2.5钢材的疲劳.doc
钢材的疲劳和断裂性能
与传统一样，高能钢材的疲劳承载力取决于点的焊接构造和应力幅。
疲劳承载力不受钢材种类和强度影响，由高性能钢材的疲劳试验可以得出结论，aash-TO LRFD规，给出了疲劳等级分类同样适用于高性能钢材的焊接构造。
高性能钢材的断裂韧性比传统桥梁钢材要高的多。
传统AASHTO M270 50W级钢材夏比V型缺口冲击试验的转变曲线。
于传统的50w级钢材开始显示脆性时，hsp 70w仍然具有很好的延性性能、
现行的AASHTO CVN韧性要求规定了在钢桥在高于最低预期工作温度下避免脆性破坏。
AASHTO对于这些温度分区的cvn要求列于AASHTO LRFD中断裂韧性要求中。
到目前为止的实验结果显示，HPS 70w钢材在3区-60度f的极限工作温度下任然具有良好的延性。
这是hps研究最低一项主要成果，也是hps在控制脆性断裂上的一个人重要优势。
由于拥有更高的断裂韧性，高性能钢材比传统等级的钢材具有更高的裂纹允许值。
在实验室中对用HPS 70W 制造的尺寸工字行梁试件进行了疲劳和断裂实验，试验结果表明即使当裂纹应经受拉翼缘发生50%的净截面损失时，梁试件可以承受全部设计的承载。
HPS对大裂纹的允许值使得人们又更多的时间在桥梁变得不安全之前发现并维修疲劳裂纹。
本文由整理出品。
钢材的疲劳-常幅疲劳
1 β ＝3
n（对数尺）
疲劳容许应力幅[Ds]与应力循环次数n的关系曲线
钢材的疲劳——常幅疲劳
四、常幅疲劳验算 参数Ｃ和的取值
构件和连接类别
Ｃ β
1
1940×1012
2
861×1012
3
3.26×1012
4
2.18×1012
5
1.47×1012
6
0.96×1012
有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。
（3）疲劳对缺陷十分敏感。
钢材的疲劳——常幅疲劳
二、引起疲劳破坏交变荷载的两种类型 常幅交变荷载----常幅应力----常幅疲劳 变幅交变荷载----变幅应力----变幅疲劳 应力比（）
循环应力中绝对值最小的峰值应力smin与绝对值最大的峰值应力smax之比。= smin
钢材的疲劳——常幅疲劳
钢材的疲劳——常幅疲劳
一、疲劳破坏的特征 定义：钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但 仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。
破坏过程：裂纹的形成----裂纹的扩展----最后的迅速断裂而破坏
破坏特点： （1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破 坏。 （2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈
三、常幅疲劳 2. 焊接结构的疲劳
f
y
y
f
y
最大：
最小：
s m a x
f
f
y
f
y
Ds
f s
y
m a x
钢材的疲劳
材料的S/N曲线有三种方法可以得到： a) 手册、规范或文献 疲劳试验 b) 疲劳试验 lg c) 经验公式 由材料的S/N曲线到构件的S/N曲线，还需根据应力集中效应、尺寸效应、表面效应进行折减n 验算—由应力幅的分类进行区别
Δσ—已折减后的应力循环中的最大拉应力
和最小拉应力或压应力的差值（拉取正，压 取负）
6
2、影响因素
疲劳寿命（N）
疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数，疲劳计算时通常不考虑疲劳荷载的
施加时间，而仅以循环次数为计算依据。
一些疲劳基本概念:
最大应力σmax
最小应力σmin 应力范围Δ σ=σmax- σmin
应力幅σa=( σmax- σmin)/2= Δ σ/2
平均应力σm=( σmax+ σmin)/2 应力比R=σmin/σmax 循环特征
如：有些钢结构加固后，会对已出现疲劳裂纹有抑制扩展的作用，使之出现还会经历比较长的荷载循环次 数，因此《钢结构设计规范》GB50017—2003中的S—N曲线会远远低估这种钢结构的疲劳寿命。
《钢结构设计规范》GB50017—2003中的8类曲线是根据完好的结构试件的疲劳试 验结果得到的，对于存在疲劳损伤的钢结构不适用。但对于既有的钢结构，都存在 一定程度的损伤，因此曲线不宜被采用。 凡是改变已有的应力环境或措施，结构构造将无法使用《钢结构设计规范》 GB50017—2003中的数据和结果，对于现在多变的环境下的构造疲劳问题的研究 造成局限和困难。
2、影响因素
一般来说，应 力(应变)幅是影 响疲劳寿命的决 定因素
由于变动载荷和应变是导致疲劳
破坏的外动力，所以应该先进行 了解。变动载荷是指载荷大小，
甚至方向随时间变化的载荷。变
土木工程专业课后习题答案
中南大学网络教育课程考试复习题及参考答案钢结构设计原理一、填空题:1.钢结构计算的两种极限状态是和。
2。
提高钢梁整体稳定性的有效途径是和。
3。
高强度螺栓预拉力设计值与和有关。
4。
钢材的破坏形式有和。
5.焊接组合工字梁,翼缘的局部稳定常采用的方法来保证，而腹板的局部稳定则常采用的方法来解决。
6。
高强度螺栓预拉力设计值与和有关。
7.角焊缝的计算长度不得小于，也不得小于；侧面角焊缝承受静载时，其计算长度不宜大于 .8。
轴心受压构件的稳定系数φ与、和有关.9.钢结构的连接方法有、和。
10。
影响钢材疲劳的主要因素有、和。
11.从形状看，纯弯曲的弯矩图为 ,均布荷载的弯矩图为，跨中央一个集中荷载的弯矩图为。
12。
轴心压杆可能的屈曲形式有、和。
13.钢结构设计的基本原则是、、和。
14。
按焊缝和截面形式不同，直角焊缝可分为、、和等。
15。
对于轴心受力构件,型钢截面可分为和；组合截面可分为和。
16.影响钢梁整体稳定的主要因素有、、、和。
二、问答题：1.高强度螺栓的8。
8级和10。
9级代表什么含义？2。
焊缝可能存在哪些缺陷？3。
简述钢梁在最大刚度平面内受荷载作用而丧失整体稳定的现象及影响钢梁整体稳定的主要因素。
4.建筑钢材有哪些主要机械性能指标?分别由什么试验确定？5.什么是钢材的疲劳?6。
选用钢材通常应考虑哪些因素？7.在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑哪些初始缺陷的影响？8.焊缝的质量级别有几级？各有哪些具体检验要求？9。
普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接，在抗剪连接中,它们的传力方式和破坏形式有何不同?10.在计算格构式轴心受压构件的整体稳定时,对虚轴为什么要采用换算长细比？11。
轴心压杆有哪些屈曲形式?12。
压弯构件的局部稳定计算与轴心受压构件有何不同?13.在抗剪连接中,普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接的传力方式和破坏形式有何不同？14。
钢结构有哪些连接方法？各有什么优缺点？15.对接焊缝的构造有哪些要求？16.焊接残余应力和焊接残余变形是如何产生的?焊接残余应力和焊接残余变形对结构性能有何影响？减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法有哪些?17。
钢箱梁入门系列漫谈（七）钢结构核心问题强度、稳定、疲劳
