钢结构的材料课件.pptx

1、钢结构的材料本章要求本章要求1.掌握钢结构对材料的要求；2.掌握钢材的破坏形式；3.重点掌握钢材的主要性能（包括受拉、受压及受剪时的性能、冷弯性能、冲击韧性）；4.了解各种因素对钢材主要性能的影响（如化学成分、冶金缺陷、钢材硬化、温度影响、应力集中、反复荷载作用）；5.了解复杂应力作用下钢材的屈服条件；6.掌握钢材的疲劳的概念及计算方法；7.了解钢的种类和钢材规格。关键知识关键知识1.钢材的受拉、受压及受剪时的性能、冷弯性能、冲击韧性；2.钢材的疲劳的概念及计算方法。重点讲解重点讲解1.钢材的受拉、受压及受剪时的性能、冷弯性能、冲击韧性2.钢材的疲劳破坏难点解析难点解析 1.钢材的疲劳破坏n（

2、1）强度要求，即对材料屈服强度（又称为屈服点）与抗拉强度的要求。n（2）塑性、韧性要求，即要求钢材具有良好的适应变形与抗冲击能力，以防止脆性破坏。n（3）耐疲劳性能及适应环境能力要求，即要求材料本身具有良好的抗动力荷载性能及较强的适应低温、高温等环境变化的能力。2.1 2.1 钢结构对钢材性能的要求钢结构对钢材性能的要求 n（4）冷、热加工性能及焊接性能要求，良好的工艺性能不但易于将钢材加工成各种形式的结构，而且不会产生因加工对结构的强度、塑性、韧性等造成不利影响。n（5）耐久性能要求，主要指材料的耐锈蚀能力要求，即要求钢材具备在外界环境作用下仍能维持其原有力学及物理性能基本不变的能力。n（6

3、）生产与价格方面的要求，即要求钢材易于施工、价格合理。钢结构设计规范具体规定：承重结构的钢材应具有和碳、硫、磷含量的合格保证，焊接结构尚应具有的合格保证；对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尚应具有常温或负温的合格保证。2.2 2.2 钢材的破坏形式钢材的破坏形式 1.1.塑性破坏的特征：塑性破坏的特征：构件应力超过屈服点、并达到抗拉极限强度后，产生明显的变形并断裂。构件在断裂破坏时产生很大的塑性变形，又称为延性破坏。断裂后的断口呈纤维状，色泽发暗，有时能看到滑移的痕迹。钢材在发生塑性破坏时变形特征明显，很容易被发现并及时采取补救措施，因而不致引起严重后果。而且适度的塑性变形

4、能起到调整结构内力分布的作用，使原先结构应力不均匀的部分趋于均匀，从而提高结构的承载能力。2.脆性破坏的特征：钢材在断裂破坏时没有明显的变形征兆，平均应力小，按材料力学计算的名义应力往往比屈服点低。断裂后断口平直并呈有光泽的晶粒状。由于脆性破坏具有突然性，无法预测，而且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁，危及人民生命财产的安全，后果严重，比塑性破坏要危险得多，因此，在钢结构工程设计、施工与安装中应采取适当措施尽力避免发生脆性破坏。2.3.1 2.3.1 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能 1.强度性能（1）碳素结构钢材的应力应变曲线分为五个阶段：a.弹性阶段b.弹塑性阶段 c.屈服

5、阶段 d.强化阶段 e.颈缩阶段屈服点fy是钢结构设计中应力允许达到的最大限值，因为当构件中的应力达到屈服点时，结构会因过度的塑性变形而不适于继续承载。比例极限屈服强度极限强度o(N/mm2)fyfued流幅abc2.3 2.3 建筑钢材的主要性建筑钢材的主要性能能 0.2%0.2(N/mm2)o（2）高强度钢的应力-应变曲线LodNNNLdN100100%LLLL0 原标距长原标距长L1 拉断后标距长度拉断后标距长度D0 试件直径试件直径试件有两种标距：试件有两种标距：L0/D0=5 和和 L0/d0=10 相应的伸长率用相应的伸长率用5和和10表示。表示。实际工程中以伸长率实际工程中以伸长

