鋼結構(steelwork) / CON4334
練習

循序練習及陌生變式

展開教學步驟旁的「動畫解說(Animation lab)」,觀看圖解或逐步讀取原式。模型為示意,原題答案完整保留。

中英術語對照(Terminology)

本頁全部題目均為自編練習,不是額外歷屆試題,也不是押題。請在紙上作答,先辨識受力/破壞機理,再選公式。即使數字答對,但方法錯誤且無法解釋,也不算能獨立應用。

第 1 階段:基本算術及題型辨識

P1 · 單位

自行練習。某截面有 Ix=19460cm4Sx=1211cm3ry=3.99cm。各自換成以 mm 為基礎的單位。

提示(hint)

長度的幾次方,就乘 10 的相同次方。

顯示答案及解釋

Ix=19460×104=194600000mm4Sx=1211×1000=1211000mm3ry=3.99×10=39.9mm三者不可都乘同一換算係數。

動畫解說(Animation lab)單位與次方(Units and powers)1 個概念 · 3 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 代入前,先把力、長度及應力轉為相容單位。
  2. 面積有兩個長度因子,因此
  3. 截面模數(section modulus)是長度三次方,截面二次矩(second moment of area)是四次方;cm 轉 mm 分別乘
  4. 再除以 彎矩才成為

P2 · 由面荷載(area load)到線荷載(line load)

自行練習。樓板(slab) G=4kNm2Q=3kNm2,鋼樑(steel beam)分擔荷載(tributary load)寬度 2m樑自重(self-weight) 0.5kNm求設計線荷載(line load)

提示(hint)

GQ 分開;自重(self-weight)屬恆載(dead load)

顯示答案及解釋

wG=4×2+0.5=8.5kNmwQ=3×2=6kNmwu=1.4×8.5+1.6×6=11.9+9.6=21.5kNm

動畫解說(Animation lab)追蹤樓面荷載(3D load path)2 個概念 · 3 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 樓面承受 的面荷載;標示的樓面帶由一條次樑承擔。
  2. 面荷載乘分擔寬度(tributary width):本示意
  3. 主樑在接駁位置承受次樑反力;該反力不會自動變成全跨均布荷載。
  4. 反力沿鋼柱傳至基礎;同一承載面積只計一次。

P3 · 反力(reaction)及彎矩(bending moment)

自行練習。P2 鋼樑(steel beam)簡支,跨距 6m求反力(reaction)及最大彎矩(maximum bending moment)

提示(hint)

由對稱性得兩反力(reaction)相等;剪力(shear force)在跨中(midspan)變號。

顯示答案及解釋

總荷載 21.5×6=129kNRA=RB=1292=64.5kNMmax=wL28=21.5×368=96.75kN·m核對 RA+RB=129kNRB×6=129×3

動畫解說(Animation lab)反力與彎矩平衡(Equilibrium)2 個概念 · 5 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 本示意為 6 m 簡支樑及 60 kN 集中荷載,並非原題的荷載圖。
  2. 荷載越靠近 B, 越大。
  3. 兩個向上反力的總和必須等於 P。
  4. 荷載在跨中時,端彎矩、均布荷載及懸臂段均須加入各自的平衡項。

P4 · 選擇方法

自行練習。一條 8m 樑,兩端各有豎向支座,距端部 3m 處另有側向約束(lateral restraint)有多少個豎向跨距及 LTB 分段?

提示(hint)

分清側向約束(lateral restraint)與豎向支座。

顯示答案及解釋

一個 8m 豎向跨距;兩個 LTB 分段,長 3m5m先分析整條 8m 樑的豎向受力彎矩(bending moment)側向約束(lateral restraint)處的彎矩不一定為零。

P5 · 強度表格行

自行練習。S355 翼緣(flange)20mmbT=8.5,受彎腹板(web) dt=40將截面分類(section classification)

提示(hint)

py=345,再把翼緣(flange)9ε10ε 比較,腹板(web)80ε 比較。

顯示答案及解釋

ε=275345=0.892804翼緣(flange) 8.5>9ε=8.035235,但 8.5<10ε=8.928039,屬 Class 2。腹板(web) 40<80ε=71.424314,屬 Class 1。整體 Class 2;低剪力(low shear)時可用受上限約束的塑性(plasticity)抗彎。

