钢结构

一、试述钢结构在建造过程中可能对构件的性能带来那些影

响？

答：现代钢结构都是在专业化的金属结构制造厂用热轧钢材建或冷弯型钢加工成构件或构体（构件的集合体），然后运到工地安装而成。

1、加工对钢构件性能的影响

分为两类。一类是常温下加工的塑性变形，即冷作硬化和其后的实效影响；另一类是局部高温影响，主要是焊接影响，也有氧气切割的影响。

冷加工的影响

冷加工和时效使钢材的韧性降低；钢材的剪切和冲孔，使钢材的边缘和冲出的孔壁严重硬化，甚至出现细微裂纹。对于比较重要的结构，剪切处需要创边，冲孔只能用较小的冲头，冲完再进行扩钻，以除去硬化部分，以免裂纹在一定条件下扩展。钢板剪断的边缘，如果以后还焊焊缝，可以不创边；冷弯成型使钢板经受一定塑性变形，并出现强化和硬化。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，但不如屈服点提高的百分比大。材料弯成圆角时半径和板厚之比越小，塑性应变越大，屈服点的提高也越大。

焊接和焰割的影响：

（1）焊缝金属具有铸造组织，不同于轧制钢材。

（2）焊缝的高温是临近焊缝的钢材发生组织变化

（3）局部高温使钢材发生塑性变形，冷却后存在残余应力

（4）反作用残余应力：由于热态塑性压缩，焊接构件除了残余应力还存在残余变形。如果两块钢板受到牵制而不能收缩，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。

3）热矫正和热成型

构件在焊接后除了长度缩小外，还会产生其他的变形，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。

2、制造和安装的偏差对钢结构性能的影响

构件在承受荷载前存在初始弯曲，是一种几何缺陷。他对不同构件产生不同的影响。对于轴心拉杆来说，初始弯曲的影响不大，但对轴心压杆，情况要严重得多，初始挠度不仅不会逐渐消失，反而随压力增大而增大。当为初始超静定杆系结构时，初始内力和荷载引起的内力同号时，将使承载能力降低。

二、试述钢结构失稳的类别及其特点。区分失稳的类别有

何工程意义？

1）平衡分岔失稳：完善的（既无缺陷的、挺直的）轴心受压构件和完善的在中面内受压的平板失稳都属于平衡分岔失稳。还有受弯构件以及受压的圆柱壳等的失稳。

（1）稳定分岔失稳：轴心受压构件屈曲后，挠度增加时荷载还略有增加。结构达到临界状态时，从未屈曲的平衡位形过渡到无限邻近的屈曲平衡位形，即由直杆而出现微弯。

（2）不稳定分岔失稳：结构屈曲后只能在此临界荷载Pcr低的条件下才能维持平衡位形。承受轴心受压荷载的圆柱壳属此情况。

2）极值点失稳：实际的轴心受压构件因为都存在初始弯曲和荷载的作用点稍稍偏离构件轴线的初始偏心，在轴向压力作用下产生弯曲变形在塑性发展到一定程度时丧失稳定的承载能力，失稳时荷载即为实际极限荷载，因此会出现有极值点的失稳现象。例如，偏心受压构件和双向弯曲构件。

跃越失稳：结构由一个平衡位形突然跳到另一个平衡位形，期间出现很大的变形，丧失稳定平衡之后又跳到另一个稳定平衡状态，但结构已破坏不能被利用。

特点

考虑变形对外力效应的影响，即结构的稳定问题涉及到二阶效应的影响。原则上稳定问题都应用二阶分析。

静定和超静定结构的区分失去意义

叠加原理不适用

稳定是构件的整体问题，不是某个截面的问题

工程意义

掌握钢结构中可能出现的各种失稳类型，了解各类失稳的特点，掌握各类稳定设计的要领，正确估量结构的稳定承载能力，防止构件和结构在施工和使用过程中失稳，以及在设计时利用屈曲后强度。保证结构和构件的稳定，是钢结构设计的重要内容。应充分认识各种因素对结构和构件稳定性能的影响，从而对钢结构稳定问题进行全面的把握，进而灵活的运用各种措施来增强结构的稳定性。

