钢结构基本理论(第一章 绪论)

《钢结构设计原理》课程教学大纲本科四年制《土木工程专业》适用（48学时）一、课程的目的和任务本课程是一门专业基础课，讲授钢结构的基本设计理论和方法。

课程的目的是培养学生掌握钢结构的特点、基本设计理论和方法，具有设计钢结构基本构件及其连接的能力。

二、课程的基本要求1．要求学生根据结构的具体设计条件、工作环境和不同种类钢材的性能，正确地选用钢材，并提出相应的性能指标要求。

2．要求学生掌握焊接和螺栓连接的特点，能正确地选用合理的连接方法，并准确地设计连接。

3．要求学生掌握钢结构基本受力构件（轴心受力构件、受弯构件、拉弯和压弯构件）的计算理论、设计方法和构造要求。

三、课程的安排说明本课程讲授过程中要求条理清楚、重点突出；结合多媒体教学，讲授实际工程中基本构件的设计和构造措施，增加学生的感性认识。

四、课程内容第一章绪论1. 钢结构的特点和目前钢结构的应用领域。

2. 钢结构的设计方法。

3. 钢结构发展过程中存在的问题和最新发展动态。

第二章钢结构的材料1.钢结构所用钢材的要求。

2.钢材的塑性破坏和脆性破坏两种破坏形式。

3.钢材的主要性能、影响钢材性能的主要因素。

4.复杂应力状态下钢材的屈服条件。

5.钢材的种类和钢材的规格。

第三章钢结构的连接1. 钢结构的连接方法以及各种连接方法的特点。

2. 焊缝的形式以及不同形式焊缝连接的构造要求和计算方法。

3. 焊接残余应力和残余变形产生的原因以及减少焊接残余应力和残余变形的措施。

4. 螺栓连接的构造要求、工作性能和计算方法。

第四章轴心受力构件1. 轴心受力构件的强度计算。

2. 轴心受压构件的屈曲形式、整体稳定的概念以及整体稳定的计算。

3. 轴心受压构件的局部稳定的概念以及局部稳定的计算。

4. 实腹式和格构式轴心受力构件的截面设计。

5. 轴心受力构件典型柱头和柱脚的设计。

第五章 受弯构件1. 受弯构件强度和刚度的计算。

2. 梁的整体稳定的概念、影响梁的整体稳定的因素以及整体稳定的计算。

钢结构（本）章节小练习第一章绪论1．世界第一座铸铁拱桥是（）正确答案是：雪纹桥2．在公元前60年前后，我国就修建了（）正确答案是：铁链桥1．最早的钢结构由铁结构发展而来。

（）正确的答案是“对”。

2．钢结构的广泛应用源自于钢材的优异性能、制作安装的高度工业化、结构形式的丰富多样以及对复杂结构的良好适应等特点。

（）正确的答案是“对”。

1．下面关于钢结构特点说法有误的一项是（）正确答案是：耐热性差、耐火性好2．相比较来讲，最适合强震区的结构类型是（）正确答案是：钢结构3．相比较来讲，钢结构最大的弱点是（）正确答案是：易于锈蚀4．相比较来讲，当承受大荷载、动荷载或移动荷载时，宜选用的结构类型是（）正确答案是：钢结构5．下列均为大跨度结构体系的一组是（）正确答案是：网壳、悬索、索膜6．通常情况下，输电线塔和发射桅杆的结构形式属于（）正确答案是：高耸结构1．钢材在冶炼和轧制过程中质量随可得到严格控制，但材质波动范围非常大。

（）正确的答案是“错”。

2．钢材质地均匀、各向同性，弹性模量大，具有良好的塑性和韧性，可近似看作理想弹塑性体。

（）正确的答案是“对”。

3．结构钢具有良好的冷、热加工性能，不适合在专业化工厂进行生产和机械加工。

（）正确的答案是“错”。

4．钢结构在其使用周期内易因温度等作用出现裂缝，耐久性较差。

（）正确的答案是“错”。

5．钢材是一种高强度高效能的材料，可以100%回收再利用，而且没有资源损失，具有很高的再循环价值。

正确的答案是“对”。

6．钢材轻质高强的特性使钢结构在跨度、高度大时体现出良好的综合效益。

（）正确的答案是“对”。

1．结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的能力，称为结构的（）正确的答案是：可靠性2．结构可靠性主要包括（）正确的答案是：安全性、适用性和耐久性3．下列均为承载能力极限状态范畴的一组是（）.正确的答案是：构件或连接的强度破坏、疲劳破坏、脆性断裂1．钢结构设计的目的是保证结构和结构构件在充分满足功能要求的基础上安全可靠地工作。

