重大继续教育学院周末专升本钢结构思考题

钢 结 构 设 计 思 考 题
1. 钢结构有哪些特点？钢结构对材料的要求有那些?
2. 现规范钢结构采用的是哪种设计方法？
3. 说明下列各词语的含义：结构极限状态、结构可靠性、可靠度(可靠概率)f p 、失效概率f p 、可靠指标β、荷载标准值与荷载设计值、强度标准值与强度设计值的关系。

4. 钢材的破坏形式有哪些？钢材有哪几项主要机械性能指标，各项指标可用来衡量钢材哪些方面的性能？
5. 影响钢材机械性能的因素有哪些？（要知道有害化学成分、钢材硬化、温度变化对钢材性能的具体影响）
6. 钢材在复杂应力作用下是否仅产生脆性破坏？为什么？
7. 什么是应力集中现象？应力集中对钢材的机械性能有什么影响？
8. 什么叫钢材的疲劳？影响疲劳强度的主要因素有哪些？怎样区别常幅应力循环和变幅应力循环？
9. 钢结构中常用的钢材有哪几种？钢材牌号的表示方法是什么？
10. Q235钢中四个质量等级的钢材在脱氧方法和机械性能上有何不同？选用钢材规范的规定有哪些？
11. 钢结构常用的连接方法有哪几种？
12. 手工焊条应根据什么选择？ Q235和Q345应分别采用什么牌号的焊条焊接？
13. 焊缝的质量分几个等级？与钢材等强的受拉和受弯的对接焊缝须采用几级？
14. 角焊缝按与外力作用方向的关系划分的焊缝形式各有哪些, 受力性能分别怎样？
15. 角焊缝有哪些构造要求？
16. 在计算正面角焊缝时，强度设计值增大系数βf 按照什么原则取值？
17. 焊接应力分为几类，焊接应力对结构性能的影响有哪些？
18. 螺栓排列的形式有哪些？螺栓排列的间距应满足哪几个方面要求？
19. 受剪普通螺栓的破坏形式有哪些？其中哪几项需要计算？
20. 在受剪连接中，摩擦型高强度螺栓、承压型高强度螺栓和普通螺栓各自靠什么传递外力，受力性能分别怎样？分别写出它们在受剪时单个螺栓承载力的计算公式。

21. 普通螺栓连接在偏心拉力作用时，应怎样计算？
22. 轴心压杆的整体失稳形式有几种？常见的是哪种失稳形式？
23. 确定轴心受压构件整体稳定临界应力的方法有几种？我国现行钢结构设计规范所采用的轴心受压柱子曲线是按哪种方法确定的?
24. 影响实际轴心压杆的整体稳定承载力的缺陷有哪些？
25. 十字形截面的实腹式轴心受压构件，如果x λ和y λ均大于t b /07.5，是否会发生扭转屈曲？
26. 实腹式轴心压杆须作哪几个方面的验算？局部稳定的设计原则是什么？
27.确定轴心压杆的稳定系数的截面类型有几类？根据什么来划分的？依据哪些因素确定轴心压杆稳定系数φ？
28.格构式轴心压杆计算整体稳定时，对虚轴为什么采用换算长细比确定稳定系数？写出换算长细比的计算公式。

分肢稳定满足的条件是什么？
29.画出工字形实腹式轴心受压柱和梁铰接连接的构造图，说明连接处各构件名称和梁支反力由连接处传到柱身的传力路线。

30.画出工字形实腹式轴心受压柱的柱脚构造图，说明组成柱脚的各构件名称和柱的轴力由柱脚传到基础上的传力路线。

31.实腹式轴心压杆、偏心压杆的腹板不满足局部稳定要求时，可采用什么方法解决？
答：
1、钢结构的特点：建筑钢材强度高，塑性和韧性好；钢结构的重量轻；材质均匀，与力学计算的假定比较符合；钢结构制作简便，施工工期短；钢结构密闭性好；钢结构耐腐蚀性差；钢结构耐热但不耐火；钢结构可能发生脆性断裂。