動畫解說(Animation lab)薄板為何局部屈曲(Section class)2 個概念 · 4 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 翼緣外伸部分與腹板的寬度、厚度及邊界支承不同。
  2. 較薄板件可能先局部起皺,早於整條構件失穩。
  3. 第 1 類可提供塑性轉動,第 2 類可達塑性承載力,第 3 類達彈性承載力,第 4 類須用有效截面性質。
  4. 依原表限值及應力分布驗算所有相關受壓板件,再取較不利類別;圖中變形為定性示意。
動畫解說(Animation lab)單位與次方(Units and powers)7 個概念 · 7 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 代入前,先把力、長度及應力轉為相容單位。
  2. 面積有兩個長度因子,因此
  3. 截面模數(section modulus)是長度三次方,截面二次矩(second moment of area)是四次方;cm 轉 mm 分別乘
  4. 再除以 彎矩才成為

第 2 階段:選取及應用抗力

P6 · 螺紋(thread)處雙剪(double shear)

自行練習。對稱雙蓋板拼接的四顆 M20 Grade 8.8 螺栓(bolt)承受 300kN螺紋(thread)穿過兩個剪切面(shear plane)螺栓抗剪是否足夠?

提示(hint)

每顆有兩個剪切面(shear plane);完整連接力由其中一個傳力半邊的四顆螺栓(bolt)分擔。

顯示答案及解釋

At=245mm2ps=375單面 Ps=245×3751000=91.875kN兩面 183.75kN四顆 735kN>300每顆需求 75kN,每個對稱剪切面(shear plane) 37.5這只驗算(check)螺栓(bolt)剪切;板件及排布須另驗。

動畫解說(Animation lab)數清螺栓剪切面(Shear planes)1 個概念 · 4 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 荷載須跨越被連接鋼板之間的界面。
  2. 搭接(lap joint)使每支螺栓有一個剪切面。
  3. 對稱雙蓋板接頭可提供兩個剪切面;應數實際傳力界面,不能只數看見的鋼板。
  4. 按原教材選螺栓面積及剪切強度,再分別檢查承壓、板件承載力及構造要求。

P7 · 選取承壓(bearing)控制值

自行練習。一顆 M20 Grade 8.8 螺栓(bolt)8mm S355 板承壓(bearing),標準孔徑(hole diameter) 22mm、螺距 60、端距(end distance) 30mmpbs=550Us=510Ub=800 計算三個連接件限值。

提示(hint)

承壓面積(bearing area)d=20,但孔間淨距用螺距減孔徑(hole diameter) 22

顯示答案及解釋

直徑項 20×8×5501000=88kN端距(end distance)0.5×30×8×5501000=66kN孔間淨距 lc=6022=38mm撕裂(tear-out)限值:min(1.5×38×8×510,2×20×8×800)1000=min(232.56,256)=232.56kN控制值 66kN30mm 端距亦可能不符合剪切邊最小 34mm 要求,因此須先交代邊緣加工方式,才可說排布合格。

動畫解說(Animation lab)承壓與剩餘韌帶(Bearing / tear-out)1 個概念 · 4 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 荷載藉螺栓與連接板孔壁的接觸傳遞。
  2. 孔周鋼板承受局部承壓應力;螺栓承壓與鋼板承壓須分開驗算。
  3. 較短韌帶可能向端部撕裂;荷載方向決定應檢查哪一邊。
  4. 對每層板件計算所有指定承壓及韌帶限值,採用最小的適用承載力。

P8 · 螺栓(bolt)剪拉組合

自行練習。一顆 M20 Grade 8.8 螺栓(bolt)承受 Fs=40kNFt=90kN套用課程組合規則。

提示(hint)

Ps=91.875Pt=137.2Pnom=109.76kN。仍須逐項驗算(check)

顯示答案及解釋

4091.875=0.43537490109.76=0.819971總和 1.255345<1.4個別剪力(shear force) 40<91.875 及拉力(tensile force) 90<137.2 均通過(亦有 90<109.76)。不要只因組合比值大於 1 就判不合格。

動畫解說(Animation lab)數清螺栓剪切面(Shear planes)3 個概念 · 6 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 荷載須跨越被連接鋼板之間的界面。
  2. 搭接(lap joint)使每支螺栓有一個剪切面。
  3. 對稱雙蓋板接頭可提供兩個剪切面;應數實際傳力界面,不能只數看見的鋼板。
  4. 按原教材選螺栓面積及剪切強度,再分別檢查承壓、板件承載力及構造要求。

P9 · 焊長(weld length)及構造

自行練習。直接力 140kN 由兩道直線 S355/Class 42 角焊縫(fillet weld)平均承受。焊腳(weld leg) 6mm,板厚 1012mm,每道可用實際長度(actual length) 100mm驗算(check)強度及最小/最大焊腳。

提示(hint)

