《钢结构设计原理》试题库含答案要点.docx

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《钢结构设计原理》试题库含答案要点

钢结构设计原理试题库

一、填空题

1.钢结构计算的两种极限状态是和。

2.钢结构具有、、、、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、、、、、、禾口O

5.影响钢材疲劳的主要因素有、、、

6.建筑钢材的主要机械性能指标是、、、和。

7.钢结构的连接方法有、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.普通螺栓抗剪连接中，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与和有关。

11.轴心压杆可能的屈曲形式有、、和。

12.轴心受压构件的稳定系数邛与、和有关。

13.提高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。

二、问答题

1.钢结构具有哪些特点？

2.钢结构的合理应用范围是什么？

3.钢结构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？

6.什么是钢材的疲劳？

影响钢材疲劳的主要因素有哪些？

7.选用钢材通常应考虑哪些因素？

8.钢结构有哪些连接方法？

各有什么优缺点？

9.焊缝可能存在的缺陷有哪些？

10.焊缝的质量级别有几级？

各有哪些具体检验要求？

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？

14.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？

15.螺栓的排列有哪些构造要求？

16.普通螺栓抗剪连接中，有可能出现哪几种破坏形式？

具体设计时，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，对虚轴为什么要采用换算长细比？

21.什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？

22.什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？

23.压弯构件的整体稳定计算与轴心受压构件有何不同？

24.压弯构件的局部稳定计算与轴心受压构件有何不同？

计算题

1.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f：

=215N/mm2,

ftw=185N/mm20（假定剪力全部由腹板上的焊缝承受）

2.试计算如图所示钢板与柱翼缘的连接角焊缝的强度。

已知N=390kN（设计值），与焊缝之间的夹角9=60"。

钢材Q235,焊条E43,手工焊。

有关强度设计值ffw=160N/mnm。

Ll=?

L2=?

3.设计双角钢拉杆与节点板之间的连接角焊缝计算长度

已知：

采用三面围焊：

hf=6mm,fWf=160N/mm2,N=529kN（静载设计值）

4.设计矩形拼接板与板件用三面围焊连接的平接接头。

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？

=215N/mm2,

fWf=160N/mm2。

图示尺寸单位mm.（焊缝Lw2实际长度取cm整数）

5.设计矩形拼接板与板件用普通螺栓连接的平接接头。

（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：

?

bv=130N/mn2,?

bc=305N/mm2,?

=215

2

N/mrnio相制螺栓d=20mm,孔彳仝d0=21.5mrnt

6.图示一用M20普通螺栓的钢板拼接接头，钢材为Q235,?

=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,?

bv=130N/mn2,?

bc=305N/mmo

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,接触面抗滑移系数口=0.3。

8.计算图示连接的承载力设计值No

螺栓M20,孔21.5mm,材料Q235A

已知：

？

=215N/mm2,?

bv=l30N/mm2,?

bc=305N/mm2。

9.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=60KN,螺栓M20,孔径

21.5mm,?

bv=130N/mn2,?

bc=305N/mm2.

注：

①不计自重

②稳定系数中：

九

72

73

74

75

76

77

78

79

80

中

0.739

0.732

0.726

0.720

0.714

0.707

0.701

0.694

0.688

11.已知一两端钱支轴心受压缀板式格构柱，长10.0m,截面由2132a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132a的截面面积A=67cm2

惯性矩Iy=11080cm4

4

Ixi=460cm

何者的稳定性更好?

13.一简支梁的计算简图如下，截面采用普通工字钢I50a,材料为Q235,除两端支承处能

阻止梁端截面的扭转外，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）已知：

①钢材强度设计值f=215N/mm2

②150a的Ix=46470cm4）,W=1860cm3,Iy=1120cn4i,W=142cm

③整体稳定系数：

b

集中荷载作用于上翼缘0.5

均布荷载作用于上翼缘0.44

14.求图示钢梁所能承受的最大均布荷载设计值（含自重），已知梁截面为热轧普通工字钢

I45a,其截面特性为：

A=102cm2Ix=32240cm4wx=1430cm

Iy=855cm4wy=114cm

材料为Q235,强度设计值？

=215N/mm2,梁两端不能扭转，跨中无侧向支撑点，挠度不起控

制作用，截面无削弱。

整体稳定系数中b=0.44.

15.如图所示的拉弯构件，间接承受动力荷载。

横向均布荷载的设计值为8kN/m。

截面为

122a,无削弱。

试确定杆能承受的最大轴心拉力设计值。

已知：

232

A=42cm,Wx=309cm,ix=8.99cm,?

=215N/mm。

q=8kX/n

16.用轧制工字钢136a（材料Q235）作成的10m长两端较接柱，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：

232

A=76.3cm,WX=875cm,ix=14.4cm,iv=2.69cm,?

