水工钢结构第二章.ppt

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1、第二章第二章 钢结构的材料和计算方法钢结构的材料和计算方法钢钢结结构构对对钢钢材材的的要要求求 有较高的强度有较高的强度 塑性好塑性好 冲击韧性好冲击韧性好 冷加工性能好冷加工性能好 可焊性好可焊性好 耐久性好耐久性好 第一节第一节 钢材的主要性能钢材的主要性能一、钢材的破坏形式一、钢材的破坏形式 钢材的强度断裂破坏：钢材的强度断裂破坏：塑性破坏、脆性破坏塑性破坏、脆性破坏 塑性破坏：伴随有明显的变形的破坏塑性破坏：伴随有明显的变形的破坏 第二章第二章 钢结构的材料和计算方法钢结构的材料和计算方法一、钢材的破坏形式一、钢材的破坏形式一、钢材的破坏形式一、钢材的破坏形式脆性破坏：没有明显变形征兆

2、的突然发生的破坏。脆性破坏：没有明显变形征兆的突然发生的破坏。1972 1972年廊坊因一个杆脆断屋架倒塌年廊坊因一个杆脆断屋架倒塌19951995年韩国一大桥倒塌年韩国一大桥倒塌 19991999年四川綦（年四川綦（qiqi）江彩虹桥倒塌）江彩虹桥倒塌二、钢材的主要机械性能二、钢材的主要机械性能钢材在常温、静载、单向一次均匀受拉时的机械性能钢材在常温、静载、单向一次均匀受拉时的机械性能Lod dL Lo-标距标距d d-直径直径长试件长试件 L Lo=10o=10d d 短试件短试件 L Lo=5o=5d d条件：条件：标准试件标准试件(GB22863)(GB22863)，表面光滑，有内圆角

3、表面光滑，有内圆角,常温下常温下缓慢加载，一次完成缓慢加载，一次完成软钢软钢VS硬钢硬钢含含C量量0.06%0.15%极软钢极软钢 0.15%0.30%软钢软钢 0.30%0.50%半硬钢半硬钢 0.50%0.80%硬钢硬钢 0.80%2.11%极硬钢极硬钢 二、钢材的主要机械性能二、钢材的主要机械性能钢材在常温、静载、单向一次均匀受拉时的机械性能钢材在常温、静载、单向一次均匀受拉时的机械性能ufOpfEBCDAEyfA.软钢应力应变曲线软钢应力应变曲线F2.11%生铁A.A.软钢的应力应变曲线可以分为软钢的应力应变曲线可以分为四个阶段四个阶段：(1)(1)弹性及弹塑性阶段弹性及弹塑性阶段(O

4、B(OB段段)OAOA段材料处于线弹性，段材料处于线弹性，即即:EABAB段有一定的段有一定的非线性变形非线性变形,但但整个整个OBOB段卸载段卸载时，时，=0=0；E=206=20610103 3N/mmN/mm2 2(适于各种钢材）适于各种钢材）比例极限（比例极限（A A点）点）ufOpfEBCDAEyf应力应变曲线应力应变曲线pfF（2 2）塑性阶段（）塑性阶段（BCD)BCD)该段很短该段很短,表现出钢材的非弹性性质表现出钢材的非弹性性质;B B屈服上限屈服上限;C C屈服下限屈服下限(取下限为屈服强度取下限为屈服强度f fy y)（3 3）自强阶段（）自强阶段（DE)DE)该段该段基

5、本基本 保持不变（水保持不变（水 平平),),急剧急剧 增大增大,称为屈称为屈 服台阶或流服台阶或流 幅段幅段ufOpfEBCDAEyfyf屈服强度：重要的机械性能指标，作为钢材强度的标准值屈服强度：重要的机械性能指标，作为钢材强度的标准值抗拉强度抗拉强度ufF（4 4）颈缩阶段）颈缩阶段(EF(EF段段)伸长率伸长率00100%lll 是衡量钢材塑性性能的一项主要指标，愈大，塑性愈好。ufOpfEBCDAEyfFB.B.对无明显屈服点的钢材对无明显屈服点的钢材(硬钢硬钢)该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变 形小，破坏突然。形小，破坏突然。fy=f

6、0.20.2%fup应力应变曲线的简化应力应变曲线的简化因为因为:1):1)fy y与与fp p相差很小；相差很小；2)2)计算简便计算简便!（1 1）在钢结构的）在钢结构的中中,可以假定钢材为可以假定钢材为2.5%-3%fy 00.15%含义：钢材在屈服点以前应力与应变含义：钢材在屈服点以前应力与应变关系符合胡克定律，接近理想弹性体关系符合胡克定律，接近理想弹性体工作；屈服点以后塑性平台阶段又近工作；屈服点以后塑性平台阶段又近似于理想的塑性体。似于理想的塑性体。ufOpfEBCDAEyf （2 2）以）以 f fy y 作为作为。因为：因为：1 1）虽然虽然 f fu u f fy y ，但

