中南大学钢结构设计原理考题题库

钢结构设计原理（含答案）

一、填空题：

1.钢结构计算的两种极限状态是和,

2.提高钢梁整体稳定性的有效途径是和o

3.高强度螺栓预拉力设计值及和有关.

4.钢材的破坏形式有和，

5.焊接组合工字梁，翼缘的局部稳定常采纳的方法来保证，而腹板的局部稳定则常采纳

的方法来解决。

6.高强度螺栓预拉力设计值及和有关。

7.角焊缝的计算长度不得小于,也不得小于；侧面角焊缝承受静载时，其计算长度不宜大

于。

8.轴心受压构件的稳定系数。及.和有关。

9.钢结构的连接方法有,和o

10.影响钢材疲惫的主要因素有,和.

11.从形态看，纯弯曲的弯矩图为,均布荷载的弯矩图为,跨中央一个集中荷

载的弯矩图为。

12.轴心压杆可能的屈曲形式有,和。

13.钢结构设计的基本原则是,,

和。

14.按焊缝和截面形式不同，直角焊缝可分为,,

和等.

15.对于轴心受力构件，型钢截面可分为和；组合截面可分为

和。

16.影响钢梁整体移定的主要因素有,,.

和.

二，简答题：

1.高强度螺栓的8.8级和10.9级代表什么含义？

2.焊缝可能存在哪些缺陷？

3.简述钢梁在最大刚度平面内受荷载作用而丢失整体稳定的现象及影响钢梁整体稳定的主要因素。

4.建筑钢材有哪些主要机械性能指标？分别由什么试验确定？

5.什么是钢材的疲惫？

6.选用钢材通常应考虑哪些闪素？

7.在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑哪些初始缺陷的影响？

8.焊缝的质量级别有几级？各有哪些详细检验要求？

9.一般螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接，在抗剪连接中，它们的传力方式和破坏形式有何不同？

10.在计算格构式轴心受压构件的整体程定时，对虚轴为什么要采纳换算长细比？

11.轴心压杆有哪些屈曲形式？

12.压弯构件的局部稳定计算及轴心受压构件有何不同？

13.在抗剪连接中，一般螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接的传力方式和破坏形式有何不同？

