1、钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1）有较高的强度，屈强比满足要求，保证安全储备）有较高的强度，屈强比满足要求，保证安全储备2）有足够的变形能力）有足够的变形能力塑性塑性-破坏前有预兆，能内力重分布破坏前有预兆，能内力重分布韧性韧性-在动载下破坏能吸收较大能量在动载下破坏能吸收较大能量4）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载 5）易生产、价格便宜）易生产、价格便宜3）有良好的加工性能，适应冷热加工，有良好的可焊性）有良好的加工性能，适应冷热加工，有良好的可焊性钢结构设计规范钢结构设计规范（GB50017-200
2、2)推荐的普通碳素推荐的普通碳素结构钢结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及及Q420符符合要求合要求钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2.2.1 钢材的冶炼钢材的冶炼一一.炼铁炼铁二二.炼钢炼钢碳素钢碳素钢 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。电炉炼钢炼成的钢质量好。电炉炼钢炼成的钢质量好。耗电量大，成本高。耗电量大，成本高。转炉炼钢是利用高压空气或氧气转炉炼钢是利用高压空气或氧气 氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，生产周氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质
3、少，生产周 期短，效率高、质量好、成本低期短，效率高、质量好、成本低。钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计平炉炼钢平炉炼钢，平炉的原料广泛，容平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。量优良。平炉钢周期长，效率低成本高平炉钢周期长，效率低成本高钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计三三.钢材的浇注和脱氧钢材的浇注和脱氧 按脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为按脱氧的方法和程度的不同，碳素结构
4、钢可分为 沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4 4类类。沸腾钢沸腾钢采用脱氧能力较弱采用脱氧能力较弱锰锰作脱氧剂，脱氧不完全。钢作脱氧剂，脱氧不完全。钢中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。镇静钢镇静钢采用采用锰加硅锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧化铁过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸化铁过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不出现沸腾现象。质量好，成本高。出，浇注时不出现沸腾现象。质量好，成本高。半镇静钢半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。的脱氧
5、程度介于上述二者之间。特殊镇静钢特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧再用铝补充脱氧，脱氧程，脱氧程度高于镇静钢。度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计以以“Q”代表屈服点代表屈服点屈服点数值共分屈服点数值共分195、215、235、255和和275(MPa)5种种质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别由由A、B、C、D符号表示符号表示脱氧方法以脱氧方法以F表示沸腾钢，表示沸腾钢，b表示半镇静钢，表示半镇静钢，Z表示镇静表示镇静钢，钢，
6、TZ表示特殊镇静钢。表示特殊镇静钢。Z和和TZ在钢的牌号中予以省略在钢的牌号中予以省略C级只能是级只能是Z，D级只能是级只能是TZ。例如：例如：Q235AF表示屈服点为表示屈服点为235MPa的的A级沸腾钢级沸腾钢 Q215B，表示屈服点为，表示屈服点为215MPa的的B级镇静钢级镇静钢 Q215Bb 表示屈服点为表示屈服点为215MPa的的B级半镇静钢级半镇静钢钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计一一.钢材的组织构造钢材的组织构造 碳素结构钢碳素结构钢是在纯铁中加适量的碳来提高强度是在纯铁中加适量的碳来提高强度 铁素体铁素体 强度、硬度较低，而塑性、韧性良好强度、硬度较低，而塑性、韧性良
