钢结构基本原理-思考题简答题-答案

钢结构基本原理-思考题简答题-答案

钢结构基本原理简答题思考题答案

2、钢结构的特点是什么？

①强度高、重量轻；②材质均匀、可靠性高；

③塑性、韧性好；④工业化程度高；⑤安装方便、

施工期短；⑥密闭性好、耐火性差；⑦耐腐蚀性差。第二章钢结构的材料

6、什么是钢材的主要力学性能（机械性能）？

钢材的主要力学性能（机械性能）通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件（20 5℃）下均匀

拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示的各种机械性

能（静力、动力强度和塑性、韧性等）。

7、为什么钢材的单向均匀拉伸试验是钢材机械性能的常用试验方法？

钢材的单向均匀拉伸比压缩、剪切等试验简单易行，试件受力明确，对钢材缺陷的反应比较敏感，试验所得各项机械性能指标对于其它受力状态的

性能也具有代表性。因此，它是钢材机械性能的常

用试验方法。

8、净力拉伸试验的条件有哪些？

①规定形状和尺寸的标准试件；②常温

（20 5℃）；③加载速度缓慢（以规定的应力或应

变速度逐渐施加荷载）。

15、解释名词：抗拉强度

抗拉强度：钢构件受拉断裂时所对应的强度值。

16、解释名词：伸长率

伸长率是钢结构试件断裂时相对原试件标定长度的伸长量与原试件标定长度的比值，用δ

5

；或

δ

10表示。δ

5

表示试件标距l

与横截面直径d

之

比为5；δ

10表示试件标距l

与横截面直径d

之比

为10。对于板状试件取等效直径d

0=2

π0

A A0为板

件的横截面面积。

17、钢材承载力极限状态的标志是什么、并做必要的解释。

钢材在弹性阶段工作即σ﹤f

y

时，应力与应变间大体呈线性正比关系，其应变或变形值很小，钢材具有持续承受荷载的能力；但当在非弹性阶段工

作即σ﹥f

y

时，钢材屈服并暂时失去了继续承受荷载的能力，伴随产生很大的不适于继续受力或使用

的变形。因此钢结构设计中常把屈服强度f

y

定为构件应力可以达到的限值，亦即把钢材应力达到屈服

强度f

y

作为强度承载力极限状态的标志。

18、解释屈强比的概念及意义。

钢材屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比。屈

强比表明设计强度的一种储备，屈强比愈大，强度

储备愈小，不够安全；屈强比愈小，强度储备愈大，结构愈安全，但当钢材屈强比过小时，其强度利用

率低，、不经济。

19、什么是钢材的冷弯性能？

钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂纹的抵抗能力的一项

指标。

20、钢材的冷弯性能和哪些因素有关？

钢材的冷弯性能取决于钢材的质量，并与试验所取弯心直径d对钢材厚度a的比值有关。

21、能否用钢材的冷弯性能考察钢材在复杂应力状态下发展塑性变形能力，为什么？

钢材的冷弯性能不但是检验钢材适应冷加工能力和显示钢材内部缺陷（如分层、离析、非金属

夹杂、气泡等）状况的一项指标；而且由于冷加工

时试件中部受弯部位受到冲头挤压以及弯曲和剪

切的复杂作用，因此也是考察钢材在复杂应力状态

下发展塑性变形能力的一项标志。

22、什么是钢材的冲击韧性？

钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力，是衡量钢材抵抗可

能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而导致脆性断裂能力的一项机械性能。

23、测定钢材冲击韧性时，常用标准试件的型式有哪几种？

