水工钢结构第二章钢结构的材料和计算方法
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水工刚结构
上海金茂大厦
二、钢结构在水工中的应用
在水利水电工程中，钢结构的主要 应用范围如下：
1.活动式结构
如水工钢闸门、升船机等，可充 分发挥钢结构重量轻的特点，降低启 闭设备的造价和运转所耗费的动力。
2. 装拆式结构
如施工用的钢栈桥、流动式展览馆、 移动式平台等，可发挥钢结构重量轻， 便于运输和安装方便的优点。加拿大 已建成120多万吨重，可容5000多人 工作的海上采油平台。
6.海工钢结构
海洋工程中的钻井、采油平台结构 等，充分发挥了钢材强度高、抗震性 能好以及便于海上安装等特点。
综上所述可见，钢结构是在水利工 程中广泛应用的一种重要的结构形式。 随着我国经济建设的发展和钢产量的 提高，钢结构将会发挥日益重要的作 用。
第四节
钢结构设计的要求
技术先进 经济合理 安全适用 确保质量
2.时效硬化 钢材随着时间的增长逐渐变硬变脆 的现象称为时效硬化。不同种类钢材的时效 硬化过程可从几小时到数十年。
3.设计要求 钢结构设计一般不利用冷加工硬化 造成的强度提高，而且对直接承受动力荷载 的钢结构还应设法消除冷加工硬化的影响， 如将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。
第四节 建筑钢的种类、牌号及选用
5.大跨度结构
随着结构跨度增大，结构自重
在全部荷载中所占比重也就越大，减 轻自重可获得明显的经济效益。对于 大跨度结构，钢结构重量轻的优点显 得特别突出。
上海卢浦大桥目前世界上最大的中承式钢
结构拱桥，总投资约24亿元。该桥主跨550米， 2002年10月12日合龙,03年8月完工。
日本明石跨海大桥
一、建筑钢的种类
建筑钢常用钢材有碳素钢和低合金钢两种。 钢的机械性能主要依赖于含碳量和其他合金元素。 根 据 含 碳 量 分 为 高 碳 钢 （ C ＞ 0.6% ） 、 中 碳 钢 （0.25%＜C≤0.6%）和低碳钢（C≤0.6%）以及熟铁 （C＜0.06%）、生铁或铸铁（C＞2.11%）。 合金钢按合金元素含量分为低合金钢（＜5%）、中 合金钢和高合金钢（＞10%）。 按浇注方法可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特 殊镇静钢。
二、钢结构在水工中的应用
在水利水电工程中，钢结构的主要 应用范围如下：
1.活动式结构
如水工钢闸门、升船机等，可充 分发挥钢结构重量轻的特点，降低启 闭设备的造价和运转所耗费的动力。
2. 装拆式结构
如施工用的钢栈桥、流动式展览馆、 移动式平台等，可发挥钢结构重量轻， 便于运输和安装方便的优点。加拿大 已建成120多万吨重，可容5000多人 工作的海上采油平台。
6.海工钢结构
海洋工程中的钻井、采油平台结构 等，充分发挥了钢材强度高、抗震性 能好以及便于海上安装等特点。
综上所述可见，钢结构是在水利工 程中广泛应用的一种重要的结构形式。 随着我国经济建设的发展和钢产量的 提高，钢结构将会发挥日益重要的作 用。
第四节
钢结构设计的要求
技术先进 经济合理 安全适用 确保质量
2.时效硬化 钢材随着时间的增长逐渐变硬变脆 的现象称为时效硬化。不同种类钢材的时效 硬化过程可从几小时到数十年。
3.设计要求 钢结构设计一般不利用冷加工硬化 造成的强度提高，而且对直接承受动力荷载 的钢结构还应设法消除冷加工硬化的影响， 如将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。
第四节 建筑钢的种类、牌号及选用
5.大跨度结构
随着结构跨度增大，结构自重
在全部荷载中所占比重也就越大，减 轻自重可获得明显的经济效益。对于 大跨度结构，钢结构重量轻的优点显 得特别突出。
上海卢浦大桥目前世界上最大的中承式钢
结构拱桥，总投资约24亿元。该桥主跨550米， 2002年10月12日合龙,03年8月完工。
日本明石跨海大桥
一、建筑钢的种类
建筑钢常用钢材有碳素钢和低合金钢两种。 钢的机械性能主要依赖于含碳量和其他合金元素。 根 据 含 碳 量 分 为 高 碳 钢 （ C ＞ 0.6% ） 、 中 碳 钢 （0.25%＜C≤0.6%）和低碳钢（C≤0.6%）以及熟铁 （C＜0.06%）、生铁或铸铁（C＞2.11%）。 合金钢按合金元素含量分为低合金钢（＜5%）、中 合金钢和高合金钢（＞10%）。 按浇注方法可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特 殊镇静钢。
钢结构计算方法~
钢结构工程量计算规则一、工程量计算规则钢结构工程的工程量计算统一按《钢结构工程量计算规则》计算，套用定额时工程项目内容结合《2006年公司产品内部结算定额》、《钢结构安装施工定额》的有关说明。
