急剧，应力改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破坏但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。的脆性倾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10测距10010100600700500400300200100第18页/共59页复杂应力状态下钢材的屈服强度复杂应力状态下钢材的屈服强度oZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力（应力分量（应力分量）单元体主应力状态单元体主应力状态第19页/共59页复杂应力状态下的屈服条件（由第四强度理论确定）1、平面应力状态2、三向应力状态（Misesyieldcondition)3、

18、平面纯剪应力状态第20页/共59页同号应力 eqfy 钢材易进入塑性状态，钢材强度降低，塑性变形大。局部应力集中，在动荷载及低温条件下，易使钢材产生脆性破坏。第21页/共59页4.4.钢材硬化钢材硬化s se efyfp0s se efyfp0s se efyfp0第22页/共59页钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure5.5.温度的影响温度的影响正温范围：正温范围：（1 1）温度在）温度在150150以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于150150的场合。的场合。（2 2）温度在）

19、温度在250250左右的区间内出现左右的区间内出现蓝脆现象蓝脆现象，fu 有局部性提高，同时塑有局部性提高，同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。性降至最低，材料有转脆倾向。（3 3）当温度达到）当温度达到600600时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。承载能力。负温范围：负温范围：随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的变脆，称为钢材的低温冷脆低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。8006004002000N

20、/mm2Efufy20040060020406080%220210200190180170160E Ex10 x103 3T(0C)第23页/共59页冲击韧性和温度关系示意图冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏两种破坏均有塑性破坏转变温度区冲击断裂功试验温度T1T0T2（1 1）冲击功曲线的反弯点）冲击功曲线的反弯点T T0 0称为称为转变温度转变温度。界限温度。界限温度T T1 1和和T T2 2分别为分别为脆性转变温度脆性转变温度和和全塑性转变温度全塑性转变温度。（2 2）钢材由塑性破坏转变为）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间脆性破坏是在温度区间T T1 1 T T2 2内完成的，此温

21、度区间称为内完成的，此温度区间称为钢材的钢材的脆性转变温度区脆性转变温度区。（3 3）在脆性转变温度以下，钢材表现为）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。上，钢材则表现为完全的塑性破坏。（4 4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于T T1 1,接近接近T T0 0。

22、第24页/共59页6.6.荷载类型的影响荷载类型的影响荷载可分为静力和动力两大类荷载可分为静力和动力两大类1.1.加荷速度的影响加荷速度的影响 这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。影响要比常温下大得多。因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载5 5分分钟后再读数据。钟后再读数据。2.2.循环荷载的影响循环荷载的影响 钢材在连续交变荷载作

23、用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏裂纹逐渐扩展，直到最后破坏（疲劳破坏）（疲劳破坏）。第25页/共59页7.7.残余应力残余应力 在热轧型钢过程中，冷却时，截面上各部分温差使型钢产生了残余应力(内部应力)。以热轧工字钢的冷却过程为例，从最终轧制温度To(约6000C)开始，截面上出现了各部分温度差别，翼缘边缘和腹扳中部等外露部分比翼缘与腹板接合处冷却得快，首先冷却并阻止高温纤维冷却所产生的收缩。因此到冷却过程全部完成后(常温下)，最早冷却的区域受压应力，而最后冷却的区域受拉应力。焊接将产生残余应力和残余变形第26页/共

24、59页钢材的疲劳Fatigue第27页/共59页 钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐积累损伤、产生裂纹即裂纹逐渐扩展，当循环次数达到某定值时，发生突然破坏的现象，称为疲劳。（high-cycle fatigue low-cycle fatigue)高周低应力疲劳：破坏前的应力循环次数n5104，疲劳破坏时的应力较低，。一般属于此类疲劳。低周高应力疲劳：破坏前的应力循环次数n=1025104,疲劳破坏时的应力水平较高，。应力比：应力幅：循环次数：n （要求n 5104时，应进行疲劳计算）第28页/共59页常幅疲劳常幅疲劳当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。当应力循环内的应力幅保持常量时，

25、称为常幅疲劳。1.1.非焊接结构的疲劳非焊接结构的疲劳大量试验研究表明，疲劳强度除与大量试验研究表明，疲劳强度除与主体金属主体金属和和连接类型连接类型有关外，有关外，还与还与循环应力比循环应力比r r和和循环次数循环次数n n有关。有关。应力循环特性常用应力比值来表示，以拉应力为正值。连续重复荷载之下应力往复变化一周叫做一个循环。第29页/共59页2.2.焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是构件和连构件和连接的类型接的类型、应力幅应力幅以及以及循环次数循环次数n n，而与应力比无关。，而与应