三、钢结构设计时如何防止脆性断裂？为什么？

脆性断裂具有突发性，破坏前只有很小的变形，因此不能由变形发展的征兆及时防止，所以破坏危险，应加以防止。

如何防止脆断发生，应从以下几个方面考虑：

（一）控制裂纹

（1）选用C含量较低的钢材。一般把C控制在0.22％左右。

原因：随着碳含量的增加，钢材的塑性和冲击性降低。

（2）对施工工艺进行设计

a减小焊缝因冷却收缩产生的裂纹。例如可以在两版之间垫软钢丝或直接采用粗糙不平的火焰切割边焊接都可以是焊缝有收缩的余地，裂纹就不会出现。

原因：靠近板边的融化金属因热量迅速被板吸收而首先冷却，当两板间未留缝隙而不能相对移动时，中央和表面的融化金属的收缩就会受到阻碍，焊缝内出现拉应力，从而产生裂纹。

b改良焊缝的形状。选用凸焊缝。

原因：凹形焊缝的表面有较大的收缩拉应力,实验表明直角角焊缝的破坏经常发生在45°有效截面处。凸焊缝表面拉力不大，而45°截面又有所加强，因此在凹焊缝若开裂的条件下，改用凸焊缝，就不会开裂。

c 冲孔用较小的冲头，冲完后再进行扩钻。对于比较重要的结构，剪断处也需要刨边。

原因：把周围硬化的部分除掉，以免出现微细裂纹。

（二）应力

减小应力集中，避免焊缝过于集中和避免截面突然变化。

原因：应力集中会使局部压应力增高，不仅如此，在出现应力高峰的同时还出现双轴同号的应力状态甚至三轴同号的应力状态，后者对脆性破坏最为危险。（三）材料韧性

选用具有一定韧性的钢材。

原因：韧性好的钢材抗冲击韧性强，不容易发生脆断。

（四） 结构形式

采用多路径设计原理。把构件设计成超静定的，即有赘余构件，可以减少断裂造成的损失。

原因 ：一旦个别构件断裂，则只是赘余构件减少了一个，结构仍然可以保持稳定。若采用单路径结构，一旦构件破坏，整个结构将垮下来。

（五） 钢材的选用

（1）根据具体的使用环境选择型钢型号。

原因：钢结构同一钢号的型钢也分为A B C D 四个级别，有的甚至还有E 级别。它们是根据不同的冲击韧性要求划分的。因此若不加以细分，则会造成工程事故。

四、提高焊接工字型等截面简支梁的稳定承载能力一般可采

取的措施有哪些？为什么？

梁的承载能力分为整体稳定和局部稳定。

整体稳定：由一半荷载作用下梁的临界弯矩公式分析

21232y cr y EI M a B l πβββ?=++???

（一） 刚度

（1）增大受压翼缘的宽度。

（2）提高腹板的高度。

（3）增加腹板的厚度

原因：根据梁的临界弯矩公式可知Iy It Iw 都会对梁的临界弯矩有影响。并且影响作用依次减小。综合考虑应从以上三个方面进行加强。

（二） 计算长度

(1)减小梁的计算长度能有效的增大梁的临界弯矩。可在受压翼缘部分设置具有足够刚度的支撑。

（三） 荷载类型

（1）将梁的受荷形式改为跨度中点受集中荷载。

原因：

上图从左至右依次为均布荷载，集中荷载，纯弯作用下的弯矩图，可以看出集中荷载作用下梁的安全储备高。即下表显示的在集中荷载作用下荷载系数β1 β2 β3的取值较高。因此梁的承载力会提高。

（四）受荷位置

（1）将荷载作用于下翼缘。

原因：临界弯矩公式中系数a，当荷载作用在剪力中心以下时取正号，反之取负。即粱一旦扭转，作用于下翼缘的荷载对剪心产生的附加扭矩于梁的扭转方向是相反的，因而会减缓梁的扭转。

局部稳定

（一）加大腹板的厚度

原因：梁的局部稳定和腹板的宽厚比有关。腹板厚度提高梁的局稳也会提高。（二）设置加劲肋。

原因：腹板厚度变厚，钢结构的成本将会提高。在不提高腹板厚度的前提下，设置加劲肋同样可以预防局部失稳。例如横向加劲肋主要防止例如横向加劲肋主要防止由剪应力和局部呀应力可能引起的腹板失稳，纵向加劲肋主要防止由弯曲压应力和单边压应力可能引起的腹板失稳，短加劲肋主要防止由局部压应力可能引起的腹板失稳。

（三）利用屈曲后强度，采取有效截面进行计算。

原因：某些构件允许局部失稳，用有效截面进行计算。可以降低成本。

五、提高钢结构疲劳性能的工艺措施有哪些？举例说明采用

哪些适当的构造细节可提高结构的疲劳寿命？

答：为了缓和应力集中、消除切口、在构件表层形成压缩残余应力等导致疲劳破坏的因素，首先要靠构造细节设计适当和精心施工取得好的质量。此外，也可以在焊接之后进一步采取一些工艺措施来提高疲劳性能。工艺措施有以下几点：（1）缓和应力集中的最普通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。）

