钢结构设计原理习题答案

第2章习题参考答案

一.填空题

1.提高，下降，下降

2.伸长率，断面收缩率，伸长率，5^,104,伸长值和原标距比

值，久＞时。

3.提高，下降，下降，下降，下降

4.屈服强度，235N/mm2,质量等级为A级，脱氧方法为沸腾钢

5.塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性，脆，热脆性，塑性、冲

击韧性、冷弯性能和可焊性，脆，冷脆性

二.选择题

1.D2.A3.D4.B5.A

三.简答题

1冷弯性能是指钢材在冷加工（常温下加工）过程中产生塑性变

形时，对产生裂缝的抵抗能力（敏感性）。属于钢材的一种工艺性能，

可通过冷弯试验来说明。

冷弯试验可以揭示钢材塑性的好坏，检验钢材的冷加工性能和钢

材的冶金、轧制质量等。

2疲劳强度是指在疲劳应力作用下，经无数次循环，材料或构件

不发生疲劳破坏的最大，应力（或应力幅）值。

疲劳强度可通过疲劳试验测定：选择应力循环特征，然后取不同

的应力水平（最大应力值或应力幅），在每一应力水平下分别进行疲

劳试验。试验结果可得出每一应力水平下的疲劳寿命值，采用基函数

进行曲线拟合，得出疲劳小人「曲线，常取曲线中一定概率下疲劳

强度的下限作为设计曲线。曲线上的渐近线所对应的应力水平即

为材料的疲劳极限。

3钢材的冲击韧性是钢材在一定温度下在塑性变形和断裂的过程

中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力，它是强度与

塑性的综合表现。

钢材的冲击韧性值是指钢材在受到冲击荷载发生一定塑性变形

后断裂过程中吸收能量的多少。钢材的冲击韧性可由冲击试验得到,

韧性指标等于冲断试件所耗的功（J/cn?）。温度对冲击韧性有很大的

影响。

4（1）强度：结构用钢的主要强度指标有屈服点E和抗拉强度

（2）塑性：塑性好坏可用拉伸断裂时的最大相对塑性变形伸

长率8和断面收缩率敢表示；

2

（3）冲击韧性：刻画材料韧性的是冲击韧性指标（J/cm）o

5影响钢结构疲劳强度的因素很多，归纳起来，主要有构件的构

造细节（包括形状、尺寸及表面状况、冶金缺陷等，它们和应力集

中程度有关）、应力种类（循环特征）及其幅值、应力循环次数、残

余应力、工作环境及材料种类等。应力集中程度愈高，疲劳强度就愈

低。

6在应力集中处应力线发生弯曲、变密，出现高峰应力区并常使

构件处于同号的双向或三向应力场的复杂应力状态，在应力集中处塑

性变形受到约束，使结构发生脆性断裂或产生疲劳裂纹。因此，可以

说应力集中是影响钢材性能的重要因素。

第3章习题答案

一、简答题

1.简述钢结构连接方式及其特点.

答：钢结构按连接方式，分焊接、钾接和栓接（普通螺栓连接、高强

螺栓连接）焊接优点是构造简单、不削弱构件截面，节约钢材，施工

方便，易采用自动化操作，连接密闭性好、刚度大。缺点是焊接残余

应力和残余变形对结构有不利影响，焊接结构低温冷脆问题突出。不

宜用于直接承受动力荷载的结构构件。锚栓连接塑性和韧性较好,

传力可靠，易于检查质量，可用于直接承受动力的结构，缺点是构造

复杂，用钢量大。普通螺栓连接优点施工方便，拆装方便，缺点是用

钢量大。

2.简述焊缝质量缺陷内容及焊缝质量分级规定.

答：焊缝可能存在裂纹、气孔、烧穿、未焊透缺陷，还可能出现夹渣、

焊瘤、咬边等缺陷。焊缝质量检查标准分为三级，第三级为普通外观

检查，对于重要结构或要求焊缝金属强度的对接焊缝，必须进行二级

或一级质量检查。

《标准》规定：

（1）承受动力荷载且需进行疲劳验算的构件焊缝质量要求：

①作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或T形对接

焊缝与角焊缝组合焊缝，受拉时应为一级，受压时不低于二级；

②作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝不应低于二

级。

（2）不需要疲劳验算的构件中，凡要求与母材等强的对接焊

缝受拉时不应低于二级，受压时不宜低于二级。

（3）工作环境温度等于或低于-20℃的地区，构件对接焊缝质

量不得低于二级。

3.简述焊接残余应力对结构刚度、强度、稳定、低温冷脆、疲劳

性能的影响.

