第二課：鋼結(jié)構(gòu)材料

鋼結(jié)構(gòu)基本原理

二0一四年九月高層建筑結(jié)構(gòu)概述二0一二年九月二、鋼結(jié)構(gòu)材料fyfu單軸拉伸經(jīng)歷5個(gè)階段：彈性階段（OE）彈塑性階段（ES）屈服階段（SC）強(qiáng)化階段（CB）頸縮階段（BD）碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系fp1、均勻受拉時(shí)的工作性能A:fp

≈200MPa,ep

≈0.1%C:fy≈235MPa,

ey≈0.15%2.5%B:fu≈370-460MPa,

eu≈21%鋼材是理想的彈塑性材料鋼材的屈強(qiáng)比fy/fp是結(jié)構(gòu)的安全儲備鋼材的塑性：伸長率d與收縮率y,原尺寸與拉斷后尺寸相對比2、單軸反復(fù)應(yīng)力下的工作性能鋼材反復(fù)加載曲線：冷作硬化、時(shí)效、疲勞、滯回曲線3、復(fù)雜應(yīng)力下的工作性能雙拉：屈服點(diǎn)高、伸長率低，拉壓：屈服點(diǎn)低、伸長率高，4、抗沖擊性能和冷彎性能強(qiáng)度和塑性指標(biāo)——承受靜力荷載性能：靜力拉伸試驗(yàn)鋼材抗沖擊性能——承受動(dòng)力荷載性能：沖擊韌性akV型、U型缺口,ak=Ak/An——強(qiáng)度和韌性的綜合指標(biāo)Ak——沖擊功[N.m](J),Ak=W(h1-h2),W=擺錘重，h1/h2=沖斷前后擺錘高度An——試件缺口處凈截面面積鋼材的冷彎性能：

鋼材常溫下冷加工產(chǎn)生塑性變形時(shí)對發(fā)生裂縫的抵抗能力

衡量鋼材力學(xué)性能的綜合指標(biāo)——冷彎試驗(yàn)

檢驗(yàn)鋼材內(nèi)部缺陷（晶粒、結(jié)晶、雜物）拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的補(bǔ)充

韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它用材料在斷裂時(shí)所吸收的總能量來量度（Cv）擺錘h1h2沖擊韌性：在動(dòng)力荷載作用下，材料吸收能量的能力。韌性是鋼材強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。沖擊韌性試驗(yàn)焊接焊接熱影響區(qū)和焊接熱影響效應(yīng)焊接應(yīng)力、塑性韌性等力學(xué)指標(biāo)退化可焊性好：焊縫處及熱影響區(qū)力學(xué)性能不低于母材、無焊接裂縫、安全可靠可焊性取決于鋼材化學(xué)成分含量：低碳鋼：碳<0.27%、錳<0.7%、硅<0.4%、硫磷<0.05%低合金鋼：碳當(dāng)量EC%=C+Mn+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15可焊性試驗(yàn)：施工中試驗(yàn)、使用中試驗(yàn)、沖擊韌性、裂紋5、可焊性干腐蝕：金屬和非金屬元素直接結(jié)合濕腐蝕：水分多的環(huán)境下與非金屬元素結(jié)合形成腐蝕物提高抗腐蝕性能：涂料底層處理(拋丸除銹等)+底漆+面漆耐侯鋼材Cu-P-Ti-Re:09CuPCrNi,16CuCr,12MnCuCrCu-P-Ni-Cr:SMA400AW,AP,SMA490AW6、抗腐蝕性能延性破壞：塑性破壞，應(yīng)力fyfu，徑縮變形斷裂，變形時(shí)間長剪應(yīng)力超過晶粒抗剪能力脆性破壞：脆性斷裂，應(yīng)力<fy，無明顯變形、無預(yù)兆，端口平直拉應(yīng)力超過晶?？估芰?。強(qiáng)度理論應(yīng)力>fy破壞？不適用于脆性斷裂斷裂力學(xué)理論！I型裂紋：張開型II型裂紋：滑移型III型裂紋：撕開型7、延性破壞、累積損傷、脆性破壞、疲勞破壞

