西南大学网络教育课程钢结构设计题目与答案.docx

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西南大学网络教育课程钢结构设计题目与答案

一、简答题

论述题

题目说明:

（10.0分）1.

1、设置檩条拉条有何作用？

如何设置檩条拉条?

答：

①为了给檩条提供侧向支承，减小檩条沿屋面坡度方向的跨度，减小檩条在施工和使用阶段的侧向变形和扭转。

②当檩条的跨度4~6m时，宜设置一道拉条；当檩条的跨度为6m以上时，应布置两道拉条。

屋架两坡面的脊檩须在拉条连接处相互联系，或设斜拉条和撑杆。

Z形薄壁型钢檩条还须在檐口处设斜拉条和撑杆。

当檐口处有圈梁或承重天沟时，可只设直拉条并与其连接。

当屋盖有天窗时，应在天窗两侧檩条之间设置斜拉条和直撑杆。

2、压型钢板根据波高的不同，有哪些型式，分别可应用于哪些方面？

答：

高波板：

波高>75mm，适用于作屋面板中波板：

波高50~75mm，适用于作楼面板及中小跨度的屋面板低波板：

波高<50mm，适用于作墙面板。

3、屋架中，汇交于节点的拉杆数越多，拉杆的线刚度和所受的拉力越大时，则产生的约束作用越大，压杆在节点处的嵌固程度越大，压杆的计算长度越小，根据这个原则桁架杆件计算长度如何确定?

答：

⑴桁架平面内：

弦杆、支座斜杆、支座竖杆---杆端所连拉杆少，本身刚度大，则lox=l；其他中间腹杆：

上弦节点所连拉杆少，近似铰接或者下弦节点处、下弦受拉且刚度大，则lox=0.8l；

⑵桁架平面外：

对于腹杆发生屋架外的变形，节点板抗弯刚度很小，相当于板铰，取loy=l1；l1范围内，杆件内力改变时，则loy=l1（0.75+0.25N2/N）

⑶斜平面：

腹杆计算长度loy=0.9l

4、由双角钢组成T形或十字形截面的的杆件，为保证两个角钢共同工作，在两角钢间每隔一定距离加设填板以使两个角钢有足够的连系，填板间距有何要求?

答：

填板间距：

对压杆ld≤4i，对拉杆ld≤80i；在T形截面中，i为一个角钢对平行于填板的自身形心轴的回旋半径；在十字形截面中i为一个角钢的最小回旋半径。

5、屋架节点板厚度如何确定？

中间节点板厚度与支座节点板厚度有何关系？

中间节点板厚度与填板厚度有何关系？

答：

节点板的厚度对于梯形普通钢桁架等可按受力最大的腹杆内力确定，对于三角形普通钢桁架则按其弦杆最大内力确定；在同一榀桁架中，所有中间节点板均采用同一种厚度，支座节点板由于受力大且很重要，厚度比中间的增大2mm；中间节点板厚度与填板厚度相等。

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（10.0分）2.

16、三角形、梯形、平行弦横加各适用于哪些屋盖体系？

答：

三角形屋架主要用于屋面坡度较大的有檩条屋盖结构中或中、小跨度的轻型屋面结构中。

梯形屋架一般用于屋面坡度较小的屋盖结构中，现已成为工业厂房屋盖结构的基本形式。

平行弦屋架一般用于单坡屋面的屋架及托架或支撑体系中。

17、试述吊车梁的类型及其应用范围？

答：

吊车梁按结构体系可分为实腹式、下撑式和桁架式。

按支承情况分为简支和连续。

实腹简支吊车梁应用最广，当跨度及荷载较小时，可采用型钢梁，否则采用焊接梁，连续梁比简支梁用料经济，但由于它受柱的不均匀沉降影响较明显，一般很少应用；下撑式吊车梁和桁架式吊车梁用钢量较少，但制造费工、高度较大，桁架式吊车梁可用于跨度大但起重量较小的吊车梁中。

