大学本科钢结构设计原理课件-第2章钢结构材料2.pptx

一、概念一、概念1 1、循环荷载循环荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载。结构或构件承受的随时间变化的荷载。PP11A1-1A2.6 钢材的疲劳（1）应力循环（2）应力循环特征应力比应力比-构件截面应力构件截面应力随时间的变化。随时间的变化。（3）应力幅 在在循循环环荷荷载载作作用用下下，应应力力从从最最大大到到最最小小重重复复一一次次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅:为常量为常量常幅循环：常幅循环：为变量为变量变幅循环变幅循环：+-t t(b)(b)脉冲循环脉冲循环(a)(a)完全对称循环完全对称循环(c)(c)不完全对称循环不完全对称循环(d)(d)不完全对称循环不完全对称循环2.2.钢材的疲劳钢材的疲劳 在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。3.3.疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理 疲劳破坏是积累损伤的结果。疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷缺陷微观裂纹微观裂纹宏观裂纹。宏观裂纹。4.4.疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。5.5.影响钢材疲劳的主要因素影响钢材疲劳的主要因素（1 1）构件和连接的分类）构件和连接的分类 规范将构件和连接的种类分为规范将构件和连接的种类分为 8类类，第第1类类为轧为轧制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；第第8类类为角为角焊缝应力集中最严重疲劳强度最低。焊缝应力集中最严重疲劳强度最低。详见钢结构设详见钢结构设计规范计规范“疲劳计算的构件和连接分类（附录疲劳计算的构件和连接分类（附录E）”。当名义循环应力当名义循环应力为拉应力，焊缝为拉应力，焊缝附近的应力为屈附近的应力为屈服强度。服强度。（2 2）应力幅（应力幅（）和应力循环特征（应力比）和应力循环特征（应力比）A.对于焊接结构：对于焊接结构：应力幅应力幅对焊接结构的疲劳强度有对焊接结构的疲劳强度有很大影很大影响响，而与名义最大应力而与名义最大应力maxmax和应力比和应力比无无关。关。B.对于非焊接结构和轧制钢材对于非焊接结构和轧制钢材 在循环次数在循环次数N N一定的情况下，根据试验资料可以一定的情况下，根据试验资料可以绘出绘出N N次循环的次循环的疲劳图疲劳图(maxmax和和minmin关系曲线关系曲线)。当当=0=0和和=-1=-1时的疲劳强度分别为时的疲劳强度分别为0 0 和和-1-1，连接连接BCBC并延长至并延长至A A、D D。非焊接结构的疲劳图非焊接结构的疲劳图DA 由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应（构造类型的应力集中情况）有关。（构造类型的应力集中情况）有关。ABCDABCD直线方程为直线方程为：DA非焊接结构的疲劳图非焊接结构的疲劳图（3 3）应力循环次数）应力循环次数N（疲劳寿命）（疲劳寿命）应力循环次数应力循环次数N5105104 4，不需要进行疲劳计算。，不需要进行疲劳计算。应力幅越低，作用循环次数越多，应力幅越低，作用循环次数越多，疲劳寿命越高；疲劳寿命越高；应力幅相同，作用的循环次数越应力幅相同，作用的循环次数越多，疲劳寿命越高。多，疲劳寿命越高。0NX105N1N2f fy123456 由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度主要与构件和连接分类（内部缺陷、应力集中、残余主要与构件和连接分类（内部缺陷、应力集中、残余应力）、应力循环次数和应力幅有关。应力）、应力循环次数和应力幅有关。焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度(屈服点屈服点fy)基本无关。基本无关。对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部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，不必进行疲劳缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。计算。二、疲劳强度计算（一）常幅疲劳 根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅与相应的致损循环次数与相应的致损循环次数N的关系曲线，按试验数据回的关系曲线，按试验数据回归的归的-N-N曲线为平均曲线曲线为平均曲线(图图a)a)，取对数坐标，取对数坐标(图图b)b)。1.1.容许应力幅容许应力幅 由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研究阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟，故究阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟，故采用容许应力幅的计算方法。采用容许应力幅的计算方法。-N-N曲线曲线(a)0N式中：式中：-直线对纵坐标的斜率；直线对纵坐标的斜率；b b1 1-直线在横轴坐标上的截距；直线在横轴坐标上的截距；N-循环次数。循环次数。(b)0N=5104N=5X106.b b1 1 考虑试验数据的离散性，取平均值减去考虑试验数据的离散性，取平均值减去2 2倍倍lgNlgN的的标准差标准差 s s 作为疲劳强度下限，当作为疲劳强度下限，当lglg为正态分布为正态分布时，保证率为时，保证率为97.7%97.7%。