钢结构第一章钢结构材料

一 、 钢 材 的 破 坏 形 式 1.钢 结 构 对 材 料 的 要 求强 度 高 ， 良 好 的 弹 性 、 塑 性 和 韧 性 ， 良 好 的 工 艺 性 能 2、 破 坏 形 式 塑 性 破 坏应 力 达 到 抗 拉 强 度 后 ， 很 大 的 塑 性 变 形 ,有 十 分 明 显 的 预 兆 脆 性 破 坏应 力 常 低 于 钢 材 的 屈 服 强 度 ， 没 有 明 显 预 兆 ， 破 坏 突 然 发 生 二 、 钢 材 的 主 要 机 械 性 能机 械 性 能 反 映 强 度 、 刚 度 、 塑 性 指 标屈 服 点 fy 抗 拉 强 度 fu 伸 长 率 u 冷 弯 性 能 冲 击 韧 性 1. 单 向 一 次 均 匀 拉 伸 试 验 标 准 材 性 试 验应 力 应 变 曲 线 碳 素 结 构 钢 材 的 应 力 -应 变 图弹 性 阶 段 ： OB段弹 塑 性 阶 段 ： BC段塑 性 阶 段 ： CD段 自 强 阶 段 ： DE段 破 坏 阶 段 ： EF段 弹 性 模 量 E屈 服 强 度 (yield strength) fy抗 拉 强 度 (tensile strength) fu伸 长 率 (elongation) u * E为 常 量 ， 低 碳 钢 有 明 显 屈 服 点 ， f y作 为 钢 材 强 度 标 准 值 ， fu /fy为 强 度 储 备 ， 伸 长 率 u 表 示 塑 性 变 形 能 力 。 u 永 久 变 形 /标 定 长 度 100 ， 以 5或 10表 示其 中 5,10指 试 件 标 定 长 度 与 试 件 直 径 之 比 为 5， 10 屈 服 点 fy作 为 钢 材 强 度 标 准 值 。 为 什 么 ？ 应 力 达 到 f p ： p 0.1 f y： y 0.15 两 者 应 变 很 接 近 计 算 时 将 钢 的 弹 性 工 作 阶 段 提 高 到 屈 服 点 f y之 后 ， 变 形 很 大 ， 结 构 将 因 过 大 的 残 余 变 形 而 不 能 继 续 使 用 理 想 的 弹 塑 性 体 应 力 达 到 f u， 应 变 u 16 2.冷 弯 (cold bending)试 验 钢 材 质 量 的 综 合 指 标 加 工 性 能 ， 塑 性 应 变 能 力 试 件 冷 弯 1800不 出 现 裂 纹 或 分 层 为 合 格 3.冲 击 韧 性 试 验 冲 击 功 Akv 抗 脆 断 、 抗 动 载 能 力 。 Akv=27J或 34J合 格 ， 常 温 (20 )和 低 温 (0 ， -20 ， -40 ) 试 验 。 4 其 它 可 焊 性 (weldability)、 耐 磨 性 (abrasion resistance)、 抗 火 性 (fire resistance)、 耐 腐 蚀 性 (corrosion resistance)等 。 一 、 化 学 成 分 的 影 响第 二 节 影 响 钢 材 力 学 性 能 的 主 要 因 素化 学 成 分 影 响 强 度 、 延 性 、 可 加 工 性 、 耐 久 性碳 C： 含 C量 ， 强 度 ， 塑 性 、 韧 性 、 疲 劳 强 度 可 焊 性 、 抗 腐 蚀 性 C0.22%焊 接 结 构 ： C0.20%非 焊 接 结 构 ： 有 害 成 分 ： 降 低 钢 材 塑 性 ， 韧 性 ， 可 焊 性 ， 疲 劳 强 度 S 热 脆 （ 高 温 时 ， 使 钢 变 脆 ） P冷 脆氧 O热 脆 , N冷 脆 ， 脱 氧 处 理 有 益 成 分 ：合 金 成 分 ： 适 当 的 含 量 提 高 强 度 ， 对 塑 、 韧 性 无 显 著 影 响 Mn， Si， 脱 氧 剂 ， (1)冶 炼平 炉 ， 转 炉 (2)轧 制薄 板 ， 均 匀 ， 强 度 高 ；二 、 生 产 过 程(3)脱 氧 程 度沸 腾 钢 ， 半 镇 静 钢 ， 镇 静 钢 ； (4)热 处 理 控 制 降 温 速 度 或 重 新 加 热 ， 改 变 晶 体 结 构 和材 性 。