18、布置柱网时应考虑哪些因素？

答：

柱网布置主要是根据工艺、结构与经济的要求确定。

此外，还要考虑建筑内其他部分与柱网的协调，如基础、地下管道、烟道等。

19、为什么要设置温度缝？

答：

当厂房平面尺寸很大时，由于温度影响会使构件内产生很大的温度应力，并导致墙和屋面的破坏，因此要设置温度缝。

20、厂房柱有哪些类型？

它们的应用范围如何？

答：

厂房横向框架柱按其形式可分为等截面柱、均匀变截面柱、台阶式柱和分离式柱。

等截面柱适用于吊车起重量小于200kN的车间；均匀变截面柱适用于轻钢结构厂房；台阶式柱适用于传统厂房；分离式柱一般较台阶式柱费钢材，上部刚度较小，但在吊车起重量较大而厂房高度小于18m时采用分离式柱，还可用在有扩建的厂房中，吊车荷载比较大而厂房用压型钢板做屋面的厂房中。

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（10.0分）3.

11、简述在什么情况下，宜设置屋架下弦横向水平支撑？

答：

①下承式屋架跨度≥24m时，或厂房内有振动设备，（A6级以上）重级工作制桥式吊车或起重量在30t以上中级工作制（A4级以上）桥式吊车时。

②山墙抗风柱支承于屋架下弦时。

③屋架下弦设有悬挂吊车（或悬挂运输设备）时。

④在屋架下弦平面设置纵向支撑时。

⑤采用弯折下弦屋架时。

12、试述屋面支撑的种类及作用。

答：

种类：

上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、竖向支撑、系杆。

作用：

1、保证屋盖结构的几何稳定性；2、保证屋盖结构的空间刚度和整体性；3、为受压弦杆提供侧向支撑点；4、承受和传递纵向水平力；5、保证结构在安装和架设过程中的稳定性。

13、如何确定桁架节点板厚度？

一个桁架的所有节点板厚度是否相同？

答：

节点板上应力分布比较复杂，一般不作计算，通常节点板厚度可根据腹杆（梯形屋架）或弦杆（三角形屋架）的最大内力选用。

一个桁架的所有节点板厚度不相同。

14、檩条分实腹式和格构式，这两种结构形式各适用于哪种情况？

答：

实腹式檩条构造简单，制造几安装方便，常用于跨度为3-6m的情况；当檩条跨度大于6m时，采用格构式檩条。

15、为什么檩条要布置拉条？

是不是凡是檩条均配置拉条？

答：

为了给檩条提供侧向支承，减小檩条沿屋面坡度方向的跨度，减小檩条在施工和使用阶段的侧向变形和扭转，需要设置檩条。

不是所有檩条均配置拉条，如空间桁架式檩条和T形桁架檩条都不需要设置。

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（10.0分）4.

6、屋架上弦杆有非节点荷载作用应如何设计？

杆件局部弯矩如何确定？

答：

⑴把节间荷载化为节点荷载，计算屋架在节点荷载作用下轴力

⑵计算节间荷载产生的局部弯矩

⑶按压弯构件进行计算

7、钢结构节点设计时应遵循的基本原则是什么？

答：

⑴连接节点应有明确的传力路线和可靠的构造保证。

传力应均匀和分散，尽可能减少应力集中现象。

在节点设计过程中，一方面要根据节点构造的实际受力状况，选择合理的结构计算简图；另一方面节点构造要与结构的计算简图相一致。

避免因节点构造不恰当而改变结构或构件的受力状态，并尽可能地使节点计算简图接近于节点实际工作情况。

⑵便于制作、运输和安装。

节点构造设计是否恰当，对制作和安装影响很大。

节点设计便于施工，则施工效率高，成本降低；反之，则成本高，且工程质量不易保证。

所以应尽量简化节点构造。

⑶经济合理。

要对设计、制作和施工安装等方面综合考虑后，确定最合适的方案。

在省工时与省材料之间选择最佳平衡。

尽可能减少节点类型，连接节点做到定型化、标准化。

   总体来说，首先节点能够保证具有良好的承载能力，使结构或构件可以安全可靠地工作；其次则是施工方便和经济合理。

8、简述柱间支撑布置的原则。

答：

1.承受并传递纵向水平荷载：

作用于山墙上的风荷载、吊车纵向水平荷载、纵向地震力等。

2.减少柱在平面外的计算长度。

3.保证厂房的纵向则度。

9、选择轴心受压实腹柱的截面时应考虑哪些原则？

答：

1.面积的分布应尽量开展，以增加截面的惯性矩和回转半径，提高柱的整体稳定性和刚度；2.使两个主轴方向等稳定性，以达到经济效果；3.便于与其他构件连接；4.尽可能构造简单，制造省工，取材方便。

