钢结构设计原理

《钢结构设计原理》第二章钢结构的材料2.1钢结构对材料的要求钢的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的仅是小部分。钢结构的钢必须符合下列要求：(1)较高的抗拉强度和屈服点是衡量结构承载能力的指标，高则可减轻结构自重。是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，反映钢材内部组织的优劣，高可以增加结构的安全保障。(2)足够的变形能力较高的塑性和韧性塑性和韧性好，减轻结构脆性破坏的倾向，通过较大的塑性变形调整局部应力，具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。ufufyfyfyfuf2.1钢结构对材料的要求(3)良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和可焊性能)易于加工成各种形式的结构，不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等造成较大的不利影响。根据具体工作条件，有时还要求具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。设计规范规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。2.2钢材的破坏形式钢材有两种性质完全不同的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。塑性破坏：由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力，在构件的应力达到了钢材的抗拉强度后才发生。破坏前构件产生较大的塑性变形。由于较大的塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时发现而采取措施予以补救，不致引起严重后果。塑性变形后出现内力重分布，使结构中原先受力不等的部分应力趋于均匀，因而提高结构的承载能力。2.2钢材的破坏形式脆性破坏：塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点，断裂从应力集中处开始。冶金和机械加工过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，常是断裂的发源地。破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察和采取补救措施，且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁，后果严重，损失较大。在设计、施工和使用钢结构时，要特别注意防止出现脆性破坏。2.3钢材的主要性能2.3.1单向均匀拉伸时钢材的性能钢材标准试件在常温静载下，单向均匀受拉试验的应力－应变曲线如图所示。由此曲线可获得有关钢材性能指标。1.强度性能1)比例极限fp：图中OP段为直线，表示钢材具有完全弹性性质，这时应力P点应力称为比例极限。弹性极限fe：PE段仍具有弹性，但为非线性弹性阶段，此时的模量叫做切线模量，，E点的应力称为弹性极限。弹性极限和比例极限相距很近，实际上很难区分，故通常只提比例极限。E/ddtE2)屈服点：荷载增加，出现ES段，为非弹性性质，即卸荷曲线成为与OP平行的直线(图中虚线)，留下永久性的残余变形。此段上限S点的应力称为屈服点。低碳钢出现明显的屈服台阶SC段，即在应力保持不变的情况下，应变继续增加。高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶。屈服条件是根据试验分析结果人为规定的，故称为条件屈服点(或屈服强度)。条件屈服点是以卸荷后试件中残余应变为0.2％所对应的应力定义的。yfyf上屈服点和下屈服点进入塑性流动范围时，曲线波动较大，逐渐趋于平稳，其最高点和最低点分别称为上屈服点和下屈服点。上屈服点和试验条件(加荷速度、试件形状、试件对中的准确性)有关。下屈服点不敏感，设计中则以下屈服点为依据。理想的弹-塑性体无缺陷和残余应力影响的试件比例极限和屈服点比较接近，且屈服点前应变很小。为简化计算，假定屈服点前钢材为完全弹性，屈服点后为完全塑性的，这样就可把钢材视为理想的弹-塑性体。应力-应变曲线表现为双直线。3)抗拉强度或极限强度超过屈服台阶，材料出现应变硬化，曲线上升，直至曲线最高处的B点，这点的应力称为抗拉强度或极限强度。当应力达到B点时，试件发生颈缩现象，至D点而断裂。当以屈服点的应力作为强度限值时，抗拉强度成为材料的强度储备。ufufyf2.塑性性能伸长率:试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，称为伸长率。当试件标距长度与试件直径d(圆形试件)之比为10时，以表示；当该比值为5时，以表示。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。1053.钢材物理性能指标单向受压时:受力性能基本上和单向受拉时相同。受剪时:和单向受拉也相似，但屈服点及抗剪强度均较受拉时为低；剪变模量G也低于弹性模量E。vyfvuf2.3.2冷弯性能冷弯性能是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。冷弯性能由冷弯试验来确定。试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头加压，使试件弯成l80°，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷。2.3.3冲击韧性韧性试验则可获得钢材的一种动力性能。韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，采用材料在断裂时所吸收的总能量(包括弹性和非弹性能)来量度，其值为曲线与横坐标所包围的总面积，总面积愈大韧性愈高，故韧性是钢材强度和塑性的综合指标。通常是钢材强度提高，韧性降低，则表示钢材趋于脆性。低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区不但要求钢材具有常温(20℃)冲击韧性指标，还要求具有0℃、-20℃或-40℃冲击韧性指标。采用夏比V形缺口试件在夏比试验机上进行，所得结构以所消耗的功Cv表示，单位为J。2.3.4可焊性可焊性：采用一般焊接工艺就可完成合格的（无裂纹的）焊缝的性能。可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳素钢的可焊性：碳含量0.12%~0.20%低合金钢的可焊性：碳当量表示碳当量小于0.38%时：可焊性很好。0.38%~0.45%：钢材淬硬倾向逐渐明显，适当的预热措施，控制施焊工艺。大于0.45%：钢材淬硬倾向明显，较高的预热温度，严格的工艺措施。钢材可焊性的优劣：钢材在采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数及一定的结构形式等条件下，获得合格焊缝的难易程度。2.4各种因素对钢材主要性能的影响2.4.1化学成分钢由各种化学成分组成，化学成分及其含量对钢的性能特别是力学性能有重要的影响。