钢结构设计原理 习题答案 刘晓

第2章习题参考答案填空题提高，下降，下降伸长率，断面收缩率，伸长率，5d0，10d0，伸长值和原标距比值，δ5>δ10。提高，下降，下降，下降，下降屈服强度，235N/mm2，质量等级为A级，脱氧方法为沸腾钢塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性，脆，热脆性，塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，脆，冷脆性选择题D2.A3.D4.B5.A简答题1冷弯性能是指钢材在冷加工（常温下加工）过程中产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力（敏感性）。属于钢材的一种工艺性能，可通过冷弯试验来说明。冷弯试验可以揭示钢材塑性的好坏，检验钢材的冷加工性能和钢材的冶金、轧制质量等。2疲劳强度是指在疲劳应力作用下，经无数次循环，材料或构件不发生疲劳破坏的最大,应力（或应力幅）值。疲劳强度可通过疲劳试验测定：选择应力循环特征，然后取不同的应力水平（最大应力值或应力幅），在每一应力水平下分别进行疲劳试验。试验结果可得出每一应力水平下的疲劳寿命值，采用幂函数进行曲线拟合，得出疲劳S-N曲线，常取S-N曲线中一定概率下疲劳强度的下限作为设计S-N曲线。曲线上的渐近线所对应的应力水平即为材料的疲劳极限。3钢材的冲击韧性是钢材在一定温度下在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力，它是强度与塑性的综合表现。钢材的冲击韧性值是指钢材在受到冲击荷载发生一定塑性变形后断裂过程中吸收能量的多少。钢材的冲击韧性可由冲击试验得到，韧性指标等于冲断试件所耗的功(J/cm2)。温度对冲击韧性有很大的影响。4（1）强度：结构用钢的主要强度指标有屈服点fy和抗拉强度fu；（2）塑性：塑性好坏可用拉伸断裂时的最大相对塑性变形伸长率δ和断面收缩率ψ表示；（3）冲击韧性：刻画材料韧性的是冲击韧性指标（J/cm2）。5影响钢结构疲劳强度的因素很多，归纳起来，主要有构件的构造细节（包括形状、尺寸及表面状况、冶金缺陷等，它们和应力集中程度有关）、应力种类（循环特征）及其幅值、应力循环次数、残余应力、工作环境及材料种类等。应力集中程度愈高，疲劳强度就愈低。6在应力集中处应力线发生弯曲、变密，出现高峰应力区并常使构件处于同号的双向或三向应力场的复杂应力状态，在应力集中处塑性变形受到约束，使结构发生脆性断裂或产生疲劳裂纹。因此，可以说应力集中是影响钢材性能的重要因素。第3章习题答案一、简答题1．简述钢结构连接方式及其特点.答：钢结构按连接方式，分焊接、铆接和栓接（普通螺栓连接、高强螺栓连接）焊接优点是构造简单、不削弱构件截面，节约钢材，施工方便，易采用自动化操作，连接密闭性好、刚度大。缺点是焊接残余应力和残余变形对结构有不利影响，焊接结构低温冷脆问题突出。不宜用于直接承受动力荷载的结构构件。锚栓连接塑性和韧性较好，传力可靠，易于检查质量，可用于直接承受动力的结构，缺点是构造复杂，用钢量大。普通螺栓连接优点施工方便，拆装方便，缺点是用钢量大。2．简述焊缝质量缺陷内容及焊缝质量分级规定.答：焊缝可能存在裂纹、气孔、烧穿、未焊透缺陷，还可能出现夹渣、焊瘤、咬边等缺陷。焊缝质量检查标准分为三级，第三级为普通外观检查，对于重要结构或要求焊缝金属强度的对接焊缝，必须进行二级或一级质量检查。《标准》规定：（1）承受动力荷载且需进行疲劳验算的构件焊缝质量要求：①作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或T形对接焊缝与角焊缝组合焊缝，受拉时应为一级，受压时不低于二级；②作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝不应低于二级。（2）不需要疲劳验算的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝受拉时不应低于二级，受压时不宜低于二级。（3）工作环境温度等于或低于-20℃的地区，构件对接焊缝质量不得低于二级。3.简述焊接残余应力对结构刚度、强度、稳定、低温冷脆、疲劳性能的影响.