1、,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,1、钢材的生产 2、钢材的主要性能 3、各种因素对钢材的影响 4、钢材的疲劳 5、钢材的种类、规格和选用,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.1、钢结构对材料的要求,（1） 较高的抗拉强度fu和屈服点fy,（2） 塑性、冲击韧性好,（3） 冷加工性能好,（4） 可焊性好,（5） 耐久性好,第二章 钢结构的材料Chapter 2 Material of
2、 Steel Structure,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.2.1 单向拉伸时的工作性能,（1）试验条件（a）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5或10倍。（b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。（c）试验温度要控制在室温20左右。,2.2、钢材的主要性能及其鉴定,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Des
3、ign Principles of Steel Structure,（2）钢材的应力-应变关系,A. 有屈服点钢材s-e曲线可以分为四个阶段：,(a)弹性阶段(OB段),单调拉伸应力-应变曲线,OA段：纯弹性阶段s=Ee A点对应的应力： sp （比例极限）,AB段：有一定的塑性变形, 但整个OB段卸载时,e=0 B点对应的应力： se （弹性极限）,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（b）屈服阶段（BCD),塑性变形：卸载后试件不能完全恢复
4、原来的长度。不能恢复的这一部分变形称为塑性变形。,屈服点（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分的最低值。,流幅：从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应变幅度称为流幅。,特点：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， 出现应力不增加而应变仍然在继续发展。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（c）强化阶段(DE段),随荷载的增加缓慢增大,但增加较快 抗拉强度（极限强度）fu 试件所能承受的最大拉应力,（d）颈缩阶段(EF段),
5、截面出现了横向收缩，截面面积开始显著缩小，塑性变形迅速增大，应力不断降低，变形却延续发展，直至F点试件断裂。,F,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,B.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0.2所对应的应力 作为屈服点 “条件屈服点”或“名义屈服点”,无屈服点钢材的应力-应变曲线,没有明显屈服点的钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel
6、Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（3） 单向拉伸时钢材的机械性能指标,屈服点fy 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），它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。,抗拉强度fu 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。,钢材的塑性 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。塑性好坏可用断面收缩率和伸长率表示，通过静力拉伸试验得到。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel S
7、tructure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,伸长率 试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。,l0 原标距长l1 拉断后标距长度d0 试件直径试件有两种标距：l0/ d0=5 和 l0/ d0=10 相应的伸长率用5和10表示。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。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,断面收缩率 是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面
8、面积比值的百分比。,式中：A0 试件原来的断面面积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积,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。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（4） 应力应变曲线的简化,曲线简化的依据： 1）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。 2）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅的范围（e0.15-2.5）已足够用来考虑结构或构件的塑性
9、变形的发展。,简化的应力应变曲线,钢材是符合理想中的弹性-塑性材料,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.2.2 钢材的其它性能,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。,1.冷弯性能,钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。,鉴别指标：通过冷弯冲头加压。当试件弯曲至180时，检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 M
10、aterial of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.冲击韧性,韧性 钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号Akv或Cv表示，单位为J。,冲击韧性试验 一般采用试件长55mm，截面1010mm2，中间一小槽。在摆锤式冲击试验机上进行试验，冲断试件后，读出摆锤消耗的功。,冲击韧性试验,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Des
11、ign Principles of Steel Structure,冲击试验试件的缺口形式冲击韧性与试件刻槽（缺口）有关，常用缺口形式为夏氏V型，夏氏钥孔型和梅氏U型，我国国家标准规定：冲击试验缺口采用夏氏V型。,冲击试验试件的缺口形式,冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材标准中将试验分为四档，即+20, 0，-20和-40时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,3.可焊性,好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发
