【结构学院】关于钢结构你必须要知道的32个知识点

文章作者：兰因璧月 | 文章来源：漫谈结构设计

1  .

钢结构设计时，挠度超出限值，会后什么后果？

影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动；影响正常使用的其它特定状态。

2  .

采用直缝钢管代替无缝管，不知能不能用？

结构用钢管中理论上应该是一样，区别不是很大，直缝焊管不如无缝管规则，焊管的形心有可能不在中心，所以用作受压构件时尤其要注意，焊管焊缝存在缺陷的机率相对较高，重要部位不可代替无缝管，无缝管受加工工艺的限制管壁厚不可能做的很薄（相同管径的无缝管平均壁厚要比焊管厚），很多情况下无缝管材料使用效率不如焊管，尤其是大直径管。

无缝管与焊管最大的区别是用在压力气体或液体传输上（DN）。

3  .

什么是长细比？

结构的长细比λ＝μl/i，i为回转半径。概念可以简单的从计算公式可以看出来：长细比即构件计算长度与其相应回转半径的比值。从这个公式中可以看出长细比的概念综合考虑了构件的端部约束情况，构件本身的长度和构件的截面特性。长细比这个概念对于受压杆件稳定计算的影响是很明显的，因为长细比越大的构件越容易失稳。可以看看关于轴压和压弯构件的计算公式，里面都有与长细比有关的参数。对于受拉构件规范也给出了长细比限制要求，这是为了保证构件在运输和安装状态下的刚度。对稳定要求越高的构件，规范给的稳定限值越小。

4  .

长细比和挠度是什么关系呢？

1. 挠度是加载后构件的的变形量，也就是其位移值。

2. 细比用来表示轴心受力构件的刚度" 长细比应该是材料性质。任何构件都具备的性质，轴心受力构件的刚度，可以用长细比来衡量。

3.挠度和长细比是完全不同的概念。长细比是杆件计算长度与截面回转半径的比值。挠度是构件受力后某点的位移值。

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挠度在设计时不符合规范，用起拱来保证可不可以这样做？

1、结构对挠度进行控制，是按正常使用极限状态进行设计。对于钢结构来说，挠度过大容易影响屋面排水、给人造成恐惧感，对于混凝土结构来说挠度过大，会造成耐久性的局部破坏（包括混凝土裂缝）。我认为，因建筑结构挠度过大造成的以上破坏，都能通过起拱来解决。

2、有些结构起拱很容易，比如双坡门式刚架梁，如果绝对挠度超限，可以在制作通过加大屋面坡度来调整。有些结构起拱不太容易，比如对于大跨度梁，如果相对挠度超限，则每段梁都要起拱，由于起拱梁拼接后为折线，而挠度变形为曲线，两线很难重合，会造成屋面不平。对于框架平梁则更难起拱了，总不能把平梁做成弧行的。

3、假如你准备用起拱的方式，来降低由挠度控制的结构的用钢量，挠度控制规定要降低，这时必须控制活载作用下的挠度，恒载产生的挠度用起拱来保证。

6  .

受弯工字梁的受压翼缘的屈曲，是沿着工字梁的弱轴方向屈曲，还是强轴方向屈曲？

当荷载不大时，梁基本上在其最大刚度平面内弯曲，但当荷载大到一定数值后，梁将同时产生较大的侧向弯曲和扭转变形，最后很快的丧失继续承载的能力。此时梁的整体失稳必然是侧向弯扭弯曲。

解决方法大致有三种：

1、增加梁的侧向支撑点或缩小侧向支撑点的间距；

2、调整梁的截面，增加梁侧向惯性矩Iy或单纯增加受压翼缘宽度（如吊车梁上翼缘）；

3、梁端支座对截面的约束，支座如能提供转动约束，梁的整体稳定性能将大大提高。

7  .

屈曲后承载力的物理概念是什么？

屈曲后的承载力主要是指构件局部屈曲后仍能继续承载的能力，主要发生在薄壁构件中，如冷弯薄壁型钢，在计算时使用有效宽度法考虑屈曲后的承载力。屈曲后承载力的大小主要取决于板件的宽厚比和板件边缘的约束条件，宽厚比越大，约束越好，屈曲后的承载力也就越高。在分析方法上，目前国内外规范主要是使用有效宽度法。但是各国规范在计算有效宽度时所考虑的影响因素有所不同。

8  .

钢结构设计规范中为什么没有钢梁的受扭计算？

通常情况下，钢梁均为开口截面（箱形截面除外），其抗扭截面模量约比抗弯截面模量小一个数量级，也就是说其受扭能力约是受弯的1/10，这样如果利用钢梁来承受扭矩很不经济。于是，通常用构造保证其不受扭，故钢结构设计规范中没有钢梁的受扭计算。

9  .

