鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.下列鋼材破壞形式中，屬于脆性破壞特征的是（）。A.拉伸試驗(yàn)中頸縮明顯，斷口呈纖維狀B.沖擊荷載下突然斷裂，斷口平齊有光澤C.反復(fù)荷載作用下產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展至斷裂D.高溫下變形過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效2.鋼結(jié)構(gòu)中，Q355B鋼材的“355”表示（）。A.抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值355N/mm2B.屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值355N/mm2C.伸長率不小于355%D.沖擊韌性值355J3.焊接連接中，角焊縫的計算厚度hf應(yīng)取（）。A.焊腳尺寸h的0.7倍B.焊腳尺寸h的1.0倍C.焊腳尺寸h的1.2倍D.較薄焊件厚度的1.5倍4.普通螺栓受剪連接中，當(dāng)栓桿直徑d=20mm時，螺栓孔徑一般?。ǎ.20mmB.21mmC.22mmD.24mm5.為防止梁的整體失穩(wěn)，下列措施中最有效的是（）。A.增加梁的截面高度B.在梁的受壓翼緣設(shè)置側(cè)向支撐點(diǎn)C.增大梁的腹板厚度D.提高鋼材強(qiáng)度等級6.軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ與（）無關(guān)。A.構(gòu)件的長細(xì)比λB.鋼材的強(qiáng)度等級C.構(gòu)件的截面類型（a、b、c、d類）D.構(gòu)件的實(shí)際長度7.摩擦型高強(qiáng)度螺栓抗剪連接的承載力極限狀態(tài)是（）。A.螺栓桿被剪壞B.孔壁承壓破壞C.連接板間摩擦力被克服D.連接板被拉斷8.計算焊接工字形截面梁的抗彎強(qiáng)度時，若受壓翼緣寬厚比不滿足局部穩(wěn)定要求，應(yīng)（）。A.增大翼緣厚度B.按有效截面計算抗彎強(qiáng)度C.設(shè)置橫向加勁肋D.采用彈性設(shè)計法9.下列關(guān)于疲勞計算的說法中，錯誤的是（）。A.疲勞破壞屬于脆性斷裂B.應(yīng)力循環(huán)次數(shù)≥5×10?時需進(jìn)行疲勞驗(yàn)算C.應(yīng)力幅是最大應(yīng)力與最小應(yīng)力的差值D.對接焊縫的疲勞強(qiáng)度高于角焊縫10.梯形鋼屋架下弦桿的計算長度lox（平面內(nèi)）和loy（平面外）分別取（）。A.節(jié)點(diǎn)間距，側(cè)向支撐點(diǎn)間距B.0.8倍節(jié)點(diǎn)間距，側(cè)向支撐點(diǎn)間距C.節(jié)點(diǎn)間距，0.8倍側(cè)向支撐點(diǎn)間距D.0.5倍節(jié)點(diǎn)間距，側(cè)向支撐點(diǎn)間距二、填空題（每空1分，共15分）1.鋼材的主要力學(xué)性能指標(biāo)包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率、______和______。2.焊接殘余應(yīng)力按方向可分為縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力和______，其中______對結(jié)構(gòu)的影響最顯著。3.普通螺栓連接按受力方式可分為受剪、受拉和______連接；高強(qiáng)度螺栓按受力機(jī)理分為______型和承壓型。4.軸心受拉構(gòu)件的強(qiáng)度驗(yàn)算公式為______，其中An為______。5.梁的整體穩(wěn)定系數(shù)φb的物理意義是______，當(dāng)φb>0.6時需進(jìn)行______修正。6.軸心受壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定驗(yàn)算原則是保證板件的______不小于構(gòu)件的______，以避免局部失穩(wěn)先于整體失穩(wěn)。7.鋼桁架節(jié)點(diǎn)設(shè)計中，腹桿與弦桿的連接焊縫長度應(yīng)滿足______和______的要求。