钢结构基本原理复习（参考）
1.塑性破坏：破坏前具有较大的、明显可见的塑形变形的缓慢破坏。 2.脆性破坏：破坏前塑形变形很小或根本没有塑性变形的迅速破坏。 3.脆性破坏的发生原因和避免的措施：
发生的原因：当平均应力低于抗拉强度，甚至低于屈服点，断裂从应力集中处迅速开始，破坏后断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。
避免的措施：①设计时，合理选择材料；②设计时，应减少应力集中，提高材料的韧性，采用冗余结构设计方法；③设计时，应考虑施工工艺，为施工留有适当的和工作面；④施工时，要求操作人员熟练掌握焊接技术，并严格遵守施工守则；⑤使用时，尽量避免超载，及时检修等。 4.钢材一次拉伸应力—应变曲线归纳：
①钢材的单调拉伸曲线提供了三个重要的力学性能指标：屈服点和伸长率
。
、抗拉强度
②对于没有缺陷和残余应力影响的试件，比例极限与屈服点比较接近，达到相应应力值的应变也较接近，且数值很小；
③屈服点是钢结构设计中应力允许达到的最大限值，抗拉强度反映了钢材受拉是所能承受的极限应力，钢材抗拉强度与屈服点之比称为屈强比。 ④伸长率
是衡量钢材断裂前所具有的塑形变形能力的指标，指试件断裂后永
久变形与原标定长度的百分比。
5.Q235A含碳量高于Q235B、C、D，且含碳量不能作为交货条件，除非把含碳量作为附加保证，Q235A通常不用于焊接构件，其它三种能用于焊接构件。
6.含碳量：含C↑钢的强度↑塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗腐蚀能力↓ 7.硫、磷、氧、氮、氢均是有害元素，氧、硫易产生热脆，氮、磷易产生冷脆，氢易产生氢脆。
8.锰、硅、铝均是有益元素，都是脱氧剂。 9.冷作硬化：产生塑形变形后的钢材在重新加荷时将提高屈服点，即在局部和整体上产生硬化，提高钢材的强度和硬度，但同时降低了塑性和韧性的现象。 10.复杂应力作用的影响：
三个方向的应力同向，不容易进入塑性状态，脆性破坏； 三个方向的应力异向，容易进入塑性状态，塑性破坏。
11.三向同号应力且各应力数值接近时，材料不易屈服，当为三向相等的拉应力是，直到材料断裂也不屈服，所以钢材趋于脆性破坏。 12.应力集中：当钢材截面的完整性遭到破坏时，构件的应力分布不再保持均匀，在缺陷和截面变化处附近，应力线弯转、密集，出现高峰应力的现象。应力集中实际为：局部应力增大并多为同号应力场。
13.钢结构设计规范确定钢材抗剪强度为抗拉设计强度的0.58倍。
14.焊接残余应力对结构强度没有影响，但会降低结构刚度和稳定性，且对结构的低温冷脆和疲劳强度都有较大影响。 15.疲劳破坏属于脆性破坏。
16.Q235-A·b——屈服强度为235N/mm2，A级，半镇静钢： Q275-B·F——屈服强度为275N/mm2，B级，沸腾钢； Q195-C——屈服强度为195N/mm2，C级，镇静钢； Q215-D——屈服强度为215N/mm2，D级，特殊镇静钢. 17.钢材选用的原则及要求：
原则：是既要确保结构物的安全，又要经济合理。 要求：①结构的重要性，根据建筑结构的重要程度和安全等级选择相应的钢材等级；②荷载特征,根据荷载性质不同选用适当的钢材；③连接方法，相对于非焊接连接的结构而言，焊接连接时所用钢材的碳、硫、磷及其他有害化学元素的含量应较低，塑性和韧性指标要高，焊接性能好；④结构的工作条件，钢材处于低温时容易发生冷脆，因此在低温条件下工作的结构，应选用具有良好抗低温脆断能力的镇静钢；⑤钢材厚度，厚度大的钢材不但强度较小，而且塑性、冲击韧性和焊接性能较差。
