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(完整版)钢结构基础第三章课后习题答案
习题参考答案3.1题：答：（1）按制作方法的不同分为型钢截面和组合截面两大类。
型钢截面又可分为热轧型钢和冷弯薄壁型钢两种。
组合截面按连接方法和使用材料的不同，可分为焊接组合截面（焊接截面）、铆接组合截面、钢和混凝土组合截面等。
（2）型钢和组合截面应优先选用型钢截面，它具有加工方便和成本较低的优点。
3.7题：解：由附录1中附表1可得I20a 的截面积为3550mm 2，扣除孔洞后的净面积为3249275.213550A n =⨯⨯-=mm 2。
工字钢较厚板件的厚度为11.4mm ，故由附录4可得Q235钢材的强度设计值为215f =N/mm 2，构件的压应力为2155.138324910450A N 3n <≈⨯==σN/mm 2，即该柱的强度满足要求。
新版教材工字钢为竖放，故应计入工字钢的自重。
工字钢I20a 的重度为27.9kg/m ，故19712.19.8169.27N g =⨯⨯⨯=N ；构件的拉应力为215139.113249197110450A N N 3ng <≈+⨯=+=σN/mm 2，即该柱的强度满足要求。
3.8题：解：1、初选截面假定截面钢板厚度小于16mm ，强度设计值取215f =，125f v =。
可变荷载控制组合：24kN .47251.410.22.1q =⨯+⨯=， 永久荷载控制组合：38.27kN 250.71.410.235.1q =⨯⨯+⨯=简支梁的支座反力（未计梁的自重）129.91kN ql/2R ==，跨中的最大弯矩为m 63kN .1785.547.2481ql 81M 22max⋅≈⨯⨯==，梁所需净截面抵抗矩为36x max nx 791274mm 2151.051063.178f M W ≈⨯⨯==γ，梁的高度在净空方面无限值条件；依刚度要求，简支梁的容许扰度为l/250，参照表3-2可知其容许最小高度为229mm 24550024l h min ≈==， 按经验公式可得梁的经济高度为347mm 3007912747300W 7h 33x e ≈-=-=，由净截面抵抗矩、最小高度和经济高度，按附录1中附表1取工字钢 I36a ，相应的截面抵抗矩3nx 791274m m875000W >=，截面高度229mm 360h >=且和经济高度接近。
钢结构第3章作业参考答案
腹板下口的压应力： 腹板下口的压应力：
M 11.76 ×106 σf下 = ⋅ xo = ×144.48 = 93.82 Mpa < 160Mpa 4 I 1811×10
σf βf 93 .82 2 2 +τ = + 43 .75 = 104 .3Mpa < 160 Mpa 1 .0
533.35 × 103 < 60 h f = 480 mm (满足 ) lw1 = = 298mm >8 h =64 mm且 > 40 mm (满足 ) f 2.3 N3 N1 = a1 N − = 0.67 ×1000 − = 533.35 KN 2 2
N3 273 .3 N 2 = a2N − = 0.33 × 1000 − = 193 .35 KN 2 2
'
σ
' 拉
M ' 120 ⋅ F 6548.4 = ⋅x = × 200 145.43 = ⋅F （ － ） 4 4 I 1955.7 ×10 1955.7 ×10
Q
σ
' 2 拉
+ 3τ
'2
≤ 1 .1 ⋅ f t w
2 2
6548.4 9085.5 ∴ ⋅ F + 3× ⋅ F ≤ 1.1× 185 4 4 1955.7 × 10 1955.7 × 10 ∴ F ≤ 267.9 KN
2 2 I = 0 .56 × 15 × 21 .2 14 .45） + 0 .56 × 13 .8 × 200－ .45） + 14 （ － （
2 × 0 .56 × 20 3 + 2 × 0 .56 × 20 × 14 .45 10） = 1811 cm 4 （ － 2 12
钢结构第三章
第三章习题参考答案注意：①要求学生尽量图示；②若无特别说明，焊缝计算长度可不考虑起弧、落弧的影响。
③题中“（考虑荷载分项系数后）”的意思为荷载设计值，时刻提醒学生别忘了结构可靠度理论。
