鋼結構設計原理課后題答案（普通螺栓受剪連接的破壞形式）

鋼結構設計原理課程中，普通螺栓受剪連接的破壞形式是一個重要的知識點。在分析這一問題時，我們可以從以下幾個方面進行：，，我們需要理解螺栓受剪連接的基本概念。螺栓受剪連接是指螺栓受到剪切力的作用而發生破壞的一種連接方式。在鋼結構中，螺栓通常被用于將兩個構件連接在一起，以承受各種外部載荷和內力。，，我們需要考慮螺栓受剪連接的破壞形式。根據工程實踐和理論分析，螺栓受剪連接的破壞形式主要有以下幾種：，1. 螺栓剪斷：當螺栓受到過大的剪力作用時，螺栓會發生剪斷現象，從而導致連接失效。，2. 螺栓彎曲：當螺栓受到彎矩作用時，螺栓會發生彎曲變形，導致連接失效。，3. 螺栓滑移：當螺栓受到軸向力作用時，螺栓會發生滑移現象，導致連接失效。，4. 螺栓孔壁破裂：當螺栓受到較大的剪力作用時，螺栓孔壁可能會發生破裂現象，從而導致連接失效。，，我們需要注意在實際工程中，螺栓受剪連接的破壞形式可能因多種因素而有所不同。在進行鋼結構設計時，需要綜合考慮各種因素，以確保結構的安全性和可靠性。

一、部分《鋼結構設計原理》課后題答案內容

（一）鋼材相關概念

影響鋼材性能的因素
- 化學成分方面：
  - 影響鋼材發生冷脆的化學元素主要有氮和磷，使鋼材發生熱脆的化學元素主要是氧和硫。碳含量也會影響鋼材性能，含碳量高則強度高，但塑性、韌性和可焊性可能降低。例如在選擇用于不同環境和受力要求的鋼材時，需要考慮這些元素的影響，像在北方嚴寒地區建造廠房露天倉庫使用非焊接吊車梁，承受起重量Q = 500KN的中級工作制吊車，就需要選擇具有良好低溫沖擊韌性性能、能在低溫條件下承受動力荷載作用的鋼材如Q235D、Q345D等，這里就考慮到了鋼材化學成分對低溫性能的影響等因素。
- 加工使用過程方面：
  - 鋼材在加工、使用過程中的各種影響，如時效、冷作硬化以及焊接應力等影響鋼材性能。例如冷作硬化會使鋼材強度提高，但塑性和韌性降低。
- 工作溫度方面：
  - 鋼材工作溫度影響，可能會引起藍脆或冷脆。在低溫環境下鋼材可能發生冷脆現象，其韌性大幅降低，在設計鋼結構時，若結構處于低溫環境，就要考慮這種溫度對鋼材性能的影響，選擇合適的鋼材品種，如在低溫環境下的焊接鋼結構，要考慮鋼材的可焊性和低溫韌性等性能。
鋼材破壞類型相關概念
- 延性破壞（塑性破壞）：
  - 破壞前有明顯變形，并有較長持續時間，應力超過屈服點 $f_y$ 、并達到抗拉極限強度 $f_u$ 的破壞。這種破壞有明顯的預兆，例如在一些受彎構件中，當彎矩逐漸增大時，構件會先出現較大的彎曲變形，然后才發生破壞。
- 脆性破壞（脆性斷裂）：
  - 指破壞前無明顯變形、無預兆，而平均應力較小（一般小于屈服點 $f_y$ ）的破壞。脆性破壞往往突然發生，例如在一些鋼結構中，如果存在應力集中、鋼材質量缺陷或者低溫環境等不利因素，可能會引發脆性破壞，像在有尖銳缺口或者焊接缺陷的部位容易發生這種破壞。
- 疲勞破壞：
  - 指鋼材在連續反復荷載作用下，應力水平低于極限強度，甚至低于屈服點的突然破壞。例如橋梁結構中，長期承受車輛荷載的反復作用，鋼材可能發生疲勞破壞，其破壞與荷載的反復次數、應力幅等因素有關。
- 應力腐蝕破壞（延遲斷裂）：
  - 在腐蝕性介質中，裂紋尖端應力低于正常脆性斷裂應力臨界值的情況下所造成的破壞。比如在一些化工環境中的鋼結構，受到腐蝕性介質的侵蝕，即使應力水平不高，也可能因為應力腐蝕而發生破壞。

（二）構件受力計算相關

應力比和應力幅計算示例
- 對于一兩跨連續梁，已知截面上A點正應力為 $\sigma_{1}=120N/mm^{2}$ $σ_{1} = 120 N / m m^{2}$ ， $\sigma_{2}=80N/mm^{2}$ $σ_{2} = 80 N / m m^{2}$ ，B點的正應力 $\sigma_{1}=120N/mm^{2}$ $σ_{1} = 120 N / m m^{2}$ ， $\sigma_{2}=20N/mm^{2}$ $σ_{2} = 20 N / m m^{2}$ 。
  - A點：
    - 應力比： $\frac{\sigma_{2}}{\sigma_{1}}=\frac{80}{120}=0.667$ 。
    - 應力幅： $\sigma_{max}-\sigma_{min}=120 - 80 = 40N/mm^{2}$ 。
  - B點：
    - 應力比： $\frac{\sigma_{2}}{\sigma_{1}}=\frac{20}{120}=0.167$ 。
    - 應力幅： $\sigma_{max}-\sigma_{min}=120 - 20 = 100N/mm^{2}$ 。
軸心受壓穩定系數及臨界荷載計算示例（以某車間工作平臺柱為例）
- 某車間工作平臺柱高，軸心受壓，兩端鉸接，材料用I16，Q235鋼。
  - 首先查附表得到I16截面特性，柱子兩端鉸接，計算柱子長細比。因為已知條件，對于Q235鋼計算相對長細比，根據柱子軋制情況，對y軸查相關表知為b類截面，然后可以進一步確定軸心受壓穩定系數，再根據鋼材的強度設計值計算穩定臨界荷載。若改用Q345鋼，同樣按照上述步驟，根據Q345鋼的相關參數重新計算軸心受壓穩定系數及其穩定臨界荷載。

（三）連接相關

普通螺栓連接
- 破壞形式及防止措施：
  - 普通螺栓受剪連接的破壞形式可能有五種，即螺栓桿被剪斷、孔壁擠壓破壞、螺栓桿彎曲、板端被沖剪破壞、鋼板被拉斷。其中需通過計算保證的有螺栓桿被剪斷、孔壁擠壓破壞等情況。
  - 為防止螺栓桿被剪斷，要根據螺栓的抗剪承載力設計值進行螺栓選型和數量計算；為防止孔壁擠壓破壞，要考慮螺栓的承壓承載力設計值等因素。例如在計算單個螺栓的抗剪承載力設計值 $N_^{v}=n_{v}\frac{\pi d^{2}}{4}f_^{v}$