钢结构设计原理作业参考答案

《钢结构设计原理》作业参考答案
作业一
一、单项选择题： 1.B 2.C 3.C 4.A 5.D 6.A 7.B 8.A 9.B 10.B
二、填空题：
1.螺栓群形心轴
2.设计
3.角钢
4.沸腾钢
5.冲击韧性A KV 值或冲击韧性值或A KV 值
6.H
7.翼缘
8.低或小
9.y f /1515 10．X －轴
三、简述题：
1.钢材在循环应力多次反复作用下，裂纹生成、扩展以至断裂破坏的现象称为钢材的疲劳。

影响疲劳破坏的主要因素：
（1）应力集中 （2）应力幅 （3）应力循环次数
2.（1）强度验算
f
A N n
≤=
σ （2）刚度验算 ][max λλ≤ （3）整体稳定验算
f
A
N
≤min φ
（4）局部稳定验算
fy t b 235)1.010(max 1λ+≤ fy t h w 235
)5.025(max 0λ+≤
3.结构或构件的承载能力极限状态包括静力强度、动力强度和稳定等的计算〉达到这种极限状态时，结构或构件达到了最大承载力而发生破坏，或达到了不适于继续承受荷载的巨大变形。

结构或构件的正常使用极限状态是对应于结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值。

达此极限状态时，结构或构件虽仍保持承载力，但在正常荷载和作用下产生的变形已不能使结构或构件满足正常使用的要求，包括静力荷载作用下产生的巨大变形和动力荷载作用下产生的剧烈振动等。

4.选择屈服点作为结构钢材设计强度标准值是因为：
（1）它是钢材开始塑性工作的特征点，钢材屈服后，塑性变形很大，极易为人们察觉，可及时处理，
避免发生破坏；
（2）从屈服到钢材破坏，整个塑性工作区域比弹性工作区域约大 200 倍，且抗拉强度与屈服点之比
(强屈比) 较大，是钢结构的极大后备强度，使钢材不会发生真正的塑性破坏，十分安全可靠。

对无明显屈服点的钢材，以卸载后试件的残余应变为 0.2% 所对应的应力作为屈服点。

四、计算题：
1.解：（1）查表可知：
45.0=μ P=125KN KN N b
v 625.5012545.019.0=⨯⨯⨯=
330
22151515001=⨯==d mm ＜l Θmm 0.1=βΘ
（2）受力分析： KN 33060cos30F N x =︒== KN
3060sin30F V y =︒==
mm
N F F T y x .10297.9180756⨯=+=
（3）求各种力单独作下危险螺栓所受的力
KN n N N N x 35.743301===
KN n V N V
y 5.74301===
∑∑⨯+⨯=+222
2
754504i
i
y
x 2
32500mm =
N N
T x
46110145.2325007510297.9⨯=⨯⨯= N
N T y 4611043.1325005010297.9⨯=⨯⨯=
（4）危险螺栓所受合力
()()
2
4
3
2
4
311043.110
5.710145.21035
.7⨯+⨯+⨯+⨯=
N
KN
KN ＜N b v 625.5076.40==
2.解：（1）荷载计算 标准值：
3450033000⨯+⨯=k q m
N 22500=
设计值：
4.1345002.133000⨯⨯+⨯⨯=d q m
N 29700=
（2）内力计算：
2
2max 62970081
81⨯⨯==l q M d m KN .65.133= （3）查表：
A=67.05cm2 Ix=11076cm4 Wx=692.2cm3 rx=1.05 F=215N/mm2 E=2.06×105N/mm （4）验算：
强度：①抗弯强度：36
102.69205.11065.133⨯⨯⨯=nx x W r M 2
221589.183mm N ＜f mm N ==
②抗剪强度：对于轧制工字钢，可不验算。

③腹板局部压应力：对均布荷载情况不需验算，支座处设有支承加劲肋也不需验算。

④折算应力：对型钢梁不需验算。

刚度：
EI l q w k 43845⨯=101107610206101062250038453
824⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-mm l mm ＜242506000
25064.16===
整体稳定：由于有平板密铺在梁受压翼缘上并与其牢固连接，故不需验算。

