第二章：鋼結(jié)構(gòu)材料PPT課件

1 第2章鋼結(jié)構(gòu)的材料 Steelstructuralmaterials 一 概述 summarize 鋼結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣是由材料 設(shè)計(jì)計(jì)算 加工制造 運(yùn)輸安裝 使用維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)共同決定 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)材料的認(rèn)識(shí)非常重要 2 1 較高的抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) 減輕結(jié)構(gòu)自重 節(jié)約鋼材和降低造價(jià)抗拉強(qiáng)度 反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部組織的優(yōu)劣 增加結(jié)構(gòu)安全保障2 較高的塑性和韌性3 良好的加工工藝 冷加工 熱加工和焊接性能 2 2對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的材料要求 3 塑性破壞破壞前具有較大的塑性變形 只有應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度后才會(huì)發(fā)生破壞 破壞后的斷口呈纖維狀 色澤發(fā)暗 塑性破壞前總有較大的塑性變形發(fā)生 且變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng) 容易被發(fā)現(xiàn)和搶修加固 不至發(fā)生嚴(yán)重后果 塑性破壞前的較大塑性變形能力 可實(shí)現(xiàn)內(nèi)力重分布 鋼結(jié)構(gòu)的塑性設(shè)計(jì)正是利用了這種塑性變形能力 2 2鋼材的破壞形式 ruptureformofsteel 塑性破壞 plasticrupture 和脆性破壞 brittlerupture 4 脆性破壞破壞前塑性變形很小 或根本沒有塑性變形 突然迅速斷裂 破壞后斷口平直 呈有光澤的晶粒狀或有人字紋 破壞前沒有預(yù)兆 速度極快 無法察覺和補(bǔ)救 一旦發(fā)生常引發(fā)整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞 后果嚴(yán)重 因此在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 施工和使用過程中 要特別注意防止這種破壞的發(fā)生 5 標(biāo)準(zhǔn)試件 按照一定的要求 對(duì)表面進(jìn)行車削加工后的試件 非標(biāo)準(zhǔn)試件 不經(jīng)過加工 直接在線材上切取的試件 1 低碳鋼的拉伸性能 2 3鋼材在單向一次拉伸下的工作性能 6 單向一次拉伸試驗(yàn)可由曲線直接獲得 比例極限 p proportionallimit 屈服點(diǎn)fy yieldpoint 抗拉強(qiáng)度fu tensilestrength 伸長(zhǎng)率 5或 10 elongation 7 8 分段點(diǎn)擊動(dòng)畫顯示 鼠標(biāo)點(diǎn)擊 9 名義屈服點(diǎn)f0 2調(diào)質(zhì)處理的低合金鋼沒有明顯的屈服點(diǎn)和塑性平臺(tái) 這類鋼的屈服點(diǎn)是以卸載后試件中殘余應(yīng)變?yōu)? 2 所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力人為定義的 稱為名義屈服點(diǎn)或f0 2 10 斷面收縮率 試樣拉斷后 頸縮處橫斷面積的最大縮減量與原始橫斷面積的百分比 也是單調(diào)拉伸試驗(yàn)提供的一個(gè)塑性指標(biāo) 越大 塑性越好 在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 厚度方向性能鋼板 中 使用沿厚度方向的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件的斷面收縮率來定義Z向鋼的種類 如 分別大于或等于15 25 35 時(shí) 為Z15 Z25 Z35鋼 應(yīng)力 應(yīng)變曲線的簡(jiǎn)化計(jì)算模型理想彈塑性模型與實(shí)際誤差不大 11 冷彎性能 意義 鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下塑性應(yīng)變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標(biāo) 手段 冷彎試驗(yàn)作用 冷彎試驗(yàn)不僅檢驗(yàn)鋼材的彎曲變形能力或塑性能力 還能暴露鋼材內(nèi)部冶金曲線 12 在試驗(yàn)機(jī)上把試件彎曲180 以試件表面和側(cè)面不出現(xiàn)裂紋和分層為合格 焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材 應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證 冷彎試驗(yàn) 13 冷彎試驗(yàn)動(dòng)畫顯示 14 沖擊韌性與夏比缺口沖擊試驗(yàn) 沖擊韌性也稱缺口韌性 notchtoughness 是評(píng)定鋼材在沖擊荷載作用下抵抗脆性破壞能力的指標(biāo) 分析手段 沖擊試驗(yàn) 15 通常用帶有夏比V型缺口 CharpyV notch 的標(biāo)準(zhǔn)試件做沖擊試驗(yàn) 以擊斷試件所消耗的沖擊功大小來衡量鋼材抵抗脆性破壞的能力 16 沖擊試驗(yàn)動(dòng)畫顯示 17 沖擊韌性也叫沖擊功 用AKV或CV表示 單位為J 沖擊韌性與鋼材牌號(hào) 質(zhì)量等級(jí) 工作溫度有關(guān) 寒冷地區(qū)承受動(dòng)力荷載的重要結(jié)構(gòu) 應(yīng)對(duì)沖擊韌性指標(biāo)提出要求 以防脆性破壞 18 2 4各種因素對(duì)鋼材性能的影響 碳C除鐵以外的主要元素 是形成鋼材強(qiáng)度的主要成分 C fy fu 5 CV 冷彎性能 焊接性能和抗銹蝕性能等也變劣 C含量超過0 3 時(shí) 抗拉強(qiáng)度很高 但卻沒有明顯的屈服點(diǎn) 且塑性很小 2 4 1化學(xué)成分的影響 19 碳素鋼按碳的含量區(qū)分 小于0 25 的為低碳鋼 介于0 25 和0 6 之間的為中碳鋼 大于0 6 的為高碳鋼 含碳量超過0 2 時(shí) 鋼材的焊接性能將開始惡化 因此 規(guī)范推薦的鋼材 含碳量均不超過0 22 對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)則嚴(yán)格控制在0 2 以內(nèi) 20 硫S硫是有害元素 常以硫化鐵形式夾雜于鋼中 當(dāng)溫度達(dá)800 1000 時(shí) 硫化鐵會(huì)熔化使鋼材變脆 因而在進(jìn)行焊接或熱加工時(shí) 有可能引發(fā)熱裂紋 稱為熱脆 S CV 疲勞強(qiáng)度 冷彎性能 焊接性能和抗銹蝕性能等 21 非金屬硫化物夾雜經(jīng)熱加工后還會(huì)在厚鋼板中形成局部分層現(xiàn)象 在采用焊接連接的節(jié)點(diǎn)中 沿板厚方向承受拉力時(shí) 會(huì)發(fā)生層狀撕裂破壞 隨著鋼材牌號(hào)和質(zhì)量等級(jí)的提高 含硫量的限值由0 05 依次降至0 025 厚度方向性能鋼板的含硫量更限制在0 01 以下 22 磷P磷可提高鋼的強(qiáng)度和抗銹蝕能力 嚴(yán)重地降低鋼的塑性 韌性 冷彎性能和焊接性能 特別是在溫度較低時(shí)促使鋼材變脆 稱為冷脆 磷的含量也要嚴(yán)格控制 隨著鋼材牌號(hào)和質(zhì)量等級(jí)的提高 含磷量的限值由0 045 依次降至0 025 但是當(dāng)采取特殊的冶煉工藝時(shí) 磷可作為一種合金元素來制造含磷的低合金鋼 此時(shí)其含量可達(dá)0 12 0 13 23 錳Mn錳是有益元素 是一種弱脫氧劑 可提高鋼材強(qiáng)度 消除硫?qū)︿摰臒岽嘤绊?改善鋼的冷脆傾向 同時(shí)不顯著降低塑性和韌性 錳還是低合金鋼的主要元素 其含量為0 8 1 8 但錳對(duì)焊接性能不利 因此含量也不宜過多 24 硅Si硅是有益元素 在普通碳素鋼中 它是一種強(qiáng)脫氧劑 常與錳共同除氧 生產(chǎn)鎮(zhèn)靜鋼 適量的硅 可以細(xì)化晶粒 提高鋼的強(qiáng)度 而對(duì)塑性 韌性 冷彎性能和焊接性能無顯著不良影響 硅的含量在一般鎮(zhèn)靜鋼中為0 12 0 30 在低合金鋼中為0 2 0 55 過量的硅會(huì)惡化焊接性能和抗銹蝕性能 25 氧和氮 OandN 氧和氮屬于有害元素 氧與硫類似使鋼熱脆 氮的影響和磷類似 因此其含量均應(yīng)嚴(yán)格控制 但當(dāng)采用特殊的合金組分匹配時(shí) 氮可作為一種合金元素來提高低合金鋼的強(qiáng)度和抗腐蝕性 如在九江長(zhǎng)江大橋中已成功使用的15MnVN鋼 26 其它元素釩 鈮 鈦等元素加入適量 能細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化 提高鋼材的強(qiáng)度和韌性 又可保持良好的塑性 鋁是強(qiáng)脫氧劑 還能細(xì)化晶粒 可提高鋼的強(qiáng)度和低溫韌性 在要求低溫沖擊韌性合格保證的低合金鋼中 其含量不小于0 015 鉻 鎳是提高鋼材強(qiáng)度的合金元素 用于Q390及以上牌號(hào)的鋼材中 但其含量應(yīng)受限制 以免影響鋼材的其它性能 27 銅和鉻 鎳 鉬等 可在金屬表面形成保護(hù)層 提高鋼對(duì)大氣的抗腐蝕能力 耐候鋼中 銅含量為0 20 0 40 氫是有害元素 氫分子產(chǎn)生巨大的內(nèi)壓力 使鋼材開裂 稱為氫脆 鋼的強(qiáng)度等級(jí)越高 對(duì)氫脆越敏感 28 內(nèi)部晶體形狀的不均勻偏析 硫磷等富集非金屬夾雜 硫化物 