答：（1）在静力荷载作用下，焊接残余应力不会影响结构强度

（2）焊接残余应力会降低结构刚度

（3）焊接残余应力使压杆挠曲刚度变小，降低其稳定承载能

力

（4）焊接残余应力对疲劳强度有不利影响。

（5）焊接残余应力会阻碍塑性变形，在低温下使裂纹容易发展,

加速构件脆性破坏。

4.简述普通螺栓、高强螺栓摩擦连接、高强螺栓承压型连接的区

别.

答：高强螺栓摩擦型连接单纯依靠被连接构件间摩擦阻力传递

剪力，以剪力等于滑移力为承载能力极限状态。

高强螺栓承压型连接传力特征是剪力超过摩擦力时，构件问

发生相互滑移，螺栓杆身与孔壁接触，开始受剪并和孔壁承

压，以螺栓或钢板破坏为承载能力极限状态。

普通螺栓受力原理与高强螺栓承压型连接相似，但普通螺栓钢

材强度低于高强度螺栓。

5.简述螺栓连接破坏的主要几种形式.

答：螺栓连接有五种可能破坏的模式，（1）螺栓杆剪断（2）

钢板被拉断（3）孔壁挤压（4）钢板剪断（5）螺栓受剪弯曲。

二、计算题

1.如图3-65所示，两块拼接板以焊接方式连接钢板，采用双侧

角焊缝和三面围焊，焊脚尺寸6mm,钢材为Q235,采用E43系列焊条，

手工焊，试算连接分别所能承担的最大拉力？町S310

图3-65

【解】采用Q235钢板，E43系列焊条，手工焊，角焊缝强度

//=160N/加/

(1)双侧焊缝情况

N=he£＜次=0.7x6x4x(200-2x6)x160=505.3kN

(2)三面围焊情况

正面角焊缝承担的力

N=0也2%&=2x1.22x0.7x6x300x160=491.9^

侧面角焊缝承担的力

N"=he^lw2fw=4x0.7x6x(200-6)xl60=521.5)t7V

焊缝能承担的总力为

N=N+M=491.9+521.5=1013.4ZN

2.某钢结构牛腿与钢柱间米用10.9级高强螺栓摩擦型连接，连

接构件接触面采用喷硬质英砂，如图3-64所示，竖向力设计值为

户310kN,偏心距f250mm,试算高强螺栓采用何种直径规格的合适？

MSK311

--,

I

I

图3-66

【解】10.9级高强螺栓摩擦型连接，接触面喷硬质英砂，查表3-13,

摩擦系数H=0.45o

单个螺栓需抵抗剪力

M=31()AN/10=31&N

螺栓群同时承受弯剪作用，截面承受弯矩为

A/=310x0.25=77.5kN-m

最外排螺栓拉力77.5X106X180

=86.MN

-2X2X(902+1802)

高强螺栓摩擦型连接

M=0.9%〃P=o.9xlx0.45xP=0.405P

M=0.8P

N.N

需满足萨十请,1P2184.1kN.

3.某节点板连接于工型柱的翼缘，如图3-65所示,钢材为Q345,

采用4根10.9级高强螺栓承压连接，单栓有效面积4=303.40而，节

点中心到水平拉力山和斜向拉力“作用，采用标准圆孔。”与M夹

角为30°柱翼缘及连接板厚度为16mm,若拉力设计值^=150kN,N

最大设计值是多少？MSK312

图3-67

【解】由《标准》可查得

h22

ft=5(K)N/nvnf：=310N/nun?=590N/mm

N1=n、尤于；x31O=117.78攵N

vi4八4

N：=d^t-^=22x16x590=207.68ZN

N：二也尸=303.4x5(X)=151JkN

"有x,y两个方向分力

根据公式（3-74）：

if150sin30°Y(M+150COS30°Y

+--------------<1

叱4x117.78/4x151.7

N、K469.MN

验算承压

M=150S：30=18.75"喑=173W满足要求

第4章习题答案

一、填空题

轴心压杆格构柱进行分肢稳定计算的目的是保证分支失稳不先于构

件的整体稳定失稳。

轴心稳定系数①根据钢号、面类型、长细比。

轴心受压构件的承载能力极限状态有净截面破坏和毛截面屈服。

在轴心压力一定的前提下,轴压柱脚底板的面积是由混凝土强度等

级决定的。

三、计算题

L如图所示为一支架，其支柱的压力设计值N=1600kN,柱两端钱接，

钢材为Q235,容许长细比团=150。截面无孔眼削弱。支柱选用156a

22

(/=205N/mm),4=135cm,/v=22.0cm,zv=3.18cmo(1)验算此支柱的承

载力；(2)说明如果支柱失稳会发生什么样的失稳形式。

(b»

