第2章 钢结构的材料

lgΔζ 1 ΔζΔζΔζΔζ

1 β e 23 n1 n2 N1 n3 N2 Σni N3 lgn 图2.5.6 变幅疲劳的疲劳曲线

设想另有一等效常幅疲劳应力幅Δζe（见图2.5.6），循环?ni次后，也使该类别的部件产生疲劳破坏，则有：

?ni?(??e)??C 或 ?ni?将上述各式代入下式 ?niNi?n1N1?C(??e)? (2.5.11)

?n2N2???niNi???nnNn?1 (2.5.12)

有

n1(??1)C?n2(??2)C????nn(??n)C???ni(??i)?1

?C??ni?(??e)

?同时考虑公式(2.5.11)，得 ?ni(??i)??ni(??i)?????n?i??1??C?则 ??e (2.5.13)

式中：?ni－以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； ni－预期寿命内应力幅水平为Δζi的应力循环次数。

ζ C ??1 ??2

??3 ??3 A B t ??4 3 1 3 4 2 ??1→n1=1, ??2→n2=1, ??3→n3=2, ??4→n4=1,

图2.5.7 水库计数法示意图

线性累积损伤准则假定疲劳破坏与不同水平的应力幅出现的先后次序无关，虽与实际有所不同，但可简化计算，且能保证安全。据此，可按工程方法－如水库计数法（也称泄水池法）

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等由设计应力谱找出不同水平的应力幅Δζi和与其相应的频次ni。图2.5.7给出了水库计数法的分析示意图。该法的计算流程为：首先在设计应力谱中找出波峰应力所在点，在该点切断曲线，并将该点之前的曲线段平移至尾端，形成两端高的“水库”，最大水深即为Δζ1；在水库的最深处排水后，形成的新水面内相应最大水深尾Δζ2；重复上一步，直到把水排空，依次找到其它应力幅Δζi，比较大小，并计算出频次ni。

二、吊车梁的疲劳验算

众所周知，吊车梁是钢结构中处于变幅疲劳工作环境的典型构件。经过多年的工程实践和现场测试分析，已获得了一些有代表性的车间的重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的设计应力谱。由于不同车间内的吊车梁在50年设计基础期内的应力循环次数并不相同，为便于比较，统一按23106循环次数计算出了相应的等效应力幅Δζe。将变幅应力谱中的最大应力幅Δζ1看成满负荷工作的常幅设计应力幅Δζ，则实际工作的吊车梁的欠载效应的等效系数为： ?f?????e (2.5.14)

于是重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的疲劳可作为常幅疲劳，按下式计算： ?f????[??]2?10 (2.5.15)

6式中：?f－欠载效应的等效系数。对重级工作制硬钩吊车为1.0，软钩吊车为0.8；对中级工作

制吊车为0.5；

??－吊车标准轮压下的试验应力幅，即最大应力幅；

[??]2?10－循环次数n为23106次的容许应力幅，按式(2.5.4)计算，或查GB50017表

66.2.3-2。

2.5.4 疲劳验算中一些值得注意的问题

(1) 疲劳验算仍然采用容许应力设计方法，而不采用以概率理论为基础的设计方法。也就是说，采用标准荷载进行弹性分析求内力（并不采用任何动力系数），用容许应力幅作为疲劳强度。

(2) 规范中提出的疲劳强度是以试验为依据的，包含了外形变化和内在缺陷引起的应力集中，以及连接方式不同而引起的内应力的不利影响。当遇到规范规定的8种以外的连接构造时，应进行专门的研究之后，再决定是考虑相近的连接类别予以套用，还是通过相应的疲劳试验确定疲劳强度。基于同样原因，凡是能改变原有应力状态的措施和环境，例如高温环境下（构件表面温度大于150℃）、处于海水腐蚀环境、焊后经热处理消除残余应力以及低周高应变疲劳等等条件下的构件或连接的疲劳问题，均不可采用规范中的方法和数据。我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018（以下简称GB50018）中，目前尚未考虑直接承受动力荷载的问题，因此如将其用于循环荷载环境中，对其疲劳问题应进行专门研究。

(3) 理论和试验均证明，只要在构件和连接中存在高达屈服点的残余拉应力，即使在完全的循环压应力作用下，当其幅值超过容许应力幅时也会产生裂纹，但裂纹产生同时，残余拉应力会获得充分的释放，此后在循环压应力环境下，裂纹会自动停止，不继续扩展。例如当轨道和轮压偏心很小，在梁的平面外不出现弯曲应力时，即使焊接吊车梁的受压翼缘部位（包括焊缝及其附近的腹板）出现了裂纹，也不会因此而丧失承载力。所以规范规定，在应力循环中不出现拉应力的部位可不必计算疲劳。

