钢结构的材料.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第2章 钢结构的材料,2.1,钢材的主要性能,2.2,影响钢材性能的因素,2.3,钢材的疲劳（自学）,2.4,建筑钢材的规格和选用,第1页，共38页。,塑性破坏,：破坏前有,明显的变形,，破坏历时时间长，可以采,取补救措施。断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。构件的应力达,到了钢材的抗拉强度。,一、钢结构的破坏形式,脆性破坏,：破坏前,没有,明显的变形,，破坏发生突然，没有机会补救。断口平直并呈有光泽的晶粒状。,脆性破坏的原因,：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造,不合理、使用不当等。,应尽量发挥材料的塑性,避免一切脆性破坏的可能性,2.1 钢材的主要性能,第2页，共38页。,广东某展览厅网架倒塌,广东某国际展览中心包括展厅、会议中心和一栋16层的酒店，总建筑面积42000m,2,。1989年建成投入使用。1992年,降大暴雨,，其中4号展厅网架倒塌。在倒塌现场发现大量高强螺栓被拉断或折断，部分杆件有明显压屈，但未发现杆件拉断及明显颈缩现象，也未发现杆件与锥头焊缝拉开。另外，网架建成后多次发现积水现象，事故现场两排水口表面均有堵塞。,由于4号展厅除承担本身雨水外，还要承担会议中心屋面溢流而来的雨水。由于溢流口、雨水斗设置不合理，未能有效排水导致网架积水超载。高强螺栓超极限承载力而被拉断，高强螺栓安全度低于杆件安全度，其安全度不足。,第3页，共38页。,钢贮罐脆性断裂,1989年1月22日，内蒙古某糖厂一个直径为20 m，高为15.76 m的刚交工验收不久的废糖蜜钢贮罐发生断裂。破坏过程呈突发性，没有任何先兆，非常迅速。破坏时罐蜜贮量为4027t，不仅未达到设计贮量，并低于试用内糖期间曾达到的4559t水平，罐体内应力并不太高，距钢材屈服强度相差较远，地震和人为破坏及废糖蜜自燃爆炸的因素可排除，请分析钢贮罐发生断裂的原因。,第4页，共38页。,塑,性断裂在发生前有明显预兆，而脆性断裂是突发性的。,经调查表明，其裂口特征：罐体下部第1、2层母材撕裂，断口呈颗粒状，人字形纹尖端朝上，呈脆性断裂。,对钢材材质进行复验，发现部分钢板,含碳量和含硫量,较高，降低了钢材的塑性和可焊性，其常温冲击韧性比规定值偏低，故该钢材易出现脆性断裂。且,焊接质量差,，综合分析可知，罐体破坏的根源是焊接质量低而导致的低温脆性断裂。对接焊缝中大量未焊透部位如同张开型的焊接裂纹，在罐壁环向拉力的作用下，能引起严重的应力集中，成为罐体断裂的引发点。在荷载变化、应力集中、残余应力和温差应力的作用下，会缓慢扩展。而钢材的韧性较差，不能阻止裂纹的扩展，最后达到临界值，而突然断裂。,第5页，共38页。,海油田平台倾覆,1980年3月27日，北海爱科菲斯科油田的A.L.基儿兰德号平台突然从水下深部传来一次震动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，致使23人丧生，造成巨大的经济损失。现代海洋钢结构如移动式钻井平台，特别是固定式桩基平台，在恶劣的海洋环境中受风浪和海流的长期反复作用和冲击振动；在严寒海域长期受冰载及流水随海潮对平台的冲击碰撞；另外低温作用以及海水腐蚀介质的作用等都给钢结构平台带来极为不利的影响。突出问题就是,海洋钢结构的脆性断裂和疲劳破坏。,上述事故的调查分析显示，事故原因是撑竿中水声器支座疲劳裂纹萌生、扩展，导致撑竿迅速断裂。由于撑竿断裂，使相邻5个支杆过载而破坏，接着所支撑的承重脚柱破坏，使平台20分钟内全部倾覆。,第6页，共38页。,钢吊车梁裂缝,某钢厂原料跨吊车任务繁重，而冷轧跨吊车不太繁忙。两者互按同一标准设计，后者吊车梁使用40多年未发现裂缝，而前者因产生较多裂缝已更换。请分析裂缝的成因。由于前者任务繁重，承受的交变荷载次数多，故会产生疲劳破坏。,第7页，共38页。,二、单向受拉时的性能,试验条件,：,标准试件,在常温（20）下缓慢加载（静载）,第8页，共38页。,OAE弹性阶段 比例极限、弹性极限,ECF屈服阶段 屈服点,F B强化阶段 抗拉强度（极限强度）,B D颈缩阶段,第9页，共38页。,三、塑性性能,塑性,：在,静力荷载,作用下，钢材吸收,变形能,的能力,衡量塑性性能的指标：,伸长率,第10页，共38页。,四、冷弯性能,冷弯性能,是检验钢材适应,冷加工,（常温下加工）,的能力和显示,钢材内部缺陷,状况的一项指标,冷弯性能,是考察钢材在,复杂应力状态,下发展,塑性,变形,能力的指标,冷弯性能,由,冷弯试验,确定,冷弯性能是判别钢材,塑性变形能力,和,冶金质量,的,综合指标,第11页，共38页。,变形能力的指标,衡量冲击韧性的指标：冲击功,冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的,时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。,加蓝脆现象。,4、对于需要验算疲劳的焊接结构和起重量大于等于50t的中级工作制吊车梁，除上述要求外，尚应具有常温冲击韧性的合格保证:,由于溢流口、雨水斗设置不合理，未能有效排水导致网架积水超载。,结构形式和钢材厚度（格构式；,广东某国际展览中心包括展厅、会议中心和一栋16层的酒店，总建筑面积42000m2。,主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件,我国采用夏比V型缺口试件,2、焊接承重结构的钢材，一般应具有fu、fy、，P、S 再加C和冷弯试验的合格保证。