7、对应的变形非常大。，但对应的变形非常大。2 2）以以 f fy y 作为设计强度的依据，具有较大的作为设计强度的依据，具有较大的 强度储备，若出现偶然因素，使人们有机会抢救强度储备，若出现偶然因素，使人们有机会抢救.O0.15%22%fufyfu-fy冷弯实验（冷弯实验（180弯曲试验）弯曲试验）以钢材试件冷弯不出现裂缝或以钢材试件冷弯不出现裂缝或分层为试验合格。分层为试验合格。冷弯试验是冷弯试验是钢材的塑性、冷加工能力和显钢材的塑性、冷加工能力和显示钢材内部缺陷（分层、非金示钢材内部缺陷（分层、非金属加渣）状况的一项指标。属加渣）状况的一项指标。弯心直径弯心直径附录一附录一表表4冲击韧性（附

8、录一冲击韧性（附录一 表表2、表、表4）衡量指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种衡量指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力，是衡量钢材抵抗因低温、应力集中、冲击荷载作用而能力，是衡量钢材抵抗因低温、应力集中、冲击荷载作用而脆性断裂能力脆性断裂能力的一项指标。的一项指标。冲断试样所消耗的能量的大小来衡量钢材的冲击韧性冲断试样所消耗的能量的大小来衡量钢材的冲击韧性AkvAkv（冲击功）是衡量冲击韧性的指标（冲击功）是衡量冲击韧性的指标三、钢材的焊接性能、抗蚀性和防腐蚀措施三、钢材的焊接性能、抗蚀性和防腐蚀措施 1 1、钢材的焊接性能、钢材的焊接性能 是指在给定的构造型式和焊接工艺

9、条件下获得符合质是指在给定的构造型式和焊接工艺条件下获得符合质量要求的焊缝连接的性能。量要求的焊缝连接的性能。焊接性能差的钢材在焊接区域容易发生脆性断裂焊接性能差的钢材在焊接区域容易发生脆性断裂 。2 2、钢材的抗蚀性、钢材的抗蚀性用腐蚀速度来衡量用腐蚀速度来衡量每年腐蚀厚度的毫米数（每年腐蚀厚度的毫米数（mm/amm/a）单位时间内单位面积腐蚀减损的重量（单位时间内单位面积腐蚀减损的重量（g/g/（m m2 2aa）三、钢材的焊接性能、抗蚀性和防腐蚀措施三、钢材的焊接性能、抗蚀性和防腐蚀措施 3 3、水工钢结构防腐蚀措施、水工钢结构防腐蚀措施 涂料保护涂料保护 喷镀保护喷镀保护 电化学保护电

10、化学保护第二章第二章 钢结构的材料和计算方法钢结构的材料和计算方法第二节第二节 影响钢材力学性能的主要因素影响钢材力学性能的主要因素冶炼浇注轧制冶炼浇注轧制复杂应力和复杂应力和应力集中应力集中钢材硬化钢材硬化（冷作、时效）（冷作、时效）温度温度化学成分化学成分第二节第二节 影响钢材力学性能的主要因素影响钢材力学性能的主要因素一、化学成分的影响（附录一一、化学成分的影响（附录一 表表1 1、表、表3 3）碳素钢和合金钢碳素钢和合金钢化学成分强度塑性可焊性其他碳碳C C锰锰MnMn不明显不明显过量过量改善冷脆性改善冷脆性硅硅SiSi不明显不明显过量过量改善冷脆性改善冷脆性钒钒V V过量过量抗腐蚀性

11、抗腐蚀性硫硫S S热脆热脆抗腐蚀性抗腐蚀性氧氧O O磷磷P P冷脆冷脆抗腐蚀性抗腐蚀性氮氮N N二、钢材冶炼、浇注和轧制的影响二、钢材冶炼、浇注和轧制的影响 钢材生产流程：钢材生产流程：冶炼冶炼浇注成锭浇注成锭轧制轧制 1 1、冶炼主要是平炉和转炉两种、冶炼主要是平炉和转炉两种二、钢材冶炼、浇注和轧制的影响二、钢材冶炼、浇注和轧制的影响钢材生产流程：钢材生产流程：冶炼冶炼浇注成锭浇注成锭轧制轧制 2 2、浇注成锭、浇注成锭二、钢材冶炼、浇注和轧制的影响二、钢材冶炼、浇注和轧制的影响钢材生产流程：钢材生产流程：冶炼冶炼浇注成锭浇注成锭轧制轧制 2 2、浇注过程中因脱氧程度不同而分为、浇注过程中因

