第2章钢结构的材料解析ppt课件

1第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料1第2章 钢结构的材料12本本 章章 内内 容容第一节第一节 钢材的工作性能钢材的工作性能 第二节第二节 钢结构对钢材性能的要求钢结构对钢材性能的要求 第三节第三节 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素 第四节第四节钢材的种类、规格和选用原则钢材的种类、规格和选用原则 2本 章 内 容第一节 钢材的工作性能 第二节 钢结构对钢材23钢钢材材的的主主要要强强度度指指标标和和变变形形性性能能根根据据常常温温（205205）、静静载载条条件件下标准试件一次拉伸试验确定。下标准试件一次拉伸试验确定。常常温温静静载载条条件件下下，图图2-12-1所所示示低低碳碳钢钢标标准准试试件件单单向向一一次次拉拉伸伸试试验验得得到的简化光滑应力到的简化光滑应力-应变曲线如图应变曲线如图2-22-2所示，钢材历经五个阶段所示，钢材历经五个阶段 :第一节第一节 钢材的工作性能钢材的工作性能 一、钢材静力单向均匀拉伸时的性能一、钢材静力单向均匀拉伸时的性能 3钢材的主要强度指标和变形性能根据常温（205）、静载条34图图2-1 2-1 静力拉伸试验静力拉伸试验的标准试件的标准试件 图图2-22-2钢材一次单向拉伸钢材一次单向拉伸简化应力简化应力-应变曲线应变曲线 4图2-1 静力拉伸试验的标准试件 图2-2钢材一次单向拉伸45(1)阶段阶段：弹性阶段（：弹性阶段（OA段）段）比例极限比例极限fp:E=2.06105N/mm2 卸除荷载后试件的变形将完全恢复。卸除荷载后试件的变形将完全恢复。(2)阶段阶段：弹塑性阶段（：弹塑性阶段（AB段）段）与与呈非线性关系，应力增加时，相应增加的呈非线性关系，应力增加时，相应增加的应变除弹性应变外还有塑性应变，卸载时，其中塑应变除弹性应变外还有塑性应变，卸载时，其中塑性应变不能恢复，称为残余应变。性应变不能恢复，称为残余应变。B点对应应力点对应应力fy称为屈服点（又称屈服强度），对应的应变约为称为屈服点（又称屈服强度），对应的应变约为0.15%。5(1)阶段：弹性阶段（OA段）(2)阶段：弹塑性阶段（56(3)阶段阶段：塑性阶段（屈服阶段、：塑性阶段（屈服阶段、BC段）段）屈服点屈服点fy:应力达到屈服点应力达到屈服点fy后，应力后，应力-应变关系应变关系呈水平线段呈水平线段BC，称为屈服平台，钢材表现为完全，称为屈服平台，钢材表现为完全塑性，整个屈服平台对应的应变幅称为流幅塑性，整个屈服平台对应的应变幅称为流幅(约为约为0.15%2.5%)，流幅越大，钢材的塑性越好。，流幅越大，钢材的塑性越好。(4)阶段阶段：应变硬化阶段（强化阶段、：应变硬化阶段（强化阶段、CD段）段）抗拉强度抗拉强度fu：经过屈服阶段后，钢材内部组织重新：经过屈服阶段后，钢材内部组织重新排列并建立了新的平衡，产生了继续承受增长荷载的排列并建立了新的平衡，产生了继续承受增长荷载的能力，此阶段的应力能力，此阶段的应力-应变为上升的非线性关系，直至应变为上升的非线性关系，直至应力达到最大值，称为抗拉强度应力达到最大值，称为抗拉强度fu。6(3)阶段：塑性阶段（屈服阶段、BC段）(4)阶段67(5)阶段阶段：颈缩阶段（：颈缩阶段（DE段）段）在承载力最弱的截面处，横截面急剧收缩在承载力最弱的截面处，横截面急剧收缩颈缩，变形也随之剧增，荷载下降，直至断裂。颈缩，变形也随之剧增，荷载下降，直至断裂。对于没有缺陷和残余应力对于没有缺陷和残余应力影响的试件影响的试件,可认为钢材是图可认为钢材是图2-3所示理想弹所示理想弹-塑性体，经历两塑性体，经历两个阶段，即假定钢材应力小于个阶段，即假定钢材应力小于fy时是完全弹性的，应力超过时是完全弹性的，应力超过fy后则是完全塑性的。设计时，后则是完全塑性的。