二级结构师钢结构设计与钢材的选用
来源:优易学  2010-2-12 11:06:24   【优易学:中国教育考试门户网】   资料下载   建筑书店

 

    (4)脆断破坏:因含裂纹(或类裂纹)性缺陷的构件,在裂纹张开性拉应力或复合应力作用下,裂纹失稳发展而发生破坏。
    主要防止对策:选用塑性、韧性好的钢材,减小裂纹性缺陷、降低应力水平,并使应力强度因子K1不大于与钢材的静力或动力断裂韧性(K1C或K1d):
    K1=Yσa1/2≤K1C(静力)或K1d(动力)                 (3.4)
    其中:σ—裂纹场应力;a—裂纹长度;Y—与裂纹有关的参数。
    (5)过大塑性变形:因构件的过大不可恢复变形,导致构件产生继发性的上列(1)、(2)、(3)或(4)类形态的可能破坏。
    主要防止对策:改善构件的边界及受力条件;增大构件刚度或/和选用高强度钢材。
    上列钢构件的破坏形态还与所选用结构钢材有关,其破坏性质可能是塑性的或脆性的,这要取决于结构所用钢材的强度级别,质量等级,品质状况;加工偏差、缺陷,焊接、装配残余应力的大小和状况;作用力的性质是静力、动力、或冲击性的,单次或多次反复作用的;作用应力的高、低;是简单应力或是复杂应力;构件所处环境好坏等。当所用钢材强度级别高、等级差、品质次,类裂纹性缺陷及残余应力严重,承受有动或冲击荷载,且应力水平较高、状况复杂或/和构件处于低温恶劣环境时,其破坏常是脆性的;反之,在一般情况下,其破坏常是塑性的。
    钢结构设计,首先是保证结构安全和防止其发生突然间的脆性破坏。
    3、钢结构的破坏形态
    钢结构是用钢材经过加工、连接、安装组成的工程结构。它是许多钢构件的组合成的工程结构体系。它破坏的形态有以下几方面的特点:
    (1)破坏部位:可在局部连接,节点,构件,或是由这些局部的破坏开始,逐步扩展致使结   构的部分或总体毁坏倒塌。
    (2)破坏形态:其类别,基本上与钢构件的类似,但是,其破坏更具有结构体系性的特征,即可能是局部性的,整体性的,或其相互影响发展为总体性的。
    (3)破坏性质:可能是塑性的或脆性的;
    (4)破坏路径:多样;
    (5)破坏原因:是钢材性能、品质差;结构类别、体系选择、布置不当;截面几何特性、节点构造、连接不合理;受力状况复杂,结构计算简图及受力分析错误;制造、安装偏差缺陷严重等复杂因素的单独或综合作用的结果。
    (6)破坏历程:可能是逐渐扩展性的或突发性的;
    (7)破坏后果:常较严重。
    钢结构设计,首先是保证结构安全和防止其发生突然间的脆性破坏。
    4、各类型钢结构的主导性破坏形态
     总体而论,各种类型钢结构的各种破坏形态都可能发生,但是,不同类型和不同环境下的钢结构,通常发生的主导性破坏形态也有差别,例如:
    (1)轻型、超轻型钢结构: 强度破坏;局部,整体,或总体失稳。
    (2)普通钢结构:强度破坏;局部,整体,或总体失稳;疲劳破坏;过大塑性变形破坏。
    (3)重型钢结构:强度破坏;整体,或总体失稳;断裂破坏;疲劳破坏。
    此外,不同钢结构受力体系,其破坏形态、性质、路径和历程也会有较大差异。一般正常工作情况下,梁格结构的破坏常是逐渐扩展性的、塑性的、部分的;张拉索杆、索网钢结构、预应力钢结构等,如选用高强度、低韧性钢材和设计时使结构处于高应力状态,其破坏常可能是突发性的、脆性的,甚或整体或总体性的。
    四、 钢结构设计与结构钢材的选用
    1、结构钢材的主要物理力学性能与钢结构设计
    屈服强度fy:结构设计中线弹性分析以及强度、稳定性计算的限值标准。
    抗拉强度fu:受拉破坏的极限。强屈比是衡量强度储备的重要标志。
