高等鋼結(jié)構(gòu)作業(yè)

1、第1講. “高等鋼結(jié)構(gòu)”課程內(nèi)容體系、學(xué)習(xí)要求1. 概括總結(jié)：鋼結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)“層間撕裂”問題的原因、防止措施。2. 在“OK網(wǎng)站”事故欄目查看各種鋼結(jié)構(gòu)工程事故，選一實(shí)例寫出書面分析報(bào)告第 2 講 鋼結(jié)構(gòu)的性能綜述1.試從鋼結(jié)構(gòu)材料、制造安裝、工作環(huán)境、荷載類型、結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)造細(xì)節(jié)等六個(gè)方面，綜述對結(jié)構(gòu)性能的影響。 2.以“鳥巢”結(jié)構(gòu)用鋼Q460E-Z35，厚110mm為例，綜述GB50017對鋼結(jié)構(gòu)鋼材的規(guī)定；分析超過要求時(shí)設(shè)計(jì)、施工方面存在哪些問題? 3.何為冷彎效應(yīng)？試敘述冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018）是對冷彎效應(yīng)如何考慮的。第3講 鋼結(jié)構(gòu)的斷裂與疲勞破損1. 從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)

2、，簡述為什么裂紋尺寸、作用應(yīng)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(yīng)力腐蝕開裂”？4. 疲勞設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則 ？GB50017采用什么準(zhǔn)則，為什么？5. 解釋 “線性累積損傷準(zhǔn)則” 、“雨流計(jì)數(shù)法”。6. 焊接結(jié)構(gòu)脆斷的原因及防脆斷的措施。7. 疲勞破損的種類？疲勞設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則？疲勞破壞的防止措施？第4講 基本構(gòu)件拉桿、軸壓桿、梁1.綜述“剪切滯后”的現(xiàn)象和原因？2.分析歸納鋼結(jié)構(gòu)中半剛性連接問題， “工程絞”問題？3.歸納總結(jié)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題？4. 分析總結(jié)Q235做腹板，Q420做翼緣的混用梁的受力性能？第五講 壓彎構(gòu)件和框架1

3、.分析歸納“搖擺柱”的受力特點(diǎn)，以及對整體結(jié)構(gòu)受力性質(zhì)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(jié)：鋼結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)“層間撕裂”問題的原因、防止措施。一出現(xiàn)層間撕裂的原因型鋼和鋼板經(jīng)過軋制之后，鋼材內(nèi)部的非金屬夾雜物被壓成薄片，出現(xiàn)分層現(xiàn)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(shí)出現(xiàn)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(gòu)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(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響鋼結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量與施工進(jìn)度。如何防止厚鋼板發(fā)生層間撕裂已成為設(shè)計(jì)和制作人員十分關(guān)注的問題。層間撕裂發(fā)生的原因主要與鋼材的

4、化學(xué)成分，鋼板的輥軋工藝，焊接工藝，結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造型式等有關(guān)。防止產(chǎn)生層間撕裂的措施有： （1）改進(jìn)焊接節(jié)點(diǎn)的連接形式改進(jìn)焊接節(jié)點(diǎn)的連接形式以減小局部區(qū)域內(nèi)由于焊接收縮而引起的應(yīng)力集中，或避免使鋼板在板厚垂直方向受拉。如：當(dāng)兩塊板垂直相焊形成角連接時(shí)，應(yīng)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(xiàn)層間撕裂的危險(xiǎn)，可采取用兩段T形構(gòu)件加強(qiáng)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(yīng)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(rèn)為焊縫尺寸越大，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度就越高，因而設(shè)計(jì)出遠(yuǎn)高于實(shí)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(qiáng)度低的焊條 只要能滿足受力要求，應(yīng)盡可能選擇屈服強(qiáng)度低的焊條。這樣會使得基材應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，焊縫金屬內(nèi)的應(yīng)力還大大低于屈服應(yīng)力，因此，所有的變形都被迫發(fā)生在基材里。施工方面問題：厚鋼板施工時(shí)關(guān)鍵是防止由于焊接而產(chǎn)生的裂紋和減少變形，因此，應(yīng)對該鋼種的焊接考慮采取措施以降低

6、其冷裂傾向。應(yīng)主要考慮以下幾點(diǎn)： （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(yīng)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(yīng)力。 （2）合理的預(yù)熱及層間溫度。 （3）后熱及保溫處理。2. 選一鋼結(jié)構(gòu)工程事故實(shí)例，寫出書面分析報(bào)告山東兗州一門式剛架廠房在安裝時(shí)倒塌 根據(jù)現(xiàn)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(xù)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(wěn)定性。CECS102:2002中條規(guī)定：剛架在施工中應(yīng)及

7、時(shí)安裝支撐，必要時(shí)增設(shè)纜風(fēng)繩充分固定。此條為工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文。門式剛架主要是平面內(nèi)受力，而平面外是通過支撐把水平力直接傳到基礎(chǔ)，所以單榀的門式剛架是不穩(wěn)定的。因此，在安裝門式剛架時(shí)首先要把支撐跨的兩個(gè)剛架立起來，加上屋面，柱間支撐先形成一個(gè)穩(wěn)定體系，接著在向縱向延伸，每增加一榀剛架就應(yīng)該用檁條隅撐把它與前一個(gè)穩(wěn)定體系連接起來，這才應(yīng)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(zhí)行此規(guī)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(tǒng)一體,不能抵抗風(fēng)載; 屋架上的檁條不夠多，屋面

8、梁很少有加勁肋，雖然截面夠大，可是平面外的穩(wěn)定性還是無法保證。現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)告訴我們,安裝柱子、鋼梁、檁條要同步進(jìn)行，安裝兩跨后應(yīng)及時(shí)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(wěn)定的空間體系。2.柱腳問題，從柱腳的破壞情況看，抗剪鍵設(shè)置不合理，后澆帶留的過大。可能砼強(qiáng)度也有問題，砼養(yǎng)護(hù)不到位，或砼標(biāo)號過低。柱底的地腳螺栓在二次澆灌前沒有混凝土保護(hù)，沒有墊鐵，安裝時(shí)應(yīng)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(guī)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.主要意圖是防底板腐蝕.3