测定钢材冲击韧性时，常用标准试件的型式有梅氏（Mesnager）U型缺口试件和夏比（Charp）V 型缺口试件两种。

24、如何测定钢材的冲击韧性？

钢材的冲击韧性通常采用有特定缺口的标准试件，在材料试验机上进行冲击荷载试验，使试件断裂来测定。

25、何谓钢材的弹性极限？

对钢材进行拉伸试验，当应力 不超过某一定值时，试件应力的增或减相应引起应变的增或减；

卸除荷载后（ =0）试件变形也完全恢复（ε=0），没有残余变形。钢材的这种性质叫弹性。在应力-

称为应变曲线上，弹性阶段所对应的最高应力点f

e 弹性极限。

的含26、试解释钢材U型缺口试件的冲击韧性指标α

k

义。

钢材U型缺口试件的冲击韧性指标一般用冲击值α

表示，即用冲击荷载使试件断裂时试件所吸k

收（消耗）的功A

除以缺口处横截面面积所得的值，

k

其单位为J/mm2（即Nmm/mm2）或Nmm/mm2。

的含27、试解释钢材V型缺口试件的冲击韧性指标A

kv

义。

钢材V型缺口试件的冲击韧性指标一般用冲击功A

来表示。

kv

29、钢材的冲击韧性和哪些因素有关？

钢材的冲击韧性与①钢材质量、②试件缺口状况、③加载速度、④温度、⑤钢材厚度有关。其中

温度越低、钢材厚度越大，其冲击韧性越差。30、决定钢材机械和加工工艺性能的主要因素是什么？

什么因素与钢材的机械性能有密切关系？什么因

素对钢材的机械性能有重要影响？

决定钢材机械和加工工艺性能的主要因素是

①钢材的化学成分及其②微观组织结构；

钢材的①冶炼、②浇注、③轧制等生产工艺与钢材的机械性能有密切关系；

钢结构的①加工、②构造、③尺寸、④受力状态、及其所处的⑤环境温度等对钢材的机械性能有

重要影响？

31、钢的主要化学成分是什么？钢材中的微量元素包括什么？

钢材主要化学成分是铁，在普通的碳素钢中约占99%；

钢材中的微量元素有①碳（C）；②有利元素锰（Mn）、硅（Si）；③有害杂质元素硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）、氢（H）；④在合金钢中还有特意

添加以改善钢材性能的某些合金元素，如锰（Mn）、钒（V）等。

32、碳元素对钢材的性能有哪些影响？

碳含量对钢的强度、塑性、韧性和焊接性有决定性的影响。（其中焊接性是指钢材对焊接的适应

性，主要指在一定的焊接工艺条件下获得优质焊接

接头的难易程度。）随着碳含量的增加，钢材的抗

拉强度和屈服强度提高；但其塑性、冷弯性能和冲

击韧性、特别是低温冲击韧性降低，焊接性也变坏。

结构钢材的碳含量不能过高，通常不超过0.22%。

36、硫元素对钢材的性能有哪些影响？

硫是钢中十分有害的元素。①硫的化合物使钢的焊接性变坏；②硫降低钢材的塑性和冲击韧性。37、磷元素对钢材的性能有哪些影响？

磷是钢中十分有害的元素。磷的有害作用主要

是①使钢在低温时韧性降低并容易产生脆性破坏；

在高温时，②磷会降低钢的塑性。

38、何为“热脆”？

硫与铁的化合物硫化铁（FeS），散布在钢材纯铁体的间层中，当温度在800～1200℃时熔化而使

钢材出现裂纹，这种现象称为“热脆”。“热脆”会

使钢的焊接性变坏。

39、何为“冷脆”？

钢材中由于某些有害元素的存在（如磷元素），使钢材在低温时韧性降低并容易产生脆性破坏，这

种现象称为“冷脆”。

42、钢冶炼后因浇注方法（脱氧程度或方法）不同可以分为几种？

钢冶炼后因浇注方法不同可以分为四种，分别是：①沸腾钢、②半镇静钢、③镇静钢、和④特殊

镇静钢。

43、什么是沸腾钢？

沸腾钢是在炉中和盛钢桶中的熔炼钢液中仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧，当钢液注锭时，钢液中

