1、钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure1 1、钢结构对材料的要求、钢结构对材料的要求规范推荐的结构用钢：规范推荐的结构用钢： 碳素结构钢碳素结构钢 Q235 国标国标碳素结构钢碳素结构钢GB/T 700-88 carbon structural steels 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 Q345 Q390 Q420 high strength low alloy structural steels 国标国标低合金结构钢低合金结构钢GB/T 1591-94 国标国标桥梁用结构钢桥梁用结构钢GB/T 714-2000钢材的主
2、要性能Materials behaviour钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure钢材的破坏形式钢材的破坏形式 特特 征征断断 口口 后后 果果 塑性破坏塑性破坏（延性破坏）（延性破坏）构件应力超过屈服点，构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强并且达到抗拉极限强度后，构件产生明显度后，构件产生明显的变形并断裂。的变形并断裂。常温及静态荷载作用常温及静态荷载作用下，一般为塑性破坏。下，一般为塑性破坏。破坏时构件有明显的破坏时构件有明显的颈缩现象。颈缩现象。常为杯常为杯形，呈形，呈纤维状，纤维状，色泽发色泽发暗。暗。在破坏前有很在破坏
3、前有很明显的变形，明显的变形，并有较长的变并有较长的变形持续时间，形持续时间，便于发现和补便于发现和补救。救。 脆性破坏脆性破坏在破坏前无明显变形，在破坏前无明显变形，平均应力也小（一般平均应力也小（一般都小于屈服点），没都小于屈服点），没有任何预兆。局部高有任何预兆。局部高峰值应力可能使材料峰值应力可能使材料局部拉断形成裂纹；局部拉断形成裂纹；冲击振动荷载；低温冲击振动荷载；低温状态等可导致脆性破状态等可导致脆性破坏。坏。平直和平直和呈有光呈有光泽的晶泽的晶粒。粒。突然发生的，突然发生的，危险性大，应危险性大，应尽量避免。尽量避免。 （1 1）试验条件）试验条件 （a a）试件的尺寸要符合国
4、家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的等缺陷。试件的标定长度取其直径的5 5或或1010倍。倍。（b b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。（c c）试验温度要控制在室温）试验温度要控制在室温2020左右。左右。 Lod d 标准试件标准试件低碳钢在常温下的拉伸试验低碳钢在常温下的拉伸试验钢材的应力钢材的应力- -应变关系应变关系 A. A. 有屈服点钢材有屈服点钢材s-es-e曲线一般可以分为五个阶段：曲线一般可以分为五个阶段： ( (a) )弹性阶段弹性阶段( (OB段段) )
5、usesOAsesEBCDAEys 单调拉伸应力单调拉伸应力- -应变曲线应变曲线OAOA段段：纯弹性阶段：纯弹性阶段s s=E=Ee eA A点对应的应力：点对应的应力：s sp p （比例极限）（比例极限）ABAB段段：有一定的塑性：有一定的塑性变形变形, , 但整个但整个OBOB段卸载时段卸载时, , e e=0=0B B点对应的应力：点对应的应力：s se （弹性极限弹性极限）（b）屈服阶段屈服阶段弹塑性阶段 塑性变形阶段（塑性流动） （BCD)塑性变形塑性变形：卸载后试件：卸载后试件不能完全恢复原来的长不能完全恢复原来的长度。不能恢复的这一部度。不能恢复的这一部分变形称为塑性变形。分
6、变形称为塑性变形。 屈服点（屈服强度）屈服点（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分屈服阶段曲线波动部分的最低值。的最低值。 流幅流幅：屈服台阶，水平：屈服台阶，水平段。段。特点特点：应力与应变不再成正比关系，应变增加很快，应力：应力与应变不再成正比关系，应变增加很快，应力- -应变曲线呈锯齿形波动，应变曲线呈锯齿形波动，出现应力不增加而应变仍然在继续发展。出现应力不增加而应变仍然在继续发展。usesOAsesEBCDAEys第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（c c）自强（强化）阶段）自强（强化）阶段(DE(DE段段) )随荷载的增加随荷载的增加缓慢增大缓慢增大, ,但但增加较快增加较快抗拉强
7、度（极限强度）抗拉强度（极限强度）fu 试件所能承受的最大拉应力试件所能承受的最大拉应力（d d）破坏（颈缩）阶段）破坏（颈缩）阶段(EF(EF段段) )usesOAsesEBCDAEys截面出现了横向收截面出现了横向收缩，截面面积开始缩，截面面积开始显著缩小，塑性变显著缩小，塑性变形迅速增大，应力形迅速增大，应力不断降低，变形却不断降低，变形却延续发展，直至延续发展，直至F F点点试件断裂。试件断裂。 F FB.B.对无明显屈服点的钢材对无明显屈服点的钢材 设计时以卸载后试件中残余应变为设计时以卸载后试件中残余应变为0.20.2所对应的应力所对应的应力 作为屈服点作为屈服点“条件屈服点条件屈
8、服点”或或“名义屈服点名义屈服点”sefy=f0.20.2%fup 无屈服点钢材的应力无屈服点钢材的应力- -应变曲线应变曲线没有明显屈服点的没有明显屈服点的钢钢材在拉伸过程中没有材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。小，破坏突然。 单向拉伸时钢材的力学性能指标单向拉伸时钢材的力学性能指标 （1 1）屈服强度屈服强度f fy y应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。的承载能力和确定钢材强
