钢结构设计原理复习思考题

《钢结构设计原理》复习思考题

第1章绪论

1.钢结构与其它材料的结构相比，具有哪些特点？

1)钢材强度高，结构重量轻2）材质均匀，且塑性韧性好3)良好的加工性能和焊接性能4）

密封性好5）钢材的可重复使用性6）钢材耐热但不耐火7）耐腐蚀性差8）钢结构的低温冷脆倾向

2.结合钢结构特点，钢结构有哪些合适的应用范围？

1）大跨结构2）工业厂房3）受动力荷载影响的结构4）多层和高层建筑5）高耸结构6）可拆卸的结构7）容器和其他构筑物8）轻型钢结构9）钢和混凝土的组合结构

3.我国《钢结构设计规范》规定钢结构采用什么设计方法？具体的准则是什么？

设计方法主要以概率极限状态设计法为主，对于钢结构的疲劳验算，以及储液罐和压力容器等结构，则依然沿用以经验为主的容许应力设计法

4.两种极限状态指的是什么？其内容有哪些？

指的是承载能力极限状态和正常使用极限状态，其中承载能力极限状态包括构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载、结构和构件丧失稳定、结构转变为机动体系和结构倾覆，正常使用极限状态包括影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用或耐久性能的局部破坏（包括组合结构中混凝土裂缝）

5.分项系数设计准则的公式中，各符号的意义是什么？两种极限状态设计时对各

物理量的代表值有什么要求？

详见课本p10-p11，承载能力极限状态是采用设计值，而正常使用极限状态是采用标准值

第2章钢结构的材料

1.钢材的生产和加工工艺有哪些？对钢材质量和组织结构各有什么影响？

钢材的生产大致可分为炼铁、炼钢和轧制，加工工艺可分为热加工、冷加工和热处理三种。

2.钢结构的破坏形式有哪两种？其特点如何？它们的区别在哪里？

破坏形式有塑性破坏和脆性破坏，塑性破坏的特点是当应力超过屈服强度后材料有明显塑性变形，当应力继续增大，断面出现颈缩，有持续的变形时间。脆性破坏的特点是破坏前无征兆（变形很小），断口平直，破坏突然发生。

3、钢材有哪几项主要机械性能指标？各项指标可用来衡量钢材哪些方面的性能？各指标如何测定？

1）强度指标（抗拉强度、屈服强度）：衡量钢材抵抗破坏的能力，可通过单向一次（也称单调）拉伸试验获得

2）塑性指标（伸长率）：衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标，可通过单向一次（也称单调）拉伸试验获得

3）韧性指标（冲击韧性）：衡量带有缺口的钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标，可通过单调拉伸试验获得

4）冷弯性能：衡量钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标，可通过冷弯试验确定。4、复杂应力状态下钢材的工作性能和单向应力状态下有什么不同？

1）相对于单向拉伸而言，钢材在钢材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度提高，但是塑性下降。

2）主应力同号时，不易屈服，塑性下降，越接近越明显。

3）主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显

5、影响钢材机械性能的主要因素有哪些？各因素的影响规律有哪些？

因素：1）化学成分的影响2）钢材的焊接性能3）钢材的硬化4）应力集中的影响5）荷载类型的影响6）温度的影响

6、什么是钢材的硬化，硬化有哪些类型？

类型：时效硬化、冷作硬化、应变时效硬化

7、什么是蓝脆现象？

钢材在300℃上下时，由于应变时效，其塑性及韧性降低或基本上消失的现象

8、什么是钢材的疲劳？影响疲劳强度的主要因素是哪些？钢结构疲劳承载力的设计方法是什么？

钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。

因素：应力幅、应力循环次数、缺陷

设计方法：容许应力设计法

9、钢结构采用的钢材主要有哪几类？牌号如何表示？

1）碳素结构钢Q235-A ·F 代表屈服点为235N/mm2的A级沸腾碳素结构钢

2）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似，只是质量等级分为A、B、C、D、E五等，低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢，故可不加脱氧方法的符号。

3）优质碳素结构钢35Mn——含碳量为0.35%的较高锰含量的优质碳素结构钢

4）合金结构钢35Mn2——含碳量为0.35%，含锰量为1.5%~2.49%的合金结构钢10、热轧型钢的规格如何表示？

1）H型钢，“HW高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度”如“HW300×300×11×19”

