第二章
2.1 如图2-34所示钢材在单向拉伸状态下的应力－应变曲线，请写出弹性阶段和非弹性阶段的???关系式。
σσfyfytgα=Etgα'=E'αεαα'00ε 图2-34 ???图
（a）理想弹性－塑性
（b）理想弹性强化
解：
（1）弹性阶段：??E??tan???
非弹性阶段：??fy（应力不随应变的增大而变化） （2）弹性阶段：??E??tan??? 非弹性阶段：??fy?E'(??fyE)?fy?tan?'(??fytan?)
2.2如图2-35所示的钢材在单向拉伸状态下的???曲线，试验时分别在A、B、C卸载至零，则在三种情况下，卸载前应变?、卸载后残余应变?c及可恢复的弹性应变?y各是多少？
fy?235N/mm2 ?c?270N/mm2 ?F?0.025 E?2.06?105N/mm2E'?1000N/mm2
σσcfyABE'CE0εyεFε
图2-35 理想化的???图
解：
（1）A点： 卸载前应变：??fyE?2352.06?105?0.00114
卸载后残余应变：?c?0
可恢复弹性应变：?y????c?0.00114可复制、编制，期待你的好评与关注！
（2）B点：
卸载前应变：???F?0.025 卸载后残余应变：?c???fyE?0.02386
可恢复弹性应变：?y????c?0.00114
（3）C点：
卸载前应变：???F??c?fyE'?0.025?0.035?0.06
卸载后残余应变：?c????cE?0.05869
可恢复弹性应变：?y????c?0.00131
2.3试述钢材在单轴反复应力作用下，钢材的???曲线、钢材疲劳强度与反复应力大小和作用时间之间的关系。
答：钢材???曲线与反复应力大小和作用时间关系：当构件反复力??fy时，即材料处于弹性阶段时，反复应力作用下钢材材性无变化，不存在残余变形，钢材???曲线基本无变化；当??fy时，即材料处于弹塑性阶段，反复应力会引起残余变形，但若加载－卸载连续进行，钢材???曲线也基本无变化；若加载－卸载具有一定时间间隔，会使钢材屈服点、极限强度提高，而塑性韧性降低（时效现象）。钢材???曲线会相对更高而更短。另外，载一定作用力下，作用时间越快，钢材强度会提高、而变形能力减弱，钢材???曲线也会更高而更短。
钢材疲劳强度与反复力大小和作用时间关系：反复应力大小对钢材疲劳强度的影响以应力比或应力幅（焊接结构）来量度。一般来说，应力比或应力幅越大，疲劳强度越低；而作用时间越长（指次数多），疲劳强度也越低。
2.4试述导致钢材发生脆性破坏的各种原因。 答：（1）钢材的化学成分，如碳、硫、磷等有害元素成分过多；（2）钢材生成过程中造成的缺陷，如夹层、偏析等；（3）钢材在加工、使用过程中的各种影响，如时效、冷作硬化以及焊接应力等影响；（4）钢材工作温度影响，可能会引起蓝脆或冷脆；（5）不合理的结构细部设计影响，如应力集中等；（6）结构或构件受力性质，如双向或三向同号应力场；（7）结构或构件所受荷载性质，如受反复动力荷载作用。
2.5 解释下列名词： （1）延性破坏
延性破坏，也叫塑性破坏，破坏前有明显变形，并有较长持续时间，应力超过屈服点fy、并达到抗拉极限强度fu的破坏。 （2）损伤累积破坏 指随时间增长，由荷载与温度变化，化学和环境作用以及灾害因素等使结构或构件产生损伤并不断积累而导致的破坏。
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（3）脆性破坏
脆性破坏，也叫脆性断裂，指破坏前无明显变形、无预兆，而平均应力较小（一般小于屈服点fy）的破坏。 （4）疲劳破坏
指钢材在连续反复荷载作用下，应力水平低于极限强度，甚至低于屈服点的突然破坏。 （5）应力腐蚀破坏
应力腐蚀破坏，也叫延迟断裂，在腐蚀性介质中，裂纹尖端应力低于正常脆性断裂应力临界值的情况下所造成的破坏。 （6）疲劳寿命
指结构或构件中在一定恢复荷载作用下所能承受的应力循环次数。
2.6 一两跨连续梁，在外荷载作用下，截面上A点正应力为?1?120N/mm2，
?2??80N/mm2，B点的正应力?1??20N/mm2，?2??120N/mm2，求梁A点与B点的
应力比和应力幅是多少？ 解：
（1）A点：
应力比：???280????0.667 应力幅：???max??min?120?80?200N/mm2 ?1120（2）B点：
应力比：???120??0.167 应力幅：???max??min??20?120?100N/mm2 ?2120
(4)Q235D
2.7指出下列符号意义：
(1)Q235AF (2)Q345D (3)Q390E 答：
（1）Q235AF：屈服强度fy?235N/mm2、质量等级A（无冲击功要求）的沸腾钢（碳素结构钢）
（2）Q345D：屈服强度fy?345N/mm2、质量等级D（要求提供-20C时纵向冲击功Ak?34J）
0
的特殊镇静钢（低合金钢）
（3）Q390E：屈服强度fy?390N/mm2、质量等级E（要求提供-40C时纵向冲击功Ak?27J）
0
的特殊镇静钢（低合金钢）
（4）Q235D：屈服强度fy?235N/mm2、质量等级D（要求提供-20C时纵向冲击功
0
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Ak?27J）的特殊镇静钢（碳素结构钢）
2.8根据钢材下选择原则，请选择下列结构中的钢材牌号：
