钢结构设计原理考试复习题

1、第一章1.混凝土结构是以混凝土为主要材料制成的结构,包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构及配置各种纤维的混凝土结构。2.钢筋与混凝土两种材料能够有效地结合在一起而共同工作,主要基于下三个条件:1钢筋与混凝土之间存在着粘结力,使两者能结合在一起。2钢筋与混凝土两种材料的温度线膨胀系数很接近。3钢筋埋置于混凝土中,混凝土对钢筋起到了保护和固定作用。第二章1.钢筋中碳的含量增加,强度就随之提高,但塑性和可焊性降低。2.热轧钢筋属于有明显流幅的钢筋,也成为软钢。软钢有两个强度指标:一是b点的屈服强度;另一个强度指标是d 点的极限强度,一般用作钢筋的实际破坏强度。3.热处理钢筋和各类钢丝属

2、于无明显流幅的钢筋,也成为硬钢。这类钢筋只有一个强度指标,即b点所对应的极限抗拉强度。工程上一般取残余应变为0.2%时的应力0.2作为无明显流幅钢筋的强度限值,通常称为条件屈服强度。4.混凝土的立方体抗压强度标准值是指规定所测得的具有95%保证率的立方体抗压强度,记为fcu,k.C40代表抗压强度标准值为40MPa。5.徐变:在不变的应力长期持续作用下,混凝土的变形随时间而徐徐增长的现象称为混凝土的徐变。6.混凝土在空气中结硬时其体积会缩小,这种现象称为混凝土的收缩;而混凝土在水中结硬时体积会膨胀,成为混凝土的膨胀。收缩和膨胀是混凝土在不受力情况下因体积变化而产生的变形。温度变化会使混凝土热胀

3、冷缩,在结构中产生温度应力,甚至会使构件开裂以至损坏。7.光面钢筋的粘结力由三部分组成:1混凝土中水泥凝胶体与钢筋表面的化学胶着力;2钢筋与混凝土接触面间的摩擦力;3钢筋表面粗糙不平的机械咬合力。8.带肋钢筋的粘结强度仍由胶着力、摩擦力和机械咬合力组成,但主要是钢筋表面突出肋与混凝土间的机械咬合力。第三章1.永久作用:在结构使用期间,其值不随时间变化,或其变化与平均值相比可以忽略不计,或其变化是单调的并能趋于限值的作用,如结构的自身重力、土压力、预应力等。2.可变作用:在结构使用期间,其值随时间变化,且变化与平均值相比不可忽略的作用,如楼面活荷载、桥面或路面上的行车荷载、风荷载和雪荷载等。3.

4、偶然作用:在结构使用期间不一定出现,一旦出现,其量值很大且持续时间很短的作用,如强烈地震、爆炸、撞击等引起的作用。4.结构抗力R是指整个结构或结构构件承受作用效应(即内力和变形的能力,如构件的承载能力、刚度及抗裂能力等。5.安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。而结构可靠度则是指结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率。6.荷载标准值是建筑结构按极限状态设计时采用的荷载基本代表值。荷载标准值可由设计基准期(统一规定为50年最大荷载概率分布的某一分位值确定。95%的保证率调整荷载标准值。桥涵工程的设计基准期为100年。一、填空题1. 钢结构计算的两种极限状态是承载能力极限状态和

5、正常使用极限状态。2. 钢结构具有轻质高强、材质均匀,韧性和塑性良好、装配程度高,施工周期短、密闭性好、耐热不耐火和易锈蚀等特点。3. 钢材的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏。4. 影响钢材性能的主要因素有化学成分、冶炼,浇注,轧制、钢材硬化、温度、应力集中、残余应力、重复荷载作用和钢材缺陷。5. 影响钢材疲劳的主要因素有应力集中、应力幅(对焊接结构或应力比(对非焊接结构、应力循环次数6. 建筑钢材的主要机械性能指标是屈服点、抗拉强度、伸长率、冲击韧性、和冷弯性能。7. 钢结构的连接方法有焊接连接、铆钉连接和螺栓连接。8. 角焊缝的计算长度不得小于8hf,也不得小于40mm。侧面角焊缝承受静载时,

6、其计算长度不宜大于60 hf。9.普通螺栓抗剪连接中,其破坏有五种可能的形式,即螺栓剪坏、孔壁挤压坏、构件被拉断、端部钢板被剪坏和螺栓弯曲破坏。10. 高强度螺栓预拉力设计值与螺栓材质和螺栓有效面积有关。11. 轴心压杆可能的屈曲形式有弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲。12. 轴心受压构件的稳定系数 与残余应力、初弯曲和初偏心和长细比有关。13. 提高钢梁整体稳定性的有效途径是加强受压翼缘和增加侧向支承点。14. 影响钢梁整体稳定的主要因素有荷载类型、荷载作用点位置、梁的截面形式、侧向支承点的位置和距离和梁端支承条件。15.焊接组合工字梁,翼缘的局部稳定常采用限制宽厚比的方法来保证,而腹板的局部稳