3.1 解：①对接焊缝：3125010208.318550012w t w N MPa f MPa l t σ⨯===>=⨯，不满足要求，改用斜对接焊缝，取切割斜度为1.5:l ，即5.1tan =θ、o 56=θ。
②围角焊缝、双拼接板：设盖板宽2460b mm =，注意拼接板截面面积必须验算：2246050012t ⨯≥⨯，取28t mm =（常用的板厚以偶数居多）。
角焊缝的焊脚尺寸h f 应根据板件厚度确定：由于此处的焊缝在板件边缘施焊，且拼接盖板厚度t 2=8mm>6mm ，t 2< t 1，则()()max 21~281~26~7f h t mm mm =-=-=min 5f h mm ===取角焊缝的焊脚尺寸h f ＝6mm ，角焊缝的强度设计值2/160mm N f wf =，则()f e w f e w f f h l h f b h f N -=-422β代入数据，注意围焊缝只有一个起弧点和一个落弧点，有()31250102 1.221600.7646041600.766l ⨯-⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯-解、取整得 l ＝195mm上、下各一块拼接板的长度为 2l 10219510400mm L =+=⨯+= 最后选定的上、下拼接板的尺寸为2—460×8×400。
3.2 解：注意仅腹板在此拼接、翼缘在此无拼接，即翼缘处无焊缝、当然也无需验算，但截面依然是工字形的，不少同学仅按腹板矩形截面计算是完全错误的。
焊缝处1026.375M kN m =⋅、172.5V kN =3394112801032(2808)1000 2.979101212x I mm =⨯⨯-⨯-⨯=⨯ 63x S 280165085008250 3.27610mm =⨯⨯+⨯⨯=⨯ 63x1S 28016508 2.27610mm =⨯⨯=⨯最大剪应力为：3622max9172.510 3.2761023.7N/mm 125N/mm 2.979108w x v x VS f I t τ⨯⨯⨯===<=⨯⨯ 上翼缘和腹板交接处“l ”点的正应力：621191026.37510500172.3N/mm 2.97910x My I σ⨯⨯===⨯ 剪应力：362119172.510 2.2761016.5N/mm 2.979108x x VS I t τ⨯⨯⨯===⨯⨯ 由于“1”点同时受有较大的正应力和剪应力(无需单独验算)，故应验算折算应力：22174.7/ 1.1185204/N mm N mm =<⨯=均满足要求。
(完整版)钢结构课后习题第三章
第三章部分习题参考答案3.8 已知A3F 钢板截面mm mm 20500⨯用对接直焊缝拼接，采用手工焊焊条E43型，用引弧板，按Ⅲ级焊缝质量检验，试求焊缝所能承受的最大轴心拉力设计值。
解：焊缝质量等级为Ⅱ级，抗拉的强度设计值20.85182.75/w f f f N mm == 采用引弧板，故焊缝长度500w l b mm ==承受的最大轴心拉力设计值3500*20*182.75*101827.5N btf kN -===3.9 焊接工字形截面梁，在腹板上设一道拼接的对接焊缝(如图3-66)，拼接处作用荷载设计值：弯矩M=1122kN ·mm ，剪力V=374kN ，钢材为Q235B ，焊条为E43型，半自动焊，三级检验标准，试验算该焊缝的强度。
解：（1）焊缝截面的几何特性 惯性矩3341(28102.827.2100)26820612x I cm =⨯-⨯= 一块翼缘板对x 轴的面积矩3128 1.4(507)2234.4X S cm =⨯⨯+=半个截面对x 轴的面积矩31500.8253234.4X X S S cm =+⨯⨯=（2）焊缝强度验算焊缝下端的剪应力33214374102234.41038.9/268206108x x w VS N mm I t τ⨯⨯⨯===⨯⨯ 焊缝下端的拉应62max4112210500209/0.852********x M h N mm f I σ⨯⨯=⋅==>⨯ 所以，该焊缝不满足强度要求（建议将焊缝等级质量提为二级）则 max σ2209/N mm =<215f =2/N mm下端点处的折算应2222max 3219.6/ 1.1236.5/N mm f N mm στ+=<=且焊缝中点处剪应力33224374103234.41056.3/125/268206108w x v x w VS N mm f N mm I t τ⨯⨯⨯===<=⨯⨯3.10 试设计如图3-67所示双角钢和节点板间的角焊缝连接。
