鋼結(jié)構(gòu)試題及答案解析一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪項(xiàng)不屬于鋼材的主要力學(xué)性能指標(biāo)？（）A.屈服強(qiáng)度（fy）B.抗拉強(qiáng)度（fu）C.冷彎性能（180°彎心直徑d與板厚a的比值d/a）D.抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（fv）答案：D解析：鋼材的主要力學(xué)性能指標(biāo)包括強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度）、塑性（伸長率）、冷彎性能（反映鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量）。抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（fv）是基于屈服強(qiáng)度計(jì)算的設(shè)計(jì)參數(shù)，屬于設(shè)計(jì)指標(biāo)而非材料本身的力學(xué)性能指標(biāo)。2.普通螺栓受剪連接中，當(dāng)螺栓桿與孔壁接觸時(shí)，破壞形式不包括（）。A.螺栓桿受剪破壞B.板件被螺栓桿擠壓破壞C.板件凈截面受拉破壞D.螺栓桿受彎破壞答案：D解析：普通螺栓受剪連接的主要破壞形式為：螺栓桿受剪破壞（單剪或雙剪）、板件被擠壓破壞（承壓破壞）、板件凈截面受拉破壞（沿螺栓孔截面拉斷）。螺栓桿受彎破壞通常發(fā)生在螺栓長度過長或連接厚度差過大時(shí)，但規(guī)范設(shè)計(jì)中通過限制螺栓桿長度（如螺栓長度≤5d，d為螺栓直徑）避免此類破壞，因此不屬于常規(guī)破壞形式。3.下列關(guān)于焊接殘余應(yīng)力的描述，錯(cuò)誤的是（）。A.縱向殘余應(yīng)力沿焊縫長度方向分布，焊縫附近為拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫為壓應(yīng)力B.橫向殘余應(yīng)力由焊縫冷卻時(shí)的收縮變形受約束引起，可能呈現(xiàn)拉壓交替分布C.厚度方向殘余應(yīng)力僅存在于厚板焊接中，可能導(dǎo)致層狀撕裂D.焊接殘余應(yīng)力會顯著降低構(gòu)件的靜力強(qiáng)度答案：D解析：焊接殘余應(yīng)力是構(gòu)件內(nèi)部自平衡的應(yīng)力，不會降低構(gòu)件的靜力強(qiáng)度（靜力破壞時(shí)，殘余拉應(yīng)力與外荷載拉應(yīng)力疊加可能提前達(dá)到fy，但破壞時(shí)的總應(yīng)力仍由fu控制），但會降低構(gòu)件的剛度、穩(wěn)定性及抗疲勞性能。4.軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)φ與（）無關(guān)。A.構(gòu)件的長細(xì)比λB.鋼材的屈服強(qiáng)度fyC.截面類型（a、b、c、d類）D.構(gòu)件的初始缺陷（如初彎曲、初偏心）答案：D解析：規(guī)范中整體穩(wěn)定系數(shù)φ通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到，已綜合考慮了初始缺陷的影響，因此φ的取值僅與長細(xì)比λ、鋼材強(qiáng)度fy和截面類型有關(guān)。5.鋼梁的整體失穩(wěn)形式為（）。A.側(cè)向彎曲失穩(wěn)B.側(cè)向彎曲+扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)C.局部屈曲失穩(wěn)D.彎扭耦合失穩(wěn)答案：B解析：鋼梁在彎矩作用下，當(dāng)截面抗扭剛度不足時(shí)，會發(fā)生側(cè)向彎曲（繞弱軸y的彎曲）和截面扭轉(zhuǎn)（繞縱軸x的扭轉(zhuǎn)）的耦合失穩(wěn)，即彎扭失穩(wěn)。6.以下哪類鋼材的沖擊韌性要求最高？（）A.常溫下工作的普通鋼結(jié)構(gòu)B.低溫（20℃）下工作的焊接承重結(jié)構(gòu)C.常溫下工作的非焊接承重結(jié)構(gòu)D.高溫（150℃）下工作的焊接結(jié)構(gòu)答案：B解析：低溫環(huán)境下，鋼材易發(fā)生冷脆破壞，焊接結(jié)構(gòu)因存在焊接殘余應(yīng)力和缺陷，對沖擊韌性（夏比V形缺口沖擊功）要求更高。規(guī)范（GB500172017）規(guī)定，低溫下的焊接承重結(jié)構(gòu)需采用Q235D、Q355D等具有20℃沖擊韌性保證的鋼材。7.高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的抗剪承載力取決于（）。