钢结构原理与设计第二版第2章ppt

耐久性：保持钢材各项性能持久性的能力; 钢材的锈蚀、时效、以及疲劳均属耐久性问题。
第二章 钢结构材料
第一节 钢材的性能指标
二、化学性能
1．碳素钢 — 低碳（ C<0.25%），中碳（ C<0.6%），高 碳（C<2%）， C提高强度，降低塑性和可焊性。 2．合金钢——锰（Mn），高强；铬（Cr）不锈；铜（ Cu）耐候；钒、镍、铌，改性。 3．有害元素 —— 硫（ S）、磷（ P）、氢、氮、氧，降 低塑性，变脆，可焊性差，严格控制含量。
弹性模量E 屈服强度fy 抗拉强度fu 伸长率δ
E为常量，低碳钢有明显屈服点， fy作为破坏标志， fu/fy为强度储备， δ表示塑性变形能力。
第二章 钢结构材料
第一节 钢材的性能指标 钢材设计强度的取用：
极限状态法设计强度： f = fy /γ R ，
γ
R
为材料分项系数
容许应力法中，容许应力 [σ ] = fy / K ，
型钢表
参见P469-494，包括：
热轧等边角钢、等边角钢组合 热轧不等边角钢、不等边角钢组合 热轧普通工字钢、热轧普通槽钢 热轧H型钢、热轧窄翼缘H型钢
第二章 钢结构材料
第二节 钢材的种类和选用
1、钢
板—热轧板，冷轧板； 薄板<6mm,厚板>40mm； 常用热轧板6～25mm， 冷轧板0.6～2mm。
第二章 钢结构材料
第二节 钢材的种类和选用
四、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γR≈1.1。 弹性模量E=206000N/mm2。
第二章 钢结构材料
第二节 钢材的种类和选用
第二章 钢结构材料
第二节 钢材的种类和选用
第二章 钢结构材料
第三节 钢材在复杂应力下的工作
第二章 钢结构材料
第五节 钢结构的疲劳
一、钢材的疲劳与钢构件和连接的疲劳曲线
1、疲劳和疲劳特征 (1)钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展以致破坏 的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。 (2)疲劳破坏时，截面上的应力低于钢材的抗拉强度；通常没 有明显的变形，呈现出突然的脆性破坏特征。
第二章 钢结构材料
第二章 钢结构材料
第二节 钢材的种类和选用
钢材的化学成分和机械性能
第二章 钢结构材料
第二节 钢材的种类和选用
第二章 钢结构材料
第二节 钢材的种类和选用
第二章 钢结构材料
第二节 钢材的种类和选用
第二章 钢结构பைடு நூலகம்料
第二节 钢材的种类和选用
二、结构钢材规格
钢 材 — — 铁 ( Fe)、 碳 ( C) 及 其 它 元 素 的 合 金 。 铸 铁 (C>2%) ，钢(2%>C>0.05%) ，熟铁(C<0.05%)。 化学成分——碳素钢，低合金钢，不锈钢，耐候钢。 型材——钢板，型钢。
第二章 钢结构材料
第二节 钢材的种类和选用 4.注意事项 (1)结构要求： Q235-A.FÆ不保证Akv指标和C含量，用于非焊接结构； Q235-B.FÆ全保证，用于焊接结构（t<25mm）； Q235-B Æ全保证，用于焊接结构（t>25mm）； Q345 Æ保证fu,fy,δ,α,指标和S,P,C含量， 只需选钢号并要求Akv附加条件； (2)厚板强度低，Z向性能，低温条件应特别考虑。
(7) 双向应力状态下的屈服条件：
2 2 σ eq = σ x2 + σ y − σ xσ y + 3τ xy < fy
第二章 钢结构材料
第三节 钢材在复杂应力下的工作
(8) 单向正应力和剪应力作用下的屈服条件：
σ eq = σ 2 + 3τ 2 < f y
(9) 平面纯剪应力状态下的屈服条件：
σ eq = 3τ 2 < f y
τ<
fy 3
≈ 0.58 f y = f vy 钢材抗剪
屈服强度
第二章 钢结构材料
第四节 钢材的脆性断裂与防止
一、钢材或钢结构的脆性断裂
(1)是指名义应力（低于钢材抗拉强度或屈服强度）情况 下发生突然断裂的破坏。其断裂面通常是纹理方向单一和较 平的劈裂表面，很少或没有剪切唇边。 (2)脆性断裂大多是缺陷发展以致裂纹失稳扩展而发生。 (3)实际工程的脆性断裂破坏事故所占比例比较大。
2、钢材的破坏形式:
(1)塑性破坏:塑性变形大超过应变能力，破坏时应力大于fu ; (2)脆性破坏:塑性变形很小，甚至没有，破坏时应力小于fy ;
第二章 钢结构材料
第一节 钢材的性能指标
机械性能—反映强度、刚度、延性、塑性指标； 化学成分—影响强度、延性、加工性、耐久性；
第二章 钢结构材料
第一节 钢材的性能指标
第二章 钢结构材料
一、结构钢材种类
第二节 钢材的种类和选用
大量生产、价格便宜、性能可靠。 碳素钢——Q235, 最低屈服强度（95%保证率）fy=235N/mm2, 分成A、B、C、D四级质量，与成分，脱氧要求和冲击 韧性有关； A,B级有F（沸腾钢）, b（半镇静钢）,Z（镇静钢）， C级为Z，D级为TZ（特殊镇静钢）。 符号：Q235-A.F,Q235-B.b,Q235-C,Q235-D 低合金钢——Q345,Q390,Q420, 最低屈服强度（95%保证率） fy=345,390,420N/mm2, 分成A、B、C、D、E五级质量。 符号：Q345-A,Q390-B。
