高等钢结构作业

1、第1讲. “高等钢结构”课程内容体系、学习要求1. 概括总结：钢结构中出现“层间撕裂”问题的原因、防止措施。2. 在“OK网站”事故栏目查看各种钢结构工程事故，选一实例写出书面分析报告第 2 讲 钢结构的性能综述1.试从钢结构材料、制造安装、工作环境、荷载类型、结构形式及构造细节等六个方面，综述对结构性能的影响。 2.以“鸟巢”结构用钢Q460E-Z35，厚110mm为例，综述GB50017对钢结构钢材的规定；分析超过要求时设计、施工方面存在哪些问题? 3.何为冷弯效应？试叙述冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018）是对冷弯效应如何考虑的。第3讲 钢结构的断裂与疲劳破损1. 从断裂力学的观点

2、，简述为什么裂纹尺寸、作用应力和材料的韧性是影响脆断的直接因素？2. 解释何为“断裂韧性”，它与“冲击韧性”有何异同？3. 解释何为 “应力腐蚀开裂”？4. 疲劳设计的准则 ？GB50017采用什么准则，为什么？5. 解释 “线性累积损伤准则” 、“雨流计数法”。6. 焊接结构脆断的原因及防脆断的措施。7. 疲劳破损的种类？疲劳设计的准则？疲劳破坏的防止措施？第4讲 基本构件拉杆、轴压杆、梁1.综述“剪切滞后”的现象和原因？2.分析归纳钢结构中半刚性连接问题， “工程绞”问题？3.归纳总结钢结构的稳定问题？4. 分析总结Q235做腹板，Q420做翼缘的混用梁的受力性能？第五讲 压弯构件和框架1

3、.分析归纳“摇摆柱”的受力特点，以及对整体结构受力性质的影响？2.简述钢框架的“高等理论分析思路与方法”1. 概括总结：钢结构中出现“层间撕裂”问题的原因、防止措施。一出现层间撕裂的原因型钢和钢板经过轧制之后，钢材内部的非金属夹杂物被压成薄片，出现分层现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。如图1.1所示。 图1.1 层间撕裂 图1.2 防止层间撕裂的连接构造二防治层间撕裂的措施厚钢板在焊接和受力过程中的层间撕裂现象时有发生，严重影响钢结构工程的质量与施工进度。如何防止厚钢板发生层间撕裂已成为设计和制作人员十分关注的问题。层间撕裂发生的原因主要与钢材的

4、化学成分，钢板的辊轧工艺，焊接工艺，结构连接节点的构造型式等有关。防止产生层间撕裂的措施有： （1）改进焊接节点的连接形式改进焊接节点的连接形式以减小局部区域内由于焊接收缩而引起的应力集中，或避免使钢板在板厚垂直方向受拉。如：当两块板垂直相焊形成角连接时，应采用下图1.3所示做法。 图1.3 层间撕裂及其防止对于全焊的刚性连接，为了避免柱翼缘出现层间撕裂的危险，可采取用两段T形构件加强柱翼缘的方法，如图1.2（a）所示。在梁翼缘传来的拉力作用下，柱翼缘不是在厚度方向受拉，而是受弯。至于连于柱腹板的梁如图1.2（b），翼缘不去和柱腹板直接相焊，而是事先用对接焊缝焊上窄板，使能和柱翼缘焊接，从而避

5、免腹板在厚度方向受拉。（2）采用合理的焊缝形式和小焊脚焊缝 焊缝形式对基材变形有很大的影响。坡口焊缝的坡口越大，焊缝表面积也越大，将增加收缩应力。焊缝的尺寸对基材变形也有很大的影响，不要随意增加焊缝尺寸。如果认为焊缝尺寸越大，节点强度就越高，因而设计出远高于实际需要的焊缝形式和尺寸，将会增加焊缝的收缩变形。 （3）选择屈服强度低的焊条 只要能满足受力要求，应尽可能选择屈服强度低的焊条。这样会使得基材应力达到屈服点时，焊缝金属内的应力还大大低于屈服应力，因此，所有的变形都被迫发生在基材里。 施工方面问题：厚钢板施工时关键是防止由于焊接而产生的裂纹和减少变形，因此，应对该钢种的焊接考虑采

6、取措施以降低其冷裂倾向。应主要考虑以下几点： （1）选用合理的坡口形式，如尽量选用双 U 形或 X 形坡口，如果只能单面焊接，应在保证焊透的前提下，采用小角度、窄间隙坡口，以减小焊接收缩量、提高工作效率，降低焊接残余应力。 （2）合理的预热及层间温度。 （3）后热及保温处理。2. 选一钢结构工程事故实例，写出书面分析报告山东兖州一门式刚架厂房在安装时倒塌 根据现场照片，大致可描述出工程的一些情况： 1.边柱及中柱均为柱底铰接，地脚螺栓4颗；2.连续两跨；3.刚架平面外有钢管作为刚性系杆。事故原因分析 1.施工中最大的问题就是忽视了柱的稳定性。 CECS102:2002中

7、条规定：刚架在施工中应及时安装支撑，必要时增设缆风绳充分固定。此条为工程建设标准强制性条文。门式刚架主要是平面内受力，而平面外是通过支撑把水平力直接传到基础，所以单榀的门式刚架是不稳定的。因此，在安装门式刚架时首先要把支撑跨的两个刚架立起来，加上屋面，柱间支撑先形成一个稳定体系，接着在向纵向延伸，每增加一榀刚架就应该用檩条隅撑把它与前一个稳定体系连接起来，这才应该是比较正确的安装顺序。从图片中可以看到此工程安装并没有执行此规定。施工方是把柱，梁分开来施工，先把柱立起来，然后才安装梁，安装完梁后形成的单榀刚架之间又未见柱间支撑，水平支撑也没有，没有形成刚性单元,刚架未形成统一体,不能抵抗风载;

