钢结构设计原理复习题含答案.doc

2011年课程考试复习题及参考答案
钢结构设计原理
一、填空题：
1.钢结构计算的两种极限状态是 和 。
2.提高钢梁整体稳定性的有效途径是 和 。
3.高强度螺栓预拉力设计值与 和 有关。
4.钢材的破坏形式有 和 。
5.焊接组合工字梁，翼缘的局部稳定常采用 的方法来保证，而腹板的局部稳定则常采用 的方法来解决。
6.高强度螺栓预拉力设计值与 和 有关。
7.角焊缝的计算长度不得小于 ，也不得小于 ；侧面角焊缝承受静载时，其计算长度不宜大于 。
8.轴心受压构件的稳定系数φ与 、 和 有关。
9.钢结构的连接方法有 、 和 。
10.影响钢材疲劳的主要因素有 、 和 。
11.从形状看，纯弯曲的弯矩图为 ，均布荷载的弯矩图为 ，跨中央一个集中荷载的弯矩图为 。
12.轴心压杆可能的屈曲形式有 、 和 。
13.钢结构设计的基本原则是 、 、
和 。
14.按焊缝和截面形式不同，直角焊缝可分为 、 、
和 等。
15.对于轴心受力构件，型钢截面可分为 和 ；组合截面可分为
和 。
16.影响钢梁整体稳定的主要因素有 、 、 、
和 。
二、问答题：
1.高强度螺栓的8.8级和10.9级代表什么含义？
2.焊缝可能存在哪些缺陷？
3.简述钢梁在最大刚度平面内受荷载作用而丧失整体稳定的现象及影响钢梁整体稳定的主要因素。
4.建筑钢材有哪些主要机械性能指标？分别由什么试验确定？
5.什么是钢材的疲劳？
6.选用钢材通常应考虑哪些因素？
7.在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑哪些初始缺陷的影响？
8.焊缝的质量级别有几级？各有哪些具体检验要求？
9.普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接，在抗剪连接中，它们的传力方式和破坏形式有何不同？
10.在计算格构式轴心受压构件的整体稳定时，对虚轴为什么要采用换算长细比？
11.轴心压杆有哪些屈曲形式？
12.压弯构件的局部稳定计算与轴心受压构件有何不同？
13.在抗剪连接中，普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接的传力方式和破坏形式有何不同？
14.钢结构有哪些连接方法？各有什么优缺点？
15.对接焊缝的构造有哪些要求？
16.焊接残余应力和焊接残余变形是如何产生的？焊接残余应力和焊接残余变形对结构性能有何影响？减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法有哪些？
17.什么叫钢梁丧失整体稳定？影响钢梁整体稳定的主要因素是什么？提高钢梁整体稳定的有效措施是什么？
18.角焊缝的计算假定是什么？角焊缝有哪些主要构造要求？
19.螺栓的排列有哪些构造要求？
20.什么叫钢梁丧失局部稳定？怎样验算组合钢梁翼缘和腹板的局部稳定？
三、计算题：
1.一简支梁跨长为5.5m，在梁上翼缘承受均布静力荷载作用，恒载标准值为10.2kN/m（不包括梁自重），活载标准值为25kN/m，假定梁的受压翼缘有可靠侧向支撑。梁的截面选用I36a轧制型钢，其几何性质为：Wx=875cm3，tw=10mm，I / S=30.7cm，自重为59.9kg/m，截面塑性发展系数gx=1.05。钢材为Q235，抗弯强度设计值为215N/mm2，抗剪强度设计值为125 N/mm2。试对此梁进行强度验算并指明计算位置。（恒载分项系数gG=1.2，活载分项系数gQ=1.4）

2.已知一两端铰支轴心受压缀板式格构柱，长10.0m，截面由2I32a组成，两肢件之间的距离300cm，如图所示，尺寸单位mm。试求该柱最大长细比。
注：一个I32a的截面面积A = 67cm2，惯性矩Iy =11080cm4，Ix1 = 460cm4

3.试计算下图所示连接中C级螺栓的强度。已知荷载设计值F=45kN，螺栓M20，孔径21.5mm，=130N/mm2，=305 N/mm2。

4.图示焊接工形截面梁，在腹板上设置一条工厂对接焊缝，梁拼接处承受内力为M=2500kN·m，V=500kN，钢材为Q235钢，焊条为E43型，手工焊，二级质量标准。试验算拼接焊缝强度。
提示：剪力V可假定全部由腹板承担，弯矩按刚度比分配，即。

