钢结构试题(卷)与答案解析

钢结构试题(卷)与答案解析一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列钢材性能指标中，反映钢材塑性变形能力的关键参数是（）。A.屈服强度（f_y）B.抗拉强度（f_u）C.伸长率（δ）D.冲击韧性（A_kv）2.某焊接连接采用E50型焊条，被连接钢材为Q355钢，其对接焊缝的抗压强度设计值（f_c^w）应为（）。（注：Q355钢厚度≤16mm时，f=310N/mm²）A.310N/mm²B.295N/mm²C.265N/mm²D.215N/mm²3.普通螺栓受剪连接中，当栓杆直径d=20mm时，构件上螺栓孔的直径应为（）。A.20mmB.21mmC.22mmD.24mm4.钢结构中，为防止板件局部失稳，对受压翼缘的自由外伸宽度b与其厚度t的比值（b/t）需满足（）。（Q355钢）A.≤13√(235/f_y)B.≤15√(235/f_y)C.≤9√(235/f_y)D.≤25√(235/f_y)5.某轴心受压构件采用H型钢截面（HW300×300×10×15），其绕强轴（x轴）的回转半径i_x=128mm，绕弱轴（y轴）的回转半径i_y=75mm。若构件计算长度l_ox=6m，l_oy=3m，则该构件的整体稳定验算应控制（）。A.x轴方向长细比B.y轴方向长细比C.两者均需验算D.无需验算6.摩擦型高强度螺栓连接中，其抗剪承载力主要取决于（）。A.螺栓杆的抗剪强度B.被连接板件间的摩擦力C.螺栓与孔壁的承压强度D.板件的抗拉强度7.钢桁架中，受压弦杆与节点板的连接焊缝设计时，需考虑（）。A.焊缝长度不小于8h_f且不小于40mmB.焊缝长度不大于60h_fC.焊缝厚度不小于1.5√t（t为较厚焊件厚度）D.以上均需考虑8.梁的整体稳定系数φ_b的取值与下列哪项无关？（）A.梁的侧向支撑间距B.梁的截面尺寸C.荷载作用位置D.钢材的弹性模量9.某钢框架结构中，梁柱节点采用刚接，其连接焊缝需验算（）。A.焊缝的抗拉、抗压强度B.焊缝的抗剪强度C.焊缝的局部承压强度D.A+B10.钢结构防腐设计中，当采用热浸镀锌防护时，镀层厚度对主要承重构件的要求为（）。A.≥45μmB.≥65μmC.≥85μmD.≥105μm二、填空题（每空1分，共15分）1.钢材的主要力学性能包括强度、塑性、韧性和__________。2.对接焊缝按质量等级分为一级、二级、三级，其中__________级焊缝需进行100%超声波探伤。3.普通螺栓连接中，当螺栓杆受剪时，其抗剪承载力设计值为n_v×(πd²/4)×f_v^b，其中n_v为__________。4.轴心受压构件的整体稳定系数φ是根据__________和钢材强度等级确定的。5.钢梁的局部稳定验算中，对于承受均布荷载的简支梁，受压翼缘的宽厚比限值为__________（用公式表示）。6.摩擦型高强度螺栓的预拉力P与螺栓的__________和公称直径相关。7.钢桁架节点设计中，腹杆与弦杆的夹角宜控制在__________范围内，以减小节点板尺寸。8.梁的挠度验算属于__________极限状态设计。9.冷弯薄壁型钢的壁厚一般不大于__________mm。10.钢结构中，钢材的伸长率δ5是指标距为__________倍试件直径的伸长率。11.焊接残余应力对构件的__________（强度/刚度/稳定性）有显著影响。12.钢柱脚设计中，锚栓的主要作用是__________。13.当梁的受压翼缘有刚性铺板密铺并与其牢固连接时，梁的__________可以得到保证，无需验算整体稳定。14.钢管结构中，主管与支管的连接焊缝应沿全周连续焊接并平滑过渡，支管壁厚不宜大于主管壁厚的__________。15.钢结构抗震设计中，节点的承载力应__________（大于/小于）连接构件的承载力，以实现“强节点弱构件”原则。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述钢材中硫（S）和磷（P）元素对钢材性能的影响。2.普通螺栓受拉连接可能出现哪几种破坏形式？设计中如何防止？3.为什么要限制焊接梁腹板的高厚比？