9、.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(shí)灌漿，就開始上部的安裝，造成螺栓桿的失穩(wěn)倒塌。建模時(shí)柱底雖然是鉸節(jié)點(diǎn),但是實(shí)際上沒有純粹的鉸接,螺栓或多或少的承擔(dān)彎矩，就本例來說,M20螺栓太小。3.鋼柱問題，柱子本身安裝時(shí)不允許長時(shí)單立，特別是變截面的. 由于柱底鉸接，在理論計(jì)算中，剛架柱是無法獨(dú)立豎直的，而由于柱底四顆地腳螺栓的存在，在實(shí)際情況中該柱或多或少能夠承擔(dān)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(biāo)號而定，所以鋼柱在沒有太大外力 的作用下是可以獨(dú)立豎直的，而這種情況往往會給一些施工隊(duì)帶來柱底剛接的錯(cuò)覺，這樣的錯(cuò)覺反映在施工過程中就如

10、照片中的情況：鋼柱懸臂而立，沒有柱間支撐，也沒有穩(wěn)定纜繩。4.節(jié)點(diǎn)問題，梁柱節(jié)點(diǎn)板空隙很大,說明板的變形較大,且高強(qiáng)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(shè)置加勁板。1.試從鋼結(jié)構(gòu)材料、制造安裝、工作環(huán)境、荷載類型、結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)造細(xì)節(jié)等六個(gè)方面，綜述對結(jié)構(gòu)性能的影響。 所謂“性能”，是指結(jié)構(gòu)在各種不同的荷載作用和環(huán)境條件下的反應(yīng)。 一鋼結(jié)構(gòu)材料對構(gòu)件性能的影響鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)在特性是由它所用的原材料和所經(jīng)受的一系列加工過程決定的。鋼的脫氧越充分，F(xiàn)e的含量越高，鋼中晶體越細(xì)，從而使鋼材具有更高的室溫沖擊韌性和更低的冷脆傾向性和時(shí)效傾向性。沖擊韌性是衡量鋼材斷

11、裂時(shí)所做功的指標(biāo)，其值隨金屬組織和結(jié)晶狀態(tài)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(yīng)力下具有可靠性能的保證，可間接反映鋼材抵抗低溫、應(yīng)力集中、多向拉應(yīng)力、加荷速率和重復(fù)荷載等因素導(dǎo)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(jīng)過熱軋后，鋼材組織密實(shí)，力學(xué)性能得到改善。這種改善主要體現(xiàn)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(jīng)過軋制之后，鋼材內(nèi)部的非金屬夾雜物被壓成薄片，出現(xiàn)分層現(xiàn)象。分層使鋼材沿厚度方向受拉的性能大大惡化，

12、并且有可能在焊縫收縮時(shí)出現(xiàn)層間撕裂。焊縫收縮誘發(fā)的局部應(yīng)變時(shí)常達(dá)到屈服點(diǎn)應(yīng)變的數(shù)倍，比荷載引起的應(yīng)變大得多。熱軋的另一后果是，是不均勻冷卻造成的殘余應(yīng)力。一般的說，截面尺寸越大，殘余應(yīng)力也越大，殘余應(yīng)力雖然是自向平衡的，對鋼構(gòu)件在外力作用下的性能還是有一定影響。如對變形、穩(wěn)定性、抗疲勞等方面都可能產(chǎn)生不利的作用。二 鋼結(jié)構(gòu)的制作安裝對構(gòu)件性能的影響現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)都是在專業(yè)化的金屬結(jié)構(gòu)制造廠中用熱軋鋼材或冷彎型鋼加工成構(gòu)件，然后運(yùn)到工地安裝而成。加工對鋼構(gòu)件性能的影響主要表現(xiàn)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(shí)效影響；其二是局部高溫的影響，主要是焊接的影響，也有氧氣切割的影響。1

13、冷加工的影響 當(dāng)材料經(jīng)受的塑性變形不大，則屈服點(diǎn)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(diǎn)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(yán)重硬化，甚至出現(xiàn)細(xì)裂紋。例如，焊接結(jié)構(gòu)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(shí)效很快完成，孔壁裂紋就有擴(kuò)展危險(xiǎn)。冷彎型鋼是用軋制好的薄鋼板加工彎成的。冷彎成型時(shí)鋼板都經(jīng)受一定的塑性變形，并出現(xiàn)強(qiáng)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(diǎn)大幅度提高，抗拉強(qiáng)度也有所提高，提高幅度如何和加工成型的工藝很有關(guān)系，壓制成型者平板部分屈服點(diǎn)沒有明顯提高。圖3.1 冷彎型鋼屈服

14、點(diǎn)提高 彎角部分的塑性變形，外側(cè)沿圓弧方向?yàn)槔?，沿半徑方向?yàn)閴嚎s，內(nèi)側(cè)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(gòu)件受力方向的，對構(gòu)件抗拉和抗壓性能的影響相同。材料彎成圓角時(shí)半徑和板厚之比r/t越小，塑性應(yīng)變越大，屈服點(diǎn)提高幅度也越大。2焊接的影響對鋼材進(jìn)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(gòu)件的熱脆氮使鋼冷脆、對時(shí)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，氣泡周圍容易形成硫的偏析，而在焊接結(jié)構(gòu)中硫的偏析可能引起熱裂紋

15、。焊接金屬含氫量高，來源與焊條藥皮和大氣。當(dāng)冷卻快時(shí)，氫能使焊接金屬內(nèi)部出現(xiàn)微觀裂紋。我國建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程規(guī)定，厚度大于40mm的Q235鋼和厚度大于25mm的Q345鋼，在焊接時(shí)需要預(yù)熱，最低預(yù)熱溫度控制在60140。施焊后還應(yīng)進(jìn)行后熱，其溫度由實(shí)驗(yàn)確定。預(yù)熱使焊后冷卻過程延長，氧和氫的含量減少，改善了焊接構(gòu)件的性能。（2） 焊弧的高溫使鄰近焊縫的鋼材發(fā)生組織變化。（3） 局部性的高溫使鋼材發(fā)生塑性變形，冷卻后存在殘余應(yīng)力。如下圖3.2兩塊板在對接焊施焊時(shí)處于600以上的部分呈完全塑性。這部分在加熱時(shí)受到兩旁處在彈性狀態(tài)的材料的制約，得不到應(yīng)有的伸長，也就是受到了熱態(tài)塑性壓縮。在焊后冷

