钢结构原理与设计钢结构材料.pptx

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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理想弹塑性模型第1页/共78页硬钢单向拉伸试验条件屈服强度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第2页/共78页 拉伸试验反映的力学性能（1）屈服点反映强度指标（2）抗拉强度反映强度储

2、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 反映应力应变关系 E=206 GPa G=79 GPa =0.3第3页/共78页（4）伸长率与断面收缩率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第4页/共78页2 2、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时对产生裂缝的抵抗能力，是评估钢材质量的综合指标。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第5页/共78页 指标：无裂缝、断裂或起层则合格，否则不合格 （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

3、工程系中南大学桥梁工程系第6页/共78页3 3、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A Akvkv ，J J。第7页/共78页第二章第二章 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8页/共78页 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第9页/共78页指标：常温与低温下（+20+20、0 0、-20-20、-40-40度）的冲击韧性指标A Akvkv第二章第二章

4、 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：B、C、D质量等级的钢材要分别进行+20、0、-20的冲击试验(V形缺口)，A Akvkv不小于27J。第10页/共78页4 4、可焊性概念：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：含碳量限制C0.20%C0.20%。第11页/共78页5 5、常见的结构钢碳素结构钢中的低碳钢：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

5、工程系第12页/共78页低合金高强度钢：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第13页/共78页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14页/共78页第二章第二章 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、耐候钢腐蚀作用：1 1、“干腐蚀”；2 2、“湿腐蚀”措施：1 1、涂料；2 2、耐候钢（Cu-P-Ti-ReCu-P-Ti-Re）铜-磷-钛-稀土体系 第15页/共78页2.2 2.2 影响钢材性能的主要因素1 1、化学成分的影响含碳量含碳量愈高，强度愈高，塑性韧性可焊性降低。低碳钢：C0.25

6、%C0.25%中碳钢：0.25%-0.60%0.25%-0.60%高碳钢：0.60%-1.7%0.60%-1.7%合金元素适量的合金含量，提高强度，而不降低塑性韧性。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第16页/共78页锰含量适量可提高强度，而不降低塑性韧性；过量降低可焊性。硅含量适量可提高强度，而不降低塑性韧性；过量降低塑性韧性、可焊性及抗锈性。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。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17页/共78页2 2、生产过程对钢

7、材性能的影响炉种电炉钢、平炉钢、转炉钢电炉费用高，不用于建筑结构钢；氧气转炉、平炉同样对待。“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”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18页/共78页脱氧方法:用锰、硅、铝作为脱氧剂进行脱氧,它们之间的脱氧能力比为锰:硅: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：MnMn为脱氧剂；强度与塑性不低于镇静钢，韧性与疲劳性能差；价格便宜半镇静钢：MnSiMnSi为脱氧剂；很少使用镇静钢：MnSiMnSi为脱氧剂；性能好；成

8、本高；使用多特镇静钢：MnSiAlMnSiAl为脱氧剂；性能更好 第19页/共78页第二章第二章 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：热轧：改善钢材性能；薄板优于 厚板（表2.22.2）包括热轧型钢、热轧钢板冷轧：主要用于冷轧薄钢板热处理方式（淬火、回火等）热轧后的钢材经热处理得到调质钢；淬火提高强度，降低韧性；回火可恢复韧性；用于高强螺栓。第20页/共78页3 3、钢材硬化对钢材性能的影响应变硬化冷弯、冷拉的冷加工出现应变硬化，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；钢板冲孔第21页/共78页时效硬化利用人

9、工时效，测定硬化后的冲击韧性，以保证长期韧性。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第22页/共78页4 4、温度的影响高温低温强度、弹模降低。（兰脆现象）低温变脆（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第23页/共78页2.3 2.3 钢材屈服条件简单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：三向同号主应力作用，脆性破坏平面应力状态，见式2.7平面纯剪，见式2.8第24页/共78页2.4 2.4 钢材的牌号与选用1 1 低碳钢牌号（碳素结构钢GB/T700-

