钢结构设计原理a-1.绪论

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1、钢结构设计原理 教材： 肖光宏主编，钢结构，重庆：重庆大学出版社，2011 参考教材： 1. 范崇仁主编，水工钢结构，北京：中国水利水电出版 社，2008 2.丁阳主编，钢结构设计原理，天津：天津大学出版社， 2004 3.钢结构设计规范GB50017-2003 4.水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95 钢结构课程简介（港航、水利类） 钢结构是土木工程专业的主要专业课之一，也是 水工、港航、海工、农水等水利类专业的技术基础课 。钢结构是当前我国重点推广和发展的结构形式。 钢结构是根据所用材料不同而划分出来的工程结 构的一门分支。课程的主要内容包括材料、连接、基 本构件三大部分。不同的钢结构

2、物都是由基本构件联 结而成，基本构件的核心问题是稳定问题。 Preface to Steel Structure 一、本课程的性质和任务 1 本课程的性质 2 本课程的任务 1、钢材的性能、影响因素及合理选择； 2、钢结构的连接设计与计算； 3、构件设计 二、钢结构的主要特点： A 优点 1、材料强度高、结构重量轻 强度是混凝土强度的20倍以上，截面尺寸小，比如，钢屋架 重量是钢筋混凝土屋架重量的1/31/4 。 （注：混凝土的质量密度24002500kg/m3, 钢材为7850kg/ m3) 2、钢结构工作的可靠性高。钢材材质均匀，各向同性。可简化为 理想的弹塑性体。 3、塑性性能好 破坏前

3、产生显著的变形，有明显的预兆。抗震性能好。 4、具有良好的韧性，适宜于承受动荷载 5、良好的加工性能、焊接性能 专业化工厂加工制造，运至现场安装。易于保证质量、缩短工 期。我国已建成的某240m315m全钢结构厂房，建筑面积达7.6万 平方米，其结构安装仅用了98天。 6、密闭性好，适用于高压容器、管道、大型油罐等 7、便于拆装 ，重复使用 如塔吊、挂篮、架桥机、拱架、钻井塔架。 B 值得注意的问题： 1、钢结构的稳定性 强度高，截面尺寸小，厚度薄，容易失稳。 2、钢结构的耐腐蚀问题 钢材易锈蚀，应加强维护。 3、钢结构的耐火问题 钢结构耐热，不防火。 温度高于300 C时，强 度急剧下降，软

4、化，600 C 时已不能承重。一般在 200 C以下，钢结构的强度无影响。 4、低温冷脆 0 C以下钢材开始变脆，- 20 C以下更为明显。 承受动荷载时应严格保证冲击韧性要求。 国家体育场 国家体育场建 筑体形上像鸟 巢。可容纳8 万人。平面为 椭圆形,长轴 340m短轴 292m。屋盖 中间有一个 146m76m的 开口，这部分 将设计成开合 屋盖。采用加 肋薄壁箱形截 面 ，总用钢 量达16万t 。 （1）大跨度结构 三、钢结构的应用 国家大剧院 位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近12公顷 ，总建筑面积近15万平方米，总投资26.88亿元。 该工程外部围护结构为钢结构网壳

5、，是半椭圆球形，东西长轴 212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285。内设歌剧院（2416席 ）、音乐厅（2017席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面采 用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口 均设在水下 。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设 计研究院参与主体设计 ，整体结构用钢量达6750t，195kg/m。 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 第一章 绪 论 公、铁路两用桥，铁路桥全长7675m，公路桥全长4460m，正桥11孔， 全长1806m，主跨216m，采用连续钢桁

6、梁结构。 九江长江大桥 （2）桥梁结构 桁架桥 （3）重型厂房结构 西安变压器厂（400t吊车） 第一章 绪 论 台北101楼高101层，总高度 508米，26层以上以8层为一单元 。主要由巨柱、核心系统及外伸 桁架梁。 有世界最大且最重的“风阻尼器”， 直径5.5m，重670吨的阻尼器 （4）高层与高耸建筑 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 第一章 绪 论 上海金茂大厦 位于上海浦东新区，陆 家嘴金融贸易中心，采用 钢筋混凝土核心筒，外框 钢骨混凝土及钢柱结构。 建筑面积28.9万m2，地下3 层，地上88层，建筑高度 420.5m，总

7、用钢量18000吨 。设计者为美国S.O.M事务 所。 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 第一章 绪 论 上海环球金融中心 位于陆家嘴金融贸易区，毗 邻金贸大厦，是以日本森大厦株 式会社为中心，联合日本、美国 等40多家企业投资兴建的项目。 工程占地面积为3万m2，总建筑 面积达38.16万m2。该工程地上 101层，地下3层，建筑主体高度 达492m，总用钢量26000吨，采 用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨 混凝土及钢柱结构，目前正在施 工中，预期2008年竣工。 钢结构设计原理 Design Principles of Steel St

8、ructure 第一章 绪 论 上海环球金融中心和金贸大厦的相对位置和相对高度 上海中心，632米 （5）轻型钢结构 （6）容器和其他构筑物 陕西铜川天然气公司 1000立方米天然气球罐 大连西太平洋石化有限公司 1500立方米CF-62钢球罐 （7）住宅钢结构 （8 8） 活动式结构活动式结构 如水工钢闸门、升船机等，可充分发挥钢结构 重量轻的特点，降低启闭设备的造价和运转所 耗费的动力。 我国三峡工程的永 久船闸采用双线五 级连续梯级船闸， 总水级差113m，闸 门孔口净宽34m， 每级均采用人字钢 闸门，共有12道24 扇闸门，每扇闸门 高38.5m，宽20.2m ，重830t。船过船