=215N/mm。

xxy

10000

T

《钢结构设计原理》复习题参考答案

一、填空题

1.承载能力极限状态、正常使用极限状态

2.轻质高强、材质均匀，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、残余应力、重

复荷载作用

5．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

6．屈服点、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

8．8hf、40mm60hf

9．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、扭转屈曲、弯扭屈曲

12．残余应力、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距离、梁端支承条件

15．限制宽厚比、设置加劲肋

二、问答题

1.钢结构具有的特点：

①钢材强度高，结构重量轻②钢材内部组织比较均匀，有良好的塑性和韧性③钢结构装配化程度高，施工周期短@钢材能制造密闭性要求较高的结构⑤钢结构耐热，但不耐火⑥钢结构易锈蚀，维护费用大。

2.钢结构的合理应用范围：

③重型厂房结构②大跨度房屋的屋盖结构③高层及多层建

3.钢结构对材料性能的要求：

③较高的抗拉强度fu和屈服点fy②较好的塑性、韧性及耐疲劳性能③良好的加工性能

4.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均匀拉伸试验得到；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：

①化学成分②钢材缺陷③冶炼，浇注，轧制④钢材

硬化⑤温度⑥应力集中⑦残余应力（8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集

中、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。

7.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

8.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。

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级检验出级合

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n级合格要求；（见《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001）

11.对接焊缝的构造要求有：

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。

区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。

⑨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

12.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。

*6-1角焊缝的构造要求

部位

项目

构逋要求

备注

焊脚尺寸

断1

上跟

力/1.费11蜩管他枸嘛饰）;

M时―

对板边E

r>6断滴/—（1〜幻mm

门为莪蹲停停厚度“为板边苑焊缝的板件厚度

下限

5ii/tij当£（4时工f

々为较厚煤件厚度,时自励擀A/可减Immp对单加T/厚%应加1mm.E为焊件厚度.

爆罐性度

上限

晒

内前沿假缱全性埼匀分布者不限

下限

和40mm

杆端身节点板用前例面角焊缝连接，如右图

长度八

一

|1j1181U-j

rTTTTTTTT

一

-

（3

[

时）*

&（『跛加（"412mm时）

h为较薄焊件厚度

搭接隹接

搭接最小长度

5fj及25mm

h为较薄焊怦厚度

13.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；

@降低构件的稳定承载力；⑹降低结构的疲劳强度；@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。

14．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。

15.螺栓排列的构造要求：

①受力要求：

端距限制一一防止孔端钢板剪断，＞2do；螺孔中距限制一限制下限以防止孔

间板破裂即保证A3do,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。

表H.3.4算柱或聊钉的最大、黑小容许距离

名称

位置和方向

最大容许距畴

（取两者的较小值）

埴小容许

距离

中心间距

外排（垂直内力方向或咂内力方向）

E/或⑵

中间拌

垂直内力方向

16/或24t

顺内力方向

构件受压力

UdQ或18r

构件受拉力

L64或24/

沿对角线方向

中心至构杵边缘距离

顺内力方向

4%或由

肛

垂直

内力方向

剪切边或手工气割边

L54

轧制边、自动气割或锯割边

高强度螺栓

其他螺栓或镯1钉

1.域

注%为螺栓或钢钉的孔径，为外层较薄板件的厚度,

2钢板边缘与刚性构件（如角钢■槽钢等）相连的螺栓或鄙包的显大间距，可按中间排的数值采用°

16.普通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，后两种可采取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。

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）。

1.8级为：

fu>800N/mm2fy/fu=0.8

1.99级为：

fu>1000N/mm2fy/fu=0.9

18.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。

19.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。

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）。

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。

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:

包工40235

tfy

梁受压翼缘自由外伸宽度bi与其厚度t之比的限值：

.£15但5tfy

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_+£c_）2+（」-）2<1

■,、crc,cr-cr

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）：

旦+「工+（—上）2<1

二cri二c,cr1cr1

3）同时用横向加劲肋、纵向加劲肋和短加劲肋加强的腹板:

b.受拉翼缘与纵向加劲肋之间的区格（区格II）:

（+—2）2+（—）2<1

C-cr2c,cr2-cr2

23.轴心受压构件中整体稳定性涉及构件的几何形状和尺寸（长度和截面几何特征）、杆

端的约束程度和与之相关的屈曲形式（弯曲屈曲、扭转屈曲或弯扭屈曲）及屈曲方向等。

另

外，构件的初始缺陷（残余应力、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，都需要考虑到。

因此，在对轴心受压构件计算整体稳定性时，引入了整

体稳定系数中，计算公式为：

a=—

和加工条件，即可根据人正确地查取中值计算。

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不足时，也可发生因侧向弯曲和扭转使构件发生弯

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情况等。

平

面内失稳计算中，引入等效弯矩系数Pmx,截面考虑塑性发展，对于实腹式压弯构件，计算

4玲八T*N-xMx「

计算公式为--f。

yAbWx

可见，压弯构件的整体稳定计算比轴心受压构件要复杂。

轴心受压构件在确定整体稳定承

载能力时，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，弯矩的作用带有一定的偶然性。

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，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行分析。

24.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。

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。

、计算题:

、确定对接焊缝计算截面的几何特性

全部焊缝计算截面的惯性矩

二、验算焊缝强度

1.a

2.b点

折算应力

2.解:

Nx=Nsin【-390sin60,=337.7kN

Ny=Ncosi-390cos60=195kN

3.解:

：

（））2+t2=J（1587）2+91.62=159MPa

:

ff.1.22f

N3=0.7hf、Lw3fffw=0.761601.2216010，=131.2kN

N3

N1=KiN—=0.7529-131.2/2=304.7kN2

N3

N2*N3=0.3529-131.2/2=93.1kN

2

4.解:

端缝：

N1=2bhe.ffw=23200.761.2216010,=524.7kN

侧向：

N2=N-N1=1250-524.7=725.3kN

N2725.3103

Lw2=5二5:

275mm-28cm

40.7hfffw40.76160

盖板全长L=2Lw21cm=2281=57cm

5.解：

_.2—

b，d-b___2-一3一

a）卜v二nv——fv=2—2013010=81.7kN

44

〔N；Id%tfcb=201830510=109.8kN

cc

Nb=81.7KNmin

端距2d0=43.0取50

边距1.5d0