河北工业大学钢结构设计原理复习题及参考答案.docx

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1、一、 填空题1. 钢构造计算的两种极限状态是 和 。2. 钢构造具有 、 、 、 、 和 等特点。3. 钢材的破坏形式有 和 。4. 影响钢材性能的主要因素有 、 、 、 、 、 、 和 。5. 影响钢材乏累的主要因素有 、 、 、6. 建筑钢材的主要机械性能指标是 、 、 、 和 。7. 钢构造的连接方法有 、 和 。8. 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 。9.一般螺栓抗剪连接中，其破坏有五种可能的形式，即 、 、 、 、和 。10. 高强度螺栓预拉力设计值及 和 有关。11. 轴心压杆可能的屈曲形式有 、 、和 。12. 轴心受压构件的稳

2、定系数及 、 和 有关。13. 进步钢梁整体稳定性的有效途径是 、 和 。14. 影响钢梁整体稳定的主要因素有 、 、 、 和 。15.焊接组合工字梁，翼缘的部分稳定常承受 的方法来保证，而腹板的部分稳定那么常承受 的方法来解决。二、 问答题1. 钢构造具有哪些特点？2. 钢构造的合理应用范围是什么？3. 钢构造对材料性能有哪些要求？4. 钢材的主要机械性能指标是什么？各由什么试验得到？5. 影响钢材性能的主要因素是什么？6. 什么是钢材的乏累？影响钢材乏累的主要因素有哪些？7. 选用钢材通常应考虑哪些因素？8. 钢构造有哪些连接方法？各有什么优缺点？9. 焊缝可能存在的缺陷有哪些？10. 焊

3、缝的质量级别有几级？各有哪些详细检验要求？11. 对接焊缝的构造要求有哪些？12. 角焊缝的计算假定是什么？角焊缝有哪些主要构造要求？13. 焊接剩余应力和焊接剩余变形是如何产生的？焊接剩余应力和焊接剩余变形对构造性能有何影响？削减焊接剩余应力和焊接剩余变形的方法有哪些？14. 一般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？15. 螺栓的排列有哪些构造要求？16. 一般螺栓抗剪连接中，有可能出现哪几种破坏形式？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？17. 高强度螺栓的8.8级和10.9级代表什么含义？18. 轴心

4、压杆有哪些屈曲形式？19. 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？20. 在计算格构式轴心受压构件的整体稳定时，对虚轴为什么要承受换算长细比？21. 什么叫钢梁丢失整体稳定？影响钢梁整体稳定的主要因素是什么？进步钢梁整体稳定的有效措施是什么？22. 什么叫钢梁丢失部分稳定？怎样验算组合钢梁翼缘和腹板的部分稳定？23. 压弯构件的整体稳定计算及轴心受压构件有何不同？24. 压弯构件的部分稳定计算及轴心受压构件有何不同？三、 计算题1. 试验算如下图牛腿及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=21

5、5 N/mm2，=185 N/mm2 。假定剪力全部由腹板上的焊缝承受2. 试计算如下图钢板及柱翼缘的连接角焊缝的强度。N=390kN设计值，及焊缝之间的夹角。钢材Q235，焊条E43,手工焊。有关强度设计值=160 N/mm2 。3. 设计双角钢拉杆及节点板之间的连接角焊缝计算长度L1=,L2=：承受三面围焊：hf=6mm,fwf=160N/mm2,N=529kN(静载设计值)4.设计矩形拼接板及板件用三面围焊连接的平接接头。轴心拉力N1250kN，静载设计值，钢材Q235，焊条E43,手工焊。有关强度设计值=215 N/mm2， fwf=160N/mm2。图示尺寸单位mm.(焊缝LW2实际

6、长度取cm整数)5. 设计矩形拼接板及板件用一般螺栓连接的平接接头。如下图，单位mm。轴心拉力设计值N=600KN,有关强度设计值：bv=130N/mm2, bc=305 N/mm2,=215 N/mm2。粗制螺栓d=20mm,孔径d0=。6.图示一用M20一般螺栓的钢板拼接接头，钢材为Q235，215 N/mm2。试计算接头所能承受的最大轴心力设计值。螺栓M20,孔径, bv=130N/mm2, bc=305 N/mm2。拼接接头改用10.9级M20磨擦型高强度螺栓，接触面处理承受钢丝刷去除浮锈。接头所能承受的最大轴心力设计值能增大多少？高强度螺栓预拉力设计值P155kN,接触面抗滑移系数。