氧化物氣孔縮孔凝固內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋 2 4 2鋼材的冶金缺陷 29 時(shí)效硬化 agehardening 氮和碳隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸由固溶體中析出 生成氮化物和碳化物 散存在鐵素體晶粒的滑動(dòng)界面上 對(duì)晶粒的塑性滑移起到遏制作用 從而使鋼材的強(qiáng)度提高 塑性和韌性下降 這種現(xiàn)象稱為時(shí)效硬化 也稱老化 產(chǎn)生時(shí)效硬化的過程一般較長(zhǎng) 但在振動(dòng)荷載 反復(fù)荷載及溫度變化等情況下 會(huì)加速發(fā)展 2 4 3鋼材的硬化 hardening 30 冷作硬化 或應(yīng)變硬化 冷加工使鋼材產(chǎn)生較大的塑性變形 卸荷后再重新加載 鋼材屈服點(diǎn)提高 塑性和韌性降低的現(xiàn)象 稱為冷作硬化 冷作時(shí)效 應(yīng)變時(shí)效 硬化在鋼材產(chǎn)生一定數(shù)量的塑性變形后 鐵素體晶體中的固溶氮和碳將更容易析出 從而使已經(jīng)冷作硬化的鋼材又發(fā)生時(shí)效硬化現(xiàn)象 稱為應(yīng)變時(shí)效硬化 31 冷作硬化的產(chǎn)生及避免方法對(duì)于比較重要的鋼結(jié)構(gòu) 要盡量避免局部冷作硬化現(xiàn)象的發(fā)生 如鋼材的剪切和沖孔 在剪斷的邊緣和沖出的孔壁處產(chǎn)生嚴(yán)重的冷作硬化 甚至出現(xiàn)微細(xì)的裂紋 促使鋼材局部變脆 避免方法 可將剪切處刨邊 沖孔用較小的沖頭 沖完后再行擴(kuò)鉆或完全改為鉆孔 32 2 4 4溫度的影響 temperatureinfluence 高溫的影響在150 以內(nèi) 鋼材強(qiáng)度 彈性模量和塑性均變化不大 耐熱 在250 左右 抗拉強(qiáng)度有局部性提高 伸長(zhǎng)率和斷面收縮率均降至最低 出現(xiàn)了所謂的藍(lán)脆現(xiàn)象 鋼材表面氧化膜呈藍(lán)色 熱加工應(yīng)避開這一溫度區(qū)段 在300 以后 強(qiáng)度和彈性模量均開始顯著下降 塑性顯著上升 達(dá)到600 時(shí) 強(qiáng)度幾乎為零 塑性急劇上升 處于熱塑性狀態(tài) 33 鋼材的絕熱 防火措施當(dāng)結(jié)構(gòu)可能受到熾熱熔化金屬的侵害時(shí) 應(yīng)采用磚或耐熱材料做成的隔熱層加以保護(hù) 當(dāng)結(jié)構(gòu)表面長(zhǎng)期受輻射熱達(dá)150 以上或在短時(shí)間內(nèi)可能受到火焰作用時(shí) 應(yīng)采取有效的防護(hù)措施 如加隔熱層或水套等 按國(guó)家防火規(guī)范 根據(jù)建筑物的防火等級(jí)對(duì)不同構(gòu)件所要求的耐火極限進(jìn)行設(shè)計(jì) 選擇合適的防火保護(hù)層 包括防火涂料等的種類 涂層或防火層的厚度及質(zhì)量要求等 34 低溫的影響溫度越低 鋼材的沖擊韌性越差 端面晶粒區(qū)所占面積越大 越表現(xiàn)為脆性破壞 反彎點(diǎn)為脆性轉(zhuǎn)變溫度 在直接承受動(dòng)力作用的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 應(yīng)使鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于工作溫度 從而選擇具有不同沖擊韌性指標(biāo)的鋼材 對(duì)Q235鋼 除A級(jí)不要求外 其它各級(jí)鋼均取CV 27J 對(duì)低合金高強(qiáng)度鋼 除A級(jí)不要求外 E級(jí)鋼采用CV 27J 其它各級(jí)鋼均取CV 34J 35 2 4 5應(yīng)力集中的影響 stressconcentrationinfluence 36 37 應(yīng)力集中的特點(diǎn)在孔洞 槽口 截面突然改變以及鋼材內(nèi)部缺陷的位置 應(yīng)力分布不再保持均勻 產(chǎn)生應(yīng)力集中 對(duì)于厚板甚至?xí)a(chǎn)生三向拉應(yīng)力狀態(tài) 通常出現(xiàn)同號(hào)力場(chǎng) 鋼材強(qiáng)度有所提高 但塑性降低 容易發(fā)生變脆破壞 應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度用應(yīng)力集中系數(shù)衡量 缺口邊緣沿受力方向的最大應(yīng)力 max和按凈截面的平均應(yīng)力 0 N An的比值稱為應(yīng)力集中系數(shù) 即k max 0 因此 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)的形狀和構(gòu)造合理 防止截面的突然改變 在進(jìn)行焊接構(gòu)造設(shè)計(jì)和施工時(shí) 應(yīng)盡量減少焊接殘余應(yīng)力 38 疲勞 鋼材在連續(xù)交變荷載作用下 會(huì)逐漸累積損傷 