本计算规则中未列的项目或对计算方法有异议，请编制补充计算规则，并及时与营销管理中心商务部联系，经公司相关部门审核后统一颁发。
1、圆钢每m重量=0.00617×直径×直径2、方钢每m重量=0.00786×边宽×边宽3、六角钢每m重量=0.0068×对边直径×对边直径4、八角钢每m重量=0.0065×直径×直径5、螺纹钢每m重量=0.00617×直径×直径6、等边角钢每m重量=边宽×边厚×0.0157、扁钢每m重量=0.00785×厚度×宽度8、无缝钢管每m重量=0.02466×壁厚×(外径-壁厚)9、电焊钢每m重量=无缝钢管10、钢板每㎡重量=7.85×厚度11、黄铜管：每米重量=0.02670*壁厚*（外径-壁厚）12、紫铜管：每米重量=0.02796*壁厚*（外径-壁厚)13、铝花纹板：每平方米重量=2.96*厚度14、有色金属比重：紫铜板8.9黄铜板8.5锌板7.2铅板11.3715、有色金属板材的计算公式为：每平方米重量=比重*厚度方管: 每米重量=(边长+边长)×2×厚×0.00785不等边角钢每米重量=0.00785×边厚(长边宽+短边宽--边厚)工字钢每米重量=0.00785×腰厚[高+f（腿宽-腰厚）]槽钢每米重量=0.00785×腰厚[高+e（腿宽-腰厚）]文案大全文案大全文案大全文案大全文案大全文案大全文案大全文案大全文案大全文案大全文案大全文案大全文案大全文案大全文案大全文案大全高层4钢梁箱型梁T箱型梁：梁实际净长*该规格的理论重量箱型梁理论重量：〔B*厚度*7.85kg/m3*2+（A－2a）*厚度*7.85kg/m3*2〕1、箱型梁内的隔板、夹板等节点板参照借点详图计算，工程量并入梁内计算2、如单个加劲板或隔板、夹板等节点板孔洞面积在0.3m2以内的不扣除孔洞面积；如在0.3m2以上需扣除孔洞面积3、总重：单根箱型梁重量*根数（参照钢梁布置图）高层5 异型梁截面尺寸不规则的钢梁或者如曲梁等T组成异型梁的各构件相应计算规则计算1、在计算异型梁工程量时按照图纸节点详图把相关的节点板工程量计算出来（如节点板形状为不规则或多边形钢板以其最小外接矩形面积*板厚*7.85kg/m3）。
钢结构的材料和计算方法课件
=2.06×105N/mm2 。
(2)弹塑性阶段σ与ε呈非线性关系，切线模量Et＝dσ/dε, Et随 应力增大而减小，当σ= fy 时，Et=0。
(3)塑性阶段也称屈服阶段，σ= fy后钢材暂时不能承受更大的荷 载，且伴随产生很大的变形，因此钢结构设计取fy作为强度极限
承载力的标志。
(4)强化阶段 试件能承受的最大拉应力fu为钢材的抗拉强度。取fy 作为强度极限承载力的标志，fu就成为材料的强度储备。
• 近几十年来，我国利用丰富的矿产资源，发展了一 批适合我国资源情祝的低合金钢，列入冶金工业部 部领标准的钢号有21种。其中16锰钢是我国试制成 功的第一个低合金钢钢种。它是以我国富有的硅、 锰为主要合金元素，生产工艺简单，综合性能良好、 焊接质量稳定强度较高。
• 另外尚有一些专用性的钢材，如适于承受动力荷载 的桥梁钢常用的钢号有16锰桥钢，系在16锰钢生产 的基础上，加铝进一步脱氧。它的结晶颗粒细、含 硫、碘等有害杂质少，焊接性能和低温下的冲击韧 性都比16锰钢好。
1、单向拉伸时的性能
钢的工作大致可划分为：弹性、弹塑性、塑性（屈 服）、强化和颈缩四个阶段。
标准试件在室温（100C～350C) 、以满足静力加载的
加载速度一次加载所得钢材的应力σ～ ε应变曲线
显示的钢材机械性能如下：
钢结构的材料和计算方法
6
(1)弹性阶段σ≤fp，σ与ε呈线性关系，称该直线的斜率E为钢材 的弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢材统一取E
3.人工时效 使钢材产生10%的塑性变形，再加热到 200～300 oC，然后冷却到室温进行试验。这样可使 时效在几小时内完成。
4.设计要求 钢结构设计一般不利用冷加工硬化造成 的强度提高，而且对直接承受动力荷载的钢结构还应 设法消除冷加工硬化的影响，如将局部硬化部分用刨 边或扩钻予以消除。
(2)弹塑性阶段σ与ε呈非线性关系，切线模量Et＝dσ/dε, Et随 应力增大而减小，当σ= fy 时，Et=0。
(3)塑性阶段也称屈服阶段，σ= fy后钢材暂时不能承受更大的荷 载，且伴随产生很大的变形，因此钢结构设计取fy作为强度极限
承载力的标志。
(4)强化阶段 试件能承受的最大拉应力fu为钢材的抗拉强度。取fy 作为强度极限承载力的标志，fu就成为材料的强度储备。
• 近几十年来，我国利用丰富的矿产资源，发展了一 批适合我国资源情祝的低合金钢，列入冶金工业部 部领标准的钢号有21种。其中16锰钢是我国试制成 功的第一个低合金钢钢种。它是以我国富有的硅、 锰为主要合金元素，生产工艺简单，综合性能良好、 焊接质量稳定强度较高。
