鋼結(jié)構(gòu)設(shè) 試復(fù)習(xí)題及參考答案

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理一、填空題1. 鋼結(jié)構(gòu)計算的兩種極限狀態(tài)是和。2. 鋼結(jié)構(gòu)具有、和等特點。3. 鋼材的破壞形式有和。4. 影響鋼材性能的主要因素有、和。5. 影響鋼材疲勞的主要因素有、6. 建筑鋼材的主要機械性能指標是、和。7. 鋼結(jié)構(gòu)的連接方法有、和。8. 角焊縫的計算長度不得小于,也不得小于。側(cè)面角焊縫承受靜載時,其計算長度不宜大于。9.普通螺栓抗剪連接中,其破壞有五種可能的形式,即、和。10. 高強度螺栓預(yù)拉力設(shè)計值與和有關(guān)。11. 軸心壓桿可能的屈曲形式有、和。12. 軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù) 與、和有關(guān)。13. 提高鋼梁整體穩(wěn)定性的有效途徑是、和。14. 影響鋼梁整體穩(wěn)定的主要因素有、和

2、。15.焊接組合工字梁,翼緣的局部穩(wěn)定常采用的方法來保證,而腹板的局部穩(wěn)定則常采用的方法來解決。二、問答題1.鋼結(jié)構(gòu)具有哪些特點?2.鋼結(jié)構(gòu)的合理應(yīng)用范圍是什么?3.鋼結(jié)構(gòu)對材料性能有哪些要求?4.鋼材的主要機械性能指標是什么?各由什么試驗得到?5.影響鋼材性能的主要因素是什么?6.什么是鋼材的疲勞?影響鋼材疲勞的主要因素有哪些?7.選用鋼材通常應(yīng)考慮哪些因素?8.鋼結(jié)構(gòu)有哪些連接方法?各有什么優(yōu)缺點?9.焊縫可能存在的缺陷有哪些?10.焊縫的質(zhì)量級別有幾級?各有哪些具體檢驗要求?11.對接焊縫的構(gòu)造要求有哪些?12.角焊縫的計算假定是什么?角焊縫有哪些主要構(gòu)造要求?13.焊接殘余應(yīng)力和焊接殘

3、余變形是如何產(chǎn)生的?焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形對結(jié)構(gòu)性能有何影響?減少焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形的方法有哪些?14.普通螺栓連接和摩擦型高強度螺栓連接,在抗剪連接中,它們的傳力方式和破壞形式有何不同?15.螺栓的排列有哪些構(gòu)造要求?16.普通螺栓抗剪連接中,有可能出現(xiàn)哪幾種破壞形式?具體設(shè)計時,哪些破壞形式是通過計算來防止的?哪些是通過構(gòu)造措施來防止的?如何防止?17.高強度螺栓的8.8級和10.9級代表什么含義?18.軸心壓桿有哪些屈曲形式?19.在考慮實際軸心壓桿的臨界力時應(yīng)考慮哪些初始缺陷的影響?20.在計算格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定時,對虛軸為什么要采用換算長細比?21.什么叫鋼梁喪

4、失整體穩(wěn)定?影響鋼梁整體穩(wěn)定的主要因素是什么?提高鋼梁整體穩(wěn)定的有效措施是什么?22.什么叫鋼梁喪失局部穩(wěn)定?怎樣驗算組合鋼梁翼緣和腹板的局部穩(wěn)定?23.壓彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定計算與軸心受壓構(gòu)件有何不同?24.壓彎構(gòu)件的局部穩(wěn)定計算與軸心受壓構(gòu)件有何不同? 5.應(yīng)力集中、應(yīng)力幅(對焊接結(jié)構(gòu)或應(yīng)力比(對非焊接結(jié)構(gòu)、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)6.屈服點、抗拉強度、伸長率、沖擊韌性、冷彎性能7.焊接連接、鉚釘連接、螺栓連接8.8h f、40mm 60 h f9.螺栓剪壞、孔壁擠壓壞、構(gòu)件被拉斷、端部鋼板被剪壞、螺栓彎曲破壞10.螺栓材質(zhì)、螺栓有效面積11.彎曲屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲、彎扭屈曲12.殘余應(yīng)力、初彎曲和初偏心、長