12、脱氧程度不同而分为沸腾钢（沸腾钢（F F）、半镇静钢、半镇静钢（b b）、）、镇静钢（镇静钢（Z Z）和特殊镇静钢）和特殊镇静钢(TZ)(TZ)。（1 1）沸腾钢：）沸腾钢：用用MnMn作脱氧剂，脱氧不完全，能满足一般承重结构作脱氧剂，脱氧不完全，能满足一般承重结构的要求，应用较多。的要求，应用较多。（2 2）半镇静钢：）半镇静钢：用用MnMn和少量和少量SiSi作脱氧剂，脱氧程度介于上下两者作脱氧剂，脱氧程度介于上下两者之间。之间。（3 3）镇静钢：镇静钢：用用MnMn和和SiSi作脱氧剂，脱氧过程中有大量气体溢出。作脱氧剂，脱氧过程中有大量气体溢出。适用于低温并承受动力荷载的焊接结构和重要

13、结构中。适用于低温并承受动力荷载的焊接结构和重要结构中。（4 4）特殊镇静钢：）特殊镇静钢：补充补充AlAl作脱氧剂。作脱氧剂。浇注缺陷的影响浇注缺陷的影响 偏析偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要是硫、磷偏析，其后果是主要是硫、磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑性、偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性韧性、可焊性变坏。变坏。裂纹裂纹 钢材中存在的微观裂纹。钢材中存在的微观裂纹。非金属夹杂非金属夹杂 指钢材中的非金属化合物，如指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使硫化物、氧化物，他们使钢材性能变脆钢材性能变脆。气泡气泡 浇铸时由浇铸时由FeOFeO

14、和和C C作用所生成的作用所生成的COCO气体不气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。分层分层 浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层材的分层,使钢材厚度方向的受拉性能降低。使钢材厚度方向的受拉性能降低。2024-5-9二、钢材冶炼和轧制的影响二、钢材冶炼和轧制的影响 3 3、轧制：把钢锭再加热至、轧制：把钢锭再加热至12001200至至13001300，用轧钢，用轧钢机将其扎成所需要的形状和尺寸。机将其扎成所需要的形状和尺寸。轧制的影响：轧钢机压力作用可使钢锭中的小气泡轧制的影响：轧钢机压力作用可使钢锭

15、中的小气泡和质地较梳松部分密实起来，消除缺陷和细化钢的和质地较梳松部分密实起来，消除缺陷和细化钢的晶粒，而且压缩比愈大其强度和冲击韧性也愈高。晶粒，而且压缩比愈大其强度和冲击韧性也愈高。钢材轧制次数愈多愈薄，内部组织愈均匀，强度也钢材轧制次数愈多愈薄，内部组织愈均匀，强度也愈高。故钢材的机械性能要按厚度或直径的大小进愈高。故钢材的机械性能要按厚度或直径的大小进行分组。行分组。（P32 P32 表表2-42-4）宽翼缘宽翼缘H型钢型钢轧制示意图轧制示意图三、复杂应力和应力集中的影响三、复杂应力和应力集中的影响 1 1、复杂应力的影响、复杂应力的影响 单向应力条件下，钢材进入塑性工作阶段的条件是单

16、向应力条件下，钢材进入塑性工作阶段的条件是 按照第四强度理论来衡量：钢的塑性条件用折按照第四强度理论来衡量：钢的塑性条件用折算应力来衡量算应力来衡量 三向主应力三向主应力)(3)(222222zxyzxyxzzyyxzyxeq)(133221232221eqyeqf当当 时，钢材处于弹性工作阶段时，钢材处于弹性工作阶段当当 时，钢材进入塑形工作阶段时，钢材进入塑形工作阶段yeqfyf三、复杂应力和应力集中的影响三、复杂应力和应力集中的影响 1 1、复杂应力的影响、复杂应力的影响同号平面应力状态，即同号平面应力状态，即 且且 二者同号二者同号0321)(133221232221eq1212221eq危险情况，应尽量避免危险情况，应尽量避免同号立体应力状态同号立体应力状态同上：危险情况，应尽量避免同上：危险情况，应尽量避免yyeqff有可能已经时，1三、复杂应力和应力集中的影响三、复杂应力和应力集中的影响 1 1、复杂应力的影响、复杂应力的影响异号平面应力状态，即异号平面应力状态，即 且且 二者异号二者异号yyeqff肯定时，10321)(133221232221eq1212221eq安全