18.普通螺栓分为A、B、C级，A、B螺栓材料性能等级为5.6级和8.8级。 5.6——抗拉强度不小于500N/mm2,屈强比为0.6； 8.8——抗拉强度不小于800N/mm2,屈强比为0.8； C级螺栓材料性能等级为4.6级或4.8级。
4.6——抗拉强度不小于400N/mm2,屈强比为0.6； 高强度螺栓材料性能等级为8.8级和10.9级。
10.9——抗拉强度不小于1000N/mm2,屈强比为0.9。
19.高强度螺栓可分为摩擦型高强度螺栓和承压型高强度螺栓；
摩擦型高强度螺栓：高强度螺栓预应力把被连接的部件夹紧，使部件的接触 面间产生很大的摩擦力，外力通过摩擦力来传递的连接；它的极限状态是以 摩擦力被克服；适用于动力荷载作用的结构；
承压型高强度螺栓：允许接触面的滑移，依靠螺栓杆和螺栓孔之间的承压力 传递的连接；它的极限状态是以螺栓杆和螺栓孔之间的承压力被克服；不得 用于承受动力荷载作用的结构中。
20.Q235钢采用E43型焊条，Q345钢采用E50型焊条，Q390和Q420钢采用E55型焊条，E43——熔敷金属最小抗拉强度为43kgf/mm2的焊条。
21.焊缝缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透。 22.焊缝质量检验：三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量指标；技术要求全焊透的一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求用超声波探伤进行内部缺陷的检验。
23.角焊缝的尺寸构造要求及原因：
①最大焊脚尺寸应满足(为中的较小值），原因是为了避免烧穿较薄的焊件，减小焊接应力和焊接变形；
②最小焊脚尺寸应满足(为中的较大值），原因是保证焊缝的最小承载能力，防止焊缝因冷却过快而产生裂纹;
③侧面角焊缝的最大计算长度，当大于60取60，原因是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;
④角焊缝的最小计算长度不得小于和40mm,原因是角焊缝的焊脚尺寸大而长度较小时，焊件局部加热严重。
24.焊接残余应力产生的原因是焊接过程是一个不均匀加热和冷却过程。 25.焊接应力对结构性能的影响：
①对结构静力强度的影响：焊接应力对结构的静力强度没有影响； ②对结构刚度的影响：焊接残余应力会降低结构的刚度，对于轴心受压构件， 焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力；
③对低温工作的影响:降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的 重要措施之一；
④对疲劳强度的影响：焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。 26.焊件的约束很大时，焊件不能自由变形，但焊缝及其附近的主体金属会产生较大的残余应力。
27.减小焊接残余应力和焊接变形的措施： （1）设计上的措施:
①焊接位置的合理安排； ②焊缝尺寸要适当；
③焊缝数量要少，且不宜过分集中； ④应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉； ⑤应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力； （2）加工工艺上的措施
①采用合理的施焊顺序； ②采用反变形处理；