“HN200×100×5.6×8.5”

2）工字钢，I+截面高度的厘米数+腹板厚度类别如“I20a”

3）槽钢，与工字钢相似如“[ 20b”

4）角钢等肢角钢，边长×厚度如“L63×5”

不等肢角钢，长边宽×短边宽×厚度如“L125×80×8”

11、承重结构的钢材应具有哪些机械性能及化学成分的合格保证？

抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证

第3章连接

1.钢结构有哪几种连接方法？它们各在哪些范围应用较合适？

连接方法：焊接连接、铆钉连接、螺栓连接、紧固件连接

2.焊接方法、焊缝型式有哪些？焊条的级别及选用原则是什么？

焊接方法：熔化焊和压力焊

焊缝形式：1）对接焊缝（正对接焊缝和斜对接焊缝）2）角焊缝（正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝）

3. 焊缝质量级别如何划分和应用？

4. 普通螺栓和高强度螺栓的级别如何表示？

5. 常用焊缝附号表示的意义分别是什么？

6. 对接焊缝如何计算？在什么情况下对接焊缝可不必计算？

7. 直角角焊缝计算的基本假设是什么？

1) 所有角焊缝只承受剪应力只区分侧焊缝和端焊缝； 2) 焊缝计算截面为45°“咽喉截面”，面积为 3) 在静力条件下，考虑端焊缝强度提高22%，动力荷载下，不考虑其强度的提高； 8. 角焊缝的尺寸有哪些要求？角焊缝在各种荷载作用下如何计算？ 9. 焊接残余应力的成因是什么？其特点是什么？

成因：不均匀分布的温度场，同时存在局部高温，加上纤维间的相互约束，便产生了焊接残余应力

10. 焊接残余应力和残余变形对结构工作有什么影响？工程中如何减少残余应力

和残余变形的影响？

应力影响：1）对静强度没有影响2）降低构件的刚度3）降低构件的稳定承载力4）降低构件的疲劳强度5）加剧低温冷脆

变形影响：1）构件不平整，安装困难，且产生附加应力；2）变轴心受压构件为偏心受压构件

方法：1）采用细长，不采用短粗的焊缝2）对称布置焊缝，减小变形；3）不等高连接

加不大于1/4的斜坡，减小应力集中4）尽量防止小锐角连接；5）焊缝不宜过于集中，不要出现三向交叉焊缝；6）注意施焊方便，以保证焊接质量。 11. 螺栓的排列有哪些型式和规定？

错列和并列，规定：1）受力要求：如边距 等2）构造要求：间距不能太大，避免压不紧潮气进入——腐蚀3）施工要求：螺栓间距不能太近，满足净空要求，便于安装

12. 普通螺栓连接受剪有哪几种破坏形式？规范中采用哪些手段避免这些破坏的发生？

破坏形式：1）螺栓杆剪断；2）板件被挤坏（螺栓承压破坏）；3）板件被拉（压） 破坏；4）板件冲剪破坏 5）螺栓杆受弯破坏。

措施：1）被连接板件总厚度小于5倍的螺栓直径可防止受弯破坏2）螺栓端距 可防止板件冲剪破坏3）通过计算保证螺栓（铆钉）抗剪、抗挤压以及被连接构件具有足够的拉压强度

13. 普通螺栓群在各种力单独或共同作用时如何计算？ 基本假设分别是什么？

1）轴心受力，基本假定：螺栓群均匀受力

2）螺栓群受扭，基本假定：1、被连接板是刚性的,螺栓是弹性的；2、在扭矩作用下，绕螺栓群中心旋转;3、所有螺栓共同工作，每个螺栓受力大小与其到形心的距离成正比，方向垂直于矢径

3） 螺栓群受弯计算，基本假定：1、在弯矩作用下，板件绕最边缘的螺栓旋转;2、每个

螺栓受力大小与其到旋转中心的距离成正比。

14. 高强度螺栓连接有哪些类型，区别在哪里？高强度螺栓连接在各种力作用下如何计算？基本假设分别是什么？

)

2(7.0f f f h l h -?>20d 012d a ≥

摩擦型高强连接和承压性高强连接，区别在于计算方法和极限状态选择不同

第4章 受弯构件的计算原理

1.

