鋼結(jié)構(gòu)課件全套-1-4章-PPT

1、1.了解鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用。2.掌握鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)要求。3.了解鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況。1.1 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1.2 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范1.4 鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展1.5 本課程的主要內(nèi)容和特點(diǎn)本章目錄基本要求第1.1節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1. 鋼結(jié)構(gòu)的定義2. 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)了解鋼結(jié)構(gòu)的定義和特點(diǎn) 本節(jié)目錄基本要求1.1.1 鋼結(jié)構(gòu)的定義定義：由鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼等鋼材為主建造的工程結(jié)構(gòu)，稱為鋼結(jié)構(gòu)。如高層建筑、大跨橋梁、高聳的塔等。 鋼結(jié)構(gòu)是土木工程的主要結(jié)構(gòu)形式之一。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)等都屬于按材料劃分的工程結(jié)構(gòu)的不同分支。 1.1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特

2、點(diǎn)1、強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)重量輕 由于鋼材強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)需要的構(gòu)件截面小，結(jié)構(gòu)自重輕。a=容重/強(qiáng)度，a越小，結(jié)構(gòu)相對(duì)越輕。 鋼材：a=1.73.710-4/m 木材：a=5.410-4/m 鋼砼：a= 1810-4/m 1.1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)2、材質(zhì)均勻，塑性和韌性好主要表現(xiàn)在： （1）鋼材在使用階段接近理想彈塑性體，這使得理論計(jì)算與實(shí)際情況相吻合。 （2）鋼材具有良好的塑性和韌性，不會(huì)因偶然的超載而破壞，對(duì)動(dòng)力荷載適應(yīng)性強(qiáng)。鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)于其它結(jié)構(gòu)。1.1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)3、便于工業(yè)化生產(chǎn)，施工周期短 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般可以在專業(yè)化工廠由專門機(jī)具加工，生產(chǎn)效率高，且不受氣候影響。1.1.2 鋼結(jié)

3、構(gòu)的特點(diǎn)4、密閉性好，不滲漏 鋼材本身組織致密，因而具有良好的氣密性和水密性。5、良好的加工性能和焊接性能6、可重復(fù)使用性1.1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)7、耐熱性較好，耐火性差 鋼材在表面溫度不超過200時(shí),其性能變化很小,因而適合于熱車間。溫度超過200以后，強(qiáng)度和彈性模量顯著下降。達(dá)600 時(shí),鋼材進(jìn)入塑性狀態(tài)已不能承載。1.1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 新建鋼結(jié)構(gòu)，一般都需要采用油漆、噴鋁、鍍鋅等進(jìn)行防銹涂裝，在涂裝前需認(rèn)真除銹，以后定期涂裝，所以維修費(fèi)用較高，這是鋼結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)。8、耐腐蝕性差1.1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 在動(dòng)荷載作用下，鋼結(jié)構(gòu)容易因震動(dòng)而產(chǎn)生噪聲，在對(duì)環(huán)境有要求的場(chǎng)所需采用必要的消聲

4、措施。9、低溫冷脆傾向10、容易發(fā)生噪聲第1.2節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1. 概述2. 概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法3. 規(guī)范設(shè)計(jì)表達(dá)式1.了解鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)方法本節(jié)目錄基本要求2.掌握現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)表達(dá)式 1.2.1 概述1、設(shè)計(jì)目的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是要使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件在施工和工作過程中均能滿足各種預(yù)定功能的要求。 建筑結(jié)構(gòu)功能包括： （1）安全性 （2）適用性 （3）耐久性2、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 結(jié)構(gòu)由各種荷載所產(chǎn)生的效應(yīng)(內(nèi)力和變形)不大于結(jié)構(gòu)(包括連接)由材料性能和幾何因素等所決定的抗力或規(guī)定限值。3、設(shè)計(jì)方法 （1）容許應(yīng)力方法式中 由標(biāo)準(zhǔn)荷載與構(gòu)件截面公稱尺寸所 計(jì)算的應(yīng)力； fk構(gòu)

5、件截面幾何特征； K大于1的安全系數(shù)； 鋼材的容許應(yīng)力。 （2）概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法 根據(jù)應(yīng)用概率分析程度的不同，可分為三種水準(zhǔn)： 半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法; 近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法; 全概率設(shè)計(jì)方法。3、設(shè)計(jì)方法1.2.2 概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法1、半經(jīng)驗(yàn)半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 式中 K1 荷載系數(shù)； K2 材料系數(shù); K3 調(diào)整系數(shù)； fyk 鋼材的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值； 鋼材容許應(yīng)力。2、近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 極限狀態(tài)：當(dāng)結(jié)構(gòu)或其組成部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)?，F(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500172003）采用該法。(1)極限狀態(tài)的概念(

6、2) 極限狀態(tài)分為兩類b.正常使用極限狀態(tài): 包括：影響正常使用或外觀的變形、影響正常使用的振動(dòng)、影響正常使用的或耐久性的局部破壞等狀態(tài)。a.承載能力極限狀態(tài): 包括：強(qiáng)度破壞、疲勞破壞、不適于繼續(xù)承載的變形、失穩(wěn)、傾覆、變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系等狀態(tài)。 結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的“功能函數(shù)”來(lái)描述，一般情況： Zg（x1，x2，xn） （1-3）(3) 功能函數(shù)和極限狀態(tài)方程式中 g（） 結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)； xi(i1,2,n) 影響結(jié)構(gòu)可靠性的各物理量。 為簡(jiǎn)化，將各因素概括為兩個(gè)綜合隨機(jī)變量結(jié)構(gòu)抗力R和作用效應(yīng)S，則式（1-3）可寫成： Zg（R，S）RS （1-4） 在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，可能出現(xiàn)下列三種

7、情況： Z0 表示結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài) Z0 表示結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài) Z0 表示結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài) 判斷結(jié)構(gòu)是否可靠，要看結(jié)構(gòu)是否達(dá)到極限狀態(tài)，為此，通常將下式： Zg（R，S）RS=0 (1-5)稱為極限狀態(tài)方程。(4) 結(jié)構(gòu)可靠度和失效概率 可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。 結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定功能的概率(可靠度)用Ps表示，則： 結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率(失效概率)用Pf表示，則： 由于事件Z0與事件Z0是對(duì)立事件，所以結(jié)構(gòu)的可靠度與結(jié)構(gòu)的失效概率滿足: PsPZ0 （1-6） PfPZ0 （1-7） PsPf1 或 Ps1- Pf （1-8） 已知Z的概率密度曲線

8、fz(z) 如圖1.2.1，則失效概率可用積分求得：fz(z)Pfz圖1.2.1 Z的概率密度曲線Z=R-S (5) 可靠指標(biāo) 因Z的分布很難得到，因此式（1-9）實(shí)際上很難求出，這使概率設(shè)計(jì)法一直不能付諸實(shí)用。 20世紀(jì)60年代末期，美國(guó)學(xué)者康奈爾提出系統(tǒng)的一次二階矩設(shè)計(jì)方法，才使得概率設(shè)計(jì)法進(jìn)入實(shí)用階段。 一次二階矩法不直接計(jì)算Pf ，通過可靠指標(biāo)度量。可靠指標(biāo)（1-10）Z服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布時(shí)，與Pf的關(guān)系為：式中: ()標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)； -1()標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)的反函數(shù)。 從圖1.2.1中可以看出與失效概率Pf 間存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即: 1）減小時(shí)，陰影部分的面積增大， 即失效概率Pf增大；

