第二章 钢结构材料60286.doc

1、第二章 钢结构材料 60286ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。第 2 章 钢结构材料2-1 概述 2-2 钢材的生产 2-3 钢材的主要性能 2-4 各种因素对钢材性能的影响 2-5 钢材的疲劳 2-6 建筑用钢的种类、规格和选用 建筑用钢的种类、第 2 章 钢结构材料2-1 概述1）有较高的强度，屈强比满足要求，保证安全储备 ）有较高的强度，屈强比满足要求， 2）有足够的变形能力 ） 塑性破坏前有预兆，能内力重分布 塑性 破坏前有预兆， 破坏前有预兆 韧性在动载下破坏能吸收较大能量 韧性 在动载下破坏能吸收较大能量 3）有良好的加工

2、性能，适应冷热加工，有良好的可焊性 ）有良好的加工性能，适应冷热加工， 4）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载，这方面能力 ）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载，视具体结构而定； 视具体结构而定； 5）易生产、价格便宜。 ）易生产、价格便宜。 钢结构设计规范 （GB50017-2002)推荐的普通碳素 钢结构设计规范 推荐的普通碳素 结构钢 Q235 钢和低合金高强度结构钢 钢和低合金高强度结构钢 Q345、Q390 及 Q420 是 结构钢 钢和低合金高强度结构钢 、 及 是 符合上述要求。 符合上述要求。2-1 概述2-2 钢材的生产钢材的生产分为炼铁、 钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制

3、2.2.1 钢材的冶炼一. 炼铁 二. 炼钢碳素钢 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。 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。 电炉炼钢炼成的钢质量好。 耗电量大，成本高。 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， 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。 期短，效率高、质量好、成本低。2-2 钢材的生产2-2 钢材的生产2-2 钢材的生产平炉炼钢，平炉的原料广泛，容积大， 平炉炼钢，平炉的原料广泛，容积大，产量 冶炼工艺简单，化学成分易于控制，

4、 高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼 出的钢质量优良。 出的钢质量优良。 平炉炼钢周期长，效率低，成本高。 平炉炼钢周期长，效率低，成本高。2-2 钢材的生产三. 钢材的浇注和脱氧按脱氧的方法和程度的不同， 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 沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢 4 类。 沸腾钢采用脱氧能力较弱的 作脱氧剂，脱氧不完全。 采用脱氧能力较弱的锰 沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全。 钢材中留有较多的氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差。 钢材中留有较多的氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差。 镇静钢采用锰加硅作脱氧剂 脱氧较

5、完全， 采用锰加硅作脱氧剂， 镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧 化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢， 化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分 逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好，但成本高。 逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好，但成本高。 半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间 的脱氧程度介于上述二者之间。 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， 是在锰硅脱氧后， 特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，其脱氧 程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。 程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是

6、镇静钢。2-2 钢材的生产代表屈服点； 以“Q”代表屈服点；屈服点数值共分 代表屈服点 屈服点数值共分 195、215、235、 、 、 、 255 和 275(MPa)5种； 和 种 质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律， 质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别 符号表示； 由 A、B、C、D 符号表示； 、 、 、 符号表示 脱氧方法以 F 表示沸腾钢 表示沸腾钢， 表示半镇静钢 表示半镇静钢， 表示镇静 脱氧方法以 表示沸腾钢，b 表示半镇静钢，Z 表示镇静 表示特殊镇静钢。 和 在钢的牌号中予以省略 在钢的牌号中予以省略。 级 钢，TZ 表示特殊镇静钢。Z 和 TZ 在

7、钢的牌号中予以省略。C 级 表示特殊镇静钢 只能是 Z，D 级只能是 。 只能是 ， 级只能是 TZ。 级只能是 例如： 表示屈服点为 235MPa 的 A 级沸腾钢。 级沸腾钢。 例如：Q235AF 表示屈服点为 表示屈服点为 的 级沸腾钢 Q215B，表示屈服点为 级镇静钢。 ，表示屈服点为 215MPa 的 B 级镇静钢。而 Q215Bb 表示 的 级镇静钢 表示 屈服点为 215MPa 的B 级半镇静钢。 级半镇静钢。 屈服点为 的 级半镇静钢2-2 钢材的生产2.2.2 钢材的组织构造和缺陷一. 钢材的组织构造碳素结构钢是在纯铁中加适量的碳来提高强度 碳素结构钢是在纯铁中加适量的碳来

