高等钢结构理论-第一章

钢结构
第一章 钢结构的基本性能 钢结构的特性
可以利用钢材的塑性性能 稳定问题在设计中的考虑 荷载多次重复时的疲劳问题 韧性？脆性？
一
1 2 3 4
第一章 钢结构的基本性能
一
钢结构用材的要求
较高的强度。即抗拉强度 fu 和屈服点 fy 比较高。
1
足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。
2
良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。
含杂质铁水
Mn 脱氧 脱氧不充分 沸腾钢
氧化
FeO
脱去C、S、P
脱氧 脱氧充分 Si
镇静钢
第一章 钢结构的基本性能 1.1.2 钢的脱氧
一 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
• 杂质多，质量较差；
• 生产周期短、成品率高、成本低廉 • 不得用于：需验算疲劳、-30℃低温、 -20℃低温且直接收动力
入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似 。
第一章 钢结构的基本性能
1.1 钢材的生产及其对材性的影响
第一章 钢结构的基本性能 钢材的生产过程
一 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
铁矿石 熔炼
钢锭
辊轧
钢材
钢坯
冶炼、脱氧、辊轧等环节都对钢材的性能有较大的影响
一 第一章 钢结构的基本性能 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
（当同时考虑热轧残余应力时，矫直使热轧残余压应力减小）
第一章 钢结构的基本性能 热处理
一 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
调质处理
低合金钢 fy≥400MPa
淬火
1. 加热至900℃后保温； 2. 放入水或油快速冷却； 3. 提高强度，降低塑形、韧性。
第一章 钢结构的基本性能 热处理
一 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
Baidu Nhomakorabea梅氏试验
夏比试验
第一章 钢结构的基本性能 1.0.2 钢材的工艺性能
一 1.0 钢结构的材料
冷弯性能
根据试样厚度，按规定的弯心直径将试样弯 曲 180 度 ， 其 表 面 及 侧 无 裂 纹 或 分 层 则 为 “ 冷 弯试验合格”。
“冷弯试验合格”一方面表示材料塑性变形 能力符合要求，另一方面表示钢材的冶金质量 符合要求，因此，冷弯性能是判别钢材塑性变 形能力及冶金质量的综合指标。重要结构中需 要有良好的冷热加工的工艺性能时，应有冷弯 试验合格保证。
1.1.5 钢材的匀质和等向性
相较于钢筋混凝土，钢材质地均匀、各向同性，因此钢结构受力与工 程力学计算比较符合。但在进行钢结构设计和研究中，还必须了解钢材在 匀质和等向性方面的不足。
（1）硫的偏析
偏析较轻。
偏析严重， 头部比底部严重 ， 重要的焊接结构 不宜采用。
（a）镇定钢锭 （b）沸腾钢锭 钢液含硫0.032%； 钢液含硫0.04%
第一章 钢结构的基本性能 硫的偏析
一 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
轧制成型材后硫的偏析
一 第一章 钢结构的基本性能 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
屈服强度的非匀质性
• 型钢截面上不同部分的屈服点不同 翼缘与腹板不同； 翼缘上各部位不同。
• 热轧残余应力导致外力作用下截面上的应力分布不均匀
度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑 性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中 一般为1.0%-1.7%。
第一章 钢结构的基本性能 1.0.3 化学成分对性能的影响
一 1.0 钢结构的材料
3. 硅（Si） 硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性
，腹板与钢板相反。
一 第一章 钢结构的基本性能 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
1.1.4 矫直和热处理
热轧钢材的不均匀冷却同时导致板件发生弯曲，必须反弯至出现塑性变 形才能矫正。
1. H型钢绕弱轴有初始弯曲，施加反弯矩，应力图为ABCDE； 2. 卸载时，应力应变均按线性变化，减去MCN； 3. 截面残余应力RSCTU。
D级
连铸技术的出现，避免了镇定钢切头的损失。因此沸腾钢正逐渐从市场消失。
一 第一章 钢结构的基本性能 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
镇静钢和沸腾钢的冲击韧性
含碳量：0.20%。1. 镇静钢（10mm）；2. 沸腾钢（18mm）。
第一章 钢结构的基本性能 1.1.3 钢的轧制
一 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
3
适应低温、有害介质侵蚀以及重复荷载作用等的性能。
