鋼結(jié)構(gòu)基本原理思考題

揭陽加固改造設(shè)計(jì)公司15秒前1閱讀0評論

鋼結(jié)構(gòu)作為一種現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)形式，以其高強(qiáng)度、輕質(zhì)和良好的塑性變形能力而受到廣泛歡迎。其基本原理在于通過使用鋼材這一材料，結(jié)合焊接技術(shù)將不同形狀和尺寸的鋼構(gòu)件組合成整體，以承受各種載荷并保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，工程師必須考慮材料的力學(xué)行為、幾何穩(wěn)定性以及連接方式等關(guān)鍵因素。，，鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)包括：高承載能力、良好的抗震性能、施工速度快、可回收利用性強(qiáng)。它也存在一些缺點(diǎn)，如對環(huán)境濕度敏感可能導(dǎo)致銹蝕，以及在某些情況下可能不如混凝土結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。為了克服這些缺點(diǎn)，現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了多種防腐措施，并且隨著新材料的開發(fā)，例如高性能合金和涂層技術(shù)的應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)的性能得到了顯著提升。

以下是一些關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)基本原理的思考題：

一、鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相關(guān)

強(qiáng)度與重量方面
- 鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、重量輕的特點(diǎn)。與混凝土結(jié)構(gòu)相比，為什么鋼結(jié)構(gòu)能達(dá)到強(qiáng)度高且重量輕的效果呢？這是因?yàn)殇摬牡膹?qiáng)度指標(biāo)（如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度）較高，同時其密度相對混凝土等材料較小，在承受相同荷載的情況下，可以使用較少的材料，從而減輕結(jié)構(gòu)自重，這在大跨度結(jié)構(gòu)、高層結(jié)構(gòu)等對自重較為敏感的結(jié)構(gòu)類型中有很大優(yōu)勢。
材質(zhì)特性方面
- 鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)均勻、可靠性高。如何理解材質(zhì)均勻這一特性對鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用的意義呢？材質(zhì)均勻使得鋼材內(nèi)部應(yīng)力分布較為均勻，在進(jìn)行力學(xué)計(jì)算時，能夠更好地符合基于均勻性假設(shè)的計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力情況更為接近，從而提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。例如在軸心受壓構(gòu)件的計(jì)算中，可基于均勻受壓的假設(shè)進(jìn)行穩(wěn)定分析等。
- 鋼結(jié)構(gòu)塑性、韌性好。試舉例說明鋼材良好的塑性和韌性在鋼結(jié)構(gòu)中的重要性。在承受動力荷載（如地震荷載、風(fēng)荷載等）時，鋼材的塑性和韌性可以吸收能量，避免結(jié)構(gòu)突然發(fā)生脆性破壞。例如在地震區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，即使結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下發(fā)生一定程度的變形，由于鋼材的塑性和韌性，結(jié)構(gòu)不會立即倒塌，而是通過構(gòu)件的塑性變形來消耗地震能量，保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。
工程應(yīng)用方面
- 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化程度高、安裝方便、施工期短。請闡述鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化生產(chǎn)和快速安裝的流程特點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以在工廠中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制化生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中能夠保證構(gòu)件的質(zhì)量和精度。例如鋼梁、鋼柱等構(gòu)件在工廠內(nèi)按照設(shè)計(jì)要求切割、焊接、涂裝等。然后將預(yù)制好的構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，通過螺栓連接、焊接等方式進(jìn)行快速組裝，相比于混凝土結(jié)構(gòu)，不需要現(xiàn)場支模、澆筑、養(yǎng)護(hù)等長時間的工序，大大縮短了施工周期。
- 鋼結(jié)構(gòu)密閉性好、耐火性差。解釋鋼結(jié)構(gòu)耐火性差的原因以及提高鋼結(jié)構(gòu)耐火性的措施。鋼材在高溫下強(qiáng)度會顯著降低，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度（如500℃左右），其強(qiáng)度可能降低到常溫下的一半甚至更低。這是因?yàn)殇摬牡木w結(jié)構(gòu)在高溫下發(fā)生變化，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降。提高鋼結(jié)構(gòu)耐火性的措施包括采用防火涂料、防火板材包裹鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，或者采用防火性能好的鋼結(jié)構(gòu)體系等。
- 鋼結(jié)構(gòu)耐腐蝕性差。討論鋼結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境（如海洋環(huán)境、工業(yè)污染環(huán)境等）下的腐蝕情況以及防腐蝕的方法。在海洋環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)受到海水的侵蝕，海水中的鹽分、濕度等因素會加速鋼材的腐蝕；在工業(yè)污染環(huán)境中，空氣中的化學(xué)物質(zhì)（如二氧化硫等）也會對鋼材造成腐蝕。防腐蝕的方法有涂覆防腐涂料、采用耐候鋼、進(jìn)行陰極保護(hù)等。例如在海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)中，除了涂覆防腐涂料外，還可能采用陰極保護(hù)系統(tǒng)來減緩鋼材的腐蝕。

二、鋼材力學(xué)性能相關(guān)