设计时，取取fy作为强度限值，而取作为强度限值，而取fu作作为材料的强度储备。为材料的强度储备。图图2-3 2-3 理想弹理想弹-塑性塑性应力应力-应变曲线图应变曲线图 7(5)阶段：颈缩阶段（DE段）对于没有缺陷和残余应力影78高强度钢材没有明显屈服点和屈服平台，这类高强度钢材没有明显屈服点和屈服平台，这类钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的，称为钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的，称为条件屈服点，用条件屈服点，用f0.2表示，定义为试件卸载后其残余表示，定义为试件卸载后其残余应变为应变为0.2%对应的应力，如图对应的应力，如图2-4所示。所示。图图2-42-4高强度钢的应力高强度钢的应力-应变曲线应变曲线 8高强度钢材没有明显屈服点和屈服平台，这类钢的屈服点是根据实89名名义义应应力力低低于于屈屈服服点点、材材料料处处于于弹弹性性阶阶段段，当当荷荷载载循循环环达达到到一一定定次数后，钢材会发生突然脆性断裂破坏，疲劳计算方法详见第次数后，钢材会发生突然脆性断裂破坏，疲劳计算方法详见第9 9章。章。二、反复荷载作用下钢材的性能二、反复荷载作用下钢材的性能 (一一)高周疲劳破坏高周疲劳破坏(疲劳破坏疲劳破坏)(二二)低周疲劳破坏低周疲劳破坏反复应力高于屈服强度、材料处于弹塑性阶段，反复应力高于屈服强度、材料处于弹塑性阶段，反复荷载会使钢材的残余应变逐渐增长，最后产生反复荷载会使钢材的残余应变逐渐增长，最后产生突然破坏。突然破坏。9名义应力低于屈服点、材料处于弹性阶段，当荷载循环达到一定次910钢钢材材在在受受拉拉产产生生塑塑性性变变形形后后，卸卸载载并并反反向向加加载载使使钢钢材材受受压压，抗抗压压屈屈服服强强度度会会降降低低，如如图图2-52-5所所示示，应应力力应应变变曲曲线线形形成成滞滞回回环环（滞滞回回曲曲线线），滞滞回回环环所所围围面面积积代代表表荷荷载载循循环环一一次次单单位体积的钢材所吸收的能量。位体积的钢材所吸收的能量。(三三)包辛格（包辛格（BauschingerBauschinger）效应）效应 图图2-5 2-5 钢材滞回曲线钢材滞回曲线 10钢材在受拉产生塑性变形后，卸载并反向加载使钢材受压，抗压1011钢钢结结构构构构件件中中经经常常存存在在孔孔洞洞、槽槽口口、凹凹角角、截截面面的的厚厚度度和和宽宽度度的的突突然然改改变变及及钢钢材材的的内内部部缺缺陷陷等等。此此时时，构构件件中中的的应应力力分分布布变变得得很很不不均均匀匀，在在缺缺陷陷或或截截面面变变化化处处附附近近将将产产生生局局部部高高峰峰应应力力，其其余余部部分分应应力力较较低低，如如图图2-62-6所所示示，这这种种现现象象称称为为应应力力集集中中。应应力力集集中中产产生生的的高高峰峰应应力力区区附附近近总是存在平面或三维应力场，有使钢材变脆的趋势。总是存在平面或三维应力场，有使钢材变脆的趋势。三、复杂应力状态下钢材的性能三、复杂应力状态下钢材的性能 11钢结构构件中经常存在孔洞、槽口、凹角、截面的厚度和宽度的1112图图2-62-6 孔洞的应力集中孔洞的应力集中（a）钢板开圆孔）钢板开圆孔（b）钢板开长圆孔）钢板开长圆孔 12图2-6 孔洞的应力集中1213钢钢材材在在单单向向拉拉伸伸时时，可可借借助助于于实实验验得得到到屈屈服服条条件件，即即当当=f fy y时时，材材料料开开始始屈屈服服，进进入入塑塑性性状状态态。实实际际钢钢结结构构中中，钢钢材材常常是是在在双双向向或或三三向向复复杂杂应应力力状状态态下下工工作作，如如图图2-72-7所所示示，这这时时钢钢材材的的屈屈服服并并不不取取决决于于某某一一个个方方向向的的应应力力，从从而而不不能能用用实实验验得得到到普普遍遍适适用用的的表表达达式式，而而是是应应利利用用材材料料力力学学强强度度理理论论用用折折算算应应力力eqeq和和钢钢材材在在单单向向应应力力下下的的屈屈服服点点相相比比较较来来判判别别。