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。
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 、、。各自換成以 為基礎的單位。
提示(hint)
長度的幾次方,就乘 的相同次方。
顯示答案及解釋
;;。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)
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。
- 代入前,先把力、長度及應力轉為相容單位。
- ;面積有兩個長度因子,因此 。
- 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 和 。
- ;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) 、,鋼樑(steel beam)分擔荷載(tributary load)寬度 。樑自重(self-weight) 。求設計線荷載(line load)。
提示(hint)
把 、 分開;自重(self-weight)屬恆載(dead load)。
顯示答案及解釋
;。
動畫解說(Animation lab)追蹤樓面荷載(3D load path)
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- 樓面承受 的面荷載;標示的樓面帶由一條次樑承擔。
- 面荷載乘分擔寬度(tributary width):。本示意 。
- 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。
- 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 。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 ;。核對 及 。
動畫解說(Animation lab)反力與彎矩平衡(Equilibrium)
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- 本示意為 6 m 簡支樑及 60 kN 集中荷載,並非原題的荷載圖。
- 。荷載越靠近 B, 越大。
- 。兩個向上反力的總和必須等於 P。
- 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 樑,兩端各有豎向支座,距端部 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 豎向跨距;兩個 LTB 分段,長 及 。先分析整條 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)厚 ,,受彎腹板(web) 。將截面分類(section classification)。
提示(hint)
用 ,再把翼緣(flange)與 、 比較,腹板(web)與 比較。
顯示答案及解釋
。翼緣(flange) ,但 ,屬 Class 2。腹板(web) ,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)
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- 翼緣外伸部分與腹板的寬度、厚度及邊界支承不同。
- 較薄板件可能先局部起皺,早於整條構件失穩。
- 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。
- 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)
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。
- 代入前,先把力、長度及應力轉為相容單位。
- ;面積有兩個長度因子,因此 。
- 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 和 。
- ;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 ;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
、。單面 ;兩面 ;四顆 。每顆需求 ,每個對稱剪切面(shear plane) 。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)
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。
- 荷載須跨越被連接鋼板之間的界面。
- 搭接(lap joint)使每支螺栓有一個剪切面。
- 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。
- 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)對 S355 板承壓(bearing),標準孔徑(hole diameter) 、螺距 、端距(end distance) 。用 、、 計算三個連接件限值。
提示(hint)
承壓面積(bearing area)用 ,但孔間淨距用螺距減孔徑(hole diameter) 。
顯示答案及解釋
直徑項 。端距(end distance)項 。孔間淨距 ;撕裂(tear-out)限值:控制值 。 端距亦可能不符合剪切邊最小 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)
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- 荷載藉螺栓與連接板孔壁的接觸傳遞。
- 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。
- 較短韌帶可能向端部撕裂;荷載方向決定應檢查哪一邊。
- 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 及 。套用課程組合規則。
提示(hint)
、、。仍須逐項驗算(check)。
顯示答案及解釋
、;總和 。個別剪力(shear force) 及拉力(tensile force) 均通過(亦有 )。不要只因組合比值大於 就判不合格。
動畫解說(Animation lab)數清螺栓剪切面(Shear planes)
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。
- 荷載須跨越被連接鋼板之間的界面。
- 搭接(lap joint)使每支螺栓有一個剪切面。
- 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。
- 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 由兩道直線 S355/Class 42 角焊縫(fillet weld)平均承受。焊腳(weld leg) ,板厚 及 ,每道可用實際長度(actual length) 。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)減 。
顯示答案及解釋
。每道 ;總抗力 。所需 ;實際長度(actual length) 。較厚板 要求最小焊腳(weld leg) ; 板邊最大為 ; 在兩者之間。有效長度(effective length) 。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)
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- 兩塊垂直鋼板之間的等腳角焊縫,截面近似直角三角形。
- 此幾何的喉厚 ,小於焊腳長度。
- 有效承力面積 = 。本示例 ,每單位長度承載力為 。
- 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、: 及 行的 分別為 及 。若 、,求 。
提示(hint)
插值(interpolation)比例為 ,不是 。
顯示答案及解釋
結果在上下界行的抗力 及 之間。
動畫解說(Animation lab)有效長度與屈曲軸(Column buckling)
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- 鋼柱可能在截面到達壓潰承載力前已側向彎曲。
- 每個軸向有自己的迴轉半徑及約束間距。
- ,兩者須用相同長度單位;拉繫只影響它實際約束的方向。
- 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)
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。
- 荷載須跨越被連接鋼板之間的界面。
- 搭接(lap joint)使每支螺栓有一個剪切面。
- 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。
- 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 簡支樑(simply supported beam),在距 A 點 處承受 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 。
提示(hint)
四分點在 、、。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
,得 、。最大彎矩(maximum bending moment)在 ,為 。;;。等效需求 。跨中(midspan)集中荷載(point load)的 捷徑不符合此荷載位置。
動畫解說(Animation lab)反力與彎矩平衡(Equilibrium)
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。
- 本示意為 6 m 簡支樑及 60 kN 集中荷載,並非原題的荷載圖。
- 。荷載越靠近 B, 越大。
- 。兩個向上反力的總和必須等於 P。
- 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 、、、、。屬 Class 1。求折減後 。
提示(hint)
用 及兩條折減式,包括 上限。
顯示答案及解釋
。第一項抗力:上限項:。需求 不通過,即使低剪力(low shear)抗力原為 。
動畫解說(Animation lab)高剪力降低抗彎能力(High shear)
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- 部分腹板同時參與抗彎及承受剪力。
- 課程低剪力路徑適用於 ;超過門檻須採適用折減式。
- 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。
- 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)為 ,限值 。只把 增加 , 不變。同學把全部 ULS 內力都乘 。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) ,故 SLS 不通過。新 ULS 作用為 ,不是 。應分開 / 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)
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。
- 選用指定 SLS 荷載、跨度及支承條件;此示意採全跨均布荷載。
- 樑受荷後彎曲;圖中變形放大,以便觀察。
- 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。
- 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 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 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 。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 、,實際長度(actual length) 。兩端鉸接(pinned connection);柱高中點的拉繫只約束弱軸(minor axis)側移(sway)。求 、。
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
、;、。長細比(slenderness ratio)相等,不代表 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)
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。
- 鋼柱可能在截面到達壓潰承載力前已側向彎曲。
- 每個軸向有自己的迴轉半徑及約束間距。
- ,兩者須用相同長度單位;拉繫只影響它實際約束的方向。
- 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)及 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 ;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 ;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)
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。
- 本示意為 6 m 簡支樑及 60 kN 集中荷載,並非原題的荷載圖。
- 。荷載越靠近 B, 越大。
- 。兩個向上反力的總和必須等於 P。
- 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)
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。
- 找出荷載、支承、連接幾何及題目明示的假設。
- 分清已知值、查表值及計算值,並統一單位。
- 原式播放器按原有次序逐步顯示計算式。
- 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。