钢结构作业钤建勋2014—08.doc

研究生考试试卷成 绩考试科目： 钢结构设计原理 阅 卷 人： 赵根田 专 业： 建筑与土木工程 学 号： 2014022388 姓 名： 钤建勋 1、考前研究生将上述项目填写清楚；2、字迹要清晰；3、教师将试卷、答案一起送研究生学院归档。 年 月 日钢结构设计原理读书笔记第一章 钢结构的基本性能建筑工程中，钢结构所用的钢材都是塑性比较好的材料，在拉力作用下，应力-应变曲线在超过弹性后有明显的屈服点和一段屈服平台，然后进入强化阶段。传统的钢结构设计，以屈服点作为钢材强度的极限，并把局部屈服作为承载能力的准则。目前利用塑性的设计方法已经提上了日程。钢材和其他建筑结构材料相比，强度要高得多。在同样的荷载条件下，钢结构构件截面小，截面组成部分的厚度也小。因此，稳定问题在钢结构设计中是一个突出的问题。建筑结构钢材有较好的韧性。因此，钢结构是承受动荷载的重要结构。钢材的韧性也不是一成不变的。材质、板厚、受力状态、温度等都会对它产生影响。钢材的生产及其对材性的影响建筑结构所用的钢材包括两大类：一类是热轧型钢和钢板；另一类是冷成型（冷弯、冷冲、冷轧）的薄壁型钢和压型钢板。一、钢的熔炼冶炼按需要生产的钢号进行，它决定钢材的主要化学成分。炼钢的原料为99%钢水+废钢+合金元素。平炉炼钢的质量优于转炉炼钢的质量。目前，我国采用转炉炼钢，转炉钢具有投资少、建厂快、生产效率高、原料适应性强等优点。二、钢的脱氧脱氧的手段是在钢液中加入和氧的亲和力比铁高的锰、硅和铝。脱氧的程度对钢材的质量颇有影响。三、钢的轧制辊轧是型钢和钢板成型的工序，是二次熔炼的过程，可以改善钢材的性能。辊轧分热轧和冷轧，以前者为主。冷轧只用于生产小号型钢和薄板。 判断钢结构事故应考虑以下几个方面，化学成分不均匀；C、S、P偏析，含量外多、内少；厚钢板要抽查检验是否有层间撕裂，利用超声波或X射线探伤。 四、矫直和热处理钢材热轧冷却后存在残余应力，因此矫直后的残余应力应是对原始残余应力进行重新分布。重分布使翼缘原始残余应力峰值有所降低，将减轻用作压杆时的不利作用。矫直有两种方法，辊床调直和顶直。热处理可以改变钢材性能，建筑钢材一般以热轧状态交货，不进行热处理。热处理包括调质热处理和正火。调质热处理包括淬火和高温回火两道工序。五、钢材的匀质和等向性钢材内部化学元素的分布不是完全均匀的。钢锭的四周部分含碳减少，从周边到中心碳逐渐增多，硫、磷等杂质也聚集在冷却较慢的部分，形成偏析。型钢截面上不同部分的屈服点有差别，是力学性质上的一种非匀质现象。测试力学性能的方法是在翼缘上切取试样确定屈服点比在腹板上取样更能反映材料的实际性能。钢材内部存在残余应力，从力学角度来说也是一种不均匀性。钢板的各向异性，表现在三个方向的受力性能。沿轧制方向力学性能最好，横向稍差。钢板如有分层，则沿厚度方向性能最差。是否分层，需用超声波等手段探伤。对于比较重要的结构，一是对钢材进行探伤检查，并限制局部分层的面积，二是在设计时注意避免垂直于板面受拉和焊缝收缩造成层间撕裂。加工对钢构件性能的影响一、加工对钢构件性能的影响钢结构的建造过程分为热加工、冷加工和冷作硬化。热加工，如钻孔切割，影响残余应力。冷加工使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。1、冷加工的影响冷加工考虑的因素有屈服强度、抗拉强度、冷弯性能。冷加工后，钢材的强度有所提高，但塑性和冲击韧性降低。