這是鋼結構設計原理ppt，包括了鋼結構的材料，鋼結構對材料的要求，鋼材的破壞形式，鋼材的主要性能，各種因素對鋼材主要性能的影響，復雜應力作用下鋼材的屈服條件等內容，歡迎點擊下載。

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《鋼結構設計原理》 第二章   鋼結構的材料 2.1鋼結構對材料的要求 鋼的種類繁多，性能差別很大，適用于鋼結構的僅是小部分。鋼結構的鋼必須符合下列要求： (1)較高的抗拉強度 和屈服點 是衡量結構承載能力的指標， 高則可減輕結構自重。 是衡量鋼材經過較大變形后的抗拉能力，反映鋼材內部組織的優(yōu)劣， 高可以增加結構的安全保障。 (2)足夠的變形能力 較高的塑性和韌性 塑性和韌性好，減輕結構脆性破壞的傾向，通過較大的塑性變形調整局部應力，具有較好的抵抗重復荷載作用的能力。 2.2 鋼材的破壞形式 脆性破壞：塑性變形很小，甚至沒有塑性變形，計算應力可能小于鋼材的屈服點，斷裂從應力集中處開始。冶金和機械加工過程中產生的缺陷，特別是缺口和裂紋，常是斷裂的發(fā)源地。 破壞前沒有任何預兆，破壞是突然發(fā)生的。由于脆性破壞前沒有明顯的預兆，無法及時覺察和采取補救措施，且個別構件的斷裂常引起整個結構塌毀，后果嚴重，損失較大。 在設計、施工和使用鋼結構時，要特別注意防止出現(xiàn)脆性破壞。  2.3 鋼材的主要性能 2.3.1 單向均勻拉伸時鋼材的性能 鋼材標準試件在常溫靜載下，單向均勻受拉試驗的應力－應變曲線如圖所示。由此曲線可獲得有關鋼材性能指標。 2)屈服點 ：荷載增加，出現(xiàn)ES段，為非彈性性質，即卸荷曲線成為與OP平行的直線(圖中虛線)，留下永久性的殘余變形。此段上限S點的應力 稱為屈服點。 低碳鋼 出現(xiàn)明顯的屈服臺階SC段，即在應力保持不變的情況下，應變繼續(xù)增加。 高強度鋼 沒有明顯的屈服點和屈服臺階。屈服條件是根據試驗分析結果人為規(guī)定的，故稱為條件屈服點(或屈服強度)。條件屈服點是以卸荷后試件中殘余應變?yōu)?.2％所對應的應力定義的。 2.塑性性能 2.3.2 冷彎性能 2.3.3 沖擊韌性 2.3.4 可焊性 2.4 各種因素對鋼材主要性能的影響 2.4.1 化學成分 鋼由各種化學成分組成，化學成分及其含量對鋼的性能特別是力學性能有重要的影響。 鐵(Fe)—鋼材的基本元素，純鐵質軟，在碳索結構鋼中約占99％，碳和其他元素僅占1％，但對鋼材的力學性能卻有著決定性的影響。 在碳素鋼中，碳是僅次于純鐵的主要元素，直接影響鋼材的強度、塑性、韌性和可焊性等。碳含量增加，鋼的強度提高，而塑性、韌性和疲勞強度下降，同時惡化鋼的可焊性和抗腐蝕性。因此，對含碳量要加以限制，一般不應超過0.22％，在焊接結構中還應低于0.20％。 2.4.1 化學成分 硫和磷(特別是硫)—有害成分 降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度。高溫時，硫使鋼變脆—熱脆；低溫時，磷使鋼變脆—冷脆。一般硫的含量應不超過0.045％，磷的含量不超過0.045％。但是，磷可提高鋼材的強度和抗銹性。高磷鋼，磷含量可達0.12％，這時應減少鋼材中的含碳量，以保持一定的塑性和韌性。 氧和氮—有害雜質 氧使鋼熱脆；氮使鋼冷脆。由于氧、氮容易在熔煉過程中逐出，一般不會超過極限含量，故通常不要求做含量分析。 2.4.1 化學成分 硅和錳—有益元素 煉鋼的脫氧劑。使鋼材的強度提高，含量適宜時，對塑性和韌性無顯著的不良影響。 釩和鈦—合金元素 提高鋼的強度和抗腐蝕性能，又不顯著降低鋼的塑性。 