9、說明可以作為衡量結(jié)構(gòu)可靠度的一個(gè)數(shù)量指標(biāo)。 2）增大時(shí)，陰影部分的面積減少， 亦即失效概率Pf 減小。b2.52.73.23.74.2Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5正態(tài)分布時(shí)可靠指標(biāo)和失效概率的對(duì)應(yīng)關(guān)系 計(jì)算避開了Z的全分布的推求，而只需要分布特征值，即一階原點(diǎn)矩和二階中心矩，故此得名。 3、全概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 對(duì)結(jié)構(gòu)的各種基本變量均采用隨機(jī)變量或隨機(jī)過程來(lái)描述，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的概率分析，求得結(jié)構(gòu)最優(yōu)失效概率作為結(jié)構(gòu)可靠度的直接度量。1.2.3 規(guī)范設(shè)計(jì)表達(dá)式 為了便于應(yīng)用并符合人們長(zhǎng)期以來(lái)的習(xí)慣，規(guī)范并不直接使用進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是采用以概率理論為基礎(chǔ)的極

10、限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法(疲勞問題除外)，用分項(xiàng)系數(shù)的表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算； 結(jié)構(gòu)的可靠度用可靠度指標(biāo)來(lái)度量，并以分項(xiàng)系數(shù)的形式考慮。 我國(guó)規(guī)范分別按承載能力和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)給出表達(dá)式。1、承載能力極限狀態(tài)分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式可變荷載效應(yīng)起控制作用時(shí)：永久荷載效應(yīng)起控制作用時(shí)： 對(duì)于一般排架和框架結(jié)構(gòu)：（1）永久荷載分項(xiàng)系數(shù)gG當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí) 對(duì)可變荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.2 對(duì)永久荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.35當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí) 一般情況下應(yīng)取1.0 對(duì)結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)算，應(yīng)取0.9。（2）可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)gQ 一般情況下應(yīng)取1.4； 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷

11、載，標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取1.3。f 鋼材或連接材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;fk 鋼材或連接材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;R鋼材或連接材料抗力分項(xiàng)系數(shù)， 對(duì)于Q235鋼,R =1.087; 對(duì)于Q345、Q390、Q420鋼, R=1.111。鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范給出了各類鋼材和連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。其中：式中：2、正常使用極限狀態(tài) 對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，要求分別采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使變形等設(shè)計(jì)值不超過相應(yīng)的規(guī)定限值。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)只考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合。 式中：Gk 永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；Q1k起控制作用的第1個(gè)可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值（該值使計(jì)算結(jié)果為最大）；Qik 其他第

12、i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值； 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形容許值。第1.3節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范1. 概述2. 主要設(shè)計(jì)規(guī)范1.了解與鋼結(jié)構(gòu)有關(guān)的主要設(shè)計(jì)規(guī)范本節(jié)目錄基本要求1.3.1 概述1、什么是設(shè)計(jì)規(guī)范 設(shè)計(jì)規(guī)范是國(guó)家頒布的關(guān)于設(shè)計(jì)計(jì)算和構(gòu)造要求的技術(shù)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，是帶有一定約束性和立法性的文件。2、頒布設(shè)計(jì)規(guī)范的目的 （1）貫徹國(guó)家技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策、保證設(shè)計(jì)的質(zhì)量，達(dá)到方法上必要的統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化。 （2）設(shè)計(jì)、校核、審批工程結(jié)構(gòu)的依據(jù)。1.3.2 主要設(shè)計(jì)規(guī)范與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的一些規(guī)范： GB500172003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 TB10002.2-2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 G

13、B50009-2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 GB50018-2002 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范 GB50205-2001 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范 JTJ025-86 公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50017-2003是我國(guó)進(jìn)行房屋建筑和一般構(gòu)筑物鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須遵循的現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，適用于熱軋鋼材建筑的鋼結(jié)構(gòu)，規(guī)范中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則、采用的鋼材要求、各種設(shè)計(jì)指標(biāo)、三大基本構(gòu)件的計(jì)算內(nèi)容和要求，連接計(jì)算方法、構(gòu)造要求以及疲勞計(jì)算等都做了明確的規(guī)定，供設(shè)計(jì)人員遵照?qǐng)?zhí)行。第1.4節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展1. 鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用概況2. 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展3. 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用示例1.了解鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展本節(jié)目錄

14、基本要求1.4.1 鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用概況 根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它主要適用于下列結(jié)構(gòu)： （1）承受荷載很大或跨度大，高度大的結(jié)構(gòu) （2）承受動(dòng)力荷載作用或經(jīng)常移動(dòng)的結(jié)構(gòu) （3）經(jīng)常拆裝的拼裝式結(jié)構(gòu) （4）對(duì)密閉性要求高的結(jié)構(gòu) （5）高溫車間或需承受一定高溫的結(jié)構(gòu) （6）輕型結(jié)構(gòu)屬于上述性質(zhì)的主要有下列結(jié)構(gòu): （1）工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu) 高層建筑框架；車站、會(huì)堂、體育館、車庫(kù)等大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)；大廠房、車間的 承重柱、屋蓋、吊車梁。 （2）橋梁結(jié)構(gòu) 中等跨度或大跨度的鐵路橋、公路橋、棧橋等各種橋的橋跨結(jié)構(gòu)。 （3）塔桅結(jié)構(gòu) 電視塔、發(fā)射塔、氣象塔、無(wú)線電桅桿等。 （4）移動(dòng)式結(jié)構(gòu) 各種起重運(yùn)輸機(jī)械、和大型建

15、筑機(jī)械的 承重骨架，升船機(jī)、水工閘門等。 （5）板殼結(jié)構(gòu) 管道、氣柜、高爐結(jié)構(gòu)、高壓容器等。 （6）輕型和臨時(shí)結(jié)構(gòu) 鋼模板、鋼拱架、萬(wàn)能桿件、拆裝梁（如六四梁）等 。1.4.2 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展 18世紀(jì)歐洲工業(yè)革命后，鋼結(jié)構(gòu)在歐洲各國(guó)的應(yīng)用逐漸增多，而我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展非常緩慢。 新中國(guó)成立后，由于受到鋼產(chǎn)量的制約，鋼結(jié)構(gòu)僅在重型廠房、大跨度公共建筑、鐵路橋梁以及塔桅結(jié)構(gòu)中采用。 改革開放以來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)量開始逐漸增加。1996年我國(guó)的鋼產(chǎn)量超過一億噸，2003年達(dá)到創(chuàng)記錄的2.2億噸，2005年上升到3.5億噸。 伴隨鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)量的增加，鋼結(jié)構(gòu)政策從限制使用改為積極合理的推廣應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代應(yīng)用的

16、領(lǐng)域更加多元化，包括大跨結(jié)構(gòu)、工業(yè)廠房、受動(dòng)力荷載影響的結(jié)構(gòu)、多層和高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、可拆卸結(jié)構(gòu)、容器構(gòu)筑物以及鋼和混凝土的組合結(jié)構(gòu)等。鋼結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展方向： （1）高性能鋼材的研制高強(qiáng)，耐腐蝕，耐火鋼 （2）計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法的改進(jìn) （3）結(jié)構(gòu)體系的革新和新型連接形式的研究 （4）結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論的應(yīng)用和設(shè)計(jì)計(jì)算手段的改變 （5）機(jī)械化制造與安裝的現(xiàn)代化水平的提高 （6）型鋼品種的豐富1.4.3 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用示例 1、建筑結(jié)構(gòu) 圖1.4.1 國(guó)家大劇院網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)圖1.4.2 國(guó)家體育館鳥巢圖1.4.3 蘇州樂園宇宙大戰(zhàn)館球體屋面穹頂圖1.4.4臺(tái)北 101大樓，508m高，2004年建成。圖1.4

