《钢结构设计原理》章节习题及答案

第一章钢结构设计原理概述（1）与其他结构相比，钢结构有哪些特点？答：与其他结构相比，钢结构具有自重轻而承载力高、塑性和韧性好、材质均匀、密封性好、工业化程度高、耐腐蚀性差、耐热性好、耐火性差的特点。在我国，钢结构主要应用在哪些领域？答：在我国，钢结构主要应用在：1）大跨度结构2）大型、重型工业厂房3）高层建筑高耸结构5）可拆卸或移动的结构6）轻型钢结构7）容器和管道8）运输通廊、各种管道支架、海上钻探平台、城市的人行过街天桥等，通常也都采用钢结构。高效钢材包括哪些种类？答：高效钢材包括高强度和高质量钢材，如建筑结构用钢板、Z向钢板等；新型H型钢、T型钢，冷弯薄壁型钢、热镀锌或镀铝锌钢板；耐侯钢、耐火钢等。分项系数设计表达式中分项符号的含义是什么？答：表示永久荷载的分项系数；、表示第1个和第i个可变荷载分项系数；表示抗力分项系数。结构的承载能力极限状态包括哪些计算内容？正常使用极限状态包括哪些计算内容？答：承载能力极限状态应包括：构件或连接的强度破坏、脆性断裂，因过度变形而不适用于继续承载，结构或构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆。正常使用极限状态应包括：影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观变形，影响正常使用的振动，影响正常使用或耐久性能的局部损坏。某钢结构平台，主梁上的结构自重为5kN/m，检修时可能产生的最大活荷载为18kN/m，跨度为8m，主梁按两端简支条件，求该梁跨中的弯矩设计值。答：按可变荷载效应控制：按永久荷载效应控制：所以弯矩设计值取第二章钢结构的材料（1）建筑钢结构对所用钢材的性能有何要求？答：对钢结构所用钢材性能有以下要求：1）较高的屈服强度和抗拉强度2）良好的塑性和韧性3）良好的加工和可焊性能4）专用的特种性能。钢材的力学性能和工艺性能指标包括哪些？承重结构用钢至少应保证哪几项指标满足要求？答：钢材的力学性能和工艺性能指标包括强度、塑性、Z向性能、冲击韧性、冷弯性能。承重结构用钢至少应保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性满足要求。碳、硫、磷、氧、氮对钢材性能有什么影响？答：碳是各种钢中的最主要元素之一，随着含碳量的提高，钢的屈服强度和抗拉强度逐渐增高，而塑性和韧性特别是低温冲击韧性下降，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等也变劣。硫是有害元素，当温度达800~1000℃时，有可能引发热裂纹，称为热脆现象，此外，硫还会降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、抗锈蚀性能和焊接性能等。磷可提高钢的强度和抗锈蚀能力，但会严重地降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能，特别是在温度较低时促使钢材变脆，称为冷脆现象。氧和氮属于有害元素，氧的作用和硫类似，使钢热脆。氮的作用和磷类似，使钢冷脆。什么是钢材的硬化？对钢材性能有何影响？答：钢材的硬化根据形成原因不同可分为时效硬化和冷作硬化。随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降，这种现象称为时效硬化。冷加工使钢材产生很大的塑性变形，产生塑性变形后的钢材再重新加荷载时将提高屈服点，同时降低塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化，不管哪一种硬化，都会降低钢材的塑性和韧性，对钢材不利。