淬 火 ， 快 速 降 温 ， 提 高 强 度 、 降 低 韧 性 ；退 火 ， 炉 中 控 制 ， 缓 慢 降 温 ；回 火 ， 自 然 降 温 和 控 制 降 温 相 结 合 ；正 火 ， 空 气 中 自 然 降 温 ； 三 、 复 杂 应 力 和 应 力 集 中 的 影 响（ 一 ） 复 杂 应 力 的 影 响 yf 塑 性 阶 段 yf 弹 性 阶 段 单 向 应 力 ： 复 杂 应 力 ： 第 四 强 度 理 论 )(3)( 222222 zxyzxyxzzyyxzyxeq yeq f yeq f 弹 性 阶 段 塑 性 阶 段 213232221 133221232221 )()()(21 )( eq讨 论 ： 1、 当 21 3 同 号 ， 且 值 相 近 ， 即 使 ， 但 21 3 均 yf yeq f在 同 号 应 力 作 用 下 ， 钢 材 强 度 提 高 ， 塑 性 降 低 2、 有 一 异 号 应 力 ， 钢 的 弹 性 范 围 和 强 度 随 异 号 应 力 增 大 而 降 低 ， 塑 性 变 形 增 大三 向 受 拉 时 ， 易 发 生 脆 性 破 坏 （ 二 ） 应 力 集 中 在 孔 边 出 现 应 力 高 峰 ， 除 切 向 正 应 力 ，还 存 在 径 向 正 应 力 ， 处 于 同 号 平 面 应 力 场 。厚 壁 构 件 会 出 现 同 号 立 体 应 力 场 。易 发 生 脆 性 破 坏 在 构 件 缺 陷 或 截 面 变 化 附 近 ， 主 应 力 迹 线 曲 折 、密 集 、 出 现 应 力 高 峰 ， 叫 应 力 集 中 。 四 、 加 工 过 程(1)冷 加 工 冲 、 钻 、 剪 、 弯 、 割 、 锯 ， 局 部 产 生 塑性 变 形 和 应 变 硬 化 （ 冷 作 硬 化 ）提 高 钢 的 弹 性 范 围 ， 塑 性 、 韧 性 降 低 (2)热 加 工 焊 、 割 ， 局 部 升 温 ， 热 影 响 区 ； 不 均 匀冷 却 ， 焊 接 残 余 应 力 ； 五 温 度高 温 软 化 ， 无 保 护 措 施 耐 火极 限 仅 15分 钟 低 温 冷 脆 ， 脆 性 转 变 温 度 ； 第 三 节 钢 材 的 疲 劳一 、 概 念 疲 劳 断 裂 是 微 观 裂 纹 在 连 续 反 复 荷 载 作 用 下不 断 扩 展 直 至 断 裂 的 脆 性 破 坏 . 疲 劳 破 坏 经 历 三 个 阶 段 ： 裂 纹 的 形 成 ， 裂 纹 的 缓 慢 扩 展 和 最 后 迅 速 断 裂 。二 、 疲 劳 破 坏 的 特 点 疲 劳 强 度 取 决 于 应 力 集 中 程 度 应 力 循 环 次 数 等 maxmin s应 力 循 环 特 性 1s 完 全 对 称 循 环0s 脉 冲 循 环 应 力 幅 minmax 为 常 量 ， 常 幅 应 力 循 环 为 变 量 ， 变 幅 应 力 循 环二 、 常 幅 疲 劳 验 算 应 力 幅 验 算 疲 劳 强 度 smbn 2lglg 式 中 ： s为 标 准 差 ， 表 示 lgn的 离 散 程 度 。 由 上 式 得 到 常 幅 疲 劳 的 容 许 应 力 幅 msbn 1210 规 范 ： 1cn 第 四 节 钢 材 的 钢 号 及 选 用钢 材 种 类按 用 途 分 为 ： 结 构 钢 工 具 钢 特 殊 钢 （ 如 不 锈 钢 ）冶 炼 方 法 分 ： 转 炉 钢 （ 氧 气 顶 吹 转 炉 ） 平 炉 钢 （ 质 量 好 ， 成 本 高 ）按 脱 氧 方 法 ： 沸 腾 钢 半 镇 静 钢 镇 静 钢 特 殊 镇 静 钢按 成 型 方 法 ： 轧 制 钢 锻 钢 铸 钢按 化 学 成 分 ： 碳 素 钢 合 金 钢结 构 中 常 用 普 通 碳 素 钢 、 低 合 金 高 强 度 钢 一 、 钢 号常 用 钢 材 ：普 通 碳 素 钢 ： （ 按 含 碳 量 ） 分 1 7号 ， 强 度 由 低 到 高 ， 塑 性 、 韧 性 降 低 ， 常 用 3号 钢 。