无吊车采用砌体墙时的柱顶位移限值是h/100还是h /240？

轻钢规程确实已经勘误过此限值，主要是1/100的柱顶位移不能保证墙体不被拉裂。同时若墙体砌在刚架内部（如内隔墙），我们计算柱顶位移时是没有考虑墙体对刚架的嵌固作用的（夸张一点比喻为框剪结构）。

10  .

什么叫做最大刚度平面？

最大的刚度平面就是绕强轴转动平面，一般截面有两条轴，其中绕其中一条的转动惯性矩大，称为强轴，另一条就为弱轴。

11  .

剪切滞后和剪力滞后有什么区别吗？它们各自的侧重点是什么？

剪力滞后效应在结构工程中是一个普遍存在的力学现象，小至一个构件，大至一栋超高层建筑，都会有剪力滞后现象。剪力滞后，有时也叫剪切滞后，从力学本质上说，是圣维南原理，具体表现是在某一局部范围内，剪力所能起的作用有限，所以正应力分布不均匀，把这种正应力分布不均匀的现象叫剪切滞后。

墙体上开洞形成的空腹筒体又称框筒，开洞以后，由于横梁变形使剪力传递存在滞后现象，使柱中正应力分布呈抛物线状，称为剪力滞后现象。

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地脚螺栓锚固长度加长会对柱子的受力产生什么影响？

锚栓中的轴向拉应力分布是不均匀的，成倒三角型分布，上部轴向拉应力最大，下部轴向拉应力为０。随着锚固深度的增加，应力逐渐减小，最后达到25～30倍直径的时候减小为0。因此锚固长度再增加是没有什么用的。只要锚固长度满足上述要求，且端部设有弯钩或锚板，基础混凝土一般是不会被拉坏的。

13  .

高强螺栓长度如何计算的？

高强螺栓螺杆长度=2个连接端板厚度+一个螺帽厚度+2个垫圈厚度+3个丝口长度。

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应力幅准则和应力比准则的异同及其各自特点？

长期以来钢结构的疲劳设计一直按应力比准则来进行的。对于一定的荷载循环次数，构件的疲劳强度σmax和以应力比R为代表的应力循环特征密切相关。对σmax引进安全系数,即可得到设计用的疲劳应力容许值〔σmax〕=f(R)。把应力限制在〔σmax〕以内,这就是应力比准则。

自从焊接结构用于承受疲劳荷载以来，工程界从实践中逐渐认识到和这类结构疲劳强度密切相关的不是应力比R,而是应力幅Δσ。应力幅准则的计算公式是Δσ≤〔Δσ〕。

〔Δσ〕是容许应力幅,它随构造细节而不同，也随破坏前循环次数变化.焊接结构疲劳计算宜以应力幅为准则,原因在于结构内部的残余应力.非焊接构件。对于R >=0的应力循环,应力幅准则完全适用,因为有残余应力和无残余应力的构件疲劳强度相差不大。对于R<0的应力循环,采用应力幅准则则偏于安全较多。

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为什么梁应压弯构件进行平面外平面内稳定性计算，坡度较小时可仅计算平面内稳定性即可？

梁只有平面外失稳的形式。从来就没有梁平面内失稳这一说。对柱来说，在有轴力时，平面外和平面内的计算长度不同，才有平面内和平面外的失稳验算。对刚架梁来说，尽管称其为梁，其内力中多少总有一部分是轴力，所以它的验算严格来讲应该用柱的模型，即按压弯构件的平面内平面外都得算稳定。但当屋面坡度较小时，轴力较小，可忽略，故可用梁的模型，即不用计算平面内稳定。门规中的意思（P33, 第6.1.6-1条）是指在屋面坡度较小时，斜梁构件在平面内只需计算强度，但在平面外仍需算稳定。

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为何次梁一般设计成与主梁铰接？

如果次梁与主梁刚接，主梁同一位置两侧都有同荷载的次梁还好，没有的话次梁端弯矩对于主梁来说平面外受扭，还要计算抗扭，牵扯到抗扭刚度，扇性惯性矩等。另外刚接要增加施工工作量,现场焊接工作量大大增加，得不偿失，一般没必要次梁不作成刚接。

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什么是塑性算法？什么是考虑屈曲后强度？

塑性算法是指在超静定结构中按预想的部位达到屈服强度而出现塑性铰，进而达到塑性内力重分布的目的，且必须保证结构不形成可变或瞬变体系。考虑屈曲后强度是指受弯构件的腹板丧失局部稳定后仍具有一定的承载力，并充分利用其屈曲后强度的一种构件计算方法。

