基礎和地下室課件

1、模塊二 鋼結(jié)構(gòu)材料機械性能情境一 鋼結(jié)構(gòu)基本概念及機械性能鋼結(jié)構(gòu)甘肅建筑職業(yè)技術學院一、結(jié)構(gòu)鋼材的機械性能強度、塑性、韌性、冷彎性能、可焊性、耐磨性、較好的抗銹能力Q235 Q345 Q390 Q420（一）鋼材強度 低碳鋼在單向拉伸時的-曲線是通過靜力拉伸試驗得到的，如圖所示。從圖1可以看出，鋼材的工作特性可以分成如下幾個階段： 圖1-11鋼材的-曲線1.彈性階段（OAB段）在曲線OAB段，鋼材處于彈性階段，當荷載增加時變形也增加，當荷載降到0時（完全卸載）變形也降到0（曲線回到原點）。其中，OA段是一條線段，荷載與伸長成正比，符合胡克定律。A點對應的應力稱為比例極限，用fp表示，B點對應的

2、應力稱為彈性極限，用fe表示。 2.屈服階段（BCD段）當應力超過彈性極限后，應力不再增加，僅有些微小的波動；而應變卻在應力幾乎不變的情況下急劇增長，材料暫時失去了抵抗變形的能力。這個現(xiàn)象一直持續(xù)到D點。這種應力幾乎不變，應變卻不斷增加，從而產(chǎn)生明顯塑性變形的現(xiàn)象，稱為屈服現(xiàn)象。 3.強化階段（DE段） 經(jīng)過屈服階段以后，從D點開始曲線又逐漸上升，材料又恢復了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形，必須增加應力，這種現(xiàn)象稱為材料的強化。此時鋼材的彈性并沒有完全恢復，塑性特性非常明顯，此時若將外力慢慢卸去，應力-應變關系將沿著與OA近乎平行的直線下降。這說明材料的變形已不能完全消失，其中，能消失的變形稱

3、為彈性變形（應變）；殘留下來的變形稱為塑性變形（應變）。曲線最高點E點，是材料所能承受的最大荷載，其對應的應力，稱為強度極限或抗拉強度，用fu表示。4.頸縮階段（EF段） 當應力超過極限強度時，在試件材料質(zhì)量較差處，截面出現(xiàn)橫向收縮，截面面積開始顯著縮小，塑性變形迅速增大，這種現(xiàn)象稱為頸縮。此時，應力不斷降低，變形卻持續(xù)發(fā)展，直至F點試件斷裂。 屈服極限和抗拉強度是反映鋼材強度的兩個主要性能指標。 屈服極限（fy）：應力達到屈服極限后，應力保持不變而應變持續(xù)發(fā)展，形成屈服臺階，鋼材進入塑性階段，作為鋼材強度設計值的依據(jù)。設計時，屈服極限被視為靜力強度的承載力極限，其原因是： 屈服極限可以看成彈

4、性工作和塑性工作的分界點。應力達到屈服極限后，塑性變形很大，極易察覺，可及時處理而不致破壞； 應力達到屈服極限后，鋼材仍可以繼續(xù)承載（到達極限強度后才破壞），這樣，鋼材有必要的安全儲備。 極限（抗拉）強度（fu）：反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣 理想的彈塑性體（二）塑性 塑性是指當應力超過屈服極限后，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)。衡量鋼材塑性好壞的主要指標是伸長率和斷面收縮率。、值愈大，鋼材的塑性愈好。 1.伸長率 伸長率是應力-應變曲線中的最大應變值，等于試件拉斷后的原標距間長度的伸長值和原標距比值的百分率。即 式中伸長率； l0試件原標距間長度； l1試件拉斷后的標距間長度。

5、 2.斷面收縮率 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率，即式中A0試件原斷面面積； A1試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積。 （三）冷彎性能 鋼材的冷彎性能是指鋼材在冷加工（常溫下加工）中產(chǎn)生塑性變形時，對發(fā)生裂縫的抵抗能力。鋼材的冷彎性能用冷彎試驗來檢驗。 冷彎試驗在材料試驗機上進行，通過冷彎沖頭加壓，如圖11-3所示。當試件彎曲至180時，檢查試件彎曲部分的外面、里面和側(cè)面。如無裂紋、斷裂或分層，則認為試件冷彎性能合格。 冷彎試驗示意圖 冷彎試驗一方面可以檢驗鋼材能否適應構(gòu)件制作中的冷加工工藝過程；另一方面通過試驗還能暴露出鋼材的內(nèi)部缺陷，鑒定鋼材的塑性和可焊性

6、。冷彎試驗是鑒定鋼材質(zhì)量的一種良好方法，是衡量鋼材力學性能和冶金質(zhì)量的綜合指標。（四）沖擊韌性 鋼材的強度和塑性指標是由靜力拉伸試驗獲得的，用于承受動力荷載時，顯然有很大的局限性。衡量鋼材抗沖擊性能的指標是鋼材的韌性。韌性是鋼材在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力，它與鋼材的塑性有關而又不同于塑性，是強度與塑性的綜合表現(xiàn)。 韌性指標用沖擊韌性值ak表示，用沖擊試驗獲得。它是判斷鋼材在沖擊荷載作用下是否出現(xiàn)脆性破壞的主要指標之一。 （五）可焊性三、建筑鋼材的兩種破壞形式延性破壞：破壞之前有明顯的變形，并吸收很大的能量，從 發(fā)生變形到最后破壞持續(xù)較長的時間。脆性破壞：破壞之前沒有顯著變形，吸收能量

