钢结构设计原理考试复习题修改版

朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页《钢结构设计原理》填空题1.钢结构计算的两种极限状态是承载能力极限状态和正常使用极限状态。2.钢结构具有轻质高强、材质匀称，韧性和塑性良好、装配程度高，施工周期短、密闭性好、耐热不耐火和易锈蚀等特点。3.钢材的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏。4.影响钢材性能的主要因素有化学成分、冶炼，浇注，轧制、钢材硬化、温度、应力扩散、残余应力、重复荷载作用和钢材缺陷。5.影响钢材疲劳的主要因素有应力扩散、应力幅（对焊接结构）或应力比（对非焊接结构）、应力循环次数6.建造钢材的主要机械性能指标是屈服点、抗拉强度、伸长率、冲击韧性、和冷弯性能。7.钢结构的衔接主意有焊接衔接、铆钉衔接和螺栓衔接。8.角焊缝的计算长度不得小于8hf，也不得小于40mm。侧面角焊缝承受静载时，其计算长度不宜大于60hf。9.普通螺栓抗剪衔接中，其破坏有五种可能的形式，即螺栓剪坏、孔壁挤压坏、构件被拉断、端部钢板被剪坏和螺栓弯曲破坏。10.高强度螺栓预拉力设计值与螺栓材质和螺栓有效面积有关。11.轴心压杆可能的屈曲形式有弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲。12.轴心受压构件的稳定系数与残余应力、初弯曲和初偏心和长细比有关。13.提高钢梁整体稳定性的有效途径是加强受压翼缘和增强侧向支承点。14.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和梁端支承条件。15.焊接组合工字梁，翼缘的局部稳定常采用限制宽厚比的主意来保证，而腹板的局部稳定则常采用设置加劲肋的主意来解决。问答题钢结构具有哪些特点？答：钢结构具有的特点：eq\o\ac(○,1)钢材强度高，结构分量轻eq\o\ac(○,2)钢材内部组织比较匀称，有良好的塑性和韧性eq\o\ac(○,3)钢结构装配化程度高，施工周期短eq\o\ac(○,4)钢材能发明密闭性要求较高的结构eq\o\ac(○,5)钢结构耐热，但不耐火eq\o\ac(○,6)钢结构易锈蚀，维护费用大。钢结构的合理应用范围是什么？答：钢结构的合理应用范围：eq\o\ac(○,1)重型厂房结构eq\o\ac(○,2)大跨度房屋的屋盖结构eq\o\ac(○,3)高层及多层建造eq\o\ac(○,4)轻型钢结构eq\o\ac(○,5)塔桅结构eq\o\ac(○,6)板壳结构eq\o\ac(○,7)桥梁结构eq\o\ac(○,8)移动式结构钢结构对材料性能有哪些要求？答：钢结构对材料性能的要求：eq\o\ac(○,1)较高的抗拉强度fu和屈服点fyeq\o\ac(○,2)较好的塑性、韧性及耐疲劳性能eq\o\ac(○,3)良好的加工性能钢材的主要机械性能指标是什么？各由什么实验得到？答：钢材的主要机械性能指标是屈服点、抗拉强度、伸长率、冲击韧性、冷弯性能。其中屈服点、抗拉强度和伸长率由一次静力单向匀称拉伸实验得到；冷弯性能是由冷弯实验显示出来；冲击韧性是由冲击实验使试件断裂来测定。影响钢材性能的主要因素是什么？答：影响钢材性能的主要因素有：eq\o\ac(○,1)化学成分eq\o\ac(○,2)钢材缺陷eq\o\ac(○,3)冶炼，浇注，轧制eq\o\ac(○,4)钢材硬化eq\o\ac(○,5)温度eq\o\ac(○,6)应力扩散eq\o\ac(○,7)残余应力eq\o\ac(○,8)重复荷载作用什么是钢材的疲劳？影响钢材疲劳的主要因素有哪些？答：钢材在延续反复荷载作用下，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。影响钢材疲劳的主要因素是应力扩散、应力幅（对焊接结构）或应力比（对非焊接结构）以及应力循环次数。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：eq\o\ac(○,1)结构的重要性eq\o\ac(○,2)荷载特征eq\o\ac(○,3)衔接主意eq\o\ac(○,4)结构的工作环境温度eq\o\ac(○,5)结构的受力性质钢结构有哪些衔接主意？各有什么优缺点？答：钢结构常用的衔接主意有：焊接衔接、铆钉衔接和螺栓衔接三种。焊接的优点：eq\o\ac(○,1)不需打孔，省工省时；eq\o\ac(○,2)任何形状的构件可直接衔接，衔接构造方便；eq\o\ac(○,3)气密性、水密性好，结构刚度较大，整体性能较好焊缝可能存在的缺陷有哪些？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。焊缝的质量级别有几级？各有哪些详细检验要求？答：焊缝质量分为三个等级。三级质量检查只对所有焊缝举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举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举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；对接焊缝的构造要求有哪些？答：对接焊缝的构造要求有：eq\o\ac(○,1)普通的对接焊多采用焊透缝，惟独当板件较厚，内力较小，且受静载作用时，可采用未焊透的对接缝。eq\o\ac(○,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。eq\o\ac(○,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，普通不用引弧板，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）。