仍保留有相当多的氧化铁，与其中的碳等化合生成

一氧化碳（CO）等气体大量逸出，致使钢液剧烈“沸

腾”，所以称其为沸腾钢。

44、沸腾钢具有什么特点？

沸腾钢的缺点是：①沸腾钢注锭后，冷却速度快，溶于钢液中的气体不能全部逸出，而且容易形

成气泡包在钢锭中；②“沸腾”使硫、磷杂质分布

不均匀，出现其局部富集的“偏析”现象；③钢的

“偏析”及分布不均匀的气泡，不但使钢材的质量

不均匀，而且常常使轧制钢材产生分层，降低钢材、特别是厚钢板的抗层状撕裂（即钢板在厚度方向上

受拉而分层破坏）的能力。

沸腾钢的优点是：①沸腾钢生产工艺简单；②价格便宜；③质量能满足一般承重钢结构的要求，因此其应用范围比较广泛。

45、什么是镇静钢？

镇静钢是在熔炼钢液中加入适量的强脱氧剂硅（或铝）和锰等，进行彻底脱氧，因而钢液注锭

时不发生沸腾现象，钢液在钢锭模中平静地逐渐冷

却，所以称其为镇静钢。

46、镇静钢具有什么特点？

镇静钢的优点是：由于钢液不沸腾、冷却速度比较慢，钢液中的残余气体比较容易逸出，因而

①钢材的质量优良、质地均匀、组织致密、杂质少、

偏析小。与沸腾钢相比，②其冲击韧性和焊接性比

较好；③冷脆和时效敏感性比较小；④强度和塑性

也略高。

镇静钢的缺点是：①镇静钢需要一定量的强脱氧剂；②铸锭时需要适当保温；③工艺过程复杂；

④冷却后钢锭头部因缩凹而需要切除的部分（约为

20%）比较多；⑤价格相应也较高。

47、什么是半镇静钢？

半镇静钢是在熔炼钢液中加入少量的强脱氧剂氧化硅（或铝），其脱氧程度、质量、价格介于

沸腾钢和镇静钢之间，因而称其为半镇静钢。48、什么是特殊镇静钢？

特殊镇静钢的脱氧程度比镇静钢更高，一般应含有足够的形成细晶粒结构的元素，如铝等，通常

是用硅脱氧后再用铝补充脱氧。我国碳元素结构钢

中的Q235-D钢，以及桥梁用钢如16Mnq等属特殊

镇静钢。

50、热处理的作用是什么？

普通钢材轧制后是自然堆放而不做热处理。如经过适当的热处理，则可以显著提高其强度并保持

其良好的塑性和韧性。我国一般钢结构中目前尚不

采用热处理钢材，而高强度螺栓则是用一些强度较

高的优质碳素结构钢（45、35号钢）或低合金结

构钢（20MnTiB、40B、35VB钢等），制成螺栓后进行热处理调质（淬火后高温回火），以进一步提高其强度和质量性能。

51、钢材中的残余应力是如何产生的？

热轧型钢中的热轧残余应力是因其热轧后不均匀冷却而产生的。其发生机理是：

①在型钢热轧终结时，其截面各处的温度大体

相同，但其边缘、尖角及薄细部位因与空气接触表面多而冷却凝固较快，其余部分冷却凝固较迟缓。

先冷却部位常形成强劲的约束，阻止后冷却部位金属的自由收缩，从而常使随后冷却的部位受拉，在型钢中产生复杂的残余应力分布。

②钢材在以后的调直和加工（剪切、气割、焊

接等）还将改变“①”中的残余应力分布。

钢材或构件经过退火或其它方法处理后，其残余应力可部分乃至全部消除。

52、残余应力对钢材的受力性能有何影响？

①钢构件承受荷载时，荷载引起的应力将与截

面残余应力叠加，使构件某些部位提前达到屈服强度并发展塑性变形。如继续增加荷载，只有截面弹性区承受荷载的增加值，而塑性区的应力不再增加。所以，构件达到强度极限状态时的截面应力状

