1、第1講. “高等鋼結構”課程內容體系、學習要求1. 概括總結：鋼結構中出現“層間撕裂”問題的原因、防止措施。2. 在“OK網站”事故欄目查看各種鋼結構工程事故，選一實例寫出書面分析報告第 2 講 鋼結構的性能綜述1.試從鋼結構材料、制造安裝、工作環境、荷載類型、結構形式及構造細節等六個方面，綜述對結構性能的影響。 2.以“鳥巢”結構用鋼Q460E-Z35，厚110mm為例，綜述GB50017對鋼結構鋼材的規定；分析超過要求時設計、施工方面存在哪些問題? 3.何為冷彎效應？試敘述冷彎薄壁型鋼結構技術規范（GB50018）是對冷彎效應如何考慮的。第3講 鋼結構的斷裂與疲勞破損1. 從斷裂力學的觀點

2、，簡述為什么裂紋尺寸、作用應力和材料的韌性是影響脆斷的直接因素？2. 解釋何為“斷裂韌性”，它與“沖擊韌性”有何異同？3. 解釋何為 “應力腐蝕開裂”？4. 疲勞設計的準則 ？GB50017采用什么準則，為什么？5. 解釋 “線性累積損傷準則” 、“雨流計數法”。6. 焊接結構脆斷的原因及防脆斷的措施。7. 疲勞破損的種類？疲勞設計的準則？疲勞破壞的防止措施？第4講 基本構件拉桿、軸壓桿、梁1.綜述“剪切滯后”的現象和原因？2.分析歸納鋼結構中半剛性連接問題， “工程絞”問題？3.歸納總結鋼結構的穩定問題？4. 分析總結Q235做腹板，Q420做翼緣的混用梁的受力性能？第五講 壓彎構件和框架1

3、.分析歸納“搖擺柱”的受力特點，以及對整體結構受力性質的影響？2.簡述鋼框架的“高等理論分析思路與方法”1. 概括總結：鋼結構中出現“層間撕裂”問題的原因、防止措施。一出現層間撕裂的原因型鋼和鋼板經過軋制之后，鋼材內部的非金屬夾雜物被壓成薄片，出現分層現象。分層使鋼材沿厚度方向受拉的性能大大惡化，并且有可能在焊縫收縮時出現層間撕裂。如圖1.1所示。 圖1.1 層間撕裂 圖1.2 防止層間撕裂的連接構造二防治層間撕裂的措施厚鋼板在焊接和受力過程中的層間撕裂現象時有發生，嚴重影響鋼結構工程的質量與施工進度。如何防止厚鋼板發生層間撕裂已成為設計和制作人員十分關注的問題。層間撕裂發生的原因主要與鋼材的

4、化學成分，鋼板的輥軋工藝，焊接工藝，結構連接節點的構造型式等有關。防止產生層間撕裂的措施有： （1）改進焊接節點的連接形式改進焊接節點的連接形式以減小局部區域內由于焊接收縮而引起的應力集中，或避免使鋼板在板厚垂直方向受拉。如：當兩塊板垂直相焊形成角連接時，應采用下圖1.3所示做法。 圖1.3 層間撕裂及其防止對于全焊的剛性連接，為了避免柱翼緣出現層間撕裂的危險，可采取用兩段T形構件加強柱翼緣的方法，如圖1.2（a）所示。在梁翼緣傳來的拉力作用下，柱翼緣不是在厚度方向受拉，而是受彎。至于連于柱腹板的梁如圖1.2（b），翼緣不去和柱腹板直接相焊，而是事先用對接焊縫焊上窄板，使能和柱翼緣焊接，從而避

5、免腹板在厚度方向受拉。（2）采用合理的焊縫形式和小焊腳焊縫 焊縫形式對基材變形有很大的影響。坡口焊縫的坡口越大，焊縫表面積也越大，將增加收縮應力。焊縫的尺寸對基材變形也有很大的影響，不要隨意增加焊縫尺寸。如果認為焊縫尺寸越大，節點強度就越高，因而設計出遠高于實際需要的焊縫形式和尺寸，將會增加焊縫的收縮變形。 （3）選擇屈服強度低的焊條 只要能滿足受力要求，應盡可能選擇屈服強度低的焊條。這樣會使得基材應力達到屈服點時，焊縫金屬內的應力還大大低于屈服應力，因此，所有的變形都被迫發生在基材里。 施工方面問題：厚鋼板施工時關鍵是防止由于焊接而產生的裂紋和減少變形，因此，應對該鋼種的焊接考慮采

6、取措施以降低其冷裂傾向。應主要考慮以下幾點： （1）選用合理的坡口形式，如盡量選用雙 U 形或 X 形坡口，如果只能單面焊接，應在保證焊透的前提下，采用小角度、窄間隙坡口，以減小焊接收縮量、提高工作效率，降低焊接殘余應力。 （2）合理的預熱及層間溫度。 （3）后熱及保溫處理。2. 選一鋼結構工程事故實例，寫出書面分析報告山東兗州一門式剛架廠房在安裝時倒塌 根據現場照片，大致可描述出工程的一些情況： 1.邊柱及中柱均為柱底鉸接，地腳螺栓4顆；2.連續兩跨；3.剛架平面外有鋼管作為剛性系桿。事故原因分析 1.施工中最大的問題就是忽視了柱的穩定性。 CECS102:2002中

7、條規定：剛架在施工中應及時安裝支撐，必要時增設纜風繩充分固定。此條為工程建設標準強制性條文。門式剛架主要是平面內受力，而平面外是通過支撐把水平力直接傳到基礎，所以單榀的門式剛架是不穩定的。因此，在安裝門式剛架時首先要把支撐跨的兩個剛架立起來，加上屋面，柱間支撐先形成一個穩定體系，接著在向縱向延伸，每增加一榀剛架就應該用檁條隅撐把它與前一個穩定體系連接起來，這才應該是比較正確的安裝順序。從圖片中可以看到此工程安裝并沒有執行此規定。施工方是把柱，梁分開來施工，先把柱立起來，然后才安裝梁，安裝完梁后形成的單榀剛架之間又未見柱間支撐，水平支撐也沒有，沒有形成剛性單元,剛架未形成統一體,不能抵抗風載;

8、屋架上的檁條不夠多，屋面梁很少有加勁肋，雖然截面夠大，可是平面外的穩定性還是無法保證。現實經驗告訴我們,安裝柱子、鋼梁、檁條要同步進行，安裝兩跨后應及時校正、安裝好檁條和柱間支撐,水平支撐,隅撐,收工前一定要形成穩定的空間體系。2.柱腳問題，從柱腳的破壞情況看，抗剪鍵設置不合理，后澆帶留的過大。可能砼強度也有問題，砼養護不到位，或砼標號過低。柱底的地腳螺栓在二次澆灌前沒有混凝土保護，沒有墊鐵，安裝時應有斜鍥塊。鋼柱柱腳底板與砼土短柱明顯大大于50MM,CECS102:2002明文規定:鉸接柱腳二次澆灌厚度為50MM,剛接柱腳二次澆灌厚度為100MM，或用砼包裹至+0.150,每邊不少50MM.