研研究究表表明明，对对均均匀匀性性和和塑塑性性较较好好的的钢钢材材，适适合合采采用用第第四四强强度度理理论论即能量强度理论，折算应力即能量强度理论，折算应力eqeq按计算如下：按计算如下：13钢材在单向拉伸时，可借助于实验得到屈服条件，即当=fy1314图图2-72-7复杂应力状态复杂应力状态 14图2-7复杂应力状态 1415当用主应力表示时当用主应力表示时（2-1）当用当用应力分量表示力分量表示时（2-2）当当eqeq 300时，时，强度、弹性模量显著下降，塑强度、弹性模量显著下降，塑性变形显著增大。性变形显著增大。400 强度、弹性模量急剧降低，强度、弹性模量急剧降低，600 几乎丧失承载能力。几乎丧失承载能力。超过超过150之后钢结构表面需加设隔热保护层。之后钢结构表面需加设隔热保护层。33(三)温度影响 （1）正温范围3334图图2-112-11Akv随温度随温度T的变化的变化(三三)温度影响温度影响 （2）负温范围）负温范围随着温度下降，钢材强度略有提高，但塑性、随着温度下降，钢材强度略有提高，但塑性、韧性降低，钢材的脆性倾向增加，对冲击韧性的影韧性降低，钢材的脆性倾向增加，对冲击韧性的影响十分突出。如图响十分突出。如图2-11所示。所示。34图2-11Akv随温度T的变化(三)温度影响 3435牌牌号号：Q195Q195，Q215AQ215A及及B B，Q235AQ235A、B B、C C及及D D，Q255 Q255 A A及及B B以以及及Q275Q275。含碳量越多，屈服点越高，塑性越低。符号含义见图含碳量越多，屈服点越高，塑性越低。符号含义见图2-122-12。第四节第四节 钢材的种类、规格和选用原则钢材的种类、规格和选用原则 一、钢材的种类一、钢材的种类 (一一)碳素结构钢碳素结构钢 图图2-122-12碳素结构钢牌号中符号含义碳素结构钢牌号中符号含义 35牌号：Q195，Q215A及B，Q235A、B、C及D，3536(二二)低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 在钢的冶炼过程中加入通常低于在钢的冶炼过程中加入通常低于3%的合金元的合金元素，使钢的强度明显提高，其牌号按屈服点由小到素，使钢的强度明显提高，其牌号按屈服点由小到大排列，有大排列，有Q295、Q345、Q390、Q420和和Q460等五种，牌号意义和碳素结构钢相同。等五种，牌号意义和碳素结构钢相同。36(二)低合金高强度结构钢 在钢的冶炼过程中加入通常低于3637(三三)耐大气腐蚀钢（耐候钢）耐大气腐蚀钢（耐候钢）（1）高耐候结构钢）高耐候结构钢 按其化学成分分为：铜磷钢和铜磷铬镍钢两按其化学成分分为：铜磷钢和铜磷铬镍钢两种。其牌号表示方法是由分别代表种。其牌号表示方法是由分别代表“屈服点屈服点”的拼的拼音首字母音首字母Q、屈服点的数值和、屈服点的数值和“高耐候高耐候”拼音字母拼音字母GNH顺序组成。顺序组成。（2）焊接结构用耐候钢）焊接结构用耐候钢表示方法是由分别代表表示方法是由分别代表“屈服点屈服点”得拼音首字得拼音首字母母Q、屈服点的数值和、屈服点的数值和“耐候耐候”的拼音字母的拼音字母NH以以及质量等级（及质量等级（C、D、E）顺序组成。）顺序组成。37(三)耐大气腐蚀钢（耐候钢）（1）高耐候结构钢3738(四四)桥梁用结构钢桥梁用结构钢 由于桥梁所受荷载性质特殊，桥梁用钢的力学由于桥梁所受荷载性质特殊，桥梁用钢的力学性能、焊接性能等技术要求一般都严于房屋建筑用性能、焊接性能等技术要求一般都严于房屋建筑用钢，其牌号表达方式与其他钢材一样，由屈服点拼钢，其牌号表达方式与其他钢材一样，由屈服点拼音首字母音首字母Q、屈服点数值、桥梁钢拼音字母、屈服点数值、桥梁钢拼音字母q和质和质量等级（量等级（C、D、E）四部分顺序组成。）四部分顺序组成。