鋼結構基本原理

2007年——2008年第二學期2鋼結構的材料本章內(nèi)容:(1)

鋼結構對材料的基本要求

(2)鋼材的破壞形式

(3)鋼材的主要機械性

(4)影響鋼材性能的主要因素

(5)鋼的種類和鋼材規(guī)格本章重點:鋼材的主要機械性能、各種因素對鋼材性能的影響本章難點:影響鋼材性能的主要因素

2.1鋼結構對材料的要求對鋼材的基本要求：

1、具有較高的抗拉強度fu和屈服點fy(結構的承載力大，所需的截面小，結構的自重輕).

2、具有較好的塑性、韌性(塑性好，不易發(fā)生脆性破壞；韌性好，利于承受動力荷載).

3、良好的工藝性能(包括冷加工、熱加工以及焊接性能)

規(guī)范規(guī)定：承重結構的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服點和碳、硫、磷含量的合格保證；焊接結構尚應具有冷彎試驗的合格保證；對某些承受動力荷載的結構以及重要的受拉或受彎的焊接結構尚應具有常溫或負溫沖擊性的合格保證.據(jù)上要求,《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003推薦承重結構用鋼宜采用：碳素結構鋼中的Q235鋼及低合金高強結構鋼中的Q345、Q390和Q420鋼四種鋼材。2.2鋼材的破壞形式1、塑性破壞：斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。破壞前有明顯的變形，破壞歷時時間長，可以采取補救措施。2、脆性破壞：破壞前沒有任何預兆，破壞是突然發(fā)生的，斷口平直并呈有光澤的晶粒狀。鋼材的破壞形式：塑性破壞和脆性破壞。

在設計、施工和使用鋼結構時，注意防止脆性破壞。

鋼材的主要性能是機械性能，可通過某些試驗（拉伸、冷彎、沖擊）確定。2.3鋼材的主要性能fp—比例極限

fy—屈服強度

(強度標準、設計依據(jù))fu—極限強度(最大承載強度、強度儲備)2.3.1受拉、受壓及受剪時的性能圖2.1碳素結構鋼的應力-應變關系條件屈服點：以卸荷后試件中殘余應變?yōu)?.2%所對應的應力（f0.2)δ—延伸率（塑性性能）塑性：在靜力荷載作用下，鋼材吸收變形能的能力。圖2.2高強度鋼的應力-應變曲線2.3.2冷彎性能冷彎性能是檢驗鋼材彎曲變形能力或塑性性能，還是顯示鋼材內(nèi)部缺陷狀況的一項指標；是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下塑性應變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標。圖2.3鋼材冷彎試驗示意圖2.3.3沖擊韌性韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它用材料在斷裂時所吸收的總能量來量度（Cv）。韌性是鋼材強度和塑性的綜合指標。沖擊韌性：在動力荷載作用下，材料吸收能量的能力。圖2.4沖擊韌性試驗2.4各種因素對鋼材性能的影響

2.4.1化學成分

鋼是含碳量小于2%的鐵碳合金。鋼中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。普通碳素鋼中，F(xiàn)e占99%，其余元素占1%。在低合金鋼中，除了上述元素外，還有一定合金元素（鎳、釩、鈦等）（含量低于5%）

各種元素對鋼材機械性能的影響如下。碳C：含量增加，鋼材強度提高，而塑性、韌性和疲勞強度低。同時焊接性能和抗腐蝕性惡化。一般在碳素結構鋼中不應超過0.22%；在焊接結構中還應低于0.2%。硅Si：碳素結構鋼中應控制≤0.3%,在低合金高強度鋼中硅的含量可達0.55%。錳Mn：含Mn適量使強度↑，降低S、O的熱脆影響，改善熱加工性能，對其它性能影響不大,有益.在碳素結構鋼中錳的含量為0.3%～0.8%，在低合金高強度鋼中錳的含量可達