每道有終止端的焊縫(weld):有效長度(effective length)等於實際長度(actual length)2s

顯示答案及解釋

q=0.7×6×2501000=1.05kNmm每道 Leff=10012=88mm總抗力 2×88×1.05=184.8kN>140所需 Leff=1402×1.05=66.666667mm實際長度(actual length) 78.666667mm較厚板 12mm 要求最小焊腳(weld leg) 510mm 板邊最大為 102=86 在兩者之間。有效長度(effective length) 88max(24,40)搭接(lap joint)/端部回焊及橫向間距仍須按實際幾何驗算(check)

動畫解說(Animation lab)從焊腳至有效喉厚(Fillet weld)1 個概念 · 7 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 兩塊垂直鋼板之間的等腳角焊縫,截面近似直角三角形。
  2. 此幾何的喉厚 小於焊腳長度。
  3. 有效承力面積 = 本示例 每單位長度承載力為
  4. 須按課程計端部扣減、最小尺寸及長度限制;增加幾何長度不代表所有構造檢查已符合。

P10 · 插值(interpolation)

自行練習。曲線 c、py=3456062 行的 pc 分別為 241236Nmm2λ=61.2Ag=11300mm2,求 Pc

提示(hint)

插值(interpolation)比例為 1.22,不是 61.262

顯示答案及解釋

pc=241+61.2606260×(236241)=2413=238Nmm2Pc=238×113001000=2689.4kN結果在上下界行的抗力 2723.32666.8kN 之間。

動畫解說(Animation lab)有效長度與屈曲軸(Column buckling)2 個概念 · 2 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 鋼柱可能在截面到達壓潰承載力前已側向彎曲。
  2. 每個軸向有自己的迴轉半徑及約束間距。
  3. 兩者須用相同長度單位;拉繫只影響它實際約束的方向。
  4. 先選各軸屈曲曲線及抗壓強度,再求 Pc;控制軸由承載力決定,不能只比較細長比。
動畫解說(Animation lab)數清螺栓剪切面(Shear planes)7 個概念 · 8 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 荷載須跨越被連接鋼板之間的界面。
  2. 搭接(lap joint)使每支螺栓有一個剪切面。
  3. 對稱雙蓋板接頭可提供兩個剪切面;應數實際傳力界面,不能只數看見的鋼板。
  4. 按原教材選螺栓面積及剪切強度,再分別檢查承壓、板件承載力及構造要求。

第 3 階段:陌生變式及錯誤診斷

P11 · 偏離跨中(midspan)的荷載

自行練習。一條 6m 簡支樑(simply supported beam),在距 A 點 2m 處承受 150kN 設計集中荷載(point load)忽略自重(self-weight)求反力(reaction)、最大彎矩(maximum bending moment)及全跨四分點 mLT

提示(hint)

四分點在 1.534.5m自行推導各處彎矩(bending moment),不用跨中(midspan)集中荷載(point load)的捷徑。

顯示答案及解釋

RB×6=150×2,得 RB=50kNRA=100kN最大彎矩(maximum bending moment)x=2,為 100×2=200kN·mM1.5=150M3=100×3150×1=150M4.5=450150×2.5=75kN·mmLT=max[0.44,0.2+0.15×150+0.5×150+0.15×75200]=0.74375等效需求 148.75kN·m跨中(midspan)集中荷載(point load)0.85 捷徑不符合此荷載位置。

動畫解說(Animation lab)反力與彎矩平衡(Equilibrium)3 個概念 · 9 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 本示意為 6 m 簡支樑及 60 kN 集中荷載,並非原題的荷載圖。
  2. 荷載越靠近 B, 越大。
  3. 兩個向上反力的總和必須等於 P。
  4. 荷載在跨中時,端彎矩、均布荷載及懸臂段均須加入各自的平衡項。

P12 · 高剪力(high shear)變式

自行練習。某截面 V=0.8Vcpy=355S=1200000Z=1050000Sv=250000mm3屬 Class 1。求折減後 Mc

提示(hint)

ρ 及兩條折減式,包括 1.2 上限。

顯示答案及解釋

ρ=(2×0.81)2=0.36第一項抗力:355(12000000.36×250000)106=394.05kN·m上限項:1.2×355(10500000.36×2500001.5)106=421.74kN·mMc=min(394.05,421.74)=394.05kN·m需求 400kN·m 不通過,即使低剪力(low shear)抗力原為 426kN·m

動畫解說(Animation lab)高剪力降低抗彎能力(High shear)2 個概念 · 4 個原式

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  1. 部分腹板同時參與抗彎及承受剪力。
  2. 課程低剪力路徑適用於 超過門檻須採適用折減式。
  3. 折減的是公式指定腹板部分,不能隨意把整個截面按某百分比折減。
  4. 須保留原計算中對應截面類別的公式及所有上限。