9、度设计值的重要指标。（2 2）抗拉强度抗拉强度f fu u应力应变曲线最高点对应的应力，它应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前所能承受的最大应力。是钢材破坏前所能承受的最大应力。屈强比大好还是小好？（3 3）伸长率伸长率试件试件断裂前断裂前的永久变形与原标定长度的百比。的永久变形与原标定长度的百比。LodNNNLdN%100001-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率 代表材料断
10、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。应力应变曲线的简化应力应变曲线的简化曲线简化的依据：曲线简化的依据：1 1）钢材在屈服点之前的性质）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。接近理想的弹性体。2 2）屈服点之后的流幅现象又）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅接近理想的塑性体，并且流幅的范围（的范围（e e0.150.15-2.5-2.5）已足够用来考虑结构或构件的已足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。塑性变形的发展。2.5% fy 00.15% 简化的应力应变曲线简化的应力应变曲线钢材是符合理想中的弹性钢材是符合理想中的弹性- -塑性材料塑性材料 冷弯
11、性能是判别钢材塑性变形能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。力和冶金质量的综合指标。冷弯性能冷弯性能钢材在冷加工（常温下加工）钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。的抵抗能力。 鉴别指标鉴别指标：通过冷弯冲头加压。：通过冷弯冲头加压。当试件弯曲至当试件弯曲至180180时，检察试件时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。认为试件冷弯性能合格。 冲击韧性：冲击韧性： 带缺口的钢材试件，在冲击试验机上被摆锤击断时所能吸收的带缺
12、口的钢材试件，在冲击试验机上被摆锤击断时所能吸收的机械能。机械能。 Mesnager 试件试件 Charpy 试件试件 夏比冲击韧性记为夏比冲击韧性记为Cv 规范以夏比试件为准规范以夏比试件为准Q235钢钢 CV=27 J 为合格为合格 , Q345、Q390 、Q420钢钢 CV=34 J 为为合格。合格。 )cos(cos - PlCV冲击能P摆锤重力 l 摆长附录一 表4可焊性可焊性 好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材。和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学
13、性能都不低于母材。 影响钢材可焊性的因素影响钢材可焊性的因素 钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12%0.12%0.20%0.20%范围内的碳素钢，可焊性最好（如范围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235BQ235B）。碳含量再高可使焊缝和热影响）。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。区变脆。钢材防锈钢材防锈常用方法：常用方法： 涂料防护（油脂漆、环氧树脂、沥青漆等）涂料防护（油脂漆、环氧树脂、沥青漆等） 喷镀保护（镀锌、镀鉻）喷镀保护（镀锌、镀鉻） 电化学保护（外接电源阴极保护法，牺牲电化学保护（外接电源阴极保护法，牺牲 阳极保
14、护法）阳极保护法）1.化学成分Fe，C，S，P，N，O，Mn，Si，Cu，Ni，Cr，NbFe：碳素钢约99%，合金钢约95%。C：影响钢材的强度、塑性、韧性及可焊性。一般控制在0.22% 以下，在0.2%以下时，可焊性良好。S：是钢材中的有害元素。在高温下使钢材变脆，即热脆现象。 塑性、韧性、可焊性、疲劳强度，含量不得超过0.045%。P：是钢材中的有害元素。在低温时使钢材变脆，即冷脆现象。塑性、韧性、可焊性、疲劳强度，含量不得超过0.045%。O和N：钢材中的有害杂质。O使钢热脆，N使钢冷脆。影响钢材力学性能的主要因素Main Factors of Influence on Mechani
15、cs Performance of Steel Mat.Mn：一种弱脱氧剂，可消除硫、氧对钢材的热脆影响，能改善冷脆性 能。强度、塑性和韧性无甚影响（含量不高时）。碳素结构钢 0.3-0.8%；低合金高强度结构钢 1.0-1.6%。Si：作为脱氧剂加在低碳钢钢液中，制成质量较高的镇静钢。强度 、塑性和韧性无甚影响（含量不高时）。碳素结构钢 0.3%；低合金高强度结构钢 0.55%。Cu，Ni，Cr，Nb：加入Cu和Ni可制成耐候钢，加入Ni和Cr可制成不锈 钢，在钢中添加微量的Cr、Nb等合金元素制成耐火钢。2.冶金缺陷1. 偏析：化学成分不一致，不均匀。 硫、磷偏析严重 影响钢材性能。2.