解：一、柱在两个方向的计算长度为：

/(h=600cm=300cm

(1)觥鱼截面已经给出，故不需要初选截面。

(2)截面验算

①因截面无孔洞削弱，可不必验算强度。

②因轧制工字钢的翼缘和腹板均较厚，可不验算局部稳定。

③进行整体稳定验算和刚度验算:

4远大于Z，故由九查附表得夕二0.591

—=I—'IO,=200.5N/2<f=205

M0.591x135xJQ2

即该柱的整体稳定性和刚度均满足条件

第5章习题答案

一、简答题

1.梁的强度计算有哪些内容？如何计算？

答：正应力计算a=—<f

yW

剪应力计算V

折算应力后Fvl.l/

局压应力气芈

2.简述塑性发展系数意义是什么，其应用条件是什么？

答：在工程设计中，为避免梁产生过大变形，故将梁的极限弯矩

取在弹性极限弯矩和产生塑性较弯矩之间，即允许截面产生部分塑性

发展，用塑性发展系数描述。通常不承受动力荷载，无需考虑疲劳的

梁，以及宽厚比等级高于S3级截面可考虑塑性发展。

3.简述梁截面分类，型钢及组合截面应优选哪种？说明理由

答：钢梁按制作方法不同可分为型钢梁和组合梁两大类，型钢梁又可

分为热轧型钢梁和冷弯薄壁型钢梁，热轧型钢包括普通工字钢、槽钢、

H型钢，冷弯薄壁型钢包括冷弯薄壁槽钢、Z型钢。型钢梁具有加工

方便成本低特点，设计中优先采用。

4.何为梁整体稳定性？有效提高梁整体稳定性措施有哪些？

答:梁在弯矩作用下，在弯矩作用平面内弯曲，当弯矩大于某数值时，

梁将突然发生侧向弯曲和扭转，称为丧失整体稳定性。梁丧失整体稳

定主要原因是受压翼缘屈曲，因此加强梁受压翼缘、减小梁的侧向支

承距离都可以有效的提高梁的整体稳定性。

5.腹板加劲肋有哪些形式？作用是什么？

答：加劲肋主要可以分为横向加劲肋、纵向加劲肋和短加劲肋，主要

目的是提高梁腹板局部屈曲荷载，保证梁的局部稳定。设置加劲肋后,

腹板被分隔成若干区格，四面支承会延缓区格内腹板的局部屈曲。

计算题

1.某钢梁采用H型钢H600X200X11X17制作，4=78200><10"mm\

%=2610X107!^钢材采用Q235,梁承受弯矩设计值为，M＜=440kN・m

验算该梁受弯承载力。

【解】翼缘宽厚比为：—-I

*”好=瑞＞5.6小235

T

属于S3截面，塑性发展系数九=1*

最大正应力力区版＜片215

3

yyvxL05x2610xl0

2.某焊接组合吊车梁，吊车为重级工作制，吊车梁轨道高度

150mm,吊车最大轮压F=355kN,车轮处最大弯矩设计值M=4932kN'

m,对应的剪力设计值为316kN.吊车梁用Q345钢材，惯性矩

I，2.433X10，/。试计算车轮作用处钢梁折算应力。

图5-30

【解】吊车为重级工作制吊车"=135

/.=a+5hv4-2hR=(50+5x25+2x150)=475nmt

i//F1.35x355x1()3

=72.1N/mm2v/=31ON/mm2

475x14

计算点正应力

M4932X106X850

=172.37V/mm2

F=2.433x10")