钢箱梁入门系列漫谈（七）钢结构核心问题强度、稳定、疲劳美桥欣赏意大利 Constitution Bridge钢结构最常见的三种破坏形式对应着三大核心问题：强度、稳定和疲劳。
1）受拉构件的强度破坏（屈服）80+139+80 上承式钢桁组合梁（破坏前）80+139+80 上承式钢桁组合梁（破坏后）2）受压构件的失稳（屈曲）3）受拉（拉压）构件的疲劳开裂Silver Bridge强度构件在稳定平衡状态下由荷载引起的最大应力是否超过材料的极限强度。
钢材受拉破坏内因是钢材大范围的屈服，外因是荷载使构件内力过大，以屈服点作为制定截面最大应力限制依据。
稳定只要构件受压，终究不能离开稳定问题的困扰，这也是拱桥跨径小于斜拉桥、斜拉桥跨径小于悬索桥的主体原因。
稳定实质上是外荷载与结构内部抵抗力间的不平衡状态，在微小干扰下结构变形急剧增长的状态，是一个变形问题。
内因是材料特性、构件长细比、支撑条件、初始偏心、残余应力。
外因是荷载使受力构件所受到的压力，以构件的压溃强度为依据，借此制定应力限值，并以荷载使该构件所产生的压应力不大于该限值。
稳定问题包括整体稳定与局部稳定。
1）局部稳定受压构件通过宽厚比控制局部稳定，宽厚比过大，设置加劲肋解决。
加劲肋设置后根据加劲肋的刚柔性计算局部稳定折减面积，得到局部稳定折减后的验算面积。
如下图（《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）图5.1.7）。
2）整体稳定受压构件整体稳定转化为类似强度验算，以轴心受压杆件为例，将验算面积（局部稳定折减后的有效面积）乘以一个小于1的系数（此系数根据杆件截面类型及相对长细比根据下图得到），控制总体稳定应力小于容许应力。
稳定折减系数如下图（《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）附录A）。
疲劳只要受拉，构件就有疲劳问题，裂纹随着拉应力的变化扩展，所以受压构件不需检算疲劳。
受拉或者是拉压交替就会有裂纹扩展的危险，就需检算疲劳稳定。
疲劳强度设计
疲劳强度设计对承受循环应力的零件和构件，根据疲劳强度理论和疲劳试验数据，决定其合理的结构和尺寸的机械设计方法。
机械零件和构件对疲劳破坏的抗力，称为零件和构件的疲劳强度。
疲劳强度由零件的局部应力状态和该处的材料性能确定，所以疲劳强度设计是以零件最弱区为依据的。
通过改进零件的形状以降低峰值应力，或在最弱区的表面层采用强化工艺，就能显著地提高其疲劳强度。
在材料的疲劳现象未被认识之前，机械设计只考虑静强度，而不考虑应力变化对零件寿命的影响。
这样设计出来的机械产品经常在运行一段时期后，经过一定次数的应力变化循环而产生疲劳，致使突然发生脆性断裂，造成灾难性事故。
应用疲劳强度设计能保证机械在给定的寿命内安全运行。
疲劳强度设计方法有常规疲劳强度设计、损伤容限设计和疲劳强度可靠性设计。
简史19 世纪40 年代，随着铁路的发展，机车车轴的疲劳破坏成为非常严重的问题。
1867年，德国A.沃勒在巴黎博览会上展出了他用旋转弯曲试验获得车轴疲劳试验结果，把疲劳与应力联系起来，提出了疲劳极限的概念，为常规疲劳设计奠定了基础。
20 世纪40 年代以前的常规疲劳强度设计只考虑无限寿命设计。
第二次世界大战中及战后，通过对当时发生的许多疲劳破坏事故的调查分析，逐渐形成了现代的常规疲劳强度设计，它非但提高了无限寿命设计的计算精确度, 而且可以按给定的有限寿命来设计零件,有限寿命设计的理论基础是线性损伤积累理论。
早在1924年，德国A.帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，曾假定轴承材料受到的疲劳损伤的积累与轴承转动次数（等于载荷的循环次数）成线性关系，即两者之间的关系可以用一次方程式来表示。
1945 年，美国M.A. 迈因纳根据更多的资料和数据,明确提出了线性损伤积累理论，也称帕姆格伦-迈因纳定理。
随着断裂力学的发展，美国 A.K. 黑德于1953 年提出了疲劳裂纹扩展的理论。
1957年，美国P.C.帕里斯提出了疲劳裂纹扩展速率的半经验公式。
钢材的疲劳破坏的概念
钢材的疲劳破坏的概念
钢结构构件和其连接在很多次重复加载和卸载作用下，在其强度还低于钢材抗拉强度甚至低于钢材屈服点的情况下突然断裂，称为疲劳破坏。
破环时的最大应力称为疲劳强度。
由于疲劳破坏是突然产生的，属脆性破坏。
疲劳破坏的发生，其内因是构件及连接在其生产过程中产生的内部或表面的微细裂痕或其他缺陷；结构在焊接过程中在焊缝及其热影响区产生的微观裂纹以及夹渣、孔洞等缺陷；构件在气割、剪切、矫直和冲孔等加工过程中使构件表面损伤而形成局部缺陷。
这些都易促使受力后产生应力集中，出现应力高峰，加上焊接和加工过程中形成的残余应力的影响等，在应力集中处常存在二向或三向同号应力。
其外因是在多次重复荷载作用下，使微细裂痕缓慢扩展，最后发展到削弱了原有截面，使构件或连接因净截面强度不足而突然破坏。
在疲劳破坏的断口截面上，可以发现存在以某点为中心、向外扩展呈半椭圆状的光滑区和余下的粗糙区，如图2-11所示，光滑区的中心即裂纹源。
在多次重复荷载作用下，裂痕的一张一闭使裂纹逐渐扩展而形成断口的光滑区，因所余截面净面积不足而被突然拉断的断口为粗糙区。
钢结构第2讲
2. 焊接结构的疲劳
通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是构件 和连接的类型、应力幅Ds以及循环次数n，而与应力比无关。 焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点fy ，该处是产生和 发展疲劳裂纹最敏感的区域。
用轧钢机将钢锭轧成钢胚，再通过一系列不同形状和 孔径的轧机，轧成所需形状和尺寸的钢材。 钢材的热轧成型，压密钢的晶粒，改善钢的材质。 薄的钢材，辊轧次数多，压缩比大，因而屈服点及伸长 率均大于厚板。
钢材的力学性能按板厚或直径分组。
结构用钢的种类、选用及规格
钢的种类
脱氧程度 沸腾钢 镇静钢 半镇静钢 特殊镇静钢
n=2×106的容许应力幅值
1.0 0.8 0.5
连接形式类别
[]n=2×106
1
2
3
4
5
90
6
78
7
69
8
59
N/mm2 176 144 118 103
疲劳破坏中一些值得注意的问题
（1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的设计
方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，目前还没 有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。 （2）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不 会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。 （3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影 响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。 （4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施 （ａ）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；
