高等钢结构作业

第1讲.“高等钢结构”课程内容体系、学习要求1.概括总结：钢结构中出现“层间撕裂”问题的原因、防止措施。2.在“OK网站”事故栏目查看各种钢结构工程事故，选一实例写出书面分析报告第2讲钢结构的性能综述1.试从钢结构材料、制造安装、工作环境、荷载类型、结构形式及构造细节等六个方面，综述对结构性能的影响。2.以“鸟巢”结构用钢Q460E-Z35，厚110mm为例，综述GB50017对钢结构钢材的规定；分析超过要求时设计、施工方面存在哪些问题?3.何为冷弯效应？试叙述《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018）是对冷弯效应如何考虑的。第3讲钢结构的断裂与疲劳破损1.从断裂力学的观点，简述为什么裂纹尺寸、作用应力和材料的韧性是影响脆断的直接因素？2.解释何为“断裂韧性”，它与“冲击韧性”有何异同？3.解释何为“应力腐蚀开裂”？4.疲劳设计的准则？GB50017采用什么准则，为什么？5.解释“线性累积损伤准则”、“雨流计数法”。6.焊接结构脆断的原因及防脆断的措施。7.疲劳破损的种类？疲劳设计的准则？疲劳破坏的防止措施？第4讲基本构件——拉杆、轴压杆、梁1.综述“剪切滞后”的现象和原因？2.分析归纳钢结构中半刚性连接问题，“工程绞”问题？3.归纳总结钢结构的稳定问题？4.分析总结Q235做腹板，Q420做翼缘的混用梁的受力性能？第五讲压弯构件和框架1.分析归纳“摇摆柱”的受力特点，以及对整体结构受力性质的影响？2.简述钢框架的“高等理论分析思路与方法”1.概括总结：钢结构中出现“层间撕裂”问题的原因、防止措施。一．出现层间撕裂的原因型钢和钢板经过轧制之后，钢材内部的非金属夹杂物被压成薄片，出现分层现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。如图1.1所示。图1.1层间撕裂图1.2防止层间撕裂的连接构造二．防治层间撕裂的措施厚钢板在焊接和受力过程中的层间撕裂现象时有发生，严重影响钢结构工程的质量与施工进度。如何防止厚钢板发生层间撕裂已成为设计和制作人员十分关注的问题。层间撕裂发生的原因主要与钢材的化学成分，钢板的辊轧工艺，焊接工艺，结构连接节点的构造型式等有关。防止产生层间撕裂的措施有：（1）改进焊接节点的连接形式改进焊接节点的连接形式以减小局部区域内由于焊接收缩而引起的应力集中，或避免使钢板在板厚垂直方向受拉。如：当两块板垂直相焊形成角连接时，应采用下图1.3所示做法。图1.3层间撕裂及其防止对于全焊的刚性连接，为了避免柱翼缘出现层间撕裂的危险，可采取用两段T形构件加强柱翼缘的方法，如图1.2（a）所示。在梁翼缘传来的拉力作用下，柱翼缘不是在厚度方向受拉，而是受弯。至于连于柱腹板的梁如图1.2（b），翼缘不去和柱腹板直接相焊，而是事先用对接焊缝焊上窄板，使能和柱翼缘焊接，从而避免腹板在厚度方向受拉。（2）采用合理的焊缝形式和小焊脚焊缝焊缝形式对基材变形有很大的影响。坡口焊缝的坡口越大，焊缝表面积也越大，将增加收缩应力。焊缝的尺寸对基材变形也有很大的影响，不要随意增加焊缝尺寸。如果认为焊缝尺寸越大，节点强度就越高，因而设计出远高于实际需要的焊缝形式和尺寸，将会增加焊缝的收缩变形。（3）选择屈服强度低的焊条只要能满足受力要求，应尽可能选择屈服强度低的焊条。这样会使得基材应力达到屈服点时，焊缝金属内的应力还大大低于屈服应力，因此，所有的变形都被迫发生在基材里。施工方面问题：厚钢板施工时关键是防止由于焊接而产生的裂纹和减少变形，因此，应对该钢种的焊接考虑采取措施以降低其冷裂倾向。应主要考虑以下几点：（1）选用合理的坡口形式，如尽量选用双U形或X形坡口，如果只能单面焊接，应在保证焊透的前提下，采用小角度、窄间隙坡口，以减小焊接收缩量、提高工作效率，降低焊接残余应力。（2）合理的预热及层间温度。（3）后热及保温处理。2.选一钢结构工程事故实例，写出书面分析报告山东兖州一门式刚架厂房在安装时倒塌根据现场照片，大致可描述出工程的一些情况：1.