系數(shù)裂紋寬度一半應(yīng)力應(yīng)力強(qiáng)度因子：臨界應(yīng)力s0：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)應(yīng)力斷裂韌性KIC：KI<KIC

穩(wěn)定，裂紋不擴(kuò)散KI=KIc

臨界KI>KIC

失穩(wěn)，裂紋擴(kuò)展彈性斷裂力學(xué)公式：彈性斷裂力學(xué)公式(張開位移理論)：穩(wěn)定不穩(wěn)定位移臨界值影響脆性斷裂的因素：裂紋尺寸、作用應(yīng)力、材料韌性提高抗脆斷措施：焊接施工管理，避免焊接裂紋、雜質(zhì)避免焊縫集中、采取措施避免或消除焊接殘余應(yīng)力優(yōu)化細(xì)部構(gòu)造措施、避免應(yīng)力集中選擇合理鋼材，低溫動(dòng)力下工作時(shí)選用高等級鋼應(yīng)力腐蝕斷裂：疲勞破壞：反復(fù)荷載下低應(yīng)力狀態(tài)突然破壞反復(fù)荷載下的脆性破壞疲勞破壞過程：裂紋形成裂紋緩慢擴(kuò)展裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展

(焊縫)內(nèi)部缺陷應(yīng)力集中影響因素：應(yīng)力循環(huán)形式和次數(shù)、應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力、缺陷應(yīng)力比：r=smin/smax

絕對值較小絕對值較大拉(+)壓(-)應(yīng)力幅：由于存在殘余應(yīng)力，r不能代表實(shí)際應(yīng)力變化情況Ds=smax-smin

最大拉應(yīng)力最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力拉(+)壓(-)疲勞強(qiáng)度曲線：勻質(zhì)材料疲勞強(qiáng)度與應(yīng)力比的關(guān)系：應(yīng)力幅與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)關(guān)系：損傷累積破壞：損傷：荷載+環(huán)境+溫度+化學(xué)缺陷塑性損傷、疲勞損傷、材質(zhì)變化、蠕變損傷損傷不斷積累導(dǎo)致的破壞損傷累積破壞損傷變量D：無損傷0、破壞1，D=(0,1)單調(diào)遞增、不可逆化學(xué)成分的影響Fe-99%,C、Si、Mn、V<1.5%，Cr、Ni、Cu、Ti、NbS、P、O、N<0.1%C↑:屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度↑，塑性/韌性/可焊性/耐腐蝕性/疲勞/冷彎↓適量Si(0.1%-0.3%):

強(qiáng)度↑，過量降低塑性/韌性/可焊性/抗銹性適量Mn(0.3%-0.8%)：強(qiáng)度↑,消除熱冷脆,過量降低塑性/韌性/可焊性/抗銹性S硫化鐵:降低塑性/韌性/疲勞/可焊性/抗銹性，產(chǎn)生熱脆，<0.045%P：強(qiáng)度/抗銹蝕性↑,嚴(yán)重降低塑性/韌性/冷彎，產(chǎn)生冷脆，0.045%O/N：O產(chǎn)生熱脆,<0.05%；N產(chǎn)生冷脆,<0.008%8、影響鋼材性能的一般因素生產(chǎn)過程的影響冶煉澆鑄軋制矯正冶煉：方法：堿性平爐煉鋼法、頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法、堿性側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法目的：控制化學(xué)成分堿性側(cè)吹效果差，已淘汰。平爐/頂吹效果接近，頂吹效率高應(yīng)用更多。澆鑄：鋼液鋼罐