局部稳定：对型钢梁不需验算。

3.解：（1）截面几何特性：
2
124802030036018mm A =⨯+⨯= 3
68
11068.11091083.1mm W x ⨯=⨯=
3
5821075.62711083.1mm
W x
⨯=⨯= mm i x 1.121124801083.18=⨯=
mm
i y 18.60124801052.47
=⨯=
（2）荷载计算：
KN F N 900== mm N M .1035.1150109008
31⨯=⨯⨯=
mm N M .10910010900732⨯=⨯⨯=
（3）弯矩作用平面内整体稳定验算
m
l ox 8=
9.654.1218000
==
x λ
查b 类 775
.0=x ϕ
883.01035.110935.065.08
7
=⨯⨯+=mx
β
05
.11=x r
2
.12=x r
（
按塑性设计
∴=⨯-=1305.720
218
3001＜t b Θ
）
N
N Ex
52
521006.539.651.112480
1006.2⨯=⨯⨯⨯⨯='π
对受压侧：)8.01(11Ex
x x x mx x N N W r M A N
'-+
βφ
2
25
5
6
8
3
2053.1712
.781.93)10
06.531098.01(1068.105.11035.1883.012480775.010900mm N ＜f mm N ==+=⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯+⨯⨯=
对受拉侧：
2
25
5
5
8
512220567.11477
.1861.72)10
06.5310925.11(1075.62.11035.1883.012480
109)
25.11(mm N ＜f mm N N N W r M A N
Ex x x x mx ==-=⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯-⨯=--β
（4）弯矩作用平面外的整体稳定验算
9.13218.608000
8==
=y oy m l λ
查b 类 374.0=y ϕ 883.01035.110935.065.087
=⨯⨯⨯+=tx β
708.09.1320022.01235
0022.01=⨯-=-=y
y
b f λϕ
2
2685120505.29323
.10082.1921068.1708.01035.1883.0112480374.0109mm N ＞f mm N W M A N
x
b x
tx y ==+=⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯=+ϕβηϕ
作业二
一、单项选择题：
1.C
2.A
3.B
4.A
5.D
6.B
7.A
8.D
9.B 10.C
二、填空题：
1.承载能力极限状态 正常使用极限状态
2.轻质高强 材质均匀 韧性和塑性良好 装配程度高 施工周期短 密闭性好 耐热不耐火 易锈蚀
3.塑性破坏 脆性破坏
4.化学成分 钢材缺陷 冶炼 浇注 轧制 钢材硬化 温度 应力集中 残余应力 重复荷载作用
5.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
6.屈服点 抗拉强度 伸长率 冲击韧性 冷弯性能
7.焊接连接 铆钉连接 螺栓连接 8. 8h f 40mm 60 h f 9.螺栓剪坏 孔壁挤压坏 构件被拉断 端部钢板被剪坏 螺栓弯曲破坏 10.螺栓材质 螺栓有效面积 11．X －轴
三、简述题：
1.钢结构具有的特点：
①钢材强度高，结构重量轻；②钢材内部组织比较均匀，有良好的塑性和韧性； ③钢结构装配化程度高，施工周期短；④钢材能制造密闭性要求较高的结构； ⑤钢结构耐热，但不耐火；⑥钢结构易锈蚀，维护费用大。

2.钢结构的合理应用范围：
①重型厂房结构；②大跨度房屋的屋盖结构；③高层及多层建筑；④轻型钢结构；⑤塔桅结构； ⑥板壳结构；⑦桥梁结构；⑧移动式结构。

N1=0.7×( 529-131) = 278.6 KN
（3）计算肢间焊缝L2:
N2=0.3×( 529-131) = 119.4 KN
(4) 构造要求
8h f= 48mm ,60h f=360mm
48≦l1≦360 , 48≦l2≦360
均满足构造要求。

2.解：
[]kN
f d n
N b v v
b v
7.8110130204
24
322
=⨯⨯⨯⨯
==-π
π
[]kN
f t d N b c
b c 8.1091030518203
=⨯⨯⨯==-∑
[]KN N b
7.81min
=
KN N N n b
3.77
.81600
][m in ===
取8个
排列 中距 5
.6430=d 取80 端距
.4320=d 取50
边距
25
.325.10=d 取40
净截面验算
2
210618)5.212160( mm A I I n =⨯⨯-=-
MPa
A N n 2852106106003
=⨯==σ>215MPa
说明净截面强度不够，接头不能承受600kN 的拉力，经验算，盖板应采用12mm 厚钢板，被连
接板应采用25mm 钢板。

