钢结构设计原理-20年天大离线答案

钢结构设计原理

要求：

一、独立完成，下面已将五组题目列出，请按照学院平台揖室的做题组数作答,

每人只答一组题目，多答无效，满分100分；

平台查看做题组数操作：学生登录学院平台f系统登录f学生登录f课

程考试f离线考核f离线考核课程查看f做题组数，显示的数字为此次离线

考核所应做哪一组题的标识；

例如：“做题组数”标为1,代表学生应作答“第一组”试题；

二、答题步骤：

L使用A4纸打印学院指定答题纸（答题纸请详见附件）；

2.在答题纸上使用黑停水等按题目要求手写作答;答题纸上全部信息要求手

写，包括学号、姓名等基本信息和答题内容，请写明题型、题号；

三、提交方式：请将作答完成后的整页答题纸以图片形式依次粘贴在一个Word

义档中上传（只粘贴部分内容的图片不给分），图片请保持正向、清晰；

1.完成的作业应另存为保存类型是“Word97-2003”提交；

2.上传文件命名为“中心-学号-姓名-科目.doc”；

3.文件容量大小：不得超过20MB。

提示：未按要求作答题目的作业及雷同作业，成绩以0分记！

题目如下：

第一组：

一、简答题（每小题25分，共50分）

1、计算轴心受压单轴对称截面绕对称轴的稳定性时为什么采用换算长细比？

答：对于单轴对称截面，由于截面形心与剪心不重合，绕对称轴失稳时，在

弯曲的同时总伴随着扭转，即形成弯扭屈曲，在不同情况下，弯扭失稳与弯

曲失稳的临界应力要低，因此其在整体失稳时用换算长细比。

2、若不考虑腹板屈曲后强度，为防止简支梁腹板失稳，应如何配置加劲肋？

臬80偿

答：①％VA时，对局部压应力aHO的梁，构造配置横向加劲肋，3=o

结>8。摩殳《17。肆

的梁，不需配置加劲肋。②/VA且九vA（受压翼缘扭转受到约

“50用

束）或九VA（受压翼缘扭转未受到约束）应计算配置横向加劲肋。

（受压翼缘扭转受到约束）或%

>150（受压翼缘扭转未

九，

受到约束）应计算配置横向加劲肋和纵向加劲肋。局部压应力很大时在压区配置

短加劲肋。④任何情况下，^<250—

人Nfy

二、计算题（每小题25分，共50分）

1、如图所示的普通螺栓连接，材料为Q235钢，采用螺栓直径20mm,承受的荷

载设计值丫=240KN。试按下列条件验算此连接是否安全:

1）假定支托不承受剪力；2）假定支托承受剪力。

解:查附表L3得阚仝4=140用蕨，片=170用蕨/=3。5切川人

1）假定支托只起安装作用，不承受剪力，螺栓同时承受拉力和剪力。

设螺栓群绕最下一排螺栓旋转。查表得M20螺栓4=2.443cm

每个螺栓的抗剪和承压的承载力设计值分别

—2.03

xl40x二=4&98m

为：410

M|=dZ/=20x1.8x30”5=】09.8K”

时］=AJ：="8x170x-L=4L62E

弯矩作用下螺栓所受的最大拉力：

M二第T需鬻翳2&2加佃/m

剪力作用下每个螺栓所受的平均剪力：

M=匕=史=30KN<［比上109.8/W

n8

剪力和拉力共同作用下:

=0.963<1

可靠

2)假定剪力由支托承担，螺栓只承受弯矩作用。

如考r虢第潮皿叩网―

支托和柱翼缘的连接角焊缝计算，采用力/=1°a用，(偏于安全地略去端焊缝强度

提高系数1.22)»

