钢结构设计原理第二章钢结构的材料 学习培训模板课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《钢结构设计原理第二章钢结构的材料 学习培训模板课件.ppt》由用户(林田)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 钢结构设计原理第二章钢结构的材料 学习培训模板课件 钢结构 设计 原理 第二 材料 学习 培训 模板 课件
- 资源描述:
-
1、哈尔滨工业大学(威海)哈尔滨工业大学(威海)l 铁矿石(氧化铁)铁矿石(氧化铁)生铁(生铁(含碳量含碳量2.06%2.06%以上)以上)高温高温 coco、c c石灰石石灰石 砂质和粘土等砂质和粘土等 熔渣熔渣高温高温l 炼铁炼铁生铁生铁:坚硬、脆、熔点低,常用于铸铁:坚硬、脆、熔点低,常用于铸铁l 炼钢炼钢生铁生铁碳、杂质碳、杂质氧化作用氧化作用钢(含碳钢(含碳0.25%)0.45时,淬硬倾向更加明显,需严格控制时,淬硬倾向更加明显,需严格控制工艺。工艺。1556CuNiVMoCrMnCCE1)1)时效硬化时效硬化氮和碳随时间的增长逐渐氮和碳随时间的增长逐渐由固溶体中析出,生成氮由固溶体中析
2、出,生成氮化物和碳化物,对晶粒的化物和碳化物,对晶粒的塑性滑移起到遏制作用,塑性滑移起到遏制作用,使钢材的强度提高,塑性使钢材的强度提高,塑性和韧性下降和韧性下降称为称为时效时效硬化硬化(也称老化)(也称老化)时效硬化的时间较长,但时效硬化的时间较长,但振动荷载、反复荷载及温振动荷载、反复荷载及温度变化等情况下,会加速度变化等情况下,会加速发展发展。fy fp%0 2 4 3 1 时效硬化 冷作硬化 冷作硬化后的塑性区 2 2)冷作硬化(或应变硬化)冷作硬化(或应变硬化)冷加工使钢材产生较大的塑性变冷加工使钢材产生较大的塑性变形,卸荷后再重新加载,钢材屈服形,卸荷后再重新加载,钢材屈服点提高,
3、塑性和韧性降低的现象。点提高,塑性和韧性降低的现象。fy fp%0 2 4 3 1 时效硬化 冷作硬化 冷作硬化后的塑性区 3 3)冷作时效)冷作时效(应变时效应变时效)硬化硬化 在钢材产生一定数量的塑性变形在钢材产生一定数量的塑性变形后,铁素体晶体中的固溶氮和碳将后,铁素体晶体中的固溶氮和碳将更容易析出,从而使已经冷作硬化更容易析出,从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。的钢材又发生时效硬化现象。fy%0 冷加工及时效 冷加工及时效后的塑性区 在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等,此凹角、裂缝、厚
4、度变化、形状变化和内部缺陷等,此时截面中的应力分布不再保持均匀,而是在一些区域时截面中的应力分布不再保持均匀,而是在一些区域产生局部高峰应力,形成所谓产生局部高峰应力,形成所谓应力集中应力集中现象。现象。应力集中现象应力集中现象不同槽口试件静力拉伸试验的应力不同槽口试件静力拉伸试验的应力应变曲线应变曲线 应力集中对应力集中对-曲线关系的影响曲线关系的影响 截面槽口改截面槽口改变愈急剧,应力变愈急剧,应力集中现象愈厉害,集中现象愈厉害,其抗拉强度愈高,其抗拉强度愈高,但塑性愈差,破但塑性愈差,破坏的脆性倾向愈坏的脆性倾向愈大。大。1020300.425100%(N/mm2)10测距测距10010
5、1006007005004003002001001)加载速度的影响加载速度的影响冲击荷载作用时,加载速度很高,钢材的塑性滑移在加载冲击荷载作用时,加载速度很高,钢材的塑性滑移在加载瞬间跟不上应变速率,反映出瞬间跟不上应变速率,反映出屈服点提高的倾向屈服点提高的倾向室温环境下:室温环境下:(20左右左右)钢材的屈服点和抗拉强度随应变速钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率的增加而提高,同时还能保持良好的塑性变形能力率的增加而提高,同时还能保持良好的塑性变形能力温度较低时:温度较低时:应变速率对钢材性能的影响要大得多应变速率对钢材性能的影响要大得多加载速度和温度对加载速度和温度对冲击韧性的影响冲击韧性的