8、提高强度 铁素体是碳溶入体心立方晶体的铁中的固溶体 是碳溶入体心立方晶体的铁中的固溶体， 铁素体 是碳溶入体心立方晶体的铁中的固溶体 ， 与纯铁 的显微组织没有明显的区别，其强度、硬度较低，而塑性、 的显微组织没有明显的区别 ， 其强度 、 硬度较低 ， 而塑性 、 韧性良好。 韧性良好。 渗碳体是铁碳化合物 其熔点高， 硬度大， 是铁碳化合物， 渗碳体 是铁碳化合物 ， 其熔点高 ， 硬度大 ， 几乎没有塑 在钢中其与铁素体晶粒形成机械混合物珠光体， 填 珠光体， 性 ， 在钢中其与铁素体晶粒形成机械混合物 珠光体 充在铁素体晶粒的空隙中， 形成网状间层。 充在铁素体晶粒的空隙中 ， 形成网

9、状间层 。 珠光体强度很高 坚硬而富于弹性。 ，坚硬而富于弹性。 低合金结构钢是在低碳钢中加入少量的合金元素 是在低碳钢中加入少量的合金元素。 低合金结构钢 是在低碳钢中加入少量的合金元素 。 合金 元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中， 元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中 ， 使钢材的强度得 到提高，而塑性、韧性和焊接性能并不降低。 到提高，而塑性、韧性和焊接性能并不降低。2-2 钢材的生产二. 钢材的铸造缺陷铸模浇注钢锭时，冷却速度不同，形成不同结晶带， 铸模浇注钢锭时，冷却速度不同，形成不同结晶带， 不同 会给钢材的性能带来差异。 会给钢材的性能带来差异。 冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂

10、、气孔、缩孔和裂纹等。 冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等。2.2.3 钢材的加工热加工、冷加工和热处理三种。 热加工、冷加工和热处理三种。三种 将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状, 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。 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。 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， 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。 构发生变化，称为热处理。2-2 钢材的生产一. 热加工开轧和锻压温度控制在 11

11、501300。 开轧和锻压温度控制在 钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，压合钢坯中 钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细， 的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。 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，因辊轧次数较多， 热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，钢材 优于厚板 的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于 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。 和厚壁型钢。 钢材强度按板厚分组。 钢材强度按板厚分组。2-2 钢材的生产钢材沿轧制方向（纵向） 钢材沿轧制方向（纵向） 的性能优于垂直轧制方向（ 的性能

12、优于垂直轧制方向（横 的性能， 向）的性能，即使其各向异性 增大。 增大。因此对于钢板部件应沿 其横向切取试件进行拉伸和冷 弯试验。 弯试验。 钢中的硫化物和氧化物等 非金属夹杂， 非金属夹杂，经轧制之后被压 会出现分层现象。成薄片 会出现分层现象。分 层使钢板沿厚度方向受拉的性 能恶化。 能恶化。2-2 钢材的生产二. 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。 高强钢丝。 由带钢或钢板经过 冷加工形成的型材制作的 结构称为冷弯薄壁型钢结 构2-2 钢材的生产2-2 钢材的生产三. 热处理包括退火、正火、 包括退火、正火、淬火和回火 退火和正火改善组织以提高钢的机械性能。

13、退火和正火改善组织以提高钢的机械性能。 其操作方法为：在炉中将钢材加热保温一段时间后， 其操作方法为：在炉中将钢材加热保温一段时间后，若 随炉温冷却至500 以下 ， 再放至空气中冷却的工艺称为完 随炉温冷却至 以下， 全退火； 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。 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。 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、 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。 和冷加工件中的残余应力。2-2 钢材的生产淬火工艺是将

14、钢件加热到 淬火工艺是将钢件加热到 900以上，保温后快速在 工艺是将钢件加热到 以上， 水中或油中冷却。增加了钢材的强度和硬度， 水中或油中冷却 。 增加了钢材的强度和硬度 ， 同时使塑 性和韧性降低。 性和韧性降低。 回火工艺是将淬火后的钢材加热到某一温度进行保 回火 工艺是将淬火后的钢材加热到某一温度进行保 而后在空气中冷却。 其目的是消除残余应力， 温 ， 而后在空气中冷却 。 其目的是消除残余应力 ， 调整 强度和硬度， 减少脆性，增加塑性和韧性， 强度和硬度 ， 减少脆性 ， 增加塑性和韧性 ， 形成较稳定 的组织。 的组织。 通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。 通常称淬火加高