5、細比13.加強受壓翼緣、增加側(cè)向支承點14.荷載類型、荷載作用點位置、梁的截面形式、側(cè)向支承點的位置和距離、梁端支承條件15.限制寬厚比、設(shè)置加勁肋二、問答題1.鋼結(jié)構(gòu)具有的特點:1鋼材強度高,結(jié)構(gòu)重量輕2鋼材內(nèi)部組織比較均勻,有良好的塑性和韌性3鋼結(jié)構(gòu)裝配化程度高,施工周期短4鋼材能制造密閉性要求較高的結(jié)構(gòu)5鋼結(jié)構(gòu)耐熱,但不耐火6鋼結(jié)構(gòu)易銹蝕,維護費用大。2.鋼結(jié)構(gòu)的合理應(yīng)用范圍:1重型廠房結(jié)構(gòu)2大跨度房屋的屋蓋結(jié)構(gòu)3高層及多層建筑4輕型鋼結(jié)構(gòu)5塔桅結(jié)構(gòu)6板殼結(jié)構(gòu)7橋梁結(jié)構(gòu)8移動式結(jié)構(gòu)3.鋼結(jié)構(gòu)對材料性能的要求:1較高的抗拉強度f u和屈服點f y2較好的塑性、韌性及耐疲勞性能3良好的加工性

6、能4.鋼材的主要機械性能指標是屈服點、抗拉強度、伸長率、沖擊韌性、冷彎性能。其中屈服點、抗拉強度和伸長率由一次靜力單向均勻拉伸試驗得到;冷彎性能是由冷彎試驗顯示出來;沖擊韌性是由沖擊試驗使試件斷裂來測定。5.影響鋼材性能的主要因素有:1化學(xué)成分2鋼材缺陷3冶煉,澆注,軋制4鋼材硬化5溫度6應(yīng)力集中7殘余應(yīng)力8重復(fù)荷載作用6.鋼材在連續(xù)反復(fù)荷載作用下,當應(yīng)力還低于鋼材的抗拉強度,甚至還低于屈服點時也會發(fā)生斷裂破壞,這種現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞或疲勞破壞。影響鋼材疲勞的主要因素是應(yīng)力集中、應(yīng)力幅(對焊接結(jié)構(gòu)或應(yīng)力比(對非焊接結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。7.選用鋼材通?？紤]的因素有:1結(jié)構(gòu)的重要性2荷載特征3連

7、接方法4結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境溫度5結(jié)構(gòu)的受力性質(zhì)8.鋼結(jié)構(gòu)常用的連接方法有:焊接連接、鉚釘連接和螺栓連接三種。焊接的優(yōu)點:1不需打孔,省工省時;2任何形狀的構(gòu)件可直接連接,連接構(gòu)造方便;3氣密性、水密性好,結(jié)構(gòu)剛度較大,整體性能較好。焊接的缺點:1焊縫附近有熱影響區(qū),材質(zhì)變脆;2焊接的殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)易發(fā)生脆性破壞,殘余變形使結(jié)構(gòu)形狀、尺寸發(fā)生變化;3焊接裂縫一經(jīng)發(fā)生,便容易擴展。鉚釘連接的優(yōu)點:塑性、韌性較好,傳力可靠,連接質(zhì)量易于檢查。鉚釘連接的缺點:因在構(gòu)件上需打孔,削弱構(gòu)件截面;且鉚接工藝復(fù)雜,技術(shù)要求高。螺栓連接的優(yōu)點:具備鉚釘連接塑性、韌性好,傳力可靠的優(yōu)點,又兼?zhèn)浒惭b拆卸方便,可以多次重