7、8. 计算图示连接的承载力设计值N。螺栓M20，孔,材料Q235A：215N/mm2, bv=130 N/mm2, bc=305 N/mm2 。9.试计算下列图所示连接中C级螺栓的强度。荷载设计值F=60KN,螺栓M20,孔径, bv=130N/mm2, bc=305 N/mm2.10.两端铰接轴心受压柱，高,钢材为Q235，强度设计值=215 N/mm2，承受图示截面，尺寸单位mm,计算可承受外荷载设计值N=？ 注：不计自重 稳定系数 ：7273747576777879800.688 11.一两端铰支轴心受压缀板式格构柱，长，截面由2I32a组成，两肢件之间的间隔 300cm,如下图，尺寸单

8、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 12.如下图为二简支梁截面，其截面面积大小一样，跨度均为12m，跨间无侧向支承点，均布荷载大小亦一样，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？13. 一简支梁的计算简图如下，截面承受一般工字钢I50a，材料为Q235，除两端支承处能阻挡梁端截面的变更外，跨中无任何侧向支承点，试按整体稳定确定荷载P的大小设计值，不计自重：钢材强度设计值f215N/mm2I50a的Ix46470cm4，Wx1860cm3， Iy1120cm4，Wy

9、142cm3整体稳定系数：集中荷载作用于上翼缘 均布荷载作用于上翼缘 14. 求图示钢梁所能承受的最大均布荷载设计值含自重，梁截面为热轧一般工字钢I45a,其截面特性为： A=102cm2 IX=32240cm4 wx=1430cm3 Iy=855cm4 wy=114cm3材料为Q235,强度设计值=215 N/mm2，梁两端不能变更，跨中无侧向支撑点，挠度不起限制作用，截面无减弱。整体稳定系数b=0.44.15. 如下图的拉弯构件，间接承受动力荷载。横向均布荷载的设计值为8kN/m。截面为I22a，无减弱。试确定杆能承受的最大轴心拉力设计值。：, =215 N/mm2 。16. 用轧制工字钢

10、I36a材料Q235作成的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q6.24kN/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？：, =215 N/mm2 。 钢构造设计原理复习题参考答案一、填空题1承载实力极限状态、正常运用极限状态2轻质高强、材质匀整，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、易锈蚀。3塑性破坏、脆性破坏4化学成分、钢材缺陷、冶炼，浇注，轧制、钢材硬化、温度、应力集中、剩余应力、重复荷载作用5应力集中、应力幅对焊接构造或应力比对非焊接构造、应力循环次数6屈从点、

11、抗拉强度、伸长率、冲击韧性、冷弯性能7焊接连接、铆钉连接、螺栓连接88hf 、40mm 60 hf9螺栓剪坏、孔壁挤压坏、构件被拉断、端部钢板被剪坏、螺栓弯曲破坏10螺栓材质、螺栓有效面积11弯曲屈曲、变更屈曲、弯扭屈曲12剩余应力、初弯曲和初偏心、长细比13加强受压翼缘、增加侧向支承点14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间隔 、梁端支承条件15限制宽厚比、设置加劲肋二、问答题1 钢构造具有的特点：钢材强度高，构造重量轻钢材内部组织比较匀整，有良好的塑性和韧性钢构造装配化程度高，施工周期短钢材能制造密闭性要求较高的构造钢构造耐热，但不耐火钢构造易锈蚀，维护费用大。2

12、钢构造的合理应用范围：重型厂房构造大跨度房屋的屋盖构造高层及多层建筑轻型钢构造塔桅构造板壳构造桥梁构造挪动式构造3 钢构造对材料性能的要求：较高的抗拉强度fu和屈从点fy较好的塑性、韧性及耐乏累性能良好的加工性能4 钢材的主要机械性能指标是屈从点、抗拉强度、伸长率、冲击韧性、冷弯性能。其中屈从点、抗拉强度和伸长率由一次静力单向匀整拉伸试验得到；冷弯性能是由冷弯试验显示出来；冲击韧性是由冲击试验使试件断裂来测定。5 影响钢材性能的主要因素有：化学成分钢材缺陷冶炼，浇注，轧制钢材硬化温度应力集中剩余应力重复荷载作用6 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，甚至还低于屈从点时也会发生