15、温回火的工艺为调质处理 。 强度较 高的钢材， 中的 C、 、 级钢和高强度螺栓的钢 高的钢材，如 Q420 中的 、D、E 级钢和高强度螺栓的钢 中的 材都要经过调质处理。 材都要经过调质处理。2-2 钢材的生产2-3 钢材的主要性能2.3.1 钢材的破坏形式钢材有两种完全不同的破坏形式： 钢材有两种完全不同的破坏形式： 塑性破坏 脆性破坏 塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形， 塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形， 常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。 常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。破坏 后的断口呈纤维状，色泽发暗。 后的断口呈纤维状，色

16、泽发暗。 脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小， 脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本 没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直， 没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有 光泽的晶粒状或有人字纹。 光泽的晶粒状或有人字纹。2-3 钢材的主要性能2.3.2 钢材在单向一次拉伸下工作性能钢材的多项性能指标可通过单向拉伸试验获得。 钢材的多项性能指标可通过单向拉伸试验获得。 给出相应钢材的单调拉伸应力 应变曲线。 由试验 给出相应钢材的单调拉伸应力 应变曲线 。 曲线看出， 比例极限 以前钢材的工作是弹性的； 曲线看出，在比例极限 p 以前钢材的工作是弹性的；比例

17、 极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点 屈服点 f 极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点 y 后，塑性 平台；出现强化阶段，产生颈缩而破坏。 平台；出现强化阶段，产生颈缩而破坏。2-3 钢材的主要性能一. 四个工作阶段： 四个工作阶段：1）弹性阶段： ）弹性阶段： 比例极限 f 应力由 0 比例极限 p 比例极限 2）弹塑性阶段： ）弹塑性阶段： 应力由 fp 屈服点 fy 屈服点 3）塑性阶段： 3）塑性阶段： 应力保持 fy 不变，应变由 不变， (0.10.2)% (23)%; 4）强化阶段： ）强化阶段：应力由 fy 抗拉强度 fu 抗拉强度fufyfp钢结构设计以钢材的屈 服

18、点 f y 作为静力强度的承载 力极限。力极限。2-3 钢材的主要性能二. 理想弹塑性体fy如果没有残余应力， 如果没有残余应力，比例 极限与屈服应力合为一点， 极限与屈服应力合为一点，弹塑 性阶段消失，为简化计算， 性阶段消失，为简化计算，将应 力应变关系简化为如图。力应变关系简化为如图。三. 钢材的机械性能理想弹塑性体应力应变关系 理想弹塑性体应力应变关系1强度 设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度 设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度 u 是钢材破 坏前所随承受的最大应力， 坏前所随承受的最大应力，此时的结构因塑性变形很大而失 去使用性能， 值的大小， 去使用性能，uy 值的大小，可

19、以看作钢材强度储备的参 数。2-3 钢材的主要性能2塑性 衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率 和断面收 衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率 和断面收 缩率。 缩率 。 原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。 原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。一般 以 l0d0=5 为标准试件。此时的伸长率 5 按下式计算： 为标准试件。此时的伸长率 按下式计算： 为标准试件式中： 试件原标距长度； 式中：l0试件原标距长度； 试件原标距长度 d0试件标距长度内的直径； 试件标距长度内的直径； 试件标距长度内的直径 l1 试件拉断后标距间的长度。 试件拉断后标距间的长度。 试件拉断后标距间的

20、长度l1 ? l0 5 = 100% l02-3 钢材的主要性能断面的颈缩率是指试件拉断后，颈缩的断面面积缩小值 断面的颈缩率是指试件拉断后， 与原截面积比值的百分率式计算： 与原截面积比值的百分率式计算：A ?A = 0 1 100% A 0式中： 试件标准断面的面积； 式中：A0试件标准断面的面积； 试件标准断面的面积 A1试件拉断后颈缩区的断面积。 试件拉断后颈缩区的断面积。 试件拉断后颈缩区的断面积 钢材单调拉伸应力 钢材单调拉伸应力应变曲线提供了三个重要的力学性 能指标：抗拉强度 f 伸长率 和屈服点 和屈服点 f 能指标：抗拉强度 u、伸长率 和屈服点 y。 抗拉强度 f 是钢材一

