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钢结构原理及设计 试题（3套）附参考答案
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包括章节内容：绪论；钢结构的材料；钢结构的连接；轴心受力构件；受弯构件；拉弯..
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钢结构设计原理ppt课件合集（2012天津大学）
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钢结构基本原理习题答案钢结构基
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钢结构基本原理习题答案
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3秒自动关闭窗口钢结构设计原理读书报告
传统的钢结构设计，以屈服点作为钢材强度的极限，并把局部屈服作为承载能力的准则。但是，钢材的塑性性能在一定条件下是可以利用的：简支梁可以允许塑性在弯矩最大截面上发展；连续梁和框架的塑形设计方法，允许在结构中塑性铰以及继之而来的内力重分布。
钢材强度高，在同样的荷载条件下，钢材截面构件小，截面组成部分的厚度也小。因此，稳定问题在钢结构设计中是一个突出的问题。只要构件及其局部有受压的可能，在设计时就应该考虑如何防止失稳。有时，局部性的失稳还不是构件承载能力的极限，则可以加以防止，并对屈曲后强度加以利用。 建筑结构钢材有较好的韧性。因此，有动力作用的重要结构经常用钢来做。但设计这类钢结构，还必须正确选用钢材，当荷载多次重复时，还应从计算、构造和施工几个方面来考虑疲劳问题。 钢材的韧性并不是一成不变的。材质、板厚、受力状态、温度等都会对它有所影响。钢结构曾经有过脆性断裂的事故，从焊接结构开始推广的年代起，脆断一直成为引人注目的问题。 1 材料和施工过程钢结构的影响
建筑结构所用的钢材包括两大类：一类是热轧型钢和钢板；另一类是冷成型（冷弯、冷冲、冷轧）的薄壁型钢和钢板。
钢的熔炼按需要生产的钢号进行，它决定钢材的主要化学成分。目前我国大量生产的是平炉钢和氧气转炉钢，二者质量不相上下。氧气转炉钢是炼钢工业发展的主要方向。
按照钢材的脱氧程度钢材可以分为沸腾钢、半镇静钢和镇静钢。镇静钢的性能优于沸腾钢，主要表现在容易保证必要的冲击韧性，包括低温冲击和时效冲击。在静力作用下，屈服点也比沸腾钢稍高。热轧对于钢材的影响包括改善钢材的铸造组织以及不均匀冷却造成的残余应力。残余应力属于内部自相平衡的应力，但它对钢构件在外力作用下的性能还是有一定影响。如对变形、稳定性、抗疲劳等方面都可能产生不利的作用。
加工对钢构件性能的影响主要表现为两类：其一是常温下加工的塑性变形，即冷作硬化和其后的时效影响；其二是局部高温的影响，主要是焊接的影响，也包括氧气切割的影响。钢材的应力应变图如右图所示，由此可见，当材料所受的塑性变形不大，如拉伸图中的B点，则屈服点没有提高，塑性和韧性只是稍微降低。如果拉伸到C点，则屈服点将有所提高，而塑性和韧性则降低很大。塑性和韧性降低，属于不利后果。 一般来说，对钢材进行焊接将造成以下三种后果： 1）焊缝金属具有铸造组织，不同于轧制钢材。 2）焊弧的高温使邻近焊缝的钢材发生组织变化。 3）局部性的高温使钢材发生塑性变形，冷却后存在残余应力。