38(四)桥梁用结构钢 由于桥梁所受荷载性质特殊，桥梁用钢的3839(五五)Z)Z向钢向钢 Z向钢主要有向钢主要有Z15、Z25、Z35三个级别，分别三个级别，分别代表钢板的厚度方向断面收缩率代表钢板的厚度方向断面收缩率Yz不小于不小于15%、25%和和35%。Z向钢常用于船舶、海上采油平台、向钢常用于船舶、海上采油平台、压力容器等重要焊接结构。压力容器等重要焊接结构。高层建筑钢结构对厚度方向性能有要求的钢板，高层建筑钢结构对厚度方向性能有要求的钢板，牌号由代表屈服点拼音首字母牌号由代表屈服点拼音首字母Q、屈服点数值、高、屈服点数值、高层建筑拼音字母层建筑拼音字母GJ、质量等级（、质量等级（C、D、E）和后）和后缀字母缀字母Z组成，如组成，如Q235GJZ。39(五)Z向钢 Z向钢主要有Z15、Z25、Z35三个级3940钢钢结结构构中中采采用用的的钢钢材材品品种种主主要要为为热热轧轧钢钢板板、钢钢带带和和型型钢钢以以及及冷冷轧轧钢板、钢带和冷弯薄壁型钢及压型钢板。钢板、钢带和冷弯薄壁型钢及压型钢板。二、钢材规格二、钢材规格 40钢结构中采用的钢材品种主要为热轧钢板、钢带和型钢以及冷轧4041(一一)钢板钢板 热轧钢板分厚钢板和薄钢板两种。厚钢板的厚热轧钢板分厚钢板和薄钢板两种。厚钢板的厚度为度为4.560mm，用于制作焊接组合截面构件，用于制作焊接组合截面构件，如焊接工字形截面梁翼缘板、腹板等；薄钢板的厚如焊接工字形截面梁翼缘板、腹板等；薄钢板的厚度为度为0.354mm，用于制作冷弯薄壁型钢。，用于制作冷弯薄壁型钢。钢板的表示方法为钢板的表示方法为“宽度宽度厚度厚度长度长度”。41(一)钢板 热轧钢板分厚钢板和薄钢板两种。厚钢板的厚4142图图2-132-13热轧型钢截面形式热轧型钢截面形式(二二)热轧型钢热轧型钢 常用热轧型钢有角钢、槽钢、工字钢、常用热轧型钢有角钢、槽钢、工字钢、H型钢、型钢、T型钢和钢管等，截面见图型钢和钢管等，截面见图2-13。42图2-13热轧型钢截面形式(二)热轧型钢 常用热4243(二二)热轧型钢热轧型钢 （1）角钢）角钢等边角钢表示：等边角钢表示：“边宽边宽厚度厚度”；不等边角钢表示：不等边角钢表示：“长边宽长边宽短边宽短边宽厚度厚度”。（2）槽钢）槽钢普通槽钢表示：普通槽钢表示：“”+截面高度（截面高度（cm）；）；轻型槽钢表示：轻型槽钢表示：“”+截面高度（截面高度（cm）+“Q”。（3）工字钢）工字钢 普通工字钢：普通工字钢：“I”+截面高度（截面高度（cm）；）；轻型工字钢轻型工字钢“I”+截面高度（截面高度（cm）+“Q”。43(二)热轧型钢 （1）角钢4344(二二)热轧型钢热轧型钢 （4）H型钢和剖分型钢和剖分T型钢型钢H型钢有宽翼缘型钢有宽翼缘H型钢、中翼缘型钢、中翼缘H型钢和窄翼型钢和窄翼缘缘H型钢，分别用标记型钢，分别用标记HW、HM和和HN表示。各种表示。各种H型钢均可剖分为型钢均可剖分为T型钢，相应标记用型钢，相应标记用TW、TM、TN表示。表示。H型钢和剖分型钢和剖分T型钢的表示方法是：标记型钢的表示方法是：标记符号、高度符号、高度宽度宽度 腹板厚度腹板厚度翼缘厚度。翼缘厚度。（5）钢管钢管钢管分无缝钢管和焊接钢管两种，表示方法：钢管分无缝钢管和焊接钢管两种，表示方法：“外径外径壁厚壁厚”。44(二)热轧型钢 （4）H型钢和剖分T型钢4445图图2-142-14薄壁型钢的截面形式薄壁型钢的截面形式(三三)冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢 薄壁型钢由薄钢板经冷弯或模压而成，其截面薄壁型钢由薄钢板经冷弯或模压而成，其截面形式见图形式见图2-14。薄壁型钢的壁厚一般为。薄壁型钢的壁厚一般为 1.55mm，用于承重结构时其壁厚不宜小于，用于承重结构时其壁厚不宜小于2mm。用。用于轻型屋面及墙面的压型钢板板厚为于轻型屋面及墙面的压型钢板板厚为0.41.6mm。