6、影响2.4.5荷载类型的影响荷载类型的影响2)循环荷载的影响循环荷载的影响疲劳:疲劳:钢材在连续交变荷载作用下,会逐渐累积损伤、产钢材在连续交变荷载作用下,会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展,直到最后破坏。生裂纹及裂纹逐渐扩展,直到最后破坏。高周疲劳高周疲劳的断裂寿命较长,应力水平较低的断裂寿命较长,应力水平较低fy,断裂前的,断裂前的循环次数多循环次数多n5104,通常的疲劳都属于这一种。,通常的疲劳都属于这一种。低周疲劳低周疲劳的断裂寿命较短,断裂应力水平较高的断裂寿命较短,断裂应力水平较高fy,破坏前,破坏前的循环次数少的循环次数少n=1025104。2.4.6温度的影响温度的影响正
7、温范围:正温范围:(1 1)温度在)温度在150150以内,钢材材以内,钢材材质变化很小,钢结构可用于温度质变化很小,钢结构可用于温度不高于不高于150150的场合。的场合。(2 2)温度在)温度在250250左右的区间内左右的区间内出现出现蓝脆现象蓝脆现象,fu 有局部性提高,有局部性提高,同时塑性降至最低,材料有转脆同时塑性降至最低,材料有转脆倾向。倾向。(3 3)当温度达到)当温度达到600600时,钢材时,钢材进入热塑性状态,强度下降严重,进入热塑性状态,强度下降严重,将丧失承载能力。将丧失承载能力。钢材的隔热、防火措施钢材的隔热、防火措施:l 根据防火等级,喷涂不同厚度的防火涂料根据
8、防火等级,喷涂不同厚度的防火涂料l 当结构可能受到炽热熔化金属的侵害时,应采用砖当结构可能受到炽热熔化金属的侵害时,应采用砖或耐热材料做成的隔热层加以保护或耐热材料做成的隔热层加以保护l 当结构表面长期受辐射热达当结构表面长期受辐射热达150150以上或在短时间以上或在短时间内可能受到火焰作用时,应采取有效的防护措施内可能受到火焰作用时,应采取有效的防护措施(如隔热层或水套等)(如隔热层或水套等)2.4.6温度的影响温度的影响冲击韧性和温度关系示意图冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏脆性破坏两种破两种破坏均有坏均有塑性破坏塑性破坏转变温转变温度区度区冲击断裂功冲击断裂功试验温度试验温度T1T0T
9、2(1 1)冲击功曲线的反弯点)冲击功曲线的反弯点T T0 0称为称为转变温度转变温度。界限温度。界限温度T T1 1和和T T2 2分别分别为为脆性转变温度脆性转变温度和和全塑性转变温度全塑性转变温度。(2 2)钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间)钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间T T1 1 T T2 2内完内完成的,此温度区间称为钢材的成的,此温度区间称为钢材的脆性转变温度区脆性转变温度区。2.4.6温度的影响温度的影响负温范围:负温范围:随着温度的降低,随着温度的降低,钢材的强度提高,而钢材的强度提高,而塑性和韧性降低,逐塑性和韧性降低,逐渐变脆,称钢材的渐变脆,称钢材的低
10、低温冷脆温冷脆。钢材的冲击。钢材的冲击韧性对温度的降低十韧性对温度的降低十分敏感。分敏感。冲击韧性和温度关系示意图冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏脆性破坏两种破两种破坏均有坏均有塑性破坏塑性破坏转变温转变温度区度区冲击断裂功冲击断裂功试验温度试验温度T1T0T2(3 3)在脆性转变温度)在脆性转变温度以下,钢材表现为完全以下,钢材表现为完全的脆性破坏;而在全塑的脆性破坏;而在全塑性转变温度以上,钢材性转变温度以上,钢材则表现为完全的塑性破则表现为完全的塑性破坏。坏。(4 4)不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度,)不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度,均应通过试验来