10、试述上弦横向水平支撑的作用及布置要求。

答：

上弦横向水平支撑的作用：

为屋架上弦提供侧身支撑，承受山墙传来的风荷载等。

上弦横向水平支撑的布置要求：

上弦横向水平支撑最好设置在屋盖两端或温度区段的第一柱间。

但当两端第一柱间比中部缩进0.5m时，也常设在端部第二柱间。

上弦横向水平支撑的间距不宜超过60m。

当房屋纵向长度较大时，应在房屋长度中间再加设置横向水平支撑。

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（10.0分）5.

26、设计实腹式檩条时应进行哪些验算？

答：

实腹式檩条设计时可不考虑扭矩，按双向受弯构件计算，需验算强度、整体稳定和刚度。

27、简述拉条的布置原则。

答：

1）跨度小于4m可不设拉条，4-6m在跨中设一道拉条，大于6m在1/3跨度处设二道拉条.2）当屋盖有天窗时，应在天窗两侧檩条之间设置斜拉条和直撑杆。

28、钢结构的承载能力极限状态包括以下哪几个方面？

答：

1）整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（如倾覆）   2）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏；3）结构转变为机动体系（倒塌）；  4）结构或构件丧失稳定（屈曲等）；  5）结构出现过度的塑性变形，而不适于继续承载；      

6）在重复荷载作用下构件疲劳断裂

29、简述单层钢结构厂房的结构布置。

答：

单层厂房钢结构的组成单层厂房结构必须具有足够的强度、刚度和稳定性，以抵抗来自屋面、墙面、吊车设备等各种竖向及水平荷载的作用。

单层厂房钢结构一般是由天窗架、屋架、托架、柱、吊车梁、制动梁（或衍架）、各种支撑以及墙架等构件组成的空间骨架横向平面框架，是厂房的基本承重结构，由框架柱和横梁（或屋架）构成。

承受作用在厂房的横向水平荷载和竖向荷载并传递到基础。

纵向平面框架，由柱、托架、吊车梁及柱间文撑等构成。

其作用是保证厂房骨架的纵向不可变性和刚度，承受纵向水平荷载（吊车的纵向制动力、纵向风力等并传递到基础。

屋盖结构，由天窗架、屋架、托架、屋盖支撑及棱条构成。

30、简述厂房高度的定义，结合下图写出有吊车厂房高度的表达式，并说明该表达式中各符号的含义？

厂房高度是指室内地面至柱顶（或屋盖斜梁最低点、或屋架下弦底面）的距离。

厂房高度的确定必须满足生产工艺要求，并应综合考虑空间的合理利用。

对于有吊车的厂房，不同的吊车对厂房高度的影响各不相同。

对采用支撑式梁式吊车和桥式吊车厂房来说,厂房高度按式）确定：

            H=H1+H2

                      H1=h1+h2+h3+h4+h5

                       H2=h6+h 7

根据《厂房建筑模数协调标准》的规定，柱顶标高H应为300mm的倍数。

式中H1—轨顶标高。

H2—轨顶至柱顶高度。

h1—需跨越的最大设备高度。

h2—起吊物与跨越物间的安全距离，一般为400mm～500mm。

h3—起吊的最大物件高度。

h4—吊索最小高度，根据起吊物件的大小和起吊方式决定，一般大于1m。

h5—吊钩至轨顶面的距离，由吊车规格表中查得。

h6—轨顶至小车顶面的距离，由吊车规格表中查得。

h 7—小车顶面至屋盖斜梁最低点或屋架下弦底面之间的安全距离，应考虑屋盖结构的挠度、厂房可能不均匀沉陷等因素，最小尺寸为220mm，湿陷性黄土地区一般不小于300mm。

如果屋架下弦悬挂有管线等其它设施时，还需另加必要的尺寸。

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（10.0分）6.

