《钢结构设计原理》章节习题及答案

第一章钢结构设计原理概述

(1)与其他结构相比，钢结构有哪些特点？

答：与其他结构相比，钢结构具有自重轻而承载力高、塑性和韧性好、材质均匀、密封性好、

工业化程度高、耐腐蚀性差、耐热性好、耐火性差的特点。

(2)在我国，钢结构主要应用在哪些领域？

答：在我国，钢结构主要应用在：1)大跨度结构2)大型、重型工业厂房3)高层建筑

4)高耸结构5)可拆卸或移动的结构6)轻型钢结构7)容器和管道8)运输通廊、各种

管道支架、海上钻探平台、城市的人行过街天桥等，通常也都采用钢结构。

(3)高效钢材包括哪些种类？

答：高效钢材包括高强度和高质量钢材，如建筑结构用钢板、Z向钢板等；新型H型钢、T

型钢，冷弯薄壁型钢、热镀锌或镀铝锌钢板；耐侯钢、耐火钢等。

(4)分项系数设计表达式中分项符号的含义是什么？

答：7G表示永久荷载的分项系数；YQ\'/)表示第1个和第，•个可变荷载分项系数；YR

表示抗力分项系数。

(5)结构的承载能力极限状态包括哪些计算内容？正常使用极限状态包括哪些计算内容？

答：承载能力极限状态应包括：构件或连接的强度破坏、脆性断裂，因过度变形而不适用于

继续承载，结构或构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆。

正常使用极限状态应包括：影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观变形，影响正常使

用的振动，影响正常使用或耐久性能的局部损坏。

(6)某钢结构平台，主梁上的结构自重为5kN/m,检修时可能产生的最大活荷载为18

kN/m,跨度为8m,主梁按两端简支条件，求该梁跨中的弯矩设计值。

答：按可变荷载效应控制：M=(1.2x5+1.4x18)x8?=249.6&N・〃z

按永久荷载效应控制：M=1x(1.35x5+0.7xl.4xl8)x82=195.R^/n

所以弯矩设计值取M=249.6AN•利

第二章钢结构的材料

（1）建筑钢结构对所用钢材的性能有何要求？

答：对钢结构所用钢材性能有以下要求：1）较高的屈服强度和抗拉强度2）良好的塑性和

韧性3）良好的加工和可焊性能4）专用的特种性能。

（2）钢材的力学性能和工艺性能指标包括哪些？承重结构用钢至少应保证哪几项指标满足

要求？

答：钢材的力学性能和工艺性能指标包括强度、塑性、Z向性能、冲击韧性、冷弯性能。

承重结构用钢至少应保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性满足要求。

（3）碳、硫、磷、氧、氮对钢材性能有什么影响？

答：碳是各种钢中的最主要元素之一，随着含碳量的提高，钢的屈服强度和抗拉强度逐渐增

高，而塑性和韧性特别是低温冲击韧性下降，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等也变劣。

硫是有害元素，当温度达8007000C时，有可能引发热裂纹，称为热脆现象，此外，硫还

会降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、抗锈蚀性能和焊接性能等。磷可提高钢的强度和抗锈蚀

能力，但会严重地降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能，特别是在温度较低时促使钢

材变脆，称为冷脆现象。氧和氮属于有害元素，氧的作用和硫类似，使钢热脆。氮的作用和

磷类似，使钢冷脆。

（4）什么是钢材的硬化？对钢材性能有何影响？

答：钢材的硬化根据形成原因不同可分为时效硬化和冷作硬化。随着时间的增加，纯铁体中

有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下

降，这种现象称为时效硬化。冷加工使钢材产生很大的塑性变形，产生塑性变形后的钢材再

重新加荷载时将提高屈服点，同时降低塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化，

不管哪一种硬化，都会降低钢材的塑性和韧性，对钢材不利。

（5）什么情况下会产生应力集中？应力集中对钢材性能有何影响？

答：在钢构件中，若存在开孔、凹槽或截面的宽度或厚度发生突然改变的情况，则构件中的

应力分布将变得很不均匀，在缺陷或截面变化处，应力线曲折、密集，出现应力高峰，产生

应力集中。应力集中会造成钢构件塑性降低，脆性破坏的危险性增加。

（6）Q235钢的4个质量等级在脱氧方法和力学性能上有什么不同？

答：脱氯方法中，A、B级钢分为沸腾钢或镇静钢，C级钢全为镇静钢，D级钢全为特殊镇

静钢。在力学性能中，A级钢只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，B、C、D级钢均应保证

抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（B级+20°C,C级0C,D级-20°C）。

（7）哪些因素会使钢材发生脆性破坏？应如何防止？

答：影响钢材出现脆性破坏的因素1）内因：钢材的化学成分、组织构造和缺陷等；2）外

因：钢材在构造和加工过程中引起的应力集中、低温影响、动力荷载的作用、冷作硬化和应

变时效硬化等。

针对钢材的生产和使用过程成可能产生的脆性破坏原因，采取相应的措施防止，如：严格控

制碳、硫、磷、氧、氮等化学成分含量；采取适当的方法，保证钢材冶炼、轧制等各种工艺

过程的质量；人工时效和工艺措施消除硬化的影响；采取避免截面急剧变化等构造措施减小

应力集中；对动荷载作用下满意一定条件的钢构件，验算钢材疲劳强度。

（8）钢结构的破坏形式有哪两种？各有何特点？

答：钢材的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏。

塑性破坏也称延性破坏，是由于构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强度人后，构

件产生明显的变形并断裂。塑性破坏前构件有明显的变形，破坏历时长，断口发喑，易于及

时发现和采取措施进行补救，不至于引起严重后果。

脆性破坏前没有明显的变形和征兆，破坏时产生的变形远比材料应有的变形能力小，破

坏时的应力常小于钢材的屈服强度为，破坏发生突然，断口平齐，具有光泽的晶粒状，无法

及时察觉和采取补救措施，会引起严重后果，危及人们的生命财产安全。

（9）什么是疲劳破坏？影响疲劳破坏的主要因素是什么？

答：钢材的疲劳破坏是在连续重复荷载作用下，产生微观裂缝并不断扩展，直至最后出现突

发性的断裂破坏。影响疲劳破坏的主要因素是：微观裂纹和应力集中、应力幅和应力循环次

数、应力比。

（10）试述各型钢符号的含义。

答：热轧型钢有H型钢、剖分T型钢、工字钢、角钢、槽钢、钢管等。

H型钢和剖分T型钢的代号分别为HW、HM、HN和TW、TM、TN：H型钢还有轻型薄壁

类别，代号为HT。H型钢和剖分T型钢的标注方式均为截面高度，'翼缘宽度Bx腹板厚度

hx翼缘厚度及，单位为mm。

工字钢分为普通工字钢和轻型工字钢。普通工字钢型号用I和号数表示，号数代表截面高度

的厘米数。

角钢分为等边角钢和不等边角钢两种。角钢的表示方法为在符号后面加上“长边宽X

短边宽X厚度”（对不等边角钢），或加“边长X厚度”（对等边角钢）。

槽钢的型号表示方法与工字钢相似，用符号和号数表示，号数代表截面高度的厘米数。

钢管分为热轧无缝钢管和焊接钢管两种，型号可用代号①后加“外径X壁厚”表示。

（11）试述建筑工程用钢材的品种和规格。

答：钢结构用钢的品种主要有钢板、钢带、热轧型钢、冷弯薄壁型钢及压型钢板。钢板和钢

带有冷轧和热轧两种；热轧型钢有H型钢、剖分T型钢、工字钢、角钢、槽钢、钢管等；

冷弯薄壁型钢是用壁厚为1.5-5mm的薄钢板冷轧而成的。压型钢板是将壁厚为0.3~2mm

的薄钢板（彩色薄钢板）经辐压冷弯成W型、U型、V型等类似形状，用于建筑屋面、墙

面和楼板的建筑材料。

（12）选用钢材时应遵循什么原则？

答：钢材的选用原则是：安全可靠、经济合理、节约钢材、降低造价。

第三章钢结构的连接

(1)一、二级焊缝质量同母材，可不必进行强度计算，三级焊缝质最为母材的85%,进行

强度计算。

(2)~(11)答案略

(12)a点，Jb；+3r2=16L9N/mm2。19£卬=203.5N/mm2满足

b点，奴+3d=248.6N/M机2>u^=236.57V/W不满足

c点，〃=976Nimm?<f：=185N1mm?满足

(13)(1)hfx=hf2=Sfrvnylwi=355nvnjw2=155rrun

②〃/I=%==285;wn,/M,2=85/wn

(14)N、一的7kN,—16AN/mm?<f—215N/mm?满足

叭

(15)%L270N

(16)CT=157^/AWT?2</；,=160N/W/H2满足

(17)凹=40.5kN<=4398kN满足

(18)乂=78.1kNvN；m=88kN

n

Ni,

—=214.3A^/mm2>/=2C5/mm2不满足要求

A”

(19)N'max=459kN<N：=516kN满足

(20)N、=356kN<N第=g98kN满足

NN

(21)々+、=0.794vl满足

N；N：

(22)焊缝强度：b=113.7N/，w/v方，=i6GN/mM满足

螺栓强度：*+工=1.18>1不满足要求

NyN1

(23)张+普=0.的<1满足

(24)Nmax=878.4AN

第四章受弯构件

(1)~(10)略

(11)曳J=248.6N/〃加/>f=215N/〃削2不满足

晒

(12)抗弯强度：也。=96.7汽/加加2</=215N/〃w，

九-

抗剪强度：E=T7.5N/mm2<八=T25N/mm?