8、屋架上的檩条不够多，屋面梁很少有加劲肋，虽然截面够大，可是平面外的稳定性还是无法保证。现实经验告诉我们,安装柱子、钢梁、檩条要同步进行，安装两跨后应及时校正、安装好檩条和柱间支撑,水平支撑,隅撑,收工前一定要形成稳定的空间体系。2.柱脚问题，从柱脚的破坏情况看，抗剪键设置不合理，后浇带留的过大。可能砼强度也有问题，砼养护不到位，或砼标号过低。柱底的地脚螺栓在二次浇灌前没有混凝土保护，没有垫铁，安装时应有斜锲块。钢柱柱脚底板与砼土短柱明显大大于50MM,CECS102:2002明文规定:铰接柱脚二次浇灌厚度为50MM,刚接柱脚二次浇灌厚度为100MM，或用砼包裹至+0.150,每边不少50MM.

9、主要意图是防底板腐蚀.3.柱脚螺栓问题，从第2张和第5张图片上，可以清楚的看出，地脚螺栓安装后，没能及时灌浆，就开始上部的安装，造成螺栓杆的失稳倒塌。建模时柱底虽然是"铰节点",但是实际上没有纯粹的铰接,螺栓或多或少的承担弯矩，就本例来说,M20螺栓太小。3.钢柱问题，柱子本身安装时不允许长时单立，特别是变截面的. 由于柱底铰接，在理论计算中，刚架柱是无法独立竖直的，而由于柱底四颗地脚螺栓的存在，在实际情况中该柱或多或少能够承担一部分弯矩，弯矩大小视螺栓大小、螺栓间距、底板厚度、混凝土标号而定，所以钢柱在没有太大外力 的作用下是可以独立竖直的，而这种情况往往会给一些施工队带

10、来柱底刚接的错觉，这样的错觉反映在施工过程中就如照片中的情况：钢柱悬臂而立，没有柱间支撑，也没有稳定缆绳。4.节点问题，梁柱节点板空隙很大,说明板的变形较大,且高强螺栓未终拧,不能承受突变荷载.从第四张图片看,倒在起重车上的钢梁,在变截面处没有设置加劲板。1.试从钢结构材料、制造安装、工作环境、荷载类型、结构形式及构造细节等六个方面，综述对结构性能的影响。 所谓“性能”，是指结构在各种不同的荷载作用和环境条件下的反应。 一钢结构材料对构件性能的影响钢结构的内在特性是由它所用的原材料和所经受的一系列加工过程决定的。钢的脱氧越充分，Fe的含量越高，钢中晶体越细，从而使钢材具有更高的室温冲击韧性和更

11、低的冷脆倾向性和时效倾向性。冲击韧性是衡量钢材断裂时所做功的指标，其值随金属组织和结晶状态的改变而剧烈变化。钢中的非金属夹杂物、带状组织、脱氧不良等都将给钢材的冲击韧性带来不良的影响。冲击韧性是钢材在冲击荷载或多向拉应力下具有可靠性能的保证，可间接反映钢材抵抗低温、应力集中、多向拉应力、加荷速率和重复荷载等因素导致脆断 的能力。 辊轧是型钢和钢板成型的工序，它给这些钢材的组织和性能以很大影响。辊轧有热轧和冷轧之分，以前者为主。经过热轧后，钢材组织密实，力学性能得到改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使钢材在一定程度上不再是各向同性体；经过轧制之后，钢材内部的非金属夹杂物被压成薄片，出现分

12、层现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。焊缝收缩诱发的局部应变时常达到屈服点应变的数倍，比荷载引起的应变大得多。热轧的另一后果是，是不均匀冷却造成的残余应力。一般的说，截面尺寸越大，残余应力也越大，残余应力虽然是自向平衡的，对钢构件在外力作用下的性能还是有一定影响。如对变形、稳定性、抗疲劳等方面都可能产生不利的作用。二 钢结构的制作安装对构件性能的影响现代钢结构都是在专业化的金属结构制造厂中用热轧钢材或冷弯型钢加工成构件，然后运到工地安装而成。加工对钢构件性能的影响主要表现为两类：其一是常温下加工的塑性变形，即冷作硬化和其后的时效影响；其二是局部高温

13、的影响，主要是焊接的影响，也有氧气切割的影响。1冷加工的影响 当材料经受的塑性变形不大，则屈服点没有提高，塑性和韧性只是稍有降低。如果塑性变形很大，则屈服点将有所提高，而塑性和韧性则降低很大。钢材的剪切和冲孔，使剪断的边缘和冲出的孔壁严重硬化，甚至出现细裂纹。例如，焊接结构的工地安装孔，如果冲成后受到邻近焊缝的影响而加热至200450，使时效很快完成，孔壁裂纹就有扩展危险。冷弯型钢是用轧制好的薄钢板加工弯成的。冷弯成型时钢板都经受一定的塑性变形，并出现强化和硬化。如下图3.1所示卷边槽钢，冷弯成型后弯角部分屈服点大幅度提高，抗拉强度也有所提高，提高幅度如何和加工成型的工艺很有关系，压制成型者平

14、板部分屈服点没有明显提高。图3.1 冷弯型钢屈服点提高 弯角部分的塑性变形，外侧沿圆弧方向为拉伸，沿半径方向为压缩，内侧则沿弧度线压缩，而沿半径拉伸。这些塑性变形都是垂直与构件受力方向的，对构件抗拉和抗压性能的影响相同。材料弯成圆角时半径和板厚之比r/t越小，塑性应变越大，屈服点提高幅度也越大。2焊接的影响对钢材进行焊接，造成以下三种后果：（1） 焊接金属具有铸造组织，不同于轧制钢材。焊缝金属在碳、氮、氧、氢的含量方面与轧制钢材有差别。碳含量稍低，而氮、氧、氢含量稍高。氧加剧钢构件的热脆氮使钢冷脆、对时效敏感。焊接的金属冷却很快，因而含氧高，气泡和夹杂都较多，使钢材的组织欠均匀，气泡周围容易形

