钢结构思考题[期末考试简答]

钢结构的材料

1．为什么能把钢材简化为理想的弹塑性材料？

2．塑性和韧性的定义，两者有何区别，冷弯性能和冷作硬化对结构设计的意义是什么？3．为什么承受动力荷载的重要结构要通过刨边、扩孔等方法清除其冷加工的边缘部分？

1．答：从钢材拉伸时的应力－应变曲线可以看到，钢材有较明显的弹性、屈服阶段，但当应力达屈服点后，钢材应变可达2％～3％，这样大的变形，虽然没有破坏，但结构或构件已不适于再继续承受荷载，所以忽略弹塑性阶段，而将钢材简化为理想的弹塑性材料。2．答：塑性是指当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形而不立即断裂的性质；韧性是指塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性同塑性有关，但不完全相同，是强度和塑性的综合表现。冷弯性能是指钢材在冷加工产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力，可检验钢材的冷加工工艺和检查钢材的内部缺陷。钢材冷加工过程中引起的钢材硬化称为冷作硬化，冷作硬化可能使材料变脆。

3．答：钢结构冷加工时会引起钢材的局部冷作硬化，从而使材料强度提高，塑性、韧性下降，使钢材变脆。因此，对承受动力荷载的重要结构要通过刨边、扩孔等方法清除其冷加工的边缘部分，从而防止脆性破坏。

钢结构的连接

1、请说明角焊缝焊脚尺寸不应太大、太小的原因及焊缝长度不应太长、太短的原因?

2、试述焊接残余应力对结构工作的影响?

3、正面角焊缝和侧面角焊缝在受力上有什么不同？当作用力方向改变时，又将如何？

4、对接焊和角焊缝有何区别？

5、如何减小焊接应力和焊接变形？

6．高强度螺栓的预拉力起什么作用？预拉力的大小与承载力之间有什么关系？

7．摩擦型高强度螺栓与承压型高强度螺栓有什么区别？

8．为什么要控制高强度螺栓的预拉力，其设计值是怎样确定的？

9．普通螺栓和高强度螺栓在受力特性方面有什么区别？单个螺栓的抗剪承载力设计值是如何确定的？

10．螺栓群在扭矩作用下，在弹性受力阶段受力最大的螺栓其内力值是在什么假定条件下求得的？

1．答：焊脚尺寸太大施焊时较薄焊件容易烧穿；焊缝冷却收缩将产生较大的焊接变形；热影响区扩大容易产生脆裂。焊脚尺寸太小，焊接时产生的热量较小，焊缝冷却快，容易产生裂纹；同时也不易焊透。

焊缝长度过短，焊件局部加热严重，会使材质变脆；同时起、落弧造成的缺陷相距太近，严重影响焊缝的工作性能。

焊缝长度过长，应力沿长度分布不均匀，两端应力可能达到极限值而先破坏，中部则未能充分发挥其承载能力。

2．答：残余应力对结构静力强度一般没有影响，因为它是自相平衡力系，只要材料能发生塑性变形，其静力强度是不变的。但当材料不能发展塑性时，则可能发生脆性破坏，即各点的外加应力和其残余应力相加达到材料的抗拉强度fy ，该点即破坏，从而降低构件的承载力。

残余应力将减少构件的刚度，因残余应力与外加应力相加，将使某些部分提前进入塑性而不再承担以后增加的荷载。

残余应力使构件刚度减小，因而对稳定承载力有不利影响，特别是对工字形截面的弱轴影响更大。

双向或三向残余拉应力场，将增加材料的脆性倾向，也将降低疲劳强度。

3． 答： 正面角焊缝受力较复杂，但沿焊缝长度方向应力分布比较均匀，且正面角焊缝承载力较高；侧面角焊缝受力相对简单，主要承受沿着焊缝长度方向的剪应力，剪应力沿焊缝长度方向分布不均匀，两边大、中间小，侧缝的承载力较低，但侧缝塑性较好，两端出现塑性变形后，应力重分布，所以当焊缝长度在规定的范围内时，剪应力应仍按均布计算。 当作用力方向改变时，将它分解成分别垂直于焊缝长度方向和沿焊缝长度方向的应力，分别按正面角焊缝和侧面角焊缝算出 f σ 和 f τ ，且要求()w f f f f

f ≤+???? ??22τβσ 。

4． 答： 对接焊缝为 或 ，即由相连两板件接触面间填充焊条施焊形成，为保证质量，对接焊缝常需坡口；角焊缝如 或 ，即在焊件侧边施焊形成。从受力上讲，对接焊缝受力无偏心，但对接焊缝常需坡口，施工麻烦，且对焊件的长度精确度要求较高；而角焊缝则相反，受力偏心，但焊接无需坡口，施工较方便。