11、确定。在钢结构设计中,为了防止脆性破坏,选均应通过试验来确定。在钢结构设计中,为了防止脆性破坏,选用钢材时应使其工作温度大于用钢材时应使其工作温度大于T1,T1,接近接近T0T0。2.4.6温度的影响温度的影响2.4.7 防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法外因外因 钢材在构造和加工工程中引起的钢材在构造和加工工程中引起的应力集中应力集中、低温影响低温影响、动力荷动力荷 载的作用载的作用、冷作硬化冷作硬化和和应变时效硬化应变时效硬化等等 内因内因 钢材的钢材的化学成分化学成分、组织构造组织构造和和缺陷缺陷等等(1(1)合理的选用钢材)合理的选用钢材;(2(2)对于低温工作和受动力荷载的钢结构,
12、应使所选钢材的脆性转变温度)对于低温工作和受动力荷载的钢结构,应使所选钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度低于结构的工作温度;(3)(3)尽量使用较薄的型钢和板材,使其具有良好的冲击韧性尽量使用较薄的型钢和板材,使其具有良好的冲击韧性;(4(4)设计时结构的构造要合理,避免构件截面的突然改变,使之能均匀、)设计时结构的构造要合理,避免构件截面的突然改变,使之能均匀、连续的传递应力,从而减小构件的应力集中。连续的传递应力,从而减小构件的应力集中。影响钢材出现脆性破坏的因素影响钢材出现脆性破坏的因素合合 理理 设设 计计正正 确确 制制 造造(1)(1)严格按照设计要求进行制作,不得随意进行钢材代
13、换,不得随严格按照设计要求进行制作,不得随意进行钢材代换,不得随意将螺栓连接该为焊接连接,不得随意加大焊缝厚度。意将螺栓连接该为焊接连接,不得随意加大焊缝厚度。(2)(2)为了避免冷作硬化现象的发生,应采用钻孔或冲孔后再扩钻的为了避免冷作硬化现象的发生,应采用钻孔或冲孔后再扩钻的方法,以及对剪切边进行刨边。方法,以及对剪切边进行刨边。(3)(3)为了减少焊接残余应力导致的应力集中,应该制定合理的焊接为了减少焊接残余应力导致的应力集中,应该制定合理的焊接工艺和技术措施,并由考试合格的焊工施焊,必要时可采用热处工艺和技术措施,并由考试合格的焊工施焊,必要时可采用热处理方法消除主要构件中的焊接残余应
14、力。理方法消除主要构件中的焊接残余应力。(4)(4)焊接中不得在构件上任意打火起弧,影响焊接的质量,应按照焊接中不得在构件上任意打火起弧,影响焊接的质量,应按照规范的要求进行。规范的要求进行。合合 理理 使使 用用(1)(1)不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构。不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构。(2)(2)原设计在室温工作的结构,在冬季停产时要注意保暖。原设计在室温工作的结构,在冬季停产时要注意保暖。(3)(3)不要在主要结构上任意焊接或附加零件悬挂物。不要在主要结构上任意焊接或附加零件悬挂物。(4)(4)避免因生产和运输不当对结构造成的撞击或机械损伤。避免因生产和运输不当对结构
15、造成的撞击或机械损伤。(5)(5)平时对结构应注意检察和维护。平时对结构应注意检察和维护。l 疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征定义定义:钢材在循环荷载作用下,应力虽然低于极限强度,甚至低钢材在循环荷载作用下,应力虽然低于极限强度,甚至低于屈服强度,但仍然会发生断裂破坏。于屈服强度,但仍然会发生断裂破坏。破坏过程破坏过程:裂纹形成:裂纹形成-裂纹扩展裂纹扩展-最后迅速断裂而破坏最后迅速断裂而破坏破坏特点破坏特点:(1 1)疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度,钢材的塑性还)疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度,钢材的塑性还没有展开,属于脆性破坏。没有展开,属于脆性破坏。(3 3)疲劳对缺陷十分敏感。)疲