梁的类型有哪些？如何分类？

1）按功能分：楼盖梁、平台梁、吊车梁、墙架梁等

2）按制作方法分：型钢梁、组合（截面）梁 2. 梁的强度计算包括哪些内容，如何进行计算？

内容：抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度、复杂应力作用下的强度计算 3. 刚度如何验算？

要求在荷载标准值的作用下，梁的最大挠度不超过规范规定的容许挠度

4. 梁的整体失稳是一种怎样的现象？其原因是什么？整体稳定性与哪些因素有

关？增强梁的整体稳定性可采用哪些措施？

现象：侧向弯曲，伴随扭转（出平面弯扭屈曲）

原因：受压翼缘应力达临界应力，其弱轴为x 轴，但由于有腹板作连续支承，（下翼缘和 腹板下部均受拉，可以提供稳定的支承），只有向强轴（y 轴）方向屈曲，侧向屈曲后，弯矩平面不再和截面的剪切中心重合，必然产生扭转。

因素：1）荷载种类2）荷载作用位置 3）侧向抗弯刚度 4）抗扭刚度 5）侧向支承点间 距 6）梁的支承情况

措施：1）增大梁截面尺寸（增大受压翼缘的宽度）2）提高侧向抗弯刚度和抗扭刚度3）加侧向支承，减小侧向支承点间距（最有效的方法）

5. 进行梁的临界弯矩分析时，结构模型的基本假设是什么？

1）两端夹支座（叉支座）——只能绕x 轴，y 轴转动，不能绕z 轴（梁轴线）转动（只 能自由挠曲，不能扭转）； 2）理想直梁——初始变形；

3）荷载作用在梁的最大刚度平面内，失稳前只发生平面弯曲； 4）理想弹性体；

5）临界状态时属小变形；

6）梁变形后，力偶矩与原来的方向平行。

6. 规范中梁的整体稳定设计简化方法是如何进行的？

7. 梁受压翼缘和腹板的局部稳定如何保证？

8. 腹板加劲肋的种类及设置原则？

种类：支承加劲肋、横向加劲肋、纵向加劲肋、短加劲肋

设置原则：

1） 则不会屈曲，不必加加劲肋；

2） 按构造配置横向加劲肋

3） 可能产生剪切屈曲，配置横向加劲肋 0

w h t ≤0

c σ=0

w

h t ≤0

c σ≠0w h t ≤

≤

4）当 或 ，既加横向加劲肋，又加纵向加劲肋，且断纵不断横

5）有集中荷载（包括支座）处应设支承加劲肋

第6章

1. 什么是第一类稳定问题？什么是第二类稳定问题？

第一类稳定：由直杆平衡转为微弯曲的平衡，变形（挠度）从无到有平衡分枝现象 第二类稳定：由于初始缺陷，压杆一开始便为偏心受力（压弯杆件），因此无平衡分枝现象，变形从小到大，直到失稳破坏为止 2. 轴心受力构件有哪些种类和截面形式？