7、好 渗碳体渗碳体 铁碳化合物铁碳化合物 熔点高，硬度大，几乎没有塑性熔点高，硬度大，几乎没有塑性 与铁素体晶粒形成珠光体，在铁素体晶粒空隙中，与铁素体晶粒形成珠光体，在铁素体晶粒空隙中，形成网状间层。珠光体强度很高，坚硬富有弹性形成网状间层。珠光体强度很高，坚硬富有弹性 低合金结构钢低合金结构钢是在低碳钢中加入少量的合金元素是在低碳钢中加入少量的合金元素 合金元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中，使合金元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中，使 强度提高，塑性、韧性和焊接性能不降低强度提高，塑性、韧性和焊接性能不降低钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二.钢材的铸造缺陷钢材的铸造缺陷 冶金
8、缺陷冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等热加工、冷加工和热处理热加工、冷加工和热处理三种。三种。将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状,产生产生出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工 在常温下对钢材进行加工称为冷加工在常温下对钢材进行加工称为冷加工 通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，称为热处理构发生变化，称为热处理钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计一一.热加工热加工 开轧和锻压温度控制在开轧和锻压温度
9、控制在11501300 钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，压合钢坯中钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，压合钢坯中的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，钢材热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，钢材的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于优于厚板厚板和厚壁型钢和厚壁型钢 钢材强度按板厚分组钢材强度按板厚分组钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 钢中的硫化物和氧化物等非钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，经轧制之后被压成薄金属夹杂，经
10、轧制之后被压成薄片片 会出现分层现象。使钢板沿会出现分层现象。使钢板沿厚度方向受拉的性能恶化厚度方向受拉的性能恶化 钢材沿轧制方向（纵向）钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横的性能优于垂直轧制方向（横向）的性能，使各向异性增大向）的性能，使各向异性增大。钢板部件应沿其横向切取试件钢板部件应沿其横向切取试件进行拉伸和冷弯试验。进行拉伸和冷弯试验。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二.冷加工冷加工冷轧卷板和冷轧钢板冷轧卷板和冷轧钢板冷弯薄壁型钢和压型钢板冷弯薄壁型钢和压型钢板高强钢丝高强钢丝钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计三三.热
11、处理热处理 包括退火、正火、淬火和回火包括退火、正火、淬火和回火 退火和正火改善组织以提高钢的机械性能退火和正火改善组织以提高钢的机械性能 其操作方法为：在炉中钢材加热保温一段时间后，随炉其操作方法为：在炉中钢材加热保温一段时间后，随炉温冷却至温冷却至500以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全退以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全退火火 若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。正若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。正火的冷却速度比退火快，强度和硬度有所提高火的冷却速度比退火快，强度和硬度有所提高 低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件低温退火，主要用来消除铸件、热轧件
12、、锻件、焊接件和冷加工件中的残余应力和冷加工件中的残余应力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计淬火淬火工艺是将钢件加热到工艺是将钢件加热到900以上，保温后快速在以上，保温后快速在水中或油中冷却水中或油中冷却增加了钢材强度和硬度，使塑性和韧性降低增加了钢材强度和硬度，使塑性和韧性降低回火回火工艺将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，工艺将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，而后在空气中冷却而后在空气中冷却消除残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加消除残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加塑性和韧性，形成较稳定的组织。塑性和韧性，形成较稳定的组织。通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强