第1章 绪论1. 钢结构具有哪些特点？（材料、结构形式、施工、工艺性、耐久性等）（P1）2. 钢结构的典型结构形式？分别利用了钢结构的什么特点？（P2~P5）3. 可靠度指标β的数学表达和物理意义分别是什么？（重点理解极限状态法的设计表达式）。

为什么脆性破坏结构的可靠度指标要求比延性破坏结构更高？构的可靠度指标要求比延性破坏结构更高？（（PPT58）4. 结构设计为什么要引入概率论与统计学理论。

结构设计为什么要引入概率论与统计学理论。

（（P7）5. 结构功能函数和设计组合控制方程的关系是什么？结构功能函数和设计组合控制方程的关系是什么？（（P7~P8）6. 正常使用极限状态、承载力极限状态两者的荷载组合存在什么差异？（P8）7. 设计基准期和结构设计使用年限的区别和关系是什么？设计基准期和结构设计使用年限的区别和关系是什么？（（PPT65）8. 荷载标准值、设计值、组合值、准永久值、频遇值的关系是什么？荷载标准值、设计值、组合值、准永久值、频遇值的关系是什么？（（PPT67~69）9. 钢结构连接的极限状态属于哪一种？其可靠性指标与构件相比谁高谁低？（P8）10. 正确区分工程结构遭遇的特定状态属于哪一种极限状态（P7、P9）第2章 钢结构材料1. 钢材拉伸试件的应力和强度这两个概念是否同一？2. 伸长率是如何定义的？3. 为什么对钢材有塑性的要求？（P13）4. 钢材的“三脆”分别指什么？（P25\P26）5. 钢材强度和塑性的评价指标主要有哪些？6. 如何理解“钢材的塑性指标比钢材的强度指标更重要”？ （P13、P21）7. 钢材的塑性和韧性有何差别？（P20~21）8. 若某一批钢材牌号为Q235时，是否钢材的屈服点就是235MPa ？（P36）9. 检验钢材质量可以采取哪些手段？其中有哪些基本试验方法？检验钢材质量可以采取哪些手段？其中有哪些基本试验方法？（第三节）（第三节）10. 钢材“怕冷”“怕热”的大致范围？高温和低温下可否使用钢结构？钢材“怕冷”“怕热”的大致范围？高温和低温下可否使用钢结构？（（P2、P28）11. 一块平板，经过冷加工成为圆管，再用一条焊缝将其焊起来，在焊接之前钢材经历了什么变化？在焊接之后钢材又经历了什么变化？（P27、39）12. 哪些因素对钢材性能有影响？分别有哪些影响？哪些因素对钢材性能有影响？分别有哪些影响？（（P24~P29）13. 你认为对钢材进行疲劳计算时，材料的抗力应采用什么指标？（P32~P34）14. 应力幅方法和应力比方法的适用范围及特点是什么？两者的荷载组合方式有什么特点？应力幅方法和应力比方法的适用范围及特点是什么？两者的荷载组合方式有什么特点？（（P32~P34） 15. 用应力幅方法进行疲劳设计时，焊接结构和非焊接结构有什么区别？用应力幅方法进行疲劳设计时，焊接结构和非焊接结构有什么区别？（（P34）16. 钢材的应力应变关系为什么可以简化为理想弹塑性？其关系曲线如何表达？若要考虑材料的强化特征，其关系曲线又该如何处理？曲线又该如何处理？（（P34）17. 请比较同种试件在单轴应力状态、复合异号应力、复合同号应力状态下的屈服强度大小，并给出证明（P30+PPT16） 18. 钢材质量等级的划分标准主要考虑什么因素影响？具体怎么划分？钢材质量等级的划分标准主要考虑什么因素影响？具体怎么划分？（（P36）19. 钢材硬化有哪些方式，其利弊如何？钢材硬化有哪些方式，其利弊如何？（（P27）20. 构件受压区的母材或者焊缝是否有必要进行疲劳验算？为什么？（P32）21. 焊条的牌号怎么解读？选用时有什么注意事项？焊条的牌号怎么解读？选用时有什么注意事项？（（P43）22. 什么是应力集中系数？比较下面几种开孔板件，在孔边附近哪一种的应力集中程度最大？应力集中和什么因素相关？相关？（（P28）23. 什么条件下设计计算需要考虑应力集中？什么条件下可不考虑?（P29）24. 钢材的疲劳破坏与哪些因素有关?（P32）第3章 钢结构连接1. 对接焊缝和角焊缝相比，在施工上各自有何特点？（3点）2. 焊缝中可能存在哪些缺陷？各自的影响体现在什么地方？焊缝中可能存在哪些缺陷？各自的影响体现在什么地方？（（P50）3. 弯剪作用下H 型钢梁柱连接时假定剪力由腹板承受的原因是什么？型钢梁柱连接时假定剪力由腹板承受的原因是什么？（（P57 图3.13）4. 异种钢焊接的焊条选用方法是什么，原因是什么？异种钢焊接的焊条选用方法是什么，原因是什么？（（P48）5. 引弧板对焊接及焊缝计算的影响分别是什么？（P55）6. 对接焊缝什么条件下不需要进行强度验算？Ⅰ级对接焊缝的强度指标与Ⅱ级、Ⅲ级有什么差异。