第二章 钢结构材料
第一节 钢材的性能指标
4．其它—可焊性、耐磨性、耐火性、耐腐蚀性等。 可焊性：钢材经过焊接后保持原有机械性能的能力； 要求钢材具有可焊性，即钢材经过焊接后，仍能具有必 需的塑性和韧性（强度一般不会降低）。 可焊性检验方法：
(1)抗裂性试验:按一定工艺要求焊接后，立刻将焊接后的钢料制成研片进行 观察，判断裂纹数量和大小是否在规定范围之内 (2)侧重使用性能的可焊性试验:焊接后的构件经过规定数量的加载，再从指 定部位取一定数量的小试件，进行冲击韧性试验，看钢材是否变脆。
GB50017-2003规定: (1)对于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。对结构工作温度不高于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 钢和Q420钢应具有 -20℃冲击韧性的合格保证。当结构工作温 度不高于-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。 (2)对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温 冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于-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。
(3) 三向主应力作用下的应变能：
U= 1 +ν 2 2 σ1 + σ 2 + σ 32 − (σ 1σ 2 + σ 2σ 3 + σ 3σ 1 ) ≤ [U ] = 1 + ν f y2 3E 3E
[
]
(4) 三向主应力作用下的屈服条件：
2 σ eq = σ 12 + σ 2 + σ 32 − (σ 1σ 2 + σ 2σ 3 + σ 3σ 1 ) < f y
第二章 钢结构材料
第一节 钢材的性能指标 3．加工过程 冷加工(冷作硬化)—冲、钻、剪、弯、折，局部硬化； 热加工(焊、割等)—局部升温，热影响区；不均匀冷却， 焊接残余应力； 时效硬化—加载到硬化阶段卸载后再加载，强度有所提高。
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第一节 钢材的性能指标 4．使用过程 初应力——降低实际承载力； 应力集中——局部先破坏； 多向应力——降低延性，第四强度理论； 动载——脆性； 温度——高温软化，低温冷脆； 循环荷载——疲劳脆断；
第二章 钢结构材料
1、钢结构对材料的要求：
(1)较高的抗拉强度fu和屈服强度fy； (2)较高的塑性和韧性； (3)良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和可焊性等)。
GB50017-2003: 承重结构采用的刚材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度 和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应有含碳量的合格保证。焊接承重结 构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。
一、机械性能
1. 单向拉伸试验——标准材性试验 (1)弹性阶段(OB段)： Æfe;fp;E(Et) (2)弹塑性阶段(BC段): ÆEt (3)屈服阶段(CD段)： Æfy (4)强化阶段(DG段)： Æfu (5)颈缩阶段(GH段)： Æδ,ψ
第二章 钢结构材料
第一节 钢材的性能指标
主要力学指标：
第二章 钢结构材料
第一节 钢材的性能指标
三、影响钢材性能的各种因素
1．化学成分 钢—Fe+C+有利元素+有害元素； 有利元素—Mn、Si、V等Æ合金元素(低合金钢)； 有害元素—S、P、O、N、H等； SÆ热脆； PÆ冷脆； OÆ类似S; NÆ类似P; HÆ氢脆。
第二章 钢结构材料
2．生产过程 第一节 钢材的性能指标 冶炼——平炉，转炉，电炉； 脱氧程度——沸腾钢，半镇静钢，镇静钢（多用），特殊镇 静钢； 轧制——薄板，均匀，强度高； 热处理——淬火，提高强度、降低韧性； 回火，控制降温过程Æ调质钢； 残余应力——表面不均匀冷却，热轧残余应力。
一、单向应力状态下的屈服条件
σ ≤ fy
二、复杂应力状态下的屈服条件
(1)形状改变能量理论：外荷载 对单元体单位体积所做的形状 改变功或单元体单位体积内所 聚积的形状改变应变能达到一 定数量时就会引起钢材的屈服。
第二章 钢结构材料
第三节 钢材在复杂应力下的工作
(2) 单向应力作用下的应变能：