    伸长率δ5(δ10):钢材单向拉伸的塑性性质表现。
    冷弯角α:钢材弯曲挤压时的塑性性质表现,和对钢材内部缺陷的揭示。
    断面收缩率ψ:钢材复杂受力状态下的塑性体现。
    冲击韧性AK:钢材破坏所需动能的一种量度。
    断裂韧性K1C:钢材裂纹失稳扩展的一种限值。
    2、结构钢材的钢种、牌号、强度级别、质量等级:
    钢种:碳素钢,低合金钢;普通钢,优质钢,特种工艺钢(如TMPS)。
    牌号:由屈服强度字母Q、屈服强度数值、质量等级(A,B,C,D,E)、脱氧方法符号
    (F,B,Z,TZ)组成。
    强度级别:Q235, Q345, Q390, Q420…。
    质量等级:标准规定交货时,一般应保证合格的性能如下
    A级— fu, fy,δ5 (δ10) ,α; S , P。
    B级— fu, fy,δ5 (δ10) ,α; C,S , P, AK(+200C)。
    C级— fu, fy,δ5 (δ10) ,α; C,S , P, AK( 00C)。
    D级— fu, fy,δ5 (δ10) ,α; C,S , P, AK(-200C)。
    E级— fu, fy,δ5 (δ10) ,α; C,S , P, AK(-400C)。
    其它性能指标要求,须由设计提出,并与供货方协约确定。但是,要求的级别、等级越高, 附加条件越多、越苛刻,则价格越贵。
    3、选用结构钢材性质的基本原则:足够可靠,满足需要(防止因材质差而脆断破坏)工艺性能良好和价格低廉。
    4、结构钢材性质选用须要考虑的主要因素:结构重要性;结构类型;连接方法;节点构造;受力状态;环境状况。
    5、钢结构的钢材选用
    (1)质量等级的选择
    一般非焊接的钢结构可选用A级钢;
    焊接钢结构,静载作用时应选用B级钢;
    焊接钢结构,动载作用时,应根据结构所处环境温度,选用C,D,E级的或特级钢,务必使钢材的脆性转换温度低于结构所处环境温度。
    对于有层状撕裂受力的结构部位的较厚钢板,应有抗层状撕裂的要求。
    对节点构造及受力状况复杂、工作环境条件恶劣的重型焊接钢结构,应提高对钢材质量标准的要求。
    重要钢结构钢材的质量等级选择宜提高。
    (2)强度等级的选用
    普通钢结构钢材的强度等级常常选为Q235或 Q345;
    重型、超重型钢结构钢材的强度等级可选为Q345,Q390,Q420或更高强度等级的特种钢材;来源:考
    冷弯薄壁轻型钢结构,非焊接时可用A级,焊接时应用B级钢;一般可选用强度等级为Q235或Q345钢;
    超轻型钢结构及用于屋面、墙面的压型板的彩色涂层钢板可选用强度等级与Q235或 Q345相当的钢材;当锁缝连接时应有良好的冷弯性能,必要时可补做多层卷筒压扁无损伤合格试验;当为压扣连接时宜选较高强度级别和韧性好的钢材。
    五、 结束语
   钢结构自重轻,抗震好,耐冲击等优良品质的展现,在于正确设计、制造、安装和使用,而设计方案的选择是其根本;根据结构类型、所处环境、施工条件,选择钢材品种、牌号,对保证结构正常工作,防止脆性破坏,减轻结构自重和降低结构造价具有重要作用。钢结构设计选用钢材牌号的关键是,把握使其强度级别足够、质量等级适当、具有良好的塑性和韧性且价格较低,即使其性价比最优。
   由于笔者水平所限,上述管见,仅供参考;谬误多有,敬请指正。

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责任编辑:cyth

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