• 另外尚有一些专用性的钢材，如适于承受动力荷载 的桥梁钢常用的钢号有16锰桥钢，系在16锰钢生产 的基础上，加铝进一步脱氧。它的结晶颗粒细、含 硫、碘等有害杂质少，焊接性能和低温下的冲击韧 性都比16锰钢好。
1、单向拉伸时的性能
钢的工作大致可划分为：弹性、弹塑性、塑性（屈 服）、强化和颈缩四个阶段。
标准试件在室温（100C～350C) 、以满足静力加载的
加载速度一次加载所得钢材的应力σ～ ε应变曲线
显示的钢材机械性能如下：
钢结构的材料和计算方法
6
(1)弹性阶段σ≤fp，σ与ε呈线性关系，称该直线的斜率E为钢材 的弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢材统一取E
3.人工时效 使钢材产生10%的塑性变形，再加热到 200～300 oC，然后冷却到室温进行试验。这样可使 时效在几小时内完成。
4.设计要求 钢结构设计一般不利用冷加工硬化造成 的强度提高，而且对直接承受动力荷载的钢结构还应 设法消除冷加工硬化的影响，如将局部硬化部分用刨 边或扩钻予以消除。
水工钢结构
第一章绪论1、钢结构的特点优点：自重轻、可靠性高、抗振性，抗冲击性好、工业化程度高、可以准确快速装配、容易做成密封结构缺点：易腐蚀、耐火性差、价格相对较贵2、钢结构在水工中的应用有哪些活动式结构、装拆式结构、板结构、高耸结构、大跨度结构、海工钢结构第二章钢结构的材料和计算方法1、钢结构的破坏形式塑性破坏、脆性破坏2、软钢的单向拉伸试验四个阶段：弹性及弹塑性阶段，塑性阶段，自强阶段，颈缩阶段四个性能指标：屈服强度，抗拉强度，比例极限，伸长率看课本第9页图2-13、冷弯试验可以检验钢材内部颗粒组织情况和非金属夹渣夹层等缺陷。
可以反映钢材的塑性，检验钢材的冷弯性能，是衡量钢材质量的一个综合性指标。
4、冲击韧性试件吸收的冲击功越大，材料断裂时吸收的能量越多，材料的冲击韧性越好。
5、钢材的防腐蚀措施涂料防护、喷镀保护、电化学保护6、化学成分对钢材的影响碳含量越多，钢材的屈服强度和抗拉强度越高，而塑性和韧性，特别是低温冲击韧性下降。
同时钢材的焊接性能、疲劳强度、抗锈蚀性下降。
氧和硫引起“热脆”，氮和磷引起“冷脆”，锰、硅、钒、硼为有益元素7、钢材浇铸过程中因脱氧程度不同分类沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）、特殊镇静钢(TZ)8、复杂应力对钢材的影响？同号危险，异号安全9、什么是应力集中？影响如何？（概念作为了解）概念：在缺陷或截面变化附近，主应力迹线曲折、密集，出现应力高峰的现象。
影响：形成了同号应力状态。
裂缝最危险，椭圆比圆危险10、什么是硬化？冷作硬化VS时效硬化（概念作为了解）概念：钢材强度增强，塑性和韧性降低的现象叫硬化。
分为冷作硬化和时效硬化。
冷作硬化属于人为；时效硬化不属于人为。
11、温度对钢材的影响课本17页图2-812、钢材的疲劳破坏主要取决于：钢材的质量、构件的几何尺寸和缺陷、应力循环特征和循环次数。
在一定的循环次数下，发生疲劳破坏时的应力幅大小取决于：构件和连接类别。
13、疲劳计算应注意的问题疲劳计算时，作用于钢结构的荷载取标准值。
水工钢结构
水工钢结构：《水工钢结构》主要依据国家标准《钢结构设计规范》和（水利水电工程钢闸门设计规范》编写，全书共分六章。
章节前有内容提要、中有例题、后有章节小结，并附有思考题和习题等。
目录：出版者的话前言绪论第一节钢结构的特点和应用第二节钢结构的发展概况和发展方向第三节水工钢结构课程的主要内容、性质、任务和基本要求小结思考题第一章钢结构的材料及设计方法第一节钢材的破坏形式第二节钢材的主要力学性能第三节影响钢材力学性能的主要因素第四节复杂应力下钢材的工作性能第五节钢材的疲劳第六节钢材的种类、规格及选用第七节钢结构的设计方法小结第二章钢结构的连接第一节钢结构的连接方法第二节焊接连接第三节对接焊缝连接第四节角焊缝的构造和计算第五节焊接残余应力和残余变形第六节普通螺栓连接第七节高强度螺栓连接小结思考题习题第三章钢梁第一节钢梁的形式及应用第二节钢梁的弯曲强度及其计算第三节钢梁的刚度计算第四节梁的整体稳定第五节型钢梁设计第六节组合梁设计第七节梁的局部稳定和腹板加劲肋设计第八节组合梁腹板考虑屈曲后强度的计算第九节梁的拼接与连接思考题习题第四章钢柱与钢压杆第一节柱的可能破坏形式第二节柱的截面强度与刚度第三节轴心受压实腹式构件的整体稳定第四节轴心受压格构式构件的整体稳定第五节轴心受压构件的局部稳定和单肢稳定第六节轴心受压柱设计第七节实腹式压弯构件的稳定第八节格构式压弯构件的稳定第九节偏心受压柱设计第十节梁柱连接第十一节柱脚的设计小结思考题习题第五章钢桁架第一节概述第二节桁架的外形、尺寸和腹杆设计第三节桁架支撑设计第四节桁架的荷载和杆件内力计算第五节桁架杆件的截面选择第六节桁架节点设计第七节桁架的施工图绘制小结思考题习题第六章平面钢闸门第一节概述第二节平面钢闸门的组成和结构布置第三节平面钢闸门的结构设计第四节平面钢闸门的零部件设计第五节止水、启闭力和吊耳思考题附录附录一梁的整体稳定系数附录二型钢规格和截面特性附录三轴心受压构件的稳定系数附录四矩形弹性薄板弯矩系数附录五钢闸门的自重估算公式附录六材料的摩擦系数参考文献。