16、非金属夹杂 ：硫化物和氧化物。3. 气孔 ：一氧化碳气体不能充分逸出而形成。4. 分层：非金属杂质造成的，会降低钢材的冷弯性能。钢材的生产钢材的生产铁矿石铁矿石-铁铁-钢钢-轧制成型轧制成型炼铁：以炼铁：以CO、C作为还原剂，高温下将铁矿石中的铁还原作为还原剂，高温下将铁矿石中的铁还原出来。生铁含碳量高（出来。生铁含碳量高（ 2.06%）。）。炼钢：炼钢： 高温下氧化反应除去生铁中多余的碳和杂质。使含高温下氧化反应除去生铁中多余的碳和杂质。使含碳量碳量2.06%。精炼：脱氧精炼：脱氧炼钢炉种：炼钢炉种： 电炉：电炉： 质量最佳，费用较贵质量最佳，费用较贵 平炉：平炉： 传统炼钢法，传统炼钢法，
17、612小时小时 氧气转炉：氧气转炉：现代炼钢法，现代炼钢法，38分钟左右分钟左右目前氧气转炉法成为主流。目前氧气转炉法成为主流。沸腾钢：以沸腾钢：以Mn为脱氧剂为脱氧剂 F半镇静钢：介于沸腾钢与镇静钢之间（加入少量半镇静钢：介于沸腾钢与镇静钢之间（加入少量Si ） b镇静钢：除镇静钢：除Mn外，增加外，增加Si为脱氧剂为脱氧剂 Z特殊镇静钢：在用硅脱氧后，再用铝补充脱氧特殊镇静钢：在用硅脱氧后，再用铝补充脱氧 TZ设计文件中的标识方法：设计文件中的标识方法：Q+屈服点数值屈服点数值+质量等级质量等级+脱氧方法脱氧方法Q235钢分为钢分为A、B、C、D质量等级质量等级 ，Z TZ 可以省略。可以
18、省略。 Q235C 为镇静钢为镇静钢Q235D 为特殊镇静钢为特殊镇静钢Q345、Q390、 Q420无沸腾钢和半镇静钢。名称中就无脱氧方法符号。无沸腾钢和半镇静钢。名称中就无脱氧方法符号。举例：举例：Q235BF Q235C Q345A Q345B Q390D Q420B 用轧钢机将钢锭轧成钢胚，再通过一系列不同形状和孔径的轧用轧钢机将钢锭轧成钢胚，再通过一系列不同形状和孔径的轧机，轧成所需形状和尺寸的钢材。机，轧成所需形状和尺寸的钢材。 钢材的热轧成型，压密钢的晶粒，改善钢的材质。薄的钢材，钢材的热轧成型，压密钢的晶粒，改善钢的材质。薄的钢材，辊轧次数多，压缩比大，因而屈服点及伸长率均大于
19、厚板。辊轧次数多，压缩比大，因而屈服点及伸长率均大于厚板。 钢材的力学性能按板厚或直径分组。钢材的力学性能按板厚或直径分组。3.3.应力集中的影响应力集中的影响 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，形成所谓在一些区域产生局部高峰应力，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
20、曲线应变曲线 应力集中对应力集中对-曲线曲线关系的影响关系的影响 可以看出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复杂应力状态下钢材的屈服强度复杂应力状态下钢材的屈服强度osxszsyyzyxxyxzzyzxZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力（应力分量（应力分量）s1s1s2s2s3s3单元体主应力状态单元体主应力状态复杂应力状态下的屈服条
21、件（由第四强度理论确定）复杂应力状态下的屈服条件（由第四强度理论确定）1、平面应力状态、平面应力状态2、三向应力状态（、三向应力状态（Mises yield condition)3、平面纯剪应力状态、平面纯剪应力状态yxyyxyxeqf-2223sssssyzxyzxyxzzyyxzyxeqf-）222222(3)(ssssssssssyyyeqfff58. 0332syzxyzxyxzzyyxeqf-）或222222(3)()()(21 sssssss同号应力同号应力 s seqfy 钢材易进入塑性状态，钢材强度降低，塑性变形大。钢材易进入塑性状态，钢材强度降低，塑性变形大。 局部应力集中，
22、在动荷载及低温条件下，易使钢材产生脆性局部应力集中，在动荷载及低温条件下，易使钢材产生脆性破坏。破坏。4.4.钢材硬化钢材硬化sefyfp0sefyfp0sefyfp0钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure5.5.温度的影响温度的影响正温范围：正温范围：（1 1）温度在）温度在150150以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于150150的场合。的场合。（2 2）温度在）温度在250250左右的区间内出现左右的区间内出现蓝脆现象蓝脆现象，fu 有局部性提高，同时有局部性提高，同
23、时塑性降至最低，材料有转脆倾向。塑性降至最低，材料有转脆倾向。（3 3）当温度达到）当温度达到600600时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。承载能力。负温范围：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，称为钢材的变脆，称为钢材的低温冷脆低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。 8006004002000N/mm2Efufy20040060020406080%220210200190180170160E Ex1
