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钢结构一注6试题及解答
一级注册结构工程师钢结构专业历年试题
2009年试题与解答
题16~23
为增加使用面积,在现有一个单层单跨建筑内加建一个全钢结构夹层,该夹层与原建筑结构脱开,可不考虑抗震设防。
新加夹层结构选用Q235-B钢材,焊接采用E43焊条。
楼板为SPl0D板型,面层做法20mm厚,SP板板端预埋件与次梁焊接。
荷载标准值:
永久荷载为2.5kN/m2(包括SPl0D板自重、板缝灌缝及楼面面层做法),可变荷载为4.0kN/m2。
夹层平台结构如图16~23所示。
图16~23
(a)柱网平面布置;(b)主次梁连接
16.在竖向荷载作用下,次梁承受的线荷载设计值为25.8kN/m(不包括次梁自重)。
试问,强度计算时,次梁的弯曲应力值(N/mm2),与下列何项数值最为接近?
A.149.2B.155.8C.197.1D.207.0
【解】考虑次梁自重后的均布荷载设计值:
25.8+1.2×0.243=26.09kN/m
次梁跨中弯矩设计值:
M=
kN·m
根据《钢结构设计规范》GB50017-2003第4.1.1条;
4.1.1在主平面内受弯的实腹构件(考虑腹板屈曲后强度者参见本规范第4.4.1条),其抗弯强度应按下列规定计算:
≤f(4.1.1)
式中Mx、My—同一截面处绕x轴和y轴的弯矩(对工字形截面:
x轴为强轴,y轴为弱轴):
Wnx、Wny—对x轴和y轴的净截面模量;
γx、γy—截面塑性发展系数;对工字形截面,γx=1.05,γy=1.20:
对箱形截面,γx=γy=1.05;对其他截面.可按表5.2.1采用;
f—钢材的抗弯强度设计值。
当梁受压翼缘的自由外伸宽度与其厚度之比大于13
而不超15
时,应取γx=1.0。
fy为钢材牌号所指屈服点。
对需要计算疲劳的梁,宜取γx=γy=1.0。
受压翼缘的宽厚比小于13;承受静力荷载γx=1.05
N/mm2故选择C
17.要求对次梁作刚度验算。
试问,在全部竖向荷载作用下次梁的最大挠度与其跨度之比,与下列何项数值最为接近?
A.1/282B.1/320C.1/385D.1/421
【解】
3.1.4按承载能力极限状态设计钢结构时。
应考虑荷载效应的基基本组合,必要时尚应考虑荷载效应的偶然组合。
按正常使用极限状态设计钢结构时,应考虑荷载效应的标准组合,对钢与混凝土组合梁,尚应考虑准永久组合。
考虑次梁自重后的均布荷载标准值:
qk=(2.5+4)×3+0.243=19.7kN/m
跨中最大挠度:
mm
挠度与跨度之比:
10.7/4500=1/421故选择D
18.该夹层结构中的主梁与柱为铰接支承,求得主梁在点“2”处(见柱网平面布置图,相当于在编号为点“2’’处的截面上的弯矩设计值M2=1107.05kN·m,在点“2”左侧的剪力设计值V2=120.3kN。
次梁受载情况同题16。
试问,在点“2’’处主梁腹板上边缘的最大折算应力设计值(N/mm2),与下列何项数值最为接近?
提示:
①主梁单侧翼缘毛截面对中和轴的面积矩S=2121.6×103mm3。
②假定局部压应力为σc=0
A.189.5B.209.2C.215.0D.220.8
【解】依据《钢结构设汁规范》GB50017-2003第4.1.4条计算。
4.1.4在梁的腹板计算高度边缘处,若同时受有较大的正应力、剪应力和局部压应力,或同时受有较大的正应力和剪应力(如连续梁中部支座处或梁的翼缘截面改变处等)时,其折算应力应按下式计算:
≤β1f(4.1.4-1)
该位置由于弯矩引起的弯曲正应力:
N/mm2
该位置由于剪力引起的剪应力:
N/mm2
折算应力:
N/mm2
故选择B
19.该夹层结构中的主梁翼缘与腹板采用双面角焊缝连接,焊缝高度hf=6mm,其他条件同题18。
试问,在点“2’’次梁连接处,主梁翼缘与腹板的焊接连接强度设计值(N/mm2),与下列何项数值最为接近?