答：（1）在静力荷载作用下，焊接残余应力不会影响结构强度（2）焊接残余应力会降低结构刚度（3）焊接残余应力使压杆挠曲刚度变小，降低其稳定承载能力（4）焊接残余应力对疲劳强度有不利影响。（5）焊接残余应力会阻碍塑性变形，在低温下使裂纹容易发展，加速构件脆性破坏。4.简述普通螺栓、高强螺栓摩擦连接、高强螺栓承压型连接的区别.答：高强螺栓摩擦型连接单纯依靠被连接构件间摩擦阻力传递剪力，以剪力等于滑移力为承载能力极限状态。高强螺栓承压型连接传力特征是剪力超过摩擦力时，构件间发生相互滑移，螺栓杆身与孔壁接触，开始受剪并和孔壁承压，以螺栓或钢板破坏为承载能力极限状态。普通螺栓受力原理与高强螺栓承压型连接相似，但普通螺栓钢材强度低于高强度螺栓。5.简述螺栓连接破坏的主要几种形式.答：螺栓连接有五种可能破坏的模式，（1）螺栓杆剪断（2）钢板被拉断（3）孔壁挤压（4）钢板剪断（5）螺栓受剪弯曲。二、计算题1．如图3-65所示，两块拼接板以焊接方式连接钢板，采用双侧角焊缝和三面围焊，焊脚尺寸6mm，钢材为Q235,采用E43系列焊条，手工焊，试算连接分别所能承担的最大拉力？MJS310图3-65【解】采用Q235钢板，E43系列焊条，手工焊，角焊缝强度（1）双侧焊缝情况（2）三面围焊情况正面角焊缝承担的力侧面角焊缝承担的力焊缝能承担的总力为2.某钢结构牛腿与钢柱间采用10.9级高强螺栓摩擦型连接，连接构件接触面采用喷硬质英砂，如图3-64所示，竖向力设计值为F=310kN,偏心距e=250mm，试算高强螺栓采用何种直径规格的合适？MSK311图3-66【解】10.9级高强螺栓摩擦型连接，接触面喷硬质英砂，查表3-13，摩擦系数μ=0.45。单个螺栓需抵抗剪力螺栓群同时承受弯剪作用,截面承受弯矩为最外排螺栓拉力高强螺栓摩擦型连接需满足P≥184.1kN.3.某节点板连接于工型柱的翼缘，如图3-65所示，钢材为Q345，采用4根10.9级高强螺栓承压连接，单栓有效面积Ae=303.4mm2,节点中心到水平拉力N1和斜向拉力N2作用，采用标准圆孔。N2与N1夹角为30°柱翼缘及连接板厚度为16mm，若拉力设计值N2=150kN,N1最大设计值是多少？MSK312图3-67【解】由《标准》可查得N2有x,y两个方向分力根据公式（3-74）：验算承压满足要求第4章习题答案一、填空题轴心压杆格构柱进行分肢稳定计算的目的是保证分支失稳不先于构件的整体稳定失稳。轴心稳定系数Φ根据钢号、面类型、长细比。轴心受压构件的承载能力极限状态有净截面破坏和毛截面屈服。在轴心压力一定的前提下,轴压柱脚底板的面积是由混凝土强度等级决定的。计算题1.如图所示为一支架，其支柱的压力设计值，柱两端铰接，钢材为Q235，容许长细比。截面无孔眼削弱。支柱选用I56a（），。（1）验算此支柱的承载力；（2）说明如果支柱失稳会发生什么样的失稳形式。解：一丶柱在两个方向的计算长度为：=600cm=300cm鱿鱼截面已经给出，故不需要初选截面。（2）截面验算①因截面无孔洞削弱，可不必验算强度。②因轧制工字钢的翼缘和腹板均较厚，可不验算局部稳定。③进行整体稳定验算和刚度验算：远大于，故由查附表得=0.591200.5＜f=205即该柱的整体稳定性和刚度均满足条件截面尺寸：截面尺寸：2-10×2201-6×200第5章习题答案一、简答题1．梁的强度计算有哪些内容？如何计算？答：正应力计算剪应力计算折算应力局压应力2.简述塑性发展系数意义是什么，其应用条件是什么？答：在工程设计中，为避免梁产生过大变形，故将梁的极限弯矩取在弹性极限弯矩和产生塑性铰弯矩之间，即允许截面产生部分塑性发展，用塑性发展系数描述。通常不承受动力荷载，无需考虑疲劳的梁，以及宽厚比等级高于S3级截面可考虑塑性发展。3.简述梁截面分类，型钢及组合截面应优选哪种？说明理由答：钢梁按制作方法不同可分为型钢梁和组合梁两大类，型钢梁又可分为热轧型钢梁和冷弯薄壁型钢梁，热轧型钢包括普通工字钢、槽钢、H型钢，冷弯薄壁型钢包括冷弯薄壁槽钢、Z型钢。型钢梁具有加工方便成本低特点，设计中优先采用。4.何为梁整体稳定性？有效提高梁整体稳定性措施有哪些？答：梁在弯矩作用下，在弯矩作用平面内弯曲，当弯矩大于某数值时，梁将突然发生侧向弯曲和扭转，称为丧失整体稳定性。梁丧失整体稳定主要原因是受压翼缘屈曲，因此加强梁受压翼缘、减小梁的侧向支承距离都可以有效的提高梁的整体稳定性。5．腹板加劲肋有哪些形式？作用是什么？答：加劲肋主要可以分为横向加劲肋、纵向加劲肋和短加劲肋，主要目的是提高梁腹板局部屈曲荷载，保证梁的局部稳定。