14.钢结构有哪些连接方法？各有什么优缺点？

15.对接焊缝的构造有哪些要求？

16.焊接残余应力和焊接残余变形是如何产生的？焊接残余应力和焊接残余变形对•结构性能有何影响？减少焊接残

余应力和焊接残余变形的方法有哪些？

17.什么叫钢梁丢失整体稳定？影响钢梁整体稔定的主要因素是什么？提高钢梁整体稳定的有效措施是什么？

18.角焊缝的计算假定是什么？角焊缝有哪些主要构造要求？

19.螺栓的排列有哪些构造要求？

20.什么叫钢梁丢失局部稳定？怎样验算组合钢梁翼缘和腹板的局部稳定？

三，计算题：

1.一简支梁跨长为5.5m,在梁上翼缘承受均布静力荷载作用，恒我标准值为10.2kN/m（不包括梁自重），活载标准

值为25kN/m,假定梁的受压翼缘有牢靠侧向支撑。梁的截面选用136a轧制型钢,其几何性质为：齿875cmHlOmm,I/

贷30.7cm,自重为59.9kg/m,截面塑性发展系数产1.03。钢材为Q235,抗弯强度设计值为215N/mm1抗劣强度设计值为

125N/nun\试对此梁进行强度验算并指明计算位置。（恒载分项系数c=l.2,活载分项系数Q=1.4）

2.已知一两端较支轴心受压缀板式格构柱，长10.0m,截面由2132a组成，两肢件之间的距离300cm,如图所示，

尺寸单位mm。试求该柱最大长细比。

注：一个132a的截面面积力=67cm/,惯性矩，=11080cm',/,；=460cm*

p3.试计算卜•图所示连接中C级螺栓的强度。已知荷载设计值六45kN,螺栓M20,孔径21.5mm,八=130N/nUn\

力=305N/mm\

4.图示焊接工形截面梁，在腹板上设置一条T.厂对接焊缝，梁拼接处承受内力为•代2500k\-m,伫500kN,钢材为

Q235钢，焊条为E43型，手工焊，二级质量标准。试验算拼接焊缝强度。

提示：剪力I，可假定全部由腹板担当，弯矩按刚度比安排，即。

5.试验算如图所示牛腿及柱连军的对接焊缝的号底。荷载设计值户220kN。钢材Q235,焊条E43,手工焊，无引弧

板，焊缝质量三级。有关强度设计值人=215N/mm\/=185N/mnro（假定剪力全部由腹板上的焊缝承受）

6.图示一柱间支撑及柱的连年茅点，支撑杆承受轴心拉力设计值A±300kN,用21.80X6角钢做成，钢材均为Q235

钢，焊条为E43型，手工焊。已知J/=160N/mnr。

①支撑及节点板采纳两侧角焊缝相连（绕角焊），短脚尺寸见图，试确定焊^长度.