4
容易生产，价格便宜。
5
第一章 钢结构的基本性能
1.0 钢材的主要性能
力学性能 工艺性能 化学成分对性能的影响
第一章 钢结构的基本性能
1.0.1 钢材的力学性能
单向拉伸时的工作性能
条件：常温、静载条件下一次拉伸
一 1.0 钢结构的材料
第一章 钢结构的基本性能
一 1.0 钢结构的材料
1. 碳（C） 碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢材强度的
主要因素，随着含碳量的增加，钢材强度提高，而塑性和韧性、 尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明 显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结 构应低于0.2%。
2. 锰（Mn） 锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材的强
建筑结构所用钢材的分类
热轧成型
• 型钢 • 钢板
冷成型
• 薄壁型钢 • 压型钢板
第一章 钢结构的基本性能 1.1.1 钢的熔炼
一 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
转炉钢
平炉钢
空气吹炼
有害杂质多
优 氧气纯度提高
氧气吹炼
综合性能提高
第一章 钢结构的基本性能 1.1.2 钢的脱氧
一 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
材性实验试样的选取
钢板：垂直于轧制方向；扁钢：平行于轧制方向
一 第一章 钢结构的基本性能 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
材性实验试样的选取
压轧条件导致同一根构件不同部位的机械性能不同。
翼缘压力较小
腹板与翼缘厚度不同 导致压力不同
一 第一章 钢结构的基本性能 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
一 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
调质处理
淬火
高温回火
低合金钢 fy≥400MPa
正火处理 正火
• fy≤450MPa的高强度低合金钢都可以热轧状态交货。 • 控温热轧技术既控制加热和轧制温度，又控制冷却速度，可生产出延性
和韧性都较好的细晶粒高性能钢。
一 第一章 钢结构的基本性能 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
一 1.0 钢结构的材料
5. 铝（Al）、铬（Cr）、镍（Ni） 铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的
有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元 素，用于Q390钢和Q420钢。
6. 硫（S） 硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈
蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量 不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。
• 钢的轧制使晶粒细化，力学性能得到改善；
第一章 钢结构的基本性能 1.1.3 钢的轧制
一 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
• 钢的轧制使晶粒细化，力学性能得到改善； • 非金属杂物被压成薄片，出现分层，使钢材厚度方向的受拉能力恶化 • 热轧钢材厚度小者强度、机械性能优于厚度大者。
一 第一章 钢结构的基本性能 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
荷载等情况。
Al补脱氧 • 冲击韧性较好 • 屈服点高
特殊镇静钢：更好的（低温）冲击韧性
一 第一章 钢结构的基本性能 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
鉴别沸腾钢和镇静钢
Si含量
≤0.07% 0.07%~0.12% 0.12%~0.30%
沸腾钢 半镇静钢 镇静钢
Q235钢的分级
A、B级
C级
特殊镇静钢
第一章 钢结构的基本性能
1.0.1 钢材的力学性能
单向拉伸时的力学性能指标
σ
极限强度 σu
b
条件屈服强度σ0.2
c
一 1.0 钢结构的材料
比例极限 σp
a
0.2 0.85 u
p 0.75 u
0.5%
O 0.2%
名义屈服点
第一章 钢结构的基本性能 1.0.1 钢材的力学性能
一 1.0 钢结构的材料
调质处理
低合金钢 fy≥400MPa
正火处理
淬火
高温回火
正火
1. 500~600℃高温回火； 2. 保持一段时间后在空气中
冷却； 3. 减小脆性和淬火后的内应
力，改善钢材力学性能。
1. 加热至高于900℃后保温； 2. 在空气中自然冷却； 3. 改善钢材组织和细化晶粒。
第一章 钢结构的基本性能 热处理
一 1.0 钢结构的材料