下限值的直线方程为：下限值的直线方程为：此时的此时的即为容许应力幅：即为容许应力幅：式中：式中：系数系数、c-c-根据钢结构根据钢结构设计规范设计规范“疲劳计算的构件和疲劳计算的构件和连接分类连接分类”查表得到。查表得到。2S2S 2S2S(b)0N=5104N=5X106.b b1 12.2.疲劳强度计算疲劳强度计算式中：式中：-计算部位的应力幅；计算部位的应力幅；对于焊接部位对于焊接部位:=maxmax-minmin；对于其他部位：对于其他部位：=maxmax-0.7-0.7minmin(折算应力幅）。折算应力幅）。maxmax、minmin-计算部位每次应力循环中的最大拉应力和计算部位每次应力循环中的最大拉应力和 最小拉应力或压应力（取负值）。最小拉应力或压应力（取负值）。说明：说明：1 1）计算时用荷载的标准值；）计算时用荷载的标准值；2 2）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算 时不再考虑动力系数；时不再考虑动力系数；（二）变幅疲劳和吊车欠载效应系数（二）变幅疲劳和吊车欠载效应系数maxmin0t欠载效应系数欠载效应系数。重级工作制硬钩吊车。重级工作制硬钩吊车1.01.0；重；重级工作制软钩吊车级工作制软钩吊车0.80.8；中级工作制吊车；中级工作制吊车0.50.5。-循环次数循环次数 N=2X10N=2X106 6 的容许应力幅。的容许应力幅。式中：式中：对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度：对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度：1 1、不出现拉应力的部位可不计算疲劳。但对出现拉、不出现拉应力的部位可不计算疲劳。但对出现拉应力的部位，例如应力的部位，例如maxmax=140N/mm=140N/mm2 2,minmin=-10N/mm=-10N/mm2 2和和maxmax=10N/mm=10N/mm2 2,minmin=-140N/mm=-140N/mm2 2 两种应力循环的应力两种应力循环的应力幅都是幅都是150N/mm150N/mm2 2 ，疲劳强度相同，显然不合理。，疲劳强度相同，显然不合理。2 2、螺螺栓栓受受拉拉时时螺螺纹纹处处的的应应力力集集中中很很大大，疲疲劳劳强强度度很很低低，常常有有疲疲劳劳破破坏坏的的实实例例，但但规规范范没没有有规规定定，应应予予补充。补充。思考思考:一、钢的种类一、钢的种类 1 1、碳素结构钢（、碳素结构钢（GB/T 700-88GB/T 700-88）-低碳钢牌号低碳钢牌号 Q235-Q235-质量等级（质量等级（A A、B B、C C、D D）浇注方法（浇注方法（F F、Z Z、TzTz）A-A-保证保证f fu u、f fy y、，P P、S S含量含量 B-B-保证保证f fu u,f,fy y,冷弯，常温时冷弯，常温时C Cv v，P P，S S，C C含量；含量；C-C-保证保证 f fu u,f,fy y,冷弯冷弯,0,0o oC C时时C Cv v，P P，S S，C C含量含量;D-D-保证保证f fu u,f,fy y,冷弯冷弯,-20,-20o oC C时时C Cv v，P P，S S，C C含量含量;2.7 钢材的种类和规格2.2.低合金钢低合金钢(GB/T 1591-94)(GB/T 1591-94)GB/T 1591-94GB/T 1591-94Q295Q390Q345Q420相应的钢材品种相应的钢材品种（GB/T 1591-94)GB/T 1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTiRE 低合金钢的质量等级分低合金钢的质量等级分A A、B B、C C、D D、E E，其中，其中E E主要是要求主要是要求-40-400 0 C C 的冲击韧性。的冲击韧性。二、钢材的选择二、钢材的选择（一）选择钢材的原则一）选择钢材的原则1 1结构或构件的重要性；结构或构件的重要性；2 2荷载情况（静力荷载，动力荷载）；荷载情况（静力荷载，动力荷载）；静力荷载作用下可选择经济性较好的静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235Q235钢材。钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。3 3连接方法（焊接连接、螺栓连接）；连接方法（焊接连接、螺栓连接）；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 C、S S、P P的的极限含量；非焊接结构对极限含量；非焊接结构对C C的要求可降低一些。的要求可降低一些。4 4结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）；结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）；低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢5.5.钢材的厚度。钢材的厚度。厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。（二）钢材选择建议（二）钢材选择建议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、钢、Q390Q390钢钢和和Q420Q420钢，其质量应分别符合国家标准钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢碳素结构钢GB/T700GB/T700和和低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢GB/T1591GB/T1591的规的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准的规定和要求。