钢结构对材料的要求：（1）较高的强度（抗拉强度fu和屈服点fy）；（2）足够的变形能力（塑性和韧性）；（3）良好的工艺性能（冷加工、热加工和可焊性能）；（4）根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力）。

2、现规范钢结构采用的是概率的极限设计方法.
3、结构极限状态：当结构或其组成部分超过某一特定状态就不能满足设计规范的某一功能要求时，此特定状态就称为该功能的极限状态。

结构可靠性：结构应具有的安全性适用性耐火性统称为结构的可靠性。

可靠度（可靠概率）Ps ：结构在规定的时间内在规定的条件下完成预定功能的概率。

失效概率Pf :结构不能完成预定功能的概率。

可靠指标：度量结构可靠度的数值指标.
荷载标准值与设计值的关系：荷载设计值＝荷载标准值Ｘ荷载分次系数
强度标准值与强度设计值的关系：强度设计值ｆ＝强度标准值／抗力分项系数
4、钢材的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。

屈服强度ｆｙ衡量塑性性能抗拉强度ｆｕ衡量弹塑性性能
钢材的主要机械性能包括强度，塑性，冷弯性能，冲击韧性和可焊性。

各项指标可用来衡量钢材哪些方面的性能？
屈服点（屈服强度ｆｙ）抗拉强度ｆｕ反映钢材强度，其值越大承载力越高。

伸长率反映刚才塑性的指标之一，另外还有截面收缩率。

冷弯试验：是衡量钢材在弯曲变形状态下塑性应变能力和钢材质量的综合指标。

冲击韧性：是衡量钢材强度塑性及材质的一项综合指标。

5、影响钢材机械性能的主要因素有哪些？（要知道有害化学、钢材硬化、温度变化对钢材性能的具体影响）
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。

6、钢材在复杂应力作用下是否仅产生脆性破坏？为什么？
答：不是。

因为在复杂应力作用下，钢材按能量强度理论计算的折算应力σred与单向应力下的屈服点相比较：若σred＜fy为弹性状态；若σred≥fy为塑性状态，即发生塑性破坏。

当平面或立体应力皆为拉应力时材料处于脆性破坏。

7、什么是应力集中状态？应力集中对钢材的机械性能有什么影响？
答：钢结构构件中的应力分布固构件中的孔洞，槽口，凹角，截面突变及刚才内部缺陷等而不能保持均匀分布，在局部产生高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成应力集中现象。

在应力高峰区域总存在着同号的双向或三向应力，使材料处于复杂应力状态，由能量强度理论得知，这种同号的平面或立体应力场导致钢材塑性降低，脆性增加，使结构发生脆性破坏的危险性增大。

8、什么是钢材的疲劳？影响钢材疲劳的主要因素有哪些？怎样区别常幅应力循环和变幅应力循
环？
答：钢材在连续反复荷载作用下，当应力还低于钢材的抗拉强度，甚至还低于屈服点时也会发生断裂破坏，这种现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。

影响钢材疲劳的主要因素是应力集中、应力幅（对焊接结构）或应力比（对非焊接结构）以及应力循环次数.
常幅应力循环在各次应力循环中，最大应力σ max和最小应力σ min 保持恒定的循环应力，否则为变幅应力循环.
常幅疲劳荷载—所有应力循环中，应力幅保持常量。

变幅疲劳荷载—在应力循环过程中，应力幅是变量。

9、钢结构中常用的钢材有哪几种？钢材牌号的表示方法是什么？
答：在建筑工程中常用的是碳素结构钢，低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。

碳素结构钢的牌号由代表屈服强度字母Q，屈服强度数值，质量等级符号（ABCD）脱氧方法符号（ F Z TZ）四个部分按顺序组成。

10、Q235钢中的四个质量等级的钢材在脱氧方法和机械性能上有何不同？选用钢材规范的规定有哪些？
答：Q235钢有ABCD共4个质量等级，其中AB级有沸腾钢，半镇静钢，镇静钢，C级只有镇静钢，D级只有特殊镇静钢。