钢结构基本原理第一章概述1、钢结构设计是怎样确保结构安全、可靠、经济的？钢结构设计的主要目的是要保证所建造的结构安全适用，能够在设计使用年限内满足各项功能要求并且经济合理。

我国《建筑结构设计统一标准》规定，建筑结构必须满足安全性、适用性和耐久性的要求。

为使建筑物设计符合技术先进、经济合理、安全适用，确保质量的要求，建筑结构方案设计，包括结构选型设计占有重要的地位。

建筑结构方案设计和选型的构思是一项很细致的工作，其有充分考虑各种影响因素并进行全面综合分析，才能做出优化的方案选择。

结构选型应综合考虑建筑对使用空间的要求、结构的合理几何体型、建筑结构材料的种类、结构设计理论的差异、经挤因素等多种影响因素。

4、钢材脆性破坏和塑性破坏的原因、现象及后果是什么?原因：塑性破坏是由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到钢材的抗拉强度后才发生，破坏前构件产生较大的塑性变形；脆性破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点，断裂从应力集中处开始。

现象：塑性破坏加载后有较大变形，因此破坏前有预兆，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。

脆性破坏加载后，无明显变形，因此破坏前无预兆，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。

后果：脆性破坏危险性大。

塑性破坏可以及时采取措施予以补救，危险性相对于脆性破坏稍小。

7、钢材为什么会发生疲劳破坏？如何验算疲劳强度？钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续重复荷载循环下不断扩展至断裂的脆性破坏。

第二章钢结构的连接1、钢结构有哪些连接方法？各有什么特点？答：钢结构常用的连接方法有：焊缝连接、螺栓连接、铆接；焊缝连接：属刚接（可以承受弯矩），除了直接承受动力荷载的结构中、超低温状态下，均可采用焊缝连接。

螺栓连接：属铰接（弯矩为零）一般情况下均可使用；特点是现场作业快，容易拆除，维修方便；铆接：当结构受力较小的情况下使用；2、焊缝的连接形式有哪些？简述各种连接形式的适用范围。

钢结构设计原理复习第一章绪论1、钢结构的特点（前5为优点，后三为缺点）1）强度高、重量轻2）材质均匀，塑性、韧性好3）良好的加工性能和焊接性能（易于工厂化生产，施工周期短，效率高、质量好）4）密封性能好 5 )可重复性使用性 6 ) 耐热性较好，耐火性差7)耐腐蚀性差8)低温冷脆倾向2、钢结构的应用1）大跨结构【钢材强度高、结构重量轻】（体育馆、会展、机场、厂房）2）工业厂房【具有耐热性】3）受动力荷载影响的结构【钢材具有良好的韧性】4）多层与高层建筑【钢结构的综合效益指标优良】（宾馆、办公楼、住宅等）3、结构的可靠度：结构在规定的时间（50年），规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用、正常维护）下，完成预定功能的概率。

4、结构的极限状态：承载能力极限状态（计算时使用荷载设计值）、正常使用极限状态（荷载取标准值）5、涉及标准值转化为设计值的分项系数：恒荷载取1.2 活荷载取1.4第二章钢结构的材料1、钢材的加工①热加工：指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，生产出各种厚度的钢板和型钢。

（热加工的开轧和锻压温度控制在1150-1300℃）②冷加工：指在常温下对钢材进行加工。

（冷作硬化现象：钢材经冷加工后，会产生局部或整体硬化，即在局部或整体上提高了钢材的强度和硬度，降低了塑性和韧性的现象）③热处理：指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。

（退火、正火、淬火和回火）3、钢材的六大机械性能指标屈服点f y：它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。