钢结构的制造和安装都允许有一点偏差，偏差的最大限度应不超过施工质量验收规范的规定。构件在承受荷载前存在初始弯曲，是一种几何缺陷。它对不同的构件产生不同的影响。对于轴心拉杆来说，初始弯曲使杆受拉后的变形比完善直杆要大，但并不降低杆承受拉力的能力，因为初曲的杆受拉后逐渐拉直。对于轴心压杆，情况要严重得多，初始挠度不仅不逐渐消失，反而随压力增大而增大。因此存在初曲的轴心压杆，实际上是即受压又受弯。附加弯矩的出现和增长，称为P-δ效应，它必然要使杆件承受压力的能力受到损害。处于倾斜位置的柱子，在垂直于地面的压力作用下产生倾覆力矩使之进一步倾斜。这种不利影响称为P-△效应。 外界作用对钢结构性能的影响包括多轴应力的影响、加荷速率的影响、循环加荷的影响、低温和腐蚀性介质的影响、高温的影响等。三向拉应力对钢结构来说十分不利。在循环加载中，钢材经预拉后抗压性能有所退化的的现象称为包辛格效应。钢材在多次重复的循环荷载作用下滞回环丰富而稳定，这是一种极好的性能，为钢结构在地震作用下耗能能力提供了基础。不过在抗震设计中包辛格效应有明显影响。防止钢结构火灾损伤的途径有二：其一是用防火材料加以保护，其二是开发和应用耐火钢材。 2 钢结构稳定问题概述 稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定性问题。建筑结构用的钢材具有很大的塑性变形能力。当结构因抗拉强度不足而破坏时，破坏前呈现较大变形。但是当结构因受压稳定性不足而破坏时，可能在失稳前只有很小的变形，即呈脆性破坏的特征。脆性破坏具有突发性，不能由变形发展的征兆及时防止，所以比塑性破坏危险。 弹性失稳可以分为以下三类： 1）稳定分岔屈曲 其主要特征简要说来就是变形的进一步增大，要求荷载增加。 2）不稳定分岔屈曲 即结构屈曲后只能在比临界荷载低的荷载下才能维持平衡位形。 3）跃越屈曲 这种屈曲的特点是：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。 结构稳定问题在以下几个方面不同于应力问题的解算： 1）考虑变形对外力效应的影响
在分析结构内力以求解算它的强度时，除由柔索组成的结构外，均按未变形的结构来分析它的平衡经常可以获得足够精确的结果。分析结构的稳定问题则不同，必然要涉及到结构变形后的位形和变形对外力效应（即二阶效应）的影响。稳定问题都应该用二阶分析。 2）静定和超静定结构的区分失去意义 静定和超静定结构的划分，是适应应力问题的需要而做出的：静定结构的内力分析只要静力平衡关系就够了；超静定结构的内力分析，则还需加上变形协调关系。在稳定计算中，如前所述，无论何种结构都要针对变形后的位形进行分析。 3）叠加原理不再适用。 叠加原理普遍用于即不存在物理的非线性，也不存在几何的非线性的应力问题，而稳定问题一般不符合几何非线性的前提，因为它需要用二阶分析来计算。
稳定计算需要有整体观点。结构的稳定承载能力，和它的刚度密切相关。由于验算构件稳定时形式上似乎是验算某一截面，往往使人对强度和稳定计算的实质分辨不清。二者之间的原则区别是：强度是某一个截面的问题，而稳定则是构件整体的问题，因为结构的刚度是它的整体组成所决定的，包括截面刚度和构件长度。所以在处理稳定问题时，必须具有整体观点。 在钢结构设计中，为了保证结构不丧失稳定，还应注意以下几点： 1）结构整体布置必须考虑整个体系及其组成部分的稳定性要求。 2）杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的简化假设或典型情况得出的，设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。 3）设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。 上述三方面的一直性属于钢结构稳定计算中不可忽视的基本原则。 