钢结构设计原理第2章 钢结构的材料 学习培训课件.ppt

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（含碳量在含碳量在2.06%2.06%以上）以上）高温高温 co co、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

2、体中析出，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

3、提高，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

4、缝、厚度变化、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10

5、0101006007005004003002001001)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：应变速率在对钢材性能的影响要大得多应变速率在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

6、冲击韧性的影响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

7、度的影响正温范围：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

8、涂料根据防火等级，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以上或在短时间内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（如隔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）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T1T

9、0T2（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

10、的低低温冷脆温冷脆。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

11、验来确定。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

12、构，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

13、材代换，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

14、余应力。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

15、结构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。

16、）疲劳对缺陷十分敏感。（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。引起疲劳破坏交变荷载的两种类型引起疲劳破坏交变荷载的两种类型 常幅交变荷载常幅交变荷载-常幅应力常幅应力-常幅疲劳常幅疲劳变幅交变荷载变幅交变荷载-变幅应力变幅应力-变幅疲劳变幅疲劳 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

17、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。结构或构件破坏时所经历的应力变化次数。l 常幅疲劳常幅疲劳当应力循环内的应力幅保

18、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

19、要的因素是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构件和连构件和连接的类型接的类型、应力幅应力幅DsDs以及以及循环次数循环次数n n，而与应力比无关。，而与应力比无关。焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点f fy y ，该处是产生和发展该处是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。疲劳裂纹最敏感的区域。maxyfs最大：最大：maxminyyffsss-D-最小：最小：yyffs-D真实应力比：真实应力比：fyfyfyfyfyfy残余应力的分布残余应力的分布焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅Ds

20、Ds的大小的大小应力幅应力幅DsDs与应力循环次数与应力循环次数n（疲劳寿命）的关系（疲劳寿命）的关系0s sDNX105s s1Dn1s s2Dn2s sbDfy123456S S0lgns sDlg.b1lgClgsDlgn 1(1)应力幅值越低，应力循环次应力幅值越低，应力循环次数就越多，疲劳寿命也越高。数就越多，疲劳寿命也越高。(2)当应力幅值减小到一定程度当应力幅值减小到一定程度时，应力循环次数趋向无穷大。时，应力循环次数趋向无穷大。容许应力幅容许应力幅DsDs的定义的定义（1）应力幅循环次数）应力幅循环次数（红色实线所示）关系曲线（红色实线所示）关系曲线为试验回归曲线，反应了平为试

21、验回归曲线，反应了平均值之间的关系。均值之间的关系。（2）考虑到试验的离散性，取平均值减去两倍）考虑到试验的离散性，取平均值减去两倍lgn的标准差（的标准差（2s）作为疲劳强度的下限值（蓝虚线）。虚线上的应力幅为对应于某作为疲劳强度的下限值（蓝虚线）。虚线上的应力幅为对应于某疲劳寿命的容许应力幅。疲劳寿命的容许应力幅。（3）如果）如果lgn符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为为97.7。(4）容许应力幅的表达式）容许应力幅的表达式Ds可通过两个相似三角形求出：可通过两个相似三角形求出：S S0lgns sDlg.b1lgClgsDlgn 1

22、1(2.5.4)CNsD(5)、C根据根据钢结构设计规范钢结构设计规范 查表得到。查表得到。(6)容许应力幅与钢材强度无关，不同种类钢材具有相同抗疲劳容许应力幅与钢材强度无关，不同种类钢材具有相同抗疲劳性能。性能。3.3.常幅疲劳验算常幅疲劳验算 疲劳容许应力幅疲劳容许应力幅 DsDs 与应力循环次数与应力循环次数n n的关系曲线的关系曲线1143 DsDs(N N/mm/mm2 2)（对数尺）（对数尺）n n（对数尺）（对数尺）规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归并划分为并划分为8 8个疲劳计算类别个疲劳计算

23、类别，并对每个类别规定了相应的参数取值。，并对每个类别规定了相应的参数取值。表表2.5.12.5.1参数和参数和 的取值的取值构件和构件和连接类连接类别别123456781940101286110123.2610122.1810121.4710120.9610120.6510120.41101244333333国内外试验证明，除了个别在疲劳计算中不起控制作用类国内外试验证明，除了个别在疲劳计算中不起控制作用类别的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数别的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，这一点，焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影