当高厚比不满足要求时，可采取哪些措施？4.比较摩擦型高强度螺栓与承压型高强度螺栓的受力特性及适用范围。5.钢屋架设计中，为何需要设置支撑系统？主要包括哪些类型的支撑？四、计算题（共35分）1.（10分）某双盖板对接连接采用普通C级螺栓（4.6级），螺栓直径d=20mm，孔径d_0=21mm。被连接钢板为-280×12（Q355钢，f=310N/mm²），盖板为-280×8（Q355钢）。螺栓排列为两排，每排3个，顺内力方向间距s=80mm，端距e_1=50mm，边距e_2=40mm。试验算该连接的强度。（已知：螺栓抗剪强度设计值f_v^b=140N/mm²，承压强度设计值f_c^b=305N/mm²）2.（12分）某轴心受压柱采用焊接工字形截面（翼缘：-300×16，腹板：-400×10），计算长度l_ox=l_oy=6m。钢材为Q355钢（f=310N/mm²），截面特性：A=300×16×2+400×10=13600mm²，i_x=135mm，i_y=65mm。试验算该柱的整体稳定性。（注：λ≤100时，φ按b类截面查表；λ>100时，φ按c类截面查表）3.（13分）某简支钢梁跨度6m，承受均布荷载设计值q=45kN/m（含自重），钢材为Q235钢（f=215N/mm²，f_v=125N/mm²）。梁截面采用HN500×200×10×16（截面参数：A=11920mm²，W_x=1853×10³mm³，I_x=46320×10⁴mm⁴，t_w=10mm，h=500mm）。要求：（1）验算梁的抗弯强度；（2）验算梁的抗剪强度；（3）若梁的侧向支撑间距为3m，验算梁的整体稳定性（φ_b=0.85）。五、论述题（20分）结合《钢结构设计标准》（GB50017-2017），论述钢结构连接设计的基本原则，并分析焊接连接与螺栓连接的优缺点及适用场景。答案及解析一、单项选择题1.C解析：伸长率δ是衡量钢材塑性变形能力的指标，δ越大，塑性越好。2.A解析：E50焊条对应Q355钢（f_y=355N/mm²），对接焊缝抗压强度设计值等于母材抗压强度设计值，即310N/mm²（厚度≤16mm时）。3.B解析：普通螺栓孔直径比螺栓杆直径大1~2mm，d=20mm时，孔径取21mm。4.A解析：Q355钢（f_y=355N/mm²）受压翼缘自由外伸宽度比限值为13√(235/f_y)（GB50017-2017表5.4.1-1）。5.B解析：长细比λ=l_0/i，λ_x=6000/128≈46.9，λ_y=3000/75=40，两者均需验算，但稳定系数由较大长细比决定，本题λ_x更大，但需注意截面分类。6.B解析：摩擦型高强螺栓通过板件间摩擦力传递剪力，破坏时板件间产生滑移。7.D解析：焊缝长度需满足最小（8h_f且40mm）和最大（60h_f）要求，厚度需满足1.5√t（较厚焊件）。8.D解析：φ_b与梁的侧向刚度、荷载位置、支撑间距、截面尺寸相关，与弹性模量E无关（E为常数）。9.D解析：刚接节点焊缝需承受弯矩（拉/压）和剪力，故需验算抗拉、抗压及抗剪强度。10.C解析：热浸镀锌主要承重构件镀层厚度≥85μm（GB50017-2017第14.3.4条）。二、填空题1.冷弯性能2.一3.受剪面数目4.长细比5.b_1/t≤13√(235/f_y)6.性能等级7.30°~60°8.正常使用9.610.511.稳定性12.固定柱位置并承受拉力13.整体稳定性14.0.815.大于三、简答题1.硫（S）：易与铁形成低熔点（约985℃）的FeS，导致钢材在高温加工（如焊接）时发生热脆，降低塑性和韧性；磷（P）：提高钢材强度但显著降低塑性和韧性，尤其在低温下易发生冷脆，增加脆性断裂风险。2.破坏形式：（1）螺栓杆被拉断；（2）板件被拉断（净截面强度不足）；（3）板件端部被剪坏（端距太小导致冲剪破坏）。设计措施：（1）螺栓按抗拉强度设计值验算；（2）验算板件净截面抗拉强度；（3）限制端距≥2d_0（d_0为孔径）。3.限制原因：腹板高厚比过大时，受弯或受剪易发生局部失稳，降低梁的承载力和刚度。措施：（1）设置横向加劲肋；（2）同时设置横向和纵向加劲肋；（3）当荷载很大时，采用厚腹板（减小高厚比）。