5． 答：减小焊接应力和焊接变形的方法有：

采取合理的施焊次序；尽可能采用对称焊缝；施焊前给构件一个和焊接变形相反的预变形；可能情况下焊前预热，焊后保温慢慢冷却；焊后采用人工或机械方法消除焊接变形。

6． 答：通过高强螺栓的预拉力，使连接构件受压，从而在连接面上产生摩擦力来抗剪。在传力摩擦面的抗滑移系数一定的情况下，预拉力越大，高强螺栓的抗剪承载力就越大，每个摩擦型高强螺栓的抗剪承载力为：

μP n N f b V 9.0= 。高强度螺栓的抗拉承载力也随预拉力的增大而增大，即 P N b t

8.0= 。 7． 答：摩擦型高强度螺栓连接的板件间无滑移，靠板件接触面间的摩擦力来传递剪力，而承压型高强螺栓容许被连接板件间产生滑移，其抗剪连接通过螺栓杆抗剪和孔壁承压来传递剪力，所以承压型高强度螺栓比摩擦型高强度螺栓抗剪承载力大，但变形也大。

8． 答：高强螺栓的应用，不论是受剪力连接、受拉力连接还是拉剪连接中，其受力性能主要是基于螺栓对板件产生的压力，即紧固的预拉力，即使是承压型的连接，也是部分利用这一性能，因此，控制预拉力是保证高强螺栓连接质量的一个关键性因素。

高强螺栓预拉力设计值是这样确定的：基于钢材的屈服强度，考虑材料的不均匀性，为防止预拉力的松弛而需要的超张拉以及拧紧螺栓扭矩产生的剪力等因素进行综合确定，即：P=0.675fy.Ae 。

9．

答：

高强螺栓分摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓，

摩擦型高强螺栓是靠接触面间的摩

擦力来传递剪力的，而承压型高强螺栓的抗剪性能同普通螺栓，高强度螺栓抗拉承载力由预

拉力决定，为预拉力的80％。普通螺栓是通过栓杆受剪和板件孔壁受压来传递剪力的，通过螺栓杆抗拉来承受拉力。单个螺栓的抗剪承载力设计值对于普通螺栓为螺栓抗剪承载力和承压承载力的较小值；对于高强螺栓为μP n f

9.0 ，其中 nf 、μ 分别为摩擦面数和抗滑移系数，P 为预拉力。

10． 答：螺栓群在扭矩作用下，其内力计算基于下列假定：

⑴被连接板件为绝对刚性体；

⑵螺栓是弹性体；

⑶各螺栓绕螺栓群的形心旋转，使螺栓沿垂直于旋转半径r 的方向受剪，各螺栓所受的剪力大小与r 成正比。

受弯构件

1. 若设计一钢梁与混凝土组合而成的简支组合梁,应如何才为合理截面?其中钢与混凝土连接面受力如何?

2. 什么是梁的整体失稳？影响梁的整体稳定的主要因素有哪些？

3. 如何提高梁的整体稳定性？其最有效而经济的方法是什么？

4. 何谓截面的剪力中心？它与材料、受力情况有关吗？

5. 判别梁是否需要验算其整体稳定，用l1/b1 来衡量，其意义是什么？l1 ，b1 分别代表什么？

6. 其他条件都相同的两根梁，3号钢的hmin 较 16Mn 钢的是大还是小？为什么？

7. 梁翼缘和腹板常采用连续的角焊缝连接，其长度为何不受最大长度60 hf 或40hf 限制？

8. 在工字型截面梁中，翼缘与腹板的交界处对翼缘和腹板来说分别是怎样的支承？为什么？

9. 设置加劲肋来提高腹板的局部稳定性，其作用是如何发挥的？横向加劲肋宽度 ，厚度 的确定原则是什么？

10. 梁的拼接焊缝位置如何合理确定？

11. 工字型梁的受压翼缘与轴压杆件的翼缘受力状态相近，其局部稳定的宽厚比要求有何不同？

12. 请通过梁的临界弯矩表达式：l GI EI k M t y cr .= ，说明影响钢梁整体稳定的主要因素。

13. 焊接工字形等截面简支梁的整体稳定系数为

y

b y x y b b f h t w Ah 2354.4.1.4320212

????????+??? ??+=ηλλβ?