16、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(yīng)力很高，經(jīng)常達(dá)到材料的屈服點(diǎn)，甚至因熱效應(yīng)對材料性能的影響比母材原有屈服點(diǎn)還高一些。 圖3.2 有縱向焊縫板的殘余應(yīng)力 圖3.3反作用殘余應(yīng)力由于有熱態(tài)塑性壓縮，焊接構(gòu)件除了殘余應(yīng)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(gè)構(gòu)件將產(chǎn)生拉應(yīng)力，這是另一種焊接殘余應(yīng)力，叫做反作用殘余應(yīng)力。在兩塊相互垂直板的一側(cè)夾角焊上角焊縫，如圖3.3，則焊縫的收縮促使夾角減少。如果這種減少受到約束而不

17、能實(shí)現(xiàn)，則焊縫的縱截面內(nèi)將出現(xiàn)反作用殘余拉應(yīng)力，這種應(yīng)力有可能使焊縫出現(xiàn)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(shí)際上是既受壓又受彎。附加彎矩的出現(xiàn)和增長，稱為P-效應(yīng)，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(chǎn)生傾覆力矩使之進(jìn)一步傾斜。 用許多桿件組裝而成的桿系結(jié)構(gòu)，當(dāng)為靜定結(jié)構(gòu)時(shí)，桿件長度的容許偏差，只不過使結(jié)構(gòu)的外型稍有變化。當(dāng)為超靜定結(jié)構(gòu)時(shí)，安裝偏差將使桿件產(chǎn)生自相平衡的壓力和拉力，稱為初始內(nèi)力，當(dāng)初始內(nèi)力和荷載引起的內(nèi)力同號時(shí)，將使承載力降低。三工作

18、環(huán)境對構(gòu)件性能的影響 1低溫和腐蝕性介質(zhì)的影響低溫使鋼材韌性降低。當(dāng)溫度從常溫開始下降，特別是在負(fù)溫度范圍內(nèi)時(shí)，鋼材強(qiáng)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(shí)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(jī)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(shí)吸收的能量和溫度有密切關(guān)系，下圖3.4曲線表明這一點(diǎn)。圖3.4斷裂吸收能量隨溫度的變化腐蝕性介質(zhì)也會促成脆性斷裂并影響疲勞強(qiáng)度。在腐蝕性介質(zhì)中，即使應(yīng)力低于斷裂韌性，經(jīng)過一定時(shí)期也會出現(xiàn)脆性斷裂，這種現(xiàn)象叫做應(yīng)力腐蝕開裂，也叫做滯后斷裂或延遲斷裂

19、，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：構(gòu)件中原來存在的小裂紋在腐蝕性介質(zhì)作用下隨時(shí)間的增長而逐漸擴(kuò)展，待達(dá)到臨界尺寸時(shí)，構(gòu)件就會突然脆斷。應(yīng)力腐蝕斷裂主要發(fā)生在高強(qiáng)度材料。高強(qiáng)螺栓在使用過程中就有可能出現(xiàn)延遲斷裂的現(xiàn)象。鋼材的含碳量越高，則韌性越低，抵抗應(yīng)力腐蝕斷裂的性能也越差。2高溫的影響溫度升高，鋼材強(qiáng)度降低，應(yīng)變增大。溫度升高，約在200以內(nèi)鋼材性能沒有很大變化，430-540之間強(qiáng)度急劇下降，600時(shí)強(qiáng)度很低，不能承受荷載。但在250左右，鋼材的強(qiáng)度反而略有提高，同時(shí)塑性和韌性均下降，材料有轉(zhuǎn)脆的傾向。當(dāng)溫度在260-320時(shí)，在應(yīng)力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形，即出現(xiàn)徐變現(xiàn)象。四荷

20、載類型對構(gòu)件性能的影響 1多軸應(yīng)力的影響鋼材在雙向拉力作用下，屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度提高，延伸率降低，反之，在異號雙向應(yīng)力作用下，屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度降低，延伸率增大。圖3.5給出了單向拉伸和雙向應(yīng)力的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的對比。 圖3.5 不同應(yīng)力條件下的應(yīng)力-應(yīng)變圖如果是三向受拉，塑性比雙向受拉進(jìn)一步降低，破壞將是脆性的。因此，三軸拉應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)來說十分不利。2. 加荷速率的影響 結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下，加荷速率有時(shí)很高，在20左右的室溫環(huán)境下，鋼材的屈服點(diǎn)fy和抗拉強(qiáng)度fu雖然隨應(yīng)變的增大而提高，塑性變形能力卻并未下降，反而和強(qiáng)度一樣有所提高。圖3.6給出了靜力和動(dòng)力荷載下鋼材本構(gòu)關(guān)系的對比。由圖2.6見，

21、在動(dòng)力作用下鋼材開始硬化的應(yīng)變st有較大增加，極限應(yīng)變u略有增大。圖3.6 不同加荷速率下鋼材的本構(gòu)關(guān)系曲線 動(dòng)力荷載對鋼材也有不利的一面即脆性轉(zhuǎn)變溫度隨加荷速率的增大而提高。材料斷裂時(shí)吸收的能量和溫度有密切關(guān)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(dòng)。對于同一沖擊韌性的材料，當(dāng)設(shè)計(jì)承受動(dòng)力荷載時(shí)，允許最低的使用溫度要比承受靜力荷載高的多。3. 循環(huán)加荷的影響 鋼材或鋼構(gòu)件在經(jīng)受冷拉至產(chǎn)生塑性變形后，再使之受壓，則壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與未曾預(yù)拉過的壓桿有很大不同。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線很早就不再是直線，以致變形模量成為變化著的切線模量，其值

22、小于原材料的彈性模量，曲線沒有屈服平臺，按殘余應(yīng)變0.2%確定的屈服強(qiáng)度比受拉時(shí)的屈服強(qiáng)度要低，即出現(xiàn)包辛格效應(yīng)。五結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)造細(xì)節(jié)對構(gòu)件性能的影響優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式可以減小斷裂的不良后果。把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成超靜定的，即有贅余構(gòu)件的，可以減少斷裂造成的損失。因?yàn)橐坏﹤€(gè)別構(gòu)件斷裂，則只是贅余構(gòu)件減少了一個(gè)，結(jié)構(gòu)可以仍然保持穩(wěn)定。當(dāng)采用靜定結(jié)構(gòu)時(shí)，注意使荷載能夠多路徑傳遞。設(shè)計(jì)一個(gè)跨越結(jié)構(gòu)，如果用一根強(qiáng)大的梁，得到的是單路徑結(jié)構(gòu)。如果改用幾根相互平行的梁，并在上面聯(lián)以鋼筋混凝土板，就成為多路徑結(jié)構(gòu)。一根構(gòu)件，也有單路徑和多路徑之別。一根拉桿如果由幾個(gè)平行的元件組成，共同承擔(dān)拉力，那么此桿也是多路徑的。從控