6、率 代表材料断裂前具有的塑性变形能力。代表材料断裂前具有的塑性变形能力。2.塑性性能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 。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。3)H型钢的基本类型分为宽翼缘（HW），中翼缘（HM）和窄翼缘（HN）三类，表示方法为在代号后加“高度宽度腹板厚度翼缘厚度”。掌握钢材的疲劳的概念及计算方法；钢材在断裂破坏时没有明显的变形征兆，平均应力小，按材料力学计算的名义应力往往比屈服点低。（1）碳素结构钢材的应力应变曲线分为五个阶段：时效硬化随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使

7、钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象。能够测得使用期内应力变幅规律析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。普通碳素钢中，Fe占99%，其余元素占1%。n=2106硫S：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，（5）耐久性能要求，主要指材料的耐锈蚀能力要求，即要求钢材具备在外界环境作用下仍能维持其原有力学及物理性能基本不变的能力。断面收缩率断面收缩率 是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。与原断面面积比值的百分比。010100%AAA式中：式中：A0 试件原来的断面面积试件原来的断面面积 A1 试件拉断

8、后颈缩区的断面面积试件拉断后颈缩区的断面面积 断面收缩率断面收缩率 越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作积时容易产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。为保证要求。A0A13.钢材物理性能指标钢材在单向受压(粗而短的试件)时，受力性能基本上和单向受拉时相同。受剪的情况也相似，但屈服点及抗剪强度均较受拉时为低，剪变模量也低于弹性模量。l 弹性模量弹性模量l 泊松比泊松比l 剪变模量剪变模量l 线膨胀系数线膨胀系数l 质量密度质量密度2310206mmNE3.023107

9、912mmNEGC06/101237850mkg2.3.2 2.3.2 冷弯性能冷弯性能冷弯性能由冷弯试验来确定，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，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。因此，冷弯性能合格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。2.3.3 2.3.3 冲击韧性冲击韧性 韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它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，韧性是钢材强度和塑性的综合指标。夏比试件比梅氏试件具有更为尖锐的缺口，更接近构件中可能出现的严重缺陷，近年来用Cv能量来表示材料冲

10、击韧性的方法日趋普遍。2.3.4 钢材的可焊性钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，获得性能良好的焊接接头。焊接过程中要求焊缝及焊缝附近金属不产生热裂纹或冷却收缩裂纹；在使用过程中焊缝处的冲击韧性和热影响区内塑性良好。我国钢结构设计规范中除了Q235A不能作为焊接构件外，其他的几种牌号的钢材均具有良好的焊接性能。在高强度低合金钢中低合金元素大多对可焊性有不利影响，我国的行业标准JGJ 812002建筑钢结构焊接技术规程推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。eqnroiu6515MCMVNCCC2.3.5 特种性能1.耐火性能2.耐候性能3.Z向性能 小结：钢材的机械性能指标小结：钢材的机械

11、性能指标1.1.屈服点屈服点 f fy y2.2.抗拉强度抗拉强度 f fu u3.3.伸长率伸长率 4.4.断面收缩率断面收缩率 5.5.冷弯性能冷弯性能6.6.冲击韧性冲击韧性 C Cv v2.4.1 2.4.1 化学成分化学成分 钢是含碳量小于2%的铁碳合金。钢中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。普通碳素钢中，Fe占99%，其余元素占1%。在低合金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元素（镍、钒、钛等）（含量低于5%）2.4 2.4 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素 碳C：含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶化。一般在碳素结构

12、钢中不应超过0.22%；在焊接结构中还应低于0.2%。硅Si：碳素结构钢中应控制0.3%,在低合金高强度钢中硅的含量可达0.55%。锰Mn：含Mn适量使强度，降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益。钒和钛：是钢中的合金元素，能提高钢的强度和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。铜：可显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提高钢的强度，但对焊接性能有不利影响。硫S：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，使钢材变脆，称之为热脆。含量 应不超过0.05%。(有害成分)磷P：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量 应不超过0.045%。可