拉伸試驗(yàn)方面
- 為什么鋼材的單向平均拉伸試驗(yàn)是鋼材機(jī)械性能的常用試驗(yàn)方法？鋼材的單向平均拉伸比壓縮、剪切等試驗(yàn)簡單易行，試件受力明確，對鋼材弊端的反響比較敏感，試驗(yàn)所得各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)關(guān)于其他受力狀態(tài)的性能也擁有代表性。例如通過拉伸試驗(yàn)得到的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率等指標(biāo)，可以在一定程度上反映鋼材在其他復(fù)雜受力狀態(tài)下的性能。
- 在鋼材靜力拉伸試驗(yàn)測定其機(jī)械性能時，常用應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線來表示。解釋應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線中比例極限和屈服點(diǎn)的意義。比例極限是應(yīng)力應(yīng)變曲線中直線段的最大值，當(dāng)應(yīng)力不高出比例極限時，應(yīng)力應(yīng)變成正比關(guān)系；屈服點(diǎn)是當(dāng)鋼材的應(yīng)力不增添而應(yīng)變連續(xù)發(fā)展時所對應(yīng)的應(yīng)力值。這兩個指標(biāo)是衡量鋼材力學(xué)性能的重要參數(shù)，比例極限反映了鋼材在彈性階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特性，屈服點(diǎn)則標(biāo)志著鋼材開始進(jìn)入塑性變形階段。

三、構(gòu)件設(shè)計(jì)與計(jì)算相關(guān)

軸心受壓構(gòu)件方面
- 軸心受壓格構(gòu)式柱一般采用對稱截面，由肢件和綴材組成。格構(gòu)式截面容易使壓桿實(shí)現(xiàn)兩主軸方向的等穩(wěn)定性，同時剛度大、抗扭性能好、用料較省。請對比格構(gòu)式柱與實(shí)腹式柱在計(jì)算整體穩(wěn)定時有哪些區(qū)別？在格構(gòu)式柱中當(dāng)繞實(shí)軸發(fā)生彎曲失穩(wěn)時，其整體穩(wěn)定的計(jì)算同實(shí)腹式柱，由實(shí)軸的長細(xì)比查值，計(jì)算公式為;當(dāng)繞虛軸發(fā)生彎曲失穩(wěn)時，用換算長細(xì)比來代替對虛軸的長細(xì)比，求出相應(yīng)的，計(jì)算公式同實(shí)腹式軸心壓桿。
梁的設(shè)計(jì)方面
- 梁的截面一般窄而高，彎矩作用在其最大剛度平面內(nèi)。簡述梁的整體失穩(wěn)現(xiàn)象，并說明影響梁臨界彎矩的主要因素有哪些？當(dāng)荷載較小時，梁的彎曲平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。但隨著荷載增大，梁可能會發(fā)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象，即梁在彎矩作用下突然發(fā)生側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)，失去繼續(xù)承受荷載的能力。梁的臨界彎矩Mcr主要和梁的側(cè)向抗彎剛度、抗扭剛度、翹曲剛度、梁的截面形狀、荷載類型、荷載作用位置以及梁的跨度等有關(guān)。
- 梁腹板加勁肋的布置原則是什么？縱向和橫向加勁肋分別起什么作用？當(dāng)時，對有局部壓應(yīng)力的梁應(yīng)按構(gòu)造配置橫向加勁肋但對無局部壓應(yīng)力的梁可不配置加勁肋。當(dāng)應(yīng)配置橫向加勁肋。當(dāng)時(受壓翼緣扭轉(zhuǎn)受到約束)或時(受壓翼緣扭未受到約束)或者按照計(jì)算需要時，應(yīng)在彎曲應(yīng)力較大區(qū)格的受壓區(qū)增加配置縱向加勁肋，局部壓應(yīng)力很大的梁，必要時在受壓區(qū)配置短加勁肋。梁的支座處和上翼緣受到較大固定集中荷載處，宜設(shè)置支撐加勁肋。橫向加勁肋主要是防止由剪應(yīng)力和局部壓應(yīng)力可能引起的腹板失穩(wěn)；縱向加勁肋有助于提高梁腹板在彎曲應(yīng)力作用下的穩(wěn)定性。

四、連接方面

螺栓連接方面
- 普通螺栓連接在抗剪時依靠桿身承壓和螺栓抗剪來傳遞剪力，不計(jì)預(yù)拉力的影響，在計(jì)算中只考慮栓桿剪斷和孔壁承壓破壞這兩種破壞形式，以螺桿剪斷或孔壁擠壓破壞為其承載能力的極限狀態(tài)。而摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接單純依靠被連接構(gòu)件間的摩擦阻力傳遞剪力，以剪力達(dá)到最大摩擦力作為承載能力的極限狀態(tài)。請對比這兩種螺栓連接方式在計(jì)算假定和計(jì)算公式上的差異。普通螺栓的單個抗剪承載力設(shè)計(jì)值、單個承壓承載力設(shè)計(jì)值以及單個螺栓承載力設(shè)計(jì)值在驗(yàn)算時有其對應(yīng)的計(jì)算公式；摩擦型高強(qiáng)度螺栓在驗(yàn)算單個抗剪承載力設(shè)計(jì)值時有其對應(yīng)的計(jì)算方法，兩者在計(jì)算中考慮的破壞形式和傳力機(jī)制不同，導(dǎo)致計(jì)算公式存在差異。

五、鋼材化學(xué)成分方面

化學(xué)成分影響方面
- 碳、錳、硫和氮等化學(xué)元素對鋼材性能各有什么影響？碳含量提高，則鋼材強(qiáng)度提高，但同時鋼材的塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度、可焊性及抗銹蝕能力下降；錳可提高鋼材強(qiáng)度但不過多降低塑性和沖擊韌性；硫使鋼材易發(fā)生熱脆現(xiàn)象，還能降低鋼材的塑性、韌性可焊性和疲勞強(qiáng)度；氮是有害元素，與磷類似，使鋼冷脆。