钢结构设计原理习题集及答案

钢结构设计原理习题集及答案

钢结构设计原理习题集及答案

第一章绪论

练习题

一、简答题

1．简述钢结构的特点和应用范围。

答：特点：（1）承载能力大；（2）稳妥可靠；（3）便于工业化生产，施工周期短；（4）密闭性好；耐热但不耐火；（5）耐腐蚀性差；（6）容易产生噪音应用范围：（1）承受荷载很大或跨度大，高度大的结构；（2）承受动力荷载作用或经常移动的结构；（3）经常拆装的拼装式结构；（4）对密闭性要求高的结构；（5）高温车间或需承受一定高温的结构；（6）轻型结构

2．试举例说明钢结构的主要发展趋势。

答：（1）高性能钢材的研制；（2）设计方法和计算理论的改进；（3）结构形式的革新

第二章钢结构的材料

练习题

一、单项选择题

1、在构件发生断裂破坏前，有明显先兆的情况是__ B___的典型特征。

(A) 脆性破坏 (B)塑性破坏 (C) 强度破坏 (D) 失稳破坏

2、钢材的设计强度是根据_ C__确定的。

(A) 比例极限 (B)弹性极限 (C) 屈服点 (D) 极限强度

3、结构工程中使用钢材的塑性指标，目前最主要用_ D__表示。

(A) 流幅 (B)冲击韧性 (C) 可焊性 (D) 伸长率

4、钢材经历了应变硬化（应变强化）之后?__ A___。

(A) 强度提高 (B)塑性提高 (C) 冷弯性能提高 (D) 可焊性提高

5、下列因素中_ A__与钢构件发生脆性破坏无直接关系。

(A) 钢材屈服点的大小 (B) 钢材含碳量

(C) 负温环境 (D) 应力集中

6、当温度从常温下降为低温时，钢材的塑性和冲击韧性_ B__。

(A) 升高 (B) 下降 (C) 不变 (D) 升高不多

7、钢材的力学性能指标，最基本、最主要的是_ C _时的力学性能指标。

(A) 承受剪切 (B) 承受弯曲

(C) 单向拉伸 (D) 两向和三向受力

参考答案

1.B

2.C

3.D

4.A

5.A

6.B

7.C

二、名词解释

1．应力集中和残余应力

答：（1）应力集中：实际结构中不可避免的存在孔洞、槽口、截面突然改变以及钢材内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，不仅在孔口边缘处会产生沿力作用方向的应力高峰，而且会在孔口附近产生垂直于力的作用方向的横

向应力，甚至会产生三向拉应力；

（2）残余应力：在浇注、轧制和焊接加工过程中，因不同部位钢材的冷却速度不同，或因不均匀加热和冷却而产生。

2．冷加工硬化和时效硬化

答：（1）在冷加工（或一次加载）使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象称为冷作硬化；在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化（也称老化）；（2）钢材的性能受温度的影响十分明显，在150℃以内，钢材的强度、弹性模量和塑性均与常温相近，变化不大。但在250℃左右，抗拉强度有局部性提高，伸长率和断面收缩率均降至最低，出现了所谓的蓝脆现象（钢材表面氧化膜呈蓝色）；

三、分析简答题

1．钢结构材料的破坏形式有哪几种？破坏特点？

答：钢材的破坏分塑性破坏和脆性破坏两种：（1）塑性破坏：塑性变形很大，经历时间又较长的破坏称塑性破坏。断裂时断口与作用力方向呈45°，且呈纤维状，色泽发暗；（2）脆性破坏：几乎不出现塑性变形的突然破坏称脆性破坏。断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆性破坏危险性大，必须加以重视。2．简述影响钢材脆性断裂的主要因素？如何避免不出现脆性断裂？

答：导致脆性破坏的因素：化学成分；冶金缺陷（偏析、非金属夹杂、裂纹、起层）；温度（热脆、低温冷脆）；冷作硬化和时效硬化；应力集中；同号三向主应力状态。

为了防止脆性破坏的发生，应在钢结构的设计、制造和使用过程中注意以下各点：(1)合理设计；(2)正确制造；(3)合理使用。

3．什么是疲劳破坏？简述疲劳破坏的发展过程。影响疲劳破坏的主要因素？答：钢材在多次循环反复荷载作用下，即使应力低于屈服点fy也可能发生破坏的现象称疲劳破坏。疲劳破坏具有突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂。但与一般脆断的瞬间断裂不同，疲劳是在名义应力低于屈服点的低应力循环下，经历了长期的累积损伤过程后才突然发生的。其破坏过程一般经历三个阶段，即裂纹的萌生、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂，因此疲劳破坏是有寿命的破坏，是延时断裂。疲劳对缺陷（包括缺口、裂纹及组织缺陷等）十分敏感。