A.20.3B.18.7C.16.5D.13.1
【解】依据《钢结构设计规范》GB50017-2003第7.3.1条计算。
注意:
该题中的“F”为0,次梁的荷载通过加劲肋传递。
7.3.1组合工字梁翼缘与腹板的双面角焊缝连接,其强度应按下式计算:
≤
(7.3.1)
式中Sf—所计算翼缘毛截面对梁中和轴的面积矩;
I—梁的毛截面惯性矩。
公式(7.3.1)中,F、ψ和lz应按4.1.3条采用;βf应按7.1.3条采用。
注:
1当梁上翼缘受有固定集中荷载时,宜在该处设置顶紧上翼缘的支承加劲肋,此时取F=0。
2当腹板与翼缘的连接焊缝采用焊透的T形对接与角接组合焊缝时,其强度可不计算。
=13.1N/mm2故选择D
20.夹层结构一根次梁传给主梁的集中荷载设计值为58.7kN,主梁与该次梁连接处的加劲肋和主梁腹板采用双面直角角焊缝连接,设焊缝尺寸hf=6mm,加劲肋的切角尺寸如图16~23(b)所示。
试问,该焊接连接的剪应力值(N/mm2),与下列何项数值最为接近?
A.13.6B.19.4C.25.6D.50.9
【解】
7.1.3直角角焊缝的强度计算
1在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下:
……………….
侧面角焊缝(作用力平行于焊缝长度方向):
τf=
≤
(7.1.3-2)
……………..
8.2.7角焊缝的尺寸应符合下列要求:
5侧面角焊缝的计算长度不宜大于60hf,当大于上述数值时,其超过部分在计算中不予考虑。
若内力沿侧面角焊缝全长分布时,其计算长度不受此限。
竖向焊缝的几何长度为900-2×16-2×40=788mm,扣除2hf后的计算长度为776mm>60hf=360mm,依据《钢结构设计规范》GB50017-2003第8.2.7条,
取计算长度为60hf=360mm。
于是
N/mm2
故选择B。
点评:
1.有人认为,这里的加劲肋算作“支承加劲肋”,应不考虑60hf限值,笔者认为该观点不妥。
尽管《钢结构设计规范》的“术语”部分没有给出“支承加劲肋”的解释,但通常认为,以下两种情况属于支承加劲肋:
(1)承受支座反力的突缘加劲肋;
(2)集中荷载作用于梁翼缘,翼缘下方设置的加劲肋。
2.题中给出的是传给主梁的荷载数值,而不是次梁的支座反力,所以不乘以增大系数。
21.假设上题中的次梁与主梁采用8.8级M16的高强度螺栓摩擦型连接,连接处的钢材表面处理方法为钢丝刷清除浮锈,其连接形式如图16~23(b)所示。
考虑到连接偏心的不利影响,对次梁端部剪力设计值F=58.7kN乘以1.2的增大系数。
试问,连接所需的高强度螺栓数量n(个),与下列何项数值最为接近?
A.3B.4C.5D.6
【解】依据《钢结构设计规范》GB50017-2003第7.2.2条计算:
7.2.2高强度螺栓摩擦型连接应按下列规定计算:
1在抗剪连接中,每个高强度螺栓的承载力设计值应按下式计算:
=0.9nfμP(7.2.2-1)
式中nf—传力摩擦面数目;
μ—摩擦面的抗滑移系数,应按表7.2.2-1采用;
P—一个高强度螺栓的预拉力,应按表7.2.2-2采用。
7.2.2-1摩擦面的抗滑移系数μ
在连接处构件接触面的处理方法
构件的-钢号
Q235钢
Q345钢、Q390钢
Q420钢
喷砂(丸)
0.45
0.50
0.50
喷砂(丸)后涂无机富锌漆
0.35
0.40
0.40
喷砂(丸)后生赤锈
0.45
0.50
0.50
钢丝刷清除浮锈或未经处理
0.30
0.35
0.40
一个高强度螺栓的预拉力P(kN)
螺栓的性能等级
螺栓公称直径(mm)
M16
M20
M22
M24
M27
M30
8.8级
80
125
150
175
230
280
10.9级
100
155
190
225
290
355
一个高强度螺栓的抗剪承载力设计值为:
0.9×1×0.30×80=21.6kN
所需螺栓的个数n≥1.2×58.7/21.6=3.3故选择B
22.在夹层结构中,假定主梁作用于立柱的轴向压力设计值N=307.6kN;立柱选用Q235-B钢材,截面无孔洞削弱,翼缘板为焰切边。
立柱与基础刚接,柱顶与主梁铰接,其计算长度在两个主轴方向均为5.50m。
要求对立柱按照实腹式轴心受压构件作整体稳定性验算。
试问,柱截面的压应力设计值(N/mm2),与下列何项数值最为接近?