銅—在碳素結構鋼中屬于雜質成分， 可以顯著提高鋼的抗腐蝕性能和鋼的強度，但對可焊性有不利影響。 2.4.2 冶金缺陷 常見的冶金缺陷—偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋及分層等。 偏析 鋼中化學成分不一致和不均勻性，特別是硫、磷偏析嚴重惡化鋼材的性能。 非金屬夾雜 鋼中含有硫化物與氧化物等雜質。 氣孔 澆注鋼錠時，由氧化鐵與碳作用所生成的一氧化碳氣體不能充分逸出而形成的。 分層 澆注時的非金屬夾雜物在軋制后能造成鋼材的分層，會嚴重降低鋼材的冷彎性能。 冶金缺陷對鋼材性能的影響，不僅在結構或構件受力工作時表現(xiàn)出來，有時在加工制作過程中也可表現(xiàn)出來。 2.4.3 鋼材硬化 冷作硬化(或應變硬化) 冷拉、冷彎、沖孔、機械剪切等冷加工使鋼材產生很大塑性變形，從而提高鋼的屈服點，同時降低鋼的塑性和韌性。 時效硬化（俗稱老化）高溫時熔化于鐵中的氮和碳，隨著時間的增長逐漸從純鐵中析出，形成自由碳化物和氮化物，對純鐵體的塑性變形起遏制作用，從而使鋼材的強度提高，塑性、韌性下降。 人工時效 時效硬化的過程一般很長，但如在材料塑性變形后加熱，可使時效硬化發(fā)展特別迅速。 應變時效 應變硬化(冷作硬化)后又加時效硬化。 一般鋼結構中，不利用硬化提高的強度，有些重要結構要求對鋼材進行人工時效后檢驗其沖擊韌性，以保證足夠的抗脆性破壞能力。另外，應將局部硬化部分用刨邊或擴鉆予以消除。 2.4.4 溫度影響 鋼材性能隨溫度變化 溫度升高，鋼材強度降低，應變增大；溫度降低，鋼材強度略有增加，塑性和韌性卻會降低而變脆。 200℃以內鋼材性能無很大變化，430℃—540℃間強度急劇下降，600℃時強度很低不能承擔荷載。 藍脆現(xiàn)象 250℃左右，鋼材的強度略有提高，同時塑性和韌性均下降，材料有轉脆的傾向，鋼材表面氧化膜呈現(xiàn)藍色。 鋼材應避免在藍脆溫度范圍內進行熱加工。 徐變現(xiàn)象 當溫度在260℃—320℃時，在應力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形。 2.4.3 溫度影響 低溫冷脆 當溫度從常溫開始下降，特別是在負溫度范圍內時，鋼材強度雖有提高，但其塑性和韌性降低，材料逐漸變脆。 隨著溫度的降低，Cv值迅速下降，材料將由塑性破壞轉變?yōu)榇嘈云茐�，同時可見這一轉變是在一個溫度區(qū)間T1T2內完成的，此溫度區(qū)稱為鋼材的脆性轉變溫度區(qū)。 轉變溫度區(qū)內曲線的反彎點(最陡點)所對應的溫度T0稱為轉變溫度。 2.4.5 應力集中 工作性能和力學性能指標 軸心拉桿件中應力沿截面均勻分布的情況作為基礎的。 實際上存在著孔洞、截面突變以及鋼材內部缺陷等。構件中的應力分布不再均勻，某些區(qū)域產生局部高峰應力，另外一些區(qū)域應力降低，形成所謂應力集中現(xiàn)象。 高峰區(qū)的最大應力與凈截面的平均應力之比稱為應力集中系數(shù)。 研究表明，應力高峰區(qū)存在著同號的雙向或三向應力，使鋼材變脆。應力集中系數(shù)愈大，變脆的傾向愈嚴重。鋼材塑性較好，在一定程度上能促使應力進行重分配，使應力趨于平緩。 2.4.5 應力集中 靜載、常溫 可不考慮應力集中的影響。 動載、負溫 應力集中的影響十分突出，引起脆性破壞，故在設計中應采取措施避免或減小應力集中，并選用質量優(yōu)良的鋼材。 2.4.6  反復荷載作用 反復荷載作用下，結構的抗力及性能都會發(fā)生重要變化，甚至發(fā)生疲勞破壞。 