第二章。
本章内容。钢结构对钢材有哪些性能方面的要求？
如何获得这些性能方面的指标？
影响钢材性能的主要因素有哪些？
钢材会发生什么样的破坏形式？
钢材的疲劳问题；
选用钢材依据什么原则？
钢材的分类与规格。
本章教学要求。
掌握钢结构用钢材的主要性能及指标；
掌握影响钢材性能的主要因素，特别是导致钢材变脆的主要因素；
了解钢材的两种破坏形式（脆性、塑性破坏）；
掌握钢材疲劳的概念、影响疲劳强度的主要因素和疲劳计算方法。
熟悉钢结构用钢材的种类、牌号、规格；
掌握钢材选择的依据，做到正确选择钢材；
2.1 钢结构对钢材性能的要求。
较高的强度。
较好的塑性。
较好的冲击韧性。
良好的冷加工性能。
良好的可焊性。
2.2 钢材性能指标的获得。
钢材的拉伸试验。
获得钢材的抗拉强度、屈服极限和塑性。
钢材的冲击试验。
获得钢材的冲击韧性
钢材的冷弯试验。
获得钢材的冷弯性能。
钢材的含碳量。
决定钢材的可焊性。
钢材的的化学成分。
决定钢材的抗腐蚀性能。
钢材的机械性能指标。
1、屈服点fy；
2、伸长率δ；
3、抗拉强度fu；
4、冷弯性能；
5、冲击韧性cv
(包括常温冲击韧性、
0度时冲击韧性。
负温冲击韧性）。
小节。2.3 钢材的破坏形式。
两种性质完全不同的破坏形式：
塑性破坏（延性破坏)
脆性破坏（脆性断裂)
2.4 影响钢材性能的一般因素。
化学成分的影响。
钢材生产过程的影响。
硬化的影响。
温度的影响。
应力集中的影响。
板厚、直径的影响。
残余应力。）材料由弹性转入塑性是用形状改变能量强度理论来判断的；
2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件。
假定：）复杂应力状态下外荷载使单元体单位体积内所积聚的形状改变能等于单轴受力屈服的形状改变能时，钢材即由弹性转入塑性。
外荷载使单元体产生应变，从而引起体积和形状改变，单元体内积聚了体积改变能和性状改变能。oz
xy单元体受复杂应力。
应力分量）复杂应力状态下以应力分量表示的形状改变能为。
单元体受主应力。
复杂应力状态下以主应力表示的形状改变能为。
单向应力作用下材料屈服时的形状改变能为。
材料处于弹性状态。
材料处于塑性状态。
复杂应力状态下材料由弹性进入塑性的条件为。
讨论。钢材的屈服仅取决于三向主应力差值平方和的大小，而不是主应力的本身大小；
当时单元体主要是各向均匀伸长或缩短引起的体积改变，其形状基本不变。即使各主应力值很高，材料也很难屈服；
三向受压时(静水压力) ，不屈服也不破坏；
三向受拉时；由于限制了材料的塑性发展，材料要发生脆性破坏。
当一个异号，另两个同号但不等值时发生塑性变形。
图示简支梁1-1截面腹板与翼缘交界a点的应力。
a对于薄板，厚度方向的应力很小，为平面受力状态。pp
mmaxvy一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：
**mayxqapmvpyxm3-3 截面仅有剪力，弯矩、局部压力均为零，故该截面除剪应力外，正应力均为零，即为纯剪状态。
一、概念。1、循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。pp
aa2.6 钢材的疲劳(按教材重写）
1）循环应力。
2）应力循环特征—应力比ρ
-构件截面应力随时间的变化。
3）应力幅。
在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅：
为常量。常幅循环：
为变量。变幅循环：
tb)脉冲循环。
a)完全对称循环。
c)不完全对称循环。
d)不完全对称循环。
2.钢材的疲劳。
在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。
3.疲劳破坏的机理。
疲劳破坏是积累损伤的结果。
缺陷→微观裂纹→宏观裂纹。
4.疲劳破坏的特征。
属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。
5.影响钢材疲劳的主要因素。
1）构件和连接的分类。
规范将构件和连接的种类分为 8类，第1类为轧制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；第8类为角焊缝应力集中最严重疲劳强度最低。 详见钢结构设计规范“疲劳计算的构件和连接分类（附录e）”。
焊缝附近主体金属的应力由：
实际应力循环均形成在拉应力范围。
2）应力幅（δσ和应力循环特征（应力比ρ）
a. 对于焊接结构：
应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名义最大应力σmax和应力比ρ无关。
b. 对于非焊接结构和轧制钢材。
在循环次数n一定的情况下，根据试验资料可以绘出n次循环的疲劳图(σmax和σmin关系曲线)。
当ρ=0和ρ=-1时的疲劳强度分别为σ0 和σ-1，连接9><>bc并延长至a、d。
