钢结构讲义2

1第二章建筑钢材及性能2§2.1建筑钢材在单轴应力下的工作性能在+20℃的条件下做拉伸试验，缓慢加载，得到应力应变曲线。工作特性分为四个阶段：①弹性阶段：0～fp(比例极限)，σ～ε线性关系，变形小，卸载后变形恢复。25N/mm102.06tgαεσE塑性σfp弹性fyBCε(0.1~0.2)%(2~3)%20%弹性模量l0按GB将钢材加工成标准试件，3②弹塑性阶段：fp～fy(屈服点)，弹性变形塑性变形—不可恢复的残余变形弹性模量E由2.06×1050③塑性阶段（又称塑流阶段）：B～C屈服平台，σ不变，ε不断增长。④强化阶段（又称自强阶段）：钢材恢复承载能力，当σfu（抗拉强度)时，发生颈缩现象而破坏，变形塑性σfp弹性fyBCε(0.1~0.2)%(2~3)%20%为塑性破坏。4变形很大，是在材料达到fu以后发生的，变形大且时间长，易发现。断口与作用力方向成45°角，常在钢材表面出现相互垂直的锈迹剥落线。塑性变形很小，甚至没有，应力低于fu甚至可能低于fy，破坏是突然的。断口齐平，破坏前无预兆。通过单向拉伸试验，得到三个机械性能指标fu、fy、δδ（伸长率）：衡量塑性变形能力的指标。l0：试件的标距长度l1：拉断时的标距长度分为δ5和δ10，δ10意为标距长度/直径（宽度）＝10塑性破坏：脆性破坏：100%δ001llll05fu(抗拉强度)：衡量经巨量变形后的抗拉能力；fy（屈服点）：衡量结构承载能力的指标；均为钢材的静力强度指标。注意：fy是材料的标准强度，非设计强度，式中：：材料抗力分项系数1.087（Q235钢）1.111（Q345、Q390、Q420）通过分析，得出2点结论：①由于残余应力的存在，fp≈0.8fy，以fy作弹性、塑性工作的分界点，将σ～ε曲线简化为两段直线组成的理想弹性—塑性体，如此就可用弹性理论进行强度计算。Ryγff设计强度为：γRγRσfyε6②以fy作弹性设计时的强度指标依据：a.以fy作弹性、塑性工作的分界点，屈服后，ε＝（2～3）％，易察觉；若ε过大，产生的变形过大，不允许。b.从fy～fu，塑性工作区很大，有足够的变形保证截面上的应力不超过fu，fy～fu作为强度储备。fy/fu：屈强比受压、受剪、受弯时的σ～ε关系如何？？？受压、受剪、受弯时的σ～ε关系基本同受拉，受压、受弯的强度指标取受拉时的数值，受剪的强度指标fyv(或τy)=0.58fy(后面讲原因)钢材屈服点fy的高低和钢材晶粒的粗细有关，轧制次数多，钢材就薄，晶粒细，材质好，屈服点就高。7由此可以得出，相同种类不同厚度的钢材，设计强度是不一样的。据此，«规范»将不同厚度的钢材分组，不同组取不同的强度设计值。钢材强度设计值N/mm2碳素结构钢低合金高强度结构钢有屈服点的钢材含碳量小于2.06％，建筑用钢含C量小于0.25％加入少于5％的合金元素牌号厚度或直径/mm抗拉、抗压和抗弯f抗剪fv端面承压（刨平顶紧fceQ235≤1621512532516~4020512040~6020011560~1001901108无屈服点的钢材，如热处理低合金钢，如何确定屈服点？？？以卸载后残余应变为0.2％时所对应的应力为屈服点。以σ0.2表示，又称为条件屈服点。冷弯性能：更严格的衡量塑性变形能力的指标，通过冷弯试验确定。冷弯试验是按材料的原有厚度经表面加工成板状，作180°冷弯，以弯曲处的外面、侧面不起层、不开裂为合格。不同厚度的钢材，d不同。注意：焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材必须具有冷弯性能的合格保证。εσσ0.20.2%d+2.1ada▽39厚度方向断面收缩率（又称Z向收缩率）：厚度40mm以上钢板，受力时可能会发生层状撕裂，故应满足Z向收缩率要求。量大，质量好，不易出现层状撕裂，故无此要求。Z向收缩率用ψZ表示A0：原横截面面积A1：拉断时，断口处横截面面积Z15相应的ψZ＝15％Z15钢Z25相应的ψZ＝25％Z25钢Z35相应的ψZ＝35％Z35钢M%100×=AAAψ010z-厚板厚度＞1.5d0d0=10薄钢板轧制时，压缩分为三个质量等级10钢材受动荷时的韧性指标：衡量钢材承受动荷作用时抵抗脆性破坏的指标就是冲击韧性。韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，吸收能量多，韧性好。确定冲击韧性的方法就是冲击试验，试验采用夏比V型缺口试件。Q235钢AKV≥27J(20℃、0℃、-20℃)Q345钢AKV≥34J(20℃、0℃、-20℃)Q390钢AKV≥27J(-40℃)实际结构中，脆断总是发生在缺陷应力集中处，因为该处存在同号拉应力场，使塑性变形受到限制。4055450R=0.251028▽611§2.2建筑钢材在多轴应力下的工作性能双向、三向受力时，不能以单向受力时的fy为屈服点，采用第四强度理论较为合适。单向拉伸达塑性状态时，积聚于单位体积中的形状改变能为：三向主应力作用下，单位体积形状改变能为：式中：ν：泊桑比f2y3E1]U[]-[3Eν1σσσσσσσσσU133221232221σxσxσyσyσzσzτxyτxzτyxτzxσ2σ3σ1τzy12能量理论认为：Uφ=[Uφ]时，多向应力状态下的钢材进入塑性。即由弹性转为塑性状态的工作条件为：当折算应力σeq＜fy时，弹性；当折算应力σeq＞fy时，塑性。多向应力下，以折算应力σeq作为强度计算的标准，将折算应力σeq变形为：①有异号应力，且同号应力差较大，就易进入塑性，说明异号应力场下易发生塑性破坏。fy133221232221=)++(++σσσσσσσσσ-)++(++=σσσσσσσσσσ133221232221eq-]13+32+21[21=)σσ()σσ()σσ(σ222eq---令：分析：13②三个主应力同号且接近，σeq小，不易进入塑性，直至破坏，也不进入塑性；三向等值压缩时，不会破坏；说明同号拉应力场下易脆性破坏。用正应力和剪应力表示折算应力：钢结构中，构件厚度小，厚度方向应力小，忽略，形成平面应力状态，)++(3+)++(++=τττσσσσσσσσσσ2zx2yz2xyxzzyyx2z2y2xeq-τσσσσσ2xyyx2y2xeq3++=-即：达到屈服时：即：纯剪时：τ×3=σeqfyτ3ffyy58.0=3=τ因此时屈服，用fyv代替τ，即有：fyv＝0.58fy14§2.3各种因素对钢材性能的影响1938～1950年，在-14℃左右的冬季条件下，比利时共有14座大桥断裂。1954年11月，英国制造的32000t油船—世界协和号，在海浪4.5～6m高的大海中航行时，船底断裂。事故原因？？？一化学成分C：铁以外最重要的元素，C0.3%或C0.1%时，钢材无明显屈服点。C↑→强度↑、塑性↓、冲击韧性↓、焊接性能↓、脆性↑、低温脆断危险↑。钢结构采用低碳钢，C0.25%，焊接结构C0.2%S：有害元素，800℃～1000℃时，硫化铁熔化使钢材变脆，因此热加工或焊接时，有可能引起热裂纹，称为“热脆”。15S↑→冲击韧性↓、焊接性能↓、疲劳强度↓，所以，S≤0.045%(Q235以上钢材）S≤0.05%(Q235钢材）Mn：有益元素，弱脱氧剂。提高强度，不过多降低塑性和韧性，消除热脆，改善冷脆；Mn过多，降低焊接性能。Si：强脱氧剂。Si≤0.2%时，提高强度，而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能、焊接性能；Si含量达1％时，则不然。P：提高强度和抗锈蚀能力，严重降低塑性、韧性、焊接性能。所以，P0.04%(Q235以上钢材)P0.045%(Q235钢材)V：提高强度、抗锈蚀能力，不显著降低塑性。N、O：有害元素，O→热脆，N→冷脆。16二钢材的焊接性能钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响。碳素钢：当0.12％C0.20%时，焊接性能好，含碳量超过上述范围，焊缝和热影响区容易变脆。低合金钢：焊接性能用碳当量CE来衡量，式中化学符号表示该化学元素含量的百分数。CE≤0.38％时，焊接性能好，可直接施焊；0.38％CE0.45%时，施焊前预热，控制焊接工艺；CE≥0.45％时，严格控制焊接工艺和预热温度。