3 钢结构的断裂 钢结构脆性破坏事故的不断发生，除了采用焊接外，还有以下原因：结构比过去复杂，有的适用条件恶劣（如海洋结构），有的荷载很大，钢材强度和钢板厚度都趋于提高和增大，设计时采用更精细的计算方法并利用材料非弹性性能以尽量降低造价，致使结构的实际安全储备比过去有所降低。这些因素综合在一起，发生脆断的概率就会提高。 断裂力学认为，解决脆断问题必须从结构内部存在微小裂纹的情况出发来进行分析。断裂是在何在和侵蚀性环境的作用下，裂纹扩展到临界尺寸时发生的。如果构件内部原来就存在较大裂纹，那么它在一定条件下就会断裂。
在解决断裂问题时，断裂力学提出了应力强度因子的概念。通过分析我们知道影响脆断的直接因素是裂纹尺寸、作用应力和材料的韧性。
原始裂纹尺寸的控制主要由保证施工质量和加强检验来解决。焊缝冷却时的收缩作用受到约束，有可能促使它出现裂纹，在板厚较大的焊接结构的设计和施工中应予以注意。综合起来说，控制焊接结构的初始裂纹需要在焊缝设计、施焊工艺和焊后检验各个环节加以注意。
考察断裂问题时，应力σ应是构件的实际应力，它不仅和荷载的大小有关，也和构造形状及施焊条件有关。几何形状和尺寸的突然变化造成的应力集中，使局部应力增高。在施焊过程中造成构件内在残余应力，其中收缩受到约束的构件中存在的反作用拉应力最为不利。因此，对应力不仅要看它的大小，更重要的是要看应力状态，比如瑞士金属结构中心就把焊接结构中零件应力状态分为三级，即弱应力状态、中等应力状态和强应力状态。
为了防止脆断，结构的材料应根据其所处条件具有一定的韧性。衡量韧性的准则，现阶段大多采用冲击韧性试验。 钢材的断裂有几种不同的表现，即可以是脆性断裂、韧性断裂或兼有脆性和韧性的断裂。对于韧性断裂，因其有塑性变形，故而其能吸收更多的能量。材料断裂时吸收的能量和温度有密切关系，此外加荷速率也是一个影响能量吸收额的颇为重要的因素，钢材的厚度对它的韧性也有影响，厚板韧性低于薄钢板。 控制脆性断裂除了从上面分析的裂纹、应力和材料韧性三方面着眼外，设计时还应注意结构形式的问题。优良的结构形式可以减少断裂的不良后果。把结构设计成超静定的，即有赘余构件的，可以减少断裂造成的损失。因为一旦个别构件断裂，则只是赘余构件减少了一个，结构可以仍然保持稳定。 设计焊接结构，在选用钢材时应该从防止脆断的角度加以考虑。目前许多国家都规定对同一钢号的材料按冲击试验请要求来分级，选用钢号时应同时确定用哪一级。构件的重要性程度不同，对材质要求应有所区别。 在腐蚀介质中，虽然应力低于式K????a???K?C所给的值，经过一定时期后也会出现脆性断裂。这种现象叫做应力腐蚀断裂，也叫做滞后断裂或延迟断裂。应力腐蚀断裂主要发生在高强度材料中。 钢材的含碳量越高，则韧性越低，抵抗应力腐蚀断裂的性能也越差。因此，在有可能出现应力腐蚀的环境下不宜用含碳量高的钢材，在腐蚀环境下，加强高强螺栓质量控制，避免使用有明显裂纹的螺栓，也是十分必要的。 4 疲劳破损 钢结构的疲劳破损是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开展以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。疲劳破坏可分为低周疲劳和高周疲劳两种，我们一般研究的是在行动活荷载作用下结构应变小、破坏前循环次数多的高周疲劳。 一般来说，疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构来说，实际上只有后两个阶段，因为结构总会有内在的微小缺陷，这些缺陷本来就起着裂纹的作用。疲劳破坏的起点多数在构件的表面，内部裂纹的作用相当于宽度为其一半的表面裂纹。