脫氧劑氧化鐵

脫氧程度:沸騰鋼/半鎮(zhèn)靜鋼/鎮(zhèn)靜鋼/特殊鎮(zhèn)靜鋼

沸騰鋼：Mn為脫氧劑，脫氧程度差，澆鑄時(shí)氧化鐵+碳CO氣體，冷卻快、成品率高、成本低；材質(zhì)不均勻、塑性韌性可焊性差。

鎮(zhèn)靜鋼：Si為脫氧劑，脫氧能力強(qiáng)，脫氧充分，冷卻緩慢無沸騰現(xiàn)象冷卻收縮上部縮孔大、切頭大、成品率低、成本高，力學(xué)性能好

半鎮(zhèn)靜鋼：介于沸騰鋼與鎮(zhèn)靜鋼間特殊鎮(zhèn)靜鋼：Mn/Si脫氧后，用鋁鈦補(bǔ)充脫氧，明顯改善力學(xué)性能

軋制：鋼錠鋼板/型鋼高溫加壓(1200-1300OC)改善內(nèi)部組織/力學(xué)性能軋制鋼板薄力學(xué)性能好、強(qiáng)度/塑性/韌性好軋制方向材性由于垂直方向，試件沿垂直方向下料較厚鋼板中雜質(zhì)薄片分層Z向性能差(層狀撕裂)需進(jìn)行Z向材性試驗(yàn)時(shí)效的影響碳/氮固熔物質(zhì)隨時(shí)間增加析出表面散步在晶粒滑移面上，約束塑性變形，提高強(qiáng)度，降低沖擊韌性。時(shí)效時(shí)間從數(shù)天到數(shù)年。塑性變形后再加熱(200-300OC)使時(shí)效的發(fā)生僅需幾小時(shí)。冷作硬化的影響：常溫下，塑性階段反復(fù)加載會提高鋼材的彈性極限，成為冷作硬化效應(yīng)溫度的影響：冷脆：溫度下降至T1時(shí)，鋼材由塑性破壞轉(zhuǎn)化為脆性破壞熱脆(藍(lán)脆)：250OC時(shí)沖擊韌性下降避免藍(lán)脆范圍內(nèi)熱加工300-600OC：屈服/抗拉極限/彈性模量下降，600OC時(shí)接近零

應(yīng)力集中的影響：雜質(zhì)、槽口、裂縫、形狀突變會產(chǎn)生局部應(yīng)力高峰，應(yīng)力高峰處一般存在同號平面或立體應(yīng)力使材質(zhì)變脆，低溫+應(yīng)力集中脆性斷裂破壞

常溫靜力作用下，應(yīng)力增大應(yīng)力重分布，設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮動(dòng)力荷載作用下，易疲勞破壞，采取措施減小應(yīng)力集中。品種牌號：普通碳素鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼普通碳素鋼：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。(N/mm2)力學(xué)性能質(zhì)保書：fy、fu、化學(xué)成分質(zhì)保書：C、Mn、Si、S、P質(zhì)量等級：A、B、C、D

A:無沖擊功要求;B:20OC時(shí)Ak≥27J;C:0OC時(shí)Ak≥27J;D:-20OC時(shí)Ak≥27J脫氧方式：Z(可不標(biāo)注)、b、F、TZ(可不標(biāo)注)

A、B～Z、b、F;C～Z;D～TZQ235A、Q235AF、Q235Bb、Q235D、Q235C老標(biāo)準(zhǔn)：甲類鋼(A,按力學(xué)性能供應(yīng))、乙類鋼(B,按化學(xué)成分供應(yīng))、特類鋼(C,按力學(xué)性能和化學(xué)成分供應(yīng))1、2、3、4、5、6、7號鋼，3號鋼——Q235。頂吹——YA3——甲類3號鎮(zhèn)靜鋼；CY3F——特類頂吹3號沸騰鋼9、鋼材分類低合金鋼：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460提供力學(xué)性能質(zhì)保書(fy、fu、、冷彎試驗(yàn))化學(xué)成分質(zhì)保書(C、Mn、Si、S、P、V、Nb、Ti)Q345A、Q345B、Q345C、Q345D、Q345EQ390A、Q390B、Q390C、Q390D、Q390EA、B、C、D、E表示質(zhì)量由低到高