钢结构第三章-习题答案
3.3 影响焊接残余应力的因素主要有哪些？减少焊接应力和变形的措施有哪些？答：在焊接过程中，由于不均匀的加热，在焊接区域产生了热塑性压缩变形，当冷却时焊接区要在纵向和横向收缩，势必导致构件产生局部鼓曲、弯曲、歪和扭转等。
焊接残余变形包括纵、横向的收缩，弯曲变形，角变形和扭曲变形等。
为了减少焊接残余应力和变形可以采取以下措施：1）合理的焊缝设计，包括合理的选择焊缝尺寸和形式；尽可能的减少不必要的焊缝、合理的安排焊缝的位置、尽量避免焊缝的过分集中和交叉；尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。
2）合理的工艺措施，包括采用合理的焊接顺序和方向；采用反变形法减少焊接变形或焊接应力；锤击或碾压焊缝；对于小尺寸焊接构件可进行提前预热，然后慢慢冷却以消除焊接应力和焊接变形。
3.8 试设计如图所示的对接连接（直缝或斜缝）。
轴心拉力N=1500 kN，钢材Q345A，焊条E50型，手工焊，焊缝质量Ⅲ级。
解：直缝连接其计算长度：l w=500-2×10=480mm焊缝的正应力为：σ=Nl w t =1500×1000480×10=312.5N/mm2＞f t w=265N/mm2不满足要求，改用斜对接焊缝，取截割斜度为1.5：1，即56°焊缝长度l=500sin56°=603mm计算长度l w=603−2×10=583mm 故此时焊缝的正应力为：σ=Nsin θl w t=1500×1000×sin56°583×10=213N mm2⁄＜f t w=265N mm2⁄剪应力为：τ=Ncos θl w t=1500×1000×cos56°583×10=144N mm2⁄＜f v w=180N mm2⁄满足要求。
故设计斜焊缝，如图所示。
3.10 有一支托角钢，两边用角焊缝与柱相连，如图所示，钢材为Q345A，焊条为E50型，手工焊，已知柱翼缘厚20mm，外力N=400kN。
钢结构基础第三章课后习题答案
第三章3.7一两端铰接的热轧型钢I20a 轴心受压柱，截面如图所示，杆长为6米，设计荷载N=450KN ，钢材为Q235钢，试验算该柱的强度是否满足？解：查的I20a 净截面面积A 为35502mm ,所以构件的净截面面积232495.217235505.21*23550mm d A n =⨯⨯-=-=22/215/5.1383249450000mm N f mm N A N n =<===σ 所以该柱强度满足要求。
3.8 一简支梁跨长为5.5米，在梁上翼缘承受均布静力荷载作用，恒载标准值10.2KN/m(不包括梁自重)，活荷载标准值25KN/m ，假定梁的受压翼缘有可靠的侧向支撑，钢材为Q235，梁的容许挠度为l/250,试选择最经济的工字型及H 型钢梁截面，并进行比较。
解：如上图示，为钢梁的受力图荷载设计值m KN q /24.47254.12.102.1=⨯+⨯= 跨中最大弯矩KNm ql M 63.1785.524.47818122=⨯⨯==f w M x x ≤=γσmax 所以3561091.7)21505.1/(1063.178mm fM w x x ⨯=⨯⨯=≥γ 查型钢表选择I36a ，质量为59.9kg/m,Wx 为8750003mm ，所以钢梁自重引起的恒载标注值m KN /58702.010008.99.59=÷⨯=，可见对强度影响很小，验算挠度即可：荷载标准值m KN q k /79.35252.1058702.0=++=挠度mm EI l q x k 13.1310576.11006.2384105.579.3553845851244=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==ω<[l/250]=22mm I36a 满足挠度要求。
查型钢表选择HN400x200x8x13，质量为66kg/m,Wx 为11900003mm钢梁自重引起的恒载标注值m KN /6468.010008.966=÷⨯=，可见对强度影响很小，验算挠度即可：荷载标准值m KN q k /85.35252.106468.0=++=挠度mm EI l q x k 7.810237001006.2384105.585.3553845451244=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==ω<[l/250]=22mm HN400x200x8x13满足挠度要求。