9、主要意圖是防底板腐蝕.3.柱腳螺栓問題，從第2張和第5張圖片上，可以清楚的看出，地腳螺栓安裝后，沒能及時灌漿，就開始上部的安裝，造成螺栓桿的失穩倒塌。建模時柱底雖然是"鉸節點",但是實際上沒有純粹的鉸接,螺栓或多或少的承擔彎矩，就本例來說,M20螺栓太小。3.鋼柱問題，柱子本身安裝時不允許長時單立，特別是變截面的. 由于柱底鉸接，在理論計算中，剛架柱是無法獨立豎直的，而由于柱底四顆地腳螺栓的存在，在實際情況中該柱或多或少能夠承擔一部分彎矩，彎矩大小視螺栓大小、螺栓間距、底板厚度、混凝土標號而定，所以鋼柱在沒有太大外力 的作用下是可以獨立豎直的，而這種情況往往會給一些施工隊帶

10、來柱底剛接的錯覺，這樣的錯覺反映在施工過程中就如照片中的情況：鋼柱懸臂而立，沒有柱間支撐，也沒有穩定纜繩。4.節點問題，梁柱節點板空隙很大,說明板的變形較大,且高強螺栓未終擰,不能承受突變荷載.從第四張圖片看,倒在起重車上的鋼梁,在變截面處沒有設置加勁板。1.試從鋼結構材料、制造安裝、工作環境、荷載類型、結構形式及構造細節等六個方面，綜述對結構性能的影響。 所謂“性能”，是指結構在各種不同的荷載作用和環境條件下的反應。 一鋼結構材料對構件性能的影響鋼結構的內在特性是由它所用的原材料和所經受的一系列加工過程決定的。鋼的脫氧越充分，Fe的含量越高，鋼中晶體越細，從而使鋼材具有更高的室溫沖擊韌性和更

11、低的冷脆傾向性和時效傾向性。沖擊韌性是衡量鋼材斷裂時所做功的指標，其值隨金屬組織和結晶狀態的改變而劇烈變化。鋼中的非金屬夾雜物、帶狀組織、脫氧不良等都將給鋼材的沖擊韌性帶來不良的影響。沖擊韌性是鋼材在沖擊荷載或多向拉應力下具有可靠性能的保證，可間接反映鋼材抵抗低溫、應力集中、多向拉應力、加荷速率和重復荷載等因素導致脆斷 的能力。 輥軋是型鋼和鋼板成型的工序，它給這些鋼材的組織和性能以很大影響。輥軋有熱軋和冷軋之分，以前者為主。經過熱軋后，鋼材組織密實，力學性能得到改善。這種改善主要體現在沿軋制方向上，從而使鋼材在一定程度上不再是各向同性體；經過軋制之后，鋼材內部的非金屬夾雜物被壓成薄片，出現分

12、層現象。分層使鋼材沿厚度方向受拉的性能大大惡化，并且有可能在焊縫收縮時出現層間撕裂。焊縫收縮誘發的局部應變時常達到屈服點應變的數倍，比荷載引起的應變大得多。熱軋的另一后果是，是不均勻冷卻造成的殘余應力。一般的說，截面尺寸越大，殘余應力也越大，殘余應力雖然是自向平衡的，對鋼構件在外力作用下的性能還是有一定影響。如對變形、穩定性、抗疲勞等方面都可能產生不利的作用。二 鋼結構的制作安裝對構件性能的影響現代鋼結構都是在專業化的金屬結構制造廠中用熱軋鋼材或冷彎型鋼加工成構件，然后運到工地安裝而成。加工對鋼構件性能的影響主要表現為兩類：其一是常溫下加工的塑性變形，即冷作硬化和其后的時效影響；其二是局部高溫

13、的影響，主要是焊接的影響，也有氧氣切割的影響。1冷加工的影響 當材料經受的塑性變形不大，則屈服點沒有提高，塑性和韌性只是稍有降低。如果塑性變形很大，則屈服點將有所提高，而塑性和韌性則降低很大。鋼材的剪切和沖孔，使剪斷的邊緣和沖出的孔壁嚴重硬化，甚至出現細裂紋。例如，焊接結構的工地安裝孔，如果沖成后受到鄰近焊縫的影響而加熱至200450，使時效很快完成，孔壁裂紋就有擴展危險。冷彎型鋼是用軋制好的薄鋼板加工彎成的。冷彎成型時鋼板都經受一定的塑性變形，并出現強化和硬化。如下圖3.1所示卷邊槽鋼，冷彎成型后彎角部分屈服點大幅度提高，抗拉強度也有所提高，提高幅度如何和加工成型的工藝很有關系，壓制成型者平

14、板部分屈服點沒有明顯提高。圖3.1 冷彎型鋼屈服點提高 彎角部分的塑性變形，外側沿圓弧方向為拉伸，沿半徑方向為壓縮，內側則沿弧度線壓縮，而沿半徑拉伸。這些塑性變形都是垂直與構件受力方向的，對構件抗拉和抗壓性能的影響相同。材料彎成圓角時半徑和板厚之比r/t越小，塑性應變越大，屈服點提高幅度也越大。2焊接的影響對鋼材進行焊接，造成以下三種后果：（1） 焊接金屬具有鑄造組織，不同于軋制鋼材。焊縫金屬在碳、氮、氧、氫的含量方面與軋制鋼材有差別。碳含量稍低，而氮、氧、氫含量稍高。氧加劇鋼構件的熱脆氮使鋼冷脆、對時效敏感。焊接的金屬冷卻很快，因而含氧高，氣泡和夾雜都較多，使鋼材的組織欠均勻，氣泡周圍容易形

