钢结构设计原理ppt下载

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《钢结构设计原理》 第二章   钢结构的材料 2.1钢结构对材料的要求 钢的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的仅是小部分。钢结构的钢必须符合下列要求： (1)较高的抗拉强度 和屈服点 是衡量结构承载能力的指标， 高则可减轻结构自重。 是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，反映钢材内部组织的优劣， 高可以增加结构的安全保障。 (2)足够的变形能力 较高的塑性和韧性 塑性和韧性好，减轻结构脆性破坏的倾向，通过较大的塑性变形调整局部应力，具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。 2.2 钢材的破坏形式 脆性破坏：塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点，断裂从应力集中处开始。冶金和机械加工过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，常是断裂的发源地。 破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察和采取补救措施，且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁，后果严重，损失较大。 在设计、施工和使用钢结构时，要特别注意防止出现脆性破坏。  2.3 钢材的主要性能 2.3.1 单向均匀拉伸时钢材的性能 钢材标准试件在常温静载下，单向均匀受拉试验的应力－应变曲线如图所示。由此曲线可获得有关钢材性能指标。 2)屈服点 ：荷载增加，出现ES段，为非弹性性质，即卸荷曲线成为与OP平行的直线(图中虚线)，留下永久性的残余变形。此段上限S点的应力 称为屈服点。 低碳钢 出现明显的屈服台阶SC段，即在应力保持不变的情况下，应变继续增加。 高强度钢 没有明显的屈服点和屈服台阶。屈服条件是根据试验分析结果人为规定的，故称为条件屈服点(或屈服强度)。条件屈服点是以卸荷后试件中残余应变为0.2％所对应的应力定义的。 2.塑性性能 2.3.2 冷弯性能 2.3.3 冲击韧性 2.3.4 可焊性 2.4 各种因素对钢材主要性能的影响 2.4.1 化学成分 钢由各种化学成分组成，化学成分及其含量对钢的性能特别是力学性能有重要的影响。 铁(Fe)—钢材的基本元素，纯铁质软，在碳索结构钢中约占99％，碳和其他元素仅占1％，但对钢材的力学性能却有着决定性的影响。 在碳素钢中，碳是仅次于纯铁的主要元素，直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳含量增加，钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下降，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性。因此，对含碳量要加以限制，一般不应超过0.22％，在焊接结构中还应低于0.20％。 2.4.1 化学成分 硫和磷(特别是硫)—有害成分 降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。高温时，硫使钢变脆—热脆；低温时，磷使钢变脆—冷脆。一般硫的含量应不超过0.045％，磷的含量不超过0.045％。但是，磷可提高钢材的强度和抗锈性。高磷钢，磷含量可达0.12％，这时应减少钢材中的含碳量，以保持一定的塑性和韧性。 氧和氮—有害杂质 氧使钢热脆；氮使钢冷脆。由于氧、氮容易在熔炼过程中逐出，一般不会超过极限含量，故通常不要求做含量分析。 2.4.1 化学成分 硅和锰—有益元素 炼钢的脱氧剂。使钢材的强度提高，含量适宜时，对塑性和韧性无显著的不良影响。 钒和钛—合金元素 提高钢的强度和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。 铜—在碳素结构钢中属于杂质成分， 可以显著提高钢的抗腐蚀性能和钢的强度，但对可焊性有不利影响。 2.4.2 冶金缺陷 常见的冶金缺陷—偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。 偏析 钢中化学成分不一致和不均匀性，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的性能。 非金属夹杂 钢中含有硫化物与氧化物等杂质。 气孔 浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分逸出而形成的。 分层 浇注时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，会严重降低钢材的冷弯性能。 冶金缺陷对钢材性能的影响，不仅在结构或构件受力工作时表现出来，有时在加工制作过程中也可表现出来。 2.4.3 钢材硬化 冷作硬化(或应变硬化) 冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高钢的屈服点，同时降低钢的塑性和韧性。 时效硬化（俗称老化）高温时熔化于铁中的氮和碳，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性下降。 人工时效 时效硬化的过程一般很长，但如在材料塑性变形后加热，可使时效硬化发展特别迅速。 应变时效 应变硬化(冷作硬化)后又加时效硬化。 一般钢结构中，不利用硬化提高的强度，有些重要结构要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性，以保证足够的抗脆性破坏能力。另外，应将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。 2.4.4 温度影响 钢材性能随温度变化 温度升高，钢材强度降低，应变增大；温度降低，钢材强度略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆。 