10、88GB/T700-88）Q235-B Q235-B Z-Z-质量等级符号脱氧方式符号，如：质量等级符号AA、B B、C C、D D级脱氧方式符号FF、b b、Z Z、TZTZ2 2 低合金钢牌号（低合金高强度结构钢GB/T1591-GB/T1591-9494）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AA、B B、C C、D D、E E级脱氧方式符号一般为Z,Z,故不标出第25页/共78页低碳钢：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第26页/共78页低合金高强度钢：第二章第二章 钢结构材料钢

11、结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第27页/共78页3 3 钢结构对钢材性能的要求 (1)(1)承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度、磷硫含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。（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具有冷弯试验合格保证。（3 3）对需验算疲劳的结构，其钢材应具有常温或低温冲击韧性的合格保证。（4 4）吊车起重量等于或大于50t50t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。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28页/共78页4 4 钢材选用的依据（1 1）结构类型及重要性：（

12、2 2）荷载特征：静力、动力（3 3）连接方法：焊接、非焊接（4 4）结构工作环境：常温、低温（5 5）构件应力状态：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第29页/共78页5 5 型钢及钢板（1 1）热轧钢板：-84003000-84003000（2 2）热轧型钢：角钢、H H型钢、槽钢等（3 3）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30页/共78页第二章第二章 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型钢型钢第31页/共78页 钢板：圆钢：等边角

13、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第32页/共78页 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第33页/共78页 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第34页/共78页 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第35页/共78页 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第36页/共78页 钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢

14、：工字钢：钢管：H型钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料第37页/共78页 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第38页/共78页 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第39页/共78页 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第40页/共78页 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第41页/共78页 钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管：H型

15、钢：第二章第二章 钢结构材料钢结构材料第42页/共78页2.5 2.5 钢材的破坏形式1 1 塑性破坏特征（1 1）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第43页/共78页2 2 脆性破坏特征（1 1）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fyfy。（3 3）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44页/共78页第二章第二章 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

16、 脆性破坏实例（4 4）内蒙古焊接贮罐断裂：荷载不大，焊接不透，气温低。（1 1）德国ZooZoo桥：19361936年，完工6 6个月，气温-10-10度，脆坏。（2 2）比利时HasseltHasselt桥：全焊空腹桁梁，跨度200200英尺，完工1414个月，19381938年，气温下降，脆坏坠毁。（3 3）美国Point PleasantPoint Pleasant桥：吊桥，跨度210210米，19671967年冬天，突然断裂，梁跨弹起，7575辆汽车抛入天空，钢梁随之塌落，4646人死亡，9 9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

17、，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第45页/共78页4 4 影响脆性破坏的主要因素及预防措施（1 1）钢材质量：选用合适的钢材。（2 2）钢板的厚度：厚板缺陷较多。铁路规范 根据杆件受力特点、钢材 牌号、设计温度规定了最 大板厚。（3 3）加载的速度：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第46页/共78页（4 4）应力的性质与大小：避免截面突变，应力集中。（5 5）最低使用温度：低温条件下，注意选材与焊接（6 6）连接方式：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

18、桥梁工程系第47页/共78页4 4 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：三个方向强度不一致，容易出现沿厚度方向撕裂。第48页/共78页第二章第二章 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：（1 1）合理布置焊缝。（2 2）采用Z Z向钢板（厚度方向性能钢板）第49页/共78页v钢材疲劳的概念v疲劳计算第二章第二章 钢结构材料钢结构材料2.6 2.6 钢材疲劳中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第50页/共78页1 1 钢材疲劳的概念生活中的疲劳现象基本概念：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

19、服强度的情况下，发生的突然断裂现象，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第51页/共78页反复荷载:应力随时间变化,疲劳损伤有累积效应。应力不高:应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度。突然断裂:相对于塑性破坏，破坏更隐蔽，危害更大。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第52页/共78页2 2 疲劳的形成过程初始裂纹的形成裂纹的缓慢扩展突 然断裂破坏 夹杂、偏析、气泡等缺陷提供了初始微裂纹 反复应力作用促进了裂纹的扩展 剩余截面不足以抵抗外力而突然断裂第二章第二章 钢结构材料钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学