24、响，这一点，通过表达式（通过表达式（2.5.42.5.4）也能说明。）也能说明。疲劳计算采用疲劳计算采用容许应力幅法容许应力幅法，按弹性状态计算应力进行计算。，按弹性状态计算应力进行计算。计算只适用于无高温（计算只适用于无高温（t150t150）、无严重腐蚀环境中的高周低应）、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算（应力循环次数变的疲劳计算（应力循环次数n n5510104 4)。常幅疲劳的计算公式常幅疲劳的计算公式ssDD（2.5.7）DsDs标准荷载下标准荷载下的设计应力幅；的设计应力幅；对于焊接部位的设计应力幅对于焊接部位的设计应力幅:DsDs=s smax-s smin；对于非焊接部位

25、的折算应力幅：对于非焊接部位的折算应力幅：DsDs=s smax-0.7s smin s smax 每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）s smin 每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应（拉应力取正值，压应力取负值）；力取正值，压应力取负值）；DsDs 常幅疲劳的容许应力幅常幅疲劳的容许应力幅5.3 5.3 变幅疲劳变幅疲劳当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。i-121it变幅荷载变幅荷载可将变幅疲劳折算为等效的可将变幅疲劳折算为等效

26、的常幅疲劳，然后按常幅疲劳常幅疲劳，然后按常幅疲劳检算式检算。检算式检算。（a a）检算公式）检算公式DsDse e等效常幅疲劳应力幅。等效常幅疲劳应力幅。DsDs 常幅疲劳的容许应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。情形一能够测得使用期内应力变幅规律情形一能够测得使用期内应力变幅规律ssDDe（b)b)计算计算esD 若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅为等效常幅疲劳，将随

27、机变化的应力幅折算为等效应力幅DsDse e按下按下式进行疲劳计算：式进行疲劳计算：ss1DDiiienn(2.5.13)(2.5.13)n ni i 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；n ni i 预期寿命内应力幅水平达到预期寿命内应力幅水平达到DsDsi i的的应力循环次数应力循环次数 情形二情形二不能测得使用期内应力变幅规律不能测得使用期内应力变幅规律 设计设计重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果应力幅是按满载得出的，实际

28、上常常发生不同程度欠载情况。如果没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，按常幅疲劳进行计算。按常幅疲劳进行计算。计算公式计算公式6102DDnfss（2.5.152.5.15）f 欠载效应的等效系数欠载效应的等效系数ssDDef6102Dns循环次数为循环次数为n n=2=210106 6次的容许应力幅。次的容许应力幅。1.00.80.5重级工作制硬钩吊车重级工作制硬钩吊车 重级工作制软钩吊车梁重级工作制软钩吊车梁中级工作制吊车中级工作制吊车 f吊车梁类别吊车梁类别表表2-2 2-2 吊车梁或吊车桁架欠载效应系数吊车梁

29、或吊车桁架欠载效应系数59697890103118144176N/mm2DsDsn=210687654321连接形式类别连接形式类别表表2-3 2-3 n n=2=210106 6的容许应力幅值的容许应力幅值疲劳破坏中一些值得注意的问题疲劳破坏中一些值得注意的问题（1 1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率

30、论为基础的研究。（2 2）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。（3 3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。（4 4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施（）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；（）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；（）严格控制施工

31、质量，减小初始裂纹尺寸；（）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；（）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。（）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。2.6.1 建筑用钢的种类建筑用钢的种类（1）碳素结构钢（）碳素结构钢（GB/T 700-1988）a）碳素结构钢的表达方式由（）碳素结构钢的表达方式由（屈服点的字母屈服点的字母Q、屈服点数值、质量、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号）等级符号和脱氧方法符号）四个部分组成。四个部分组成。b)质量等级符号是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同化分为质量等级符号是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同化分为A、B、C、D共共4个质量等级。个质量等级。c)脱氧方法符号