26、力比无关。焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点f fy y ，该处是产生和发展该处是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。疲劳裂纹最敏感的区域。最大：最大：最小：最小：真实应力比：真实应力比：焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅的大小的大小-+残余应力的分布第30页/共59页应力幅应力幅与应力循环次数与应力循环次数n n（疲劳寿命）的关系（疲劳寿命）的关系0NX105n1n2fy123456S S S S0.b b1 1 1(1)(1)应力幅值越低，应力循环次数就越应力幅值越低，应力循环次数就越多，疲劳寿命也越高

27、。多，疲劳寿命也越高。(2)(2)当应力幅值减小到一定程度时，应当应力幅值减小到一定程度时，应力循环次数趋向无穷大。力循环次数趋向无穷大。容许应力幅容许应力幅 的定义的定义 （1 1）应力幅循环次数（红色实）应力幅循环次数（红色实线所示）关系曲线为试验回归曲线，线所示）关系曲线为试验回归曲线，反应了平均值之间的关系。反应了平均值之间的关系。第31页/共59页（2 2）考虑到试验的离散性，取平均值减去两倍）考虑到试验的离散性，取平均值减去两倍lgnlgn的标准差（的标准差（2s2s）作为疲劳强度的下限）作为疲劳强度的下限值，图中蓝色虚线所示。该虚线上的应力幅定义为对应于某疲劳寿命的容许应力幅。值

28、，图中蓝色虚线所示。该虚线上的应力幅定义为对应于某疲劳寿命的容许应力幅。（3 3）如果）如果lgnlgn符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为97.797.7。(4(4）容许应力幅的表达式）容许应力幅的表达式 可通过两可通过两个相似三角形求出：个相似三角形求出：S S S S0.b b1 1 1 (5)(5)式中：系数式中：系数、C C根据根据钢结构设钢结构设计规范计规范-疲劳计算的构件和连接分类疲劳计算的构件和连接分类 查表得到。查表得到。(6)(6)容许应力幅与钢材的强度无关，这表明容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同种类的钢材具有相

29、同的抗疲劳性能。不同种类的钢材具有相同的抗疲劳性能。第32页/共59页3.3.常幅疲劳验算常幅疲劳验算 疲劳容许应力幅疲劳容许应力幅 与应力循环次数与应力循环次数n n的关系曲线的关系曲线1143(N N/mm/mm2 2)（对数尺）（对数尺）n n（对数尺）（对数尺）规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归并划分为并划分为8 8个疲劳计算类别个疲劳计算类别，并对每个类别规定了相应的参数取值。，并对每个类别规定了相应的参数取值。第33页/共59页参数和参数和 的取值的取值构件和连构件和连接类别接类别12345678

30、1940101286110123.2610122.1810121.4710120.9610120.6510120.41101244333333国内外试验证明，除了个别在疲劳计算中不起控制作用类国内外试验证明，除了个别在疲劳计算中不起控制作用类别的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数别的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响。焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响。第34页/共59页疲劳计算采用疲劳计算采用容许应力幅法容许应力幅法，按弹性状态计算应力进行计算。，按弹性状态计算应力进行计算。计算只适用于无高温（计算只适用于无高温（t150

31、t150）、无严重腐蚀环境中的高周低应）、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算（应力循环次数变的疲劳计算（应力循环次数n n5105104 4)。常幅疲劳的计算公式常幅疲劳的计算公式标准荷载下标准荷载下的设计应力幅；的设计应力幅；对于焊接部位的设计应力幅对于焊接部位的设计应力幅:=max-min；对于非焊接部位的折算应力幅：对于非焊接部位的折算应力幅：=max-0.7 min max 每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）min 每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应（拉应力取正值，

32、压应力取负值）；力取正值，压应力取负值）；常幅疲劳的容许应力幅常幅疲劳的容许应力幅第35页/共59页变幅疲劳变幅疲劳当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。i-121it变幅荷载变幅荷载可可将将变变幅幅疲疲劳劳折折算算为为等等效效的的常常幅幅疲疲劳劳，然然后后按按常常幅幅疲疲劳劳检算式检算。检算式检算。（a a）检算公式）检算公式e e等效常幅疲劳应力幅。等效常幅疲劳应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。情形一能够测得使用期内应力变幅规律情形一能够测得使用期内应力变幅规律第36页/共59页（b)b)计算计算若能预测结构在使用寿命期间各种

33、荷载的应力幅以及次数分若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅e e按下按下式进行疲劳计算：式进行疲劳计算：n ni i 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；n ni i 预期寿命内应力幅水平达到预期寿命内应力幅水平达到i i的的应力循环次数应力循环次数第37页/共59页 情形二情形二不能测得使用期内应力变幅规律不能测得使用期内应力变

34、幅规律 设计设计重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，按常幅疲劳进行计算。按常幅疲劳进行计算。计算公式计算公式 欠载效应的等效系数欠载效应的等效系数循环次数为循环次数为n n=210=2106 6次的容许应力幅。次的容许应力幅。第38页/共59页1.00.80.5重级工作制硬钩吊车重级工作制硬钩吊车