边柱及中柱均为柱底铰接，地脚螺栓4颗；2.连续两跨；3.刚架平面外有钢管作为刚性系杆。事故原因分析1.施工中最大的问题就是忽视了柱的稳定性。CECS102:2002中8.2.5.9条规定：刚架在施工中应及时安装支撑，必要时增设缆风绳充分固定。此条为工程建设标准强制性条文。门式刚架主要是平面内受力，而平面外是通过支撑把水平力直接传到基础，所以单榀的门式刚架是不稳定的。因此，在安装门式刚架时首先要把支撑跨的两个刚架立起来，加上屋面，柱间支撑先形成一个稳定体系，接着在向纵向延伸，每增加一榀刚架就应该用檩条＋隅撑把它与前一个稳定体系连接起来，这才应该是比较正确的安装顺序。从图片中可以看到此工程安装并没有执行此规定。施工方是把柱，梁分开来施工，先把柱立起来，然后才安装梁，安装完梁后形成的单榀刚架之间又未见柱间支撑，水平支撑也没有，没有形成刚性单元,刚架未形成统一体,不能抵抗风载;屋架上的檩条不够多，屋面梁很少有加劲肋，虽然截面够大，可是平面外的稳定性还是无法保证。现实经验告诉我们,安装柱子、钢梁、檩条要同步进行，安装两跨后应及时校正、安装好檩条和柱间支撑,水平支撑,隅撑,收工前一定要形成稳定的空间体系。2.柱脚问题，从柱脚的破坏情况看，抗剪键设置不合理，后浇带留的过大。可能砼强度也有问题，砼养护不到位，或砼标号过低。柱底的地脚螺栓在二次浇灌前没有混凝土保护，没有垫铁，安装时应有斜锲块。钢柱柱脚底板与砼土短柱明显大大于50MM,CECS102:2002明文规定:铰接柱脚二次浇灌厚度为50MM,刚接柱脚二次浇灌厚度为100MM，或用砼包裹至+0.150,每边不少50MM.主要意图是防底板腐蚀.3.柱脚螺栓问题，从第2张和第5张图片上，可以清楚的看出，地脚螺栓安装后，没能及时灌浆，就开始上部的安装，造成螺栓杆的失稳倒塌。建模时柱底虽然是铰节点,但是实际上没有纯粹的铰接,螺栓或多或少的承担弯矩，就本例来说,M20螺栓太小。3.钢柱问题，柱子本身安装时不允许长时单立，特别是变截面的.由于柱底铰接，在理论计算中，刚架柱是无法独立竖直的，而由于柱底四颗地脚螺栓的存在，在实际情况中该柱或多或少能够承担一部分弯矩，弯矩大小视螺栓大小、螺栓间距、底板厚度、混凝土标号而定，所以钢柱在没有太大外力的作用下是可以独立竖直的，而这种情况往往会给一些施工队带来柱底刚接的错觉，这样的错觉反映在施工过程中就如照片中的情况：钢柱悬臂而立，没有柱间支撑，也没有稳定缆绳。4.节点问题，梁柱节点板空隙很大,说明板的变形较大,且高强螺栓未终拧,不能承受突变荷载.从第四张图片看,倒在起重车上的钢梁,在变截面处没有设置加劲板。1.试从钢结构材料、制造安装、工作环境、荷载类型、结构形式及构造细节等六个方面，综述对结构性能的影响。所谓“性能”，是指结构在各种不同的荷载作用和环境条件下的反应。一．钢结构材料对构件性能的影响钢结构的内在特性是由它所用的原材料和所经受的一系列加工过程决定的。钢的脱氧越充分，Fe的含量越高，钢中晶体越细，从而使钢材具有更高的室温冲击韧性和更低的冷脆倾向性和时效倾向性。冲击韧性是衡量钢材断裂时所做功的指标，其值随金属组织和结晶状态的改变而剧烈变化。钢中的非金属夹杂物、带状组织、脱氧不良等都将给钢材的冲击韧性带来不良的影响。冲击韧性是钢材在冲击荷载或多向拉应力下具有可靠性能的保证，可间接反映钢材抵抗低温、应力集中、多向拉应力、加荷速率和重复荷载等因素导致脆断的能力。辊轧是型钢和钢板成型的工序，它给这些钢材的组织和性能以很大影响。辊轧有热轧和冷轧之分，以前者为主。经过热轧后，钢材组织密实，力学性能得到改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使钢材在一定程度上不再是各向同性体；经过轧制之后，钢材内部的非金属夹杂物被压成薄片，出现分层现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。焊缝收缩诱发的局部应变时常达到屈服点应变的数倍，比荷载引起的应变大得多。热轧的另一后果是，是不均匀冷却造成的残余应力。