计算点剪应力

S,=500x25x(850+12.5)=1.078x107/ww3

VS1316x103x1.078x1()7

=1ON/mm2

2.433xlOloxl4

计算点的折算应力£尸1.1

+cr；-crcr.+3r2=V172.324-1112-172.3x11l+3xl02=152.37V/mtn1

<1.1X310=341AT/W/7Z2

3.某双轴对称工字梁，采用Q235钢材制作，一端固定，另端悬

臂外挑4米，构件无侧向支承点，一集中荷载作用在工字钢上翼缘顶

面，试问集中荷载最大多大能保证整体稳定？

200X10

250X6

图5-31

【解】(1)截面属性计算

4=200x10x2+250x6=5500mm2

337

Ix=—x200x270——x(200-6)x25O=7.54x10W

753

Wx=Ix/(h/2)=7.54X10/135=5.58xio/w«

2x—X!0X20034--X250X63=1.33X107/WW4

1212

!-=117.U1==49.2

（2）整体稳定计算

查附表6TA=0.73+0.18^=0.86

4第5双轴对称截面以二°

口4320A/i.n、J35、2

例二月彳区8+z)y)

Jy

43205500x270L81.3x10935

z+0)(—)2=1.81>0.6

0.86x-----x--------rx(J14-

81.325.58xl05V4.4x270235

例"°7-『⑼

M4000F

由稳定验算公式</=215

%叱0.91x5.58xlO5

427.2kN

第6章习题参考答案

一.填空题

1.1.05

2.塑性较，边缘屈服

长细比

3.

4.截面边缘纤维屈服

5.压溃理论

二.选择题

1.A2,C3.A4.D5.C

三.简答题

1同时承受轴心力和弯矩的构件称为偏心受力构件。偏心受力构

件分类：（1）根据轴心力性质分为:偏心受拉构件（拉弯构件）和偏

心受压构件（压弯构件）；（2）根据偏心方向分为:单向偏心受力构

件和双向偏心受力构件；（3）根据截面形式分为：实腹式截面（工

字形截面、T形截面、箱形截面）、格构式截面和冷弯薄壁型钢截面；

（4）根据截面对称性分为:单轴对称截面和双轴对称截面。

2《钢结构设计规范》（GB50017）中规定在以下情况中验算压弯

构件或拉弯构件的强度时取截面塑性发展系数九二1：

（1）对需计算疲劳的构件，规范限制其在弹性阶段工作，不考

虑塑性变形在截面上的发展，规定取九二1；

（2）对绕虚轴弯曲的格构式偏心受力构件，因仅考虑边缘纤维

屈服设计准则，故取n=E

（3）当压弯构件的自由外伸宽度与其厚度之比大于137（235/4）

而小于15J（235/4）时，规范确定按弹性设计（塑性设计时，受压

翼缘宽厚比不应大于13J（235/£））,故取九二1。

3单向压弯构件如在侧向有足够的支承能防止其发生弯矩作用

平面外的位移时，则构件受力后只在弯矩作用平面内发生弯曲变形,

一开始构件的侧向弯曲变形随着荷载增加而增加，处于稳定的曲线平

衡状态；随着荷载的继续增加或超越某一极限值时，构件侧向变形不

断加大，处于不稳定平衡状态，此时构件失去弯矩作用平面内的稳定

性，即是弯矩平面内失稳。因构件从一开始受力就处于弯曲平衡状态,

直至失去稳定性，其只有一种曲线平衡状态，故此为第二类稳定问题。

当构件没有足够的侧向支承，且弯矩作用在实腹式截面压弯构件

的弱轴平面内时.，构件的侧向抗弯刚度是绕弱轴的抗弯刚度，使得构

件的抗扭能力较差，在开始受力时，构件没有出现平面外的位移和扭

转变形；当荷载达到某一极限值时，构件会突然出现平面外位移并伴

随扭转变形，构件处于平面外弯扭变形的曲线平衡状态，若荷载继续

增大，这种平衡状态不能维持，构件发生侧扭屈曲件在极限荷载处存

在两种变形形式的平衡状态，故此为第一类稳定问题。

4设计偏心受力构件时，应同时满足承载能力极限状态和正常使

用极限状态的要求。承载能力极限状态包括强度和稳定性两个方面,

对于拉弯构件通常只有强度问题；而对于压弯构件应同时满足强度和

稳定承载力的要求。实腹式压弯构件除了要验算弯矩作用平面内和平

面外的整体稳定外，还要保证其组成板件的局部稳定性；格构式压弯

构件要验算弯矩作用平面内的整体稳定和分肢稳定。正常使用极限状

态是指构件的刚度方面的要求，可通过构件的长细比不超过容许长细

比来保证。

拉弯构件需要计算其强度和刚度；压弯构件则需要计算强度、