7、定则常采用设置加劲肋的方法来解决。二、问答题1.钢结构具有哪些特点?答:钢结构具有的特点:1钢材强度高,结构重量轻2钢材内部组织比较均匀,有良好的塑性和韧性3钢结构装配化程度高,施工周期短4钢材能制造密闭性要求较高的结构5钢结构耐热,但不耐火6钢结构易锈蚀,维护费用大。2.钢结构的合理应用范围是什么?答:钢结构的合理应用范围:1重型厂房结构2大跨度房屋的屋盖结构3高层及多层建筑4轻型钢结构5塔桅结构6板壳结构7桥梁结构8移动式结构3.钢结构对材料性能有哪些要求?答:钢结构对材料性能的要求:1较高的抗拉强度fu和屈服点fy2较好的塑性、韧性及耐疲劳性能3良好的加工性能4.钢材的主要机械性能指标是

8、什么?各由什么试验得到?答:钢材的主要机械性能指标是屈服点、抗拉强度、伸长率、冲击韧性、冷弯性能。其中屈服点、抗拉强度和伸长率由一次静力单向均匀拉伸试验得到;冷弯性能是由冷弯试验显示出来;冲击韧性是由冲击试验使试件断裂来测定。5.影响钢材性能的主要因素是什么?答:影响钢材性能的主要因素有:1化学成分2钢材缺陷3冶炼,浇注,轧制4钢材硬化5温度6应力集中7残余应力8重复荷载作用6.什么是钢材的疲劳?影响钢材疲劳的主要因素有哪些?答:钢材在连续反复荷载作用下,当应力还低于钢材的抗拉强度,甚至还低于屈服点时也会发生断裂破坏,这种现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。影响钢材疲劳的主要因素是应力集中、应力幅(

9、对焊接结构或应力比(对非焊接结构以及应力循环次数。7.选用钢材通常应考虑哪些因素?答:选用钢材通常考虑的因素有:1结构的重要性2荷载特征3连接方法4结构的工作环境温度5结构的受力性质8.钢结构有哪些连接方法?各有什么优缺点?答:钢结构常用的连接方法有:焊接连接、铆钉连接和螺栓连接三种。焊接的优点:1不需打孔,省工省时;2任何形状的构件可直接连接,连接构造方便;3气密性、水密性好,结构刚度较大,整体性能较好9.焊缝可能存在的缺陷有哪些?答:焊缝可能存在的缺陷有裂纹、气孔、夹碴、烧穿、咬边、未焊透、弧坑和焊瘤。10.焊缝的质量级别有几级?各有哪些具体检验要求?答:焊缝质量分为三个等级。三级质量检查

10、只对全部焊缝进行外观缺陷及几何尺寸检查,其外观可见缺陷及几何尺寸偏差必须符合三级合格标准要求;二级质量检查除对外观进行检查并达到二级质量合格标准外,还需用超声波或射线探伤20%焊缝,达到B级检验级合格要求;一级质量检查除外观进行检查并符合一级合格标准外,还需用超声波或射线对焊缝100%探伤,达到B级检验级合格要求;11.对接焊缝的构造要求有哪些?答:对接焊缝的构造要求有:1一般的对接焊多采用焊透缝,只有当板件较厚,内力较小,且受静载作用时,可采用未焊透的对接缝。2为保证对接焊缝的质量,可按焊件厚度不同,将焊口边缘加工成不同形式的坡口。3起落弧处易有焊接缺陷,所以要用引弧板。但采用引弧板施工复杂

11、,因此除承受动力荷载外,一般不用引弧板,而是计算时为对接焊缝将焊缝长度减2t(t为较小焊件厚度。4对于变厚度(或变宽度板的对接,在板的一面(一侧或两面(两侧切成坡度不大于1:2.5的斜面,避免应力集中。5当钢板在纵横两方向进行对接焊时,焊缝可采用十字形或T形交叉对接,当用T形交叉时,交叉点的间距不得小于200mm。12.角焊缝的计算假定是什么?角焊缝有哪些主要构造要求?答:角焊缝的计算假定是:1破坏沿有效载面;2破坏面上应力均匀分布。 13.焊接残余应力和焊接残余变形是如何产生的?焊接残余应力和焊接残余变形对结构性能有何影响?减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法有哪些?答:钢材在施焊过程中会在

