建筑钢材性能.pptx
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1、钟钟 声声ZHONG,SHENG四川大学建筑与环境学院四川大学建筑与环境学院College of Architecture and Environment,SCU第11章 建筑钢材的性能结构设计原理本章主要内容本章主要内容 第一节第一节 建筑结构钢的品种和规格建筑结构钢的品种和规格 第二节第二节 建筑钢材的主要性能建筑钢材的主要性能 第三节第三节 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素 第四节第四节 钢结构选材的要求钢结构选材的要求 第五节第五节 钢材及其连接的强度取值钢材及其连接的强度取值 第六节第六节 钢材的本构模型钢材的本构模型 第七节第七节 钢材的疲劳(书中第四节,自学)钢材的疲
2、劳(书中第四节,自学)第11章 建筑钢材的性能本章教学要求本章教学要求1.了解材料力学性能指标;了解材料力学性能指标;2.了解钢材分类和钢材品种;了解钢材分类和钢材品种;3.熟悉钢材应力熟悉钢材应力-应变曲线;应变曲线;4.了解影响钢材性能的因素;了解影响钢材性能的因素;5.掌握钢材强度设计值确定方法;掌握钢材强度设计值确定方法;6.熟悉钢材的选用原则;熟悉钢材的选用原则;7.熟悉钢材的本构模型。熟悉钢材的本构模型。第11章 建筑钢材的性能11.1 建筑结构钢的品种和规格建筑结构钢的品种和规格11.1.1 钢材的种类和牌号钢材的种类和牌号11.1.2 钢材的品种和规格钢材的品种和规格第11章
3、建筑钢材的性能11.1.1 钢材的种类和牌号钢材的种类和牌号u 钢材的种类钢材的种类11.1 建筑结构钢的品种和规格锰系钢锰系钢硅锰系钢硅锰系钢 钢材钢材碳素钢碳素钢低合金钢低合金钢低碳钢低碳钢含碳量含碳量0.25%中碳钢中碳钢含碳量含碳量0.25%0.6%高碳钢高碳钢含碳量含碳量0.6%1.4%硅钒系钢硅钒系钢硅钛系钢硅钛系钢硅铬系钢硅铬系钢u 钢材的牌号钢材的牌号R铸造碳钢铸造碳钢铸钢代号铸钢代号ZG、屈服点、屈服点fy-抗拉强度抗拉强度fu,例,例ZG200-400R钢筋中的低合金钢钢筋中的低合金钢平均含碳量万分数、主要合金元素符号、平均含碳量万分数、主要合金元素符号、合金含量百分数合金
4、含量百分数。其中合金元素含量。其中合金元素含量1.5%时不标注,时不标注,1.5%时标注时标注2,2.5%时标注时标注3,此类推。例如,此类推。例如16Mn、20MnSi、40Si2MnVR螺栓用钢螺栓用钢:用碳钢或低合金钢制造。:用碳钢或低合金钢制造。抗拉强度抗拉强度.屈强比屈强比抗拉抗拉强度以强度以t/cm2为单位。螺栓有为单位。螺栓有4.6级、级、4.8级、级、8.8级和级和10.9级四个级四个级别。级别。11.1 建筑结构钢的品种和规格R碳素结构钢牌号碳素结构钢牌号代表屈服点字母代表屈服点字母Q、屈服应力标准值、屈服应力标准值、-质量质量等级、脱氧方法等级、脱氧方法,例如,例如Q235
5、-AF、Q255-C。碳素结构钢共分。碳素结构钢共分Q195、Q215、Q235、Q255和和Q275五个牌号,钢结构中通常仅五个牌号,钢结构中通常仅使用使用Q235。质量等级质量等级A、B、C、D 脱氧方法脱氧方法F、b、Z、TZR低合金高强度钢牌号低合金高强度钢牌号代表屈服点字母代表屈服点字母Q、屈服应力标准值、屈服应力标准值、-质量等级质量等级例如例如Q295B、Q420E。低合金高强度结构钢共分。低合金高强度结构钢共分Q295、Q345、Q390、Q420和和Q460五个牌号,其中五个牌号,其中Q345钢、钢、Q390钢和钢和Q420钢为钢结构的选用钢材。钢为钢结构的选用钢材。质量等级
6、质量等级A、B、C、D、E11.1 建筑结构钢的品种和规格11.1.2 钢材的品种和规格钢材的品种和规格u 热轧钢板热轧钢板11.1 建筑结构钢的品种和规格u 热轧钢板热轧钢板11.1 建筑结构钢的品种和规格钢板用符号钢板用符号“-”后加后加“厚厚宽宽长长(单位为(单位为mm)”的方法表示,如:的方法表示,如:-128002100。h=0.354mm,b=5001500mm,l=0.54m薄钢板是冷弯薄壁型钢的原料薄钢板是冷弯薄壁型钢的原料h=4.560mm,b=6003000mm,l=412m广泛用来组成焊接构件和连接钢板。广泛用来组成焊接构件和连接钢板。h=460mm,b=12200mm,