15、成硫的偏析，而在焊接結構中硫的偏析可能引起熱裂紋。焊接金屬含氫量高，來源與焊條藥皮和大氣。當冷卻快時，氫能使焊接金屬內部出現微觀裂紋。我國建筑鋼結構焊接技術規程規定，厚度大于40mm的Q235鋼和厚度大于25mm的Q345鋼，在焊接時需要預熱，最低預熱溫度控制在60140。施焊后還應進行后熱，其溫度由實驗確定。預熱使焊后冷卻過程延長，氧和氫的含量減少，改善了焊接構件的性能。（2） 焊弧的高溫使鄰近焊縫的鋼材發生組織變化。（3） 局部性的高溫使鋼材發生塑性變形，冷卻后存在殘余應力。如下圖3.2兩塊板在對接焊施焊時處于600以上的部分呈完全塑性。這部分在加熱時受到兩旁處在彈性狀態的材料的制約，得不

16、到應有的伸長，也就是受到了熱態塑性壓縮。在焊后冷卻過程中，高溫的塑性壓縮部分趨向于縮得比原長度要短一些。由于溫度梯度很大，而且存在局部性的塑性壓縮，冷卻后焊縫及其近旁的母材殘余應力很高，經常達到材料的屈服點，甚至因熱效應對材料性能的影響比母材原有屈服點還高一些。 圖3.2 有縱向焊縫板的殘余應力 圖3.3反作用殘余應力由于有熱態塑性壓縮，焊接構件除了殘余應力外還有殘余變形，如上圖3.2所示的原長度為L的板在溫度降低到室溫后縮短L。如果這兩塊板受到相連的剛性部分牽制而不能收縮，則整個構件將產生拉應力，這是另一種焊接殘余應力，叫做反作用殘余應力。在兩塊相互垂直板的一側夾角焊上角焊縫，如圖3.3，則

17、焊縫的收縮促使夾角減少。如果這種減少受到約束而不能實現，則焊縫的縱截面內將出現反作用殘余拉應力，這種應力有可能使焊縫出現裂紋。3制作和安裝的偏差的影響 軸心壓桿在承受荷載前存在初始彎曲，是一種幾何缺陷，初始撓度隨壓力增大而增大。因此存在初彎曲的軸心壓桿，實際上是既受壓又受彎。附加彎矩的出現和增長，稱為P-效應，它必然要使桿件承受壓力的能力受到損害。處在傾斜位置的柱子，在垂直于地面的壓力作用下產生傾覆力矩使之進一步傾斜。 用許多桿件組裝而成的桿系結構，當為靜定結構時，桿件長度的容許偏差，只不過使結構的外型稍有變化。當為超靜定結構時，安裝偏差將使桿件產生自相平衡的壓力和拉力，稱為初始內力，當初始內

18、力和荷載引起的內力同號時，將使承載力降低。三工作環境對構件性能的影響 1低溫和腐蝕性介質的影響低溫使鋼材韌性降低。當溫度從常溫開始下降，特別是在負溫度范圍內時，鋼材強度雖有提高，但其塑性和韌性降低，材料逐漸變脆，溫度降低到一定程度時鋼材在沖擊荷載作用下完全是脆性斷裂。脆性斷裂的宏觀特征是沒有塑性變形，韌性斷裂則有明顯的宏觀塑性變形，其斷裂機理是剪切斷裂過程。有塑性變形，就要吸收較多的能量，材料斷裂時吸收的能量和溫度有密切關系，下圖3.4曲線表明這一點。圖3.4斷裂吸收能量隨溫度的變化腐蝕性介質也會促成脆性斷裂并影響疲勞強度。在腐蝕性介質中，即使應力低于斷裂韌性，經過一定時期也會出現脆性斷裂，這

19、種現象叫做應力腐蝕開裂，也叫做滯后斷裂或延遲斷裂，出現這種現象的原因是：構件中原來存在的小裂紋在腐蝕性介質作用下隨時間的增長而逐漸擴展，待達到臨界尺寸時，構件就會突然脆斷。應力腐蝕斷裂主要發生在高強度材料。高強螺栓在使用過程中就有可能出現延遲斷裂的現象。鋼材的含碳量越高，則韌性越低，抵抗應力腐蝕斷裂的性能也越差。2高溫的影響溫度升高，鋼材強度降低，應變增大。溫度升高，約在200以內鋼材性能沒有很大變化，430-540之間強度急劇下降，600時強度很低，不能承受荷載。但在250左右，鋼材的強度反而略有提高，同時塑性和韌性均下降，材料有轉脆的傾向。當溫度在260-320時，在應力持續不變的情況下，

20、鋼材以很緩慢的速度繼續變形，即出現徐變現象。四荷載類型對構件性能的影響 1多軸應力的影響鋼材在雙向拉力作用下，屈服應力和抗拉強度提高，延伸率降低，反之，在異號雙向應力作用下，屈服應力和抗拉強度降低，延伸率增大。圖3.5給出了單向拉伸和雙向應力的應力應變關系的對比。 圖3.5 不同應力條件下的應力-應變圖如果是三向受拉，塑性比雙向受拉進一步降低，破壞將是脆性的。因此，三軸拉應力對鋼結構來說十分不利。2. 加荷速率的影響 結構在動力作用下，加荷速率有時很高，在20左右的室溫環境下，鋼材的屈服點fy和抗拉強度fu雖然隨應變的增大而提高，塑性變形能力卻并未下降，反而和強度一樣有所提高。圖3.6給出了靜

21、力和動力荷載下鋼材本構關系的對比。由圖2.6見，在動力作用下鋼材開始硬化的應變st有較大增加，極限應變u略有增大。圖3.6 不同加荷速率下鋼材的本構關系曲線 動力荷載對鋼材也有不利的一面即脆性轉變溫度隨加荷速率的增大而提高。材料斷裂時吸收的能量和溫度有密切關系，加荷速率是影響能量吸收額的重要因素。從上圖3.4可以看出，隨著加荷速率的減小，曲線向溫度較低的方向移動。對于同一沖擊韌性的材料，當設計承受動力荷載時，允許最低的使用溫度要比承受靜力荷載高的多。3. 循環加荷的影響 鋼材或鋼構件在經受冷拉至產生塑性變形后，再使之受壓，則壓縮應力應變關系與未曾預拉過的壓桿有很大不同。應力應變關系曲線很早就不