低 合 金 钢 ： 16Mn， 15 MnV， 16 MnVq二 、 供 应 方 法 及 符 号国 家 标 准 GB700 79， 普 通 碳 素 钢 按 保 证 的 项 目 不 同 分 为 三 类甲 类 钢 ： 主 要 按 机 械 性 能 供 应 A乙 类 钢 ： 按 化 学 成 分 供 应 B特 类 钢 ： 机 械 性 能 和 化 学 成 分 C 普 通 碳 素 钢 标 号 ： 钢 类 炉 种 钢 号 浇 注 方 法 A、 B、 C (平 炉 ) Y（ 氧 气 转 炉 ） 1 7 F（ 沸 腾 钢 ） b(半 镇 静 钢 ) （ 镇 静 钢 ）如 A3甲 类 平 炉 3号 镇 静 钢普 通 低 合 金 钢 表 示 ：如 16Mn前 两 位 数 表 示 其 平 均 含 碳 量 为 0.16 ， 主 要 合 金 元 素 为 锰 。 普 通 碳 素 钢 新 标 准 GB700 88标 号 ：代 表 屈 服 点 字 母 屈 服 点 数 值 质 量 等 级 脱 氧 方 法 Q A、 B、 C、 D F（ 沸 腾 钢 ） b(半 镇 静 钢 ) 可 省 去 Z（ 镇 静 钢 ） TZ（ 特 镇 静 钢 ） 如 Q235A屈 服 强 度 为 235 N/mm2， A级 镇 静 钢 （ 3号 钢 ） 质 量 等 级 分 为 四 级 ： A级 钢 ： 只 保 证 抗 拉 强 度 、 屈 服 点 、 伸 长 率 、 必 要 时 可 附 加 冷 弯 试 验 要 求 , 化 学 成 分 对 碳 、 锰 含 量 可 不 作 为 交 货 条 件 。 B ： 保 证 抗 拉 强 度 、 屈 服 点 、 伸 长 率 、 冷 弯 、 常 温 （ 20 ） 冲 击 韧 性 C ： 保 证 抗 拉 强 度 、 屈 服 点 、 伸 长 率 、 冷 弯 、 0 冲 击 韧 性 D ： 保 证 抗 拉 强 度 、 屈 服 点 、 伸 长 率 、 冷 弯 、 20 冲 击 韧 性CC C低 合 金 钢 GB/T1591 94：标 号 ： Q 屈 服 点 数 值 质 量 等 级 （ A、 B、 C、 D、 E）E ： 保 证 抗 拉 强 度 、 屈 服 点 、 伸 长 率 、 冷 弯 、 40 冲 击 韧 性 C 如 Q345(16Mn)、 Q390(15 MnV) 三 、 钢 材 的 选 用1.选 用 原 则 结 构 重 要 性 ， 荷 载 情 况 ， 连 接 方 法 ， 工 作 环 境 ， 钢 板 厚 度 (相 同 钢 号 的 钢 材 ， 钢 材 越 薄 ， 强 度 越 高 )。2.设 计 说 明 选 择 钢 号 ， 提 出 机 械 性 能 指 标 fu , fy ,伸 长率 , 冷 弯 性 能 , 冲 击 韧 性 ， 控 制 化 学 成 分 S,P,C含 量 。3.材 料 供 应 Q235-B、 C、 D保 证 fu , fy ,伸 长 率 , 冷 弯 性能 , 冲 击 韧 性 指 标 和 S,P,C含 量 ， 只 需 选 钢 号 。 4.选 用 条 件(1)焊 接 结 构 严 格 控 制 S,P,C含 量 。(2)受 动 载 结 构 (吊 车 梁 ， 桥 梁 )应 提 出 冲 击 韧 性 指 标 。(3)低 温 环 境 (室 外 ， 露 天 )应 提 出 低 温 冲 击 韧 性 要 求 。(4)厚 板 (高 层 ， 大 跨 )应 提 出 Z向 性 能 要 求 。 Q235-A.F不 保 证 冲 击 韧 性 指 标 和 C含 量 ， 用 于 非 焊 接 结 构 ；Q235-B.F全 保 证 ， 可 用 于 焊 接 结 构 （ t25mm） ；Q345保 证 fu, fy,伸 长 率 , 冷 弯 性 能 指 标 和 S,P,C含 量 ， 只 需 选 钢 号 并要 求 冲 击 韧 性 指 标 附 加 条 件 ；厚 板 (t40mm)强 度 低 ， 要 求 Z向 性 能 ， 低 温 条 件 应 特 别 考 虑 。 