21、结合下图写出有吊车厂房横向柱距的表达式，并说明该表达式中各符号的含义？

答：

对于有吊车的厂房，跨度一般取上部柱中心线间的横向距离，可按式

L0=LK+2S

式中LK—支撑式梁式吊车或桥式吊车的跨度；

S—由吊车大轮中心线至上柱轴线的距离，应满足下式要求：

S=B+C+D/2

B—吊车梁或吊车桥架悬伸长度，可由行车样本查得；

C—吊车外缘和柱内缘之间的必要空隙：

当吊车其重量不大于500KN时，不宜小于80mm；当吊车起重量大于或等于750KN时，不宜小于100mm；当吊车和柱之间需设走道时，则不得小于400mm。

D—上段柱宽度。

22、为什么梯形屋架除按全跨荷载计算外，还要按半跨荷载进行计算？

答：

因为对梯形屋架、人字形屋架、平行弦屋架等的少数斜腹杆（一般为跨中每侧各两根斜腹杆）可能在半跨荷载作用下产生最大内力或引起内力变号，所以对这些屋架还应根据使用和施工过程的荷载分布情况考虑半跨荷载的作用。

23、试述上弦横向水平支撑的作用及布置要求。

答：

上弦横向水平支撑的作用：

为屋架上弦提供侧身支撑，承受山墙传来的风荷载等。

上弦横向水平支撑的布置要求：

上弦横向水平支撑最好设置在屋盖两端或温度区段的第一柱间。

但当两端第一柱间比中部缩进0.5m时，也常设在端部第二柱间。

上弦横向水平支撑的间距不宜超过60m。

当房屋纵向长度较大时，应在房屋长度中间再加设置横向水平支撑。

24、选择轴心受压实腹柱的截面时应考虑哪些原则？

答：

1.面积的分布应尽量开展，以增加截面的惯性矩和回转半径，提高柱的整体稳定性和刚度；2.使两个主轴方向等稳定性，以达到经济效果；3.便于与其他构件连接；4.尽可能构造简单，制造省工，取材方便。

25、简述柱间支撑的作用？

答：

1.承受并传递纵向水平荷载：

作用于山墙上的风荷载、吊车纵向水平荷载、纵向地震力等。

2.减少柱在平面外的计算长度。

3.保证厂房的纵向则度。

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二、计算题

论述题

题目说明:

（10.0分）1.

计算题1-7题1422868706733.doc

1、某机械厂单跨厂房，内有2台Q=20/5t软钩吊车，工作级别A6（重级工作制），每台吊车有4轮，横行小车重7.2t。

求：

作用在一边吊车梁上所有的横向水平荷载标准值。

1.按两台吊车，每台轿车吊车有两轮，共有四轮，吊车横向水平荷载取横行小车重量与额定起重量的10%，在乘以重力加速度，每台吊车按四轮分配。

∑TTK=2*2*0.1*（7.2+20）/4*9.8=26.66（KN）

2、一钢桁架的受压腹杆，采用填板连接而成的双角钢T形截面构件，角钢用2L50×5.腹杆的两端分别焊于上、下弦杆的节点板上，节点中心距为1.2m，角钢截面特性如图所示。