17、.5金茂大廈88層420.5米高1999年建成。圖1.4.6深圳地王大廈69層384m高1999年建成。圖1.4.7 單層工業(yè)廠房圖1.4.8 多層工業(yè)廠房2、橋梁結(jié)構(gòu)圖1.4.9 盧浦大橋，主跨550m ，2003年 圖1.4.10 潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋，2005年 圖1.4.11 蘇通長(zhǎng)江大橋 圖1.4.12 蕪湖長(zhǎng)江大橋，主跨312m，2000年圖1.4.13 自錨式懸索橋圖1.4.14巴黎艾菲爾鐵塔 3、塔結(jié)構(gòu)東方明珠電視塔圖1.4.15 4、可拆卸和移動(dòng)結(jié)構(gòu)圖1.4.16 活動(dòng)橋圖1.4.17 活動(dòng)車庫(kù)圖1.4.18 架橋機(jī)圖1.4.19 掛籃第1.5節(jié) 本課程的主要內(nèi)容和特點(diǎn)1.鋼結(jié)構(gòu)課程

18、特點(diǎn)及與其它前續(xù)課程的聯(lián)系2. 本課程的學(xué)習(xí)方法1.了解本課程的特點(diǎn)和重要性本節(jié)目錄基本要求1.5.1 鋼結(jié)構(gòu)課程特點(diǎn)及與其它前續(xù)課程的聯(lián)系1、 本課程特點(diǎn)： 上篇是土木工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，下篇是建筑工程方向的專業(yè)課程，本課程具有如下特點(diǎn)： （1）內(nèi)容龐雜，理論性和實(shí)踐性強(qiáng) （2）與設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)系緊密 （3）題型多，包括設(shè)計(jì)、復(fù)核和確定承載力2、 與前續(xù)課程聯(lián)系 “鋼結(jié)構(gòu)”和“材料力學(xué)”的聯(lián)系最為緊密，但材料力學(xué)更側(cè)重理論探討，而“鋼結(jié)構(gòu)”需要站在設(shè)計(jì)的角度來(lái)考慮，因此必須符合相應(yīng)的規(guī)范要求。 同時(shí)，由于鋼材本身接近理想彈塑性體，所以鋼結(jié)構(gòu)課程的理論性強(qiáng)，許多內(nèi)容要用到彈塑性力學(xué)的知識(shí)。

19、1.5.2 本課程的學(xué)習(xí)方法 （1）注重加強(qiáng)對(duì)基本理論和基本概念的理解 （2）采用歸納、分析和比較 （3）注重習(xí)題和課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練 （4）聯(lián)系工程實(shí)踐1.了解鋼材的破壞形式和主要性能。2.了解影響鋼材性能的主要因素。3.了解鋼材疲勞破壞及計(jì)算方法。4.了解鋼材的種類及選用原則要求。2.1 鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求2.2 鋼材的破壞形式2.3 鋼材的主要性能2.4 各種因素對(duì)鋼材主要性能的影響2.5 復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件2.6 鋼材的疲勞2.7 鋼的種類和鋼材的規(guī)格本章目錄基本要求第2.1節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求1. 概述2. 鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的基本要求了解鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的基本要求 本節(jié)目錄基本要求

20、2.1.1 概述 含碳量小于2的鐵碳合金稱作鋼，含碳量大于2時(shí)稱作鐵。鋼材種類繁多，性能差別很大，適用于鋼結(jié)構(gòu)只是其中一小部分。（1）較高的抗拉強(qiáng)度 fu和屈服點(diǎn) fy；（2）較好的塑性、韌性；（3）良好的工藝性能（冷、熱加工，可焊性）；（4）對(duì)環(huán)境的良好適應(yīng)性。2.1.2 鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的基本要求第2.2節(jié) 鋼材的破壞形式鋼材的兩種破壞形式了解鋼材的破壞形式和特點(diǎn) 本節(jié)目錄基本要求2.2.1 鋼材的兩種破壞形式破壞形式特 征斷 口后 果塑性破壞構(gòu)件應(yīng)力超過屈服點(diǎn)，并且達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度后，構(gòu)件產(chǎn)生明顯的變形并斷裂。斷裂時(shí)斷口與作用力方向呈45，呈纖維狀，色澤發(fā)暗在破壞前有很明顯的變形，并有較長(zhǎng)的

21、變形持續(xù)時(shí)間，便于發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)救。脆性破壞在破壞前無(wú)明顯變形，平均應(yīng)力也小（一般都小于屈服點(diǎn)），沒有任何預(yù)兆。斷口平直并呈有光澤的晶粒狀。突然發(fā)生的，危險(xiǎn)性大，應(yīng)盡量避免。第2.3節(jié) 鋼材的主要性能1. 受拉、受壓及受剪時(shí)的性能2. 冷彎性能3. 沖擊韌性掌握鋼材的主要力學(xué)性能要求及含義本節(jié)目錄基本要求2.3.1 受拉、受壓及受剪時(shí)的性能1、鋼材在單向一次拉伸下的工作性能試驗(yàn)條件：標(biāo)準(zhǔn)試件（GB/T228），常溫（205）下緩慢加載，一次完成。含碳量為0.1%0.3%。標(biāo)準(zhǔn)試件：Lo/d=5或10；Lo-標(biāo)距；d -直徑圖2.3.12、有明顯屈服點(diǎn)鋼材的-曲線OBCDAGH圖2.3.22、有明顯屈

22、服點(diǎn)鋼材的-曲線圖2.3.3 可劃分為以下五個(gè)階段： (1)彈性階段(OB段)OA段材料處于純彈性，即:AB段有一定的塑性變形, 但整個(gè)OB段卸載時(shí) = 0彈性模量：E=206103N/mm2其中，A點(diǎn)應(yīng)力 f p稱為比例極限。(2)彈塑性階段（BC段) 該段很短，表現(xiàn)出鋼材的非彈性性質(zhì)，即卸荷留下永久的殘余變形。(3)塑性階段（CD段) 該段基本保持不變（水平),急劇增大,稱為屈服臺(tái)階。變形模量E = 0。 該段應(yīng)力最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別稱為上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn)，下屈服點(diǎn)比較穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中則以下屈服點(diǎn)為依據(jù)。（4）強(qiáng)化階段(DG段) 當(dāng)應(yīng)力達(dá)到G點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，至H點(diǎn)而斷裂。 隨荷載的增加緩慢增

23、大,但增加較快。曲線最高點(diǎn)處G點(diǎn)的應(yīng)力 fu稱為抗拉強(qiáng)度或極限強(qiáng)度。（5）頸縮破壞階段(GH段)3、對(duì)無(wú)明顯屈服點(diǎn)的鋼材 高強(qiáng)度鋼材在拉伸過程中沒有明顯的屈服臺(tái)階，塑性變形小，設(shè)計(jì)中不宜利用它的塑性。 設(shè)計(jì)時(shí)取相當(dāng)于殘余變形為0.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為屈服點(diǎn)稱為條件屈服點(diǎn)或名義屈服點(diǎn)fy=f0.20.2%fup圖2.3.44、應(yīng)力應(yīng)變曲線的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)時(shí)將鋼材簡(jiǎn)化為理想彈塑性體鋼材在靜載作用下： 強(qiáng)度計(jì)算以fy為依據(jù)，fu為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。22.5%-3%fy 1 0.15%圖2.3.55、單向拉伸時(shí)鋼材的機(jī)械性能指標(biāo) （1）屈服點(diǎn) fy 應(yīng)力應(yīng)變曲線開始產(chǎn)生塑性流動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，它是衡量鋼材的承