一般的说，截面尺寸越大，残余应力也越大，残余应力虽然是自向平衡的，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。二．钢结构的制作安装对构件性能的影响现代钢结构都是在专业化的金属结构制造厂中用热轧钢材或冷弯型钢加工成构件，然后运到工地安装而成。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，也有氧气切割的影响。1．冷加工的影响当材料经受的塑性变形不大，则屈服点没有提高，塑性和韧性只是稍有降低。如果塑性变形很大，则屈服点将有所提高，而塑性和韧性则降低很大。钢材的剪切和冲孔，使剪断的边缘和冲出的孔壁严重硬化，甚至出现细裂纹。例如，焊接结构的工地安装孔，如果冲成后受到邻近焊缝的影响而加热至200～450℃，使时效很快完成，孔壁裂纹就有扩展危险。冷弯型钢是用轧制好的薄钢板加工弯成的。冷弯成型时钢板都经受一定的塑性变形，并出现强化和硬化。如下图3.1所示卷边槽钢，冷弯成型后弯角部分屈服点大幅度提高，抗拉强度也有所提高，提高幅度如何和加工成型的工艺很有关系，压制成型者平板部分屈服点没有明显提高。图3.1冷弯型钢屈服点提高弯角部分的塑性变形，外侧沿圆弧方向为拉伸，沿半径方向为压缩，内侧则沿弧度线压缩，而沿半径拉伸。这些塑性变形都是垂直与构件受力方向的，对构件抗拉和抗压性能的影响相同。材料弯成圆角时半径和板厚之比r/t越小，塑性应变越大，屈服点提高幅度也越大。2．焊接的影响对钢材进行焊接，造成以下三种后果：（1）焊接金属具有铸造组织，不同于轧制钢材。焊缝金属在碳、氮、氧、氢的含量方面与轧制钢材有差别。碳含量稍低，而氮、氧、氢含量稍高。氧加剧钢构件的热脆氮使钢冷脆、对时效敏感。焊接的金属冷却很快，因而含氧高，气泡和夹杂都较多，使钢材的组织欠均匀，气泡周围容易形成硫的偏析，而在焊接结构中硫的偏析可能引起热裂纹。焊接金属含氢量高，来源与焊条药皮和大气。当冷却快时，氢能使焊接金属内部出现微观裂纹。我国《建筑钢结构焊接技术规程》规定，厚度大于40mm的Q235钢和厚度大于25mm的Q345钢，在焊接时需要预热，最低预热温度控制在60～140℃。施焊后还应进行后热，其温度由实验确定。预热使焊后冷却过程延长，氧和氢的含量减少，改善了焊接构件的性能。（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。如下图3.2两块板在对接焊施焊时处于600℃以上的部分呈完全塑性。这部分在加热时受到两旁处在弹性状态的材料的制约，得不到应有的伸长，也就是受到了热态塑性压缩。在焊后冷却过程中，高温的塑性压缩部分趋向于缩得比原长度要短一些。由于温度梯度很大，而且存在局部性的塑性压缩，冷却后焊缝及其近旁的母材残余应力很高，经常达到材料的屈服点，甚至因热效应对材料性能的影响比母材原有屈服点还高一些。图3.2有纵向焊缝板的残余应力图3.3反作用残余应力由于有热态塑性压缩，焊接构件除了残余应力外还有残余变形，如上图3.2所示的原长度为L的板在温度降低到室温后缩短△L。如果这两块板受到相连的刚性部分牵制而不能收缩，则整个构件将产生拉应力，，这是另一种焊接残余应力，叫做反作用残余应力。在两块相互垂直板的一侧夹角焊上角焊缝，如图3.3，则焊缝的收缩促使夹角减少。如果这种减少受到约束而不能实现，则焊缝的纵截面内将出现反作用残余拉应力，这种应力有可能使焊缝出现裂纹。3．制作和安装的偏差的影响轴心压杆在承受荷载前存在初始弯曲，是一种几何缺陷，初始挠度随压力增大而增大。因此存在初弯曲的轴心压杆，实际上是既受压又受弯。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。处在倾斜位置的柱子，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。用许多杆件组装而成的杆系结构，当为静定结构时，杆件长度的容许偏差，只不过使结构的外型稍有变化。当为超静定结构时