,现代海洋钢结构如移动式钻井平台，特别是固定式桩基平台，在恶劣的海洋环境中受风浪和海流的长期反复作用和冲击振动；,五、冲击韧性,冲击韧性,：在,动力荷载,作用下，材料吸收,能量,的能力,衡量冲击韧性的指标：,冲击功,韧性是钢材强度和塑性的综合指标,梅氏,U型缺口,试件:,冲击试验,的标准试件型式,夏比,V型缺口,试件:,我国采用夏比V型缺口试件,冲击韧性受温度的影响,第12页，共38页。,六、可焊性,可焊性指,采用一般焊接工艺就可完成合格的焊缝的性能,可焊性受化学成分的影响比较大,碳当量：,衡量低合金钢的,可焊性的计算,0.45焊接性能难,第13页，共38页。,小结 钢材的五项主要机械性能指标,屈服点,f,y,抗拉强度,f,u,衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的指标。,钢材的强度极限，仅作为安全储备。,伸长率,5,冷弯性能,冲击韧性,衡量钢材塑性变形能力的重要指标。,衡量钢材塑性性能和冶金质量的综合指标。,衡量钢材在动荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标。,第14页，共38页。,一、化学成分,2.2 影响钢材性能的因素,普通碳素钢,中,Fe占,99%，,其他,杂质元素占,1%,普通低合金钢,中有,5%,的合金元素,碳（C）：钢材强度的主要来源，但是随其,含量增加,，,强度增,加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。,一般,控制在,0.120.2%,，在0.2以下时，可焊性良好,硫（S）,：,热脆性,，不得超过,0.05%,磷（P）,：,冷脆性,。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。,不得超过,0.045,%,第15页，共38页。,锰（Mn）：合金元素。,弱脱氧剂,。与S形成MnS，熔点为,1600，可以消除一部分S的有害作用。,硅（Si）：合金元素。,强脱氧剂,。,氧（O）,：有害杂质，效果同S。,氮（N）,：有害杂质，效果同P。,第16页，共38页。,二、冶金缺陷,常见的,冶金缺陷,有,偏析,、,非金属夹杂,、,气孔,、,裂纹,等。,偏析,化学成分分布的不均匀程度。,三、加荷速度,1材性试验要求,缓慢加载,2要考虑,动荷载,对结构的,不利影响,加荷速度高,，钢材屈服点提高，呈,脆性,。因此，,第17页，共38页。,四、钢材硬化,冷作硬化,当加载超过材料,比例极限,卸载后，出现,残余变形,，再次加载则,屈服点提高，塑性和韧性降低,的现象，也称“应变硬化”,应变时效,钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即,冷作硬化的同时可以加速时效硬化,，因此也称“人工时效”。,时效硬化,随时间的增长,，,碳和氮的化合物,从晶体中析出，使材料硬化的现象。,第18页，共38页。,五、温度的影响,1.正温范围,100以内,对钢材性能,无影响,；,100以上,随温度升高，总的趋势是,强度、弹性模量降低,，,塑性增大,250左右,抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增,加,蓝脆现象,。该温度区段称为“蓝脆区”。,250350,在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续,形,徐变现象,。,600左右,弹性模量趋于零,，承载能力几乎完全丧失。,第19页，共38页。,2.负温范围,当温度,低于常温,时，钢材的,脆,性倾向随温度降低而增加,。,T,1,T,2,之间,温度转变脆性区,，冲击功急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。使用,温度必须高于T,1,，但不一定高于T,2,第20页，共38页。,六、应力集中的影响,构造缺陷,：构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变等,应力集中,：由于构造缺陷，应力不均匀，力线变曲折，,缺陷处,有高峰应力,。,应力集中的危害：塑性降低，脆性增加,构造设计时应,避免截面突变和尖锐角,的情况,七、厚度的影响,随着厚度的增加，钢材的,抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度,均下降,第21页，共38页。,八、复杂应力作用下钢材的屈服条件,假定：1.材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积,中积聚的能量来表达；,2.当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能,时，钢材即由弹性转入塑性。,弹性状态,塑性状态,平面应力,状态,梁的应力,状态,纯剪应力,状态,第22页，共38页。,较高的强度,足够的变形能力，塑性、韧性好,良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）,钢结构设计规范（GB50017-2003）规定：,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,尚应具有碳含量的合格保证。,焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材,还应具有,冷弯试验,的合格保证。