22、再是直線，以致變形模量成為變化著的切線模量，其值小于原材料的彈性模量，曲線沒有屈服平臺，按殘余應變0.2%確定的屈服強度比受拉時的屈服強度要低，即出現包辛格效應。五結構形式及構造細節對構件性能的影響優良的結構形式可以減小斷裂的不良后果。把結構設計成超靜定的，即有贅余構件的，可以減少斷裂造成的損失。因為一旦個別構件斷裂，則只是贅余構件減少了一個，結構可以仍然保持穩定。當采用靜定結構時，注意使荷載能夠多路徑傳遞。設計一個跨越結構，如果用一根強大的梁，得到的是單路徑結構。如果改用幾根相互平行的梁，并在上面聯以鋼筋混凝土板，就成為多路徑結構。一根構件，也有單路徑和多路徑之別。一根拉桿如果由幾個平行的元

23、件組成，共同承擔拉力，那么此桿也是多路徑的。從控制跪斷的角度考慮，它優于單路徑桿。構造設計雖然在整個工程中屬于細節，并不等于可以等閑視之。構件相互連接之處往往形成應力集中或局部應力，處理不好就會影響結構的承載能力。構造設計是十分細微的間題，要求設計者精心處理。首先，就受力情況來說要注意以下幾點: （1）傳力要明確。在整個傳力過程中，各個零件的受力情況都應加以考慮，不使某一個負擔過重。連接構造的實際性能應盡量和計算分析時的簡圖一致，有多余的約束時，應不致對結構起不利作用。 （2）構件互相連接的節點應盡可能避免偏心，不能完全避免時應考慮偏心的影響， （3）盡量減緩應力集中，對承受疲勞荷載的結構、處

24、于低溫的結構更應注意，不能忽視任何一個細小零件。 （4）要考慮結構或零件變形的影響，如變形引起的次應力和變形引起的應二)分布不均勻等。 （5）避免在結構內產生過大的殘余應力，尤其是約束造成的殘余應力，要避免焊縫過度密集。  （6）沿厚度方向可能出現層間撕裂，偏析集中區容易出現裂紋，這些都應成為設計時考慮的因素，應予以注意。 2.以“鳥巢”結構用鋼Q460E-Z35，厚110mm為例，綜述GB50017對鋼結構鋼材的規定；分析超過要求時設計、施工方面存在哪些問題? "鳥巢"結構主體用鋼：Q460E-Z35，由我國河南舞陽鋼鐵集團生產；總用鋼量42000余噸。此時要求

25、鋼材的抗拉強度與屈服強度的比值不應小于1.2，伸長率大于20%，-40時的沖擊功不低于34 J，板厚方向截面收縮率不小于Z35，同時，嚴格控制碳當量，經過嚴格的焊接工藝評定，使其具有良好的可焊性。這是在中國建筑工程中首次采用Q460鋼材。對于Q460E、Q345D 特殊高強材質鋼結構焊接和130毫米厚的鑄鋼件厚板焊接，工業安裝公司和項目部經過共29次焊接工藝評定試驗，在現場首次采用可以大大提高工效的CO2 氣體保護焊。Q460是一種低合金的高強度鋼，比通常的建筑用鋼材強度超出1倍。而且在國家標準中，這種鋼板的最大厚度為100毫米。 由邯鄲鋼鐵集團舞陽鋼鐵公司自主研發生產的110mm低

26、合金高強度Q460厚鋼板，具有良好的抗震能力，因為它在受到強大外力時能夠通過變形來吸收能量，從而防止鋼材的斷裂，而且它還具有良好的抗震性、抗低溫性、可焊性等特點。Q460 鋼通過現代冶煉技術，在保證高強度的同時，也具有很高的韌性，-40沖擊韌度達到100J以上。這種鋼的強度是普通鋼材的兩倍，性能達到最高級別，集剛強、柔韌于一體，保證其在承受最大460兆帕的外力后，依然可以恢復到原有形狀。晶粒是鋼材的組織或者成分，晶粒越細，鋼材的韌性越好。細化的手段一個是降低軋制溫度，另一個是增加壓下量。降低軋制溫度對細化晶粒非常有益。比如，原先晶粒是一個球狀，經過軋制，鋼板變長，晶粒也會隨之相應變長并且表面積

27、增大，在適宜的溫度條件下，晶粒表面會再結晶，形成許多新的晶粒，這樣就將晶粒細化了。 而增加壓下量可以使晶粒進一步細化。壓下量就是將鋼坯壓薄時壓下的尺寸，比如鋼坯開始的厚度是100毫米，用機器將它壓到80毫米，那壓下量就是20毫米。通過增加壓下量這個參數，在其他條件不變的情況下，可以使晶粒的表面積更大，這樣可以形成更多的結晶，使晶粒更加細化。鳥巢”333.4米的大跨度，受力非常大，還要承受南北長軸巨大的應力，采用的鋼板焊接既要鋼的強度有張力，又要柔韌有拉力，還要能抗低溫、易焊接又不能自重太重。這種鋼材國內是個空白。從工程的實際需求出發，Q460E是最好的選擇。這是一種低合金高強度鋼，比通常的建筑

28、用鋼強度超出一倍 。    設計角度存在的問題：國家體育場（鳥巢）工程用鋼最大板厚達110mm（Q460EZ35），大量鋼結構工程采用厚鋼板，促進了厚鋼板焊接技術的發展，同時也豐富了建筑用鋼的范圍，目前國內現行標準如 GB/T 15911994低合金高強度結構鋼和 YB 41042000高層建筑結構用鋼板規定的鋼板厚度最大僅為 100mm，這種鋼材的力學性能、焊接性能等各方面都超出了建筑結構用鋼板（GB/T 19879-2005）中規定的范圍。因此，在結構設計中材料性能指標的選取，焊接性能以及層間撕裂等成為“鳥巢”建設施工中的難點。  1、材料性能指標的