种类：实腹式构件和格构式构件

截面形式：热轧型钢截面、实腹式组合截面、格构式截面、冷弯型钢截面 3. 轴心受力构件各需验算哪几个方面的内容？

强度、刚度、轴心受压构件的整体稳定、轴心受压构件的局部稳定 4. 轴心受压构件可能发生失稳现象有哪些？

弯曲屈曲、弯扭屈曲、扭转屈曲

5. 等稳定设计原则的具体概念是什么？

由于支承条件及截面形式不同、绕不同轴的杆件屈曲临界力是不同的，即 ， 不

经济。因此应想办法使它们相近，实际上，若达到 ，就基本上达到了等稳定。

6. 影响轴心受压构件整体稳定承载力的因素有哪些？

1）截面残余应力 2）构件初偏心 3）构件初弯曲 4）长细比 5）构件端部约束条件 7. 规范中考虑哪些因素的影响进行轴心受压构件整体稳定承载力计算，简化方法

是如何考虑的？稳定系数的含义是什么？

考虑：残余应力和初弯曲

考虑不同截面形式的不同残余应力分布，进行了大量有限元计算，共作出200多条曲线，最后将其归纳成四类

8. 轴心受压构件的整体稳定计算有哪三种类型的问题？以实腹式构件为例，分别如何进

行？

1）已知荷载、截面，验算截面。 2）已知截面求承载力。 3）已知荷载设计截面。

9. 焊接工字型截面轴心受压构件的局部稳定性如何保证？

限制宽（高）厚比

10. 格构式轴心受压构件的计算模型和实腹式构件有什么不同？考虑哪些方面的影响？规范中对格构式构件的计算进行哪些修正？（注意换算长细比的概念）

第7章 拉弯、压弯构件

σσcr x

cr y

≠λλx y =0

w

h t ≥0

w

h t ≥

1.拉弯、压弯构件有哪些种类和截面形式？

种类：实腹式构件和格构式构件

截面形式：热轧型钢截面、实腹式组合截面、格构式截面、冷弯型钢截面

2.拉弯、压弯构件各需验算哪几个方面的内容？

拉弯：强度破坏

压弯：强度破坏、整体失稳破坏、局部失稳破坏

3.什么是压弯构件弯矩平面内失稳？什么是压弯构件弯矩平面外失稳？它们分

别属于哪类稳定问题？

1）压弯构件弯矩作用平面内失稳（属于第二类稳定）——在N和M同时作用下，一开始构件就在弯矩作用平面内发生变形，呈弯曲状态，当N和M同时增加到一定大小时则到达极限状态，超过此极限状态，构件发生屈曲现象。在弯矩作用平面内只产生弯曲屈曲。

2）压弯构件弯矩作用平面外失稳（属于第一类稳定）——当构件在弯矩作用平面外没有足够的支撑以阻止其产生侧向位移和扭转时，构件可能发生弯扭屈曲而破坏，这种弯扭屈曲又称为压弯构件弯矩作用平面外的整体失稳。

4.实腹式压弯构件的计算特点？公式中各符号的意义及取值原则？

《钢结构设计原理》堂上补充练习2006.05

【练习1】两块钢板采用对接焊缝（直缝）连接。钢板宽度Ｌ＝250mm，厚度t=10mm。钢材采用Ｑ235，焊条E43系列，手工焊，无引弧板，焊缝采用三级检验质量标准，

f

kN N f t l N w t w 5.42542550018510)102250(==???-=??<

【变化】若有引弧板，问?=N

解：上题中w l 取实际长度250，得kN N 5.462=

侧焊缝所能承担的内力为：

N f l h N w f w f 521472160)6200(67.047.011=?-???=∑=

最大承载力kN N N 4.10131013376521472491904==+= 【变化】若取消端焊缝，问?=N

解：上题中令03=N ，622001?-=w l ,得kN N N 344.5051==

【练习3】钢材为Ｑ235，手工焊，焊条为E43，2/160mm N f w f =，静态荷载。 双角钢2L125x8采用三面围焊和节点板连接，mm h f 6=，肢尖和肢背实际焊缝长度均

得：kN N N N K N 88.614614880)2

204960327936(7.01)2(1311==+=+=

【变化】若取消端焊缝，问?=N

解：上题中令03=N ，622501?-=w l ，得kN N 96.456=

【练习4】钢材为Ｑ2352/160mm N f w

f =，静态荷载。

已知kN F 120=，求焊脚尺寸f h 解：设焊脚尺寸为f h

在剪力作用下：

f

f w e V f

h h l h V 9

.3422507.02101203=

???=∑=τ )/(2mm N 在弯矩作用下：

f f f M f

h h W M 1234

2507.06

12150101202

3=

????==σ

)/(2mm N 代入基本公式W f f f

f f ≤+22)()(

τβσ 得：

1601068

)9.342()22.11234(

22≤=+f f

f h h h

可以解得：mm h f 68.6≥，取mm h f 7=。

mm h h mm h f f f 4.14122.16.5145.1max min =?=<<==，可以。

【变化】上题条件如改为已知mm h f 8=，试求该连接能承受的最大荷载?=N 【练习5

2w 已知mm h f 8=，解：偏心距e =

弯距：M 75=l h N w e N f ∑=

σ

5

.2776)82350(87.06

1

2752

N

N

W M

f

M f =

?-????==

σ

2.19516022.15

.27768.3740=?=≤+=

+=w f f M

f N f f N

N βσσσ

可以解得：kN N N 08.311311082=≤

【变化】焊缝有绕角，焊缝长度可以不减去f h 2，求?=N

，

f 2，求

kN f

n N b v

V

b V

96.87101404

24

3=???==-

⑵一个螺栓的承压承载力设计值：

kN f t d N b c b c 4.851030514203

=???=?∑=-

(因为mm t mm t 201022141=?=<=,故公式中取14=∑t ) ⑶最大承载力

kN nN N b

2.6834.858min =?== ⑷净截面强度验算：

223

3/215/9.2173136

102.68314)5.214310(102.683mm N f mm N A N n =>=?=??-?==σ

不满足要求。最大承载力由净截面强度控制：

kN f A N n 24.6741021531363

=??==-

【变化】上题条件如改为已知N=600kN ，试验算该连接是否安全?