A.47.8B.53.7C.69.1D.89.7
【解】依据《钢结构设计规范》GB50017-2003表5.1.2-1,截面对x轴y轴均属于b类。
表5.1.2-1轴心受压构件的截面分类(板厚t<40mm)
截面形式
对x轴
对y轴
焊接,翼缘为焰切边
b类
b类
由于x-x轴和y-y轴的计算长度相同,因此只需要对弱轴(y轴)计算即可,此外应注意回转半径(ix及iy)的计算方法
mm
查规范表C-2,得到φy=0.575
N/mm2选择C
23.若次梁按照组合梁设计,并采用压型钢板混凝土组合板作为翼缘板,压型钢板板肋垂直于次梁。
混凝土强度等级为C20,抗剪连接件采用材料等级为4.6级的d=19mm圆柱头螺栓(焊钉)。
已知组合次梁上跨中最大弯矩点与支座零弯矩点之间钢梁与混凝土翼缘板交界面的纵向剪力Vs=665.4kN;螺栓(焊钉)抗剪连接件承载力设计值折减系数屈βv=0.54。
试问,组合次梁上连接螺栓的个数,与下列何项数值最为接近?
提示:
按完全抗剪连接计算
A.20B.34C.42D.46
【解】依据《钢结构设计规范》GB50017-2003第11.3.1条第1款,一个抗剪连接件的承载力设计值:
11.3.1组合梁的抗剪连接件宜采用栓钉,也可采用槽钢、弯筋或有可靠依据的其他类型连接件。
栓钉、槽钢及弯筋连接件的设置方式如图11.3.1所示;一个抗剪连接件的承载力设计值由下列公式确定:
图11.3.1连接件的外形及设置方向
1圆柱头焊钉(栓钉)连接件:
=0.43As
≤0.7Asγf(11.3.1-1)
式中Ec—混凝土的弹性模量;
As—圆柱头焊钉(栓钉)钉杆截面面积;
f—圆柱头焊钉(栓钉)抗拉强度设计值;
γ—栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比。
当栓钉材料性能等级为4.6级时,取f=215(N/mm2),γ=1.67。
N
0.7
N
取二者较小者,为60.3kN。
11.3.2对于用压型钢板混凝土组合板做翼板的组合梁(图11.3.2)其栓钉连接件的抗剪承载力设计值应分别按以下两种情况予以降低:
图11.3.2用压型钢板混凝土组合板做翼板的组合梁
…………………
2当压型钢板肋垂直于钢梁布置时(图11.3.2b),栓钉抗剪连接件承载力设计值的折减系数按下式计算:
βv=
≤1(11.3.2-2)
式中n0—在梁某截面处一个肋中布置的栓钉数,当多于3个时,按3个计算。
承载力设计值成为0.54×60.3=32.6kN。
于是,依据规范第11.3.4条,半跨范围内所需连接件数目为
20.4个
取为21个,全跨需要42个选择C
若误取71.2kN考虑折减系数进行计算,最后会得到34个,错选B。
题24~26
非抗震的某梁柱节点,如图24~26所示。
梁柱均采用热轧H型钢截面,梁采用HN500×200×10×16(r=20),柱采用HM390×300×10×16(r=24),梁柱钢材均采用Q345B。
主梁上下翼缘与柱翼缘为全熔透坡口对接焊缝,采用引弧板和引出板施焊;梁腹板与柱工地熔透焊,单面连接板(兼作腹板焊接衬板),并采用4×M16工地安装螺栓。
图24~26
24.梁柱节点采用全截面设计法,即弯矩由翼缘和腹板共同承担,剪力由腹板承担。
试问,梁翼缘与柱之间全熔透坡口对接焊缝的应力设计值(N/mm2),与下列何项数值最为接近?
提示:
梁腹板和翼缘的截面惯性矩分别为Iwx=8541.9×104mm4,Ifx=37480.96×104mm4
A.300.2B.280.0C.246.5D.157.1
【解】
梁翼缘承担的弯矩设计值:
kN·m
将该弯矩等效为力偶:
kN
焊缝所受应力:
N/mm2故选择D
25.已知条件同题24。
试问,梁腹板与柱对接连接焊缝的应力设计值(N/mm2),与下列何项数值最为接近?
提示:
假定梁腹板与柱对接连接焊缝的截面抵抗矩为365.0×103mm3
A.152B.164C.179D·187
【解】依据《钢结构设计规范》GB50017-2003第7.1.2条,梁腹板与柱翼缘的T形接头为承受弯矩和剪力共同作用的对接接头
7.1.2对接焊缝或对接与角接组合焊缝的强度计算。
……
2在对接接头和T形接头中,承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝或对接与角接组合焊缝,其正应力和剪应力应分别进行计算。
但在同时受有较大正应力和剪应力处(例如梁腹板横向对接焊缝的端部),应按下式计算折算应力:
≤1.1
(7.1.2-2)
梁腹板承受的弯矩:
kN·m
焊缝承受的最大正应力:
N/mm2
焊缝承受的剪应力:
N/mm2
折算应力:
N/mm2故选择B
若只考虑弯矩引起的正应力而未考虑剪应力,则会错选A
26.该节点需在柱腹板处设置横向加劲肋,试问,腹板节点域的剪应力设计值(N/mm2),与下列何项数值最为接近?