第三章钢结构的设计方法

练习题

一、填空题

1．钢结构的设计方法大体经历了三个阶

段：、和，目前《钢规》主要采用。容许应力设计法、半概率半极限状态设计法和概率极限状态设计法，概率极限状态设计法。

2．结构的、、统称结构的可靠性，可靠性用来

衡量。

安全性、适用性、耐久性，可靠度

二、分析简答题

1．什么是结构的可靠度？可靠指标的含义？如何确定结构的可靠指标？

答：所谓可靠度，就是结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。对于一个结构而言，比较可行的方法是，以可靠指标的计算来代替可靠度的计算。可靠指标β＝μz/σz，β与失效概率Pf有确定的一一对应关系，β增大，Pf减小。

2．什么是结构的极限状态？结构的极限状态分为几类，其含义各是什么？

答：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，称此特定状态为该功能的极限状态。

我国《钢结构设计规范》规定，承重结构应按下列二类极限状态进行设计：(1)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；(2)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耐久性能的局部损坏（包括组合结构中混凝土裂缝）。

3．标准荷载、设计荷载有何区别？如何应用？

答：各种荷载的标准值是指建筑结构在正常情况下比较有可能出现的最大荷载值。当结构构件承受多种荷载时，设计必须考虑若干种荷载共同作用所引起的荷载效应组合，对正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，分别采用荷载的短期效应组合和长期效应组合进行设计。

第四章钢结构的连接

练习题

一、选择题

1．T形连接中直角角焊缝的最小焊脚尺寸，最小焊脚尺寸，式中。

A．t1为腹板厚度，t2为翼缘厚度；

B．t1为翼缘厚度，t2为腹板厚度；

C．t1为被连接件较小的厚度，t2为被连接件较大的厚度；

D．t1为被连接件较大的厚度，t2为被连接件较小的厚度。

2．单个普通螺栓的抗剪承载力由确定。

A．单个螺栓的抗剪承载力设计值；

B．单个螺栓的承压承载力设计值；

C．单个螺栓的抗剪和承压承载力设计值中的较小值；

D．单个螺栓的抗剪和承压承载力设计值中的较大值。

3．如图所示，一截面尺寸100×8的板件与厚度为10mm的节点板仅用侧焊缝连接（承受静载），根据焊缝长度的构造要求，侧焊缝长度最有可能取。A．40mm； B．80mm；

C．120mm； D．400mm

4．当沿受力方向的连接长度（孔径）时，螺栓的抗剪和承压设计承载力均应降低，以防止。

A．中部螺栓提前破坏； B．端部螺栓提前破坏；

C．螺栓受弯破坏； D．螺栓连接的变形过大。

5．图示高强度螺栓群受弯后的旋转中心为。

A．a点； B．b点； C．c点； D．d点

参考答案：

1．C； 2．C； 3．C； 4．B； 5．B

二、填空题

1．焊缝类型分为和，施焊方法根据焊工与焊缝的相对位置分为、、、，其中以施工位置最好。

对接焊缝和角焊缝。俯焊、立焊、横焊、仰焊，俯焊

2．规范规定在静力荷载下，侧焊缝的计算长度不宜大于；动力荷载时，不宜大于。

60 ；40

3．焊接残余应力将构件的强度，构件的刚度，构件的稳定承载力。

不影响，降低，降低

三、简答题

1．如何区分脚焊缝是受弯还是受扭。

答：当计算受偏心力作用的角焊缝的强度时，须分清角焊缝是受弯还是受扭，然后才能正确应用角焊缝的基本计算公式进行计算。判别方法：若偏心力在焊缝群平面内，则该连接中的角焊缝受扭；若偏心力在焊缝群平面外，则受弯。也可以这样区分，若焊缝群中任意一点应力的方向均垂直于焊缝的长度方向，则该连接中的角焊缝受弯，不然则为受扭。（图1受弯，图2受扭）

2．焊脚尺寸是否选用大的比小的好？

答：焊脚尺寸太大时，较薄的焊件容易烧穿；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。角焊缝在手工电弧焊时，一般情况焊

脚尺寸在6～8mm以下时能一次焊成，超过时则需要多层焊，故相对而言增加了焊接时间，使焊接速度降低，成本增高。焊缝施焊后冷却收缩引起的残余应力随焊缝增大而加大，故焊脚尺寸亦不宜过大。

综上所述，无论是从焊条等焊接材料的消耗和焊接速度、焊接残余应力，或是从焊缝的相对强度，角焊缝都以选用小焊脚尺寸为宜。因此，当焊件的焊接长度较富余，在满足最大焊缝长度的要求下，采用小而长比大而短的焊缝好。