水工钢结构-2.钢结构的材料和计算方法
单向拉伸时钢材的力学性能指标
（1）屈服强度fy 应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的 应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材 的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。
（2）抗拉强度fu
应力应变曲线最高点对应的应力，它
是钢材破坏前所能承受的最大应力。 屈强比大好还是小好？
（3）伸长率δ
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。 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，因而屈服点及伸长率均大于厚板。 钢材的力学性能按板厚或直径分组。
3.应力集中的影响
在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变 化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是 在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。
2、三向应力状态（Mises yield condition)
2 2 2 2 2 s eq s x s y s z2 - (s xs y s ys z s zs x ) 3( xy yz zx） f y
或 s eq
1 2 2 2 [(s x - s y ) 2 (s y - s z ) 2 (s z - s x ) 2 ] 3( xy yz zx） f y 2
冲击能 CV Pl (cos - cos )
P—摆锤重力 l — 摆长
附录一 表4
可焊性
好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头 和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材。
影响钢材可焊性的因素
钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12%～0.20% 范围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235B）ຫໍສະໝຸດ 碳含量再高可使焊缝和热影响 区变脆。
水工钢结构第五版知识点总结
水工钢结构第五版知识点总结第一章绪论1、钢结构的特点：优点：1自重较轻2材质均匀，可靠性较高3强度高，具有良好的塑性和韧性4工业化程度高5制造方便，施工周期短6密闭性好7拆迁方便缺点：1耐磨性差2残余应力和变形3耐火性差4低温冷脆第二章钢结构的材料和计算方法1、钢结构的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏2、钢材的主要机械性能：1单项拉伸时的工作性能2塑性3韧性4冷弯性能5可焊性6耐性3、钢材的各主要衡量指标：、1屈服点fy2抗拉强度fu3比例极限fp4伸长率δu5冷弯试验6冲击功Akv4、承重钢材必须满足的三项主要机械性能：刚才的抗拉强度伸长率屈服点5、影响钢材的主要因素：1化学成分的影响2钢的冶炼轧制3钢材缺陷4应力集中5时效硬化、冷作硬化6温度7残余应力8反复荷载9复杂应力6、钢材的可焊性及分类可焊性：在给定条件的构造形式和焊接工艺条件下获得符合质量要求的焊缝连接性能分类：施工上的可焊性使用上的可焊性7、主要化学成分对钢材性能的影响?有毒元素?1)碳：影响钢材强度，碳的含量增加，钢材强度增加，塑性、韧性下降(钢的含碳量小于2%，碳大于2%则为铸铁。
2)锰：弱脱氧剂，适量的锰可提高钢材强度，抵消热脆影响，不显著降低塑性韧性3)硅：强脱氧剂，适量的硅提高钢材强度，而对塑性韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响4)铝、铬、镍：铝是强脱氧剂，补充脱氧，减少钢材中的有害氧化物有毒元素：1硫：降低塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性。
