1第一章 钢结构材料和计算方法.ppt

钢结构 第一章 钢结构的材料和计算方法 本章包括如下六节内容： 第一节 钢材的主要性能 第二节 影响钢材力学性能的主要因素 第三节 钢材的疲劳 第四节 钢材的钢号及选用 第五节 轧成钢材的规格及用途 第六节 钢结构的计算方法 第一节 钢材的主要性能 1.塑性破坏：钢材在产生不可恢复的塑性变形后发生的断裂破坏称为塑性屈服破坏，也称为延性破坏。 2.脆性破坏：钢材在变形很小的情况下突然发生断裂,也称为脆断。 钢结构对所用材料的要求 强度fy、fu高。强度高可减轻结构自重。 塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，抗动力荷载好，耐疲劳。 良好的加工性能，冷、热加工和可焊性好。 耐腐蚀性能好。 价格低。 有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的能力。 《钢结构设计规范（GB50017)》推荐使用：碳素结构钢中的Q235钢、低合金结构钢中的Q345钢、Q390钢、Q420钢。 随着研究的深入，必将有一些满足要求的其它种类钢材可供使用。若选用钢结构设计规范还未推荐的钢材时，需有可靠的依据，以确保钢结构的质量。 专用钢结构用材见相关规范。 二、钢材的主要机械性能 钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行。 (1)弹性阶段σ≤fp，σ与ε呈线性关系，称该直线的斜率E为钢材的弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢材统一取E =2.06×105N/mm2 。 (2)弹塑性阶段σ与ε呈非线性关系，切线模量Et＝dσ/dε, Et随应力增大而减小，当σ= fy 时，Et=0。 (3)塑性阶段也称屈服阶段，σ= fy后钢材暂时不能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，因此钢结构设计取fy作为强度极限承载力的标志。 (4)强化阶段 试件能承受的最大拉应力fu为钢材的抗拉强度。取fy作为强度极限承载力的标志，fu就成为材料的强度储备。 (5)颈缩破坏阶段 (6)可把钢材视为理想弹塑性体。 (7)伸长率δ =(l1-l0)/ l0*100% ,反映钢材的塑性变形能力。 2.钢材抗拉、压和弯的性能相同 屈服极限相同。 3、冷弯性能 将试件弯成180o，若试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。综合反映钢材的塑性性能和冶金质量。重要结构中需要有良好的冷热加工性能时，应有冷弯合格保证。 4、冲击韧性 冲击韧性值用击断试样所需的冲击功AKV表示,单位为J。 冲击韧性与温度有关，当温度低于某一负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在寒冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构，除应有常温冲击韧性的保证外，尚应依钢材的类别，使其具有-20oC 或-40oC的冲击韧性保证，应AKV ≥27J（焦耳）。 5、钢材受压和受剪时的性能 钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似，但屈服点τy及抗剪强度τu均低于fy和fu；剪变模量G也低于弹性模量E。 第二节 影响钢材力学性能的主要因素 碳(C )、锰（Mn）、钒（V）是有利元素，但也要注意对含量的限制。 硫（S）、磷（P）氧（O）、氮（N）会降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应严格限制含量。 二、钢材生产过程的影响 冶炼炉种的影响----已无必要强调炉种的影响。 钢的脱氧----钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不同，把钢分为沸腾钢(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(Z)和特殊镇静钢(TZ)。 钢材的轧制----将钢锭加热至1200～1300o C ，通过轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧钢材。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。钢材的压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大时，其强度和冲击韧性也愈高。 三、温度的影响 正温度范围内（t0oC）:t200oC时，钢材的性能变化不大。t在250oC左右，钢材塑性和韧性下降，破坏常呈脆性破坏特征。t =(260～320)oC时，钢材有徐变现象。t300oC时，钢材的强度和E开始显著下降，而δ显著增大。当t400oC时，钢材的强度和E都急剧降低，t600oC时其承载能力几乎丧失。 在负温度范围内（t0oC）：随着温度降低，塑性和韧性降低，材料变脆，称为低温冷脆。钢材冲击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温度t0称为脆性转变温度。设计选用钢材时应使其脆性转变温度区的下限温度t1低于结构所处的工作环境温度，即可保证钢结构低温工作的安全。 四、冷加工硬化和时效硬化 1、冷作硬化 钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、冷弯、冲孔、机