（作为钢结构设计可以达到的最大应力）抗拉强度f u：它是钢材破坏前所能承受的最大应力。

（强度的安全储备）伸长率δ：代表材料断裂前具有的塑性变形能力。

断面收缩率ψ：断面收缩率ψ越大，钢材的塑性越好。

冷弯性能（塑性）：钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。

冲击韧性：【韧性：反映钢材抵抗冲击荷载、动力荷载的能力，是钢材在变形和断裂中吸收能量的度量。

钢结构设计原理复习题第1章 绪论一、选择题1、在结构设计中，失效概率P f 与可靠指标β的关系为（ B ）。

A 、P f 越大，β越大，结构可靠性越差B 、P f 越大，β越小，结构可靠性越差C 、P f 越大，β越小，结构越可靠D 、P f 越大，β越大，结构越可靠 2、钢结构的主要缺点是（ C ）。

A 、结构的重量大B 、造价高C 、易腐蚀、不耐火D 、施工困难多3、大跨度结构常采用钢结构的主要原因是钢结构（ B ）A.密封性好B.自重轻C.制造工厂化D.便于拆装 4、当结构所受荷载的标准值为：永久荷载k G q ，且只有一个可变荷载k Q q ，则荷载的设计值为（ D ）。

A ．k G q ＋k Q qB ．1.2（k G q ＋k Q q ）C ．1.4（k G q ＋k Q q ）D ．1.2k G q ＋1.4k Q q二、填空题1、结构的可靠度是指结构在 规定的时间 内，在 规定的条件 下，完成预定功能的概率。

三、简答题1、两种极限状态指的是什么？其内容有哪些？答：两种极限状态指的是承载能力极限状态和正常使用极限状态。

承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或是出现不适于继续承载的变形，包括倾覆、强度破坏、疲劳破坏、丧失稳定、结构变为机动体系或出现过度的塑性变形等。

正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值，包括出现影响正常使用或影响外观的变形，出现影响正常使用或耐久性能的局部损坏以及影响正常使用的振动等。

第2章 钢结构材料 一、选择题1、钢材应力应变关系的理想弹塑性模型是（ A ）。

2、在构件发生断裂破坏前，有明显先兆的情况是（ B ）的典型特征。

(A)脆性破坏 (B)塑性破坏 (C)强度破坏 (D)失稳破坏3、钢材的设计强度是根据（ C ）确定的。

(A)比例极限 (B)弹性极限 (C)屈服点 (D)极限强度 4、结构工程中使用钢材的塑性指标，目前最主要用（ D ）表示。

《钢结构设计原理》复习思考题第1章绪论1.钢结构与其它材料的结构相比，具有哪些特点？1)钢材强度高，结构重量轻2）材质均匀，且塑性韧性好3)良好的加工性能和焊接性能4）密封性好5）钢材的可重复使用性6）钢材耐热但不耐火7）耐腐蚀性差8）钢结构的低温冷脆倾向2.结合钢结构特点，钢结构有哪些合适的应用范围？1）大跨结构2）工业厂房3）受动力荷载影响的结构4）多层和高层建筑5）高耸结构6）可拆卸的结构7）容器和其他构筑物8）轻型钢结构9）钢和混凝土的组合结构3.我国《钢结构设计规范》规定钢结构采用什么设计方法？具体的准则是什么？设计方法主要以概率极限状态设计法为主，对于钢结构的疲劳验算，以及储液罐和压力容器等结构，则依然沿用以经验为主的容许应力设计法4.两种极限状态指的是什么？其内容有哪些？指的是承载能力极限状态和正常使用极限状态，其中承载能力极限状态包括构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载、结构和构件丧失稳定、结构转变为机动体系和结构倾覆，正常使用极限状态包括影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用或耐久性能的局部破坏（包括组合结构中混凝土裂缝）5.分项系数设计准则的公式中，各符号的意义是什么？两种极限状态设计时对各物理量的代表值有什么要求？详见课本p10-p11，承载能力极限状态是采用设计值，而正常使用极限状态是采用标准值第2章钢结构的材料1.钢材的生产和加工工艺有哪些？对钢材质量和组织结构各有什么影响？钢材的生产大致可分为炼铁、炼钢和轧制，加工工艺可分为热加工、冷加工和热处理三种。

2.钢结构的破坏形式有哪两种？其特点如何？它们的区别在哪里？破坏形式有塑性破坏和脆性破坏，塑性破坏的特点是当应力超过屈服强度后材料有明显塑性变形，当应力继续增大，断面出现颈缩，有持续的变形时间。

脆性破坏的特点是破坏前无征兆（变形很小），断口平直，破坏突然发生。

第一章绪论、第二章钢材习题一、名词解释1、承载能力的极限状态：结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形时所对应的极限状态。