拼接板长 ()mm l 690108035022=+⨯+⨯⨯=
3.解：
kN N f A N i L mm A
I i mm I i L mm A I i mm I mm A y y x y y y x x x x x 44.3787378744021524000734.0734.0)732.0739.0(1
7
.0739.07
.72132
9600
132********.416 107.41650020121
22.392459600 24524000101435
1014352605002025008121
240008500)50020(26463646232
==⨯⨯=⋅⋅≤=--
=→====⨯=
=
⨯=⨯⨯⨯=====⨯==
⨯=⨯⨯⨯+⨯⨯==⨯+⨯=ϕϕλλλ
作业三
一、填空题：
1.抗拉强度fu 伸长率δ10或δ5屈服点fy 180º冷弯性能和冲击韧性ak 0.8
2.硫(S)和氧(O) 磷(P)和氮(N)
3.fv=0.58fy
4.屈服强度半镇定沸腾钢
5.弯曲弯扭扭转弯曲
6.通过分肢腹板的主轴通过分肢缀件的主轴
7.低 8. 8hf 和 40mm 2d0 9.不影响降低降低降低
10.材料强度和螺栓的有效截面面积 11.孔壁承压和栓杆抗剪摩擦力
二、简述题：
1.钢结构具有的特点：
○1钢材强度高，结构重量轻；○2钢材内部组织比较均匀，有良好的塑性和韧性；
③钢结构装配化程度高，施工周期短；④钢材能制造密闭性要求较高的结构；
⑤钢结构耐热，但不耐火；⑥钢结构易锈蚀，维护费用大。

2.钢结构的合理应用范围：
○1重型厂房结构；○2大跨度房屋的屋盖结构；③高层及多层建筑；④轻型钢结构；⑤塔桅结构；
⑥板壳结构；⑦桥梁结构；⑧移动式结构。

3.钢材在连续反复荷载作用下，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劳或疲劳破坏。

影响钢材疲劳的主要因素是应力集中、应力幅（对焊接结构）或应力比（对非焊接结构）以及应力循环次数。

4.钢材在施焊过程中会在焊缝及附近区域内形成不均匀的温度场，在高温区产生拉应力，低温区产生相
应的压应力。

在无外界约束的情况下，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均匀收缩变形，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降低结构的疲劳强度；○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：变形若超出了施工验收规范所容许的范围，将会影响结构的安装、正常使用和安全承载；所以，对过大的残余变形必须加以矫正。

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，采用反变形和局部加热法；按焊接工艺严格施焊，避免随意性；尽量采用自动焊或半自动焊，手工焊时避免仰焊。

三、计算题：
1.设计双角钢拉杆与节点板之间的连接角焊缝计算长度L1=?,L2=?
已知：采用三面围焊：h f =6mm,f w f =160N/mm2,N=529kN(静载设计值)
N1=0.7×( 529-131) = 278.6 KN
（3）计算肢间焊缝L2:
N2=0.3×( 529-131) = 119.4 KN
(4) 构造要求
8h f= 48mm ,60h f=360mm
48≦l1≦360 , 48≦l2≦360 均满足构造要求。

2.解：均布荷载作用下的最大弯矩设计值：
m kN ql M ⋅=⨯==36868822max
应用拉弯构件强度计算公式
⇒≤+f W M A N n x n γ kN N N N 4374370002151030905.11036104236
2==⇒≤⨯⨯⨯+⨯
刚度验算： 满足）(350][7.6699.8600=<===
λλx ox x i l
3.解：
kN N f A N i L mm A
I i mm I i L mm A I i mm I mm A y y x y y y x x x x x 44.3787378744021524000734.0734.0)732.0739.0(1
7
.0739.07
.72132
9600
132********.416 107.41650020121
22.392459600 24524000101435
1014352605002025008121
240008500)50020(26463646232
==⨯⨯=⋅⋅≤=--
=→====⨯=
=
⨯=⨯⨯⨯=====⨯==
⨯=⨯⨯⨯+⨯⨯==⨯+⨯=ϕϕλλλ。