12、焊缝及附近区域内形成不均匀的温度场,在高温区产生拉应力,低温区产生相应的压应力。在无外界约束的情况下,焊件内的拉应力和压应力自相平衡。这种应力称焊接残余应力。随焊接残余应力的产生,同时也会出现不同方向的不均匀收缩变形,称为焊接残余变形。焊接残余应力的影响:1对塑性较好的材料,对静力强度无影响;2降低构件的刚度;3降低构件的稳定承载力;4降低结构的疲劳强度;5在低温条件下承载,加速构件的脆性破坏。焊接残余变形的影响:变形若超出了施工验收规范所容许的范围,将会影响结构的安装、正常使用和安全承载;所以,对过大的残余变形必须加以矫正。减少焊接残余应力和变形的方法:1合理设计:选择适当的焊脚尺寸、焊缝布

13、置应尽可能对称、进行合理的焊接工艺设计,选择合理的施焊顺序。2正确施工:在制造工艺上,采用反变形和局部加热法;按焊接工艺严格施焊,避免随意性;尽量采用自动焊或半自动焊,手工焊时避免仰焊。14.普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接,在抗剪连接中,它们的传力方式和破坏形式有何不同?答:普通螺栓连接中的抗剪螺栓连接是依靠螺栓抗剪和孔壁承压来传递外力。当受剪螺栓连接在达到极限承载力时,可能出现五种破坏形式,即螺栓被剪断、孔壁被挤压坏、构件被拉断、构件端部被剪坏和螺栓弯曲破坏。高强螺栓连接中的抗剪螺栓连接时,通过拧紧螺帽使螺杆产生预拉力,同时也使被连接件接触面相互压紧而产生相应的摩擦力,依靠摩擦力来传递外

14、力。它是以摩擦力刚被克服,构件开始产生滑移做为承载能力的极限状态。15.螺栓的排列有哪些构造要求? 1受力要求:端距限制-防止孔端钢板剪断,2do;螺孔中距限制限制下限以防止孔间板破裂即保证3do,限制上限以防止板间翘曲。2构造要求:防止板翘曲后浸入潮气而腐蚀,限制螺孔中距最大值。3施工要求:为便于拧紧螺栓,宜留适当间距。16.普通螺栓抗剪连接中,有可能出现哪几种破坏形式?具体设计时,哪些破坏形式是通过计算来防止的?哪些是通过构造措施来防止的?如何防止?答:普通螺栓抗剪连接中的五种破坏形式:螺栓被剪断、孔壁被挤压坏、构件被拉断、构件端部被剪坏和螺栓弯曲破坏。以上五种可能破坏形式的前三种,可通过

15、相应的强度计算来防止,后两种可采取相应的构件措施来保证。一般当构件上螺孔的端距大于2d0时,可以避免端部冲剪破坏;当螺栓夹紧长度不超过其直径的五倍,则可防止螺杆产生过大的弯曲变形。答:级别代号中,小数点前的数字是螺栓材料经热处理后的最低抗拉强度,小数点后数字是材料的屈强比(fy/fu 。8.8级为:fu800N/mm²,fy/fu=0.810.9级为:fu 1000N/mm²,fy/fu=0.918.轴心压杆有哪些屈曲形式?答:受轴心压力作用的直杆或柱,当压力达到临界值时,会发生有直线平衡状态转变为弯曲平衡状态变形分枝现象,这种现象称为压杆屈曲或整体稳定,发生变形分枝的失稳

16、问题称为第一类稳定问题。由于压杆截面形式和杆端支承条件不同,在轴心压力作用下可能发生的屈曲变形有三种形式,即弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲。19.在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑哪些初始缺陷的影响?答:在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑残余应力的影响、初弯曲和初偏心的影响、杆端约束的影响。20.在计算格构式轴心受压构件的整体稳定时,对虚轴为什么要采用换算长细比?答:格构式轴心受压构件一旦绕虚轴失稳,截面上的横向剪力必须通过缀材来传递。但因缀材本身比较柔细,传递剪力时所产生的变形较大,从而使构件产生较大的附加变形,并降低稳定临界力。所以在计算整体稳定时,对虚轴要采用换算长细比(通过加大长细比的方

17、法来考虑缀材变形对降低稳定临界力的影响21.什么叫钢梁丧失整体稳定?影响钢梁整体稳定的主要因素是什么?提高钢梁整体稳定的有效措施是什么?答:钢梁在弯矩较小时,梁的侧向保持平直而无侧向变形;即使受到偶然的侧向干扰力,其侧向变形也只是在一定的限度内,并随着干扰力的除去而消失。但当弯矩增加使受压翼缘的弯曲压应力达到某一数值时,钢梁在偶然的侧向干扰力作用下会突然离开最大刚度平面向侧向弯曲,并同时伴随着扭转。这时即使除去侧向干扰力,侧向弯扭变形也不再消失,如弯矩再稍许增大,则侧向弯扭变形迅速增大,产生弯扭屈曲,梁失去继续承受荷载的能力,这种现象称为钢梁丧失整体稳定。影响钢梁整体稳定的主要因素有:荷载类型