35、重级工作制软钩吊车梁重级工作制软钩吊车梁中级工作制吊车中级工作制吊车 f吊车梁类别吊车梁类别吊车梁或吊车桁架欠载效应系数吊车梁或吊车桁架欠载效应系数59697890103118144176N/mm2n=210687654321连接形式类别连接形式类别n n=210=2106 6的容许应力幅值的容许应力幅值第39页/共59页疲劳破坏中一些值得注意的问题疲劳破坏中一些值得注意的问题（1 1）疲劳验算采用的是容许应力设计法疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的，而不是以概率论为基础的设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学

36、性能非常复杂，目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。（2 2）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。（3 3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。（4 4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施）提高疲劳强度和疲劳寿命

37、的措施（）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；（）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；（）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；（）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；（）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。（）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。第40页/共59页钢材的生产铁矿石-铁-钢-轧制成型炼铁：以CO、C作为还原剂，高温下将铁矿石中的铁还原出来。生铁含碳量高（2.06%）。炼钢：高温下氧化反应除去生铁中多余的碳和杂质。使含碳量2.06%。精炼：脱氧第41页/共59页 用轧钢机将钢锭轧成钢胚，再通过一系列不同形状和孔径的轧机，轧成所需形状和尺寸的钢材。钢材的热轧成型，压密钢的晶粒

38、，改善钢的材质。薄的钢材，辊轧次数多，压缩比大，因而屈服点及伸长率均大于厚板。钢材的力学性能按板厚或直径分组。第42页/共59页 钢的种类结构用钢的种类、选用及规格第43页/共59页沸腾钢：以Mn为脱氧剂 F半镇静钢：介于沸腾钢与镇静钢之间（加入少量Si）b镇静钢：除Mn外，增加Si为脱氧剂 Z特殊镇静钢：在用硅脱氧后，再用铝补充脱氧 TZ设计文件中的标识方法：Q+屈服点数值+质量等级+脱氧方法Q235钢分为A、B、C、D质量等级 ，Z TZ 可以省略。Q235C 为镇静钢Q235D 为特殊镇静钢Q345、Q390、Q420无沸腾钢和半镇静钢。名称中就无脱氧方法符号。举例：Q235BF Q23

39、5C Q345A Q345B Q390D Q420B第44页/共59页碳素钢铁和碳的合金 低碳钢 C0.6%一般 C0.20%具有良好的可焊性。碳素钢分级：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275钢结构推荐使用 Q235 （C0.18%)第45页/共59页低合金钢 冶炼时，在低碳钢中加入合金元素 Mn、V等 低合金钢中合金元素含量5%适量合金元素，可使钢水在冷却时得到细而均匀的晶粒，从而提高强度又不降低塑性和韧性。推荐使用：Q345 (原16Mn、16Mnq)(含碳量0.16%)fy=345 MPa Q390(原15MnV 15MnVq)(含碳量0.15%)合金含量均小于1.5%fy=

40、390 MPa Q420第46页/共59页建筑工程用钢碳素结构钢低合金高强度结构钢优质碳素结构钢A：保证 fy、fu、，必要时附加冷弯试验的要求；化学成分对碳、锰不作交货条件。B、C、D 级：保证 fy、fu、，冷弯性能、冲击韧性（分别为+20，0，-20）；化学成分对碳、硫、磷的极限含量要求严格。A：保证 fy、fu、，冷弯性能；化学成分对碳、硫、磷作为保证项目。B、C、D：保证 fy、fu、，冷弯性能、冲击韧性（分别为+20，0，-20，-40）；化学成分对碳、硫、磷、锰、硅作为保证项目。以不热处理或热处理状态交货第47页/共59页钢材的选择 选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，同时用材经

41、选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，同时用材经济合理。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素：济合理。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素：1.结构或构件的重要性；结构或构件的重要性；2.荷载性质（静载或动载）荷载性质（静载或动载）;3.连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）;4.工作条件（温度及腐蚀介质）。工作条件（温度及腐蚀介质）。5.钢材厚度钢材厚度 对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构，应选用质量较高的钢材。件下的结构及焊接结构，应选用质量较高的钢材。第48页/共59页钢材选择的建议承重结构焊接

42、承重结构以及重要的非焊接承重结构当焊接承重结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢保证 fy、fu、以及硫、磷含量，对焊接结构应保证碳含量。具有冷弯试验的合格保证。材质应满足断面收缩率和含硫量的要求。应具有常温冲击韧性的合格保证。应具有常温冲击韧性的合格保证。主要的受拉或受弯的焊接结构和需验算疲劳的焊接结构需验算疲劳的非焊接结构钢材选择的建议第49页/共59页钢材的规格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：“-”厚度厚度宽度宽度长度（长度（mmmm）8 400 3600 2 2、热轧型钢、热轧型钢（1