13、以提高强度和抗锈蚀性。(有害成分)氧O：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，发生热脆。(有害成分)氮N：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，发生冷脆。(有害成分)2.4.2 2.4.2 冶金缺陷冶金缺陷 1.偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要是硫、磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。3.裂纹 钢材中存在的微观裂纹。2.非金属夹杂 指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使钢材性能变脆。4.气泡 浇铸时由FeO和C作用所生成的CO气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。5.分层 浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。冷作

14、硬化在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象。时效硬化随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象。俗称老化。在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，会加速时效硬化的发展。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，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化(或应变硬化)。2.4.3 2.4.3 钢材硬化钢材硬化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，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。人工时效:先使钢材产生

15、10左右的塑性变形，卸载后再加热至250，保温一小时后在空气中冷却。2.4.4 2.4.4 温度的影响温度的影响正温范围：（1）温度在150以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于150的场合。（2）温度在250左右的区间内出现蓝脆现象，fu 有局部性提高，同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。（3）当温度达到600时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。温度对钢材力学性能的影响)/(2mmN(%)fufyE在250左右，钢材的强度反而略有提高，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。当温度在260 320 时，在应

16、力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形。负温范围：随着温度的降低，钢材的强度提高，负温范围：随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。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（1 1）冲击功曲线的反弯点）冲击功曲线的反弯点T T0 0称为转变温度。界限温度称为转变温度。界限温度T T1 1和和T T2

17、 2分别为脆性转变温度分别为脆性转变温度和全塑性转变温度。和全塑性转变温度。（2 2）钢材由塑性破坏转变为）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间脆性破坏是在温度区间T T1 1 T T2 2内完成的，此温度区间称为内完成的，此温度区间称为钢材的脆性转变温度区。钢材的脆性转变温度区。（3 3）在脆性转变温度以下，钢材表现为）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。上，钢材则表现为完全的塑性破坏。（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，均应通过试验来确定。）不同牌号和等级的钢材具

18、有不同的转变温度区和转变温度，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T T1 1,接近接近T T0 0。为了防止脆性破坏，结构的工作温度应大于T1接近To，可小于T2。2.4.5 2.4.5 应力集中应力集中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，形成所谓应力集中现象。11xy1100 xy00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 可以看出

19、截面槽可以看出截面槽口改变愈急剧，应口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破坏但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。的脆性倾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10测距10010100600700500400300200100 热轧型钢在冷却过程中，在截面突变处如尖角、边缘及薄细部位，率先冷却，其他部位渐次冷却，先冷却部位约束阻止后冷却部位的自由收缩，产生复杂的热轧残余应力分布。不同形状和尺寸规格的型钢残余应力分布不同。残余应力不影响构件的静力强度，但要降低构件的刚度和稳定性。2.4.6 2.4.6 残余应力的影响残余应力的影

20、响2.4.7 2.4.7 重复荷载作用重复荷载作用疲劳破坏:钢材在直接的反复的动力荷载作用下，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，这种现象称为疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。为防止脆性破坏，在设计、制造及使用中应注意为防止脆性破坏，在设计、制造及使用中应注意:合理设计合理设计 正确制造正确制造 正确使用正确使用疲劳破坏的特征和定义：钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。破坏过程：裂纹的形成-裂纹的扩展-最后的迅速

21、断裂而破坏破坏特点：（1）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。（3）疲劳对缺陷十分敏感。（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。2.5 2.5 钢材的疲劳钢材的疲劳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，此现象称为疲劳（fatigue）。按照断裂寿命和应力高低的不同，疲劳分为高周疲劳（high-cycle fatigue）和低周疲劳（low-cycle fatigue）两类。高周疲劳的断裂寿命较长，断裂前的应力循环次数

22、n5104，断裂应力水平较低，因此也称低应力疲劳或疲劳，一般常见的疲劳多属于这类。低周疲劳的断裂寿命较短，破坏前的循环次数n1025104，断裂应力水平较高，伴有塑性应变发生，因此也称为应变疲劳或高应力疲劳。钢材的疲劳钢材在连续重复荷载作用下裂纹生成、扩展以致断裂破坏的现象。设计规范规定：循环次数N5104，应进行疲劳计算。n 应力谱 n1.循环应力的特征 应力比n 应力幅n 循环次数 N minmaxmaxmin2.5.1 2.5.1 常幅疲劳常幅疲劳2.常幅疲劳重复荷载的数值不随时间变化，所有应力循环内的 应力幅保持常量。3.与 N 的关系 越大，破坏时循环次数越少；越小，破坏时循环次数越