（2）对于角焊缝的趾部用气体保护钨弧使重新融化，可以起消除切口的作用。（3）在焊缝和近旁金属的表层形成压缩残余应力，这是改善疲劳性能的一个有效措施。

抵抗疲劳的构造措施举例：

处理构造细节首先是选用应力集中不严重的方案，如拼装一块板时能用对接焊缝就不用拼接板加角焊缝。其次，必须采用应力集中严重的构造时，尽量把它放在低应力区。如焊接梁用多层翼缘板时，无论是只用纵焊缝或兼用端焊缝，在外层板切断处总是有焊缝引起的严重应力集中，因此，需要把外层板多延伸一些。摩擦型高强螺栓抗剪连接具有较高的疲劳强度。因此，把焊接的外侧翼缘板端部的焊缝在理论切断点停止，改用摩擦型高强螺栓来传递板的内力，可大大提高梁抗疲劳破损的能力。

把节点板做成用圆弧过渡构件的容许应力幅就可以提高，从而减缓应力集中的成度。圆弧的半径R越大,对耐疲劳性越有利。

为了改善梁外层翼缘板处的抗疲劳性能而把外层翼缘板端部一段的厚度逐渐减

小。

纵梁不和加劲肋焊接，梁端部有转动的余地，就不会出现疲劳裂缝。

横向加劲肋做的短些，下端和受拉翼缘空出一段距离(①若连接没有任何作用②而且连接焊缝收缩会产生残余变形从而导致集中应力)，一般建议取为50 ~100mm，并且要验算加劲肋端部处的疲劳强度，建议取为腹板厚度的4~6倍。对于连接横向支撑处的横向加劲肋，可以把横加劲肋延伸下来和翼缘顶紧，但肋端切成斜角，和腹板之间仍留50 ~100mm不焊。

桁架支座节点，节点板下边缘焊有一块底板。焊缝端部位于弯曲拉应力区，在周期荷载作用下导致节点板开裂，如果底板只和端竖杆相焊而不和节点板焊接，就可以避免在周期荷载作用下导致节点板开裂的情况。

在用衬板条时只能用连续焊缝，也可以用不焊透的破口焊缝，或在两侧用角焊缝比使用衬板条而间断焊提高疲劳强度。

将焊接改为栓接，可以改善一些细节的疲劳性能。

论述题：

一、谈谈你对钢结构设计中钢结构支撑设计的认识

设置支撑可以提高压杆、梁和框架的稳定承载力。支撑设置得当可以获得节约钢材的效果。

（1）压杆的支撑

单个压杆的支撑：设置支撑是减小压杆计算长度，提高它的承载能力的有效办法。对轴心受压构件来说，为减少其计算长度而设置的支撑以尽量避免偏心连接。在现实工程中，被撑压杆有两种情况可能出现扭转，从而使支撑起不到把压杆计算长度减少一半的作用。第一种情况是抗扭刚度弱的构件，如十字形截面的压杆。在这种构件的高度中央设置两个方向的支撑，使其计算长度减少一半时，必须注意验算一下扭转屈曲临界力是否小于计算长度为L/2时的弯曲屈曲临界力。第二种情况：支撑偏离压杆剪心，压杆本身抗扭刚度较好。e小时，增大支撑刚度，有望将压杆的计算长度减少一半；e较大时，即使增大支撑刚度，也不能将压杆的计算长度减少一半。开口冷弯薄壁型钢的受压构件绕对称轴失稳时成弯扭屈曲，偏心连接的支撑可以起防扭作用，对提高其承载力有一定效果。绕非对称轴则是弯曲屈曲，支撑的偏心就无益了。

柱列的支撑：只对一根构件起支撑作用的支撑，按规范规定的容许长细比设计，常能满足要求。但是对多根构件起支撑作用的支撑则未必能满足要求。按允许长细比选出的截面，虽然能够承担对单柱起完全支撑的任务，但由于多柱组成柱列时，其内力要大得多，因而未必能够满足要求。

（2）梁的支撑

GB50017规范规定：当有铺板（各种钢筋混凝土和钢板）密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连、能阻止梁受压翼缘的侧向位移时，可以不计算梁的整体稳定性。

当梁上没有铺板时，为了防止整体失稳降低承载力，可以设支撑来解决，由于梁的失稳变形包括侧向弯曲和扭转，防止整体失稳就要对侧移和扭转两种变形加以约束。

简支梁：(1)如果只在梁的剪心出设置抗侧移的支撑杆，只要杆的刚度达到一定程度，使能阻止梁发生侧移，但此杆并不能有效的阻止截面扭转，（2）若将支撑

放在上翼缘即受压翼缘处，则效果好的多。梁失稳的原因在于受压翼缘趋于侧向失稳。因此阻止该翼缘侧移，扭转也就不会发生，（3）如果支撑杆设在受拉翼缘平面，就不能完全阻止受压翼缘侧移，其效果比设在剪心处还要差。(4)阻止梁端截面扭转的一个有效方法，在下翼缘和支座相连的同时对上翼缘也提供侧向支撑。