y
应力比：
min max
影响钢材疲劳强度的因素
影响钢材疲劳强度的因素来源：互联网 | 作者： | 2007-10-29| 编辑： admin一、工作条件1．载荷频率：在一定范围内可以提高疲劳强度；2．次载锻炼：低于疲劳极限的应力称为次载。
金属在低于疲劳极限的应力下先运转一定次数之后，则可以提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载锻炼。
这种现象可能是由于应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的结果。
3．温度：温度降低，疲劳强度升高，温度升高，疲劳强度降低。
4．腐蚀介质：具有腐蚀性的环境介质因使金属表面产生蚀坑缺陷，将会降低材料疲劳强度而产生腐蚀疲劳。
腐蚀疲劳曲线无水平线段．即不存在无限寿命的疲劳极限，只有条件疲劳极限。
二．表面状态及尺寸因素的影响1.应力集中：机件表面的缺口应力集中，往往是引起疲劳破坏的主要原因。
一般用Kt表示应力集中程度，用Kf和qf说明应力集中对疲劳强度的影响程度。
2.表面状态（1）表面粗糙度:愈低，材料的疲劳极限愈高；愈高，疲劳极限愈低。
材料强度愈高，表面粗糙度对疲劳极限的影响愈显著。
表面加工方法不同，所得到的粗糙度不同。
（2）抗拉强度:愈高的材料，加工方法对其疲劳极限的影响愈大。
因此，用高强度材料制造受循环载荷作用的机件时，其表面必须经过更加仔细的加工，不允许有刀痕、擦伤或者大的缺陷，否则会使疲劳极限显著降低。
3．尺寸因素：机件尺寸对按劳强度也有较大的影响，在弯曲、扭转载荷作用下其影响更大。
一般来说，随着机件尺寸的增大，其疲劳强度下降，这种现象称为疲劳强度尺寸效应。
其大小可用尺寸效应系数表示。
三．表面强化及残余应力的影响表面强化处理具有双重作用：提高表层强度；提供表层残余压应力，抵消一部分表层拉应力。
焊接工艺技术 2009年8月29日关键字：摘要: 为了提高焊接结构疲劳性能，通过试验比较了经超声冲击的X65管线钢对接接头试样和未经此处理的原始焊态对接接头试样疲劳强度及在同样应力范围下的疲劳寿命。
试验的统计结果表明，经过超声冲击处理的试样，其疲劳强度相对未冲击试样提高37。
钢材的疲劳破坏
1
max
max
ni ( i )
n
i
1/
验算公式为
8. 疲劳计算应注意的问题：
进行疲劳强度计算时，应注意下列问题： (1)按概率极限状态计算方法进行疲劳强度计算，目前正 处于研究阶段，因此，疲劳强度计算用容许应力幅法，荷载 应采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，而且应力 按弹性工作计算。 (2)根据应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力， 只要应力幅超过容许值就会产生疲劳裂纹。但 由于裂纹形成的同时，残余应力自行释放，在完全压应力(不 出现拉应力)循环中，裂纹不会继续发展，故规范规定此种情 况可不予验算。
2. 疲劳破坏的概念
微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂 的脆性破坏。 特点：断裂时，截面上的应力低于材料的抗拉强度， 甚至低于屈服强度；属于脆性破坏，塑性变形极小， 没有预兆，危险性较大。疲劳破坏属于反复荷载作 用下的脆性破坏。 疲劳断裂分为三个阶段：裂纹的形成、裂纹缓慢扩 展与最后迅速断裂。 钢结构中总是存在裂纹，如焊缝中的微观裂纹、孔 洞、夹渣等缺陷；非焊接结构中的冲孔、剪边、气 割等也存在微观裂纹。
2）应力幅 ——在循环荷载作用下，应力从最大max 到最 小min重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为 应力幅。即 =maxmin
3）应力循环次数 应力循环次数是指在连续重复荷载作用下应力由最大到 最小的循环次数。在不同应力幅作用下，各类构件和连接 产生疲劳破坏的应力循环次数不同，应力幅愈大，循环次 数愈少。当应力幅小于一定数值时，即使应力无限次循环， 也不会产生疲劳破坏，既达到通称的疲劳极限规范( GBJ176 5次被视为各类构件和 10 88)参照有关标准的建议，将 连接疲劳极限对应的应力循环次数。
用来表示钢材疲劳破坏的指标
用来表示钢材疲劳破坏的指标疲劳破坏是一种钢材在长期使用过程中出现的一种失效形态，是由于钢材长期受到重复的应力作用，导致钢材内部发生微观裂纹，最终导致钢材断裂的现象。
疲劳破坏是一种非常危险的失效形态，因此需要对疲劳破坏进行预测和控制。
在进行疲劳破坏预测和控制时，需要用到一些指标来表示钢材的疲劳性能和疲劳寿命。
本文将介绍用来表示钢材疲劳破坏的指标。
1. 疲劳极限疲劳极限是指在一定的应力水平下，钢材发生疲劳破坏的最高应力水平。
疲劳极限是一种描述钢材疲劳性能的重要指标，通常用来评估钢材的疲劳强度。
疲劳极限的大小与钢材的化学成分、热处理、工艺条件等因素有关，不同的钢材疲劳极限也有所不同。
2. 疲劳寿命疲劳寿命是指钢材在一定的应力水平下，能够承受多少次应力循环才会发生疲劳破坏。
疲劳寿命是一种描述钢材疲劳性能的重要指标，通常用来评估钢材的疲劳强度和使用寿命。
疲劳寿命的大小与钢材的化学成分、热处理、工艺条件等因素有关，不同的钢材疲劳寿命也有所不同。
3. 疲劳强度疲劳强度是指在一定的应力循环次数下，钢材能够承受的最高应力水平。
疲劳强度是一种描述钢材疲劳性能的重要指标，通常用来评估钢材在长期使用过程中的安全性。
疲劳强度的大小与钢材的化学成分、热处理、工艺条件等因素有关，不同的钢材疲劳强度也有所不同。
4. 疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率是指钢材内部微观裂纹的扩展速率。
疲劳裂纹扩展速率是一种描述钢材疲劳性能的重要指标，通常用来评估钢材在长期使用过程中的寿命。
疲劳裂纹扩展速率的大小与钢材的化学成分、热处理、工艺条件等因素有关，不同的钢材疲劳裂纹扩展速率也有所不同。
5. 疲劳寿命曲线疲劳寿命曲线是指在一定的应力水平下，钢材承受应力循环次数与疲劳寿命的关系曲线。
疲劳寿命曲线是一种描述钢材疲劳性能的重要指标，通常用来评估钢材在长期使用过程中的寿命和安全性。
疲劳寿命曲线的形状和斜率与钢材的化学成分、热处理、工艺条件等因素有关，不同的钢材疲劳寿命曲线也有所不同。
钢结构设计原理考试复习题及参考答案
中南大学现代远程教育课程考试复习题及参考答案《钢结构设计原理》一、填空题1. 钢结构计算的两种极限状态是和。
2. 钢结构具有、、、、和等特点。
3. 钢材的破坏形式有和。
4. 影响钢材性能的主要因素有、、、、、、和。
5. 影响钢材疲劳的主要因素有、、、6. 建筑钢材的主要机械性能指标是、、、和。
7. 钢结构的连接方法有、和。
8. 角焊缝的计算长度不得小于，也不得小于。
侧面角焊缝承受静载时，其计算长度不宜大于。
9.普通螺栓抗剪连接中，其破坏有五种可能的形式，即、、、、和。
10. 高强度螺栓预拉力设计值与和有关。
11. 轴心压杆可能的屈曲形式有、、和。
12. 轴心受压构件的稳定系数 与、和有关。
13. 提高钢梁整体稳定性的有效途径是、和。
14. 影响钢梁整体稳定的主要因素有、、、和。
