2025年大学大三（结构力学）钢结构设计试题及解析

2025年大学大三（结构力学）钢结构设计试题及解析

（考试时间：90分钟满分100分）班级______姓名______第I卷（选择题共30分）答题要求：本大题共10小题，每小题3分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。请将正确答案的序号填在题后的括号内。1.钢结构设计时，钢材强度的取值依据是（）A.比例极限强度B.屈服强度C.抗拉强度D.弹性极限强度2.对于承受动力荷载的结构，其钢材应保证的指标是（）A.屈服强度、伸长率、冷弯性能B.屈服强度、抗拉强度、伸长率C.屈服强度、冲击韧性、伸长率D.屈服强度、冲击韧性、冷弯性能3.钢材的疲劳破坏属于（）A.弹性破坏B.塑性破坏C.脆性破坏D.延性破坏4.焊接残余应力对结构的影响是（）A.降低构件静力强度B.降低构件稳定承载力C.增加构件刚度D.减轻结构低温冷脆倾向5.摩擦型高强度螺栓连接受剪破坏时，作用剪力超过了（）A.螺栓的抗拉强度B.连接板件间的摩擦力C.连接板件的孔壁承压强度D.螺栓的抗剪强度6.轴心受压构件的整体稳定系数φ与（）等因素有关。A.构件截面类别、两端连接构造、长细比B.构件截面类别、钢号、长细比C.构件截面类别、计算长度系数、长细比D.构件截面类别、两个方向的长度、长细比7.梁的整体失稳形式是（）A.弯曲失稳B.扭转失稳C.弯扭失稳D.局部失稳8.对于双轴对称工字形截面梁，提高其整体稳定的有效方法是（）A.增加梁的侧向支撑点B.减小梁受拉翼缘宽度C.减小梁受压翼缘宽度D.增加梁腹板厚度9.计算格构式轴心受压构件绕虚轴的整体稳定时，采用换算长细比是考虑（）A.格构构件的整体稳定承载力高于同截面的实腹构件B.考虑强度降低的影响C.考虑剪切变形的影响D.考虑单肢失稳对构件承载力的影响10.钢结构设计规范规定，实腹式轴心受压构件整体稳定性的公式N/φA≤f的物理意义是（）A.构件截面上的平均应力不超过钢材抗压强度设计值B.构件截面上的最大应力不超过钢材强度设计值C.构件截面上的平均应力不超过构件欧拉临界应力设计值D.构件轴心压力设计值不超过构件稳定极限承载力设计值第II卷（非选择题共70分）二、填空题（共10分）答题要求：本大题共5小题，每小题2分。请在题中的横线上填上正确答案。1.钢材的三项主要力学性能指标是______、______和______。2.钢结构中常用的焊接方法有______、______和______。3.螺栓连接按受力情况可分为______、______和______。4.轴心受压构件的屈曲形式有______、______和______。5.梁的强度计算包括______、______和______。三、简答题（共20分）答题要求：本大题共4小题，每小题5分。简要回答问题。1.简述钢材的塑性破坏和脆性破坏的特点及区别。2.简述焊接残余应力对结构性能的影响。3.简述格构式轴心受压构件绕虚轴整体稳定计算时采用换算长细比的原因。4.简述梁整体稳定的概念及影响梁整体稳定的主要因素。四、计算题（共20分）答题要求：本大题共2小题，每小题10分。解答应写出文字说明、证明过程或演算步骤。1.已知一轴心受压柱，采用Q345钢，截面为焊接工字形，翼缘为-350×20，腹板为-1000×12，柱高6m，两端铰接，承受轴心压力设计值N=1500kN。试验算该柱的整体稳定性。（提示：需先计算截面几何特性、长细比，再查稳定系数φ，最后进行稳定验算）2.一简支梁，跨度l=6m，承受均布荷载设计值q=30kN/m，钢材为Q235，梁截面为焊接工字形，翼缘为-300×12，腹板为-800×8，试验算梁的抗弯强度。（提示：需先计算截面几何特性、内力，再计算应力进行强度验算）五、案例分析题（共20分）答题要求：本大题共2小题，每小题10分。阅读案例材料，回答问题。材料：某工业厂房采用钢结构屋架，屋架跨度为24m，屋架下弦杆采用双角钢组成的T形截面，角钢为L125×8，钢材为Q235。在使用过程中，发现下弦杆出现了明显的变形，经检查发现下弦杆的长细比超过了规范限值。问题：1.