A.螺栓桿的抗剪強(qiáng)度B.連接板件間的摩擦力C.板件的承壓強(qiáng)度D.螺栓桿與板件的擠壓強(qiáng)度答案：B解析：摩擦型連接通過螺栓預(yù)拉力使板件間產(chǎn)生摩擦力抵抗外剪力，設(shè)計(jì)時(shí)以摩擦力被克服（即板件間發(fā)生相對滑移）為承載力極限狀態(tài)。8.計(jì)算格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件的繞虛軸（x軸）整體穩(wěn)定性時(shí)，需采用換算長細(xì)比λox，其目的是（）。A.考慮綴材剪切變形對整體穩(wěn)定的影響B(tài).考慮截面扭轉(zhuǎn)對整體穩(wěn)定的影響C.考慮構(gòu)件初彎曲對整體穩(wěn)定的影響D.考慮材料非線性對整體穩(wěn)定的影響答案：A解析：格構(gòu)式構(gòu)件繞虛軸失穩(wěn)時(shí)，綴材（綴條或綴板）的剪切變形較大，導(dǎo)致構(gòu)件的實(shí)際變形比實(shí)腹式構(gòu)件大，因此需用換算長細(xì)比λox=√(λx2+λ12)（綴條）或λox=√(λx2+40A/A1x)（綴板）來等效考慮剪切變形的影響。9.以下哪種截面形式的軸心受壓構(gòu)件，其整體穩(wěn)定性能最好？（）A.單角鋼（L100×10）B.雙角鋼組成的T形截面（2L100×10，短肢相連）C.工字形截面（H300×200×8×12）D.圓管截面（φ325×8）答案：D解析：圓管截面的回轉(zhuǎn)半徑ix=iy=√(I/A)=D/4（D為外徑），截面各方向剛度均勻，長細(xì)比λx=λy，整體穩(wěn)定性優(yōu)于其他非對稱或弱軸剛度較低的截面。10.鋼結(jié)構(gòu)疲勞驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)力循環(huán)特征值ρ=σmin/σmax，當(dāng)ρ=1時(shí)，屬于（）。A.完全對稱循環(huán)應(yīng)力B.脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力C.非對稱循環(huán)應(yīng)力D.靜應(yīng)力答案：A解析：ρ=1表示最小應(yīng)力σmin=σmax，即拉應(yīng)力與壓應(yīng)力幅值相等，為完全對稱循環(huán)應(yīng)力；ρ=0時(shí)為脈動(dòng)循環(huán)（壓應(yīng)力為0）；ρ>0時(shí)為非對稱循環(huán)；ρ=1時(shí)為靜應(yīng)力（σmin=σmax）。二、填空題（每空1分，共20分）1.鋼材的塑性指標(biāo)通常用（伸長率δ5或δ10）表示，其中δ5指（標(biāo)距為5倍直徑的試件拉斷后的伸長率）。2.焊縫質(zhì)量等級分為（一、二、三）級，其中（一級）焊縫需進(jìn)行100%超聲波探傷檢測，且允許存在的缺陷最少。3.普通螺栓連接中，螺栓的排列應(yīng)滿足（最小間距）、（最大間距）和（邊距）要求，其中邊距過小會導(dǎo)致（板件端部剪切破壞）。4.軸心受拉構(gòu)件的強(qiáng)度驗(yàn)算公式為（σ=N/An≤f），其中An為（凈截面面積），f為（鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值）。5.鋼梁的局部穩(wěn)定驗(yàn)算中，翼緣的寬厚比限值（b/t≤13√(235/fy)）是通過（限制翼緣板件的彈性屈曲應(yīng)力不低于鋼材屈服強(qiáng)度）確定的；腹板的高厚比限值（h0/tw≤(80+0.5λ)√(235/fy)）則需根據(jù)（構(gòu)件的受力狀態(tài)和長細(xì)比）調(diào)整。6.柱間支撐的作用是（傳遞水平荷載、保證框架柱的側(cè)向穩(wěn)定、提高結(jié)構(gòu)整體剛度）。7.鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕的主要方法有（涂料防腐）、（熱浸鍍鋅防腐）和（陰極保護(hù)），其中（熱浸鍍鋅）適用于難以維護(hù)的露天結(jié)構(gòu)。8.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)中，檁條通常采用（冷彎薄壁C形或Z形鋼），其計(jì)算需考慮（風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定）問題。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述鋼材選用時(shí)需考慮的主要因素。