钢结构设计原理复习题

钢结构设计原理一

一、填空题（每空1分，共24分）

1.钢材的破坏可区分为塑性破坏和脆性破坏两种方式。

2.钢承重结构的设计应考虑两种极限状态，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。

3.我国的《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中规定在设计文件（图纸）中对焊接结构应注明所要求的焊缝形式和焊缝质量等级。

4.钢结构连接用的螺栓连接有普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。

5.在板梁中承受较大的固定集中荷载N处，常需要设置支承加劲肋，支撑加劲肋设计计算时主要包含三个方面的内容：.计算支承加劲肋在板梁腹板平面外的稳定性、计算支承加劲肋端部承压应力和计算支承加劲肋与腹板的角焊缝。

6. 按承载能力极限状态计算轴心受力构件时，需要对轴心受压构件计算截面强度、整体稳定性和组成构件局部稳定性三项，对轴心受拉构件计算强度一项。

，其物理意义是将其他压7. 压弯构件在弯矩作用平面内的稳定计算引入了等效弯矩系数

m

弯构件等效于承受纯弯曲的压弯构件。

8.我国的《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中规定对实腹式压弯构件的平面内稳定计算采用实用的相关公式，对格构式压弯构件绕虚轴弯曲时的稳定验算采用边缘纤维屈服准则。