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什么叫刚性系杆，什么叫柔性系杆？

刚性系杆即可以受压又可以受拉，一般采用双角钢和圆管，而柔性系杆只能受拉，一般采用单角钢或圆管。

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隅撑能否作为支撑吗？和其他支撑的区别？

1、隅撑和支撑是两个结构概念。隅撑用来确保钢梁截面稳定，而支撑则是用来与钢架一起形成结构体系的稳定，并保证其变形及承载力满足要求。

2、隅撑可以作为钢梁受压翼缘平面外的支点。它是用来保证钢梁的整体稳定性的。

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钢结构轴心受拉构件设计时须考虑什么？

1、在不产生疲劳的静力荷载作用下，残余应力对拉杆的承载力没有影响。

2、拉杆截面如果有突然变化，则应力在变化处的分布不再是均匀的。

3、设计拉杆应该以屈服作为承载力的极限状态。

4、承载力极限状态要从毛截面和净截面两方面来考虑。

5、要考虑净截面的效率。

21  .

钢柱的弹簧刚度怎么计算？计算公式是什么？混凝土柱的弹簧刚度和混凝土柱上有圈梁时的弹簧刚度怎么计算?计算公式是什么？

弹簧刚度是考虑将柱子按悬臂构件，在柱顶作用一单位力，计算出所引起的侧移，此位移就是弹簧刚度，单位一般是KN/mm。如果有圈梁的情况，在无圈梁约束的方向，弹簧刚度计算同悬臂构件，在另一个方向，因为柱顶有圈梁，所以计算公式中的EI为该方向所有柱的总和。

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什么是蒙皮效应？

在垂直荷载作用下，坡顶门式刚架的运动趋势是屋脊向下、屋檐向外变形。屋面板将与支撑檩条一起以深梁的形式来抵抗这一变形趋势。这时，屋面板承受剪力，起深梁的腹板的作用。而边缘檩条承受轴力起深梁翼缘的作用。显然，屋面板的抗剪切能力要远远大于其抗弯曲能力。所以，蒙皮效应指的是蒙皮板由于其抗剪切刚度对于使板平面内产生变形的荷载的抵抗效应。对于坡顶门式刚架，抵抗竖向荷载作用的蒙皮效应取决于屋面坡度，坡度越大蒙皮效应越显著；而抵抗水平荷载作用的蒙皮效应则随着坡度的减小而增加。

构成整个结构蒙皮效应的是蒙皮单元。蒙皮单元由两榀刚架之间的蒙皮板、边缘构件和连接件及中间构件组成。边缘构件是指两相邻的刚架梁和边檩条（屋脊和屋檐檩条），中间构件是指中间部位檩条。蒙皮效应的主要性能指标是强度和刚度。

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轴心受压构件弯曲屈曲采用小挠度和大挠度理论，我想知道小挠度和小变形理论有什么区别？

小变形理论是说结构变形后的几何尺寸的变化可以不考虑，内力计算时仍按变形前的尺寸！这里的变形包括所有的变形：拉、压、弯、剪、扭及其组合。小挠度理论认为位移是很小的，属于几何线性问题，可以用一个挠度曲线方程去近似，从而建立能量，推导出稳定系数，变形曲率可近似用y”=1/ρ代替！用y”来代替曲率，是用来分析弹性杆的小挠度理论。在带弹簧的刚性杆里，就不是这样了。还有，用大挠度理论分析，并不代表屈曲后，荷载还能增加，比如说圆柱壳受压，屈曲后只能在更低的荷载下保持稳定。简单的说，小挠度理论只能得到临界荷载，不能判断临界荷载时或者屈曲后的稳定。大挠度理论可以解出屈曲后性能。

24  .

什么是二阶弯矩，二阶弹塑性分析？

对很多结构，常以未变形的结构作为计算图形进行分析，所得结果足够精确。此时，所得的变形与荷载间呈线性关系，这种分析方法称为几何线性分析，也称为一阶(First Order)分析。而对有些结构，则必须以变形后的结构作为计算依据来进行内力分析，否则所得结果误差就较大。这时，所得的变形与荷载间的关系呈非线性分析。这种分析方法称为几何非线性分析，也称为二阶(Second Order)分析。以变形后的结构作为计算依据，并且考虑材料的弹塑性（材料非线性）来进行结构分析，就是二阶弹塑性分析。

25  .

什么是”鲍辛格效应“，它对钢结构设计的影响大吗?