P13 · 荷載增加

自行練習。只計外加荷載(imposed load)的撓度(deflection)17mm,限值 L360=20mm只把 Q 增加 25%G 不變。同學把全部 ULS 內力都乘 1.25請更正。

提示(hint)

彈性(elasticity)撓度(deflection)與所計荷載成正比,但 ULS 總作用還包含未改變的恆載(dead load)部分。

顯示答案及解釋

新撓度(deflection) δ=1.25×17=21.25mm>20,故 SLS 不通過。新 ULS 作用為 1.4G+1.6×1.25Q,不是 1.25(1.4G+1.6Q)應分開 GQ 貢獻,重新計算反力(reaction)及彎矩(bending moment)

動畫解說(Animation lab)觀察剛度與撓度(Deflection)3 個概念 · 2 個原式

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  1. 選用指定 SLS 荷載、跨度及支承條件;此示意採全跨均布荷載。
  2. 樑受荷後彎曲;圖中變形放大,以便觀察。
  3. 簡支樑全跨均布荷載:保持 w、E、I 不變,L 加倍便使 δ 增至 16 倍。
  4. 讀數示意採 容許值須按原表的飾面及支承類別選取。

P14 · 未知約束

自行練習。某樑強度計算只有在 LE=L 時通過。圖中有端部支座,但沒有側向構造或荷載高度說明。完整結論應如何寫?

提示(hint)

假設(assumption)不是從線條圖量出來的尺寸。

顯示答案及解釋

列明計算結果以正常荷載/端部約束模型 LE=L 為條件;指出需要的側向/抗扭約束及荷載高度資料。若實際條件不同,按適用課程條件重算 LE不要虛構約束並聲稱無條件合格。

P15 · 弱軸(minor axis)拉繫支承

自行練習。某 UC 有 rx=120mmry=60mm,實際長度(actual length) 4m兩端鉸接(pinned connection)柱高中點的拉繫只約束弱軸(minor axis)側移(sway)λxλy

提示(hint)

拉繫只改變它所約束的屈曲(buckling)方向。

顯示答案及解釋

LEx=4000LEy=2000mmλx=4000120=33.333333λy=200060=33.333333長細比(slenderness ratio)相等,不代表 pc 相等,因為所選曲線可能不同。各軸須查正確曲線。

動畫解說(Animation lab)有效長度與屈曲軸(Column buckling)1 個概念 · 4 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 鋼柱可能在截面到達壓潰承載力前已側向彎曲。
  2. 每個軸向有自己的迴轉半徑及約束間距。
  3. 兩者須用相同長度單位;拉繫只影響它實際約束的方向。
  4. 先選各軸屈曲曲線及抗壓強度,再求 Pc;控制軸由承載力決定,不能只比較細長比。

P16 · 矩形變成 U 形

自行練習。四邊矩形焊縫(weld)移除上方水平焊段。可以沿用原形心(centroid)Ix+Iy 嗎?

提示(hint)

有效焊縫(weld)幾何改變,會同時影響直接應力(stress)及扭轉。

顯示答案及解釋

不可以。總焊長(weld length)減少,按焊長加權的形心(centroid)移向剩下的下方焊段。重新計算形心 ΣLiyiΣLi用平行軸項求每段剩餘焊線對新形心的慣性矩(second moment of area)由力的作用線到新形心重算 e在候選最不利點合成直接與扭轉分量。四邊封閉公式不再適用。

動畫解說(Animation lab)反力與彎矩平衡(Equilibrium)8 個概念 · 9 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 本示意為 6 m 簡支樑及 60 kN 集中荷載,並非原題的荷載圖。
  2. 荷載越靠近 B, 越大。
  3. 兩個向上反力的總和必須等於 P。
  4. 荷載在跨中時,端彎矩、均布荷載及懸臂段均須加入各自的平衡項。

如何判斷自己能獨立應用

只有在不開答案的情況下,能帶單位完成計算,並解釋每個適用條件(applicability)選擇,才算通過該階段。答錯後讀一個相關詳解例題,接着解另一題,不要立即抄回同一題。能完成第 3 階段而沒有隱藏假設(assumption)後,才做限時模擬試卷(timed mock examination)

做完整限時模擬試卷(timed mock examination) · 返回全部講義/導修例題

動畫解說(Animation lab)跟隨計算程序(Calculation sequence)1 個概念

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 找出荷載、支承、連接幾何及題目明示的假設。
  2. 分清已知值、查表值及計算值,並統一單位。
  3. 原式播放器按原有次序逐步顯示計算式。
  4. 比較需求與承載力或相關限值;明確保留缺少資料及條件式結論。