9.轴心受压柱脚，按其与基础的连接方式不同，可分为铰接和刚性连接两种，前者主要承受轴心压力，后者主要用于承受压力和弯矩。

10.屋架支撑系统包含四类，即横向支撑、纵向支撑、垂直支撑和系杆。

二、选择题（每题2分，共26分）

1.对有孔眼等削弱的轴心拉杆承载力，我国《钢结构设计规范》（GB50017-2003）取用的准则是：净载面中B 。

A)最大应力达到钢材屈服点；

B)平均应力达到钢材屈服点；

C)最大应力达到钢材极限强度；

D) 平均应力达到钢材极限强度。

2.焊接工字型板梁焊于腹板上的加劲肋的作用是 C 。

A）增强梁的强度；

B）提高梁的刚度；

C ） 提高腹板的局部稳定性；

D ） 提高腹板抗疲劳的强度。

3.钢屋架杆件内力计算假定钢屋架节点是 A 。

A ） 节点为铰接；

B ） 节点为刚接；

C ） 节点上的所连接的杆件连续；

D ） 节点半铰接半刚性连接。

4.钢材的疲劳破坏是 B 。

A ） 恒荷载作用的下塑性破坏；

B ） 连续重复荷载作用下的突然脆性破坏。

C ） 活荷载作用下的塑性破坏；

D ） 连续重复荷载作用下的塑性破坏。

5.单向受弯梁失去整体稳定时是 C 的失稳。

A ） 弯曲；

B ） 扭转；

C ） 弯扭；

D ） 双向弯曲。

6. 格构式压弯构件缀件的设计剪力取 B 。

A ）构件实际剪力值；

B ）构件实际剪力设计值和

23585

Y

f Af V =

二者中的较大值；

C ）由公式

23585

Y

f Af V =

计算；

D ）由

dz dM

V =

计算值。

7. 在弹性阶段，侧面角焊缝应力沿长度方向的分布为 C 。

A ）均分分布；

B ）一端大，一端小；

C ）两端大中间小；

D ）两端小中间大。

8. 等截面框架柱的平面内计算长度系数与 D 无关。

A ）框架柱的支承条件；

B ）柱上端梁线刚度之和与柱线刚度之和的比值；

C ）柱下端梁线刚度之和与柱线刚度之和的比值；

D ）所采用的钢号。

9. a 类截面的轴心压杆稳定系数?值最高是由于 A 。

A ）残余应力的影响最小；

B ）截面的刚度最大；

C ）初弯曲的影响最小；

D ）截面是轧制截面。

10. 保证受弯构件工形截面翼缘局部稳定的方法是 D 。

A ）设置纵向加劲肋；

B ）设置横向加劲肋；

C ）采用有效宽度；

D ）限制其宽厚比。

11. 工字型截面压弯构件腹板局部稳定验算中λ值是 A 。

A ）构件在弯矩作用平面内的长细比，取值介于30和100之间；

B ）构件在弯矩作用平面外的长细比，取值介于30和100之间；

C ）构件两个方向长细比的较大值，取值介于30和100之间；

D ）构件两个方向长细比的较小值，取值介于30和100之间。

12. 以下图示各简支梁，除截面放置和荷载作用位置不同外，其他条件均相同，则以 D 的

整体稳定性最好。

13. 一宽度为b 、厚度为t 的钢板上有一直径为d 0的螺栓孔，则对钢板强度验算时，其净截面积为 C 。

A ）t d t b A n ?-

?=2

；

B ）t d t b A n ?-

?=4

2

0π；

C ）t d t b A n ?-?=0；

D ）t d t b A n ?-?=0π。

三、问答题（每题8分，共24分）

1. 钢材有哪几项主要机械性能指标？它们的物理意义是什么？

2. 在进行梁的整体稳定验算时，为什么当得出的6.0 b ?时，应将b ?用相应的'

b ?代替？ 3.实腹式单向压弯构件需要作哪些验算，计算公式如何？

1.答：钢材的主要机械性能指标有：⑴屈服强度y f ，是表示钢材强度的一个重要指标，在弹性设计时，常以纤维应力到达屈服点作为强度计算时的限值；⑵抗拉强度u f ，时钢材强度的另一个指标，是应力－应变曲线上的最高点应力，由试件拉伸时的最大荷载除以试件未变形前的截面积而得；⑶伸长率δ，是表示钢材塑性性能的一个指标，用以表示钢材断裂前发生塑性变形的能力，δ越大，塑性性能越好；⑷冷弯性能，反映钢材的弯曲变形性能和抗分层性能的指标，综合评估钢材质量优劣，它不仅要求钢材由必要的塑性，同时还要求钢材中没有或极少由冶炼过程中产生的缺陷；⑸冲击韧性，是反映钢材抵抗脆性破坏能力的指标，对于直接承受动力荷载的钢结构，其钢材需作冲击韧性试验。

2. 答：在进行梁的整体稳定验算时，按照临界公式和规范提供的公式计算的b ?值都是在钢

梁处于弹性工作阶段的前提下，而实际工程中，特别是中等跨度的梁失去整体稳定性时，梁截面中应力有的早已超过比例极限或达到屈服点，则梁处于弹塑性工作状态，其临界应力显著降低，仍按弹性状态的b ?对梁整体稳定性进行计算，结果不安全；再者临界公式未考虑残余应力、初始变形、初偏心等缺陷对梁整体稳定性的不利影响，因此综合考虑得当得出的

6.0 b ?时，应将b ?用相应的'b ?代替。

3．实腹式压弯构件需要作哪些验算，计算公式如何？答：⑴强度计算，计算公式

f W M A N nx

x x n ≤+γ；⑵整体稳定计算：在弯矩作用平面内的整体稳定计算，对于双轴对称截面采用公式

f N N W M A

N Ex x x x

mx x ≤???

?

?

?'-+8.011γβ?计算，对于单轴对称截面，还需要采用公式

f N N

W M A

N ≤'-)

1.251(Ex

2x x x

mx γβ－计算；在弯矩作用平面外的整体稳定计算，计算公式

f W M A N

x

b x tx y ≤+1?βη?；⑶局部稳定性计算：对受压翼缘通过限制其宽厚比来满足要求；对于腹板通过限制其高厚比来满足要求，高厚比的限值与应力梯度、长细比、钢材屈服强度等有关；⑷刚度：通过限制其长细比来满足刚度要求。

四、计算题（10分）

如图1所示牛腿板，钢材Q235－B ，焊条E4315型，手工焊，焊脚尺寸mm h f 8=。试求所能承受的最大静力荷载设计值F 。

图1

解：1.确定角焊缝计算截面的几何特性

角焊缝有效截面

()

()4

4

2

32

4

232

11445310915304.128.025.55.52125.5204.112.218.07.0109128.105.521212.218.07.099.175.5212.218.07.004.112.215.528.07.028.025.55.58.07.02cm I I I cm I cm I cm

A cm x w y w x w p w y w x

w f =+=+==???

