高等钢结构作业概论

第1讲. “高等钢结构”课程内容体系、学习要求

1. 概括总结：钢结构中出现“层间撕裂”问题的原因、防止措施。

2. 在“OK网站”事故栏目查看各种钢结构工程事故，选一实例写出书面分析报告

第 2 讲钢结构的性能综述

1.试从钢结构材料、制造安装、工作环境、荷载类型、结构形式及构造细节等六个方面，综述对结构性能的影响。

2.以“鸟巢”结构用钢Q460E-Z35，厚110mm为例，综述GB50017对钢结构钢材的规定；分析超过要求时设计、施工方面存在哪些问题?

3.何为冷弯效应？试叙述《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018）是对冷弯效应如何考虑的。

第3讲钢结构的断裂与疲劳破损

1. 从断裂力学的观点，简述为什么裂纹尺寸、作用应力和材料的韧性是影响脆断的直接因素？

2. 解释何为“断裂韧性”，它与“冲击韧性”有何异同？

3. 解释何为“应力腐蚀开裂”？

4. 疲劳设计的准则？GB50017采用什么准则，为什么？

5. 解释“线性累积损伤准则” 、“雨流计数法”。

6. 焊接结构脆断的原因及防脆断的措施。

7. 疲劳破损的种类？疲劳设计的准则？疲劳破坏的防止措施？

第4讲基本构件——拉杆、轴压杆、梁

1.综述“剪切滞后”的现象和原因？

2.分析归纳钢结构中半刚性连接问题，“工程绞”问题？

3.归纳总结钢结构的稳定问题？

4. 分析总结Q235做腹板，Q420做翼缘的混用梁的受力性能？

第五讲压弯构件和框架

1.分析归纳“摇摆柱”的受力特点，以及对整体结构受力性质的影响？

2.简述钢框架的“高等理论分析思路与方法”

1. 概括总结：钢结构中出现“层间撕裂”问题的原因、防止措施。

一．出现层间撕裂的原因

型钢和钢板经过轧制之后，钢材内部的非金属夹杂物被压成薄片，出现分层现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。如图1.1所示。

图1.1 层间撕裂图1.2 防止层间撕裂的连接构造

二．防治层间撕裂的措施

厚钢板在焊接和受力过程中的层间撕裂现象时有发生，严重影响钢结构工程的质量与施工进度。如何防止厚钢板发生层间撕裂已成为设计和制作人员十分关注的问题。层间撕裂发生的原因主要与钢材的化学成分，钢板的辊轧工艺，焊接工艺，结构连接节点的构造型式等有关。防止产生层间撕裂的措施有：

（1）改进焊接节点的连接形式改进焊接节点的连接形式以减小局部区域内由于焊接收缩而引起的应力集中，或避免使钢板在板厚垂直方向受拉。如：当两块板垂直相焊形成角连接时，应采用下图1.3所示做法。

图1.3 层间撕裂及其防止

对于全焊的刚性连接，为了避免柱翼缘出现层间撕裂的危险，可采取用两段T形构件加强柱翼缘的方法，如图 1.2（a）所示。在梁翼缘传来的拉力作用下，柱翼缘不是在厚度方向受拉，而是受弯。至于连于柱腹板的梁如图1.2（b），翼缘不去和柱腹板直接相焊，而是事先用对接焊缝焊上窄板，使能和柱翼缘焊接，从而避免腹板在厚度方向受拉。

（2）采用合理的焊缝形式和小焊脚焊缝焊缝形式对基材变形有很大的影响。坡口焊缝的坡

口越大，焊缝表面积也越大，将增加收缩应力。焊缝的尺寸对基材变形也有很大的影响，不要随意增加焊缝尺寸。如果认为焊缝尺寸越大，节点强度就越高，因而设计出远高于实际需要的焊缝形式和尺寸，将会增加焊缝的收缩变形。

（3）选择屈服强度低的焊条只要能满足受力要求，应尽可能选择屈服强度低的焊条。这样会使得基材应力达到屈服点时，焊缝金属内的应力还大大低于屈服应力，因此，所有的变形都被迫发生在基材里。