A.178.3B.211.7C.240.0D.255.0
【解】依据《钢结构设计规范》GB50017-2003第7.4.2条:
柱翼缘和柱的横向加劲肋所包围的柱腹板的节点域的剪力计算:
7.4.2由柱翼缘与横向加劲肋包围的柱腹板节点域应按下列规定计算:
1抗剪强度应按下式计算:
≤
(7.4.2-1)
式中Mb1、Mb2—分别为节点两侧梁端弯矩设计值;
Vp—节点域腹板的体积。
柱为H形或工字形截面时,Vp=hbhctw,柱为箱形截面时,Vp=1.8hbhctw;
C—柱腹板厚度;
hb—梁腹板高度。
当柱腹板节点域不满足公式(7.4.2-1)的要求时,对H形或工字形组合柱宜将腹板在节点域加厚。
腹板加厚的范围应伸出梁上、下翼缘外不小于150mm处。
对轧制H型钢或工字钢柱,亦可贴焊补强板加强。
补强板上下边可不伸过柱腹板的横向加劲肋或伸过加劲肋之外各150mm。
补强板与加劲肋连接的角焊缝应能传递补强板所分担的剪力,焊缝的计算厚度不宜小于5mm。
当补强板伸过加劲肋时,加劲肋仅与补强板焊接,此焊缝应能将加劲肋传来的剪力全部传给补强板,补强板的厚度及其连接强度,应按所承受的力进行设计。
补强板侧边应用角焊缝与柱翼缘相连,其板面尚应采用塞焊与柱腹板连成整体,塞焊点之间的距离不应大于较薄焊件厚度的21
。
对轻型结构亦可采用斜向加劲肋加强。
2腹板的厚度tw应满足下式要求:
tw≤
(7.4.2-2)
N/mm2
故选择A
27.北方地区某高层钢结构建筑,其1~10层外框柱采用焊接箱形截面,板厚为60~80mm,工作温度低于-20℃,初步确定选用Q345国产钢材。
试问,以下何种质量等级的钢材是最适合的选择?
提示:
“GJ”代表高性能建筑结构用钢
A.Q345DB.Q345GJCC.Q345GJD-Z15D.Q345C
【解】依据《钢结构设计规范》GB50017-2003第3.3.6条,当结构工作温度高于-20℃时,Q345钢材应具有-20℃冲击韧性的合格保证,因此,质量等级应达到D级。
依据《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-98的2.0.5条,采用焊接连接的节点,当板厚等于或大于50mm,并承受沿板厚方向的拉力作用时,应按现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB5313的规定,附加板厚方向的断面收缩率,并不得小于该标准Z15级规定的允许值。
故选择C
28.梁受固定集中荷载作用,当局部压应力不能满足要求时,采用以下何项措施才是较合理的选择?
A.加厚翼缘B.在集中荷载作用处设支承力加劲肋
C.沿梁长均匀增加横向加劲肋D.加厚腹板
【解】依据《钢结构设计规范》GB50017-2003第4.3.2条
4.3.2组合梁腹板配置加劲肋应符合下列规定(图4.3.2):
l当h0/tw≤80
时,对有局部压应力(σ0≠0)的梁,应按构造配置横向加劲肋;但对无局部压应力(σ0=0)的梁,可不配置加劲肋。
……
3梁的支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处,宜设置支承加劲肋。
若在集中荷载作用处设支承加劲肋,则压力由加劲肋承受,局部压应力σc=0。
故选择B
29.在钢管结构中采用热加工管材和冷弯成形管材时,应考虑材料的屈服强度(N/mm2)、屈强比和钢管壁的最大厚度(mm)三个指标。
根据下列四种管材的数据(依次
为屈服强度、屈强比、管壁厚度),试指出其中何项性能的管材最适用于钢管结构?
A.345、0.9、40B.390、0.8、40C.390、0.9、25D.345、0.8、25
【解】依据《钢结构设计规范》GB50017-2003第10.1.3条:
10.1.3热加工管材和冷成型管材不应采用屈服强度fy超过345N/mm2以及屈强比fy/fu>0·8的钢材,且钢管壁厚不宜大于25mm。
故选择D
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