高温时发生热脆2磷：低温时发生冷脆，高温时降低塑性3氧、氮：氧化物使钢材热脆，氮使其冷脆8、钢材冶炼产生的缺陷有：偏析、非金属夹杂、裂纹、分层9、钢材按浇筑方法分为：浇入铸模做成的钢锭、浇入连续浇铸机做成钢坯按脱氧程度分：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢10、冷作硬化、时效硬化及其影响：冷作硬化：钢在制造过程中如剪、冲、钻、刨、弯、锟等加工产生较大塑性变形引起钢的硬化现象。
影响：提高了钢的弹性范围，降低了塑性和冲击韧性，易出现脆性破坏时效硬化：钢的性质随时间的增长逐渐变硬变脆的现象。
水工钢结构
第二节影响钢材性能的主要因素一、化学成分的影响1. 有益元素:碳(C )、锰（Mn）、硅(Si)、钒（V）、钛（T i ）等是有利元素，但也要注意对含量的限制。
2. 有害元素:硫（S）、磷（P）氧（O）、氮（N）会降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。
应严格限制含量。
其中：S和O引起热脆；P和N引起冷脆。
二、钢材生产过程的影响1. 冶炼炉种的影响已无必要强调炉种的影响。
2. 钢的脱氧钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。
因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧。
因脱氧程度或方法不同，把钢分为沸腾钢(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(Z)和特殊镇静钢(TZ)。
3.钢材的轧制将钢锭加热至1200～1300o C，通过轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧钢材。
轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。
钢材的压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大时，其强度和冲击韧性也愈高。
三、温度的影响●正温度范围内（t>0o C）:t<200o C时，钢材的性能变化不大。
t在250o C左右，钢材塑性和韧性下降，破坏常呈脆性破坏特征。
t=(260～320)o C 时，钢材有徐变现象。
t>300o C时，钢材的强度和E开始显著下降，而δ显著增大。
当t>400o C 时，钢材的强度和E都急剧降低，t>600o C时其承载能力几乎丧失。
●在负温度范围内（t<0o C）：随着温度降低，塑性和韧性降低，材料变脆，称为低温冷脆。
钢材冲击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温度t 0称为脆性转变温度。
设计选用钢材时应使其脆性转变温度区的下限温度t1低于结构所处的工作环境温度，即可保证钢结构低温工作的安全。
四、冷加工硬化和时效硬化1.应变硬化钢材在常温下加工称为冷加工。
冷轧、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形，从而使f y提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种现象称为冷加工硬化。
《钢结构》第二章钢结构的材料资料
主 编
素结构钢，属于低碳钢，含碳量小于0.25%；工程所用低合
） 金钢，其含碳量小于0.52%。
第2章 钢结构的材料
钢 ⑵ 锰（Mn)、硅(Si)
结 构
是作为脱氧剂存在钢中，是钢中的有益元素。能提高钢
基 材的强度，而对塑性和韧性无明显影响。
本 原
⑶ 硫(S)、磷(P)
理
硫、磷是钢中十分有害的元素。硫的存在会加大钢材的
结 构
指钢材在冷加工时，对产生裂缝
基 的抵抗能力。
本 将试件弯曲成规定的角度后,检查
原 理
试件弯曲部分的表面有无裂缝、裂
（ 断、分层等，没有即为合格。
黄 冷弯试验是鉴定钢材质量的一种
呈 伟
良好方法，常作为静力拉伸试验和
主 冲击试验的一种补充试验，是一项
编 ）
衡量钢材力学性能的综合指标。
a
d a
d+2.1a
（ 耐老化性：“老化”使钢材变脆。 黄 呈 耐长期高温性：在长期高温条件下工作的钢材，其破坏强
伟 主
度比常温拉伸试验的强度低得多，应另行测定“强度”。
编 耐疲劳性：钢结构或构件在长期连续的交变荷载或重复荷 ） 载作用下，应力低于fy也会发生破坏，称为“疲劳破坏”。
第2章 钢结构的材料
钢 结
2.1.6 钢构件的两种破坏形式
图2.5 冷弯1800试件
第2章 钢结构的材料
钢
2.1.3 冲击韧性
结 构
冲击韧性是衡量钢材强度、
基 塑性及材质的一项综合指标。
本 原
冲击韧性由冲击试验测定。
理 冲击韧性：
（ 黄
α
k