分析下弦杆长细比超标的原因可能有哪些？2.针对下弦杆长细比超标问题，提出改进措施。答案：第I卷答案1.B2.C3.C4.B5.B6.B7.C8.A9.C10.D第II卷答案二、填空题答案1.屈服强度、抗拉强度、伸长率2.手工电弧焊、自动埋弧焊、气体保护焊3.抗剪螺栓连接、抗拉螺栓连接、拉剪螺栓连接4.弯曲屈曲、扭转屈曲、弯扭屈曲5.抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度三、简答题答案1.塑性破坏特点：破坏前有明显变形和较长变形过程，断口呈纤维状，色泽发暗；脆性破坏特点：破坏前无明显变形，突然断裂，断口平齐，呈有光泽晶粒状。区别：塑性破坏变形大、可及时发现采取措施；脆性破坏突然发生，危险性大。2.焊接残余应力影响：降低构件静力强度（不影响）；降低构件稳定承载力；增加构件脆性倾向；对构件疲劳强度有不利影响。3.采用换算长细比原因：格构式构件绕虚轴失稳时，剪切变形大，考虑剪切变形影响用换算长细比代替实际长细比计算整体稳定，使计算结果更符合实际。4.梁整体稳定概念：梁在荷载作用下，除发生弯曲变形外，还可能发生侧向弯曲和扭转，当荷载增大到某一临界值时，梁会突然发生侧向弯曲和扭转并丧失承载能力。影响因素：梁的侧向抗弯刚度、抗扭刚度、翘曲刚度、梁的跨度、荷载形式、梁端约束条件等。四、计算题答案1.1.计算截面几何特性：-翼缘面积\(A_1=350×20×2=14000mm^2\)-腹板面积\(A_2=1000×12=12000mm^2\)-截面面积\(A=A_1+A_2=26000mm^2\)-对\(x\)轴惯性矩\(I_x=\frac{1}{12}×1000×12^3+2×350×20×(500+6)^2=2.41×10^8mm^4\)-回转半径\(i_x=\sqrt{\frac{I_x}{A}}=\sqrt{\frac{2.41×10^8}{26000}}=96.3mm\)2.计算长细比：-柱高\(H=6m=6000mm\)-长细比\(\lambda_x=\frac{H}{i_x}=\frac{6000}{96.3}=62.3\)3.查稳定系数\(\varphi\)：-由\(\lambda_x=62.3\)，查Q345钢的稳定系数表得\(\varphi=0.804\)4.稳定验算：-轴心压力设计值\(N=1500kN=1500000N\)-截面面积\(A=26000mm^2\)-钢材抗压强度设计值\(f=305N/mm^2\)-\(\frac{N}{\varphiA}=\frac{1500000}{0.804×26000}=71.7N/mm^2＜f=305N/mm^2\)，稳定满足要求。2.1.计算截面几何特性：-翼缘面积\(A_1=300×12×2=7200mm^2\)-腹板面积\(A_2=800×8=6400mm^2\)-截面面积\(A=A_1+A_2=13600mm^2\)-对\(x\)轴惯性矩\(I_x=\frac{1}{12}×800×8^3+2×300×12×(400+4)^2=1.28×10^8mm^4\)-回转半径\(i_x=\sqrt{\frac{I_x}{A}}=\sqrt{\frac{1.28×10^8}{13600}}=96.7mm\)2.计算内力：-均布荷载设计值\(q=30kN/m\)-跨度\(l=6m\)-跨中弯矩\(M=\frac{1}{8}ql^2=\frac{1}{8}×30×6^2=135kN·m=135000000N·mm\)3.强度验算：-钢材抗弯强度设计值\(f=215N/mm^2\)-截面抵抗矩\(W_x=\frac{I_x}{y_{max}}=\frac{1.28×10^8}{404}=3.17×10^5mm^3\)-应力\(\sigma=\frac{M}{W_x}=\frac{135000000}{3.17×10^5}=426N/mm^2＞f=215N/mm^2\)，强度不满足要求。五、案例分析题答案1.下弦杆长细比超标的原因可能有：屋架设计时，荷载取值可能偏大，导致计算的内力较大，从而需要更大的截面尺寸来满足强度和稳定要求，若设计不合理，可能使下弦杆