1.0%～1.6%。硫S：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在高溫時，使鋼材變脆，稱之為熱脆。含量應不超過0.045%。(有害成分)磷P：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在低溫時，使鋼材變脆，稱之為冷脆。含量應不超過0.045%。可以提高強度和抗銹蝕性。(有害成分)氧O：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在高溫時，發(fā)生熱脆。(有害成分)氮N：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在低溫時，發(fā)生冷脆。(有害成分)釩和鈦：是鋼中的合金元素，能提高鋼的強度和抗腐蝕性能，又不顯著降低鋼的塑性。銅：可顯著提高鋼的抗腐蝕性能，也可以提高鋼的強度，但對焊接性能有不利影響。2.4.2

冶金缺陷

在冶煉、軋制過程中常常出現(xiàn)的缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋和分層。冶煉（脫氧）圖2.5鋼錠剖面縮孔保溫帽(a)沸騰鋼(b)鎮(zhèn)靜鋼注意：薄鋼板的強度比厚鋼板的強度高。軋制軋棍圖2.6鋼的軋制使晶粒細化0.035~0.0400.030~0.0350.025~0.0300.0250.025~0.0300.09~0.100.08~0.090.07~0.080.06~0.070.055~0.060.05~0.0550.045~0.050.04~0.0450.035~0.040.03~0.0350.025~0.030.025圖2.7鋼錠中硫的偏析(a)鎮(zhèn)靜鋼錠(b)沸騰鋼錠鋼液含硫0.032%鋼液含硫0.04%圖2.8型鋼硫的偏析是硫、磷，將使偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。1.偏析：鋼中化學成分分布不均勻，主要的偏析

2、非金屬夾雜：鋼材中存在非金屬化合物（硫化物、氧化物），使鋼材性能變脆。

3、裂紋、分層：澆注時的非金屬夾雜物在軋制中可能造成鋼材的分層，影響鋼材的冷彎性能。

冷作硬化——當加載超過材料比例極限卸載后，出現(xiàn)殘余變形，再次加載則屈服點提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象，也稱“應變硬化”。時效硬化——隨時間的增長，碳和氮的化合物從晶體中析出，使材料硬化的現(xiàn)象。應變時效——鋼材產(chǎn)生塑性變形時，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同時可以加速時效硬化，因此也稱“人工時效”。

2.4.3

鋼材硬化2.4.4溫度影響

溫度升高，鋼材強度是降低、應變增大；反之，溫度降低，鋼材強度略有增加，塑性和韌性降低而變脆，見圖2.9。藍脆：在250度左右時，強度提高而伸長率和沖擊韌性降低，鋼材表面氧化膜呈藍色，此種現(xiàn)象稱為藍脆現(xiàn)象。徐變：當溫度在260—320度時，在應力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形，此種現(xiàn)象稱為徐變。當溫度達到600度時強度很低，不能承擔荷載。fufyδ(%)Et(℃)圖2.9溫度對鋼材機械性能的影響當溫度低于常溫時，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而增加。T1～T2之間溫度轉變脆性區(qū)，沖擊功急劇下降。而且不同的鋼材其脆性轉變區(qū)溫度不同，必須通過試驗確定。使用溫度必須高于T1，但不一定高于T2。圖2.10沖擊韌性與溫度的關系曲線2.4.5應力集中

構件上孔洞、刻槽、凹角、裂紋以及截面厚度或寬度改變等部位，在力作用下，該處出現(xiàn)高峰應力，而其它部位應力較低，截面應力分布不均勻現(xiàn)象——應力集中。應力集中系數(shù):應力集中是造成構件脆性破壞的主要原因之一。應力集中系數(shù)越大，變脆的傾向越嚴重。圖2.11孔洞及槽孔處的應力集中2.4.6反復荷載作用疲勞破壞:

鋼材在直接的反復的動力荷載作用下，鋼材的強度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗的極限強度，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞破壞表現(xiàn)為突然發(fā)生的脆性斷裂。

鋼材在反復荷載作用下，結構的抗力及性能都會發(fā)生重要變化，甚至發(fā)生疲勞破壞。為防止脆性破壞，在設計、制造及使用中應注意:

合理設計正確制造正確使用2.5復雜應力作用下鋼材的屈服條件

在單軸應力作用下

時鋼材屈服，構件由彈性工作狀態(tài)轉為塑性工作狀態(tài)。在多軸應力作用下鋼材的屈服條件不能以某一軸向應力超過某屈服點來判別，而是按材料力學的能量強度理論計算折算應力與鋼材在單軸應力作用下的比較判斷。圖2.12復雜應力當用應力分量表示時：

當用主應力表示時：

在普通梁中，一般只存在正應力和剪應力：

（1）當三個主應力同號且數(shù)值接近時，即使很大，但鋼材很難屈服，發(fā)生脆性破壞。（2）有異號應力，且同號兩個應力差較大，即使，但可能大于，發(fā)生塑性破壞。

純剪：

討論：2.7鋼材的種類和規(guī)格

按用途：結構鋼、工具鋼、特殊鋼(如不銹鋼等)。按冶煉方法：轉爐鋼、平爐鋼。按脫氧方法：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼。按成型方法：軋制鋼、鍛鋼、鑄鋼。按化學成分：碳素鋼、合金鋼。在建筑工程中采用的是：碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼。2.7.1鋼材的種類鋼的牌號有四部分組成：1、Q——代表屈服強度的字母；2、屈服點的數(shù)值——195、215、235、275、295、345、390、420、460等；3、質(zhì)量等級符號——A、B、C、D四個等級(碳素結構鋼)A、B、C、D、E五個等級（低合金高強度結構鋼）4、脫氧方法符號——F代表沸騰鋼、b代表半鎮(zhèn)靜鋼、z代表鎮(zhèn)靜鋼、Tz代表特殊鎮(zhèn)靜鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼

主要用于鋼結構某些節(jié)點或用作連接件。建筑結構用鋼板

高性能建筑結構鋼材(GJ鋼)，牌號由以下組成：

1、Q——代表屈服強度的字母；

2、屈服點的數(shù)值；

3、代表高性能建筑結構用鋼的漢語拼音字母GJ；

4、質(zhì)量等級符號——B、C、D、E四個等級對于厚度方向性能鋼板，在質(zhì)量等級后面加上厚度方向性能級別（Z15、Z25、Z35）。

適用于建造高層建筑結構、大跨度結構及其他重要建筑結構。確定鋼材種類及其質(zhì)量等級。鋼材的選用原則

1、結構的重要性

安全等級不同，所選鋼材的質(zhì)量等級也應不同，重要的結構構件選用質(zhì)量好的鋼材。

2、荷載特征

荷載為靜力或動力荷載，應選用各項性能不同的鋼材。2.7.2鋼材的選擇

3、連接方法焊接應選擇可焊性好的鋼材。非焊接結構對含碳量可降低要求。

4、結構所處的溫度和環(huán)境

處于負溫下工作時，選用負溫沖擊合格的鋼材，結構周圍有腐蝕介質(zhì)存在時要選用抗銹性好的鋼材。

5、鋼材的厚度

厚度大焊接結構應采用材質(zhì)較好的鋼材。

承重結構的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服點和硫、磷的極限含量。焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構的鋼材尚應具有冷彎試驗的合格保證。對需要驗算疲勞以及主要的受拉或受彎的焊接結構的鋼材，應具有常溫或負溫沖擊性的合格保證.鋼材選擇的建議：鋼結構采用的型材有：

熱軋鋼板、熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼。1、熱軋鋼板

“-”寬度×厚度×長度（mm）2、熱軋型鋼

（1）熱軋角鋼

等肢角鋼L肢寬×肢厚不等肢角鋼L長肢寬×短肢寬×肢厚2.7.2鋼材規(guī)格（2）熱軋工字鋼普通工字鋼“I”和號數(shù)(代表截面高度厘米數(shù))輕型工字鋼“QI”和號數(shù)(代表截面高度厘米數(shù))20號以上的工字鋼，按腹板厚度同一號數(shù)又分a、b、c三類。