5.试验算如图所示牛腿与柱连接的对接焊缝的强度。荷载设计值F=220kN。钢材Q235，焊条E43，手工焊，无引弧板，焊缝质量三级。有关强度设计值=215N/mm2，=185N/mm2。（假定剪力全部由腹板上的焊缝承受）

6.图示一柱间支撑与柱的连接节点，支撑杆承受轴心拉力设计值N=300kN，用2L80×6角钢做成，钢材均为Q235钢，焊条为E43型，手工焊。已知=160N/mm2。
①支撑与节点板采用两侧角焊缝相连（绕角焊），焊脚尺寸见图，试确定焊缝长度。
②节点板与端板用两条角焊缝相连，试验算该连接焊缝强度。

7.设计如图所示矩形拼接板与板件用普通螺栓连接的平接接头，图中长度单位为mm。已知轴心拉力设计值N=450kN，有关强度设计值=130N/mm2,=305N/mm2，ƒ=215N/mm2。粗制螺栓d=20mm，孔径d0=21.5mm。

8.图示一用M20普通螺栓的钢板拼接接头，钢材为Q235，ƒ＝215 N/mm2。试计算接头所能承受的最大轴心力设计值Nmax。螺栓M20，孔径21.5mm，=130N/mm2，=305 N/mm2。

9.用轧制工字钢I36a（材料Q235）做成的10m长两端铰接柱，轴心压力的设计值为650kN，在腹板平面承受均布荷载设计值q＝6.24kN/m。试计算此压弯柱在弯矩作用平面内的稳定有无保证？为保证弯矩作用平面外的稳定，需设置几个侧向中间支承点？
已知：A=76.3cm2，Wx＝875cm3，ix＝14.4cm，iy＝2.69cm，f＝215N/mm2。

10.一两端铰接焊接工字形截面轴心受压柱，翼缘为火焰切割边，截面如图所示。杆长为9m，设计荷载N = 1000kN，钢材为Q235钢。试验算该柱的整体稳定及板件的局部稳定性是否均满足。
已知：f = 215N/mm2，截面对x轴和y轴均为b类截面。
验算公式：整体稳定：
局部稳定：翼缘的宽厚比：；腹板的高厚比：

b类截面轴心受压构件的稳定系数

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
80
0.688
0.681
0.675
0.668
0.661
0.655
0.648
0.641
0.635
0.628
90
0.621
0.614
0.608
0.601
0.594
0.588
0.581
0.575
0.568
0.561
100
0.555
0.549
0.542
0.536
0.529
0.523
0.517
0.511
0.505
0.499

11.如图所示为二简支梁截面，其截面面积大小相同，跨度均为12m，跨间无侧向支承点，均布荷载大小亦相同，均作用在梁的上翼缘，钢材为Q235，试比较梁的稳定系数，说明何者的稳定性更好。