确定在节点板间连接两角钢的填板数。

.解：

用填板连接而成的双角钢T形截面受压构件，若按实腹式受压构件进行计算，则填板间距S≤40i，对于双角钢T形截面时，i取一个角钢与填板平行的形心轴的回转半径。

同时规定受压构件的两个侧向支承点之间的填板数不得少于2个。

由于S≤40i=40ix=40×1.53=61.2cm，只需设置1块，而受压构件设置的最小数是2块，故该受压腹杆应设置2块。

3、如图所示上弦杆与腹杆之间的节点板，上弦杆为2L100×10，节点板厚t=12mm。

承受集中力P=37.44kN，弦杆内力差△N=421200N，为了便于在上弦搁置大型屋面板，节点板的上边缘可缩进肢背8mm，用塞缝连接。

求：

上弦杆角钢趾部角焊缝的焊脚尺寸。

3.如图所示上弦杆与腹杆之间的节点板，上弦杆为2L100×10，节点板厚t=12mm。

承受集中力P=37.44kN，弦杆内力差△N=421200N，为了便于在上弦搁置大型屋面板，节点板的上边缘可缩进肢背8mm，用塞缝连接。

求：

上弦杆角钢趾部角焊缝的焊脚尺寸。

 解：

肢背：

hf=t/2=6mm，lw=360-12=348mm。

承受集中力P=37.44kN，则：

τf=P/2×0.7hf×lw=37440/（2×0.7×6×348）=13N/mm2

肢尖：

肢尖焊缝承担弦杆内力差421200N，偏心距e=10-2.5=7.5cm，偏心弯矩：

M=△Ne=421200×75=31590000N·mm，hf=8mm，则

τ△N=△N/（2×0.7hflw）=421200/（2×0.7×8×348）=108N/mm2

σM=M/WW=6×31590000/（2×0.7×8×3482）=140N/mm2

[τ2△N+（σM/1.22）2]1/2=[1072+（138/1.22）2]1/2=158N/mm2

满足强度要求。

4、次梁与主梁连接采用10.9级M16的高强度螺栓摩擦型连接，连接处钢材接触表面的处理方法为喷砂后涂无机富锌漆，其连接方式如图所示，考虑了连接偏心的不利影响后，取次梁端部剪力设计值V=110.2kN,连接所需的高强度螺栓数量（个）？

4.解：

根据《钢规》第7.2.2条第1款，式（7.2.2-1）及表7.2.2-1、表7.2.2-2，一个10.9级M16高强度螺栓的抗剪承载力设计值为：

Nbv=0.9nfμP=0.9×1×0.35×100=31.5kN

高强度螺栓数量计算：

n=V/Nbv=110.2/31.5=3.29，取4个。

5、某受压构件采用热轧H型钢HN700×300×13×24，其腹板与翼缘相接处两侧圆弧半径γ=28mm。

试问，进行局部稳定验算时，腹板计算高度h0与其厚度tw之比值？

5.解：

根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第4.1.3条注：

h0=700-2×（24+28）=596mm，h0/tw=596/13=45.8

6、写出下图人字形支撑内力N1和N2的公式。

6、写出下图人字形支撑内力N1和N2的公式。

H+W1=（N1-N2）cosθ

则：

N1=N2=（H+W1）/2cosθ

式中：

N1—斜拉杆承载力设计值；

N2—斜压杆承载力设计值；N2=-N1

7、如图所示吊车梁跨度10m，作用有两台吊车，求该吊车梁的绝对最大弯矩。

7、解：

如图所示，绝对最大弯矩将发生在荷载F2或F3下面的截面。

1）梁上荷载的合力：

FR=82×4=328KN

2）确定FR和Fk的间距a

由于F1=F2=F3=F4，故其合力FR和F3的间距应相等，可求得a=1.5/2=0.75m。

3）确定Fk作用点位置

由Fk与FR合力应位于梁中点两侧的对称位置上，因而Fk=F2距跨中为a/2=0.375m。

三、综合分析题

论述题

题目说明:

综合分析题

1、设计资料：

屋面材料为石棉水泥波形瓦，干铺油毡一层，20厚木望板，屋面坡度1/2.5，檩条跨度6m，于跨中设一道拉条，水平檩距0.75m，沿坡向斜距0.808m。

钢材Q235。

永久荷载标准值：

石棉瓦（含防水及木基层）0.37kN/m2，檩条（包括拉条、支撑）自重设为0.1kN/m。

可变荷载：

屋面雪荷载为0.4kN/m2，均布荷载为0.5kN/m2，风荷载较小不考虑，由于检修集中荷载1.0kN的等效均布荷载为2×1/（0.75×6）=0.444kN/m2，小于屋面均布活荷载，故可变荷载采用0.5kN/m2。

要求：

根据以上条件进行檩条设计。

1.解：

（1）内力计算：

檩条线荷载：

pk=0.37×0.808+0.1+0.50×0.75=0.774kN/mP=1.2×（0.37+0.808+0.1）+1.4×0.50×0.75=1.004kN/mPx=psin21.800=0.373kN/mPy=pcos21.800=0.932kN/m弯矩设计值：