1.33_1.35x240x103

=0.7x10x[(180-5)x2]=132.24M“<160必加，

满足要求。

2、梁的受力情况如图所示，梁选用轧制工字钢I45q4=10252,W,=143053),

钢材的强度设计值7=215/〃叽2,截面的塑性发展系数九=1-8。验算梁的强

度。

l2kN60&V60JW12JW

12518叫15soi80“112

N-.N

1200kN-A12OMN

A

5400

答：内力设计值

由集中荷载产生的弯矩

ML%』.=57.6KN・m

%=P%=6°x5%,]25+o,8尸68.3KN・m

:III<.1A1+M,L=57.6+158.3=225.9KN•m

1）梁的强度验算

Mx|My

Yx%Y,W,

M

其中My=0,所以应满足一jf,即

yYx%

225.9xl06

-=150.45N/mm2W215N/mm）满足强度要求。

1.05x1430xlO

第二组：

一、简答题（每小题25分，共50分）

1、试述衡量钢材力学性能的好坏的常用指标有哪些？它们的作用是什么？

答：衡量钢材力学性能好坏的三项重要指标为：1.屈服强度（或屈服点）；2.抗

拉强度；3.伸长率。

其作用：

1.屈服强度：是衡量钢结构的承载能力和确定强度设计值的重要指标。

2.抗拉强度：是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，它不仅是一般强度的指标，而

且直接反映钢材内部组织的优劣，并与疲劳强度有着密切的关系。

3.伸长率：是衡量钢材塑性性能的指标

2、炭素结构钢的牌号有哪些？其中各自的符号代表什么？以及钢号Q235A.b、

Q235B.F,Q235c和Q235D代表的意义是什么？

答：炭素结构钢的牌号有Q195、Q215A以及B,Q235A、B、C以及D,Q255A

以及B,Q275oQ是屈服强度中屈字汉语拼音的字首，后接的阿拉伯数字表示以

为单位屈服强度的大小，A、B、C和D表示按质量划分的级别。最后，还有一个

表示脱氧方法的符号如F或boQ235A.b表示屈服强度为235,A级的半镇静钢

Q235B.F表示屈服强度为235,B级的沸腾钢Q235C表示屈服强度为235,C级的镇

静钢Q235D表示屈服强度为235,D级的特殊镇静钢。

二、计算题（每小题25分，共50分）

1、如图所示工字形简支主梁，材料为。235/钢，f=215N/mni2,

2

fv=}25N/mm,承受两个次梁传来的集中力P=250ZN作用（设计值），次

梁作为主梁的侧向支承，不计主梁自重，/v=1.05o

要求：（1）、验算主梁的强度

（2）、判别梁的整体稳定性是否需要验算。

-14X280

/

____t

-10X1000

\-14X280

解:一、主梁强度验算：

①画出梁的剪力图与弯矩图，梁的最不利截面为第一-根次梁左侧截面（A-A假面）

和第二根次梁的右侧截面，由于其对称性，此两截面受力相同。

V=p=250kN

M=P*4=250*4=1000kN.m

②梁的截面特性：

/=—*1*1003+2*28*1.4*50.72=284860

12cm4

Wx=U卫28486曝542

/?51.4cm3

S[=28*1.4*50.7=1990cm3

S=28*1.4*50.7+50*1*25=3237cm3

③正应力强度：

M1000*106/I。

--------=------------------------r=1/1-0

/人四1.05*5542*10N/mm2</=215N/mm2

④剪应力强度：

<—・VS，—_2__5_0_*_3__2_3__7_*—120y'4')

-/A.-284860*10^1()-.N/mm2<g25N/mm2

⑤折算应力强度：

在A-A截面上腹板与翼缘板连接处1点处的正应力、剪应力都较大，需要

验算折算应力

_My_1000*1()6*500

a,=175.5

284860*1(/

一底一N/mm2

二一5二250*1990*106

=17.5

284860*1()4*1()

“一五一N/mm2

巴=Jb；+3r；=,175.52+3*3.52=178.1

N/mm2

=1.1*215=236.5

N/mm2

二、梁的整体稳定性

4000

a180-=14.3<16

所以不必计算梁的整体稳定性。

2、如图所示为格构式轴心受压缀板柱，试确定满足整体稳定所能承受的最大轴

心压力设计值和焊接缀板之间的净距小已知：/0x=3.5m,/0V=28.83”，

单肢长细比4=28,钢材。235,7=215N/mm2。［20。截面几何特征:

242

A=2S.S3cm,/vI=1780c/n,/vl=12Scm,z0=2cm

N

解：L=I780X10*x2=3.56x107mm1

42

Iy=(128X10+2883X140)X

2=1.16X108mm4A=5766mm2

《=78.58mmiy=^-^-=141.8mm

3500....,l„7000…

--------=44.542)=—v=--------=49.4

78.58iv141.8

2max=Any按b类截面查表得：(f)=0.824

—<f=2\5N/制〃2所以Na=1021.5KN

(pA

/li=28<40,且/liv0.5/l3=28.4单肢稳定保证。

单肢储=E=居孩=2・11"曾

VAiVZX.S3

ill办=「,/i=28x21.1=591/wm

3

所以取整后得相邻焊接缀板净间距为590mm。

第三组：

一、简答题（每小题25分，共50分）

1、选择钢材时应考虑哪些因素

答：钢材的选用既要确保结构物的安全可靠，又要经济合理。选用钢材时，考虑

的主要因素有，结构的重要性、荷载特征、连接方法、工作苏境、应力状态和钢

材厚度等，选择合适牌号和质量等级的钢材。

1、结构的极限状态是什么？纲结构的极限状态分为几类，其含义各是什么？什

么是结构的可靠度？

答：整个结构或结构的一部分超过某一特定的状态就不能满足设计规定的某一功

能要求，此特定的状态称为结构的极限状态。

钢结构的极限状态可以分为下列两类。

1）承载能力极限状态

承载能力极限状态包括构件和链接的强度破坏、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

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月和外观的变形，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。