???????? ??-+??+?+???==?

??

? ????+??==?+??==+????

??

??+????=

(5分)

2.确定焊缝所能承受的荷载设计值 对焊缝群形心的内力

扭矩：T=F(20 + 6 + 0.28 - 1.04)= 25.24F 剪力：V = F

角焊缝有效有效截面上A 点各应力分量为：

()F F

A V F F I Tr F

F I Tr W f

V A W P X T A

W P

y

T A

00056.01099.1700105.010********.128.05.524.2500233.010********.1024.2524

2

4

2=?==

=??-+?===???==

σστ （3分）

当承受静力荷载时，取22.1=f β

根据角焊缝基本计算公式，A 点的合应力应小于或等于W f f ，

即()

()160

00233.022.100056.000105.02

2

2

2

≤+??

? ??+≤+???

?

?

?+F F F f W

f T

A f V A T A τβσσ （2分）

解得F ＝59750N ＝59.75KN

五、设计题（16分）

支架杆件截面设计。

条件：如图2所示为一管道支架，其支柱的设计压力为N ＝1600kN （设计值），柱两端铰接，

钢材为Q235，截面无孔眼削弱。 要求：试设计此支柱的截面：采用普通轧制工

x x

y

y

图2

由图2知，支柱在两个方向上的计算长度不相等，将强轴顺x 轴方向，弱轴顺y 轴方向，这样柱在两个方向的计算长度分别为：

cm l x 6000=，cm l y 3000= （2分） 1） 试选截面

假定λ＝90，对于轧制工字钢，当绕x 轴失稳时属于a 类截面，由《规范》表查得x φ＝0.714，绕y 轴失稳时属于b 类截面，由《规范》表查得y φ＝0.621。 （2分） 需要截面面积回转半径为：

22

3min 8.11910

215621.0101600cm f N

A =???==φ （2分） cm l i x x 67.6906000===λ （2分） cm l i y y 33.390

300

0==

=

λ （2分） 根据以上计算结果，选I56a 工字钢，2

135cm A =，cm i x 0.22=，cm i y 18.3=。（2分）

2） 截面验算

因截面无孔眼削弱，可不验算强度。轧制工字钢的翼缘和腹板均较厚，可不验算局部稳定，只进行整体稳定和刚度验算。 长细比：

150][3.9418

.3300150][3.270.2260000=<===

=<===λλ

λλcm l i cm l i y

y y x x x （2分）

整体稳定验算：x λ远大于y λ，故由y λ查《规范》表得y φ＝0.591

222

3

/215/5.20010

135591.0101600mm N f mm N A N =<=???=φ （2分）

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钢结构设计原理二

一、填空题（每空1分，共30分）

1. 我国的《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中规定除疲劳计算外，采用概率理论为基础的极限状态为设计方法。

3.我国的《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中规定承重结构的钢材应具有 .抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。

4.目前钢结构连接主要采用的两种连接方法：焊缝连接和螺栓连接。

5.普通抗剪螺栓连接有五种可能的破坏形式，分别是螺杆剪切破坏、钢板孔壁承压破坏、钢板端部受剪撕裂破坏、钢板沿螺栓孔中心受拉破坏、螺杆弯曲破坏。

6.单向受弯梁从.弯曲变形 变形状态转变为弯曲扭转变形 变形状态时的现象称为整体失稳。

7.轴心压杆失稳时可能有三种变形形态，即弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲。 9.对檩条设计时通常要计算三个方面的内容，即 抗弯强度、整体稳定性和 挠度 。 10.屋架支撑系统包含横向支撑、纵向支撑、垂直支撑和系杆四类，其中垂直支撑的作用是.保持屋架侧向的几何稳定性、下弦无横向支撑时，作为下弦系杆的支点、传递山墙所受纵向风荷载等至屋架支柱和保证吊装屋架时的稳定和安全。