（3）熱軋槽鋼普通槽鋼“[”和號數(shù)輕型槽鋼“Q[”和號數(shù)14號以上的槽鋼，按腹板厚度同一號數(shù)又分a、b、c三類（4）H型鋼(高X寬X腹板厚X翼緣厚）寬翼緣H型鋼（HW,HM,HN)，用于軸壓、壓彎構件。型號以公稱高度的毫米數(shù)表示，其后標注a、b、c。H型鋼可以剖分為T型鋼供應，規(guī)格標記同H型鋼，只是高度是H型鋼的一半。3、鋼管

無縫鋼管和焊接鋼管“ф”外徑×厚度4、薄壁型鋼

用薄鋼板經(jīng)模壓或彎曲而制成。壁厚一般為1.5～5mm。用作輕型屋面及墻面等構件。1、影響鋼材性能的因素2、選用鋼材的原則小結：第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理第二節(jié)活塞式空壓機的結構和自動控制第三節(jié)活塞式空壓機的管理復習思考題單擊此處輸入你的副標題，文字是您思想的提煉，為了最終演示發(fā)布的良好效果，請盡量言簡意賅的闡述觀點。第六章活塞式空氣壓縮機

piston-aircompressor壓縮空氣在船舶上的應用：

1.主機的啟動、換向；

2.輔機的啟動；

3.為氣動裝置提供氣源；

4.為氣動工具提供氣源；

5.吹洗零部件和濾器。

排氣量:單位時間內(nèi)所排送的相當?shù)谝患壩鼩鉅顟B(tài)的空氣體積。單位：m3/s、m3/min、m3/h第六章活塞式空氣壓縮機

piston-aircompressor空壓機分類：按排氣壓力分：低壓0.2～1.0MPa；中壓1～10MPa；高壓10～100MPa。按排氣量分：微型<1m3/min；小型1～10m3/min；中型10～100m3/min；大型>100m3/min。第六章活塞式空氣壓縮機

piston-aircompressor第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理容積式壓縮機按結構分為兩大類：往復式與旋轉式兩級活塞式壓縮機單級活塞壓縮機活塞式壓縮機膜片式壓縮機旋轉葉片式壓縮機最長的使用壽命-

----低轉速（1460RPM），動件少（軸承與滑片），潤滑油在機件間形成保護膜，防止磨損及泄漏，使空壓機能夠安靜有效運作；平時有按規(guī)定做例行保養(yǎng)的JAGUAR滑片式空壓機，至今使用十萬小時以上，依然完好如初，按十萬小時相當于每日以十小時運作計算，可長達33年之久。因此，將滑片式空壓機比喻為一部終身機器實不為過。滑(葉)片式空壓機可以365天連續(xù)運轉并保證60000小時以上安全運轉的空氣壓縮機1.進氣2.開始壓縮3.壓縮中4.排氣1.轉子及機殼間成為壓縮空間，當轉子開始轉動時，空氣由機體進氣端進入。2.轉子轉動使被吸入的空氣轉至機殼與轉子間氣密范圍，同時停止進氣。3.轉子不斷轉動，氣密范圍變小，空氣被壓縮。4.被壓縮的空氣壓力升高達到額定的壓力后由排氣端排出進入油氣分離器內(nèi)。4.被壓縮的空氣壓力升高達到額定的壓力后由排氣端排出進入油氣分離器內(nèi)。1.進氣2.開始壓縮3.壓縮中4.排氣1.凸凹轉子及機殼間成為壓縮空間，當轉子開始轉動時，空氣由機體進氣端進入。2.轉子轉動使被吸入的空氣轉至機殼與轉子間氣密范圍，同時停止進氣。3.轉子不斷轉動，氣密范圍變小，空氣被壓縮。螺桿式氣體壓縮機是世界上最先進、緊湊型、堅實、運行平穩(wěn)，噪音低，是值得信賴的氣體壓縮機。螺桿式壓縮機氣路系統(tǒng)：

A

進氣過濾器

B

空氣進氣閥

C

壓縮機主機

D

單向閥

E

空氣/油分離器

F

最小壓力閥

G

后冷卻器

H

帶自動疏水器的水分離器油路系統(tǒng)：

J

油箱

K

恒溫旁通閥

L

油冷卻器

M

油過濾器

N

回油閥

O

斷油閥冷凍系統(tǒng)：

P

冷凍壓縮機

Q

冷凝器

R

熱交換器

S

旁通系統(tǒng)