產(chǎn)生裂紋及裂紋逐漸擴(kuò)展 直到最后破壞 此現(xiàn)象稱為疲勞 高周疲勞的斷裂壽命較長(zhǎng) 斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n 5 104 斷裂應(yīng)力水平較低 fy 因此也稱低應(yīng)力疲勞或疲勞 一般常見的疲勞多屬于這類 低周疲勞的斷裂壽命較短 破壞前的循環(huán)次數(shù)n 102 5 104 斷裂應(yīng)力水平較高 fy 伴有塑性應(yīng)變發(fā)生 因此也稱為應(yīng)變疲勞或高應(yīng)力疲勞 2 4 5循環(huán)荷載的影響 39 防止脆性斷裂的方法 合理設(shè)計(jì)正確選用鋼材 不宜采用比實(shí)際需要強(qiáng)度更高的材料 低溫下受動(dòng)力荷載時(shí) 應(yīng)使所選鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于結(jié)構(gòu)的工作溫度 應(yīng)盡量使用較薄的型鋼和板材 40 構(gòu)造力求合理 避免構(gòu)件截面的突然改變 減少應(yīng)力集中 采取構(gòu)造措施以防斷裂的失穩(wěn)擴(kuò)展 連接應(yīng)盡量采用螺栓連接 采用焊接連接時(shí) 應(yīng)避免焊縫的密集和交叉 盡量采用焊接殘余應(yīng)力小的構(gòu)造形式 41 正確制造嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行制作 例如不得隨意進(jìn)行鋼材代換 不得隨意將螺栓連接改為焊接連接 不得隨意加大焊縫厚度等等 應(yīng)盡量采用鉆孔或沖孔后再擴(kuò)鉆 以及對(duì)剪切邊進(jìn)行刨邊等方法來避免冷作硬化現(xiàn)象 為保證焊接質(zhì)量 減少焊接應(yīng)力 應(yīng)制定合理的焊接工藝和技術(shù)措施 并由考試合格的焊工施焊 必要時(shí)可采用熱處理方法消除主要構(gòu)件中的焊接殘余應(yīng)力 42 焊接中不得在構(gòu)件上任意打火起弧 在制作和安裝過程中所造成的缺陷 如定位焊縫 引弧板 吊裝輔件等均應(yīng)進(jìn)行清理和修復(fù) 制作和安裝過程中及完成后 要嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量檢驗(yàn)制度 43 合理使用不得隨意改變結(jié)構(gòu)使用用途或任意超負(fù)荷使用結(jié)構(gòu) 原設(shè)計(jì)在室溫工作的結(jié)構(gòu) 在冬季停產(chǎn)檢修時(shí)要注意保暖 不在主要結(jié)構(gòu)上任意焊接附加零件懸掛重物 避免因生產(chǎn)和運(yùn)輸不當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)造成撞擊或機(jī)械損傷 平時(shí)應(yīng)注意檢查和維護(hù)等 44 2 5鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件 單調(diào)拉伸試驗(yàn)得到的屈服點(diǎn)是鋼材在單向應(yīng)力作用下的屈服條件 實(shí)際結(jié)構(gòu)中 鋼材常常受到平面或三向應(yīng)力作用 根據(jù)形狀改變比能理論 或稱剪應(yīng)變能量理論 鋼在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)由彈性過渡到塑性的條件 45 Mises屈服條件 平面或三向應(yīng)力狀態(tài)時(shí) 屈服條件由形狀改變比能理論得到 折算應(yīng)力為 46 以主應(yīng)力表示的折算應(yīng)力為 單元體內(nèi)剪應(yīng)力等于零的截面就稱為主平面 主平面上的正應(yīng)力是單元體內(nèi)各截面上正應(yīng)力的極值 稱為主應(yīng)力 可以看出 當(dāng) 1 2 3為同號(hào)應(yīng)力且數(shù)值接近時(shí) 即使各自都遠(yuǎn)大于fy 折算應(yīng)力 zs仍小于fy 說明鋼材很難進(jìn)入塑性狀態(tài) 當(dāng)為三向同號(hào)應(yīng)力場(chǎng)時(shí) 甚至直到破壞也沒有明顯的塑性變形產(chǎn)生 表現(xiàn)為脆性破壞 相反 在異號(hào)應(yīng)力場(chǎng)下 鋼材會(huì)較早地進(jìn)入塑性狀態(tài) 表現(xiàn)為較好的塑性破壞 47 Mises屈服條件的典型應(yīng)用 在平面應(yīng)力狀態(tài)下 如鋼材厚度較薄時(shí) 厚度方向應(yīng)力很小 ?？