13、度较通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强度较高的钢材，如高的钢材，如Q420中的中的C、D、E级钢和高强度螺栓的钢级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处理。材都要经过调质处理。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢材有两种完全不同的破坏形式：钢材有两种完全不同的破坏形式：塑性破坏塑性破坏脆性破坏脆性破坏塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。破坏常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。后的断口呈纤维状，色泽发暗。脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变
14、形很小，或根本脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。光泽的晶粒状或有人字纹。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢材的多项性能指标通过单向拉伸试验获得钢材的多项性能指标通过单向拉伸试验获得给出相应钢材的单调拉伸应力应变曲线。由试验曲线给出相应钢材的单调拉伸应力应变曲线。由试验曲线看出，在看出，在比例极限比例极限p以前钢材的工作是弹性的；比例极限以以前钢材的工作是弹性的；比例极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点屈服点fy后，
15、塑性平台；出后，塑性平台；出现强化阶段，产生颈缩而破坏。现强化阶段，产生颈缩而破坏。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1）弹性阶段：）弹性阶段：2）弹塑性阶段：）弹塑性阶段：应力由应力由 0 比例极限比例极限fp应力由应力由 fp 屈服点屈服点 fypfyfuf3）塑性阶段：）塑性阶段：应力保持应力保持 fy 不变，应变由不变，应变由(0.10.2)%(23)%;4）强化阶段：）强化阶段：应力由应力由 fy 抗拉强度抗拉强度 fu设计以钢材的屈服点设计以钢材的屈服点 f y 作为静力强度承载力极限作为静力强度承载力极限钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计f y如果没有残余应力，比例如
16、果没有残余应力，比例极限与屈服应力合为一点，弹塑极限与屈服应力合为一点，弹塑性阶段消失，为简化计算，将应性阶段消失，为简化计算，将应力应变关系简化为如图力应变关系简化为如图弹弹应力应变关系应力应变关系1强度强度 设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度u是钢材破坏是钢材破坏前所承受最大应力，此时结构因塑性变形很大而失去使用性前所承受最大应力，此时结构因塑性变形很大而失去使用性能，能，uy值的大小，作为钢材强度储备的参数值的大小，作为钢材强度储备的参数钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率衡量钢材塑性变形能力的主要指标是
17、伸长率和断面收和断面收缩率缩率。原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。一般原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。一般以以l0d0=5为标准试件。伸长率为标准试件。伸长率5：式中：式中：l0试件原标距长度；试件原标距长度；d0试件标距长度内的直径；试件标距长度内的直径；l1 试件拉断后标距间的长度。试件拉断后标距间的长度。1050100%lll钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计断面的颈缩率：断面的颈缩率：010100%AAA式中：式中：A0试件标准断面的面积试件标准断面的面积 A1试件拉断后颈缩区的断面积试件拉断后颈缩区的断面积钢材单调拉伸应力应变曲线提供了三个重要的力学性钢材单调
18、拉伸应力应变曲线提供了三个重要的力学性能指标：抗拉强度能指标：抗拉强度fu、伸长率伸长率和屈服点和屈服点fy。抗拉强度抗拉强度fu是钢材一项重要强度指标，反映钢材受拉时是钢材一项重要强度指标，反映钢材受拉时能承受的极限应力能承受的极限应力伸长率伸长率是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标，其相应伸长率分别用标，其相应伸长率分别用5或或10表示表示屈服点屈服点fy是钢结构设计中应力允许达到的最大限值是钢结构设计中应力允许达到的最大限值钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 钢材的冷弯性能由冷弯试验确定钢材的冷弯性能由冷弯试验确定 试验时，根据钢材的牌
