钢结构设计课后习题答案--王志骞

1.1、屋盖结构主要组成部分是哪些？它们的作用是什么？

A、屋架：支撑于柱或托架，承受屋面板或檩条传来的荷载；b、天窗：屋架跨度较大时，为了采光和通风的需要；C、支撑系统：用于增强屋架的侧向刚度，传递水平荷载和保证屋盖体系的整体稳定。

1.2、屋盖结构中有哪些支撑系统？支撑的作用是什么？

（1）a、上弦横向水平支撑b、下弦横向水平支撑c、上弦纵向水平支撑d、下弦纵向水平支撑e、垂直支撑f、系杆

（2）a、保证结构的空间整体性b、为弦杆提供适当的侧向支撑点c、承担并传递水平荷载d、保证结构安装时的稳定与方

1.3、如何区分刚性系杆和柔性系杆？哪些位置需要设置刚性系杆？

答：（1）刚性系杆：能承受压力，柔性系杆：只能承受拉力（2）上弦平面内檩条和大型屋面板可起到刚性系杆作用，因而可在屋架的屋脊和支座节点处设置系杆，当屋架横向支撑设置在第二柱间时所有系杆均为刚性系杆。

1.4实腹式和格构式檩条各适用于哪种情况？其优缺点是什么？

答：（1）实腹式檩条常用于跨度为3~6m的情况，构造简单，制造及安装方便（2）桁架式檩条用于跨度较大（>6m）的情况，分为三种形式：A、平面桁架式檩条，受力明确，用料省，但侧向刚度较差，必须设置拉条；B、T形桁架式檩条，整体性差，应沿跨度全长设置钢箍；C、空间桁架式檩条，刚度好，承载力大，不必设置拉条，安装方便，但是构造复杂，适用跨度和荷载较大的情况

1.5为什么檩条要布置拉条？

答：为了给檩条提供侧向支撑，减小檩条沿屋面坡度方向的跨度，除了侧向刚度较大的空间桁架式和T形桁架式檩条外，在实腹式檩条和平面桁架式檩条之间设置拉条。

1.6三角形、梯形、平行弦桁架各适用于哪些屋盖体系？

答：（1）三角形屋架：屋面坡度较大的有檩屋盖结构或中小跨度的轻型屋面结构（2）梯形屋架：用于屋面坡度较小的屋盖结构、工业厂房屋盖结构最常用形式（3）矩形屋架：用于托架或支撑体系中（4）曲拱屋架：用于有特殊要求的房屋中

1.7屋架的腹杆有哪些体系？各有什么特征？

答：（1）三角形腹杆：单斜杆式，长杆受拉，短杆受压，经济；人字式，腹杆数少，节点少，构造简单；芬克式，腹杆受力合理，可分开运输。（2）梯形屋架：人字式，减少上弦节间短，有利于提高上弦承载力，避免上弦局部受弯，受拉下弦节间长，可减少节点，便于制造；再分式，减少上弦节间长度（3）矩形屋架：人字式，腹杆数少，节点简单K形，桁架高度高时可减少竖杆长度交叉式，常用于承受反复荷载的桁架中，又是斜杆可用柔性杆。

1.8如何选择屋架构件截面？

答：选择屋架杆件截面时，应注意选用肢宽而壁薄的角钢；屋架弦杆一般采用等截面，但对于跨度>24m且弦杆内力相差较大的屋架，可在适当节间处改变截面，改变一次为宜。

对轴心受拉杆件由强度要求计算所需的面积，同时应满足长细比要求。对轴心受压杆件和压弯构件要计算强度、整体稳定、局部稳定和长细比。根据构件受力按钢结构基本原理中介绍的方法选择截面。

a普通钢屋架的杆件一般采用等肢或不等肢角钢组成的T形截面或十字形截面

b对于屋架上弦杆，宜采用两个不等肢角钢短肢相并而成的T形截面形式；当有节间荷载作用时，宜采用不等肢角钢长肢相并 T形截面

c对于受拉下弦杆，可采用两个等肢角钢或不等肢角钢短肢相并组成的T形截面d对于屋架的支座斜杆及竖杆，可采用两个不等肢角钢长肢相并而成的T形截面e屋架中其他腹杆，宜采用两个等肢角钢组成的T形截面

f与竖向支撑相连的竖腹杆宜采用两个等肢角钢组成的十字形截面

1.9如何确定屋架节点的节点板厚度？一个桁架的所有节点板厚度是否相同？

答：桁架节点板的厚度可根据腹杆（梯形屋架）或弦杆（三角形屋架）的最大内力按表1-1取用，节点板的最小厚度为6mm。在同一榀屋架中，除支座处节点板比其他节点板厚2mm外，全屋架所有节点板的厚度应相同。