珊雎圆挥?jì) 如受局部壓應(yīng)力作用的梁的腹板 上式成為 當(dāng)只有正應(yīng)力和剪應(yīng)力時(shí) 如不受局部壓應(yīng)力作用的梁的腹板 當(dāng)承受純剪應(yīng)力時(shí) 所以得到鋼材的抗剪強(qiáng)度為 48 2 6鋼材的疲勞 steelfatigue 產(chǎn)生疲勞破壞的原因 在反復(fù)荷載作用下 循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)在應(yīng)力高峰處出現(xiàn)微裂紋 原因 逐漸擴(kuò)展形成宏觀裂紋裂縫不斷擴(kuò)展 有效面積減小 應(yīng)力集中現(xiàn)象更加嚴(yán)重裂縫開展嚴(yán)重削弱截面 在外力作用下發(fā)生脆性破壞 49 2 6 1疲勞 高周疲勞 破壞的特征 屬于高周低應(yīng)變疲勞 即總應(yīng)變幅小 破壞前荷載循環(huán)次數(shù)多 應(yīng)力幅的概念 為應(yīng)力譜中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差 50 疲勞的種類常幅疲勞 常幅交變荷載 引起常幅循環(huán)應(yīng)力 簡(jiǎn)稱循環(huán)應(yīng)力 轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械零件可能發(fā)生常幅疲勞破壞 變幅疲勞 變幅交變荷載 引起變幅循環(huán)應(yīng)力 簡(jiǎn)稱變幅應(yīng)力 吊車梁 吊車橋 鋼橋等可能發(fā)生變幅疲勞破壞 51 疲勞破壞特征疲勞破壞具有突然性 破壞前沒有明顯的宏觀塑性變形 屬于脆性斷裂 與一般脆斷不同 疲勞是在名義應(yīng)力低于屈服點(diǎn)的低應(yīng)力循環(huán)下 經(jīng)歷了長(zhǎng)期的累積損傷過程后才突然發(fā)生的 破壞經(jīng)歷裂紋的萌生 裂紋的緩慢擴(kuò)展和最后迅速斷裂 三個(gè)階段 因此疲勞破壞是有壽命的破壞 是延時(shí)斷裂 疲勞破壞的斷口與一般脆性斷口不同 可分為三個(gè)區(qū)域 裂紋源 裂紋擴(kuò)展區(qū)和斷裂區(qū) 疲勞對(duì)缺陷 包括缺口 裂紋及組織缺陷等 十分敏感 52 53 影響疲勞的主要因素細(xì)部構(gòu)造狀況局部缺陷 軋制時(shí)形成的微裂紋 加工時(shí)形成的刻槽 孔洞 裂紋等 殘余應(yīng)力 應(yīng)力集中等 應(yīng)力幅 應(yīng)力比 最小應(yīng)力和最大應(yīng)力絕對(duì)值之比 不是衡量疲勞強(qiáng)度的主要因素 而與應(yīng)力幅相關(guān) 荷載循環(huán)次數(shù)常幅疲勞時(shí)為5 104以上時(shí)需要考慮疲勞出現(xiàn)拉應(yīng)力與鋼材靜力強(qiáng)度沒有明顯關(guān)系 54 應(yīng)力幅與疲勞壽命的關(guān)系 2 6 2常幅疲勞 應(yīng)力幅與疲勞壽命之間為負(fù)指數(shù)的冪函數(shù)關(guān)系任意一個(gè)應(yīng)力幅 1 就有一個(gè)循環(huán)n1壽命與之對(duì)應(yīng) 說明在該應(yīng)力幅值下循環(huán)n1次 構(gòu)件或連接就會(huì)發(fā)生疲勞破壞 55 容許應(yīng)力幅 將圖中的虛線延長(zhǎng)與橫坐標(biāo)交于點(diǎn)lgC 設(shè)該線對(duì)縱坐標(biāo)的斜率為 1 則對(duì)應(yīng)疲勞壽命n的容許應(yīng)力幅可由兩個(gè)相似三角形的關(guān)系求出 56 試驗(yàn)參數(shù)C 的確定 為設(shè)計(jì)方便 規(guī)范將各類型的構(gòu)件和連接 按連接方式和受力特點(diǎn) 并適當(dāng)照顧 n曲線族的等間隔設(shè)置 歸納劃分為8類 各類直線斜率的倒數(shù) 取整數(shù) 其中1 2類的 為 4 3 8類的 取為 3 57 從每類直線與橫坐標(biāo)的截距l(xiāng)gC中可求出C 各類的 和C見下表 58 常幅疲勞的校核準(zhǔn)則 由于疲勞問題的復(fù)雜性 目前尚沒有條件采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 仍然采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法 進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算時(shí) 應(yīng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值 由于確定容許應(yīng)力幅的試驗(yàn)中自動(dòng)包括了動(dòng)力作用 故內(nèi)力計(jì)算中也不再乘以動(dòng)力系數(shù) 常幅疲勞的統(tǒng)一校核準(zhǔn)則為 對(duì)焊接部位為應(yīng)力幅 max min 對(duì)非焊接部位為折算應(yīng)力幅 max 0 7 min max 最大拉應(yīng)力 取正 min 最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力 拉應(yīng)力取正 壓應(yīng)力取負(fù) 常幅疲勞的容許應(yīng)力幅 單位為N mm2 59 變幅疲勞的計(jì)算原理 2 6 3變幅疲勞 基本思想 根據(jù)Miner線性累積損傷準(zhǔn)則 將變幅應(yīng)力幅折算為常幅等效應(yīng)力幅 