8、復(fù)使用的優(yōu)點,且連接變形小。9.焊縫可能存在的缺陷有裂紋、氣孔、夾碴、燒穿、咬邊、未焊透、弧坑和焊瘤。10.焊縫質(zhì)量分為三個等級。三級質(zhì)量檢查只對全部焊縫進行外觀缺陷及幾何尺寸檢查,其外觀可見缺陷及幾何尺寸偏差必須符合三級合格標準要求;二級質(zhì)量檢查除對外觀進行檢查并達到二級質(zhì)量合格標準外,還需用超聲波或射線探傷20%焊縫,達到B級檢驗級合格要求;一級質(zhì)量檢查除外觀進行檢查并符合一級合格標準外,還需用超聲波或射線對焊縫100%探傷,達到B級檢驗級合格要求;(見鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范GB50205-2001 11. 對接焊縫的構(gòu)造要求有:1一般的對接焊多采用焊透縫,只有當板件較厚,內(nèi)力較小,且

9、受靜載作用時,可采用未焊透的對接縫。2為保證對接焊縫的質(zhì)量,可按焊件厚度不同,將焊口邊緣加工成不同形式的坡口。3起落弧處易有焊接缺陷,所以要用引弧板。但采用引弧板施工復(fù)雜,因此除承受動力荷載外,一般不用引弧板,而是計算時為對接焊縫將焊縫長度減2t(t為較小焊件厚度。4對于變厚度(或變寬度板的對接,在板的一面(一側(cè)或兩面(兩側(cè)切成坡度不大于1:2.5的斜面,避免應(yīng)力集中。5當鋼板在縱橫兩方向進行對接焊時,焊縫可采用十字形或T形交叉對接,當用T形交叉時,交叉點的間距不得小于200mm。12. 角焊縫的計算假定是:1破壞沿有效載面;2破壞面上應(yīng)力均勻分布。 13. 鋼材在施焊過程中會在焊縫及附近區(qū)域

10、內(nèi)形成不均勻的溫度場,在高溫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力,低溫區(qū)產(chǎn)生相應(yīng)的壓應(yīng)力。在無外界約束的情況下,焊件內(nèi)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力自相平衡。這種應(yīng)力稱焊接殘余應(yīng)力。隨焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生,同時也會出現(xiàn)不同方向的不均勻收縮變形,稱為焊接殘余變形。焊接殘余應(yīng)力的影響:1對塑性較好的材料,對靜力強度無影響;2降低構(gòu)件的剛度;3降低構(gòu)件的穩(wěn)定承載力;4降低結(jié)構(gòu)的疲勞強度;5在低溫條件下承載,加速構(gòu)件的脆性破壞。焊接殘余變形的影響:變形若超出了施工驗收規(guī)范所容許的范圍,將會影響結(jié)構(gòu)的安裝、正常使用和安全承載;所以,對過大的殘余變形必須加以矯正。減少焊接殘余應(yīng)力和變形的方法:1合理設(shè)計:選擇適當?shù)暮改_尺寸、焊縫布置應(yīng)盡可能對稱

11、、進行合理的焊接工藝設(shè)計,選擇合理的施焊順序。2正確施工:在制造工藝上,采用反變形和局部加熱法;按焊接工藝嚴格施焊,避免隨意性;盡量采用自動焊或半自動焊,手工焊時避免仰焊。14.普通螺栓連接中的抗剪螺栓連接是依靠螺栓抗剪和孔壁承壓來傳遞外力。當受剪螺栓連接在達到極限承載力時,可能出現(xiàn)五種破壞形式,即螺栓被剪斷、孔壁被擠壓壞、構(gòu)件被拉斷、構(gòu)件端部被剪壞和螺栓彎曲破壞。高強螺栓連接中的抗剪螺栓連接時,通過擰緊螺帽使螺桿產(chǎn)生預(yù)拉力,同時也使被連接件接觸面相互壓緊而產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦力,依靠摩擦力來傳遞外力。它是以摩擦力剛被克服,構(gòu)件開始產(chǎn)生滑移做為承載能力的極限狀態(tài)。15. 螺栓排列的構(gòu)造要求:1受力要