43、 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L110 10 L90 56 6（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：“QIQI”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，按腹板厚度同一号数又分号以上的工字钢，按腹板厚度同一号数又分a a、b b、c c类。类。第50页/共59页（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：“QQ”和号数和

44、号数1414号以上的槽钢，按腹板厚度同一号数又分号以上的槽钢，按腹板厚度同一号数又分a a、b b、c c类。类。（4 4）H H型钢型钢(高高X X宽宽X X腹板厚腹板厚X X翼缘厚）翼缘厚）（HW,HM,HN)HW,HM,HN)宽翼缘宽翼缘H H型钢（型钢（HW)HW)，用于轴压、压弯构件。，用于轴压、压弯构件。H H型型钢钢可可以以剖剖分分为为T T型型钢钢供供应应，规规格格标标记记同同H H型型钢钢，只只是是高高度是度是H H型钢的一半。型钢的一半。3 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 用用薄薄钢钢板板经经模模压压或

45、或弯弯曲曲而而制制成成。壁壁厚厚一一般般为为1.51.55mm5mm。用作轻型屋面及墙面等构件。压型钢板。用作轻型屋面及墙面等构件。压型钢板 YX YX 高高 波距波距 宽宽 5 5、钢轨、钢轨 QU70 (QU70 (轨顶宽度轨顶宽度70mm)QU8070mm)QU80第51页/共59页钢结构防腐钢结构腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种钢结构腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种 化学腐蚀是气体及非电解质液体作用于金属表面而产生，化学腐蚀是气体及非电解质液体作用于金属表面而产生，如化工厂及其附近的钢结构建筑，受到来自化工厂腐蚀性如化工厂及其附近的钢结构建筑，受到来自化工厂腐蚀性气、液体的跑冒、滴

46、漏等而腐蚀；也可又空气中的气、液体的跑冒、滴漏等而腐蚀；也可又空气中的CO2CO2、SO2SO2的作用而产生的作用而产生FeOFeO或或FeSFeS，从而使钢结构产生腐蚀。，从而使钢结构产生腐蚀。电化学腐蚀是钢材表面与电解质溶液中产生电流，形成腐电化学腐蚀是钢材表面与电解质溶液中产生电流，形成腐蚀电池，使钢材产生腐蚀蚀电池，使钢材产生腐蚀 。最常见的为吸氧腐蚀。最常见的为吸氧腐蚀。第52页/共59页据有关资料：在工业发达的国家中，腐蚀造成的直接经济损失占国民经济总产值的1%-4%，在中国由于金属腐蚀造成的经济损失每年高达300多亿元以上。因此，必须采用各种有效措施保护钢结构不受外界环境介质影响

47、的能力。钢结构防腐的方法制成合金钢；金属镀层保护；非金属涂层保护；阴极保护；构造措施保护。第53页/共59页防腐涂料选用的基本原则：具有良好的耐腐蚀性；具有良好的附着力；具有良好的耐候性；易于施工；具有色泽；防腐涂料的底漆、中间漆、面漆应配套。第54页/共59页 钢材耐热但不耐火，钢材长期经受100 100 辐射热时，性能变化不大，具有一定的耐热性能。温度超过200200会出现兰脆现象，温度达600600进入热塑性状态，丧失承载能力。一般常用建筑钢材的临界温度（即丧失支撑能力时的温度）为540540。对于建筑火灾，火场温度多在80012008001200之间。在火灾发生的1010分钟内，火场温

48、度即可高达700700以上，对于裸露的钢材构件，在这样的火场温度下，只要几分钟其温度就可上升到500500而达到其临界值，进而失去载荷能力，导致建筑物倒塌。钢结构防火第55页/共59页第56页/共59页 火灾是火失去控制而蔓延的一种灾害性燃烧现象。一般地，火灾的发生必须具备存在能燃烧的物质，能提供持续燃烧的空气、氧气或其他氧化剂，以及能使可燃物质燃烧的着火源，这样三个条件。为此，考虑破坏以上三个条件，现今钢结构建筑的防火保护一般有以下一些措施：冲水冷却保护法 单面屏蔽法 包封法 喷涂无机防火涂料 建筑钢结构的防火措施第57页/共59页选用防火保护材料的基本原则是：防火材料应具有良好的绝热性，其导热系数小或热容量大；在火灾升温过程中不开裂、不脱落，能牢固的附着在构件上，本身有一定的强度和粘结度，连接固定方便；不腐蚀钢材，呈碱性且氯离子含量低；不含危害人体健康的石棉等物质。第58页/共59页感谢您的观看。第59页/共59页