T

空氣出口過濾器螺桿式壓縮機渦旋式壓縮機

渦旋式壓縮機是20世紀90年代末期開發(fā)并問世的高科技壓縮機，由于結構簡單、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪聲、長壽命等諸方面大大優(yōu)于其它型式的壓縮機，已經(jīng)得到壓縮機行業(yè)的關注和公認。被譽為“環(huán)保型壓縮機”。由于渦旋式壓縮機的獨特設計，使其成為當今世界最節(jié)能壓縮機。渦旋式壓縮機主要運動件渦卷付，只有磨合沒有磨損，因而壽命更長，被譽為免維修壓縮機。

由于渦旋式壓縮機運行平穩(wěn)、振動小、工作環(huán)境安靜，又被譽為“超靜壓縮機”。

渦旋式壓縮機零部件少，只有四個運動部件,壓縮機工作腔由相運動渦卷付形成多個相互封閉的鐮形工作腔，當動渦卷作平動運動時，使鐮形工作腔由大變小而達到壓縮和排出壓縮空氣的目的。活塞式空氣壓縮機的外形第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級壓縮）工作循環(huán)：4—1—2—34—1吸氣過程

1—2壓縮過程

2—3排氣過程第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級壓縮）

壓縮分類：絕熱壓縮：1—2耗功最大等溫壓縮：1—2''耗功最小多變壓縮：1—2'耗功居中功＝P×V（PV圖上的面積）加強對氣缸的冷卻，省功、對氣缸潤滑有益。二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）1.不存在假設條件2.與理論循環(huán)不同的原因：1）余隙容積Vc的影響Vc不利的影響—殘存的氣體在活塞回行時，發(fā)生膨脹，使實際吸氣行程（容積）減小。Vc有利的好處—

（1）形成氣墊，利于活塞回行；（2）避免“液擊”（空氣結露）；（3）避免活塞、連桿熱膨脹，松動發(fā)生相撞。第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理表征Vc的參數(shù)—相對容積C、容積系數(shù)λv合適的C：低壓0.07-0.12

中壓0.09-0.14

高壓0.11-0.16

λv＝0.65—0.901）余隙容積Vc的影響C越大或壓力比越高，則λv越小。保證Vc正常的措施：余隙高度見表6-1壓鉛法—保證要求的氣缸墊厚度2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理2）進排氣閥及流道阻力的影響吸氣過程壓力損失使排氣量減少程度，用壓力系數(shù)λp表示：保證措施：合適的氣閥升程及彈簧彈力、管路圓滑暢通、濾器干凈。λp

（0.90-0.98）2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理3）吸氣預熱的影響由于壓縮過程中機件吸熱，所以在吸氣過程中，機件放熱使吸入的氣體溫度升高，使吸氣的比容減小，造成吸氣量下降。預熱損失用溫度系數(shù)λt來衡量（0.90-0.95）。保證措施：加強對氣缸、氣缸蓋的冷卻，防止水垢和油污的形成。2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理4）漏泄的影響內(nèi)漏：排氣閥（回漏）；外漏：吸氣閥、活塞環(huán)、氣缸墊。漏泄損失用氣密系數(shù)λl來衡量（0.90-0.98）。保證措施：氣閥的嚴密閉合，氣缸與活塞、氣缸與缸蓋等部件的嚴密配合。5）氣體流動慣性的影響當吸氣管中的氣流慣性方向與活塞吸氣行程相反時，造成氣缸壓力較低，氣體比容增大，吸氣量下降。保證措施：合理的設計進氣管長度，不得隨意增減進氣管的長度，保證濾器的清潔。2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理上述五條原因使實際與理論循環(huán)不同。4）漏泄的影響5）氣體流動慣性的影響1）余隙容積Vc的影響2）進排氣閥及流道阻力的影響3）吸氣預熱的影響2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理3.排氣量和輸氣系數(shù)理論排氣量Vt