，

f V

⑵最大承载力

kN nN N b

V 81025.1018=?==

⑶净截面强度验算：

223

1/205/8.13620

)224310(10810)845.01()5.01(mm N f mm N A N n n n =<=??-??-=-=σ⑷毛

截面强度验算：

223

/205/6.13020

31010810mm N f mm N A N =<=??==σ

【变化】上题条件如改为已知N=800kN ，试验算该连接是否安全?

【练习8】 拉力F 与4个螺栓轴线的夹角为450

，柱翼缘厚度为24mm ，连接钢板厚度16mm 。钢材为Q235，2

/215mm N f =（16≤t ），2

/205mm N f =（16>t ）。8.8级高强度螺栓摩擦型连接20M ，孔径22mm

kN P 125=。解：

斜拉力F 的两个分力为：V

F F N N o t v 8

2

445sin ==

= 螺栓同时承受的剪力和拉力，用规范相关公式求解：

1≤+b t

t

b

v v N N N N 一个高强度螺栓的抗剪承载力设计值：

kN

P n N f b v 625.5012545.019.09.0=???=?=μ

一个高强度螺栓的抗拉承载力设计值：

kN P N b

t 1001258.08.0=?==

代入规范公式：

1≤+b

t

t b v v N N N N 即110082625.5082≤?+?F

F 可以解得：kN N 13.190≤

【变化】上题条件如改为已知N=190kN ，试验算该连接是否安全?

【练习9】 钢材为Q235，2

/215mm N f =（16≤t ）。C 级螺栓22M ，有效直径为

mm d e 65.19=，孔径mm d 240=2/305mm N f b c =，/170N f b t =力?=F

解：

斜拉力F 的两个分力为：V =F N N o t v 445sin === 1)()(

22≤+b

l

l b v v N N N N 一个螺栓的抗剪承载力设计值：

kN f

d n N b v

V

b V

2.53101404

2214.314

32

2

=????==-π 一个螺栓的承压承载力设

计值：

kN f t d N b c b c 36.1071030516223=???=?∑=-

一个螺栓的抗拉承载力设计值：

kN f d N b

t e b

t

6.51101704

65.1914.3432

2

=???==-π 代入公式得： 1)6.5182()2.5382()()(

2

222≤?+?=+F F N N N N b

l

l b v v 可以解得：kN F 5.209≤ 再验算：kN N kN N b c v 36.10703.378

5

.2092=<=?=，可以。

【变化】上题条件如改为已知N=200kN ，试验算该连接是否安全?

【练习10

2/215mm N f =解：

按题意得：l ox ⑴ 解题思路： A

N ≤?式中?要由λ上式中：x =

λA

I i x

x =

，i y Ａ为柱的截面积（按实计算），x l 0、y l 0为柱在x 、y 方向的计算长度。 ⑵ 验算时将上述过程倒过来即可。为方便计算，单位采用cm 。 ① 截面积： 2

846.0202.1302cm A =?+??=

② 惯性距： 43

356.849812204.29124.2230cm I x =?-?=

43

540012

302.12cm I y =??

= ③ 回转半径： cm A I i x x 06.108456.8498===

cm A I i y y 02.884

5400

==

=

④ 长细比： []15070.4905

.10500=<===

λλx ox x i l []15017.3102

.8250

=<==

=

λλy

oy y i l ⑤ 稳定系数：b 类截面，由最大长细比70.49=x λ查附表得：

8575.0)861.0856.0(49

5049

7.49861.0=---+

=x ?

⑥ 整体稳定验算：

kN N Af N 6.1548154864521510848575.02

==???==? ⑦ 局部稳定验算： 腹板的高厚比：

85.49235

235)7.495.025(235)5.025(3.336.0200=?+=+<==y w f t h λ（可以） 翼缘的宽厚比：

97.14235

235)7.491.010(235)1.010(25.122.17.14=?+=+<==y f t b λ （可以） 【变化】 已知柱承受轴心压力N=1500kN ，试验算该柱。