疲勞 在直接連續(xù)反復的動力荷載作用下，根據試驗，鋼材的強度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗的極限強度。 疲勞破壞表現(xiàn)為突然發(fā)生的脆性斷裂。 實際上疲勞破壞是累積損傷的結果。材料總是有“缺陷”的，在反復荷載作用下，先在其缺陷處發(fā)生塑性變形和硬化而生成一些極小的裂痕，此后這種微觀裂痕逐漸發(fā)展成宏觀裂紋，試件截面削弱，而在裂紋根部出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，使材料處于三向拉伸應力狀態(tài)，塑性變形受到限制，當反復荷載達到一定的循環(huán)次數(shù)時，材料破壞，并表現(xiàn)為突然的脆性斷裂。 2.4  復雜應力作用下鋼材的屈服條件 單向拉伸 應力達到屈服點時，鋼材即進入塑性狀態(tài)。 復雜應力狀態(tài) 如平面或立體應力作用下，鋼材由彈性狀態(tài)轉入塑性狀態(tài)的條件是按能量強度理論計算的折算應力與單向應力下的屈服點比較來判斷： 2.4  復雜應力作用下鋼材的屈服條件 三向應力有一向應力很小(如厚度較小，厚度方向的應力可忽略不計)或為零時，則屬于平面應力狀態(tài)： 在一般的梁中，只存在正應力和剪應力，則： 當只有剪應力時， ＝0 得： 因此，鋼材抗剪設計強度為抗拉設計強度的0.58倍。 2.6  鋼材的疲勞 鋼材的疲勞斷裂 微觀裂紋在連續(xù)重復荷載作用下不斷擴展直至斷裂的脆性破壞。 鋼材的疲勞強度取決于應力集中(或缺口效應)和應力循環(huán)次數(shù)。 疲勞破壞后的截面斷口具有光滑的和粗糙2個區(qū)域，光滑部分表現(xiàn)裂縫的擴張和閉合過程，由裂縫逐漸發(fā)展引起的，說明疲勞破壞經歷一緩慢的轉變過程，粗糙部分表明鋼材最終斷裂一瞬間的脆性破壞，性質和拉伸試驗的斷口相似。 疲勞破壞屬高周低應變疲勞，總應變幅小，破壞前荷載循環(huán)次數(shù)多。 規(guī)定循環(huán)次數(shù)N≥5×104，應進行疲勞計算。 2.6.1  常幅疲勞計算 應力幅 應力譜中最大應力與最小應力之差，即 ， 為每次應力循環(huán)中的最大拉應力(取正值)， 為每次應力循環(huán)中的最小拉應力(取正值)或壓應力(取負值)。 常幅疲勞 應力幅保持常量。 應力比 為絕對值最小與最大應力之比(拉應力取正值，壓應力取負值) ，表示應力循環(huán)特征。 ＝-l，為完全對稱循環(huán)； ＝0，稱為脈沖循環(huán)； 在0與-1之間，稱為不完全對稱循環(huán)。 2.6.1  常幅疲勞計算 根據試驗數(shù)據畫出應力幅與相應的致?lián)p循環(huán)次數(shù)N的關系曲線，按試驗數(shù)據回歸的曲線為平均值曲線。 為便于工作，常用雙對數(shù)坐標軸的方法使曲線改為直線。在雙對數(shù)坐標圖中，疲勞直線方程為： 2.6.1  常幅疲勞計算 焊接部位： 非焊接部位：折算應力幅 2.6.2  變幅疲勞計算 實際大多結構承受變幅循環(huán)應力的作用。如吊車梁，吊車不是每次滿載運行，不是每次停在最不利位置，所以每次應力幅不是最大值，按最大值計算偏于保守。實為欠載狀態(tài)的變幅疲勞。 運用常幅疲勞研究結果，采用累積損傷法則。 2.6.2  變幅疲勞計算 應力幅水平 ， …， …和對應的循環(huán)次數(shù)n1，n2，…ni…。再假設這些應力幅為常幅時，相對應的疲勞壽命是N1，N2…，Ni，…。Ni表示在常幅疲勞中循環(huán)作用Ni次后，構件或連接即產生破損。則在應力幅 作用下的一次循環(huán)所引起的損傷為l/N1，n1次循環(huán)為n1/N1。