24、載能力和確定鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的重要指標(biāo)。 （2）抗拉強(qiáng)度 fu 應(yīng)力應(yīng)變曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力,它是鋼材最大的抗拉強(qiáng)度。（3）伸長(zhǎng)率當(dāng)lo/d=5時(shí)，用5表示當(dāng)l0/d=10時(shí)，用10表示（5 10）實(shí)際工程中以伸長(zhǎng)率代表材料斷裂前具有的塑性變形能力。鋼材的塑性是指：當(dāng)應(yīng)力超過屈服點(diǎn)后，鋼材能產(chǎn)生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即斷裂的性質(zhì)。試件斷裂時(shí)的絕對(duì)變形值與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比，用表示。（4）斷面收縮率是指試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分比，用表示。式中： A0 試件原來(lái)的斷面面積 A1 試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積 圖2.3.6 采用短試件l0/d=3，屈服點(diǎn)同單向拉

25、伸時(shí)的屈服點(diǎn)。6、受壓時(shí)的性能7、受剪時(shí)的性能抗剪強(qiáng)度可由折算應(yīng)力計(jì)算公式得到：2.3.2 冷彎性能 冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo) 鑒定合格指標(biāo)：通過冷彎沖頭加壓，當(dāng)試件彎曲至180時(shí)，檢察試件彎曲部分的外面、里面和側(cè)面，如果沒有裂紋、斷裂或分層，即認(rèn)為試件冷彎性能合格。 圖2.3.72.3.3 沖擊韌性沖擊韌性鋼材在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。 用斷裂時(shí)吸收的總能量（彈性和非彈性能）來(lái)表示。韌性指標(biāo)用沖擊韌性值表示，沖擊韌性也叫沖擊功，用符號(hào)Wkv或Cv表示，單位為J。 沖擊韌性由沖擊韌性試驗(yàn)確定。圖2.3.8圖2.3.9 沖擊韌性演示影響沖擊韌性的因素： 沖擊

26、韌性與試件刻槽有關(guān)，常用缺口形式為夏氏V型和梅氏U型，近年來(lái)，我國(guó)沖擊試驗(yàn)已用夏氏V型代替梅氏U型。 沖擊韌性還與試驗(yàn)的溫度有關(guān)。根據(jù)溫度不同，我國(guó)鋼材標(biāo)準(zhǔn)中將試驗(yàn)分為四檔，即+20, 0，-20和-40時(shí)的沖擊韌性。 溫度越低，沖擊韌性越低。鋼材的機(jī)械性能指標(biāo)屈服點(diǎn) fy伸長(zhǎng)率 抗拉強(qiáng)度 fu冷彎試驗(yàn)沖擊韌性 Cv小結(jié)第2.4節(jié) 各種因素對(duì)鋼材主要性能的影響1. 化學(xué)成分2. 冶金缺陷3. 鋼材硬化1.了解影響鋼材性能的主要因素本節(jié)目錄基本要求2.了解防止脆性斷裂破壞的方法 4. 溫度影響5. 應(yīng)力集中6. 荷載的影響2.4.1 化學(xué)成分 普通碳素鋼中Fe占99%，C和其他元素僅占1%，但對(duì)

27、鋼材力學(xué)性能有著決定性的影響。 普通低合金鋼中合金元素小于5%。 (1)碳（C）：鋼材強(qiáng)度的主要來(lái)源，隨其含量增加，強(qiáng)度增加，塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度降低，同時(shí)惡化鋼的焊接性能和抗腐蝕性。鋼結(jié)構(gòu)用鋼中，碳含量一般控制在0.22%以下，當(dāng)其含量在0.2以下時(shí)，可焊性良好。 圖2.4.1 含碳量對(duì)-關(guān)系的影響0%TC0.3% (2)硫（S）：有害元素，熱脆性。不得超過0.05%。 (3)磷（P）：有害元素，冷脆性?？垢g能力略有提高，可焊性降低。不得超過0.045%。 (4)錳（Mn）：合金元素,弱脫氧劑。與S形成MnS,熔點(diǎn)1600,可以消除一部分S的有害作用。 (5)硅（Si）：合金元素。強(qiáng)脫氧劑

28、。 (6)釩（V）：合金元素。細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度，其碳化物具有高溫穩(wěn)定性，適用于受荷較大的焊接結(jié)構(gòu)。 (7)氧（O）：有害雜質(zhì)，與S相似（熱脆）。 (8)氮（N）：有害雜質(zhì)，與P相似（冷脆） 。 (9)銅（Cu）：提高抗銹蝕性，提高強(qiáng)度，對(duì)可焊性有影響。 2.4.2 冶金缺陷常見的冶金缺陷有： 偏析：鋼中化學(xué)成分不一致和不均勻性稱為偏析。主要是硫和磷的偏析，使鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。 非金屬夾雜：常見的夾雜物為硫化物和氧化物。硫化物使鋼材在800 1200高溫下變脆，氧化物會(huì)降低鋼材的力學(xué)性能和工藝性能。 氣孔：澆注時(shí)由FeO與C作用所生成的CO氣體不能充分逸出而留在鋼錠內(nèi)形成的。 裂紋

29、：鋼材中已出現(xiàn)的局部破壞 分層：指沿厚度方向形成層間并不相互脫離的分層。分層處易被銹蝕, 且分層使鋼材性能變差。2.4.3 鋼材硬化 冷作硬化在冷加工或一次加載使鋼材產(chǎn)生較大的塑性變形的情況下，卸載后再重新加載，鋼材的屈服點(diǎn)提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象。 時(shí)效硬化隨著時(shí)間的增加，純鐵體中有一些數(shù)量極少的碳和氮的固熔物質(zhì)析出，使鋼材的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度提高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象。 應(yīng)變時(shí)效硬化鋼材產(chǎn)生一定數(shù)量的塑性變形后，鐵素體晶體中的固溶碳和氮更容易析出，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。圖2.4.2 硬化對(duì)鋼材性能的影響0冷作硬化時(shí)效硬化冷作硬化后的塑性區(qū)243 1fyfp冷加工及時(shí)效

30、冷加工及時(shí)效后的塑性區(qū)fy0圖2.4.3 注意:不管哪一種硬化，都要降低鋼材的塑性和韌性，對(duì)鋼材不利。因此鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般不利用硬化后提高的強(qiáng)度，而且對(duì)于直接承受動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)還應(yīng)設(shè)法消除硬化的影響。例如，經(jīng)過剪切機(jī)剪切的鋼板，為了消除剪切邊緣的冷作硬化，可采用火焰燒烤使之“退火”或?qū)⑦吘壟偃?5mm。 2.4.4 溫度影響圖2.4.4 溫度對(duì)鋼材機(jī)械性能的影響8006004002000N/mm2Efufy20040060020406080%220210200190180170160Ex103N/mm2t(0C) 1正溫范圍 200以內(nèi)對(duì)鋼材性能無(wú)大影響，該范圍內(nèi)隨溫度升高總的趨勢(shì)是強(qiáng)度、彈性模

31、量降低，塑性增大。 250左右抗拉強(qiáng)度略有提高，塑性降低，脆性增加藍(lán)脆現(xiàn)象，該溫度區(qū)段稱為“藍(lán)脆區(qū)”。 260320產(chǎn)生徐變現(xiàn)象。 600左右彈性模量趨于零，承載能力幾乎完全喪失。 當(dāng)溫度低于常溫時(shí)，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而增加，材料強(qiáng)度略有提高，但其塑性和韌性降低，該現(xiàn)象稱為低溫冷脆。2負(fù)溫范圍脆性破壞轉(zhuǎn)變過渡區(qū)段塑性破壞反彎點(diǎn)試驗(yàn)溫度T0C沖 擊 斷 裂 功 CvT1T2T0圖2.4.5 沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線2.4.5 應(yīng)力集中 1.應(yīng)力集中的概念 在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中不可避免的存在著孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變化、形狀變化和內(nèi)部缺陷等，此時(shí)截面中的應(yīng)力分布不再保持均勻，而是在一些區(qū)域產(chǎn)