13、断裂破坏，这种现象称为钢材的乏累或乏累破坏。影响钢材乏累的主要因素是应力集中、应力幅对焊接构造或应力比对非焊接构造以及应力循环次数。7 选用钢材通常考虑的因素有：构造的重要性荷载特征连接方法构造的工作环境温度构造的受力性质8 钢构造常用的连接方法有：焊接连接、铆钉连接和螺栓连接三种。焊接的优点：不需打孔，省工省时；任何形态的构件可干脆连接，连接构造便利；气密性、水密性好，构造刚度较大，整体性能较好。焊接的缺点: 焊缝旁边有热影响区，材质变脆；焊接的剩余应力使构造易发生脆性破坏，剩余变形使构造形态、尺寸发生变更；焊接裂缝一经发生，便简洁扩展。铆钉连接的优点:塑性、韧性较好，传力牢靠，连接质量易于

14、检查。 铆钉连接的缺点:因在构件上需打孔，减弱构件截面；且铆接工艺困难，技术要求高。螺栓连接的优点：具备铆钉连接塑性、韧性好，传力牢靠的优点，又兼备安装拆卸便利，可以屡次重复运用的优点，且连接变形小。9 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。10 焊缝质量分为三个等级。三级质量检查只对全部焊缝进展外观缺陷及几何尺寸检查，其外观可见缺陷及几何尺寸偏向必需符合三级合格标准要求；二级质量检查除对外观进展检查并到达二级质量合格标准外，还需用超声波或射线探伤20焊缝，到达B级检验级合格要求；一级质量检查除外观进展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

15、，到达B级检验级合格要求；见钢构造工程施工质量验收标准GB50205-200111. 对接焊缝的构造要求有：一般的对接焊多承受焊透缝，只有当板件较厚，内力较小，且受静载作用时，可承受未焊透的对接缝。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。起落弧处易有焊接缺陷，所以要用引弧板。但承受引弧板施工困难，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2tt为较小焊件厚度。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的斜面，防止应力集中。当钢板在纵横两方向进展对接焊时，焊缝可承受十字形或T形穿插对接，当用T形穿插时，穿插点的间

16、距不得小于200mm。12. 角焊缝的计算假定是：破坏沿有效载面；破坏面上应力匀整分布。 13. 钢材在施焊过程中会在焊缝及旁边区域内形成不匀整的温度场，在高温区产生拉应力，低温区产生相应的压应力。在无外界约束的状况下，焊件内的拉应力和压应力自相平衡。这种应力称焊接剩余应力。随焊接剩余应力的产生，同时也会出现不同方向的不匀整收缩变形，称为焊接剩余变形。焊接剩余应力的影响：对塑性较好的材料，对静力强度无影响；降低构件的刚度；降低构件的稳定承载力；降低构造的乏累强度；在低温条件下承载，加速构件的脆性破坏。焊接剩余变形的影响：变形假设超出了施工验收标准所容许的范围，将会影响构造的安装、正常运用和平安

17、承载；所以，对过大的剩余变形必需加以矫正。削减焊接剩余应力和变形的方法：合理设计:选择适当的焊脚尺寸、焊缝布置应尽可能对称、进展合理的焊接工艺设计，选择合理的施焊依次。正确施工：在制造工艺上，承受反变形和部分加热法；按焊接工艺严格施焊，防止随意性；尽量承受自动焊或半自动焊，手工焊时防止仰焊。14 一般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。当受剪螺栓连接在到达极限承载力时，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互相压紧而产生相应的摩擦力

18、，依靠摩擦力来传递外力。它是以摩擦力刚被抑制，构件开始产生滑移做为承载实力的极限状态。15. 螺栓排列的构造要求： 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裂开即保证3do，限制上限以防止板间翘曲。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。施工要求:为便于拧紧螺栓，宜留适当间距。16. 一般螺栓抗剪连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，后两种可实行相应的构件措施来保证。一般当构件上螺孔的端距大于2d0时，可以防止端部冲剪破坏；当螺栓夹

19、紧长度不超过其直径的五倍，那么可防止螺杆产生过大的弯曲变形。17 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：fu800N/mm，fy/f10.9级为：fu 1000N/mm，fy/fu18. 受轴心压力作用的直杆或柱，当压力到达临界值时，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、变更屈曲和弯扭屈曲。19. 在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑剩余应力

20、的影响、初弯曲和初偏心的影响、杆端约束的影响。20. 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需通过缀材来传递。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，对虚轴要承受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。21. 钢梁在弯矩较小时，梁的侧向保持平直而无侧向变形；即使受到间或的侧向干扰力，其侧向变形也只是在确定的限度内，并随着干扰力的除去而消逝。但当弯矩增加使受压翼缘的弯曲压应力到达某一数值时，钢梁在间或的侧向干扰力作用下会突然分开最大刚度平面对侧向弯曲，并同时伴随着变更。这时即