29、選取 （1）對于抗力分項系數 和材料的強度指標。（2）對于壓桿穩定問題、構件截面受壓板件的有效寬厚比問題。（3）確定合適中國規范的抗力分項系數。以上三點須根據一定的可靠指標，對足夠多的實驗進行概率統計和回歸分析確定。  鋼板的力學性能與板厚和碳當量的關系，對于薄板來說，存在比較明顯的線形關系，即 屈服點和抗拉強度隨著碳當量的增加而升高，隨著鋼板厚度的增加而降低，延伸率則正好相反，隨著碳當量的增加而降低，隨著鋼板厚度的增加而增加。那么，這種規律對于舞陽鋼鐵公司生產的特厚鋼板是否也適用呢？為了得到這個結論，我們可以對近幾年生產的熱軋鋼板的性能進行研究，確定特厚鋼板力學性能與板厚

30、和碳當量的定性關系。通過分析，可以看出，鋼板力學性能和厚度沒有什么必然關系，而和碳當量存在著明顯的線形相關。      2、焊接性能     厚鋼板的切割 試驗表明：厚鋼板切割時，液化石油氣切割與乙炔氣切割相比，預熱時間叫長，切割速度較慢，但切割面光滑，不滲碳，成本下降15%以上，比較經濟安全。     厚鋼板的對接焊接 厚鋼板的對接采用雙U型坡口埋弧自動焊，厚鋼板的對接只允許在長度方向對接。厚鋼板焊接坡口采用龍門刨刨削而成，加工后用樣板檢查坡口尺寸，后鋼板對接在專

31、用平臺上進行，以保證對口錯邊 t/25且不大于2mm，t為鋼板厚度。厚鋼板對接定位后，在焊道兩側100mm范圍內的母材用每隔500mm設置點電爐板一塊，均勻加熱至100左右，停止加熱20分鐘，以利于熱量向板中心傳遞，然后繼續加熱至150，測溫點改在焊道兩側100mm邊遠處。厚鋼板剖口焊中鈍邊6mm，主要防止焊穿，為控制焊接變形，工藝要求先焊正面t/3，然后翻轉工件，采用碳弧氣剖清根后，用砂輪打磨清除滲碳層與溶渣，直至露出金屬光澤后再采用熱磁粉探傷法進行底部的MT探傷，待確定無裂縫后進行反面焊縫（約t/3）的施焊。  3、層間撕裂問題     厚

32、鋼板在焊接和受力過程中的層間撕裂現象時有發生，嚴重影響鋼結構工程的質量與施工進度。如何防止厚鋼板發生層間撕裂已成為設計和制作人員十分關注的問題。層間撕裂發生的原因主要與鋼材的化學成分，鋼板的輥軋工藝，焊接工藝，結構連接節點的構造型式等有關。防止產生層間撕裂的措施有： （1）改進焊接節點的連接形式 改進焊接節點的連接形式以減小局部區域內由于焊接收縮而引起的應力集中，或避免使鋼板在板厚垂直方向受拉。如：當兩塊板垂直相焊形成角連接時，應采用下圖2.1所示做法。 圖2.1 層間撕裂及其防止（2）采用合理的焊縫形式和小焊腳焊縫 焊縫形式對基材變形有很大的影響。坡口焊縫的坡口越大，焊縫表面積也越大，將增加

33、收縮應力。焊縫的尺寸對基材變形也有很大的影響，不要隨意增加焊縫尺寸。如果認為焊縫尺寸越大，節點強度就越高，因而設計出遠高于實際需要的焊縫形式和尺寸，將會增加焊縫的收縮變形。 （3）選擇屈服強度低的焊條 只要能滿足受力要求，應盡可能選擇屈服強度低的焊條。這樣會使得基材應力達到屈服點時，焊縫金屬內的應力還大大低于屈服應力，因此，所有的變形都被迫發生在基材里。 施工方面問題：厚鋼板施工時關鍵是防止由于焊接而產生的裂紋和減少變形，因此，應對該鋼種的焊接考慮采取措施以降低其冷裂傾向。應主要考慮以下幾點： （1）選用合理的坡口形式，如盡量選用雙 U 形或 X 形坡口，如果只能單面焊接，應在保證焊

34、透的前提下，采用小角度、窄間隙坡口，以減小焊接收縮量、提高工作效率，降低焊接殘余應力。 （2）合理的預熱及層間溫度。 （3）后熱及保溫處理。3.何為冷彎效應？試敘述冷彎薄壁型鋼結構技術規范（GB50018）是對冷彎效應如何考慮的。一冷彎效應冷成型截面的力學性能有時候與冷成型前的鋼片、鋼帶、鋼條、鋼板有相當大的區別，這是因為冷成型過程提高了屈服點和抗拉強度同時降低了塑性，這就是冷彎效應。冷彎型鋼是用軋制好的薄鋼板加工彎成的。冷彎成型時鋼板都經受一定的塑性變形，并出現強化和硬化。如下圖15.1所示卷邊槽鋼，冷彎成型后彎角部分屈服點大幅度提高，抗拉強度也有所提高，提高幅度如何和加工成型的工藝很有關系

35、，壓制成型者平板部分屈服點沒有明顯提高。圖15.1 冷彎型鋼屈服點提高彎角部分的塑性變形，外側沿圓弧方向為拉伸，沿半徑方向為壓縮，內側則沿弧度線壓縮，而沿半徑拉伸。這些塑性變形都是垂直與構件受力方向的，對構件抗拉和抗壓性能的影響相同。材料彎成圓角時半徑和板厚之比r/t越小，塑性應變越大，屈服點提高幅度也越大。抗拉強度提高的程度比屈服點提高的程度要小得多，因此冷彎效應減小了屈服強度與抗拉強度之間的范圍。由于截面角部材料冷加工的程度遠高于平板部分。橫截面上不同部分的力學性能是不同的。由于平板部分材料屈服點低于角部，屈曲或屈服總是始于平板部分。施加在截面上的任意附加荷載將轉移至角部。由于冷加工導致的