施工方面问题：厚钢板施工时关键是防止由于焊接而产生的裂纹和减少变形，因此，应对该钢种的焊接考虑采取措施以降低其冷裂倾向。应主要考虑以下几点：

（1）选用合理的坡口形式，如尽量选用双 U 形或 X 形坡口，如果只能单面焊接，应在保证焊透的前提下，采用小角度、窄间隙坡口，以减小焊接收缩量、提高工作效率，降低焊接残余应力。

（2）合理的预热及层间温度。

（3）后热及保温处理。

2. 选一钢结构工程事故实例，写出书面分析报告山东兖州一门式刚架厂房在安装时倒塌

根据现场照片，大致可描述出工程的一些情况：

1.边柱及中柱均为柱底铰接，地脚螺栓4颗；

2.连续两跨；

3.刚架平面外有钢管作为刚性系杆。

事故原因分析

1.施工中最大的问题就是忽视了柱的稳定性。CECS102:2002中8.

2.5.9条规定：刚架在施工中应及时安装支撑，必要时增设缆风绳充分固定。此条为工程建设标准强制性条文。门式刚架主要是平面内受力，而平面外是通过支撑把水平力直接传到基础，所以单榀的门式刚架是不稳定的。因此，在安装门式刚架时首先要把支撑跨的两个刚架立起来，加上屋面，柱间支撑先形成一个稳定体系，接着在向纵向延伸，每增加一榀刚架就应该用檩条＋隅撑把它与前一个稳定体系连接起来，这才应该是比较正确的安装顺序。从图片中可以看到此工程安装并没有执行此规定。施工方是把柱，梁分开来施工，先把柱立起来，然后才安装梁，安装完梁后形成的单榀刚架之间又未见柱间支撑，水平支撑也没有，没有形成刚性单元,刚架未形成统一体,不能抵抗风载; 屋架上的檩条不够多，屋面梁很少有加劲肋，虽然截面够大，可是平面外的稳定性还是无法保证。现实经验告诉我们,安装柱子、钢梁、檩条要同步进行，安装两跨后应及时校正、安装好檩条和柱间支撑,水平支撑,隅撑,收工前一定要形成稳定的空间体系。

2.柱脚问题，从柱脚的破坏情况看，抗剪键设置不合理，后浇带留的过大。可能砼强度也有问题，砼养护不到位，或砼标号过低。柱底的地脚螺栓在二次浇灌前没有混凝土保护，没有垫铁，安装时应有斜锲块。钢柱柱脚底板与砼土短柱明显大大于50MM,CECS102:2002明文规定:铰接柱脚二次浇灌厚度为50MM,刚接柱脚二次浇灌厚度为100MM，或用砼包裹至+0.150,每边不少50MM.主要意图是防底板腐蚀.

3.柱脚螺栓问题，从第2张和第5张图片上，可以清楚的看出，地脚螺栓安装后，没能及时灌浆，就开始上部的安装，造成螺栓杆的失稳倒塌。建模时柱底虽然是"铰节点",但是实际上没有纯粹的铰接,螺栓或多或少的承担弯矩，就本例来说,M20螺栓太小。

3.钢柱问题，柱子本身安装时不允许长时单立，特别是变截面的. 由于柱底铰接，在理论计算中，刚架柱是无法独立竖直的，而由于柱底四颗地脚螺栓的存在，在实际情况中该柱或多或少能够承担一部分弯矩，弯矩大小视螺栓大小、螺栓间距、底板厚度、混凝土标号而定，所以钢柱在没有太大外力的作用下是可以独立竖直的，而这种情况往往会给一些施工队带来柱底刚接的错觉，这样的错觉反映在施工过程中就如照片中的情况：钢柱悬臂而立，没有柱间支撑，也没有稳定缆绳。

4.节点问题，梁柱节点板空隙很大,说明板的变形较大,且高强螺栓未终拧,不能承受突变荷载.从第四张图片看,倒在起重车上的钢梁,在变截面处没有设置加劲板。