③小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理。 28.螺栓最常见的连接是抗剪连接，当螺栓与孔壁接触时继续施加荷载，连接所承受的外力主要靠栓杆与孔壁的接触传递。
29.抗剪螺栓连接达到极限承载力时，可能的破坏形式有： ①栓杆被剪断；
②钢板孔壁被挤压破坏； ③钢板被拉断；
④端部钢板冲剪破坏； ⑤螺杆受弯破坏。
其中①、②和 ③是通过计算来保证的；④和 ⑤是通过构造措施来保证的。即：要求端距≥2d来保证板件的端部不被剪坏；生弯曲破坏。 30.当
（
来保证螺栓不产
为孔径)时，对承载力设计值进行折减的原因：当
时，连接进入弹塑性阶段后，即使内力重新分布,各个螺栓内力也难以均匀，端
部螺栓首先破坏,随后由外向里依次破坏。
31.单个普通螺栓的抗拉承载力设计值与螺栓的有效直径和螺栓的抗拉强度设计值有关。
32.单个普通螺栓的抗拉承载力设计值计算是使用有效直径的原因是栓杆上的螺纹呈倾斜方向。
33.为判定小偏心受拉的依据，当此式满足时，则表示全部螺栓都受拉，不存在受压区，此时，最大受力螺栓所受的拉力应满足。
34.高强度螺栓杆的设计预拉力值由材料的强度和螺栓的有效截面面积确定。 35.摩擦型高强度螺栓杆是通过板件间摩擦力传递内力的，而摩擦力的大小与螺栓所受预拉力和摩擦面的抗滑移系数及连接的传力摩擦面数有关。 36.如何判别连接中的角焊缝是否受弯还是受扭
当计算受偏心力作用的焊缝的强度时，须分清角焊缝隙是受弯还是受扭，然后才能正确应用角焊缝的基本计算公式进行计算。判断方法：若偏心力在焊缝群平面内，则该连接中的角焊缝受扭；若偏心力在焊缝群平面外，则受弯。也可以这样区分，若焊缝群中任意一点应力的方向均垂直于焊缝群平面，则该连接中的角焊缝为受弯（图1），不然则为受扭（图2）。
37.当轴心受力构件的刚度不足时，产生下列不利影响: ①在运输和安装过程中产生弯曲或过大的变形； ②使用期间因其自重而明显下挠； ③在动力荷载作用下发生较大的振动；
④轴心压杆的刚度过小时，将使构件的极限净载力显著降低，同时初弯曲和 自重产生的挠度也将给结构件整体稳定带来不利影响。 38.轴心受力构件通过控制长细比来保证构件的刚度。 39.屈曲形式：弯曲屈曲，扭转屈曲和弯扭屈曲。
40.单轴对称截面构件或无对称轴截面构件之所以可能发生弯扭屈曲，是由于截面的形心与剪切中心不重合所引起的。
41.弯曲屈曲是理想轴心受压构件最基本的一种失稳形式。
42.残余应力对轴心受压构件的影响，对弱轴的影响大于对强轴的影响。 43.我国刚结构柱子曲线
①轴心受压构件的整体稳定系数
：a>b>c>d
②图中标示的截面和屈曲方向以外的其他情形，均属于b类曲线； ③a类曲线截面承载力最高，主要因为是残余应力是影响最小； ④c类曲线截面承载力较低，主要因为是残余应力是影响较大；
⑤d类曲线截面承载力最低，主要是由于厚板或特厚板处于最不利的屈曲方
向。
44.轴心受压构件的整体稳定系数
的大小与截面类型，长细比及所用的刚材的
屈服强度有关。
45.两个方向上的长细比相同，两个整体稳定不一定相同。
46.当工字形、H形及箱形截面轴心受压构件的腹板局部稳定不满足要求时，增加板厚往往不够经济，一般设置纵向加劲肋加强。
47.轴心受压构件的验算包括强度、刚度、整体稳定、局部稳定等。
48.格构式受压构件的验算包括强度、刚度、整体稳定、局部稳定、缀板设计、连接焊缝计算等。
49.格构式轴心受压构件对虚轴的整体稳定计算：
①格构式轴心受压柱绕虚轴的整体稳定临界力比长细比相同的实腹式构件 低，主要原因是绕虚轴弯曲时构件产生较大的剪切变形；