12、生焊接裂缝，焊接接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。,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0.12%0.20%范围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235B）。对于高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于0.38%，钢材的可焊性好(如Q345)，可不采取措施直接施焊。,（2.4.1）,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Princip
13、les of Steel Structure,钢材的机械性能指标,1、屈服点 fy 2、抗拉强度 fu 3、伸长率 4、断面收缩率 5、冷弯性能 6、冲击韧性 Cv,小 节,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.3. 各种因素对钢材的影响,2.3.1 化学成份的影响,钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。铁（Fe）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等有益元素，及硫（S）、磷（
14、P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总含量不大，约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有5%的合金元素，如铜(Cu)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、铬(Cr)等。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,碳（C）：形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，强度增加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。 碳素钢按碳含量区分，小于0.25的为低碳钢，介于0.25和0.6之间的为中碳钢，大于0.6的为高碳钢。钢结构用钢中，碳含量一般控制在
15、0.22%以下，当其含量在0.2以下时，可焊性良好。,2. 硫（S）：钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到800-1000时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂纹）。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过0.05%。,3. 氧（O）：有害杂质，与S相似。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,4.磷（P）：磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。钢材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时促使钢材变脆）。因此，磷的含量也要严格控制，规范中规定不得
16、超过0.045%。,5.氮（N）：有害杂质，与P相似。,6.锰（Mn）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，与S形成MnS，熔点1600，可以消除硫对钢材的热脆影响。,7.硅（Si）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生成镇静钢。,8.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。,9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel
17、Structure,(1). 炼铁将金属铁从含铁矿物（主要为铁的氧化物）中提炼出来的工艺过程，主要有高炉法，直接还原法，熔融还原法，等离子法。从冶金学角度而言，炼铁即是铁生锈、逐步矿化的逆行为，简单的说，从含铁的化合物里把纯铁还原出来。高炉炼铁是指把铁矿石和焦炭，一氧化碳，氢气等燃料及熔剂装入高炉中冶炼，去掉杂质而得到金属铁（生铁）。 其反应式为： C+O2=CO2(高温) C+CO2=2CO(高温) Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2(高温) (还原反应） Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2(高温)（还原反应）,钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制,2.3.2、钢材的生产,第二章 钢结构的材料
18、,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(2). 炼钢把炼钢用生铁放到炼钢炉内按一定工艺熔炼，即得到钢。钢的产品有钢锭、连铸坯和直接铸成各种钢铸件等。通常所讲的钢，一般是指轧制成各种钢材的钢。钢属于黑色金属但钢不完全等于黑色金属。炼钢是指控制碳含量（一般小于2%），消除P、S、O、N等有害元素，保留或增加Si、Mn、Ni、Cr等有益元素并调整元素之间的比例，获得最佳性能的过程。,钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制,2.3.2、钢材的生产,第二章 钢结构的材料,Chapte
19、r 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,建筑钢材分为：碳素钢 低合金高强度结构钢 常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。 电炉炼钢炼成的钢质量好。耗电量大，成本高。 转炉炼钢是利用高压空气或氧气 氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，生产周 期短，效率高、质量好、成本低。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第二章 钢结构的材
20、料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,平炉炼钢，平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。 平炉钢周期长，效率低成本高,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(3). 钢材的浇注和脱氧按脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4类。,沸腾钢采
21、用脱氧能力较弱锰作脱氧剂，脱氧不完全。钢中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧化铁过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不出现沸腾现象。质量好，成本高。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，脱氧程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,以“Q”代表屈服点 屈服点数值共分195、215、235、
22、255和275(MPa)5种质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别由A、B、C、D符号表示 脱氧方法以F表示沸腾钢，b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢。Z和TZ在钢的牌号中予以省略 C级只能是Z，D级只能是TZ。 例如：Q235AF表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢 Q215B，表示屈服点为215MPa的B级镇静钢Q215Bb 表示屈服点为215MPa的B级半镇静钢,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（4）加工（热加