eq\o\ac(○,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，避免应力扩散。eq\o\ac(○,5)当钢板在纵横两方向举行对接焊时，焊缝可采用十字形或T形交错对接，当用T形交错时，交错点的间距不得小于200mm。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破坏面上应力匀称分布。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主意有哪些？答：钢材在施焊过程中会在焊缝及附近区域内形成不匀称的温度场，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，同时也会浮上不同方向的不匀称收缩变形，称为焊接残余变形。焊接残余应力的影响：eq\o\ac(○,1)对塑性较好的材料，对静力强度无影响；eq\o\ac(○,2)降低构件的刚度；eq\o\ac(○,3)降低构件的稳定承载力；eq\o\ac(○,4)降低结构的疲劳强度；eq\o\ac(○,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主意：1合理设计:挑选适当的焊脚尺寸、焊缝布置应尽可能对称、举行合理的焊接工艺设计，挑选合理的施焊顺序。2准确施工：在发明工艺上，采用反变形和局部加热法；按焊接工艺郑重施焊，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。普通螺栓衔接和摩擦型高强度螺栓衔接，在抗剪衔接中，它们的传力方式和破坏形式有何不同？答：普通螺栓衔接中的抗剪螺栓衔接是依赖螺栓抗剪和孔壁承压来传递外力。当受剪螺栓衔接在达到极限承载力时，可能浮上五种破坏形式，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。高强螺栓衔接中的抗剪螺栓衔接时，通过拧紧螺帽使螺杆产生预拉力，同时也使被衔接件接触面互相压紧而产生相应的摩擦力，依赖摩擦力来传递外力。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。螺栓的罗列有哪些构造要求？答：螺栓罗列的构造要求：eq\o\ac(○,1)受力要求:端距限制—－防止孔端钢板剪断，≥2do；螺孔中距限制—限制下限以防止孔间板破碎即保证≥3do，限制上限以防止板间翘曲。eq\o\ac(○,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。eq\o\ac(○,3)施工要求:为便于拧紧螺栓，宜留适当间距。普通螺栓抗剪衔接中，有可能浮上哪几种破坏形式？详细设计时，哪些破坏形式是通过计算来防止的？哪些是通过构造措施来防止的？如何防止？答：普通螺栓抗剪衔接中的五种破坏形式：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。以上五种可能破坏形式的前三种，可通过相应的强度计算来防止，后两种可采取相应的构件措施来保证。普通当构件上螺孔的端距大于2d0时，可以避免端部冲剪破坏；当螺栓夹紧长度不超过其直径的五倍，则可防止螺杆产生过大的弯曲变形。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=0.810.9级为：fu≥1000N/mm²，fy/fu=0.9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改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。因为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。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。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（通过加大长细比的主意来考虑缀材变形对降低稳定临界力的影响）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；即使受到偶尔的侧向干扰力，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出现。但当弯矩增强使受压翼缘的弯曲压应力达到某一数值时，钢梁在偶尔的侧向干扰力作用下会骤然离开最大刚度平面向侧向弯曲，并同时陪同着扭转。这时即使除去侧向干扰力，侧向弯扭变形也不再出现，如弯矩再稍许增大，则侧向弯扭变形疾驰增大，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、增强侧向支承点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浮上偏离其本来平面位置的波状屈曲，这种现象称为钢梁的局部失稳。压弯构件的整体稳定计算与轴心受压构件有何不同？答：可见，压弯构件的整体稳定计算比轴心受压构件要复杂。轴心受压构件在决定整体稳定承载能力时，固然也考虑了初弯曲、初偏心等初始缺陷的影响，将其做为压弯构件，但主要还是承受轴心压力，弯矩的作用带有一定的偶尔性。对压弯构件而言，弯矩却是和轴心压力一样，同属于主要荷载。弯矩的作用不仅降低了构件的承载能力，同时使构件一经荷载作用，赶紧产生挠曲，但其在失稳前只保持这种弯曲平衡状态，不存在达临界力时才骤然由直变弯的平衡分枝现象，故压弯构件在弯矩作用平面内的稳定性属于第二类稳定问题，其极限承载力应按最大强度理论举行分析。