A:無沖擊功要求;B:20OC時(shí)Ak≥34J;C:0OC時(shí)Ak≥34J;

D:-20OC時(shí)Ak≥34J;E:-40OC時(shí)Ak≥27J脫氧方式分為鎮(zhèn)靜鋼(A、B)、特殊鎮(zhèn)靜鋼(C、D、E)。Q345B—B級鎮(zhèn)靜鋼,Q390D—D級特殊鎮(zhèn)靜鋼,Q345C—C級特殊鎮(zhèn)靜鋼老牌號：16Mn——Q345，15MnV——Q390優(yōu)質(zhì)碳素鋼：碳素鋼經(jīng)熱處理(調(diào)質(zhì)處理/正火處理)，雜質(zhì)元素少、P/S<0.035%，限制其他缺陷。31個(gè)品種，45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼高強(qiáng)度螺栓高強(qiáng)度鋼絲：拉桿：合金鋼235、345、460、550、650拉索：優(yōu)質(zhì)碳素鋼經(jīng)多次冷拔，fu=1570-1770N/mm2

LG-abD×L,LG-UU150×6000半平行鋼絲束、扭絞鋼絞線()5xn;()

7xn6x19(Mxn)國外品種牌號：質(zhì)量等級：A、B、C、D、E等ISO:Fe310/Fe360A(NF)/Fe430D(GF)，MPa(N/mm2)NF—非沸騰鋼；GF—鋁>0.02%,相當(dāng)于特殊鎮(zhèn)靜鋼英國：40A/40B/50E，ksi(千磅/英寸2)歐洲：意大利接近ISO美國：A36結(jié)構(gòu)鋼(MPa)，A242低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼(ksi)日本：SS400一般結(jié)構(gòu)用軋制鋼SS400A、B、C,SM490A、B、C,焊接結(jié)構(gòu)用軋制鋼SMA400,SMA490,焊接結(jié)構(gòu)用熱軋耐候鋼俄羅斯：C235,C245,C275,…,C390(MPa)Q235—美A36,A53/日SS400,SM400,SMA400/俄羅斯C235/英40/法E24/德St37Q345—美A572,A242,A588/日SM490YA,SM490YB,SM520/俄羅斯C345/英50D/法E36/德St52

選用鋼材的原則(1)結(jié)構(gòu)類型及重要性

重要：大跨度屋蓋、重級工作制吊車梁一般：普通廠房屋架和梁柱次要：樓梯、平臺、欄桿(2)荷載性質(zhì)

靜力、動(dòng)力(滿載、欠載)常溫靜力：B級F；動(dòng)力：韌性和疲勞好—C級Z(3)連接方法焊接：力學(xué)性能和化學(xué)指標(biāo)要求、可焊性好非焊接：力學(xué)性能(4)工作環(huán)境低溫下注意冷脆，選用C、D級Z(5)結(jié)構(gòu)受力受拉構(gòu)件選用C、D級Z鋼板

薄鋼板：厚0.35-4mm，寬500-1800mm，長0.4-6m厚鋼板：厚4.5-60mm(<20mm為中厚)，寬700-3000mm，長4-12m特厚板：厚>60mm，寬600-3800mm，長4-9m扁鋼：厚4-60mm，寬12-200mm，長3-9m型鋼

熱軋普通型鋼：角鋼、工字鋼、槽鋼熱軋H型鋼(H350x250x10x16)和T型鋼(T248x199x9x14)

熱軋無縫鋼管、焊接鋼管(直縫焊和螺旋焊)，102x5無縫鋼管：32-630mm，直縫鋼管：19.1-426mm，螺旋鋼管：219.1-1420mm9、鋼材規(guī)格冷彎薄壁型鋼壁厚：1.5-12mm，承重構(gòu)件厚≥2mm、Q235/Q345/Q3901、熱軋鋼板

“-”寬度×厚度×長度（mm）2、熱軋