第 五 节 轧 成 钢 材 的 规 格钢 板 宽 度 厚 度 长 度 单 位 厚 钢 板 ： 厚 4.5 60 ， 宽 度 0.6 3.0m， 薄 钢 板 ： 厚 0.2 4 ， 主 要 用 于 压 制 冷 弯 薄 壁 型 钢 扁 钢 ： 厚 3 60 ， 宽 度 10 200 角 钢 等 肢 角 钢 ： 肢 宽 厚 度 单 位 不 等 肢 角 钢 ： 长 肢 宽 短 肢 宽 厚 度 100 x10工 字 钢工 截 面 高 度 a（ 或 b,c） 单 位 a（ 或 b,c） 表 示 腹 板 厚 度 不 同 ， a最 薄 ， 以 2 递 增 工 20b H型 钢 ：宽 翼 缘 H型 钢 ： HW 翼 缘 宽 度 B与 截 面 高 度 H相 等中 翼 缘 H型 钢 ： HM B=(1/2 2/3)H窄 翼 缘 H型 钢 ： HN B=(1/3 1/2)HT型 钢 TW,TM,TN表 示 方 法 ：HW（ HM ， HN） 截 面 高 度 翼 缘 宽 度 腹 板 厚 度 翼 缘 厚 度 槽 钢 截 面 高 度 a,b,c 单 位 20a 钢 管 圆 钢 管 ： 外 径 厚 度 单 位 冷 弯 薄 壁 型 钢L型 钢 ， C型 钢 ， Z型 钢 ， S型 钢 ， 压 型 板 等 压 型 钢 板 ， 彩 钢 瓦 等 一、结构设计的概念1、 目 标（ 1） 技 术 先 进 ， 安 全 适 用 , 经 济 合 理 ， 确 保 质 量 ；（ 2） 承 受 各 种 作 用 ， 满 足 功 能 要 求 。2、 设 计 方 法 ：容 许 应 力 设 计 法 （ TJ17-74）极 限 状 态 设 计 法 （ GB50017-2003,AISC-LRFD, EuroCode 4） （ 2） 荷 载恒 载 (G)， 活 载 (Q)， 风 载 (W)静 载 ， 动 载 ， 温 度 , 沉 降 ， 地 震可 变 作 用 ， 永 久 作 用 （ 1） 使 结 构 产 生 内 力 和 变 形 , 作 用 效 应 ， 外 部 因 素 ；3、 荷 载 效 应 （ S） 4、 抗 力 （ R）（ 1） 结 构 承 受 作 用 的 能 力 ， 结 构 特 性 ；（ 2） 与 结 构 形 式 、 尺 寸 、 材 料 性 能 有 关 。5、 功 能（ 1） 设 计 基 准 期 内（ 2） 安 全 性 , 适 用 性 ,耐 久 性 。四 项 基 本 功 能 2.功 能 函 数 Z=R-SZ0， 或 RS， 可 靠 状 态 ；Z0， 或 RS， 失 效 状 态 ；Z=0， 或 R=S， 极 限 状 态二 、 极 限 状 态 设 计 法1.可 靠 度 ： 结 构 在 规 定 的 时 间 内 ， 在 规 定 的 条 件 下 ， 完 成 预 定 的 功 能 的 概 率 。 （ 1） 承 载 能 力 极 限 状 态 不 发 生 破 坏 、 倒 塌 、 失 稳 、 倾 覆 ； （ 2） 正 常 使 用 极 限 状 态 不 发 生 过 大 变 形 、 振 动 、 裂 缝 。 3、 随 机 变 量作 用 效 应 和 抗 力 随 机 分 布 ； 标 准 值 ， 设 计 值 。 0 ZPPf 4、 可 靠 度 指 标可 靠 概 率 （ Ps） ，失 效 概 率 （ Pf） ， 0 ZPPs 0 ZPP f sf PP 1 0 ZPPf 称 为 可 靠 度 指 标 z zm ZZZ ZZf mmZPZPZP 00 Z Zf mZPP 向 标 准 正 态 分 布 转 换 10 ZZm Z ZmZt tPPf令 则钢 结 构 构 件 2.3 4109.6 fP （ 采 用 校 准 法 确 定 ） 5、 结 构 安 全 等 级结 构 重 要 性 分 三 级（ 重 要 、 一 般 、 次 要 ） 。 