(完整版)《钢结构设计原理》复习题(含答案)

(完整版)《钢结构设计原理》复习题(含答案)一、单项选择题（每题2分，共20分）1.钢材在复杂应力状态下的屈服条件，通常采用（）作为判断依据。A.最大拉应力理论B.最大剪应力理论（Tresca准则）C.畸变能理论（VonMises准则）D.最大主应变理论答案：C2.下列关于钢材疲劳破坏的描述，错误的是（）。A.疲劳破坏属于脆性断裂B.循环次数越多，疲劳强度越低C.应力集中会显著降低疲劳强度D.疲劳破坏的断口无明显塑性变形答案：B（循环次数增加，疲劳强度降低，但需达到一定循环次数阈值后才显著）3.普通螺栓受剪连接中，当板件厚度之和超过螺栓直径的5倍时，可能发生的破坏形式是（）。A.螺栓杆剪切破坏B.板件承压破坏C.板件净截面拉断D.螺栓杆受弯破坏答案：D（杆长过厚时，螺栓杆易受弯折断）4.焊接残余应力对构件的（）无影响。A.静力强度B.刚度C.稳定性D.疲劳强度答案：A（残余应力是自平衡应力，不影响静力强度，但会降低刚度、稳定性和疲劳强度）5.轴心受压构件的整体稳定系数φ与（）无关。A.构件的长细比B.钢材强度等级C.截面类型（a、b、c、d类）D.构件的初始挠度答案：D（φ由长细比、钢材强度、截面类型决定，初始挠度属于初始缺陷，影响稳定承载力但不直接决定φ）6.工字形截面简支梁在跨中受集中荷载作用时，梁的整体稳定最不利的荷载作用位置是（）。A.荷载作用在上翼缘B.荷载作用在下翼缘C.荷载作用在形心轴D.荷载作用在腹板中线答案：A（上翼缘受压，更易触发整体失稳）7.下列哪项不是提高梁整体稳定性的有效措施？（）A.增加梁的侧向支撑点B.增大梁的截面惯性矩IyC.提高钢材强度等级D.增大受压翼缘的宽度答案：C（钢材强度提高对整体稳定影响较小，整体稳定主要与截面刚度和约束有关）8.摩擦型高强度螺栓连接受剪时，其承载力由（）控制。A.螺栓杆的抗剪强度B.连接板件的承压强度C.连接板件间的摩擦力D.螺栓杆的抗拉强度答案：C（摩擦型通过板件间摩擦力传递剪力）9.计算格构式轴心受压构件的绕虚轴稳定时，需采用换算长细比λ0x，其目的是（）。A.考虑缀材的抗剪刚度不足B.考虑构件的初始弯曲C.考虑截面的扭转效应D.考虑材料的非线性答案：A（虚轴方向缀材抗剪刚度低，剪切变形不可忽略，换算长细比用于等效考虑剪切变形的影响）10.受拉构件的刚度验算通过限制（）来实现。A.最大应力不超过抗拉强度B.长细比不超过限值C.变形不超过容许挠度D.净截面面积不小于计算值答案：B（受拉构件刚度用长细比控制，避免自重或动载下过度振动）二、填空题（每空1分，共20分）1.钢材的主要力学性能指标包括强度、塑性、韧性和（）。答案：冷弯性能2.钢材的屈服强度是指（）时的应力值，符号为（）。答案：产生0.2%残余应变；f_y3.焊接连接中，三级焊缝的质量检验方法为（），一级焊缝需进行（）%的超声波探伤。答案：外观检查；1004.普通螺栓连接中，端距应不小于（）倍螺栓孔径，以防止板件（）破坏。答案：2d0；冲剪5.轴心受压构件的局部稳定验算需保证板件的（）不超过限值，其本质是避免板件在构件（）前发生局部屈曲。答案：宽厚比；整体失稳6.梁的抗弯强度验算公式为（），其中γx为（）系数。答案：M_x/(γ_xW_nx)≤f；截面塑性发展7.高强度螺栓按受力机制分为（）型和（）型，其中（）型螺栓在使用时需对螺栓杆施加预拉力。答案：摩擦；承压；摩擦8.计算梁的挠度时，采用（）荷载组合，且需限制挠度不超过（）。答案：标准；容许值9.钢材的疲劳强度与（）、（）和应力循环次数有关。答案：应力幅；应力集中程度三、简答题（每题6分，共30分）1.