参考答案
一、填空题：
1.承载能力极限状态，正常使用极限状态
2.加强受压翼缘，减少侧向支承点间的距离（或增加侧向支承点）
3.螺栓材质，螺栓有效面积
4.塑性破坏，脆性破坏
5.限制宽厚比，设置加劲肋
6.性能等级，螺栓直径
7.8hf ，40mm，60 hf
8.钢号，截面类型，长细比
9.焊接连接，铆钉连接，螺栓连接
10.应力集中，应力幅（对焊接结构）或应力比（对非焊接结构），应力循环次数
11.矩形，抛物线，三角形
12.弯曲屈曲，扭转屈曲，弯扭屈曲
13.技术先进，经济合理，安全适用，确保质量
14.普通缝，平坡缝，深熔缝，凹面缝
15.热轧型钢，冷弯薄壁型钢，实腹式组合截面，格构式组合截面
16.荷载类型，荷载作用点位置，梁的截面形式，侧向支承点的位置和距离，梁端支承条件
二、问答题：
1.高强度螺栓的8.8级和10.9级代表什么含义？
答：级别代号中，小数点前的数字是螺栓材料经热处理后的最低抗拉强度，小数点后数字是材料的屈强比（fy /fu）。8.8级为：fu≥800N/mm²，fy /fu =0.8；10.9级为：fu≥1000N/mm²，fy / fu =0.9。
2.焊缝可能存在哪些缺陷？
答：焊缝可能存在的缺陷有裂纹、气孔、夹碴、烧穿、咬边、未焊透、弧坑和焊瘤。
3.简述钢梁在最大刚度平面内受荷载作用而丧失整体稳定的现象及影响钢梁整体稳定的主要因素。
答：钢梁侧向抗弯刚度和扭转刚度不足时产生侧向弯曲和截面扭转；主要因素：梁侧向抗弯刚度，自由扭转刚度，荷载种类和作用位置以及梁受压翼缘的自由长度。
4.建筑钢材有哪些主要机械性能指标？分别由什么试验确定？
答：建筑钢材的主要机械性能指标有：①屈服点fy，通过一次静力单向拉伸试验确定；②抗拉强度fu，通过一次静力单向拉伸试验确定；③伸长率δ5(δ10)，通过一次静力单向拉伸试验确定；④180o冷弯性能，通过冷弯试验确定；⑤冲击韧性，通过冲击试验确定。
5.什么是钢材的疲劳？
答：钢材在连续反复荷载作用下，当应力还低于钢材的抗拉强度，甚至还低于屈服点时也会发生断裂破坏，这种现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。
6.选用钢材通常应考虑哪些因素？
答：选用钢材通常考虑的因素有：①结构的重要性；②荷载特征；③连接方法；④结构的工作环境温度；⑤结构的受力性质。
7.在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑哪些初始缺陷的影响？
答：在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑残余应力的影响、初弯曲和初偏心的影响、杆端约束的影响。
8.焊缝的质量级别有几级？各有哪些具体检验要求？
答：焊缝质量分为三个等级。三级质量检查只对全部焊缝进行外观缺陷及几何尺寸检查，其外观可见缺陷及几何尺寸偏差必须符合三级合格标准要求；二级质量检查除对外观进行检查并达到二级质量合格标准外，还需用超声波或射线探伤20％焊缝，达到B级检验Ⅲ级合格要求；一级质量检查除外观进行检查并符合一级合格标准外，还需用超声波或射线对焊缝100％探伤，达到B级检验Ⅱ级合格要求（见《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001）。
9.普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接，在抗剪连接中，它们的传力方式和破坏形式有何不同？
答：普通螺栓连接中的抗剪螺栓连接是依靠螺栓抗剪和孔壁承压来传递外力。当受剪螺栓连接在达到极限承载力时，可能出现五种破坏形式，即螺栓被剪断、孔壁被挤压坏、构件被拉断、构件端部被剪坏和螺栓弯曲破坏。
高强螺栓连接中的抗剪螺栓连接时，通过拧紧螺帽使螺杆产生预拉力，同时也使被连接件接触面相互压紧而产生相应的摩擦力，依靠摩擦力来传递外力。它是以摩擦力刚被克服，构件开始产生滑移作为承载能力的极限状态。
10.在计算格构式轴心受压构件的整体稳定时，对虚轴为什么要采用换算长细比？
答：格构式轴心受压构件一旦绕虚轴失稳，截面上的横向剪力必须通过缀材来传递。但因缀材本身比较柔细，传递剪力时所产生的变形较大，从而使构件产生较大的附加变形，并降低稳定临界力。所以在计算整体稳定时，对虚轴要采用换算长细比（通过加大长细比的方法来考虑缀材变形对降低稳定临界力的影响）。
11.轴心压杆有哪些屈曲形式？
答：受轴心压力作用的直杆或柱，当压力达到临界值时，会发生有直线平衡状态转变为弯曲平衡状态变形分枝现象，这种现象称为压杆屈曲或整体稳定，发生变形分枝的失稳问题称为第一类稳定问题。由于压杆截面形式和杆端支承条件不同，在轴心压力作用下可能发生的屈曲变形有三种形式，即弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲。