36、力學性能的改變主要是由應變硬化和應變時效引起的，還有直接包辛格(Bauschinger)效應及包辛格逆效應。二冷彎薄壁型鋼結構中的有效寬度1寬梁的有效寬度薄而寬的梁承受集中荷載時，需要考慮翼緣因剪切滯后而造成的應力分布不均勻，在設計工作中考慮剪切滯后造成的翼緣應力非均勻分布，可以采用有效寬度be來代替 的辦法，這樣可認為在be范圍內應力都達到max。關于be的取值，G.Winter用彈性理論進行分析，得到圖15.2的曲線，包括跨中承受集中荷載和全跨均布荷載兩種情況。由圖可見，當梁承受均布荷載時，除L/b<5的特短梁外，可以不考慮剪切滯后的影響，即beb。但是，中央承受集中荷載的梁，一般都

37、要以小于實際寬度的be來代替b。根據F.B.Hildebrand等的研究，剪切滯后不僅和荷載分布及梁的L/b有關，還和材料的G/E及截面參數有關。美國AISI規范所采取的be值為 圖15.2 翼緣的有效寬度圖15.2中的虛線，用于承受單個集中荷載的梁以及承受間距大于b的多個集中荷載的梁。梁的長度L達到或超過15b時，beb。當翼緣帶卷邊時，應把兩側的卷邊寬度包括在b之內。2.加勁板件的有效寬度加勁板件的屈曲后強度來源于薄膜拉力。目前計算薄而寬的加勁板件受壓承載能力常采用有效寬度的辦法，有效寬度為板件平直寬厚比超過某一限值時，計算受彎構件、受壓構件截面特性時所用的折減設計寬度。把在寬度b上分布不

38、均勻的應力圖集中到板的兩側，應力都是fy，即得有效寬度。如圖15.3所示。圖15.3 屈曲后應力分布和有效寬度GB50018規范對有效寬度隨板件寬厚比的變化見圖14.4的實線，虛線則代表完善板。 圖15.4 GB50018規范板件有效寬度有效寬度的計算公式都和板應力有關。因此，同一塊板的有效寬度在不同受力階段時不同的。用于強度計算時max應取設計荷載的應力，而在撓度計算時則取標準荷載產生的應力。以上論述的只是單個板件的有效寬度。實際構件中的板件有效寬度的確定比單板的復雜，有時需要反復試算或迭代才能算出。3.未加勁板件的有效寬度未加勁板件受壓屈曲后的應力分布和有效寬度示于圖15.5，圖中板的支承

39、邊由彈性約束。未加勁板件屈曲后雖然沒有橫向薄膜應力產生，但在兩加載邊保持平直的條件下所承荷載還可以繼續增大。增大的荷載主要由支承邊近旁的部分承擔，直到邊緣處應力達到fy為止。GB50018規范對未加勁板件采用和加勁板件類似的辦法來確定其有效寬度，即在計算值時取k0.425。這種算法適用于雙軸對稱截面。 圖15.5 未加勁板件的有效寬度4.邊緣加勁板件的有效寬度AISI規范和GB50018規范有效寬度的比較見圖15.6。由圖可見GB50018比AISI的低的較多，但是后者在板件有效寬度的計算中b不包括圓角部分，因而在性質上略由差別。此外，該規范直至1996年版一直未考慮板件屈曲的相關性。圖15.

40、6 邊緣加勁板的有效寬度5.中間加勁板件的有效寬度 當中間加勁肋剛度充分時，板件的有效寬度可以由公式計算。式中b代入次板的寬度，系數k取為4，算得的be為次板的有效寬度。1. 從斷裂力學的觀點，簡述為什么裂紋尺寸、作用應力和材料的韌性是影響脆斷的直接因素？P382. 解釋何為“斷裂韌性”，它與“沖擊韌性”有何異同？P39 、關于斷裂韌性和沖擊韌性的區別，整理如下：1、測定方法不同：材料斷裂韌性的測定需要在有切口的試件上引發疲勞裂紋，然后進行彎曲和拉伸試驗，試驗過程比較復雜；沖擊韌性采用夏比V形缺口沖擊試驗測定。2、應力集中程度不同：斷裂韌性測定中需要先在材料中產生疲勞裂紋，因此測定斷裂韌性時應

41、力集中程度大于測定沖擊韌性時試件的應力集中程度。3、應變速度不同：沖擊韌性測定試驗中需要對試件施加沖擊荷載，因此試驗中沖擊韌性試件應變速度大于斷裂韌性試件。4、物理意義不同：斷裂韌性反映的是材料出現斷裂后，在荷載下裂紋擴展的速率；沖擊韌性反映材料在一次沖擊斷裂時所消耗的功（能量）。5、力學意義不同：斷裂韌性是材料抵抗裂紋失穩擴展的能力，由裂紋尖端的應力狀況決定；沖擊韌性是材料抗沖擊荷載的能力，反映的是材料的動力性能。3. 解釋何為 “應力腐蝕開裂”？P534. 疲勞設計的準則 ？GB50017采用什么準則，為什么？P655. 解釋 “線性累積損傷準則” 、“雨流計數法”。P726. 焊接結構脆

42、斷的原因及防脆斷的措施。一 焊接結構出現脆性斷裂的原因： 1.焊縫經常出現缺陷,如裂紋,加渣等,這些都是斷裂的起源. 2.由于高溫作用在焊縫附近形成熱影響區,鋼材的金相組織和機械性能發生變化,材質變脆. 3.焊接后結構內部存在殘余應力,殘余應力未必是破壞主因,但與其他因素結合,可能導致開裂. 4.焊接結構往往又較大剛性,當出現3條相互垂直的焊縫時,材料的塑性變形很難發展. 5.焊接使結構變成連續整體,一旦焊縫開展,就可能發展到整體。6.經常發生在氣溫較低的情況下，結構的鋼材厚度較大，一般處在靜力荷載作用下，而且應力常常并未達到設計應力，或雖達到設計應力但和材料的屈服點還有一段距離。7