1.10、垫板的作用是什么？

答：支座节点的传力路线是：屋架杆件的内力通过连接焊缝传给节点板，然后由节点板和加劲肋把力传给支座底板，最后传给柱子。

1.12为什么在屋架拼接节点要增加拼接角钢？

答：为了减轻节点板负担和保证整个屋架平面外的刚度。

1.13用钢管做桁架时，参数β的含义是什么？β的大小对节点承载力有何影响？

答：β是支管外径与主管外径之比。β越大节点承载力越高

1.14搭接支管的节点承载力如何随搭接率变化？

答：根据Ov的大小，分为三种情况。25%《Ov<50%,增大；50%《Ov<80%，80%《Ov<100%,分别为一定值。详情见书。

1.15保证网架结构几何不变的必要条件是什么？充分条件是什么？

答：（1）网架为一空间铰接杆系统结构，保证网架结构几何不变的必要条件是：W=3J-m-r≤0 式中，J——网架的节点数； M——网架的杆件数； R——支座约束链杆数。当W＞0时，网架结构为几何可变体系；当W=0时，网架无多余杆件，如杆件布置合理，为静定结构；当W＜0时网架有多余杆件，如杆件布置合理，为超静定结构。

（2）网架结构几何不变的充分条件可通过结构的刚度矩阵进行判断，出现下列条件之一者，该网架结构为几何可变体系。

1）引入边界条件后，总刚度矩阵【K】中对角线上出现零元素，则与之对应的节点为几何可变；

2）引入边界条件后，总刚度矩阵行列式【K】=0，该矩阵奇异，结构为几何可变体系；

1.16、双层网架的主要形式有哪些？

答：双层网架的常用形式有以下几种：平面桁架系网架（两向正交正放网架，两向正交斜放网架，三向网架）；四角锥体系网架（正向四角锥网架，抽空四角锥网架，星形四角锥网架）；三角锥体系网架；网架结构的支撑；网架高度及网格尺寸。

1.17网架结构的支撑形式主要有哪些？

答：（1）在网架四周全部或部分边界节点设置支座，是常用的支撑方式，称为周边支撑（2）。将整个网架支撑在多个支撑住上，称为点支撑。（3）平面尺寸大很大的建筑物，除在网架周边设置支撑外，可在内部增设中间支撑，以减小网架杆件内力挠度（即周边支撑与支点支撑结合）。

1.18网架结构的高度和网格尺寸各与哪些因素有关？

答：网架结构的高度主要与屋面荷载、跨度和支撑条件有关。荷载和跨度越大，网架的高度越大；平面接近正方形时高度可取得小一些；狭长矩形平面网架的单向作用明显，高度可取得大一些；圆形平面网架高度可取得小一些；点支撑网架比周边支撑网架高度大一些。

网架的网格尺寸与网架高度和屋面材料有关。

1.19网架结构的节点有哪些形式？设计时要进行哪些计算？

答：（1）焊接空心球节点：空心球外径D的确定，空心球径等于或大于300mm，且杆件内力较大，需要提高承载力时，球内可加环肋，空心球径直径为120-900mm 时受压受拉承载力验算，空心球的壁厚验算（2）螺栓球节点：钢球直径计算（球内螺栓不相碰的最小直径，满足套筒接触面要求的直径，角度小于30度，保证杆件不相碰的最小直径），高强度螺栓的性能等级的选用，套筒外形尺寸验算，锥头和封板。（3）焊接钢板节点：节点板厚度（4）焊接钢管节点，（5）杆件直接汇交节点

1.20网架结构的支座形式有哪些？各有什么特点？

答：（1）平板压力和拉力支座：转动的位移受很大约束，在底板可开设椭圆形孔洞，方便安装，只适用于较小跨度网架（2）单面弧形压力支座和拉力支座：单方向转动未受约束，限制平移，适用于中小跨度网架（3）双面弧形压力支座：在支座和底板间设有弧形块，上下面都是柱面，支座可转动但不能平移。（4）球铰压力支座，其支座可任意方向转动但不能平移，适用于大跨度网架。(5）板式橡胶支座：通过橡胶垫的压缩和剪切变形，支座既可以转动也可以平移，助于单行支座，适用于大中跨度网架。