设置加劲肋后，腹板被分隔成若干区格，四面支承会延缓区格内腹板的局部屈曲。计算题1.某钢梁采用H型钢H600×200×11×17制作，Ix=78200×104mm4,Wx=2610×103mm3钢材采用Q235,梁承受弯矩设计值为，.验算该梁受弯承载力。【解】翼缘宽厚比为：属于S3截面，塑性发展系数最大正应力2.某焊接组合吊车梁，吊车为重级工作制，吊车梁轨道高度150mm，吊车最大轮压F=355kN，车轮处最大弯矩设计值M=4932kN˙m,对应的剪力设计值为316kN.吊车梁用Q345钢材，惯性矩Ix=2.433×1010mm4。试计算车轮作用处钢梁折算应力。图5-30【解】吊车为重级工作制吊车计算点正应力计算点剪应力计算点的折算应力β1=1.13.某双轴对称工字梁，采用Q235钢材制作，一端固定，另端悬臂外挑4米，构件无侧向支承点，一集中荷载作用在工字钢上翼缘顶面，试问集中荷载最大多大能保证整体稳定？图5-31【解】（1）截面属性计算（2）整体稳定计算查附表6-1双轴对称截面由稳定验算公式F=27.2kN第6章习题参考答案填空题1.05塑性铰，边缘屈服长细比截面边缘纤维屈服压溃理论选择题A2.C3.A4.D5.C简答题1同时承受轴心力和弯矩的构件称为偏心受力构件。偏心受力构件分类：（1）根据轴心力性质分为:偏心受拉构件（拉弯构件）和偏心受压构件（压弯构件）；（2）根据偏心方向分为:单向偏心受力构件和双向偏心受力构件；（3）根据截面形式分为：实腹式截面（工字形截面、T形截面、箱形截面）、格构式截面和冷弯薄壁型钢截面;（4）根据截面对称性分为:单轴对称截面和双轴对称截面。2《钢结构设计规范》（GB50017）中规定在以下情况中验算压弯构件或拉弯构件的强度时取截面塑性发展系数γx=1：（1）对需计算疲劳的构件，规范限制其在弹性阶段工作，不考虑塑性变形在截面上的发展，规定取γx=1；（2）对绕虚轴弯曲的格构式偏心受力构件，因仅考虑边缘纤维屈服设计准则，故取γx=1。（3）当压弯构件的自由外伸宽度与其厚度之比大于13√（235/fy）而小于15√（235/fy）时，规范确定按弹性设计（塑性设计时，受压翼缘宽厚比不应大于13√（235/fy）），故取γx=1。3单向压弯构件如在侧向有足够的支承能防止其发生弯矩作用平面外的位移时，则构件受力后只在弯矩作用平面内发生弯曲变形，一开始构件的侧向弯曲变形随着荷载增加而增加，处于稳定的曲线平衡状态；随着荷载的继续增加或超越某一极限值时，构件侧向变形不断加大，处于不稳定平衡状态，此时构件失去弯矩作用平面内的稳定性，即是弯矩平面内失稳。因构件从一开始受力就处于弯曲平衡状态，直至失去稳定性，其只有一种曲线平衡状态，故此为第二类稳定问题。当构件没有足够的侧向支承，且弯矩作用在实腹式截面压弯构件的弱轴平面内时，构件的侧向抗弯刚度是绕弱轴的抗弯刚度，使得构件的抗扭能力较差，在开始受力时，构件没有出现平面外的位移和扭转变形；当荷载达到某一极限值时，构件会突然出现平面外位移并伴随扭转变形，构件处于平面外弯扭变形的曲线平衡状态，若荷载继续增大，这种平衡状态不能维持，构件发生侧扭屈曲件在极限荷载处存在两种变形形式的平衡状态，故此为第一类稳定问题。4设计偏心受力构件时，应同时满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求。承载能力极限状态包括强度和稳定性两个方面，对于拉弯构件通常只有强度问题；而对于压弯构件应同时满足强度和稳定承载力的要求。实腹式压弯构件除了要验算弯矩作用平面内和平面外的整体稳定外，还要保证其组成板件的局部稳定性；格构式压弯构件要验算弯矩作用平面内的整体稳定和分肢稳定。正常使用极限状态是指构件的刚度方面的要求，可通过构件的长细比不超过容许长细比来保证。拉弯构件需要计算其强度和刚度；压弯构件则需要计算强度、整体稳定、局部稳定（分肢稳定）和刚度。5格构式压弯构件在绕截面虚轴的弯矩作用下，两柱肢受力不等，受压力较大的分肢上的平均应力大于整个截面的平均应力，因此需对分肢进行稳定性验算。当受压较大的分肢在其两个主轴方向的稳定性得到满足时，整个构件在平面外的稳定性也可得到保证，此时可不验算其弯矩作用平面外的稳定性。当弯矩绕格构式柱的实轴作用时，格构柱的受力性能与实腹式压弯构件完全相同，需进行弯矩作用平面内的稳定性验算和弯矩作用平面外的稳定性验算。在计算弯矩作用平面外的稳定