12、求:端距限制-防止孔端鋼板剪斷,2do;螺孔中距限制限制下限以防止孔間板破裂即保證3do,限制上限以防止板間翹曲。2構(gòu)造要求:防止板翹曲后浸入潮氣而腐蝕,限制螺孔中距最大值。3施工要求:為便于擰緊螺栓,宜留適當間距。 16. 普通螺栓抗剪連接中的五種破壞形式:螺栓被剪斷、孔壁被擠壓壞、構(gòu)件被拉斷、構(gòu)件端部被剪壞和螺栓彎曲破壞。以上五種可能破壞形式的前三種,可通過相應(yīng)的強度計算來防止,后兩種可采取相應(yīng)的構(gòu)件措施來保證。一般當構(gòu)件上螺孔的端距大于2d0時,可以避免端部沖剪破壞;當螺栓夾緊長度不超過其直徑的五倍,則可防止螺桿產(chǎn)生過大的彎曲變形。17. 級別代號中,小數(shù)點前的數(shù)字是螺栓材料經(jīng)熱處理后的

13、最低抗拉強度,小數(shù)點后數(shù)字是材料的屈強比(fy /fu 。8.8級為:fu 800N/mm²,fy/fu=0.8 10.9級為:fu 1000N/mm²,fy /fu =0.918. 受軸心壓力作用的直桿或柱,當壓力達到臨界值時,會發(fā)生有直線平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢胶鉅顟B(tài)變形分枝現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為壓桿屈曲或整體穩(wěn)定,發(fā)生變形分枝的失穩(wěn)問題稱為第一類穩(wěn)定問題。由于壓桿截面形式和桿端支承條件不同,在軸心壓力作用下可能發(fā)生的屈曲變形有三種形式,即彎曲屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲和彎扭屈曲。19. 在考慮實際軸心壓桿的臨界力時應(yīng)考慮殘余應(yīng)力的影響、初彎曲和初偏心的影響、桿端約束的影響。20. 格構(gòu)式

14、軸心受壓構(gòu)件一旦繞虛軸失穩(wěn),截面上的橫向剪力必須通過綴材來傳遞。但因綴材本身比較柔細,傳遞剪力時所產(chǎn)生的變形較大,從而使構(gòu)件產(chǎn)生較大的附加變形,并降低穩(wěn)定臨界力。所以在計算整體穩(wěn)定時,對虛軸要采用換算長細比(通過加大長細比的方法來考慮綴材變形對降低穩(wěn)定臨界力的影響。21. 鋼梁在彎矩較小時,梁的側(cè)向保持平直而無側(cè)向變形;即使受到偶然的側(cè)向干擾力,其側(cè)向變形也只是在一定的限度內(nèi),并隨著干擾力的除去而消失。但當彎矩增加使受壓翼緣的彎曲壓應(yīng)力達到某一數(shù)值時,鋼梁在偶然的側(cè)向干擾力作用下會突然離開最大剛度平面向側(cè)向彎曲,并同時伴隨著扭轉(zhuǎn)。這時即使除去側(cè)向干擾力,側(cè)向彎扭變形也不再消失,如彎矩再稍許增大

15、,則側(cè)向彎扭變形迅速增大,產(chǎn)生彎扭屈曲,梁失去繼續(xù)承受荷載的能力,這種現(xiàn)象稱為鋼梁喪失整體穩(wěn)定。影響鋼梁整體穩(wěn)定的主要因素有:荷載類型、荷載作用點位置、梁的截面形式、側(cè)向支承點的位置和距離、梁端支承條件。提高鋼梁整體穩(wěn)定性的有效措施是加強受壓翼緣、增加側(cè)向支承點。22. 在鋼梁中,當腹板或翼緣的高厚比或?qū)捄癖冗^大時,就有可能在梁發(fā)生強度破壞或喪失整體穩(wěn)定之前,組成梁的腹板或翼緣出現(xiàn)偏離其原來平面位置的波狀屈曲,這種現(xiàn)象稱為鋼梁的局部失穩(wěn)。組合鋼梁翼緣局部穩(wěn)定性的計算:梁受壓翼緣自由外伸寬度b 1與其厚度t 之比的限值:yf t b 235151箱形截面受壓翼緣板在兩腹板之間的寬度b 0與其厚度