19、号和不同的板厚，按国家相关试验时，根据钢材的牌号和不同的板厚，按国家相关标准规定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲标准规定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲180180 以试件表面和侧面不出现以试件表面和侧面不出现裂纹和分层裂纹和分层为合格为合格 冷弯试验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力大冷弯试验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力大小，还能显示其内部的冶金缺陷小，还能显示其内部的冶金缺陷 判断判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计冷弯性能试验方法冷弯性能试验方法具有一定弯心直径具有一定弯心直径d的冲头的冲头对标准试
20、件中部施加荷载使之弯曲对标准试件中部施加荷载使之弯曲不出现裂纹或分层，判断钢材的冷弯性能不出现裂纹或分层，判断钢材的冷弯性能冷弯性能试验冷弯性能试验钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 单调拉伸试验比较不同钢材在正常情况下韧性好坏单调拉伸试验比较不同钢材在正常情况下韧性好坏 冲击韧性是评定带有缺口钢材冲击荷载作用下冲击韧性是评定带有缺口钢材冲击荷载作用下抵抗脆抵抗脆性破坏能力的指标，性破坏能力的指标，通常用带有夏比通常用带有夏比V V型缺口的标准试件型缺口的标准试件 冲击韧性值随温度的降低而降低冲击韧性值随温度的降低而降低 相当温度下的冲击韧性指标：相当温度下的冲击韧性指标：在寒冷地区承受
21、动力作用重要承重结构，应根据工作温在寒冷地区承受动力作用重要承重结构，应根据工作温度和所用钢材牌号，提出度和所用钢材牌号，提出相当温度下的冲击韧性指标相当温度下的冲击韧性指标要求要求 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂过程中吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击过程中吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击荷裁作用荷裁作用我国以前曾采用过梅氏试件我国以前曾采用过梅氏试件(U形缺口形缺口)作冲击韧性作冲击韧性试验。试验。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计多轴应力下，材料的综合强度指标要用变形
22、时单位体积多轴应力下，材料的综合强度指标要用变形时单位体积中积聚的能量来衡量中积聚的能量来衡量形状改变比能理论：形状改变比能理论：三向应力下，形状改变比能等于单向拉伸下积聚的比能时，三向应力下，形状改变比能等于单向拉伸下积聚的比能时，钢材由弹性转入塑性状态钢材由弹性转入塑性状态2221223311()()()2zsyf时，为塑性状态；时，为塑性状态；时，为弹性状态时，为弹性状态 yzsfyzsf钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计对塑性材料，同号应力状态易发生脆断，钢材在异号应对塑性材料，同号应力状态易发生脆断，钢材在异号应力状态时容易发生塑性破坏。力状态时容易发生塑性破坏。z正应力与剪应
23、力表示：正应力与剪应力表示：2222223 xyzxyyzzxxyyzzxyf钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计fy单轴拉伸单轴拉伸双轴异号受力双轴异号受力双轴同号受力双轴同号受力当当1、2、3为同号应为同号应力且数值接近时，力且数值接近时，即使它们各自都远大即使它们各自都远大于于fy，折算应力，折算应力zs仍小于仍小于fy说明钢材很难进入塑说明钢材很难进入塑性状态性状态破坏表现为脆性破坏表现为脆性 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计在实腹梁的腹板中：在实腹梁的腹板中：yzf223当纯剪时：当纯剪时：yzf23yyvyfff58.03 钢材的抗剪设计强度为：钢材的抗剪设计强度为：y
24、vff58.0平面应力状态下平面应力状态下yxyyxyxzf2223钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 碳碳 含碳量低，钢的强度不高但塑含碳量低，钢的强度不高但塑性大伸长率和冲击韧性高，钢性大伸长率和冲击韧性高，钢质柔软，易于冷加工、切削和焊质柔软，易于冷加工、切削和焊接接含碳量较高，钢的强度高，但塑含碳量较高，钢的强度高，但塑性小，硬度大，性脆，不易加工性小，硬度大，性脆，不易加工钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计锰锰元素元素(Mn)是一种弱脱氧剂是一种弱脱氧剂锰提高钢材的屈服强度和抗拉强度，改善钢材的冷脆倾锰提高钢材的屈服强度和抗拉强度，改善钢材的冷脆倾向，降低硫、氧对钢材的热