(4) 由于规范推荐钢种的静力强度对焊接构件和连接的疲劳强度无显著影响，故可以认为，

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疲劳容许应力幅与钢种无关。显然，当某类型的构件和连接的承载力由疲劳强度起控制作用时，采用高强钢材往往不能充分发挥作用。决定局部应力状态的构造细节是控制疲劳强度的关键因素，因此在进行构造设计、加工制造和质量控制等过程中，要特别注意构造合理，措施得当，以便最大限度地减少应力集中和残余应力，使构件或连接的分类序号尽量靠前，达到改善工作性能，提高疲劳强度，节约钢材的目的。

§2-6 建筑用钢的种类、规格和选用

2.6.1 建筑用钢的种类

我国的建筑用钢主要为碳素结构钢和低合金高强度结构钢两种，优质碳素结构钢在冷拔碳素钢丝和连接用紧固件中也有应用。另外，厚度方向性能钢板、焊接结构用耐候钢、铸钢等在某些情况下也有应用。

一、碳素结构钢

按国家标准《碳素结构钢》GB/T700生产的钢材共有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275种品牌，板材厚度不大于16mm的相应牌号钢材的屈服点分别为195、215、235、255和275N/mm2。其中Q235含碳量在0.22％以下，属于低碳钢，钢材的强度适中，塑性、韧性均较好。该牌号钢材又根据化学成分和冲击韧性的不同划分为A、B、C、D共4个质量等级，按字母顺序由A到D，表示质量等级由低到高。除A级外，其它三个级别的含碳量均在0.20％以下，焊接性能也很好。因此，规范将Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。Q235钢的化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合表2.6.1、2.6.2和2.6.3的规定。

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碳素结构钢的钢号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值（N/mm）、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分组成。符号“F”代表沸腾钢，“b”代表半镇静钢，符号“Z”和“TZ”分别代表镇静钢和特种镇静钢。在具体标注时“Z”和“TZ”可以省略。例如Q235B代表屈服点为235N/mm2的B级镇静钢。

在冷弯薄壁型钢结构的压型钢板设计中，如由刚度条件而非强度条件起控制作用时，也允许采用Q215牌号的钢材，可参考本书第9章单层厂房钢结构的有关内容。

表2.6.1 Q235钢的化学成分和脱氧方法（GB/T700）

化学成分，％ 牌号 等级 C A Q235 B C D 0.14~0.22 0.12~0.20 ≤0.18 ≤0.17 Mn 0.30~0.55 0.30~0.70 0.35~0.80 0.30 Si S 不大于 0.050 0.045 0.040 0.035 0.045 0.040 0.035 F、b、Z Z TZ P 脱氧方法

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表2.6.2 Q235的拉伸试验和冲击试验结果要求（GB/T700）

拉伸试验 屈服点ζs，N/mm2 牌号 等级 ≤16 钢板厚度（直径），mm >16 >40 >60 >100 ~40 ~60 ~100 ~150 不小于 A Q235 B C D 235 225 215 205 195 185 375~460 26 25 24 23 22 21 >150 抗拉强度 ζb 冲击试验 伸长率δs，％ 钢板厚度（直径），mm ≤16 >16 >40 >60 >100 ~40 ~60 ~100 ~150 不小于 － 20 0 -20 27 温度 >150 ℃ V型 冲击功(纵向) J 不小于 － N/mm2

表2.6.3 Q235钢的冷弯试验结果要求（GB/T700）

冷弯试验 B=2a 180° 牌号 试样方向 60 纵向 横向 a，钢材厚度（直径），mm >60~100 弯心直径d Q235 a 1.5a 2a 2.5a 2.5a 3a >100~200

二、低合金高强度结构钢

按国家标准《低合金高强度结构钢》GB/T1591生产的钢材共有Q295、Q345、Q390、Q420

和Q460等5种牌号，板材厚度不大于16mm的相应牌号钢材的屈服点分别为295、345、390、420和460N/mm2。这些钢的含碳量均不大于0.20％，强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，合金元素的总量低于5％，故称为低合金高强度钢。其中Q345、Q390和Q420均按化学成分和冲击韧性各划分为A、B、C、D、E共5个质量等级，字母顺序越靠后的钢材质量越高。这三种牌号的钢材均有较高的强度和较好的塑性、韧性、焊接性能，被规范选为承重结构用钢。这三种低合金高强度钢的牌号命名与碳素结构钢的类似，只是前者的A、B级为镇静钢，C、D、E级为特种镇静钢，故可不加脱氧方法的符号。这三种牌号钢材的化学成分和拉伸、冲击、冷弯试验结果应符合表6.2.4、6.2.5的规定。

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