二、选择题（每题2分，共20分）

1.配置加劲肋是提高梁腹板局部失稳的有效措施，当

y

f t h 235

170

0 时， C 。 【 】 D) 可能发生剪切失稳，应配置横向加劲肋； E) 可能发生弯曲失稳，应配置纵向加劲肋；

F) 剪切失稳与弯曲失稳均有可能发生，应同时配置纵向加劲肋和横向加劲肋； D) 不致失稳，不必配置加劲肋。

2.双轴对称工字形截面简支梁，跨中有集中荷载作用于腹板平面内，作用点位于 B 时整体稳定性最好。 【 】

A ） 形心；

B ） 下翼缘；

C ） 上翼缘；

D ） 形心与上翼缘。

3.对于承受均布荷载的热轧H 型钢，应计算 D 。

E）抗弯强度、腹板折算应力、整体稳定性、局部稳定性；

F）抗弯强度、抗剪强度、整体稳定性、局部稳定性；

G）抗弯强度、腹板上边缘局部承压强度、整体稳定性；

D) 抗弯强度、抗剪强度、整体稳定性、容许挠度。

4.承压型高强度螺栓可用于 D 。

E）直接承受动力荷载的连接；

F）承受反复荷载作用的结构的连接；

G）冷弯薄壁型钢结构的连接；

D) 承受静力荷载或间接承受动力荷载结构的连接。

5.计算格构式压杆绕虚轴x挠曲时的整体稳定性，其稳定系数应根据 B 查表确定。

λ；

E）

x

λ；

F）

x0

λ；

G）

y

λ。

D)

y

6.有侧移的单层钢框架，采用等截面柱，柱与基础固接，与横梁铰接，框架平面内柱的计算

长度系数μ是 A 。【】A）2.03；

B）1.55；

C）1.00；

E）0.549。

7.摩擦型高强度螺栓连接与承压型高强度螺栓连接主要区别是 D 。

A）摩擦面处理；

B）材料不同；

C）预拉力不同；

D）设计计算方法不同。

8.焊接残余应力对构件的 B 无影响。

A）变形；

B）静力强度；

C）疲劳强度；

D）整体稳定性。

9. 实腹式偏心受压构件在弯矩作用平面内整体稳定验算公式中的x γ主要是考虑 A 。

【 】

A ）截面塑性发展对承载力的影响；

B ）残余应力的影响；

C ）初偏心的影响；

D ）初弯矩的影响。

10. 工字形截面压弯构件腹板的容许高厚比是根据 C 确定的。

A ）介于轴压杆腹板和梁腹板高厚比之间；

B ）腹板的应力梯度；

C ）

w

t h 0

与腹板的应力梯度0α、构件的长细比的关系； D ）构件的长细比。

三、问答题（每题8分，共24分）

1. 与混凝土结构相比，钢结构的特性有哪些，以及在建筑结构领域钢结构的主要应用于哪里？

2.什么是梁的整体失稳现象？梁的整体稳定性的临界弯矩与哪些因素有关？

3.工字形截面轴心受压构件翼缘和腹板的局部稳定性计算公式中，λ为什么应取构件两个方向长细比较大值？

1.答：与混凝土结构相比，钢结构主要特点是：1）强度高，重量轻；2）质地均匀，各向同性；3）施工质量好，工期短；4）密闭性好；5）用螺栓连接的钢结构可装拆，适用于移动性结构，因而主要用于：1）重型工业厂房；2）高层房屋钢结构；3）大跨度结构；4）高耸结构；5）因运输条件不利，或工期要求短，或施工现场场地受到限制等原因采用钢结构；6）密闭性要求较高的板壳结构。