21、项重要强度指标， 抗拉强度 u 是钢材一项重要强度指标，反映钢材受拉时 能承受的极限应力。 能承受的极限应力。 伸长率 是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指 伸长率 是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指 其相应伸长率分别用 表示。 标，其相应伸长率分别用 5 或 10 表示。 屈服点 f 屈服点 y 是钢结构设计中应力允许达到的最大限值。2-3 钢材的主要性能2.3.3 钢材的其它性能一. 冷弯性能钢材的冷弯性能由冷弯试验确定。 试验时， 钢材的冷弯性能由冷弯试验确定 。 试验时 ， 根据钢材 的牌号和不同的板厚， 按国家相关标准规定的弯心直径， 的牌号和不同的板厚 ， 按国家相关标准

22、规定的弯心直径 ， 在试验机上把试件弯曲 180 180 在试验机上把试件弯曲 180 以试件表面和侧面不出现裂纹和分层 为合格。 裂纹和分层为合格 以试件表面和侧面不出现 裂纹和分层 为合格 。 冷弯试 验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力的大小， 验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力的大小 ， 还能 显示其内部的冶金缺陷， 是判断钢材塑性变形能力和冶金 显示其内部的冶金缺陷 ， 是判断 钢材塑性变形能力和冶金 质量的综合指标。 质量的综合指标。2-3 钢材的主要性能冷弯性能试验方法是用图示具有一定弯心直径 d 的冲头 冷弯性能试验方法是用图示具有一定弯心直径 的冲头 ，对标准试件中部施

23、加荷载使之弯曲，或者要求把试件冷 对标准试件中部施加荷载使之弯曲， 弯到规定的角度而不出现裂纹或分层等， 弯到规定的角度而不出现裂纹或分层等，以判断钢材的冷 弯性能。 弯性能。冷弯性能试验2-3 钢材的主要性能二. 冲击韧性由单调拉伸试验获得的韧性没有考虑应力集中和动荷 作用的影响， 作用的影响 ， 只能用来比较不同钢材在正常情况下的韧性 好坏。 好坏。 冲击韧性是评定带有缺口的钢材在冲击荷载作用下抵 冲击韧性是评定带有缺口的钢材在冲击荷载作用下抵 抗脆性破坏能力的指标， 抗脆性破坏能力的指标， 通常用带有夏比 V 通常用带有夏比 V 型缺口的标准试件 冲击韧性值随温度的降低而降低，但不同牌号

24、和质量等 冲击韧性值随温度的降低而降低， 级钢材的降低规律又有很大的不同。因此， 级钢材的降低规律又有很大的不同。因此，在寒冷地区承受 动力作用的重要承重结构， 动力作用的重要承重结构，应根据其工作温度和所用钢材牌 对钢材提出相当温度下的冲击韧性指标的要求， 相当温度下的冲击韧性指标的要求 号，对钢材提出相当温度下的冲击韧性指标的要求，以防脆 性破坏发生。 性破坏发生。2-3 钢材的主要性能钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下， 钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂过程中 吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击荷裁作用， 吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击荷裁作用，可 能

25、因低温、应力集中，而导致脆性断裂的一项机械性能。 能因低温、应力集中，而导致脆性断裂的一项机械性能。一般 通过标准试件的冲击试验来获得钢材的冲击韧性指标。通过标准试件的冲击试验来获得钢材的冲击韧性指标。我国以 前曾采用梅氏试件(U 形缺口 作冲击韧性试验。 形缺口)作冲击韧性试验 前曾采用梅氏试件 形缺口 作冲击韧性试验。2-3 钢材的主要性能2.3.4 钢材在复杂应力状态下的屈服条件 2.3.4 钢材在复杂应力状态下的屈服条件多轴应力下， 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。 中积聚的能量来衡量。 形状改变比能理论： 形状改变比能理论： 三向应力下，形状改变

26、比能等于单向拉伸下积聚的比能时， 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（屈服） 。 钢材由弹性转入塑性状态（屈服） 。 以主应力表示为： 以主应力表示为： zs =1 ? ( 1 ? 2 ) 2 + ( 2 ? 3 ) 2 + ( 3 ? 1 ) 2 ? = f y ? 2? zS 为折算应力，f y 为单向应力作用下的屈服应力 为折算应力， zs f y 时，为塑性状态； zs 0, 异号应力循环t min = max应力辐： 应力辐： = max ? min循环应力和变幅应力2-5 钢材的疲劳t2 影响疲劳的主要因素： 影响疲劳的主要因素：1）有无缺