25、脆影响，改善钢材热加工性能，向，降低硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，不显著降低塑性和冲击韧性。不显著降低塑性和冲击韧性。普通碳素钢中，锰含量在普通碳素钢中，锰含量在0.30.8，低合金钢中，在，低合金钢中，在1.21.6之间，过多会使钢材变硬变脆降低钢材耐腐蚀和之间，过多会使钢材变硬变脆降低钢材耐腐蚀和可焊性。可焊性。硅硅元素元素(Si)是一种较强的脱氧剂。是一种较强的脱氧剂。适量的硅可提高钢材强度而对其塑性、冷弯性能、冲击适量的硅可提高钢材强度而对其塑性、冷弯性能、冲击性能、可焊性能无明显不良影响。性能、可焊性能无明显不良影响。在碳素钢中含量不超过在碳素钢中含量不超过0.3，低合
26、金钢中限制在，低合金钢中限制在0.6以以内。过高硅含量降低钢材的塑性、韧性、抗锈性和可焊性。内。过高硅含量降低钢材的塑性、韧性、抗锈性和可焊性。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 钒钒元素元素(V)是低合金钢中合金元素。可以细化钢材晶粒结是低合金钢中合金元素。可以细化钢材晶粒结构而提高钢材屈服强度和抗拉强度。钒的化合物稳定，使钢构而提高钢材屈服强度和抗拉强度。钒的化合物稳定，使钢的高温硬度提高，的高温硬度提高，15MnV钢是在钢是在16Mn钢基础上加入适量的钒钢基础上加入适量的钒(0.040.12)熔炼成强度较高低合金钢。熔炼成强度较高低合金钢。硫硫元素元素(S)是一种有害元素。硫与铁化
27、合成硫化铁是一种有害元素。硫与铁化合成硫化铁(FeS)散散布在纯铁体层间中，当温度在布在纯铁体层间中，当温度在8001200时熔化而使钢材出时熔化而使钢材出现热裂纹，且易脆断。称为热脆现象。使钢材焊接性能和热加现热裂纹，且易脆断。称为热脆现象。使钢材焊接性能和热加工性能变坏，降低钢材塑性和冲击韧性。工性能变坏，降低钢材塑性和冲击韧性。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 氧氧、氮氮是有害元素，容易从铁液中逸出，故含量甚少。是有害元素，容易从铁液中逸出，故含量甚少。氧的作用与硫类似，增大钢的热脆性。氧的作用与硫类似，增大钢的热脆性。氮的作用同磷类似，能显著降低钢材的塑性和冲击韧性，冷氮的作用
28、同磷类似，能显著降低钢材的塑性和冲击韧性，冷弯性能和焊接性能，特别是增大钢材的冷脆性弯性能和焊接性能，特别是增大钢材的冷脆性 磷磷元素元素(P)也是一种有害元素。也是一种有害元素。磷的存在可提高钢材的强度和抗锈蚀性，但严重降低钢磷的存在可提高钢材的强度和抗锈蚀性，但严重降低钢材的塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性。材的塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性。在低温下，钢材易产生低温脆断在低温下，钢材易产生低温脆断,称为冷脆现象。称为冷脆现象。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响 含碳量超过时，焊缝及热影响区容易变
29、脆含碳量超过时，焊缝及热影响区容易变脆 一般一般Q235A的含碳量较高，因此这一牌号通常不能用于的含碳量较高，因此这一牌号通常不能用于焊接构件。而焊接构件。而Q235B、C、D的含碳量控制在上述的适宜范围的含碳量控制在上述的适宜范围之内，适合焊接使用之内，适合焊接使用 在高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利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，影响，建筑钢结构焊接技术规程建筑钢结构焊接技术规程使用碳当量来衡量低合使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性，其的计算公式如下：金钢的可焊性，其的计算公式如下：1556CuNiVMoCrMnCCE钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设
30、计 其中其中C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu分别为分别为碳、分别为分别为碳、锰、铬、钼、钒、镍和铜的百分含量。锰、铬、钼、钒、镍和铜的百分含量。钢材焊接性能的优劣除了与钢材的碳当量有直接关系之钢材焊接性能的优劣除了与钢材的碳当量有直接关系之外，还与母材厚度、焊接方法、焊接工艺参数以及结构形式外，还与母材厚度、焊接方法、焊接工艺参数以及结构形式等条件有关。等条件有关。当当CE在在0.380.45范围内时，钢材呈现淬硬倾向，范围内时，钢材呈现淬硬倾向，施焊时需要控制焊接工艺、采用预热措施并使热影响区缓施焊时需要控制焊接工艺、采用预热措施并使热影响区缓慢冷却，以免发生淬硬开裂；慢冷却，以免发生淬
31、硬开裂；当当CE大于大于0.45时，钢材的淬硬倾向更加明显，需严格时，钢材的淬硬倾向更加明显，需严格控制焊接工艺和预热温度才能获得合格的焊缝。控制焊接工艺和预热温度才能获得合格的焊缝。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 钢材的硬化有三种情况：钢材的硬化有三种情况：时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化 在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏
32、制作用，从而使钢的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化时效硬化 在冷加工使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后在冷加工使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象称再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象称为为冷作硬化冷作硬化钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 应力应力应变曲线将沿图应变曲线将沿图中中EDHK进行，屈服点由进行，屈服点由D点点提高到提高到H点点塑性区和应变硬化区的范围塑性区和应变硬化区的范围缩小。这也是一个对钢
33、结构缩小。这也是一个对钢结构的不利因素。的不利因素。时效过程长时效过程长在塑性变形后对钢材加热到在塑性变形后对钢材加热到200300 C，使时效在几小，使时效在几小时内完成，称为人工时效。时内完成，称为人工时效。重要结构常需进行人工时效，然后再测定其冲击韧性，重要结构常需进行人工时效，然后再测定其冲击韧性，以保证钢材长期具有较好的韧性。以保证钢材长期具有较好的韧性。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计当截面有裂纹当截面有裂纹(内部的或表面内部的或表面的的)、孔洞、刻槽、凹角时以及截面、孔洞、刻槽、凹角时以及截面厚度或宽度突然改变时厚度或宽度突然改变时构件中应力分布变得不均匀。构件中应力分布
34、变得不均匀。在缺陷或截面变化处附近，应力线在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象曲折、密集、出现高峰应力的现象称为称为应力集中应力集中。当数值相等三向拉应力时，直当数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。到材料断裂也不屈服。三向拉应力状态容易脆性破坏三向拉应力状态容易脆性破坏钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 应力集中现象可能由内应力产生：应力集中现象可能由内应力产生：在浇注、轧制和焊接加工过程中，不同部位钢材冷却速度在浇注、轧制和焊接加工过程中，不同部位钢材冷却速度不同产生。不同产生。焊接残余应力：焊接残余应力：在焊缝附近残余拉应力常达到屈服点，在焊缝交叉处经
35、常在焊缝附近残余拉应力常达到屈服点，在焊缝交叉处经常出现双向、甚至三向残余拉应力场，使钢材局部变脆。出现双向、甚至三向残余拉应力场，使钢材局部变脆。当外力引起的应力与内应力处于不利组合时，会引发脆性当外力引起的应力与内应力处于不利组合时，会引发脆性破坏。破坏。因此，在进行钢结构设计时，应尽量使构件和连接节点的因此，在进行钢结构设计时，应尽量使构件和连接节点的形状和构造合理，防止截面的突然改变。形状和构造合理，防止截面的突然改变。钢结构焊接构造设计和施工时，尽量减少焊接残余应力。钢结构焊接构造设计和施工时，尽量减少焊接残余应力。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 荷载可分为静力的和动力的两
36、大类。荷载可分为静力的和动力的两大类。快速加载快速加载 动力荷载中的冲击荷载动力荷载中的冲击荷载 连续交变荷载，循环荷载连续交变荷载，循环荷载 吊车梁吊车梁 地震地震 在冲击荷载作用下，加载速度很高，由于钢材的塑性滑在冲击荷载作用下，加载速度很高，由于钢材的塑性滑移在加载瞬间跟不上应变速率，反映出屈服点提高的倾向移在加载瞬间跟不上应变速率，反映出屈服点提高的倾向 试验研究表明，在室温环境下，虽然钢材的屈服点和抗试验研究表明，在室温环境下，虽然钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率增加而提高，塑性变形能力却没有下降，拉强度随应变速率增加而提高，塑性变形能力却没有下降，反而提高反而提高钢结构基本原理及设
37、计钢结构基本原理及设计 钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂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，纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现象称为疲劳这种现象称为疲劳 疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳两类疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳两类 当钢材承受拉力至产生塑性变形，卸载后，再使其受拉，当钢材承受拉力至产生塑性变形，卸载后，再使其受拉，其受拉的屈服强度将提高至卸载点（冷作硬化现象）；而当其受拉的屈服强度将提高至卸载点（冷作硬化现象）；而当卸载后使其受压，其受压的屈服强度将低于一次受压时所获卸载后使其受压，其受压的屈服强度将低于一次受压时所获得的值。