②当轴心受压构件发生弯曲后，沿杆长各截面上将产生弯矩和剪力；
③对于格构式柱，当绕虚轴失稳时，由于肢件之间并不是连续的板，而是每 隔一定距离通过缀条或缀板相连，柱的剪切变形较大，剪力造成的附加挠 曲影响就不能忽略。在格构式柱的设计中，对虚轴失稳的计算，常以加大 长细比的办法来考虑剪切变形的影响，加大后的长细比称为换算长细比。 50.缀条一般采用单角钢与肢件单面连接，从受力性质看，缀条实际上是偏心受压构件，从失稳形式看，缀条失稳属于弯扭失稳。
51.梁格布置形式有：单向梁格、双向梁格和复向梁格。 52.主次梁间的连接可以是叠接，平接或降低连接。
53.梁的验算包括抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度和折算应力等。
54.在计算梁的抗弯强度时，不考虑截面塑性发展是浪费钢材的，但若按截面形式塑性铰来设计，则设计可能使梁的挠度过大，受压翼缘过早失去局部稳定。因此，在一定条件限制下有限的使用钢材的塑性性能，并引进了截面部分塑性发展系数。
55.在梁的固定集中荷载（包括支座反力）作用处无支承加劲肋，或有移动的集中荷载（如吊车轮压），这是梁的腹板将承受集中荷载产生的局部压应力。局部压应力在梁腹板与上翼缘交界处最大，到下翼缘处减小为零。 56.腹板的计算高度
的规定：轧制型钢，两内孤起点间距;焊接组合截面，为
腹板高度；铆接时为铆钉间最近距离。
57.梁的刚度用标准荷载下的挠度大小来度量，梁的刚度不足将影响正常使用或外观。
58.梁的整体稳定：当荷载较小时，梁的弯曲平稳状态是稳定的，仅在弯矩作用平面内弯曲，当荷载增大到某一数值后，梁在弯矩作用平面内弯曲的同时，将突然发生侧向弯曲和扭转，并丧失继续承受能力，这种现象称为梁的侧向弯扭屈曲或整体失稳。
59.影响梁的整体稳定承载力的因素：
①荷载种类：纯弯、均布荷载、集中荷载；
②荷载作用位置：荷载作用于双轴对称工字型截面上翼缘时，加速屈曲，荷 载作用于下翼缘时，延缓屈曲；
③梁截面形式：临界弯矩越高，整体稳定性越强；
④侧向支撑：沿梁的长度方向设置一定数量的侧向支撑可以有效地提高梁的 整体稳定性；
⑤梁的约束条件：约束程度越高，则抵抗弯扭屈曲的能力越强，整体稳定承 载力提高。
60.增强梁的整体稳定性：
①增大梁截面尺寸，其中增大受压翼缘的宽度最为有效； ②增加侧向支撑数量，减小构件侧向支撑点间距 缘处；（最为经济可靠）
③当梁跨内无法增设侧向支撑时，宜采用闭合箱形截面，因其均
较开口截面的大；
④增强梁端约束，采取措施使梁不能发生扭转。 61.
修正的原因：稳定系数是按弹性稳定理论求得的。研究证明，当求得的
而进入塑性变形
，侧向支撑应设在受压翼
大于0.6时，梁已进入非弹性工作阶段，部分截面应力达到区，整体稳定承载能力有明显的降低，必须对62.=1时，不会发生整体稳定破坏。 63.组合梁腹板配置加劲助的规定：
进行修正。
⑴当横向
80时，对有局部压应力的梁，应按构造配置
加劲助；对无局部压应力的梁，可不配置加劲助；
⑵当>80时，应按计算配置横向加劲助；
⑶任何情况下，均不宜超过250，以免高厚比过大时产生焊接翘
曲变形；
⑷梁的支座处和上翼缘受到较大固定集中荷载处，宜设置支撑加劲助。
64.组合梁腹板设置加劲种类及用途：设置横向加劲助，主要防止由剪应力和局部压应力可能引起的腹板失稳，纵向加劲助主要防止由弯曲压应力可能引起的腹板失稳，短加劲助主要防止由局部压应力可能引起的腹板失稳。
65.在计算时，先布置加劲助，在计算各区格板的平均作用应力和相应的临界应力，使其满足稳定条件。