答案：鋼材選用需綜合考慮以下因素：（1）結(jié)構(gòu)的重要性：重要結(jié)構(gòu)（如大跨度、高層、承受動(dòng)力荷載）應(yīng)選用質(zhì)量更高的鋼材（如Q355、Q390）；（2）荷載性質(zhì)：承受動(dòng)力荷載（如吊車梁）或沖擊荷載的結(jié)構(gòu)需選用塑性、韌性好的鋼材（如要求沖擊韌性保證）；（3）連接方式：焊接結(jié)構(gòu)對鋼材的碳當(dāng)量、可焊性要求更高（如限制碳含量≤0.22%）；（4）工作環(huán)境：低溫環(huán)境（≤20℃）需選用具有低溫沖擊韌性保證的鋼材（如Q235D）；高溫環(huán)境（>150℃）需采用隔熱措施或選用耐熱鋼；（5）結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)力狀態(tài)：復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)（如節(jié)點(diǎn)區(qū)）或薄壁構(gòu)件需選用強(qiáng)度、塑性匹配良好的鋼材。2.對比普通螺栓連接與高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的受力特點(diǎn)及破壞形式。答案：（1）受力特點(diǎn)：普通螺栓連接：靠螺栓桿承壓和抗剪傳遞剪力，螺栓預(yù)拉力較小，板件間無壓力；高強(qiáng)螺栓摩擦型連接：靠螺栓預(yù)拉力使板件間產(chǎn)生摩擦力傳遞剪力，螺栓桿與孔壁不接觸，外力需小于摩擦力。（2）破壞形式：普通螺栓：螺栓桿受剪破壞、板件承壓破壞、板件凈截面拉斷、螺栓桿受彎破壞（少見）；高強(qiáng)摩擦型螺栓：以板件間滑移（摩擦力被克服）為極限狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)不允許滑移，因此無螺栓桿剪切或板件承壓破壞（若滑移后繼續(xù)加載，可能發(fā)生螺栓桿剪切或板件承壓破壞，但非設(shè)計(jì)控制狀態(tài)）。3.為什么軸心受壓構(gòu)件的截面形式通常選擇雙軸對稱截面？若采用單軸對稱截面，需注意哪些問題？答案：（1）雙軸對稱截面的優(yōu)勢：繞兩個(gè)主軸的回轉(zhuǎn)半徑相近（如工字形、箱形截面），長細(xì)比λx≈λy，整體穩(wěn)定性好，避免因弱軸剛度不足導(dǎo)致提前失穩(wěn)。（2）單軸對稱截面（如T形、L形截面）的注意事項(xiàng)：①繞非對稱軸（如T形截面的弱軸y軸）的回轉(zhuǎn)半徑較小，長細(xì)比λy較大，需重點(diǎn)驗(yàn)算該方向的穩(wěn)定性；②當(dāng)構(gòu)件存在初始偏心或荷載作用線偏離截面形心時(shí)，會產(chǎn)生附加彎矩，需考慮二階效應(yīng)（Pδ效應(yīng)）；③對于綴板或綴條連接的格構(gòu)式單軸對稱截面，需計(jì)算換算長細(xì)比以考慮剪切變形影響。4.簡述鋼梁整體穩(wěn)定的影響因素及提高整體穩(wěn)定性的措施。答案：（1）影響因素：①梁的側(cè)向抗彎剛度（EIy）和抗扭剛度（GIp）：剛度越大，穩(wěn)定性越好；②梁的跨度l：跨度越大，臨界彎矩越低；③荷載作用位置：荷載作用于上翼緣（壓翼緣）時(shí)易失穩(wěn)，作用于下翼緣（拉翼緣）時(shí)穩(wěn)定性更好；④梁端約束條件：兩端固定比簡支的穩(wěn)定性好；⑤截面形式：寬翼緣截面（b/h大）、閉合箱形截面的抗扭剛度大，穩(wěn)定性好。（2）提高措施：①增大梁的側(cè)向支撐間距（減小計(jì)算長度l1）；②采用抗扭剛度大的截面（如箱形截面）；③在梁的受壓翼緣設(shè)置側(cè)向支撐（如隅撐、檁條）；④調(diào)整荷載作用位置（如將荷載作用于下翼緣）；⑤增大截面尺寸（如增加翼緣寬度或厚度）。5.簡述鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的基本原理及常用措施。答案：（1）基本原理：鋼材的強(qiáng)度和彈性模量隨溫度升高顯著降低（如500℃時(shí)fy降至常溫的50%），防火設(shè)計(jì)需保證在火災(zāi)溫度下，構(gòu)件的承載能力≥火災(zāi)作用效應(yīng)，即通過耐火極限驗(yàn)算（構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下達(dá)到臨界溫度的時(shí)間≥設(shè)計(jì)要求的耐火極限）。（2）常用措施：①包覆法：用防火涂料（厚型、薄型、超薄型）、防火板（石膏板、硅酸鈣板）或混凝土、砂漿等材料包覆鋼構(gòu)件，延緩熱量傳遞；②水冷卻法：在鋼構(gòu)件內(nèi)部設(shè)置循環(huán)水管道，通過水的流動(dòng)帶走熱量（如奧運(yùn)場館“水立方”的鋼桁架）；③采用耐火鋼：通過合金化（如添加Cr、Mo）提高鋼材的高溫強(qiáng)度（如Q235FR、Q345FR，600℃時(shí)仍保留70%的常溫強(qiáng)度）；④結(jié)構(gòu)優(yōu)化：減少構(gòu)件截面尺寸（降低熱容）、設(shè)置防火分區(qū)（限制火災(zāi)規(guī)模）。