1.21为什么单层网壳的节点应做成刚接的？一般采用什么形式？

答：（1）以便传递各杆传来的集中力和弯矩（2）a板节点b焊接空心球节点c螺栓球节点d嵌入式毂式节点e叠合式节点f卡盘螺栓节点

2.1单层厂房是由那些结构或构件组成的？这些组成部件的作用是什么？

结构组成： a横向框架由柱和它所支承的屋架或屋盖横梁组成，是单层钢结构厂房的主要承重体系，承受结构的自重、风、雪荷载和吊车的竖向与横向荷载，并把这些荷载传递到基础。b屋盖结构承担屋盖荷载的结构体系，包括横向框架的横梁、托架、中间屋架、天窗架、檩条等。c支撑体系包括屋盖部分的支撑和柱间支撑等，它一方面与柱、吊车梁等组成单层钢结构厂房的纵向框架，承担纵向水平荷载；另一方面又把主要承重体系由个别的平面结构连成空间的整体结构，从而保证了单层厂房钢结构所必需的刚度和稳定。d吊车梁和制动梁（或制动桁架）主要承受吊车竖向及水平荷载，并将这些荷载传到横向框架和纵向框架上。e墙架承受墙体的自重和风荷载。

2.2布置柱网时应考虑哪些因素？

A、满足生产工艺流程的要求，包括预期的扩建和工艺设备更新的需求。

B、满足结构上的要求，在保证厂房具有必需的刚度和强度的同时，尽量减少屋架跨度和柱距的类别。

2.3为什么要设置温度缝？横向和纵向温度缝如何处置？

（1）为避免结构中产生过大的温度应力，在厂房的纵向或横向的尺度较大时，一般要求在平面布置中设置温度伸缩缝。

（2）a、设置双缝，即在缝的两旁布置两个无任何纵向构件联系的横向框架b、采用单柱温度伸缩缝，即在纵向构件支座处设置滑动支座（节约钢材）c、当厂房宽度较大时，也应该按规范规定布置纵向温度伸缩缝

2.4横向框架有哪些类型？如何确定横向框架的主要尺寸？

（1）a、刚接框架b、铰接框架（2）根据所采用吊车的工作要求设计

2.5厂房柱有哪些类型？各在什么情况下使用？

A、等截面柱，b、格构式柱，c、分离式柱

使用范围：A、在吊车的吨位很小时可采用等截面或变截面实腹式柱。B、实腹式柱的构造简单，加工制作费用低，常在厂房高度不超过10m切吊车额定其重量不超过20t时采用。C、一般采用梯形柱，阶梯形柱下段截面较大时通常采用格构式，而上段可采用实腹式，亦可采用格构式。D、分离式柱适宜于有位置不高的大吨位吊车和有扩建计划的结构。

2.6厂房有哪些支撑？各有什么作用？

（1）柱间支撑，用于将厂房纵向柱列传来的力良好地传到基础上。上层柱间支撑和下层柱间支撑。下层柱间支撑是为了减少纵向温度应力的影响；

垂直支撑，用于传递屋架纵向垂直方向的力。（2）水平支撑，分上弦、下弦。用于屋架上下弦水平方向的力。（3）联系梁，用于传递纵向的柱根、柱端、屋架端的水平力。

2.7试述柱间支撑的布置、构造和计算特点。

（1）布置：下层柱间支撑一般宜布置在温度区段的中部；上层柱间支撑除了要在下层支撑布置的柱间设置外，还应当在每个温度区段的两端设置。每列柱顶端均要布置刚性系杆。（2）构造特点：常见的下层柱间支撑是交叉型的，与柱子的夹角控制在35~55度，下层柱间支撑常见形式采用交叉形，人字形或K字形，柱距较大时可取V形或八字形。（3）计算特点：①上层柱间支撑承受端部墙传来的风力，下层柱间支撑除承受短墙传来的风力外，还承受起重机的纵向水平荷载。

②在同一温度区段的同一柱列设有两道或两道以上的柱间支撑时，则全部纵向水平荷载由该柱列所有支撑共同承受。③当在柱的两个肢的平面内成对设置时，在起重机肢的平面内设置的下层支撑，除承受起重机纵向水平荷载外，还承受与屋盖肢下层支撑按轴线距离分配传来的风力。④靠墙的外墙肢平面内设置的下层支撑，只承受端墙传来的风力与起重机肢下层支撑按轴线距离分配受力。