66.H型钢或等截面工字形简支梁不需计算整体稳定性的最大钢号 Q235 跨中无侧向支撑点的梁 荷载作用于上翼 13 20 跨中有侧向支撑点的梁， 荷载作用于下翼 不论荷载作用于何处 16 67.腹板的屈曲后强度：腹板受压屈曲和受剪屈曲后都存在继续承载能力。 68.组合梁的截面高度：建筑高度，决定了梁截面高度，实际上梁截面可能的最大高度；刚度条件，决定了梁的最小高度；经济高度。 69.压弯构件承载能力极限状态的计算内容类似于轴心受压构件，需要计算强度、整体稳定（弯矩作用平面内稳定和弯矩作用平面外稳定）、局部稳定。在满足正常使用极限状态方面，通过限制长细比来保证构件的刚度要求。 二、角焊缝计算题
1.计算如1题图所示角焊缝连接能承受的最大静力设计荷载
Q235BF，焊条为E43型，
。已知：钢材为
，
考虑到起灭弧缺陷，每条角焊缝计算长度取为
。
解：
2.试验算图中所示柱牛腿中钢板与柱翼缘节点的连接焊缝的强度（说明验算点）。图中荷载为静力荷载设计值。钢材为Q235-A?F。手工焊，焊条E43型。=160N/mm2，=125N/mm2。
解：
=185N/mm2，
3.计算图示角焊缝连接中的
。已知承受动荷载，钢材为Q235-BF，焊条为E43型，
，
，图中
，偏离焊缝形心的两个力
尺寸单位：mm，有引弧板。
解：将外力
，
移向焊缝形心O，得： ；
则：
解得构造要求：
取
满足要求。
4.验算图示所示直角角焊缝的强度。已知焊缝承受的斜向静力荷载设计值
，偏心e为30mm，角焊缝的焊脚尺寸
材为Q235B，焊条为E43型（
=160N/mm）。
2
，，钢
，实际长度
解：将F分解为垂直于焊缝和平行于焊缝的分力
三、螺栓强度验算
1.焊接连接为螺栓连接，钢材为Q235，F =100KN，采用M20普通螺栓（ C级），孔径d 0
=21.5mm，试验算此连接的强度。
解：根据已知条件，牛腿板与柱翼缘的螺栓连接承受由偏心力F产生的剪力和扭矩的作用。在剪力V作用下，由每个螺栓平均承担，在扭矩T作用下，四个角螺栓（1、2、3、4）所受的剪力
最大，且沿垂直于旋转半径r的方向受剪，为了简化计算，可将其分解为x轴
和
，1、2号螺栓的竖向分力与V产生的剪力同向，故1、
和y轴方向的俩各分量
2号螺栓为最危险螺栓，验算1号或2号螺栓的强度即可。
将偏心力F向螺栓群形心简化得：
KN·mm
KN
查表得
N/mm，
2
N/mm
2
一个螺栓的抗剪承载力设计值为：
KN
一个螺栓的承压承载力设计值为：
KN
在T和V作用下,1号螺栓所受剪力最大,
KN
KN
KN
KN
＞ 故此连接强度不能满足要求。
2．试验算图示高强度螺栓连接的强度。采用8.8级M20摩擦型螺栓，P=125kN，u=0.45，
。
KN
解：V=300kN，T=300×0.25=75kNm，
该螺栓连接的强度不满足。
3.拉力钢材为Q235，
级高强度螺栓摩擦型连接
与4个螺栓轴线的夹角为45，柱翼缘厚度为24mm，连接钢板厚度16mm。
（
），
（
）。
0
，孔径22mm，接触面喷砂，
解： 斜拉力
F
＝0.45，预拉力
。求该连接的最大承载力
的两个分力为：，
每个螺栓同时承受的剪力和拉力为：
螺栓同时承受的剪力和拉力，用规范相关公式求解：
一个高强度螺栓的抗剪承载力设计值：
一个高强度螺栓的抗拉承载力设计值：
代入规范公式：可以解得：
即
4.验算图示采用10.9级 M20摩擦型高强度螺栓连接的承载力。已知，构件接触面喷砂处理，钢材Q235-BF，构件接触面抗滑移系数μ＝0.45，一个螺栓的预拉力设计值P＝155 kN。
解： V=100 KN， T=100×0.25=25KNm
该螺栓连接的强度满足。