16、t 之比的限值:yf t b 235400 組合鋼梁腹板局部穩(wěn)定的計算 1僅用橫向加勁肋加強的腹板:1(22,+crcr c c cr 2同時用橫向加勁肋和縱向加勁肋加強的腹板: a .受壓翼緣與縱向加勁肋之間的區(qū)格(區(qū)格I :1(211,1+cr cr c c cr b .受拉翼緣與縱向加勁肋之間的區(qū)格(區(qū)格II :1(2222,222+cr cr c c cr 3同時用橫向加勁肋、縱向加勁肋和短加勁肋加強的腹板: a .受壓翼緣與縱向加勁肋之間的區(qū)格(區(qū)格I :1(211,1+cr cr c c cr b .受拉翼緣與縱向加勁肋之間的區(qū)格(區(qū)格II :1(2222,222+cr cr c

17、c cr 23. 軸心受壓構(gòu)件中整體穩(wěn)定性涉及構(gòu)件的幾何形狀和尺寸(長度和截面幾何特征、桿端的約束程度和與之相關(guān)的屈曲形式(彎曲屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲或彎扭屈曲及屈曲方向等。另外,構(gòu)件的初始缺陷(殘余應(yīng)力、初彎曲、初偏心和彈性、塑性等不同工作階段的性能,在計算整體穩(wěn)定時,都需要考慮到。因此,在對軸心受壓構(gòu)件計算整體穩(wěn)定性時,引入了整體穩(wěn)定系數(shù),計算公式為:f AN=。在計算時,根據(jù)截面形式、屈曲方向(對應(yīng)軸和加工條件,即可根據(jù)正確地查取值計算。壓彎構(gòu)件的整體失穩(wěn)可能為彎矩作用平面內(nèi)(彎矩通常繞截面強軸作用時的彎曲屈曲,但當構(gòu)件在垂直于彎矩作用平面內(nèi)的剛度不足時,也可發(fā)生因側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)使構(gòu)件發(fā)生彎扭屈

18、曲,即彎矩作用平面外失穩(wěn)。在計算其穩(wěn)定性計算時,除要考慮軸心受壓時所需考慮的因素外,還需考慮荷載類型及其在截面上的作用點位置、端部及側(cè)向支承的約束情況等。平面內(nèi)失穩(wěn)計算中,引入等效彎矩系數(shù)mx ,截面考慮塑性發(fā)展,對于實腹式壓彎構(gòu)件,計算公式為f N N W M A N EX x x x mx x -+/8.01(1。平面外失穩(wěn)計算,同樣引入等效彎矩系數(shù)tx ,計算公式為f W M A N xb x tx y +1。 可見,壓彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定計算比軸心受壓構(gòu)件要復(fù)雜。軸心受壓構(gòu)件在確定整體穩(wěn)定承載能力時,雖然也考慮了初彎曲、初偏心等初始缺陷的影響,將其做為壓彎構(gòu)件,但主要還是承受軸心壓力,彎矩

19、的作用帶有一定的偶然性。對壓彎構(gòu)件而言,彎矩卻是和軸心壓力一樣,同屬于主要荷載。彎矩的作用不僅降低了構(gòu)件的承載能力,同時使構(gòu)件一經(jīng)荷載作用,立即產(chǎn)生撓曲,但其在失穩(wěn)前只保持這種彎曲平衡狀態(tài),不存在達臨界力時才突然由直變彎的平衡分枝現(xiàn)象,故壓彎構(gòu)件在彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性屬于第二類穩(wěn)定問題,其極限承載力應(yīng)按最大強度理論進行分析。24. 局部穩(wěn)定性屬于平板穩(wěn)定問題,應(yīng)應(yīng)用薄板穩(wěn)定理論,通過限制翼緣和腹板的寬厚比所保證的。確定限值的原則:組成構(gòu)件的板件的局部失穩(wěn)應(yīng)不先于構(gòu)件的整體穩(wěn)定失穩(wěn),或者兩者等穩(wěn)。軸心受壓構(gòu)件中,板件處于均勻受壓狀態(tài);壓彎構(gòu)件中,板件處于多種應(yīng)力狀態(tài)下,其影響因素有板件的形狀和