解释：1.

b ? 的物理意义。

2. 式b β 、y λ 、 b

η 、 fy 235 各代表什么含义。 14. 梁的弯曲正应力强度计算公式中，x γ 代表何含义？确定此值时，为何限定塑性发展

区高度 的范围

1． 答：应使梁截面中钢材部分受拉，混凝土部分受压。钢与混凝土连接面受剪力作用。

2． 答：梁在荷载作用下，虽然其截面的正应力还低于钢材的强度，但其变形会突然离开原来的弯曲平面，同时发生侧向弯曲和扭转，这就称为梁的整体失稳。主要因素：梁的侧向抗弯刚度，抗扭刚度，抗翘曲刚度，梁侧向支撑点之间的距离，梁的截面形式，横向荷载的形式、在截面上的作用位置等。

3． 答：加大梁的侧向抗弯刚度、抗扭刚度和抗翘曲刚度，设侧向支撑，加强受压翼缘其中设侧向支撑最经济。

4． 答：荷载作用于截面平面内一点，而不会使截面发生扭转，这一点称为截面的剪力中心。它与材料和受力无关，它是截面的一个几何特性。

5． 答：当 l1 / b1小到一定程度可以保证阻止受压翼缘的侧向变形，从而保证不会发生整体失稳。 l1 表示受压翼缘的自由长度，b1 表示受压翼缘宽度。

6． 答： 16Mn 钢的最小高度较大，因为 f 与H 成正比 ，所以 f 越大则 hmin 越大。

7． 答：因为梁翼缘和腹板连接处，内力沿焊缝全长分布。

8． 答：对翼缘是简支，对腹板是具有弹性约束的半刚性约束。因为，腹板比较高，对翼缘的转动约束比较小，而翼缘比较厚窄，对腹板可以有一定的转动约束。

9． 答：设置加劲肋可以细分腹板区格，从而减小每一区格的宽厚比，进而提高局部稳定性。横向加劲肋宽度 bs ，厚度ts 的确定原则是：有足够的刚度，使其成为腹板的不动支承。

10． 答：梁的翼缘板和腹板的拼接位置最好错开，并避免与加劲肋以及与次梁连接处重合，以防止焊缝密集交叉。腹板的拼接焊缝与平行它的加劲肋间至少应相距10 tw 。

11． 答：梁翼缘的局部稳定是根据板件的屈曲应力达到材料的屈服点的95%，来计算板的宽厚比；而柱子中是以翼缘局部稳定与柱子整体稳定的临界应力相等的等稳定条件求板的宽厚比。

12． 答： EIy ：梁的侧向抗弯刚度。 EIy 越大，梁的整体稳定性越好。

GIt ：梁的抗扭刚度。 GIt 越大，梁的整体稳定性越好。

k ：与荷载种类、荷载作用位置、支承条件、截面形式等有关。

l ：梁受压翼缘的自由长度（受压翼缘侧向支撑点之间的距离）。

13． 答：1. 为梁的整体稳定系数， 。

2. 为梁整体稳定的等效弯矩系数，与荷载种类、作用位置、梁的截面尺寸有关； 为梁在受压翼缘侧向支承点间对弱轴y －y 的长细比； 为截面不对称影响系数； 为采用不同钢号的系数。

14． 答： 为截面的塑性发展系数。以截面边缘屈服为标准的弹性设计，过于保守；以截面成塑性铰为标准的塑性设计，梁的变形可能过大。因而规定采用截面部分发展塑性，限制截面上塑性发展深度为 (1/8~1/4)h 。