15.焊接组合工字梁，翼缘的局部稳定常采用的方法来保证，而腹板的局部稳定则常采用的方法来解决。
二、问答题1.钢结构具有哪些特点？2.钢结构的合理应用范围是什么？3.钢结构对材料性能有哪些要求？4.钢材的主要机械性能指标是什么？各由什么试验得到？5.影响钢材性能的主要因素是什么？6.什么是钢材的疲劳？影响钢材疲劳的主要因素有哪些？7.选用钢材通常应考虑哪些因素？8.钢结构有哪些连接方法？各有什么优缺点？9.焊缝可能存在的缺陷有哪些？10.焊缝的质量级别有几级？各有哪些具体检验要求？11.对接焊缝的构造要求有哪些？12.角焊缝的计算假定是什么？角焊缝有哪些主要构造要求？13.焊接残余应力和焊接残余变形是如何产生的？焊接残余应力和焊接残余变形对结构性能有何影响？减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法有哪些？14.普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接，在抗剪连接中，它们的传力方式和破坏形式有何不同？15.螺栓的排列有哪些构造要求？16.普通螺栓抗剪连接中，有可能出现哪几种破坏形式？具体设计时，哪些破坏形式是通过计算来防止的？哪些是通过构造措施来防止的？如何防止？17.高强度螺栓的8.8级和10.9级代表什么含义？18.轴心压杆有哪些屈曲形式？19.在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑哪些初始缺陷的影响？20.在计算格构式轴心受压构件的整体稳定时，对虚轴为什么要采用换算长细比？21.什么叫钢梁丧失整体稳定？影响钢梁整体稳定的主要因素是什么？提高钢梁整体稳定的有效措施是什么？22.什么叫钢梁丧失局部稳定？怎样验算组合钢梁翼缘和腹板的局部稳定？23.压弯构件的整体稳定计算与轴心受压构件有何不同？24.压弯构件的局部稳定计算与轴心受压构件有何不同？三、计算题f w f=160N/mm2。
钢材的低周疲劳特性及双曲面本构模型的改进
钢材的低周疲劳特性及双曲面本构模型的改进唐站站;陈令坤;郭悬;诸葛翰卿【摘要】为合理评估钢结构的地震损伤,研究结构钢的塑性变形与低周疲劳之间的耦合关系以及循环软化特性.通过对Q345qC钢材进行高应变反复加载试验,获得了相应的低周疲劳破坏和循环软化特性.通过研究承载力下降与塑性耗能密度之间的关系及对边界面进行缩放和移动,将循环软化特征引入材料的本构关系模型.在此基础上,采用改进后的本构关系模型对钢桥墩进行了反复荷载作用下的力学行为分析,讨论了循环软化对构件承载能力的影响.结果表明:Q345钢材具有较好的延性和较强的抗低周疲劳性能,试验未发现钢材塑性变形与低周疲劳之间存在明显的相关性;循环软化特征在较大的塑性应变状态下表现得更明显,修正后的双曲面本构关系模型可以较好地模拟钢材循环软化行为;考虑材料循环软化效应后,钢桥墩在反复荷载或地震作用下的承载力略有降低.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2018(050)009【总页数】7页(P76-82)【关键词】桥梁建筑材料;低周疲劳;本构模型;循环软化;抗震性能【作者】唐站站;陈令坤;郭悬;诸葛翰卿【作者单位】扬州大学建筑科学与工程学院,江苏扬州225127;扬州大学建筑科学与工程学院,江苏扬州225127;扬州大学建筑科学与工程学院,江苏扬州225127;浙江大学建筑工程学院,杭州310058【正文语种】中文【中图分类】U444延性断裂和低周疲劳是钢材的两种主要破坏方式. 文献[1]根据试验提出了类似于Park-Ang指标形式的钢材损伤指标，即用最大塑性变形和滞回耗能的线性组合来表示损伤程度. 其他研究，如文献[2-5]的钢材试验结果显示，低周疲劳损伤累积会降低材料的极限变形能力，塑性变形的绝对值也会减少材料的低周疲劳寿命. 但文献[6]认为平均应变和最大塑性变形对低周疲劳寿命的影响很小；文献[7]的试验表明，当塑性变形较小时，低周疲劳寿命随塑性变形的增大而减小，当塑性变形较大时，低周疲劳寿命随之增加；文献[8]提出了由韧性损伤和低周疲劳损伤线性组合的修正Coffin-Manson公式，并指出只有当拉压塑性变形绝对值之和超过一定界限后，钢材的这两种破坏方式才会互相耦合. 这些研究表明，学者们就两种破坏界限之间是否存在相关性尚未达成共识. 另一方面，钢材在大幅值循环荷载作用下会发生明显的循环软化现象[1]，可能会降低钢结构的抗震性能及震后承载能力. 目前，常用的本构关系模型均不能考虑材料的循环软化特性. 1975年Dafalias等[9]首次提出双曲面本构关系模型(2SM)，之后该模型受到了广泛关注，不少学者对其进行了改进. 如文献[10]基于SS400、SM490和SM570 钢材的拉压试验结果，引入了虚拟边界面，建立了屈服平台的消减判定公式，极大地提高了模型的计算精度；文献[11]通过Q345钢材的试验研究，对双曲面模型进行了相应的修正，提高了模型对小幅应变变化的应力路径预估精度；文献[12]通过试验校核了Q345钢材的双曲面本构模型参数，并认为常用的随动强化模型高估了钢桥在地震作用下的应变反应. 此外，文献[13]建立了三曲面本构关系模型，提出了不连续曲面的概念. 文献[14]通过试验研究，考察了循环荷载作用下三曲面模型对钢材棘轮效应的模拟. 经过几十年的发展，多曲面本构关系模型可以同时考虑包辛格效应、材料强化、弹性域的缩小和移动、边界面的扩大以及屈服平台的减小至消失等力学特性. 模型的计算精度也已在钢桥墩和钢拱肋的相关试验和计算分析中得到验证[15-21]. 然而，伴随低周疲劳进程而发生的循环软化特性尚不能得到考虑，制约着本构模型对钢结构抗震性能及震后承载能力的精确评估.针对上述研究现状，本文以Q345qC钢材为例，通过试验讨论了钢材塑性变形极限和低周疲劳极限的相关性，考察了钢材的循环软化特性；通过对双曲面本构关系模型进行改进，使其可以考虑钢材的循环软化特性. 最后，以钢桥墩为对象，研究了材料循环软化效应对结构地震承载力的影响. 试验和分析结果可为建立钢结构地震破坏验算方法提供参考.1 试验以Q345qC钢材为试验对象，图1为试件尺寸和试验装置[22]. 试验方法参照文献[23]相关规定，采用INSTRON8802-250 kN电液伺服材料试验机进行加载，以应变作为控制加载的参数并采用引伸计测量应变. 引伸计标距为25 mm，量程为-2.5～12.5 mm. 当破坏发生在试验段以内时判定结果有效.图2为试验的加载方法. 除单调拉伸试验外，还进行了在不同塑性变形条件下的低周疲劳试验以及先施加循环荷载作用再单调拉断的试验. 其中，ε、εmax、Δε分别为试件所受的应变、循环应变的最大值和全应变幅，N、Nf分别为试件当前所经历的荷载循环次数及其疲劳寿命. 在加载方式I中，全应变幅为3.35%；在加载方式II中的疲劳试验阶段，全应变幅分为3.35%和5.03%两组.(a)试件的几何形状 (mm)(b)试验装置图1 试件尺寸和试验装置Fig.1 Size of the specimen and test set-up(a)加载方式I(b)加载方式II图2 试验加载方法Fig. 2 Cyclic loading protocol2 试验结果分析2.1 钢材的基本力学参数根据试验，Q345钢材基本力学参数和双曲面本构模型材料参数如下：弹性模量E=204.0 GPa，初始屈服强度σy=402.1 MPa，极限强度σu=552.7 MPa，单调拉伸下屈服平台结束时刻的塑性应变塑性模量 GPa，钢材边界面初始半径和初始斜率分别为425.0 MPa和2.55 GPa，泊松比μ=0.25. 