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，应应用薄板稳定理论，通过限制翼缘和腹板的宽厚比所保证的。决定限值的原则：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，板件处于匀称受压状态；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、支承情况和应力情况（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计算题实验算如图所示牛腿与柱衔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。（假定剪力所有由腹板上的焊缝承受）解：一、决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所有焊缝计算截面的惯性矩所有焊缝计算截面的抵御矩腹板焊缝计算截面的面积二、验算焊缝强度1.a点2.b点折算应力试计算如图所示钢板与柱翼缘的衔接角焊缝的强度。已知N=390kN（设计值），与焊缝之间的夹角。钢材Q235，焊条E43,手工焊。有关强度设计值=160N/mm2。解：设计双角钢拉杆与节点板之间的衔接角焊缝计算长度L1=?,L2=?已知：采用三面围焊：hf=6mm,fwf=160N/mm2,N=529kN(静载设计值)解： 4.设计矩形拼接板与板件用三面围焊衔接的平接接头。轴心拉力N＝1250kN，（静载设计值），钢材Q235，焊条E43,手工焊。有关强度设计值ƒ =215N/mm2，fwf=160N/mm2。图示尺寸单位mm.(焊缝LW2实际长度取cm整数)解：端缝：侧向：盖板全长5.设计矩形拼接板与板件用普通螺栓衔接的平接接头。（如图所示，单位mm）。已知轴心拉力设计值N=600KN,有关强度设计值：ƒbv=130N/mm2,ƒbc=305N/mm2,ƒ =215N/mm2。粗制螺栓d=20mm,孔径d0=21.5mm。解： 取8个 罗列 中距 取80 端距 取50 边距 取40 净截面验算>215MPa说明洁截面强度不够，接头不能承受600kN的拉力,经验算，盖板应采用12mm厚钢板，被衔接板应采用25mm钢板。拼接板长6.图示一用M20普通螺栓的钢板拼接接头，钢材为Q235，ƒ＝215N/mm2。试计算接头所能承受的最大轴心力设计值。螺栓M20,孔径21.5mm,ƒbv=130N/mm2,ƒbc=305N/mm2。解：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衔接螺栓所能承受的最大轴心力设计值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离为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截面衔接盖板所能承受的轴心力设计值（按V-V截面决定）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。再者，若衔接盖板不取2块8mm厚钢板而去2块7mm，即与构件等厚，则会因开孔最多其承载力最小。7.若上题的拼接接头改用10.9级M20磨擦型高强度螺栓，接触面处理采用钢丝刷清除浮锈。接头所能承受的最大轴心力设计值能增大多少？已知高强度螺栓预拉力设计值P＝155kN,接触面抗滑移系数。解：一、摩擦型高强度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衔接一侧螺栓所能承受的最大轴心力设计值构件所能承受的最大轴心力设计值毛截面：I－I截面净截面面积为按照即II-II截面净截面面积为III-III截面净截面面积为因前面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截面衔接盖板所能承受的轴心力设计值（按V-V截面决定）通过比较可见，接头所能承受的最大轴心力设计值为。与上题比较增大8.计算图示衔接的承载力设计值N。螺栓M20，孔21.5mm,材料Q235A已知：ƒ＝215N/mm2,ƒbv=130N/mm2,ƒbc=305N/mm2。解：单个螺栓受剪承载力设计值单个螺栓承压承载力设计值衔接螺栓所能承受的最大轴心力设计值节点板净截面抗拉承载力：故衔接的承载力为9.试计算下图所示衔接中C级螺栓的强度。已知荷载设计值F=60KN,螺栓M20,孔径21.5mm,ƒbv=130N/mm2,ƒbc=305N/mm2.解：单个螺栓受剪承载力设计值单个螺栓承压承载力设计值故应按举行验算偏心力F的水平及竖直分力和对螺栓群转动中央的距离分离为：扭矩T作用下螺栓“1”承受的剪力在x，y两方向的分力：轴心力N、剪力V作用下每个螺栓承受的水平和竖直剪力：螺栓“1”承受的合力：10.两端铰接轴心受压柱，高9.6m,钢材为Q235，强度设计值ƒ=215N/mm2，采用图示截面，尺寸单位mm,计算可承受外荷载设计值N=？注：①不计自重②稳定系数：7273747576777879800.7390.7320.7260.7200.7140.7070.7010.6940.688解：11.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=11080cm4IX1=460cm4解：12.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？解：一、第一截面：1．截面几何特征：2．梁的稳