②节点板及端板用两条角焊缝相连，试验算该连接焊健强度。

7.设计如图所示矩坐就接板及板年涉一般螺栓连接的平接接头，图中长度单位为mm。已知轴心拉力设计值

沪450kN,有关强度设计值/'ulBON/mm",%=305”廊2,7=215N/mm）粗制螺栓声20mm,孔径垢21.5mm。

8.图示•用M20・般螺栓的钢板拼接接头，钢材为Q235,/=215N/mm1试计算接头所能承受的最大轴心力设计值

疗=305N/mm\

心。螺栓M20,孔径21.5mm,=130N/nun\

9.用轧制工字钢136a（材料Q235）做成的10m长两端较接柱，轴心压力的设计值为650kN,在腹板平面承受均布荷

载设计值，=6.24kN/m°试计算此压弯柱在弯矩作用平面内的稳定有无保证？为保证弯矩作用平面外的稳定，需设置几个

侧向中间支承点？

己知：A=76.3cm',"；=875cm:0=14.4cm,j,=2.69cm,f=215N/mnr'。

10.一两端钱接焊接工字形截面轴心受压柱，翼缘为火焰切割边，截面如图所示。杆长为9m,设计荷我“二

lOOOkN,钢材为Q235钢。试验算该柱的整体稳定及板件的局部稔定性是否均满意。

已知:f-215N/mm\截面对x轴和y轴均为b类截而。

验算公式：整体稳定：

局部稳定：翼缘的宽厚比：；腹板的高厚比：

b类截面轴心受压构件的稳定系数

0123456789

800.6880.6810.6750.6680.6610.6550.6480.6410.6350.628

900.6210.6140.6080.6010.5940.5880.5810.5750.5680.561

1000.5550.5490.5420.5360.5290.5230.5170.5110.5050.499

11.如图所示为二简支梁裁面，其截面面积大小相加，跨度均为1加，跨间无侧向支承点，均布荷载大小亦相同，均

作用在梁的上翼缘，钢材为Q235,试比较梁的稳定系数夕方，说明何者的稳定性更好。

参考答案

一，填空题：

L承载实力极限状态，正常运用极限状态

2.加强受压翼缘，减少侧向支承点间的距离（或增加侧向支承点）

3.螺栓材质，螺栓有效面积

4.塑性破坏，脆性破坏

5.限制宽厚比,设置加劲肋

6.性能等级，螺栓直径

7.8hf»40mm,60he

8.钢号，截面类型，长细比

9.焊接连接，狮钉连接，螺栓连接

10.应力集中，应力幅（对焊接结构）或应力比（对非焊接结构），应力循环次数

11.矩形，抛物线，三角形

12.弯曲屈曲，扭转屈曲，弯扭屈曲

13.技术先进，经济合理，安全适用，确保质量

14.一般缝，平坡缝，深熔缝，凹面缝

15.热轧型钢，冷弯薄壁型钢，实腹式组合截面，格构式组合截面

16.荷载类型，荷载作用点位置，梁的截面形式，侧向支承点的位置和距离，梁端支承条件

二，问答题：

1.高强度螺栓的8.8级和10.9级代表什么含义？

答：级别代号中，小数点前的数字是螺栓材料经热处理后的最低抗拉强度，小数点后数字是材料的屈强比（£

2

心8.8级为：£N800N/mm2,fy/fv=0.8：10.9级为：/；,>1000N/nun,fy/£=0.9。

2.焊缝可能存在哪些缺陷？

答：焊缝可能存在的缺陷有裂纹，气孔，夹琏，烧穿，咬边，未焊透，弧坑和焊描。

3.简述钢梁在最大刚度平面内受荷载作用而丢失整体稳定的现象及影响钢梁整体稳定的主要因素。

答：钢梁侧向抗弯刚度和扭转刚度不足时产生侧向弯曲和截面扭转：主要因素：梁侧向抗弯刚度，自由扭转刚度，

荷载种类和作用位置以及梁受压翼缘的自由长度。

4.建筑钢材有哪些主要机械性能指标？分别由什么试验确定？

答：建筑钢材的主要机械性能指标有：①屈服点£,通过一次静力单向拉伸试验确定；②抗拉强度/；,通过一次静