27、陷、缺陷的尺寸，有无残余应力。 ）有无缺陷、缺陷的尺寸，有无残余应力。 2）应力水平 ）S= maxf对弹性材料， 对弹性材料，这一因 素影响不象对弹塑性材料 那样大。 那样大。3）应力辐 ） = max ? min = C 时，称常幅循环4）应力比 ） min = max = ?1 时, 疲劳强度最小2-5 钢材的疲劳长期以来， 长期以来，曾经以最大应力和应力比作为疲劳验算的主 要依据，但现在多数国家转为用应力辐进行验算。 要依据，但现在多数国家转为用应力辐进行验算。 a 是裂纹长度，N 是循环次数，K 是应力强度因子 是裂纹长度， 是循环次数 是循环次数， 是应力强度因子 是裂纹长度da

28、dNK 门 槛 值da = C (?K ) n dNK a2-5 钢材的疲劳疲劳极限（或称持久极限） 疲劳极限（或称持久极限）定义为标准试件在规定的循环 基数下不发生疲劳破坏的最大应力值，对于钢材， 基数下不发生疲劳破坏的最大应力值，对于钢材，一般循环基 数取为两百万到一千万次。 数取为两百万到一千万次。2-5 钢材的疲劳2.5.2 常幅疲劳一. 非焊接结构的疲劳 疲劳强度 与主体金属 连接类型有关 与循环应力的应力比 与循环应力的应力比 循环次数 n 有关。 循环次数 有关。 有关 = min maxn2106 次，TJ17-74 曾根据试验得到的简化疲劳曲线， 曾根据试验得到的简化疲劳曲线

29、， 曾根据试验得到的简化疲劳曲线 验算以拉应力为主的疲劳计算公式如下： 验算以拉应力为主的疲劳计算公式如下： max p = 1 ? kp p 02-5 钢材的疲劳 max p = 1 ? kp p 0max 验算部位最大拉应力； 验算部位最大拉应力； p以拉应力为主的疲劳容许强度； 以拉应力为主的疲劳容许强度；=0 时的疲劳容许强度，试验定； 时的疲劳容许强度，试验定； 时的疲劳容许强度 构造形式有关的系数，试验定。 构造形式有关的系数，试验定。p 0k以应力为准则的疲劳验算方法不适用于焊接结构2-5 钢材的疲劳二. 焊接结构的疲劳焊接结构疲劳寿命主要的因素 构件和连接的构造类型 和应力幅，

30、 和应力幅，而与应力比无关 焊接残余应力的影响+ fy fy ?= max-min焊缝附近的真是循环应力maxfy-?t min(a)(b)(c)2-5 钢材的疲劳当名义循环应力为拉时， 当名义循环应力为拉时 ， 焊缝附近的残余拉应力已 达屈服点不再增加，实际拉应力保持 f 不变； 达屈服点不再增加，实际拉应力保持 y 不变；当名义循环 应力减小到最小时， 应力减小到最小时，焊缝附近的实际应力将降至f y ? ? = f y ? ( max ? min )显然， 显然，焊缝附近的真实应力比为=f y ? ? fy只要应力幅为常数， 只要应力幅为常数，不管循环荷载下的名义应力比为 何值，焊缝附近

31、的真实应力比也为常数。焊缝部位的疲劳 何值，焊缝附近的真实应力比也为常数。 有关。 寿命主要与 ? 有关。2-5 钢材的疲劳应力幅与循环寿命的关系 lg?1 Lg? ?1 n1 (a) n 2s lgn (b) lgC lgnlg? lg? = = C lg C ? lg n lg n 1n ? ? = C2-5 钢材的疲劳可求得容许应力幅的表达式C ? ? = ? ? ?n?1C、 均为不同构件和连接类别的试验参数。 均为不同构件和连接类别的试验参数。 均为不同构件和连接类别的试验参数 新规范给出的疲劳曲线(?n)图 新规范给出的疲劳曲线 图疲劳极限 应 力 幅1 2 3 4循环次数 n 循

32、环次数1?翼缘连接焊缝 翼缘连接焊缝 2?横向加劲肋端部 横向加劲肋端部 3?多层翼缘板 多层翼缘板 4?角钢与节点板连接 角钢与节点板连接2-5 钢材的疲劳三. 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 归纳划分为 类 2. 对于非焊接结构， 对于非焊接结构， 使用螺栓连接和构件，残余拉应力很小， 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 有关， 仅与应力幅 有关，也与名义应力比 有关 3. 折算应力幅 max ? k min = 0p ? = max ? 0.7 min ? 采用荷载的标准值 容许应力设计法 内力计算中不乘