32、生局部高峰應(yīng)力，形成所謂應(yīng)力集中現(xiàn)象。 圖2.4.6 孔洞及槽孔處的應(yīng)力集中現(xiàn)象yzyxzxxy0011xy0011 2.應(yīng)力集中的影響 可以看出截面槽口改變愈急劇，應(yīng)力集中現(xiàn)象愈厲害，其抗拉強(qiáng)度愈高，但塑性愈差，脆性破壞的傾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10測(cè)距10010100600700500400300200100圖2.4.7 應(yīng)力集中對(duì)-曲線關(guān)系的影響3.減小應(yīng)力集中現(xiàn)象的措施 由于鋼材具有良好的塑性性能，當(dāng)承受靜力荷載且在常溫下工作時(shí)，只要符合規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)要求，可以不考慮應(yīng)力集中的影響。1:2.5圖2.4.82.4.6 荷載的影響 1.加荷速度的影響 加荷速度

33、過快，構(gòu)件來(lái)不及變形，得到的屈服點(diǎn)也高，且呈脆性。特別在低溫時(shí)對(duì)鋼材性能的影響要比常溫下大得多。因此，試驗(yàn)時(shí)需規(guī)定加載速度。 2. 循環(huán)荷載的影響 鋼材在直接的連續(xù)反復(fù)的動(dòng)力荷載作用下，損傷會(huì)逐漸累積，缺陷會(huì)發(fā)展成微觀裂紋，繼而發(fā)展到宏觀裂紋，截面削弱到一定程度而突然破壞（這種現(xiàn)象叫疲勞破壞）。本節(jié)討論：防止脆性斷裂的方法 (1)合理選擇鋼材 溫度冷脆轉(zhuǎn)變溫度低 厚度薄 (2)合理設(shè)計(jì) 合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該在考慮材料的斷裂韌性水平、最低工作溫度、荷載特征、應(yīng)力集中等因素后，再選擇合理的結(jié)構(gòu)型式，尤其是合理的構(gòu)造細(xì)節(jié)十分重要。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求使缺陷引起的應(yīng)力集中減少到最低限度，盡量保證結(jié)構(gòu)的幾何連續(xù)性和

34、剛度的連貫性。 (3)合理制作和安裝 冷加工栓孔 鉆、擴(kuò) 焊接合理工藝、參數(shù)，減小焊接殘余應(yīng)力，如厚鋼板，焊前預(yù)熱，焊后保溫 安裝減小裝配殘余應(yīng)力 (4)合理使用及維修措施避免突然荷載第2.5節(jié) 復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件1.掌握復(fù)雜應(yīng)力作用鋼材屈服條件及應(yīng)用基本要求基本假定： （1）材料由彈性轉(zhuǎn)入塑性的強(qiáng)度指標(biāo)用變形時(shí)單位體積中積聚的能量來(lái)表達(dá)； （2）當(dāng)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下變形能等于單軸受力時(shí)的變形能時(shí)，鋼材即由彈性轉(zhuǎn)入塑性。OZXY單元體受復(fù)雜應(yīng)力圖2.5.1單元體受主應(yīng)力圖2.5.2 在三向應(yīng)力作用下，鋼材由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)的條件，可用按能量強(qiáng)度理論計(jì)算的折算應(yīng)力red和鋼材在單向應(yīng)

35、力下的屈服點(diǎn)fy相比較來(lái)判斷，即1.以一般應(yīng)力分量表示2.以主應(yīng)力表示當(dāng)時(shí)鋼材處于彈性狀態(tài)，時(shí)鋼材處于塑性狀態(tài)。(2-2)(2-1) 對(duì)于薄板，厚度方向的應(yīng)力很小，常可忽略不計(jì)，這時(shí)三向應(yīng)力狀態(tài)可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力狀態(tài)，式（2-1）成為3.幾種特殊情況一般的梁，只存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力，則：（2-4）（2-3）純剪時(shí) = 0 ，則有（2-5）即：鋼材的剪切屈服點(diǎn)是單軸拉伸屈服點(diǎn) fy的0.58倍。因此，規(guī)范規(guī)定：鋼材的抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度為抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度的0.58 倍。（2-6）第2.6節(jié) 鋼材的疲勞1. 疲勞破壞特征2. 常幅疲勞3. 變幅疲勞1.了解鋼材疲勞破壞的特征2. 掌握疲勞破壞的計(jì)算方法本節(jié)目錄基本

36、要求2.6.1 疲勞破壞特征 1.概念 鋼材在連續(xù)反復(fù)荷載的作用，當(dāng)應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞。 2.疲勞破壞的機(jī)理 疲勞破壞是積累損傷的結(jié)果。 破壞過程：缺陷微觀裂紋宏觀裂紋斷裂。 3.疲勞破壞與脆性破壞比較相同點(diǎn)：突然斷裂，斷裂時(shí)名義應(yīng)力都低于屈服點(diǎn)不同點(diǎn)之一： 疲勞破壞 裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定，緩慢，多次反復(fù)加載 脆性破壞 裂紋擴(kuò)展不穩(wěn)定，迅速，一次加載就可能 破壞不同點(diǎn)之二： 疲勞破壞 斷口分為疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)（疲勞區(qū)記載了裂 縫擴(kuò)展和閉合的過程，顏色發(fā)暗，表面有較 清楚的疲好紋理，呈沙灘狀或波紋狀。瞬斷 區(qū)真實(shí)反映了當(dāng)構(gòu)件截面因裂縫擴(kuò)展削弱到

37、一臨界尺寸時(shí)脆性斷裂的待點(diǎn)，瞬斷區(qū)晶粒 粗亮。） 脆性破壞 閃光的晶粒狀4. 影響疲勞破壞的主要因素 構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力集中程度和殘余應(yīng)力大小 荷載循環(huán)次數(shù)5104次，驗(yàn)算疲勞 荷載引起的循環(huán)應(yīng)力特征 應(yīng)力幅（焊接結(jié)構(gòu)） 應(yīng)力比（非焊接結(jié)構(gòu)）注意：與鋼材的靜力強(qiáng)度和最大應(yīng)力無(wú)明顯關(guān)系 不出現(xiàn)拉應(yīng)力，不會(huì)發(fā)生疲勞破壞5.幾個(gè)概念 循環(huán)荷載結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的隨時(shí)間變化的荷載。應(yīng)力循環(huán)構(gòu)件截面應(yīng)力隨時(shí)間的變化。 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力變 化次數(shù)。應(yīng)力比循環(huán)應(yīng)力中絕對(duì)值最小的峰值應(yīng)力min與絕對(duì)值最大的峰值應(yīng)力max之比。= min /max(拉應(yīng)力取正號(hào)而壓應(yīng)力取負(fù)號(hào)) 應(yīng)力幅在循環(huán)荷載作

38、用下，應(yīng)力從最大到最小重復(fù)一次為一次循環(huán)，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差為應(yīng)力幅: =max-min為常量常幅循環(huán)：為變量變幅循環(huán)： 此處max為最大拉應(yīng)力，取正值，min為最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。（拉應(yīng)力取正號(hào)而壓應(yīng)力取負(fù)號(hào)）+-t圖2.6.1 循環(huán)應(yīng)力譜圖2.6.2 完全對(duì)稱循環(huán)r=fyt=min/max = -1minmax+-0圖2.6.3 脈沖循環(huán)r=fyt=min/max =0+-0 循環(huán)應(yīng)力譜+-圖2.6.5 不完全對(duì)稱循環(huán)二r=fyt0=min/max -1minmax0圖2.6.4 不完全對(duì)稱循環(huán)一r=fyt0=min/max -1minmax+-02.6.2 常幅疲勞當(dāng)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力