43、.在負溫下，應力集中的不利影響將十分突出，往往是引起脆性破壞的根源。二斷裂力學的觀點斷裂力學解答了低應力脆斷問題，斷裂力學認為，解答脆斷問題必須從結構內部存在微小裂紋的情況出發來進行分析。斷裂是在荷載和侵蝕性環境的作用下，裂紋擴展到臨界尺寸時發生的。裂紋隨應力增大而擴展，起初是穩定的擴展，后來達到臨界狀態，出現失穩擴展而斷裂。如果構件內部原來就存在較大裂紋，那么它在一定條件下就會斷裂。三防止脆性斷裂的措施 影響脆斷的直接因素是裂紋尺寸、作用應力和材料的韌性。故可以從以下幾個方面著手防止脆性斷裂。1、裂紋     當焊接結構的板厚較大時（大

44、于25mm），如果含碳量高，連接內部有約束作用，焊肉外形不適當，或冷卻過快，都有可能在焊后出現裂紋，從而產生斷裂破壞。針對這個問題，把碳控制在0.22%左右，同時在焊接工藝上增加預熱措施使焊縫冷卻緩慢，解決了斷裂問題。 焊縫冷卻時收縮作用受到約束，有可能促使它出現裂紋。措施是：在兩板之間墊上軟鋼絲留出縫隙，焊縫有收縮余地，裂紋就不會出現，如下圖4.1。把角焊縫的表面作成凹形，有利于緩和應力集中。凹形表面的焊縫，焊后比凸形的容易開裂，原因是凹形縫的表面有較大的收縮拉應力，并且在45°截面上焊縫厚度最小。凸形縫表面拉力不大，而45°截面又有所增強，情況要好的多。在凹形焊縫開裂的

45、條件下，改用凸形焊縫，就不再開裂。如圖4.2所示。 圖4.1 T型連接兩板間留出縫隙 圖4.2 凹形和凸形角焊縫 2、應力     考察斷裂問題時，應力 是構件的實際應力，它不僅和荷載的大小有關，也和構造形狀及施焊條件有關。幾何形狀和尺寸的突然變化造成應力集中，使局部應力增高，對脆性破壞最為危險。施焊過程造成構件內的殘余拉應力，也是不利的。因此，避免焊縫過于集中和避免截面突然變化，都有助于防止脆性斷裂。  3、材料選用     為了防止脆性斷裂，結構的材料應該具有一定的韌性。材料斷裂時吸收的能量

46、和溫度有密切關系。吸收的能量可以劃分為三個區域，即變形是塑性的、彈塑性的和彈性的。要求材料的韌性不低于彈性，以避免出現完全脆性的斷裂，也沒有必要高于彈塑性，對鋼材要求太高，必然會提高造價。鋼材的厚度對它的韌性也有影響。厚鋼板的韌性低于薄鋼板。  4、構造細部     發生脆性斷裂的原因是存在和焊縫相交的構造縫隙，或相當于構造縫隙的未透焊縫。構造焊縫相當于狹長的裂紋，造成高度的應力集中，焊縫則造成高額殘余拉應力并使近旁金屬因熱塑變形而時效硬化，提高脆性。低溫地區結構的構造細部應該保證焊縫能夠焊透。因此，設計時必須注意焊縫的施工條件，以保證施焊方便

47、，能夠焊透。綜上所述，構造設計是十分細微的間題，要求設計者精心處理。首先，就受力情況來說要注意以下幾點: （1）傳力要明確。在整個傳力過程中，各個零件的受力情況都應加以考慮，不使某一個負擔過重。連接構造的實際性能應盡量和計算分析時的簡圖一致，有多余的約束時，應不致對結構起不利作用。 （2）構件互相連接的節點應盡可能避免偏心，不能完全避免時應考慮偏心的影響， （3）盡量減緩應力集中，對承受疲勞荷載的結構、處于低溫的結構更應注意，不能忽視任何一個細小零件。 （4）要考慮結構或零件變形的影響，如變形引起的次應力和變形引起的應二)分布不均勻等。 （5）避免在結構內產生過大的殘余應力，尤其是約束造成的殘

48、余應力，要避免焊縫過度密集。  （6）沿厚度方向可能出現層間撕裂，偏析集中區容易出現裂紋，這些都應成為設計時考慮的因素，應予以注意。     另外.構造設計應為施工提供必要的條件，包括盡量簡化構造（以節省工時），能夠施焊并且易于施焊（以保證質量），以及安裝時容易就位和便于調整等。7. 疲勞破損的種類？疲勞設計的準則？疲勞破壞的防止措施？一疲勞破壞的種類疲勞破壞可分為兩類，低周疲勞和高周疲勞，低周疲勞破壞具有應變大、破壞前循環次數少的特點，如：劇烈的地震使結構物反復搖擺，就會造成低周疲勞破壞。高周疲勞破壞結構應變小、破壞前循環次數多，如：在行動活

49、荷載作用下，就會造成此種疲勞破壞。二疲勞設計的準則 疲勞破壞采用使用壽命法在結構達到安全使用壽命時不立即報廢，承認在達到安全壽命前有可能出現疲勞裂縫，利用典型構造細節試驗的結果做出分析計算。 過去鋼結構的疲勞計算一直按應力比準則來進行。對于一定的荷載循環次數（如：2X106），構件（或構造細節） 的疲勞強度max和以應力比R為代 表的應力循環特 征密 切相 關對max引進安全系數，及可得到設計用的疲勞應力允許值max=f(R)把應力限制在max以內，就是應力比準則。應力比準則適用于非焊接結構。對于焊接結構宜以應力幅為準則，焊接結構承受疲勞荷載時， 結構疲勞強度和應力幅密切相關，而不是應力比 R

50、。應力幅準則的計算公式是 是容許應力幅，它隨構造細節而不同，也隨破壞前循環次數變化。GB50017規范規定：直接承受動力荷載重復作用的鋼結構構件及其連接，當應力變化的循環次數n等于或大于5×104次時，應進行疲勞計算。疲勞計算采用容許應力幅法，應力按彈性狀態計算，容許應力幅按構件和連接類別以及應力循環次數確定。在應力循環中不出現拉應力的部位可不計算疲勞。三防止疲勞破壞的工藝措施構件的構造細節對它的疲勞性能有重大影響。構造細節的區別體現在構件本身的拼接、附件的連接情況以及和其他構件的連接等。拼接和連接造成的應力集中越嚴重，構件的抗疲勞性能越差。采取工藝措施來提高疲勞性能的工藝措施目的是