24、0 x103 3T(0C)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分别为分别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）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钢材的脆性转变温度区脆性转变
25、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。6.6.荷载类型的影响荷载类型的影响荷载可分为静力和动力两大类荷
26、载可分为静力和动力两大类1.1.加荷速度的影响加荷速度的影响 这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。影响要比常温下大得多。 因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载5 5分分钟后再读数据。钟后再读数据。2.2.循环荷载的影响循环荷载的影响 钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂
27、纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏裂纹逐渐扩展，直到最后破坏（疲劳破坏）（疲劳破坏）。钢材的疲劳Fatigue 钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐积累损伤、产生裂纹即裂纹逐渐扩展，当循环次数达到某定值时，发生突然破坏的现象，称为疲劳。（high-cycle fatigue low-cycle fatigue) 高周低应力疲劳：破坏前的应力循环次数n5104 ，疲劳破坏时的应力较低， 。 一般属于此类疲劳。 低周高应力疲劳：破坏前的应力循环次数n=1025104 ,疲劳破坏时的应力水平较高， 。应力比： 应力幅： 循环次数： n （要求n 5104时，应进行疲劳计算）maxminssminmaxsss
28、-yfsyfs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，疲劳强度除与大量试验研究表明，疲劳强度除与主体金属主体金属和和连接类型连接类型有关外，有关外，还与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。应力循环特性常用应力比值来表示，以拉应力为正值。连续重复荷载之下应力往复变化一周叫做一个循环。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
29、件和连接的类型接的类型、应力幅应力幅ss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-最小：最小：yyffs-真实应力比：真实应力比：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ss的大小的大小-+fy残余应力的分布残余应力的分布应力幅应力幅ss与应力循环次数与应力循环次数n n（疲劳寿命）的关系（疲劳寿命）的关系0
30、s sNX105s s1n1s s2n2s sbfy123456S S S S0lgns slg.b b1 1lgClgslgn 1(1)(1)应力幅值越低，应力循环次数就越应力幅值越低，应力循环次数就越多，疲劳寿命也越高。多，疲劳寿命也越高。(2)(2)当应力幅值减小到一定程度时，应当应力幅值减小到一定程度时，应力循环次数趋向无穷大。力循环次数趋向无穷大。 容许应力幅容许应力幅 ss 的定义的定义 （1 1）应力幅循环次数（红色实）应力幅循环次数（红色实线所示）关系曲线为试验回归曲线，线所示）关系曲线为试验回归曲线，反应了平均值之间的关系。反应了平均值之间的关系。 （2 2）考虑到试验的离散
31、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lgnlgn的标准差（的标准差（2s2s）作为疲劳强度的下限）作为疲劳强度的下限值，图中蓝色虚线所示。该虚线上的应力幅定义为对应于某疲劳寿命的容许应力幅。值，图中蓝色虚线所示。该虚线上的应力幅定义为对应于某疲劳寿命的容许应力幅。（3 3）如果）如果lgnlgn符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为97.797.7。 (4(4）容许应力幅的表达式）容许应力幅的表达式 ss 可通过两可通过两个相似三角形求出：个相似三角形求出： S S S S0lgns slg.b b1 1lgClgsl
32、gn 11CNs (5)(5)式中：系数式中：系数、C C根据根据钢结构设钢结构设计规范计规范- -疲劳计算的构件和连接分类疲劳计算的构件和连接分类 查表得到。查表得到。(6)(6)容许应力幅与钢材的强度无关，这表明容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同种类的钢材具有相同的抗疲劳性能。不同种类的钢材具有相同的抗疲劳性能。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 ss 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 ss(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
33、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。参数和参数和 的取值的取值构件和连构件和连接类别接类别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