Mx=pyl2/8=0.932×62/8=4.19kN.mMy=pxl2/32=0.373×62/32=0.42kN.m

（2）截面选择及强度验算

选择轻型槽钢[10，如图所示。

Wx=34.8cm3，Wymax=14.2cm3,Wymin=6.5cm3,Ix=173.9cm4，ix=3.99cm，iy=1.37cm。

计算截面有孔洞削弱，考虑0.9的折减系数，则净截面模量为：

Wnx=0.9×34.8=31.30cm3，Wnymax=0.9×14.2=12.78cm3，Wnymin=0.9×6.5=5.85cm3。

屋面能阻止檩条失稳和扭转，截面的塑性发展系数γx=1.05，γ=1.20，计算截面a、b点的强度为：

σa=Mx/γxWnx+My/γyWnymin=4.19×106/（1.05×31.32×103）+0.42×106/（1.2×5.85×103）=187.2N/mm2<215N/mm2σb=Mx/γxWnx+My/γyWnymax=4.19×106/（1.05×31.32×103）+0.42×106/（1.05×12.78×103）=158.7N/mm2<215N/mm2

（3）挠度计算

υy=5/384·（0.774×cos21.80×60004）/（206×103×173.9×104=33.85mm

（4）构造要求

λx=600/3.99=150.4<200，λy=300/1.37=219.0>200

故此檩条不可兼作屋面平面内的支撑竖杆或刚性系杆，只可兼作柔性系杆。

2、条件：

下图所示超静定桁架、两斜杆截面相同，承受竖向荷载P，因竖杆压缩而在两斜杆中产生压力250kN。

桁架的水平荷载则使两斜杆分别产生拉力和压力150kN。

1）两斜杆在交叉点均不中断。

当仅承受竖向荷载时，确定斜杆AD在桁架平面外的计算长度（m）?

2）两斜杆在交叉点均不中断。

当仅承受水平荷载时，确定斜杆AD在桁架平面外的计算长度（m）?

3）两斜杆在交叉点均不中断。

同时作用有竖向荷载和水平荷载时，确定斜杆AD在桁架平面外的计算长度（m）?

2、解：

1）解：

μ=[0.5（1+N0/N）]1/2=[0.5（1+250/250）]1/2=1.0l=2.828，则平面外：

l0=μl=2.828m

2）解：

μ=[0.5（1-3N0/4N）]1/2=[0.5（1-3×150/4×150）]1/2=0.35＜0.5

取μ=0.5，l0=μl=0.5×2.828=1.414m

3）解：

斜杆BC：

承受250-150=100kN压力

斜杆AD：

承受250+150=400kN压力μ=[0.5（1+N0/N）]1/2=[0.5（1+100/400）]1/2=0.791l0=μl=0.791×2.828=2.236m

3、设计由两槽钢组成的缀板柱，柱长7.5m，两端铰接，设计轴心压力为1500kN，钢材为Q235-B，截面无削弱。

3、解：

（1）肢件的选择

设λy=60查表φy=0.807则A≥N/φf=1500000/0.807×215=8645mm2选2[36a查表得A=47.8cm2i1=2.73cmiy=13.96cmI1=455cm4验算：

刚度λy=l0y/iy=7500/139.6=53.7<[λ]=150φy=0.839,N/φA=1500000/0.839×47.8×2×100=187N/mm2

（2）确定分肢间距

令λox=λy，λ1=0.5λy=26.85则λx=（λ2y-λ2x）0.5=（λ2y-λ2x）0.5=46.5ix=l0x/λx=7500/46.5=161.3则a=2（i2x-i21）0.5=2（161.32-27.32）0.5=318mm取a=320mm

验算对虚轴的刚度级稳定性:

Ix=2[I1+A（a/2）2]=2×[455+47.8×（32/2）2]=25383.6cm4ix=（Ix/A）0.5=[25383.6/（2×47.8）]0.5=16.3cmλx=l0x/ix=75000/163=46

λ0x=[λ2x+λ21]0.5=[462+26.852]0.5=53.3查表φx=0.841

N/φxA=1500000/（0.841×47.8×2×100）=186.6N/mm2

（3）缀板设计

l01=λ1i1=26.85×27.3=73.3mmd≥2a/3=213mm，取d=220mmt≥a/40=8