力单向拉伸试验确定：③伸长率6式51°）,通过一次静力单向拉伸试验确定：④180“冷弯性能，通过冷弯试验确定：⑤冲

击韧性，通过冲击试验确定。

5.什么是钢材的疲惫？

答：钢材在连续反复荷载作用不，当应力还低于钢材的抗拉强度，甚至还低于屈服点时也会发生断裂破坏，这种现

象称为钢材的疲惫或疲惫破坏。

6.选用钢材通常应考虑哪些因素？

答：选用钢材通常考虑的因素有：①结构的重要性：②荷载特征；③连接方法；④结构的工作环境温度：⑤结构的

受力性质。

7.在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑哪些初始缺陷的影响？

答：在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑残余应力的影响，初弯曲和初偏心的影响，杆端约束的影响。

8.焊缝的质量级别有几级？各有哪些详细检验要求？

答：焊健质量分为三个等级。三级质量检查只对全部焊缝进行外观缺陷及几何尺寸检查，其外观可见缺陷及几何尺

寸偏差必需符合三级合格标准要求；二级质量检查除对外观进行检查并达到二级质量合格标准外，还需用超声波或射线探

伤20%焊缝，达到B级检验III级合格要求：一级质量检查除外观进行检查并符合一级合格标准外，还需用超声波或射线对

焊缝100%探伤，达到B级检验1【级合格要求（见《钢结构工程施工侦量验收规范》GB50205-2001）o

9.一般螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接，在抗剪连接中，它们的传力方式和破坏形式有何不同？

答：一般螺栓连接中的抗剪螺松连接是依靠螺栓抗剪和孔壁承压来传递外力。当受剪螺栓连接在达到极限承载力

时，可能出现五种破坏形式，即螺栓被剪断，孔壁被挤压坏，构件被拉断，构件端部被剪坏和螺栓弯曲破坏。

高强螺栓连接中的抗剪螺栓连接时，通过拧紧螺帽使螺杆产生预拉力，同时也使被连接件接触面相互压紧而产生相

应的摩擦力，依靠摩擦力来传递外力。它是以摩擦力刚被克服，构件开始产生滑移作为承载实力的极限状态。

10.在计算格构式轴心受压构件的整体稳定时，对虚轴为什么要采纳换算长细比？

答：格构式轴心受压构件一旦绕虚轴失稳，截面上的横向剪力必需通过缀材来传递。但因缀材本身比较柔细，传递

剪力时所产生的变形较大，从而使构件产生较大的附加变形，并降低稳定临界力。所以在计算整体稳定时.，对虚轴要采纳

换算长细比（通过加大长细比的方法来考虑缀材变形对降低稳定临界力的影响）。

11.轴心压杆有哪些屈曲形式？

答：受轴心压力作用的宜杆或柱，当压力达到临界值时，会发生有宜线平衡状态转变为弯曲平衡状态变形分枝现

象，这种现象称为压杆屈曲或整体稳定，发生变形分枝的失稳问题称为笫一类稳定问题。由于压杆截面形式和杆端支承条

件不同，在轴心压力作用下可能发生的屈曲变形有三种形式，即弯曲屈曲，扭转屈曲和弯扭屈曲。

12.压弯构件的局部稳定计算及轴心受压构件有何不同？

答：局部稳定性属于平板稳定问题，应运用薄板稳定理论，通过限制翼缘和腹板的宽厚比所保证的。确定限值的原

则：组成构件的板件的同部失稳应不先于构件的整体稳定失检，或者两者等稳。轴心受压构件中，板件处丁匀称受压状

态：压弯构件中，板件处于多种应力状态下，其影响因素有板件的形态和尺寸，支承状况和应力状况（弯I力正应力，剪

应力，局部压应力等的单独作用和各种应力的联合作用），弹性或弹塑性性能，同时还有在腹板屈曲后强度的利用问题。

13.在抗剪连接中，一般螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接的传力方式和破坏形式有何不同？