轴心受力构件

1． 拉杆为何要控制刚度？如何验算？拉杆允许长细比与什么有关？

2． 计算轴心受压缀条柱时，如何考虑柱的剪切变形的影响？此时柱的整体等稳定条件是什么？

3． 试述提高轴心受压构件整体稳定性的措施。

4． 在缀条式轴心受压格构柱中，为什么要限制单肢的长细比？如何限制？

5． 钢结构轴心受压构件整体稳定承载力时按什么原理确定的？

6． 请说明轴心受压焊接工字型截面钢柱采用有效截面验算稳定的概念。

7． 一轴心受压柱，有两种可能的荷载作用方式

1）重力集中荷载P 作用在柱顶

2）一重力集中荷载0.7P 作用在柱顶，另一重力集中荷载0.3P 作用在柱高的中点 问哪一种稳定承载力较高，为什么？

8． 轴心受压构件在何种情况下采用高强度钢比较有利？说明理由。

9． 影响轴心压杆稳定极限承载力的初始缺陷有那些？现行钢结构设计规范中主要考虑了其中那些最不利的初始缺陷？

10． 图示箱形柱，柱内均填素混凝土，在轴心压力作用下，是否会发生局部屈曲？若改为圆管柱是否会发生局部屈曲？

1． 答：拉杆要控制刚度是为了保证构件在使用过程中不产生过大的横向振动而使杆件连接受到损害及改变杆件轴心受拉的性质。

验算：构件长细比小于或等于容许长细比 。

拉杆允许长细比 与拉杆所受荷载的性质有关。

2．答：轴心受压柱的临界力 。对格构式缀条柱的虚轴，单位剪切角 较大，剪力产生的剪切变形不能忽略，它将降低整体稳定临界力，因此设计中将构件计算长度定为l μ ， μ为放大系数，以考虑这一不利影响，用换算长细比 ox λ

来替代 x λ （x 为虚轴）。柱

的整体等稳定条件为 y ox λλ= （y 为实轴）。 3．答：轴压构件当 较大时为弹性失稳，此时临界力只与长细比有关，所以可通过改变支承条件（如杆端将铰支改为固定，中间加支承点等）来减小计算长度，或改变截面形状，增大回转半径来提高整体稳定性；当轴压构件长细比较小时为弹塑性失稳，此时其临界力与材料强度也有关，因此提高钢号对提高整体稳定性也有一定作用。此外，截面形式与整体稳定性也有关，在三类截面a 、b 、c 中，a 类最好，c 类最差。