23、制跪斷的角度考慮，它優(yōu)于單路徑桿。構(gòu)造設(shè)計(jì)雖然在整個(gè)工程中屬于細(xì)節(jié)，并不等于可以等閑視之。構(gòu)件相互連接之處往往形成應(yīng)力集中或局部應(yīng)力，處理不好就會影響結(jié)構(gòu)的承載能力。構(gòu)造設(shè)計(jì)是十分細(xì)微的間題，要求設(shè)計(jì)者精心處理。首先，就受力情況來說要注意以下幾點(diǎn): （1）傳力要明確。在整個(gè)傳力過程中，各個(gè)零件的受力情況都應(yīng)加以考慮，不使某一個(gè)負(fù)擔(dān)過重。連接構(gòu)造的實(shí)際性能應(yīng)盡量和計(jì)算分析時(shí)的簡圖一致，有多余的約束時(shí)，應(yīng)不致對結(jié)構(gòu)起不利作用。 （2）構(gòu)件互相連接的節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能避免偏心，不能完全避免時(shí)應(yīng)考慮偏心的影響， （3）盡量減緩應(yīng)力集中，對承受疲勞荷載的結(jié)構(gòu)、處于低溫的結(jié)構(gòu)更應(yīng)注意，不能忽視任何一個(gè)細(xì)小零件。

24、 （4）要考慮結(jié)構(gòu)或零件變形的影響，如變形引起的次應(yīng)力和變形引起的應(yīng)二)分布不均勻等。 （5）避免在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力，尤其是約束造成的殘余應(yīng)力，要避免焊縫過度密集。 （6）沿厚度方向可能出現(xiàn)層間撕裂，偏析集中區(qū)容易出現(xiàn)裂紋，這些都應(yīng)成為設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素，應(yīng)予以注意。 2.以“鳥巢”結(jié)構(gòu)用鋼Q460E-Z35，厚110mm為例，綜述GB50017對鋼結(jié)構(gòu)鋼材的規(guī)定；分析超過要求時(shí)設(shè)計(jì)、施工方面存在哪些問題? 鳥巢結(jié)構(gòu)主體用鋼：Q460E-Z35，由我國河南舞陽鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)；總用鋼量42000余噸。此時(shí)要求鋼材的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的比值不應(yīng)小于1.2，伸長率大于20%，-40時(shí)的沖擊功不低

25、于34 J，板厚方向截面收縮率不小于Z35，同時(shí)，嚴(yán)格控制碳當(dāng)量，經(jīng)過嚴(yán)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(qiáng)材質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)焊接和130毫米厚的鑄鋼件厚板焊接，工業(yè)安裝公司和項(xiàng)目部經(jīng)過共29次焊接工藝評定試驗(yàn)，在現(xiàn)場首次采用可以大大提高工效的CO2 氣體保護(hù)焊。Q460是一種低合金的高強(qiáng)度鋼，比通常的建筑用鋼材強(qiáng)度超出1倍。而且在國家標(biāo)準(zhǔn)中，這種鋼板的最大厚度為100毫米。由邯鄲鋼鐵集團(tuán)舞陽鋼鐵公司自主研發(fā)生產(chǎn)的110mm低合金高強(qiáng)度Q460厚鋼板，具有良好的抗震能力，因?yàn)樗谑艿綇?qiáng)大外力時(shí)能夠通過變形來吸收能量，從而

26、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(diǎn)。Q460 鋼通過現(xiàn)代冶煉技術(shù)，在保證高強(qiáng)度的同時(shí)，也具有很高的韌性，-40沖擊韌度達(dá)到100J以上。這種鋼的強(qiáng)度是普通鋼材的兩倍，性能達(dá)到最高級別，集剛強(qiáng)、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(fù)到原有形狀。晶粒是鋼材的組織或者成分，晶粒越細(xì)，鋼材的韌性越好。細(xì)化的手段一個(gè)是降低軋制溫度，另一個(gè)是增加壓下量。降低軋制溫度對細(xì)化晶粒非常有益。比如，原先晶粒是一個(gè)球狀，經(jīng)過軋制，鋼板變長，晶粒也會隨之相應(yīng)變長并且表面積增大，在適宜的溫度條件下，晶粒表面會再結(jié)晶，形成許多新的晶粒，這樣就將晶粒細(xì)化了。 而增加壓下量

27、可以使晶粒進(jìn)一步細(xì)化。壓下量就是將鋼坯壓薄時(shí)壓下的尺寸，比如鋼坯開始的厚度是100毫米，用機(jī)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(gè)參數(shù)，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(jié)晶，使晶粒更加細(xì)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(yīng)力，采用的鋼板焊接既要鋼的強(qiáng)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(nèi)是個(gè)空白。從工程的實(shí)際需求出發(fā)，Q460E是最好的選擇。這是一種低合金高強(qiáng)度鋼，比通常的建筑用鋼強(qiáng)度超出一倍 。 設(shè)計(jì)角度存在的問題：國家體育場（鳥巢）工程用鋼最大板厚達(dá)110mm（Q46

28、0EZ35），大量鋼結(jié)構(gòu)工程采用厚鋼板，促進(jìn)了厚鋼板焊接技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也豐富了建筑用鋼的范圍，目前國內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)如 GB/T 15911994低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和 YB 41042000高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼板規(guī)定的鋼板厚度最大僅為 100mm，這種鋼材的力學(xué)性能、焊接性能等各方面都超出了建筑結(jié)構(gòu)用鋼板（GB/T 19879-2005）中規(guī)定的范圍。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中材料性能指標(biāo)的選取，焊接性能以及層間撕裂等成為“鳥巢”建設(shè)施工中的難點(diǎn)。 1、材料性能指標(biāo)的選取 （1）對于抗力分項(xiàng)系數(shù) 和材料的強(qiáng)度指標(biāo)。（2）對于壓桿穩(wěn)定問題、構(gòu)件截面受壓板件的有效寬厚比問題。（3）確定合適中國規(guī)范的抗力分項(xiàng)系數(shù)。