简述钢材发生冷脆的主要原因及预防措施。答案：冷脆是钢材在低温下由塑性破坏转为脆性破坏的现象。主要原因：钢材含磷量过高（磷提高冷脆性）、低温环境、应力集中（如缺口、裂纹）。预防措施：选用耐低温钢材（如Q345D/E）、避免截面突变（减少应力集中）、控制磷含量（≤0.045%）、结构设计中避免低温下承受动载。2.比较普通螺栓受剪连接与摩擦型高强度螺栓受剪连接的工作性能差异。答案：①传力机制：普通螺栓靠螺栓杆抗剪和板件承压传力；摩擦型高强螺栓靠板件间摩擦力传力。②变形：普通螺栓连接在剪力超过摩擦力后产生滑移，变形较大；摩擦型高强螺栓在摩擦力被克服前无滑移，变形小。③破坏形式：普通螺栓可能发生螺栓剪切、板件承压或拉断；摩擦型高强螺栓以滑移为承载力极限状态，后期可能转为承压型破坏。④应用场景：摩擦型适用于需严格控制变形的结构（如吊车梁），普通螺栓适用于对变形要求不高的连接。3.为何轴心受压构件的截面需进行局部稳定验算？如何保证局部稳定？答案：局部稳定验算原因：轴心受压构件的板件（如工字形截面的翼缘、腹板）在压力作用下可能发生局部屈曲，导致构件提前丧失整体承载力。保证措施：通过限制板件的宽厚比（如工字形翼缘b/t≤(10+0.1λ)√(235/f_y)，腹板h0/tw≤(25+0.5λ)√(235/f_y)），使板件的局部屈曲临界应力不低于构件整体稳定的临界应力，确保局部屈曲不先于整体失稳发生。4.简述梁的整体失稳现象及影响整体稳定的主要因素。答案：整体失稳现象：梁在弯矩作用下，受压翼缘向侧向弯曲并绕纵轴扭转的现象（如工字形梁上翼缘受压，当弯矩过大时，梁突然向一侧弯曲并扭转）。影响因素：①梁的侧向抗弯刚度（Iy）和抗扭刚度（It）：刚度越大，稳定性越好；②梁的跨度（l）：跨度越大，越易失稳；③荷载作用位置：上翼缘受荷（压）比下翼缘更不利；④端部约束条件：支座对梁的侧向和扭转约束越强（如固定端），稳定性越好；⑤截面形式：双轴对称截面（如箱形）比单轴对称截面（如T形）稳定性好。5.简述焊接残余应力对结构性能的影响。答案：①对静力强度：不影响（残余应力是自平衡应力，构件破坏时应力重分布，总应力不超过强度）；②对刚度：降低刚度（残余压应力区提前进入塑性，弹性模量降低）；③对稳定性：降低构件的稳定承载力（受压区残余压应力使有效截面减小，临界应力降低）；④对疲劳强度：残余拉应力与外荷载拉应力叠加，加速裂纹扩展，降低疲劳寿命；⑤对低温冷脆：残余拉应力增加脆性断裂风险。四、计算题（每题10分，共30分）1.某轴心受拉构件由2L100×10（等边角钢）组成，采用Q235B钢（f=215N/mm²），构件承受的轴心拉力设计值N=500kN。已知角钢的截面积A=1926mm²/根，截面重心到肢背的距离z0=28.4mm，钢材的抗拉强度设计值f=215N/mm²。试验算该构件的强度是否满足要求（不考虑螺栓孔削弱）。答案：构件总截面积A=2×1926=3852mm²计算应力σ=N/A=500×10³/3852≈129.8N/mm²比较：σ=129.8N/mm²＜f=215N/mm²结论：强度满足要求。2.某焊接工字形截面简支梁，跨度l=6m，承受均布荷载设计值q=40kN/m（含自重），梁的截面尺寸为：翼缘b×t=200mm×12mm，腹板h0×tw=400mm×8mm，钢材为Q345B（f=310N/mm²，f_v=180N/mm²）。试验算梁的抗弯强度和抗剪强度（忽略自重，γx=1.05，Wnx=bh²/6twh0³/(6h)）。