单调拉伸试验结果显示，钢材的延性较好，断后伸长率可达40.0%.2.2 最大塑性变形对低周疲劳寿命的影响图3给出了部分试件在加载方式I作用下的应力-应变曲线. 其中，σ为应力大小，为钢材所经历的最大塑性应变. 材料应力退化可以分成3个阶段：应力随荷载循环的快速下降，稳定地退化，退化加快并断裂. 由于双曲面本构模型(2SM)不能考虑材料循环软化现象，除前几周循环外，模型预测的最大应力与试验结果差距较大.图3 加载方式I作用下试件的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of the specimens under Load Case I图4为承载力-寿命曲线，F为抗拉或抗压峰值. 本次试验表明，3个阶段分别约占疲劳总寿命的10%、75%和15%. 钢材Q345qC具有明显的循环软化特征，其抗低周疲劳性能较好，在Δε=3.35%条件下疲劳寿命约200周.图4 试件的承载能力-循环周次曲线Fig.4 Curves of the bearing capacity-load cycles of the specimen图5为试件最大塑性变形对低周疲劳寿命的影响. 其中εy为屈服应变大小. 图5表明，当最大塑性应变不大于10%时，塑性变形最大值的增加不会明显降低钢材的低周疲劳寿命.图5 塑性应变对低周疲劳寿命的影响Fig.5 Effects of plastic strain on the low-cycle fatigue life2.3 损伤累积对变形极限的影响图6给出了部分试件在加载方式II作用下的荷载-位移曲线及单调拉伸试验结果. 其中，d为材料变形量，虚线为单调拉伸试验结果. 图6(h)同时还给出了全应变幅为5.03%时的试验结果. 图6表明，经过塑性耗能后材料的极限变形能力虽有所下降，但这种影响并不明显. 在大幅值应变循环70周内时，变形极限的下降基本小于15%. 另外，应变幅的改变也未显著影响钢材的延性.(a)N=10 (b) N=20(c)N=30 (d) N=40(e)N =50 (f) N =60(g)N =70 (h) N =10图6 试件在加载方式II作用下的荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement curves of specimens under load Case II为方便与钢材的原有极限变形能力进行对比，将经受塑性耗能后的极限变形能力定义为钢材的剩余延性. 图7为钢材的剩余延性δr与荷载循环次数N之间的关系. 图7表明，延性受塑性损伤累积的影响不大.图7 低周疲劳损伤累积对延性极限的影响Fig.7 Effects of low-cycle fatigueaccumulation on ductility limit3 本构关系模型的改进3.1 双曲面本构关系模型的改进方法通过2.1节的试验结果可知，Q345钢材在高应变反复荷载作用下呈现出明显的循环软化现象. 目前的双曲面模型(2SM)尚不能考虑该特征，导致其预测的应力峰值与试验差距较大. 针对该问题，应对双曲面本构关系模型进行适当改进. 由于在第三阶段呈现出的承载力快速下降具有较大的离散性，本节将仅考虑钢材在前两个阶段的循环软化特性. 虽然在高应变反复荷载作用下钢材的抗拉承载力不断下降，然而抗压承载力变化较小. 为使模型能够兼顾抗拉与压承载力的变化特性，需要将边界面中心向受拉的反方向移动Δβ，同时将边界面半径缩小边界面中心的运动路径将由OxOx′变为OxOx″，如图8所示. 假定Δσt为峰值应力试验值和计算值之差，则有图8 边界面的移动和缩小过程Fig.8 Movement and shrinkage of the bounding surface传统的断裂力学常采用材料在单位体积上耗散的能量来预测断裂的发生，本节假定边界面半径的缩小规律与塑性能量密度Wp的对数函数有关，以方便本构关系模型与有限元方程的建立. 根据材料试验结果，有式中：为单调加载下屈服平台结束时刻的塑性能量密度，A、B、C为材料参数. 方程中分项为当材料塑性能量密度达到一定程度时，循环软化特征才开始明显影响承载力.根据试验结果，参数B、C的平均值分别为8.3×107和9.0；参数A可由最小二乘法对试验结果拟合获得，如图9所示. 结果表明，材料所经历的最大塑性拉应变对循环软化有较大影响.图9 参数A与最大拉应力之间的试验关系Fig. 9 Relationship between parameter A and the maximum plastic strain 由于对钢材进行复杂应力条件下的加载尚存在不少困难，借助于普通的万能材料试验机以及常规引伸计很难给试件施加人为可控的多向受力状态. 目前，多向应力状态下的钢材本构模型大多是由单向受力状态推广而来[9-12]，其合理性仍需相关三轴加载试验的验证. 鉴于此，以下将给出了在多向应力状态下双曲面本构模型各变量的定义和计算方法，为复杂应力条件下本构关系模型的程序编制提供一种思路. 此时，各种变量需要写成应力空间或应变空间中的张量形式. 首先，在每个时间增量步中边界面中心的移动dβij可定义为式中：nij为塑性流动方向的单位张量，T为应力三轴度，T/|T|可用来判定材料处于受拉还是受压状态. nij与T可以表示为式中：Sij为应力张量的偏量，αij、κ分别为屈服面或加载面的中心与半径，σ1、σ2、σ3分别为3个主应力大小.材料所经历的最大塑性拉应变可由图10所示的应变偏量空间中的应变面获得. 其中，实线曲面为等效塑性应变曲面，即双曲面本构理论中的A.E.P.S曲面；ηij和ρ分别为该曲面的中心和半径. 在π平面内，等效塑性应变曲面上距离应变偏量空间中心最远的点即为材料经历的最大塑性拉应变，可表示为图10 应变空间中最大塑性应变的定义Fig.10 Definition of the maximum plastic strain in strain space3.2 模型预测结果与试验的对比采用FORTRAN语言编制改进的双曲面本构关系模型程序，并通过用户子程序UMAT将其与通用软件ABAQUS实现数据对接，以验证本构关系模型的改进效果. 有限元计算模型采用C3D8实体单元，在引伸计测量标距内的单元尺寸为1.0 mm，采用强制位移的加载方法. 图11给出了试验、现有双曲面模型(2SM)和改进后双曲面模型(M2SM)的应力峰值与塑性耗能之间的关系.图11 低周疲劳前两阶段的应力峰值计算与试验结果Fig.11 Peak strain calculation and test results in the first two stages of the low-cycle fatigue结果表明，除前几周荷载循环外，现有双曲面本构关系模型不能考虑材料的循环软化特征；但通过本文的改进，模型可以精确地预测出材料的承载力下降特征.4 循环软化对构件地震承载力的影响4.1 钢桥墩弹塑性静力分析以图12所示的钢桥墩为研究对象，通过在其顶部施加竖向常轴力P和水平反复荷载H，可以考察钢材循环软化对构件弹塑性力学行为的影响[24]. 其中，h为桥墩高度，a为横隔板间距，b为截面的宽度. 桥墩竖向常轴力为全截面屈服力的0.15倍，钢桥墩的结构设计符合日本桥梁抗震设计规范[25]的相关规定. 