钢结构要点及练习题

1《钢结构要点及练习题》第一章到第二章钢结构的材料及性能的要点一、钢材的力学性能主要有：强度、塑性（延伸率）、冷弯性能、韧性、。1.强度：yf决定材料的承载力，结构用钢的主要指标有屈服点yf和抗拉强度uf。下屈服点yf为设计时可达到的最大应力值，称为设计强度标准值。抗拉强度uf是钢材破坏时达到的最大应力值。钢材达到uf时，已产生很大的塑性变形而失去使用功能，但钢材的uf高可以增加结构的安全保障，故yuff的值可看作钢材的强度储备系数。2.塑性：钢材的塑性为应力超过屈服点后，试件产生明显的残余塑性变形而不断裂的性质。塑性的好坏可通过静力拉伸试验的伸长率表示。材料塑性的好坏往往决定了结构是否安全可靠，因此钢材的塑性指标比强度指标更重要。3.韧性：韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，也是钢材抵抗冲击荷载的能力，它是强度和塑性的综合表现。钢结构设计规范对钢材的冲击韧性k（或kvA）有常温和负温要求的规定。选用钢材时，根据结构的使用情况和要求提出相应温度的冲击韧性的要求。4.冷弯性能：冷弯性能是钢材在冷加工（常温下）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。冷弯性能的好坏。通过使钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形后，检查试件弯曲部分的表面不出现裂纹和分层为合格。二、影响钢材性能的主要因素有：1.化学成分：钢的基本元素为铁，约占99%。此外，还有C、Si、Mn（有益）；有害S、P、O、N等，这些元素中含量约1%，但对力学性能有很大影响。2.成材影响（冶练、浇筑、扎制及热处理）：（1）冶练及浇筑结构用钢主要有三种冶炼方法，即碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法、碱性侧吹转炉炼钢法。平炉钢和顶吹氧气转炉钢力学性能指标较接近；而碱性侧吹转炉钢的冲击韧性、可焊性、冷脆性、抗锈蚀性等都较差，故这种炼钢法已被淘汰。钢在冶炼及浇铸过程中会不可避免地产生冶金缺陷。常见的冶金缺陷有偏析，非金属夹杂，气孔及裂纹等等。偏析是指金属结晶后化学成份分布不匀；非金属夹杂是指钢中含有如硫化物等杂质；气泡是指浇铸时由FeO与C作用所生成的CO气体不能充分逸出而滞留在钢锭内形成的微小空洞。这些缺陷都将影响钢的力学性能。（2）扎制钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合，因而改善了钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高、浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，所以分层是钢材(尤其是厚板)的一种缺陷。设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止层间撕裂。（3）热处理热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。3.冷作硬化及时效硬化：钢结构在加工的过程中引起钢材强度的提高称为硬化。冷加工包括剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、敲等。另外随着时间的延长，纯铁中的残留的碳、氧固溶物质逐渐析出，形成自由的碳化物或氧化物颗粒，约束纯铁的塑性变形，此为时效。时效将提高钢材的强度、降低塑性、韧性。时效过程可从几天到几十年。4.温度：2一般情况下，温度升高时，钢材的力学性能变化不大。当温度达到250℃，钢材的抗拉强度提高，塑性和韧性降低，表面氧化膜呈蓝色，即发生蓝脆现象。当温度升到300℃时以后，钢材的屈服点和抗拉极限强度显著降低，达到600℃强度几乎等于零。温度从常温降到一定值，钢材的冲击韧性急剧降低，试件断口属脆性破坏，这种现象称冷脆现象。5.应力集中和残余应力：由于钢结构中存在的空洞、槽口、裂缝、厚度变化和形状变化、内部缺陷等原因，使这些区域产生局部高峰应力，此谓应力集中现象。