29、以上三點(diǎn)須根據(jù)一定的可靠指標(biāo)，對足夠多的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)和回歸分析確定。鋼板的力學(xué)性能與板厚和碳當(dāng)量的關(guān)系，對于薄板來說，存在比較明顯的線形關(guān)系，即 屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度隨著碳當(dāng)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(dāng)量的增加而降低，隨著鋼板厚度的增加而增加。那么，這種規(guī)律對于舞陽鋼鐵公司生產(chǎn)的特厚鋼板是否也適用呢？為了得到這個(gè)結(jié)論，我們可以對近幾年生產(chǎn)的熱軋鋼板的性能進(jìn)行研究，確定特厚鋼板力學(xué)性能與板厚和碳當(dāng)量的定性關(guān)系。通過分析，可以看出，鋼板力學(xué)性能和厚度沒有什么必然關(guān)系，而和碳當(dāng)量存在著明顯的線形相關(guān)。 2、焊接性能 厚鋼板的切割 試驗(yàn)表明：厚鋼板切割時(shí)，液化石

30、油氣切割與乙炔氣切割相比，預(yù)熱時(shí)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(jīng)濟(jì)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(dòng)焊，厚鋼板的對接只允許在長度方向?qū)?。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，后鋼板對接在專用平臺上進(jìn)行，以保證對口錯(cuò)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(cè)100mm范圍內(nèi)的母材用每隔500mm設(shè)置點(diǎn)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(xù)加熱至150，測溫點(diǎn)改在焊道兩側(cè)100mm邊遠(yuǎn)處。厚鋼板剖口焊中鈍邊6mm，主要防止焊穿，為控制焊接

31、變形，工藝要求先焊正面t/3，然后翻轉(zhuǎn)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(jìn)行底部的MT探傷，待確定無裂縫后進(jìn)行反面焊縫（約t/3）的施焊。 3、層間撕裂問題 厚鋼板在焊接和受力過程中的層間撕裂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響鋼結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量與施工進(jìn)度。如何防止厚鋼板發(fā)生層間撕裂已成為設(shè)計(jì)和制作人員十分關(guān)注的問題。層間撕裂發(fā)生的原因主要與鋼材的化學(xué)成分，鋼板的輥軋工藝，焊接工藝，結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造型式等有關(guān)。防止產(chǎn)生層間撕裂的措施有： （1）改進(jìn)焊接節(jié)點(diǎn)的連接形式 改進(jìn)焊接節(jié)點(diǎn)的連接形式以減小局部區(qū)域內(nèi)由于焊接收縮而引起的應(yīng)力集中，或避免使鋼板在板厚

32、垂直方向受拉。如：當(dāng)兩塊板垂直相焊形成角連接時(shí)，應(yīng)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，將增加收縮應(yīng)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(rèn)為焊縫尺寸越大，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度就越高，因而設(shè)計(jì)出遠(yuǎn)高于實(shí)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(qiáng)度低的焊條 只要能滿足受力要求，應(yīng)盡可能選擇屈服強(qiáng)度低的焊條。這樣會使得基材應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，焊縫金屬內(nèi)的應(yīng)力還大大低于屈服應(yīng)力，因此，所有的變形都被迫發(fā)生在基材里。施工方面問題：厚鋼板施工時(shí)關(guān)

33、鍵是防止由于焊接而產(chǎn)生的裂紋和減少變形，因此，應(yīng)對該鋼種的焊接考慮采取措施以降低其冷裂傾向。應(yīng)主要考慮以下幾點(diǎn)： （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(yīng)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(yīng)力。 （2）合理的預(yù)熱及層間溫度。 （3）后熱及保溫處理。3.何為冷彎效應(yīng)？試敘述冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018）是對冷彎效應(yīng)如何考慮的。一冷彎效應(yīng)冷成型截面的力學(xué)性能有時(shí)候與冷成型前的鋼片、鋼帶、鋼條、鋼板有相當(dāng)大的區(qū)別，這是因?yàn)槔涑尚瓦^程提高了屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度同時(shí)降低了塑性，這就是冷彎效應(yīng)。冷彎型鋼

34、是用軋制好的薄鋼板加工彎成的。冷彎成型時(shí)鋼板都經(jīng)受一定的塑性變形，并出現(xiàn)強(qiáng)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(diǎn)大幅度提高，抗拉強(qiáng)度也有所提高，提高幅度如何和加工成型的工藝很有關(guān)系，壓制成型者平板部分屈服點(diǎn)沒有明顯提高。圖15.1 冷彎型鋼屈服點(diǎn)提高彎角部分的塑性變形，外側(cè)沿圓弧方向?yàn)槔?，沿半徑方向?yàn)閴嚎s，內(nèi)側(cè)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(gòu)件受力方向的，對構(gòu)件抗拉和抗壓性能的影響相同。材料彎成圓角時(shí)半徑和板厚之比r/t越小，塑性應(yīng)變越大，屈服點(diǎn)提高幅度也越大?？估瓘?qiáng)度提高的程度比屈服點(diǎn)提高的程度要小得多，因此冷彎效應(yīng)減小了屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間

35、的范圍。由于截面角部材料冷加工的程度遠(yuǎn)高于平板部分。橫截面上不同部分的力學(xué)性能是不同的。由于平板部分材料屈服點(diǎn)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(zhuǎn)移至角部。由于冷加工導(dǎo)致的力學(xué)性能的改變主要是由應(yīng)變硬化和應(yīng)變時(shí)效引起的，還有直接包辛格(Bauschinger)效應(yīng)及包辛格逆效應(yīng)。二冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)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(shí)，需要考慮翼緣因剪切滯后而造成的應(yīng)力分布不均勻，在設(shè)計(jì)工作中考慮剪切滯后造成的翼緣應(yīng)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(rèn)為在be范圍內(nèi)應(yīng)力都達(dá)到max。關(guān)于be的取值，G.Winter用彈性理論進(jìn)

36、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(dāng)梁承受均布荷載時(shí)，除L/b5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，一般都要以小于實(shí)際寬度的be來代替b。根據(jù)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(guān)，還和材料的G/E及截面參數(shù)有關(guān)。美國AISI規(guī)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(gè)集中荷載的梁以及承受間距大于b的多個(gè)集中荷載的梁。梁的長度L達(dá)到或超過15b時(shí)，beb。當(dāng)翼緣帶卷邊時(shí)，應(yīng)把兩側(cè)的卷邊寬度包括在b之內(nèi)。2.加勁板件的有效寬度加勁板件