23、多。n破坏时循环次数越少，说明越大；n破坏时循环次数越多，说明越小。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8个疲劳计算类别，并对每个类别规定了相应的参数取值。1nc4.容许应力幅容许应力幅参数和参数和 的取值的取值国内外试验证明，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。焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响。疲劳计算采用容许应力幅法，按弹性状态计算应力进行计算。疲劳计算采用容许应

24、力幅法，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)。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:=max-min；对于非焊接部位的折算应力幅：对于非焊接部位的折算应力幅：=max-0.7 min max 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）min 每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应每次应力循环

25、中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应力取正值，压应力取负值）；力取正值，压应力取负值）；常幅疲劳的容许应力幅常幅疲劳的容许应力幅当作用于计算部位的设计应力幅小于等于容许应力幅时，不会发生疲劳破坏。5.5.常幅疲劳的计算公式常幅疲劳的计算公式 例题2.1 某钢板承受轴心拉力，截面为420mm2Omm，钢材为Q345-B，因长度不够而用横向对接焊缝接长，如图2.14所示。焊缝质量等级为一级，但表面未进行磨平加工。钢板承受重复荷载，预期循环次数n=106次，荷载标准值Nmax=1200kN，Nmin=-200kN。要求进行疲劳强度验算。【解】由附表8的项次2，横向对接焊缝附近的主体金属当焊缝表面未

26、经加工但质量等级为一级时，计算疲劳时属第3类。由表2.1，查得C3.261012，3。当n106次时的容许应力幅为：计算部位的设计应力幅：11123263.26 10148.3N/mm10cn322maxmin120020010166.7N/mm148.3N/mm420 20 因此疲劳强度不满足要求，不安全。若对焊缝表面进行加工磨平，则计算疲劳时由附表8的项次2，查得疲劳类别为第2类。此时，C8611012，4，则 因此疲劳强度满足要求，可见，焊缝表面进行加工磨平可提高疲劳强度。1112426861 10171.3N/mm10cn22166.7N/mm171.3N/mm 2.5.2 2.5.2

27、 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。可将变幅疲劳折算可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳，为等效的常幅疲劳，然后按常幅疲劳检然后按常幅疲劳检算式检算。算式检算。（a a）检算公式）检算公式e e等效常幅疲劳应力幅。等效常幅疲劳应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。1.1.能够测得使用期内应力变幅规律能够测得使用期内应力变幅规律e（b)b)计算计算e 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为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅e按下式进行疲

28、劳计算：1iiiennn 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i i的的应力循环次数应力循环次数2.2.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。计算公式计算公式6102nff 欠载效应的等效系数欠载效应的等效系数maxef6102n循环次数为循环次数为n n=2=210106

29、6次的容许应力幅。次的容许应力幅。59697890103118144176N/mm2n=210687654321连接形式类别连接形式类别n n=2=210106 6的容许应力幅值的容许应力幅值总结：1.承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的 循环次数N5104次时，应进行疲劳计算。2.在应力循环中不出现拉应力的部位，可不计算疲劳。根据应力 幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力，只要应力幅超过 容许值就会产生疲劳裂纹。但由于裂纹形成的同时，残余应力 自行释放，在完全压应力(不出现拉应力)循环中，裂纹不会继 续发展，故规范规定此种情况可不于验算。3.计算疲劳时，应采用荷载的标准值

30、，不考虑荷载分项系数和动 力系数，而且应力按弹性工作计算。4.根据试验，不同钢种的不同静力强度对焊接部位的疲劳强度无 显著影响。可认为，疲劳容许应力幅与钢种无关。5.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；（）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。2.6 2.6 复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件 在单轴应力作用下 时钢材屈服，构件由弹性工作状态转为塑性工作状态。在多轴应力作用下钢材的屈服条件不能以某一轴向应力超过某屈服点来判别，而是按材料力学的能量强度理论计算折算应力与钢材在单轴应力作用下的比较判断。

31、yfoxzyyzyxxyxzzyzxZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力状态下的分量状态下的分量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。时钢材处于塑性阶段。eqyfeqyf当用应力分量表示时：当用应力分量表示时：222222()3()eqxyzx yy zz xxyyzzx 当用主应力表示时：当用主应力表示时：22212233112eq在普通梁中，一般只存在正应力和剪应力：在普通梁中，一般只存在正应力和剪应力：223eq （1 1）当三个主应力同号且数值接近时，即使）当三个主应力同号且数值接近时，即使很大，但钢材很难屈服，发生脆性破坏。很大，但钢材很难屈服，发生脆性破

32、坏。（2 2）有异号应力，且同号两个应力差较大，）有异号应力，且同号两个应力差较大，即使即使 ，但，但 可能大于可能大于 ，发生，发生塑性破坏。塑性破坏。yfe qyf讨论讨论：纯剪时纯剪时=0=0 则有：则有：233eqyfyyff58.031即钢材的剪切屈服点是即钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点拉伸屈服点f fy y的的0.580.58倍。倍。2.7.1 钢的种类按用途分：结构钢、工具钢和特殊钢(如不锈钢等)，结构钢又分建 筑用钢和机械用钢。按冶炼方法分：转炉钢和平炉钢按脱氧方法分：沸腾钢(代号为F)、半镇静钢(代号为b)、镇静钢 (代号为Z)和特殊镇静钢(代号为TZ)按成型方法分：轧制钢(热

33、轧、冷轧)、锻钢和铸钢。按化学成分分：碳素钢和合金钢。在建筑工程中采用的是碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。2.7 2.7 钢的种类和规格钢的种类和规格1.1.碳素结构钢碳素结构钢1 1）碳素结构钢的表达方式由（屈服点的字母）碳素结构钢的表达方式由（屈服点的字母Q Q、屈服点数值、质量等级符、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号）四个部分组成。号和脱氧方法符号）四个部分组成。2)2)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 A、B B、C C、D D共共4 4个质量等级。个质量等级。3)3)脱氧方法符号也有四种，

34、其中脱氧方法符号也有四种，其中F F代表沸腾钢，代表沸腾钢，b b代表半镇静钢，代表半镇静钢，Z Z代表镇静代表镇静钢，钢，TZTZ代表特种镇静钢，在具体标注时代表特种镇静钢，在具体标注时Z Z和和TZTZ可以省略。可以省略。4 4）钢结构设计规范将）钢结构设计规范将Q235Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分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规范和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范GB/T700GB/T700的的要求。要求。2.2.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢1)1)含碳量均不大于含碳量均不大于0.20

35、0.20，强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素，强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，但合金元素的总量低于来达到，但合金元素的总量低于5 5。2.7.2 2.7.2 钢材的牌号钢材的牌号3)3)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，只是质量等级分为为A A、B B、C C、D D、E E五等，低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇五等，低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，故可不加脱氧方法的符号。静钢或特殊镇静钢，故可不加脱氧方法的符号。4)4)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

36、的化学成分和拉伸、冲击、冷弯试验结果应满足规范GB/T1591GB/T1591要要求。求。3.3.专用结构钢专用结构钢 1)1)一些特殊用途的钢结构，如压力容器、桥梁、锅炉等，为适应其特殊一些特殊用途的钢结构，如压力容器、桥梁、锅炉等，为适应其特殊受力和工作条件的需要，常采用专用结构钢。专用结构钢是在碳素结构受力和工作条件的需要，常采用专用结构钢。专用结构钢是在碳素结构钢或低合金结构钢的基础上冶炼而成，其要求更高、价格也较贵。钢或低合金结构钢的基础上冶炼而成，其要求更高、价格也较贵。2)2)专用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途代号专用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途代号(压力容