4.摩擦型：通过板件间摩擦力传力，变形小，弹性阶段工作，适用于承受动荷载或对变形敏感的结构（如桥梁、重级工作制吊车梁）；承压型：允许板件滑移，后期通过螺栓杆承压和抗剪传力，承载力更高但变形大，适用于承受静荷载或间接动荷载的结构（如一般厂房框架）。5.支撑作用：保证屋架的空间稳定性，传递水平荷载（如风荷载、地震作用），防止屋架侧倾，减小弦杆计算长度。主要支撑类型：上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、垂直支撑、系杆（包括刚性系杆和柔性系杆）。四、计算题1.解：（1）螺栓抗剪验算：每排3个螺栓，双盖板（2个剪面），n_v=2，d=20mm。单个螺栓抗剪承载力：N_v^b=n_v×(πd²/4)×f_v^b=2×(3.14×20²/4)×140=2×314×140=87920N≈87.92kN。（2）螺栓承压验算：钢板厚度t=12mm（较厚），盖板厚度t=8mm（较薄），取t=8mm。单个螺栓承压承载力：N_c^b=d×t×f_c^b=20×8×305=48800N=48.8kN。（3）钢板净截面抗拉验算：钢板宽度b=280mm，两排螺栓，每排3个，孔径d_0=21mm，最不利截面为第一排螺栓孔处（1-1截面）。净截面面积：A_n=b×tn×d_0×t=280×122×21×12=3360504=2856mm²。钢板抗拉承载力：N_u=A_n×f=2856×310=885360N≈885.36kN。（4）连接承载力取最小值：螺栓承压承载力N_c^b=48.8kN，总螺栓数n=6个，总承载力N=6×48.8=292.8kN。钢板净截面承载力885.36kN>292.8kN，故连接由螺栓承压控制，满足要求。2.解：（1）计算长细比：λ_x=l_ox/i_x=6000/135≈44.4，λ_y=l_oy/i_y=6000/65≈92.3。（2）确定截面分类：焊接工字形截面，翼缘为焰切边（b类），腹板为轧制（b类），整体按b类截面查表（GB50017-2017附录D）。（3）查稳定系数φ：λ_y=92.3（最大长细比），b类截面，λ=92.3≈92，查表得φ≈0.62（插值计算：λ=90时φ=0.627，λ=95时φ=0.595，λ=92.3时φ≈0.627-(92.3-90)/(95-90)×(0.627-0.595)=0.627-2.3/5×0.032≈0.627-0.0147=0.612）。（4）整体稳定验算：N/(φA)≤f。假设轴心压力N=φA×f=0.612×13600×310≈0.612×4216000≈2580kN（需根据实际荷载验证，本题默认N≤2580kN时满足）。3.解：（1）抗弯强度验算：跨中弯矩M=qL²/8=45×6²/8=202.5kN·m=202.5×10^6N·mm。σ=M/(γ_xW_x)，Q235钢γ_x=1.05（工字形截面绕x轴），σ=202.5×10^6/(1.05×1853×10³)=202.5×10^6/(1945.65×10³)≈104.1N/mm²≤215N/mm²，满足。（2）抗剪强度验算：支座剪力V=qL/2=45×6/2=135kN=135×10³N。τ=V/(h_wt_w)=135×10³/(480×10)=135×10³/4800≈28.1N/mm²≤125N/mm²，满足（h_w=h-2t_f=500-2×16=468mm，此处取近似值480mm，精确计算为468mm，τ=135×10³/(468×10)=28.8N/mm²，仍满足）。（3）整体稳定性验算：φ_b=0.85，σ=M/(φ_bW_x)=202.5×10^6/(0.85×1853×10³)=202.5×10^6/(1575.05×10³)≈128.6N/mm²≤215N/mm²，满足。五、论述题钢结构连接设计基本原则：（1）强度与变形协调：连接承载力应不低于被连接构件，避免“弱节点强构件”；（2）构造合理：节点形式简单，减少应力集中，便于加工和安装；（3）经济性：优化连接材料用量，降低施工成本；（4）耐久性：采取防腐、防火措施，延长使用寿命；（5）抗震性能