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述鋼材中碳、硫、磷元素對鋼材性能的影響。2.普通螺栓受剪連接可能的破壞形式有哪些？設(shè)計中如何防止？3.比較實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件與格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件在計算整體穩(wěn)定性時的異同。4.為什么鋼梁需要驗(yàn)算局部穩(wěn)定？工字形截面梁的局部穩(wěn)定驗(yàn)算通常包括哪些內(nèi)容？5.簡述鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”原則，并說明在節(jié)點(diǎn)設(shè)計中的具體措施。四、計算題（共35分）1.（10分）某軸心受拉構(gòu)件采用Q355B鋼材（f=310N/mm2），截面為2L100×10（等邊角鋼，截面積A=1926mm2，單個角鋼截面特性：y0=28.4mm，Ix=179.5×10?mm?，Ix1=668.8×10?mm?），構(gòu)件長度6m，兩端鉸接，承受軸心拉力設(shè)計值N=550kN。構(gòu)件采用M20普通螺栓（孔徑d0=21.5mm）雙排錯列連接，螺栓排列如圖1（孔中心距：s1=60mm，s2=80mm，e1=45mm，e2=55mm）。試驗(yàn)算該構(gòu)件的強(qiáng)度是否滿足要求（提示：計算最小凈截面面積時需考慮可能的截面削弱路徑）。圖1（示意：角鋼肢背布置兩列螺栓，第一列孔距肢背e1=45mm，第二列孔距第一列s1=60mm，橫向間距s2=80mm，肢尖方向e2=55mm）2.（10分）某簡支焊接工字形梁，跨度6m，截面尺寸為h=500mm，b=200mm，tw=8mm，tf=12mm（翼緣厚度），鋼材為Q235B（f=215N/mm2，fv=125N/mm2）。梁上作用均布荷載設(shè)計值q=40kN/m（含自重），跨中無側(cè)向支撐。試驗(yàn)算梁的抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度是否滿足要求（不考慮整體穩(wěn)定，截面模量Wx=bh2/6(btw)h03/(6h)，h0=h2tf）。3.（15分）某軸心受壓柱，計算長度lox=loy=6m，采用焊接工字形截面（翼緣：300×14，腹板：400×8），鋼材Q355B（f=310N/mm2）。截面特性：A=300×14×2+400×8=11600mm2，Ix=(300×(400+2×14)3)/12(3008)×4003/12=1.02×10?mm?，Iy=2×(14×3003)/12=6.3×10?mm?。試計算該柱的整體穩(wěn)定性是否滿足要求（提示：長細(xì)比λx=√(lox2/(Ix/A))，λy=√(loy2/(Iy/A))，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB500172017得φx、φy，取較小值進(jìn)行驗(yàn)算）。五、論述題（20分）結(jié)合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB500172017，論述大跨度鋼結(jié)構(gòu)（跨度≥60m）設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，包括結(jié)構(gòu)選型、荷載取值、節(jié)點(diǎn)設(shè)計及抗震性能優(yōu)化等方面。答案及解析一、單項(xiàng)選擇題1.B（脆性破壞無明顯塑性變形，斷口平齊；A為塑性破壞，C為疲勞破壞（本質(zhì)脆性），D為高溫下的塑性失效）2.B（Q+屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值+質(zhì)量等級）3.A（角焊縫計算厚度he=0.7hf）4.B（普通螺栓孔徑比桿徑大1~2mm，d=20mm時取21mm）5.B（增加側(cè)向支撐可減小受壓翼緣自由長度，顯著提高整體穩(wěn)定性）6.D（穩(wěn)定系數(shù)φ由λ、截面類型、鋼材強(qiáng)度決定，與實(shí)際長度無關(guān)，因λ已包含長度影響）7.C（摩擦型以板間摩擦力被克服為極限狀態(tài)，承壓型以螺栓或孔壁破壞為極限）8.B（翼緣局部失穩(wěn)時，按有效截面計算抗彎強(qiáng)度）9.C（應(yīng)力幅是最大拉應(yīng)力與最小拉應(yīng)力的差值，若為壓應(yīng)力則取絕對值）10.A（下弦桿平面內(nèi)計算長度為節(jié)點(diǎn)間距，平面外為側(cè)向支撐點(diǎn)間距）二、填空題1.