23、工、冷加工和热处理 ）,热加工、冷加工和热处理三种。将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状,产生出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工在常温下对钢材进行加工称为冷加工通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，称为热处理,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,一. 热加工 开轧和锻压温度控制在11501300 钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，压合钢坯中的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。 热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧
24、次数较多，钢材的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢 钢材强度按板厚分组,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，经轧制之后被压成薄片 会出现分层现象。使钢板沿厚度方向受拉的性能恶化,钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横向）的性能，使各向异性增大。 钢板部件应沿其横向切取试件进行拉伸和冷弯试验。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel St
25、ructure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,二. 冷加工 冷轧卷板和冷轧钢板 冷弯薄壁型钢和压型钢板 高强钢丝,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,三. 热处理包括退火、正火、淬火和回火退火和正火改
26、善组织以提高钢的机械性能其操作方法为：在炉中钢材加热保温一段时间后，随炉温冷却至500以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全退火若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。正火的冷却速度比退火快，强度和硬度有所提高低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件和冷加工件中的残余应力,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,淬火工艺是将钢件加热到900以上，保温后快速在水中或油中冷却 增加了钢材强度和硬度，使塑性和韧性降低 回火工艺将淬火后的钢材加
27、热到某一温度进行保温，而后在空气中冷却 消除残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加塑性和韧性，形成较稳定的组织。 通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强度较高的钢材，如Q420中的C、D、E级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处理。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.3.3 钢材的硬化,钢材的硬化有三种情况：时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，
28、散存在铁素体晶粒的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化在冷加工使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象称为冷作硬化,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.3.4 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
29、成所谓应力集中现象。,应力集中现象,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,多轴应力下，材料的综合强度指标要用变形时单位体积中积聚的能量来衡量,形状改变比能理论：,三向应力下，形状改变比能等于单向拉伸下积聚的比能时，钢材由弹性转入塑性状态,钢材在复杂应力状态下的屈
30、服条件,时，为塑性状态； 时，为弹性状态,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,对塑性材料，同号应力状态易发生脆断，钢材在异号应力状态时容易发生塑性破坏。,正应力与剪应力表示：,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,当1、2、3为同号应力且数值接近时， 即使它们各自都远大于fy，折算应力zs仍小于f
31、y 说明钢材很难进入塑性状态 破坏表现为脆性,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,当纯剪时：,钢材的抗剪设计强度为：,平面应力状态下,在实腹梁的腹板中：,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.3.5 温度的影响,正温范围： （1）温度在150以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于150
32、的场合。 （2）温度在250左右的区间内出现蓝脆现象，fu 有局部性提高，同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。 （3）当温度达到600时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。,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，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,总趋势：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，塑性和韧性降低而变脆 约在
33、200C以内，温度升高，钢材力学性能变化不大 250C左右时，钢材抗拉强度提高，塑性、韧性下降，表面氧化膜呈蓝色蓝脆现象 260C320C时，应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形徐变现象 温度在430C-540C之间，屈服点和极限强度显著下降，达到600C时强度几乎等于零 在负温范围内，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件断口属脆性破坏冷脆现象（脆性转变温度区钢材由韧性状态向脆性状态转变的温度区）,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2
34、.3.6 防止脆性断裂的方法,外因 钢材在构造和加工工程中引起的应力集中、低温影响、动力荷 载的作用、冷作硬化和应变时效硬化等,内因 钢材的化学成分、组织构造和缺陷等,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.4 钢材的破坏形式,2.4.1 延性和非延性破坏,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2
