农业设施设计与建造第二章(一)钢结构材料.ppt

高层钢结构 钢结构厂房及构件加工 本章内容： 2.1 钢材的主要力学性能 2.2 影响钢材性能的因素 2.3 复杂应力下的屈服条件 2.4 钢结构的疲劳破坏和疲劳计算 2.5 钢材的种类、选用和型钢规格 钢材的种类很多，其化学成分不同，性能各异。 钢材的性能主要有：力学性能、加工性能和抗侵蚀等性能。 因此，必须了解钢材的强度、塑性、冷弯、韧性、可焊性以及影响钢材性能变化的各种因素，才能根据钢结构所受的荷载、工作环境，选择符合要求的钢材。 2.1.1 钢材的强度指标和塑性指标 （1）单向均匀受拉的工作特性 在常温静载情况下，Q235钢材标准试件（图2.1）受单向拉伸试验时的应力－应变曲线如图2.2。 (2)强度指标 由于fy、fp、fe很接近，应变很小，ε≈0.1%(εy≈0.15%)可以把三点看作为一点，并以屈服点fy作为代表。 钢结构设计中，把钢材的屈服点fy作为钢材的强度标准值fk＝fy。 常用结构钢材的强度设计值f（design value）可查材料手册。弹性设计时，构件的应力不能大于f值。  抗拉强度fu在实际构件中是不允许达到的，钢材的抗拉强度fu值高，可以增加结构的安全保障。 另外，Q235钢材在屈服前接近理想的弹性体，而屈服后的流变现象接近理想的塑性体，且流变的范围很大（ε=0.15%～2.5%）。因此，可认为钢材是理想的弹-塑性体（图2.3）。即假定钢材应力小于fy时是完全弹性的，应力超过fy后则是完全塑性的。利用钢材理想弹－塑性假定，可以简化钢构件的弹塑性分析计算。 高强度钢材没有明显的屈服台阶，这类钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的，称为条件屈服（用f0.2表示，定义为试件卸载后其残余应变为0.2%时所对应的应力）。这类钢材在设计中不宜利用塑性。 钢材在单向受压时（短试件） ，抗压强度与单向受拉时相同。钢材受扭转时的应力－应变曲线也与受拉时相似，但剪切屈服点和抗剪强度低于fy和fu；剪变模量G也低于弹性模量E。钢材和铸钢件的弹性模量、剪变模量、线膨胀系数α和质量密度ρ列于表2.1。 断面收缩率： 2.1.2 冷弯性能 冷弯性能是指钢材在冷加工产生塑性变形（deformed）时，对产生裂缝的抵抗能力。如图2.3所示将试件弯曲成规定的角度后,检查试件弯曲部分的表面有无裂缝、裂断、分层等，没有即为合格。 冷弯试验是鉴定钢材质量的一种良好方法，常作为静力拉伸试验和冲击试验的一种补充试验，是一项衡量钢材力学性能的综合指标。 2.1.3 冲击韧性  冲击韧性是衡量钢材强度、塑性及材质的一项综合指标。钢材的韧性与轧制方法、环境温度有关。冲击韧性由冲击试验测定。 冲击韧性： (N?m/cm2) 式中：AK—试验机的冲击功（焦耳)； A—缺口处净截面面积(cm2)。 ⑻钛 钛是强脱氧剂。钛能显著提高强度，改善韧性、可焊 性，但稍降低塑性。钛是常用的微量合金元素。 ⑼钒 钒是弱脱氧剂。钒加入钢中可减弱碳和氮的不利影响，有效地提高强度，但有时也会增加焊接淬硬倾向，钒也是常用的微量合金元素。 （3）轧制 轧制（rolling）钢材是把钢锭加热到1200℃-1300℃高温时进行，这时钢具有较好的热塑性，利用轧钢机压力的作用，可使钢锭中的小气泡、裂纹和质地较疏松部分压合密实，消除组织缺陷和细化钢的晶粒。因此，轧制钢比铸钢质量好。压缩比越大，钢材的力学性能越好。此外，由于轧辊的压延作用，钢材顺轧辊轧制方向的性能比横向的性能好。 (2)温度降低 温度下降到负温时，钢材的强度虽有提高，但塑性和韧性降低、脆性增加，出现脆性转变温度。以韧性指标为例（右图），反弯点对应的温度T0即为脆性转变温度。选用钢材时应使结构所处的环境温度高于脆性转变温度的下限值T1，且在环境温度下具有足够的冲击韧性值。 钢材的冷作硬化 (2)时效硬化 钢材随存放时间延长，会出现屈服强度提高，弹性范 围增加，伸长率降低，这一性质称为时效effectiveness for a given period of time）硬化。这是因为随着时间的推移，钢材化学成分中的氮和碳逐渐析出，形成了自由的氮化物和碳化物，他们能起到阻止纯铁体晶粒间的滑移，约束塑性发展，从而提高钢材的强度，降低塑性。 破坏原因:钢构件上难免有微观裂纹（crack），如非金属杂质、扎制或加工时造成的微小裂纹等。在荷载作用下，受拉区的微裂纹尖端因应力集中而出现高应力区，并伴随双向或三向拉应力场，使钢材的塑性发展受到限制。在工作初期，由于应力较小，这些微小裂纹不会立刻引起构件断裂。但在长期反复荷载作用下，裂纹尖端的拉应力使裂