32、也有四种，其中脱氧方法符号也有四种，其中F代表沸腾钢，代表沸腾钢，b代表半镇静钢，代表半镇静钢，Z代代表镇静钢，表镇静钢，TZ代表特种镇静钢，代表特种镇静钢，在具体标注时在具体标注时Z和和TZ可以省略。可以省略。d）钢结构设计规范钢结构设计规范将将Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。其化牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范规范GB/T700的要求。的要求。（2 2）低合金高强度结构钢）低合金高强度结构钢(GB/T 1591-1994)(GB/T 1591-1994)a)a)含碳量均含

33、碳量均不大于不大于0.200.20，强度的提高主要依靠添加少量几强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，但合金元素的总量种合金元素来达到，但合金元素的总量低于低于5 5。b)b)牌号为牌号为Q345Q345，Q390,Q420Q390,Q420的钢材都有较高的强度和较好的塑的钢材都有较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能，被性、韧性和焊接性能，被规范规范选为承重结构用钢。选为承重结构用钢。c)c)低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似，只是低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似，只是质量等级分为质量等级分为A A、B B、C C、D D、E E五等，低合金高强度结构钢五等，低

34、合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢，故采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢，故可不加脱可不加脱氧方法的符号氧方法的符号。d)d)钢材的化学成分和拉伸、冲击、冷弯试验结果应满足规范钢材的化学成分和拉伸、冲击、冷弯试验结果应满足规范GB/T1591GB/T1591要求。要求。（3 3）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢(GB/T 699-1988)(GB/T 699-1988)a)a)磷、硫等有害元素的含量均磷、硫等有害元素的含量均不大于不大于0.0350.035，对于其他缺对于其他缺陷的限制也较严格。陷的限制也较严格。b)b)主要用作制造主要用作制造冷拔高强钢丝冷拔高强钢丝、高强螺

35、栓高强螺栓以及以及自攻螺钉自攻螺钉等。等。2.6.2 钢材的规格钢材的规格钢结构所用的钢材主要有钢结构所用的钢材主要有热轧成型的钢板和型钢热轧成型的钢板和型钢，以及，以及冷加冷加工成型的冷扎薄钢板工成型的冷扎薄钢板和和冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢。（1）热轧钢板）热轧钢板a)分为分为厚钢板、薄钢板厚钢板、薄钢板和和扁钢。扁钢。b)表示方法：在符号表示方法：在符号“-”后加后加“宽度宽度厚度厚度长度长度”c)供应规格供应规格（单位：（单位：mm）厚度厚度 宽度宽度 长度长度 厚钢板厚钢板4.5-60600-30004000-12000薄钢板薄钢板0.35-4500-1500500-4000扁钢扁钢4

36、-6012-2003000-9000（2）热轧型钢）热轧型钢常用的热轧型钢有常用的热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢、钢管角钢、工字钢、槽钢、钢管等。等。a)角钢角钢1)分为分为等边和不等边等边和不等边两种。两种。2）表示方法为在符号）表示方法为在符号“”后加后加“长边宽长边宽短边宽短边宽厚度厚度”（对不等边角钢），或加（对不等边角钢），或加“边长边长厚度厚度”（对等边角钢）。（对等边角钢）。3）我国生产的角钢）我国生产的角钢最大边长为最大边长为200mm，角钢的供应长度一般，角钢的供应长度一般为为4-19m。肢宽度肢宽度肢厚度肢厚度 等边角钢等边角钢长肢宽度长肢宽度短肢宽度短肢宽度肢厚度肢厚度 不

37、等边角钢不等边角钢b)工字钢工字钢1)分为分为普通工字钢、轻型工字钢普通工字钢、轻型工字钢和和H型工字钢型工字钢三种。三种。3)H型钢的基本类型分为型钢的基本类型分为宽翼缘宽翼缘（HW），中翼缘（），中翼缘（HM）和和窄翼缘窄翼缘（HN）三类，表示方法为在代号后加三类，表示方法为在代号后加“高度高度宽度宽度腹板厚度腹板厚度翼缘厚度翼缘厚度”。2）普通工字钢的型号用符号）普通工字钢的型号用符号“工工”后面加截面高度的后面加截面高度的厘米厘米数数表示，表示，20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为a、b或或a、b、c等类别，轻型工字钢的表示方法同普通工字