四、实腹式轴心受压构件的设计
1.有一实腹式双轴对称焊接工字形截面轴心受压柱，如图所示，Q235钢材，翼缘为焰切边，对x，y轴均属于b类截面。截面尺寸为：翼缘板宽b=250mm，厚度为t=12mm，腹板高度为h0=350mm，厚度为tw=10mm，计算长度为lox=12m，loy=4m，承受的轴心压力设计值为1200kN。试对该
柱进行验算。已知
。
解：(1)构件截面几何特性计算：
，
，
，
A=25×1.2×2+35×1.0=95cm2；Ix=
［25×37.43-(25-1)×353］ =23237cm4；
Iy=×2×1.2×253=3125cm4；ix==15.64cm
iy==5.74cm；λx=
因截面无削弱，所以这里无需验算强度。 (3)整体稳定性验算：
=76.7；λy==69.7(2)强度验算：
截面对x、y轴弯曲屈曲都属于b类截面，故整体稳定性由绕x轴屈曲控制。 由λx=76.7查表得：
y=0.709
=178.2N/mm2 整体稳定性能够保证。 (4)局部稳定性验算： 翼缘=10<(10+0.1λ)=10+0.1×76.7=17.67 腹板=35<(25+0.5λ)=25+0.5×76.7=63.35 局部稳定性能够保证。 2.验算如图所示轴心受压柱的强度、整体稳定性和局部稳定性能否满足要求。已知轴向荷载设计值为N=1500kN，Q235-B级钢， =215N／mm2，截面绕x轴 为b类截面、绕y轴为c类截面，截面无任何削弱。（10分） 解： ；（1分） ；（1分） ；（1分） （1分） ；绕x轴属b类截面，所以查表得 （1分） ；绕y轴属c类截面，所以查表得 （1分） 所以 满足要求。（1分） 截面无削弱，故强度自然满足。（1分） 整体稳定 （1分） （1 分） 所以局部稳定也能满足要求。 考试时截面应该有削弱的，计算过程可参考书上P133习题5. 下面的梁的整体稳定性计算考试时可能是单轴对称的，计算过程可参考书本上P152例题5-2，其中考试时应该不要计算，计算公式要记。 考试题型（选择题10*2分，简答题6*5分，计算题12+13+13+12分） 五．梁的整体稳定性验算 1、试验算图示简支梁的整体稳定性。已知作用在梁跨中的荷载设计值F=300kN，忽略梁自重产生的内力，采用Q235钢材，fy=235N/mm2，f=215N/mm2, ，跨中有两等距离侧向支撑， =1.20，=≤1.0， 截面几何特性：A=158.4cm2，Ix=268206cm4，Iy=5122cm4。 解（1）截面几何特性 cm3cm （2）内力计算kNm （3）整稳计算 = N/mm2＜f=215N/mm2满足 2、如题2图所示一焊接组合截面板梁，截面尺寸为：翼缘板宽度b=340mm，厚度为t=12mm；腹板高度为h0=450mm，厚度为tw=10mm，Q235钢材。梁的两端简支，跨度为6m，跨中受一集中荷载作用，荷载标准值为：恒载40kN，活载70kN(静力荷载)。试对梁的整体稳定性进行验算。( ， ） ，其中， Ix=51146cm4，Iy=7861cm4，Wx=2158cm4 。A=126.6cm2，解：荷载设计值计算。 P=1.2×40+1.4×70=146KN；M=构件截面几何特性计算： =219KN·m A=126.6cm2，Ix=51146cm4，Iy=7861cm4，Wx=2158cm4 iy= 整体稳定性验算： =7.88cm；λy==76.1 因=17.6>16，故需要验算整体稳定性。 =0.81× =1.834>0.6 =0.898 =113N/mm2
钢结构基本概念及计算题 - 图文