15、成硫的偏析，而在焊接结构中硫的偏析可能引起热裂纹。焊接金属含氢量高，来源与焊条药皮和大气。当冷却快时，氢能使焊接金属内部出现微观裂纹。我国建筑钢结构焊接技术规程规定，厚度大于40mm的Q235钢和厚度大于25mm的Q345钢，在焊接时需要预热，最低预热温度控制在60140。施焊后还应进行后热，其温度由实验确定。预热使焊后冷却过程延长，氧和氢的含量减少，改善了焊接构件的性能。（2） 焊弧的高温使邻近焊缝的钢材发生组织变化。（3） 局部性的高温使钢材发生塑性变形，冷却后存在残余应力。如下图3.2两块板在对接焊施焊时处于600以上的部分呈完全塑性。这部分在加热时受到两旁处在弹性状态的材料的制约，得不

16、到应有的伸长，也就是受到了热态塑性压缩。在焊后冷却过程中，高温的塑性压缩部分趋向于缩得比原长度要短一些。由于温度梯度很大，而且存在局部性的塑性压缩，冷却后焊缝及其近旁的母材残余应力很高，经常达到材料的屈服点，甚至因热效应对材料性能的影响比母材原有屈服点还高一些。 图3.2 有纵向焊缝板的残余应力 图3.3反作用残余应力由于有热态塑性压缩，焊接构件除了残余应力外还有残余变形，如上图3.2所示的原长度为L的板在温度降低到室温后缩短L。如果这两块板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，这是另一种焊接残余应力，叫做反作用残余应力。在两块相互垂直板的一侧夹角焊上角焊缝，如图3.3，则

17、焊缝的收缩促使夹角减少。如果这种减少受到约束而不能实现，则焊缝的纵截面内将出现反作用残余拉应力，这种应力有可能使焊缝出现裂纹。3制作和安装的偏差的影响 轴心压杆在承受荷载前存在初始弯曲，是一种几何缺陷，初始挠度随压力增大而增大。因此存在初弯曲的轴心压杆，实际上是既受压又受弯。附加弯矩的出现和增长，称为P-效应，它必然要使杆件承受压力的能力受到损害。处在倾斜位置的柱子，在垂直于地面的压力作用下产生倾覆力矩使之进一步倾斜。 用许多杆件组装而成的杆系结构，当为静定结构时，杆件长度的容许偏差，只不过使结构的外型稍有变化。当为超静定结构时，安装偏差将使杆件产生自相平衡的压力和拉力，称为初始内力，当初始内

18、力和荷载引起的内力同号时，将使承载力降低。三工作环境对构件性能的影响 1低温和腐蚀性介质的影响低温使钢材韧性降低。当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，温度降低到一定程度时钢材在冲击荷载作用下完全是脆性断裂。脆性断裂的宏观特征是没有塑性变形，韧性断裂则有明显的宏观塑性变形，其断裂机理是剪切断裂过程。有塑性变形，就要吸收较多的能量，材料断裂时吸收的能量和温度有密切关系，下图3.4曲线表明这一点。图3.4断裂吸收能量随温度的变化腐蚀性介质也会促成脆性断裂并影响疲劳强度。在腐蚀性介质中，即使应力低于断裂韧性，经过一定时期也会出现脆性断裂，这

19、种现象叫做应力腐蚀开裂，也叫做滞后断裂或延迟断裂，出现这种现象的原因是：构件中原来存在的小裂纹在腐蚀性介质作用下随时间的增长而逐渐扩展，待达到临界尺寸时，构件就会突然脆断。应力腐蚀断裂主要发生在高强度材料。高强螺栓在使用过程中就有可能出现延迟断裂的现象。钢材的含碳量越高，则韧性越低，抵抗应力腐蚀断裂的性能也越差。2高温的影响温度升高，钢材强度降低，应变增大。温度升高，约在200以内钢材性能没有很大变化，430-540之间强度急剧下降，600时强度很低，不能承受荷载。但在250左右，钢材的强度反而略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向。当温度在260-320时，在应力持续不变的情况下，

20、钢材以很缓慢的速度继续变形，即出现徐变现象。四荷载类型对构件性能的影响 1多轴应力的影响钢材在双向拉力作用下，屈服应力和抗拉强度提高，延伸率降低，反之，在异号双向应力作用下，屈服应力和抗拉强度降低，延伸率增大。图3.5给出了单向拉伸和双向应力的应力应变关系的对比。 图3.5 不同应力条件下的应力-应变图如果是三向受拉，塑性比双向受拉进一步降低，破坏将是脆性的。因此，三轴拉应力对钢结构来说十分不利。2. 加荷速率的影响 结构在动力作用下，加荷速率有时很高，在20左右的室温环境下，钢材的屈服点fy和抗拉强度fu虽然随应变的增大而提高，塑性变形能力却并未下降，反而和强度一样有所提高。图3.6给出了静

21、力和动力荷载下钢材本构关系的对比。由图2.6见，在动力作用下钢材开始硬化的应变st有较大增加，极限应变u略有增大。图3.6 不同加荷速率下钢材的本构关系曲线 动力荷载对钢材也有不利的一面即脆性转变温度随加荷速率的增大而提高。材料断裂时吸收的能量和温度有密切关系，加荷速率是影响能量吸收额的重要因素。从上图3.4可以看出，随着加荷速率的减小，曲线向温度较低的方向移动。对于同一冲击韧性的材料，当设计承受动力荷载时，允许最低的使用温度要比承受静力荷载高的多。3. 循环加荷的影响 钢材或钢构件在经受冷拉至产生塑性变形后，再使之受压，则压缩应力应变关系与未曾预拉过的压杆有很大不同。应力应变关系曲线很早就不