钢结构基础第三章课后习题答案
一两端铰接的热轧型钢I20a 轴心受压柱，截面如图所示，杆长为6米，设计荷载N=450KN ，钢材为Q235钢，试验算该柱的强度是否满足？解：查的I20a 净截面面积A 为35502mm ,所以构件的净截面面积232495.217235505.21*23550mm d A n =⨯⨯-=-=22/215/5.1383249450000mm N f mm N A N n =<===σ 所以该柱强度满足要求。
一简支梁跨长为米，在梁上翼缘承受均布静力荷载作用，恒载标准值m(不包括梁自重)，活荷载标准值25KN/m ，假定梁的受压翼缘有可靠的侧向支撑，钢材为Q235，梁的容许挠度为l/250,试选择最经济的工字型及H 型钢梁截面，并进行比较。
解：如上图示，为钢梁的受力图荷载设计值m KN q /24.47254.12.102.1=⨯+⨯= 跨中最大弯矩KNm ql M 63.1785.524.47818122=⨯⨯== f w M x x ≤=γσmax 所以3561091.7)21505.1/(1063.178mm fM w x x ⨯=⨯⨯=≥γ查型钢表选择I36a ，质量为m,Wx 为8750003mm ，所以钢梁自重引起的恒载标注值m KN /58702.010008.99.59=÷⨯=，可见对强度影响很小，验算挠度即可：荷载标准值m KN q k /79.35252.1058702.0=++= 挠度mm EI l q x k 13.1310576.11006.2384105.579.3553845851244=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==ω<[l/250]=22mm I36a 满足挠度要求。
查型钢表选择HN400x200x8x13，质量为66kg/m,Wx 为11900003mm钢梁自重引起的恒载标注值m KN /6468.010008.966=÷⨯=，可见对强度影响很小，验算挠度即可：荷载标准值m KN q k /85.35252.106468.0=++= 挠度mm EI l q x k 7.810237001006.2384105.585.3553845451244=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==ω<[l/250]=22mm HN400x200x8x13满足挠度要求。
钢结构第三章作业答案
3、13如图所示梁与柱(钢材为Q235B)得连接中,M=100kN ·m,V=600kN,已知梁端板与柱翼缘厚均为14mm,支托厚20mm,试完成下列设计与验算:(1)剪力V 由支托焊缝承受,焊条采用 E43型,手工焊,求焊缝A 得高度hf 。
(2)弯矩M 由普通C 级螺栓承受,螺栓直径24mm,验算螺栓就是否满足要求。
解:(1)验算受剪承载力:a. 确定焊脚高度板件边缘得角焊缝:max 20,20(12)18;f t mm h mm ==-=普通角焊缝:min max min(14,20)14, 1.21416.8;f t mm h mm ===⨯= 则max min(16.8,20)16.8;f h mm ==max min max(14,20)20,6;f t mm h mm ===故取10f h mm =b 、0.70.7107e f h h mm ==⨯=设承受静载,支托选用Q235B,则查表得角焊缝强度设计值2160wf f N mm = 采用三面围焊且为绕角焊:对于水平焊缝,承受正应力,1300w l b mm ==3110.70.710300 1.2216010410;w f w f f N h l f kN β-==⨯⨯⨯⨯⨯=对于竖向焊缝,承受剪应力,2250w l mm =211.25 1.25600410340;N V N kN =-=⨯-=322223401097.14316020.720.710250w f f f w N N mm f N mm h l τ⨯===<=⨯⨯⨯⨯,满足要求。
故焊缝A 得高度10f h mm =。
