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1、钢结构第讲第1页，此课件共30页哦 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，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。当循环次数达到某定值时，发生突然破坏的现象，称为疲劳。高周低应力疲高周低应力疲劳：破坏前的应力循环次数劳：破坏前的应力循环次数n510n5104 4 ，疲劳破坏时的应力较低，疲劳破坏时的应力较低，。一般属于此类疲劳。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低周高应力疲劳：破坏前的应力循环次数n=10n=102 25105104 4,疲劳破坏时的应力水平疲劳破坏时
2、的应力水平较高，较高，。应力比：应力比：应力幅：应力幅：循环次数：循环次数：n n （要求（要求n 510n 5104 4时，应进行疲劳计算）时，应进行疲劳计算）第2页，此课件共30页哦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，还与有关外，还与循环应力比循环应力比r r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
3、叫做一个循环。第3页，此课件共30页哦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接的类型构件和连接的类型、应力幅应力幅DsDs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 ，该处是产生和发展疲劳裂该处是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。纹最敏感的区域。最大：最大：最小：最小：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
4、于应力幅的大小的大小-+残余应力的分布残余应力的分布第4页，此课件共30页哦应力幅应力幅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0NX105n1n2fy123456S S S S0.b b1 1 1(1)(1)应力幅值越低，应力循环次数就越多，疲应力幅值越低，应力循环次数就越多，疲劳寿命也越高。劳寿命也越高。(2)(2)当应力幅值减小到一定程度时，应力循当应力幅值减小到一定程度时，应力循环次数趋向无穷大。环次数趋向无穷大。容许应力幅容许应力幅 的定义的定义 （1 1）应力幅循环次数（红色实线）应力幅循环次数（红色实线所示）关系曲线为试验回归曲线，反所示）关系曲线为
5、试验回归曲线，反应了平均值之间的关系。应了平均值之间的关系。第5页，此课件共30页哦（2）考虑到试验的离散性，取平均值减去两倍lgn的标准差（2s）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。（3）如果lgn符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为97.7。(4）容许应力幅的表达式Ds可通过下式求出：S S S S0.b b1 1 1(5)式中：系数、C根据钢结构设计规范-疲劳计算的构件和连接分类 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
6、相同的抗疲劳性能。第6页，此课件共30页哦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 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(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归并划分为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8 8个个疲劳计算类别疲劳计算类别，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。第7页，此课件共30页哦参数和参数和 的取值的取值构件和连构件和连接类别接类别1234567819401012861
7、10123.2610122.1810121.4710120.9610120.6510120.41101244333333第8页，此课件共30页哦 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。计算只适，按弹性状态计算应力进行计算。计算只适用于无高温（用于无高温（t150t150）、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算）、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（应力循环次数n n5105104 4)。常幅疲劳的计算公式常幅疲劳的计算公式标准荷载下的设计应力幅；对于焊接部位的设计应力幅:=max-min；对于非焊接部位的折算应力幅：=max-0.7m
8、in max每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）min每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应力取正值，压应力取负值）；常幅疲劳的容许应力幅第9页，此课件共30页哦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变幅荷载变幅荷载可可将将变变幅幅疲疲劳劳折折算算为为等等效效的的常常幅幅疲疲劳劳，然然后后按按常常幅幅疲疲劳劳检算式检算。检算式检算。（a a）检算公式）检算公式e e等效常幅疲劳应力幅。等效常幅疲劳应力幅。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
9、用期内应力变幅规律第10页，此课件共30页哦（b)b)计算计算 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为等效常构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅e e按下式进行疲劳按下式进行疲劳计算：计算：n 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i i的的应力循环次数
10、应力循环次数第11页，此课件共30页哦 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。如果没有对实际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。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。计算公式计算公式 欠载效应的等效系数欠载效应的等效系数循环次数为循环次数为n n=210=2106 6次的
11、容许应力幅。次的容许应力幅。第12页，此课件共30页哦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59697890103118144176N/mm2n=210687654321连接形式类别连接形式类别n n=210=2106 6的容许应力幅值的容许应力幅值第13页，此课件共30页哦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）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设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力