37、的屈曲后強(qiáng)度來源于薄膜拉力。目前計(jì)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(shí)，計(jì)算受彎構(gòu)件、受壓構(gòu)件截面特性時(shí)所用的折減設(shè)計(jì)寬度。把在寬度b上分布不均勻的應(yīng)力圖集中到板的兩側(cè)，應(yīng)力都是fy，即得有效寬度。如圖15.3所示。圖15.3 屈曲后應(yīng)力分布和有效寬度GB50018規(guī)范對有效寬度隨板件寬厚比的變化見圖14.4的實(shí)線，虛線則代表完善板。 圖15.4 GB50018規(guī)范板件有效寬度有效寬度的計(jì)算公式都和板應(yīng)力有關(guān)。因此，同一塊板的有效寬度在不同受力階段時(shí)不同的。用于強(qiáng)度計(jì)算時(shí)max應(yīng)取設(shè)計(jì)荷載的應(yīng)力，而在撓度計(jì)算時(shí)則取標(biāo)準(zhǔn)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力。以上論

38、述的只是單個(gè)板件的有效寬度。實(shí)際構(gòu)件中的板件有效寬度的確定比單板的復(fù)雜，有時(shí)需要反復(fù)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(yīng)力分布和有效寬度示于圖15.5，圖中板的支承邊由彈性約束。未加勁板件屈曲后雖然沒有橫向薄膜應(yīng)力產(chǎn)生，但在兩加載邊保持平直的條件下所承荷載還可以繼續(xù)增大。增大的荷載主要由支承邊近旁的部分承擔(dān)，直到邊緣處應(yīng)力達(dá)到fy為止。GB50018規(guī)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(jì)算值時(shí)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(guī)范和GB50018規(guī)范有效寬度的

39、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(jì)算中b不包括圓角部分，因而在性質(zhì)上略由差別。此外，該規(guī)范直至1996年版一直未考慮板件屈曲的相關(guān)性。圖15.6 邊緣加勁板的有效寬度5.中間加勁板件的有效寬度 當(dāng)中間加勁肋剛度充分時(shí)，板件的有效寬度可以由公式計(jì)算。式中b代入次板的寬度，系數(shù)k取為4，算得的be為次板的有效寬度。1. 從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)，簡述為什么裂紋尺寸、作用應(yīng)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(guān)于斷裂韌性和沖擊韌性的區(qū)別，整理如下：1、測定方法不同：材料斷裂韌性的測定需

40、要在有切口的試件上引發(fā)疲勞裂紋，然后進(jìn)行彎曲和拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)過程比較復(fù)雜；沖擊韌性采用夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)測定。2、應(yīng)力集中程度不同：斷裂韌性測定中需要先在材料中產(chǎn)生疲勞裂紋，因此測定斷裂韌性時(shí)應(yīng)力集中程度大于測定沖擊韌性時(shí)試件的應(yīng)力集中程度。3、應(yīng)變速度不同：沖擊韌性測定試驗(yàn)中需要對試件施加沖擊荷載，因此試驗(yàn)中沖擊韌性試件應(yīng)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(xiàn)斷裂后，在荷載下裂紋擴(kuò)展的速率；沖擊韌性反映材料在一次沖擊斷裂時(shí)所消耗的功（能量）。5、力學(xué)意義不同：斷裂韌性是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，由裂紋尖端的應(yīng)力狀況決定；沖擊韌性是材料抗沖擊荷載的能力，反映的是

41、材料的動(dòng)力性能。3. 解釋何為 “應(yīng)力腐蝕開裂”？P534. 疲勞設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則 ？GB50017采用什么準(zhǔn)則，為什么？P655. 解釋 “線性累積損傷準(zhǔn)則” 、“雨流計(jì)數(shù)法”。P726. 焊接結(jié)構(gòu)脆斷的原因及防脆斷的措施。一焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性斷裂的原因： 1.焊縫經(jīng)常出現(xiàn)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(qū),鋼材的金相組織和機(jī)械性能發(fā)生變化,材質(zhì)變脆. 3.焊接后結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力未必是破壞主因,但與其他因素結(jié)合,可能導(dǎo)致開裂. 4.焊接結(jié)構(gòu)往往又較大剛性,當(dāng)出現(xiàn)3條相互垂直的焊縫時(shí),材料的塑性變形很難發(fā)展. 5.焊接使結(jié)構(gòu)變成連續(xù)整體,一

42、旦焊縫開展,就可能發(fā)展到整體。6.經(jīng)常發(fā)生在氣溫較低的情況下，結(jié)構(gòu)的鋼材厚度較大，一般處在靜力荷載作用下，而且應(yīng)力常常并未達(dá)到設(shè)計(jì)應(yīng)力，或雖達(dá)到設(shè)計(jì)應(yīng)力但和材料的屈服點(diǎn)還有一段距離。7.在負(fù)溫下，應(yīng)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(xué)的觀點(diǎn)斷裂力學(xué)解答了低應(yīng)力脆斷問題，斷裂力學(xué)認(rèn)為，解答脆斷問題必須從結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在微小裂紋的情況出發(fā)來進(jìn)行分析。斷裂是在荷載和侵蝕性環(huán)境的作用下，裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)發(fā)生的。裂紋隨應(yīng)力增大而擴(kuò)展，起初是穩(wěn)定的擴(kuò)展，后來達(dá)到臨界狀態(tài)，出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂。如果構(gòu)件內(nèi)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

43、斷的直接因素是裂紋尺寸、作用應(yīng)力和材料的韌性。故可以從以下幾個(gè)方面著手防止脆性斷裂。1、裂紋 當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)的板厚較大時(shí)（大于25mm），如果含碳量高，連接內(nèi)部有約束作用，焊肉外形不適當(dāng)，或冷卻過快，都有可能在焊后出現(xiàn)裂紋，從而產(chǎn)生斷裂破壞。針對這個(gè)問題，把碳控制在0.22%左右，同時(shí)在焊接工藝上增加預(yù)熱措施使焊縫冷卻緩慢，解決了斷裂問題。 焊縫冷卻時(shí)收縮作用受到約束，有可能促使它出現(xiàn)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(xiàn)，如下圖4.1。把角焊縫的表面作成凹形，有利于緩和應(yīng)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