37、器、桥压力容器、桥梁、锅炉用钢材的专业用途代号分别为梁、锅炉用钢材的专业用途代号分别为R R、q q、g)g)来表示。来表示。2)2)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性、韧性和焊的钢材都有较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能，被规范选为承重结构用钢。接性能，被规范选为承重结构用钢。1.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，桁架，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。屋面楼面的大梁等）应采用质量较高的钢材。2.荷载性质荷载性质 静力荷载作用下可选择经济性较

38、好的静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材；动力钢材；动力 荷载作用下应选择综合性能较好的钢材。荷载作用下应选择综合性能较好的钢材。3.连接方法连接方法 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的的 极限含量；非焊接结构对极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。的要求可降低一些。4.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力强的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。钢材，防止钢材的冷脆硬化导致的脆性破坏。5.构件的受力性质构件的受力性质 当选用的型材或板材的厚度较大时，应该采用

39、质量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等较高的钢材，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应力，引起材料的脆性破坏。与外力共同作用形成三向拉应力，引起材料的脆性破坏。2.7.3 2.7.3 钢材的选用钢材的选用6.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量较质量较 高的钢材高的钢材。钢的轧制使晶粒细化钢的轧制使晶粒细化总结：钢材选择的建议总结：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、

40、钢、Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢，其质量钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢应分别符合国家标准碳素结构钢GB/T700GB/T700和低合金高强度结构钢和低合金高强度结构钢GB/T1591GB/T1591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。定和要求。2 2）承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量）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保证。的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。3 3）对于需要验算疲劳的焊接结构

41、和非焊接结构，应具有冲击韧性的合格）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。保证。4 4）重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于）重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm16mm的钢材应具有的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。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，其材质应符合向钢时，其材质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板现行国家标准厚度方向性能钢板GB/T5313GB/T5313的规定。的规定。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气态和固态介对于外露

42、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，其质量要求应符合现行国家标准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焊接耐候钢焊接耐候钢GB/T4172GB/T4172的规定。的规定。1、对于承受静荷常温工作环境下的钢屋架，下列说法不正确的是()。(A)可选择Q235钢(B)可选择Q345钢(C)钢材应有冲击韧性的保证(D)钢材应有三项基本保证 C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亚澳大利亚Q235Q235A36A36SS400 SS400 SM400 SM400 SN400SN400Fe360Fe360404

43、0C235C235250 250 C250C250Q345Q345A242 A242 A441 A441 A572-50 A572-50 A588A588SM490 SM490 SN490SN490Fe510 Fe510 FeE355FeE35550B50B、C C、D DC345C345350350C350C350Q390Q39050F50FC390C390400400Hd400Hd400Q420Q420A572-60A572-60SA440B SA440B SA440CSA440CC440C440国内外钢材牌号对应关系国内外钢材牌号对应关系2.7.4 2.7.4 钢材的规格钢材的规格钢结构

44、所用的钢材主要有热轧成型的钢板和型钢，以及冷加钢结构所用的钢材主要有热轧成型的钢板和型钢，以及冷加工成型的冷扎薄钢板和冷弯薄壁型钢。工成型的冷扎薄钢板和冷弯薄壁型钢。1.1.热轧钢板热轧钢板a)a)分为厚钢板、薄钢板和扁钢。分为厚钢板、薄钢板和扁钢。b)b)表示方法：在符号表示方法：在符号“-”“-”后加后加“宽度厚度长度宽度厚度长度”c)c)供应规格供应规格 （单位：（单位：mmmm）类别类别厚度厚度 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4-6012-2003000-90002.2.热

45、轧型钢热轧型钢常用的热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢、钢管等。常用的热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢、钢管等。a)a)角钢角钢1)1)分为等边和不等边两种。分为等边和不等边两种。2 2）表示方法为在符号）表示方法为在符号“”“”后加后加“长边宽短边宽厚度长边宽短边宽厚度”（对不等（对不等边角钢），或加边角钢），或加“边长厚度边长厚度”（对等边角钢）。（对等边角钢）。3 3）我国生产的角钢最大边长为）我国生产的角钢最大边长为200mm200mm，角钢的供应长度一般为，角钢的供应长度一般为4-19m4-19m。肢宽度肢厚度肢宽度肢厚度 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 不等边角