2、热加工的影响热加工包括火焰切割、乙炔切割和焊接。焊接和焰割对钢材焊接造成以下后果，焊缝金属具有铸造组织，不同于轧制钢材，焊缝性能不如母材好，但强度高；焊弧的高温使邻近焊缝的钢材发生组织变化，焊缝附近性能不好，形成热影响区，热影响区包括过热区、正火区和部分重结晶区，在疲劳情况下，热影响区容易破坏；局部性的高温使钢材发生塑性变形，冷却后存在残余应力，残余应力产生的原因是熔化铁水膨胀，未熔化部分对其产生的应力。焊接构件的残余应力和热轧构件的一样，在整个截面上拉压两部分应力自相平衡，不同的是焊接构件在焊缝及其近旁的残余拉应力特别高。三条焊缝情况要避免交叉，如不能避免，将次要焊缝断开，不要贯通。在制造厂对焊接结构的零件下料时，要考虑施焊后冷却的收缩而把材料适当放长。如果两个构件受到相连的刚性部分牵制而不能收缩，则整个构件将产生拉应力，这是另一种残余应力，叫做反作用残余应力。3、热矫正和热成型常用的矫正方法是进行局部加热，使其冷却后产生反向变形。为了防止淬火效应，加热温度不应超过900，钢结构规范规定，低合金钢在加热矫正后应自然冷却。热加工成型的构件需要加热到9001000。外界作用对钢结构性能的影响外界作用包括钢结构建成后的使用荷载和大气作用等。一、多轴应力的影响二、加荷速率的影响三、循环加载的影响四、低温和腐蚀性介质的影响五、高温的影响第2章 钢结构稳定问题概述钢结构承载能力极限状态可以出现于下列六种情况：1、整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（如倾复）；2、结构构件或连接因材料强度被超过而破坏；3、结构转变为机动体系（倒塌）；4、结构或构件丧失稳定（屈曲等）；5、结构出现过度的塑性变形，而不适于继续承载；6、在重复荷载作用下构件疲劳断裂。钢结构的失稳破坏建筑结构用的钢材具有很大的塑性变形能力。当结构因抗拉强度不足而破坏时，破坏前呈现较大变形。但是当结构因受压稳定性不足而破坏时，可能在失稳前只有很小的变形，即呈脆性破坏的特征。脆性破坏具有突发性，不能由变形发展的征兆及时防止，所以比塑性破坏危险。按国家标准，脆性破坏的构件的可靠指标应比延性破坏者提高一级，即安全等级为二级的构件 值由3.2提高到3.7。失稳类别一、钢结构的稳定问题分为两类：1、第一类稳定问题或具有平衡分岔的稳定问题（也叫分支点失稳）。2、第二类稳定问题或无平衡分岔稳定的问题（也叫极值点失稳）。二、弹性稳定可以分为以下三类：1、稳定分岔屈曲。2、不稳定分岔屈曲。3、越跃屈曲。结构稳定问题的特点一、考虑变形对外力效应的影响在分析结构内力以求解算它的强度时，除由柔索组成的结构外，按未变形的结构来分析它的平衡经常可以获得足够精确的结果。分析结构的稳定问题则不同，必然涉及到结构变形后的位形和变形对外力效应（即二阶效应）。针对未变形的结构来分析它的平衡，不考虑变形对外力效应的影响，叫做一阶分析；针对已变形的结构来分析它的平衡，则是二阶分析。应力问题通常都是一阶分析，只有少数特殊的结构如悬索屋盖、桅杆结构和悬索桥，因为变形对内力影响很大，才需要用二阶分析。一般解算超静定结构的内力，虽然要考虑变形协调关系，并没有全面考虑变形对外力效应的影响。稳定问题原则上都应该用二阶分析。但是，目前在计算框架柱稳定时，确定计算长度虽然以已变形的结构为依据，而柱内力却是按一阶分析算得的。如果要分析大变形、大挠度问题，曲率要用更精确的表达式，这时曲率和位移导数之间不再存在线性关系，称为三阶分析。