按累積損傷法則，將總的損傷按線性疊加計算，則得發(fā)生疲勞破壞的條件為： 2.6.2  變幅疲勞計算 若認為變幅疲勞與同類常幅疲勞有相同的曲線，則任一級應力幅水平均有 2.7  鋼的種類和鋼材規(guī)格 2.7.1 鋼的種類 用途分類：結構鋼、工具鋼和特殊鋼(如不銹鋼等)。 結構鋼：建筑用鋼、機械用鋼。 冶煉方法：轉爐鋼、平爐鋼。 轉爐鋼 采用氧氣頂吹轉爐鋼，側吹(空氣)轉爐鋼所含雜質多，使鋼易脆，質量很低，已取消這種鋼的使用。平爐鋼 質量好，冶煉時間長，成本高。氧氣轉爐鋼質量與平爐鋼相當而成本則較低。 脫氧方法：沸騰鋼(F)、半鎮(zhèn)靜鋼(b)、鎮(zhèn)靜鋼(Z)和特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ)，鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的代號可以省去 鎮(zhèn)靜鋼 脫氧充分，沸騰鋼脫氧較差，半鎮(zhèn)靜鋼介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間。一般采用鎮(zhèn)靜鋼。 2.7.1 鋼的種類 成型方法：軋制鋼(熱軋、冷軋)、鍛鋼和鑄鋼。 化學成分：碳素鋼和合金鋼。 建筑工程中采用碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼和優(yōu)質碳素結構鋼。 (1)對碳素結構鋼 按質量等級分為A、B、C、D四級。 A級鋼只保證抗拉強度、屈服點、伸長率，必要時尚可附加冷彎試驗的要求，化學成分對碳、錳可以不作為交貨條件。 B、C、D鋼均保證抗拉強度、屈服點、伸長率、冷彎和沖擊韌性（分別為＋20℃，0℃，－20℃)等力學性能。化學成分碳、硫、磷的極限含量。 2.7.1 鋼的種類 鋼的牌號表示方法 屈服點的字母Q、屈服點數(shù)值、質量等級符號(A、B、C、D)、脫氧方法符號等四個部分按順序組成。 根據厚度(直徑)＜l6mm的鋼材的屈服點數(shù)值，分為Q195、Q2l5、Q235、Q255、Q275。 鋼結構一般僅用Q235。 鋼的牌號根據需要可為Q235A；Q235B；Q235C；Q235D等。冶煉方法一般由供方自行決定，設計者不再另行提出，如需方有特殊要求時可在合同中加以注明。 2.7.1 鋼的種類 (2)低合金高強度結構鋼 牌號表示方法 根據厚度(直徑)＜l6mm鋼材的的屈服點大小，分為Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。 鋼的牌號仍有質量等級符號，除與碳素結構鋼A、B、C、D四個等級相同外增加一個等級E，主要是要求-40℃的沖擊韌性。鋼的牌號如：Q345-B、Q390-C等等。低合金高強度結構鋼一般為鎮(zhèn)靜鋼，因此鋼的牌號中不注明脫氧方法。冶煉方法也由供方自行選擇。 A級鋼應進行冷彎試驗，其他質量級別鋼如供方能保證彎曲試驗結果符合規(guī)定要求，可不作檢驗。Q460和各牌號D、E級鋼一般不供應型鋼、鋼棒。 2.7.1 鋼的種類 成型方法：軋制鋼(熱軋、冷軋)、鍛鋼和鑄鋼。 化學成分：碳素鋼和合金鋼。 建筑工程中采用碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼和優(yōu)質碳素結構鋼。 (1)對碳素結構鋼 按質量等級分為A、B、C、D四級。 A級鋼 只保證抗拉強度、屈服點、伸長率，必要時尚可附加冷彎試驗的要求，化學成分對碳、錳可以不作為交貨條件。 