e 然后按常幅疲勞進(jìn)行校核 設(shè)某個(gè)構(gòu)件或連接的設(shè)計(jì)應(yīng)力譜由若干個(gè)不同應(yīng)力幅水平 i的常幅循環(huán)應(yīng)力組成 每個(gè)應(yīng)力幅水平 i所對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為ni 相對(duì)的疲勞壽命為Ni Miner的線性累積損傷準(zhǔn)則為 60 61 與常幅疲勞相同 根據(jù)公式 2 5 3 可得每一個(gè)應(yīng)力幅水平下的疲勞壽命 則由 可得 設(shè)想另有一等效常幅疲勞應(yīng)力幅 e 循環(huán) ni次后 也使該部件產(chǎn)生疲勞破壞 則有 于是 62 則等效應(yīng)力幅 ni 以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命 ni 預(yù)期壽命內(nèi)應(yīng)力幅水平為 i的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 欠載效應(yīng)系數(shù) 欠載系數(shù) f為循環(huán)次數(shù)為2 106時(shí)對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力幅與設(shè)計(jì)應(yīng)力幅 最大應(yīng)力幅 的比值 63 吊車梁的疲勞驗(yàn)算 根據(jù)已有設(shè)計(jì)應(yīng)力譜的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 使用欠載系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì) f 欠載效應(yīng)的等效系數(shù) 對(duì)重級(jí)工作制硬鉤吊車為1 0 軟鉤吊車為0 8 對(duì)中級(jí)工作制吊車為0 5 吊車標(biāo)準(zhǔn)輪壓下的試驗(yàn)應(yīng)力幅 即最大應(yīng)力幅 2E6 等幅疲勞時(shí) 循環(huán)次數(shù)n 疲勞壽命 為2 106次的容許應(yīng)力幅 64 疲勞驗(yàn)算采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法 而不采用以概率理論為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法 應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)荷載求解內(nèi)力 而且應(yīng)力按彈性工作計(jì)算 只要應(yīng)力幅超過容許值就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋 但由于裂紋形成同時(shí) 殘余應(yīng)力會(huì)自行釋放 在完全壓應(yīng)力循環(huán)中 裂紋不會(huì)繼續(xù)發(fā)展 在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位可不必計(jì)算疲勞 結(jié)構(gòu)鋼材靜力強(qiáng)度對(duì)焊接構(gòu)件和連接的疲勞強(qiáng)度無顯著影響 可以認(rèn)為疲勞容許應(yīng)力幅與鋼材牌號(hào)無關(guān) 2 6 4疲勞驗(yàn)算中一些值得注意的問題 65 鋼材的生產(chǎn) steelprocess 66 煉鋼高溫下通過氧化作用除去生鐵中多余的碳和其它雜質(zhì) 使它們轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸镞M(jìn)入渣中 或成氣體逸出 含碳量在2 06 以下的鐵碳合金稱為碳素鋼 常用的煉鋼爐有 平爐 轉(zhuǎn)爐和電爐 電爐煉鋼是利用電熱原理 以廢鋼和生鐵等為主要原料 在電弧爐內(nèi)冶煉 不與空氣接觸 易于清除雜質(zhì)和嚴(yán)格控制化學(xué)成分 煉成的鋼質(zhì)量好 但因耗電量大 成本高 一般只用來冶煉特種用途的鋼材 67 轉(zhuǎn)爐煉鋼是利用高壓空氣或氧氣使?fàn)t內(nèi)生鐵熔液中的碳和其它雜質(zhì)氧化 在高溫下使鐵液變?yōu)殇撘?氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉的鋼中有害元素和雜質(zhì)少 質(zhì)量和加工性能優(yōu)良 且可根據(jù)需要添加不同的元素 冶煉碳素鋼和合金鋼 由于氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐可以利用高爐煉出的生鐵熔液直接煉鋼 生產(chǎn)周期短 效率高 質(zhì)量好 成本低 已成為國(guó)內(nèi)外發(fā)展最快的煉鋼方法 68 平爐煉鋼是利用煤氣或其它燃料供應(yīng)熱能 把廢鋼 生鐵熔液或鑄鐵塊和不同的合金元素等冶煉成各種用途的鋼 平爐的原料廣泛 容積大 產(chǎn)量高 冶煉工藝簡(jiǎn)單 化學(xué)成分易于控制 