39、幅保持常量時(shí)，稱為常幅疲勞。 對(duì)焊接結(jié)構(gòu)：r=fyt=min/max=-1minmax+-0圖2.6.6圖2.6.7 可以看出，由于焊接殘余應(yīng)力焊縫附近主體金屬的最大應(yīng)力已達(dá) fy，因此，有應(yīng)力增大時(shí)保持 fy不變應(yīng)力減小時(shí)從名義應(yīng)力比真實(shí)應(yīng)力比 應(yīng)力幅對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有很大影響，而與名義最大應(yīng)力max和應(yīng)力比無(wú)關(guān)。 可見，只要為常數(shù)，不管名義為何值，真實(shí)也為常數(shù)，因此：1.容許應(yīng)力幅 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以繪出構(gòu)件或連接的應(yīng)力幅與相應(yīng)的致?lián)p循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線，按試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸的-N曲線為平均曲線(圖a)，取對(duì)數(shù)坐標(biāo)(圖b)。圖2.6.8 -N曲線(a)0N2S2S(b)0N=5104N=5X1

40、06.b1 考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性,取平均值減去2倍lgN的標(biāo)準(zhǔn)差s作為疲勞強(qiáng)度下限，當(dāng)lg為正態(tài)分布時(shí),保證率為97.7%。 則對(duì)應(yīng)疲勞壽命n的容許應(yīng)力幅可由直線斜截式方程求出：（y=kx+b） 取系數(shù)：lgC是延長(zhǎng)直線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)是直線的斜率此時(shí)的即為容許應(yīng)力幅：式中：系數(shù)、C為不同構(gòu)件和連接類別的試驗(yàn)參數(shù)，稱疲勞特征參數(shù)。2. 常幅疲勞驗(yàn)算式中：計(jì)算部位的應(yīng)力幅 對(duì)于焊接結(jié)構(gòu): =max-min 對(duì)于非焊接結(jié)構(gòu)：=max-0.7min(折算應(yīng)力幅）max、min 計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力和 最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力（壓應(yīng)力取負(fù)值）。常幅疲勞的容許應(yīng)力幅3. 驗(yàn)算公式的幾點(diǎn)補(bǔ)充說明 （

41、1）計(jì)算時(shí)用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。 （2）由于來(lái)源于試驗(yàn)，已考慮動(dòng)力效應(yīng)，計(jì)算時(shí)不再考慮動(dòng)力系數(shù)。 （3）公式同樣適用剪應(yīng)力情況驗(yàn)算。 （4）針對(duì)不同構(gòu)造和受力特點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)和連接（應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力分布程度不同）,GB50017-2003把各種不同的構(gòu)造劃分為8個(gè)類別，給出了8個(gè)類別的C、值。參數(shù)和的取值333333440.410.650.961.472.183.268611940 101287654321構(gòu)件和連接類別圖2.6.9 疲勞容許應(yīng)力幅與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系曲線1234567840030020010080601052345678910621065106107n/（N/mm2） 編號(hào)越大，其

42、應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力情況越嚴(yán)重，其C值越小，容許應(yīng)力幅越小。 （5）鋼材種類不同，靜力強(qiáng)度差別較大，而公式中 無(wú)差別。 試驗(yàn)表明：對(duì)目前常用的構(gòu)件和連接，疲勞強(qiáng)度一般與所用鋼材的屈服強(qiáng)度無(wú)關(guān)。 所以，不能通過提高鋼材屈服強(qiáng)度來(lái)提高抗疲勞能力。 （6）對(duì)非焊接結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力影響較小，疲勞壽命主要與最大應(yīng)力、應(yīng)力比有關(guān)，但為統(tǒng)一采用一種驗(yàn)算公式，引入了折算應(yīng)力幅概念。 （7）完全壓應(yīng)力狀態(tài)不驗(yàn)算疲勞。 規(guī)范規(guī)定：在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力部位可不計(jì)算疲勞。2.6.3 變幅疲勞 當(dāng)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅隨機(jī)變化時(shí)為變幅疲勞。i-121it圖2.6.10 變幅荷載循環(huán) 對(duì)于受隨機(jī)荷載作用的變幅疲勞計(jì)算，通常近

43、似按線性疲勞累積損傷原則將變化的應(yīng)力幅折算成等效常應(yīng)力幅e，然后令式中：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)期使用壽命內(nèi)應(yīng)力幅水平達(dá)到i的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 常幅疲勞的容許應(yīng)力幅對(duì)于吊車梁，按下式計(jì)算其疲勞強(qiáng)度：欠載效應(yīng)系數(shù)。重級(jí)工作制硬鉤吊車1.0； 重級(jí)工作制軟鉤吊車0.8；中級(jí)工作制吊車0.5。 循環(huán)次數(shù) N=2106 的容許應(yīng)力幅。式中：第2.7節(jié) 鋼材的種類和規(guī)格1. 鋼材的種類2. 鋼材的選擇3. 鋼材的規(guī)格1.了解鋼材的種類、命名和選擇本節(jié)目錄基本要求2.了解鋼材的主要規(guī)格2.7.1 鋼材的種類 按用途鋼可分為：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊鋼。 按冶煉方法，鋼可分為轉(zhuǎn)爐、平爐和

44、電爐。 按照脫氧方法和程度的不同，可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。 按化學(xué)成分，鋼又可分為碳素鋼和低合金鋼。 1.碳素結(jié)構(gòu)鋼 命名方式:由四部分組成，依次是屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)和脫氧方法符號(hào)，如Q235-AF。 說明：（1）質(zhì)量等級(jí)符號(hào)A、B、C、D是根據(jù)鋼材的化學(xué)成分和沖擊韌性不同共化分為4個(gè)等級(jí)。 Q235-質(zhì)量等級(jí)（A、B、C、D） 脫氧方法（F、Z、b、Tz） A 保證fu、fy、，P、S含量 B 保證fu,fy,冷彎，常溫時(shí)Cv，P，S，C含量； C 保證 fu,fy,冷彎，0oC時(shí)Cv，P，S，C含量; D 保證fu,fy,冷彎，-20oC時(shí)Cv，P

45、，S，C含量; （2）脫氧方法符號(hào)也有四種，F(xiàn)代表沸騰鋼，b代表半鎮(zhèn)靜鋼，Z代表鎮(zhèn)靜鋼，TZ代表特種鎮(zhèn)靜鋼，在具體標(biāo)注時(shí)Z和TZ可以省略。 （3）規(guī)范GB50017將Q235牌號(hào)的鋼材選為承重結(jié)構(gòu)用鋼。其化學(xué)成分和脫氧方法、拉伸和沖擊試驗(yàn)以及冷彎試驗(yàn)結(jié)果均應(yīng)符合規(guī)范GB/T700-2006的要求。2.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是在鋼的冶煉過程中適量添加幾種合金元素（合金元素總量不超過5%）,使鋼的強(qiáng)度明顯提高。 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)命名與碳素結(jié)構(gòu)鋼相似,只是質(zhì)量等級(jí)分為A、B、C、D、E五等（其中E主要是要求-40 的沖擊韌性）,低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼采用的脫氧方法均為鎮(zhèn)靜鋼或特殊