18、、荷载作用点位置、梁的截面形式、侧向支承点的位置和距离、梁端支承条件。提高钢梁整体稳定性的有效措施是加强受压翼缘、增加侧向支承点22.什么叫钢梁丧失局部稳定?怎样验算组合钢梁翼缘和腹板的局部稳定?答:在钢梁中,当腹板或翼缘的高厚比或宽厚比过大时,就有可能在梁发生强度破坏或丧失整体稳定之前,组成梁的腹板或翼缘出现偏离其原来平面位置的波状屈曲,这种现象称为钢梁的局部失稳。23.压弯构件的整体稳定计算与轴心受压构件有何不同?答:可见,压弯构件的整体稳定计算比轴心受压构件要复杂。轴心受压构件在确定整体稳定承载能力时,虽然也考虑了初弯曲、初偏心等初始缺陷的影响,将其做为压弯构件,但主要还是承受轴心压力,

19、弯矩的作用带有一定的偶然性。对压弯构件而言,弯矩却是和轴心压力一样,同属于主要荷载。弯矩的作用不仅降低了构件的承载能力,同时使构件一经荷载作用,立即产生挠曲,但其在失稳前只保持这种弯曲平衡状态,不存在达临界力时才突然由直变弯的平衡分枝现象,故压弯构件在弯矩作用平面内的稳定性属于第二类稳定问题,其极限承载力应按最大强度理论进行分析。24.压弯构件的局部稳定计算与轴心受压构件有何不同? 二、验算焊缝强度1.a 点满足(/185/9.901048410202202234mm N f mmN W M w f awa=<=2.b 点2232234b/9.75102910220(/185/8.193

20、102271020220mmN A Fmm N f mmN W M w ww f b w=<=满足折算应力 222222N w c =<=+=+2. 试计算如图所示钢板与柱翼缘的连接角焊缝的强度。已知N=390kN (设计值,与焊缝之间的夹角=60。钢材Q235,焊条E43,手工焊。有关强度设计值wff =160 N/mm2 。 f h fh N l w ff 6916067.021022=4.设计矩形拼接板与板件用三面围焊连接的平接接头。轴心拉力N =1250kN ,(静载设计值,钢材Q235,焊条E43,手工焊。有关强度设计值 =215 N/mm 2, I -I 截面:kN N

21、 f A N n 6886880002151032=III -III 截面:因前面I -I 截面已有n 1个螺栓传走了(n 1/n N 的力,故有f A N nn IIn =-1(1kN N nn f AN II n7017010009/11(2151098.281(21=-=-=构件所能承受的最大轴心力设计值按II -II 截面kN N 4.633= 二、连接盖板所能承受的轴心力设计值(按V-V 截面确定kNN f A N cm t d n b A v n20=-=-=通过比较可见,接头所能承受的最大轴心力设计值应按构件II -II 截面的承载能力取值,即kN N 4.633max =。再者

22、,若连接盖板不取2块8mm 厚钢板而去2块7mm ,即与构件等厚,则会因开孔最多其承载力最小。单个螺栓受剪承载力设计值 kN P n N f b连接一侧螺栓所能承受的最大轴心力设计值 kN nN N b毛截面:kN N Af N 5.75275250021514250=01=-=-=n n cm t d n b A I n根据 f A N nn n -115.01(即 kN N nn f A N n 5.728728500915.0121510325.01211=-=-=II-II 截面净截面面积为2220122.75.413(521(2cmt d n ea n e A IIn =-+-+=-

23、+-+=kN N nn f A N IIn 1.760760100915.012151046.295.0121=-=-=III-III 截面净截面面积为 2因前面I -I 截面已有n 1个螺栓传走了(n 1/n N 的力,故有f A N nn nn IIInIII -5.01(1kN N nn n n f A N IIIIIIn 1.801801100925.09/11(2151098.285.01(21=-=-=构件所能承受的最大轴心力设计值按II -II 截面kN N 5.728= 三、连接盖板所能承受的轴心力设计值(按V-V 截面确定kNN nn f A N n n cm t d n b

24、 A v vn v V vn 7.765765700935.012151068.29520=-=-=-=-=通过比较可见,接头所能承受的最大轴心力设计值为kN N 5.728max =。与上题比较增大8. 计算图示连接的承载力设计值N 。螺栓M20,孔21.5mm,材料Q235A cmkN V N T ex ey =+=+=100818365.748 解:kNN f A N i L mm A I i mm I y yx y y y.721329600 132*.416107.416500201226463=-= 47349232102.7300161212 1099.4608I mm I mm A y x =+=+=3369W x =2087.5712000=yy y y i l cmmm A I i 2.梁的稳定系数:76.01232+=+=bht l b 2