20、桥梁工程系第53页/共78页3 3 工程中的疲劳现象土木建筑：钢桥、吊车梁、吊车桁架等“美国明尼苏达州I-35W钢桥，2007年8月2日发生疲劳破坏”“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（重载铁路改造）”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第54页/共78页机械、材料、航空、汽车、火车等“疲劳失效占机械事故的50%以上”“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”“车轮钢圈断裂引发列车脱轨”-德国ICE884高速列车脱轨惨祸 致101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

21、程系中南大学桥梁工程系第55页/共78页4 4 疲劳的影响因素（1 1）应力集中应力集中的含义不同构件,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第56页/共78页常见构件分类 根据应力集中程度的不同，将常见构件分成不同类别,各自取不同的疲劳容许应力值。建筑规范1-81-8类公路规范A-FA-F类铁路规范-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第57页/共78页(a)(a)轧制工字钢(b)(b)焊接工字钢（手工焊）1 1类4 4类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

22、工程系中南大学桥梁工程系第58页/共78页（2 2）循环应力大小应力幅最大应力只需2 2个参量即可完全表述循环应力特征最小应力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第59页/共78页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。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60页/共78页（3 3）应力循环次数S-NS-N曲线（用试验方法得到）实际循环次数n n 疲劳破坏循环次数（即疲劳寿命）N N某一应力比第二章第二章 钢结构材料

23、钢结构材料中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第61页/共78页疲劳极限强度对应某一应力比疲劳预防途径（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62页/共78页第二章第二章 钢结构材料钢结构材料对应某一应力比疲劳预防途径（2 2）：中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第63页/共78页5 5 常幅疲劳计算(1)(1)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第64页/共78页(2)(2)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疲劳预防途径：第

24、65页/共78页(3)(3)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 某部位的实际应力=外荷载产生的应力+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。第66页/共78页 焊接部位应力幅与应力比外荷载引起的应力：不存在残余应力时，实际应力幅与应力比：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67页/共78页 焊接部位应力幅与应力比残余拉应力：f fy y=235N/mm=235N/mm2 2外荷载引起的应力：考虑残余应力影响实际应力：考虑残余应力实际应力幅与应力比：第二章第二章

25、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68页/共78页实际应力幅名义应力幅，影响焊接构件的疲劳破坏结论：实际应力比名义应力比，名义应力比无意义设计时控制应力幅小于容许应力幅（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 应力幅第69页/共78页非焊接部位疲劳 应力幅 焊接部位疲劳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第70页/共78页容许应力幅（试验统计归纳得到）应力幅计算 （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第71

26、页/共78页6 6 变幅疲劳计算基本计算公式应力谱及来源 应力谱是应力随时间的变化曲线，通过试验测出或理论计算得到。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第72页/共78页计算公式等效应力谱计算基本原理：Palmgren-Palmgren-MinerMiner线性累积损伤准则分析上述方法的应用困难第二章第二章 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保持不变疲劳损伤度等效第73页/共78页7 7 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第74页/共78页基本计算公式应力幅的计算方法 计

27、算最不利标准荷载作用在最不利作用位置，计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（1 1）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2102106 6第75页/共78页8 8 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，当应力变化的循环次数n n大于5 5万次时，应进行疲劳计算。不适合特殊条件下的疲劳计算。（高温、腐蚀等）疲劳计算采用容许应力幅法，应力按弹性状态计算，不出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第76页/共78页根据设计荷载计算最不利应力状态（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-拉或拉-压（以拉为主）的构件：压-拉（以压为主）的构件：9 9 铁路桥梁疲劳计算介绍1010、本章总结第77页/共78页感谢您的观看。第78页/共78页