煉出的鋼質(zhì)量?jī)?yōu)良 但平爐煉鋼周期長(zhǎng) 效率低 成本高 現(xiàn)已逐漸被氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼所取代 69 按鋼材的脫氧方法和程度的分類沸騰鋼 半鎮(zhèn)靜鋼 鎮(zhèn)靜鋼 特殊鎮(zhèn)靜鋼沸騰鋼采用脫氧能力較弱的錳作脫氧劑 脫氧不完全 鋼液進(jìn)入鋼錠模時(shí)有氣體逸出 出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象 冷卻很快 一氧化碳不能全部逸出 凝固后鋼材中有較多的氧化鐵夾雜和氣孔 鋼的質(zhì)量較差 現(xiàn)在已較少有供貨 70 鎮(zhèn)靜鋼采用錳加硅作脫氧劑 脫氧較完全 硅在還原氧化鐵的過程中還會(huì)產(chǎn)生熱量 使鋼液冷卻緩慢 使氣體充分逸出 澆注時(shí)不會(huì)出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象 這種鋼質(zhì)量好 但成本高 半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介于上述二者之間 特殊鎮(zhèn)靜鋼是在錳硅脫氧后 再用鋁補(bǔ)充脫氧 脫氧程度高于鎮(zhèn)靜鋼 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼一般都是鎮(zhèn)靜鋼 71 鋼材的加工 steelprocessing 熱加工 冷加工 熱處理三種 熱加工熱加工可使晶粒變細(xì) 在高溫和壓力下壓合鋼坯中的氣孔 裂紋 改善力學(xué)性能 壁厚較薄的熱軋型鋼和鋼板 因輥軋次數(shù)較多 其強(qiáng)度 塑性 韌性和焊接性能均優(yōu)于厚板和厚壁型鋼 鋼材強(qiáng)度按板厚分組就是這個(gè)緣故 72 熱加工使鋼材沿軋制方向 縱向 的性能優(yōu)于垂直軋制方向 橫向 的性能 使其各向異性增大 鋼中的硫化物和氧化物等經(jīng)軋制之后被壓成薄片 對(duì)厚板來說更容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象 沿厚度方向受力時(shí)可能出現(xiàn)層狀撕裂現(xiàn)象 73 冷加工包括冷軋 冷彎 冷拔等延伸性加工 也包括剪 沖 鉆 刨等切削性加工 如冷軋卷板和冷軋鋼板 冷彎薄壁型鋼和壓型鋼板 鋼絲束 鋼絞線或鋼絲繩 冷加工后會(huì)產(chǎn)生局部或整體硬化 提高了鋼材的強(qiáng)度和硬度 卻降低了塑性和韌性 這種現(xiàn)象稱為冷作硬化 或應(yīng)變硬化 優(yōu)點(diǎn) 冷拔高強(qiáng)度鋼絲就是充分利用了冷作硬化現(xiàn)象 冷彎薄壁型鋼在強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí) 可有條件地利用這種強(qiáng)度提高現(xiàn)象 缺點(diǎn) 多數(shù)情況下會(huì)造成鋼材冷硬變脆 成為脆裂的起因 對(duì)于重要結(jié)構(gòu) 要盡量避免局部冷加工硬化的發(fā)生 74 熱處理熱處理是將鋼在固態(tài)范圍內(nèi) 施以不同的加熱 保溫和冷卻措施 改變其內(nèi)部組織構(gòu)造 達(dá)到改善鋼材性能的一種加工工藝 鋼材的普通熱處理包括退火 正火 淬火和回火四種基本工藝 如Q420C D E和高強(qiáng)螺栓等都是要經(jīng)過熱處理的 75 2 7建筑用鋼的種類 規(guī)格和選用 碳素結(jié)構(gòu)鋼按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 碳素結(jié)構(gòu)鋼 GB T700生產(chǎn)的鋼材共有Q195 Q215 Q235 Q255和Q275種品牌 板材厚度不大于16mm的相應(yīng)牌號(hào)鋼材的屈服點(diǎn)分別為195 215 235 255和275N mm2 2 7 1建筑用鋼的種類 kindsofconstructionsteel 76 其中Q235含碳量在0 22 以下 屬于低碳鋼 鋼材的強(qiáng)度適中 塑性 韌性均較好 該牌號(hào)鋼材又根據(jù)化學(xué)成分和沖擊韌性的不同劃分為A B C D共4個(gè)質(zhì)量等級(jí) 按字母順序由A到D 表示質(zhì)量等級(jí)由低到高 除A級(jí)外 其它三個(gè)級(jí)別的含碳量均在0 20 以下 焊接性能也很好 規(guī)范將Q235牌號(hào)的鋼材選為承重結(jié)構(gòu)用鋼 77 碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母Q 屈服點(diǎn)數(shù)值 N mm2 質(zhì)量等級(jí)符號(hào) 脫氧方法符號(hào)等四個(gè)部分組成 符號(hào) F 代表沸騰鋼 b 代表半鎮(zhèn)靜鋼 符號(hào) Z 和 TZ 分別代表鎮(zhèn)靜鋼和特種鎮(zhèn)靜鋼 在具體標(biāo)注時(shí) Z 和 TZ 可以省略 例如Q235B代表屈服點(diǎn)為235N