钢结构设计原理简答题

钢结构设计原理简答题简答题（30分)1、钢结构用钢材机械性能指标主要有哪几些？承重结构的钢材至少应保证哪几项指标满足要求？（8分）答：钢材机械性能指标有：抗拉强度、伸长率、屈服点、冷弯性能、冲击韧性；（5分）承重结构的钢材应保证下列三项指标合格：抗拉强度、伸长率、屈服点。2、影响梁整体稳定性的因素有哪些？如何提高梁的整体稳定性？（10分）答：影响因素有：荷载类型与荷载作用位置、受压翼缘侧向支撑点间距、截面类型与截面尺寸比例、支座约束性质、残余应力与梁的几何缺陷影响、钢材强度等级。（6分）提高梁的整体稳定性可以考虑如下一些措施：（4分）（1）增加侧向支撑（2）采用闭合箱形截面（3）增大梁截面尺寸（4）增加梁两端约束3、梁腹板加劲肋的配置规定是什么？（7分）答：（1）当≤时，按构造配置加劲肋。（2分）（2）当时，按计算配置加劲肋。（2分）（3）当时，应配置纵横向加劲肋。（2分）（4）梁的支座和上翼缘受有较大固定集中荷载处宜设置支承加劲肋。（1分）4、钢结构设计中什么叫换算长细比？（5分）答：在轴心受压构件的整体稳定计算中，按临界应力相等的原则，将格构式构件换算成实腹式构件进行计算是所对应的长细比或是将弯扭与扭转屈曲换算为弯曲失稳是采用的长细比。1、格构式受压柱为什么要采用换算长细比？公式127oxxxAA中x和1xA分别是什么含义？（5分）答：格构式柱剪力由比较柔弱的缀条或缀板承担，由此横向剪力产生的侧向变形，因而造成构件的临界力降低不可忽略。因此采用换算长细比确定剪切变形的影响。（3分）整个构件对虚轴的长细比；为构件截面中垂直于X轴各斜缀条的毛截面面积之和。2、对接焊缝在哪种情况下才需要进行计算？（7分）答：焊接缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大，故可认为受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等，但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感。由于一、二级检验的焊缝与母材强度相等，故只有三级检验的焊缝才需进行抗拉强度验算。3、钢结构的破坏形式有哪两种？其特点如何？（7分）答：塑性破坏：破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。由于塑性破坏前总有较大的塑性变形发生，且变形持续时间较长，容易被发现和抢修加固，因此不至发生严重后果。脆性破坏：破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，而突然迅速断裂。由于破坏前没有任何预兆，破坏速度又极快，无法察觉和补救，而且一旦发生常引发整个结构的破坏，后果非常严重，因此在钢结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意防止这种破坏的发生。4、影响钢材机械性能的主要因素有哪些？各因素大致有哪些影响？（8分）答：主要的影响因素有：1）化学成分的影响：影响较大的几种化学成分为C、Si、Mn、S、P、O,其中碳素结构钢中则是铁以外的最主要元素，碳是形成钢材强度的主要成分，随着含碳量的提高，钢的强度逐渐增高，而塑性和韧性下降，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等也变劣。Si、Mn为有益元素，在普通碳素钢中，它们是脱氧剂，可提高钢材强度。S、P、O为有害元素，S可能引发刚才热脆，P可能引发刚才冷脆，氧与硫类似使钢热脆。2）钢材的硬化钢材的硬化有三种情况：时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化，钢材的硬化使钢材的强度提高，而塑性和韧性下降。3）应力集中的影响应力集中主要友构件的截面突变引起，严重的应力集中，能引起钢材脆性破坏，在进行钢结构设计时，应尽量使构件和连接节点的形状和构造合理，防止截面的突然改变。4）残余应力的影响残余应力对构件的静力强度不会产生影响，但它降低构件的刚度与稳定承载力，在进行钢结构的焊接构造设计和施工时，应尽量减少焊接残余应力。5、什么叫钢材的疲劳断裂？影响钢材疲劳强度的因素有哪些？