7、較少，破壞突然。三、 影響鋼材性能的因素（一）化學成分 碳：含碳量增加，鋼材的抗拉強度和屈服強度也隨之增加，但隨塑性、冷彎性能和韌性降低。一般不超過0.22%，焊接結(jié)構(gòu)不超過0.2%。 錳：合金元素，弱脫氧劑。 錳含量不多時，提高鋼材強度，不影響塑性和韌性。錳可使鋼材的可焊性降低，應控制含量。 硅：合金元素，強脫氧劑。 適量的硅，可提高鋼材強度，不影響塑性、韌性和可焊性。過量的硅降低塑性和韌性，惡化其抗銹能力和可焊性。 硫和磷：有害元素。硫高溫材料變脆，熱脆。磷低溫材料變脆，冷脆。 氧和氮：有害元素。（二）鋼材的硬化 （三） 應力集中的影響：造成脆性破壞的主要原因之一（四）溫度變化的影響（五）

8、重復荷載作用的影響冷作硬化：若重復地卸載、加載，強度提高,塑性降低。時效硬化：鋼材放置一段時間后強度提高，塑性降低。藍脆：250度左右，強度提高，塑性韌性降低的現(xiàn)象徐變：溫度超過250-300度時，強度降低，塑性增加的現(xiàn)象低溫脆斷：低溫環(huán)境，材質(zhì)變脆的現(xiàn)象四、建筑鋼材的種類和規(guī)格1.碳素結(jié)構(gòu)鋼 建筑鋼結(jié)構(gòu)主要使用的鋼材是低碳鋼。 按照最新國家標準碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB/T 700）規(guī)定，碳素結(jié)構(gòu)鋼分為四個牌號，即Q195、 Q215、 Q235和Q275。建筑鋼材的種類 牌號由代表屈服極限的字母、屈服極限數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號四個部分按順序組成。其中 Q鋼材屈服極限，“屈”字漢字拼音首字母

9、； A、B、C、D質(zhì)量等級； F沸騰鋼； Z鎮(zhèn)靜鋼； TZ特殊鎮(zhèn)靜鋼，相當于橋梁鋼。 對于Q235來說，A、B兩級鋼的脫氧方法可以是“Z”或“F”，C級鋼只能是“Z”，D級鋼只能是“TZ”，其中，用“Z”與“TZ”符號時可以省略。 例如：Q235AF表示屈服極限為235 Nmm2的A級沸騰鋼； Q235B表示屈服極限為235 Nmm2的B級鎮(zhèn)靜鋼。 2.低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼是指在煉鋼過程中添加一些合金元素，其總量不超過5%的鋼材、加入合金元素后鋼材強度可明顯提高，使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度、剛度、穩(wěn)定三個主要控制指標都能充分發(fā)揮，尤其在大跨度或重負載結(jié)構(gòu)中優(yōu)點更為突出，一般可比碳素結(jié)

10、構(gòu)鋼節(jié)約20%左右的用鋼量 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼一致，即由代表屈服極限的漢語拼音首字母（Q）、屈服極限數(shù)值、質(zhì)量等級符號（A、B、C、D、E）三個部分按順序排列表示。鋼的牌號共有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690，隨著質(zhì)量等級的變化，其化學成分（熔煉分析）和力學性能也有變化。 （三）鋼材的選擇目的：安全可靠、經(jīng)濟合理、節(jié)約鋼材、降低造價結(jié)構(gòu)的重要性所受荷載情況結(jié)構(gòu)形式應力狀態(tài)連接方法鋼材厚度溫度（四）鋼材的規(guī)格 鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼材主要有熱軋鋼板、型鋼、圓鋼以及冷彎薄壁型鋼，還有熱軋鋼管和冷彎焊接鋼管。如圖所示。 建筑鋼材的規(guī)格（

11、1）熱軋鋼板熱軋鋼板包括厚鋼板、薄鋼板和扁鋼，表示方法為“寬度厚度長度”，單位為mm。 厚鋼板：厚度4100mm，寬度6003000，長度412m薄鋼板：厚度小于4mm，寬度5001500，長度0.54m扁鋼：厚度460mm，寬度12200mm，長度39m花紋鋼板：厚度2.58mm，寬度6001800，長度0.612m（2）型鋼工字鋼有普通工字鋼和輕型工字鋼。普通工字鋼用號數(shù)表示，號數(shù)為截面高度的厘米數(shù)。20號以上的工字鋼,同一號數(shù)根據(jù)腹板厚度不同分為a、b、c三類，如I30a、I30b、I30c。輕型工字鋼比普通工字鋼的腹板薄，翼緣寬而薄。型號：普通工字鋼為10-63號 輕型工字鋼為10-7

12、0號供應長度：5-19m H型鋼比工字鋼的翼緣寬度大而且等厚，因此更高效。依據(jù)熱軋H型鋼和剖分T型鋼（GB/T 112631998），熱軋H型鋼分為寬翼緣H型鋼、中翼緣H型鋼和窄翼緣H型鋼，代號分別為HW、HM和HN，型號采用“高度寬度”來表示，如HW400400、HM500300、HN700300。H型鋼的兩個主軸方向的慣性矩接近，使構(gòu)件受力更加合理。bht1t2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 hbt1t2 槽鋼的規(guī)格以代號和截面高度（mm）翼緣寬度（mm）腹板厚度（mm）表示，如200737。此外，也可以用型號表示，即用代號和截面高度的厘米數(shù)以及a、b、c等表示（意義同工字鋼），如200737也可以表示為20a。 最大型號為40c 供應長度為5-19m 角鋼有等邊角鋼和不等邊角鋼兩種。如10010表示邊長為100 mm，厚度為10 mm的等邊角鋼，100808表示長邊為100 mm，短邊為80 mm，厚度為8 mm的不等邊角鋼。 類型：分為等邊和不等邊兩種。最大邊長：200mm供應