除A级钢不保证冲击韧性值和Q235-A钢不保证冷弯试验合格外其余各级各类钢材均应保证抗拉强度屈服点伸长率冷弯试验及冲击韧性值达
到标准规定要求。

《规范》推荐采用碳素结构中的Q235钢及低合金高强度钢中的Q345、Q390、Q420钢。

11、钢结构常用的连接方法有哪些？
答：钢结构的连接方法可分为焊接连接螺栓连接（普通螺栓高强度螺栓）铆钉连接三种。

12、手工焊条应根据什么选择？Q235和Q345应分别采用什么牌号的焊条焊接？
1）焊接材料的机械性能和化学成分要求2）焊件的使用性能和工作条件要求3）焊件的结构特点和受力状态4）施工条件及设备5）操作工艺性能6）经济效益.
Q235这类一般强度碳钢可采用一般强度碳钢焊条，如E43类焊条，Q345这类低合金高强度钢一般采用E50类焊条.
13、焊缝的质量分为几个等级？与钢材等强的受拉和受弯的对接焊缝须采用几级？
答：寒风的质量等级分为一级二级三级三个等级。

与钢材登墙的受拉和受弯的对接焊缝不应低于二级。

受压时宜为二级。

14、角焊缝按外力作用方向的关系划分的焊缝形式各有哪些，受力性能分别怎样？
答：角焊缝按外力作用方向的关系划分正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝.
正面角焊缝：作用力与焊缝长度方向垂直，其受力复杂，截面中的各面均存在正应力和剪应力焊根处存在着很严重的应力集中.它的静力破坏强度高于侧面角焊缝，但塑性变形要差些.
侧面角焊缝主要承受剪应力，塑性较好，弹性模量低，强度也低。

传力线通过侧面角焊缝产生弯折，因而应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态.焊缝越长，应力分布不均匀性越显著，但随着进入塑性工作阶段会产生应力重分布，可使应力分布不均匀现象渐趋缓和.
斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间，即塑性比正面角焊缝好、强度比侧面角焊缝高.
15、角焊缝有哪些构造要求？
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
（1)最大焊脚尺寸
为了避免烧穿较薄的焊件，减少焊接应力和焊接变形，且扩大热影响区，角焊缝的焊脚尺寸不宜太大。

规范规定：除了直接焊接钢管结构的焊脚尺寸hf不宜大于支管壁厚的2倍之外，
hf不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍。

在板件边缘的角焊缝，当板件厚度t＞6mm时，hf ≤t；当t＞6mm时，hf ≤t-（1-2）mm。

圆孔或槽孔内的角焊缝尺寸尚不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1/3。

（2)最小焊脚尺寸
焊脚尺寸不宜太小，以保证焊缝的最小承载能力，并防止焊缝因冷却过快而产生裂纹。

规范规定：角焊缝的焊脚尺寸hf不得小于 1.5 ，t为较厚焊件厚度（单位：mm）；自动焊熔深大，最小焊脚尺寸可减少1mm，对T形连接的单面角焊缝，应增加1mm，当焊件厚度等于或小于4mm时，则最小焊脚尺寸与焊件厚度相同。

（3)侧面角焊缝的最大计算长度
侧面角焊缝的计算长度不宜大于60 hf，当大于上述数值时，其超过部分在计算中不予考虑。

这是因为侧焊缝应力沿长度分布不均匀，两端较中间大，且焊缝越长差别越大。

当焊缝太长时，虽然仍有因塑性变形产生的内力重分布，但两端应力可首先达到强度极限而破坏。

若内力沿侧面角焊缝全长分布时，比如焊接梁翼缘板与腹板的连接焊缝，计算长度可不受上述限制。

（4)角焊缝的最小计算长度
角焊缝的焊脚尺寸大而长度较小时，焊件的局部加热严重，焊缝起灭弧所引起的缺陷相距太近，以及焊缝中可能产生的其他缺陷，使焊缝不够可靠。

对搭接连接的侧面角焊缝而言，如果焊缝长度过小，由于传力线弯折大，也会造成严重应力集中。

因此，为了使焊缝能够有一定的承载能力，根据使用经验，侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度均不得小于8 hf和40mm，也就是说，其实际焊接长度应较前述数值还要大2 t（单位：mm）。