什么情况下会产生应力集中？应力集中对钢材性能有何影响？答：在钢构件中，若存在开孔、凹槽或截面的宽度或厚度发生突然改变的情况，则构件中的应力分布将变得很不均匀，在缺陷或截面变化处，应力线曲折、密集，出现应力高峰，产生应力集中。应力集中会造成钢构件塑性降低，脆性破坏的危险性增加。Q235钢的4个质量等级在脱氧方法和力学性能上有什么不同？答：脱氧方法中，A、B级钢分为沸腾钢或镇静钢，C级钢全为镇静钢，D级钢全为特殊镇静钢。在力学性能中，A级钢只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，B、C、D级钢均应保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（B级+20℃，C级0℃，D级-20℃）。哪些因素会使钢材发生脆性破坏？应如何防止？答：影响钢材出现脆性破坏的因素1）内因：钢材的化学成分、组织构造和缺陷等；2）外因：钢材在构造和加工过程中引起的应力集中、低温影响、动力荷载的作用、冷作硬化和应变时效硬化等。针对钢材的生产和使用过程成可能产生的脆性破坏原因，采取相应的措施防止，如：严格控制碳、硫、磷、氧、氮等化学成分含量；采取适当的方法，保证钢材冶炼、轧制等各种工艺过程的质量；人工时效和工艺措施消除硬化的影响；采取避免截面急剧变化等构造措施减小应力集中；对动荷载作用下满意一定条件的钢构件，验算钢材疲劳强度。钢结构的破坏形式有哪两种？各有何特点？答：钢材的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏。塑性破坏也称延性破坏，是由于构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强度fu后，构件产生明显的变形并断裂。塑性破坏前构件有明显的变形，破坏历时长，断口发暗，易于及时发现和采取措施进行补救，不至于引起严重后果。脆性破坏前没有明显的变形和征兆，破坏时产生的变形远比材料应有的变形能力小，破坏时的应力常小于钢材的屈服强度fy，破坏发生突然，断口平齐，具有光泽的晶粒状，无法及时察觉和采取补救措施，会引起严重后果，危及人们的生命财产安全。什么是疲劳破坏？影响疲劳破坏的主要因素是什么？答：钢材的疲劳破坏是在连续重复荷载作用下，产生微观裂缝并不断扩展，直至最后出现突发性的断裂破坏。影响疲劳破坏的主要因素是：微观裂纹和应力集中、应力幅和应力循环次数、应力比。试述各型钢符号的含义。答：热轧型钢有H型钢、剖分T型钢、工字钢、角钢、槽钢、钢管等。H型钢和剖分T型钢的代号分别为HW、HM、HN和TW、TM、TN；H型钢还有轻型薄壁类别，代号为HT。H型钢和剖分T型钢的标注方式均为截面高度H×翼缘宽度B×腹板厚度t1×翼缘厚度t2，单位为mm。工字钢分为普通工字钢和轻型工字钢。普通工字钢型号用I和号数表示，号数代表截面高度的厘米数。角钢分为等边角钢和不等边角钢两种。角钢的表示方法为在符号“∟”后面加上“长边宽×短边宽×厚度”（对不等边角钢），或加“边长×厚度”（对等边角钢）。槽钢的型号表示方法与工字钢相似，用符号“[”和号数表示，号数代表截面高度的厘米数。钢管分为热轧无缝钢管和焊接钢管两种，型号可用代号Φ后加“外径×壁厚”表示。试述建筑工程用钢材的品种和规格。答：钢结构用钢的品种主要有钢板、钢带、热轧型钢、冷弯薄壁型钢及压型钢板。钢板和钢带有冷轧和热轧两种；热轧型钢有H型钢、剖分T型钢、工字钢、角钢、槽钢、钢管等；冷弯薄壁型钢是用壁厚为1.5~5mm的薄钢板冷轧而成的。压型钢板是将壁厚为0.3~2mm的薄钢板（彩色薄钢板）经辊压冷弯成W型、U型、V型等类似形状，用于建筑屋面、墙面和楼板的建筑材料。