悬臂梁：理论和实践证明，阻止侧移的支撑放在上翼缘平面比下翼缘平面要好一些，不过由于受压翼缘在下面，上翼缘平面内的支撑不能完全阻止扭转，因此最有效的办法是上下翼缘平面内都设支撑。

当梁承受的横向荷载作用于梁上翼缘时使临界弯矩有所下降，原因是作用点高的荷载促使梁扭转。因此，荷载作用高时对支撑的要求也要提高。

对于没有刚系铺板的平行梁系，有效的支撑方式是在两个相邻梁的上翼缘之间设置斜撑体系，并用系杆撑住其他梁，以减少梁的自由长度。

（3）框架的支撑

框架的失稳有有侧移和无侧移两种形式，有侧移失稳时临界荷载低于无侧移失稳。为了提高框架的稳定承载力，可以设置侧向支撑以防止侧移。阻止框架柱失稳时出现侧移的斜撑体系，除承受风力和其他水平力外，还应承受一定的承载力。当为多层框架时，每层都应设置横撑或斜撑。高大框架结构中部框架柱可以依靠具有足够刚度和强度的支撑平台梁来提供位移约束用以减小其计算长度。

二、谈谈你对计算长度法可否代替框架整体分析的认识

计算长度的概念来自轴心受压构件的弹性屈曲，他的物理意义是把不同的支撑情况的轴心受压构件等效为长度等于计算长度的两端铰支的轴心受压杆件，他的几何意义是代表构件弯曲屈曲后弹性曲线两反弯点的长度。

杆件能否保持稳定牵涉到结构的整体性问题，稳定分析必须从整体结构着眼。在当前的框架设计时并不去计算框架本身的稳定性，而是用计算柱子的稳定性代替。但这只是一种简化方法。他是把横梁对柱子的约束和柱脚所提供的约束，通过计算长度加以体现。这种简化只是在符合一定条件时才是精确的。现以铰支的单跨单层框架为例，加以分析说明。如下图所示的对称框架中，在柱顶有集中的荷载N作用的条件下，将有可能发生两种失稳形式，即无侧移的对称失稳和有侧移的反对称失稳。通过分析有侧移的失稳临界荷载要比无侧移的大。因此在顶部没有侧向支点的情况下。框架即以反对称形式失稳。下面就分析出现该种失稳时临界荷载。

取左柱作为分离体。

?

???

可列出其平衡微分方程为（忽略了剪力对柱子的影响）：

"0c EI y Ny += （1） 现命2/c k N EI = ，则公式（1）的通解为

s i n c o s y A k x B k x

=+ 根据下端为不动铰的边界条件，0x =时0y =，可知B=0。因此，柱轴线任意点位移：

s i n y A k x

= 则柱顶位移：sin B y A kh = （2）

柱顶的倾角为：'cos B y Ak kx θ==

在对称结构呈反对称变形的情况下，横梁两端承受相同的弯矩，其端部倾角为 66B B B B

M l Ny l EI EI θ== 将上述两式对等中消去θ，可得：

cos 6B B Ny l Ak kh EI = （3） 公式（2）和公式（3）所列的方程式都是以B y 和A 为未知量的方程式，联立方程求解时该方程组有非零解的充分必要条件是系数行列式等于零。

于是可得可得临界条件：

t a n 6B C I h kh kh I l

= （4） 把2/c k N EI =带入公式（3）中得到N ，就是框架的临界荷载。

当用柱的稳定计算代替框架的稳定计算时，其式为 22/()cr c N EI h πμ= 其中μ是柱子的计算长度系数。将上式带入2cr c N k EI =时，可得

/kh πμ=

代入公式（4）后得 2t a n 60K ππμμ

-= （5） 当框架的各部分尺寸给定后由上述公式即可计算出柱子的计算长度系数μ。《钢结构设计规范》（GB50017—2003）表D —2给出了框架的计算长度系数μ 以上分析表明，按规范所给出的框架计算长度系数计算柱子的稳定性，在承受注定对称竖向荷载的对称框架中，是和框架稳定计算等价的。这种方法成为计算长度法。

但是如果条件不同，计算长度法就不能确切反映框架的稳定性了。当框架不对称或荷载不对称时，如果要比较准确的解决稳定问题，就需要将上述μ进行修正。

综上所述：计算长度法只是在特定的条件下才能给出确切结果，设计者在应用规范时，应细心谨慎从事，在考察结构整体性的基础上运用这一方法，而不是盲目的套用μ系数。遇到特殊情况时，最好能从框架的整体稳定来进行分析。