需要验算,疲劳,的,焊接结构,的钢材，应具有,常温或负温,冲击韧性,的合格保证。对需要验算,疲劳,的,非焊接结构,的钢材应具有,常温,冲击韧性,的合格保证。,规范推荐的钢种为Q235、Q345、Q390、Q420,2.4 建筑钢材的规格和选用,一、钢结构对材料的要求,第23页，共38页。,二、钢的种类,1.碳素结构钢,牌号,第24页，共38页。,表示方法,第25页，共38页。,2.低合金钢,牌号,第26页，共38页。,表示方法,第27页，共38页。,三、钢材的选择,1.基本原则,结构安全可靠,满足使用要求,经济合理,2.考虑结构特点,结构的类型及重要性（重要、一般、次要）,荷载的性质（动载、静载）,连接方法（焊接、非焊接）,结构的工作温度（低温、一般）,结构的受力性质（拉、压、弯）,结构形式和钢材厚度（格构式；厚板）,第28页，共38页。,1、非焊接承重结构的钢材，应具有,f,u,、f,y,、，P、S,的合格保证。,钢材选择建议,2、焊接承重结构的钢材，一般应具有,f,u,、f,y,、，P、S,再加C和冷弯试验,的合格保证。,3、,Q235A钢只宜用于承受静荷载或不直接受动荷载的非焊接结构；当用于焊接结构时，应限制C含量不超过0.2%，并对冷弯性能提出要求,。,第29页，共38页。,4、对于需要验算疲劳的焊接结构和起重量大于等于50t的中级工作制吊车梁，除上述要求外，,尚应具有常温冲击韧性的合格保证:,当结构工作温度等于或低于0但高于20时，,Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证；Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。,当结构工作温度等于或低于20时，,Q235钢和Q345钢应具有20冲击韧性的合格保证；Q390和Q420钢应具有40冲击韧性的合格保证。,第30页，共38页。,5、对于需要验算疲劳的非焊接结构和起重量大于等于50t的中级工作制吊车梁，,亦应具有常温冲击韧性的合格保证,:,当结构工作温度等于或低于20时，对Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。,6、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。,第31页，共38页。,钢结构所用钢材主要有：,热轧钢板、热轧型钢、冷轧薄钢板、冷弯薄壁型钢,（一）、钢板,（厚宽长或厚宽）,薄钢板：厚度0.354mm，宽度5001800mm，长度0.46m;,用于制作冷弯薄壁型钢,厚钢板：厚度4.560mm，宽度7003000mm，长度412m;,用做大型实腹式梁柱翼缘、腹板,特厚钢：厚度60mm，宽度6003800mm，长度49m;,用做高层钢结构箱形柱,扁钢：厚度460mm，宽度12200mm，长度39m,焊接组合梁柱翼缘板，各种连接板、加劲肋等,四、钢材的规格,第32页，共38页。,另外，网架建成后多次发现积水现象，事故现场两排水口表面均有堵塞。,主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件,衡量塑性性能的指标：伸长率,2 影响钢材性能的因素,海油田平台倾覆 1980年3月27日，北海爱科菲斯科油田的A.,600左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。,冷作硬化当加载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称“应变硬化”,衡量钢材塑性性能和冶金质量的综合指标。,衡量冲击韧性的指标：冲击功,冷弯性能是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性,时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。,冷弯性能是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性,t1翼缘t2”,时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。,塑性增大,(二）、型钢,角钢,等边角钢 不等边角钢,等边（等肢）（L肢宽肢厚）,不等边（不等肢）（L长肢宽短肢宽肢厚）,主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件,第33页，共38页。,工字钢,普通工字钢：“I”号数（截面高）类别（a、b、c 腹板厚）,轻型工字钢：“QI”号数（截面高）,主要用于受弯构件或由几个工字钢组成的组合构件,槽钢,普通槽钢：“”号数（截面高）类别（a、b、c 腹板厚）,轻型槽钢：“Q”号数（截面高cm）,适于作檩条等双向受弯的构件，,也可用其组成组合或格构式构件,第34页，共38页。,4.H型钢和T型钢,H型钢：“HW、HM、HN”“高H宽B腹板厚,t1翼缘t2”,广泛用于高层建筑、轻型工业厂房和大型工业厂房,T型钢：“TW、TM、TN”“高H宽B腹板厚,t1翼缘t,2,”,第35页，共38页。,5.钢管,圆钢管：“,”“外径厚度”,方钢管：“”“长宽厚”,常用作桁架、网架、网壳等平面和空间格构式结构的杆件在钢管混凝土柱中也有广泛的应用,第36页，共38页。,（三）、冷弯薄壁型钢,壁厚一般为1.512mm,用于厂房的檩条、墙梁，也可用作承重柱和梁,第37页，共38页。,本章结束,谢谢！,第38页，共38页。,