33、动力系数 试验包括动力作用2-5 钢材的疲劳2.5.3 变幅疲劳一. 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? 计算公式为： 等效应力幅 e，计算公式为： ? e ? 各应力幅? 对应循环次数为 n 相对的疲劳寿命为 N 各应力幅 i 对应循环次数为 i，相对的疲劳寿命为 i， Miner 的线性累积损伤准则为： 的线性累积损伤准则为： 的线性累积损伤准则为ni =1 Ni 应力幅? 循环一次时，将引起 1/Ni 的损伤，ni次循环的损 的损伤， 应力幅 i 循环一次时，将引起 伤为 n 伤为 i/Ni；其它应力幅水平的常幅循环应力也有各自的损伤状 当这些损伤份额之和等于 1

34、时 将发生疲劳破坏。 况，当这些损伤份额之和等于 时，将发生疲劳破坏。 C N i ( ? i ) = C 或 N i = ( ? i ) 2-5 钢材的疲劳lg? 1 ?1 ?2 ?e ?3 n1 n2 N1 n3 N2 ni变幅疲劳的疲劳曲线2-5 钢材的疲劳N3lgn等效常幅疲劳应力幅? 等效常幅疲劳应力幅 e，循环ni 次后： 次后： n i ? ( ? e )=C或 ni =C ( ? e ) 将上述代入下式 ni n1 n 2 ni nn = + +L+ +L+ = 1 N i N1 N 2 Ni Nnnn ( ? n ) n1 ( ? 1 ) n2 ( ? 2 ) + +L+ =

35、 有 C C C n i ( ? i ) C=1得ni ( ? i ) = C = ni ? ( ? e ) 1 n i ( ? i ) ? 则 ? e = ? ? ni ? ? 以应力循环次数表示的结构预期寿命； ni 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。 应力幅水平为 的应力循环次数。2-5 钢材的疲劳二. 吊车梁的疲劳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。 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 1 ；常幅设计应力幅 最大应力幅? 常幅设计应力幅? f ?

36、? ? 210欠载效应的等效系数6最大应力幅2-5 钢材的疲劳2.5.4 疲劳验算中一些值得注意的问题(1) 疲劳验算仍然采用容许应力设计方法， 疲劳验算仍然采用容许应力设计方法， 标准荷载 用容许应力幅作为疲劳强度 (2) 规范中提出的疲劳强度以试验为依据 规定 8 种以外连接构造 种以外连接构造， 规定 种以外连接构造，应进行专门的研究 高温、海水腐蚀环境、焊后经热处理、 高温、海水腐蚀环境、焊后经热处理、低周高应变疲劳 构件或连接的疲劳 (3) 在应力循环中不出现拉应力的部位不计算疲劳 (4) 静力强度对焊接构件和连接的疲劳强度无显著影响， 静力强度对焊接构件和连接的疲劳强度无显著影响，

37、 故可以认为， 故可以认为，疲劳容许应力幅与钢种无关2-5 钢材的疲劳2-6 建筑用钢的种类、规格和选用 建筑用钢的种类、2.6.1 建筑用钢的种类建筑用钢主要碳素结构钢和低合金高强度结构钢两种， 建筑用钢主要碳素结构钢和低合金高强度结构钢两种，优 质碳素结构钢在冷拔碳素钢丝和连接用紧固件中也有应用。 质碳素结构钢在冷拔碳素钢丝和连接用紧固件中也有应用。 厚度方向性能钢板、焊接结构用耐候钢、 厚度方向性能钢板、焊接结构用耐候钢、铸钢等在某些情 况下也有应用。 况下也有应用。一. 碳素结构钢按国家标准碳素结构钢 生产的钢材共有 Q195 按国家标准碳素结构钢GB/T700 生产的钢材共有 生产的

38、钢材共有 种品牌，、Q215、Q235、Q255 和 Q275 种品牌，板材厚度不大于 、 、 和 种品牌 板材厚度不大于 16mm 的相应牌号钢材的屈服点分别为195、215、235、255 和 的相应牌号钢材的屈服点分别为 、 、 、 和 275N/mm2。其中 其中 Q235 含碳量在 含碳量在 0.22以下，属于低碳钢，钢 含碳量在 以下，属于低碳钢， 材的强度适中，塑性、韧性均较好。 材的强度适中，塑性、韧性均较好。 级外， 除 A 级外，其它三个级别的含碳量均在 级外 其它三个级别的含碳量均在 0.20以下 。 2-6 建筑用钢的种类、规格和选用 建筑用钢的种类、二. 低合金高强度