9、闸一般需2小时35 分钟。 海上采油平台海上采油平台 钢结构设计的要求和目的 任何结构都是为了完成所要求的某些功能而设计的 。工程结构必须具备下列功能： (1) 安全性 结构在正常施工和正常使用条件下，承受 可能出现的各种作用的能力。在偶然事件发生时和发生后 ，仍保持必要的整体稳定性的能力。 (2) 适用性 结构在正常使用条件下，满足预定使用要 求的能力。 (3) 耐久性 结构在正常维护条件下，随时间变化而仍 能满足预定功能要求的能力。 结构的安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性 。 钢结构的设计方法 公桥规的设计方法 基于容许应力的设计表达式 一般K=1.7，考虑匀质系数、超载系数、工作

10、 条件系数。 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 第一章 绪 论 概率极限状态设计法 （1）承载能力极限状态 结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形，包括以 下几个方面： 1. 结构的极限状态 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）； 结构构件或连接因超过材料强度而破坏； 结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏； 结构构件或连接因过度变形而不适于继续承载； 结构转变为机动体系； 结构或构件丧失稳定（如压屈等）。 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 第一章

11、绪 论 （2）正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值： 影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）； 影响正常使用的振动； 影响正常使用的其它特定状态。 承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身伤亡 和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起人们 的不适，所以也应该给予足够的重视。 第一章 绪 论 2. 概率极限状态设计原理 设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量 0，结构处于可靠状态 功能函数 Z=R-S =0，结构处于极限状态 0，结构处于失效状态 失效概率 可靠指标 一次二阶矩的近似概率方法 f

12、z(Z) pfz z z Z 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 第一章 绪 论 2.52.73.23.74.2 Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5 失效概率和可靠指标的对应关系 设计表达式 为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不 直接使用进行设计，而利用基本表达式式: 来 完成。就设计而言，问题被转化为计算效应S和抗力R。 基本组合时荷载效应设计值基本组合时荷载效应设计值 S:S: (1) (1) 由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合 （2 2）由永久荷载效应控制的组合）由永久荷载效

13、应控制的组合 当活荷载标准值大于当活荷载标准值大于4kN/m4kN/m 2 2 时，时， 活荷载组合值系数活荷载组合值系数 对由可变荷载效应控制的组合对由可变荷载效应控制的组合 对由永久荷载效应控制的组合对由永久荷载效应控制的组合 1）承载能力极限状态分项系数表达式 f钢材或连接材料强度设计值。 fk钢材或连接材料强度标准值。 R钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235 钢R =1.087;Q345、Q390、Q420钢R=1.111 。 对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频 遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的 规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。

14、Gk -永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值； Q1k起控制作用的第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的 变形值（该值使计算结果为最大）； 2）正常使用极限状态 Qik-其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。 -结构或结构构件的容许变形值。 钢结构发展的几个方面钢结构发展的几个方面 1.设计方法和计算理论的改进 1）向采用更为先进合理的全概率极限状态设计法 的方向努力。 2）设计由构件或某一截面的可靠度，向以整个结 构体系可靠度分析为目标的结构设计发展。 3) 钢结构的计算理论，如稳定计算、塑性设计 、优化设计以及在动力荷载作用下的性能等， 都需要进一步深入研究。 2

15、. 2. 优质钢材的应用优质钢材的应用 采用高强度钢材: 国外已把屈服强度为700800N/mm2或更高 强度的低合金结构钢列入设计规范。研究强度更高的钢材及其 合理使用将是重要的课题。 生产和推广应用经济断面钢材:如轧制H型钢、T型钢、冷弯薄壁 型钢、彩色涂层压型钢板等。 研制和应用高功能结构钢：（1）耐火钢：我国已生产出了耐火 耐候钢，并用于工程建设。（2）耐大气腐蚀钢（耐候钢）：研 究生产新的高性能耐候钢和耐火耐候钢及涂料仍然是今后研究 的重点。（3）低屈强比耐震结构钢：钢材的屈强比越低，材料 破断前产生稳定塑性变形的能力越高，吸震性能越好。 3. 3. 结构形式的革新结构形式的革新 新

16、型结构：如网架和网壳结构、薄壁型 钢结构、预应力结构、悬挂结构、钢混 凝土组合结构、钢混凝土混合结构索膜 结构、索网结构和其它杂交结构。 4. 制造工业水平的提高 改进钢结构制造的工艺和进行设备更新， 提高机械化和自动化水平。应促进一些结构形 成系列化、标准化、产品化，实现工厂化批量 生产，作为产品投放市场，降低造价。 基本要求 课程成绩由考试 + 平时成绩给出。平时成绩包 括作业、课堂提问、参加辅导答疑等。抄作业者 和被抄作业者作业成绩为零分。 不得迟到、旷课。为了不影响他人，迟到者须到 课间休息时方可进入教室。旷课达1/3，取消考 试资格。缺课累计达5节及以上， 成绩由口试+ 笔试 + 平时成绩给出，且口试及格后方可参加 笔试。 答疑：每周四19：30 第一教学楼三楼教员休息室