2、正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项限值时所对应的极限状态。

3、钢材的韧性：钢材抵抗冲击荷载的能力，用冲击韧性值指标来衡量。

4、时效硬化：轧制钢材放置一段时间后，其机械性能会发生变化，强度提高，塑性降低，这种现象称为时效硬化。

5、冷作硬化：钢材受荷超过弹性范围以后，若重复地卸载、加载，将使钢材弹性极限提高，塑性降低，这种现象称为冷作硬化。

6、钢材的冷脆：在负温度范围，随温度下降，钢材的屈服强度、抗拉强度提高，但塑性变形能力减小，冲击韧性降低，这种现象称为钢材的冷脆。

7、应力集中：构件由于截面的突然改变，致使应力线曲折、密集，故在空洞边缘或缺口尖端处，将局部出现应力高峰，其余部分则应力较低，这种现象称为应力集中。

8、塑性破坏：破坏前有显著的变形，吸收很大的能量，延续时间长，有明显的塑性变形，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。

9、脆性破坏：破坏前无明显变形，破坏突然发生，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。

脆性破坏危险性大。

10、蓝脆：钢材总得趋势是随着温度的提高，钢材强度及弹性模量下降；但是在250℃附近，钢材强度有所提高，塑性相应降低，钢材性能转脆，由于在这个温度下钢材表面氧化膜呈蓝色，故称为蓝脆。

二、填空题1．钢材的三项基本力学性能指标分别为：屈服强度、抗拉强度和伸长率。

2．Q235－BF表示屈服强度为235MPa的B级常温冲击韧性沸腾钢。

3．普通工字钢用符号I 及号数表示，其中号数代表高度的厘米数。

4．根据应力－应变曲线，低碳钢在单向受拉过程中的工作特性，可以分为弹性阶段、弹塑性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。

5．钢材在当温度下降到负温的某一区间时，其冲击韧性急剧下降，破坏特征明显地由塑性破坏破坏转变为脆性破坏破坏，这种现象称为冷脆。

6.钢结构有耐腐蚀性差和_ 耐火性__差的弱点。

绪论部分复习思考题0-1与其他材料结构相比,钢结构有何优缺点?1）建筑钢材强度高，塑性、韧性好。

２)钢结构的重量轻。

３)材质均匀和力学计算的假定比较符合。

４)钢结构制作简便，施工工期短。

５)钢结构密闭性较好。

６)钢结构耐腐蚀性差７)钢材耐热但不耐火。

８)钢结构在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂。

0-2钢结构的合理应用范围是什么？1）工业厂房。

2）大跨结构。

3）高耸结构。

4）多层和高层建筑。

5）承受振动荷载影响及地震作用的结构。

6）板壳结构。

7）其他特种结构。

8）可拆卸或移动的结构。

9）轻型钢结构。

10）和混凝土组合成的组合结构实训练习题0-1填空题1．钢结构具有建筑钢材强度高，塑性、韧性好２)钢结构的重量轻３)材质均匀和力学计算的假定比较符合４)钢结构制作简便，施工工期短５)钢结构密闭性较好６)钢结构耐腐蚀性差７)钢材耐热但不耐火８)钢结构在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂等特点。

0-2选择题1．钢结构更适合于建造大跨结构，这是由于（C）。

A.钢材具有良好的耐热性B.钢材具有良好的焊接性C.钢结构自重轻而承载力高D.钢结构的实际受力性能和力学计算结果最符合2．关于建筑结构钢材的特点，下列说法中错误的是（ C ）。

A.钢材具有良好的塑性，达到拉伸极限而破坏时，应变可达20％~30％B.钢材具有良好的焊接性能，采用焊接结构可以使钢结构的连接大为简化C.钢结构的耐腐蚀性很好，适合在各种恶劣环境中使用D.钢结构的耐热性很好，但耐火性能很差3．与混凝土结构相比，钢结构更适合于建造高层和大跨度房屋，因为（B）。

A．钢结构自重大、承载力较高B．钢结构自重轻、承载力较高C．钢结构自重大、承载力较低D．钢结构自重轻、承载力较低单元1建筑钢材复习思考题1-1影响钢材性能的因素有哪些？1)化学成分的影响2）轧制与冶金缺陷的影响3）钢材硬化的影响4）温度影响5）应力集中的影响反复荷载作用的影响1-2钢结构用钢材力学性能指标有哪几项? 承重结构的钢材至少应保证哪几项指标满足要求？强度塑性韧性冷弯性能良好的工艺性能（包括冷加工、热加工和可焊性）承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证。