12.压弯构件的局部稳定计算与轴心受压构件有何不同？
答：局部稳定性属于平板稳定问题，应使用薄板稳定理论，通过限制翼缘和腹板的宽厚比所保证的。确定限值的原则：组成构件的板件的局部失稳应不先于构件的整体稳定失稳，或者两者等稳。轴心受压构件中，板件处于均匀受压状态；压弯构件中，板件处于多种应力状态下，其影响因素有板件的形状和尺寸、支承情况和应力状况（弯曲正应力、剪应力、局部压应力等的单独作用和各种应力的联合作用），弹性或弹塑性性能，同时还有在腹板屈曲后强度的利用问题。
13.在抗剪连接中，普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接的传力方式和破坏形式有何不同？
答：普通螺栓连接中的抗剪螺栓连接是依靠螺栓抗剪和孔壁承压来传递外力。当受剪螺栓连接在达到极限承载力时，可能出现五种破坏形式，即螺栓被剪断、孔壁被挤压坏、构件被拉断、构件端部被剪坏和螺栓弯曲破坏。
高强螺栓连接中的抗剪螺栓连接时，通过拧紧螺帽使螺杆产生预拉力，同时也使被连接件接触面相互压紧而产生相应的摩擦力，依靠摩擦力来传递外力。它是以摩擦力刚被克服，构件开始产生滑移做为承载能力的极限状态。
14.钢结构有哪些连接方法？各有什么优缺点？
答：钢结构常用的连接方法有：焊接连接、铆钉连接和螺栓连接三种。
焊接的优点：①不需打孔，省工省时；②任何形状的构件可直接连接，连接构造方便；③气密性、水密性好，结构刚度较大，整体性能较好。
焊接的缺点: ①焊缝附近有热影响区，材质变脆；②焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏，残余变形使结构形状、尺寸发生变化；③焊接裂缝一经发生，便容易扩展。
铆钉连接的优点:塑性、韧性较好，传力可靠，连接质量易于检查。
铆钉连接的缺点:因在构件上需打孔，削弱构件截面；且铆接工艺复杂，技术要求高。
螺栓连接的优点：具备铆钉连接塑性、韧性好，传力可靠的优点，又兼备安装拆卸方便，可以多次重复使用的优点，且连接变形小。
15.对接焊缝的构造有哪些要求？
答：①一般的对接焊多采用焊透缝，只有当板件较厚，内力较小，且受静载作用时，可采用未焊透的对接缝。
②为保证对接焊缝的质量，可按焊件厚度不同，将焊口边缘加工成不同形式的坡口。
③起落弧处易有焊接缺陷，所以要用引弧板。但采用引弧板施工复杂，因此除承受动力荷载外，一般不用引弧板，而是计算时为对接焊缝将焊缝长度减2t（t为较小焊件厚度）。
④对于变厚度（或变宽度）板的对接，在板的一面（一侧）或两面（两侧）切成坡度不大于1:2.5的斜面，避免应力集中。
⑤当钢板在纵横两方向进行对接焊时，焊缝可采用十字形或T形交叉对接，当用T形交叉时，交叉点的间距不得小于200mm。
16.焊接残余应力和焊接残余变形是如何产生的？焊接残余应力和焊接残余变形对结构性能有何影响？减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法有哪些？
答：钢材在施焊过程中会在焊缝及附近区域内形成不均匀的温度场，在高温区产生拉应力，低温区产生相应的压应力。在无外界约束的情况下，焊件内的拉应力和压应力自相平衡。这种应力称焊接残余应力。随焊接残余应力的产生，同时也会出现不同方向的不均匀收缩变形，称为焊接残余变形。
焊接残余应力的影响：①对塑性较好的材料，对静力强度无影响；②降低构件的刚度；③降低构件的稳定承载力；④降低结构的疲劳强度；⑤在低温条件下承载，加速构件的脆性破坏。
焊接残余变形的影响：变形若超出了施工验收规范所容许的范围，将会影响结构的安装、正常使用和安全承载；所以，对过大的残余变形必须加以矫正。
减少焊接残余应力和变形的方法：
①合理设计:选择适当的焊脚尺寸、焊缝布置应尽可能对称、进行合理的焊接工艺设计，选择合理的施焊顺序。②正确施工：在制造工艺上，采用反变形和局部加热法；按焊接工艺严格施焊，避免随意性；尽量采用自动焊或半自动焊，手工焊时避免仰焊。
17.什么叫钢梁丧失整体稳定？影响钢梁整体稳定的主要因素是什么？提高钢梁整体稳定的有效措施是什么？
答：钢梁在弯矩较小时，梁的侧向保持平直而无侧向变形；即使受到偶然的侧向干扰力，其侧向变形也只是在一定的限度内，并随着干扰力的除去而消失。但当弯矩增加使受压翼缘的弯曲压应力达到某一数值时，钢梁在偶然的侧向干扰力作用下会突然离开最大刚度平面向侧向弯曲，并同时伴随着扭转。这时即使除去侧向干扰力，侧向弯扭变形也不再消失，如弯矩再稍许增大，则侧向弯扭变形迅速增大，产生弯扭屈曲，梁失去继续承受荷载的能力，这种现象称为钢梁丧失整体稳定。
影响钢梁整体稳定的主要因素有：荷载类型、荷载作用点位置、梁的截面形式、侧向支承点的位置和距离、梁端支承条件。
提高钢梁整体稳定性的有效措施是加强受压翼缘、增加侧向支承点。
18.角焊缝的计算假定是什么？角焊缝有哪些主要构造要求？
答：角焊缝的计算假定是：①破坏沿有效载面；②破坏面上应力均匀分布。