态与没有残余应力时完全相同，即残余应力不影响

构件强度。

②由于构件截面塑性区退出受力和发展塑性

变形，残余应力将降低构件的刚度和稳定性。

③残余应力特别是焊接残余应力与荷载应力

叠加后，常使钢材处于二维或三维的复杂应力状态下受力，将降低其抗冲击断裂和抗疲劳破坏的能力。

53、温度对钢材的机械性能有何影响？

钢材的机械性能随温度的不同而有变化，①当温度由常温升高时，钢材的屈服强度f

y

、抗拉强度

f

u

和弹性模量E的总趋势是降低的，但在150℃以下时变化不大；②钢材的温度由常温下降至负温度

范围内时，钢材的强度（f

y 、f

u

）等虽有提高，但

塑性和韧性降低、脆性增加。

54、何为“蓝脆”？

当温度在250℃左右时，钢材的抗拉强度f

u

反而有比较大的提高，但此时相应的伸长率δ比较低、冲击韧性变差，钢材在此温度范围内破坏时常呈脆性破坏特征，称其为“蓝脆”。

55、什么是钢材的冷加工硬化（冷作硬化、应变硬化）？

σ

G

C J H

再

卸加

载载

O O/ε

如图所示：由钢材重复加载的σ-ε曲线显示，当第一次加载（由O点开始）至已经发展塑性变形的J点后完全卸载至O/点；当再次加载时σ-ε曲线大致将按卸载时的原有直线O/J回升，荷载更大时再沿原来的钢材一次加载情况的σ-ε曲线的JGH段变化，表现为钢材的屈服强度提高，弹性范围增加，塑性和伸长率降低。钢材的这种性质称为钢材的冷加工硬化（冷作硬化、应变硬化）。56、钢材的冷加工硬化对钢材的性能有何影响？

钢材在冷拉、冷拔、冷弯、冲切、剪切等冷加工时都会产生很大的塑性变形，由此产生冷作硬化。①冷作硬化可提高钢材的屈服强度，②但同时降低塑性和增加脆性，③对钢结构特别是承受动力荷载的钢结构是不利的。

57、何为钢材的实效硬化？

钢材随时间进展将使屈服强度和抗拉强度提高、伸长率和冲击韧性降低，称为钢材的实效硬化。58、试解释钢材发生实效硬化的机理？

钢材发生实效硬化是由于高温时溶于钢材纯铁体中极少量的氮等，随着时间的延长从纯铁中析出，并形成自由氮化物而存在于纯铁晶粒间的滑动面上，阻止了纯铁体晶粒间的滑移，因而约束了塑性发展。

60、何为钢材的应力集中？

钢材的标准拉伸试验是采用经过机械加工的光滑圆形或板状试件，在轴心拉力作用下试件截面应力分布均匀。而实际钢结构的构件中常有孔洞、缺口等，致使构件截面突然改变。在荷载作用下，这些截面突变处的某些部位（孔洞边缘或缺口尖端等处）将产生局部高峰应力，其余部位应力比较低而且分布极不均匀，这种现象称为钢材的应力集中。

61、何为应力集中系数？并叙述其作用。

通常把钢材截面的高峰应力与平均应力（当构件截面受轴心力作用时）的比值称为应力集中系数。用希腊字母η表示。

应力集中系数可表明应力集中程度的高低，其

值取决于构件截面突然改变的急剧程度。

62、试叙述应力集中对钢材性能的影响。

①在应力集中的高峰应力区内，通常存在着同

号的平面应力状态或立体（三维）应力状态，这种应力状态使钢材的变形发展困难而导致脆性状态破坏。钢材构件截面缺口改变愈急剧、即应力集中愈高的试件，其抗拉强度愈高，但塑性愈差、发生脆性破坏的可能性也愈大。

②应力集中引起孔槽边缘处局部的应力高峰；

当结构所受净力荷载不断增加时，高峰应力及其邻近处局部钢材将首先达到屈服强度。此后继续增加荷载将使该处发展塑性变形而应力保持不变，所增加的荷载由邻近应力较低处即尚未达到屈服强度部分的钢材承受。然后塑性区逐步扩展，直到构件全截面都达到屈服强度时即为强度的极限状态。因此，因此应力集中一般不影响截面的静力极限承载力，具体进行钢结构设计时可不考虑应力集中的影响。

③比较严重的应力集中、特别是在动力荷载作

用下，加上残余应力和钢材加工的冷作硬化等不利因素的影响，常是结构、尤其在低温环境下工作的钢结构发生脆性破坏的重要原因。

所以进行钢结构设计时，应尽量减免构件截面的急剧改变，以减少应力集中，从构造上防止构件的脆性破坏。

63、什么是钢材的疲劳或疲劳破坏？

钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、裂纹扩展、以至钢材断裂破坏的现象称为钢材的疲劳和疲劳破坏。

64、钢材的疲劳破坏有何特征？

钢材发生疲劳破坏时，①破坏面上的应力低于钢材的抗拉强度，甚至低于其屈服强度；②破坏断口比较整齐，其表面有比较清楚的疲劳纹理，该纹理显示以某点为中心向外呈半椭圆状放射型的海滨沙滩痕迹般的现象；③通常构件没有明显的变形，呈现出突然的脆性破坏特征。