选用钢材时应遵循什么原则？答：钢材的选用原则是：安全可靠、经济合理、节约钢材、降低造价。钢结构的连接（1）一、二级焊缝质量同母材，可不必进行强度计算，三级焊缝质量为母材的85%，进行强度计算。（2）~（11）答案略（12）a点，满足b点，不满足c点，满足（13）=1\*GB3①=2\*GB3②（14）满足（15）（16）满足（17）满足（18）不满足要求（19）满足（20）满足（21）满足（22）焊缝强度：满足螺栓强度：不满足要求（23）满足（24）受弯构件（1）~（10）略（11）不满足（12）抗弯强度：抗剪强度：折算应力：刚度：按主梁，整体稳定性：（13）抗弯强度：抗剪强度：整体稳定性：整体稳定性不满足要求，可在梁的三分点处加两个侧向支撑，则：（14）整体稳定性：局部稳定性：翼缘，腹板，，宜按构造要求配置横向加劲肋。第五章轴心受力构件（1）轴心受力构件的常用截面形式有哪两种？各有何特点？答：轴心受力构件的截面形式可分为实腹式和格构式两大类，如图5-2所示。实腹式构件制作简单，与其他构件连接方便。格构式截面与实腹式截面相比，在用料相同的情况下，格构式截面惯性矩增大，容易实现两主轴方向的等稳定性，刚度提高，抗扭性能较好，节约材料，但是制作较复杂。为什么要验算轴心受力杆件的刚度？答：轴心受力构件的正常使用极限状态是不产生超过规定的变形，因此构件需要有一定的刚度。当构件刚度不足时，在制造、运输和安装过程中容易弯曲，在自重作用下，构件本身也会产生过大的挠度，在承受动力荷载的结构中，还会引起较大的晃动。轴心受压杆件有哪几种屈曲形式？双轴对称截面轴心受压杆件的屈曲形式是怎样的？答：轴心受压杆件屈曲形式可分为弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲，双轴对称截面常发生的屈曲形式是弯曲屈曲。轴心受压杆件的稳定性系数与什么因素有关？答：轴心受压杆件的稳定性系数实腹式轴心受压杆件需做哪几方面的验算？计算公式是怎样的？答：需作强度、刚度、整体稳定性、局部稳定性的验算。公式：a.强度：b.刚度：c.整体稳定性：d.局部稳定性：对翼缘外伸长度与厚度的比值以及腹板高厚比的规定。当轴心受压杆件整体稳定性不满足要求时，可采取什么措施提高其承载力。答：轴心受力杆件的翼缘和腹板计算公式中如何取值？答：为构件的较大长细比，当时，取，当时，取。双轴对称工字形截面轴心受压杆件的局部稳定不满足要求，可采取什么措施？答：当截面不满足板件宽（高）厚比的要求时，一般应调整板件厚度或宽（高）度使其满足要求。对工字形截面，也可以设纵向加劲肋来加强腹板或按截面有效宽度计算。格构式轴心受压杆件计算整体稳定性时，对虚轴为什么要采用换算长细比？缀条式和缀板式的换算长细比计算公式有何不同？答：用换算长细比代替对x轴的长细比来考虑剪切变形对临界荷载的影响。对于双肢组合构件，换算长细比应按下列公式计算。当缀件为缀条时：（5-26）当缀件为缀板时：如何保证格构式轴心受压杆件单肢的稳定？答：缀条柱：缀板柱：且不大于轴心受压构件的柱脚采用什么形式？试述其基本构造。答：轴心受压柱与基础的连接一般采用铰接，铰接柱脚宜采用外露式柱脚；基本构造见教材，此处略。强度：截面无削弱，无需计算刚度：，整体稳定性：局部稳定性：翼缘腹板（13）（14）答案不唯一。可选择HW344×354×16×16，再验算。（15）（16）（17）答案不唯一,,此答案仅供参考。=1\*GB3①试选分肢截面2[32a=2\*GB3②确定两肢间距=3\*GB3③验算截面=4\*GB3④缀板设计缀板尺寸=5\*GB3⑤连接焊缝角焊缝第六章拉弯、压弯构件（1）~（8）略（9）强度刚度在弯矩作用平面内的稳定在弯矩作用平面外的稳定局部稳定性，无需验算=1\*GB3①强度，对1