mm2的B級(jí)鎮(zhèn)靜鋼 78 79 80 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 GB T1591生產(chǎn)的鋼材共有Q295 Q345 Q390 Q420和Q460等5種牌號(hào) 板材厚度不大于16mm的相應(yīng)牌號(hào)鋼材的屈服點(diǎn)分別為295 345 390 420和460N mm2 這些鋼的含碳量均不大于0 20 強(qiáng)度的提高主要依靠添加少量幾種合金元素來達(dá)到 合金元素的總量低于5 故稱為低合金高強(qiáng)度鋼 81 其中Q345 Q390和Q420均按化學(xué)成分和沖擊韌性各劃分為A B C D E共5個(gè)質(zhì)量等級(jí) 字母順序越靠后的鋼材質(zhì)量越高 這三種牌號(hào)的鋼材均有較高的強(qiáng)度和較好的塑性 韌性 焊接性能 被規(guī)范選為承重結(jié)構(gòu)用鋼 A B級(jí)為鎮(zhèn)靜鋼 C D E級(jí)為特種鎮(zhèn)靜鋼 故可不加脫氧方法的符號(hào) 82 83 84 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼的主要區(qū)別在于鋼中含雜質(zhì)元素較少 磷 硫等有害元素的含量均不大于0 035 其它缺陷的限制也較嚴(yán)格 具有較好的綜合性能 可按不熱處理和熱處理狀態(tài)交貨 價(jià)格較高 鋼結(jié)構(gòu)僅用經(jīng)熱處理的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼冷拔高強(qiáng)鋼絲或制作高強(qiáng)螺栓 自攻螺釘?shù)?85 其它建筑用鋼當(dāng)焊接承重結(jié)構(gòu)為防止鋼材的層狀撕裂而采用Z向鋼時(shí) 應(yīng)符合 厚度方向性能鋼板 GB T5313的規(guī)定 處于外露環(huán)境對(duì)耐腐蝕有特殊要求或在腐蝕性氣 固態(tài)介質(zhì)作用下的承重結(jié)構(gòu)采用耐候鋼時(shí) 應(yīng)滿足 焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼 GB T4172的規(guī)定 當(dāng)在鋼結(jié)構(gòu)中采用鑄鋼件時(shí) 應(yīng)滿足 一般工程用鑄造碳鋼件 GB T11352的規(guī)定等 86 鋼板 steelplate 鋼板有厚鋼板 薄鋼板 扁鋼 或帶鋼 之分 厚鋼板常用做大型梁 柱等實(shí)腹式構(gòu)件的翼緣和腹板 以及節(jié)點(diǎn)板等 薄鋼板主要用來制造冷彎薄壁型鋼 扁鋼可做焊接組合梁 柱翼緣板 各種連接板 加勁肋等 鋼板截面的表示方法為在符號(hào) 后加 寬度 厚度 如 200 20等 鋼板的供應(yīng)規(guī)格如下 厚鋼板 厚度4 5 60mm 寬度600 3000mm 長(zhǎng)度4 12m 薄鋼板 厚度0 35 4mm 寬度500 1500mm 長(zhǎng)度0 5 4m 扁鋼 厚度4 60mm 寬度12 200mm 長(zhǎng)度3 9m 2 7 2鋼材的規(guī)格 steelspecification 87 鋼板截面的表示方法為在符號(hào) 后加 寬度 厚度 如 200 20等 鋼板的供應(yīng)規(guī)格如下 厚鋼板 厚度4 5 60mm 寬度600 3000mm 長(zhǎng)度4 12m 薄鋼板 厚度0 35 4mm 寬度500 1500mm 長(zhǎng)度0 5 4m 扁鋼 厚度4 60mm 寬度12 200mm 長(zhǎng)度3 9m 88 熱軋型鋼 hotrolledshapesteel 常用的有角鋼 angleiron 工字鋼 doubleiron 槽鋼 steelchannel 等 角鋼分為等邊 等肢 的和不等邊 不等肢 的兩種 主要用來制作桁架等格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的桿件和支撐等連接桿件 角鋼型號(hào)的表示方法為在符號(hào) L 后加 長(zhǎng)邊寬 短邊寬 厚度 對(duì)不等邊角鋼 如L125 80 8 或加 邊長(zhǎng) 厚度 對(duì)等邊角鋼 如L125 8 目前我國(guó)生產(chǎn)的角鋼最大邊長(zhǎng)為200mm 角鋼的供應(yīng)長(zhǎng)度一般為4 19m 89 角鋼圖片 90 工字鋼有普通工字鋼 輕型工字鋼和H型鋼三種 91 普通工字鋼和輕型工字鋼的兩主軸方向的慣性矩相差較大 不宜用作受壓構(gòu)件 而宜用作腹板平面內(nèi)受彎構(gòu)件 或由工字鋼和其它型鋼組成的組合構(gòu)件或格構(gòu)式構(gòu)件 寬翼緣H型鋼平面內(nèi)外的回轉(zhuǎn)半徑較接近 可單獨(dú)用作受壓構(gòu)件 普通工字鋼的型號(hào)用符號(hào) I 后加截面高度的厘米數(shù)來表示 20號(hào)以上的工字鋼 又按腹板的厚度不同 分為a b或a b c等類別 例如I20a表示高度為200mm 腹板厚度為a類的工字鋼 輕型