通常采用可焊性试验的方法来检验钢材的焊接性能，从而制定重要结构和构件的焊接制度和工艺。15Cu+Ni+5V+Mo+Cr+6Mn+C=CE17三冶金缺陷缺陷有：偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、起层等。气孔：CO气体没有逸出形成。非金属夹杂：钢材中含有氧化物、硫化物，使钢材变脆。偏析：化学杂质元素分布的不均匀性，主要的偏析是S、P的偏析，偏析→塑性↓、韧性↓、焊接性能↓、疲劳强度↓。四应力集中当试件表面不平整，有缺口存在时，在轴心荷载作用下，截面上应力分布不均匀，缺口附近的应力特别高，称应力集中。18缺口尖端σmax净截面平均应力：σ0＝N/AnAn：净截面面积应力集中系数：k=σmax/σ0缺口处，σ方向与轴向不一致，力线倾斜，因而产生横向剪力σy。在孔边缘形成双向拉应力场（若考虑厚度，三向拉应力场），这就是脆断的原因。带槽口试件的σ～ε曲线，也证明了此点。无明显屈服点，塑性降低，脆性增大。N标准试件σε2-2σ1-1112233σmax3-3σy一19应力集中现象产生的原因：构件的不正确造型（设计时避免）残余应力（研究不够）非金属夹杂五钢材的硬化钢材中，C、N的固溶物存在于纯铁体的结晶体中，随时间增长，它们析出，存在于晶粒之间的间层中，对纯铁体的塑性变形起到抑制作用，使钢材的强度上升，塑性降低，此种现象称“时效硬化”。又称“应变硬化”。加热使此过程迅速完成，称“人工时效”。弹性阶段：不影响钢材性能弹塑性阶段：强度提高，即弹性变形区域扩大，塑性降低现象，称“冷作硬化”。钢材经冷作硬化后又发生时效硬化，称“应变时效”。加卸荷冷作硬化后的塑性区εσ时效硬化应变时效、20时效硬化和人工时效与冷作硬化的区别：相同点：扩大了弹性工作范围，减少了塑性。不同点：前者在扩大弹性范围的同时，还提高了抗拉强度，而后者没有提高抗拉强度。冷作硬化通常是在经过冷加工后产生的，冷加工区域的边缘会产生冷作硬化，成为产生裂缝的根源。冷加工：在常温或低于再结晶温度的情况下，通过机械的力量使钢材产生所需要的永久塑性变形，获得需要的薄板或型钢的工艺。如冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等。所以，要消除冷作硬化区域（受动荷的重要构件，冷作硬化区域必须除去）。εσ冷作硬化后的塑性区应变时效时效硬化21六加荷速度快速拉伸，沿0B线变化，此时试件的温度有所降低，持荷保持不变，试件吸收热量，产生BA，称“弹性后效”。若突然快速卸荷，沿AC线变化，试件温度上升，随后放热后冷却，回到0点。加荷速度提高，钢材的屈服强度提高，呈脆性，故试验时按规定的速度加荷。通常作法：加载后持荷5分钟后读数，得到准确的试验值。σεABC22七温度影响温度从常温下降→fy稍有↑、脆性↑、塑性↓、韧性↓。当温度降到某一数值时，冲击韧性AKV突然显著下降，钢材易产生脆性断裂，称“低温冷脆”。所以，应针对结构所处的温度对钢材提出AKV要求。温度从常温上升，200℃以下，强度↓、塑性↑，250℃左右，强度↑、塑性↓、AKV↓，钢材变脆，称为“蓝脆现象”。所以，经常受高温时，应采取隔热措施。以上介绍影响钢材性能因素的目的是了解钢材在什么条件下发生脆性破坏，从而采取措施预防。t(温度)AKV温度脆性区23为了防止脆性破坏的发生，需注意以下三点：合理的设计：构造应合理，应能均匀、连续地传递应力，避免构件截面剧烈变化，合理的选用材料。正确的制造：应严格按照设计要求进行制作，如避免材料出现硬化，要通过扩孔或刨边除掉硬化区，选择合理的焊接工艺，对制作和安装过程中所造成的缺陷应进行清理和修复。正确的使用：不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构，不在主要结构上焊接附加的零件、悬挂重物，避免在运输和安装过程中对结构造成撞击。本节开始时所述事故原因：前者：应力集中、残余应力、低温AKV值太小。后者：大部分板件不满足冲击韧性要求。24§2.4建筑钢