22、再是直线，以致变形模量成为变化着的切线模量，其值小于原材料的弹性模量，曲线没有屈服平台，按残余应变0.2%确定的屈服强度比受拉时的屈服强度要低，即出现包辛格效应。五结构形式及构造细节对构件性能的影响优良的结构形式可以减小断裂的不良后果。把结构设计成超静定的，即有赘余构件的，可以减少断裂造成的损失。因为一旦个别构件断裂，则只是赘余构件减少了一个，结构可以仍然保持稳定。当采用静定结构时，注意使荷载能够多路径传递。设计一个跨越结构，如果用一根强大的梁，得到的是单路径结构。如果改用几根相互平行的梁，并在上面联以钢筋混凝土板，就成为多路径结构。一根构件，也有单路径和多路径之别。一根拉杆如果由几个平行的元

23、件组成，共同承担拉力，那么此杆也是多路径的。从控制跪断的角度考虑，它优于单路径杆。构造设计虽然在整个工程中属于细节，并不等于可以等闲视之。构件相互连接之处往往形成应力集中或局部应力，处理不好就会影响结构的承载能力。构造设计是十分细微的间题，要求设计者精心处理。首先，就受力情况来说要注意以下几点: （1）传力要明确。在整个传力过程中，各个零件的受力情况都应加以考虑，不使某一个负担过重。连接构造的实际性能应尽量和计算分析时的简图一致，有多余的约束时，应不致对结构起不利作用。 （2）构件互相连接的节点应尽可能避免偏心，不能完全避免时应考虑偏心的影响， （3）尽量减缓应力集中，对承受疲劳荷载的结构、处

24、于低温的结构更应注意，不能忽视任何一个细小零件。 （4）要考虑结构或零件变形的影响，如变形引起的次应力和变形引起的应二)分布不均匀等。 （5）避免在结构内产生过大的残余应力，尤其是约束造成的残余应力，要避免焊缝过度密集。  （6）沿厚度方向可能出现层间撕裂，偏析集中区容易出现裂纹，这些都应成为设计时考虑的因素，应予以注意。 2.以“鸟巢”结构用钢Q460E-Z35，厚110mm为例，综述GB50017对钢结构钢材的规定；分析超过要求时设计、施工方面存在哪些问题? "鸟巢"结构主体用钢：Q460E-Z35，由我国河南舞阳钢铁集团生产；总用钢量42000余吨。此时要求

25、钢材的抗拉强度与屈服强度的比值不应小于1.2，伸长率大于20%，-40时的冲击功不低于34 J，板厚方向截面收缩率不小于Z35，同时，严格控制碳当量，经过严格的焊接工艺评定，使其具有良好的可焊性。这是在中国建筑工程中首次采用Q460钢材。对于Q460E、Q345D 特殊高强材质钢结构焊接和130毫米厚的铸钢件厚板焊接，工业安装公司和项目部经过共29次焊接工艺评定试验，在现场首次采用可以大大提高工效的CO2 气体保护焊。Q460是一种低合金的高强度钢，比通常的建筑用钢材强度超出1倍。而且在国家标准中，这种钢板的最大厚度为100毫米。 由邯郸钢铁集团舞阳钢铁公司自主研发生产的110mm低

26、合金高强度Q460厚钢板，具有良好的抗震能力，因为它在受到强大外力时能够通过变形来吸收能量，从而防止钢材的断裂，而且它还具有良好的抗震性、抗低温性、可焊性等特点。Q460 钢通过现代冶炼技术，在保证高强度的同时，也具有很高的韧性，-40冲击韧度达到100J以上。这种钢的强度是普通钢材的两倍，性能达到最高级别，集刚强、柔韧于一体，保证其在承受最大460兆帕的外力后，依然可以恢复到原有形状。晶粒是钢材的组织或者成分，晶粒越细，钢材的韧性越好。细化的手段一个是降低轧制温度，另一个是增加压下量。降低轧制温度对细化晶粒非常有益。比如，原先晶粒是一个球状，经过轧制，钢板变长，晶粒也会随之相应变长并且表面积

27、增大，在适宜的温度条件下，晶粒表面会再结晶，形成许多新的晶粒，这样就将晶粒细化了。 而增加压下量可以使晶粒进一步细化。压下量就是将钢坯压薄时压下的尺寸，比如钢坯开始的厚度是100毫米，用机器将它压到80毫米，那压下量就是20毫米。通过增加压下量这个参数，在其他条件不变的情况下，可以使晶粒的表面积更大，这样可以形成更多的结晶，使晶粒更加细化。鸟巢”333.4米的大跨度，受力非常大，还要承受南北长轴巨大的应力，采用的钢板焊接既要钢的强度有张力，又要柔韧有拉力，还要能抗低温、易焊接又不能自重太重。这种钢材国内是个空白。从工程的实际需求出发，Q460E是最好的选择。这是一种低合金高强度钢，比通常的建筑

28、用钢强度超出一倍 。    设计角度存在的问题：国家体育场（鸟巢）工程用钢最大板厚达110mm（Q460EZ35），大量钢结构工程采用厚钢板，促进了厚钢板焊接技术的发展，同时也丰富了建筑用钢的范围，目前国内现行标准如 GB/T 15911994低合金高强度结构钢和 YB 41042000高层建筑结构用钢板规定的钢板厚度最大仅为 100mm，这种钢材的力学性能、焊接性能等各方面都超出了建筑结构用钢板（GB/T 19879-2005）中规定的范围。因此，在结构设计中材料性能指标的选取，焊接性能以及层间撕裂等成为“鸟巢”建设施工中的难点。  1、材料性能指标的