(NA•km/cm2)
A
水工钢结构
§1.1 课程的性质和任务 §1.2 钢结构的特点 §1.3 钢结构的应用 §1.4 钢结构设计的要求 §1.5 水工钢结构的发展
§1.1 课程的性质和任务
课程概况
• 钢结构是土木工程专业的主要专业课之一，也是水工、港航
、海工、农水等水利类专业的专业基础课。钢结构是当前我
国重点推广和发展的结构形式。
强度－ fy 强度设计标准值，设计依据；fu钢材的最大承载强度 ，安全储备。 塑性－δu，钢材产生塑变时而不发生脆性断裂的能力，便于内
力重分布，吸收能量，重要指标。
冷弯性能－90o、180o，在冷加工过程中产生塑性变形时，对产 生裂纹的敏感性，是判别钢材塑及冶金质量的综合指标。 韧性－冲击韧性αk，钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收 能量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的能力（动力指标）
受力性能和强度介于两者之间角焊缝按受力方向分类华北电力大学钢结构角焊缝应力状态a侧面角焊缝b正面角焊缝角焊缝连接的构造和计算华北电力大学钢结构角焊缝的构造要求华北电力大学钢结构为焊缝横截面的内接等腰三角形的最短距离即不考虑熔深和凸度直角角焊缝强度计算的基本公式当角焊缝的两焊脚边夹角为90时称为直角角焊缝即一般所指的角焊缝角焊缝截面华北电力大学钢结构角焊缝的有效截面为焊缝有效厚度喉部尺寸与计算长度的乘积也即以45方向的最小截面角焊缝有效截面上的应力角焊缝连接的构造和计算华北电力大学钢结构角焊缝极限强度31q235系数为18其他钢种系数为1730式一致统一公式32焊缝金属抗拉强度华北电力大学钢结构规范采用折算应力引入抗力分项系数相当于角焊缝抗拉强度设计值计算过于繁琐不方便设计计算角焊缝连接的构造和计算华北电力大学钢结构进一步简化34合应力角焊缝连接的构造和计算华北电力大学钢结构分应力角焊缝连接的构造和计算华北电力大学钢结构共同作用计算式
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的数量和活力等。
• 防腐蚀措施:
–涂料防护: 油脂漆类、环氧树脂漆类、沥青漆类、
氯化橡胶等
–喷镀保护: 镀锌、镀铬
–电化学保护
第二节 影响钢材机械性能的主要因素
一、化学成分的影响
钢是由各种化学成分组成的，化学成分及其含量对钢的性能特别 是力学性能有着重要的影响。 基本成份:Fe:钢中含量占99％; C: 含C↑使强度↑，塑性、韧性、可焊性↓，应控制在 ≤0.22%，焊接结构应控≤0.20%。 Si:含Si适量使强度↑，其它影响不大，有益，应控制在≤0.1～ 0.3%
冲击韧性值随温度的降低而降低。 相当温度下的冲击韧性指标：在寒冷地区承受动力作用重要承重 结构，应根据工作温度和所用钢材牌号，提出相当温度下的冲击 韧性指标要求。
钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂过程中吸 收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击荷裁作用的一种能 力。 我国以前曾采用过梅氏试件(U形缺口)作冲击韧性试验。
σ
700 600
(N/mm2)
① ②
0.4
截面槽口改变愈急剧，
① φ10 25 ③ φ10 ②
应力集中现象愈厉害，
500 400 300 200 100
其抗拉强度愈高，但
④
③
100 φ10 ④ 测距100 10 20 30
塑性愈差，破坏的脆 性倾向愈大。
0
ε
%
应力集中对σ-ε曲线关系的影响
四、钢材硬化的影响
与原横截面积A0的缩减百分比，即
( A0 A1 ) 100% A0
截面收缩率标志着钢材颈缩区在三向拉应力状态下的最大塑性变形 能力。ψ值愈大，塑性愈好．对于抗层状撕裂的Z向钢，要求ψ值不 得过低。
冷弯性能
钢材冷弯性能：是指钢材在常温下承受一定弯曲程度而不破裂的能力。
• 冷弯性能由冷弯试验来确定。 • 冷弯试验：按照规定的弯心直
钢材的硬化有三种情况：
时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化。
在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐由固溶体中析
出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒的滑动界面上，对晶粒的塑
性滑移起到遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现
象称为时效硬化
在冷加工使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后再重新加载，
