钢结构课件1

§2.4 各种因素对钢材性能的影响
一、化学成分
普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%；
普通低合金钢中合金元素＜5%。
1. 碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，
强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。
一般控制在0.22%以下， 在0.2％以下时，可焊性良好
。
2.硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。 3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提 高，可焊性降低。不得超过0.045%。 4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔 点1600℃，可以消除一部分S的有害作用。 5.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。 6.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。
A

x
y
1
Y V M M
1-1
red x 2 y 2 x y 3 xy 2 f y
(2 8)
一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：
2 A Y 2 q
X

A

x
V
2-2 M
red x 3 xy f y
2 2
(2 9）
3-3 截面仅有剪力，弯矩、局部压力均为零，故该
屈服强度fy 为设计依据 抗拉强度fu为安全储备
足够的变形能力（较好的塑性和韧性）
良好的加工性能
第三节 钢材的主要力学性能
钢 材 的 主 要 力 学 性 能 强度 塑性 冲击韧性 冷弯性能 可焊性 Z向收缩率
屈服强度fy 为设计依据 抗拉强度fu为安全储备
伸长率δ 、断面收缩率Ψ 衡量 钢材承受动力荷载的能力
2、材质均匀，符合力学假定，安全可靠度高。 3、工厂化生产，工业化程度高，施工速度快。 4、钢结构耐热不耐火；易锈蚀，耐腐性差。
二、钢结构的应用
重型工业厂房、大跨度桥梁结构、大跨度建筑的屋盖、多层及超 高层建筑、高耸结构、组合结构
三、钢结构的设计方法（极限状态设计法）
1、承载能力极限状态设计法 2、正常使用极限状态设计法
四、钢结构的钢材必须具备以下性能：
较高的强度、足够的变形能力、良好的加工性能 五、钢材的主要力学性能 强度、塑性、冲击韧性、冷弯性能、可焊性、Z向性能
第五节 复杂应力作用下结构钢材的屈服条件
只有正应力
f
只有剪应力
f
3
既有正应力又有剪应力
2 3 2 f
Z

z


o
X


zy
(1)弹性阶段(OB段)
OA段材料处于纯弹性， 即:

E
B
E
AB段有一定的 u y A 塑性变形, 但 整个OB段卸载 时，ε=0； E=206×103N/mm2
D A C
O
E

（2）弹塑性阶段（BC)
该段很短,表现出钢材的非弹性性质;
σB—屈服上限; σC—屈服下限(屈服点)
1、承载能力极限状态设计法 2、正常使用极限状态设计法
四、钢结构的钢材必须具备以下性能：
较高的强度、足够的变形能力、良好的加工性能 五、钢材的主要力学性能 强度、塑性、冲击韧性、冷弯性能、可焊性、Z向性能
第六节 钢材的破坏形式
塑性破坏 脆性破坏 破坏时有很大的塑性变形 破坏突然、几乎不出现塑性变形 原因：1、钢材质量差 2、结构、构件的构造不当 3、制造安装质量差 4、结构受较大动力荷载 疲劳破坏 没有明显变形的突然破坏
fu fy

fu-fy
O 0.15%
22%

4.单向拉伸时钢材的机械性能指标
（1）屈服点fy--应力应变曲线开始产生塑性流动时
对应的应力，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。
（2）抗拉强度fu--应力应变曲线最高点对应的应
力，它是钢材最大的抗拉强度。
二.塑性 （3）伸长率
l l0 100% l0 ( 2 1)
二、钢结构的应用
3、多层、高层及超高层建筑结构。
二、钢结构的应用
4、塔桅等高耸结构。
二、钢结构的应用
5、钢－混凝土组合结构。
第二节 钢结构的设计方法
颠覆 经济、安全、适用、耐久 强度破坏 承载能力极限状态 疲劳破坏 丧失稳定 极限状态设计法 变为可变体系
正常使用极限状态
第二章 钢结构的材料
(a)梅氏U型缺口 (b)夏比V型缺口
由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性， 单位：J。Cv受温度的影响
冲击韧性试验装置
四、冷弯性能
d
衡量钢材塑
性性能和质
量优劣的综
合指标。
a
d+2.1a
小 节
钢材的机械性能指标
1、屈服点fy； 2、伸长率δ； 3、抗拉强度fu； 4、冷弯试验； 5、冲击韧性Cv (包括常温冲击韧性、 0度时冲击韧性 负温冲击韧性）。
（3）塑性阶段（CD) 该段σ基本 保持不变（水 平), ε急剧 增大,称为屈 服台阶或流 u y A 幅段,变形模 量 E = 0
O
E
B
D A C
E