(7分)答：钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳断裂。影响因素有：应力幅值（焊接结构）、应力比（非焊接结构）、连接构造、循环应力反复作用次数对于理想的轴心受压构件，提高钢材的牌号（即钢材强度），对构件的稳定承载能力有何影响？为什么？(7分)答：无影响。因为理想的轴心受压构件的稳定承载力为Nk=，与钢号无关。剪力作用下的普通螺栓连接节点可能发生哪些破坏形式？(8分)答：栓杆被剪断、栓杆（孔壁承压）破坏、板件拉断、栓杆受弯破坏、板端冲剪破坏两板件通过抗剪螺栓群承担剪力时，就板件的净截面强度来说，摩擦型高强螺栓连接与普通螺栓连接有何区别？采用何种连接方式更合理？(7分)答：摩擦型高强螺栓连接板件计算截面承力需考虑孔前传力，其所受荷载小于普通螺栓接。从板件的受力来说，采用摩擦型高强螺栓连接更合理。4.同一种类的钢材，当其厚度或直径发生变化时，钢材的机械性能（强度和塑性）有何变化？为什么？(8分)答：同一种类的钢材，当其厚度或直径发生减小时，钢材的强度和塑性会提高。因为随着钢材厚度或直径的减小，钢材（型钢）的轧制力和轧制次数增加，钢材的致密性好，存在大缺陷的几率减少，故强度和塑性会提高。焊接残余应力对结构工作性能有何影响？（8分）答：焊接构件由于存在高的拉伸残余应力，且焊缝部位存在热影响区、焊趾缺陷、接头应力集中，形成构件上组织和力学的薄弱部位，有可能导致构件运行时的变形、早期开裂、应力腐蚀、疲劳断裂和脆性断裂。3、试述影响梁整体稳定的因素通常有哪些？（7分）答：梁在荷载作用下，虽然其截面的正应力还低于钢材的强度，但其变形会突然离开原来的弯曲平面，同时发生侧向弯曲和扭转，这就称为梁的整体失稳。主要因素：梁的侧向抗弯刚度，抗扭刚度，抗翘曲刚度，梁侧向支撑点之间的距离，梁的截面形式，横向荷载的形式、在截面上的作用位置等。4、简述螺栓受剪连接的破坏形式和避免破坏发生所采取的措施。(8分)答：螺栓杆剪断，孔壁挤压，钢板被拉断，钢板剪断，螺栓弯曲（5分）钢板剪断，螺栓弯曲3.何谓受弯构件的整体失稳？（7分）答：受弯构件在弯矩作用下上翼缘受压，下翼缘受拉，使其犹如受压构件和受拉构件的组合体。对于受压的上翼缘可沿刚度较小的翼缘板平面外方向屈曲，但腹板和稳定的受拉下翼缘对其提供了此方向连续的抗弯和抗剪约束，使它不可能在这个方向上发生屈曲。当外荷载产生的翼缘压力达到一定值时，翼缘板只能绕自身的强轴发生平面内的屈曲，对整个梁来说上翼缘发生了侧向位移，同时带动相连的腹板和下翼缘发生侧向位移并伴有整个截面的扭转，这时我们称其发生了整体失稳。在角焊缝设计中，对焊脚尺寸和计算长度有哪些构造要求？为什么？（8分）答：最大焊脚尺寸：，防止焊缝过烧焊件；最小焊脚尺寸：防止焊缝冷裂;最大计算长度：防止应力沿焊缝长度不均匀分布；最小计算长度：，防止焊缝沿长度缺陷几率增加2.在抗剪连接中,普通螺栓连接与摩擦型高强度螺栓连接的工作性能有何不同？答：高强度螺栓抗剪强度不一定比普通螺栓高，二者破坏的机理不同，高强度螺栓摩擦型连接以摩擦力被克服作为承载能力的极限状态，普通螺栓以螺栓杆被剪坏或者连接板承压破坏作为承载能力的极限状态。高强度螺栓摩擦型连接有很好的抗疲劳能力，多用于直接承受动力荷载的抗剪连接中，还有比较重要的梁柱连接中；普通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用。3.钢结构的疲劳破坏有什么特点？（7分）特点有：是一种低应力水平下的突然破坏，（3）属于一种脆性破坏；其断口不同于一般脆性断口，可分为裂纹源、裂纹扩展区和断裂区；（2）该类型破坏对缺陷十分敏感。螺栓在构件上的排列有几种形式？应满足什么要求？最小的栓距和端距分别是多少？（8分）答：螺栓在构件上的排列有两种形式：并列和错列。（2分）应满足三方面要求:①受力要求、②施工要求、③构造要求（3分）最小的栓距为，最小的端距为（3分）2、简述抗剪螺栓连接的破坏类型，并指出哪些是通过构造来避免的。（9分）答：破坏形式有：孔壁承压破坏、螺杆被剪断、连接板端部冲切破坏、螺杆弯曲变形破坏、连接板净截面强度不足发生破坏孔壁承压破坏、螺杆被剪断、连接板净截面强度不足发生破坏这三种破坏形式应该通过计算，确保连接不会发生破坏，连接板端部冲切破坏、螺杆弯曲变形破坏这两种破坏形式可以通过构造的方式予以避免。