上能促使应力进行重分布，使应力不均匀的现象趋于平缓。
Z
z
o X
zy
zx
yx
yz
xy
xz
Y
y
3
1
x
2
单元体受复杂应力 （应力分量）
2
1
3
单元体主应力状态
按第四强度理论——
1.以应力分量表示
zs x y z ( x y y z z x ) 3 ( xy yz zx ) f y
2 2 2 2 2 2
2.以主应力表示
1 zs ( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 f y 2
zs
zs
f
f
y
材料处于弹性状态
y
材料处于塑性状态
孔口、槽边出现的应力集中现象
不同槽口试件静力拉伸试验的应力——应变曲线
计算应力可能小于钢材的屈服点fy ，断裂从应力集中处开始。破坏前 没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶粒状。 由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时察觉和采取补救措施，而 且个别构件的断裂常会引起整体结构塌毁，后果严重，损失较大。因
此，在设计、施工和使用过程中，应特别注意防止钢结构的脆性破坏。
试件发生弹性变形，应力—应变呈线性关系，直线斜率为
弹性模量E = σ/ε。Ａ点相对应的应力为比例极限 f p 常用低碳钢的弹性模量=2.06×102 Gpa。 弹性变形在卸载后可以完全恢复。
应力
fu fy fp
B A
C D
应变 O
（２）屈服阶段（ＡＢ段）
应力超过 f p 时，应变增加的速度大于应力增长速度，应力与应变
不再成比例，开始产生塑性变形。到达屈服点 B 后，应力发生很小 的波动，应变却急剧增长，出现屈服台阶。
应力
fu fy fp
B A
C D
应变 O
一般以比较稳定的屈服下限对应的应力作为屈服极限值 f y。常 用低碳钢的 f y为185～235 MPa。有些钢材没有明显的屈服台阶， 一般取卸载后有 0.2% 残余应变所对应的应力为名义屈服极限值 σ0.2 。
钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象称为冷作硬化
时效过程长 在塑性变形后对钢材加热到200～300 C，使时效在几小时内完成，
称为人工时效。重要结构常需进行人工时效，然后再测定其冲击韧性，
以保证钢材长期具有较好的韧性。
冷作硬化：钢材在弹塑性阶段或塑性阶段卸荷后再重复加载 时，其屈服点将提高，即弹性范围增大，而塑 （应变硬化） 性和韧性降低的现象。
冲击韧性
冲击韧性－冲击韧性αk，钢材在一定温度下塑变及断裂过程 中吸收能量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的能力（动力 指标），按常温（20o）、零温（0o） 、负温（-20o、-40o）区 分。
韧性是强度和塑性的综合表现。
两种测量方法：梅氏试验法和夏比法(恰贝法)
冲击韧性
单向拉伸试验比较不同钢材在正常情况下韧性好坏。冲击韧性是评定带 有缺口钢材冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标，通常用带有夏比 V型缺口的标准试件。
径在试验机上用冲头加压，使
试件弯成1800，如试件外表面 不出现裂纹和分层，即为合格。
冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变
形能力或塑性性能。还能暴露钢材内部 的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与 氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材 的冷弯性能。因此，冷弯性能合格是判 别钢材的塑性性能和钢材质量的综合指 标。
钢材的破坏特点
1、塑性破坏
塑性断裂是由于剧烈的塑性变形而引 起的断裂，是一种穿晶断裂。
破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的相互垂直交 错的锈迹剥落线。只有当构件中的应力达到抗拉强度后才会发生破 坏，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。 一般发生在静力荷载作用时。
a)杯锥状断口
塑性断裂宏观形貌 b）45度斜断口（从左到右表示断裂过程）
改变，使基本的计算假定（理想弹塑性材料）无效。另外，钢材从开始
屈服到破坏，塑性区变形范围很大，约为弹性区变形的200倍。同时抗拉 强度fu又比屈服点高出很多，因此取屈服点fy作为钢材设计应力极限，可 以使钢结构有相当大的强度储备。
为什么通常取fy作为 强度标准值,而不用 抗拉强度fu?