2.8试述吊车梁的类型及其应用范围。

（1）吊车梁按结构体系可分为实腹式、下撑式和桁架式。按支承情况分为简支和连续。

（2）实腹简支吊车梁应用最广，当跨度及荷载较小时，可采用型钢梁，否则采用焊接梁，连续梁比简支梁用料经济，但由于它受柱的不均匀沉降影响较明显，一般很少应用；下撑式吊车梁和桁架式吊车梁用钢量较少，但制造费工、高度较大；桁架式吊车梁用钢省，但制作费工，连接节点在动力荷载作用下一产生疲劳破坏，故一般用于跨度较小的轻中级工作制的吊车梁。

2.9吊车梁受哪些荷载？须计算哪些应力？

（1）承受由起重机产生的三个方向的荷载：竖向荷载（起重机系统和起重物的自重以及起重机梁系统的自重）、横向水平荷载（小车刹车时的惯性力）和纵向水平荷载（吊车纵向刹车时的惯性力）。（2）需计算这些内力：a、起重机最大轮压b、起重机横向水平力

2.10吊车梁的水平荷载靠什么承受？

吊车梁的横向水平荷载是在小车刹车时的惯性力。横向水平荷载应等分与桥架的两端，分别由轨道上的车轮平均传至轨道，其方向与轨道垂直，并考虑正反两个方向的刹车情况。对于悬挂吊车的水平荷载应由支撑系统承受，可不计算。手动吊车可不考虑水平荷载。

2.11吊车梁的疲劳与那些因素有关？

应力集中、重中轻的工作制等级、行车荷载、吊车的行车速度、钢梁的塑性和韧性。

2.12刚架有什么特点？主要使用范围是什么？

（1）特点：结构质量轻；柱网布置灵活，不受屋板面，墙板尺寸的限制；刚架可采用变截面，截面与弯矩成正比；刚架的腹板可利用屈服后强度，允许部分腹板屈曲，按有效宽度设计；综合经济效益高

（2）适用范围：展览厅，轻型厂房，仓库，大型超市，娱乐体育设施。车站候车室和码头建筑等。

2.13什么是摇摆柱？设置它的目的是什么？

多跨刚架中采用上下两端均铰接的柱称为摇摆柱。

设置目的：摇摆柱具有很好的延性和耗能能力，设置摇摆柱可以提高结构的抗震能力，减少柱侧移、且使钢架梁的跨度减少，从而是柱脚构造和梁柱连接相对简单，且可以节省钢材。

2.14在刚架的那些位置须设置刚性系杆？

1）屋盖横向支撑宜设在温度区间端部的第一或第二开间。当端部支撑设在第二开间时，在第一开间的相应位置应设置刚性系杆2）由支撑斜杆等组成的水平桁架，在直腹杆宜按刚性系杆设计3）刚架转折处及多跨度房屋适当位置的中间柱顶，应沿房屋全长设置刚性系杆4）当设有起重量不小于5t的桥式吊车时，柱间支撑宜采用型钢支撑。

2.15变截面梁、柱的稳定性如何计算？

1）钢架梁在钢架平面内可仅按压弯构件计算其强度，实腹式钢架梁应按压弯构件计算其在钢架平面外的稳定性。；2）实腹式钢架柱应按压弯构件计算其强度和稳定性；3)格构式钢架柱应按压弯构件计算其强度和弯矩作用平面内的稳定性；4）格构式钢架梁和柱的弦杆、腹杆一级缀条等应分别按轴心受拉及轴心受压构件计算单个杆件的强度和稳定性；5）变截面钢架柱的稳定性可按最大弯矩处的有效截面进行计算，此时，轴心力应取与弯矩同一截面处的轴心力。

2.16摇摆柱承受什么荷载？对刚架的整体稳定性有无作用？

承受轴向荷载，不承担弯矩，为轴心受压柱，摇摆柱不承担水平荷载，不参与抵抗侧移.