7、l=39m厚钢板厚钢板h=2.58mm,b=6001800mm,l=0.612m薄钢板薄钢板扁钢板扁钢板花纹钢板花纹钢板热热轧轧钢钢板板u 热轧型钢热轧型钢11.1 建筑结构钢的品种和规格等边角钢不等边角钢钢管T型钢槽钢工字钢H型钢u 热轧型钢热轧型钢 角钢角钢等边角钢等边角钢:L肢宽肢宽肢厚,肢厚,如如 L100 x 10为肢宽为肢宽 100 mm、厚、厚 10mm 的等边角钢;的等边角钢;不等边角钢不等边角钢:L长肢宽长肢宽短肢宽短肢宽肢厚,肢厚,如如 L100 x 80 x 10 等。等。11.1 建筑结构钢的品种和规格u 热轧型钢热轧型钢 槽钢槽钢槽钢槽钢:普通槽钢普通槽钢 “”和号数
8、;和号数;轻型槽钢轻型槽钢 “Q”和号数,由于轻型槽钢腹板薄及翼缘和号数,由于轻型槽钢腹板薄及翼缘宽而薄,因而截面积小但回转半径大,能节约钢材减少宽而薄,因而截面积小但回转半径大,能节约钢材减少自重,不过轻型系列的实际产品较少。自重,不过轻型系列的实际产品较少。14、25号以上的槽钢,按腹板厚度,同一号数又分号以上的槽钢,按腹板厚度,同一号数又分a、b、c三类;三类;例如:例如:普通槽钢普通槽钢的表示法如的表示法如 32a,指槽钢外廓高度为,指槽钢外廓高度为 32cm 且腹板厚度为最薄的一种;且腹板厚度为最薄的一种;轻型槽钢轻型槽钢的表示法例如的表示法例如Q 25,表示外廓高度为,表示外廓高度
9、为25cm,Q 是汉语拼音是汉语拼音“轻轻”的拼音字首。的拼音字首。11.1 建筑结构钢的品种和规格u 热轧型钢热轧型钢 工字钢工字钢工字钢工字钢:普通工字钢普通工字钢 “I”和号数(代表截面高度厘米数);和号数(代表截面高度厘米数);轻型工字钢轻型工字钢 “QI”和号数(代表截面高度厘米数)。和号数(代表截面高度厘米数)。20、32号以上的工字钢,按腹板厚度同一号数又分号以上的工字钢,按腹板厚度同一号数又分a、b、c三类。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。三类。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。两种工字钢表示法如:两种工字钢表示法如:I32c,I32Q 等。等。11.1 建筑结构钢的品种
10、和规格u 热轧型钢热轧型钢 H型钢和型钢和T型钢型钢H型钢型钢:热轧:热轧 H 型钢分为三类:型钢分为三类:宽翼缘宽翼缘 H 型钢(型钢(HW)、)、中翼中翼缘缘 H 型钢(型钢(HM)和)和窄翼缘窄翼缘 H 型钢(型钢(HN)。)。H 型钢型钢型号的型号的表示方法表示方法是先用符号是先用符号 HW、HM 和和 HN 表示表示 H 型钢的类别,后面加型钢的类别,后面加“高度(毫米)高度(毫米)x 宽度(毫米)宽度(毫米)”,例如例如HW300 x300,即为截面高度为,即为截面高度为 300mm,翼缘宽,翼缘宽度为度为 300mm 的宽翼缘的宽翼缘 H 型钢。型钢。T型钢型钢:剖分剖分 T 型
11、钢型钢也分为三类,即:也分为三类,即:宽翼缘宽翼缘剖分剖分 T 型钢(型钢(TW)、)、中翼缘中翼缘剖分剖分 T 型钢型钢(TM)和)和窄翼缘窄翼缘剖分剖分 T 型钢型钢(TN)。剖分)。剖分 T 型钢是由对应的型钢是由对应的 H 型钢沿腹板中部对等型钢沿腹板中部对等剖分而成。其表示方法与剖分而成。其表示方法与 H 型钢类同。型钢类同。11.1 建筑结构钢的品种和规格u 热轧型钢热轧型钢 钢管钢管无缝钢管和焊接钢管无缝钢管和焊接钢管:“”外径外径壁厚;壁厚;方钢管和圆钢管。方钢管和圆钢管。11.1 建筑结构钢的品种和规格u 冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢:由:由1.56mm的
12、薄钢板的薄钢板经冷弯或模压经冷弯或模压而成型的高效经济的而成型的高效经济的截面;截面;缺点缺点是因为壁薄,对锈蚀影响较为敏感,故多用于跨度小,荷载是因为壁薄,对锈蚀影响较为敏感,故多用于跨度小,荷载轻的轻型钢结构中。轻的轻型钢结构中。11.1 建筑结构钢的品种和规格(a)-(h)按截面形式依次为:角钢、内卷边角钢、槽钢、内卷边槽钢、按截面形式依次为:角钢、内卷边角钢、槽钢、内卷边槽钢、Z形钢形钢卷边卷边Z形钢、帽形钢、专用型钢形钢、帽形钢、专用型钢u 冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢压型钢板压型钢板:所用钢板厚度为:所用钢板厚度为0.42mm。其优缺点同冷弯薄壁型钢,主要。其优缺点同冷弯薄壁型钢,主要