200℃以内钢材性能无很大变化，430℃—540℃间强度急剧下降，600℃时强度很低不能承担荷载。 蓝脆现象 250℃左右，钢材的强度略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色。 钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。 徐变现象 当温度在260℃—320℃时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形。 2.4.3 温度影响 低温冷脆 当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆。 随着温度的降低，Cv值迅速下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏，同时可见这一转变是在一个温度区间T1T2内完成的，此温度区称为钢材的脆性转变温度区。 转变温度区内曲线的反弯点(最陡点)所对应的温度T0称为转变温度。 2.4.5 应力集中 工作性能和力学性能指标 轴心拉杆件中应力沿截面均匀分布的情况作为基础的。 实际上存在着孔洞、截面突变以及钢材内部缺陷等。构件中的应力分布不再均匀，某些区域产生局部高峰应力，另外一些区域应力降低，形成所谓应力集中现象。 高峰区的最大应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数。 研究表明，应力高峰区存在着同号的双向或三向应力，使钢材变脆。应力集中系数愈大，变脆的倾向愈严重。钢材塑性较好，在一定程度上能促使应力进行重分配，使应力趋于平缓。 2.4.5 应力集中 静载、常温 可不考虑应力集中的影响。 动载、负温 应力集中的影响十分突出，引起脆性破坏，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。 2.4.6  反复荷载作用 反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。 疲劳 在直接连续反复的动力荷载作用下，根据试验，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度。 疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。 实际上疲劳破坏是累积损伤的结果。材料总是有“缺陷”的，在反复荷载作用下，先在其缺陷处发生塑性变形和硬化而生成一些极小的裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂纹，试件截面削弱，而在裂纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料破坏，并表现为突然的脆性断裂。 2.4  复杂应力作用下钢材的屈服条件 单向拉伸 应力达到屈服点时，钢材即进入塑性状态。 复杂应力状态 如平面或立体应力作用下，钢材由弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论计算的折算应力与单向应力下的屈服点比较来判断： 2.4  复杂应力作用下钢材的屈服条件 三向应力有一向应力很小(如厚度较小，厚度方向的应力可忽略不计)或为零时，则属于平面应力状态： 在一般的梁中，只存在正应力和剪应力，则： 当只有剪应力时， ＝0 得： 因此，钢材抗剪设计强度为抗拉设计强度的0.58倍。 2.6  钢材的疲劳 钢材的疲劳断裂 微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。 钢材的疲劳强度取决于应力集中(或缺口效应)和应力循环次数。 疲劳破坏后的截面断口具有光滑的和粗糙2个区域，光滑部分表现裂缝的扩张和闭合过程，由裂缝逐渐发展引起的，说明疲劳破坏经历一缓慢的转变过程，粗糙部分表明钢材最终断裂一瞬间的脆性破坏，性质和拉伸试验的断口相似。 疲劳破坏属高周低应变疲劳，总应变幅小，破坏前荷载循环次数多。 规定循环次数N≥5×104，应进行疲劳计算。 2.6.1  常幅疲劳计算 应力幅 应力谱中最大应力与最小应力之差，即 ， 为每次应力循环中的最大拉应力(取正值)， 为每次应力循环中的最小拉应力(取正值)或压应力(取负值)。 常幅疲劳 应力幅保持常量。 应力比 为绝对值最小与最大应力之比(拉应力取正值，压应力取负值) ，表示应力循环特征。 ＝-l，为完全对称循环； ＝0，称为脉冲循环； 在0与-1之间，称为不完全对称循环。 2.6.1  常幅疲劳计算 根据试验数据画出应力幅与相应的致损循环次数N的关系曲线，按试验数据回归的曲线为平均值曲线。 为便于工作，常用双对数坐标轴的方法使曲线改为直线。在双对数坐标图中，疲劳直线方程为： 2.6.1  常幅疲劳计算 焊接部位： 非焊接部位：折算应力幅 2.6.2  变幅疲劳计算 实际大多结构承受变幅循环应力的作用。如吊车梁，吊车不是每次满载运行，不是每次停在最不利位置，所以每次应力幅不是最大值，按最大值计算偏于保守。实为欠载状态的变幅疲劳。 运用常幅疲劳研究结果，采用累积损伤法则。 2.6.2  变幅疲劳计算 应力幅水平 ， …， …和对应的循环次数n1，n2，…ni…。再假设这些应力幅为常幅时，相对应的疲劳寿命是N1，N2…，Ni，…。Ni表示在常幅疲劳中循环作用Ni次后，构件或连接即产生破损。则在应力幅 作用下的一次循环所引起的损伤为l/N1，n1次循环为n1/N1。按累积损伤法则，将总的损伤按线性叠加计算，则得发生疲劳破坏的条件为： 2.6.2  变幅疲劳计算 若认为变幅疲劳与同类常幅疲劳有相同的曲线，则任一级应力幅水平均有 2.7  钢的种类和钢材规格 2.7.1 钢的种类 用途分类：结构钢、工具钢和特殊钢(如不锈钢等)。 结构钢：建筑用钢、机械用钢。 冶炼方法：转炉钢、平炉钢。 转炉钢 采用氧气顶吹转炉钢，侧吹(空气)转炉钢所含杂质多，使钢易脆，质量很低，已取消这种钢的使用。平炉钢 质量好，冶炼时间长，成本高。氧气转炉钢质量与平炉钢相当而成本则较低。 脱氧方法：沸腾钢(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(Z)和特殊镇静钢(TZ)，镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去 镇静钢 脱氧充分，沸腾钢脱氧较差，半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间。