因此，疲劳破坏发生在表面的情况居多。疲劳裂纹经过长期的荷载循环，扩展十分缓慢；而脆性断裂不经长期的荷载循环。这是两者的区别。 构造细节是设计承受疲劳荷载的结构时必须十分注意的问题。疲劳是一种随机现象，影响疲劳的因素如材料特性、裂源处的几何形状、应力应变史和所处环境等都具有随机性，有的因素还会在结构的使用期限内发生变化。所以，有必要用概率的方法来分析疲劳问题。 研究疲劳问题的方法有实验研究和利用断裂力学理论进行研究两种方法。为了提高结构的疲劳寿命，首先是采用适当的构造细节，尽量使结构的尺寸由静力计算（强度、稳定）而不是疲劳控制；其次我们还可以降低构件所承受的应力和采用韧性较好的材料。 疲劳设计时首先要明确的一个问题是对结构或个别构件的疲劳寿命如何要求。根据这样一种思路设计方法可分为安全寿命法和破损安全法。所谓破损安全法是指在结构的某一部分出现疲劳裂缝时，保证在裂缝被发现前其他部分还能安全地承载，意思是局部性的破损不知危及整个结构。 长期以来，钢结构的疲劳计算一直按应力比准则进行，后来人们发现焊接结构疲劳计算宜以应力幅为准则，原因在于结构内部的残余应力。无论以应力比或以应力幅为计算准则，构件的构造细节都对它的疲劳性能有重大影响。构造细节的区别体现在构件本身的拼接、附件的连接情况以及和其他构件的连接等。拼接和连接造成的应力集中愈严重，构件的抗疲劳性能愈差。 结构所承受的荷载都是随机性的，如果不是大部分的荷载循环都达到最大值，则按????max??min常幅计算不够经济合理。荷载变幅的疲劳问题，可以由式nnn1n2??????i??i?1表达的线性累积损伤原则（也叫Miner规则）来N1N2NiNi计算。式中：ni为应力幅??i对结构的作用次数；Ni为应力幅??i常幅作用下结构的预期寿命。上式成立的前提是，除了断裂力学的一般假定外，还有整个疲劳寿命只包括裂纹扩展阶段，此外，还认为几种不同应力幅对结构作用的先后顺序不影响疲劳寿命。线性累积损伤原则由于使用方便，现在还是最通行的方法。变幅疲劳计算中的另一个问题，即如何确定各应力幅??i的作用频数ni。目前存在多种计数法。其中最常用的是雨流法。 实验研究目前虽然已经不是研究疲劳问题的唯一手段，但仍然具有极为重要的地位。实验研究可以分为两类，一类是典型的连接细节的疲劳试验；另一类是整个构件的疲劳试验。对承受疲劳荷载的构件，特别是容易开展疲劳裂纹的部位必须加强检验。检验包括外观检查和无损检验。 5 拉杆 拉杆可分为有孔拉杆和无孔拉杆。一般来说实际工程中的构件总会有些几何尺寸的偏差，其中包括初始弯曲和力作用点的偏差；另外，还会有残余应力。研究表明，初始弯曲并不降低拉杆承载能力，只不过要使拉杆变形增大。在不产生疲劳的静力荷载作用下，残余应力对拉杆的承载能力也没有影响。 有孔拉杆可分为两种类型：一种是铆接结构中的组合构件，沿整个长度都分布有铆钉；另一种是型钢或焊接构件，尽在端部和其他构件作用螺栓或铆钉连接。
前一种构件应该以净截面屈服为承载能力极限状态。后一种构件的承载能力极限状态要从毛截面和净截面两方面来考虑。就毛截面来说，极限状态仍然是应力达到屈服点；就净截面来说，则应力达到抗拉强度?u时才是极限状态。毛截面屈服和净截面拉断何者控制设计，要经过比较，比较时注意对二者采用不同的安全系数。
初始弯曲和残余应力对有孔拉杆的影响和无孔拉杆的影响没有区别。残余应力和应力集中不降低拉杆的静力强度，靠的都是钢材的塑性。
在按净截面拉断设计拉杆时，不仅要用净截面进行计算，还要注意净截面是否全部有效，并引进必要的系数?，这样做的目的主要是为了考虑剪切滞后的影响。 6 轴心压杆 轴心压杆承载能力的极限状态是丧失稳定，完善弹性直杆失稳的临界力，可}