21、使除去侧向干扰力，侧向弯扭变形也不再消逝，如弯矩再稍许增大，那么侧向弯扭变形快速增大，产生弯扭屈曲，梁失去接着承受荷载的实力，这种现象称为钢梁丢失整体稳定。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间隔 、梁端支承条件。进步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。22 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丢失整体稳定之前，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部分失稳。 组合钢梁翼缘部分稳定性的计算：梁受压翼缘自由外伸宽度b1及其厚度t之比的限值：箱形截面受压翼缘板

22、在两腹板之间的宽度b0及其厚度t之比的限值： 组合钢梁腹板部分稳定的计算仅用横向加劲肋加强的腹板：同时用横向加劲肋和纵向加劲肋加强的腹板：a受压翼缘及纵向加劲肋之间的区格区格I：b受拉翼缘及纵向加劲肋之间的区格区格II：同时用横向加劲肋、纵向加劲肋和短加劲肋加强的腹板：a受压翼缘及纵向加劲肋之间的区格区格I：b受拉翼缘及纵向加劲肋之间的区格区格II：23 轴心受压构件中整体稳定性涉及构件的几何形态和尺寸长度和截面几何特征、杆端的约束程度和及之相关的屈曲形式弯曲屈曲、变更屈曲或弯扭屈曲及屈曲方向等。另外，构件的初始缺陷剩余应力、初弯曲、初偏心和弹性、塑性等不同工作阶段的性能，在计算整体稳定时，都

23、须要考虑到。因此，在对轴心受压构件计算整体稳定性时，引入了整体稳定系数，计算公式为：。在计算时，依据截面形式、屈曲方向对应轴和加工条件，即可依据正确地查取值计算。 压弯构件的整体失稳可能为弯矩作用平面内弯矩通常绕截面强轴作用时的弯曲屈曲，但当构件在垂直于弯矩作用平面内的刚度缺乏时，也可发生因侧向弯曲和变更使构件发生弯扭屈曲，即弯矩作用平面外失稳。在计算其稳定性计算时，除要考虑轴心受压时所需考虑的因素外，还需考虑荷载类型及其在截面上的作用点位置、端部及侧向支承的约束状况等。平面内失稳计算中，引入等效弯矩系数，截面考虑塑性开展，对于实腹式压弯构件，计算公式为。平面外失稳计算，同样引入等效弯矩系数，

24、计算公式为。 可见，压弯构件的整体稳定计算比轴心受压构件要困难。轴心受压构件在确定整体稳定承载实力时，虽然也考虑了初弯曲、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，弯矩的作用带有确定的间或性。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实力，同时使构件一经荷载作用，立即产生挠曲，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突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进展分析。24. 部分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

25、比所保证的。确定限值的原那么：组成构件的板件的部分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，板件处于匀整受压状态；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态和尺寸、支承状况和应力状况弯曲正应力、剪应力、部分压应力等的单独作用和各种应力的结合作用，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。三、计算题：1 解：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程度焊缝的形心位置取矩 全部焊缝计算截面的惯性矩 全部焊缝计算截面的抗拒矩 腹板焊缝计算截面的面积 二、验算焊缝强度 折算应力 2.解： 3.解： 4解： 端缝： 侧向： 盖板全长 5解

26、：a)b) 取8个c) 排列中距取80端距取50边距取40d) 净截面验算 215MPa说明净截面强度不够，接头不能承受600kN的拉力,阅历算，盖板应承受12mm厚钢板，被连接板应承受25mm钢板。e) 拼接板长6解：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II截面：IIII截面：IIIIII截面：因前面II截面已有n1个螺栓传走了n1/nN的力，故有构件所能承受

27、的最大轴心力设计值按IIII截面三、 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IIII截面的承载实力取值，即。再者，假设连接盖板不取2块8mm厚钢板而去2块7mm，即及构件等厚，那么会因开孔最多其承载力最小。7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 连接一侧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毛截面：II截面净截面面积为 依据 即 II-II截面净截面面积为 III-III截面净截面面积为 因前面II截面已有n1个螺栓传走了n1/nN的力，故有构件所能承受的最大轴心力

28、设计值按IIII截面三、 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为。及上题比较增大8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 连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：故连接的承载力为9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 故应按进展验算偏心力F的程度及竖直分力和对螺栓群转动中心的间隔 分别为：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程度和竖直剪力：螺栓“1承受的合力：10解：11解：12解：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。13.解： 14解：15.解：均布荷载作用下的最大弯矩设计值：应用拉弯构件强度计算公式 刚度验算： 16解：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说明，设四个侧向支承点，该柱在两个方向根本上可到达等稳定性。