16、劳对缺陷十分敏感。(2 2)疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破)疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直,呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的坏后的断口平直,呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。主要断口特征是放射和年轮状花纹。疲劳的种类疲劳的种类 常幅疲劳:常幅疲劳:常幅交变荷载;引起常幅循环应力,简称循环常幅交变荷载;引起常幅循环应力,简称循环应力;转动的机械零件可能发生常幅疲劳破坏。应力;转动的机械零件可能发生常幅疲劳破坏。变幅疲劳:变幅疲劳:吊车梁、吊车桥、钢桥等可能发生变幅疲劳破吊车梁、吊车桥、钢桥等可能发生变
17、幅疲劳破坏。坏。min=-a max=a min=0 max=2a min max min max maxmin0 maxmin0 拉应力 压应力 疲劳破坏特征疲劳破坏特征 突然性突然性 破坏前没有塑性变形,属于脆性断裂破坏前没有塑性变形,属于脆性断裂 长期性长期性 长期累积损伤,包括裂纹萌生、缓慢扩展和断裂长期累积损伤,包括裂纹萌生、缓慢扩展和断裂 三个阶段三个阶段 低应力低应力 名义循环应力(远)低于屈服点名义循环应力(远)低于屈服点 缺陷敏感性缺陷敏感性 对包括缺口、裂纹及组织缺陷等十分敏感对包括缺口、裂纹及组织缺陷等十分敏感 产生疲劳裂纹的焊接初始缺陷 疲劳裂纹的扩展 脆性断裂区(a)
18、(b)裂纹源、裂纹扩展区和断裂区图示裂纹源、裂纹扩展区和断裂区图示 应力比(应力比()循环应力中绝对值最小的峰值应力循环应力中绝对值最小的峰值应力s sminmin与绝对值最大的峰值应力与绝对值最大的峰值应力s smaxmax之比。之比。=s sminmin/s smaxmax(拉应力取正号而压应力取负号拉应力取正号而压应力取负号)应力幅(应力幅(DsDs)DsDs=s smaxmax-s sminmin,此处,此处s smaxmax为最大拉应力,取正值,为最大拉应力,取正值,s sminmin为最小拉应为最小拉应力或压应力。(力或压应力。(拉应力取正号而压应力取负号)拉应力取正号而压应力取负
19、号)应力循环次数应力循环次数(n n,疲劳寿命),疲劳寿命)结构或构件破坏时所经历的应力变化次数,常幅时为结构或构件破坏时所经历的应力变化次数,常幅时为5 510104 4以上时需要考虑疲劳以上时需要考虑疲劳l 常幅疲劳常幅疲劳当应力循环内的应力幅保持常量时,称为常幅疲劳。当应力循环内的应力幅保持常量时,称为常幅疲劳。1.1.非焊接结构的疲劳非焊接结构的疲劳大量试验研究表明,疲劳强度除于大量试验研究表明,疲劳强度除于主体金属主体金属和和连接类型连接类型有有关外,还与关外,还与循环应力比循环应力比 和和循环次数循环次数n n有关。有关。当以当以n=2n=210106 6为疲劳寿命时,我国为疲劳寿
20、命时,我国钢结构设计规范钢结构设计规范给给出了验算以出了验算以拉应力拉应力为主的疲劳计算公式为主的疲劳计算公式 pmaxss(2.5.1)ssk-1p0p(2.5.2)2.2.焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳通过大量试验研究表明,控制焊接结构疲劳寿命最主要的因通过大量试验研究表明,控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是素是构件和连接的类型构件和连接的类型、应力幅应力幅DsDs以及以及循环次数循环次数n n,而与应,而与应力比无关。力比无关。焊缝部位存在残余拉焊缝部位存在残余拉应力,通常达到钢材的屈应力,通常达到钢材的屈服点服点f fy y ,该处是产生和发该处是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。展疲劳裂