二 、 设 计 表 达 式1、 统 计 变 量 ：标 准 值 ， 设 计 值 ， 分 项 系 数 ；荷 载 分 项 系 数 ： 永 久 荷 载 分 项 系 数 可 变 荷 载 分 项 系 数抗 力 分 项 系 数恒 载 SG=gGSGk； 活 载 SQ=gQSQk；抗 力 R=R k/gR 2、 荷 载 组 合 ：承 载 能 力 极 限 状 态正 常 使 用 极 限 状 态设 计 基 准 期 内 最 不 利 组 合 3、 一 般 表 达 式承 载 能 力 极 限 状 态 ：G=1.2； Q=1.4； R=1.1 Rk2 QikQciQ1kQ1Gko /)SSS( Rni iG kk R R/ /R f f ci为 荷 载 组 合 系 数 ； f 为 材 料 强 度 设 计 值 。o为 结 构 重 要 性 系 数 ， o=1.1(一 级 )； o=1.0 (二 级 )； o=0.9 (三 级 )；正 常 使 用 极 限 状 态 ： wwww QiKciniKQGK 21 钢材强度设计值抗 拉 、 抗 弯 、 抗 压 、 抗 剪 ；按 厚 度 分 组已 考 虑 分 项 系 数 R 1.1。Q235: f=215N/mm2(t16mm)Q345: f=315N/mm2(t16mm)弹 性 模 量 E=206000N/mm2。 三 、 结 构 设 计 规 范 碳 素 结 构 钢 (GB700-88),低 合 金 高 强 度 结 构 钢(GB/T1591-94)： 材 料 性 能 指 标 ； 建 筑 结 构 荷 载 规 范 (GB50009-2001)： 活 载 、 风 载 、雪 载 标 准 值 、 材 料 自 重 (实 测 统 计 值 )； 建 筑 抗 震 设 计 规 范 (GB50011-2001)： 地 震 烈 度 、地 震 作 用 标 准 值 计 算 、 抗 震 设 计 ； 钢 结 构 设 计 规 范 (GB50017-2003)： 热 轧 和 焊 接 结 构 ， 材料 强 度 、 构 件 设 计 、 连 接 设 计 、 构 造 要 求 ； 冷 弯 薄 壁 型 钢 结 构 技 术 规 范 (GB50018-2002)： 冷 弯 薄 壁结 构 ， 材 料 强 度 、 构 件 设 计 、 连 接 设 计 、 构 造 要 求 ；钢 结 构 工 程 施 工 质 量 验 收 规 范 (GB50205-2001)： 制 作 、安 装 工 艺 和 质 量 控 制 要 求 ；钢 结 构 工 程 质 量 检 验 评 定 标 准 (GB50221-95)： 制 作 和 安装 质 量 、 精 度 指 标 ；正 常 设 计 、 正 常 施 工 、 正 常 使 用 、 正 常 维 护 。 四 、 钢 结 构 设 计 基 本 过 程1、 结 构 方 案 ： 结 构 体 系 ， 材 料 ， 构 件 布 置 ；2、 荷 载 计 算 ： 恒 、 活 、 风 、 雪 、 吊 车 、 地 震 等 ；3、 荷 载 组 合 ： 恒 +活 、 恒 +活 +风 、 恒 +活 +地 震 等 ， 地 震 和 风作 用 的 方 向 ， 吊 车 不 同 的 位 置 ；4、 内 力 分 析 ： 截 面 估 算 ， 结 构 力 学 ， 弹 性 分 析 ， 变 形 计 算 ；5、 构 件 设 计 ： 验 算 两 种 极 限 状 态 ， 优 化 设 计 ；6、 构 造 要 求 ： 考 虑 制 作 和 安 装 问 题 ， 考 虑 不 可 计 算 因 素 ；7、 施 工 详 图 ： 保 证 制 作 和 安 装 需 求 。 五 、 水 工 钢 结 构 按 容 许 应 力 计 算 方 法 KfKKK fSN yyi 321 由 标 准 荷 载 求 得S 构 件 几 何 特 性 A,W优 点 ： 沿 用 弹 性 匀 质 材 料 的 材 料 力 学 概 念 ， 计 算 较 方 便缺 点 ： 缺 乏 明 确 的 结 构 可 靠 度 概 念 ， 安 全 系 数 确 定 比 较 主 观 ， 取 单 一 的 设 计 安 全 系 数 ； 没 考 虑 荷 载 和 材 料 性 能 的 随 机 变 异 性 ， 不 能 保 证 各 种 结 构 具 有 比 较 一 致 的 可 靠 度 。