29、选取 （1）对于抗力分项系数 和材料的强度指标。（2）对于压杆稳定问题、构件截面受压板件的有效宽厚比问题。（3）确定合适中国规范的抗力分项系数。以上三点须根据一定的可靠指标，对足够多的实验进行概率统计和回归分析确定。  钢板的力学性能与板厚和碳当量的关系，对于薄板来说，存在比较明显的线形关系，即 屈服点和抗拉强度随着碳当量的增加而升高，随着钢板厚度的增加而降低，延伸率则正好相反，随着碳当量的增加而降低，随着钢板厚度的增加而增加。那么，这种规律对于舞阳钢铁公司生产的特厚钢板是否也适用呢？为了得到这个结论，我们可以对近几年生产的热轧钢板的性能进行研究，确定特厚钢板力学性能与板厚

30、和碳当量的定性关系。通过分析，可以看出，钢板力学性能和厚度没有什么必然关系，而和碳当量存在着明显的线形相关。      2、焊接性能     厚钢板的切割 试验表明：厚钢板切割时，液化石油气切割与乙炔气切割相比，预热时间叫长，切割速度较慢，但切割面光滑，不渗碳，成本下降15%以上，比较经济安全。     厚钢板的对接焊接 厚钢板的对接采用双U型坡口埋弧自动焊，厚钢板的对接只允许在长度方向对接。厚钢板焊接坡口采用龙门刨刨削而成，加工后用样板检查坡口尺寸，后钢板对接在专

31、用平台上进行，以保证对口错边 t/25且不大于2mm，t为钢板厚度。厚钢板对接定位后，在焊道两侧100mm范围内的母材用每隔500mm设置点电炉板一块，均匀加热至100左右，停止加热20分钟，以利于热量向板中心传递，然后继续加热至150，测温点改在焊道两侧100mm边远处。厚钢板剖口焊中钝边6mm，主要防止焊穿，为控制焊接变形，工艺要求先焊正面t/3，然后翻转工件，采用碳弧气剖清根后，用砂轮打磨清除渗碳层与溶渣，直至露出金属光泽后再采用热磁粉探伤法进行底部的MT探伤，待确定无裂缝后进行反面焊缝（约t/3）的施焊。  3、层间撕裂问题     厚

32、钢板在焊接和受力过程中的层间撕裂现象时有发生，严重影响钢结构工程的质量与施工进度。如何防止厚钢板发生层间撕裂已成为设计和制作人员十分关注的问题。层间撕裂发生的原因主要与钢材的化学成分，钢板的辊轧工艺，焊接工艺，结构连接节点的构造型式等有关。防止产生层间撕裂的措施有： （1）改进焊接节点的连接形式 改进焊接节点的连接形式以减小局部区域内由于焊接收缩而引起的应力集中，或避免使钢板在板厚垂直方向受拉。如：当两块板垂直相焊形成角连接时，应采用下图2.1所示做法。 图2.1 层间撕裂及其防止（2）采用合理的焊缝形式和小焊脚焊缝 焊缝形式对基材变形有很大的影响。坡口焊缝的坡口越大，焊缝表面积也越大，将增加

33、收缩应力。焊缝的尺寸对基材变形也有很大的影响，不要随意增加焊缝尺寸。如果认为焊缝尺寸越大，节点强度就越高，因而设计出远高于实际需要的焊缝形式和尺寸，将会增加焊缝的收缩变形。 （3）选择屈服强度低的焊条 只要能满足受力要求，应尽可能选择屈服强度低的焊条。这样会使得基材应力达到屈服点时，焊缝金属内的应力还大大低于屈服应力，因此，所有的变形都被迫发生在基材里。 施工方面问题：厚钢板施工时关键是防止由于焊接而产生的裂纹和减少变形，因此，应对该钢种的焊接考虑采取措施以降低其冷裂倾向。应主要考虑以下几点： （1）选用合理的坡口形式，如尽量选用双 U 形或 X 形坡口，如果只能单面焊接，应在保证焊

34、透的前提下，采用小角度、窄间隙坡口，以减小焊接收缩量、提高工作效率，降低焊接残余应力。 （2）合理的预热及层间温度。 （3）后热及保温处理。3.何为冷弯效应？试叙述冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018）是对冷弯效应如何考虑的。一冷弯效应冷成型截面的力学性能有时候与冷成型前的钢片、钢带、钢条、钢板有相当大的区别，这是因为冷成型过程提高了屈服点和抗拉强度同时降低了塑性，这就是冷弯效应。冷弯型钢是用轧制好的薄钢板加工弯成的。冷弯成型时钢板都经受一定的塑性变形，并出现强化和硬化。如下图15.1所示卷边槽钢，冷弯成型后弯角部分屈服点大幅度提高，抗拉强度也有所提高，提高幅度如何和加工成型的工艺很有关系

35、，压制成型者平板部分屈服点没有明显提高。图15.1 冷弯型钢屈服点提高弯角部分的塑性变形，外侧沿圆弧方向为拉伸，沿半径方向为压缩，内侧则沿弧度线压缩，而沿半径拉伸。这些塑性变形都是垂直与构件受力方向的，对构件抗拉和抗压性能的影响相同。材料弯成圆角时半径和板厚之比r/t越小，塑性应变越大，屈服点提高幅度也越大。抗拉强度提高的程度比屈服点提高的程度要小得多，因此冷弯效应减小了屈服强度与抗拉强度之间的范围。由于截面角部材料冷加工的程度远高于平板部分。横截面上不同部分的力学性能是不同的。由于平板部分材料屈服点低于角部，屈曲或屈服总是始于平板部分。施加在截面上的任意附加荷载将转移至角部。由于冷加工导致的