（1）在北方严寒地区建造厂房露天仓库使用非焊接吊车梁，承受起重量Q>500KN的中级工作制吊车，应选用何种规格钢材品种？
0
（2）一厂房采用焊接钢结构，室内温度为-10C，问选用何种钢材？ 答：（1）要求钢材具有良好的低温冲击韧性性能、能在低温条件下承受动力荷载作用，可选Q235D、Q345D等；（2）要求满足低温可焊性条件，可选用Q235BZ等。
2.9钢材有哪几项主要机械指标？各项指标可用来衡量钢材哪些方面的性能？
答：主要机械性能指标：屈服强度fy、极限强度fu以及伸长率?5或?10，其中，屈服强度fy、极限强度fu是强度指标，而伸长率?5或?10是塑性指标。
2.10影响钢材发生冷脆的化学元素是哪些？使钢材发生热脆的化学元素是哪些？ 答：影响钢材发生冷脆的化学元素主要有氮和磷，而使钢材发生热脆的化学元素主要是氧和硫。 第三章
3.1 试设计图所示的用双层盖板和角焊缝的对接连接。采用Q235钢，手工焊，焊条为E4311，轴心拉力N＝1400KN(静载，设计值)。主板-20×420。 解 盖板横截面按等强度原则确定，即盖板横截面积不应小于被连接板件的横截面积．因此盖板钢材选Q235钢，横截面为-12×400，总面积A1为
22
A1＝2×12×400＝9600mm＞A＝420×20＝8400mm
w直角角焊缝的强度设计值ff＝160N／mm(查自附表1.3)
2
角焊缝的焊脚尺寸：较薄主体金属板的厚度t＝12mm，因此，hf,max= t-2= 12-2=10mm；较厚主体金属板的厚度t＝20mm，因此，hf,min＝1.5t＝1.520＝6.7mm?7mm，所以，取角焊缝的焊脚尺寸hf＝10mm，满足：hf,max≥hf ≥hf,min
a)采用侧面角焊缝时 因为b＝400mm＞200mm(t＝12mm)因此加直径d＝15mm的焊钉4个，由于焊钉施焊质量不易保证，仅考虑它起构造作用。
1020020010102002001010101010N340340NN909020(b)10121220101212(a)侧面角焊缝的计算长度lw为
lw＝N／(4hfffw)＝1.4×106／(4×0.7×10×160)＝312.5mm
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满足lw,min= 8hf= 8×10 ＝80mm＜lw＜60hf＝60×10＝600mm条件。 侧面角焊缝的实际长度lf为
lf＝lw+ 2hf＝312.5＋20＝332.5mm,取340mm 如果被连板件间留出缝隙10mm，则盖板长度l为 l = 2lf+10 = 2×340+10 = 690mm
b)采用三面围焊时 正面角焊缝承担的力N3为
N3＝heBβfffw×2＝0.7×10×400×1.22×160×2＝1.093×106N 侧面角焊缝的计算长度lw为
lw＝(N-N3)／(4heffw)＝(1.4×106-1.093×106)/(4×0.7×10×160)＝69mm lw=80mm ?lw,min＝ 8hf＝8×10＝80mm，取lw=lw,min=80mm
由于此时的侧面角焊缝只有一端受起落弧影响，故侧面角焊缝的实际长度lf为 lf＝lw＋hf = 80＋10 ＝ 90mm，取90mm，则盖板长度l为 l＝2lf+10＝2×90十10＝190mm
3.2 如图为双角钢和节点板的角焊缝连接。Q235钢，焊条E4311。手工焊，轴心拉力N＝700KN(静载，设计值)。试：1)采用两面侧焊缝设计.(要求分别按肢背和肢尖采用相同焊脚尺寸和不同焊缝尺寸设计)； 2)采用三面围焊设计。 解 角焊缝强度设计值ff＝160／mm,t1=10mm,t2=12mm
2
whf?min?1.5t?1.512?5.2mm?6mm
hf?max?1.2t?1.2?12?14.4mm?15mm(肢背)；和hf?max?t??1~2?＝10-?1~2? ＝?9~8?mm(肢尖)。因此，在两面侧焊肢背和肢尖采用相同焊脚尺寸时，取hf＝hf1＝hf2＝8mm；在两面侧焊肢背和肢尖采用不同焊脚尺寸时，取hf=hf1＝10mm, hf=hf2＝8mm；在三面围焊时，取hf ＝hf1＝hf2＝hf3＝6 mm。均满足hf?min≤hf＜hf?max条件。 1)采用两面侧焊，并在角钢端部连续地绕角加焊2hf
a)肢背和肢尖采用相同焊脚尺寸时:
N1?k1N2＝0.65×7×105／2＝2.275×105N N2?k2N2＝0.35×7×105／2＝1.225×105N
需要的侧面焊缝计算长度为
lw1?N1heffw＝2.275×105／(0.7×8×160)＝254mm
lw2?N2则
??heffw??＝1.225×10／(0.7×8×160)＝137mm
5
lw1?254mm??8hf?8?8?64mm 均满足要求 ?lw2?137mm??60hf?60?8?480mm肢背上的焊缝实际长度lf1和肢尖上的焊缝实际长度lf2为
lf1＝lw1+hf=254＋8＝262 mm，取270 mm lf2＝lw2+hf=137＋8＝145 mm，取150 mm
b)肢背和肢尖采用不同焊脚尺寸时:
N1＝2.275×105N N2＝1.225×105N
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钢结构基本原理课后习题集答案解析(第二版)