44、縮拉應(yīng)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(qiáng)，情況要好的多。在凹形焊縫開裂的條件下，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(yīng)力 考察斷裂問題時(shí)，應(yīng)力 是構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力，它不僅和荷載的大小有關(guān)，也和構(gòu)造形狀及施焊條件有關(guān)。幾何形狀和尺寸的突然變化造成應(yīng)力集中，使局部應(yīng)力增高，對脆性破壞最為危險(xiǎn)。施焊過程造成構(gòu)件內(nèi)的殘余拉應(yīng)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(jié)構(gòu)的材料應(yīng)該具有一定的韌性。材料斷裂時(shí)吸收的能量和溫度有

45、密切關(guān)系。吸收的能量可以劃分為三個(gè)區(qū)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(xiàn)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(jià)。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(gòu)造細(xì)部 發(fā)生脆性斷裂的原因是存在和焊縫相交的構(gòu)造縫隙，或相當(dāng)于構(gòu)造縫隙的未透焊縫。構(gòu)造焊縫相當(dāng)于狹長的裂紋，造成高度的應(yīng)力集中，焊縫則造成高額殘余拉應(yīng)力并使近旁金屬因熱塑變形而時(shí)效硬化，提高脆性。低溫地區(qū)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細(xì)部應(yīng)該保證焊縫能夠焊透。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意焊縫的施工條件，以保證施焊方便，能夠焊透。綜上所述，構(gòu)造設(shè)計(jì)是十分細(xì)微的間題，要求設(shè)計(jì)者精心處理。

46、首先，就受力情況來說要注意以下幾點(diǎn): （1）傳力要明確。在整個(gè)傳力過程中，各個(gè)零件的受力情況都應(yīng)加以考慮，不使某一個(gè)負(fù)擔(dān)過重。連接構(gòu)造的實(shí)際性能應(yīng)盡量和計(jì)算分析時(shí)的簡圖一致，有多余的約束時(shí)，應(yīng)不致對結(jié)構(gòu)起不利作用。 （2）構(gòu)件互相連接的節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能避免偏心，不能完全避免時(shí)應(yīng)考慮偏心的影響， （3）盡量減緩應(yīng)力集中，對承受疲勞荷載的結(jié)構(gòu)、處于低溫的結(jié)構(gòu)更應(yīng)注意，不能忽視任何一個(gè)細(xì)小零件。 （4）要考慮結(jié)構(gòu)或零件變形的影響，如變形引起的次應(yīng)力和變形引起的應(yīng)二)分布不均勻等。 （5）避免在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力，尤其是約束造成的殘余應(yīng)力，要避免焊縫過度密集。 （6）沿厚度方向可能出現(xiàn)層間撕裂，偏析

47、集中區(qū)容易出現(xiàn)裂紋，這些都應(yīng)成為設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素，應(yīng)予以注意。 另外.構(gòu)造設(shè)計(jì)應(yīng)為施工提供必要的條件，包括盡量簡化構(gòu)造（以節(jié)省工時(shí)），能夠施焊并且易于施焊（以保證質(zhì)量），以及安裝時(shí)容易就位和便于調(diào)整等。7. 疲勞破損的種類？疲勞設(shè)計(jì)的準(zhǔn)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(yīng)變大、破壞前循環(huán)次數(shù)少的特點(diǎn)，如：劇烈的地震使結(jié)構(gòu)物反復(fù)搖擺，就會造成低周疲勞破壞。高周疲勞破壞結(jié)構(gòu)應(yīng)變小、破壞前循環(huán)次數(shù)多，如：在行動(dòng)活荷載作用下，就會造成此種疲勞破壞。二疲勞設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則 疲勞破壞采用使用壽命法在結(jié)構(gòu)達(dá)到安全使用壽命時(shí)不立即報(bào)廢，承認(rèn)在達(dá)到安全壽命

48、前有可能出現(xiàn)疲勞裂縫，利用典型構(gòu)造細(xì)節(jié)試驗(yàn)的結(jié)果做出分析計(jì)算。 過去鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計(jì)算一直按應(yīng)力比準(zhǔn)則來進(jìn)行。對于一定的荷載循環(huán)次數(shù)（如：2X106），構(gòu)件（或構(gòu)造細(xì)節(jié)） 的疲勞強(qiáng)度max和以應(yīng)力比R為代 表的應(yīng)力循環(huán)特 征密 切相 關(guān)對max引進(jìn)安全系數(shù)，及可得到設(shè)計(jì)用的疲勞應(yīng)力允許值max=f(R)把應(yīng)力限制在max以內(nèi)，就是應(yīng)力比準(zhǔn)則。應(yīng)力比準(zhǔn)則適用于非焊接結(jié)構(gòu)。對于焊接結(jié)構(gòu)宜以應(yīng)力幅為準(zhǔn)則，焊接結(jié)構(gòu)承受疲勞荷載時(shí)， 結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力幅密切相關(guān)，而不是應(yīng)力比 R。應(yīng)力幅準(zhǔn)則的計(jì)算公式是 是容許應(yīng)力幅，它隨構(gòu)造細(xì)節(jié)而不同，也隨破壞前循環(huán)次數(shù)變化。GB50017規(guī)范規(guī)定：直接承受動(dòng)力荷載重復(fù)

49、作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)n等于或大于5104次時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。疲勞計(jì)算采用容許應(yīng)力幅法，應(yīng)力按彈性狀態(tài)計(jì)算，容許應(yīng)力幅按構(gòu)件和連接類別以及應(yīng)力循環(huán)次數(shù)確定。在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位可不計(jì)算疲勞。三防止疲勞破壞的工藝措施構(gòu)件的構(gòu)造細(xì)節(jié)對它的疲勞性能有重大影響。構(gòu)造細(xì)節(jié)的區(qū)別體現(xiàn)在構(gòu)件本身的拼接、附件的連接情況以及和其他構(gòu)件的連接等。拼接和連接造成的應(yīng)力集中越嚴(yán)重，構(gòu)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緩和應(yīng)力集中程度、消除切口，或是在 表面形成壓縮殘余應(yīng)力。常用方法有:(1) 緩和應(yīng)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。