钢是含碳量小于2％的铁碳合金，碳大于2％时则为铸铁。制 造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。
碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99％ ，碳及杂质元素约占1％。
低合金结构钢中，除上述元素外还加入合金元素，后者总量 通常不超过3％。
第一章 钢结构的基本性能 1.0.3 化学成分对性能的影响
屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，其意义是：
1. 作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。 εy与εP较接近，可以认为应力达到σy时为弹性变形的终点。 达到σy后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加，表示结 构一时丧失继续承担更大荷载的能力。
2. 形成理想弹塑性体的模型，方便理论分析与设计。 σy之前，钢材近于理想弹性体； σy之后，塑性应变范围很大而应力不增长。
1.0.1 钢材的力学性能
单向拉伸时的工作性能
条件：常温、静载条件下一次拉伸
一 1.0 钢结构的材料
钢材的一次拉伸应力－应变曲线
第一章 钢结构的基本性能
1.0.1 钢材的力学性能
单向拉伸时的力学性能指标 1. 比例极限σP 2. 屈服点σy 3. 抗拉强度σu 4. 伸长率δ5和δ10
一 1.0 钢结构的材料
第一章 钢结构的基本性能 钢板的各向异性
一 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
钢板三个方向的受力性能
优于
优于
轧制方向
横方向
厚度方向
钢板冲击韧性的非等向性 （1.纵向试样 2.横向试样 3.人工时效后时横向试样）
一 第一章 钢结构的基本性能 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
钢板厚度方向的性能
材性实验试样的选取
第一章 钢结构的基本性能 热轧残余应力
一 1.1 钢材的生产及其对材性的影响
由于受热后不均匀冷却，导致钢材在没有外力作用下，内部自相平衡的 应力。对构件变形、稳定性、抗疲劳等方面有不利影响。
• 钢板两边冷却快，中部冷却慢； • 普通工字钢翼缘厚而窄，冷却慢； • H型钢翼缘与腹板交接处最厚，冷却最慢，翼缘残余应力与钢板相似
第一章 钢结构的基本性能 1.0.2 钢材的工艺性能
一 1.0 钢结构的材料
可焊性
可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂纹的)焊缝的性能 。
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。 碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。
第一章 钢结构的基本性能 1.0.3 化学成分对性能的影响
第一章 钢结构的基本性能
1.0.1 钢材的力学性能
冲击韧性
钢材断裂时吸收机械能的能力。
fu
fy
一 1.0 钢结构的材料
O
钢材一次拉伸应力－应变曲线
第一章 钢结构的基本性能 1.0.1 钢材的力学性能
一 1.0 钢结构的材料
冲击韧性
钢材断裂时吸收机械能的能力。 实际结构中脆性断裂并不发生在单向受拉的地方，而总是发生在有缺 口高峰应力的地方，在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。
、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时， 会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。
4. 钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti） 钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这
三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持 良好的塑性、韧性。
第一章 钢结构的基本性能 1.0.3 化学成分对性能的影响
第一章 钢结构的基本性能 1.0.3 化学成分对性能的影响
一 1.0 钢结构的材料
7. 磷（P） 磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂
质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能 使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。
8. 氧（O）、氮（N） 氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进
大家好
高等
西安科技大学 建筑与土木工程学院
钢结构
马尤苏夫 (M: 13572405934 Q: 27174460)
钢结构理论 2016
目录
第一章 钢结构的基本性能
1
第二章 钢结构稳定问题概述
2
第三章 杆件和框架的稳定
3
第四章 钢结构的疲劳和断裂
4
第五章 连接
5
第六章 构造设计
6
第一章 钢结构的基本性能