13、用于围护结构、屋面、楼板等。用于围护结构、屋面、楼板等。11.1 建筑结构钢的品种和规格压型钢板常用波形图压型钢板常用波形图a.V形;形;b.肋形;肋形;c.加劲型;加劲型;d.双曲线形双曲线形e.燕尾槽形;燕尾槽形;f.双向加劲型双向加劲型11.2 建筑钢材的主要性能建筑钢材的主要性能 11.2.1 钢材的静态力学性能钢材的静态力学性能11.2.2 钢材的冷弯性能和冲击韧性钢材的冷弯性能和冲击韧性11.2.3 钢材的可焊性钢材的可焊性11.2.4 影响钢材的主要因素影响钢材的主要因素第11章 建筑钢材的性能按其变形能力来分按其变形能力来分塑性材料塑性材料(破坏时有较大的塑性变形):钢材;(破
14、坏时有较大的塑性变形):钢材;脆性材料脆性材料(破坏前无明显的塑性变形):混凝土、砖、砌块等。(破坏前无明显的塑性变形):混凝土、砖、砌块等。材料性能分类材料性能分类第11章 建筑钢材的性能物物理理性性能能力力学学性性能能可可结结合合性性11.2.1 钢材的静态力学性能钢材的静态力学性能1.单向拉伸力学性能单向拉伸力学性能u 强度指标强度指标标准试件标准试件:按照一定的要求,对表面进行车削加工后的试件。11.2 建筑钢材的力学性能l0 A0d0l头部头部工作段u 强度指标强度指标11.2.1 钢材的静态力学性能OB弹性阶段弹性阶段BC屈服阶段屈服阶段CD强化阶段强化阶段DE颈缩阶段颈缩阶段0A
15、0BC0DEFC上上上屈服点上屈服点C下下下屈服点下屈服点以以下屈服点的应力下屈服点的应力作作为钢材的屈服强度。为钢材的屈服强度。钢材拉伸过程的钢材拉伸过程的 -图图0A0.2%ab塑性材料一般受拉、受压性质相似;脆性材料抗压强度高于抗拉强度。u 强度指标强度指标11.2.1 钢材的静态力学性能钢材拉伸过程的钢材拉伸过程的 -图图 比例极限 :应力、应变之间满足线性关系的最大应力;屈服强度 :一般用下屈服点作为材料的屈服强度;抗拉强度 :试件、试样能承受的最大名义应力;承压强度 :构件之间通过接触面传递压力称为承压,承压面所能承担的最大压应力。0A0BC0DEFC上上上屈服点上屈服点C下下下屈
16、服点下屈服点塑性材料 ;脆性材料屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性,其意义是:屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性,其意义是:作为结构计算中材料强度标准,或材料抗力标准。作为结构计算中材料强度标准,或材料抗力标准。应力达到应力达到 p时的应变与时的应变与 s时的应变较接近,可以认为应力达到时的应变较接近,可以认为应力达到 s时为弹时为弹性变形的终点。同时,达到性变形的终点。同时,达到 s 后在一个较大的应变范围内应后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加,表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力不会继续增加,表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力,故此以力,故此以 s作为弹性计算时强度的标准。作为
17、弹性计算时强度的标准。形成理想弹塑性体的模型,为发展钢结构计算理论提供基础。形成理想弹塑性体的模型,为发展钢结构计算理论提供基础。s之前,钢材近于理想弹性体,之前,钢材近于理想弹性体,s之后,塑性应变范围很大之后,塑性应变范围很大而应力保持不增长,所以接近理想塑性体。因此,可以用两而应力保持不增长,所以接近理想塑性体。因此,可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的应力根直线的图形作为理想弹塑性体的应力-应变模型。钢结构设应变模型。钢结构设计规范对塑性设计的规定,就以材料是理想弹塑性体的假设计规范对塑性设计的规定,就以材料是理想弹塑性体的假设为依据,忽略了应变硬化的有利作用。为依据,忽略了应变硬化