(2)验算抗弯承载力12345678910600;500;300;200;100;y y mm y y mm y y mm y y mm y y mm ==========2311222222;1001060040;2(600500300200100)i iiiN M yy My N kN y =⨯⨯===⨯++++∑∑查表得普通C 级螺栓抗拉强度设计值2170b t f N mm =;公称直径为24mm 得普通螺栓2353e A mm =313531701060.1b b t e t b tN A f kN N N-=⋅=⨯⨯=≤故抗弯承载力满足要求。
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所有习题中为计算方便，仅3.10考虑了重力，大家做题时根据实际情况判断是否考虑重力。
第三章
3.9图为一两端铰接的焊接工字形等截面钢梁，钢材为Q235。
梁上作用有两个集中荷载P =300 kN （设计值），集中力沿梁跨度方向的支承长度为100mm 。
试对此梁进行强度验算并指明计算位置。
解：首先计算梁的截面模量，计算出梁在荷载作用下的弯矩和剪力，然后按照规定的计算公式，分别验算梁的抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度和折算应力强度等。
（1）计算截面模量
324x 1
88002280104041255342933mm 12
I =
⨯⨯+⨯⨯⨯= 334
y 11
210280800836620800mm 1212I =⨯⨯⨯+⨯⨯=3x1280104041131200mm S =⨯⨯=
3x2400
113120040081771200mm 2
S =+⨯⨯
= （2）验算截面强度
梁上剪力和弯矩图分布如图所示，由此确定危险点。
①弯曲正应力
B 、
C 两点间梁段弯矩最大
()128010213.51310
b t -==>，不考虑截面发展塑性 6x max x nx 60010410
196MPa 215MPa 11255342933
M f W σγ⨯⨯===<=⨯
②剪应力
A 、
B 两点间梁段和
C 、
D 两点间的梁段上的剪力最大
3x2max
v x w 30010177120052.9MPa 125MPa 12553429338
VS f I t τ⨯⨯===<=⨯ ③局部承压
在集中力作用B 、C 两点处没有加劲肋，应验算局部承压应力。
x y R 52100510150mm l a h h =++=+⨯=
3
c z w 130010250MPa>215MPa 1508
F
f l t ψσ⨯⨯====⨯
④折算应力
B 左截面、
C 右截面处同时存在较大的弯矩、剪力和局部压应力，应计算腹板与翼缘交界处的折算应力。
局部承压验算已不满足，此处不必验算折算应力。
3.10一焊接工字形截面简支梁，跨中承受集中荷载P=1500kN （不包含自重），钢材为Q235，梁的跨度及几何尺寸如图所示。
试按强度要求确定梁截面。
解：①内力计算
梁的支座反力（未计主梁自重）： 1.21500
900kN 2
R ⨯== 跨中最大弯矩：max 1.2150083600kN m 44
PL M ⨯⨯===⋅ ②初选截面
梁所需要的净截面抵抗矩为：6
33x nx x 36001015946843.85mm 15946.8cm 1.05215
M W f γ⨯===≈⨯
梁的高度在净空上无限制，按刚度要求，工作平台主梁的容许挠度为l /400，则梁容许的最小高度为：（参照均布荷载作用）
min 8000
533.3mm 1515
l h ≥
==
按经验公式，可得梁的经济高度：e 3030146.2cm h ===
参照以上数据，考虑到梁截面高度大一些，更有利于增加刚度，初选梁的腹板高度h w =150cm 。
腹板厚度按抗剪强度：max w v 1.2 1.2900000
5.76mm 1500125
w V t h f ⨯≥
==⨯
考虑局部稳定和构造因素： 1.11cm w t === 取腹板t=14mm 。
根据近似公式计算所需翼缘板面积：2w w x w 15946.8 1.4150
71.31cm 61506
t h W bt h ⨯=
-=-= 翼缘板宽：b =(1/2.5~1/6)h =250~600mm ，取b=420mm 。