38、这种经预拉后抗拉强度提高，抗压强度降低的现象得的值。这种经预拉后抗拉强度提高，抗压强度降低的现象称为包辛格效应称为包辛格效应 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计在在150以内，钢材的强度、弹性模量和塑性均与常温以内，钢材的强度、弹性模量和塑性均与常温相近。相近。在在250左右，抗拉强度有局部性提高，伸长率和断面左右，抗拉强度有局部性提高，伸长率和断面收缩率均降至最低，出现蓝脆现象（钢材表面氧化膜呈蓝收缩率均降至最低，出现蓝脆现象（钢材表面氧化膜呈蓝色）。显然钢材的热加工应避开这一温度区段。色）。显然钢材的热加工应避开这一温度区段。在在300以后，强度和弹性模量均开始显著下降，塑性以后，强
39、度和弹性模量均开始显著下降，塑性显著上升。显著上升。达到达到600时，强度几乎为零，塑性急剧上升，钢材处时，强度几乎为零，塑性急剧上升，钢材处于热塑性状态。于热塑性状态。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 当温度低于常温时，随着温度的降低，钢材的强度提高，当温度低于常温时，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，称为钢材的而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆低温冷脆。在直接承受动力作用的钢结构设计中，为了防止脆性破在直接承受动力作用的钢结构设计中，为了防止脆性破坏，冲击试验并进行统计分析才能得到。坏，冲击试验并进行统计分析才能得到。我国有关标准对不同牌号和等
40、级的钢材，规定了在不同我国有关标准对不同牌号和等级的钢材，规定了在不同温度下的冲击韧性指标温度下的冲击韧性指标 对对Q235钢，除钢，除A级不要求外，其它各级钢均取级不要求外，其它各级钢均取CV=27J 对低合金高强度钢，除对低合金高强度钢，除A级不要求外，级不要求外，E级钢采用级钢采用CV=27J钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计影响因素：钢材的化学成分、组织构造和缺陷等；构造影响因素：钢材的化学成分、组织构造和缺陷等；构造缺陷和焊接加工引起的应力集中、低温影响、动荷作用、冷缺陷和焊接加工引起的应力集中、低温影响、动荷作用、冷作硬化和应变时效硬化等。作硬化和应变时效硬化等。防止脆性破坏
41、的发生：防止脆性破坏的发生：(1)合理设计。合理设计。(2)正确制造。正确制造。(3)合理使用。合理使用。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 钢材料在循环荷载作用下，当循环数达到某一定值时，钢材料在循环荷载作用下，当循环数达到某一定值时，钢材发生破坏的现象叫做钢材的疲劳；疲劳属于脆性破坏。钢材发生破坏的现象叫做钢材的疲劳；疲劳属于脆性破坏。内部缺陷内部缺陷-应力集中应力集中-产生微裂纹产生微裂纹-微裂纹在循环微裂纹在循环荷载下扩展荷载下扩展-截面削弱截面削弱-宏观裂纹失稳扩展宏观裂纹失稳扩展-断裂断裂引起疲劳破坏的交变荷载有两种类型引起疲劳破坏的交变荷载有两种类型常幅交变荷载常幅交变荷载
42、 常幅疲劳常幅疲劳 变幅交变荷载变幅交变荷载 变幅疲劳变幅疲劳转动的机械零件转动的机械零件 常幅疲劳破坏，常幅疲劳破坏，吊车桥、钢桥吊车桥、钢桥 变幅疲劳破坏。变幅疲劳破坏。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1)低周疲劳低周疲劳 高周疲劳高周疲劳2)特征特征 a 突然性突然性 b 疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，三个区域：疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。扩展区表面较光滑，裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。扩展区表面较光滑，可见放射和年轮状花纹，是疲劳断裂的主要断口特可见放射和年轮状花纹，是疲劳断裂的主要断口特征。征。c 疲劳对缺陷敏感。疲劳对缺陷敏感。
43、缺口缺口 裂纹裂纹 组织缺陷组织缺陷钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计t同号应力循环,0t异号应力循环,0maxminmaxmin2minmaxm平均应力：平均应力：应力比：应力比：maxmin应力辐：应力辐：minmax循环应力和变幅应力循环应力和变幅应力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1）有无缺陷、缺陷的尺寸，有无残余应力。）有无缺陷、缺陷的尺寸，有无残余应力。2）应力水平）应力水平fSmax3）应力辐）应力辐minmax4）应力比）应力比maxmin疲劳强度最小时,1C 对弹性材料，这一因对弹性材料，这一因素影响不象对弹塑性材料素影响不象对弹塑性材料那样大。那样大。时，称常