18、的有利作用。11.2.1 钢材的静态力学性能1.单向拉伸力学性能单向拉伸力学性能u 塑性指标塑性指标标准试件标准试件:取圆形试件直径d的5倍或10倍为标定长度l0,其相应的伸长率用5和10表示,伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。结构制造时,这种能力使材料经受剪切、冲压、弯曲及锤击产生的局部屈服而无明显损坏。11.2 建筑钢材的力学性能l0 A0d0l头部头部工作段若为矩形截面则:若为矩形截面则:1.单向拉伸力学性能单向拉伸力学性能u 塑性指标塑性指标伸长率伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。屈服点屈服点、抗拉强度抗拉强度和和伸长
19、率伸长率,是钢材的三个重要力学性能指标。,是钢材的三个重要力学性能指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。能指标的要求。11.2.1 钢材的静态力学性能延伸率延伸率截面收缩率截面收缩率为为塑性材料塑性材料;否则,为;否则,为脆性材料脆性材料。2.复杂应力条件下钢材的屈服条件复杂应力条件下钢材的屈服条件u 三向应力状态下的屈服条件三向应力状态下的屈服条件钢材的破坏或失效可采用米塞斯(钢材的破坏或失效可采用米塞斯(Mises)屈服准则来判断,等效应力)屈服准则来判断,等效应力(或折算应力)的计算公式为:(或
20、折算应力)的计算公式为:或用主应力表示或用主应力表示11.2 建筑钢材的力学性能u 二向应力状态下的屈服条件二向应力状态下的屈服条件钢材的破坏或失效可采用钢材的破坏或失效可采用米塞斯米塞斯(Mises)屈服准则来判断,等效应力)屈服准则来判断,等效应力(或折算应力)的计算公式为:(或折算应力)的计算公式为:对于一般的受弯梁:对于一般的受弯梁:对于纯剪应力状态:对于纯剪应力状态:11.2 建筑钢材的力学性能11.2.2 钢材的冷弯性能和冲击韧性钢材的冷弯性能和冲击韧性1.冷弯性能冷弯性能:指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。冷弯试验的指标冷弯试验的指标:弯心直径d与试件厚度(直径)a的比值d/a;
21、弯曲角度(90或180);试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格。冷弯试验的意义冷弯试验的意义:通过冷弯试验,不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能,还能有助于暴露钢材的某些内在缺陷,它能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。11.2 建筑钢材的力学性能2.冲击韧性冲击韧性u 定义及指标定义及指标11.2.2 钢材的冷弯性能和冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。其大小用冲击韧性值k表示。k 越大,则冲击韧性越好。k是以试件冲击破坏时缺口处单位面积上所消耗的功(J/cm2)。冲击试验机冲击试验机了解性内容了解性内容:韧性是与抵抗冲击作用有关的性能,是钢材断裂时吸收机械
22、能能力的量度,吸收较多能量才断裂的钢材,是韧性好的钢材。钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量,用单位体积吸收的能量来表示,其值等于应力-应变曲线下的面积。塑性好的钢材,其应力-应变曲线下的面积大,所以韧性值大。然而,实际工作中,不用上述方法来衡量钢材的韧性,而用冲击韧性衡量钢材抗脆断的性能,因为实际结构中脆性断裂并不发生在单向受拉的地方,而总是发生在有缺口高峰应力的地方,在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。11.2.2 钢材的冷弯性能和冲击韧性u 影响因素影响因素硫、磷含量高,存在化学偏析,含非金属夹杂物,焊接形成硫、磷含量高,存在化学偏析,含非金属夹杂物,焊接形成裂纹,温度降低
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