4．答：为使格构柱单肢不先于整体失稳，要限制单肢的长细比。通过保证单肢长细比 （ 为

两个主轴方向长细比中的较大值）。

5． 答：考虑杆长千分之一的初始挠度，忽略初始偏心，计入焊接残余应力的影响，根据压溃理论用有限元方法确定构件的临界应力。

6．答：当轴心受力工字型截面中的腹板发生局部失稳时，在不采取措施的情况下可以采用有效截面的概念进行计算。即计算时仅考虑腹板两边缘各 fy

t w 23520。 如图。 7．答：后一种稳定承载力较高。从能量法角度分析，前者全部荷载作用在顶部引起的变形较大，所以其临界应力较小，稳定承载力较低。

8．答：轴压构件一般由稳定控制。轴心压杆在 较小时的失稳为弹塑性失稳，此时临界应力与材料强度有关，所以短粗构件采用高强度的钢材比较有利，能提高杆件承载力。

9．答：影响轴心压杆稳定极限承载力的初始缺陷有：（1）初始变形；（2）初始偏心；（3）残余应力；（4）材质不均；等。

规范中主要考虑的有：（1）初始弯曲（2）残余应力。

10．答：前者会发生局部屈曲，腹板或翼缘向外曲鼓；

后者不会局部屈曲，因为在内部砼挤压下钢管环向受拉。

拉弯和压弯构件

1. 实腹式压弯构件在弯矩作用平面内失稳是何种失稳？在弯矩作用平面外失稳是何种失稳？两者有何区别？

2. 何为偏心受力构件？

3. 对压弯构件，当弯矩作用在实腹式截面的弱轴平面内时，为什么要分别进行在弯矩作用平面内、外的两类稳定验算？它们分别属于第几类稳定问题？

4. 对于压弯构件，当弯矩绕格构式柱的虚轴作用时，为什么不验算弯矩作用平面外的稳定性？

5. 对于弯矩作用在对称轴内的T 型截面，在验算了弯矩作用平面内的稳定性时，为什么除了按一般实腹式压弯构件稳定计算外，还需补充验算受拉翼缘的稳定？

1．

答：在弯矩作用平面内是弯曲屈曲，在弯矩作用平面外是弯扭屈曲。前者只在弯矩作用

平面内变形，后者除弯矩平面内变形外，还有侧移和扭转。

2．答：所谓偏心受力构件是纵向力不作用在截面的形心或者同时受到轴向力和横向力的构件。总而言之，偏心受力构件就是既受轴力又受弯矩的构件。

3．答：当弯矩作用在实腹式截面的弱轴平面内时，构件可能在弯矩作用平面内弯曲屈曲，也可能在弯矩作用平面外弯扭屈曲，失稳的可能形式与构件的抗扭刚度和侧向支承的布置等情况有关，所以弯矩作用平面内、外的两类稳定都要验算。弯矩作用平面内为极值型稳定，即属于第二类稳定问题；弯矩作用平面外为分枝型稳定，属于第一类稳定问题。

4．答：当弯矩绕格构式柱的虚轴作用时，肢件在弯矩作用平面外的稳定性已经在单肢计算中得到保证，所以整个格构柱平面外稳定性不必再计算。

5．答：因为T型截面单轴对称，当弯矩作用在对称轴平面内使翼缘受压，另一侧腹板受拉时，受拉的这侧腹板可能先进入塑性区，从而导致构件失稳。

屋盖结构

1．说明钢屋盖横向水平支撑的作用。

2．说明钢屋架横向水平支撑的布置方法。

3．普通梯形钢屋架中腹杆的计算长度是如何确定的？

4．什么是有檩屋盖和无檩屋盖？各自的特点如何？

5．屋盖支撑有哪几种？

6．支撑体系在屋盖结构中的作用？

7．实腹式檩条应进行哪些验算？

8. 无节间荷载的上弦杆的合理截面形式如何？为什么？

1．答：横向水平支撑包括上弦横向水平支撑和下弦横向水平支撑。其主要作用是：

（1）横向水平支撑的杆件交点是不动点，这些不动点可起到屋架弦杆侧向支撑点的作用，减小弦杆在屋架平面外的计算长度，使长细比减小，并提高受压弦杆的侧向稳定性；

（2）水平荷载也能通过横向水平支撑，再通过纵向水平支撑、柱间支撑等传到基础；（3）横向水平支撑、屋架和垂直支撑可形成一个几何不可变的稳定体系，保证整个屋盖的空间整体性，提高空间刚度。

2．答：横向水平支撑一般设置在房屋两端或温度区段两端的第一个柱间，当厂房采用封闭结构时，第一个柱间距离往往小于标准柱距，这时则宜设在第二个柱间，屋架有天窗时，也宜设在第二个柱间，且横向水平支撑间距离不宜超过60米。当需要设置下弦横向水平支撑时，它应和上弦横向水平支撑设在同一柱间。

3．答：普通钢屋架腹杆的计算长度l0，在屋架平面内为：对支座斜杆和支座竖杆l0=l；其他腹杆l0=0.8l。在屋架平面外l0=l，其中l为各杆件本身的几何长度（节点中心间距离）。4．答：屋面材料采用大型屋面板时，屋面荷载通过大型屋面板直接传给屋架，这种屋盖体系称为无檩屋盖；当屋面材料采用轻型板材如石棉瓦、压型钢板等时，屋面荷载通过檩条传给屋架，这种体系为有檩屋盖。

无檩屋盖特点：屋面刚度大，整体性好，施工方便，但屋盖自重大，不利于抗震，柱距受到限制。

有檩屋盖特点：屋面材料自重轻，用料省，柱距不受限制，但屋面刚度差，需设置上弦支撑，构造比较复杂。

5．答：上弦横向支撑，下弦横向支撑，下弦纵向支撑，竖向支撑，系杆。

6．答：保证屋盖结构的空间几何稳定性和整体刚度，为屋架弦杆提供侧向支承点，承受并传递水平荷载，保证屋盖结构安装时的稳定与方便。

7．答：强度，按双向弯曲构件计算；刚度，由挠度控制；整体稳定；如果是焊接实腹截面

还需保证局部稳定。

8．答：无节间荷载的上弦杆的合理截面形式为短边相并的两个不等边角钢。因为上弦杆在屋架平面内计算长度为节间长度，平面外计算长度为侧向支撑点之间的长度，后者约是前者的2到4倍，采用短边相并的两个不等边角钢，其平面外与平面内的回转半径约为2倍左右，这样使截面在平面内、平面外接近于等稳定，较为经济。