翼缘板厚：t =7131/420=16.9mm ，取t=16mm 。
翼缘外伸宽度：b 1=(420-14)/2=203mm 。
120312.71316
b t ==<= ③截面验算
截面的实际几何性质：
2w w 2150 1.4242 1.6344.4cm A h t bt =+=⨯+⨯⨯=
2
32
34112()1221150 1.61.4150242 1.61165964cm 122x w w w I t h bt h t ⎡⎤=++⎢⎥
⎣⎦+⎛⎫=
⨯⨯+⨯⨯= ⎪⎝⎭
3x 116596412812.8cm 91
W ==
3115004201685093760mm 2S ⎛⎫
=⨯⨯+= ⎪⎝⎭
321500150042016815001420843760mm 22S ⎛⎫
=⨯⨯++⨯⨯= ⎪⎝⎭
主梁自重估算：
单位长度梁的质量为：344.4×100×7850×10-6×1.2＝324.4kg/m
式中1.2为考虑腹板加劲肋等附加构造用钢使自重增大的系数，则梁的自重为：g ＝324.4kg/m ×9.8＝3.18kN/m
由梁自重产生的跨中最大弯矩：22max 11
3.18 1.2830.5kN m 88
M ql =
=⨯⨯⨯=⋅ 由梁自重产生的支座剪力：11
3.18 1.2815.3kN 22
V ql ==⨯⨯⨯=
跨中最大弯矩：max 300030.53030.5kN m M =+=⋅
弯曲应力：6
22x 3
x nx 3030.510225N/mm 215N/mm 1.0512812.810M f W σγ⨯===>=⨯⨯ 225215
100% 4.7%5%215
-⨯=<，所选截面符合要求，截面尺寸如图所示。
（也可重新选较大截面再进行验算） 支座处最大剪应力：
()3
max
v x w 90015.31020843760116.9MPa 125MPa 1165964000014
VS f I t τ+⨯⨯===<=⨯ 次梁处放置支承加劲肋，不需验算腹板的局部压应力。
跨中左侧和右侧截面处的弯矩和剪应力均最大，故需验算腹板与翼缘交界处的折算应力： 跨中截面腹板边缘正应力：
62
x 4
nx 3030.510750194.9N/mm 116596410
M W σ⨯⨯===⨯ 跨中截面腹板边缘剪应力：
()3
max
x w 90015.310509376028.6MPa 1165964000014
VS I t τ+⨯⨯===⨯
跨中截面腹板边缘折算应力：
22z 201.1N/mm 1.1 1.1215236.5N/mm f σ===<=⨯=
3.11某两端铰接的拉弯构件，截面为I45a 轧制工字形钢，钢材为Q235。
作用力如图所示，截面无削弱，要求确定构件所能承受的最大轴线拉力。
解：由附表查得I45a 型钢的截面特性：243
x x 102cm 32240cm 1430cm A I W ===，，
翼缘平均厚度18mm>16mm ，钢材的强度设计值f =205N/mm 2。
根据强度条件有：
x 23
n x nx 0.25200020510210 1.05143010M N P P A W γ⨯+=+<⨯⨯⨯ 解得P <475.6KN ，所以该压弯构件所能承受的最大轴线拉力为475.6 KN （设计值）。
V
求如图所示T 形截面的形心、惯性矩、截面抵抗矩系数。
解：相对翼缘外边缘的x ′- x ′轴，翼缘：2
f 200102000mm A =⨯=，f 5mm y =-；腹板：
2w 240102400mm A =⨯=，f 130mm y =-，则截面形心到翼缘外边缘的距离：
f w w 1f w 20005240013073.2mm 20002400
A y A y y A A +-⨯-⨯===-++
则22401073.2176.8mm y =+-=
()()2
3x 2
341200102001073.2512
11024024010176.812028582123mm 12I =⨯⨯+⨯⨯-+
⨯⨯+⨯⨯-=
()334
y 2
3411
10200240106686667mm 1212
11024024010176.812028582123mm 12
I =⨯⨯+⨯⨯=+⨯⨯+⨯⨯-=
y y
3x x1128582123390466mm 73.2I W y =
== 3x x 2228582123161664mm 176.8
I W y ===。