应力集中越严重，钢材的塑性越差。残余应力是钢材在冶炼、轧制、焊接、冷加工等过程中，由于不均的冷却、组织构造变化而在钢材内部产生不均匀的应力。残余应力在构件内部自相平衡而与外力无关。残余应力存在易使构件发生脆性破坏。6.复杂应力状态：钢材在单向应力作用下，当应力达到屈服点yf时，钢材屈服进入塑性状态。当钢材处于复杂应力状态时，以折算应力eq是否大于yf来判断是否进入塑性状态。处于同号应力场时，钢材易产生脆性破坏：而处于异号应力场时，将发生塑性破坏。总之，钢材的化学成分杂质、冶金缺陷、温度、冷作硬化、时效硬化、应力集中以及同号应力场等均会增加材料的脆性三、钢材的破坏塑性破坏：加载后，钢材有较大的变形，因此破坏有预兆，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。脆性破坏：加载后，钢材无明显变形，因此破坏无预兆，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆性破坏危险性大。四、钢结构的疲劳在建筑结构中，有些构件承受随时间而变化的循环荷载，如吊车梁等，对这样的构件需进行疲劳计算。每次应力循环中，最大的拉应力和最小的拉应力或压应力之差为应力幅。所有应力循环中，应力幅为常量时，称为常幅循环荷载；所有应力循环中，应力幅不为常量时，称为变幅循环荷载。钢材在连续循环荷载作用下，当循环次数达到某一定值时，钢材发生的破坏现象称为疲劳破坏。影响疲劳的主要因素有:应力集中、应力比、应力幅、应力循环次数。作业：一、选择题1.钢材经历了应变硬化后，。A强度提高B塑性提高C冷弯性能提高D可焊性提高2.结构工程中使用钢材的塑性指标，目前最主要用表示。A流幅B冲击韧性C可焊性D伸长率3.型钢中的H钢和工字钢相比，。A两者则所用钢材不同B前者翼缘相对较宽C前者强度相对较高4.有两个材料分别Q235和Q345钢构件需焊接，采用手工电弧焊，采用E43焊条。A不得B可以C不宜5.钢材三项主要力学性能为。A抗拉强度、屈服强度、伸长率B抗拉强度、屈服强度、冷弯性能C抗拉强度伸长率冷弯性能6.钢材牌号Q235，Q345，Q390是根据材料命名的。A屈服点B设计强度C标准强度D含碳量7.钢结构连接中所用焊条应与被连接件相匹配，通常被连接件选用Q345时，焊条选用。AE55BE50CE43D前三种均可8.当钢材具有较好塑性时，焊接残余应力。A降低结构的静力强度B提高结构的静力强度C不影响结构静力强度D与外力引起应力同号，降低结构的静力强度39.钢材在低温下，强度，塑性，冲击韧性。A提高B下降C不变D可能提高也可能降低10.符号L125*80*10表示。A等肢角钢B不等肢角钢C钢板D槽钢11.钢材脆性破坏与构件无关。A应力集中B低温影响C残余应力D弹性模量12.应力集中越严重，钢材也变得越脆，这是因为。A应力集中降低了材料的屈服点B应力集中产生同号应力场，使塑性变形受到约束C应力集中降低了材料的抗拉强度13.在构件发生断裂破坏前，有明显兆的情况是的典型特征。A脆性破坏B塑性破坏C强度破坏D失稳破坏14.当钢材具有较好塑性时，焊接残余应力。A降低结构的静力强度B提高结构的静力强度C不影响结构静力强度D与外力引起应力同号，降低结构的静力强度15.沸腾钢与镇静钢冶炼浇注方法主要区别之处是。A冶炼温度不同B冶炼时间不同C沸腾钢不加脱氧剂D两者都加脱氧剂，但镇静钢再加强脱氧。二、填空题：1.影响结构疲劳破坏的主要原因有重复荷载的循环次数、和2.钢结构在冶炼和浇注过程中常见冶金缺陷有、、等。3.钢结构破坏形式有和4.如果钢材具有性能，那么钢结构一般情况下就不会因偶然或局部超载而突然断裂。5.当两种不同强度的钢材采用焊接连接时，宜用与强度的钢材相适应的焊条。6.在对结构或构件进行极限状态验算时，应采用永久荷载和可变荷载的标准值。7.钢材的冶金缺陷包括、、。三、简答题：1.钢结构的特点答：2应力集中答：在构件中一般常存在孔洞、缺口、凹角、以及厚度改变或宽度改变，由于截面的突然改变，致使应力分布很不均匀，这样在孔洞边缘或缺可尖端处，将局部出现高峰应力，而其它部位应力则很低，截面应力分布很不均匀，这种现象称为应力集中。3.影响钢材性能的因素答：4.