答：一般螺栓连接中的抗剪螺桂连接是依靠螺栓抗剪和孔壁承压来传递外力。当受剪螺栓连接在达到极限承载力

时，可能出现五种破坏形式，即螺栓被剪断，孔壁被挤压坏，构件被拉断，构件端部被剪坏和螺栓弯曲破坏。

高强螺栓连接中的抗剪螺栓连接时，通过拧紧螺帽使螺杆产牛.预拉力，同时也使被连接件接触面相互压紧而产生相

应的摩擦力，依靠摩擦力来传递外力。它是以摩擦力刚被克服，构件开始产生滑移做为承载实力的极限状态。

14.钢结构有哪些连接方法？各有什么优缺点？

答：钢结构常用的连接方法有：焊接连接，狮钉连接和螺栓连接三种。

焊接的优点：①不需打孔，省工省时；②任何形态的构件可直接连接，连接构造便利：③气密性，水密性好，结

构刖度较大，整体性能较好。

焊接的缺点：①焊缝旁边有热影响区，材质变脆：②焊接的残余应力使结构易发生脆性破坏，残余变形使结构形态,

尺寸发生变化：③焊接裂缝一经发生，便简单扩展。

翎钉连接的优点:料性，韧性较好，传力牢靠，连接质量易于检查。

钾钉连接的缺点：因在构件上需打孔，减弱构件截面：且钾接工艺困难，技术要求高。

螺栓连接的优点：具备钾钉连接塑性，韧性好，传力牢靠的优点，又兼备安装拆卸便利，可以多次重复运用的优

点，且连接变形小。

15.对接焊舞的构造有哪些要求？

答：①一般的对接焊多采纳焊透缝，只有当板件较厚，内力较小，且受静载作用时，可采纳未焊透的对接缝。

②为保证对接焊缝的质量，可按焊件国度不同，将焊口边缘加工成不同形式的坡口。

③起落孤处易有焊接缺陷，所以要用引弧板。但采纳引弧板施工困难，因此除承受动力荷载外，一般不用引弧板，

而心计算时为对接焊缝将焊缝长度减2t（t为较小焊件厚度）。

④对于变厚度（或变宽度）板的对接，在板的面（侧）或两面（两侧）切成坡度不大丁•1:2.5的斜面，避开应

力集中。

⑤当钢板在纵横两方向进行对接焊时，焊缝可采纳十字形或T形交叉对接，当用T形交叉时二交叉点的间距不得小

于200mm。

16.焊接残余应力和焊接残余变形是如何产生的？焊接残余应力和焊接残余变形对结构性能有何影响？减少焊接残

余应力和焊接残余变形的方法有哪些？

答：钢材在施焊过程中会在焊缝及旁边区域内形成不匀称的温度场，在高温区产生拉应力，低温区产生相应的压应

力.在无外界约束的状况下，焊件内的拉应力和压应力自相平衡。这种应力称焊接残余应力。随焊接残余应力的产生，同

时也会出现不同方向的不匀称收缩变形，称为焊接残余变形。

焊接残余应力的影响：①对塑性较好的材料，对静力强度无影响；②降低构件的刚度：③降低构件的稳定承载力：

④降低结构的疲惫强度；⑤在低温条件下承载，加速构件的脆性破坏。

焊接残余变形的影响：变形若超出r施工验收规范所容许的范围，将会影响结构的安装，正常运用和安全承载；

所以，对过大的残余变形必需加以矫正。

减少焊接残余应力和变形的方法：

①合理设计:选择适当的焊脚尺寸，焊缝布置应尽可能对称，进行合理的焊接工艺设计，选择合理的施焊顺序。

②正确施工：在制造工艺上，采纳反变形和局部加热法：按焊接工艺严格施焊，避开随意性；尽量采纳自动焊或半•自动

焊，手工焊时避开仰焊。

17.什么叫钢梁丢失整体检定？影响钢梁螃体检定的主要因素是什幺？提高钢梁整体稳定的有效措施是什么？

答：钢梁在弯矩较小时，梁的侧向保持平直而无侧向变形；即使受到偶然的侧向干扰力，其侧向变形也只是在肯定

的限度内，并随着干扰力的除去而消逝。但当弯矩增加使受压翼缘的弯曲压应力达到某一数值时，钢梁在偶然的侧向干扰

力作用下会突然离开最大刚度平面对I则向弯曲，并同时伴随着扭转。这忖即使除去侧向干扰力，侧向弯扭变形也不再消

逝，如弯矩再稍许增大，则侧向弯扭变形快速增大，产生弯扭屈曲，梁失去接着承受荷载的实力，这种现象称为钢梁丢失

整体稳定。

即响钢梁整体稳定的主要因素有：荷载类型，荷载作用点位置，梁的截而形式，侧向支承点的位置和距离，梁

端支承条件。

提高钢梁整体稔定性的有效措施是加强受压翼缘，增加侧向支承点。

18.角焊缝的计算假定是什么？角焊缝有哪些主要构造要求？

答：角焊缝的计算假定是：①破坏沿有效载面；②破坏面上应力匀称分布。

19.螺栓的排列有哪些构造要求？

答：螺栓排列的构造要求：

①受力要求:端距限制一一防止孔端钢板剪断，224：螺孔中距限制一一限制下限以防止孔间板裂开即保证23办

限制.上限以防止板间翘曲。

②构造要求:防止板翘曲后浸入潮气而腐蚀，限制螺孔中距最大值。

③施工要求：为便于拧紧螺栓，宜留适当间距。

20.什么叫钢梁丢失局部稳定？怎样验算组合钢梁翼缘和腹板的局部稳定？

答：在钢梁中，当腹板或翼缘的高厚比或宽厚比过大时，就有•可能在梁发生强度破坏或丢失整体稳定之前，组成梁

的腹板或翼缘出现偏离其原来平面位置的波状屈曲，这种现象称为钢梁的局部失稳。

组合钢梁翼缘局部稳定性的计算：

梁受压翼缘自由外伸宽度b及其厚度t之比的限值：

箱形截面受压翼缘板在两腹板之间的宽度人及其厚度t之比的限值：

组合钢梁腹板局部稳定的计算：

①仅用横向加劲肋加强的腹板：V5石

②同时用横向加劲肋和纵向加劲肋加强的腹板：

a.受压翼缘及纵向加劲肋之间的区格(区格I)：

b.受拉翼缘及纵向加劲肋之间的区格(区格II)：

③同时用横向加劲肋，纵向加劲肋和短加劲肋加强的腹板:

a.受压翼缘及纵向加劲肋之间的区格(区格I)：VF*石卜

b.受拉翼缘及纵向加劲肋之间的区格(区格11)：)＜壬--

三，计算题：

1.

梁上荷载设计值为：Q=47.94(kN/m)

跨中最大弯距为：44=181.12(kN.m)

支座处最大剪力为：JL=131.84(kN)

跨中正应力为：=197.1(N/mm2)

支座处最大剪应力为：=42.9(N/mm2)

二(N/mm?)

2.

3.

，安全

计算焊缝截面特征值

验算正应力

八守与石2'm满意要求

验算剪应力

JPV满意要求

验算折算应力

满意要求

5.

•）确定对接焊缝计算截面的几何特性

1）计驿中和轴的位置（对水平焊缝的形心位置取矩）：

2）焊缝计算截面的几何特性

全部焊缝计算截面的惯性矩：

全部焊缝计算截面的反抗矩：可,一「

腹板焊缝计算截面的面枳：与券

二）验算焊缝强度

Da点：一二一".匚二*

2）b点：♦一■TJIp砂I3M

折算应力：—一

6.

（1）采纳两边绕角焊，肢背，肢尖的受力为

焊脚高度为名3九%Fa

计算肢背，肢尖所需焊缝长度为4口自133田

构件端部按要求做成2%绕角焊，故不再加5mm

（2）N分解为水平拉力八五」长）竖向剪力竹