钢结构

钢结构，钢结构破坏形式及设计，钢材的性能及其影响因素

钢结构

• 钢
  • 钢结构特点
    • 1.强度高, 塑性好 2.重量轻 3.材料好, 可靠性高 4.工业化程度高, 工期短 5.有效使用空间大 6.运输安装方便
    • 7.可拆卸改造, 建筑垃圾少, 材料可重复利用 8.密封性好 9.抗震性好 10.有一定耐热性, 抗火性能差 11.耐腐蚀性能差
  • 钢结构: 采用钢板, 型钢等通过连接而成的结构；型钢: 断面呈特定形状的钢材的统称
  • 强度：材料在外力作用下抵抗破坏(变形，破裂)的能力
  • 塑性：材料在外力作用下能稳定的发生永久变形而不破坏其完整性的能力
  • 荷载：使结构或构件产生内力或变形的外力及其他因素
• 材料
  • 荷载-变形曲线
    • 弹性阶段OE
      • 符合胡克定律, 可恢复, OA段完全弹性, A点应力称比例极限fp
      • AE段非线性弹性阶段，E点的应力称弹性极限fe
    • 屈服阶段ECF段：塑性变形阶段, 存在变形(永久性), 以下屈服点为设计依据(较稳定)
    • 强化阶段FB段：进一步强化，承受力增大，存在抗拉强度/极限强度fu
    • 颈缩阶段BD段：应力达到B点时，试件发生颈缩现象，至D点断裂
    • 理想的弹-塑性体：假定屈服点前钢材为完全弹性, 屈服点后为完全塑性, 应力-应变曲线为双直线
  • 要求: 1.较高的抗拉强度fu和屈服点fy(fy衡量结构承载能力的指标, fy高可减轻结构自重；fu衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力, 反映钢材内部组织的优劣, fu高可增加结构安全保障) 2.较高的塑性和韧性 3.良好的工艺性能
  • 钢材破坏形式
    • 塑性破坏: 变形过大, 超过材料或构件可能的应变能力而产生的, 仅在构件应力达到钢材抗拉强度fu后才发生(强化阶段)
    • 脆性破坏: 塑性变形很小, 甚至没有, 计算应力可能小于钢材屈服点fy(弹性阶段)
  • 钢结构破坏形式: 1.结构整体失稳 2.结构和构件局部失稳 3.结构的塑性, 脆性破坏(属结构的强度破坏) 4.结构疲劳破坏 5.结构累积损伤破坏
  • 避免钢结构破坏: 设计; 使用过程间隔时间
    • 设计要求；设计准则
    • 概率极限状态设计
      • 结构功能参数: Z=R(构件抗力)-S(荷载效应); Z=0, 结构达到临界状态, 即极限状态; Z≥0, 结构处于可靠状态
      • 当结构或其组成部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时, 此特定状态称为该功能的极限状态
      • 极限状态分类
        • 承载能力极限状态: 对应于结构或结构构件达到最大承载能力或是出现不适于继续承载的变形
        • 正常使用极限状态: 对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值
      • 结构的可靠度：结构在规定时间内, 规定条件下, 完成预定功能的概率
      • 影响结构功能因素：荷载大小; 强度高低; 截面尺寸; 施工质量等, 有不确定性, 不能保证性能相同→概率统计方法设计
      • 永久荷载：结构在使用期内其值不随时间变化或其变化与平均值相比可忽略, 或其变化是单调的并能趋于限值的荷载
      • 可变荷载：施加在结构上的由人群, 物料和交通工具引起的使用或占用荷载和自然产生的自然荷载
      • 强度设计值f=钢材屈服点fy/抗力分项系数γR；断面承压和连接为极限强度fu/抗力分项系数γRu
  • 钢材性能
    • 强度性能
      • 屈服荷载(屈服点fy): 荷载增加, 进入塑性流动范围时, 曲线波动较大, 逐渐趋于平稳, 其最高/低点称为上/下屈服点
      • 极限荷载(抗拉强度fu): 超过屈服台阶, 材料出现应变硬化, 曲线上升, 直至曲线最高处B点, 这点应力称为抗拉强度
      • 低碳钢：存在明显屈服台阶，即在应力保持不变的情况下，应变继续增加
      • 高强度钢：无明显的屈服点和屈服台阶。屈服条件根据试验分析结果人为规定, 称为条件屈服点/屈服强度
    • 塑性性能
      • 伸长率：试件被拉断时绝对变形值与试件原标距之比的百分数. 代表材料在单向拉伸时塑性应变的能力(δ大, 塑性好)
      • 断面收缩率/颈缩率：试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比(ψ越大, 塑性越好)
    • 物理性能
      • 单向受压时：受力性能基本上和单向受拉相同，曲线一致
      • 受剪时：和单向受拉相似，但屈服点fvy及抗剪强度fvu均较受拉时低；剪变模量G也低于弹性模量E
    • 冷弯性能是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标(可直接检验钢材塑性变形能力, 暴露钢材内部冶金缺陷)
    • 冲击韧性
      • 韧性：钢材抵抗冲击荷载的能力, 采用材料断裂时吸收的总能量量度, 其值为应力-应变曲线与横坐标包围的总面积
      • 总面积愈大韧性愈高，韧性是钢材强度和塑性的综合指标(强度提高, 韧性降低, 表示钢材趋于脆性)
      • 脆性：材料在外力作用下(拉伸, 冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质, 与韧性相反, 直到断裂前只出现很小的弹性变形而不出现塑性变形。脆性材料抗动荷载或冲击能力很差
    • 可焊性
      • 好的可焊性指焊接安全，可靠，不发生焊接裂缝，焊接接头和焊缝的力学性能不低于母材力学性能
      • 钢材可焊性受碳含量和合金元素含量的影响
  • 钢材性能影响因素
    • 化学成分：铁Fe(基本元素)+(碳C+其他主要元素——决定钢材力学性能)
    • 冶金缺陷：偏析(化学成分不一致和不均匀性)，非金属夹杂(含有硫化物和氧化物等杂质)，气孔，裂纹及分层等
    • 钢材硬化
      • 冷作硬化/应变硬化：冷拉, 冷弯, 冲孔等冷加工使钢材产生很大塑性变形, 提高了钢屈服点(强度), 同时降低塑性和韧性
      • 时效硬化/老化：随着时间增长, 高温时融化于铁中的N和C会逐渐从纯铁中析出, 形成自由碳化物和氮化物, 对纯铁体的塑性变形起遏制作用, 使钢材屈服点和抗拉强度提高, 塑性, 韧性下降
      • 人工时效：时效硬化的过程一般很长，但如在材料塑性变形后加热，可使时效硬化发展特别迅速
      • 应变时效：应变硬化后又发生时效硬化
    • 温度
      • 钢材性能随T变动而有所变化，总趋势: T升高, 钢材强度降低, 应变增大; 反之, T降低, 强度略有增加, 塑性韧性降低而变脆
      • 蓝脆现象：250℃左右, 钢材强度略有提高, 塑性韧性均下降, 材料有转脆的倾向, 钢材表面氧化膜呈蓝色(避免热加工)
      • 徐变现象：温度在260℃-320℃时，在应力持续不变情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形
      • 低温冷脆：温度从常温开始下降, 特别是负温度范围内时, 钢材强度虽有提高, 其塑性韧性降低, 材料逐渐变脆
      • 冲击韧性对温度降低特别敏感：T0临界温度, T1脆性转变温度, T2全塑性转变温度, T1-T2脆性转变温度区
• 钢材受力形式：拉应力；压应力；剪切力
• Q235钢材: Q指强度, 235指屈服强度为235MPa