铁(Fe)—钢材的基本元素，纯铁质软，在碳索结构钢中约占99％，碳和其他元素仅占1％，但对钢材的力学性能却有着决定性的影响。在碳素钢中，碳是仅次于纯铁的主要元素，直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳含量增加，钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下降，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性。因此，对含碳量要加以限制，一般不应超过0.22％，在焊接结构中还应低于0.20％。2.4.1化学成分硫和磷(特别是硫)—有害成分降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。高温时，硫使钢变脆—热脆；低温时，磷使钢变脆—冷脆。一般硫的含量应不超过0.045％，磷的含量不超过0.045％。但是，磷可提高钢材的强度和抗锈性。高磷钢，磷含量可达0.12％，这时应减少钢材中的含碳量，以保持一定的塑性和韧性。氧和氮—有害杂质氧使钢热脆；氮使钢冷脆。由于氧、氮容易在熔炼过程中逐出，一般不会超过极限含量，故通常不要求做含量分析。2.4.1化学成分硅和锰—有益元素炼钢的脱氧剂。使钢材的强度提高，含量适宜时，对塑性和韧性无显著的不良影响。钒和钛—合金元素提高钢的强度和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。铜—在碳素结构钢中属于杂质成分，可以显著提高钢的抗腐蚀性能和钢的强度，但对可焊性有不利影响。2.4.2冶金缺陷常见的冶金缺陷—偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。偏析钢中化学成分不一致和不均匀性，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的性能。非金属夹杂钢中含有硫化物与氧化物等杂质。气孔浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分逸出而形成的。分层浇注时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，会严重降低钢材的冷弯性能。冶金缺陷对钢材性能的影响，不仅在结构或构件受力工作时表现出来，有时在加工制作过程中也可表现出来。2.4.3钢材硬化冷作硬化(或应变硬化)冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高钢的屈服点，同时降低钢的塑性和韧性。时效硬化（俗称老化）高温时熔化于铁中的氮和碳，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性下降。人工时效时效硬化的过程一般很长，但如在材料塑性变形后加热，可使时效硬化发展特别迅速。应变时效应变硬化(冷作硬化)后又加时效硬化。一般钢结构中，不利用硬化提高的强度，有些重要结构要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性，以保证足够的抗脆性破坏能力。另外，应将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。2.4.4温度影响钢材性能随温度变化温度升高，钢材强度降低，应变增大；温度降低，钢材强度略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆。200℃以内钢材性能无很大变化，430℃—540℃间强度急剧下降，600℃时强度很低不能承担荷载。蓝脆现象250℃左右，钢材的强度略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。徐变现象当温度在260℃—320℃时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形。2.4.3温度影响低温冷脆当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆。随着温度的降低，Cv值迅速下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏，同时可见这一转变是在一个温度区间T1T2内完成的，此温度区称为钢材的脆性转变温度区。转变温度区内曲线的反弯点(最陡点)所对应的温度T0称为转变温度。如果把低于T0完全脆性破坏的最高温度T1作为钢材的脆断设计温度即可保证钢结构低温工作的安全。2.4.5应力集中工作性能和力学性能指标轴心拉杆件中应力沿截面均匀分布的情况作为基础的。实际上存在着孔洞、截面突变以及钢材内部缺陷等。构件中的应力分布不再均匀，某些区域产生局部高峰应力，另外一些区域应力降低，形成所谓应力集中现象。高峰区的最大应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数。研究表明，应力高峰区存在着同号的双向或三向应力，使钢材变脆。应力集中系数愈大，变脆的倾向愈严重。钢材塑性较好，在一定程度上能促使应力进行重分配，使应力趋于平缓。2.4.5应力集中静载、常温可不考虑应力集中的影响。动载、负温应力集中的影响十分突出，引起脆性破坏，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。2.4.6反复荷载作用反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。疲劳在直接连续反复的动力荷载作用下，根据试验，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。实际上疲劳破坏是累积损伤的结果。材料总是有“缺陷”的，在反复荷载作用下，先在其缺陷处发生塑性变形和硬化而生成一些极小的裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂纹，试件截面削弱，而在裂纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料破坏，并表现为突然的脆性断裂。以上介绍了各种因素对建筑钢材基本性能的影响，研究和分析这些影响的最终目的是了解建筑钢材在什么条件下可能发生脆性破坏，从而采取措施予以防止。一般需要在设计、制造及使用中注意：(1)合理的设计构造力求合理，均匀、连续地传递应力，避免构件截面剧烈变化。低温，动力荷载作用时应选择合适的钢材，使所用钢材脆性转变温度低于结构的工作温度。(2)正确的制造严格遵守设计的技术要求，如尽量避免使材料出现应变硬化，正确地选择焊接工艺，保证焊接质量。(3)正确的使用如不在主要结构上任意焊接附加的零件，不任意悬挂重物。2.4复杂应力作用下钢材的屈服条件单向拉伸应力达到屈服点时，钢材即进入塑性状态。复杂应力状态如平面或立体应力作用下，钢材由弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论计算的折算应力与单向应力下的屈服点比较来判断：2222223xzyzxyzxzyyxzyxeq当＜时，为弹性状态；≥时为塑性状态。yfeqyfeq2.4复杂