二、静定和超静定结构的区分失去意义静定和超静定结构的划分，是适应应力问题的需要而做出的：静定结构的内力分析只用静力平衡关系就够了；超静定结构的内力分析，则还需加上变形协调关系。三、叠加原理不适用叠加原理普遍用于应力问题。它的应用以满足下列两个条件为前提：1、材料服从胡克定律，亦即应力与应变成正比；2、结构的变形很小，可以用一阶分析来进行计算。概括地说，也就是它既不存在物理的非线性，也不存在几何的非线性。稳定问题一般不符合第二个前提，因为它需要用二阶分析来计算。二阶分析在曲率和位移导数之间虽然可以看成存在线性关系，但内力和变形之间常常是非线性关系。叠加原理不适用于二阶分析。稳定计算中的整体观点结构的稳定承载能力，和它的刚度密切相关。梁屈曲时兼有侧向弯曲和扭转两种变形。由于验算构件稳定时形式上似乎是验算某一截面，往往使人对强度和稳定计算的实质分辨不清。二者之间的原则区别是：强度是某一个截面的问题，而稳定则是构件整体问题，因为构件的刚度是它的整体组成所决定的，包括截面刚度和构件长度。在处理稳定问题时，必须具有整体观点。稳定设计的几项原则在钢结构设计中，为了保证结构不丧失稳定，还应注意以下几点：1、结构整体布置必须考虑整个体系及其组成部分的稳定性要求。2、杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的简化假设或典型情况得出的，设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。3、设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。第三章 钢结构的断裂钢结构脆性破坏及其原因冷加工和凿痕是引起脆性破坏的部分原因。焊接结构的脆性破坏也有和铆接结构共同之处，那就是经常发生在气温较低的情况，结构的钢材厚度较大，一般处在静力荷载作用下，而且应力常常并未达到设计应力，或虽达设计应力但和材料的屈服点还有一段距离。破坏时结构并未超载，表明脆性破坏是钢结构的一种特殊问题。综上所述，造成脆断的原因有：材质不合格，低温冲击韧性差，以及汇交于节点板上各杆之间的空隙过小，低温焊接产生了较大的残余应力。断裂力学的观点断裂是在荷载和侵蚀性环境的作用下，裂纹扩展到临界尺寸时发生的。焊接过程中可能出现的缺陷，包括宏观裂纹，如角焊缝可能存在的缺陷，咬边、未熔合、未焊透及气孔等，其中以咬边最为不利。结构的无损探伤只有一定的灵敏度，太小的缺陷发现不了。所以，即使经过探伤，也不能说构件就不含有裂纹。防止脆性断裂一、裂纹原始裂纹尺寸的控制主要由保证施工质量和强检验来解决。裂纹质量不仅涉及到裂纹，还涉及到咬边、欠焊、夹渣和气孔等缺陷。因为这些缺陷或者本身就起裂纹的作用，或者能够引发裂纹。检验发现缺陷超过允许限度，就需要加以补救。在工程实际上，焊缝长度小于6mm的裂纹在检验时不易被发现。当焊接两板时，需要在两板之间垫上软钢丝留出缝隙，焊缝有收缩余地，裂纹就不会出现。在焊接过程中，把角焊缝的表面做成凹形，有利于缓和应力集中，但是经验表明，凹形表面的焊缝，焊后比凸形的容易开裂，在凹形焊缝开裂的条件下，改用凸形缝，就不再开裂。焊缝的收缩作用还有可能引起板的层间撕裂。综上所述，控制焊接结构的初始裂纹需要在焊缝设计、施焊工艺和焊后检验各个环节加以注意。二、应力考察断裂问题时，应力应是构件的实际应力，它不仅仅和荷载大小有关，也和构造形状及施焊条件有关。