45图2-14薄壁型钢的截面形式(三)冷弯薄壁型钢 薄壁4546(四四)钢索钢索 用高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线或钢丝用高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线或钢丝绳统称为钢索。绳统称为钢索。46(四)钢索 用高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线或钢丝绳统4647钢材选用原则既要保证结构安全可靠，又要做到用料经济合理。钢材选用原则既要保证结构安全可靠，又要做到用料经济合理。三、钢材选用原则三、钢材选用原则 47钢材选用原则既要保证结构安全可靠，又要做到用料经济合理。4748(一一)结构重要性结构重要性 对于重要结构，如重型工业建筑结构、大跨度对于重要结构，如重型工业建筑结构、大跨度结构、高层或超高层民用建筑结构或构筑物等，应结构、高层或超高层民用建筑结构或构筑物等，应选用质量高的钢材。对于一般工业与民用建筑结构，选用质量高的钢材。对于一般工业与民用建筑结构，可根据工作性质分别选用普通质量的钢材。可根据工作性质分别选用普通质量的钢材。48(一)结构重要性 对于重要结构，如重型工业建筑结构、大跨4849(二二)荷载性质荷载性质 对承受动力荷载的结构应选用塑性、冲击韧性对承受动力荷载的结构应选用塑性、冲击韧性好的钢材，如好的钢材，如Q235C或或Q345C；对承受静力荷载；对承受静力荷载的结构可选用一般质量的钢材如的结构可选用一般质量的钢材如Q235BF。49(二)荷载性质 对承受动力荷载的结构应选用塑性、冲击韧性4950(三三)连接方法连接方法 焊接结构由于在焊接过程中不可避免地出现焊焊接结构由于在焊接过程中不可避免地出现焊接应力、焊接变形和焊接缺陷，因此，应选择碳、接应力、焊接变形和焊接缺陷，因此，应选择碳、硫、磷含量较低，塑性、韧性和可焊性都较好的钢硫、磷含量较低，塑性、韧性和可焊性都较好的钢材。对于非焊接结构，这些要求可以放宽。材。对于非焊接结构，这些要求可以放宽。50(三)连接方法 焊接结构由于在焊接过程中不可避免地出现焊5051(四四)结构工作环境结构工作环境 结构所处的环境如温度变化、腐蚀作用等对钢结构所处的环境如温度变化、腐蚀作用等对钢材可能产生很大影响。在低温下工作的结构，尤其材可能产生很大影响。在低温下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好抵抗低温脆断性能的是焊接结构，应选用具有良好抵抗低温脆断性能的镇静钢，结构可能出现的最低温应高于钢材的冷脆镇静钢，结构可能出现的最低温应高于钢材的冷脆转变温度。当周围有腐蚀介质时，应对钢材的抗锈转变温度。当周围有腐蚀介质时，应对钢材的抗锈蚀性提出相应要求。蚀性提出相应要求。51(四)结构工作环境 结构所处的环境如温度变化、腐蚀作用等5152(五五)钢材厚度钢材厚度 厚度大的焊接结构应采用质量较好的钢材。厚度大的焊接结构应采用质量较好的钢材。在钢种的选用方面，对重要承重结构推荐采用在钢种的选用方面，对重要承重结构推荐采用Q235、Q345、Q390、Q420钢。承重结构钢材应钢。承重结构钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度保证（通称三项具有抗拉强度、伸长率、屈服强度保证（通称三项保证）和硫、磷含量的合格保证；焊接结构还应有保证）和硫、磷含量的合格保证；焊接结构还应有碳含量合格保证，冷弯、冲击韧性等要求；有疲劳碳含量合格保证，冷弯、冲击韧性等要求；有疲劳验算和抗震要求的结构钢材，要求有冲击韧性的合验算和抗震要求的结构钢材，要求有冲击韧性的合格保证。格保证。在钢材规格的选用方面，宜优先选用型钢，如在钢材规格的选用方面，宜优先选用型钢，如对于承受荷载不大的钢梁宜选用窄翼缘对于承受荷载不大的钢梁宜选用窄翼缘H型钢，钢型钢，钢柱宜选用宽翼缘柱宜选用宽翼缘H型钢。型钢。52(五)钢材厚度 厚度大的焊接结构应采用质量较好的钢材。52