2. 答：梁在荷载作用下开始基本在其最大刚度平面内弯曲，但当荷载增大到一定数值后，梁

将同时产生较大得侧向弯曲和扭转变形，最后很快地使梁丧失继续承载的能力，出现这种现象时，就称为梁的整体失稳现象。梁的整体稳定性的临界弯矩与以下因素有关：⑴梁侧向无支长度或受压翼缘侧向支承点的间距；⑵梁截面的尺寸：侧向惯性矩、抗扭惯性矩、翘曲惯性矩；⑶梁端支座对截面的约束；⑷梁所受的荷载类型；⑸沿梁截面高度方向的荷载作用点位置。

3．答：工字形截面轴心受压构件翼缘和腹板的局部稳定性计算公式，是分别采用限制翼缘板的自由外伸宽度b 与其厚度t 之比和腹板计算高度与其厚度之比的，两者均为长细比λ的函数，取构件两个方向λ的较大值，是根据组成构件的板件的局部失稳应不先于构件的整体失稳的原则，长细比大的方向临界应力低，则整体稳定在这个方向弱，取这个方向的长细比λ计算局部稳定则可以保证局部失稳应不先于构件的整体失稳。

四、计算题（10分）

轴心受拉钢板的斜对接焊缝连接（斜对接焊缝的斜度为1.5：1，即θ＝56°）。 条件：如图1所示钢板a ＝540mm ，t ＝22mm ，轴心力设计值为N ＝2150kN 。钢材为Q235-B ，手工

焊，焊条为E43型，三级检验标准的焊缝，施焊时加引弧板和引出板。 要求：验算轴心受拉钢板的斜对接焊缝连接。

N

N

N

N

图1

解：斜对接焊缝斜度为1.5：1，焊缝长度mm a l w 65056sin 540

sin =?

=

＝θ。

（2分） 故焊缝的正应力为：

223/175/12522

65056sin 102150sin mm N f mm N t l N w t w =<=????==θσ（3分）

剪应力为：

223/120/8422

65056cos 102150cos mm N f mm N t l N w v w =<=????==θτ（3分）

焊缝强度能够保证。（2分）

五、设计题（16分） 设计轴心受压柱

承受轴心压力设计值2000KN ，柱上、下端均为铰接，在柱高度中点截面的x 轴方向设一侧向支撑点，是的柱计算长度L 0x =6m ，L 0y =3m ，柱截面采用焊接工字形截面,钢材Q235B ，设计该柱截面。 解

（1） 设计资料：柱子承受轴心压力设计值 N=2000KN 计算长度 lox=6m loy=3m （2） 初选截面：

1）假设40==y λλ 对x y 轴均属b 类899.0==??y

x

（2分） 2）需要的回转半径及柱截面轮廓尺寸：

cm i x 1540600=≥ cm i y 5.740

300

=≥

cm b i

y

25.3124

.05

.724

.0==

≥

cm h i

x

9.3443

.015

43

.0==

≥

（2分） 3）所需截面面积：223

47.10310215

899.0102000cm f N A =???=≥

-? （2分） 4）试选则面：翼缘板：-12?300 腹板：-10?400 （1分）

（3） 截面计算：

A= 2?1.2?30+1.0?40 = 112 2cm

I x =

121

[ 30?34.42-（30-1）?340]=358964cm I y =121?1.2?330?2=54004cm

回转半径：cm A Ix i X 9.17112

35896

===

cm A Iy i y 9.6112

5400=== （3分） 长细比：52.339

.17600

===

x x i lox λ 150][5.439.6300=≤===λλy y i loy （2分） 整体稳定验算：由y λ=43.5查b 类截面Q235钢的整体稳定系数：

884.0=y ?

M P a M P a N

A y 21520210

112884.01020002

3

<=???==-?λ 满足 （2分） （强度可不验算，截面无削弱） 局部稳定验算：

翼缘：12210

300?-=t b =12 < 10+0.1?43.5=14.35 满足

腹板: 8.465.435.0254010

400

=?+<==t h 满足 （2分）

故所选截面合理