采用纤维单元对其进行弹塑性静力分析，单元截面共划分为84个纤维条，并将带有纵向加劲肋的截面等效成无加劲肋截面. 由于塑性主要发生于墩底，该部位布置了较密的单元.采用在墩顶施加逐渐增大的强制位移作为加载方式，加载方式又分为单向增大和双向同时增大的强制位移. 其中，δ和δy分别为墩顶的强制位移和初始屈服位移. 通过编制相应纤维单元的UMAT子程序将本构模型导入ABAQUS软件，计算过程还考虑了几何非线性的影响.(a) 钢桥墩 (b) 计算模型 (c) 截面(d) 位移加载方式I (e) 位移加载方式II图12 钢桥墩计算模型及加载方式Fig.12 Analytical model and loading modes of the steel bridge pier图13给出了采用不同本构关系模型计算得到的墩顶荷载-位移曲线. 其中，Hy为墩顶的初始屈服荷载[24]. 结果表明，考虑循环软化特性后构件的承载能力有所降低，但材料层面的循环软化对构件层面的承载力降低影响有限. 当强制位移达到15δy时，考虑循环软化效应后钢桥墩的承载能力在两种加载情况下分别下降了4.0%和6.4%.(a)加载方式I结果(b)加载方式II结果图13 墩顶荷载-位移曲线Fig.13 Load-displacement curves at steel pier top4.2 钢桥墩地震反应及震后承载力分析对前述钢桥墩输入地震动，以考察循环软化效应对钢桥墩弹塑性地震反应及震后承载能力的影响. 为使钢桥墩进入充分的塑性状态，采用如图14所示的阪神地震神户大学记录波作为激励. 其中，ac为加速度，t为时间. 将钢桥墩的轴力转化为墩顶等效质量，结构基频为1.89 Hz. 动力计算采用隐式积分Newmark-β法(β=1/4)，Rayleigh阻尼比为2.0%. 此外，采用ABAQUS中的Restart功能对地震损伤后的钢桥墩进行Pushover分析，即在墩顶施加渐增的水平推力.(a) EW方向(b) UD方向图14 输入地震动Fig.14 Input ground motion图15给出了材料循环软化对钢桥墩地震反应及震后承载力的影响. 其中，图15(a)为墩顶的位移时程响应对比，图15(b)为墩底损伤单元的应力-应变履历对比，图15(c)为由Pushover分析得到的钢桥墩震后承载能力对比. 结果表明，循环软化效应对钢桥墩最大位移响应的影响较小，但增大了构件的残余变形，增幅为17%；循环软化效应使墩底损伤单元的应变反应增大了6.4%，但震后承载能力的下降仅为3.3%.(a)墩顶位移时程响应(b)墩底单元在地震中的应力-应变履历(c)震后钢桥墩的荷载-位移曲线图15 钢桥墩地震反应和震后承载力Fig.15 Seismic response and post-earthquake bearing capacity of the steel bridge pier5 结论1) Q345qC钢材的极限变形能力和抗低周疲劳性能较好，两种破坏界限之间的相关性不大.2) Q345qC钢材在高应变反复荷载作用下呈现出明显的循环软化特征. 基于试验结果，拟合出了承载力下降规律与材料塑性耗能密度之间的对数函数关系；当塑性拉应变较大时，材料的承载能力下降也更加明显.3)通过对边界面的移动和缩小，改进了现有的双曲面本构关系模型. 试验和计算对比结果表明，改进后的本构模型能够精确地预测出材料的循环软化特征.4)考虑循环软化特性后，构件的承载能力有所降低，构件的弹塑性地震反应和震后承载能力也受到一定的影响，但材料层面的循环软化对构件层面的承载力降低影响有限.5) 由于钢试件在较大的压应变作用下易发生屈曲，本次试验最大全应变幅仅为5%. 今后将对更高应变幅下的超低周疲劳破坏作进一步的研究；同时，如何获得多向应力状态下的钢材本构关系也将成为未来努力的一个方向，以期为钢结构震后承载能力的精确评估提供依据.参考文献【相关文献】[1] YUAN Y, CUI J, MANG H A. 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《钢结构设计原理》复习题(含答案)
2011年课程考试复习题及参考答案钢结构设计原理一、填空题：1.钢结构计算的两种极限状态是和。
2.提高钢梁整体稳定性的有效途径是和。
3.高强度螺栓预拉力设计值与和有关。
4.钢材的破坏形式有和。
5.焊接组合工字梁，翼缘的局部稳定常采用的方法来保证，而腹板的局部稳定则常采用的方法来解决。
6.高强度螺栓预拉力设计值与和有关。
7.角焊缝的计算长度不得小于，也不得小于；侧面角焊缝承受静载时，其计算长度不宜大于。
8.轴心受压构件的稳定系数φ与、和有关。
9.钢结构的连接方法有、和。
10.影响钢材疲劳的主要因素有、和。
11.从形状看，纯弯曲的弯矩图为，均布荷载的弯矩图为，跨中央一个集中荷载的弯矩图为。
12.轴心压杆可能的屈曲形式有、和。
13.钢结构设计的基本原则是、、和。
14.按焊缝和截面形式不同，直角焊缝可分为、、和等。
15.对于轴心受力构件，型钢截面可分为和；组合截面可分为和。
16.影响钢梁整体稳定的主要因素有、、、和。
二、问答题：1.高强度螺栓的8.8级和10.9级代表什么含义？2.焊缝可能存在哪些缺陷？3.简述钢梁在最大刚度平面内受荷载作用而丧失整体稳定的现象及影响钢梁整体稳定的主要因素。
4.建筑钢材有哪些主要机械性能指标？分别由什么试验确定？5.什么是钢材的疲劳？6.选用钢材通常应考虑哪些因素？7.在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑哪些初始缺陷的影响？8.焊缝的质量级别有几级？各有哪些具体检验要求？9.普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接，在抗剪连接中，它们的传力方式和破坏形式有何不同？10.在计算格构式轴心受压构件的整体稳定时，对虚轴为什么要采用换算长细比？11.轴心压杆有哪些屈曲形式？12.压弯构件的局部稳定计算与轴心受压构件有何不同？13.在抗剪连接中，普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接的传力方式和破坏形式有何不同？14.钢结构有哪些连接方法？各有什么优缺点？15.对接焊缝的构造有哪些要求？16.焊接残余应力和焊接残余变形是如何产生的？焊接残余应力和焊接残余变形对结构性能有何影响？减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法有哪些？17.什么叫钢梁丧失整体稳定？影响钢梁整体稳定的主要因素是什么？提高钢梁整体稳定的有效措施是什么？18.角焊缝的计算假定是什么？角焊缝有哪些主要构造要求？19.螺栓的排列有哪些构造要求？20.什么叫钢梁丧失局部稳定？怎样验算组合钢梁翼缘和腹板的局部稳定？三、计算题：1.一简支梁跨长为5.5m，在梁上翼缘承受均布静力荷载作用，恒载标准值为10.2kN/m（不包括梁自重），活载标准值为25kN/m，假定梁的受压翼缘有可靠侧向支撑。
名词解释钢材的疲劳
名词解释钢材的疲劳名词解释：钢材的疲劳引言：在工程材料中，钢材是一种常用于建筑、制造和各种工业应用中的重要材料。
然而，长期使用和工作负载可能导致钢材的疲劳现象。
疲劳是指材料在受到交替或循环载荷作用下，经过一段时间后发生的损伤和破坏的现象。