46、鎮(zhèn)靜鋼,故可不加脫氧方法的符號(hào)。 根據(jù)鋼材厚度（直徑）16mm時(shí)的屈服點(diǎn)不同，分為Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等，其中Q345、Q390和Q420鋼材都有較高的強(qiáng)度和較好的塑性、韌性和焊接性能，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范推薦采用的鋼種。2.7.2 鋼材的選擇 1.選擇鋼材的一般原則 （1）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性 （2）荷載情況 靜力荷載作用下可選擇經(jīng)濟(jì)性較好的Q235鋼材； 動(dòng)力荷載作用下應(yīng)選擇綜合性能較好鋼材。 （3）連接方法（焊接連接、螺栓連接） 焊接結(jié)構(gòu)對(duì)材質(zhì)的要求嚴(yán)格，應(yīng)嚴(yán)格控制C、S、P的極限含量；非焊接結(jié)構(gòu)對(duì)C的要求可降低一些。 （4）結(jié)構(gòu)所處的工作條件（環(huán)境溫度，腐蝕等）

47、低溫下工作的結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇低溫脆斷性能好的鎮(zhèn)定鋼。 （5）鋼材的厚度 厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用材質(zhì)較好的鋼材。2.鋼材選擇的注意事項(xiàng) （1）承重結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼，其質(zhì)量應(yīng)分別符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)碳素結(jié)構(gòu)鋼GB/T700和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼GB/T1591的規(guī)定。 （2）承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尚具有含碳量的合格保證。 （3）對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證；當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度等于或低于0但高于20時(shí)，Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有0沖擊韌性合格的保證；對(duì)于Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有20沖

48、擊韌性的合格保證。 當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度等于或低于20時(shí)，對(duì)Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有20沖擊韌性的合格保證；對(duì)Q390和Q420鋼應(yīng)具有40沖擊韌性的合格保證。 （4）對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)的鋼材亦應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證，當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度等于或低于20時(shí)，對(duì)Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有0沖擊韌性合格的保證；對(duì)Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有20沖擊韌性的合格保證。2.7.3 鋼材的規(guī)格 主要包括：熱軋成型的鋼板和型鋼，以及冷加工成型的冷軋薄鋼板和冷彎薄壁型鋼。 分為厚鋼板、薄鋼板和扁鋼1.熱軋鋼板表示方法： 寬厚度長(zhǎng)度規(guī)格 厚度 mm 寬度 mm 長(zhǎng)度 m 厚鋼板4.5-60600-300

49、04.0-12.0薄鋼板0.35-4500-15000.5-4.0扁鋼4-6012-2003.0-9.02.熱軋型鋼（1）工字鋼 普通工字鋼的型號(hào)用符號(hào)“工”后面加截面高度的厘米數(shù)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。 輕型工字鋼的表示方法同普通工字鋼。 類型：分為普通工字鋼和輕型工字鋼兩種。 表示方法：型號(hào)：普通工字鋼為10-63號(hào) 輕型工字鋼為10-70號(hào)供應(yīng)長(zhǎng)度：5-19m供應(yīng)尺寸規(guī)格x1r1hxxdybry圖2.7.1圖2.7.2（2）角鋼表示方法： 不等邊角鋼 長(zhǎng)邊寬短邊寬厚度 等邊角鋼 邊長(zhǎng)厚度類型：分為等邊和不等邊兩種。最大邊長(zhǎng)：200mm供

50、應(yīng)長(zhǎng)度：4-19m供應(yīng)尺寸規(guī)格：邊長(zhǎng)厚度 等邊角鋼x1bxdxx1x0 x0y0y0r1brr1dz0圖2.7.3長(zhǎng)邊寬度短邊寬度厚度 不等邊角鋼xx1bxdxx1x0 x0y0y0r1brr1dz0圖2.7.4（3）槽鋼表示方法：和工字鋼相似 類型：分為普通槽鋼和輕型槽鋼兩種 。 最大型號(hào)為40c 供應(yīng)長(zhǎng)度為5-19m 供應(yīng)尺寸規(guī)格：x1y1yy1yhxxdrtbr1z0圖2.7.5圖2.7.6圖2.7.7（4）H型鋼分類：寬翼緣(HW)、中翼緣(HM)和窄翼緣(HN)表示方法： H 高度寬度腹板厚度翼緣厚度如： H hbt1t2bht1t2圖2.7.8圖2.7.9圖2.7.10（5）鋼管分

51、類：無(wú)縫鋼管和焊接鋼管兩種 供應(yīng)規(guī)格： 國(guó)產(chǎn)熱軋無(wú)縫鋼管的最大外徑可達(dá)630mm， 供應(yīng)長(zhǎng)度：3-12m。 表示方法：外徑壁厚圖2.7.11tD圖2.7.12圖2.7.13（6）冷彎薄壁型鋼和壓型鋼板圖2.7.14壓型鋼板壁厚0.4-1.5mm圖2.7.13壁厚1.5-5mm圖2.7.151.了解鋼結(jié)構(gòu)連接的種類及特點(diǎn)。2.了解焊接的工作性能，掌握焊接連接的構(gòu)造要求和計(jì)算方法。3.掌握螺栓連接的構(gòu)造要求和計(jì)算方法。4.掌握焊接殘余應(yīng)力和殘余變形產(chǎn)生的原因及對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的影響。3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接方法3.2 焊接方法和焊縫連接形式3.3 角焊縫的構(gòu)造與計(jì)算3.4 對(duì)接焊縫的構(gòu)造與計(jì)算3.5 焊

52、接應(yīng)力和焊接變形3.6 螺栓連接的構(gòu)造3.7 普通螺栓連接的工作性能和計(jì)算3.8 高強(qiáng)度螺栓連接的工作性能和計(jì)算本章目錄基本要求第3.1節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的連接方法1. 概述2. 焊縫連接3. 螺栓連接4. 鉚釘連接了解鋼結(jié)構(gòu)的連接方法及特點(diǎn) 本節(jié)目錄基本要求3.1.1 概述 連接的作用是通過一定方式將板材或型鋼組合成構(gòu)件,或?qū)⑷舾蓸?gòu)件組合成整體結(jié)構(gòu),以保證其共同工作。 鋼結(jié)構(gòu)的連接方法可分為焊接連接、螺栓連接和鉚釘連接三種。 焊接連接 螺栓連接 鉚釘連接 圖3.1.13.1.2 焊縫連接對(duì)接焊縫連接角焊縫連接焊縫連接優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，任何形式的構(gòu)件都可直接相連； 用料經(jīng)濟(jì)，不削弱截面； 制作加工方便，

53、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作； 連接的密閉性好，結(jié)構(gòu)剛度大。缺點(diǎn)：在焊縫附近的熱影響區(qū)內(nèi)，鋼材局部材質(zhì)變脆； 焊接殘余應(yīng)力和殘余變形降低受壓構(gòu)件承載力； 對(duì)裂紋敏感，局部裂紋一旦發(fā)生，就容易擴(kuò)展到 整體，低溫冷脆問題較為突出。3.1.3 螺栓連接普通螺栓連接高強(qiáng)度螺栓連接螺栓連接粗制螺栓 C級(jí)精制螺栓 A、B級(jí)摩擦型高強(qiáng)度螺栓承壓型高強(qiáng)度螺栓 鉚釘連接是將鉚釘插入鉚孔后施壓使鉚釘端部鉚合,常用加熱鉚合，也可在常溫下鉚合。 鉚釘連接的塑性、韌性較好，連接變形小，承受動(dòng)力荷載時(shí)抗疲勞性能好，適合于重型和直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)。 但由于鉚釘連接費(fèi)材費(fèi)工，噪音大，一般情況下很少采用。3.1.4 鉚釘連接圖3.1.