结构的可靠度指的是结构或构件在规定的时间内，在规定的条件下具备预定功能

的概率。

二、计算题（每小题25分，共50分）

1、一实腹式轴心受压柱，承受轴压力35O（kN（设计值），计算长度几=10加，

/°y=5m,截面为焊接组合工字形，尺寸如图所示，翼缘为剪切边，钢材为

2235,容许长细比［制=150。

求：（1）、验算整体稳定性

（2）、验算局部稳定性。

解：

(1)验算整体稳定性：

A=400x20x2+400xl0=2xlOW

/,-(-Lx400x20J+400x20x210J)x2*^xl0x4005-7595x10^*

/,_Lx20X4001x2*—x400xl0J-2134xl08ww4

,1212

瓜/7595X108,g

j.m■J------1--194.87/ww

1V2x10*

..l2.l34xW9

103.30/w»

匕T2x10，

4■工,刃32＜冈,乃0

N・生,4840＜［同■乃0

对x轴为b类截面，对y轴为c类截面，查表：0r=0.850》号=0.785

--222.9N（mm2＞/-215Nfm^,如果承受静力荷载，材料为镇静钢,

叼4

则在允许范围之内。

（2）验算局部稳定

a.翼缘--975<Q0+0-10+0.1x51.32-15.13

b.腹板｝-40<(25+0.5川竽•25^0.5^51.32-5066

H部稳定均;两足。

2、图示为一两端钱支焊接工字表截面压弯杆件，杆长/=10机。钢材。235,

f=215N/mm2,f=2.06xIO5N/m/n?。作用于杆上的计算轴向压力和

杆端弯矩见图。

试由弯矩作用平面内的稳定性确定该杆能承受多大的弯矩M?已知截面

42

Ix-32997cm,A=84.8C/T2,b类截面。

解：4书•牌770M

.1000.507<^|_150

'1971J

q-0853

凡，«0.65+0.35x1-0.85

------/3'------«/

化/八1九Q-08N/心）

“孰.与Y."x206：%弘80.67个乂

公年5072

即800x103+___________竺生___________«215

0853X848。1gxl^xl/。-。8、则驾）

67x10〃

M-1.59x10s159A:Afw

由弯矩作用平面内稳定确定的最大弯矩为：

M75*N•卅

第四组：

一、简答题（每小题25分，共50分）

1、对于轴心受压构件，有时也常采用格构式截面。

（1）请说明什么情况下比较适合采用格构式截面？

（2）请说明什么情况下比较适合采用格构式截面？

答：A、柱的计算长度较大B、柱所承受的轴向荷载较大C、对柱的刚

度要求较严格,这样情况下截面强度富余，由稳定控制做实腹式浪费材料,

所以采用格构式。

（3）采用双肢格构式截面时，为什么采用换算长细比来计算绕虚轴的稳定承载

力？

答：构件在微弯的临界平衡状态外，将在截面上产生剪力，从而产生剪切

变形。对于实腹式构件而言，剪力由腹板承担,而腹板的剪切刚度又很大，

所以剪切变形小可以忽略不计，但是对于由缀材组成的格构式截面，剪力

由缀材承担变形较大不能忽略。考虑剪切变形的影响，构件的临界承载力

降低了，规范用增大长细比的方法考虑这种影响，所以绕虚轴失稳时，采

用换算长细比。

（4）在已知双肢格构柱截面形式的条件下，如何计算换算长细比和验算绕虚轴

的稳定性

较，"，巾标

答：V1

（5）对于双肢缀条式格构式，除了上一问的验算外，还需验算哪些内容？（指

出验算内容即可，不必给出公式）

答：还需验算：A、格构柱的净截面强度；B、格构柱绕实轴的稳定性C、

两个轴的长细比是否需要满足刚度要求D、单肢的稳定E、缀条的稳定F、

缀条与柱肢连接的强度验算。

2、简述钢结构的特点。

答：钢结构强度高重量轻；塑性韧性好，适合于承受冲击荷载；钢材接近于各向

同性，计算结果与实际基本享福；钢结构制造简便，易于工业化生产，施工安装

周期短；钢结构耐热性好，但防火性差；抗腐蚀性差。

二、计算题（每小题25分，共50分）

1、如图所示，角钢和节点板采用两面侧焊缝连接，N=667&V（静载设计值），

角钢为2〃00xl0,节点板厚度为10mm,钢材为Q235,焊条为E43型，手

工焊，角焊缝强度设计值/7=160N//w",肢尖肢背焊缝厚度相同。试确定

所需焊缝的厚度和施焊长度。

1、解：（1）求肢背、肢尖内力

根据公式N、=K\N,N2=K2N对等肢角钢&=0.7,K2=0.3

乂=0.7x667=466.94N,N2=0.3x667=200.1^（4分）

（2）求焊缝的计算长度

根据公式4=可得;