三轴同号应力状态的脆性破坏最为危险。应力不仅要看它的大小，更重要的是要看应力状态。同时，避免焊缝过于集中和避免截面突然变化，这样都有助于防止脆断。应力腐蚀开裂用作为判断构件是否会断裂的准则，只适用于处于非腐蚀性环环境的构件。在腐蚀性介质中，虽然应力低于 值，经过一定时期也会出现脆性断裂。这种现象叫做应力腐蚀开裂，也叫做滞后断裂或延迟断裂。第四章 疲劳破坏影响疲劳破损的因素一、疲劳荷载钢结构的疲劳破损是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开展以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。二、疲劳破坏的过程一般地说，疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构，实际上只有后两个阶段，因为结构总会有内在的微小缺陷，这些缺陷本身就起着裂纹的作用。疲劳破坏的起始点多数在构件的表面。对非焊接构件，表面上的刻痕、轧铁皮的凸凹、轧钢缺陷和分层以及焰割边不平整、冲孔壁上的裂纹，都是裂源可能出现的地方。对焊接构件，最经常的裂源出现在焊缝趾处，那里常有焊渣侵入。有些焊接构件疲劳破坏起源于焊缝内部缺陷，如气孔、欠焊、夹渣等。疲劳裂纹经历长期的荷载循环，扩展十分缓慢；而脆性断裂不经长期的荷载循环。三、疲劳试验的结果光滑试件的疲劳强度明显高于带槽试件，这是因为带槽试件的应力集中使疲劳强度降低。因此，应力集中是研究疲劳问题的重要因素。在实际结构中，应力集中的程度由构造细节决定。疲劳设计准则一、基本原则在实际工程中，安全寿命法和破损安全法往往是结合在一起的。首先按安全寿命法的思路进行设计，争取在使用期限不出现裂纹，同时也注意荷载的多路径传递和结构各部分都易于检查，在意外地出现裂缝时依然保证安全。二、应力比准则和应力幅准则自从焊接结构用于承受疲劳荷载以来，工程界从实践中逐渐认识到和这类结构疲劳强度密切相关的不是应力比R，而是应力幅。应力幅准则的计算公式是，是容许应力幅，它随构造细节而不同，也随破坏前循环次数变化。三、构造细节分类和应力循环次数构件和连接的焊缝及其近旁有很高的残余拉应力。因此，即使施加的应力循环完全在压力范围内，实际的应力波动仍然是在拉力范围内。在这样的条件下，压力范围内的应力循环仍然有可能造成疲劳裂纹。但是，裂纹一旦出现，残余应力得到释放，就不会继续扩展。因此，GB50017规范规定：在应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳。四、变幅疲劳荷载荷载变幅的疲劳问题，可以由式表达的线性累积损伤准则来计算。式中：为应力幅对结构的作用次数；为应力幅常幅作用下结构的预期寿命。疲劳试验和检验试验研究可以分为两类，一类是典型的连接细节的疲劳试验，目的在确定-N曲线以及在细节分类中的归属等。另一类是整个构件的疲劳试验，目的在检验一项具体设计的抗疲劳性能。有时这类试验也用来考察某一典型连接细节的疲劳性能。提高疲劳性能的工艺措施艺措施的目的是缓和应力集中程度、消除切口，或是在表层形成压缩残余应力。缓和应力集中的最普遍方法是磨去焊缝的表面部分，如对接焊缝的余高。对角焊缝打磨焊趾，可以改善它的疲劳性能。焊缝的趾部经常存在咬边形成的切口，并且还有焊渣侵入。打磨后的表面不应存在明显的刻痕。对于角焊缝的趾部用气体保护钨弧使重新熔化，可以起消除切口的作