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某軸心受拉鋼構(gòu)件，截面為焊接工字形（翼緣：400×16，腹板：360×8），鋼材為Q355（f=310N/mm2），承受軸心拉力設(shè)計(jì)值N=2800kN。構(gòu)件長度方向有2個(gè)直徑d0=22mm的螺栓孔（沿截面軸線對稱布置，孔中心距腹板邊緣50mm）。試驗(yàn)算該構(gòu)件的強(qiáng)度是否滿足要求。解：（1）計(jì)算毛截面面積A：A=2×400×16+360×8=12800+2880=15680mm2（2）計(jì)算凈截面面積An：螺栓孔位于翼緣，每個(gè)孔的削弱面積=16×22=352mm2（翼緣厚度t=16mm），共2個(gè)孔，故：An=A2×352=15680704=14976mm2（3）驗(yàn)算強(qiáng)度：σ=N/An=2800×103/14976≈187N/mm2≤f=310N/mm2結(jié)論：強(qiáng)度滿足要求。2.某簡支鋼梁，跨度l=6m，截面為焊接工字形（h=500mm，b=200mm，tw=8mm，tf=12mm），鋼材為Q235（f=215N/mm2，fv=125N/mm2），承受均布荷載設(shè)計(jì)值q=45kN/m（含自重）。梁的受壓翼緣在跨度中點(diǎn)設(shè)置一道側(cè)向支撐（l1=3m），試驗(yàn)算梁的抗彎強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性（整體穩(wěn)定系數(shù)φb=0.92）。解：（1）計(jì)算最大彎矩Mmax：Mmax=ql2/8=45×62/8=202.5kN·m=202.5×10?N·mm（2）計(jì)算截面模量Wx：翼緣面積A1=200×12=2400mm2，腹板面積A2=500×8=4000mm2（近似計(jì)算，精確計(jì)算需扣除翼緣與腹板重疊部分）；截面形心至受拉邊緣距離y=(A1×(50012/2)+A2×(500/2))/(2A1+A2)=(2400×494+4000×250)/(4800+4000)=(1,185,600+1,000,000)/8800≈248.36mmWx=Ixx/y，其中Ixx=2×[200×123/12+200×12×(494248.36)2]+8×5003/12≈2×[28,800+200×12×60,342]+8×125,000,000/12≈2×[28,800+144,820,800]+83,333,333≈289,699,200+83,333,333≈373,032,533mm?Wx=373,032,533/248.36≈1,502,000mm3（或直接采用近似公式：焊接工字形截面Wx≈bh2/6=200×5002/6≈8,333,333mm3？此處需更正，正確計(jì)算應(yīng)為：）正確計(jì)算Ixx：翼緣對x軸的慣性矩：2×[(200×123)/12+200×12×((50012)/2)2]=2×[28,800+200×12×(244)2]=2×[28,800+200×12×59,536]=2×[28,800+142,886,400]=285,830,400mm?腹板對x軸的慣性矩：(8×(5002×12)3)/12=(8×4763)/12≈(8×107,850,176)/12≈71,900,117mm?總Ixx=285,830,400+71,900,117≈357,730,517mm?截面模量Wx=Ixx/(h/2)=357,730,517/(250)=1,430,922mm3（3）抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算：σ=Mmax/(γxWx)，γx=1.05（工字形截面繞x軸）σ=202.5×10?/(1.05×1,430,922)≈202.5×10?/1,502,468≈134.8N/mm2≤f=215N/mm2，滿足。（4）整體穩(wěn)定性驗(yàn)算：φb=0.92（已知）σ=Mmax/(φbWx)=202.5×10?/(0.92×1,430,922)≈202.5×10?/1,316,448≈153.8N/mm2≤f=215N/mm2，滿足。五、案例分析題（10分）某多層鋼結(jié)構(gòu)框架廠房，跨度18m，柱距6m，層高4.5m，采用H形鋼框架（柱：H400×300×10×16，梁：H600×200×8×12），鋼材為Q355B，梁柱節(jié)點(diǎn)為剛接。