36、力学性能的改变主要是由应变硬化和应变时效引起的，还有直接包辛格(Bauschinger)效应及包辛格逆效应。二冷弯薄壁型钢结构中的有效宽度1宽梁的有效宽度薄而宽的梁承受集中荷载时，需要考虑翼缘因剪切滞后而造成的应力分布不均匀，在设计工作中考虑剪切滞后造成的翼缘应力非均匀分布，可以采用有效宽度be来代替 的办法，这样可认为在be范围内应力都达到max。关于be的取值，G.Winter用弹性理论进行分析，得到图15.2的曲线，包括跨中承受集中荷载和全跨均布荷载两种情况。由图可见，当梁承受均布荷载时，除L/b<5的特短梁外，可以不考虑剪切滞后的影响，即beb。但是，中央承受集中荷载的梁，一般都

37、要以小于实际宽度的be来代替b。根据F.B.Hildebrand等的研究，剪切滞后不仅和荷载分布及梁的L/b有关，还和材料的G/E及截面参数有关。美国AISI规范所采取的be值为 图15.2 翼缘的有效宽度图15.2中的虚线，用于承受单个集中荷载的梁以及承受间距大于b的多个集中荷载的梁。梁的长度L达到或超过15b时，beb。当翼缘带卷边时，应把两侧的卷边宽度包括在b之内。2.加劲板件的有效宽度加劲板件的屈曲后强度来源于薄膜拉力。目前计算薄而宽的加劲板件受压承载能力常采用有效宽度的办法，有效宽度为板件平直宽厚比超过某一限值时，计算受弯构件、受压构件截面特性时所用的折减设计宽度。把在宽度b上分布不

38、均匀的应力图集中到板的两侧，应力都是fy，即得有效宽度。如图15.3所示。图15.3 屈曲后应力分布和有效宽度GB50018规范对有效宽度随板件宽厚比的变化见图14.4的实线，虚线则代表完善板。 图15.4 GB50018规范板件有效宽度有效宽度的计算公式都和板应力有关。因此，同一块板的有效宽度在不同受力阶段时不同的。用于强度计算时max应取设计荷载的应力，而在挠度计算时则取标准荷载产生的应力。以上论述的只是单个板件的有效宽度。实际构件中的板件有效宽度的确定比单板的复杂，有时需要反复试算或迭代才能算出。3.未加劲板件的有效宽度未加劲板件受压屈曲后的应力分布和有效宽度示于图15.5，图中板的支承

39、边由弹性约束。未加劲板件屈曲后虽然没有横向薄膜应力产生，但在两加载边保持平直的条件下所承荷载还可以继续增大。增大的荷载主要由支承边近旁的部分承担，直到边缘处应力达到fy为止。GB50018规范对未加劲板件采用和加劲板件类似的办法来确定其有效宽度，即在计算值时取k0.425。这种算法适用于双轴对称截面。 图15.5 未加劲板件的有效宽度4.边缘加劲板件的有效宽度AISI规范和GB50018规范有效宽度的比较见图15.6。由图可见GB50018比AISI的低的较多，但是后者在板件有效宽度的计算中b不包括圆角部分，因而在性质上略由差别。此外，该规范直至1996年版一直未考虑板件屈曲的相关性。图15.

40、6 边缘加劲板的有效宽度5.中间加劲板件的有效宽度 当中间加劲肋刚度充分时，板件的有效宽度可以由公式计算。式中b代入次板的宽度，系数k取为4，算得的be为次板的有效宽度。1. 从断裂力学的观点，简述为什么裂纹尺寸、作用应力和材料的韧性是影响脆断的直接因素？P382. 解释何为“断裂韧性”，它与“冲击韧性”有何异同？P39 、关于断裂韧性和冲击韧性的区别，整理如下：1、测定方法不同：材料断裂韧性的测定需要在有切口的试件上引发疲劳裂纹，然后进行弯曲和拉伸试验，试验过程比较复杂；冲击韧性采用夏比V形缺口冲击试验测定。2、应力集中程度不同：断裂韧性测定中需要先在材料中产生疲劳裂纹，因此测定断裂韧性时应

41、力集中程度大于测定冲击韧性时试件的应力集中程度。3、应变速度不同：冲击韧性测定试验中需要对试件施加冲击荷载，因此试验中冲击韧性试件应变速度大于断裂韧性试件。4、物理意义不同：断裂韧性反映的是材料出现断裂后，在荷载下裂纹扩展的速率；冲击韧性反映材料在一次冲击断裂时所消耗的功（能量）。5、力学意义不同：断裂韧性是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，由裂纹尖端的应力状况决定；冲击韧性是材料抗冲击荷载的能力，反映的是材料的动力性能。3. 解释何为 “应力腐蚀开裂”？P534. 疲劳设计的准则 ？GB50017采用什么准则，为什么？P655. 解释 “线性累积损伤准则” 、“雨流计数法”。P726. 焊接结构脆

42、断的原因及防脆断的措施。一 焊接结构出现脆性断裂的原因： 1.焊缝经常出现缺陷,如裂纹,加渣等,这些都是断裂的起源. 2.由于高温作用在焊缝附近形成热影响区,钢材的金相组织和机械性能发生变化,材质变脆. 3.焊接后结构内部存在残余应力,残余应力未必是破坏主因,但与其他因素结合,可能导致开裂. 4.焊接结构往往又较大刚性,当出现3条相互垂直的焊缝时,材料的塑性变形很难发展. 5.焊接使结构变成连续整体,一旦焊缝开展,就可能发展到整体。6.经常发生在气温较低的情况下，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，或虽达到设计应力但和材料的屈服点还有一段距离。7

43、.在负温下，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破坏的根源。二断裂力学的观点断裂力学解答了低应力脆断问题，断裂力学认为，解答脆断问题必须从结构内部存在微小裂纹的情况出发来进行分析。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。裂纹随应力增大而扩展，起初是稳定的扩展，后来达到临界状态，出现失稳扩展而断裂。如果构件内部原来就存在较大裂纹，那么它在一定条件下就会断裂。三防止脆性断裂的措施 影响脆断的直接因素是裂纹尺寸、作用应力和材料的韧性。故可以从以下几个方面着手防止脆性断裂。1、裂纹     当焊接结构的板厚较大时（大