3.简述轴心受压构件整体稳定性的主要影响因素。（6分）答：(1)初偏心和初弯曲的影响。由于构造的原因和截面尺寸的变异，作用在杆端的轴向压力实际上不可避免地偏离截面形心而产生初偏心e0，使构件成为偏心受压构件。偏心受压构件的临界力恒比轴心受压时低，且e0越大，临界力降低越多。实际的轴心受压构件不可能是完全理想的直杆，在加工制作和运输安装的过程中，构件肯定会产生微小弯曲，且初始挠度越大临界力降低越多。(2)残余应力的影响。残余应力对轴心受压构件承载能力的影响主要与截面上残余压应力的分布位置和大小有关。残余压应力引起的屈服区距截面主轴的边缘愈远，则杆件的抗弯刚度降低的幅度愈大，杆件的屈曲临界力降低得就愈多，反之则不显著。此外，残余压应力对承载力的影响即使是对同一杆件还可能因屈曲方向不同而有差异。如翼缘为轧制边的焊接工字形截面，其翼缘两端为先行屈服区，若取屈服区宽度为b/φ时，由于它远离截面弱轴，故对弱轴的抗弯刚度降低很大，只剩下原来的1/8，但对强轴却剩下原来的1/2(忽略腹板影响)，即前者的降低率为后者的三次方。(3)杆端约束影响。构件端部的约束条件对构件的承载能力影响明显，其影响可由计算长度l0来反映钢材的机械性能指标主要有哪些？分别代表钢材哪些方面的性能？（10分）答：屈服强度：代表钢材强度指标，是钢材可达到的最大应力（2分）抗拉强度：代表材料的强度储备（2分）伸长率：代表材料在单向拉伸时的塑性应变能力（2分）冷弯性能：代表钢材的塑性应变能力和钢材质量的综合指标（2分）冲击韧性：代表钢材抵抗冲击荷载的能力，是钢材强度和塑性的综合指标（2分）简述钢材塑性破坏的特征和意义。答：塑性破坏的主要特征是；破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现相互垂直交错的透迹剥落线。只有当构件中的应力达到抗拉强度后才会发生破坏，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。由于塑性破坏前总有较大的塑性变形发生，且变形持续时间较长，容易被子发现和抢修理工加固，因此不发生严重后果。钢材塑性破坏前的较大塑性变形能力，可以实现构件和结构中的内力重分布，钢结构的塑性设计就是建立在这种足够的塑性变形能力上。建筑钢材的伸长率是通过什么实验确定的？实验时如何取值？伸长率反映了钢材的什么性质？(8分)答：建筑钢材的伸长率是通过单向拉伸实验确定的。（4.0分）取试件拉断后的伸长量与原标距的比值的百分率，即（公式），伸长率反映了钢材的塑性变形能力。请评价钢材经过常温时的加工（冷作硬化）后，其强度、塑性性能的变化。答：钢材经过冷作硬化后，其强度提高（5.0分），塑性变形能力下降。在角焊缝设计中，对焊脚尺寸和计算长度有哪些构造要求？为什么？(8分)答：1、焊缝长度对设计来说没啥大用，一般是用来计算焊丝或焊条定额的；2、焊脚尺寸与设计有关，那就是强度设计，先看你的结构的受力大小，方向，简单的可以通过材料力学复杂的可以通过软件分析计算焊缝受力情况，进而确定焊脚尺寸大小；3、焊脚尺寸计算也可分为静强度和疲劳强度计算两种需要区分一下。承压型高强螺栓和摩擦型高强螺栓承受剪力作用时在传力和螺栓的验算上有什么区别？(7分)答：承压型高强螺栓承受剪力作用时螺栓直接承受剪力，需验算螺栓的受剪和承压承载能力。摩擦型高强螺栓承受剪力作用时螺栓不直接承受剪力，需验算螺栓的受剪承载能力。影响钢材机械性能的主要因素有哪些？各因素大致有哪些影响？1）化学成分的影响：影响较大的几种化学成分为C、Si、Mn、S、P、O,其中碳素结构钢中则是铁以外的最主要元素，碳是形成钢材强度的主要成分，随着含碳量的提高，钢的强度逐渐增高，而塑性和韧性下降，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等也变劣。Si、Mn为有益元素，在普通碳素钢中，它们是脱氧剂，可提高钢材强度。S、P、O为有害元素，S可能引发刚才热脆，P可能引发刚才冷脆，氧与硫类似使钢热脆。2）钢材的硬化钢材的硬化有三种情况：时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化，钢材的硬化使钢材的强度提高，而塑性和韧性下