39、结构钢按国家标准 低合金高强度结构钢 按国家标准 低合金高强度结构钢 GB/T1591 生产的 生产的 钢材共有Q295、Q345、Q390、Q420 和 Q460 等 5 种牌号， 板 种牌号， 钢材共有 、 、 、 和 等 种牌号 材厚度不大于 16mm 的相应牌号钢材的屈服点分别为 的相应牌号钢材的屈服点分别为 295、 材厚度不大于 的相应牌号钢材的屈服点分别为 、 345、390、420 和460N/mm2。这些钢的含碳量均不大于 这些钢的含碳量均不大于0.20 、 、 和 合金元素的总量低于 5 故称为低合金高强度钢。 ， 合金元素的总量低于 ， 故称为低合金高强度钢。 其 均按化

40、学成分和冲击韧性划分为 A 中 Q345、Q390 和 Q420 均按化学成分和冲击韧性划分为 、B、 、 和 均按化学成分和冲击韧性划分为 C、D、E 共 5 个质量等级，A、B 级为镇静钢，C、D、E 级为 个质量等级， 级为镇静钢， 、 共 个质量等级 级为镇静钢 级为 特种镇静钢，故可不加脱氧方法的符号。 特种镇静钢，故可不加脱氧方法的符号。三. 优质碳素结构钢优质碳素结构钢与碳素结构钢的主要区别在于钢中含杂 质元素较少， 磷 、 硫等有害元素的含量均不大于 0.035 ， 质元素较少 ， 硫等有害元素的含量均不大于 其它缺陷的限制也较严格，具有较好的综合性能。 其它缺陷的限制也较严格

41、，具有较好的综合性能。2-6 建筑用钢的种类、规格和选用 建筑用钢的种类、共两大类，一类为普通含锰量的钢， 共两大类，一类为普通含锰量的钢， 另一类为较高含锰量的钢， 另一类为较高含锰量的钢，两类的钢号均用两位数字表 它表示钢中的平均含碳量的万分数， 示 ， 它表示钢中的平均含碳量的万分数 ， 前者数字后不加 Mn，后者数字后加 号钢， ，后者数字后加 Mn，如 45 号钢，表示平均含碳量为 ， 号钢 表示平均含碳量为 0.45 的优质碳素钢； 号钢， 的优质碳素钢 ； 45Mn 号钢， 则表示同样含碳量 、 但锰的 号钢 则表示同样含碳量、 含量也较高的优质碳素钢。 含量也较高的优质碳素钢。

42、 可按不热处理和热处理（正火、淬火、回火） 可按不热处理和热处理（正火、淬火、回火）状态交货 用做压力加工用钢（热压力加工、顶锻及冷拔坯料） ，用做压力加工用钢（热压力加工、顶锻及冷拔坯料）和切 削加工用钢。钢结构中使用较少， 削加工用钢。钢结构中使用较少，仅用经热处理的优质碳素 结构钢冷拔高强钢丝或制作高强螺栓、 结构钢冷拔高强钢丝或制作高强螺栓、自攻螺钉四. 其他钢防止钢材的层状撕裂而采用 Z 向钢， 防止钢材的层状撕裂而采用 向钢，处于外露环境对耐 向钢 腐蚀有特殊要求或在腐蚀性作用下的结构采用耐候钢2-6 建筑用钢的种类、规格和选用 建筑用钢的种类、2.6.2 钢材规格钢结构所用钢材主

43、要为热轧成型的钢板和型钢， 钢结构所用钢材主要为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等。 冷加工成型的冷轧薄钢板和冷弯薄壁型钢等。一. 钢板钢板有厚钢板、薄钢板、扁钢（或带钢） 之分。 钢板有厚钢板 、 薄钢板 、 扁钢 （ 或带钢 ） 之分 。 钢板 截面的表示方法为在符号“ ” 后加“宽度厚度” ， 如 截面的表示方法为在符号“ 后加“ 宽度 厚度” 20020 等。钢板的供应规格如下： 等 钢板的供应规格如下： 厚钢板： 厚钢板：厚4.560mm，宽 6003000mm，长 412m； ， ， ； 薄钢板： 薄钢板：厚 0.354mm，宽 5001500mm，

