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桥梁钢结构
第18章
钢结构是由型钢和钢板采用焊接或螺栓连接方法制作成基本构件,并按照设计构造要求连接组成的承重结构。
钢结构的优点:1)材质均匀,可靠性高;2)强度高,质量轻;3)材料塑性和韧性好;4)制造安装方便;5)具有可焊性和密封性;6)耐热性较好。
钢结构的缺点:1)耐火性差;2)耐腐蚀性差。
钢材受力的五个阶段:1)弹性阶段;2)弹塑性阶段;3)屈服阶段;4)强化阶段;5)颈缩阶段。
试件拉断后标距长度的伸长量Δl与原标距长度l0的比值δ称为钢材拉伸的伸长率,即(l1为试件拉断后标距部分的长度)。
钢材的抗拉强度fu是钢材抗破断能力的极限。钢材屈服强度与抗拉强度之比fy/fu称为屈强比。fy/fu越大,强度储备越小,fy/fu越小,强度储备越大。
fy/fu一般为0.6~0.75
钢材的三项主要力学性能指标:钢材的屈服强度fy、抗拉强度fu以及伸长率δ
钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对裂纹的抵抗能力的一项指标。
钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下吸收机械能的能力,是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击作用而导致脆性断裂的一项力学性能指标。钢材的冲击韧性与钢材质量、试件缺口、加载速度以及温度有关。
钢结构应选用无缺陷,特别是无缺口和裂纹的钢材;在负温条件下使用的钢结构应尽量采用较小厚度的钢材;对在常温或低温下工作的结构用钢材应满足其冲击韧性的要求。
我国公路钢桥推荐使用Q235、Q345、Q390和Q420钢材。
钢材的可焊性好是指在一定工艺和构造条件下,钢材经过焊接后能够获得良好的性能。含碳量为0.12%~0.20%时,焊接性能最好,含碳量超过0.20%时,焊缝及热影响区容易变脆。
硫是钢材中的有害元素。硫的含量过大不利于钢材的焊接和热加工,还使钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈蚀性能大大降低。“热脆”现象。
磷也是钢材中一种有害元素。磷的含量过高将严重降低钢材的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性能等。“冷脆”现象。
氧和氮也属于钢材中的有害杂质。氧的影响和硫类似,使钢材发生“热脆”;氮的影响和磷相似,使钢材发生“冷脆”。
钢材中常见的冶金缺陷有偏析(钢材中化学成分的不均匀性)、非金属夹杂裂纹、气孔和分层等,它们都对钢材的力学性能产生不利影响。
冶炼方法主要有碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法和碱性侧吹转炉炼钢法。
根据脱氧程度的不同,钢可分为沸腾钢、半沸腾钢、镇静钢和特殊镇静钢。
时效硬化:钢材随时间的进展而产生的屈服强度和抗拉强度提高、伸长率和冲击韧性降低的效应。不同种类钢材的时效硬化过程和时间长短不同,可从几小时到数十年。
当温度降低到某一数值时(冷脆临界温度),钢材的冲击韧性急剧下降,钢材的破坏特征明显地由塑性破坏变为脆性破坏,这种现象称为钢材的低温冷脆现象。冷脆临界温度与钢材的韧性有关,韧性越好的钢材冷脆临界温度越低。
应力集中:在钢结构构件中不可避免地存在孔洞、槽口、裂缝、厚度变化以及内部缺陷等,致使构件截面突然改变,在外力作用下,这些截面突变的某些部位将产生局部峰值应力,而同一截面其余部位的应力却较低且分布极不均匀的现象。
应力集中系数ξ表达式:
钢材在连续反复荷载作用下,其应力虽然没有达到抗拉强度,甚至还低于屈服强度,也可能发生突然破坏,这种现象称为疲劳破坏。钢材在疲劳破坏之前,没有明显的变形,是一种突然发生的断裂,所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。
疲劳破坏的三个阶段:裂纹的形成、裂纹缓慢扩展、最后迅速断裂而破坏。
影响钢材疲劳强度的主要因素:1)应力集中程度;2)应力比和应力幅;3)应力循环次数n
循环中绝对值最小的峰值应力σmin与绝对值最大的峰值应力σmax之比ρ=σmin/σmax称为应力比。
焊接结构的疲劳性能直接与应力幅Δσ=σmax-σmin有关,而与应力比ρ的关系不是非常密切。σxσyσz
钢材在复杂应力作用下不发生屈服的条件为:σred≤fy 。当σred≤fy时,钢材处于弹性阶段;当σred>fy时,钢材处于塑性状态。
钢材的分类
按用途可分为:结构钢、工具钢和特殊用途钢;
按冶炼方法可分为:转炉钢和平炉钢;
按脱氧方法可分为:沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢;
按硫、磷含量和质量控制可分为:高级优质钢、优质钢和普通钢;
按成型方法可分为:轧制钢、锻钢和铸钢;
按化学成分可分为:碳素结构钢和低合金高强度结构钢。
在桥梁结构中,主要采用碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢
钢材的规格:1)钢板、2)型钢:角钢、工字钢、槽钢、H型钢和T型钢、钢管
钢材选用考虑的因素:1)结构的重要性;2)荷载性质;3)连接方法;4)工作环境;5)钢材的厚度
第19章
钢材的破坏形式:塑性破坏和脆性破坏
钢材塑性破坏的主要特征是破坏前构件产生明
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