46、钢不等边角钢b)b)槽钢槽钢 1)1)分为普通槽钢和轻型槽钢两种分为普通槽钢和轻型槽钢两种 。2 2）表示方法和工字钢相似）表示方法和工字钢相似。3 3）国内生产的最大型号为国内生产的最大型号为40c40c。供应长度为供应长度为5-19m5-19m。c)c)钢管钢管 1)1)分为无缝钢管和焊接钢管两种分为无缝钢管和焊接钢管两种。2 2）型号可用代号）型号可用代号“D”“D”后加后加“外径壁厚外径壁厚”表示。表示。3 3）国产热轧无缝钢管的最大外径可达）国产热轧无缝钢管的最大外径可达630mm630mm，供应长度为供应长度为3-12m3-12m。d)d)工字钢工字钢1)1)分为普通工字钢、轻型工

47、字钢和分为普通工字钢、轻型工字钢和H H型工字钢三种。型工字钢三种。3)H3)H型钢的基本类型分为宽翼缘（型钢的基本类型分为宽翼缘（HWHW），），中翼缘（中翼缘（HMHM）和窄翼缘（）和窄翼缘（HNHN）三类，表示）三类，表示方法为在代号后加方法为在代号后加“高度宽度腹板厚高度宽度腹板厚度翼缘厚度度翼缘厚度”。2 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”后面加截面高度的厘米数表示，后面加截面高度的厘米数表示，2020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 a、b b或或a a、b b、c c等等类别，轻型工字钢的表示方法同普通工字

48、钢。类别，轻型工字钢的表示方法同普通工字钢。4 4）普通工字钢的型号为）普通工字钢的型号为10-6310-63号，轻型工字号，轻型工字钢的型号为钢的型号为10-7010-70号，供应长度为号，供应长度为5-19m5-19m。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2-6mm2-6mm）和）和压型钢板（壁厚压型钢板（壁厚0.4-2.0mm0.4-2.0mm），截），截面形式和尺寸均面形式和尺寸均可按受力特点合可按受力特点合理设计，能充分理设计，能充分利用钢材的强度，利用钢材的强度，达到节约钢材的达到节约钢材的目的。在国内外目的。在国内外轻钢建筑结构

49、中轻钢建筑结构中被广泛应用。被广泛应用。压型钢板的定义压型钢板的定义：压型钢板是将薄钢板压型钢板是将薄钢板(彩色薄钢板）经辊压冷彩色薄钢板）经辊压冷弯成弯成V V型、型、U U型、型、W W型等类似形状，用于建筑屋型等类似形状，用于建筑屋面、墙面和楼板的建筑材料。面、墙面和楼板的建筑材料。压型钢板按波高分高波板、中波板和低波板三压型钢板按波高分高波板、中波板和低波板三种板型。屋面宜采用波高和波距较大的压型钢种板型。屋面宜采用波高和波距较大的压型钢板，墙角宜选用波高和波距较小的压型钢板。板，墙角宜选用波高和波距较小的压型钢板。补充资料：补充资料：压型钢板压型钢板 彩色钢卷板彩色钢卷板彩钢板外墙面

50、彩钢板外墙面应用在组合楼板的镀应用在组合楼板的镀锌压型钢板锌压型钢板 压型钢板的应用：压型钢板的应用：n 广泛用于工业建筑、公共建筑物的屋面、墙面等广泛用于工业建筑、公共建筑物的屋面、墙面等围护结构及建筑物内部的隔断；围护结构及建筑物内部的隔断；n 还大量用作组合楼板或混凝土楼板，并作为承载还大量用作组合楼板或混凝土楼板，并作为承载构件或永久性模板使用；构件或永久性模板使用；n 在大中型工业厂房、仓库以及体育馆、影剧院、在大中型工业厂房、仓库以及体育馆、影剧院、展览馆、住宅、别墅、高层建筑、活动房屋等工展览馆、住宅、别墅、高层建筑、活动房屋等工业与民用建筑中，压型钢板的使用正日趋广泛。业与民用