B、C、D鋼 均保證抗拉強度、屈服點、伸長率、冷彎和沖擊韌性（分別為＋20℃，0℃，－20℃)等力學性能。化學成分碳、硫、磷的極限含量。 2.7.2 鋼材的選擇 1 選用原則 目的：安全可靠、經濟合理。 選擇鋼材時考慮的因素有： (1)重要性 對重要結構，應考慮選用質量好的鋼材，對一般工業(yè)與民用建筑結構，可按工作性質分別選用普通質量的鋼材。按規(guī)定的安全等級，一級(重要的)、二級(一般的)和三級(次要的)。安全等級不同，要求的鋼材質量也應不同。 (2)荷載性質 直接承受動力荷載的結構和強烈地震區(qū)的結構，應選用綜合性能好的鋼材；一般承受靜態(tài)荷載的結構則可選用價格較低的Q235鋼。 2 鋼材選擇的規(guī)定 承重結構的鋼材 應保證抗拉強度、屈服點、伸長率和硫、磷的含量，對焊接結構尚應保證碳的含量。 焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構的鋼材還應具有冷彎試驗的合格保證。 需要驗算疲勞的焊接結構的鋼材 應具有常溫沖擊韌性的合格保證。當結構工作溫度等于或低于0℃但高于－20℃時，Q235鋼和Q345鋼應具有0℃沖擊韌性的合格保證；對Q390和Q420鋼應具有－20℃沖擊韌性的合格保證；當結構工作低于－20℃時、對Q235鋼和Q345鋼應具有－20℃沖擊韌性的合格保證；對Q390鋼和Q420鋼應具有－40℃沖擊韌性的合格保證。 需要驗算疲勞的非焊接結構的鋼材 應具有常溫沖擊韌性的合格保證，當結構工作溫度等于或低于－20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應具有0℃沖擊韌性的合格保證；對Q390鋼和Q420鋼應具有－20℃沖擊韌性的合格保證。 2.7.3   鋼材的規(guī)格 型材：熱軋成型鋼板和型鋼 、 冷彎(或冷壓)成型的薄壁型鋼。 1.熱軋鋼板: 厚鋼板、薄鋼板、扁鋼。 厚鋼板: t=4.5~60mm 薄鋼板：t=0.35 ~ 4mm 扁鋼： t=4~60mm，B＝30~200mm。 鋼板的表示方法為，在符號“-”后加“厚x寬x長”，如-8x600x1200。 2.熱軋型鋼 角鋼、工字鋼、槽鋼和鋼管 角鋼兩種，不等邊角鋼的表示方法為L100×80×8，等邊角鋼L100×8，單位為mm。 工字鋼 普通工字鋼、輕型工字鋼和H型鋼。 普通工字鋼和輕型工字鋼 用號數(shù)表示，即為其截面高度的厘米數(shù)。20號以上的工字鋼，同一號數(shù)a、b、c三類。如I30a、I30b、I30c，a類腹板較薄用作受彎構件較為經濟。 H型鋼 翼緣內外兩側平行，便于與其他構件相連。它可分為寬翼緣H型鋼(代號HW，翼緣寬度B與截面高度H相等)、中翼緣H型鋼（代號HM，B＝(1/2~2/3)H）、窄翼緣H型鋼（代號HN，B＝(1/3~1/2)H）。 剖分T型鋼 由H型鋼剖分而成，代號分別為TW、TM和TN。 H型鋼和剖分T型鋼的規(guī)格標記： HM 340×250×9×14， 其剖分T型鋼為TM170×250×9×14，單位均為mm。 槽鋼 普通槽鋼和輕型槽鋼兩種，也以其截面高度的厘米數(shù)編號，如[30a。 鋼管 無縫鋼管和焊接鋼管兩種，用Ø 400×6。 3.薄壁型鋼 用薄鋼板(一般采用Q235或Q345鋼)，經模壓或彎曲而制成，壁厚一般為1.5~5mm，在國外薄壁型鋼厚度有加大范圍的趨勢，如美國可用到25.4mm厚。有防銹涂層的彩色壓型鋼板；所用鋼板厚度為0.4~1.6mm，用作輕型屋面及墻面等構件。mRl紅軟基地

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