钢结构-钢结构的材料与制造.doc

第五章钢结构的材料与制造
建筑钢材在单轴应力作用下的工作性能
把钢材按规定加工成标准试件,在+200C的条件下做拉伸试验,得到钢材的应力-应变关系曲线,如图1所示。
低碳钢一次拉伸时的工作可分为四个阶段:
弹性阶段:应力由0到比例极限fp;
弹塑性阶段:由比例极限到屈服点fy;
塑性阶段:应力不变,应变不断增大;
强化阶段:应力达到抗拉强度fu时,试件发生颈缩现象而发生破坏。
建筑钢材的三个机械性能指标:抗拉强度fu,伸长率或,屈服点fy。钢材性能还包括冷弯要求,它较为严格的表示钢材塑性变形能力的综合指标。
抗拉强度fu是衡量钢材经过巨量变形后的抗拉能力,直接反映钢材的内部组织的优劣;屈服点fy衡量结构承载能力的指标。伸长率式反映钢材在荷载作用下的塑性变形能力。
高强度钢材没有明显的屈服点,%时的应力为假想屈服点。
注意,在设计钢结构时,引入抗力分项系数,得到钢材抗拉、抗压和抗弯的设计强度f:。
建筑钢材在多轴应力作用下的工作性能
钢材在多轴应力作用的的屈服条件需要用强度理论来解决。能量强度理论认为材料由弹性状态转入塑性状态时,材料的综合性强度指标要用变形时单位体积中积聚的能量来衡量。
由材料力学可知,钢材单向拉伸达到塑性状态时,积聚于单位体积中的形状改变能为:
当钢材单元体处于三向主应力、、的作用而进入塑性状态时,材料单位体积的形状改变能为:
由能量理论知:
则:,称折算应力。
或者:
当纯剪时,,抗剪屈服点
抗剪设计强度,若f=215N/㎜2,则fv=125N/㎜2。
各种因素对钢材性能的影响
化学性能
碳的含量直接影响钢材的强度、塑性和韧性。随着含碳量的增加,钢材的强度逐渐提高,而塑性和韧性下降,可焊性和抗锈蚀性等也变劣。%。
硫、磷、氮、氧的含量提高,一般均使钢材变脆,%~%。锰、硅、钒在合理的含量内可提高钢材强度。如:15MnV钢。
冶金缺陷
常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、裂纹和起层。
构造缺陷-应力集中现象
应力集中是造成构件脆性破坏的主要原因之一。
加荷速度
随着加荷速度的提高,钢材的屈服点提高,脆性增加。
钢材的硬化
钢材在弹塑性变形阶段,多次间歇重复加荷使弹性变形区域扩大,提高了钢材的屈服点,而使钢材变脆,这种现象称钢材的冷硬现象。
随着时间的增长,钢材的强度提高,塑性减小的现象叫时效硬化。
温度影响
随着温度的升高,总的趋势是强度降低、塑性增大。温度达到6000C时,钢材的强度几乎降为0,因此钢材可以说不耐高温,一般需要在钢构件外表上涂上防火层。
钢材和连接的强度设计值
一、钢材的强度设计值(N/mm2)
钢材
抗拉、抗压和抗弯
f
抗剪
fv
端面承压(刨平顶紧)fce
钢号
厚度或直径(mm)
Q235钢
<16
>16~40
>40~60
215
200
190
125
115
110
320
320
320
16Mn钢
16Mnq钢
<16
>16~25
>25~36
315
300
290
185
175
170
445
425
410
15MnV钢
15MnVq钢
<16
>16~25
>25~36
350
335
320
205
195
185
450
435
415
二、焊缝的强度设计值(N/mm2)
焊接方法和焊条型号
构件钢材
对接焊缝
角焊缝
钢号
厚度或
直径(mm)
抗压
抗拉和弯曲抗拉当焊缝质量级别为
抗剪
抗拉、抗压和抗剪
一、二级
三级
自动焊、
半自动焊、
E43型焊条手工焊
Q235钢
<16
>16~40
>40~60
215
200
190
215
200
190
185
170
160
125
115
110
160
160
160
自动焊、
半自动焊、
E50型焊条手工焊
16Mn钢
16Mnq钢
<16
>16~25
>25~36
315
300
290
315
300
290
270
255
245
185
175
170
200
200
200
自动焊、
半自动焊、
E55型焊条手工焊
15MnV钢
15MnVq钢
<16
>16~25
>25~36
350
335
320
350
335
320
300
285
270
205
195
185
220
220
220
三、螺栓连接的强度设计值(N/mm2)
螺栓的钢号(或性能等级)
和构件的钢号