答案：（1）跨中最大弯矩M_max=ql²/8=40×6²/8=180kN·m=180×10⁶N·mm（2）截面参数计算：翼缘面积A1=200×12=2400mm²，腹板面积A2=400×8=3200mm²截面总高度h=400+2×12=424mm截面惯性矩Ix=2×[200×12³/12+200×12×(424/212/2)²]+8×400³/12计算得Ix≈2×[28800+200×12×(206)²]+8×64×10⁶/12≈2×[28800+1.01×10⁸]+4.27×10⁸≈2.02×10⁸+4.27×10⁸=6.29×10⁸mm⁴净截面模量Wnx=Ix/(h/2)=6.29×10⁸/(212)≈2.97×10⁶mm³（取γx=1.05时，需用净截面模量，但本题无螺栓孔，故Wnx=Wx）（3）抗弯强度验算：σ=M_max/(γxWx)=180×10⁶/(1.05×2.97×10⁶)≈180/(3.12)≈57.7N/mm²＜310N/mm²，满足。（4）支座处最大剪力V=ql/2=40×6/2=120kN=120×10³N腹板平均剪应力τ=V/(twh0)=120×10³/(8×400)=120×10³/3200=37.5N/mm²＜180N/mm²，满足。3.某轴心受压柱采用焊接工字形截面（翼缘b×t=250mm×16mm，腹板h0×tw=500mm×10mm），计算长度l0x=l0y=6m，钢材为Q235B（f=215N/mm²），截面回转半径ix=102mm，iy=55mm。试计算该柱的整体稳定承载力（φx查表：当λx=l0x/ix=6000/102≈58.8，b类截面，φx≈0.83；λy=l0y/iy=6000/55≈109，b类截面，φy≈0.49）。答案：（1）计算长细比：λx=58.8，λy=109，取较大值λ=109（绕y轴更弱）。（2）查稳定系数φ=0.49（b类截面，λ=109）。（3）截面面积A=2×250×16+500×10=8000+5000=13000mm²。（4）整体稳定承载力N=φAf=0.49×13000×215≈0.49×2,795,000≈1,369,550N≈1370kN。五、论述题（每题10分，共20分）1.论述影响轴心受压构件稳定承载力的主要因素，并说明《钢结构设计标准》（GB500172017）中如何考虑这些因素。答案：影响轴心受压构件稳定承载力的主要因素包括：（1）构件的长细比（λ）：长细比越大，稳定承载力越低。标准中通过稳定系数φ与λ的关系曲线（a、b、c、d类截面）体现，λ越大，φ越小。（2）截面类型与残余应力分布：不同截面（如工字形、箱形）的残余应力分布不同，对稳定承载力的影响不同。标准中将截面分为四类（a~d类），a类残余应力影响最小，d类最大，对应φ值依次降低。（3）钢材强度：当长细比λ较小时（短柱），稳定承载力受钢材强度控制；λ较大时（长柱），稳定承载力与强度无关。标准中φ的取值与钢材强度相关（如Q345钢的φ值略低于Q235钢，因相同λ下高强钢的稳定系数更低）。（4）初始缺陷（初弯曲、初偏心、残余应力）：初始缺陷会降低稳定承载力。标准中通过将实际构件的缺陷等效为初始弯曲，并通过试验统计得到φλ曲线，间接考虑缺陷影响。（5）端部约束条件：约束越强（如固定端），计算长度l0越小，λ越小，稳定承载力越高。标准中通过计算长度系数μ（如两端铰接μ=1，一端固定一端自由μ=2）来反映约束对l0的影响。2.论述受弯构件（梁）的三种失稳形式及其防止措施。答案：受弯构件的失稳形式包括：（1）整体失稳（侧向弯扭失稳）：梁在弯矩作用下，受压翼缘向侧向弯曲并绕纵轴扭转。防止措施：①增加侧向支撑（减小侧向计算长度）；②增大截面侧向惯性矩Iy（如加宽受压翼缘）；③采用抗扭刚度