σ
fy
0
理想弹塑性材料的σ-ε曲线
二、冶炼、浇注、轧制过程及热处理的影响
• 炼钢的三个过程：炼、浇注、轧制
• 建筑用的轧制钢材，是将炼钢炉炼出的钢液注入盛钢桶中，再由盛钢
桶送入浇注车间，浇注成钢锭，一般钢锭冷却至常温放置，需要时再
将钢锭加热切割，送入轧钢机中反复碾压轧制成各种型号的钢材。 • (1)冶炼炉种的影响--熔炼 • 氧气顶吹转炉法 钢结构用钢
• 钢材的拉伸试验所得屈服点fy、抗拉强度fu和伸长率δ，是钢材机械性能
的三项重要指标。
• 钢结构设计中，将钢材屈服点fy作为钢材的标准强度。设计时将曲线简 化为理想弹塑性的模型。根据这条曲线，认为钢材应力小于fy时是完全 弹性的，应力超过fy，则是完全塑性的。 • 设计中以fy作为极限，是因为超过fy就进入应变硬化阶段，材料性能发生
2、脆性破坏
通常脆性断裂系指沿一定结晶面劈裂的解理断裂 及晶体结构断裂。
破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后 的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。 钢材承受动力荷载情况下，常会发生低应力脆性破坏。脆性破坏往往是 导致钢结构破坏的主要原因之一。
脆性破坏(动载或复杂应力、低温)塑性变形很小，甚至没有塑性变形，
间接的用钢材的冲击韧性来鉴定。冲击韧性合格的钢材，其焊接质
量也容易得到保证。
焊接结构的失事，往往是由于钢材的焊接性能不良，在低温和受动载时发生脆性 裂断。对于重要的承受动力荷载的焊接结构，应对所用钢材进行焊接性能的鉴定。
• 钢材的可焊性受含碳量和合金元素含量的影响。
–含碳量在0.1%～0.2%范围的碳素钢可焊性最好，可焊性良好的 钢材，用普通的焊接方法焊接后焊缝金属及其附近的热影响区 金属不产生裂纹，并且它们的机械性能不低于母材的机械性能。 • 钢材的可焊性与钢材的品种、塑性、冲击韧性、焊缝构造及所采
杂质元素：Mn:含Si适量使强度↑ 降低S、O的热脆影响,改善
热加工性能，对其它性能影响不大,有益。 S: 含量↑使强度↑，塑性、韧性、冷弯性能、可焊性↓；高温 时使钢材变脆－热脆现象
有害元素：P: 低温时使钢材变脆－冷脆现象；其它同S
N、O：O同S；N同P，控制含量≤0.008%。
V、Ti、B所含百分比不大,可使晶粒细化,强度、抗蚀性↑,塑性韧性 不显著降低－－有益元素
取的焊接工艺规程有关。
钢材的腐蚀现象
(1) 腐蚀对钢结构的危害
(a) 削弱有效截面 (b) 产生局部锈坑，引起应力集中
(c) 降低结构承载能力
(2) 水工钢结构的防腐蚀措施 (a) 涂料防护 (b) 喷镀防护 (c) 电化学保护 • 外接电源的阴极保护法 • 牺牲阳极保护法
• 影响钢材腐蚀的因素：湿度、空气、水中化学物质
钢材的主要性能
应力
0.2
M
应变
O
0.2%