12、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。（2）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。（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度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。（4）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；（）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；（）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。第14页，此课件共30页哦钢材的生产铁矿石-铁-钢-轧制成型炼铁炼铁：以CO、C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（2.06%）。炼钢炼钢：高温
13、下氧化反应除去生铁中多余的碳和杂质。使含碳量2.06%。精炼精炼：脱氧第15页，此课件共30页哦 用轧钢机将钢锭轧成钢胚，再通过一系列不同形状和孔径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。的轧机，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，因而材，辊轧次数多，压缩比大，因而屈服点及伸长率均大于厚屈服点及伸长率均大于厚板板。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。第16页，此课件共30页哦 钢的种类结构用钢的种类、选用及规
14、格脱氧程度沸腾钢镇静钢半镇静钢特殊镇静钢化学成分碳素钢合金钢成型方法轧制钢锻钢铸钢第17页，此课件共30页哦沸腾钢：以Mn为脱氧剂 F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Mn外，增加Si为脱氧剂 Z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：Q+屈服点数值+质量等级+脱氧方法Q235钢分为A、B、C、D质量等级 ，Z TZ 可以省略。Q235C 为镇静钢Q235D 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。举例：Q235BF Q235C Q345A Q345B Q390D Q420B第18页，此课件共30
15、页哦碳素钢铁和碳的合金铁和碳的合金 低碳钢低碳钢 C0.25%C0.6%C0.6%一般一般 C0.20%C0.20%具有良好的可焊性。具有良好的可焊性。碳素钢分级：碳素钢分级：Q195Q195、Q215 Q215、Q235Q235、Q255Q255、Q275Q275钢结构推荐使用钢结构推荐使用 Q235Q235 （C0.18%)C0.18%)第19页，此课件共30页哦低合金钢 冶炼时，在低碳钢中加入合金元素冶炼时，在低碳钢中加入合金元素 Mn Mn、V V等等 低合金钢中合金元素含量低合金钢中合金元素含量5%5%适量合金元素，可使钢水在冷却时得到细而均匀的晶粒，从而适量合金元素，可使钢水在冷却
16、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。提高强度又不降低塑性和韧性。推荐使用：推荐使用：Q345Q345 (原原16Mn 16Mn、16Mnq)(16Mnq)(含碳量含碳量0.16%)0.16%)f fy y=345 MPa=345 MPa Q390Q390(原原15MnV 15MnVq)(15MnV 15MnVq)(含碳量含碳量0.15%)0.15%)合金含量均小于合金含量均小于1.5%1.5%f fy y=390 MPa=390 MPa Q420Q420第20页，此课件共30页哦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
17、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、磷有控制要求。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、硅有控制要求。以不热处理或热处理状态交货第21页，此课件共30页哦钢材的选择钢材的选择 选择钢材的目的是要做到结构可靠，同时用材经济合理。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素：1.结构或构件的重要性；2.荷载性质（静载或动载）;3.连接方法（焊接、铆接或螺栓连接
18、）;4.工作条件（温度及腐蚀介质）。5.钢材厚度 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。第22页，此课件共30页哦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镇静钢保证 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第23页，此课件共30页哦钢材的规格钢材的规格钢结构采用
19、的型材有：钢结构采用的型材有：热轧钢板、热轧型钢、冷弯薄壁型钢。热轧钢板、热轧型钢、冷弯薄壁型钢。1 1、热轧钢板、热轧钢板：“-”厚度厚度宽度宽度长度长度（mmmm）8 400 3600 2 2、热轧型钢、热轧型钢（1 1）热轧角钢）热轧角钢 等肢角钢：等肢角钢：L L肢宽肢宽肢厚肢厚不等肢角钢：不等肢角钢：L L长肢宽长肢宽短肢宽短肢宽肢厚肢厚L110 10 L90 56 6，单位也是单位也是mm第24页，此课件共30页哦（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
20、）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。第25页，此课件共30页哦（4 4）H H型钢型钢(高高X X宽宽X X腹板厚腹板厚X X翼缘厚）翼缘厚）（HW,HM,HN)HW,HM,HN)宽翼缘宽翼缘H H型钢（型钢（HW)HW)，用于轴压、压弯构件。，用于轴压、压弯构件。H H型钢可以剖分为型钢可以剖分为T T型钢供应，规格标记同型钢供应，规格标记同H H型钢，只是高度是型钢，只是高度是H H型钢的一半。型钢的一半。3 3、钢管、钢管 无缝钢管和焊接钢管：无缝钢管和焊接钢管：“”外径外径厚度厚度4 4、薄壁型钢、薄壁型钢 用用薄薄
21、钢钢板板经经模模压压或或弯弯曲曲而而制制成成。壁壁厚厚一一般般为为1.51.55mm5mm。用用作作轻轻型型屋屋面面及及墙面等构件。压型钢板墙面等构件。压型钢板 YX YX 高高 波距波距 宽宽 5 5、钢轨、钢轨 QU70 (QU70 (轨顶宽度轨顶宽度70mm)QU8070mm)QU80第26页，此课件共30页哦钢结构防腐钢结构腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种 化学腐蚀是气体及非电解质液体作用于金属表面而产生，如化工厂及其附近的钢结构建筑，受到来自化工厂腐蚀性气、液体的跑冒、滴漏等而腐蚀；也可又空气中的CO2、SO2的作用而产生FeO或FeS，从而使钢结构产生腐蚀。电化学腐蚀是钢材表面与
22、电解质溶液中产生电流，形成腐蚀电池，使钢材产生腐蚀。最常见的为吸氧腐蚀。第27页，此课件共30页哦据有关资料：在工业发达的国家中，腐蚀造成的直接经济损失占国民经济总产值的1%-4%，在中国由于金属腐蚀造成的经济损失每年高达300多亿元以上。因此，必须采用各种有效措施保护钢结构不受外界环境介质影响的能力。钢结构防腐的方法制成合金钢；金属镀层保护；非金属涂层保护；阴极保护；构造措施保护。第28页，此课件共30页哦防腐涂料选用的基本原则：具有良好的耐腐蚀性；具有良好的附着力；具有良好的耐候性；易于施工；具有色泽；防腐涂料的底漆、中间漆、面漆应配套。第29页，此课件共30页哦 钢材耐热但不耐火，钢材长期经受100 辐射热时，性能变化不大，具有一定的耐热性能。温度超过200会出现兰脆现象，温度达600进入热塑性状态，丧失承载能力。一般常用建筑钢材的临界温度（即丧失支撑能力时的温度）为540。对于建筑火灾，火场温度多在8001200之间。在火灾发生的10分钟内，火场温度即可高达700以上，对于裸露的钢材构件，在这样的火场温度下，只要几分钟其温度就可上升到500而达到其临界值，进而失去载荷能力，导致建筑物倒塌。钢结构防火钢结构防火第30页，此课件共30页哦