本文将对钢材的疲劳进行解释，并讨论其原因、影响以及如何应对这一问题。
1. 钢材的定义和应用领域：钢材是指含有少量碳和其他元素的铁合金，具有高强度、耐腐蚀性和可塑性等特点，因此广泛应用于建筑、汽车、航空航天、桥梁等领域。
钢材的疲劳问题是工程应用中不可忽视的一种现象。
2. 疲劳破坏的原因：钢材的疲劳破坏主要是由循环载荷引起的。
当钢材受到循环载荷作用时，微小的裂纹将会在应力作用下逐渐扩展，并最终导致破坏。
疲劳破坏的形态通常是出现裂纹，并最终扩展至断裂。
3. 影响疲劳寿命的因素：疲劳寿命是指材料在特定循环载荷下的使用寿命。
有许多因素可以影响钢材的疲劳寿命，包括：3.1 材料的力学性能：钢材的硬度、强度和韧性等力学性能将直接影响其疲劳寿命。
3.2 环境因素：温度、湿度和腐蚀等环境因素都可能加剧钢材的疲劳破坏。
3.3 循环载荷幅值：循环载荷的幅值越大，对钢材的疲劳破坏影响越大。
3.4 周期：循环载荷的频率和循环周期也会影响疲劳寿命。
4. 钢材疲劳寿命的提高方法：为了延长钢材的使用寿命并减少疲劳破坏，可以采取以下方法：4.1 优化设计：合理的构造设计和预测疲劳载荷，以降低循环载荷对钢材的冲击。
4.2 表面处理：通过表面喷涂、热处理、防腐蚀等方式，增加钢材的耐蚀性和抗疲劳性能。
4.3 应力控制：通过应力分布的优化和控制方法，减少钢材的应力集中区域，从而降低疲劳破坏风险。
4.4 定期维护：定期检查和保养钢材结构，修复和替换受损部件，确保其在工作中的长期可靠性。
结论：钢材的疲劳是一种常见的材料损伤和破坏问题，可能对工程结构和设备的安全性产生重大影响。
了解疲劳现象的原因和影响因素，以及采取适当的措施来提高钢材的疲劳寿命是必不可少的。
土木工程专业课后习题答案
中南大学网络教育课程考试复习题及参考答案钢结构设计原理一、填空题：1.钢结构计算的两种极限状态是和。
2.提高钢梁整体稳定性的有效途径是和。
3.高强度螺栓预拉力设计值与和有关。
4.钢材的破坏形式有和。
5.焊接组合工字梁，翼缘的局部稳定常采用的方法来保证，而腹板的局部稳定则常采用的方法来解决。
6.高强度螺栓预拉力设计值与和有关。
7.角焊缝的计算长度不得小于，也不得小于；侧面角焊缝承受静载时，其计算长度不宜大于。
8.轴心受压构件的稳定系数φ与、和有关。
9.钢结构的连接方法有、和。
10.影响钢材疲劳的主要因素有、和。
11.从形状看，纯弯曲的弯矩图为，均布荷载的弯矩图为，跨中央一个集中荷载的弯矩图为。
12.轴心压杆可能的屈曲形式有、和。
13.钢结构设计的基本原则是、、和。
14.按焊缝和截面形式不同，直角焊缝可分为、、和等。
15.对于轴心受力构件，型钢截面可分为和；组合截面可分为和。
16.影响钢梁整体稳定的主要因素有、、、和。
二、问答题：1.高强度螺栓的8.8级和10.9级代表什么含义？2.焊缝可能存在哪些缺陷？3.简述钢梁在最大刚度平面内受荷载作用而丧失整体稳定的现象及影响钢梁整体稳定的主要因素。
4.建筑钢材有哪些主要机械性能指标？分别由什么试验确定？5.什么是钢材的疲劳？6.选用钢材通常应考虑哪些因素？7.在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑哪些初始缺陷的影响？8.焊缝的质量级别有几级？各有哪些具体检验要求？9.普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接，在抗剪连接中，它们的传力方式和破坏形式有何不同？10.在计算格构式轴心受压构件的整体稳定时，对虚轴为什么要采用换算长细比？11.轴心压杆有哪些屈曲形式？12.压弯构件的局部稳定计算与轴心受压构件有何不同？13.在抗剪连接中，普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接的传力方式和破坏形式有何不同？14.钢结构有哪些连接方法？各有什么优缺点？15.对接焊缝的构造有哪些要求？16.焊接残余应力和焊接残余变形是如何产生的？焊接残余应力和焊接残余变形对结构性能有何影响？减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法有哪些？17.什么叫钢梁丧失整体稳定？影响钢梁整体稳定的主要因素是什么？提高钢梁整体稳定的有效措施是什么？18.角焊缝的计算假定是什么？角焊缝有哪些主要构造要求？19.螺栓的排列有哪些构造要求？20.什么叫钢梁丧失局部稳定？怎样验算组合钢梁翼缘和腹板的局部稳定？三、计算题：1.一简支梁跨长为5.5m，在梁上翼缘承受均布静力荷载作用，恒载标准值为10.2kN/m（不包括梁自重），活载标准值为25kN/m，假定梁的受压翼缘有可靠侧向支撑。
土木工程专业课后习题答案
中南大学网络教育课程考试复习题及参考答案钢结构设计原理一、填空题：1.钢结构计算的两种极限状态是和。
2.提高钢梁整体稳定性的有效途径是和。
3.高强度螺栓预拉力设计值与和有关。
4.钢材的破坏形式有和。
5.焊接组合工字梁，翼缘的局部稳定常采用的方法来保证，而腹板的局部稳定则常采用的方法来解决。
6.高强度螺栓预拉力设计值与和有关。
7.角焊缝的计算长度不得小于，也不得小于；侧面角焊缝承受静载时，其计算长度不宜大于。
8.轴心受压构件的稳定系数φ与、和有关。
9.钢结构的连接方法有、和。
10.影响钢材疲劳的主要因素有、和。
11.从形状看，纯弯曲的弯矩图为，均布荷载的弯矩图为，跨中央一个集中荷载的弯矩图为。
12.轴心压杆可能的屈曲形式有、和。
13.钢结构设计的基本原则是、、和。
14.按焊缝和截面形式不同，直角焊缝可分为、、和等。
15.对于轴心受力构件，型钢截面可分为和；组合截面可分为和。
16.影响钢梁整体稳定的主要因素有、、、和。
二、问答题：1.高强度螺栓的8.8级和10.9级代表什么含义？2.焊缝可能存在哪些缺陷？3.简述钢梁在最大刚度平面内受荷载作用而丧失整体稳定的现象及影响钢梁整体稳定的主要因素。
4.建筑钢材有哪些主要机械性能指标？分别由什么试验确定？5.什么是钢材的疲劳？6.选用钢材通常应考虑哪些因素？7.在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑哪些初始缺陷的影响？8.焊缝的质量级别有几级？各有哪些具体检验要求？9.普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接，在抗剪连接中，它们的传力方式和破坏形式有何不同？10.在计算格构式轴心受压构件的整体稳定时，对虚轴为什么要采用换算长细比？11.轴心压杆有哪些屈曲形式？12.压弯构件的局部稳定计算与轴心受压构件有何不同？13.在抗剪连接中，普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接的传力方式和破坏形式有何不同？14.钢结构有哪些连接方法？各有什么优缺点？15.对接焊缝的构造有哪些要求？16.焊接残余应力和焊接残余变形是如何产生的？焊接残余应力和焊接残余变形对结构性能有何影响？减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法有哪些？17.什么叫钢梁丧失整体稳定？影响钢梁整体稳定的主要因素是什么？提高钢梁整体稳定的有效措施是什么？18.角焊缝的计算假定是什么？角焊缝有哪些主要构造要求？19.螺栓的排列有哪些构造要求？20.什么叫钢梁丧失局部稳定？怎样验算组合钢梁翼缘和腹板的局部稳定？三、计算题：1.一简支梁跨长为5.5m，在梁上翼缘承受均布静力荷载作用，恒载标准值为10.2kN/m（不包括梁自重），活载标准值为25kN/m，假定梁的受压翼缘有可靠侧向支撑。