沖擊韌性（沖擊功）、冷彎性能2.厚度方向應(yīng)力（或?qū)訝顟?yīng)力）、縱向殘余應(yīng)力3.拉剪復(fù)合、摩擦4.σ=N/An≤f、凈截面面積（扣除螺栓孔后的截面積）5.整體穩(wěn)定承載力與強(qiáng)度承載力的比值、截面模量（或取φb’=1.070.282/φb≤1.0）6.局部穩(wěn)定臨界應(yīng)力、整體穩(wěn)定臨界應(yīng)力7.最小焊縫長度（≥8hf且≥40mm）、最大焊縫長度（≤60hf）三、簡答題1.答：碳（C）：含量增加，鋼材強(qiáng)度提高，但塑性、韌性、可焊性下降；硫（S）：易形成低熔點(diǎn)共晶物，導(dǎo)致熱脆（高溫加工時開裂）；磷（P）：提高強(qiáng)度和耐蝕性，但顯著降低塑性、韌性，導(dǎo)致冷脆（低溫下變脆）。2.答：可能的破壞形式：①螺栓桿被剪斷；②孔壁承壓破壞；③板件被拉斷；④螺栓桿受彎破壞；⑤板件端部沖剪破壞。防止措施：①限制螺栓受剪面數(shù)目（單剪、雙剪）；②控制板件厚度與螺栓直徑的關(guān)系（保證承壓強(qiáng)度）；③驗(yàn)算板件凈截面抗拉強(qiáng)度；④限制端距≥2d0（d0為孔徑）以避免沖剪破壞。3.答：相同點(diǎn)：均需計算整體穩(wěn)定系數(shù)φ，考慮長細(xì)比和截面類型的影響。不同點(diǎn)：①實(shí)腹式構(gòu)件直接按毛截面計算長細(xì)比，格構(gòu)式構(gòu)件需計算換算長細(xì)比（考慮綴材影響）；②實(shí)腹式構(gòu)件整體失穩(wěn)為單一屈曲模式，格構(gòu)式可能發(fā)生繞虛軸的整體失穩(wěn)或繞實(shí)軸的局部失穩(wěn)；③格構(gòu)式構(gòu)件繞虛軸的穩(wěn)定計算需考慮剪切變形的影響（通過換算長細(xì)比λ0x=√(λx2+λ12)）。4.答：原因：鋼梁的翼緣和腹板在壓力作用下可能發(fā)生局部屈曲，導(dǎo)致構(gòu)件提前失效，因此需驗(yàn)算局部穩(wěn)定。驗(yàn)算內(nèi)容：①受壓翼緣的寬厚比（b/t≤(10+0.1λ)√(235/fy)）；②腹板的高厚比（h0/tw≤(80+0.5λ)√(235/fy)或設(shè)置加勁肋后按規(guī)范公式驗(yàn)算）；③受拉翼緣一般無需驗(yàn)算（拉應(yīng)力下不易失穩(wěn)）。5.答：“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”原則：確保節(jié)點(diǎn)承載力高于連接構(gòu)件的承載力，避免節(jié)點(diǎn)先于構(gòu)件破壞。具體措施：①節(jié)點(diǎn)焊縫或螺栓的強(qiáng)度設(shè)計值乘以放大系數(shù)（如1.2）；②采用全熔透焊縫（一級或二級質(zhì)量等級）；③增加節(jié)點(diǎn)板厚度或設(shè)置加勁肋；④對梁柱節(jié)點(diǎn)，保證梁端塑性鉸出現(xiàn)在離節(jié)點(diǎn)一定距離處（如設(shè)置狗骨式削弱）。四、計算題1.解：（1）計算角鋼毛截面面積A=1926mm2（雙角鋼總A=2×1926=3852mm2）。（2）確定凈截面削弱路徑：雙排錯列螺栓可能的最不利截面為通過兩個螺栓孔的折線截面（圖中路徑：123，其中1、2為第一列孔，3為第二列孔）。（3）計算凈截面面積An：單個角鋼的孔數(shù)n=2（雙排錯列時，每列1孔），孔徑d0=21.5mm。折線截面的計算長度：s1=60mm，s2=80mm，斜向間距s=√(s12+s22)=√(602+802)=100mm。單個角鋼凈截面面積An1=A1d0×t+(s2)/(4×e)×t（e為沿受力方向的間距，此處e=s1=60mm）。但簡化計算時，錯列截面的凈面積按An=An×d0×t+(∑s2)/(4×∑e)×t（GB500172017第5.1.1條）。本題中，雙角鋼總An=2×[A12×d0×t+(s12)/(4×e1)×t]（假設(shè)e1為肢背方向間距）。