44、于25mm），如果含碳量高，连接内部有约束作用，焊肉外形不适当，或冷却过快，都有可能在焊后出现裂纹，从而产生断裂破坏。针对这个问题，把碳控制在0.22%左右，同时在焊接工艺上增加预热措施使焊缝冷却缓慢，解决了断裂问题。 焊缝冷却时收缩作用受到约束，有可能促使它出现裂纹。措施是：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，如下图4.1。把角焊缝的表面作成凹形，有利于缓和应力集中。凹形表面的焊缝，焊后比凸形的容易开裂，原因是凹形缝的表面有较大的收缩拉应力，并且在45°截面上焊缝厚度最小。凸形缝表面拉力不大，而45°截面又有所增强，情况要好的多。在凹形焊缝开裂的

45、条件下，改用凸形焊缝，就不再开裂。如图4.2所示。 图4.1 T型连接两板间留出缝隙 图4.2 凹形和凸形角焊缝 2、应力     考察断裂问题时，应力 是构件的实际应力，它不仅和荷载的大小有关，也和构造形状及施焊条件有关。几何形状和尺寸的突然变化造成应力集中，使局部应力增高，对脆性破坏最为危险。施焊过程造成构件内的残余拉应力，也是不利的。因此，避免焊缝过于集中和避免截面突然变化，都有助于防止脆性断裂。  3、材料选用     为了防止脆性断裂，结构的材料应该具有一定的韧性。材料断裂时吸收的能量

46、和温度有密切关系。吸收的能量可以划分为三个区域，即变形是塑性的、弹塑性的和弹性的。要求材料的韧性不低于弹性，以避免出现完全脆性的断裂，也没有必要高于弹塑性，对钢材要求太高，必然会提高造价。钢材的厚度对它的韧性也有影响。厚钢板的韧性低于薄钢板。  4、构造细部     发生脆性断裂的原因是存在和焊缝相交的构造缝隙，或相当于构造缝隙的未透焊缝。构造焊缝相当于狭长的裂纹，造成高度的应力集中，焊缝则造成高额残余拉应力并使近旁金属因热塑变形而时效硬化，提高脆性。低温地区结构的构造细部应该保证焊缝能够焊透。因此，设计时必须注意焊缝的施工条件，以保证施焊方便

47、，能够焊透。综上所述，构造设计是十分细微的间题，要求设计者精心处理。首先，就受力情况来说要注意以下几点: （1）传力要明确。在整个传力过程中，各个零件的受力情况都应加以考虑，不使某一个负担过重。连接构造的实际性能应尽量和计算分析时的简图一致，有多余的约束时，应不致对结构起不利作用。 （2）构件互相连接的节点应尽可能避免偏心，不能完全避免时应考虑偏心的影响， （3）尽量减缓应力集中，对承受疲劳荷载的结构、处于低温的结构更应注意，不能忽视任何一个细小零件。 （4）要考虑结构或零件变形的影响，如变形引起的次应力和变形引起的应二)分布不均匀等。 （5）避免在结构内产生过大的残余应力，尤其是约束造成的残

48、余应力，要避免焊缝过度密集。  （6）沿厚度方向可能出现层间撕裂，偏析集中区容易出现裂纹，这些都应成为设计时考虑的因素，应予以注意。     另外.构造设计应为施工提供必要的条件，包括尽量简化构造（以节省工时），能够施焊并且易于施焊（以保证质量），以及安装时容易就位和便于调整等。7. 疲劳破损的种类？疲劳设计的准则？疲劳破坏的防止措施？一疲劳破坏的种类疲劳破坏可分为两类，低周疲劳和高周疲劳，低周疲劳破坏具有应变大、破坏前循环次数少的特点，如：剧烈的地震使结构物反复摇摆，就会造成低周疲劳破坏。高周疲劳破坏结构应变小、破坏前循环次数多，如：在行动活

49、荷载作用下，就会造成此种疲劳破坏。二疲劳设计的准则 疲劳破坏采用使用寿命法在结构达到安全使用寿命时不立即报废，承认在达到安全寿命前有可能出现疲劳裂缝，利用典型构造细节试验的结果做出分析计算。 过去钢结构的疲劳计算一直按应力比准则来进行。对于一定的荷载循环次数（如：2X106），构件（或构造细节） 的疲劳强度max和以应力比R为代 表的应力循环特 征密 切相 关对max引进安全系数，及可得到设计用的疲劳应力允许值max=f(R)把应力限制在max以内，就是应力比准则。应力比准则适用于非焊接结构。对于焊接结构宜以应力幅为准则，焊接结构承受疲劳荷载时， 结构疲劳强度和应力幅密切相关，而不是应力比 R

50、。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。GB50017规范规定：直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n等于或大于5×104次时，应进行疲劳计算。疲劳计算采用容许应力幅法，应力按弹性状态计算，容许应力幅按构件和连接类别以及应力循环次数确定。在应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳。三防止疲劳破坏的工艺措施构件的构造细节对它的疲劳性能有重大影响。构造细节的区别体现在构件本身的拼接、附件的连接情况以及和其他构件的连接等。拼接和连接造成的应力集中越严重，构件的抗疲劳性能越差。采取工艺措施来提高疲劳性能的工艺措施目的是