鲍辛格效应就是在材料达到塑性变形后，歇载后留下的不可恢复的变形，这种变形是塑性变形，这种变形对结构是否有影响当然是可想而知的！

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“刨平顶紧”，刨平顶紧后就不用再焊接了吗？

磨光顶紧是一种传力的方式，多用于承受动载荷的位置。为避免焊缝的疲劳裂纹而采取的一种传力方式。有要求磨光顶紧不焊的，也有要求焊的。看具体图纸要求。接触面要求光洁度不小于12.5，用塞尺检查接触面积。刨平顶紧目的是增加接触面的接触面积，一般用在有一定水平位移、简支的节点，而且这种节点都应该有其它的连接方式（比如翼缘顶紧，腹板就有可能用栓接）。

一般的这种节点要求刨平顶紧的部位都不需要焊接，要焊接的话，刨平顶紧在焊接时不利于融液的深入，焊缝质量会很差，焊接的部位即使不开坡口也不会要求顶紧的。顶紧与焊接是相互矛盾的，所以上面说顶紧部位再焊接都不准确，不过也有一种情况有可能出现顶紧焊接，就是顶紧的节点对其它自由度的约束不够，又没有其它部位提供约束，有可能在顶紧部位施焊来约束其它方向的自由度，这种焊缝是一种安装焊缝，也不可能满焊，更不可能用做主要受力焊缝。

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什么是热轧，什么是冷轧，有什么区别？

热扎是钢在1000度以上用轧辊压出, 通常板小到2MM厚,钢的高速加工时的变形热也抵不到钢的面积增大的散热, 即难保温度1000度以上来加工，只得牺牲热轧这一高效便宜的加工法, 在常温下轧钢, 即把热轧材再冷轧, 以满足市场对更薄厚度的要求。当然冷轧又带来新的好处, 如加工硬化，使钢材强度提高，但不宜焊, 至少焊处加工硬化被消除, 高强度也无了, 回到其热轧材的强度了，冷弯型钢可用热扎材, 如钢管，也可用冷扎材，冷扎材还是热轧材,2mm一个判据， 热轧材最薄2mm冷扎材最厚3mm。

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软钩吊车与硬钩有什么区别？

软钩吊车：是指通过钢绳、吊钩起吊重物。硬钩吊车：是指通过刚性体起吊重物，如夹钳、料耙。硬钩吊车工作频繁，运行速度高，小车附设的刚性悬臂结构使吊重不能自由摆动。

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什么是钢材的层层状撕裂？

钢板的层状撕裂一般在板厚方向有较大拉应力时发生。在焊接节点中，焊缝冷却时，会产生收缩变形。如果很薄或没有对变形的约束，钢板会发生变形从而释放了应力。但如果钢板很厚或有加劲肋，相邻板件的约束，钢板受到约束不能自由变形，会在垂直于板面方向上产生很大的应力。在约束很强的区域,由于焊缝收缩引起的局部应力可能数倍于材料的屈服极限,致使钢板产生层状撕裂。

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钢材或钢结构的脆性断裂是什么？

指应力低于钢材抗拉强度或屈服强度情况下发生突然断裂的破坏。钢结构尤其是焊接结构,由于钢材、加工制造、焊接等质量和构造上的原因，往往存在类似于裂纹性的缺陷。脆性断裂大多是因这些缺陷发展以致裂纹失稳扩展而发生的，当裂纹缓慢扩展到一定程度后, 断裂即以极高速度扩展，脆断前无任何预兆而突然发生破坏。

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箱型柱内隔板最后一道焊缝的焊接是如何进行操作的？

采用电渣焊焊接，质量很容易保证。

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什么是钢结构柱的中心座浆垫板法？

钢结构柱安装的中心座浆垫板法，省工省时，施工精度可控制在2mm以内，综合效益可提高20%以上。施工步骤如下：

(1)按施工图进行钢柱基础施工(与通常施工方法一样)，基础上面比钢柱底面安装标高低30～50mm，以备放置中心座浆垫板。

(2)根据钢柱自重Q、螺栓预紧力F、基础混凝土承压强度P，计算出最小承压面积Amin。

(3)用厚度为10、12mm的钢板制作成方形或圆形的中心座浆垫板，其面积不宜小于最小承压面积Amin的2倍。

(4)在已完工的基础上座浆并放置中心座浆垫板。施工时需用水平尺、水平仪等工具进行精确测量，保证中心垫板水平度，保证垫板中心与安装轴线一致，保证垫板上面标高与钢柱底面安装标高一致。

(5)待座浆层混凝土强度达到设计强度的75%以上时，进行钢柱的吊装。钢柱的吊装可直接进行，只需通过调整地脚螺栓即可进行找平找正。

(6)进行二次灌浆，采用无收缩混凝土或微膨胀混凝土。进行二次灌浆。