代入數(shù)據(jù)：t=10mm，A1=1926mm2，d0=21.5mm，s1=60mm，e1=45mm。An=2×[19262×21.5×10+(602)/(4×45)×10]=2×[1926430+(3600/180)×10]=2×[1496+200]=2×1696=3392mm2。（4）驗(yàn)算強(qiáng)度：σ=N/An=550×103/3392≈162.1N/mm2≤f=310N/mm2，滿足要求。2.解：（1）計算跨中最大彎矩Mmax=ql2/8=40×62/8=180kN·m=180×10?N·mm。（2）計算截面模量Wx：h0=5002×12=476mm，Wx=(200×5002/6)[(2008)×4763/(6×500)]=(200×250000)/6(192×107850376)/(3000)≈8333333.3(20707272192)/3000≈8333333.36902424.1≈1430909.2mm3。（3）抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算：σ=Mmax/(γxWx)，γx=1.05（工字形截面繞x軸），σ=180×10?/(1.05×1430909.2)≈180×10?/1502454.7≈119.8N/mm2≤f=215N/mm2，滿足。（4）計算最大剪力Vmax=ql/2=40×6/2=120kN=120×103N。（5）抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算：τ=Vmax×S/(tw×Ix)，其中S為中和軸以上面積對中和軸的靜矩，S=200×12×(500/212/2)=2400×244=585600mm3，Ix=200×5003/12(2008)×4763/12≈(200×125000000)/12(192×107850376)/12≈20833333331725606016≈357727317mm?，τ=120×103×585600/(8×357727317)≈70272000000/(2861818536)≈24.5N/mm2≤fv=125N/mm2，滿足。3.解：（1）計算長細(xì)比λx和λy：λx=lox/√(Ix/A)=6000/√(1.02×10?/11600)=6000/√(87931)=6000/296.5≈20.2；λy=loy/√(Iy/A)=6000/√(6.3×10?/11600)=6000/√(54310)=6000/233≈25.8。（2）查GB500172017表6.2.1，焊接工字形截面（翼緣為焰切邊）屬于b類截面，當(dāng)λx=20.2時，φx≈0.97；λy=25.8時，φy≈0.95（插值計算）。（3）整體穩(wěn)定驗(yàn)算：σ=N/(φA)，需計算軸心壓力設(shè)計值N（題目未明確，假設(shè)N=φA×f=0.95×11600×310≈3397400N=3397.4kN）。若實(shí)際N≤3397.4kN，則滿足；否則不滿足（本題需假設(shè)N值，若題目中N為設(shè)計值，需代入計算）。五、論述題大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)如下：1.結(jié)構(gòu)選型：需根據(jù)跨度、荷載、使用功能選擇合理形式?？缍?0~120m時，常用空間桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼；120m以上可采用懸索、索膜、張弦梁或整體張拉結(jié)構(gòu)。例如，大跨度體育館多選用雙向正交網(wǎng)架（剛度大、受力均勻）；機(jī)場航站樓可采用張弦梁（結(jié)合剛性梁與柔性索，降低結(jié)構(gòu)高度）。選型時需綜合考慮結(jié)構(gòu)自重（懸索最輕）、施工難度（網(wǎng)殼需滿堂支架，索結(jié)構(gòu)可分階段張拉）及經(jīng)濟(jì)性（網(wǎng)架用鋼量約80~120kg/m2，懸索約50~80kg/m2）。2.荷載取值：除恒載、活載外，需重點(diǎn)考慮風(fēng)荷載和溫度作用。大跨度結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感，需通過風(fēng)洞試驗(yàn)確定局部風(fēng)壓系數(shù)（如屋蓋邊緣風(fēng)吸