（4）强化阶段(DE段 ) 随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快
（5）颈缩阶段(EF段)
极限抗拉强度fu

E
B
u
D A C
fy
2)超过 fy到屈服台阶 终止的变形约为 2.5%--3%，足以满
ε0
0.15%
ε
ε
足考虑结构的塑性 变形发展的要求。
2.5%--3%
（2）钢材在静载作用下： 强度计算以fy为依据;fu为结构的安全储备。 （3）断裂时变形约为弹性变形的200倍，在破坏前 产生明显可见的塑性 变形， 可及时补救， 故几乎不可能发生。
Lo N d L N d N N
当l0/d=5时，用δ5表示，当l0/d=10时，用δ10表示。
它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。
A1
A0 A1 100% （4）断面收缩率 A0
( 2 2)
A0
三、冲击韧性
衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应 力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时 吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。
截面除剪应力外，正应力均为零，即为纯剪状态。
3 3 Y V M M P P
X

A
3-3
red 3 f y

fy 3
0.58 f y f vy
(2 10)
1、钢材中碳的含量与钢材的强度、塑性、韧性及可焊性 有什么关系？ 2、什么是热脆现象？什么是冷脆现象？ 3、常见的冶金缺陷有哪些？ 4、冷作硬化对钢材的强度、塑性及韧性有什么影响？ 5、什么是时效硬化？ 6、钢材的力学性能与温度之间有什么关系？ 7、什么情况下会发生应力集中？它对构件有什么影响？
钢

结 构
第一章 概述 第二章 建筑钢材 第三章 钢结构的连接 第四章 轴心受力构件 第五章 梁（受弯构件） 第六章 拉弯与压弯构件
第一章 概述



第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 方法
钢结构的特点及应用 钢结构的设计方法 钢结构的设计要求 钢结构的发展方向 本课程的主要内容、特点和学习
现象，也称“应变硬化”。 时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体 中析出，使材料硬化的现象。 应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更 易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此 也称“人工时效”。
四、温度影响 1．正温范围
N/mm2 800 600 fu 400 δ 200 fy 0 20 170 160 600 T(0C)
(2 6)
2.以主应力表示
eq
1 ( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 f y 2


(2 5)
red
f
材料处于弹性状态
y
red
f
y
材料处于塑性状态
讨论：
（1）三向受压时(静水压力)
————不破坏;
（2）三向受拉时 ——一定破坏;
六、反复荷载作用（疲劳问题）
七、板厚、直径的影响
八、焊接残余应力
§2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件
假定：
１）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体 积中积聚的能量来表达；
２）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形
能时，钢材即由弹性转入塑性。
一、钢结构的特点
1、材料强度高、强重比大；塑性、韧性好。
一、钢结构的特点
1、材料强度高、强重比大；塑性、韧性好。
2、材质均匀，符合力学假定，安全可靠度高。 3、工厂化生产，工业化程度高，施工速度快。 4、钢结构耐热不耐火；易锈蚀，耐腐性差。
二、钢结构的应用
重型工业厂房、大跨度桥梁结构、大跨度建筑的屋盖、多层及超 高层建筑、高耸结构、组合结构
三、钢结构的设计方法（极限状态设计法）
五、应力集中
1.应力集中的概念 构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时 ，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应 力—应力集中。
2.应力集中的影响
3.减小应力集中现象的措施
<1:2.5
由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷 载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要 求，可以不考虑应力集中的影响。
由于三向受拉限制了材料的塑性发展，材料要发
生脆性破坏。
能量理论所得的公式只适用于塑性材料，因此形
式上的不破坏与实际的脆性破坏是不矛盾的， 只是实 际的脆性破坏不再符合能量理论的基本假定。