35、.4.2 钢材的疲劳 2.4.2.1 疲劳破坏的特征,1. 疲劳的概念钢材料在循环荷载作用下，当循环数达到某一定值时，钢材发生破坏的现象叫做钢材的疲劳；疲劳属于脆性破坏。,内部缺陷-应力集中-产生微裂纹-微裂纹在循环荷载下扩展-截面削弱-宏观裂纹失稳扩展-断裂,引起疲劳破坏的交变荷载有两种类型 常幅交变荷载 常幅疲劳 变幅交变荷载 变幅疲劳 转动的机械零件 常幅疲劳破坏， 吊车桥、钢桥 变幅疲劳破坏。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,1)
36、特征a 突然性b 疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。扩展区表面较光滑，可见放射和年轮状花纹，是疲劳断裂的主要断口特征。c 疲劳对缺陷敏感。缺口 裂纹 组织缺陷,拉索钢丝疲劳断口图,单根拉索钢丝疲劳试验结果,单根钢丝加载情况,进行疲劳试验的有缺陷拉索钢丝共8根，其中，蚀坑深度均位于0.5mm1mm之间，加载应力幅从300MPa开始递减至75MPa，加载应力幅分级及其对应的疲劳寿命见表6-1。,海洋工程： 海洋平台,1980年挪威Alexander L.Killand 半潜式海洋平台。因节点疲劳裂纹扩展导致平台失事，死亡达123人。成为世界上管结构疲劳破坏的典
37、型事例。,上承式钢管混凝土拱桥,重庆巫山长江大桥钢管混凝土中承式拱桥。2005.1.8竣工，总投资1.96亿元。净跨460m，是世界上跨径最大的钢管混凝 土拱桥。,钢管混凝土拱桥管-管相贯焊接节点裂缝,插入式板-管节点疲劳裂纹,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,t,应力比：,应力辐：,t,应力比：,应力辐：,t,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Pr
38、inciples of Steel Structure,2 影响疲劳的主要因素：,1）有无缺陷、缺陷的尺寸，有无残余应力。,2）应力水平,3）应力辐,4）应力比,时，称常幅循环,最大应力平均应力,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,随着焊接结构的广泛使用，验算结构疲劳寿命所依据的主要的因素变为：应力幅，同时考虑构件和连接的构造类型，而与最大应力和应力比关系不大,2.5.2 疲劳验算的依据长期以来，曾经以最大应力和应力比做为疲劳验算的重要依据。,
39、第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,n,n1,1,lg,lgn,lgn,Lg,lgC,m,1,(a),(b),应力幅与循环寿命的关系,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,可求得容许应力幅的表达式C、m均为不同构件和连接类别的试验参数。,疲劳极限,新规范给出的疲劳曲线(n)图,第二章 钢结构的材料
40、,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,三. 常幅疲劳验算 1. 对不同的构件和连接类型 归纳划分为8类 2. 对于非焊接结构使用螺栓连接和构件，残余拉应力很小，疲劳寿命不仅与应力幅有关，也与名义应力比有关 3. 非焊接结构有效应力幅,采用荷载的标准值 容许应力设计法 内力计算中不乘动力系数 试验包括动力作用,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of St
41、eel Structure,一. 变幅疲劳的一般计算方法根据线性累积损伤准则等效应力幅e，计算公式为：各应力幅i对应循环次数为ni，,2.5.3 变幅疲劳,以应力循环次数表示的结构预期寿命；ni应力幅水平为i的应力循环次数。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,二. 吊车梁的疲劳,欠载效应的等效系数,最大应力幅,1 变幅疲劳工作环境 2 获得一些有代表性的车间的重级工作制中级工作制吊车桁架的设计应力谱。 3 按2106循环次数 4 最大应力幅m
42、ax ；常幅设计应力幅,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,疲劳破坏中一些值得注意的问题,疲劳验算用容许应力设计方法，疲劳强度按容许应力幅计算，荷载采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，应力按弹性工作计算 规范中提出的疲劳强度是以试验为依据的，当遇到规范规定的8种以外的连接构造时，应进行专门的研究，套用相近的连接类别或通过相应的疲劳试验确定疲劳强度 在应力循环中不出现拉应力的部位可不必疲劳验算 疲劳容许应力幅与钢种无关,第二章 钢结构的材料
43、,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.5 建筑用钢种类、规格和选用,2.5.1 建筑用钢的种类,（1）碳素结构钢（GB/T 700-1988）,a）碳素结构钢的表达方式由（屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号）四个部分组成。,b)质量等级符号是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同化分为A、B、C、D共4个质量等级。越后质量越好。,c)脱氧方法符号也有四种，其中F代表沸腾钢，b代表半镇静钢，Z代表镇静钢，TZ代表特种镇静钢，在具体标注时Z和TZ可以省
44、略。,d）钢结构设计规范将Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范GB/T700的要求。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（2）低合金高强度结构钢(GB/T 1591-1994),a)含碳量均不大于0.20，强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，但合金元素的总量低于5。,b)牌号为Q345，Q390,Q420的钢材都有较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能，被规范选为承重结
45、构用钢。,c)低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似，只是质量等级分为A、B、C、D、E五等，低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢，故可不加脱氧方法的符号。,d)钢材的化学成分和拉伸、冲击、冷弯试验结果应满足规范GB/T1591要求。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（3）优质碳素结构钢(GB/T 699-1988),a)磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035，对于其他缺陷的限制也较严格。,b)主要用作制造冷拔高强
46、钢丝、高强螺栓以及自攻螺钉等。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.5.2 钢材的选择,（1）选择钢材的原则安全可靠，经济合理,为了保证承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在选择钢材时应具体考虑以下因素： 结构或构件的重要性、荷载特征、连接方式、工作环境、结构的应力状态、钢材的厚度。,表2.6.8 国内外钢材牌号对应关系,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 De
47、sign Principles of Steel Structure,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.5.3 钢材的规格,钢结构所用的钢材主要有热轧成型的钢板和型钢，以及冷加工成型的冷轧薄钢板和冷弯薄壁型钢。,（1）热轧钢板,a) 分为厚钢板、薄钢板和扁钢。,b) 表示方法：在符号“-”后加“宽度厚度长度”,c) 供应规格 （单位：mm）,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,
