钢结构

钢结构的性能影响因素，钢材的疲劳破坏，钢的生产，还有钢结构、强度、塑性、荷载、材料等内容，内容全面。

钢材

• 性能影响因素
  • 应力集中
    • 实际上在钢结构构件中存在孔洞, 截面突变及钢材内部缺陷等. 构件中的应力分布不再均匀, 某些区域产生局部高峰应力, 另外一些区域应力降低, 形成应力集中现象。高峰区的最大应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数
    • 有应力集中的钢材，材料变脆，易发生脆性破坏。应力集中系数愈大，变脆倾向愈严重
    • 应力集中处常产生三向的同号拉应力，易使钢材开裂时也没有明显的塑性变形
    • 应力集中对塑性良好的钢结构静力强度影响不大，但降低疲劳强度(静载, 常温可不考虑应力集中影响)
  • 反复荷载作用
    • 反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏
    • 疲劳: 在直接连续反复的动力荷载作用下, 根据试验, 钢材强度降低, 即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度
    • 疲劳破坏的表现为突然发生的脆性断裂，实际上疲劳破坏是累积损伤的结果
  • 脆性破坏
    • 影响因素
      • 内因：钢材的化学成分，组织构造和缺陷等
      • 外因：钢材在构造和加工工程中引起的应力集中, 低温影响, 动力荷载作用, 冷作硬化, 应变时效硬化等
    • 防止脆性破坏方法：1.合理的设计 2.正确的制造 3.正确的使用
• 复杂应力作用下钢材的屈服条件
  • 单向拉伸：应力达到屈服点fy时, 钢材即进入塑性状态(屈服点前处于弹性阶段, 脆性状态, 没有发生变形)
  • 复杂应力状态：钢材进入塑性状态的条件按能量强度理论计算的折算应力与单向应力下的屈服点fy比较
  • σeq<fy时，为弹性状态，易发生脆性破坏；σeq≥fy时，塑性状态，易发生塑性破坏
  • 当只有剪应力时，τ=0.58fy，钢材抗剪强度设计值为抗拉强度设计值的0.58倍
• 疲劳
  • 疲劳破坏：钢材在循环荷载作用下，经历一定时间的损伤积累，构件和连接部位出现裂纹，直至最后断裂破坏
  • 破坏特点
    • 疲劳破坏时的应力小于钢材屈服强度，钢材塑性没有展开，属于脆性破坏，危险性大
    • 疲劳破坏断口(主要断口特征是放射和年轮状花纹)与一般脆性破坏断口(断口平直, 具有光泽的晶粒或人字纹)不同
    • 疲劳对缺陷十分敏感
  • 破坏过程
    • 非焊接结构三阶段: 裂纹形成→裂纹稳定扩展→裂纹失稳扩展断裂
    • 焊接结构二阶段(本身存在类似裂纹缺陷): 裂纹稳定扩展→裂纹失稳扩展断裂
  • 钢材疲劳现象
    • 疲劳强度：钢材在一定次数N的反复荷载作用下发生疲劳破坏, 则破坏应力即为相应于荷载次数N的疲劳强度
    • 应力循环次数N次数越多，破坏应力(疲劳强度)越小；N=1, 极限强度fu时破坏
    • 相应的上述的反复次数N被称为疲劳寿命；循环无穷次而不破坏的应力上限称为疲劳极限
    • 非焊接结构：疲劳强度与主体金属，连接类型，循环应力比ρ，循环次数N有关
    • 焊接结构
      • 控制疲劳寿命的最主要因素是构件和连接类型，应力幅Δσ，循环次数N，与应力比ρ无关
      • 焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材屈服点fy，是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域
  • 提高疲劳强度疲劳寿命的措施: 1.采取合理构造细节设计, 尽可能减少应力集中 2.严格控制施工质量, 减小初始裂纹尺寸 3,采取必要工艺措施
  • 类型
    • 常幅疲劳
      • 应力幅
        • 应力幅：应力谱中最大应力与最小应力之差，Δσ=σmax-σmin。常幅疲劳：应力幅应保持常量
        • σmax为每次应力循环中最大拉应力, 取正值；σmin为每次应力循环中最小拉应力(正值)/压应力(负值)
      • 应力比
        • ρ为钢材某点应力循环幅值中绝对值最小应力与绝对值最大应力之比(拉应力取正值, 正压力取负值)
        • 表示应力循环特征：ρ=-1, 完全对称循环；ρ=0, 脉冲循环；ρ为其他值, 不完全对称循环
      • 容许应力幅[σ]
        • 应力幅值越低, 应力循环次数越多, 疲劳寿命越高；当应力幅减小到一定程度, N趋向无穷大
        • 容许应力幅[σ]与钢材强度无关，表明不同种类的钢材具有相同的抗疲劳性能
      • 容许应力幅法计算
        • 按弹性状态计算应力进行计算，只适用于无高温, 无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算
        • 焊接部位：Δσ=σmax-σmin≤[σ]；非焊接部位：折算应力幅Δσ=σmax-0.7σmin≤[σ]
    • 变幅疲劳
      • 当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。实际大多结构承受变幅循环应力的作用
      • 实为欠载状态的变幅疲劳，可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳，后按常幅疲劳检算式检算
  • 疲劳破坏中值得注意的问题
• 生产
  • 钢材生产大致分为炼铁，炼钢，轧制三道工序
  • 炼钢：炼钢炉有三种形式：转炉，平炉，电炉
  • 浇注: 把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。钢材冶炼浇铸过程产生影响力学性能的杂质, 氧化铁, 需投入脱氧剂来排除/减少氧化铁含量(脱氧)
  • 脱氧：钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆，降低钢材力学性能
  • 加工
    • 热加工：将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，生产出各种厚度的钢板和型钢
    • 冷加工：在常温下对钢材进行加工(冷作硬化现象)
    • 热处理
      • 热处理：通过加热，保温，冷却的操作方法，使钢材的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺
      • 目的: 1.钢材一般以热轧状态供货, 某些高强度钢材轧制后需热处理 2.使钢材获得高强度, 又保持良好的塑性韧性
      • 方法: 正火(最简单, 850-900°, 自然冷却)；回火(650°, 自然冷却)；淬火(>900°, 水/油冷却)；淬火+回火(调质处理)
  • 轧制作用
    • 1.高温和压力下，将钢锭或钢坯热轧成钢板和型钢 2.改变钢材的形状和尺寸
    • 3.使小气泡, 裂纹, 疏松等缺陷焊合起来 4.使金属组织更加致密，改善钢材力学性能