一般采用镇静钢。 2.7.1 钢的种类 成型方法：轧制钢(热轧、冷轧)、锻钢和铸钢。 化学成分：碳素钢和合金钢。 建筑工程中采用碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。 (1)对碳素结构钢 按质量等级分为A、B、C、D四级。 A级钢只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时尚可附加冷弯试验的要求，化学成分对碳、锰可以不作为交货条件。 B、C、D钢均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（分别为＋20℃，0℃，－20℃)等力学性能。化学成分碳、硫、磷的极限含量。 2.7.1 钢的种类 钢的牌号表示方法 屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。 根据厚度(直径)＜l6mm的钢材的屈服点数值，分为Q195、Q2l5、Q235、Q255、Q275。 钢结构一般仅用Q235。 钢的牌号根据需要可为Q235A；Q235B；Q235C；Q235D等。冶炼方法一般由供方自行决定，设计者不再另行提出，如需方有特殊要求时可在合同中加以注明。 2.7.1 钢的种类 (2)低合金高强度结构钢 牌号表示方法 根据厚度(直径)＜l6mm钢材的的屈服点大小，分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。 钢的牌号仍有质量等级符号，除与碳素结构钢A、B、C、D四个等级相同外增加一个等级E，主要是要求-40℃的冲击韧性。钢的牌号如：Q345-B、Q390-C等等。低合金高强度结构钢一般为镇静钢，因此钢的牌号中不注明脱氧方法。冶炼方法也由供方自行选择。 A级钢应进行冷弯试验，其他质量级别钢如供方能保证弯曲试验结果符合规定要求，可不作检验。Q460和各牌号D、E级钢一般不供应型钢、钢棒。 2.7.1 钢的种类 成型方法：轧制钢(热轧、冷轧)、锻钢和铸钢。 化学成分：碳素钢和合金钢。 建筑工程中采用碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。 (1)对碳素结构钢 按质量等级分为A、B、C、D四级。 A级钢 只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时尚可附加冷弯试验的要求，化学成分对碳、锰可以不作为交货条件。 B、C、D钢 均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（分别为＋20℃，0℃，－20℃)等力学性能。化学成分碳、硫、磷的极限含量。 2.7.2 钢材的选择 1 选用原则 目的：安全可靠、经济合理。 选择钢材时考虑的因素有： (1)重要性 对重要结构，应考虑选用质量好的钢材，对一般工业与民用建筑结构，可按工作性质分别选用普通质量的钢材。按规定的安全等级，一级(重要的)、二级(一般的)和三级(次要的)。安全等级不同，要求的钢材质量也应不同。 (2)荷载性质 直接承受动力荷载的结构和强烈地震区的结构，应选用综合性能好的钢材；一般承受静态荷载的结构则可选用价格较低的Q235钢。 2 钢材选择的规定 承重结构的钢材 应保证抗拉强度、屈服点、伸长率和硫、磷的含量，对焊接结构尚应保证碳的含量。 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。 需要验算疲劳的焊接结构的钢材 应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于0℃但高于－20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；对Q390和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证；当结构工作低于－20℃时、对Q235钢和Q345钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有－40℃冲击韧性的合格保证。 需要验算疲劳的非焊接结构的钢材 应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。 2.7.3   钢材的规格 型材：热轧成型钢板和型钢 、 冷弯(或冷压)成型的薄壁型钢。 1.热轧钢板: 厚钢板、薄钢板、扁钢。 厚钢板: t=4.5~60mm 薄钢板：t=0.35 ~ 4mm 扁钢： t=4~60mm，B＝30~200mm。 钢板的表示方法为，在符号“-”后加“厚x宽x长”，如-8x600x1200。 2.热轧型钢 角钢、工字钢、槽钢和钢管 角钢两种，不等边角钢的表示方法为L100×80×8，等边角钢L100×8，单位为mm。 工字钢 普通工字钢、轻型工字钢和H型钢。 普通工字钢和轻型工字钢 用号数表示，即为其截面高度的厘米数。20号以上的工字钢，同一号数a、b、c三类。如I30a、I30b、I30c，a类腹板较薄用作受弯构件较为经济。 H型钢 翼缘内外两侧平行，便于与其他构件相连。它可分为宽翼缘H型钢(代号HW，翼缘宽度B与截面高度H相等)、中翼缘H型钢（代号HM，B＝(1/2~2/3)H）、窄翼缘H型钢（代号HN，B＝(1/3~1/2)H）。 剖分T型钢 由H型钢剖分而成，代号分别为TW、TM和TN。 H型钢和剖分T型钢的规格标记： HM 340×250×9×14， 其剖分T型钢为TM170×250×9×14，单位均为mm。 槽钢 普通槽钢和轻型槽钢两种，也以其截面高度的厘米数编号，如[30a。 钢管 无缝钢管和焊接钢管两种，用Ø 400×6。 3.薄壁型钢 用薄钢板(一般采用Q235或Q345钢)，经模压或弯曲而制成，壁厚一般为1.5~5mm，在国外薄壁型钢厚度有加大范围的趋势，如美国可用到25.4mm厚。有防锈涂层的彩色压型钢板；所用钢板厚度为0.4~1.6mm，用作轻型屋面及墙面等构件。mRl红软基地

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