钢结构的材料
时效硬化 随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢 材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象。俗称老化。在交变荷载、重复荷 载和温度变化等情况下，会加速时效硬化的发展。
『关键知识』 1.钢材的受拉、受压及受剪时的性能、冷弯性能、冲击韧性； 2.钢材的疲劳的概念及计算方法。
『重点讲解』 1.钢材的受拉、受压及受剪时的性能、冷弯性能、冲击韧性 2.钢材的疲劳破坏
『难点解析』 1.钢材的疲劳破坏
2.1 钢结构对钢材性能的要求
（1） 强度要求，即对材料屈服强度（又称为屈服点） 与抗拉强度的要求。
在高温时，发生热脆。
(有害成分)
氮N：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，
在低温时，发生冷脆。
(有害成分)
2.4.2 冶金缺陷
1.偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要是硫、磷偏析， 其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。
2.非金属夹杂 指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他 们使钢材性能变脆。
2.2 钢材的破坏形式
1.塑性破坏的特征： 构件应力超过屈服点、并达到抗拉极限强度后，产生明显的变形并断裂。构件在
断裂破坏时产生很大的塑性变形，又称为延性破坏。断裂后的断口呈纤维状， 色泽发暗，有时能看到滑移的痕迹。 钢材在发生塑性破坏时变形特征明显，很容易被发现并及时采取补救措施，因而 不致引起严重后果。而且适度的塑性变形能起到调整结构内力分布的作用，使 原先结构应力不均匀的部分趋于均匀，从而提高结构的承载能力。
受剪的情况也相似，但屈服点及抗剪强度均较受拉时为低，剪变模量也 低于弹性模量。
浅谈钢结构的疲劳计算
35科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 建 筑 科 学钢结构的疲劳是微观裂纹在连续重复载荷作用下不断扩展直至最后达到临界尺寸时出现的突发性断裂破坏,破坏时塑性变形很小,因此,疲劳破坏属于没有明显变形的脆性破坏,有着较大的危险性。
钢结构的疲劳按照其断裂前的应变大小和应力循环次数可分为高周疲劳和低周疲劳。
车辆的断裂、压力容器破裂(压力的波动)、弹簧、传动轴等多属于高周疲劳。
其特征是应变小,应变循环次数多。
承受剧烈反复的载荷作用的杆件,例如:压力容器、燃气轮机零件等,也能使其产生疲劳,其应变大,循环次数少,故属于低周疲劳。
钢结构只考虑应变循环次数n ≥5×104次的高周疲劳,计算范围仅限于直接承受动力载荷重复作用的构件(如:吊车梁、吊车桁架、工作平台梁等)及其连接。
另外,由于高温和腐蚀环境的疲劳破坏机理及表达式与常温、无严重腐蚀的情况不一样,故在此要求结构环境应为常温,且无严重腐蚀作用。
在以往较长的时期,对钢结构的疲劳计算一直采用最大应力σm ax 或应变比σm i n /σm a x 准则,近年来,随着工程实践和实验技术的提高,逐渐认识到对焊接结构疲劳强度计算,应考虑残余应力的影响,其计算应采用应力幅准则。
即影响焊接结构疲劳强度的因素除应力集中和应力循环次数外,再就是应力幅Δσ=σm a x -σm i n ,而ρ和σm a x 对其并无明显影响。
1 疲劳计算《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)规定n ≥5×104为疲劳寿命底限,因此,对承受动力载荷重复作用的钢结构构件(如:吊车梁)及其连接,当应力变化的循环次数n ≥5×104次时,应进行高周疲劳计算。
由于现阶段对不同类型构件和连接的疲劳裂缝的形成、扩展以至于断裂这一全过程的极限状态研究不足,掌握的疲劳强度数据只是结构抗力表达式中的材料强度部分,故《规范》规定疲劳计算应采用容许应力幅法。
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2.5钢材的疲劳（本节均为高周疲劳）
•
2.5.1疲劳破坏的特征 • 疲劳的概念 钢材料在循环荷载作用下，当循环数达到某一定值时，钢材发生破坏的现象叫做钢材的疲劳；疲劳属于脆性破坏。
• 引起疲劳的交变荷载 • 变幅交变荷载 ——变幅循环应力——变幅疲劳——吊车桥、钢桥 • 常幅交变荷载 ——常幅循环应力——常幅疲劳——转动的机械零件 • 疲劳破坏的特征 • 属于脆性断裂 疲劳破坏具有突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂。
但与一般的脆性断裂不同，疲劳是在名义应力低于屈服点的低应力循环下，经历了长期的累计损伤过程后才突然发生的。
• 端口分为三个区域 • 裂纹源 • 裂纹扩展区 • 断裂区 • 疲劳对缺陷十分敏感 缺陷部位应力集中会加快疲劳破坏的裂纹萌生和扩展。
• 2.5.2常幅疲劳
• 非焊接结构的疲劳（控制因素：应力比、循环次数）
采用以拉应力为主的疲劳计算公式σmax ≤[σp ], [σp ]=[σ0p
]1−kρ •
σmax 为交变荷载作用下，需验算部位的最大拉应力； •
[σp ]为与构造形式有关的以拉应力为主的疲劳容许强度； •
[σ0p ]为相应构造形式当ρ=0时的疲劳容许强度，由试验确定；
• k 为与构造形式有关的系数，由试验确定。
• 焊接结构的疲劳（控制因素：构件和连接的构造类型、应力幅 △σ=σmax-σmin ）
为什么焊接结构的疲劳和应力比无关而和应力幅有关？
焊接结构和非焊接结构的根本差别在于焊接残余应力。
在焊接结构中，焊缝部位
的残余拉应力通常达到钢材的屈服点fy 。
但焊接构件承受循环荷载时，当名义循环应力为拉时，因焊缝附近的残余拉应力已达到屈服点不再增加，实际拉应力保
持fy 不变；当名义循环应力减到最小时，焊缝附近的实际应力将降至fy-△σ。
显然，焊缝附近真实的应力比为 ρ=f y −∆σ
f y ，而不是名义应力比。
只要应力幅为常
数，不管循环荷载下的名义应力比为何值，焊缝附近的真实应力比也为常数。
由
此可见，焊缝部位的疲劳寿命主要与应力幅有关。
•常幅疲劳验算
常幅疲劳的统一校核准则：∆σ≤[∆σ]
∆σ: 对焊接部位为应力幅，∆σ=σmax−σmin
对非焊接部位为折算应力幅，∆σ=σmax−0.7σmin
[∆σ]为常幅疲劳的容许应力幅，[∆σ]=(c
)1/β
n
疲劳问题采用容许应力法，进行内力计算时，应采用荷载的标准值，不再乘以动力系数
• 2.5.3变幅疲劳
•线形累积损伤准则
根据线形累积损伤准则，将变幅应力幅折算为常幅等效应力幅，然后按常幅疲劳进行校核。
•计算公式∆σe≤[∆σ]
• 2.5.4疲劳验算中一些值得注意的问题
•疲劳验算采用容许应力法
•《规范》中提出的疲劳强度是以试验为依据的
•在应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳
•疲劳容许应力福与钢种无关。