19.螺栓的排列有哪些构造要求？
答：螺栓排列的构造要求：
①受力要求:端距限制——防止孔端钢板剪断，≥2d0；螺孔中距限制——限制下限以防止孔间板破裂即保证≥3do，限制上限以防止板间翘曲。

②构造要求:防止板翘曲后浸入潮气而腐蚀，限制螺孔中距最大值。
③施工要求:为便于拧紧螺栓，宜留适当间距。
20.什么叫钢梁丧失局部稳定？怎样验算组合钢梁翼缘和腹板的局部稳定？
答：在钢梁中，当腹板或翼缘的高厚比或宽厚比过大时，就有可能在梁发生强度破坏或丧失整体稳定之前，组成梁的腹板或翼缘出现偏离其原来平面位置的波状屈曲，这种现象称为钢梁的局部失稳。
组合钢梁翼缘局部稳定性的计算：
梁受压翼缘自由外伸宽度b1与其厚度t之比的限值：
箱形截面受压翼缘板在两腹板之间的宽度b0与其厚度t之比的限值：
组合钢梁腹板局部稳定的计算：
①仅用横向加劲肋加强的腹板：
②同时用横向加劲肋和纵向加劲肋加强的腹板：
a.受压翼缘与纵向加劲肋之间的区格（区格I）：
b.受拉翼缘与纵向加劲肋之间的区格（区格II）：
③同时用横向加劲肋、纵向加劲肋和短加劲肋加强的腹板：
a.受压翼缘与纵向加劲肋之间的区格（区格I）：
b.受拉翼缘与纵向加劲肋之间的区格（区格II）：

三、计算题：
1.
梁上荷载设计值为：q = 47.94（kN/m）
跨中最大弯距为：Mmax=181.12（kN.m）
支座处最大剪力为：Vmax=131.84（kN）
跨中正应力为：s = 197.1（N/mm2）
（N/mm2）
支座处最大剪应力为：t = 42.9（N/mm2）
（N/mm2）
2.

3.

∴安全
4.
查得，，
计算焊缝截面特征值

验算正应力
，满足要求
验算剪应力
，满足要求
验算折算应力

满足要求
5.
一)确定对接焊缝计算截面的几何特性
1)计算中和轴的位置（对水平焊缝的形心位置取矩）：
2)焊缝计算截面的几何特性
全部焊缝计算截面的惯性矩：
全部焊缝计算截面的抵抗矩：
腹板焊缝计算截面的面积：
二)验算焊缝强度
1)a点：
2)b点：
折算应力：
6.
(1)采用两边绕角焊，肢背、肢尖的受力为

焊脚高度为
计算肢背、肢尖所需焊缝长度为
构件端部按要求做成2绕角焊，故不再加5mm
(2)N分解为水平拉力，竖向剪力
计算焊缝强度：
验算合应力：（满足）
7.
a)
b)，取6个
c)排列：中距，取80；端距，取50；边距，取40
d)净截面验算：
e)拼接板长：
8.
一)螺栓所能承受的最大轴心力设计值
单个螺栓受剪承载力设计值
单个螺栓承压承载力设计值
连接螺栓所能承受的最大轴心力设计值
二)构件所能承受的最大轴心力设计值

I-I截面净截面面积为
Ⅱ-Ⅱ截面净截面面积为
Ⅲ-Ⅲ截面净截面面积为
三个截面的承载设计值分别为
Ⅰ-Ⅰ截面： Ⅱ-Ⅱ截面：
Ⅲ-Ⅲ截面：因前面Ⅰ-Ⅰ截面已有n1个螺栓传走了（n1/n）N的力,故有
构件所能承受的最大轴心力设计值按Ⅱ－Ⅱ截面
连接盖板所能承受的轴心力设计值（按V-V截面确定）
通过比较可见，接头所能承受的最大轴心力设计值应按构件Ⅱ－Ⅱ截面的承载能力取值，即。
9.
一)验算在弯矩作用平面内的稳定：
（按无端弯矩但有横向荷载作用时）

二)验算在弯矩作用平面外的稳定
如不设支承点：
现增设四个侧向支承点，，并取中间段柱验算：

（按所考虑构件段内有端弯矩和横向荷载同时作用时）

计算结果表明，设四个侧向支承点，该柱在两个方向基本上可达到等稳定性。
10.
（1）验算整体稳定：
A=62（cm2）
Ix=5912.5 (cm4 ) Iy=2604.2 (cm4 ) ix=9.77 (cm) iy=6.48 (cm)
lx=9.21 ly=92.6 fx=0.607 fy=0.604
，不满足整体稳定。
（2）验算局部稳定：
翼缘宽厚比：
翼缘满足局部稳定。
腹板高厚比：
腹板满足局部稳定。
11.
一)第一截面：
1)截面几何特征：

2)梁的稳定系数：
二)第二截面：
1)截面几何特征：

2)梁的稳定系数：
经比较可知，第一截面的稳定性比第二截面的稳定性好。