44、幅循环时，称常幅循环钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计一一.非焊接结构的疲劳非焊接结构的疲劳疲劳强度疲劳强度 与主体金属与主体金属 连接类型有关连接类型有关 与循环应力的应力比与循环应力的应力比 循环次数循环次数n有关。有关。n2106次，次，TJ17-74曾根据试验得到的简化疲劳曲线，曾根据试验得到的简化疲劳曲线，验算以拉应力为主的疲劳计算公式如下：验算以拉应力为主的疲劳计算公式如下：maxminkpp10pmax钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计kpp10验算部位最大拉应力；验算部位最大拉应力；以拉应力为主的疲劳容许强度；以拉应力为主的疲劳容许强度；=0时的疲劳容许强度，试验定
45、；时的疲劳容许强度，试验定；构造形式有关的系数，试验定。构造形式有关的系数，试验定。maxpp0以应力为准则的疲劳验算方法不适用于焊接结构以应力为准则的疲劳验算方法不适用于焊接结构 kpmax钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 焊接结构疲劳寿命主要的因素焊接结构疲劳寿命主要的因素 构件和连接的构造类型构件和连接的构造类型和应力幅，而与应力比无关和应力幅，而与应力比无关 焊接残余应力的影响焊接残余应力的影响fyfymaxmin=max-minfy-t+-(a)(b)(c)焊缝附近的真是循环应力焊缝附近的真是循环应力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 当名义循环应力为拉时，焊缝附近的残
46、余拉应力已当名义循环应力为拉时，焊缝附近的残余拉应力已达屈服点不再增加，实际拉应力保持达屈服点不再增加，实际拉应力保持fy不变；当名义循环不变；当名义循环应力减小到最小时，焊缝附近的实际应力将降至应力减小到最小时，焊缝附近的实际应力将降至 显然，焊缝附近的真实应力比为显然，焊缝附近的真实应力比为 只要应力幅为常数，不管循环荷载下的名义应力比为只要应力幅为常数，不管循环荷载下的名义应力比为何值，焊缝附近的真实应力比也为常数。焊缝部位的疲劳何值，焊缝附近的真实应力比也为常数。焊缝部位的疲劳寿命主要与寿命主要与 有关。有关。)(minmaxyyffyyff钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计nn
47、11lglgnlgnLglgC1(a)(b)2snCnClglglglglg1Cn应力幅与循环寿命的关系应力幅与循环寿命的关系钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计可求得容许应力幅的表达式可求得容许应力幅的表达式C、均为不同构件和连接类别的试验参数。均为不同构件和连接类别的试验参数。1nC循环次数循环次数n应应力力幅幅1234疲劳极限疲劳极限新规范给出的疲劳曲线新规范给出的疲劳曲线(n)图图钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1.对不同的构件和连接类型对不同的构件和连接类型 归纳划分为归纳划分为8类类 2.对于非焊接结构，对于非焊接结构，使用螺栓连接和构件，残余拉应力很小，疲劳寿命不使用
48、螺栓连接和构件，残余拉应力很小，疲劳寿命不仅与应力幅仅与应力幅有关，也与名义应力比有关，也与名义应力比有关有关 3.折算应力幅折算应力幅0minmaxpkminmax7.0采用荷载的标准值采用荷载的标准值容许应力设计法容许应力设计法内力计算中不乘动力系数内力计算中不乘动力系数 试验包括动力作用试验包括动力作用 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 根据线性累积损伤准则根据线性累积损伤准则 等效应力幅等效应力幅e，计算公式为：，计算公式为：各应力幅各应力幅i对应循环次数为对应循环次数为ni，相对的疲劳寿命为，相对的疲劳寿命为Ni，线性累积损伤准则为：线性累积损伤准则为：应力幅应力幅i循环一次
49、时，将引起循环一次时，将引起1/Ni的损伤，的损伤，ni次循环的损次循环的损伤为伤为ni/Ni；其它应力幅水平的常幅循环应力也有各自的损伤状；其它应力幅水平的常幅循环应力也有各自的损伤状况，当这些损伤份额之和等于况，当这些损伤份额之和等于1时，将发生疲劳破坏。时，将发生疲劳破坏。或或e1iiNnCNii)()(iiCN钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计lglgn123en1n2n3N1N2N3ni1变幅疲劳的疲劳曲线变幅疲劳的疲劳曲线钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计等效常幅疲劳应力幅等效常幅疲劳应力幅e，循环，循环 次后：次后：或或 将上述代入下式将上述代入下式 inCnei)(
50、)(eiCn12211nniiiiNnNnNnNnNn有有 得得 则则 以应力循环次数表示的结构预期寿命；以应力循环次数表示的结构预期寿命；ni应力幅水平为应力幅水平为i的应力循环次数。的应力循环次数。1)()()()(2211CnCnCnCniinn)()(eiiinCn1)(iiiennin钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 6102f欠载效应的等效系数欠载效应的等效系数 1 变幅疲劳工作环境变幅疲劳工作环境2 获得一些有代表性的车间的重级工作制获得一些有代表性的车间的重级工作制 中级工作制吊车桁架的设计应力谱。中级工作制吊车桁架的设计应力谱。3 按按2106循环次数循环次数4 最大