3．在受剪连接开孔对构件截面的削弱影响时，为什么摩擦型高强度螺栓的较普通螺栓的小？

答：摩擦型高强度螺栓的受剪连接传力特点不同于普通螺栓。后者是靠螺栓自身受剪和孔壁承压传力，而前者则是靠被连接板叠间的摩擦力传力。一般可认为摩擦力均匀分布于螺栓孔四周，故孔前传力约为0.5。因此，构件开孔截面的净截面强度的计算公式为：

式中 N——轴心拉力或轴心压力

An——构件的净截面面积

n——在节点或拼接处，构件一端连接的高强度螺栓数目；

n1——所计算截面上高强度螺栓数目；

f——钢材的抗拉或抗压强度设计值。

上式括号内数值小于1，这表明所计算截面上的轴心力N已有一定程度的减少。对比普通螺栓受剪连接构件开孔截面的净截面强度的计算公式：

显而易见，在受剪连接中，摩擦型高强度螺栓开孔对构件截面的削弱影响较小。

第五章轴心受力构件

练习题

一、选择题

1．对于焊接组合工字形截面轴心受压杆，其腹板局部稳定的高厚比限制条件是根据边界条件为的矩形板单向均匀受压确定的。

A．两受荷边简支，另两边弹性嵌固； B．四边弹性嵌固；

C．两边简支，另两受荷边弹性嵌固； D．四边简支

2.轴心受压格构式构件在验算其绕虚轴的整体稳定时采用换算长细比，是因为。

A．格构式构件的整体稳定承载力高于同截面的实腹式构件；

B．考虑强度降低的影响；

C．考虑单肢失稳对构件承载力的影响；

D．考虑剪切变形的影响。

3．当缀条采用单角钢时，按轴心压杆验算其承载能力，但必须将设计强度按规范规定乘以折减系数，原因是：

A．格构式柱所给的剪力值是近似的； B．单角钢缀条实际为偏心受压构件；

C．缀条很重要，应提高其安全程度； D．缀条破坏将影响绕虚轴的整体稳定。

参考答案：

1．A； 2．D； 3．B

二、填空题

1．为满足使用及安全的要求，当板中的局部稳定满足时，对轴心受压构件还应进行、和

验算。

强度、整体稳定和构件的长细比（刚度）

2．计算格构式轴心受压柱的时，需要先求出横向剪力。此剪力大小

与和有关。

缀材，柱的毛截面面积和钢材的强度

3．当格构式轴压缀条柱的单肢长细比时，意味着。

单肢不会先于整体而失稳，不必验算单肢稳定

4．验算格构式轴心受压杆绕虚轴的稳定时，应用查稳定系数φ值。

换算长细比

三、分析简答题

1．提高轴心压杆钢材的抗压强度能否提高其稳定承载力？为什么？

答：提高轴心压杆钢材的抗压强度不能提高其稳定承载力，因为理想轴心压杆在弹性阶段由于E为一常量，且各类钢材基本相同，故其临界应力只是长细比λ的单一函数，与材料的抗压强度无关。

第六章梁

练习题

一、选择题

1．焊接工字形钢梁受压翼缘宽厚比限制为，式中b1为。

A．翼缘板外伸宽度（或翼缘板宽度的一半）； B．翼缘板全部宽度；C．翼缘板全部宽度的1/3； D．翼缘板的有效宽度2．焊接工字形组合截面梁，当腹板的局部稳定验算符合：时，。A．不必设置加劲肋；