65、钢材的疲劳破坏与什么因素有关？

钢材的疲劳破坏与①钢材的质量、②构件的几何尺寸、③钢材的缺陷、④循环荷载在钢材内部引起的反复循环应力的特征⑤及循环次数有关。66、钢材的疲劳破坏应力幅或疲劳容许应力幅主要取决于哪些因素？哪些因素影响不显著？

因为钢构件或连接的疲劳破坏是在循环应力反复作用下，产生疲劳裂纹并发生扩展，最终导致

钢构件或连接断裂。所以，疲劳破坏应力幅或疲劳容许应力幅主要取决于①应力循环次数n、②构件或连接的具体构造细节和③应力集中程度。

钢材强度等级对疲劳破坏应力幅或疲劳寿命的影响并不显著。

67、钢材疲劳破坏时循环应力特征用什么来描述？

钢材疲劳破坏时的循环应力特征可用应力随时间变化的曲线即应力谱描述。疲劳破坏试验通常采用正弦波应力谱，标志应力谱特征①可用应力比

ρ=σ

min /σ

max

和②σ

max

（σ

max

和σ

min

分别为绝对值最

大和最小应力，并常以σ

max

的应力为正）来表示；

③也可以用应力幅△σ=σ

max -σ

min

和④σ

max

表示。

68、何为钢材的疲劳强度极限？或何为钢材的耐久疲劳强度？

根据钢材的疲劳试验结果，当钢材、试件、试

验环境条件相同、并且应力比ρ=σ

min /σ

max

为定值

时，最大应力σ

max

随疲劳破坏时应力循环次数n的增加而降低，而且σ-n曲线具有平行于n轴的渐进

线。当n趋于很大时，σ

max 趋于σ

e

f。σ

e

f表示应力

循环无穷多次时试件不致发生疲劳破坏的循环应力σ

max

的极限值，称为钢材的疲劳强度极限或称为钢材的耐久疲劳强度。

69、何为钢材的条件疲劳强度？

由于钢材的应力循环次数n≥5×106时的疲劳强度变化已经趋于很小，实际应用上常取相应于n=5×106次的疲劳强度作为钢材的耐久疲劳强度，

称为钢材而相应于其它循环次数的疲劳强度σ

max

的条件疲劳强度。

71、对何种钢结构及对钢结构的何部位在何种条件下应进行疲劳计算？

钢结构设计规范规定：对承受动力荷载重复作用的钢构件（如吊车梁、吊车桁架等），当应力变化的循环次数n≥105次时，应对应力循环中出现拉应力的部位进行疲劳计算。而对于上述条件下，出现压应力的部位则不进行疲劳计算，这是因为，对于钢构件或其连接中的微裂纹在压应力的作用下，裂纹不会扩展，而且有逐渐闭合的趋势。

72、对钢结构进行疲劳计算时应选用荷载的什么值？如何考虑动力系数对荷载的影响？

计算疲劳破坏时，作用于钢结构的荷载取标准值，不乘荷载分项系数，也不乘动力系数，并按弹性方法计算其应力。这是因为引起疲劳破坏的荷载是经常重复作用的正常使用荷载，即不乘分项系数的荷载标准值。

动力系数的影响在以试验为基础确定的疲劳计算公式和参数中已经加以考虑。

73、对钢结构进行疲劳计算时，如何考虑应力集中与缺陷对疲劳的影响？

在对钢结构进行疲劳计算时，不另外考虑应力集中与缺陷（如气孔、非金属夹杂、偏析、咬边、未焊透、未熔透等）的影响，其不利影响已在各部位按具体构造进行疲劳计算分类时加以考虑。但在设计时应该注意从构造上避免过大的应力集中，特殊不利情况时另作考虑。

74、什么叫做钢材或钢结构的脆性断裂？

钢材或钢结构的脆性断裂是指低于名义应力（钢材做拉伸试验时的抗拉强度或屈服强度）情况下发生突然断裂的破坏。其断裂面通常是纹理方向单一和比较平的劈裂表面，很少或没有剪切唇边。

75、钢结构发生脆性断裂破坏的影响因素有哪些？

钢结构发生脆性断裂破坏往往是多种不利因素综合影响的结果，综合起来有以下几方面：

①钢材的质量差：钢材的碳、硫、磷、氧、氮

等元素含量过高，晶粒较粗，夹杂物等冶金缺陷严重，韧性差等。

②结构构件构造不当：孔洞、缺口或截面改变