折算应力：卜+蜘-叫.+3-={02AN/mnr<1.1/=236.5A^/ww2

刚度：按主梁，vT=4.7mm<[DT]=--=15mm

un=3mm<Lc]=—=12mm

整体稳定性：也-=U0.8N//ww2<，=2i5N/〃切2

0M

(13)抗弯强度：一见J=196.9N/mm2v/=2i5N/〃加2

九%

22

抗剪强度：T=49.SN/mm<fv=125N/m/n

整体稳定性：=765.8N/nvn2>f=2\5N/nvn2

整体稳定性不满足要求，可在梁的三分点处加两个侧向支撑，则：

A/f

—J=2O9N//mj2</=215N/加2

8M

(14)整体稳定性：=\42.2N/nvn2<f=2]5N/nvn2

局部稳定性：翼缘，?=12.25<13/=13

腹板，，=62.5<804=80,宜按构造要求配置横向加劲肋。

第五章轴心受力构件

(1)轴心受力构件的常用截面形式有哪两种？各有何特点？

答：轴心受力构件的截面形式可分为实腹式和格构式两大类，如图5-2所示。实腹式构件制

作简单，与其他构件连接方便。格构式截面与实腹式截面相比，在用料相同的情况下，格构

式截面惯性矩增大，容易实现两主轴方向的等稳定性，刚度提高，抗扭性能较好，节约材料,

但是制作较复杂。

(2)为什么要验算轴心受力杆件的刚度？

答：轴心受力构件的正常使用极限状态是不产生超过规定的变形，因此构件需要有一定的刚

度。当构件刚度不足时，在制造、运输和安装过程中容易弯曲，在自重作用下，构件本身也

会产生过大的挠度，在承受动力荷载的结构中，还会引起较大的晃动。

(3)轴心受压杆件有哪几种屈曲形式？双轴对称截面轴心受压杆件的屈曲形式是怎样的？

答：轴心受压杆件屈曲形式可分为弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲，双轴对称截面常发生的

屈曲形式是弯曲屈曲。

(4)轴心受压杆件的稳定性系数°与什么因素有关？

答：轴心受压杆件的稳定性系数9

(5)实腹式轴心受:压杆件需做哪几方面的验算？计算公式是怎样的？

答：需作强度、刚度、整体稳定性、局部稳定性的验算。

N

公式：a.强度：a=—<f

A

b.刚度：

i

N

c.整体稳定性：CT=—<f

(pA.

d.局部稳定性：对翼缘外伸长度与厚度的比值以及腹板高厚比的规定。

(6)当轴心受压杆件整体稳定性不满足要求时，可采取什么措施提高其承载力。

答：

(7)轴心受力杆件的翼缘和腹板计算公式中A如何取值？

答：丸为构件的较大长细比，当丸<30时，取；I=30,当丸>100Rt,取4=1000

(8)双轴对称工字形截面轴心受压杆件的局部稳定不满足要求，可采取什么措施？

答：当截面不满足板件宽(高)厚比的要求时，一般应调整板件厚度或宽(高)度使其满足

要求。对工字形截面，也可以设纵向加劲肋来加强腹板或按截面有效宽度计算。

(9)格构式轴心受压杆件计算整体稳定性时，对虚轴为什么要采用换算长细比？缀条式和

缀板式的换算长细比计算公式有何不同？

答：用换算长细比代替对x轴的长细比儿来考虑剪切变形对临界荷载的影响。对于双

肢组合构件，换算长细比应按下列公式计算.

当缀件为缀条时：

A

(5-26)

当缀件为缀板时：

AH=+若

(10)如何保证格构式轴心受压杆件单肢的稳定？

答：缀条柱：

4«0-7*

缀板柱：

4<0.541ax且不大于404

(11)轴心受压构件的柱脚采用什么形式？试述其基本构造。

答：轴心受压柱与基础的连接一般采用较接，较接柱脚宜采用外露式柱脚；基本构造见教材,

此处略。

(12)强度：截面无削弱，无需计算

刚度：4=24.9<[2]=150,4y=38.7<[2]=150

整体稳定性：-----=92.2N/nvn2<f=205N/f?mi2

局部稳定性：翼缘1=14.7>(10+0.UX=13.9

腹板^-=41.7>(25+0.52>,=44.6

(13)—=76.7N/tn/n2<f=2\5NImm2

(14)答案不唯一。可选择HW344X354X16X16,再验算。

(15)—^―=187.7N/twn2<f=2\5N//wn2

(16)b=190Z??/7?

(17)答案不唯一,，此答案仅供参考。①试选分肢截面2[32a

②确定两肢间距b=320mm

③验算截面力=56.6〈团=150

N.•,

----=188.6N/mm~<f=215N/

(PA

④缀板设计缀板尺寸^=190w/ntj=7mm

⑤连接焊缝角焊缝hf=Snvn

=122.5N/mnf<=\60NI

第六章拉弯、压弯构件

⑴~(8)略

(9)强度—+=148.4N/nvn2<f=2\5N/nvn2

A“八味

刚度4ax=68.8<[2]=150

在弯矩作用平面内的稳定…\=0.767<1

9用WLJ(1-0.8N/NQ

在弯矩作用平面外的稳定+〃且以7=0.761<1

§内0MJ

局部稳定性，无需验算

(10)①强度，对1点：—+^^=\2SJN/rrvn2<f=2\5N/nvn2

4八%

对2点：........-=-\6.6N/mm2<f