影响钢材疲劳的因素？（1）应力集中的影响（2）应力幅的影响（3）应力比的影响（4）应力循环次数的影响？四、论述题1.从钢材的冷作硬化对钢结构加工影响的角度出发，谈谈直接承受动力荷载结构或重要结构对钢材进行刨边处理的原因？钢材进行拉伸试验时，当进入谈塑性阶段卸荷后，再重复加荷时，其屈服点将提高，而塑性、韧性降低，这种现象称为冷作硬化。钢结构在制造时一般须经过冷弯、冲孔、剪切、辊压等冷加工过程，这些工序都使钢材产生很大的塑性变形，进入塑性状态，甚至达到抗拉强度，这必然引起钢材的硬化，降4低塑性、韧性，增加脆性，这对直接承受动力荷载的结构更为不利。所以为了消除冷作硬化的不利影响，对直接承受动力荷载结构或重要结构对钢材进行刨边处理，其刨边目的就是消除了冷作硬化。2.从温度对对钢材性能影响的角度出发，谈谈低温工作承受重复动力荷载的结构要进行冲击试验的原因？钢结构在常温下具有良好的工作性能。当温度升至约100℃时，钢材的强度、塑性增大，但数不大，但在250℃时，强度却有所提高，塑性、韧性则下降，出现蓝脆现象。当温度600℃，强度接近为零。当温度从常温下降到负温某一区间时，其冲击韧性急剧降低，破坏特征明显地由塑性破坏转变为脆性破坏，出现低温脆断。因此，在低温工作的结构，特别是需要要验算疲劳的结构以及承受静力荷载重复受拉和受弯的焊接构件，必须具有相应工作温度下的冲击韧性的合格保证。第三章钢结构的连接要点：一、焊接连接1.焊接方法：电弧焊、电阻焊、气焊。电弧焊又分为手工电弧焊、半自动焊、自动焊，是常用的焊接方法，而电阻焊、气焊只作构造焊。2.结构焊接连接的特性：焊接连接与螺栓连接、铆接比较，具有的优点为：不需打孔，省工、省时：○2任何形状的构件可直接连接，连接构造方便：○3气密性和水密性好，结构刚度较大，整体性较好。缺点是：○1焊接附近有热影响区，材质变脆：○2焊接的残余应力会使结构变脆，残余变形式结构的形状、尺寸发生变化：○3焊接裂缝一旦发生，便容易扩展。常见的焊缝缺陷有：裂纹、气孔、未焊透、夹渣、咬边、烧穿，凹坑、塌陷、未焊满。3.焊缝的形式：焊缝按其本身截面形式分为：对接焊缝和角焊缝；按两焊件的相对位置分为：平接、搭接、角接、T形接头；对接焊缝按受力方向与焊缝长度方向的关系分为：直焊缝和斜焊缝；角焊缝按受力方向和焊缝的长度方向分为：端焊缝和侧焊缝；按焊缝的连续性分为：连续焊缝和断续焊缝；按施工位置分为：俯焊、立焊、横焊、仰焊。（一）对接焊缝的构造与计算（可参见教材）1.构造○1形式：采用对接焊缝时，为保证质量，常需在焊件边缘开成各种形式的坡口，常见的有直边缝、单边V形、双边V形、U形、K形、X形，要根据焊件的厚度和施工条件确定。○2对接焊缝的优缺点：用料经济、传力均匀、无明显的应力集中，有利于承受动力荷载，但需剖口，焊件长度要精确。○3对接焊缝的构造处理：1）起落弧处易有焊接缺陷，所以要用引弧板。但引弧板施工复杂，因此承受动力荷载外，一般不需引弧板，而计算时将焊缝的计算长度两端各减去t（对接焊缝中连接板件最小的厚度）。2）对于变厚度（或变宽度）板，在板的一侧（一面）或两侧（两面）切成坡度不大于1：4的斜面，避免应力集中。3）钢板拼接，当采用对接焊缝时，纵横两方向的对接焊缝可采用十字形交或T形交，当用T形交时，交点的间距不得小于200mm。5○4对接焊缝的强度：对接焊缝的强度在受压时与母材等强，但受拉时焊缝的抗拉强度与焊缝的质量有关。2.计算（二）角焊缝的构造与计算（可参见教材）1.构造○1角焊缝的截面形式和有效厚度截面形式有直角焊缝和斜角焊缝两种。其中直角焊缝有：普通型、平坦型、凹面型；斜角角焊缝分为斜锐角、斜钝角、斜凹面角。根据焊缝长度方向与受力方向的关系，角焊缝又分为端焊缝和侧焊缝两类。端焊缝长度方向垂直于受力方向，亦称正面焊缝，其特点为受力后应力方向复杂，应力集中严重，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂，端焊缝的强度要高些，但塑性差。侧焊缝长度方向与受力方向平行，亦称侧面焊缝，其特点应力分布简单些，但分布并不均匀，剪应力两端大，中间小，侧焊缝强度低些，但塑性较好。○2角焊缝的构造要求见教材二、螺栓连接（一）普通螺栓连接1.普通螺栓的分类普通螺栓分为精制