非焊接结构的疲劳图。da
由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应（构造类型的应力集中情况）有关。
abcd直线方程为：da
非焊接结构的疲劳图。
3）应力循环次数n（疲劳寿命）
应力循环次数n<5×104，不需要进行疲劳计算。
应力幅越低，作用循环次数越多，疲劳寿命越高；
应力幅相同，作用的循环次数越。
多，疲劳寿命越高。
nx105n1n2fy
由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度主要与构件和连接分类（内部缺陷、应力集中、残余应力）、应力循环次数和应力幅有关。
焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度(屈服点fy)基本无关。
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。
二、疲劳强度计算。
一）常幅疲劳。
根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅δσ
与相应的致损循环次数n的关系曲线，按试验数据回。
归的δσ-n曲线为平均曲线(图a)，取对数坐标(图b)。
1.容许应力幅[δσ
由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研究阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟，故采用容许应力幅的计算方法。
σ-n曲线。a)
n式中：β-直线对纵坐标的斜率；
b1--直线在横轴坐标上的截距；
n--循环次数。b)
n=5×104
n=5x106
b1考虑试验数据的离散性，取平均值减去2倍lgn的标准差 s 作为疲劳强度下限，当lgδσ为正态分布时，保证率为97.7%。下限值的直线方程为：
此时的δσ即为容许应力幅：
式中：系数β、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。2s2s
b)n=5×104
n=5x106
b12.疲劳强度计算。
式中：δσ计算部位的应力幅；
对于焊接部位： δmax-σmin；
对于其他部位：δσmax-0.7σmin(计算应力幅）。
σmax、σmin--计算部位每次应力循环中的最大拉应力和。
最小拉应力或压应力（取负值）。
说明： 1）计算时用荷载的标准值；
2）由于**于试验，已考虑动力效应，计算。
时不再考虑动力系数；
二）变幅疲劳和吊车欠载效应系数。
maxmin
t欠载效应系数。重级工作制硬钩吊车1.0；重级工作制软钩吊车0.8；中级工作制吊车0.5。
-循环次数 n=2x106 的容许应力幅。
式中：对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度：
1、不出现拉应力的部位可不计算疲劳。但对出现拉应力的部位，例如σmax=140n/mm2,σmin=-10n/mm2和σmax=10n/mm2,σmin=-140n/mm2 两种应力循环的应力幅都是150n/mm2 ，疲劳强度相同，显然不合理。
2、螺栓受拉时螺纹处的应力集中很大，疲劳强度很低，常有疲劳破坏的实例，但规范没有规定，应予补充。
思考：一、钢的种类。
碳素结构钢。
低合金高强度结构钢（因含有锰、钒等合金元素而具有较高的强度）。
处在腐蚀性介质中的结构，则采用高耐候性结构钢（因含有铜、磷、铬、镍等合金元素而具有较高的抗锈能力）。
2.7 钢材的种类和规格。
钢结构用钢的牌号(简称钢号)
钢材牌号的一般表达形式：
q xxx
碳素结构钢有q195、q215、q235、q255、q275。
低合金高强度结构钢分为q295、q345、q、q460等五种
q235钢（gb/t 700-88）
质量等级（a、b、c、d）、浇注方法（f、z、tz）
a--保证fu、fy、δ，p、s含量；
脱氧方法：z、b或f ；
b--保证fu,fy,δ,冷弯，常温时cv，p，s，c含量；
脱氧方法： z、b或f ；
c--保证 fu,fy,δ,冷弯，0oc时cv，p，s，c含量；
脱氧方法：z
d--保证fu,fy,δ,冷弯，-20oc时cv，p，s，c含量；
脱氧方法：tz
q235钢有下列牌号。
q235a—— fy = 235n／mm2 ， a级，镇静钢；
q235a·b——fy = 235n／mm2 ， a级，半镇静钢；
q235a·f——fy = 235n／mm2 ， a级，沸腾钢；
0235b—— fy = 235n／mm2 ，b级，镇静钢；
q235b·b——fy = 235n／mm2 ，b级，半镇静钢；
q235b·f——fy = 235n／mm2 ，b级，沸腾钢；
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