B．按构造设置横向加劲肋；

C．需设置横向加劲肋，加劲肋的间距要进行计算；

D．除需设置横向加劲肋，还应设置纵向加劲肋

3．双轴对称工字形截面简支梁，受压翼缘侧向支承点的间距和截面尺寸都不改变，受作用的梁的临界弯距为最低。

A．多数集中荷载； B．均布荷载；

C．纯弯曲； D．跨中集中荷载

4．工字形截面简支梁在上翼缘受集中荷载作用，钢材为Q235，为提高其整体稳定承载力，最合理的方法是。

A．改用Q345钢； B．加高腹板；

C．在梁跨中下翼缘加侧向支撑； D．在梁跨中上翼缘加侧向支撑5．下列因素中，对梁在弹性阶段的整体稳定承载力影响不大。

A．梁的侧向抗弯刚度； B．梁所用材料的屈服点；

C．荷载种类； D．荷载作用位置

参考答案：

1．A； 2．C； 3．C； 4．D； 5．B

二、填空题

1．钢梁丧失整体稳定性属于屈曲。

平面外弯扭

2．按照截面形成塑性铰设计的梁，虽然可以节约钢材，但却比较大，有可能影响使用，因此设计规范只是有限制地使用。

变形（挠度），塑性

3．对组合工字形钢梁，除了要验算最大正应力和最大剪应力外，在同时受有较大正应力和剪应力的截面，还要在处验算折算应力。

腹板计算高度的边缘

4．为提高钢梁的整体稳定性，侧向支撑点应设在钢梁的翼缘。

受压

5．影响梁整体稳定临界弯距的因素，除了梁的截面刚度和梁的侧向支承点间距之外，还有、

和。

荷载种类、荷载作用位置和梁的支承情况

三、简答题

1．判别梁是否需要验算其整体稳定，用来衡量，其意义是什么？、分别代表什么？

答：当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。表示受压翼缘的自由长度，表示受压翼缘宽度。

2．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 或40 限制？

答：因为梁翼缘和腹板连续处，内力沿焊缝全长分布，所以其长度可以不受最大长度限制。

第七章拉弯和压弯构件

练习题

一、选择题

1．当偏心荷载作用在实轴时，格构柱的平面外稳定是通过来保证的。A．计算柱平面外稳定； B．计算单肢稳定；

C．柱本身的构造要求； D．选定足够大的单肢间距

2．实腹式偏心压杆在弯距作用平面外的整体稳定计算公式中，应取。A．弯距作用平面内最大受压纤维的毛截面抵抗矩；

B．弯距作用平面内最大受拉纤维的毛截面抵抗矩；

C．弯距作用平面外最大受压纤维的毛截面抵抗矩；

D．弯距作用平面内最大受压纤维的净截面抵抗矩

3．计算格构式压弯构件的缀材时，剪力应取。

A．构件实际剪力设计值； B．由公式计算的剪力；

C．A、B两者取大值； D．由公式计算的剪力

4．与基础固接的单层无侧移框架等截面柱的计算长度系数在之间。A．0～0.1； B．1.0～2.0；

C．1.0～∞； D．2.0～∞

参考答案：

1．B；2．A；3．C；4．A

二、填空题

1．拉弯或压弯构件强度计算公式是，当构件承受动荷载时，必须取1，其原因是。

不允许截面发展塑性

2．压弯构件在其弯距作用平面内的失稳形式是屈曲，在平面外失稳形式是屈曲。

弯曲，弯扭

3．压弯构件在弯距作用平面内的整体失稳属于类稳定问题。

二

4．偏心受压构件计算公式中的塑性发展系数，只与有关。

截面形式

5．弯距绕虚轴作用的格构式压弯构件，其弯距作用平面内的整体失稳计算宜采用准则。

边缘屈曲

三、简析题

1．等效弯距系数是怎样确定的？

答：引入等效弯距系数的物理意义，是把变化的弯距化为等效的均匀弯距。等效弯距是指其在与轴心力共同作用下对构件弯距作用平面内失稳的效应与原来非均匀分布的弯距与与轴心力共同作用下的效应相同。因此，它们应与按二阶弹性分析的最大弯距进行等效。具体作法是：令等效弯距及与轴心力共同作用下二阶分析所得最大弯距和原来不均匀弯距与与轴心力共同作用下的二阶最大弯距相等。

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

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

第八章《桥规》中的计算方法

疑难解答

☆问：《桥规》与《钢规》在计算拉杆和压杆计算中有何异同？

答：（1）轴心受拉构件不论按《钢规》还是《桥规》，计算方法都是相同的，只是《桥规》中轴心受拉构件的设计和验算时采用容许应力法（疲劳除外），而《钢规》中采用极限状态法。铁路桁架桥中的拉杆一般都要进行疲劳强度的验算；（2）轴心受压构件计算原理与《钢规》相同，要求检算强度、刚度、总体稳定及局部稳定，而且通常由总体稳定控制设计。在强度及刚度计算中，《桥规》中没有列出强度验算公式，主要因为总体稳定验算要求得到满足后，强度要求已有保证。一般不必再进行，压杆的强度验算刚度计算公式同拉杆。《桥规》要求按各种板件最大宽厚比的规定进行验算，而不具体计算临界应力，与《钢规》相同；（3）偏心受压构件设计计算内容包括强度、刚度、总体稳定和局部稳定，计算原理同《钢规》：（a）强度：桥梁结构中一般不允许考虑材料的塑性工作，所以偏心压杆的强度应按弹性假定和叠加原理进行计算；（b）刚度：偏心压杆的刚度要求一般与轴心压杆相同；（c）《桥规》中对于偏心受压构件的局部稳定没有具体规定，实际工作中通常采用轴心压杆的宽厚比限值；（d）总体稳定包括弯矩平面内总体稳定、弯矩平面外总体稳定，《桥规》中用一个公式兼顾构件

在弯矩平面内的稳定和弯矩平面外的稳定；

（4）偏心受拉构件设计计算内容包括强度、刚度和疲劳：（a）拉弯构件的强度计算中一般按弹性假定，只有静力荷载作用时，通常允许考虑钢料的塑性工作；（b）刚度计算同轴心拉杆；（c）《桥规》要求对主桁中的挂杆按其最不利组合应力检算疲劳强度。