54、2圖3.1.3 鉚釘連接第3.2節(jié) 焊接方法和焊縫連接形式1. 鋼結(jié)構(gòu)常用焊接方法2. 焊縫連接形式及焊縫形式3. 焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)了解焊縫連接類型、焊接方法及質(zhì)量要求等 本節(jié)目錄基本要求1、手工電弧焊3.2.1 鋼結(jié)構(gòu)常用焊接方法（1）原理：利用電弧產(chǎn)生熱量熔化焊條和母材形成焊縫。 焊機(jī)導(dǎo)線熔池焊條焊鉗保護(hù)氣體焊件電弧圖3.2.1 手工電弧焊（4）焊條的表示方法：E后面加4個(gè)數(shù)字E表示焊條(Electrode)前兩位數(shù)字為熔融金屬的最小抗拉強(qiáng)度（N/mm2)后兩位數(shù)字表示適用焊接位置、電流種類及藥皮類型等。（2）優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作靈活方便，適于任意空間位置的焊接，持別適于焊接短焊縫。

55、（3）缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量取決于焊工的精神狀態(tài)與技術(shù)水平，質(zhì)量波動(dòng)大。 （5）焊條的選擇 焊條應(yīng)與焊件鋼材相適應(yīng)；不同鋼種的鋼材焊接，宜采用與低強(qiáng)度鋼材相適應(yīng)的焊條。如：Q390、Q420鋼E55型焊條(E5500-5518)Q345鋼E50型焊條(E5000-5048)Q235鋼E43型焊條（E4300-E4328)2、埋弧焊（自動(dòng)或半自動(dòng)）（1）原理：埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒的一種電弧焊方法。圖3.2.2 埋弧自動(dòng)電弧焊焊絲轉(zhuǎn)盤送絲器悍劑漏斗悍劑悍件熔渣悍縫金屬 （2）優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)化程度高，焊接速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低；電弧熱量集中，熔深大，熱影響區(qū)??；工藝條件穩(wěn)定，焊縫的化學(xué)

56、成分均勻，焊縫質(zhì)量好，焊件變形小。 （3）缺點(diǎn)：裝配精度要求高，設(shè)備投資大，施工位置受限等。 （4）焊絲的選擇：埋弧焊的焊條應(yīng)與焊件鋼材相匹配，如：Q235-H08、H08A、H08MnA; Q345、Q390-H08A、H08E、H08Mn等。3、氣體保護(hù)焊 氣體保護(hù)焊是利用惰性氣體或二氧化碳?xì)怏w作為保護(hù)介質(zhì)，在電弧周圍造成局部的保護(hù)層，使被熔化的鋼材不與空氣接觸。其優(yōu)點(diǎn)：電弧加熱集中，焊接速度快，熔化深度大，焊縫強(qiáng)度高，塑性好。 1、焊縫連接形式3.2.2 焊縫連接形式及焊縫形式按被連接鋼材的相互位置，可分為：（1）對(duì)接連接有拼接蓋板的對(duì)接連接（2）搭接連接（3）T形連接（4）角部連接（5

57、）焊釘連接N（6）槽焊連接N2、焊縫形式（1）正交平行斜交對(duì)接焊縫角焊縫正對(duì)接焊縫斜對(duì)接焊縫按受力方向正面角焊縫側(cè)面角焊縫斜焊縫正交斜交（2）角焊縫沿長(zhǎng)度方向的布置分為：連續(xù)角焊縫：受力性能較好，為主要的角焊縫形式。 斷續(xù)角焊縫：在起、滅弧處容易引起應(yīng)力集中，用于次要構(gòu)件或受力小的連接。 長(zhǎng)度b10hf或50mm受壓時(shí)間斷距離l15t;受拉時(shí)l30t，其中t為較薄焊件的厚度。bl間隔角焊縫連續(xù)角焊縫（3）角焊縫按施焊位置分為：船形位置焊（平焊）立焊立焊仰焊仰焊仰焊橫焊橫焊橫焊平焊圖3.2.31、焊縫缺陷3.2.3 焊縫缺陷及焊縫質(zhì)量檢驗(yàn) 焊縫缺陷是指焊接過程中產(chǎn)生于焊縫金屬或附近熱影響區(qū)鋼材表

58、面或內(nèi)部的缺陷。 常見的缺陷有裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透等；以及焊縫尺寸不符合要求、焊縫成形不良等。 圖3.2.4 焊縫缺陷裂紋焊瘤燒穿弧坑氣孔夾渣咬邊未熔合未焊透2、焊縫質(zhì)量檢驗(yàn) 外觀檢查：檢查外觀缺陷和幾何尺寸； 內(nèi)部無(wú)損檢驗(yàn)：檢驗(yàn)內(nèi)部缺陷。（超聲波檢驗(yàn)、X射線或射線透照或拍片）3、焊縫質(zhì)量等級(jí)及選用 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50205-2001規(guī)定焊縫按其檢驗(yàn)方法和質(zhì)量要求分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。 三級(jí)焊縫只要求對(duì)全部焊縫作外觀檢查且符合三級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)； （1）焊縫質(zhì)量等級(jí) 一級(jí)、二級(jí)焊縫則除外觀檢查外，還要求一定數(shù)量的超聲波探傷檢驗(yàn)，超聲波探傷不能對(duì)缺陷

59、作出判斷時(shí)，應(yīng)采用射線探傷檢驗(yàn)，并應(yīng)符合國(guó)家相應(yīng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB500172003)中，對(duì)焊縫質(zhì)量等級(jí)的選用有如下規(guī)定： 需要進(jìn)行疲勞計(jì)算的構(gòu)件中，垂直于作用力方向的橫向?qū)雍缚p受拉時(shí)應(yīng)為一級(jí)，受壓時(shí)應(yīng)為二級(jí)。平行于作用力方向的縱向?qū)雍缚p應(yīng)為二級(jí)。 （2）焊縫等級(jí)選用 在不需要進(jìn)行疲勞計(jì)算的構(gòu)件中，凡要求與母材等強(qiáng)的受拉對(duì)接焊縫應(yīng)不低于二級(jí)；受壓時(shí)宜為二級(jí)。 重級(jí)工作制和起重量500kN的中級(jí)工作制吊車梁的腹板與上翼緣板之間以及吊車桁架上弦桿與節(jié)點(diǎn)板之間的形接頭焊透的對(duì)接與角接組合焊縫，質(zhì)量不應(yīng)低于二級(jí)。 角焊縫質(zhì)量等級(jí)一般為三級(jí)，直接承受動(dòng)力荷載且需要驗(yàn)算疲勞和起重量

60、500kN的中級(jí)工作制吊車梁的角焊縫的外觀質(zhì)量應(yīng)符合二級(jí)。 （3）焊縫符號(hào)標(biāo)注方法相同焊縫安裝焊縫雙面焊縫單面焊縫三角圍焊塞焊縫對(duì)接焊縫角焊縫形式hfOhfhfacv90或135或6mm時(shí)，hf,maxt-(12)mm當(dāng) t6mm時(shí)，hf,maxt hftt1t1ttt1hf貼邊焊縫（2）最小焊腳尺寸 為了避免在焊縫金屬中由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織，導(dǎo)致母材開裂， hf,min 還應(yīng)滿足以下要求: 式中: t較厚焊件厚度另外：對(duì)埋弧自動(dòng)焊hf,min可減小1mm; 對(duì)T形連接單面角焊縫hf,min應(yīng)增加1mm; 當(dāng)t4mm時(shí), hf,min=t 取整mm數(shù)，小數(shù)點(diǎn)以后只進(jìn)不舍。hftt1t1