20、尺寸、支承情況和應(yīng)力狀況(彎曲正應(yīng)力、剪應(yīng)力、局部壓應(yīng)力等的單獨作用和各種應(yīng)力的聯(lián)合作用,彈性或彈塑性性能,同時還有在腹板屈曲后強度的利用問題。三、計算題:1. 解:一、確定對接焊縫計算截面的幾何特性1.計算中和軸的位置(對水平焊縫的形心位置取矩 cm y cm y b a 1.219.931 9.95.01120(1130(5.151130(=-=+-+-= 2.焊縫計算截面的幾何特性全部焊縫計算截面的慣性矩 422347904.91120(1.61130(130(1121cm I w =-+-+-= 全部焊縫計算截面的抵抗矩 2271.214790 4849.9479033cm y I W

21、 cm y I W b w b w a w a w =腹板焊縫計算截面的面積 2291130(cm A w w =-=二、驗算焊縫強度1.a 點滿足(/185/9.901048410202202234mm N f mm N W M w f a w a =<= 2.b 點 2232234b /9.75102910220(/185/8.193102271020220mm N A F mm N f mm N W M w w w f b w =<=滿足折算應(yīng)力 222222/5.2361.1/2.2349.7538.1933mm N f mm N w c =<=+=+2.解:kN N

22、 N x 7.33760sin 390sin =kN N N y 19560cos 390cos = 23/7.15810200(87.02107.3372mm N l h N w e x f =-= 23/6.9110200(87.02101952mm N l h N w e y f =-= 滿足(1601596.9122.17.158(2222MPa f MPa w f f f f =<=+=+ 6.解:一、螺栓所能承受的最大軸心力設(shè)計值單個螺栓受剪承載力設(shè)計值 (6.811011304224min 22b b v vb v N kN f d n N = 單個螺栓承壓承載力設(shè)計值 k

23、N f t d N bc b c 4.851013054.12= 連接螺栓所能承受的最大軸心力設(shè)計值 kN nN N b 4.7346.819min = III-III 截面凈截面面積為 2098.284.115.2225(cm t d n b A III III n =-=-=三個截面的承載設(shè)計值分別為I -I 截面:kN N f A N I n 68868800021510322=II -II 截面:kN N f A N II n 4.6336334002151046.292=III -III 截面:因前面I -I 截面已有n 1個螺栓傳走了(n 1/n N 的力,故有f A N nn I

24、I n =-1(1 kN N nn f A N II n 7017010009/11(2151098.281(21=-=-= 構(gòu)件所能承受的最大軸心力設(shè)計值按II -II 截面kN N 4.633=三、連接蓋板所能承受的軸心力設(shè)計值(按V-V 截面確定kN N f A N cm t d n b A vn V v n 1.6386381002151068.2968.298.0215.2325(220=-=-=通過比較可見,接頭所能承受的最大軸心力設(shè)計值應(yīng)按構(gòu)件II -II 截面的承載能力取值,即kN N 4.633max =。再者,若連接蓋板不取2塊8mm 厚鋼板而去2塊7mm ,即與構(gòu)件等厚,

25、則會因開孔最多其承載力最小。12.解:一、第一截面:1.截面幾何特征:47349232102.7300161212 1099.46083001621200101212160010120030016(2m m I m m I m m A y x =+=+=33698100101.86161099.4cm mm W x =2087.571200077.57.5721600102.717=y y y y i l cmm m A I i 2.梁的穩(wěn)定系數(shù):76.01232300161200013.069.013.069.011=+=+=bh t l b 29.0 235235012324.416208

26、(1101.8123221600208432076.0 2354.4+=+=yb y x y b b f h t W Ah 二、第二截面:1.截面幾何特征:47349232106.4240201212 100.56102402021200101212160010120024020(2m m I m m I m m A y x =+=+= 33698100101.8620100.5cm mm W x =26146120004621600106.417=y y y y i l m mA I i 2.梁的穩(wěn)定系數(shù):79.01240240201200013.069.013.069.011=+=+=bh t l b 23.0 235235012404.420261(1101.81240216002614320