51、缓和应力集中程度、消除切口，或是在 表面形成压缩残余应力。常用方法有:(1) 缓和应力集中的最普遍方法是磨去焊缝的表面部分，如对焊缝的余高。对角焊缝打磨脚趾可以改善它的疲劳性能。(2) 对于角焊缝的趾部用气体保护钨使重新熔化，可以消除切口的作用。这种钨极弧焊不会在趾部产生焊渣侵入，只要重新熔化的深度足够，原有切口、裂缝以及侵入的焊渣都可以消除，从而使疲劳性能得到改善。这种方法在不同应力幅情况下疲劳寿命都能同样提高。(3) 在焊缝和近旁金属的表面形成压缩残余应力，是改善疲劳性能的一个有效方法。用喷射金属丸粒或捶击进行敲打，金属的表层在冲击性的敲打作用下，趋于向侧向扩张，但被下层的材料所阻止，从而

52、产生残余压应力。这个残余压应力和敲击造成的冷工硬化都使疲劳强度提高，同时尖锐的切口也被缓解。 1.综述“剪切滞后”的现象和原因？剪力滞后效应在结构工程中是一个普遍存在的力学现象，小至一个构件，大至一栋超高层建筑，都会有剪力滞后现象。如图7.1，一长方形平板（长度远大于宽度），在两个短边受到一对平衡集中力，由圣维南原理可知，在板的中部33截面，应力是均匀分布的，而在靠近短边的端部11，22截面，就出现了剪力滞后现象。（在变形上，可以看出在集中力作用部位变形较大） 在这里，剪力滞后就是由于正应力是靠剪力的作用逐渐由集中力转化为均匀的。而由于剪力传递正应力有一个逐渐的过程，所以在端部，剪力的所能起的

53、作用还很有限，而正应力分布还不均匀，这种现象就称为剪力滞后。板的宽度越大，即需要传播的范围也越宽，应力的分布也就越不均匀。当构件被拉断时，危险截面的应力还不能完全均匀，从而使构件承载能力降低。在实际应用中，箱梁、宽缘梁、薄壁拉杆的节点等都要考虑这一效应。高层建筑中的筒体结构，尤其是框筒结构体系，不容忽视在水平荷载作用下的剪切滞后效应。其实侧面角焊缝的最大计算长度也是因为剪力分布不均匀而规定了不得大于60hf。还有在螺栓群受力的时候也有受力不均匀分布的现象。当翼缘与腹板相交处的横截面正应力大于简单梁理论的结果，称为正剪力滞；反之，则称为负剪力滞。剪切滞后效应与宽缘梁的有效分布宽度属同一范畴，前者

54、用不均匀的正应力表示，而后者用一等效板宽表示。 图7.1 剪切滞后一薄壁宽梁中的剪切滞后现象薄壁梁的剪切滞后效应是指，薄壁梁在横力弯曲时，由板件边缘分布剪力引起中面内剪切变形而造成的横截面上正应力分布不均匀现象，这主要是由于翼缘材料保持连续，左右两半相互衔接，使剪切变形不能充分发展，并且产生内部自相平衡的次应力。次应力与均匀分布的应力叠加，形成非均匀的应力分布。最大应力出现在，和腹板连接处，愈靠近翼缘边缘，应力愈低，无论是受拉翼缘还是受压翼缘，情况都相同。在设计中，考虑剪切滞后造成的翼缘应力非均匀分布，可以采用以有效宽度来代替实际宽度，这样可认为在有效宽度范围内应力都达到应力最大值。在受剪力作

55、用的薄壁梁中，距剪力作用点较远的突缘上的正应力（见应力）小于按平截面假设求得值的现象。剪切滞后取决于结构中力的扩散（传播）。力的扩散是指作用在结构某一部分上的非自身平衡的力系，向结构其他部分传递，直至与外力或约束反力相平衡的过程。图7.2为一宽突缘工字形悬臂梁,它由上下各五根细长突缘杆、上下各四块突缘板和中间一块薄腹板组成。 在剪力Q的作用下，梁中出现剪切滞后现象，这可由下面的力的扩散过程来说明。在杆仅受正应力而板仅受剪应力的简化假设下,当剪力Q作用于腹板的自由端时，整个腹板具有剪应力。此剪应力直接作用于与腹板相连的中心杆A1B1上，所以在自由端附近的截面上仅A1B1杆中有正应力和正应变。而A

56、2B2杆和A3B3杆均无正应力和正应变。但A1B1杆的正应变引起突缘板A1B1B2A2的剪应变和剪应力,此剪应力又使突缘杆 A2B2产生正应力。在A2B2杆受力变形的基础上,通过同样方式又使A3B3杆受力。图7.2中在工字梁的左侧用阴影线表示突缘杆中的正应力，右侧绘出突缘板中的剪应力。由于内力是由受剪腹板经与其相连的突缘杆逐步向远处承力突缘杆传播的，所以在力的扩散过程结束后，远离受剪腹板的杆所受的力在空间上有一定落后，而且受力的值小于按平截面假设求得的值，这就是剪切滞后。而根据平截面假设，各杆的受力情况没有差别，这与实际情况相差较远。因此，在计算薄壁梁的应力时，一般不能采用平截面假设。图7.2

57、 宽突缘工字形悬臂梁中的弯曲正应力和剪应力（左侧阴影部分表示正应力，右侧表示剪应力）二箱形结构中的剪切滞后现象由于翼板剪切变形的不均匀性，引起弯曲时远离肋板的翼板之纵向位移滞后于近肋板的翼板之纵向位移，所以其弯曲正应力的横向分布呈曲线形状。图7.3所示的箱形薄壁结构的上下盖板中就出现剪切滞后现象 (正应力在腹板附近大,中间部分小)。甚至当腹板附近的盖板接近破坏时,盖板的中间部分还处于低应力状态。为了估计剪切滞后对盖板利用率的影响程度，可采用有效宽度概念。即假定宽为 W0的一块板的承载能力恰好相当于一块宽仅为Wb而充分发挥了承载能力的板，Wb称为有效宽度，而比值Wb/W0称为减缩系数。比值小说明材料的利用率低。通常盖板越宽比值越小。在工程设计中,应考虑减少