38、钢。等类别，轻型工字钢的表示方法同普通工字钢。4）普通工字钢的型号为）普通工字钢的型号为10-63号号，轻型，轻型工字钢的型号为工字钢的型号为10-70号号，供应长度为，供应长度为5-19m。c)c)槽钢槽钢 1)1)分为分为普通槽钢普通槽钢和和轻型槽钢轻型槽钢两种两种 。2 2）表示方法和工字钢相似）表示方法和工字钢相似 。3 3）国内生产的国内生产的最大型号为最大型号为40c40c。供应长度为供应长度为5-19m5-19m。tDd)d)钢管钢管 1)1)分为分为无缝钢管无缝钢管和和焊接钢管焊接钢管两种两种 。2 2）型号可用代号）型号可用代号“D D”后加后加“外径外径壁厚壁厚”表示。表示

39、。3 3）国产热轧无缝钢管的）国产热轧无缝钢管的最大外径可达最大外径可达630mm630mm，供应长度为供应长度为3-12m3-12m。（3 3）冷弯薄壁型钢和压型钢板）冷弯薄壁型钢和压型钢板冷弯薄壁型钢（冷弯薄壁型钢（壁厚壁厚1.5-6mm1.5-6mm）和压型钢板）和压型钢板（壁厚壁厚0.4-1.6mm0.4-1.6mm），截），截面形式和尺寸均可按受面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充力特点合理设计，能充分利用钢材的强度，达分利用钢材的强度，达到节约钢材的目的。在到节约钢材的目的。在国内外轻钢建筑结构中国内外轻钢建筑结构中被广泛应用。被广泛应用。2.6.3 钢材的选择钢材的选择（1）

40、选择钢材的原则）选择钢材的原则 安全可靠，经济合理安全可靠，经济合理为了保证承重结构的承载能力，防为了保证承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在选择钢材时应止出现脆性破坏，在选择钢材时应具体考虑以下因素：具体考虑以下因素：结构或构件的重要性、荷载特征、结构或构件的重要性、荷载特征、连接方式、工作环境、结构的应力连接方式、工作环境、结构的应力状态、钢材的厚度。状态、钢材的厚度。a）结构或构件的重要性）结构或构件的重要性 对于重要的结构或构件（框架的横梁，对于重要的结构或构件（框架的横梁，桁架，屋面楼面的大梁等）应采用质量较高的钢材。桁架，屋面楼面的大梁等）应采用质量较高的钢材。b)荷载特征荷载

41、特征 静力荷载作用下可选择经济性较好的静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材；钢材；动力荷载作用下应选择综合性能较好的钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好的钢材。c)连接方式连接方式 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的极限含量；非焊接结构对的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。的要求可降低一些。d)工作环境工作环境 处于低温下工作的结构，应选择抗脆性破坏能处于低温下工作的结构，应选择抗脆性破坏能力强的钢材，防止钢材的冷脆硬化导致的脆性破坏。力强的钢材，防止钢材的冷脆硬化导致的脆性破坏。e)结构的应力状态结构的应力状态 当选用的型材

42、或板材的厚度较大时，应该采当选用的型材或板材的厚度较大时，应该采用质量较高的钢材，以防止钢材中较大的残余拉应力和缺陷用质量较高的钢材，以防止钢材中较大的残余拉应力和缺陷等与外力共同作用形成三向拉力，引起材料的脆性破坏。等与外力共同作用形成三向拉力，引起材料的脆性破坏。f)钢材的厚度钢材的厚度 钢材越厚其强度越低，选用厚度较大时应采用钢材越厚其强度越低，选用厚度较大时应采用质质量较高的钢材量较高的钢材。表表2.6.8 2.6.8 国内外钢材牌号对应关系国内外钢材牌号对应关系中国中国美国美国日本日本欧盟欧盟英国英国俄罗斯俄罗斯澳大利澳大利亚亚Q235A36SS400 SM400 SN400Fe36

43、040C235250 C250Q345A242 A441 A572-50 A588SM490 SN490Fe510 FeE35550B、C、DC345350C350Q39050FC390400Hd400Q420A572-60SA440B SA440CC4406.4 6.4 钢材选择的建议钢材选择的建议1 1）承重结构的钢材宜采用）承重结构的钢材宜采用Q235Q235钢、钢、Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢，其质量应分别符合国家标准钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢碳素结构钢GB/T700GB/T700和和低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢GB/T1591

44、GB/T1591的规定。当采用其他牌号的规定。当采用其他牌号的钢材时，应符合相应有关标准的规定和要求。的钢材时，应符合相应有关标准的规定和要求。2 2）承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和）承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。保证。3 3）对于需要验算疲劳的焊接结构和非焊接结构，应具有冲）对于需要验算疲劳的焊接结构和非焊接结构，应具有冲击韧性的合格保证。（表击韧性的合格保证。（表2.6.62.6.6）4 4）重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于）重要的受拉或受

45、弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm16mm的的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。5)5)当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用 Z Z 向钢时，其向钢时，其材质应符合现行国家标准材质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板GB/T5313GB/T5313的的规定。规定。6)6)对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准要求应符合现行国家标

46、准焊接耐候钢焊接耐候钢GB/T4172GB/T4172的规定。的规定。1、钢材的生产、钢材的生产2、钢材的主要性能、钢材的主要性能3、各种因素对钢材的影响、各种因素对钢材的影响4、钢材的疲劳、钢材的疲劳5、钢材的种类、规格和选用、钢材的种类、规格和选用1、钢材的生产、钢材的生产l 钢材的生产分为钢材的生产分为炼铁炼铁、炼钢炼钢和和轧制轧制三道工序。三道工序。l 炼钢有三种形式：炼钢有三种形式：转炉转炉、平炉平炉和和电炉电炉。l 按照钢液脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢可分按照钢液脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢可分为为沸腾钢沸腾钢、半镇静钢半镇静钢、镇静钢镇静钢和和特殊镇静钢特殊镇静钢。l 加

47、工：加工：热加工、热处理热加工、热处理和和冷加工冷加工、钢材的主要性能、钢材的主要性能l 钢材的破坏形式：钢材的破坏形式：塑性破坏塑性破坏和和脆性破坏脆性破坏l 钢材的机械性能指标：钢材的机械性能指标：屈服点屈服点fy、抗拉强度抗拉强度fu、伸伸长率长率、断面收缩率断面收缩率、冷弯性能冷弯性能和和冲击韧性冲击韧性Cvl 在复杂应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性在复杂应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件，用折算应力和钢材在单向应力时状态的条件，用折算应力和钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断。的屈服点相比较来判断。当当时钢材处于弹性阶段，时钢材处于弹性阶段，时钢材处于塑性阶段。时钢材

48、处于塑性阶段。yzsfsyzsfs3、各种因素对钢材的影响、各种因素对钢材的影响外因外因 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、温温度影响度影响、动力荷载的作用动力荷载的作用、冷作硬化冷作硬化和和时效硬化时效硬化等等 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原则：原则：合理设计、正确制造、合理使用合理设计、正确制造、合理使用4、钢材的疲劳、钢材的疲劳l 定义定义：钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限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。强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏

49、。l 破坏过程破坏过程：裂纹的形成：裂纹的形成-裂纹的扩展裂纹的扩展-最后的最后的迅速断裂而破坏迅速断裂而破坏l 破坏的类型破坏的类型：常幅疲劳和变幅疲劳：常幅疲劳和变幅疲劳l 非焊接结构的疲劳强度与非焊接结构的疲劳强度与循环应力比循环应力比 有关；焊接有关；焊接结构疲劳寿命与结构疲劳寿命与应力幅应力幅DsDs有关有关l 规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归并划分为疲劳性能的高低归并划分为8 8个疲劳计算类别个疲劳计算类别，并对，并对每个类别规定了相应的参数取值。每个类别规定了相应的参数取值。5、钢材的种类、规格和选用、钢材的

50、种类、规格和选用l 建筑用钢种类：建筑用钢种类：碳素结构钢（碳素结构钢（GB/T 700GB/T 700）、低合金高）、低合金高强度结构钢强度结构钢(GB/T1591)(GB/T1591)、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢(GB/T699)(GB/T699)l 钢结构所用的钢材规格：钢结构所用的钢材规格：热轧成型的钢板和型钢热轧成型的钢板和型钢，以及以及冷加工成型的冷扎薄钢板冷加工成型的冷扎薄钢板和和冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢。l 为保证承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在为保证承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在选择钢材时应具体考虑以下因素：选择钢材时应具体考虑以下因素：结构或构件的重要