N.466.9xlO3“I

----------=----------=26\intn

2xO.7hff；,1.4x8x160

N200.1XIQ3

2112mm（3分）

2x0.76/'-1.4x8x160

焊缝实际施焊长度计算

/1=lwi+10=261+10=TlXrrun,取275mm

l2=lw2+10=112+10=122mm,取125mmo

2、试验算一受斜向拉力F=45KN（设计值）作用的普通螺栓的强度。螺栓M20,

钢材A235—AF

解：（1）简化力F至螺栓群形心O处（坐标轴x为水平向，y为竖向）

4

N=F-=45kNx0.8=36kN

x5

3

7Vv=Fj=45kNx0.6=27kN

icn/inn\

T=N+N=36kNx—mm+27kNx130+—mm=7560kN•mm

*r））vx2I2）

（2）单个受剪螺栓的抗剪和承压承载力设计值

zb7id~仆.3.14x20"..

N：=n---/=lx---------xl40=43.96Z^V

v44

M=d£tf：=20x10x305=61）W

•・・N：g=43.96kN

（3）受力最大的1号螺栓的受力计算

>rJ久

N,作用下：N=^=—=9kN

1n4

N27

M作用下：M、.=二=一=6.75块

〃4

7560x75

丁作用下：N[=孙=17.45雨

g+5()2卜4

7560x50

NJ__2__=1163kN

,y工片+EW(752+502)X4

N=J(MX+N"+(MV+N；J=](9+17.45)2+(6.75+11.63)2=32.3MZ<%=43.96加

(满足)

第五组：

一、简答题（每小题25分，共50分）

1、什么是疲劳断裂，它的特点如何。

答：钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续反复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性

破坏。

对常幅（所有应力循环内的应力幅保持常量）疲劳，应按下式进行计算：

'△oo]'

疲劳破坏的特征如下：

1、疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏；

2、引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；

3、疲劳破坏的宏观断口由两部分组成，即疲劳裂纹的策源地及扩展区（光滑部分）和最后断裂区（粗

糙部分I

1、焊缝连接、钾钉连接、普通螺栓连接的优点与缺点

答：1.不需要在钢材上打孔钻眼，既省工省时，又不使材料的截面积受到减损,

使材料得到充分利用。

2.任何形状的构件都可以直接连接，一般不需要辅助零件。连接构造简单,

传力路线短，适用面广。

3.焊接连接的气密性和水密性都较好，结构刚性也较大，结构的整体性好。

但是，焊缝连接也存在下列缺点：

4.由于高温作用在焊缝附近形成热影响区，钢材的金相组织和机械性能

发生变化，材质变脆。

5.焊接残余应力使结构发生脆性破坏的可能性增大，并降低压杆稳定承载力,

同时残余变形还会使构件尺寸和形状发生变化，矫正费工。

6.焊接结构具有连续性，局部裂缝一经产生便很容易扩展到整体。设计焊接

结构时，应考虑焊接连接的上述特点，扬长避短。遇到重要的焊接结构，结构设

计与焊接工艺要密切配合。

1.螺栓连接：结构简单、型式多样、连接可靠，装拆方便、成本低。

缺点：在交变荷载下，易松动。制孔精度较高。

2.焊接：设备简单、生产效率高、焊缝强度高、密封性能好。

缺点：拆卸不方便。

3.聊接：连接强度高，密封性能好。比如采用挪接的“武汉长江大桥的格构式箱形大梁"。

缺点：拆卸不方便、制孑篇度高。

二、计算题（每小题25分，共50分）

1、一缀板式轴心受压柱，柱高为7根，两端钱接，在虚轴平面于中间设有一侧向

支承，截面由两槽钢2[20〃组成，采用如图两种截面形式工，柱宽均为32a〃，单

肢长细比;1=35,,钢材Q235-A•尸。试分别确定其最大承载力设计值。

解：，ox=7m/oy=3.5m

C20a的几何特性A]=28.8cm2

，i=2.11cm,zy=7.86cm,

L=128cm4,b=7.3cm,zo=2.Ocm

计算左图：

224

Ix=2(I1+A1xl4)=2(128+28.8xl4)=11550cm

ix=TE/A=711550/(2x28.8)=14.2cm

晨=&/晨=700/14.2=49.3

—.二回—二60,4<[Z]=I5()

Xy=/oy/iy=350/