（5)搭接连接的构造要求
当板件端部仅有两条侧面角焊缝连接时（图3.21），试验结果表明，连接的承载力与b/lW 有关。

b为两侧焊缝的距离，Lw为侧焊缝长度。

当 b/lW＞1时，连接的承载力随着比值的增大而明显下降。

这主要是因应力传递的过分弯折使构件中应力分布不均匀造成的。

为使连接强度不致过分降低，应使每条侧焊缝的长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离，即b/lW≤1。

两侧面角焊缝之间的距离b也不宜大于16t(t＞12mm)或200mm（t≤12mm）,t为较薄焊件的厚度，以免因焊缝横向收缩，引起板件发生较大拱曲。

在搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时（图3.22），其搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，也不得小于25mm，以免焊缝受偏心弯矩影响太大而破坏。

在转角处不能灭弧和起弧。

16、在计算正面角焊缝时，强度设计值增大系数Bf按照上面原则取值？
答：对承受静力荷载和间接，承受动力荷载的结构，22.1=fβ；对直接承受动力荷载的结构，0.1=fβ。

17、焊接应力分为几类，焊接应力对结构性能的影响有哪些？
焊接应力分类：
1）按应力形成的原因分类：可分为热应力和组织应力。

2）按应力的作用方向分类：可分为线应力、平面应力和体积应力.
3）按应力的作用时间分类：可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力.
4）按应力与焊缝的相对位置分类：可分为纵向应力和横向应力.
焊接应力对构件的静力强度不会产生影响，但会降低结构的刚度和稳定性而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。

增加钢材在低温下的脆断倾向。

18、螺栓排列的形式有哪些？螺栓排列的间距应该满足哪些方面要求？
答：螺栓有并列和错列两种排列方式。

间距应该满足（1）受力要求（2）构造要求（3）施工要求。

19、受剪普通螺栓的破坏形式有哪些？其中的哪几项需要计算？
答：破坏形式有：（1）当栓杆直径较小板件较厚时，栓杆可能先被剪断。

（2）当栓杆直径较大板件较薄时，板件可能先被挤坏（螺栓承压破坏）（3）当板件净截面面积固螺栓孔削弱太多时，板件可能先被拉断（4）端距太小端距范围内的板件有可能被栓杆冲剪破坏。

上述第三种破坏形式属于构件的强度计算。

因此抗剪螺栓连接计算只考虑1 2两种破坏形式。

20、在剪力作用下，摩擦型高强度螺栓和普通螺栓各自靠什么传递外力？摩擦型
高强度螺栓，承压型高强度螺栓和普通螺栓抗剪连接的受力性能有何不同（强度和变形）？
答：（1）普通螺栓连接中的抗剪螺栓连接是依靠螺栓抗剪和孔壁承压来传递外力。

高强螺栓连接中的抗剪螺栓连
接时，通过拧紧螺帽使螺杆产生预拉力，同时也使被连接件接触面相互压紧而产生相应的摩擦力，依靠摩擦力来传递外力。

（2）a摩擦型高强度螺栓抗剪连接的剪切变形小，弹性性能好，耐疲劳；b承压型高强度螺栓连接的承载力高于摩擦型，连接紧凑，但剪切变形比摩擦型大；ｃ普通螺栓抗剪连接（经过摩擦传力的弹性阶段，滑移阶段，栓杆直接传力的弹性阶段，弹塑性阶段而破坏）较高强度螺栓强度低，变形大。