34、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响，这一点，通过表达式（通过表达式（2-72-7）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ssss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
35、应力幅: ss= s smax- s smin ； 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：ss= 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）；ss 常幅疲劳的容许应力幅常幅疲劳的容许应力幅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
36、载可将变幅疲劳折算为等效的可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳，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sse e等效常幅疲劳应力幅。等效常幅疲劳应力幅。 ss 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sse（b) b) 计算计算es 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
37、的应力幅折算为等效应力幅为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅sse e按下按下式进行疲劳计算：式进行疲劳计算：ss1iiiennn 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ssi 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
38、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，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6102nfssf 欠载效应的等效系数欠载效应的等效系数ssef6102ns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或吊车桁架欠载效应系数596978
39、90103118144176N/mm2sn=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，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论为基础的研究。（2 2）对于只有压应力的
40、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；（）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；（）严格控制施工质
41、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。 钢的种类结构用钢的种类、选用及规格碳素钢铁和碳的合金 低碳钢 C0.6%一般 C0.20% 具有良好的可焊性。碳素钢分级：Q195、Q215 、Q235、Q255、Q275钢结构推荐使用 Q235 （C0.18%)低合金钢 冶炼时，在低碳钢中加入合金元素 Mn 、V等 低合金钢中合金元素含量5% 适量合金元素，可使钢水在冷却时得到细而均匀的晶粒，从而提高强度又不降低塑性和韧性。推荐使用：Q345 (原16Mn 、16Mnq ) (含碳量0.16%) fy=345 MPa Q390 (原15MnV
42、 15MnVq ) (含碳量0.15%) 合金含量均小于1.5% fy=390 MPa Q420建筑工程用钢碳素结构钢低合金高强度结构钢优质碳素结构钢A：保证 fy、 fu 、 ，必要时附加冷弯试验的要求；化学成分对碳、锰不作交货条件。B、C、D 级：保证 fy、 fu 、 ，冷弯性能、冲击韧性（分别为+20，0，-20）；化学成分对碳、硫、磷的极限含量要求严格。A：保证 fy、 fu 、 ，冷弯性能；化学成分对碳、硫、磷作为保证项目。B、C、D：保证 fy、 fu 、 ，冷弯性能、冲击韧性（分别为+20，0，-20 ，-40 ）；化学成分对碳、硫、磷、锰、硅作为保证项目。以不热处理或热处理状
43、态交货钢材的选择钢材的选择 选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，同时用材经选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，同时用材经济合理。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素：济合理。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素： 1. 结构或构件的重要性；结构或构件的重要性； 2.荷载性质（静载或动载）荷载性质（静载或动载） ; 3. 连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）连接方法（焊接、铆接或螺栓连接） ; 4.工作条件（温度及腐蚀介质）。工作条件（温度及腐蚀介质）。 对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构，应选用质量较高的钢材。件下的结构及焊接结