的规定和要求。2 2、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服、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。碳量的合格保证。3 3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧、对于需要验算疲劳的焊接结构，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性的合格保证；当结构工作温度等于或低于00但高于但高于2020时，时，Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有00冲击韧性合格的冲击韧性合格的保证；保证；对于对于Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢应具有钢应具有2020冲击韧性的冲击韧性的合格保证。合格保证。当结构工作温度等于或低于当结构工作温度等于或低于2020时，对时，对Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有2020冲击韧性的合格保证；冲击韧性的合格保证；对对Q390Q390和和Q420Q420钢应具有钢应具有4040冲击韧性的合格保证冲击韧性的合格保证。4 4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材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常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于于2020时，对时，对Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有00冲击韧性合冲击韧性合格的保证；对格的保证；对Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢应具有钢应具有2020冲击韧性冲击韧性的合格保证。的合格保证。5、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。6 6、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 向钢向钢时，其材质应符合现行国家标准时，其材质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板GB/T5313GB/T5313的规定。的规定。8 8、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在、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质作用下的承重结构，宜采用耐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。7、钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率z z来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三个来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三个等级，即等级，即Z15Z15，Z25Z25，Z35Z35，分别对应其允许值。，分别对应其允许值。三、钢材的规格三、钢材的规格 热轧成型的热轧成型的钢板钢板和和型钢，型钢，冷弯（或冷压）成型冷弯（或冷压）成型的的薄壁型钢薄壁型钢。（一）热轧钢板（一）热轧钢板（表示方法（表示方法 宽宽厚度厚度长度长度）分为分为:厚板厚板（厚度（厚度4.5-60mm)4.5-60mm)薄板薄板（厚度（厚度0.35-4mm)0.35-4mm)扁钢：扁钢：厚度厚度4-60mm4-60mm，宽度宽度20-200mm20-200mm。(二）热轧型钢二）热轧型钢1.1.工字钢工字钢2.2.槽钢槽钢工字钢根据截面高度工字钢根据截面高度h h及厚度分类及厚度分类a(a(或或b b、c)c)槽钢根据截面高度槽钢根据截面高度h h及及厚度分类厚度分类a(a(或或b b、c)c)3.3.角钢角钢肢宽度肢宽度肢厚度肢厚度 等肢角钢等肢角钢长肢宽度长肢宽度短肢宽度短肢宽度肢厚度肢厚度 不等肢角钢不等肢角钢4.4.H型钢型钢分为：分为：宽翼缘宽翼缘HW、中翼缘、中翼缘HM、窄翼缘、窄翼缘HNbht1t2表示方法：表示方法：H高度高度宽度宽度腹板厚度腹板厚度翼缘厚度翼缘厚度如：如：Hh hb bt t1 1t t2 25.5.钢管钢管tD表示方法：表示方法：外径外径壁厚壁厚分为无缝管和焊接管分为无缝管和焊接管（三）冷弯薄壁型钢（三）冷弯薄壁型钢壁厚壁厚1.55mm压型钢板壁厚压型钢板壁厚0.41.5mm与与Q235Q235钢（钢（fy=235fy=235255n/mm2255n/mm2）相当的国外钢材：）相当的国外钢材：（A36A36）美国，）美国，43A43A、43B43B（英国），（英国），St37St37（德国），（德国），SM41SM41（日本），（日本），Fe360Fe360（ISOISO）等。）等。与与Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢相当的国外钢种为：钢相当的国外钢种为：A242A242，A440A440，A441A441（美国）；（美国）；50A50AD D，55C55CE E（英国）（英国）St52St52，St70St70（德国）；（德国）；SM50SM50，SM53SM53，SM58SM58（日本）。（日本）。