21、普通螺栓连接在偏心拉力作用时，应怎样计算？
螺栓群偏心受拉相当于连接承受轴心拉力N和弯矩M＝N·e的共同作用。

按弹性设计法，根据偏心距的大小可能出现小偏心受拉和大偏心受拉两种情况。

1）小偏心受拉
当偏心距e较小时——即连接以承受拉力为主、而弯矩较小时。

这时全部螺栓均为受拉，但拉力不均匀；端板与柱翼缘板的接触面在偏心拉力的作用下已完全脱离接触，因而不存在端板受压区。

计算时轴心拉力N由各螺栓均匀承受；而弯矩M则引起以螺栓群形心O处水平轴为中和轴的三角形应力分布，使上部螺栓受拉、下部螺栓受压（负弯矩情况）；叠加后则全部螺栓均为受拉。

这样可得最大和最小受力螺栓的拉力和满足设计要求的公式如下（各y均自O点算起）：
（3.48a）
（3.48b）
式（3.48a）表示最大受力螺栓的拉力不超过一个螺栓的承载力设计值；式（3.48b）则表示全部螺栓受拉，不存在受压区。

由此式可得Nmin≥0时的偏心距。

令ρ=为螺栓有效截面组成的核心距，即e≤ρ时为小偏心受拉。

2）大偏心受拉
当偏心距e较大时，即e＞ρ=时，则端板底部将出现受压区。

近似并偏安全取中和轴位于最下排螺栓O′处，按相似步骤写对O′处水平轴的弯矩平衡方程，可得（e′和各y′自O′点算起，最上排螺栓1的拉力最大）：
注意：小偏心受拉和大偏心受拉的计算方法完全不一样。

这是因为两种受拉时，结构的变形情况完全不一样。

22、轴心压杆的整体失稳形式有哪几种？常见的是哪种失稳形式？
答：有三种：弯曲屈曲，扭转屈曲，弯扭屈曲；常见的是弯曲屈曲。

23、确定轴心受压构件整体失稳临界应力的方法有哪几种？我国现行的钢结构设计规范所采用的轴心受压柱子曲线是按哪种方法确定的？
答：有四种（1）屈曲准则（2）边缘屈服准则（3）最大强度准则（4）经验公式
我国现行的钢结构设计规范所采用的轴心受压柱子曲线是按最大强度准则确定的。

24、影响实际轴心压杆的整体稳定承载力的初始缺陷有哪些？
答：初偏心初弯矩残余应力。

25、十字形截面的实腹式轴心受压构件，如果和均大于5.07b/t，是否会发生扭转屈曲？
答：会.
26、实腹式轴心压杆需做那几个方面的验算？局部稳定的设计原则是什么？
答：实腹式轴心压杆需做强度整体稳定局部稳定刚度等验算
局部稳定的设计原则：构件的局部失稳不能先于构件的整体失稳。

27、确定轴心压杆的稳定系数的截面类型有几类？根据什么来划分？依据哪些因素确定轴心压杆稳定系数？
答：确定轴心压杆的稳定系数的截面类型有 a b c d四类。

是根据截面形式，对截面哪一个主轴屈曲，钢材边缘加工方法，组成截面板材厚度四个因素划分的。

轴心压杆稳定系数与构件截面类型钢材品种构件长细比有关。

28、格构式轴心压杆计算整体稳定时，对虚轴为什么采用换算长细比确定稳定系数？写出换算长细比的公式。

分肢稳定满足的条件是什么？
答：A格构式轴心受压构件一旦绕虚轴失稳，截面上的横向剪力必须通过缀材来传递。

但因缀材本身比较柔细，传递剪力时所产生的变形较大，从而使构件产生较大的附加变形，并降低稳定临界力。

所以在计算整体稳定时，对虚轴要采用换算长细比。

B双肢缀条压杆λox＝根号下λx 2 +27A/A1 （斜缀条与柱轴线间夹角在40°到70°之间）双肢缀板压杆λox＝根号下λx 2 +λ 1 2 。

（Kb/K1≥6）。

C缀条柱的分肢长细比不得超过柱两方向长细比（对虚轴为换算长细比）较大值的0.7倍。

缀板柱的分肢长细比，不应大于40，并不应大于轴较大长细比的0.5倍。