21、纹最敏感的区域。fy+-(a)(b)maxyfs最大:最大:maxminyyffsss-D-最小:最小:yyffs-D真实应力比:真实应力比:焊缝附近真实应力比的大小焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅取决于应力幅DsDs的大小的大小0s sDNX105s s1Dn1s s2Dn2s sbDfy123456S S0lgns sDlg.b1lgClgsDlgn 1 双对数坐标系双对数坐标系中成直线关系,便于使用。中成直线关系,便于使用。曲线系试验回归方程,反映了曲线系试验回归方程,反映了平均值平均值之间的关系。考虑到试验之间的关系。考虑到试验数据的离散性,取平均值减去数据的离散性,取平均值减去2
22、倍的标准差(倍的标准差(2s)作为)作为疲劳强疲劳强度的下限值度的下限值,如图虚线所示。,如图虚线所示。(保证率保证率97.7)称该虚线上的应力幅为对应某疲劳寿命的称该虚线上的应力幅为对应某疲劳寿命的容许应力幅容许应力幅1。设计时使设计时使实际应力幅实际应力幅小于小于容许应力幅容许应力幅即可:即可:。ssDD容许应力幅容许应力幅 将图中的虚线延长与横坐将图中的虚线延长与横坐标交于点标交于点lgC,设该线对,设该线对纵坐标的斜率为纵坐标的斜率为-1/则对应疲劳寿命则对应疲劳寿命n的容许的容许应力幅可由两个相似三角应力幅可由两个相似三角形的关系求出:形的关系求出:nCnClglglglglg1ss
23、D-Ds1DnC注意:不同类型的构件和连接,注意:不同类型的构件和连接,疲劳寿命与允许应力幅的关系是疲劳寿命与允许应力幅的关系是不同的,即不同的,即C和和是不同的。是不同的。要由试验确定要由试验确定S S0lgns sDlg.b1lgClgsDlgn 1试验参数试验参数C、的确定的确定 为设计方便,按为设计方便,按连接连接方式方式和和受力特点受力特点,将,将构件和连接归纳划分构件和连接归纳划分为为8类类。(附录附录7)(N/mm2)400 300 200100 80 60 105 2 3 4 5 6 7 8 9 106 2106 5106 107 N 3 2 1 6 5 4 8 7 常幅疲劳的
24、校核准则常幅疲劳的校核准则详细归纳详细归纳 由于疲劳问题的复杂性,目前尚没有条件采用以概率理论由于疲劳问题的复杂性,目前尚没有条件采用以概率理论为基础的极限状态设计法,仍然采用为基础的极限状态设计法,仍然采用容许应力设计法容许应力设计法。进行内力计算时,应采用进行内力计算时,应采用荷载标准值荷载标准值。由于确定容许应力幅的试验中自动包括了动力作用,故内由于确定容许应力幅的试验中自动包括了动力作用,故内力计算中也力计算中也不再乘以动力系数不再乘以动力系数。常幅疲劳的统一校核准则为常幅疲劳的统一校核准则为:对焊接部位为应力幅,对焊接部位为应力幅,=max-min;对非焊接部位;对非焊接部位为折算应
25、力幅,为折算应力幅,=max-0.7min;max最大拉应力(取最大拉应力(取正);正);min最小拉应力或压应力(拉取正,压取负);最小拉应力或压应力(拉取正,压取负);常幅疲劳的容许应力幅,单位为常幅疲劳的容许应力幅,单位为N/mm2。ss1DDnC变幅疲劳的计算原理变幅疲劳的计算原理 基本思想:根据基本思想:根据Miner线性累积损伤准则线性累积损伤准则,将变幅应力幅折,将变幅应力幅折算为常幅算为常幅等效应力幅等效应力幅e,然后按常幅疲劳进行校核。,然后按常幅疲劳进行校核。设某个构件或连接的设计应力谱由若干个不同设某个构件或连接的设计应力谱由若干个不同应力幅水平应力幅水平i的常幅循环应力
展开阅读全文