设有摇摆柱的框架稳定性摇摆柱自身的稳定性依赖刚架的抗侧移刚度，作用于摇摆柱中的内力将起促进刚架失稳的作用。

3.1高层钢结构主要有哪些结构形式？各有什么特点？

答：a、框架结构，平面布置较灵活，刚度分布均匀，延性较大，自振周期较长，对地震作用不敏感，但侧向刚度小，一般在不超过30层时比较经济；B、框剪结构，在侧向荷载的作用下，框剪结构的侧向位移比纯框架结构明显减少，这种结构体系可用于40~60层的高层建筑C、框筒结构，横向刚度较大，可使用于建筑高度可超过400m，D、束筒结构，可较灵活地组合平面形式，而且可将筒体在不同的高度中止

3.2平面不规则结构对结构会产生什么影响？

3.3钢框架的支撑体系有哪些，应如何布置？

支撑体系的类型：①轴线交汇的中心支撑体系②偏心支撑

布置方法：对于非抗震设防的多层钢结构房屋可采用中心支撑，此时梁和柱的连接都可做成铰接，即柔性连接，体现材料集中使用原则并使构造简化；超过12层的钢结构宜采用偏心支撑框架，其顶层可以采用中心支撑，偏心支撑的一端于节点偏心交汇，在梁端部或中部形成耗能梁段，是结构在弹性阶段呈现较好的刚度，又在飞弹性阶段具有很好的延性和耗能能力。设置偏心支撑的开间内构建之间都是刚接。

3.4 多层框架结构的楼盖有哪几种常用形式？各有什么特点？

按施工方法分：整体式、装配式、装配整体式；按结构形式分：肋梁楼盖、井式楼盖、密肋楼盖、无梁楼盖、扁梁楼盖。（1）现浇混凝土楼板、叠合楼板、预制楼板及压型钢板组合楼板。（2）压型钢板上浇筑混凝土而形成的组合楼板：用作永久性模板，而且作为混凝土板下部的受拉钢筋，与混凝土共同作用；非组合楼板中的压型钢板仅用作永久性模板，不考虑与混凝土共同作用

3.5压型钢板组合楼盖在施工和使用阶段如何计算？

一、施工阶段：应对作为现浇混凝土底模的压型钢板进行强度和变形验算，所承受的永久荷载包括压型钢板、钢筋和混凝土的重量。可变荷载包括施工荷载和附加荷载。当有过量冲击、管线和泵的荷载时，应增加附加荷载。在施工阶段荷载作用下按弹性单向板计算，如果压型钢板跨中挠度过大时应增设临时支撑。二、使用阶段：对于非组合板，压型钢板仅作为模版使用，可按钢筋混凝土楼板设计，不考虑压型钢板的承载作用，无需做防火保护层；对组合版应进行永久荷载和可变荷载作用下的强度、变型验算。强度盐酸包括横截面的抗弯能力、纵向抗剪能力、斜截面抗剪和抗冲切能力验算。组合版的承载力计算按塑形设计法计算，假定截面受拉区和受压区的材料均达到强度设计值。

3.6实腹钢框架梁柱节点的主要形式有哪些？应如何设计？

节点形式：焊接连接、高强度螺栓连接、栓焊混合连接。（刚性连接和铰接）

设计方法：非抗震设防时，应按结构处于弹性受力阶段设计；当抗震设防时，按弹塑形阶段设计，节点连接的承载力应高于构件截面的承载力。抗震设防的高层建筑钢结构框架，从梁端获柱端算起的1/10跨长或两倍截面高度范围内，节点验算应有下列各项：节点连接的最大承载力、构件塑性区板件宽厚比、受弯构件塑性区侧向支撑点间的距离。

3.7简述框架柱计算长度的定义及其计算方法

（1）、当计算框架柱在重力作用下的稳定性时，纯框架体系柱的计算长度应按现行国家标准《钢结构设计规范》进行计算；（2）、当计算在重力和风力或多遇地震作用组合下的稳定性时，有支撑或剪力墙的结构，在层间位移马祖一定要求的条件下，柱计算长度系数可以取1.0.

3.8偏心支撑的作用是什么

偏心支撑框架中的支撑斜杆，应至少在一端与梁连接，另一端可连接在梁与柱相交处，或在偏离另一之称的连接点与梁连接，并在支撑与柱之间或支撑与支撑之间形成耗能梁段，这些耗能梁段，一般比支撑斜杆的承载力低，同时具有重复荷载作用下良好的塑性变形能力。在正常的荷载作用下，偏心支撑框架具有足够的水平刚度；在遭遇地震作用时，耗能梁段首先屈服吸收能量，控制作用于支撑斜杆上的荷载份额，使其不丧失承载力，从而保证整个结构的整体稳定性。3.9耗能梁段的长度对结构会产生什么影响？应限制在什么范围内？

净长a≤1.6 / 的耗能段为短梁段，其非弹性变形主要为剪切变形，属剪切屈服型；净长a≥1.6 / 的为长梁段，其非弹性变形主要为弯曲变形，属弯曲屈服型。