44、长 0.54m ， ， 扁 钢：厚 460mm，宽 12 200mm，长 39m。 ， ， 。 花纹钢板2-6 建筑用钢的种类、规格和选用 建筑用钢的种类、二. 热轧型钢常用的有角钢、工字钢、槽钢。 常用的有角钢、工字钢、槽钢。角钢分为等边的和不等边两种， 角钢分为等边的和不等边两种， 主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆 件。 角钢型号的表示方法为在符号“ 后加 长边宽 后加“ 角钢型号的表示方法为在符号 “ L”后加 “ 长边宽 短 边宽厚度” 对不等边角钢， 边宽 厚度 ” （ 对不等边角钢 ， 如 L125808） ， 或加 “ ） 或加“ 边长厚度” （ 对等边角钢，如

45、L1258） 。 目前我国生产 边长 厚度” 对等边角钢， ） 的角钢最大边长为 200mm，角钢的供应长度一般为 的角钢最大边长为 ，角钢的供应长度一般为 419m。 。 工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和 H 型钢三种 型钢三种。 工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和 型钢三种。 普通工字钢的型号 I20a 表示高度为 表示高度为 200mm，腹板厚度为 类的工字钢。 类的工字钢。 表示高度为 ，腹板厚度为 a 类的工字钢 轻型工字钢。 轻型工字钢。2-6 建筑用钢的种类、规格和选用 建筑用钢的种类、普通工字钢的型号为 10 号 轻型工字钢为 1070 号， 普通工字钢的型号为 63 号，轻型工

46、字钢为 号 供应长度均为 519m。 供应长度均为 。 H 型钢可分为宽翼缘（HW） 、中翼缘（HM）及窄翼缘 型钢可分为宽翼缘（ 型钢可分为宽翼缘 ） 中翼缘（ ） （HN）三类。 ）三类。 HW4004001321 和 TW2004001321 等 。 宽翼 和 等 缘和中翼缘 H 型钢可用于钢柱等受压构件，窄翼缘 H 型钢则适 缘和中翼缘 型钢可用于钢柱等受压构件，窄翼缘 型钢则适 型钢可用于钢柱等受压构件 目前国内生产的最大型号 H 型钢为 用于钢梁等受弯构件 。 目前国内生产的最大型号 型钢为 HN7003001324。 。 槽钢有普通槽钢和轻型槽钢二种。 槽钢有普通槽钢和轻型槽钢二

47、种。 指截面高度 320mm，腹板较薄的槽钢。 32a 指截面高度 指截面高度 ，腹板较薄的槽钢。 钢管有无缝钢管和焊接钢管两种。可用代号“ 后加 后加“ 钢管有无缝钢管和焊接钢管两种 。 可用代号 “ D”后加“ 外径 d壁厚 t”表示 表示， 外径 壁厚 表示，如 D1808 等。 等2-6 建筑用钢的种类、规格和选用 建筑用钢的种类、三. 冷弯薄壁型钢采用 1.56mm 厚的钢板经冷弯和辊压成型的型材和采 厚的钢板经冷弯和辊压成型的型材和采 采用 的薄钢板经辊压成型的压型钢板， 用 0.41.6mm 的薄钢板经辊压成型的压型钢板，其截面形 的薄钢板经辊压成型的压型钢板 式和尺寸均可按受力

48、特点合理设计， 式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强 节约钢材，在国内外轻钢建筑结构中被广泛地应用。 度、节约钢材，在国内外轻钢建筑结构中被广泛地应用。 近年来，冷弯高频焊接圆管和方、 近年来，冷弯高频焊接圆管和方、矩形管的生产和应用在 国内有了很大的进展，冷弯型钢的壁厚已达 12.5mm（部 国内有了很大的进展，冷弯型钢的壁厚已达 （ 分生产厂的可达 22mm，国外为 分生产厂的可达 ，国外为 25.4mm） 。 ） 。2-6 建筑用钢的种类、规格和选用 建筑用钢的种类、2.6.3 钢材的选择一. 钢材选用原则和建议钢材的选用既要确保结构物的安全可靠， 钢材的选用既要确保结构物的安全可靠，又要经济合 必须慎重对待。为了保证承重结构的承载能力， 理，必须慎重对待。为了保证承重结构的承载能力，防止 在一定条件下出现脆性破坏， 在一定条件下出现脆性破坏， 应根据结构的重要性 荷载特征、连接方法、 重要性、 应根据结构的重要性、荷载