44、构，应选用质量较高的钢材。 钢材选择的建议承重结构焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构当焊接承重结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢保证 fy、 fu 、 以及硫、磷含量，对焊接结构应保证碳含量。具有冷弯试验的合格保证。材质应满足断面收缩率和含硫量的要求。应具有常温冲击韧性的合格保证。应具有常温冲击韧性的合格保证。主要的受拉或受弯的焊接结构和需验算疲劳的焊接结构需验算疲劳的非焊接结构钢材选择的建议钢材选择的建议钢材的规格钢材的规格钢结构采用的型材有：热轧钢板、热轧型钢、冷弯薄壁型钢。1、热轧钢板：“-”宽度厚度长度（mm） 40083600 2、热轧型钢（1）热轧角钢 等肢角钢：L肢宽肢厚不等
45、肢角钢：L长肢宽短肢宽肢厚L11010 L90566（2）热轧工字钢普通工字钢：“I”和号数(代表截面高度厘米数)轻型工字钢：“QI”和号数(代表截面高度厘米数)20号以上的工字钢，按腹板厚度同一号数又分a、b、c类。（3）热轧槽钢普通槽钢：“”和号数轻型槽钢：“Q”和号数14号以上的槽钢，按腹板厚度同一号数又分a、b、c类。（4）H型钢(高X宽X腹板厚X翼缘厚）宽翼缘H型钢（HW,HM,HN)，用于轴压、压弯构件。H型钢可以剖分为T型钢供应，规格标记同H型钢，只是高度是H型钢的一半。3、钢管 无缝钢管和焊接钢管：“”外径厚度4、薄壁型钢 用薄钢板经模压或弯曲而制成。壁厚一般为1.55mm。用
46、作轻型屋面及墙面等构件。压型钢板 YX 高波距宽 5、钢轨 QU70 (轨顶宽度70mm) QU80我国目前建筑钢材存在的主要问题我国目前建筑钢材存在的主要问题 1厚板可焊性差，厚板可焊性差，Q345Q345等厚板焊接时，易出现层状撕裂。应等厚板焊接时，易出现层状撕裂。应采用采用Z Z向钢，即向钢，即厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板GB5313GB5313，要求沿厚度方，要求沿厚度方向有良好的抗层状撕裂性能，用厚度方向拉力试验的断面收缩向有良好的抗层状撕裂性能，用厚度方向拉力试验的断面收缩率来评定。应生产优质特厚钢。率来评定。应生产优质特厚钢。 2 2高强度低合金结构钢在冷弯薄壁型钢中的应用尚
47、未解决好，高强度低合金结构钢在冷弯薄壁型钢中的应用尚未解决好，不能满足轻型房屋钢结构的需要。主要应解决其冲压性差的问不能满足轻型房屋钢结构的需要。主要应解决其冲压性差的问题。题。 3 3我国现只能生产镀锌钢板，不能生产抗腐蚀性能更好的镀我国现只能生产镀锌钢板，不能生产抗腐蚀性能更好的镀铝锌钢板，。需引进生产线或专利来解决。铝锌钢板，。需引进生产线或专利来解决。 4 4型材品种规格还不能满足建筑需要。要开发生产薄壁热轧型材品种规格还不能满足建筑需要。要开发生产薄壁热轧H H型钢等。型钢等。 5 5建筑用高强度低合金结构钢品种太少，应用比重较低。生建筑用高强度低合金结构钢品种太少，应用比重较低。生
48、产耐火钢。产耐火钢。国外钢材品种和钢号简介国外钢材品种和钢号简介 各国的钢号基本上是以强度等级来划分，表示方式为：各国的钢号基本上是以强度等级来划分，表示方式为： 字首符号钢材的强度值钢材质量等级字首符号钢材的强度值钢材质量等级 字首符号：美国采用字首符号：美国采用A(Alloy)A(Alloy)；日本采用；日本采用SSSS（一般结构用（一般结构用轧制钢材，第一个轧制钢材，第一个S S为为SteelSteel的第一个字母）、的第一个字母）、SMSM（焊接结构（焊接结构用轧制钢材）、用轧制钢材）、SMASMA（焊接结构用耐候性轧制钢材）等；德国（焊接结构用耐候性轧制钢材）等；德国采用采用StSt
49、（德文钢（德文钢StahlStahl）；意大利采用）；意大利采用FeFe；法国采用；法国采用A A、E E等；等；独联体各国采用独联体各国采用C C（俄文钢的第一个字母）；英国无字首符号。（俄文钢的第一个字母）；英国无字首符号。 钢材的强度值钢材的强度值: :单位一般为单位一般为N/mm N/mm 2 2 ，但美国为，但美国为Ksi(Ksi(千磅千磅英寸英寸2 2 ) )。强度值有的采用。强度值有的采用f fu u，有的采用，有的采用f fy y 。ISOISO国际标准、国际标准、欧共体各国、日本等采用欧共体各国、日本等采用f fu u，美国、独联体各国等采用，美国、独联体各国等采用f fy
50、y。 钢材质量等级钢材质量等级: :分为分为A A、B B、C C、D D、E E等。等。各国钢材品种与我国钢材品种对应表各国钢材品种与我国钢材品种对应表中国美 国日 本英 国法 国德 国俄罗斯 235 235A36A36 SS400 SS400 SM400 SM400 SMA400 SMA400 40 40E24E24St37St37C235C235Q345Q345A572-50A572-50SM490YA SM490YA SM490YBSM490YBSM520 SM520 50D 50DE36E36St44St44C345C345Q390Q390A572-60A572-60 SM570 S