50、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(hù)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(chǎn)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(yīng)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(yīng)力，是改善疲勞性能的一個(gè)有效方法。用噴射金屬丸?；虼窊暨M(jìn)行敲打，金屬的表層在沖擊性的敲打作用下，趨于向側(cè)向擴(kuò)張，但被下層的材料所阻止，從而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。這個(gè)殘余壓應(yīng)力和敲擊造成的冷工硬化都使疲勞強(qiáng)度提高，同時(shí)尖銳的切口也被緩解。 1.綜述“剪切滯后”的現(xiàn)象和原因？剪力滯后效應(yīng)

51、在結(jié)構(gòu)工程中是一個(gè)普遍存在的力學(xué)現(xiàn)象，小至一個(gè)構(gòu)件，大至一棟超高層建筑，都會有剪力滯后現(xiàn)象。如圖7.1，一長方形平板（長度遠(yuǎn)大于寬度），在兩個(gè)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(yīng)力是均勻分布的，而在靠近短邊的端部11，22截面，就出現(xiàn)了剪力滯后現(xiàn)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(yīng)力是靠剪力的作用逐漸由集中力轉(zhuǎn)化為均勻的。而由于剪力傳遞正應(yīng)力有一個(gè)逐漸的過程，所以在端部，剪力的所能起的作用還很有限，而正應(yīng)力分布還不均勻，這種現(xiàn)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(yīng)力的分布也就越不均勻。當(dāng)構(gòu)件被拉斷時(shí)，危

52、險(xiǎn)截面的應(yīng)力還不能完全均勻，從而使構(gòu)件承載能力降低。在實(shí)際應(yīng)用中，箱梁、寬緣梁、薄壁拉桿的節(jié)點(diǎn)等都要考慮這一效應(yīng)。高層建筑中的筒體結(jié)構(gòu)，尤其是框筒結(jié)構(gòu)體系，不容忽視在水平荷載作用下的剪切滯后效應(yīng)。其實(shí)側(cè)面角焊縫的最大計(jì)算長度也是因?yàn)榧袅Ψ植疾痪鶆蚨?guī)定了不得大于60hf。還有在螺栓群受力的時(shí)候也有受力不均勻分布的現(xiàn)象。當(dāng)翼緣與腹板相交處的橫截面正應(yīng)力大于簡單梁理論的結(jié)果，稱為正剪力滯；反之，則稱為負(fù)剪力滯。剪切滯后效應(yīng)與寬緣梁的有效分布寬度屬同一范疇，前者用不均勻的正應(yīng)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(xiàn)象薄壁梁的剪切滯后效應(yīng)是指，薄壁梁在橫力彎曲時(shí)，由

53、板件邊緣分布剪力引起中面內(nèi)剪切變形而造成的橫截面上正應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，這主要是由于翼緣材料保持連續(xù)，左右兩半相互銜接，使剪切變形不能充分發(fā)展，并且產(chǎn)生內(nèi)部自相平衡的次應(yīng)力。次應(yīng)力與均勻分布的應(yīng)力疊加，形成非均勻的應(yīng)力分布。最大應(yīng)力出現(xiàn)在，和腹板連接處，愈靠近翼緣邊緣，應(yīng)力愈低，無論是受拉翼緣還是受壓翼緣，情況都相同。在設(shè)計(jì)中，考慮剪切滯后造成的翼緣應(yīng)力非均勻分布，可以采用以有效寬度來代替實(shí)際寬度，這樣可認(rèn)為在有效寬度范圍內(nèi)應(yīng)力都達(dá)到應(yīng)力最大值。在受剪力作用的薄壁梁中，距剪力作用點(diǎn)較遠(yuǎn)的突緣上的正應(yīng)力（見應(yīng)力）小于按平截面假設(shè)求得值的現(xiàn)象。剪切滯后取決于結(jié)構(gòu)中力的擴(kuò)散（傳播）。力的擴(kuò)散是指作用

54、在結(jié)構(gòu)某一部分上的非自身平衡的力系，向結(jié)構(gòu)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(xì)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(xiàn)剪切滯后現(xiàn)象，這可由下面的力的擴(kuò)散過程來說明。在桿僅受正應(yīng)力而板僅受剪應(yīng)力的簡化假設(shè)下,當(dāng)剪力Q作用于腹板的自由端時(shí)，整個(gè)腹板具有剪應(yīng)力。此剪應(yīng)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(yīng)力和正應(yīng)變。而A2B2桿和A3B3桿均無正應(yīng)力和正應(yīng)變。但A1B1桿的正應(yīng)變引起突緣板A1B1B2A2的剪應(yīng)變和剪應(yīng)力,此剪應(yīng)力又使突緣桿 A2B2產(chǎn)生正應(yīng)

55、力。在A2B2桿受力變形的基礎(chǔ)上,通過同樣方式又使A3B3桿受力。圖7.2中在工字梁的左側(cè)用陰影線表示突緣桿中的正應(yīng)力，右側(cè)繪出突緣板中的剪應(yīng)力。由于內(nèi)力是由受剪腹板經(jīng)與其相連的突緣桿逐步向遠(yuǎn)處承力突緣桿傳播的，所以在力的擴(kuò)散過程結(jié)束后，遠(yuǎn)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(shè)求得的值，這就是剪切滯后。而根據(jù)平截面假設(shè)，各桿的受力情況沒有差別，這與實(shí)際情況相差較遠(yuǎn)。因此，在計(jì)算薄壁梁的應(yīng)力時(shí)，一般不能采用平截面假設(shè)。圖7.2 寬突緣工字形懸臂梁中的彎曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力（左側(cè)陰影部分表示正應(yīng)力，右側(cè)表示剪應(yīng)力）二箱形結(jié)構(gòu)中的剪切滯后現(xiàn)象由于翼板剪切變形的不均勻性，引起彎曲時(shí)遠(yuǎn)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(yīng)力的橫向分布呈曲線形狀。圖7.3所示的箱形薄壁結(jié)構(gòu)的上下蓋板中就出現(xiàn)剪切滯后現(xiàn)象 (正應(yīng)力在腹板附近大,中間部分小)。甚至當(dāng)腹板附近的蓋板接近破壞時(shí),蓋板的中間部分還處于低應(yīng)力狀態(tài)。為了估計(jì)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(dāng)于一塊寬僅為Wb而充分發(fā)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(shù)。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(shè)計(jì)中,應(yīng)考慮減少腹板的間距，以提高材料的利用率。圖7.3 箱形薄壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力