51、緩和應力集中程度、消除切口，或是在 表面形成壓縮殘余應力。常用方法有:(1) 緩和應力集中的最普遍方法是磨去焊縫的表面部分，如對焊縫的余高。對角焊縫打磨腳趾可以改善它的疲勞性能。(2) 對于角焊縫的趾部用氣體保護鎢使重新熔化，可以消除切口的作用。這種鎢極弧焊不會在趾部產生焊渣侵入，只要重新熔化的深度足夠，原有切口、裂縫以及侵入的焊渣都可以消除，從而使疲勞性能得到改善。這種方法在不同應力幅情況下疲勞壽命都能同樣提高。(3) 在焊縫和近旁金屬的表面形成壓縮殘余應力，是改善疲勞性能的一個有效方法。用噴射金屬丸粒或捶擊進行敲打，金屬的表層在沖擊性的敲打作用下，趨于向側向擴張，但被下層的材料所阻止，從而

52、產生殘余壓應力。這個殘余壓應力和敲擊造成的冷工硬化都使疲勞強度提高，同時尖銳的切口也被緩解。 1.綜述“剪切滯后”的現象和原因？剪力滯后效應在結構工程中是一個普遍存在的力學現象，小至一個構件，大至一棟超高層建筑，都會有剪力滯后現象。如圖7.1，一長方形平板（長度遠大于寬度），在兩個短邊受到一對平衡集中力，由圣維南原理可知，在板的中部33截面，應力是均勻分布的，而在靠近短邊的端部11，22截面，就出現了剪力滯后現象。（在變形上，可以看出在集中力作用部位變形較大） 在這里，剪力滯后就是由于正應力是靠剪力的作用逐漸由集中力轉化為均勻的。而由于剪力傳遞正應力有一個逐漸的過程，所以在端部，剪力的所能起的

53、作用還很有限，而正應力分布還不均勻，這種現象就稱為剪力滯后。板的寬度越大，即需要傳播的范圍也越寬，應力的分布也就越不均勻。當構件被拉斷時，危險截面的應力還不能完全均勻，從而使構件承載能力降低。在實際應用中，箱梁、寬緣梁、薄壁拉桿的節點等都要考慮這一效應。高層建筑中的筒體結構，尤其是框筒結構體系，不容忽視在水平荷載作用下的剪切滯后效應。其實側面角焊縫的最大計算長度也是因為剪力分布不均勻而規定了不得大于60hf。還有在螺栓群受力的時候也有受力不均勻分布的現象。當翼緣與腹板相交處的橫截面正應力大于簡單梁理論的結果，稱為正剪力滯；反之，則稱為負剪力滯。剪切滯后效應與寬緣梁的有效分布寬度屬同一范疇，前者

54、用不均勻的正應力表示，而后者用一等效板寬表示。 圖7.1 剪切滯后一薄壁寬梁中的剪切滯后現象薄壁梁的剪切滯后效應是指，薄壁梁在橫力彎曲時，由板件邊緣分布剪力引起中面內剪切變形而造成的橫截面上正應力分布不均勻現象，這主要是由于翼緣材料保持連續，左右兩半相互銜接，使剪切變形不能充分發展，并且產生內部自相平衡的次應力。次應力與均勻分布的應力疊加，形成非均勻的應力分布。最大應力出現在，和腹板連接處，愈靠近翼緣邊緣，應力愈低，無論是受拉翼緣還是受壓翼緣，情況都相同。在設計中，考慮剪切滯后造成的翼緣應力非均勻分布，可以采用以有效寬度來代替實際寬度，這樣可認為在有效寬度范圍內應力都達到應力最大值。在受剪力作

55、用的薄壁梁中，距剪力作用點較遠的突緣上的正應力（見應力）小于按平截面假設求得值的現象。剪切滯后取決于結構中力的擴散（傳播）。力的擴散是指作用在結構某一部分上的非自身平衡的力系，向結構其他部分傳遞，直至與外力或約束反力相平衡的過程。圖7.2為一寬突緣工字形懸臂梁,它由上下各五根細長突緣桿、上下各四塊突緣板和中間一塊薄腹板組成。 在剪力Q的作用下，梁中出現剪切滯后現象，這可由下面的力的擴散過程來說明。在桿僅受正應力而板僅受剪應力的簡化假設下,當剪力Q作用于腹板的自由端時，整個腹板具有剪應力。此剪應力直接作用于與腹板相連的中心桿A1B1上，所以在自由端附近的截面上僅A1B1桿中有正應力和正應變。而A

56、2B2桿和A3B3桿均無正應力和正應變。但A1B1桿的正應變引起突緣板A1B1B2A2的剪應變和剪應力,此剪應力又使突緣桿 A2B2產生正應力。在A2B2桿受力變形的基礎上,通過同樣方式又使A3B3桿受力。圖7.2中在工字梁的左側用陰影線表示突緣桿中的正應力，右側繪出突緣板中的剪應力。由于內力是由受剪腹板經與其相連的突緣桿逐步向遠處承力突緣桿傳播的，所以在力的擴散過程結束后，遠離受剪腹板的桿所受的力在空間上有一定落后，而且受力的值小于按平截面假設求得的值，這就是剪切滯后。而根據平截面假設，各桿的受力情況沒有差別，這與實際情況相差較遠。因此，在計算薄壁梁的應力時，一般不能采用平截面假設。圖7.2

57、 寬突緣工字形懸臂梁中的彎曲正應力和剪應力（左側陰影部分表示正應力，右側表示剪應力）二箱形結構中的剪切滯后現象由于翼板剪切變形的不均勻性，引起彎曲時遠離肋板的翼板之縱向位移滯后于近肋板的翼板之縱向位移，所以其彎曲正應力的橫向分布呈曲線形狀。圖7.3所示的箱形薄壁結構的上下蓋板中就出現剪切滯后現象 (正應力在腹板附近大,中間部分小)。甚至當腹板附近的蓋板接近破壞時,蓋板的中間部分還處于低應力狀態。為了估計剪切滯后對蓋板利用率的影響程度，可采用有效寬度概念。即假定寬為 W0的一塊板的承載能力恰好相當于一塊寬僅為Wb而充分發揮了承載能力的板，Wb稱為有效寬度，而比值Wb/W0稱為減縮系數。比值小說明材料的利用率低。通常蓋板越寬比值越小。在工程設計中,應考慮減少